DE102008048995A1 - Induktiver Leitfähigkeitssensor - Google Patents

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Abstract

Ein induktiver Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfasst eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringspule gegenüber der zweiten Ringspule geneigt angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds.
  • Derartige induktive Leitfähigkeitssensoren funktionieren nach Art eines Doppeltransformators, wobei die erste Ringspule als Erregerspule und die zweite Ringspule als Empfängerspule dient. Um die Leitfähigkeit zu messen, wird diese Ringspulenanordnung, die eine Leitfähigkeitsmesszelle bildet, soweit in das Medium eingeführt, dass sich ein Strompfad um die Erregerspule und die Empfängerspule herum ausbilden kann. Wenn die Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem Strompfad einen Strom induziert, dessen Größe von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist. Dieser Strom, der ebenfalls ein Wechselstrom ist, wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Daher ist der von der Empfängerspule aus Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende von der Empfängerspule gelieferte Wechselspannung eine Funktion der elektrischen Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums.
  • Zur Beaufschlagung der Erregerspule mit einem solchen Wechselspannungssignal umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der Erregerspulespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfängerspule elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterleitung des Ausgabesignals der Empfängerspule, also des Messsignals, an die Messelektronik des Leitfähigkeitssensors, die das Messsignal gegebenenfalls digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers aus dem Messsignal den Leitfähigkeitsmesswert ermittelt. Das Messsignal und/oder der Leitfähigkeitsmesswert kann dann an eine übergeordnete Einheit weitergegeben und/oder über eine Anzeigeeinheit ausgegeben werden.
  • Induktive Leitfähigkeitssensoren dieser Art sind beispielsweise aus US 3,603,873 , DE 198 51 146 A1 , DE 41 16 468 A1 , DE 10 2006 025 194 A1 sowie DE 10 2006 056 174 A1 bekannt.
  • Induktive Leitfähigkeitssensoren weisen einen typischen Messbereich von etwa 20 μS/cm bis 2 S/cm auf. Der Messbereich bei geringen Leitfähigkeiten ist dadurch beschränkt, dass die Signale der Empfängerspule sehr gering sind und vom Restkopplungssignal (Ausgabesignal der Empfängerspule in Abwesenheit eines Mediums) überlagert werden. Das Restkopplungssignal setzt sich insbesondere zusammen aus einer kapazitiven Kopplung der Zuleitungen und Ringspulen und einer parasitären induktiven Kopplung der Ringspulen.
  • Die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen ergibt sich aufgrund eines Störfelds, welches senkrecht zu der Hauptkomponente des Magnetfelds der einzelnen Ringspulen ausgerichtet ist, die entlang eines innerhalb der Ringspule verlaufenden, ringförmigen geschlossenen Pfades verläuft.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das Störfeld mit Hilfe von hochpermeablen magnetischen Werkstoffen abzuschirmen. Beispielsweise kann die Ringspule in einer Aufnahme aus nachgeglühtem hochpermeablem Material, z. B. Mumetall, eingekapselt werden. Diese Art der Schirmung hat jedoch Nachteile. Die hohe Permeabilität des Mumetalls verringert sich bei Kaltverformung, so dass das Mumetall nach Bearbeitung aufwändig schlussgeglüht werden muss, um die hohe Permeabilität wieder herzustellen. Das Beziehen solcher vorgefertigter Schirmungen für die Herstellung von geschirmten Ringspulen, zum Beispiel zur Verwendung in der Fertigung von Leitfähigkeitssensoren, ist entsprechend kostspielig. Bei dieser Art der Fertigung ist außerdem darauf zu achten, dass eine weitere Verformung der vorgefertigten Schirmung wieder zur Verringerung der Permeabilität führt.
