CN107941856A - 用于确定液态介质的电传导率的传导率传感器和方法 - Google Patents

用于确定液态介质的电传导率的传导率传感器和方法 Download PDF

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Abstract

描述并示出一种用于测量液态介质的电传导率的传导率传感器，其包括至少一个第一线圈、电流源和操控和分析单元，其中电流源与第一线圈连接。通过以下方式解决对传导率传感器说明的任务，其中可借助该传导率传感器确定电传导率特别大的值范围：附加地存在至少一个第一电极和至少一个第二电极和至少一个电压测量单元，其中电压测量单元与第一电极和第二电极连接，其中，操控和分析单元与电流源并与电压测量单元连接，且其中，第一电极和第二电极如此布置，使得第一电极和第二电极不具有与第一线圈的电接触。此外描述并示出另一用于确定液态介质的电传导率的传导率传感器和方法。

Description

用于确定液态介质的电传导率的传导率传感器和方法
技术领域
本发明从一种用于测量液态介质（flüssiges Medium）的电传导率的传导率传感器出发。
此外，本发明从一种用于确定液态介质的电传导率的方法出发。
背景技术
从现有技术已知以下传导率传感器：所述传导率传感器要么以感应方式要么以传导方式确定液体的电传导率。在此，确定电传导率的方式尤其与参量、也即与要预期的传导率的值相关。原则上，传导式传导率传感器适合于检出（Nachweis）小的传导率，而感应式传导率传感器优选被用于确定大的传导率。
介质的电传导率是比电阻的倒数。因此，通过测量要检查的介质的电阻来确定电传导率。
传导式传导率传感器通过检测液体的欧姆电阻、由电流强度、电压降和测量装置的几何结构来测量电传导率。对此，传导式传导率传感器通常具有至少两个电极，所述至少两个电极布置在要测量的介质中，其中，仅仅通过要测量的介质来建立在所述电极之间的电接触。在所述电极上，为了避免极化效应或者为了最小化极化效应而施加交流电压。为了确定电阻，流过液体的电流和落在液体上的电压被确定。在考虑测量装置的几何结构的情况下，于是能够确定液体的比电阻并且由此确定所述液体的电传导率。
具有两个电极的传导式传导率传感器例如从现有技术DE 102 12 494 A1、出版文献DE 195 37 059 C2或者从DE 196 43 967 A1已知。
具有至少四个电极的测量装置例如从出版文献DE 2501812 C2、从DE 43 07 379C1以及从DE 10 2005 026 052 B3已知。
不同于先前所描述的对电传导率的确定（其中电极与要测量的介质电耦合），感应式传导率传感器基于：在介质中借助于第一环状线圈来感生涡流，其中，感生的涡流在其侧产生磁场，所述磁场优选在第二环状线圈中感生电流，所述电流在测量技术上被检测。在介质中所感生的涡流的大小与所述介质的关心的（interessierend）电传导率有关，使得在第二环状线圈中所感生的电流（或者在高欧姆的抽头情况下在那里所感生的电压）表示介质传导率的程度。这两个线圈实际上构成变压器的初级侧和次级侧，所述初级侧和次级侧经由在介质中所感生的涡流电场耦合。
感应式传导率传感器例如从出版文献DE 198 51 146 B4、从DE 10 2006 025 194A1以及从文献DE 10 2006 056 174 A1已知。
出版文献US 7,078,909 B2公开一种感应式传导率传感器，所述感应式传导率传感器包括发送线圈和接收线圈，其中，所述发送线圈在要测量的流体中感生电流，其中，所感生的电流借助具有与流体的接触的电极被引导到导体回路中，其中，所述接收线圈以感应方式检测由导体回路引导的电流。据此，接收线圈不直接布置在由流体流经的管线路的区域中。可替代地，不仅发送线圈而且接收线圈也可以以感应方式与导体回路连接，由此，在流体中所感生的电流既不通过发送线圈直接地被引入，也不通过接收线圈直接地被检测。这具有以下优点：接收线圈的大小和发送线圈的大小是与流体所流过的管线路的直径无关的。
然而，先前所描述的传导率传感器具有以下缺点，即它们——由原理决定地——要么被构型用于检出高的传导率，要么被构型用于检出低的传导率。
发明内容
从所陈述的背景技术出发，本发明基于以下任务：说明用于确定液态介质的电传导率的传导率传感器和方法，利用所述传导率传感器和方法可以确定电传导率的特别大的值范围。
根据本发明认识到: 由现有技术已知的方法的组合能够实现对电传导率的特别大的值范围进行测量，其中，尤其可以特别好检测平均的值范围。在此，原则上有两个可替代的测量原理，所述测量原理根据本发明被实现：根据感应式-传导式的测量原理，在液态介质中感生通过电流，并且借助与液体电耦合的电极来检测所述通过电流；对此例如可以分析由通过电流所引起的在电极之间的电势差。根据相反的传导式-感应式的方法，借助电耦合的电极将电流引入到液态介质中，并且然后以感应方式检测该电流。
