CN108760815B - 运行感应式传导能力测量仪的方法和相关的感应式传导能力测量仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行感应式传导能力测量仪的方法，其中传导能力测量仪具有发送线圈、接收线圈以及终端阻抗设备，其中发送线圈具有发送线圈端口，接收线圈具有接收线圈端口且终端阻抗设备具有终端阻抗，其中接收线圈以终端阻抗设备结束，且其中发送线圈和接收线圈通过导电介质感应地彼此联接。本发明的任务在于，说明一种用于运行感应式传导能力测量仪的方法，在其中相对于现有技术改善介质的传导能力的确定的准确性。该任务由此解决，即，预设额定输入阻抗，确定在发送线圈端口处的输入阻抗，如此调节终端阻抗，使得输入阻抗匹配于额定输入阻抗且在使用经匹配的输入阻抗和经调节的终端阻抗的情形下确定介质的传导能力。

Description

运行感应式传导能力测量仪的方法和相关的感应式传导能力 测量仪
技术领域
本发明一方面涉及一种用于运行感应式传导能力测量仪的方法。感应式传导能力测量仪为了实施该方法具有发送线圈、接收线圈以及终端阻抗设备。在此，发送线圈具有发送线圈端口，接收线圈具有接收线圈端口，且终端阻抗设备具有终端阻抗。接收线圈通过终端阻抗设备电气闭合且发送线圈和接收线圈通过导电介质感应地彼此联接。
本发明另一方面涉及一种感应式传导能力测量仪。感应式传导能力测量仪同样具有发送线圈、接收线圈以及终端阻抗设备且附加地还具有控制设备。在此，发送线圈具有发送线圈端口，接收线圈具有接收线圈端口，且终端阻抗设备具有终端阻抗。接收线圈通过终端阻抗设备电气闭合。在感应式传导能力测量仪的运行中，发送线圈和接收线圈通过导电介质感应地彼此联接。
背景技术
不同于传导式传导能力测量仪，感应式传导能力测量仪还可在侵蚀性的和腐蚀性的介质例如工业废水、海水和酸性溶液中使用。这是可能的，因为不仅发送线圈而且接收线圈不同于传导式传导能力测量仪的电极不必处于与介质的直接接触中，而是可由抵抗侵蚀性的和腐蚀性的介质的壳体包围，而不损害功能性。因为在壳体存在时，不存在与侵蚀性的和腐蚀性的介质的直接接触，感应式传导能力测量仪相比于传导式传导能力测量仪通过较长的寿命且通过很大程度的免维修而出众。通过壳体，其此外同样适用于在食品、饮料和药品领域的过程中的卫生应用。
线圈的线圈端口例如发送线圈的发送线圈端口或接收线圈的接收线圈端口具有通常两个电气端口。在发送线圈的情形中，经由发送线圈端口的电气端口，电气发送交变信号被输送到发送线圈中。发送线圈和接收线圈彼此通过导电介质的感应联接通过以下方式实现，即，输送到发送线圈中的发送交变信号在介质中生成涡流且涡流在接收线圈中生成电气接收交变信号。接收交变信号在接收线圈的接收线圈端口的电气端口处以电压或电流的形式可被测量。由此，发送交变信号促使接收交变信号。交变信号例如发送交变信号或接收交变信号通常在时间上的走向中为正弦形或矩形。
同样，终端阻抗设备通常具有两个电气端口，在其之间出现终端阻抗。终端阻抗由此由终端阻抗设备实现且这作为终端阻抗设备的性质。
接收线圈与终端阻抗设备的电气闭合通过接收线圈端口的电气端口与终端阻抗设备的电气端口的电气连接实现，从而终端阻抗设备电气并联至接收线圈。
从现有技术中已知，将发送线圈和接收线圈感应地彼此联接的介质的电气传导能力从接收交变信号的幅度(或振幅，即Amplitude)和发送交变信号的幅度的比例来确定。在此，通常固定地预设发送交变信号的幅度，且测量接收交变信号的幅度。然而，在确定幅度例如接收交变信号的幅度的情形中有问题的是，确定的准确性在幅度可占据的整个值范围上不是恒定的，这可导致在确定介质的电气传导能力的情形中的误差。
发明内容
因此，本发明的任务在于，说明一种用于运行感应式传导能力测量仪的方法以及一种感应式传导能力测量仪，在其中相对于现有技术改善介质的传导能力的确定的准确性。
本发明根据第一教导涉及一种用于运行感应式传导能力测量仪的方法，在其中所提出的任务被解决。根据本发明的方法首先且基本上特征在于下面的方法步骤：
在第一方法步骤中，预设额定输入阻抗。
在第二方法步骤中，确定在发送线圈端口处的输入阻抗。
