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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung für einen induktiven Sensor, einen induktiven Sensor und ein Verfahren zum Verwenden eines induktiven Sensors.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden, wie zum Beispiel optische, potentiometrische, amperometrische, voltammetrische oder coulometrische Sensoren, oder auch Leitfähigkeitssensoren.
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In induktiven Leitfähigkeitssensoren wird ein Spulenpaar verwendet, um über eine Kopplung der Spulen durch das Medium die Medienleitfähigkeit zu bestimmen. Die Spulen des Spulenpaares sind elektrisch und magnetisch voneinander entkoppelt. Falls die Spulen miteinander gekoppelt wären, würde ein Strom in der gegenüberliegenden Spule induziert werden, welcher die Leitfähigkeitsmessung des Mediums beeinträchtigen würde. Aus diesem Grund ist es unabdingbar, dass die beiden Spulen bestmöglich voneinander entkoppelt sind.
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Induktive Leitfähigkeitssensoren werden in der Industrie oft in einer Umgebung verwendet, welche die Sensoren stark beanspruchen. Zum Beispiel müssen die Sensoren regelmäßigen Reinigungsverfahren, wie das Autoklavieren auf längere Zeit Stand halten. Diese Umgebungsbedingungen können dazu führen, dass trotz sorgfältiger Abdichtung des Sensorgehäuses und Auswahl geeigneter Gehäusematerialien, mit der Zeit zum Beispiel Wasser in den Sensor eindringen. Das Eindringen von Wasser kann anschließend zu Messwertverfälschungen oder im schlimmsten Fall zu einem Sensorausfall führen.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schaltung für einen induktiven Sensor bereitzustellen, welche eine optimale induktive Leitfähigkeitsmessung ermöglicht, und zugleich eine Bewertung des Sensorzustands erlaubt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Schaltung für einen induktiven Sensor gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung für einen induktiven Sensor umfasst:
- - eine Steuereinheit mit einem Steuereingang,
- - eine erste Spule, welche mit der Steuereinheit verbunden ist,
- - eine zweite Spule, welche mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei die erste Spule und die zweite Spule derart zueinander angeordnet sind, dass ein von der ersten Spule erzeugtes Magnetfeld durch die zweite Spule detektierbar ist,
wobei die Steuereinheit dazu geeignet ist, die erste Spule und die zweite Spule anzusteuern, um ein Magnetfeld in der ersten Spule zu erzeugen und in der zweiten Spule zu messen, - - einen Bezugspotentialanschluss mit einem Bezugspotential,
- - eine erste Abschirmung, welche mit dem Bezugspotential verbunden ist und derart angeordnet ist, um ein Magnetfeld zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule abzuschirmen,
- - eine zweite Abschirmung, welche derart angeordnet ist, um ein Magnetfeld zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule abzuschirmen,
- - einen Schalter, welcher dazu geeignet ist, in einer ersten Schalterposition den Steuereingang mit der zweiten Abschirmung zu verbinden und in einer zweiten Schalterposition die zweite Abschirmung mit dem Bezugspotentialanschluss zu verbinden, wobei der Schalter durch die Steuereinheit steuerbar ist,
wobei die erste Abschirmung und die zweite Abschirmung derart zueinander angeordnet sind, dass eine Kapazität zwischen der ersten Abschirmung und der zweiten Abschirmung messbar ist,
wobei die Steuereinheit dazu geeignet ist, in der ersten Schalterposition eine Kapazität zwischen der ersten Abschirmung und der zweiten Abschirmung zu messen.
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Anhand der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung wird ermöglicht, dass die Leitfähigkeit des Messmediums durch die elektrische Schaltung ermittelbar ist, sowie der Zustand des Sensors bewertbar ist. Somit wird erreicht, dass zum Beispiel eindringende Feuchtigkeit im Sensorinneren durch die elektrische Schaltung rechtzeitig erkennbar ist und der Benutzer über einen drohenden Messfehler und/oder Sensorausfall gewarnt werden kann. Somit wird die Messqualität und die Sensorlebensdauer verifizierbar, was zu einer Sicherheitssteigerung und Qualitätssteigerung für den Anwender führt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Schaltung des Weiteren eine Platine auf und die erste Abschirmung wird durch eine erste Leiterbahnstruktur einer Platine gebildet, welche auf der Platine angeordnet ist, und die zweite Abschirmung wird durch eine zweite Leiterbahnstruktur der Platine gebildet, welche auf der Platine angeordnet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Platine eine Mehrschichtstruktur auf und die erste Leiterbahnstruktur ist auf einer ersten Schicht der Platine angeordnet und die zweite Leiterbahnstruktur ist auf einer zweiten Schicht der Platine angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Abschirmung eine Gitterstruktur auf und die zweite Abschirmung weist eine Gitterstruktur auf, wobei die Gitterstrukturen entlang der ersten Achse zueinander versetzt angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Abschirmung durch mindesten einen elektrisch ersten leitenden Abschirmrand begrenzt, und die zweite Abschirmung ist durch mindesten einen zweiten elektrisch leitenden Abschirmrand begrenzt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuereinheit einen Speicher auf und ein Referenzkapazitätswert ist im Speicher hinterlegt.
