CN103543422A

CN103543422A - 用于确定传导性的电导率传感器的至少一个故障的方法及电导率传感器

Info

Publication number: CN103543422A
Application number: CN201310336529.6A
Authority: CN
Inventors: 斯特凡·保罗; 斯特凡·布施纳科斯基; 罗伯特·乔培
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: 2012-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103543422B; US9329226B2; DE102012106384B4; DE102012106384A1; US20140015540A1

Abstract

本发明涉及一种用于确定具有至少两个电极的传导性的电导率传感器的至少一个故障的方法，其中所述电导率传感器用于测量介质的电导率，该方法包括如下步骤：向所述电极施加第一电变量，测量所述电极上的至少一个第二电变量，并且基于测量所述第二电变量判定是否存在故障，a)其中当没有故障存在时，测量介质时，所述第二电变量位于第一范围内，b)其中在第一故障的情况下，特别是当所述电导率传感器至少部分地位于所述介质之外时，所述第二电变量位于第二范围内，并且c)其中当第二故障存在时，特别是第二故障为电极断裂或者连至所述电极的线路断开的形式时，所述第二电变量位于第三范围内。本发明还涉及用于执行该方法的电导率传感器。

Description

用于确定传导性的电导率传感器的至少一个故障的方法及电导率传感器

技术领域

本发明涉及用于确定具有至少两个电极的传导性的电导率传感器的至少一个故障的方法。

背景技术

传导性的电导率传感器用于不同应用中以测量介质的电导率。

最公知的传导性的电导率传感器是双电极传感器和四电极传感器。

双电极传感器具有在测量操作时浸入于介质中的两个电极，并且提供有交变电压。与两个电极连接的测量电子设备测量电导率测量单元的电阻抗，然后，基于早先确定的取决于测量单元的几何形状以及其它特性的单元常数，确定位于测量单元中的介质的电阻系数，或者电导率。

四电极传感器具有在测量操作时浸入于介质中的四个电极，其中两个用作所谓的电流电极，两个用作所谓的电压电极。在测量操作时施加在两个电流电极之间的是交变电压，其导致流过介质的交变电流。该电流在电压电极之间产生电势差，其优选通过无电流测量来确定。同样在这种情况下，通过连接至电流和电压电极的测量电子设备，由施加的交变电流以及测量的电势差引起的电导率测量单元的阻抗被确定，然后，基于早先确定的取决于测量单元的几何形状以及其它特性的单元常数，确定位于测量单元中的介质的电阻系数，或者电导率。

在当今的电导率传感器中，不可能检测电极断裂(break)。这意味着用户不能总是充分地确信传感器的功能能力。而且不能区分传感器是否处于空气中，或者从评估电子设备至电极的线路是否中断。

发明内容

因此本发明的目的是检测传导性的电导率传感器的电极状态的变化。

该目的通过这样的方法来实现，其包括如下步骤：

向电极施加第一电变量，

测量电极上的至少一个第二电变量，并且

基于测量第二电变量判定是否存在故障，

其中当没有故障存在时，在测量介质时，所述第二电变量位于第一范围内，

其中在第一故障的情况下，特别是当电导率传感器至少部分地位于介质之外时，所述第二电变量位于第二范围内，并且

其中当存在第二故障时，特别是第二故障是电极断裂、或者是至电极的线路断开的形式时，所述第二点电变量位于第三范围内。

通过将第二电变量的测量范围划分为三个范围，就可能确定传感器的电极的状态。

在优选实施例中，用作第二电变量的是流过电极的电流。以此方式，可以使用相对简单的测量电路。

在实施例的有利的形式中，第二范围具有比第一范围小的值，并且第三范围具有比第二范围小的值。范围的分级使上述的分析a)“传感器测量正常”，b)“传感器位于介质外”，以及c)“传感器电极不能运行”成为可能。