根据本发明的第一教导（感应式-传导式的测量原理），上面陈述的任务通过用于测量液态介质的电传导率的传导率传感器通过以下方式来解决，其中所述传导率传感器包括至少一个第一线圈（优选为用于产生在时间上变化的磁场的发送线圈）、电流源和操控和分析单元，其中所述电流源与第一线圈连接，所述方式为：附加地存在至少一个第一电极和至少一个第二电极和至少一个电压测量单元，其中，所述电压测量单元与所述第一电极和所述第二电极连接，其中，所述操控和分析单元与所述电流源并与所述电压测量单元连接，并且其中，所述第一电极和所述第二电极如此布置，使得所述第一电极和所述第二电极不具有与所述第一线圈的电接触。
为了实现上面描述的感应式-传导式的测量原理，传导率传感器具有至少一个第一线圈、优选为发送线圈，用于产生在时间上变化的磁场，其中，通过第一线圈在运行中在液态介质中感生涡流电场。在电传导率不消失的情况下，由此产生具有电流密度JF的通过电流，这进一步引起经由在液体中的电流路径的电压降。为了检测该电压降，第一电极和第二电极布置在第一线圈的影响区域中，其中，存在优选高欧姆的电压测量单元，利用所述电压测量单元能够测量落在这两个电极上的电压降。此外，根据本发明的传导率传感器具有操控和分析单元，所述操控和分析单元如此被构型，使得操控和分析单元由电流和电压的值来确定液态介质的电传导率。附加地，所述操控和分析单元为了确定所述电传导率而考虑测量装置的几何结构，其中，所述测量装置包括第一线圈的以及第一电极和第二电极的布置或构型。
高欧姆的电压测量单元具有以下优点：无显著的电流流过第一电极和第二电极，并且在所述电极上不出现持续地干扰测量的极化效应。
根据本发明的传导率传感器不仅适合用于测量去离子的水的传导率又适合用于测量酸或者碱液的电传导率。
为了消除例如由寄生电路元件、诸如线圈的自感应对测量造成的不期望的影响，可以根据一种有利的构型在操控和分析单元之内实施合适的方案和方法。操控和分析单元尤其具有对分析型电路模型的存放和在时谐参量的情况下的复杂分析。此外，操控和分析单元可以具有校准数据，所述校准数据例如用于系统性的测量误差的修正，其中，校准数据在分析中被考虑。
根据第二独立教导（传导式-感应式的测量原理），上面陈述的任务通过对传导率传感器的元件的互补应用得以解决。据此，所述任务通过一种用于测量液态介质的电传导率的传导率传感器通过以下方式来解决，其中所述传导率传感器包括至少一个第一电极、和至少一个第二电极、至少一个电流或电压源和操控和分析单元，其中，所述电流或电压源与所述第一电极和所述第二电极连接，所述方式为：附加地存在至少一个第一线圈（优选为接收线圈）和电流测量单元，其中，所述电流测量单元与所述第一线圈连接，其中，所述操控和分析单元与所述电流或电压源并且与所述电流测量单元连接，并且其中，所述第一电极和所述第二电极如此布置，使得所述第一电极和所述第二电极不具有与所述第一线圈的电接触。
为了实现传导式-感应式的测量原理，在传导率传感器的运行中，经由电流或电压源并且经由第一电极和第二电极将电流或电压、尤其是交流电流或者交流电压并且就此而言将在时间上变化的电场引入到液态介质中。第一线圈如此布置，使得通过在时间上变化的电场在第一线圈中感生在时间上变化的磁通量密度，由此作为结果可以测量通过所述线圈的通过电流。因为所述通过电流与介质的电传导率有关，所以可以推断出介质的电传导率。
按照根据本发明的传导率传感器（也即不仅根据感应式-传导式的测量原理的传导率传感器而且还有根据传导式-感应式的测量原理的传导率传感器）的第一构型，第一线圈是环状线圈，优选是具有铁磁性环芯的环状线圈。
根据另一种有利的构型，第一电极和第二电极被构型为环形电极。
此外，根据一种有利的构型，第一电极和第二电极具有能导电的金属层，其中，在运行中经由所述金属层可以检测落在要测量的液体上的电压或者可以将电流或电压引入到液体中。
此外有利的是，存在电隔离单元、优选电隔离管，其中，所述电隔离单元具有内部空间和外部空间，其中，所述内部空间是开放的，其中，所述第一线圈包围所述电隔离单元，并且其中，所述第一线圈和所述第一电极和所述第二电极优选相互并联地沿着所述电隔离单元布置。在此，电隔离单元如此被构型，使得在传导率传感器的运行中，要测量的介质布置在电隔离单元之内，从而可以在介质中构建电场。
开放的内部空间例如可以通过以下方式来实现：电隔离单元管状地被构型、也即以自由的横截面被构型。可替代地，电隔离单元也可以具有其他形状，相关的仅仅是，电隔离单元具有至少一个开口，通过所述开口，介质可以在运行中进入到电隔离单元中并且出来。
在此特别有利的是，所述第一电极和所述第二电极布置在所述内部空间中并且尤其是布置在所述电隔离单元的内侧处。