在第三方法步骤中，如此调节终端阻抗，使得输入阻抗匹配于额定输入阻抗。
在第四方法步骤中，然后在使用经匹配的输入阻抗和经调节的终端阻抗的情形下确定介质的传导能力。
根据本发明，各个方法步骤根据需要同样多次地实施。当输入阻抗借助于重复的方法通过终端阻抗的变化匹配于额定输入阻抗时，这尤其适用于第二和第三方法步骤。
本发明的认识在于，将发送线圈和接收线圈感应地彼此联接的介质的电气传导能力是不仅在输入阻抗中而且在传递函数中的参数，该传递函数描述了在发送线圈端口和接收线圈端口之间的电气交变信号的传递。如果例如预设的发送交变信号输送到发送线圈的发送线圈端口中且介质的传导能力改变，则一方面输入阻抗改变且另一方面在接收线圈端口处的接收交变信号相应地改变。通过如此调节终端阻抗(其如传导能力那样同样是不仅在输入阻抗中而且在传递函数中的参数)，使得输入阻抗又(即如在传导能力的改变前)匹配于额定输入阻抗，介质的电气传导能力的改变对输入阻抗的作用被补偿。由此，在终端阻抗的改变中获取关于介质的传导能力的改变的信息。由此可能的是，在使用经匹配的输入阻抗和经调节的终端阻抗的情形下确定介质的传导能力。
阻抗(如额定输入阻抗、输入阻抗和终端阻抗)具有实部和/或虚部。不仅阻抗的实部而且阻抗的虚部可利用无源的电气结构元件例如电阻、线圈和电容器实现，其中，电阻的性质是电阻值，线圈的性质是电感，且电容器的性质是电容。因此，电阻值贡献了阻抗的实部，且电容和电感贡献了阻抗的虚部。
在发送线圈端口处的输入阻抗例如通过以下方式确定，即，以带有幅度的预设的发送交变电压的形式的发送交变信号被输送到发送线圈端口中、即到两个电气端口处，通过发送线圈端口测量发送交变电流的通过发送交变电压引起的幅度，且从发送交变电压的预设的幅度和发送交变电流的测量的幅度中确定输入阻抗。备选地，输入阻抗例如也可通过以下方式确定，即，以带有幅度的预设的发送交变电流的形式的发送交变信号被输送到发送线圈端口中，测量在发送线圈端口上的发送交变电压的通过发送交变电流引起的幅度，且从发送交变电流的预设的幅度和发送交变电压的测量的幅度确定输入阻抗。
通常通过以下方式确定传导能力，即，确定在发送线圈和接收线圈之间的介质的电阻值并且然后在使用发送线圈和接收线圈之间的介质的电阻值和几何形状的情形下确定介质的传导能力。
根据本发明的方法相对于从现有技术中已知的方法具有如下优点，即，介质的传导能力的确定更准确。更高的准确性尤其从如下得出，即，输入阻抗的改变被补偿而不是如从现有技术已知的被测量。由此待测量的幅度占据的值范围小于从现有技术中已知的待测量的幅度占据的值范围，从而不准确性在测量幅度时更小。用于转化方法的技术耗费与用于转化从现有技术中已知的方法的技术耗费相似。
在用于运行感应式传导能力测量仪的方法的一种设计方案中设置成，输入阻抗如此匹配于额定输入阻抗，使得输入阻抗的实部相应于额定输入阻抗的实部。通常，输入阻抗具有实部和虚部。在此，介质的传导能力贡献了实部且发送线圈和接收线圈的电感贡献了虚部。由此输入阻抗的实部相应于额定输入阻抗的实部是基本足够的。
在该方法的另一设计方案中设置成，输入阻抗如此匹配于额定输入阻抗，使得输入阻抗相应于额定输入阻抗。由此，那么不仅输入阻抗的实部相应于额定输入阻抗的实部，而且输入阻抗的虚部相应于额定输入阻抗的虚部。当一方面实部和另一方面同样虚部彼此相应时，介质的传导能力的确定的准确性相比于如下方法增大，在该方法中仅实部彼此相应。两个实部或两个虚部尤其当它们具有相同的数值(或绝对值，即Betrag)时才彼此相应。
本发明根据第二教导还涉及感应式传导能力测量仪，在其中所说明的任务被解决。根据本发明的感应式传导能力测量仪首先且基本上特征在于如下，即，额定输入阻抗存储在控制设备中，终端阻抗设备的终端阻抗可被调节且控制设备构造成，确定在发送线圈端口处的输入阻抗，如此调节终端阻抗，使得输入阻抗匹配于额定输入阻抗且在使用经匹配的输入阻抗和经调节的终端阻抗的情形下确定介质的传导能力。
根据本发明的感应式传导能力测量仪的一种设计方案设置成，控制设备构造用于实施所描述的方法中的一个。此外，控制设备通常构造用于生成发送交变信号且输送到发送线圈中且测量接收交变信号。