在进一步的有利改进中，作为第二电变量使用的是电极之间的阻抗的大小。该测量变量可利用相对少的组件来实现。

在更进一步的有利改进中，作为第二电变量使用的是电极之间的电容。该测量变量是电极的不希望的状态的最直接的标志。

在更进一步的有利改进中，利用电路将电极形成振荡电路，频率作为第二电变量。以此方式，可以检测到极小的偏差。

在更进一步的有利改进中，以脉冲的形式提供、特别是矩形脉冲的形式提供第一电变量，作为第二电变量的是脉冲的衰减特性。

在进一步的有利改进中，提供有集成电路，特别是微控制器，作为第二电变量的是由集成电路可执行的方法。集成电路可以执行上述的用于检测至少一个电极的状态变化的所有的方法。

除了标明的选项，可以使用微控制器固有的选项，例如利用集成比较器和电极实现振荡器，并且评估振荡器的特性。另外一种选项是为了检测作为状态变化的偏差，使用微控制器的集成时钟源来为电极电容的充电/放电周期计数。

优选地用作第一电变量的是电交变变量。特别容易实现的这样的变量是交变电压。

此外，该目的进一步通过用于执行该方法的电导率传感器来实现。

在有利的实施例中，电导率传感器包括至少四个电极，它们成对地组合以形成第一电极对和第二电极对，其中提供有用于在第一电极对和第二电极对之间切换第一电变量的电路。因此，可彼此独立地检测电流电极和电压电极的状态。

附图说明

下面将基于附图对本发明进行更加详细的说明，附图如下示出：

图1a-1b分别是具有两个或者四个电极的传感器的等效电路图，

图2a-2b是带有或者没有断开的电极的电容的示意图，以及

图3a-3e是用于在第一电极对和第二电极对之间切换的电路选项的示意图。

具体实施方式

在附图中，相同的特征提供有相同的附图标记。

图1a-1b示出了具有配置有两个电极(图1a)和四个电极(图1b)的电极配置的电导率传感器20。在这样的情况下，电流电极提供有附图标记1和2，电压电极提供有附图标记4和5。

在等效电路图示出的电极之间形成的分别是电容3和电容6。

图2a-2b示出了示意性地带有连至评估电子设备9的导线线路7和8的各电极。评估电子设备9可以实现为例如测量发射器。在图2a中，导线线路是正常的，测量系统如期望地运行。

图2b示出了带有断开的导线线路8的测量系统。在一个断开的端和电极之间形成有寄生电容10。

借助于本发明的方法，状态变化识别如下。首先，第一电变量，特别是电交变变量，例如，交变电压，被施加到电极1和2，或者4和5。这可通过评估电子设备9，即测量发射器来实现。然而，其它的源也是合适的。

在接下来的步骤中，测量第二电变量。这可以是例如流过电极的电流。然而其它的选项还可包括阻抗或者电容的大小。然而，通常测量的是电流，因为电路复杂性最低。

如果一切正常，即，电极是完好的，并且所有的电极1和2(以及，在给定的情况下，还包括4和5)都位于待测的介质中(对照图2a))，则相对大的电流得以测量。电流通过介质中的电荷载流子传导。

如果电导率传感器至少部分地位于介质外，即在空气中，则电流不再完全流经介质。测得与平板电容相似的针对电极的几何形状的电流特性。该电流小于在介质中测量情况下的电流。

如果一个电极或者导线线路断开(对照图2b))，则测到更小的电流。该电流因此小于在空气中的完整的电极情况下的电流。

因此通过测量电流，可检测出电极处于哪种状态、以及是否存在故障和存在哪种故障。

以示例并且非限定的方式，使用“纯水”作为示例。纯水具有例如1μS/cm的电解电导率。在单元常数(基本上取决于电极的几何形状)为0.01cm^-1的情况下，则得到可测量电阻为10kΩ。在同样的传感器，即固定的单元常数的情况下，得到如下结果：待测量介质的电阻越高，电极的电容，相应地电容的影响也越大。

在具有四个电极的电导率传感器的情况下，需要用于切换第一电变量的电路。图3a-3e示意性地示出了这样的电路的示例。在图3a中，开关11指向电流电极1和2，而在图3b中，其指向电压电极4和5。电流源12，例如同样集成在测量发射器中，即评估电子设备9中，用于电流的馈入。在每种情况下，电流路径都与接地13相连接。图3c、图3d和图3e示出了电极1、2或者4、5不被成对地作为电流或者电压电极读出情况下的电路。相反，电压电极可与电流电极相连接。读出可以顺序地发生。同样，多路转接器可集成在评估电子设备9内。