  • In US 3,806,798 ist ein induktiver Leitfähigkeitssensor mit zwei Ringspulen zur Messung der Leitfähigkeit eines Fluids beschrieben, wobei die Ringspulen jeweils einen ferromagnetischen Ringkern aufweisen. Zur Bildung jeder Ringspule ist ein elektrischer Leiter in einer ersten Lage unter Bildung einer ersten Spulenwicklung, die sich aus einer Vielzahl von Einzel-Windungen zusammensetzt, und die sich zwischen einem Anfangs- und einem Endpunkt, die beide auf dem Ringkern liegen, erstreckt, um den Ringkern gewunden. Zwischen dem Endpunkt- und dem Anfangspunkt ist derselbe elektrische Leiter weiterhin in einer zweiten Lage unter Bildung einer zweiten Spulenwicklung um den Ringkern gewunden, wobei sich die zweite Spulenwicklung aus der gleichen Zahl von Einzel-Windungen mit dem gleichen Windungssinn zusammensetzt wie die erste Spulenwicklung, wobei jedoch ihr Windungsfortschritt in entgegen gesetzter Richtung verläuft wie der Windungsfortschritt der ersten Spulenwicklung. Auf diese Weise soll bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter das von der ersten Spulenwicklung erzeugte Störfeld durch das entsprechende Störfeld der zweiten Spulenwicklung im Wesentlichen kompensiert werden.
  • Um eine möglichst vollständige gegenseitige Kompensation der Störfelder der beiden Spulenwicklungen zu erzielen, kommt es bei der Ringspulenanordnung der US 3,806,789 darauf an, dass die einzelnen Windungen die gleiche Steigung besitzen und möglichst exakt symmetrisch zueinander orientiert sind, so dass an jeder Stelle der Windung zwei entgegen gesetzte Magnetfeldkomponenten im Wesentlichen gleicher Stärke auftreten. Die Fertigung einer derartigen Spulenwicklung mit ausreichender Genauigkeit ist jedoch extrem aufwändig und nur mit hohem Aufwand umzusetzen.
  • In US 4,740,755 ist angegeben, dass eine koplanare und achsparallele Spulenanordnung zweier Ringspulen in einem Leitfähigkeitssensor, die Restkopplung verringern soll. Damit geht jedoch entsprechend Flexibilität bei der Anordnung der Ringspulen und der konstruktiven Ausgestaltung des Leitfähigkeitssensors verloren. Weiterhin ist aufgrund der Bauform die Zellkonstante einer derartigen Spulenanordnung um ein Vielfaches höher als bei einer Ringspulenanordnung, bei der die Ringspulen koaxial hintereinander angeordnet sind, da die Zellkonstante proportional zur Länge des Strompfads ist. Eine derartige Erhöhung der Zellkonstante führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Dynamikbereichs des Sensors.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Leitfähigkeitssensor bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Leitfähigkeitssensor angegeben werden, der bei verringerter parasitärer induktiver Kopplung eine akzeptable Zellkonstante aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend
    eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium,
    eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds,
    wobei die erste Ringspule gegenüber der zweiten Ringspule geneigt angeordnet ist.
  • Die Neigung der Ringspulen gegeneinander führt dazu, dass die Störfelder der Ringspulen nur wenig überlappen, was zu einer verringerten induktiven Kopplung der Spulen führt. Gleichzeitig ist, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, die Zellkonstante einer solchen Anordnung deutlich geringer als bei einer koplanaren achsparallelen Ringspulenanordnung. Die geneigte Anordnung der Spulen stellt also einen Kompromiss dar zwischen einem Leitfähigkeitssensor mit koaxial hintereinander angeordneten Ringspulen, der den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante aufweist, wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen, und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine hohe Zellkonstante aufweist.
  • Der Begriff „Ringspule” bezeichnet hier und im Folgenden eine Spule mit einem in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Die Spule kann einen magnetischen oder magnetisierbaren Kern aufweisen, oder als kernlose Spule ausgestaltet sein. Der magnetische Pfad muss in sich geschlossen oder zumindest durch Luftspalte überbrückt verlaufen. Auf die Gestalt des ringförmigen Verlaufs kommt es dabei nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form, gleichermaßen sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, wie beispielsweise Ellipsen, Rechtecke oder andere Polygone. Eine derartige Ringspule weist eine zentrale Achse auf, die im Fall einer zylindersymmetrischen Kreisringspule eine Rotationssymmetrieachse ist. Falls die Ringspule keine Zylindersymmetrie aufweist, sondern beispielsweise als Ellipse oder als Polygon ausgestaltet ist, verläuft die zentrale Achse beispielsweise durch den Mittelpunkt des Polygons bzw. durch einen zentralen, zwischen den Ellipsenbrennpunkten lokalisierten Punkt innerhalb der Ellipse.
