DE102015104217A1

DE102015104217A1 - Messsystem zum Bestimmen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit

Info

Publication number: DE102015104217A1
Application number: DE102015104217.7A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Zeun; Stefan Paul
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2016-09-22
Also published as: US20160274045A1; US9885678B2; CN105988040A; CN105988040B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem (1) zum Bestimmen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums (6) in einem Behältnis (7), umfassend:
einen induktiven Leitfähigkeitssensor (2) mit zumindest einer Sendespule (3), die ein Eingangssignal in das Medium (6) einstrahlt, einer über das Medium (6) mit der Sendespule (3) gekoppelte Empfangsspule (4), die ein Ausgangssignal liefert;
einen Temperatursensor (8) zum Messen der Temperatur des Mediums (6); eine Datenverarbeitungseinheit (5), die anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums (6) dessen Leitfähigkeit ermittelt. Das System (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitfähigkeitssensor (2) und der Temperatursensor (8) als nicht-invasive Sensoren ausgestaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zum Bestimmen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums in einem Behältnis.
Im Allgemeinen werden in der Prozessautomatisierung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Medium häufig Leitfähigkeitssensoren verwendet, die nach einem induktiven oder einem konduktiven Messprinzip arbeiten.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein konduktiver Leitfähigkeitssensor bekannt, der mindestens zwei Elektroden umfasst, die zur Messung in ein Medium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Medium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Mediums ermitteln. Zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ist es zwingend erforderlich, mindestens zwei Elektroden in Kontakt mit der Messflüssigkeit zu bringen.
Beim induktiven Prinzip der Leitfähigkeitsbestimmung von Prozessmedien werden Sensoren eingesetzt, die eine Sendespule sowie eine beabstandet von der Sendespule angeordnete Empfangsspule aufweisen. Durch die Sendespule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf geladene Teilchen, z.B. Ionen, in dem flüssigen Medium einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss im Medium hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht auch an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Feld, das in der Empfangsspule ein Empfangssignal (Induktionsspannung) nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert. Dieses Empfangssignal kann ausgewertet und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen Mediums herangezogen werden.
Typischerweise sind induktive Leitfähigkeitssensoren wie folgt aufgebaut: Die Sende- und Empfangsspule sind in der Regel als Ringspulen ausgestaltet und umfassen eine durchgehende, von dem Medium beaufschlagbare Öffnung, so dass beide Spulen von Medium umströmt werden. Bei Erregung der Sendespule bildet sich ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Strompfad, der sowohl Sende- als auch Empfangsspule durchsetzt. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Sendespule kann dann die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit ermittelt werden. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert, beispielsweise in der DE 198 51 146 A1 .
Die Firmengruppe Endress + Hauser vertreibt solche induktiven Leitfähigkeitssensoren etwa unter den Bezeichnungen CLS50D, CLS54D und CLD18.
Für die Bestimmung der Leitfähigkeit ist es notwendig die Temperatur des zu messenden Mediums zu kennen, mit steigender Temperatur nimmt die Leitfähigkeit in der Regel zu. Für die Temperaturmessung wird ein in das Medium eingetauchter Temperaturfühler, z.B. ein Pt100, Pt1000, NTC etc. genutzt. Der Temperaturfühler befindet sich meist im Gehäuse und ist meist über eine Öffnung im Gehäuse mit dem Medium verbunden. An dieser Öffnung besteht trotz entsprechender Dichtmaßnahmen die Gefahr einer Leckage oder einer Undichtigkeit. Auch ist eine hygienische Ausführung nur mit großem Aufwand zu erreichen.
Auch wenn der Temperaturfühler nicht im Gehäuse eingebaut ist, so muss dieser – wie der mediumsberührende Teil des Leitfähigkeitssensors auch – über einen am Behältnis anzubringenden Flansch, im Allgemeinen eine Prozessanbindung, mit einer übergeordneten Einheit außerhalb des Mediums verbunden werden. Auch hier besteht die Gefahr von Undichtigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem bereit zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Das Messsystem soll ohne Änderungen am Behältnis, in dem sich das zu messende Medium befindet, anbringbar sein und die Gefahr von Undichtigkeiten minimieren.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem mit einem induktiven Leitfähigkeitssensor, umfassend zumindest eine Sendespule, die ein Eingangssignal in das Medium einstrahlt und eine über das Medium mit der Sendespule gekoppelte Empfangsspule, die ein Ausgangssignal liefert; einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Mediums; und eine Datenverarbeitungseinheit, die anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums dessen Leitfähigkeit ermittelt. Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass der Leitfähigkeitssensor und der Temperatursensor als nicht-invasive Sensoren ausgestaltet sind.
Somit misst das Messsystem ohne Mediumsberührung die Leitfähigkeit und die Temperatur und ermittelt anschließend einen temperaturkompensierten Leitfähigkeitswert. Weder der Leitfähigkeitssensor noch der Temperatursensor sind der Temperatur, dem Druck oder der Strömung des Mediums ausgesetzt. Das Messsystem kann somit als dichtes Messsystem ohne Gefahr eines Lecks aufgebaut werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leitfähigkeitssensor an einem elektrisch nicht-leitfähigen Abschnitt des Behältnisses angeordnet. Somit kann das Behältnis an sich aus Metall sein. Wird der Leitfähigkeitssensor an einem nicht-leitenden Abschnitt des Behältnisses angebracht, wird die Messung nicht gestört.
