CN102890197A - 用于确定容纳在容器中的介质的电导率的梯度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定容纳在容器（8）中的介质（2）的电导率的梯度计（13），包括：至少第一电线圈、第二电线圈和第三电线圈（5、6、7），其中第一线圈（5）实现为发射线圈，其中第二和第三线圈（6、7）实现为接收线圈；保持装置（4），其中第一、第二和第三线圈（5、6、7）缠绕在保持装置（4）上，其中保持装置（4）被布置成穿过容器壁（1）中的容器开口（9）以使得第一线圈（5）关于容器壁（1）中心地定位，其中第二和第三线圈（6、7）被布置成关于第一线圈（5）镜像对称并且与第一线圈（5）感应地耦合。

Description

用于确定容纳在容器中的介质的电导率的梯度计

技术领域

本发明涉及用于确定容纳在容器中的介质的电导率的梯度计。

背景技术

在过程测量技术和在工业测量技术中，为了测量液体的电导率，通常使用电导率传感器，电导率传感器根据感应或导电测量原理来工作。

例如，从EP990 894B1已知一种电导率传感器，该电导率传感器包括至少两个电极，为了测量，将该至少两个电极浸入介质中。为了确定介质的电导率，确定了介质中电极测量路径的电阻或导电性。在已知电池常数的情形下，可以由此确认介质的导电性。为了借助电导率传感器测量被测液体的导电性，使至少两个电极与被测液体接触是绝对必要的。

在用于过程介质的导电性确定的感应原理的情形下，应用传感器，该传感器具有发射线圈以及与该发射线圈间隔开布置的接收线圈。经由该发射线圈产生了交变电磁场，该交变电磁场作用在液体介质中的带电粒子（如离子）上，并且在介质中引起相应的电流流动。经由该电流流动，也在接收线圈上出现电磁场，这根据法拉第感应定律在接收线圈中感应接收信号（感应电压）。该接收信号可以被评估并用于确定液体介质的电导率。

通常，感应式电导率传感器构造如下：通常将发射线圈和接收线圈实现为环形线圈并包括由介质可接触的横越开口，使得介质围绕两个线圈流动。在激励的情形下，发射线圈形成在介质内延伸的闭合式电流路径，其穿过发射线圈以及接收线圈两者。通过响应于发射线圈的信号而评估接收线圈的电流或电压信号，随后可以确认被测液体的导电性。这样的原理在工业过程测量技术中建立并且在专利文件的大量文献中记载，例如在DE 198 51 146A1中。

借助于梯度计的梯度测量是使用两个传感器同时测量梯度，传感器布置在相对于彼此固定的距离处。通常，使用梯度计来测量磁场。在该情形下，传感器通常实现为磁力计，在最简单的情形下实现为线圈。在这样的情形下，测量值通常彼此相减，以便检测在两个传感器之间的磁场差。因此，可以产生高度精确的磁场测量。

因而，在这种布置中的线圈可以作为梯度计而用作电导率传感器。

在梯度计的情形下存在问题的是，由于场构造，梯度计受在其较近的环境中所有感应物体的影响。特别是，例如容器壁的金属物体可能以干扰的方式作用于测量结果，因为在该金属物体中产生涡电流，涡电流引起叠加在实际测量信号上的扰动信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定电导率的梯度计，该梯度计也可应用在金属容器的情形下。

通过一种梯度计来实现该目的，包括：

至少第一电线圈、第二电线圈和第三电线圈，其中第一线圈实现为发射线圈，其中第二和第三线圈实现为接收线圈，

保持装置，

其中第一、第二和第三线圈缠绕在保持装置上，

其中保持装置被布置穿过容器壁中的容器开口以使得第一线圈关于容器壁中心地定位，

其中第二和第三线圈被布置成关于第一线圈镜像对称并且与第一线圈感应地耦合。

经由第一线圈关于容器壁的中心定位以及第二和第三线圈关于第一线圈的镜像对称布置，得到了作为梯度计的有利布置，其对于电导率的敏感测量是有利的。

如果将电流——特别是交流电流发送通过第一线圈，则出现磁场。根据法拉第感应定律，由此在第二和第三线圈中感应电压，在理想的镜像对称布置的情形下，该电压在第二和第三线圈中是等大的。电磁波经由保持装置以及也经由容器中的介质和容器外部的介质两者而耦合。由于两种介质的不同电特性，布置在容器中的线圈中与布置在容器外部的线圈中感应不同的电压。通常，因为经由第一线圈的磁场而在位于容器中的介质中感应涡电流，所以布置在容器内的线圈中感应更大的电压。涡电流由另一磁场包围。通过确定第二和第三线圈之间的电压差，可以确认容器中介质的电导率。