  • Ist also eine erste Ringspule gegenüber einer zweiten Ringspule geneigt angeordnet, bedeutet dies, dass sich ihre zentralen Achsen – im Falle von zylindersymmetrischen Spulen handelt es sich dabei um Rotationssymmetrieachsen – schneiden, d. h. einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 180° einschließen.
  • Unter dem von den zentralen Achsen eingeschlossenen Winkel wird hier und im Folgenden der Winkel zwischen einer ersten Halbgeraden, welche ausgehend vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule entlang der zentralen Achse der ersten Ringspule durch die erste Ringspule verläuft, und einer zweiten Halbgeraden, welche ausgehend vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule entlang der zentralen Achse der zweiten Ringspule durch die zweite Ringspule verläuft, verstanden.
  • In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform schließen die zentralen Achsen der Ringspulen einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 100° ein. Besonders bevorzugt ist dabei ein Winkel von 90°.
  • In einer Ausgestaltung sind die Spulen in einem gemeinsamen Gehäuse derart angeordnet, dass die von den Ringspulen umschlossenen zentralen Öffnungen der Ringspulen durch mindestens eine Bohrung im Gehäuse miteinander verbunden sind.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die Öffnungen durch eine einzige Zylinderbohrung im Gehäuse miteinander verbunden. Dies ist zum einen fertigungstechnisch besonders einfach, zum anderen kann eine durchgehende Zylinderbohrung besonders gut vom Messmedium durchströmt werden, so dass keine Turbulenzen oder Luftblasen innerhalb der Bohrung oder innerhalb der von den Ringspulen umschlossenen durchgehenden Öffnung die Messung stören.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse zusätzliche Bohrungen auf, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen geführt sind.
  • In einer Ausgestaltung besteht das Gehäuse aus Stahl, insbesondere aus Stahl mit einer Permeabilitätszahl von mehr als 500, insbesondere von mehr als 1500. Somit wirkt das Gehäuse als elektrische und magnetische Abschirmung der Ringspulen, wodurch die Einkopplung unerwünschter elektrischer und/oder magnetischer Felder weiter reduziert wird. Wenn das Gehäuse als elektrische Schirmung genutzt wird, liegt es vorteilhafterweise auf Masse.
  • In einer Ausgestaltung, die insbesondere für den Fall, dass eine zusätzliche magnetische Schirmung der Ringspulen erforderlich ist, vorteilhaft ist, ist mindestens eine der Ringspulen jeweils in einer im Gehäuse gefassten Aufnahme aus einem Material mit hoher Permeabilitätszahl, insbesondere von mehr als 5000, angeordnet. Gleichermaßen kann eine zusätzliche elektrische Schirmung vorgesehen sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine der Ringspulen in eine mehrlagige Leiterkarte integriert, wobei die Windungen der Ringspule durch eine Vielzahl von ersten Leiterabschnitten, die in einer ersten Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet sind.
  • Eine mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder sonstige Bauteile angeordnet sein können.
  • Solche in eine Leiterkarte integrierte Ringspulen können mit herkömmlichen Techniken der Leiterkartenfertigung hergestellt werden, z. B. in der sogenannten PCB (printed circuit board)-Technik, wie z. B. in O. Dezuari, S. E. Gilbert, E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new hybrid technology for planar microtransformer fabrication", Sensors and Actuators A 71, 1998, S. 198-207, beschrieben. Diese Art der Fertigung ist zum einen einfach automatisierbar. Zum anderen erlaubt die Herstellung einer Ringspule mit einer PCB-Technik eine höhere Präzision bei der Herstellung der einzelnen Windungen der Spulenwicklung als die bei der Spulenwicklung von herkömmlichen Spulen angewendeten Verfahren. Indem die Spulenwicklung mit höherer Präzision hergestellt werden kann, können auch die Windungen einheitlicher ausgeführt werden, was zu homogeneren und damit besser berechenbaren Streufeldern der Ringspulen führt, die leichter kompensiert werden können als das inhomogenere Streufeld einer herkömmlichen Ringspule.
  • Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Längsschnitt-Darstellung einer Ringspulenanordung in einem Leitfähigkeitssensor mit einer gegenüber der Empfängerspule geneigt angeordneten Senderspule;
  • 2 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors in einem Gehäuse nach einer ersten Ausgestaltung;
  • 3 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors in einem Gehäuse nach einer zweiten Ausgestaltung;
  • 4 ein Diagramm experimentell ermittelter Stromsignale einer Empfängerspule als Funktion des Widerstands einer die Empfängerspule und eine Erregerspule durchsetzenden Leiterschleife bei verschiedenen Ringspulenanordnungen;
  • 5 ein Diagramm mit für verschiedene Ringspulenanordnungen berechneten Verläufen eines normierten Leitfähigkeitssensor-Ausgangssignals als Funktion einer normierten Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums.
  • In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ringspulenanordnung 1 für einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit den entsprechenden Störfeldern dargestellt. Die im Längsschnitt stark vereinfacht als Rechteck dargestellte Erregerspule 3 ist als Ringspule mit einer nicht dargestellten Spulenwicklung ausgestaltet, die eine mit dem Messmedium beaufschlagbare durchgehende Öffnung 4 umschließt. Die Erregerspule 3 weist eine zentrale Achse Z3 auf. Ist die Erregerspule 3 beispielsweise zylindersymmetrisch ausgestaltet, bildet die zentrale Achse Z3 eine Rotationssymmetrieachse. Die zugehörige Empfängerspule 5 ist ebenfalls eine im Längsschnitt als Rechteck dargestellte Ringspule mit einer nicht dargestellten Spulenwicklung, welche eine durchgehende Öffnung 6 umschließt, und weist eine zentrale Achse Z5 auf. Im Falle, dass die Empfängerspule 5 zylindersymmetrisch ausgestaltet ist, bildet die zentrale Achse Z5 eine Rotationssymmetrieachse der Empfängerspule 5.
  • In 1 sind weiterhin das bei Stromfluss von der Erregerspule 3 erzeugte magnetische Störfeld 7 sowie das entsprechend bei Stromfluss von der Empfängerspule 5 erzeugte magnetische Störfeld 9 zu sehen. Die Störfelder 7 und 9 bewirken bei wesentlicher Überlappung die eingangs beschriebene parasitäre induktive Kopplung der Erregerspule 3 mit der Empfängerspule 5.
  • Die Empfängerspule 5 ist gegenüber der Erregerspule 3 geneigt angeordnet. Die zentralen Achsen Z3 und Z5 schneiden sich infolgedessen im Schnittpunkt S. Der Winkel zwischen einer ersten Halbgerade H1, welche ausgehend vom Schnittpunkt S entlang der zentralen Achse Z3 durch die Erregerspule 3 hindurch verläuft, und einer zweiten Halbgerade H2, welche ausgehend vom Schnittpunkt S entlang der zentralen Achse Z5 durch die Empfängerspule 5 hindurch verläuft, entspricht dem von den zentralen Achsen Z3 und Z5 eingeschlossenen Winkel α. Im Beispiel der 1 beträgt dieser Winkel α = 90°.
  • Dies führt, wie in 1 zu sehen, zu einer verhältnismäßig geringen Überlappung der Störfelder 7 und 9, die insbesondere deutlich geringer ist, als dies bei einer koaxialen Anordnung der Erregerspule 3 und der Empfängerspule 5 hintereinander der Fall wäre. Die geringere Überlappung der Störfelder führt zu einer verringerten parasitären induktiven Kopplung der beiden Ringspulen.
  • In 2 ist ein Beispiel für eine in einem Träger untergebrachte Ringspulenanordnung 201 nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip zur Verwendung in einem Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums gezeigt.