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Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch einen induktiven Sensor gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Der induktive Sensor umfasst:
- - ein Sensorgehäuse,
- - eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung, wobei die elektrische Schaltung in dem Sensorgehäuse angeordnet ist,
- - eine Ausgabeeinheit zum Ausgeben eines Sensorzustandes.
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Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum Verwenden eines induktiven Sensors gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Das Verfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen induktiven Sensors,
- - Schalten des Schalters in die erste Schalterposition,
- - Messen einer ersten Kapazität zwischen der ersten Abschirmung und der zweiten Abschirmung,
- - Vergleichen der ersten Kapazität mit einem Referenzkapazitätswert durch die Steuereinheit,
- - Ausgeben eines Sensorzustands an der Ausgabeeinheit basierend auf dem Vergleich.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren des Weiteren folgende Schritte:
- - Schalten des Schalters in die zweite Schalterposition,
- - Erzeugen eines Magnetfelds in der ersten Spule durch die Steuereinheit,
- - Messen eines Magnetfelds in der zweiten Spule durch die Steuereinheit.
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Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zum Verwenden eines induktiven Sensors gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Das Verfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen induktiven Sensors,
- - Schalten des Schalters in die erste Schalterposition,
- - Messen einer ersten Kapazität zwischen der ersten Abschirmung und der zweiten Abschirmung,
- - Schalten des Schalters in die zweite Schalterposition,
- - Erzeugen eines Magnetfelds in der ersten Spule durch die Steuereinheit,
- - Messen eines Magnetfelds in der zweiten Spule durch die Steuereinheit,
- - Schalten des Schalters in die erste Schalterposition,
- - Messen einer zweiten Kapazität zwischen der ersten Abschirmung und der zweiten Abschirmung,
- - Ermitteln eines Sensorzustandes basierend auf der gemessenen ersten Kapazität und der gemessenen zweiten Kapazität,
Ausgeben eines Sensorzustandes an der Ausgabeeinheit.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines induktiven Sensors mit der elektrischen Schaltung aus 1,
- - 2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung,
- - 3: eine Ausführungsform einer ersten Abschirmung und einer zweiten Abschirmung der in 1 dargestellten elektrischen Schaltung,
- - 4: eine beispielhafte Ausführungsform einer Platine mit einer ersten Abschirmung und zweiten Abschirmung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen induktiven Sensors 100. Der induktive Sensor 100 ist ein Leitfähigkeitssensor. Der induktive Sensor 100 umfasst ein Sensorgehäuse 2, eine elektrische Schaltung 1 sowie eine Ausgabeeinheit 3.
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Das Sensorgehäuse 2 ist wasserdicht und umschließt die elektrische Schaltung 1. Das Sensorgehäuse 2 ist zum Beispiel aus Kunststoff, zum Beispiel PEEK oder einem anderen Material hergestellt.
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Die Ausgabeeinheit 3 ist zum Beispiel im Sensorgehäuse 2 oder separat vom Sensorgehäuse 2 angeordnet. Die Ausgabeeinheit 3 ist zum Beispiel ein Display, ein Lautsprecher, ein Smartphone oder eine andere Mensch-Maschine-Schnittstelle. Die Ausgabeeinheit 3 ist entweder per Kabel oder kabellos mit der elektrischen Schaltung 1 zum Datenaustausch verbunden.
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2 zeigt die elektrische Schaltung 1 im Detail. Die elektrische Schaltung 1 umfasst eine Steuereinheit 10, eine erste Spule 20, eine zweite Spule 30, ein Bezugspotentialanschluss 40, eine erste Abschirmung 50, eine zweite Abschirmung 60 und einen Schalter 70.
