CN105242116A - 用于测量介质的比电导率的感应式电导率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量介质的比电导率的感应式电导率传感器，其具有以输入信号供给的发送线圈、经由介质与发送线圈耦合的接收线圈以及包围发送线圈和接收线圈的壳体，接收线圈提供输出信号，其是对介质电导率的度量，壳体具有至少一个专门用于沉入介质中的壳体区段，其壳体壁包围发送线圈和接收线圈。电导率传感器的特征在于，壳体区段包括至少一个专门用于与介质接触的能导电的第一接触部和专门用于与介质接触的能导电的第二接触部，电导率传感器包括能导电的导体，第一接触部经由该导体与第二接触部连接，导体和能导电的接触部设计成使它们经由介质离子传导线路构造出围绕发送线圈和接收线圈的闭合的电流路径。本发明涉及包括电导率传感器的方法。

Description

用于测量介质的比电导率的感应式电导率传感器

技术领域

本发明涉及一种用于测量介质的比电导率的感应式电导率传感器以及一种用于利用这种电导率传感器测量比电导率的方法。

背景技术

感应式电导率传感器大多应用在实验室中以及应用在用于检测液态介质的比电导率的过程测量技术中。这些感应式电导率传感器优选用于出现很大的测量范围和很高的化学或热负荷的地方。这例如大多是工业上的化学过程的情况，但也可以是在热蒸汽灭菌法中的情况，该热蒸汽灭菌法通常由于在食品技术领域中的严格的卫生要求而使用。

感应式电导率传感器包括发送线圈和接收线圈，它们通常设计为环形线圈，也被称为环状线圈(Toroidspule)。这种电导率传感器按照双变压器的类型来工作，其中，发送和接收线圈以如下程度引入介质中，即，使得可以构造出延伸穿过介质的、穿过发送和接收线圈的、闭合的电流路径。当发送线圈以作为输入信号的交变电压信号来激励时，发送线圈产生磁场，该磁场在穿过线圈且本身闭合的介质路径中感应出电流，该电流的强度依赖于介质的电导率。因为该交变电流在介质中再次引起围绕介质的变化的磁场，所以在接收线圈中感应出交变电流作为输出信号。该由接收线圈提供以作为输出信号的交变电流或相应的交变电压是对介质的电导率的度量。

为了给发送线圈供应交变电压，感应式电导率传感器包括与发送线圈连接的驱动电路。此外，为了检测接收线圈的输出信号，电导率传感器还包括与接收线圈电连接的接收电路，该接收电路设计用于将检测到且必要时由接收电路处理过的测量信号向传感器电子器件发出，该传感器电子器件用于对测量信号进行进一步处理并且必要时进行数字化。电导率传感器通常设计为能至少以区段形式沉入介质中的测量探头。这种测量探头具有壳体，在该壳体中容置有发送和接收线圈，必要时还容置有驱动电路和接收电路以及其他与发送和接收电路组合在传感器电路中的电路部件。在这种设计方案中，测量探头与售出的上级单元，例如显示单元、测量转换器、计算机或管理系统连接。上级单元既可以设计用于向测量探头供能，也可以设计用于与测量探头进行数据通讯。可选地包含在测量探头中的传感器电路可以设计用于将经进一步处理的、必要时经数字化的测量信号向上级单元转递。相应的测量值可以经由上级单元借助显示装置显示出或者经由数据接口发出。

感应式电导率传感器具有在约10μS/cm至200μS/cm范围内的探测下限。由此，这些传感器不能用在纯水和高纯水范围中。

在感应式电导率传感器中存在测量范围下限的原因在于，在介质电导率很小时，在分析物中感应出的测量电流非常小，并且发送线圈与接收线圈的产生的电容式耦联产生了大于或等于测量电流的基本信号。换而言之就是信噪比变得更差。

除了已有的感应式电导率传感器以外，还有电容式电导率传感器。在此，利用如下测量系统来确定介质中的电导率，在该测量系统中，如在电容器中那样，彼此相对置地存在有两个电极。根据欧姆定律来测量电阻或其倒数，即电导。利用通过传感器几何结构确定的电导池常数(Zellkonstant)，从电导中获知比电导率。

在很大的电导率的范围内，在电容式电导率传感器上出现了在接触到分析物的电极上的极化现象。在感应式电导率传感器的情况下，由于原理没有出现这种效应。因此，感应式电导率传感器用于高电导率的范围，而电容式的电导率传感器用于低电导率的范围。当今，既要测量非常高的电导率又要测量非常低的电导率的过程要么配备有两个电导率传感器，即感应式电导率传感器和电容式电导率传感器，要么配备有电容式四极传感器。但是，后者始终比感应式电导率传感器具有更小的上测量范围。