  • Die Erregerspule 203 und die Empfängerspule 205 sind wiederum als Ringspulen gestaltet. In 2 sind die Empfängerspule 205 und die Erregerspule 203 schematisch im Längsschnitt als Rechtecke dargestellt. Sie sind in einem Gehäuse 211 fixiert, das eine Bohrung 215 aufweist, die von dem flüssigen Medium durchströmt werden kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 204 und 206 beider Ringspulen 203 und 205 gleichzeitig mit dem Medium beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann sich im Sensorbetrieb ein Strompfad 213 durch das Medium, dessen Leitfähigkeit zu messen ist, ausbilden, der zum Teil durch die Bohrung 215 verläuft. Die Bohrung 215 umfasst zwei zylindrische Teilabschnitte, deren Zylindersymmetrieachsen sich jeweils entlang einer der zentralen Achsen der Ringspulen 203 und 205 oder parallel dazu erstrecken.
  • Eine vorteilhafte Variante für eine in einem Gehäuse untergebrachte Ringspulenanordnung 301 nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip ist in 3 dargestellt. Die Erregerspule 303 und die Empfängerspule 305 sind in dieser Anordnung gleichartig ausgebildet wie bei den in 1 und 2 dargestellten Ringspulenanordnungen. Ihre zentralen Achsen schließen wiederum einen Winkel α von 90° ein. Die Ringspulen 303 und 305 sind in einem Gehäuse 311 fixiert, wobei zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 zusätzliche Bohrungen 319 im Gehäuse 311 vorgesehen sind, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 geführt werden können. Das Gehäuse 311 liegt auf Masse und dient so gleichzeitig als elektrische Schirmung für die Ringspulen 303 und 305. Das Gehäuse 311 ist mit einer Bohrung 315 versehen, die von einem flüssigen Medium durchströmt werden kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 304, 306 beider Ringspulen 303 und 305 gleichzeitig mit dem Medium beaufschlagbar sind und sich im Betrieb ein Strompfad 313 ausbilden kann, der beide Ringspulen 303 und 305 durchsetzt und sich dann um die Spulen herum schließt.
  • Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch eine einzige durchgehende Zylinderbohrung 317 vorgesehen, deren Zylindersymmetrieachse mit den zentralen Achsen der Ringspulen 303 und 305 einen Winkel von etwa 45° einschließt. Abwandlungen von dieser Geometrie sind denkbar, entscheidend ist dabei jedoch, dass die Bohrung 317 als einzelne durchgehende Zylinderbohrung ausgestaltet ist, so dass kein Abknicken der Bohrung 317 erforderlich ist, um die Beaufschlagung beider durchgehender Öffnungen der Ringspulen mit dem Medium zu gewährleisten. Dies erlaubt eine gegenüber dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Fertigung, da das Bohrwerkzeug zur Herstellung der Bohrung 317 im Gehäuse 311 nur einmal anzusetzen ist.
  • Unter Verwendung des im Artikel Roos et al. Modellierung induktiver Leitfähigkeitssensoren, Proceedings Simulationen mit der Finite Elemente Methode in Feinwerk- und Mikrotechnik, 1996, beschriebenen Modells für induktive Leitfähigkeitssensoren mit koaxial angeordneten Ringspulen wurde die Zellkonstante der Anordnung gemäß 3 auf 10 bis 15 cm–1 abgeschätzt. Dieser Wert ist zwar noch größer als die Zellkonstante einer koaxialen Ringspulenanordnung, bei der die Ringspulen axial hintereinander angeordnet sind (diese liegt in der Größenordnung von 5 cm–1), jedoch deutlich geringer als typische Zellkonstanten von koplanar achsparallelen Ringspulenanordnungen (Größenordnung von 50 cm–1). Dabei liegt die Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 3 noch etwas unter der Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 2.
  • In 4 sind Messsignale der Empfängerspule in drei jeweils unterschiedlichen Ringspulenanordnungen dargestellt, wobei im Messaufbau anstelle eines flüssigen Mediums eine Leiterschleife derart vorgesehen ist, dass sie die Erregerspule und die Empfängerspule wie der Strompfad in einem flüssigen Medium durchsetzt und umgibt. Die Leiterschleife ersetzt also den Strompfad, der sich in einem flüssigen Medium bei Beaufschlagung der Erregerspule mit einer Wechselspannung ausbilden würde.