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Die Steuereinheit 10 weist einen Steuereingang 11 und ist des Weiteren mit der ersten Spule 20 und der zweiten Spule 30 verbunden. Die Steuereinheit 10 ist zum Beispiel ein Mikrocontroller. Die Steuereinheit 10 umfasst vorzugsweise einen Speicher zum Speichern von Messwerten und Referenzwerten. Die Steuereinheit 10 umfasst zum Beispiel ein drahtloses Kommunikationsmodul, um mit der Ausgabeeinheit 3 zu kommunizieren. Die Steuereinheit 10 ist dazu geeignet, die erste Spule 20 sowie die zweite Spule 30 zu steuern und Messsignale von der ersten Spule 20 bzw. der zweiten Spule 30 auszuwerten.
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Die erste Spule 20 und die zweite Spule 30 sind derart zueinander angeordnet, dass ein von der ersten Spule 20 erzeugtes Magnetfeld mittels der zweiten Spule 30 detektierbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, mittels der ersten Spule 20 ein von der zweiten Spule 30 erzeugtes Magnetfeld zu detektieren. Wie in 2 dargestellt, ist die erste Spule 20 sowie die zweite Spule 30 vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise verläuft eine erste Achse A1 mittig durch die erste Spule 20 und die zweite Spule 30. Die Wicklungen der Spulen sind vorzugsweise auf einem torischen hochpermeablen Kern aufgewickelt. Die erste Achse A1 verläuft vorzugsweise durch die Mitte des Torus. Die Wicklungen sind zum Beispiel aus einem lackierten Kupferdraht realisiert.
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Der Bezugspotentialanschluss 40 der elektrischen Schaltung 1 weist ein Bezugspotential auf. Das Bezugspotential ist zum Beispiel 0 Volt.
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Die erste Abschirmung 50 ist mit dem Bezugspotential verbunden. Die erste Abschirmung 50 sowie die zweite Abschirmung 60 sind derart angeordnet, dass ein Magnetfeld zwischen der ersten Spule 20 und der zweiten Spule 30 abschirmbar ist. Die erste Abschirmung 50 und die zweite Abschirmung 60 sind derart zueinander angeordnet, dass eine Kapazität zwischen der ersten Abschirmung 50 und der zweiten Abschirmung 60 messbar ist. Die Abschirmungen 50, 60 sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die Abschirmungen 50, 60 erstrecken sich zum Beispiel jeweils in einer Ebene und sind voneinander beabstandet. Die erste Achse A1 verläuft beispielsweise orthogonal zu den jeweiligen Ebenen der Abschirmungen 50, 60.
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Die Abschirmungen 50, 60 sind zum Beispiel auf einer Platine 80 der elektrischen Schaltung 1 angeordnet. Die erste Abschirmung 50 ist zum Beispiel durch eine erste Leiterbahnstruktur auf oder in der Platine 80 gebildet. Die zweite Abschirmung 60 ist zum Beispiel durch eine zweite Leiterbahnstruktur auf oder in der Platine 80 gebildet. Die Abschirmungen 50, 60 sind zum Beispiel aus Kupferflächen realisiert. Zum Beispiel ist die erste Leiterbahnstruktur auf einer ersten Oberfläche der Platine, oder wenn die Platine eine Mehrschichtplatine ist, auf einer ersten Schicht der Platine ausgebildet. Die zweite Leiterbahnstruktur ist zum Beispiel auf einer zweiten Oberfläche, beispielsweise eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche, oder wenn die Platine eine Mehrschichtplatine ist, auf einer zweiten Schicht der Platine ausgebildet. Die in der 1 dargestellte Ausführungsform zeigt eine Mehrschichtplatine, in welcher die Abschirmungen 50, 60 in der Platine 80 angeordnet sind. Die in der 2 dargestellte Ausführungsform zeigt auf jeweils einer Oberfläche der Platine 80 angeordnete Abschirmungen 50, 60.
3 und 4 zeigen Ausführungsformen der Abschirmungen 50, 60, welche als Gitterstruktur ausgebildet sind. Zur besseren Unterscheidung der Abschirmungen 50, 60 wurde die zweite Abschirmung 60 in gestrichelter Form dargestellt. Die Gitterstruktur hat den Vorteil, dass hierdurch dynamische magnetische Felder effizient abgeschirmt werden können. Die Gitterstruktur ist in 3 und 4 so dargestellt, dass die Gitterlinien orthogonal zueinander angeordnet sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, andere Anordnungen der Gitterlinien zueinander zu wählen. Anstatt dass jede Gitterstruktur Quadrate bildet, können zum Beispiel Rauten, Maschen oder andere Formen durch die Gitterlinien gebildet werden.