根据另一种有利的构型，所述第一线圈布置在所述第一电极和所述第二电极之间。所述构型是有利的，因为在传感器的运行中，在液态介质中通过感应或通过施加电势差所产生的电场尤其被构造在第一线圈的区域中，并且只要第一线圈是具有环芯的环状线圈就被构造在环芯的区域中。
特别有利的是，所述第一电极和所述第二电极布置在所述电隔离单元的端部处。于是，第一电极和第二电极相互具有最大的间隔。如果电隔离单元被构型为电隔离管并且第一电极和第二电极被构型为环形电极，由此第一电极和第二电极优选具有与电隔离管相同的内直径和外直径。特别优选地，第一电极和第二电极被集成到电隔离管中。这具有以下优点：第一电极和第二电极可以在结构上简单地实现并且此外可以特别简单地实现在第一电极和第二电极和电隔离管之间的良好的密封。
可替代地，所述第一电极和所述第二电极可以布置在所述第一线圈的相同侧。所述布置鉴于第一电极和第二电极从第一线圈的良好的去电耦合方面是有利的。所述布置尤其引起：抑制通过第一线圈的漏磁场引起的不期望的耦合，所述漏磁场例如通过第一线圈的绕组之间的电场引起。
为了避免第一线圈与第一电极和/或第二电极之间不期望的耦合，此外有利的是，在第一线圈的至少一侧处布置屏蔽部、尤其是导电的和/或铁磁性的薄片或者导电的和/或铁磁性的薄膜。
根据一种特别优选的构型，存在至少一个第二线圈，其中，所述第二线圈与所述第一线圈并联地或串联地连接，或者不具有与所述第一线圈的连接。
在此，第一线圈和第二线圈可以具有相同的绕组数目，但是可替代地，第二线圈的绕组数目也可以与第一线圈的绕组数目不同。
根据所述构型，可以有利地将感应式-传导式测量的或传导式-感应式测量的测量方案与对电传导率的另一传导式测量和/或感应式测量组合，以便能够实现自监控功能，所述自监控功能在NAMUR建议NE 107“场设备的自监控和诊断”的范畴内是尤其相关的。此外，所述构型能够实现对测量装置的几何结构的变型，其在确定传导率的情况下同样由操控和分析单元考虑。关于自监控功能的精确构型以及测量装置的几何结构的可能变型，参考根据本发明的方法的相应描述。
此外有利的是，根据下一种构型，传导率传感器具有壳体，其中，至少所述第一线圈和所述第一电极和第二电极被布置在壳体之内。所述壳体在运行中保护布置在壳体中的组件免受包围传导率传感器的液态介质。特别有利的是，壳体同时具有至少一个屏蔽部用于避免在第一线圈和第一电极和/或第二电极之间的耦合。在此，具有优选存在的屏蔽部的所述壳体如此被构型，使得可以产生包围电隔离单元的磁通量和用于感生的涡流的自由的电流路径，其中，电流路径穿过以液态介质填充的电隔离单元并且还穿过电隔离单元的外部区域引导。
根据另一种构型，传导率传感器如此被构型，使得传导率传感器在运行中执行以下描述的方法之一。
根据本发明的第三教导，一开始提到的任务通过一种用于借助布置在液态介质中的传导率传感器确定所述液态介质的电传导率的方法通过以下方式来解决，其中，所述传导率传感器具有至少一个第一线圈（优选为发送线圈）、电流源和操控和分析单元，其中，所述电流源与所述第一线圈连接，所述方式为：附加地存在至少一个第一电极和至少一个第二电极和至少一个电压测量单元，其中，所述电压测量单元与所述第一电极和所述第二电极连接，并且所述操控和分析单元与所述电流源并且与所述电压测量单元连接，其中，所述第一电极和所述第二电极不具有与所述第一线圈的电接触，并且其中，所述第一电极和所述第二电极经由所述液态介质相互接触，并且所述方法包括以下步骤：
- 通过所述电流源在所述第一线圈中产生交流电流，由此，所述第一线圈产生在时间上变化的磁通量密度，所述磁通量密度在所述液态介质中感生电场，
- 通过所述电压测量单元测量在所述第一电极和所述第二电极之间的电压，
- 传输所述电压和所述电流的值到所述操控和分析单元，
- 通过所述操控和分析单元由所述电压和所述电流的值确定电传导率。
此外，一开始提到的任务根据本发明的第四教导通过一种用于借助布置在液态介质中的传导率传感器来确定在液态介质的电传导率的方法通过以下方式来解决,其中所述传导率传感器具有至少一个第一电极和至少一个第二电极、至少一个电流或电压源和操控和分析单元，其中，所述电流或电压源与所述第一电极和所述第二电极连接，所述方式为：附加地存在至少一个第一线圈和至少一个电流测量单元，其中，所述电流测量单元与所述第一线圈连接，其中，所述操控和分析单元与所述电流或电压源并且与所述电流测量单元连接，并且其中，所述第一电极和所述第二电极如此布置，使得所述第一电极和所述第二电极不具有与所述第一线圈的电接触，并且其中，所述第一电极和所述第二电极经由所述液态介质相互接触，并且所述方法包括以下步骤：
- 通过所述电流或电压源施加交流电压或交流电流到所述第一电极和所述第二电极上，由此将在时间上变化的电场引入到所述液态介质中，由此，在所述第一线圈中感生在时间上变化的磁通量密度，
- 通过所述电流测量单元测量流过所述第一线圈的电流，