  • Wird die Erregerspule mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so wird in der Leiterschleife ein Strom induziert, dessen Stromstärke vom Widerstand der Leiterschleife abhängig ist. Dieser Strom wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Der auf der Ordinate des Diagramms in 4 aufgetragene Messstrom entspricht dem von der Empfängerspule ausgegebenen Wechselstromsignal. Auf der Abszisse ist der Leiterschleifenwiderstand aufgetragen. Sowohl Abszisse als auch Ordinate tragen eine logarithmische Skala. Im Experiment wurde der Leiterschleifenwiderstand variiert, indem Widerstandselemente mit unterschiedlichem ohmschem Widerstand zugeschaltet wurden. Die so ermittelte „Kennlinie” einer Ringspulenanordnung gibt also die Stärke des Messsignals als Funktion des Ohmschen Widerstands des Messmediums (der sich reziprok zur Leitfähigkeit verhält), im vorliegenden Fall der Leiterschleife, wieder. Diese Messung mittels Leiterschleife erlaubt es, lediglich die Restkopplung zu ermitteln, ohne dass die Zellkonstante der Ringspulenanordnung in das von der Empfängerspule ausgegebene Stromsignal eingeht.
  • In 4 sind drei Kennlinien für drei jeweils unterschiedliche Ringspulenanordnungen aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung (Kreuze) sind Erreger- und Empfängerspule axial hintereinander angeordnet. In der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger- und Empfänger koplanar achsparallel angeordnet. In der dritten Ringspulenanordnung (Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule derart angeordnet, dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen.
  • Wie aus dem in 4 dargestellten Diagramm hervorgeht, zeigen die drei Anordnungen in einem Widerstandsbereich zwischen 102 und 5·104 Ω ein vergleichbares, lineares Verhalten. Bei höheren Widerständen und entsprechend geringeren Leitfähigkeiten macht sich die Restkopplung der Ringspulenanordnungen bemerkbar. So ist die gemessene Kennlinie beispielsweise für die koplanare Ringspulenanordnung noch bis zu einem Widerstand von 106 Ω annähernd linear, während die entsprechende Kennlinie für die erste Ringspulenanordnung, bei der die Spulen axial hintereinander angeordnet sind, bereits bei einem Widerstand von etwa 5·104 Ω abknickt und bei höheren Widerstandswerten im wesentlichen parallel zur Abszisse verläuft. Dies ist ein Indiz für den Einfluss der Restkopplung auf das Ausgabesignal der Empfängerspule. Wie eingangs ausgeführt, wird die Restkopplung im Wesentlichen durch die unerwünschte parasitäre induktive Kopplung zwischen Erreger- und Empfängerspule verursacht.
  • Die Kennlinie der erfindungsgemäßen dritten Ringspulenanordnung weicht erst ab einem Widerstand von etwa 5·105 Ω vom linearen Verhalten ab. Der Einfluss der Restkopplung ist hier folglich deutlich geringer als bei der koaxialen ersten Ringspulenanordnung.
  • Wie zuvor erwähnt, spielt die Zellkonstante der jeweiligen Ringspulenanordnung bei dem Experiment, das den im Diagramm der 4 dargestellten Kennlinien zugrunde liegt, keine Rolle. In 5 sind simulierte Verläufe eines normierten Leichtfähigkeitssensor-Ausgangssignals bei den drei betrachteten Ringspulenanordnungen als Funktion einer normierten Leitfähigkeit in einem flüssigen Medium gezeigt. Bei den Rechnungen wurde lediglich die Zellkonstante der jeweiligen Ringspulenanordnung berücksichtigt, während alle anderen Proportionalitäten, beispielsweise die Proportionalität zur Eingangsspannung, zum Quadrat der Windungszahl etc., vernachlässigt wurden. Daher geben die in 5 gezeigten Kennlinien nur einen relativen Vergleich der einzelnen Ringspulenanordnungen untereinander wieder. Absolute Messwerte können dem Diagramm dagegen nicht entnommen werden.