在有利实施例中，第二和第三线圈以相反方向缠绕。因为为了确定导电性，在第二和第三线圈中感应的电压之间的差是决定性的，且第二和第三线圈的相反绕组感应具有不同符号的电压，所以仅需要将两个电压相加以获得电压差。在电路方面，这实现起来相对简单，且因此被认为是有利的。而且，因此抑制了与第二和第三线圈中的信号等大的第一线圈的信号，使得仅测量电压差。这关于电路同样是有利的，因为通常第一线圈的信号比差信号要大得多。

在优选实施例中，第二和第三线圈彼此电互连。在这种情形下，并联电路以及串联电路两者都是选择。从电观点来看，第二和第三线圈随后实际上形成单一电路；然而，物理上，第二和第三线圈仍由两个分离的绕组段组成。通过该实施例促进了电压差的确认，且最小化了随后的电路复杂性。

在优选实施例形式中，设置了保护层或保护系统，该保护层或保护系统被实现以使得针对待检测的介质保护第一、第二和第三线圈。因为介质通常是化学和/或生物侵蚀性的，所以必须针对介质保护线圈，以使得梯度计能够经久地操作。

在进一步有利的发展中，保持装置布置在容器壁的不导电区域中。因此，可以例如借助于凸缘而将梯度计安装在容器中，并且凸缘的不导电部分是其密封部。通过将梯度计安装在不导电部分中，防止了容器壁中不期望的涡电流，涡电流将递送扰动信号。在不导电部分中，不产生涡电流，且测量由此更精确且更可重复。本发明的梯度计由此特别适合于金属容器。

在有利实施例中，保持装置布置为其主轴线垂直于容器壁。因此，可以理想地确保第二和第三线圈具有与第一线圈相同的分离（在幅值和角度上）并且确保给出理想的测量条件。

在有用的实施例形式中，保持装置由具有大于1的相对磁导率的材料组成。在该实施例形式中，将磁场线理想地引入保持装置。

在优选实施例中，设置有调节系统，该调节系统被实现成使得在容器内部和外部的介质相同的情形下在第二和第三线圈中感应的电压至少在幅值上相等。如果例如因为结构原因，出现了第一线圈没有确切地关于第二和第三线圈中心地定位的情形，则即使是在容器内部和外部的介质相同的情形下，在第二和第三线圈中感应电压差。因此，也可能不能实现待测量介质的导电性的正确确定。经由安装调节系统也可以解释该情况，并且可以在所描述状态中实现0V的电压差。

在这种情形下，在有利的实施例形式中，作为调节系统，在保持装置背离容器中的介质的端部上设置了开口，其中该开口被实现以使得在其中容纳具有大于1的相对磁导率的芯部，并且其中芯部进入开口中的插入深度改变第一和第二线圈和/或第一和第三线圈之间的耦合因子。

在替代的实施例形式中，调节系统以至少一个上级单元的形式实现。上级单元的一部分可以例如是执行调节的微控制器。

此外，上级单元被实现成使得其通过第一线圈产生开环控制和/或闭环控制电流——特别是交流电流，和/或确认和/或进一步处理在第二和第三线圈中感应的电压。这也可在单个芯片上实现。

附图说明

现将基于附图更详细地解释本发明，其中：

图1是穿过具有梯度计的容器的横截面视图，

图2是穿过具有梯度计的横截面视图且示出了用于线圈的替代的保护，以及

图3是穿过具有以实施例的第二形式的梯度计的容器的横截面视图。

在附图中，对相同的特征提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了穿过包含待测量的液体介质2的容器8的横截面视图。通常为空气的介质14位于容器8的外部。梯度计在总体上具有附图标记13。容器8由容器壁1形成，容器壁1通常由例如铝的金属或例如钢的金属合金组成。实施例的其它形式由非金属材料构成，例如，由诸如聚醚醚酮（PEEK）或聚苯砜（PPSU）的耐受性合成材料构成。

梯度计13布置在容器壁1中的容器开口9中。例如，梯度计13通过螺纹、粘合剂或互锁而与容器8连接。在梯度计13经由具有凸缘布置的管状喷嘴而与容器8连接的情形下的实施例的形式也是可实施的。梯度计13也可为例如可撤回组件的组件的一部分。