在感应式传导能力测量仪的另一设计方案中设置成，终端阻抗设备具有用于测量穿过接收线圈端口的接收线圈电流的电流传感器和用于调节在接收线圈端口上的接收线圈电压的经控制的电压源。经控制的电压源是如下电压源，在其中通过信号源可调节电压源的电压、如接收线圈电压。另外，控制设备构造成以电流传感器确定接收线圈电流且以经控制的电压源如此调节接收线圈电压，使得终端阻抗被调节。由此终端阻抗设备是有源的阻抗。
在上文的设计方案的改进方案中设置成，电流传感器是分流电阻(Shunt-Widerstand)且经控制的电压源具有用于提供接收线圈电压的运算放大器。分流电阻是用于测量电流的低欧姆电阻。运算放大器在此具有这样的外部布线，即，其是电压源。
在上文的改进方案的改进方案中设置成，经控制的电压源具有用于控制运算放大器的信号生成器。由此，信号生成器是信号源，其为运算放大器预设由运算放大器提供的接收线圈电压。
在上文的改进方案的改进方案中此外设置成，信号生成器构造成生成用于操控运算放大器的连续值信号或脉宽调制信号。
带有电流传感器和经控制的电压源的上文的设计方案(尤其结合该设计方案的改进方案)实现了成本适宜的有源的终端阻抗设备。
对于用于运行感应式传导能力测量仪的方法的实施方案相应地适用于感应式传导能力测量仪且反之亦然。
附图说明
详细地，给出大量可行性方案，以设计和改进根据本发明的用于运行感应式传导能力测量仪的方法和感应式传导能力测量仪。对此不仅参照排在独立专利权利要求后的专利权利要求而且结合附图参照优选实施例的随后的描述。在附图中示意性地且概括性地：
图1示出了感应式传导能力测量仪的实施例，
图2示出了图1的感应式传导能力测量仪的部分电气等效电路图(或替代电路图，即Ersatzschaltbild)，
图3示出了图2的终端阻抗设备的部分电气等效电路图，
图4示出了图3的经控制的电压源的部分电气等效电路图，以及
图5示出了用于运行图1的感应式传导能力测量仪的方法的实施例的流程图。
参考符号
1 感应式传导能力测量仪
2 空心柱状的载体
3 发送线圈
4 接收线圈
5 发送线圈端口
6 接收线圈端口
7 控制设备
8 介质
9 发送交变电压源
10 终端阻抗设备
11 带有介质电阻值RW的介质电阻
12 电流传感器
13 经控制的电压源
14 运算放大器
15 信号生成器
N1 发送线圈的绕组的数量
N4 接收线圈的绕组的数量
I1 发送线圈电流
I4 接收线圈电流
L11 在发送线圈3和介质8之间的电感
L44 在接收线圈4和介质8之间的电感
RW 介质电阻值
U1 发送线圈电压
U4 接收线圈电压
ZA 输出阻抗
ZE 输入阻抗。
具体实施方式
图1示出了感应式传导能力测量仪1。感应式传导能力测量仪1具有空心柱状的载体2，在其上布置有发送线圈3和接收线圈4。发送线圈3和接收线圈4布置在空心柱状的载体2上，通过所述发送线圈3和接收线圈4围绕空心柱状的载体2缠绕，其中，发送线圈3具有数量N1的绕组且接收线圈4具有数量N4的绕组。另外，发送线圈3具有电气发送线圈端口5且接收线圈4具有电气接收线圈端口6。感应式传导能力测量仪1此外还具有控制设备7，其构造用于控制发送线圈3和接收线圈4，因此控制设备7还一方面与发送线圈3的发送线圈端口5且另一方面与接收线圈的接收线圈端口6电气连接。在控制设备7中此外存储有额定输入阻抗。
带有发送线圈3和接收线圈4的空心柱状的载体2浸入到介质8中且感应式传导能力测量仪1在运行中。介质8包围空心柱状的载体2且还存在于其内部空间中。介质8是导电的且由此将发送线圈3和接收线圈4感应地彼此联接。因为其是感应式传导能力测量仪1的概括示意图，在此未呈现通常存在的壳体，该壳体防止发送线圈3和接收线圈4与介质8的直接的接触。通过避免发送线圈3和接收线圈4与介质8的接触，可能的是，不同于传导式传导能力测量仪感应式传导能力测量仪1还在侵蚀性的和腐蚀性的介质例如工业废水、海水和酸性溶液中使用，而感应式传导能力测量仪1的功能性不受限制。通过壳体，其此外还适用于在食品、饮料和药品分支的过程中的卫生应用。
图2示出了一方面感应式传导能力测量仪1且另一方面导电介质8的部分电气等效电路图。