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Die Gitterstrukturen sind vorzugsweise zueinander versetzt angeordnet, so dass die durch die Gitter gebildeten Maschen bei einer Projektion der Gitterstrukturen entlang der ersten Achse A1 feinmaschiger werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Magnetfeld, welches durch die erste Abschirmung 50 dringt, von der zweiten Abschirmung 60 besser abgefangen wird. Es wird also die Schirmüberdeckung entlang der ersten Achse A1 maximiert. Letztlich wird hierdurch eine bessere Entkopplung der Spulen 20, 30 erreicht.
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Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsform der Abschirmungen 50, 60 sind die Abschirmungen 50, 60 auf einer ringförmigen Platine 80 angeordnet. Die ringförmige Platine 80 umläuft die erste Achse A1.
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Wie in 4 dargestellt weist die erste Abschirmung 50 vorzugsweise einen ersten Abschirmrand 51 und einen dritten Abschirmrand 52 auf. Die zweite Abschirmung 60 weist vorzugsweise einen zweiten Abschirmrand 61 und einen vierten Abschirmrand 62 auf. Die Abschirmränder sind aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Kupfer, realisiert.
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Der erste Abschirmrand 51 und der zweite Abschirmrand 61 begrenzen die erste Abschirmung 50 bzw. die zweite Abschirmung 60 in eine Richtung, welche von der ersten Achse A1 abgewandt ist. Der dritte Abschirmrand 52 und der vierte Abschirmrand 62 begrenzen die erste Abschirmung 50 bzw. die zweite Abschirmung 60 in eine Richtung, welche der ersten Achse A1 zugewandt ist. Durch die Abschirmränder werden die Abschirmungen 50, 60 jeweils im Umfang kurzgeschlossen werden. Dies ermöglicht, dass elektrische Wechselfelder wie bei einem Fraday'schen Käfig abschirmbar sind.
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2 zeigt auch einen Schalter 70, welcher dazu geeignet ist, in einer ersten Schalterposition den Steuereingang 11 mit der zweiten Abschirmung 60 zu verbinden und in einer zweiten Schalterposition die zweite Abschirmung 60 mit dem Bezugspotentialanschluss 40 zu verbinden. Die zweite Schalterposition ist in 2 gestrichelt dargestellt. Die erste Schalterposition ist somit eine Messposition und die zweite Schalterposition ist somit eine Abschirmposition. Der Schalter 70 ist durch die Steuereinheit 10 steuerbar, was in 2 durch die gepunktete Linie dargestellt ist. Der Schalter 70 ist zum Beispiel ein Transistor oder ein anderer geeigneter elektrischer Schalter.
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Die Steuereinheit 10 ist dazu geeignet, in der ersten Schalterposition eine Kapazität zwischen der ersten Abschirmung 50 und der zweiten Abschirmung 60 zu messen. Diese Messung erfolgt beispielsweise mittels einer DC-Messung oder einer AC-Messung. Die AC-Messung wird vorzugsweise in ihrer Frequenz abhängig von der zu messenden Kapazität gewählt. Dank der Ermittlung einer Kapazität zwischen den Abschirmungen 50, 60 ist es für die Steuereinheit 10 möglich, eine Feuchtigkeitsmessung im Sensorgehäuse 2 durchzuführen.
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Im Folgenden wird auf das Verfahren zum Verwenden des induktiven Sensors 100 eingegangen.
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Das Verfahren umfasst zumindest die nachfolgenden Schritte.
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Gemäß einem ersten Schritt wird der oben beschriebene induktive Sensor 100 bereitgestellt. Dies bedeutet, der induktive Sensor 100 ist messbereit und zum Beispiel mit einer Messflüssigkeit in Kontakt. In der Steuereinheit 10 ist ein Referenzkapazitätswert hinterlegt.
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Anschließend wird der Schalter 70 durch die Steuereinheit 10 in seine erste Schalterposition, also in die Messposition gebracht.
Nun wird zwischen der ersten Abschirmung 50 und der zweiten Abschirmung 60 eine erste Kapazität gemessen. Dieser erste Messwert zur ersten Kapazitätsmessung wird vorzugsweise in dem Speicher der Steuereinheit 10 für spätere Auswertungen hinterlegt.