  • In 5 sind analog zu 4 drei Verläufe der normierten Ausgangssignale für drei jeweils unterschiedliche Ringspulenanordnungen in einem Leitfähigkeitssensor in einer Flüssigkeit aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung (Kreuze) sind Erreger- und Empfängerspule axial hintereinander angeordnet. In der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger- und Empfängerspule koplanar achsparallel angeordnet. In der dritten Ringspulenanordnung (Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule derart angeordnet, dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen. Auf der Ordinate ist ein normiertes Ausgangssignal des Leitfähigkeitssensors, das einem Stromsignal der Empfängerspule entspricht, aufgetragen, auf der Abszisse ist eine normierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit aufgetragen. Abszisse und Ordinate tragen jeweils eine logarithmische Skala.
  • Wie aus 5 hervorgeht, weist die dritte Ringspulenanordnung, bei der die zentralen Achsen von Empfänger- und Erregerspule einen Winkel von 90° einschließen, einen ebenso großen linearen Messbereich auf, wie die zweite Ringspulenanordnung mit koplanar achsparallelen Ringspulen, nämlich ab einheitslosen normierten Leitfähigkeitswerten von mehr als einem Wert von 10–4. Im Bereich zwischen den einheitslosen normierten Leitfähigkeitswerten 5·10–6 und 10–4 zeigt die dritte Ringspulenanordnung eine geringere Abweichung vom idealen linearen Verhalten als die zweite Ringspulenanordnung. Für den Einsatz in einem induktiven Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums ist somit die dritte Ringspulenanordnung, bei der die zentralen Achsen der Erreger- und Empfängerspule einen Winkel von 90° einschließen, besonders gut geeignet, da sie einen Kompromiss zwischen einer Ringspulenanordnung mit koaxial hintereinander angeordneten Ringspulen, die den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante aufweist, wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen, und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine hohe Zellkonstante aufweist, darstellt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - US 3806798 [0008]
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Claims (8)

  1. Induktiver Leitfähigkeitssensor (1, 201, 301) zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend eine erste Ringspule (3, 203, 303), welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, eine zweite Ringspule (5, 205, 305), welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringspule (3, 203, 303) gegenüber der zweiten Ringspule (5, 205, 305) geneigt angeordnet ist.
  2. Leitfähigkeitssensor (1, 201, 301) nach Anspruch 1, wobei die Ringspulen (3, 5, 203, 205, 303, 305) eine zentrale Achse (Z3, Z5), insbesondere eine Rotationssymmetrieachse, aufweisen, und wobei die zentrale Achse (Z3) der ersten Ringspule (3, 203, 303) mit der zentralen Achse (Z5) der zweiten Ringspule (5, 205, 305) einen Winkel (α) von mehr als 0° und weniger als 180°, insbesondere von 90°, einschließt.
  3. Leitfähigkeitssensor (1, 201, 301) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ringspulen (203, 205, 303, 305) in einem Gehäuse (211, 311) derart angeordnet sind, dass die von den Ringspulen (203, 205, 303, 305) umschlossenen zentralen Öffnungen der Ringspulen (203, 205, 303, 305) durch mindestens eine Bohrung (215, 315) im Gehäuse (211, 311) miteinander verbunden sind.
  4. Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 3, wobei die zentralen Öffnungen durch eine einzige zylindrische Bohrung (315) im Gehäuse (311) miteinander verbunden sind.
  5. Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Gehäuse (211, 311) zusätzliche Bohrungen (319) aufweist, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen (203, 303, 205, 305) geführt sind.
  6. Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Gehäuse (211, 311) aus Stahl, insbesondere aus Stahl mit einer Permeabilitätszahl von mehr als 500, insbesondere von mehr als 1500, besteht.
  7. Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mindestens eine der Ringspulen (203, 205, 303, 305) in einer im Gehäuse (211, 311) gefassten Aufnahme aus einem Material mit hoher Permeabilitätszahl, insbesondere von mehr als 5000, angeordnet ist.
  8. Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens eine der Ringspule (3, 5, 203, 205, 303, 305) in eine mehrlagige Leiterkarte integriert ist, wobei die Windungen der Ringspule durch eine Vielzahl von ersten Leiterabschnitten, die in einer ersten Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet sind.
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