作为电流测量的替代，电极可与可选的电感性组件(例如，同样实现在评估电子设备9内的)一起形成振荡电路。如果存在故障，即导线线路断开，则电极断开或者至少一个电极至少部分地位于介质之外，则振荡电路的频率变化。这可以例如通过评估电子设备9来检测。

此外，一个选项是将矩形信号形式的脉冲施加到电极。脉冲的衰减特性是电极状态的特征，并且可以示出是否存在故障。

在实施例中，集成电路，特别是微控制器，可连接至电极1、2，或者4、5。

利用集成电路，一个选项是实施上述所有的方法以检测至少一个电极的状态的变化。

而且，也可以实施其它的评估选项：集成电路，特别是微控制器，通常具有多个输入端、至少一个集成放大器、比较器、时钟源等。这些内在的装置提供了多种选项，例如检测第一电变量的变化。因此，例如，电极1、2，或者4、5可与微控制器的集成比较器连接，从而产生振荡器。电极1、2，或者4、5的状态变化，以频率变化的形式被检测。可替代地，电极1、2，或者4、5可与微控制器的时钟源连接。因此，例如，可测量充放电时间。电极1、2，或者4、5的状态的变化可作为充放电时间的变化加以检测。

附图标记列表

1 电极

2 电极

3 1和2之间的电容

4 电极

5 电极

6 4和5之间的电容

7 1和2之间的导线线路

8 4和5之间的导线线路

9 评估电子设备

10 寄生电容

11 切换电路

12 电流源

13 接地

14 4和2之间的电容

14 5和2之间的电容

20 电导率传感器

Claims

1.一种用于确定具有至少两个电极(1、2、4、5)的传导性的电导率传感器(20)的至少一个故障的方法，其中所述电导率传感器(20)用于测量介质的电导率，所述方法包括如下步骤：

--向所述电极(1、2、4、5)施加第一电变量，

--测量所述电极(1、2、4、5)上的至少一个第二电变量，并且

--基于测量所述第二电变量来判定是否存在故障，

a)其中当没有故障存在时，在测量所述介质时，所述第二电变量位于第一范围内，

b)其中在第一故障的情况下，特别是当所述电导率传感器至少部分地位于所述介质之外时，所述第二电变量位于第二范围内，并且

c)其中当存在第二故障时，特别是以电极断裂或者至所述电极(1、2、4、5)的线路(7、8)断开的形式的第二故障存在时，所述第二电变量位于第三范围内。

2.如权利要求1所述的方法，其中用作第二电变量的是流经所述电极的电流。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二范围具有比所述第一范围小的值，并且

其中所述第三范围具有比所述第二范围小的值。

4.如权利要求1至3的至少一项所述的方法，其中用作第二电变量的是所述电极之间的阻抗的大小。

5.如权利要求1至4的至少一项所述的方法，其中用作第二电变量的是所述电极之间的电容(3、6、10)。

6.如权利要求1至5的至少一项所述的方法，其中利用电路将所述电极形成振荡电路，并且其中用作第二电变量的是频率。

7.如权利要求1至6的至少一项所述的方法，其中以脉冲的形式提供、特别是以矩形脉冲的形式提供所述第一电变量，并且

其中用作第二电变量的是所述脉冲的衰减特性。

8.如权利要求1至6的至少一项所述的方法，其中提供有集成电路、特别是微控制器，并且用作第二电变量的是由所述集成电路可执行的方法。

9.如权利要求1至8的至少一项所述的方法，其中用作第一电变量的是电交变变量。

10.一种用于执行如权利要求1至9中至少一项所要求的方法的电导率传感器(20)。

11.一种用于执行如权利要求1至10中至少一项所要求的方法的电导率传感器(20)，其中所述电导率传感器包括至少四个电极(1、2、4、5)，这些电极成对地组合以形成第一电极对(1、2)和第二电极对(4、5)，并且

其中提供有用于在第一电极对(1、2)和第二电极对(4、5)之间切换所述第一电变量的电路。