Bevorzugt umfasst der Leitfähigkeitssensor einen Kern mit einer Permeabilitätszahl größer 1, etwa ein Ferrit oder Mumetall. Das Messsignal wird somit verstärkt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Temperatursensor als optischer Sensor ausgestaltet, und hat optischen Kontakt mit dem Medium über einen für Wärmestrahlung transparenten Bereich des Behältnisses.
Es ergibt sich somit eine schnellere Ansprechzeit bei der Temperaturmessung verglichen mit dem Stand der Technik. Dadurch liegt auch ein genauer temperaturkompensierter Leitfähigkeitsmesswert schneller vor.
In einer Variante ist der Temperatursensor ein Infrarotthermometer. Die Temperatur kann so einfach und schnell gemessen werden.
In einer alternativen Ausführungsform misst der Temperatursensor die Temperatur an einer Oberfläche des Behältnisses, und die Datenverarbeitungseinheit bestimmt anhand dieser Temperatur die Temperatur des Mediums.
Bevorzugt bestimmt die Datenverarbeitungseinheit die Temperatur anhand der Temperatur an der Oberfläche des Behältnisses, seines Materials, seiner Wandstärke und der Umgebungstemperatur.
Um ein kompaktes Gerät zu erzielen, ist das Messsystem als ein einzelnes Gerät ausgestaltet, d.h. Leitfähigkeitssensor, Temperatursensor und Datenverarbeitungseinheit sind in einem Gehäuse untergebracht.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 das erfindungsgemäße Messsystem, und
2 das erfindungsgemäße Messsystem in einer Ausgestaltung.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Messsystem in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt. Das Messsystem 1 ist zur Anwendung in der Prozessautomatisierung ausgestaltet.
Das Messsystem 1 ist an einem Behältnis 7 angeordnet, in dem sich das zu messende Medium 6 befindet. Bei dem Behältnis 7 handelt es sich etwa um ein Rohr, beispielsweise aus Kunststoff. Selbstredend sind andere Materialien, wie etwa Metall, für das Behältnis möglich. Das Messsystem 1 ist aber immer an einem elektrisch nicht-leitfähigem Teilbereich des Behältnisses 7 angebracht. Im Falle eines Behältnisses 7 aus Metall etwa an einem Bereich aus Kunststoff.
Das Messsystem 1 umfasst einen Leitfähigkeitssensor 2. 1 zeigt diesen induktiven Leitfähigkeitssensors 2 mit einer Sendespule 3 und einer Empfangsspule 4. Die Sendespule 3 und die Empfangsspule 4 sind etwa einander gegenüberliegend auf voneinander abgewandten Seiten einer Leiterkarte angeordnet. In einer ersten Variante sind die Spulen 3, 4 als rotationssymmetrische Ringspulen koaxial hintereinanderliegend angeordnet. In einer zweiten Variante sind die Spulen 3, 4 als Planarspulen auf der Leiterplatte ausgestaltet. Die Leiterkarte umfasst die Spulen kontaktierende Leiterbahnen (hier nicht eingezeichnet), die die Sendespule 3 mit einer Treiberschaltung und die Empfangsspule 4 mit einer Empfangsschaltung verbinden. Die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung können Bestandteile einer auf der Leiterkarte angeordneten Sensorschaltung sein.
Der Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule 3, 4 so weit an das Medium 6 herangeführt werden, dass sich ein durch das Medium 6 verlaufender, die Sende- und die Empfangsspule 3, 4 durchsetzender, geschlossener Strompfad 9 ausbilden kann. Um diesen Strompfad 9 entsprechend zu verstärken, umfasst der Leitfähigkeitssensor 2 einen Kern (nicht dargestellt) mit einer Permeabilitätszahl größer 1, etwa aus Ferrit oder Mumetall. Wenn die Sendespule 3 mit einem Wechselspannungssignal als Eingangssignal angeregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das einen die Spulen 3 bzw. 4 durchsetzenden Strompfad 9 induziert, dessen Stärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums 6 abhängt. Es ergibt sich also ein Strompfad mit einer Ionenleitung im Medium 6. Da dieser elektrische Wechselstrom im Medium 6 wiederum ein ihn umgebendes veränderliches Magnetfeld hervorruft, wird ein Wechselstrom in der Empfangsspule 4 als Ausgangssignal induziert. Dieser von der Empfangsspule 4 als Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende Wechselspannung ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums 6.
Das Messsystem 1 umfasst ebenfalls einen Temperatursensor 8 zum Messen der Temperatur des Mediums 6. Weiter umfasst das Messsystem 1 eine Datenverarbeitungseinheit 5, die anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums 6 dessen Leitfähigkeit ermittelt.
Das Messsystem 1 kann als ein einzelnes Gerät ausgestaltet sein.
Der Leitfähigkeitssensor 2 und der Temperatursensor 8 sind als nicht-invasive Sensoren ausgestaltet. Der Leitfähigkeitssensor 2 und der Temperatursensor 8 berühren also das Medium 6 nicht. Die Sensoren 2, 8 sind außerhalb des Behältnisses 7 angeordnet.
Dazu ist der Temperatursensor 8 als optischer Sensor ausgestaltet (siehe 1). Der Sensor 8 hat optischen Kontakt mit dem Medium 6 über einen für Wärmestrahlung transparenten Bereich 10 des Behältnisses 7. In einer Ausgestaltung ist der Temperatursensor 8 ein Infrarotthermometer.
Alternativ und in 2 dargestellt, misst der Temperatursensor 8 die Temperatur an einer Oberfläche 11 des Behältnisses 7. Der Leitfähigkeitssensor 2 ist in 2 nicht mehr dargestellt. In diesem Fall ist der Temperatursensor 8 ebenfalls als berührungsloser optischer Sensor oder alternativ als kontaktbehafteter Sensor ausgestaltet. Die Datenverarbeitungseinheit 5 bestimmt die Temperatur des Mediums 6. Dazu benötigt die Datenverarbeitungseinheit 5 zusätzlich das Material des Behältnisses 7, insbesondere dessen Wärmeleitfähigkeit, die Wandstärke des Behältnisses 7, die Umgebungstemperatur, d.h. die Temperatur außerhalb des Behältnisses 7, sowie den Abstand des Sensors zur Messung der Umgebungstemperatur zum Behältnis. Zur Ermittlung der Umgebungstemperatur können weitere Temperatursensoren Verwendung finden. Diese zusätzlichen Temperatursensoren sind an geeigneten Positionen außerhalb des Behältnisses anzubringen. Durch geschickte Anordnung und optimale Anzahl der Zusatztemperatursensoren sind bestehende Temperaturgradienten und damit die Temperatur des Mediums ermittelbar.
Bezugszeichenliste