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Dann erfolgt ein Schritt des Vergleichens des ersten Messwerts bzw. der ersten gemessenen Kapazität mit einem Referenzkapazitätswert durch die Steuereinheit 10. Der Referenzkapazitätswert ist in der Steuereinheit 10, also zum Beispiel in dem Speicher der Steuereinheit 10 hinterlegt. Der Referenzkapazitätswert spiegelt ein kapazitives Verhalten der beiden Abschirmungen 50, 60 für den induktiven Sensor 100 in einem Zustand wieder, in welchem keine Feuchtigkeit im Sensorgehäuse 2 vorhanden ist. Der Referenzkapazitätswert ist zum Beispiel von Werk aus für den induktiven Sensor 100 ermittelt und in der Steuereinheit 10 hinterlegt. Überschreitet die gemessene erste Kapazität zum Beispiel einen Schwellenwert, beispielsweise 1 % des Referenzkapazitätswerts, so wird ein Eindringen an Feuchtigkeit detektiert. Alternativ oder komplementär zur Bewertung anhand eines Schwellenwerts wird abhängig vom ersten Messwert ein Feuchtigkeitsgehalt bestimmt.
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Anschließend erfolgt ein Ausgeben eines Sensorzustands an der Ausgabeeinheit basierend auf dem Vergleich.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens zum Verwenden eines induktiven Sensors erfolgen zumindest die nachfolgenden Schritte:
- Gemäß einem ersten Schritt wird der oben beschriebene induktive Sensor 100 bereitgestellt. Dies bedeutet, der induktive Sensor 100 ist messbereit und zum Beispiel mit einer Messflüssigkeit in Kontakt.
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Anschließend erfolgt ein Schritt des Schaltens des Schalters 70 in die erste Schalterposition.
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Dann erfolgt ein Schritt des Messens einer ersten Kapazität, also eines ersten Kapazitätsmesswerts zwischen der ersten Abschirmung 50 und der zweiten Abschirmung 60.
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Als nächstes erfolgt ein Schritt des Schaltens des Schalters 70 in die zweite Schalterposition.
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Nun erfolgt das Erzeugen eines Magnetfelds in der ersten Spule 20 durch die Steuereinheit 10.
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Dieser Schritt wird gefolgt von einem Schritt des Messens eines Magnetfelds in der zweiten Spule 30 durch die Steuereinheit 10. Der Messwert des Magnetfelds wird zum Beispiel an der Ausgabeeinheit 3 ausgegeben.
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Danach erfolgt der Schritt des Schaltens des Schalters 70 in die erste Schalterposition.
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Hiernach erfolgt ein Schritt des Messens einer zweiten Kapazität, also eines zweiten Kapazitätswertes zwischen der ersten Abschirmung 50 und der zweiten Abschirmung 60.
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Als nächstes erfolgt ein Schritt des Ermittelns eines Sensorzustandes basierend auf der gemessenen ersten Kapazität und der gemessenen zweiten Kapazität.
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Schließlich erfolgt ein Schritt des Ausgebens eines Sensorzustandes an der Ausgabeeinheit 3.
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Dieses alternative Ausführungsverfahren hat den Vorteil, dass kein Referenzkapazitätswert in der Steuereinheit 10 hinterlegt sein muss. Vorzugsweise werden die oben beschriebenen Schritte in regelmäßigen Abständen wiederholt, um von Zeit zu Zeit zu prüfen, ob Feuchtigkeit in das Sensorgehäuse 2 eingedrungen ist. Die beiden Ausführungsverfahren können auch kombiniert werden. Dies bedeutet, dass zum Beispiel zu Beginn der Referenzkapazitätswert zum Vergleich hergenommen wird und später dieser Wert überschrieben wird, oder der Vergleich immer nur mit dem letzten gemessenen Kapazitätswert stattfindet.
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Dank des Verfahrens ist es möglich, vor einer Messwertverfälschung oder vor einem Sensorausfall ein Eindringen an Feuchtigkeit im Sensorgehäuse 2 frühzeitig zu Erkennen und zum Beispiel bei der Messwertanzeige, in Form einer Warnmeldung, zu berücksichtigen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Schaltung
- 2
- Sensorgehäuse
- 3
- Ausgabeeinheit
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Steuereingang
- 12
- Speicher
- 20
- erste Spule
- 30
- zweite Spule
- 40
- Bezugspotentialanschluss
- 50
- erste Abschirmung
- 51
- erster Abschirmrand
- 52
- dritter Abschirmrand
- 60
- zweite Abschirmung
- 61
- zweiter Abschirmrand
- 62
- vierter Abschirmrand
- 70
- Schalter
- 80
- Platine
- 100
- induktiver Sensor
- A1
- erste Achse