发明内容

本发明的任务是提供一种电导率传感器，其具备在高纯水和纯水中进行测量的可能性，并且在高电导率的范围内不出现干扰的极化效应。

该任务通过如下电导率传感器来解决，其具有借助输入信号来供给的发送线圈、经由介质与发送线圈耦合的接收线圈以及包围发送线圈和接收线圈的壳体，接收线圈提供输出信号，该输出信号是对介质的电导率的度量，壳体具有至少一个专门用于沉入介质中的壳体区段，该壳体区段的壳体壁包围发送线圈和接收线圈。该电导率传感器的特征在于，壳体区段包括至少一个专门用于与介质接触的能导电的第一接触部和专门用于与介质接触的能导电的第二接触部，其中，电导率传感器包括能导电的导体，并且第一接触部经由该导体与第二接触部连接，其中，导体和能导电的接触部设计成使得它们经由介质的离子传导线路构造出围绕发送线圈和接收线圈的闭合的电流路径。

因此，即使在电导率很小的情况下也可以借助感应式电导率传感器来确定电导率。同时，保持了利用同样的电导率传感器来获知更大的电导率的可能性。这通过缩短感应出的电流在介质中的路径长度来实现，由此，增大了测量电流并进而扩宽了测量范围。

在一种优选设计方案中，第一接触部和第二接触部是金属接触部，并且导体设计为金属导体。

在一种有利改进方案中，第一接触部和第二接触部以薄层技术制成。在一种变体中，第一接触部和第二接触部安置在专门用于沉入介质中的壳体区段的表面上。因此，接触部也可以事后再安设。

为了防止水侵入，第一接触部和第二接触部相对于壳体内部密封。

在一种有利设计方案中，第一接触部和第二接触部通到壳体内部中，并且导体至少以区段形式在壳体中引导。

替选地，第一接触部和第二接触部在壳体外部引导，并且导体至少以区段形式在壳体外部引导。

在一种优选实施方式中，导体设计成使其分别多次地围绕发送线圈或接收线圈或者围绕发送线圈和接收线圈引导，尤其是缠绕。因此，得到的测量电流可以提高多倍。

在一种有利设计方案中，导体包括至少一个开关，其断开或闭合电流路径。因此，可以根据需要，也就是说根据电导率的不同来开启或关闭得到的扩宽的测量范围。

在此，根据电导率的不同，开关接通导体的各个引导部，尤其是绕组。也就是在电导率很小的情况下比在电导率增大的情况下接通更多的绕组。

此外，该任务利用包括上文所描述的电导率传感器的方法来解决，该方法包括以下步骤：由发送线圈将输入信号发送到介质中；将接收线圈的输出信号转化成电导率的值；并且当该电导率的值低于特定值时，接通导体用以减小感应出的电流在介质中的有效的路径长度。

附图说明

结合下面的附图详细阐述本发明。其中：

图1以三维图示出根据本发明的电导率传感器；

图2示出电导率传感器的发送线圈和接收线圈；

图3以横截面示出电导率传感器；

图4以横截面示出根据本发明的电导率传感器；

图5以横截面示出一种设计方案中的根据本发明的电导率传感器；

图6以横截面示出另一设计方案中的根据本发明的电导率传感器。

在附图中，相同的特征以相同的附图标记来标识。

具体实施方式

根据本发明的电导率传感器在整体上用附图标记1表示并且在图1中示出。首先，应结合图1、图2和图3简要探讨电导率传感器的测量原理。

上述附图示出了感应式电导率传感器1的传感器模型，其具有容置在壳体7中的发送线圈2和接收线圈3。发送线圈2和接收线圈3彼此相对置地布置在电路板(未画出)的彼此背对的侧上。设计为旋转对称的环形线圈(“Toroide”)的发送和接收线圈2或3以该方式同轴地前后相继地布置。电路板包括接触到线圈的导体迹线(Leiterbahn)，这些导体迹线将发送线圈2与驱动电路连接并且将接收线圈3与接收电路连接。驱动电路和接收电路可以是布置在电路板上的传感器电路的组成部分。

壳体7形成有沿着发送线圈2和接收线圈3的旋转轴线穿过它们的通道10。如果壳体7沉入能导电的介质6中，那么该介质就包围了壳体7并且侵入通道10中，从而当发送线圈2以输入信号，也就是交变电压来激励时，在介质中可以构造出穿过两个线圈2、3的闭合的电流路径9。

电导率传感器按照双变压器的类型来工作，其中，发送和接收线圈2、3如所提及那样以如下程度引入介质6中，即，使得可以构造出延伸穿过介质6的、穿过发送线圈和接收线圈2、3的、闭合的电流路径9。当发送线圈2以作为输入信号的交变电压信号来激励时，发送线圈产生磁场，该磁场感应出穿过线圈2或3的电流路径9，该电流路径的强度依赖于介质6的电导率。也就是说，通过介质6中的离子传导线路得到电流路径。因为该交变电流在介质中再次引起围绕该介质的变化的磁场，所以在接收线圈3中感应出交变电流作为输出信号。该由接收线圈3提供以作为输出信号的交变电流或相应的交变电压是对介质6的电导率的度量。