感应式传导能力测量仪1的等效电路图具有发送线圈3、发送线圈端口5以及发送交变电压源9，其中，发送交变电压源9如此与发送线圈端口5相连接，使得发送交变电压源9和发送线圈3电气并联。另外，感应式传导能力测量仪1的等效电路图具有接收线圈4、接收线圈端口6以及终端阻抗设备10，其在该实施例中为控制设备7的一部分。终端阻抗设备10如此与接收线圈端口6相连接，使得终端阻抗设备10和接受线圈4电气并联。
导电介质8的等效电路图具有带有介质电阻值RW的介质电阻11，其代表了在发送线圈3和接收线圈4之间的介质8的电阻。
发送交变电压源9构造成生成由控制设备7预设的正弦形的发送线圈电压U1，且控制设备7构造成测量发送线圈电流I1。由此，发送线圈电压U1为发送交变电压且发送线圈电流I1为发送交变电流。由于发送交变电压源9和发送线圈3的并联，发送线圈电压U1还存在在发送线圈3上，且发送线圈电流I1流动穿过发送线圈3。另外，控制设备7构造成，从发送线圈电压U1(其通常还由控制设备7测量)和发送线圈电流I1确定在发送线圈端口5处的输入阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
发送线圈3和接收线圈4彼此通过导电介质8的感应联接通过以下方式实现，即，输送到发送线圈3中的发送交变信号(其通过发送线圈电压U1和发送线圈电流I1确定)在介质8中生成涡流，且涡流在接收线圈4中感应出接收交变信号，其通过接收线圈电压U4和接收线圈电流I4确定。接收线圈电压U4存在在接收线圈4上且接收线圈电流I4流动穿过接收线圈4。由于接收线圈4和终端阻抗设备10的并联，接收线圈电压U4还存在在终端阻抗设备10上，且接收线圈电流I4还流动穿过终端阻抗设备10。接收线圈电压U4和接收线圈电流I4通过终端阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE004
确定。涡流在介质8中通过发送交变信号的生成通过在发送线圈3和介质8之间的变压联接根据
Figure DEST_PATH_IMAGE006
实现且在介质8和接收线圈4之间的变压联接根据
Figure DEST_PATH_IMAGE008
实现。
终端阻抗设备10的部分电气等效电路图在图3中呈现。终端阻抗设备10的终端阻抗ZA可调节，且控制设备7构造成调节终端阻抗设备10的终端阻抗ZA。由此，控制设备7控制终端阻抗设备10。终端阻抗设备10为了调节终端阻抗具有用于测量穿过接收线圈端口6的接收线圈电流I4的电流传感器12和用于调节在接收线圈端口上的接收线圈电压U4的经控制的电压源13。控制设备7为了调节终端阻抗ZA构造成以电流传感器12确定接收线圈电流I4且如此调节接收线圈电压U4，使得调节终端阻抗ZA。由此，有源的终端阻抗ZA通过终端阻抗设备10和控制设备7执行。在本实施例中，电流传感器12是分流电阻，且经控制的电压源13具有用于提供接收线圈电压U4的在图4中呈现的运算放大器14和用于控制运算放大器14的信号发生器15。在此，控制设备7构造成控制信号发生器15。信号发生器15在本实施例中构造成生成用于操控运算放大器14的连续值信号。
从发送线圈3至接收线圈4的传递函数通过下面的公式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
输入阻抗ZE的倒数即输入导纳YE通过下面的公式给出：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
在上面的公式中，j是虚数单元，ω是圆频率，L11是在发送线圈3和介质8之间的电感，L44是在接收线圈4和介质8之间的电感，且
Figure DEST_PATH_IMAGE014
用符号表示用于计算ZA和jωL44的并联的阻抗的计算说明。
从上文的公式显而易见的是，终端阻抗ZA是不仅传递函数而且输入阻抗ZE的参数。由此，输入阻抗ZE可通过调节终端阻抗ZA匹配于额定输入阻抗。对此，控制设备7构造成用于实施带有下面的方法步骤的在图5中的流程图中呈现的方法。
在第一方法步骤16中，预设额定输入阻抗。其为存储在控制设备7中的额定输入阻抗。
在第二方法步骤17中，确定在发送线圈端口5处的输入阻抗ZE。