梯度计13布置在容器壁1的不导电区域3中。不导电区域3例如可以为过程连接或凸缘的一部分并且可以由PEEK制造。不导电区域3还可以为密封环并且可以由FKM或EPDM制造。

梯度计13包括保持装置4，保持装置4由不导电材料制成，例如由诸如PEEK或PPSU的合成材料制成。具有例如由铁素体制成的金属材料的实施例形式也是可实施的。保持装置4特别可以是由具有大于1的相对磁导率的材料制造。

保持装置4通常具有圆柱形状；但是，其他实施例是可能的。通常，保持装置4沿其整个长度是直径相同的。保持装置4还可以实现为暗销、插塞、螺栓、心轴、网等。

三个线圈缠绕在保持装置4上。在该情形下，第二和第三线圈6、7关于第一线圈5镜像对称地布置，即该梯度计为所谓的二阶梯度计。线圈由例如线、漆包线或绞线或编织线的电流导体组成。通常，使用漆包铜线。线圈5、6、7具有至少一个绕组或匝。关于绕组或匝的数量、绕组间隔和绕组层的数量，第二和第三线圈6、7通常具有相同的特性。而且，第二和第三线圈6、7在相反方向上缠绕并彼此串联地互连，其中并联地连接也是可能的，或者甚至没有连接。

线圈5、6、7不接触介质。因此，可以例如将线圈5、6、7嵌入保持装置4中或者通过保护层16而针对介质2被保护。保护层可为耐受性漆、树脂等。

图2示出了替代的实施例形式，在该情形下，用于线圈5、6、7的保护由保护系统17组成。可以将保护系统17实现为例如一端打开的保护柱或管。在该情形下，保护系统17的材料必须耐受介质2并且例如为PEEK或PPSU。理想地，该材料为不导电的。

第一线圈5被布置以使得其中心地定位在容器壁1。通常，保持装置4垂直于容器壁1安装；但是，其他安装角度也是可设想的。由于第二和第三线圈6、7关于第一线圈5的镜像对称，第二和第三线圈6、7定位成在容器8的（第二线圈6）内部或（第三线圈7）外部与第一线圈5相等地间隔开。

线圈5、6、7与上级单元10连接。上级单元10产生、控制和/或调节电流，特别是交流电流，其通常被发送通过第一线圈5。这样，在第一线圈5中出现磁场。在该情形下，上级单元10例如为用于产生并测量电流的电路，并且也包括连接的微控制器。上级单元的诸如例如微控制器、电流发生器和电流计的各个部件可以仅由一个部件组成。

电磁波经由保持装置4以及也经由容器8的内部和外部的介质2、14两者耦合。根据法拉第感应定律，然后在第二和第三线圈6、7中感应电压，且电流在线圈中流动。

由于容器8的内部和外部的介质2、14的不同的电特性，与对于第三线圈7的情形相比，在第二线圈6中感应不同的电压、相应地不同的电流。通常，在第三线圈7、即容器8内的线圈中感应更多的电压。

在第二和第三线圈6、7中感应的电压进一步在上级单元10中处理，可能彼此相减。通过响应于第一线圈5的信号来评估第二和第三线圈6、7的电流或电压信号，随后可以确认介质2的电导率。

如果介质2和位于容器8外部的介质14拥有相同的电特性，在电压相减的情形下，当第二和第三线圈6、7相反地缠绕并具有相同的特征，诸如相同的直径、绕组数目、绕组间隔和绕组层的数目时，得到0V值。

第二和第三线圈6、7也可以彼此电互连。因而，串联或并联连接是可能的。第二和第三线圈6、7可由单件电流导体制成。线圈然后串联连接，但是形成两个物理分离的绕组段。第二和第三线圈6、7也相反地缠绕。这样，因为感应了不同符号的电压，省略了可能的相减，且可以用小的电路复杂性来将电压相加。

图3示出了梯度计13的另一实施例。如上面提到的，第一线圈5理想地确切地中心地定位在容器壁1中。在容器8内部和外部的介质2、14相同且第二和第三线圈6、7的特征相同的情形下，于是在第二和第三线圈6、7中感应相同的电压。然而，如果第一线圈5没有确切地中心地定位在容器壁1中或者第二和第三线圈6、7定位在离第一线圈5不同的距离处，则产生不同的感应电压，且电压差不等于0V。然而，因为这是成功地确定待测量的介质的导电性的先决条件，所以必须进行调节。