但是，感应出的测量电流的大小还依赖于穿过介质的路径长度。通过缩短感应出的电流在介质中的路径长度9，可以增大测量电流，并且扩宽了测量范围。

图4示出了一种实施例。其安置有专门用于与介质6接触的能导电的第一接触部4和专门用于与介质6接触的能导电的第二接触部5。能导电的接触部4、5优选设计为金属接触部。在一种设计方案中，接触部4、5相对于壳体内部密封。

接触部4、5在壳体内部与导体8连接，该导体产生了围绕发送和接收线圈2、3的闭合的电流路径。在一种设计方案中，导体8是金属导体。

接触部4、5和导体8经由介质6的离子传导线路9构造出围绕发送线圈2和接收线圈3的闭合的电流路径。在一种设计方式中，导体围绕发送和接收线圈2、3缠绕。

在高介质电导率的范围内，不需要该措施，并且可以通过开关11中断该措施。在低介质电导率的情况下，可以闭合开关11，测量电流增大并且扩宽了用于更小的电导率的测量范围下限。当电导率的值低于特定值时，例如在大约100μS/cm的情况下，接通导体8使得感应出的电流在介质6中的有效的路径长度减小。

图5示出了另一实施方式。其中，壳体内部的导体8可以多次，例如两次、三次或上位而言N次地围绕发送或接收线圈2、3引导。由此，测量电流增大到多倍的值，例如增大到两倍的、三倍的或上位而言N倍的值。在一种实施方式中，导体8多次，例如两次、三次、上位而言N次地围绕发送和接收线圈2、3缠绕。因此，导体8可以多次地围绕发送线圈2或接收线圈3或者围绕发送线圈2和接收线圈3引导。

在图6所示的另一实施方式中，接触部4、5以薄层技术安置在壳体的表面上，并且经由在介质之外的相对壳体内部密封的过程密封件12进行接触。这些接触部大致安置在专门用于沉入介质中的壳体区段的表面上。

在一种设计方案中，导体8在线缆变体的情况下和在薄层变体的情况下都可以至少以区段形式在壳体7外部引导。

附图标记列表

1感应式电导率传感器

2发送线圈

3接收线圈

4能导电的第一接触部

5能导电的第二接触部

6介质

7壳体

8导体

9介质6中的离子传导线路

10通道

11开关

12过程密封件

Claims (11)

1.一种用于测量介质(6)的比电导率的感应式电导率传感器(1)，所述感应式电导率传感器具有：

借助输入信号来供给的发送线圈(2)、经由所述介质与所述发送线圈(2)耦合的接收线圈(3)以及包围所述发送线圈(2)和所述接收线圈(3)的壳体(7)，所述接收线圈提供输送信号，所述输出信号是对所述介质(6)的电导率的度量，所述壳体具有至少一个专门用于沉入所述介质(6)中的壳体区段，所述壳体区段的壳体壁包围所述发送线圈(2)和所述接收线圈(3)，

其特征在于，

所述壳体区段包括至少一个专门用于与所述介质(6)接触的能导电的第一接触部(4)和专门用于与所述介质(6)接触的能导电的第二接触部(5)，

其中，所述电导率传感器(1)包括能导电的导体(8)，并且所述第一接触部(4)经由所述导体(8)与所述第二接触部(5)连接，

其中，所述导体(8)和能导电的接触部(4、5)设计成使得它们经由所述介质(6)的离子传导线路(9)构造出围绕所述发送线圈(2)和所述接收线圈(3)的闭合的电流路径。

2.根据权利要求1所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)是金属接触部，并且所述导体(8)设计为金属导体。

3.根据权利要求1或2所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)以薄层技术制成。

4.根据权利要求3所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)安设在所述专门用于沉入所述介质(6)中的壳体区段的表面上。

5.根据权利要求1至4中至少一项所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)相对于所述壳体(7)的内部密封。

6.根据权利要求5所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)通到所述壳体(7)的内部，并且所述导体(8)至少以区段形式在所述壳体中引导。

7.根据权利要求1至4中至少一项所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述第一接触部(4)和所述第二接触部(5)在所述壳体(7)的外部引导，并且所述导体(8)至少以区段形式在所述壳体(7)的外部引导。

8.根据权利要求1至7中至少一项所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述导体(8)设计成使得所述导体分别多次地围绕所述发送线圈(2)或所述接收线圈(3)或者是围绕所述发送线圈(2)和所述接收线圈(3)引导、特别是缠绕。

9.根据权利要求1至8中至少一项所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述导体(8)包括至少一个开关(11)，所述至少一个开关断开或闭合所述电流路径。

10.根据权利要求8和9所述的感应式电导率传感器(1)，

其中，所述开关(11)接通所述导体(8)的各个引导部，特别是绕组。

11.一种用于利用根据权利要求9或10所述的感应式电导率传感器(1)来测量比电导率的方法，所述方法包括以下步骤：

-由发送线圈(2)将输入信号发送到介质中，

-将接收线圈(3)的输出信号转化成电导率的值，并且

-当所述电导率的值低于特定值时，接通导体(8)用以减小感应出的电流在所述介质中的有效的路径长度。