- 传输所述电压和所测量的电流的值到所述操控和分析单元，
- 通过所述操控和分析单元由所述电压的和所述电流的值确定电传导率。
与根据本发明的传导率传感器一样，根据本发明的方法具有以下优点：通过组合在时间上变化的电场以感应方式或传导方式耦入到液态介质中和以传导方式或感应方式检测电场，能够测量电传导率的特别大的值范围，其中，根据本发明的方法尤其适合于检出传导率的平均值。
施加到第一线圈上或者到第一电极和第二电极上的交流电流或者施加到第一电极和第二电极的交流电压优选具有时谐变化过程，可替代地，也可以考虑在时间上的其他变化过程。
根据一种有利的构型，所述传导率传感器具有至少一个第二线圈，其中，所述第二线圈不具有与所述第一线圈的连接或者与所述第一线圈并联地或串联地连接，并且其中，不仅借助所述第一线圈而且也借助所述第二线圈、优选经由所述第一线圈和所述第二线圈的组合来进行对所述电传导率的确定。
在此，第一线圈和第二线圈可以具有相同的绕组数目，但是可替代地，第二线圈的绕组数目也可以不同于第一线圈的绕组数目。
例如，首先借助第一线圈在介质中感生第一电场并且基于第一电场确定电传导率并且接着借助第二线圈在介质中感生第二电场并且基于第二电场同样确定传导率。在此，由相同的交流电流流过这两个线圈，可替代地，流过第二线圈的交流电流可以在其幅度和/或其相位和/或其频率方面不同于流过第一线圈的交流电流。
可替代地，可以借助第一电极和第二电极将电场引入到液体中，其中，首先经由第一线圈以感应方式检测电场并且接着经由第二线圈以感应方式检测电场。
可替代地可以考虑，在借助感应式-传导式的方法确定电传导率之后或者期间或者在借助传导式-感应式的方法确定电传导率之后，第一线圈在液态介质中感生电场，所述电场通过第二线圈以感应方式被检测。
可替代地，对于以感应式-传导式的方式或以传导式-感应式的方式确定电传导率，可以附加地以单纯传导方式借助第一电极和第二电极确定传导率。
如果第二线圈与第一线圈并联地或串联地连接，则所述线圈同时产生一个电场，该电场优选地叠加。根据所述构型，可以进一步增强测量效果。
总的来说，通过对电传导率的冗余确定，一方面提供以下可能性：在自监控范围内提早发现误差源，并且另一方面提供以下可能性：改变测量装置，由此可以提高对于确定传导率而言的精确性和可靠性。尤其是，根据对各个方法的组合的方式而定地，可以检验传导率传感器的各个组件。
特别优选地，在使用所示出的传导率传感器之一的情况下执行所述方法。传导率传感器的所描述的所有构型尤其适合于与根据本发明的方法相组合。
附图说明
具体地，现在有多个可能性：构型并且扩展根据本发明的传导率传感器和根据本发明的方法。对此，不仅参考从属于独立专利权利要求的专利权利要求而且也参考结合附图来对优选的实施例进行的随后描述。在附图中：
图1 示出来自现有技术的第一传导式传导率传感器；
图2 示出来自现有技术的第二传导式传导率传感器；
图3 示出来自现有技术的第一感应式传导率传感器；
图4 示出来自现有技术的第二感应式传导率传感器；
图5 示出根据本发明的传导率传感器的第一实施例；
图6 示出第一等效电路图；
图7 示出第二等效电路图；
图8 示出根据本发明的传导率传感器的第二实施例；
图9 示出根据本发明的传导率传感器的第三实施例；
图10 示出根据本发明的传导率传感器的第四实施例；
图11 示出根据本发明的传导率传感器的第五实施例；
图12 示出根据本发明的方法的第一实施例；
图13 示出根据本发明的方法的第二实施例。
具体实施方式
在图1中示意性地示出来自现有技术的传导式传导率传感器1。传导率传感器1具有第一电极2和第二电极3以及电流或电压源,其中所述电流或电压源具有电流和/或电压测量单元4。此外，传导率传感器1包括操控和分析单元5，所述操控和分析单元与具有电流和/或电压测量单元4的电流和电压源连接。在运行中，传导率传感器1为了测量液体6的电传导率κ被浸入到液体6中。
为了确定传导率κ，通过电流或电压源4施加交流电流I或交流电压U到第一电极2上和到第二电极3上，并且由电流和/或电压测量单元4检测流过液体6的电流I和在液体6上存在的电压降U。在操控和分析单元5中由电流I的和电压U的所测量的值来确定导纳Y m =I/ U、也即交流电流与施加在电极上的电压的比例。如果忽略电极上的可能存在的极化效应，则导纳Y m 以实部和虚部（Real- und Imaginärteil ）可以表达如下：
其中，
其中，是有效电导（Wirkleitwert）（电导），是无功电纳（Blindleitwert）（电纳），κ是电传导率，是测量装置的电池常数并且是电流路径的欧姆电阻。电池常数与测量装置的几何结构 、尤其是电极的面积和间隔有关。然而，在这样的传导率传感器1的应用中，电极上的极化效应一般不可忽略，这引起附加的寄生效应并且使得复杂模型的参与（Hinzuziehung）对于测量的分析而言是必需的。