例如，这可以经由上级单元10中相应的补偿来进行。

如图3所示，梯度计13还可以设置有调节系统11。在该情形下，保持装置4’例如实现为一端封闭的中空柱，且通常可以具有与保持装置4相同的性能。通过背离介质2的开口15，可以将芯部12引入保持装置4’的内部，其中保持装置4’的主轴线A与芯部12的主轴线一致。芯部12可以由相对磁导率大于1的材料制成。示例包括铁素体。第一和第二线圈5、6之间或者第一和第三线圈5、7之间的耦合因子根据芯部12进入保持装置4’内的插入深度而改变。因此，可以调节梯度计13，使得尽管第一线圈5非理想地定位在容器壁1中，但是在容器8内部和外部的介质2、14相同的情形下在第二和第三线圈6、7中感应的电压至少就幅值而言是相等的，且得到0V的电压差。在调节之后，梯度计可以在生产使用中用于确定介质2的导电性。

附图标记列表

1     容器壁

2     介质

3     1的不导电区域

4     保持装置

4’   改型的保持装置

5     第一线圈

6     第二线圈

7     第三线圈

8     容器

9     容器开口

10    上级单元

11    调节系统

12    芯部

13    梯度计

14    8外部的介质

15    4’的开口

16    保护层

17    保护系统

A 4、4’分别的主轴线

Claims (11)

1.一种用于确定容纳在容器（8）中的介质（2）的电导率的梯度计（13），包括：

至少第一电线圈、第二电线圈和第三电线圈（5、6、7），其中所述第一线圈（5）被实现为发射线圈，其中所述第二和第三线圈（6、7）被实现为接收线圈，

保持装置（4），

其中所述第一、第二和第三线圈（5、6、7）缠绕在所述保持装置（4）上，

其中所述保持装置（4）被布置为穿过容器壁（1）中的容器开口（9），使得所述第一线圈（5）关于所述容器壁（1）中心地定位，

其中所述第二和第三线圈（6、7）被布置为关于所述第一线圈（5）镜像对称并且与所述第一线圈（5）感应地耦合。

2.根据权利要求1所述的梯度计（13），其中所述第二和第三线圈（6、7）以相反方向缠绕。

3.根据权利要求1或2所述的梯度计（13），其中所述第二和第三线圈（6、7）彼此电互连。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的梯度计（13），其中设置了保护层（16）或保护系统（17），所述保护层（16）或保护系统（17）被实现以使得针对所述介质（2）保护所述第一、第二和第三线圈（5、6、7）。

5.根据权利要求1-4中的一项所述的梯度计（13），其中所述保持装置（4）布置在所述容器壁（1）的不导电区域（3）中。

6.根据权利要求1-5中的一项所述的梯度计（13），其中所述保持装置（4）布置为其主轴线（A）垂直于所述容器壁（1）。

7.根据权利要求1-6中的一项所述的梯度计（13），其中所述保持装置（4）由具有大于1的相对磁导率的材料组成。

8.根据权利要求1-7中的一项所述的梯度计（13），其中设置有调节系统（11），所述调节系统（11）被实现成使得在所述容器内部和外部的介质（2、14）相同的情形下在所述第二和第三线圈（6、7）中感应的电压至少在幅值上相等。

9.根据权利要求8所述的梯度计（13），其中，作为调节系统（11），在所述保持装置（4）背离所述介质（2）的端部上设置开口（15），其中所述开口被实现成使得在其中容纳具有大于1的相对磁导率的芯部（12），并且

其中，所述芯部（12）进入所述开口（15）内的插入深度改变所述第一和第二线圈（5、6）和/或所述第一和第三线圈（5、7）之间的耦合因子。

10.根据权利要求8所述的梯度计（13），其中所述调节系统（11）以至少一个上级单元（10）的形式实现并且执行在所述第二和第三线圈（6、7）中感应的电压的调节。

11.根据权利要求1-10中的一项所述的梯度计（13），其中设置有至少一个上级单元（10），所述上级单元（10）被实现以使得所述上级单元（10）通过所述第一线圈（5）产生开环控制和/或闭环控制电流——特别是交流电流，和/或

确认和/或进一步处理在所述第二和第三线圈（6、7）中感应的电压。

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