在第三方法步骤18中，如此调节终端阻抗ZA，使得输入阻抗ZE匹配于额定输入阻抗。
在第四方法步骤19中，然后在使用经匹配的输入阻抗ZE和经调节的终端阻抗ZA的情形下确定介质8的传导能力。传导能力通过以下方式确定，即，首先确定介质8的介质电阻值RW且然后在使用在发送线圈8和接收线圈4之间的介质8的介质电阻值RW和几何形状的情形下确定介质8的传导能力。
在此，经实施的方法步骤根据需要同样多次地由控制设备7实施。当输入阻抗ZE借助于重复的方法通过终端阻抗ZA的变化匹配于额定输入阻抗时，这尤其适用于第二方法步骤17和第三方法步骤18。

Claims (9)

1.一种用于运行感应式传导能力测量仪(1)的方法，
其中，所述传导能力测量仪(1)具有发送线圈(3)、接收线圈(4)以及终端阻抗设备(10)，
其中，所述发送线圈(3)具有发送线圈端口(5)，所述接收线圈(4)具有接收线圈端口(6)且所述终端阻抗设备(10)具有终端阻抗(ZA)，
其中，所述接收线圈(4)与所述终端阻抗设备(10)闭合，且
其中，所述发送线圈(3)和所述接收线圈(4)通过导电介质(8)感应地彼此联接，
其特征在于，
预设额定输入阻抗，
确定在所述发送线圈端口(5)处的输入阻抗(ZE)，
调节所述终端阻抗(ZA)，使得所述输入阻抗(ZE)匹配于所述额定输入阻抗，且
在使用经匹配的输入阻抗(ZE)和经调节的终端阻抗(ZA)的情形下确定所述导电介质(8)的传导能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述输入阻抗(ZE)如此匹配于所述额定输入阻抗，使得所述输入阻抗(ZE)的实部相应于所述额定输入阻抗的实部。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述输入阻抗(ZE)如此匹配于所述额定输入阻抗，使得所述输入阻抗(ZE)相应于所述额定输入阻抗。
4.一种感应式传导能力测量仪(1)，带有发送线圈(3)、接收线圈(4)、终端阻抗设备(10)以及控制设备(7)，
其中，所述发送线圈(3)具有发送线圈端口(5)，所述接收线圈(4)具有接收线圈端口(6)且所述终端阻抗设备(10)具有终端阻抗(ZA)，
其中，所述接收线圈(4)与所述终端阻抗设备(10)闭合，且
其中，在运行中所述发送线圈(3)和所述接收线圈(4)通过导电介质(8)感应地彼此联接，
其特征在于，
额定输入阻抗存储在所述控制设备(7)中，
可调节所述终端阻抗设备(10)的终端阻抗(ZA)，且
所述控制设备(7)构造成，
确定在所述发送线圈端口(5)处的输入阻抗(ZE)，
调节所述终端阻抗(ZA)，使得所述输入阻抗(ZE)匹配于所述额定输入阻抗，且
在使用经匹配的输入阻抗(ZE)和经调节的终端阻抗的情形下确定所述导电介质(8)的传导能力。
5.根据权利要求4所述的感应式传导能力测量仪(1)，其特征在于，所述控制设备(7)构造用于实施根据权利要求2或3所述的方法。
6.根据权利要求4或5所述的感应式传导能力测量仪(1)，其特征在于，
所述终端阻抗设备(10)具有用于测量穿过所述接收线圈端口(6)的接收线圈电流(I4)的电流传感器(12)和用于调节在所述接收线圈端口(6)上的接收线圈电压(U4)的经控制的电压源(13)，且
所述控制设备(7)构造成以所述电流传感器(12)确定所述接收线圈电流(I4)且调节所述接收线圈电压(U4)，以调节所述终端阻抗(ZA)。
7.根据权利要求6所述的感应式传导能力测量仪，其特征在于，所述电流传感器(12)是分流电阻，且所述经控制的电压源(13)具有用于提供所述接收线圈电压(U4)的运算放大器(14)。
8.根据权利要求7所述的感应式传导能力测量仪(1)，其特征在于，所述经控制的电压源(13)具有用于控制所述运算放大器(14)的信号发生器(15)。
9.根据权利要求8所述的感应式传导能力测量仪(1)，其特征在于，所述信号发生器(15)构造成生成用于操控所述运算放大器(14)的连续值信号或脉宽调制信号。
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