图2同样示出来自现有技术的一种传导式传导率传感器1，其中，传导率传感器1具有四个电极2、3、7、8，所述四个电极在运行中被浸入到要测量的液体6中。此外，传导率传感器1具有电流源9、高欧姆的电压测量单元10和操控和分析单元5。在所示出的传导率传感器1的运行中，经由外部的电极2、3借助电流源9将交流电流引入到液体6中。利用这两个内部的电极7、8并且借助高欧姆的电压测量单元10量取液体6上的电压降。基于高欧姆的抽头，无显著的电流流过这两个内部的测量电极7、8，因此在这两个电极上没有出现干扰测量的极化效应。如在上面已经描述的那样，操控和分析单元5根据电流的和电压的值由导纳Y m 确定电传导率κ。
图3示出来自现有技术的感应式传导率传感器1，其中，感应式传导率传感器1具有第一线圈11（在这里为环状线圈形式的发送线圈）和作为同样以环状线圈形式的接收线圈的第二线圈12。此外，传导率传感器1具有电隔离管13，所述电隔离管具有自由的管横截面14，其中，第一线圈11和第二线圈12相互并联地围绕电隔离管13来布置。在运行中，电隔离管13与第一线圈11和第二线圈12如此布置在液体6中，使得液体6处于电隔离管13之内。第一线圈11此外与电压源15连接，并且第二线圈12与低欧姆的电流测量单元16连接。此外，存在操控和分析单元5，所述操控和分析单元与电压源15和电流测量单元16连接。在运行中，通过施加交流电压到第一线圈11上来产生变化的磁通量密度B 1，由此在液体6中感生具有电流密度J F 的涡流。以感应方式由第二线圈12检测流动的涡流。也就是说，在液体6中流动的涡流在第二线圈12中产生变化的磁通量密度B 2，从而随后可以通过电流测量单元16来测量流过第二线圈16的电流。于是，如已经陈述的那样，在操控和分析单元5中由所测量的导纳Y m 确定电传导率κ。
在所示出的示例中，导纳Y m 具有以下关系式：
其中，，其中，
其中，与成比例，并且是第一线圈的绕组数目，并且是第二线圈的绕组数目。
图4同样示出来自现有技术的感应式传导率传感器1，其中，所示出的传导率传感器1仅仅具有第一线圈11。所述线圈11围绕具有自由的管横截面14的电隔离管13来布置，所述电隔离管在运行中被浸入到液体6中。此外，示出具有电流和/或电压测量单元4的电流或电压源以及操控和分析单元5，所述操控和分析单元与具有电流和电压测量单元4的电流或电压源连接。
因为仅仅存在一个线圈11，所以所述测量方案现在在于，测量在线圈11的连接端子上的输入阻抗，为此使用具有电流和/或电压测量单元4的电流或电压源。
如上面已经陈述的那样，操控和分析单元5确定导纳Y m ，在这里，对于所述导纳适用以下相互关系：
其中，N为线圈11的绕组数目，并且L为线圈11的自感应。
如上由此接着：
其中，电池常数与成比例。
现在，在图5中示出根据本发明的传导率传感器1的第一实施例，其中，所述传导率传感器1在运行中基于感应式-传导式的测量原理来确定液体6的电传导率κ。所示出的传导率传感器1包括作为环状线圈形式的发送线圈的第一线圈11、第一电极2和第二电极3并包括具有自由的管横截面14的电隔离管13，在运行中以要测量的液体6填充并且由液体6包围所述电隔离管。此外，电隔离管13由第一线圈11包围。电隔离管13还具有内部空间17和外部空间18。在内部空间17中，在电隔离管13的内侧处安装有第一测量电极2和第二测量电极3，其中，第一电极测量电极2和第二测量电极3被构型为金属的环形电极。
此外，存在电流源9，其中，电流源9与第一线圈11连接，其中，在运行中，用交流电流加载第一线圈11。流过第一线圈11的交流电流引起第一线圈11的区域中的在时间上变化的磁通量密度B，其中，在时间上变化的磁通量密度B在液体6之内产生在时间上变化的电场E F 。由此，在液体6的电传导率κ不消失的情况下引起涡流形式的具有电流密度J F 的沿着所闭合的（geschlossen）电流路径的通过电流，所述电流路径通过自由的管横截面14并且通过电隔离管13的外部空间18的用液体6所填充的区域来形成。如果与电流密度J F 相关联地，在液体6之内产生电场E F ，这导致在第一电极2和第二电极3之间的、在时间上变化的电压降U。借助高欧姆的电压测量单元10来量取并且在测量技术上检测在第一电极2和第二电极3之间施加的电压U。
操控和分析单元5与电流源9和电压测量单元10连接。操控和分析单元5如此被构型，使得操控和分析单元在运行中由参量电流I和电压U确定电传导率κ，其中，分析两个参量（在时参量的情况下尤其是其幅度和相位）的时间上的变化过程。为了消除由例如寄生电路元件所造成的不期望的影响，诸如线圈的自感应或环芯中的磁损耗，可以在操控和分析单元5之内实施合适的方案和方法。此外，在操控和分析单元5中存放校准数据，例如用于系统性的测量误差的校正，所述测量误差被包括到分析中。