1: Messsystem
2: Leitfähigkeitssensor
3: Sendespule
4: Empfangsspule
5: Datenverarbeitungseinheit
6: Medium
7: Behältnis
8: Temperatursensor
9: Strompfad
10: für Wärmestrahlung transparenter Bereich von 7
11: Oberfläche von 7

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19851146 A1 [0005]

Claims

Messsystem (1) zum Bestimmen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums (6) in einem Behältnis (7), umfassend – einen induktiven Leitfähigkeitssensor (2), umfassend • zumindest eine Sendespule (3), die ein Eingangssignal in das Medium (6) einstrahlt, • eine über das Medium (6) mit der Sendespule (3) gekoppelte Empfangsspule (4), die ein Ausgangssignal liefert, – einen Temperatursensor (8) zum Messen der Temperatur des Mediums (6), – eine Datenverarbeitungseinheit (5), die anhand des Eingangssignals, des Ausgangssignals und der Temperatur des Mediums (6) dessen Leitfähigkeit ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitfähigkeitssensor (2) und der Temperatursensor (8) als nicht-invasive Sensoren ausgestaltet sind.
Messsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Leitfähigkeitssensor (2) an einem elektrisch nicht-leitfähigen Abschnitt des Behältnisses (7) angeordnet ist.
Messsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Leitfähigkeitssensor (2) einen Kern mit einer Permeabilitätszahl größer 1, etwa ein Ferrit oder Mumetall, umfasst.
Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Temperatursensor (8) als optischer Sensor ausgestaltet ist und optischen Kontakt mit dem Medium über eine für Wärmestrahlung transparenten Bereich (10) des Behältnisses (7) hat.
Messsystem (1) nach Anspruch 4, wobei der Temperatursensor (8) ein Infrarotthermometer ist.
Messsystem (1) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Temperatursensor (8) die Temperatur an einer Oberfläche (11) des Behältnisses (7) misst und die Datenverarbeitungseinheit (5) anhand dieser Temperatur die Temperatur des Mediums (6) bestimmt.
Messsystem (1) nach Anspruch 6, wobei die Datenverarbeitungseinheit (5) die Temperatur anhand der Temperatur an der Oberfläche (11) des Behältnisses (7), seines Materials, seiner Wandstärke und der Umgebungstemperatur bestimmt.
Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Messsystem (1) als ein einzelnes Gerät ausgestaltet ist.