在图6中示出感应式-传导式的传导率传感器1的功能原理的等效电路图，正如其例如在图5中示出的那样。示出变换器（Übertrager），其中，初级侧通过具有绕组数目N的第一线圈11来代表并且具有绕组数目1的次级侧通过所闭合的、通过液体6的电流路径来代表。所述电流路径的欧姆电阻R F 划分成沿着在第一电极2和第二电极3之间的、经由电隔离管13的外部空间18的电流路径的第一部分电阻（其中，0<k<1）以及在第一电极2和第二电极3之间的、沿着电隔离管13的内部空间17中的电流路径的第二部分电阻。在根据图6的测量装置中，测量电流I和电压U并且在操控和分析单元5中由导纳Y m 确定电传导率κ。
关于在次级侧的电压U与初级侧的电流I之间的以下相互关系，同样参考图6中的示图。
为了使液体6的电传导率κ的测量与线圈11的自感应L无关，可以有利地根据实部和虚部分开地检测并分析Y m ：
在此，是感应式-传导式的传导率传感器1的电池常数，其中，与第一线圈11的绕组数目N和传导率传感器1的几何结构有关。
因此，作为结果以感应方式传送（einprägen）涡流形式的电流到液体6中，并且以电耦合的方式量取由此得出的、在第一测量电极2和第二测量电极3之间的电压降。
图7示出由具有自感应L和绕组数目N的第一线圈11并且由通过液体6的所闭合的电流路径形成的变换器的等效电路图，其中，在示图中以理想的、无损耗的耦合为前提。U 1 或者I 1 表示在初级侧上的电压或电流，并且U 2 或者I 2 表示在次级侧上的电压或电流。初级侧上的电压U 1 利用端子对19a，19b被量取，并且次级侧上的电压U 2 利用端子对20a，20b被量取。该示图示出一般适用的情况，即具有端子对20a和20b的次级侧以终端阻抗Z终结。
于是如在下面的部分图中所示那样得出到初级侧（端子对19a，19b）中的输入阻抗Z E1 ：
其中，ω为所施加的交流电流的圆周频率。
此外，一般对于变换器适用：。
如果考虑到在确定图6中所示出的测量装置的导纳Y m 的情况下的先前陈述的相互关系，则得出对于图6所陈述的相互关系。
图8示出根据本发明的传导率传感器1的第二实施例，其中，与在图5中示出的第一实施例不同，第一电极2和第二电极3布置在电隔离管13的端部处。第一电极2的和第二电极的金属表面不仅仅在电隔离管13的内部区域17中而且也在电隔离管的外部区域18中与液体6处于电接触。
在此，第一电极2和第二电极3具有与电隔离管13相同的内直径和外直径。
图9示出根据本发明的传导率传感器1的第三实施例，所述传导率传感器实现感应式-传导式的测量原理。根据所示出的实施例，第一电极2和第二电极3布置在第一线圈11的相同侧。这鉴于第一电极2和第二电极3从第一线圈11的良好的去电耦合方面是有利的，尤其用于抑制经由第一线圈11的漏磁场所造成的不期望的耦合，其中通过第一线圈11的绕组之间的电场引起所述漏磁场。
为了进一步避免不期望的耦合，在第一线圈11和第一电极2和第二电极3之间存在导电薄片形式的屏蔽部21。
图10示出根据本发明的传导率传感器1的第四实施例，其中，除第一线圈11之外，存在第二线圈12，所述第二线圈不但可以作为发送线圈而且也可以作为接收线圈被使用。该构型具有以下优点：可以将感应式-传导式的测量方法结合（koppeln），例如与附加的感应式-传导式的测量结合，其中，第二线圈12作为发送线圈工作，或者可以将感应式-传导式的测量方法与附加的感应式测量结合，其中，第二线圈12以感应方式检测由第一线圈11传送到液体6中的电流。电传导率κ的多重检测具有以下优点：传导率传感器1具有集成的自监控功能。
图11示出根据本发明的传导率传感器1的第五实施例，所述传导率传感器包括第一线圈11、第一电极2和第二电极3，所述第一线圈在这里作为接收线圈被使用，其中，第一线圈11包围电隔离管13，并且其中，第一电极2和第二电极3布置在管的内侧处。第一电极2和第二电极3与电压或电流源22连接。第一线圈11与电流测量单元16连接。不仅电压或电流源22而且电流测量单元16也与操控和分析单元5连接。在该示图中，电隔离管13被浸入到要测量的液体 6中。
在运行中，施加交流电压或交流电流到第一电极 2上和到第二电极3上，由此在液体6中形成变化的电场。在时间上变化的电场在第一线圈11中产生磁通量密度 B，由此能够测量通过第一线圈 11的电流。如上所陈述的那样，操控和分析单元5由导纳 Y m 确定电传导率κ。与先前所描述的实施例不同地，在图11中示出的传导率传感器1实现传导式-感应式的测量原理。
图12示出根据本发明的用于借助上面示出传导率传感器1来确定液态介质6的电传导率κ的方法23的第一实施例，所述传导率传感器实现感应式-传导式的方法。在第一步骤24中，用交流电流加载第一线圈11。所述交流电流产生在时间上变化的磁通量密度B，由此在液体6中感生涡流电场。在下一步骤25中，经由第一电极2并经由第二电极3 确定在液体6上的电压降。在递交所测量的值给操控和分析单元5之后，操控和分析单元在另一步骤26中由导纳Y m 确定液体的电传导率κ。在最后的步骤29中，借助传导式的或感应式的方法进行对电传导率κ的第二测量，由此检验第一测量。
图13示出根据本发明的用于借助上面示出的传导率传感器1确定液态介质6的电传导率κ的方法23的第二实施例，所述传导率传感器实现传导式-感应式的方法。在第一步骤27中，施加交流电流或交流电压到第一电极2上和到第二电极3上。由此在液体6中形成电场，电场在第一线圈11中产生变化的磁通量密度B。在下一步骤28中，通过第一线圈11确定由此得出的电流并且接着由导纳Y m 在操控和分析单元5中确定26电传导率κ。在下一步骤29中，跟着是借助传导式的或感应式的方法对电传导率κ的第二测量，由此检验第一测量。
根据本发明的方法23的在图12和图13中示出的实施例特别好地适合用于确定传导率κ的大的值范围并且尤其适合用于检出平均值。
附图标记列表
1 传导率传感器
2 电极
3 电极
4 具有电流和电压测量装置的电流或电压源
5 操控和分析单元
6 液体
7 电极
8 电极
9 电流源
10 电压测量单元
11 第一线圈
12 第二线圈
13 电隔离管
14 管横截面
15 电压源
16 电流测量单元
17 内部区域 管
18 外部区域 管
19a，19b 端子对
20a，20b 端子对
21 屏蔽部
22 电压或电流源
23 用于确定电传导率的方法
24 馈入交流电流到第一线圈中
25 测量第一电极和第二电极之间的电压
26 确定电传导率
27 施加交流电压或交流电流到第一电极和第二电极上
28 测量第一线圈中的电流
29 电传导率的传导式或感应式的测量

Claims (15)

1.一种用于测量液态介质（6）的电传导率的传导率传感器（1），所述传导率传感器包括至少一个第一线圈（11）、电流源（9）和操控和分析单元（5），其中，所述电流源（9）与所述第一线圈（11）连接，
其特征在于，
附加地存在至少一个第一电极（2）和至少一个第二电极（3）和至少一个电压测量单元（10），其中，所述电压测量单元（10）与所述第一电极（2）和所述第二电极（3）连接，其中，所述操控和分析单元（5）与所述电流源（9）并与所述电压测量单元（10）连接，并且其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）如此布置，使得所述第一电极（2）和所述第二电极（3）不具有与所述第一线圈（11）的电接触。
2.一种用于测量液态介质（6）的电传导率的传导率传感器（1），所述传导率传感器包括至少一个第一电极（2）和至少一个第二电极（3）、至少一个电流或电压源（22）和操控和分析单元（5），其中，所述电流或电压源（22）与所述第一电极（2）和所述第二电极（3）连接，
其特征在于，
附加地存在至少一个第一线圈（11）和电流测量单元（16），其中，所述电流测量单元（16）与所述第一线圈（11）连接，其中，所述操控和分析单元（5）与所述电流或电压源（22）并且与所述电流测量单元（16）连接，并且其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）如此布置，使得所述第一电极（2）和所述第二电极（3）不具有与所述第一线圈（11）的电接触。
3.根据权利要求1或2所述的传导率传感器（1），其特征在于，存在至少一个电隔离单元、优选电隔离管（13），其中，所述电隔离单元具有内部空间（17）和外部空间（18），其中，所述内部空间（17）是开放的，其中，所述第一线圈（11）包围所述电隔离单元，其中，所述第一线圈（11）和所述第一电极（2）和所述第二电极（3）优选相互并联地沿着所述电隔离单元布置。
4.根据权利要求3所述的传导率传感器（1），其特征在于，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）布置在所述内部空间（17）中、尤其布置在所述电隔离单元的内侧处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，所述第一线圈（11）布置在所述第一电极（2）和所述第二电极（3）之间。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）布置在所述电隔离单元的分别一个端部处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）布置在所述第一线圈（11）的相同侧。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，在所述第一线圈（11）的至少一侧处布置屏蔽部（21）、尤其是导电的和/或铁磁性的薄片或者导电的和/或铁磁性的薄膜，以便避免在所述第一线圈（11）和所述第一电极（2）和/或所述第二电极（3）之间的耦合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，存在至少一个第二线圈（12），其中，所述第二线圈（12）与所述第一线圈（11）并联地或串联地连接，或者不具有与所述第一线圈（11）的连接。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的传导率传感器（1），其特征在于，所述传导率传感器（1）在运行中执行根据权利要求11至15中任一项所述的方法。
11.一种用于借助布置在液态介质（6）中的传导率传感器（1）来确定所述液态介质（6）的电传导率的方法（23），其中，所述传导率传感器（1）具有至少一个第一线圈（11）、电流源（9）和操控和分析单元（5），其中，所述电流源（9）与所述第一线圈（11）连接，
其特征在于，
附加地存在至少一个第一电极（2）和至少一个第二电极（3）和至少一个电压测量单元（10），其中，所述电压测量单元（10）与所述第一电极（2）和所述第二电极（3）连接，并且所述操控和分析单元（5）与所述电流源（9）并且与所述电压测量单元（10）连接，其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）不具有与所述第一线圈（11）的电接触，并且其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）经由所述液态介质（6）相互接触，并且所述方法（23）包括以下步骤：
- 通过所述电流源（9）在所述第一线圈（11）中产生（24）交流电流，由此，所述第一线圈（11）产生在时间上变化的磁通量密度，所述磁通量密度在所述液态介质（6）中感生电场，
- 通过所述电压测量单元（10）测量（25）在所述第一电极（2）和所述第二电极（3）之间的电压，
- 传输所述电压和所述电流的值到所述操控和分析单元上，
- 通过所述操控和分析单元（5）由所述电压和所述电流的值确定（26）所述电传导率。
12.一种用于借助布置在液态介质（6）中的传导率传感器（1）来确定所述液态介质（6）的电传导率的方法（23），其中，所述传导率传感器（1）具有至少一个第一电极（2）、至少一个第二电极（3）、至少一个电流或电压源（22）和操控和分析单元（5），其中，所述电流或电压源（22）与所述第一电极（2）和所述第二电极（3）连接，
其特征在于，
附加地存在至少一个第一线圈（11）和至少一个电流测量单元（16），其中，所述电流测量单元（16）与所述第一线圈（11）连接，其中，所述操控和分析单元（5）与所述电流或电压源（22）并且与所述电流测量单元（16）连接，并且其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）如此布置，使得所述第一电极（2）和所述第二电极（3）不具有与所述第一线圈（11）的电接触，并且其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）经由所述液态介质（6）相互接触，并且所述方法（23）包括以下步骤：
- 通过所述电流或电压源（22）施加（27）交流电压或交流电流到所述第一电极（2）和所述第二电极（3）上，由此将在时间上变化的电场引入到所述液态介质（6）中，由此，在所述第一线圈（11）中感生在时间上变化的磁通量密度，
- 通过所述电流测量单元（16）测量（28）流过所述第一线圈（11）的电流，
- 传输所述电压和所测量的电流的值到所述操控和分析单元（5），
- 通过所述操控和分析单元（5）由所述电压和所述电流的值确定（26）所述电传导率。
13.根据权利要求11或12所述的方法（23），其特征在于，所述传导率传感器（1）具有至少一个第二线圈（12），其中，所述第二线圈（12）不具有与所述第一线圈（11）的连接或者与所述第一线圈（11）并联地或串联地连接，并且其中，不仅借助所述第一线圈（11）而且也借助所述第二线圈（12）、优选经由所述第一线圈（11）和所述第二线圈（12）的组合来进行对所述电传导率的确定。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法（23），其特征在于，施加电流到所述第一电极（2）和所述第二电极（3）上，并且通过所述第一电极（2）和所述第二电极（3）以传导方式确定所述传导率。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，在应用根据权利要求1至10中任一项所述的传导率传感器（1）的情况下执行所述方法。
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