DE102006025194A1

DE102006025194A1 - Induktiver Leitfähigkeitssensor

Info

Publication number: DE102006025194A1
Application number: DE102006025194A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Pechstein; Andreas Dr. Eberheim; Marco VÖLKER
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: 2006-05-29
Filing date: 2006-05-29
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20080218302A1; US7965167B2

Abstract

Ein Leitfähigkeitssensor zum Messen der Leitfähigkeit eines Mediums, welches den Leitfähigkeitssensor umgibt, umfasst eine erste Toroidspule (13; 33), welche eine mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung (17; 37) umschließt zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Toroidspule (23; 35), welche die durchgehende Öffnung (17; 37) umschließt zum Erfassen eines durch den Strom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Toroidspulen (13, 23; 33, 35) eine Vielzahl erster Leiterabschnitte (15; 25) aufweist, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte (12; 22) verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte (12; 22) verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (16; 26), welche die ersten Leiterabschnitte (15; 25) mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte (15; 25), die zweiten Leiterabschnitte und die Durchkontaktierungen (16; 26) zusammen die Windungen einer Toroidspule (13; 23) ausbilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor.
Induktive Leitfähigkeitssensoren zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums umfassen im wesentlichen zwei vom Medium umgebene Toroidspulen, die eine durchgehende Öffnung für das Medium umschließen und gewöhnlich koaxial angeordnet sind, wobei eine erste der Spulen als Erregerspule einen Strom in dem Medium induziert, der von der zweiten Spule erfasst wird. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert, beispielsweise in US Patent No. 3,603,873, oder der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 51 146 A1 .
Aufgabe der Erfindung ist es einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit verbesserter Empfindlichkeit bereitzustellen. Die Empfindlichkeit der induktiven Leitfähigkeitssensoren steigt einerseits mit zunehmender Querschnittsfläche der Öffnung die von den Toroidspulen umschlossen ist, und nimmt andererseits ab mit zunehmender axialer Länge der Öffnung, da die Pfadlänge für den durch die Spule induzierten Ringstrom im Medium mit der axialen Länge ansteigt. Die Querschnittsfläche der Öffnung kann jedoch bei gegebener Spulenbauweise nicht beliebig vergrößert werden, ohne die gesamte Baugröße des Leitfähigkeitssensors zu vergrößern. Insoweit ist es zur Verbesserung der Empfindlichkeit erstrebenswert, die axiale Länge der Öffnung zu reduzieren. Die Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch den Leitfähigkeitssensor gemäß Anspruch 1.
Hierzu stellt die Erfindung einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit einem neuartigen Spulenaufbau bereit, der eine besonders geringe axiale Baulänge für den Leitfähigkeitssensor ermöglicht. Gemäß eines weiteren Gesichtspunkts der Erfindung ermöglicht der neuartige Spulenaufbau eine vereinfachte automatisierte Fertigung.
Der erfindungsgemäße induktive Leitfähigkeitssensor zum Messen der Leitfähigkeit eines Mediums umfasst:
eine erste Toroidspule, welche eine durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Ringstroms in einem Medium und eine zweite Toroidspule, welche die durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen des durch den Ringstrom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Toroidspulen eine Vielzahl erster Leiterabschnitte aufweist, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte und die Durchdurchkontaktierungen zusammen die Windungen der Toroidspule ausbilden.
Die Durchkontaktierungen verlaufen in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung im wesentlichen senkrecht zu den Lagen der Leiterkarte.
Die ersten bzw. zweiten Leiterabschnitte können jeweils als Leiterbahnen an einer äußeren Oberfläche der Leiterkarte oder in einer Zwischenlage in der Leiterkarte ausgebildet sein.
Die Toroidspule kann als Luftspule oder als Ringkernspule ausgebildet sein, wobei der Ringkern beispielsweise in einer entsprechenden Aussparung in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet ist.
Der Ringkern kann beispielsweise einen massiven Ringkern, einen gewickelten Ringbandkern oder einen Kunststoffringkern mit magnetischen Partikeln umfassen. Der Ringkern kann beispielsweise bei der Fertigung der Leiterplatte in die dafür vorgesehen Aussparung eingebettet bzw. einlaminiert werden, oder im Falle des Kunststoffringkerns auch nach der Fertigung der Leiterplatte in dafür vorgesehene Aussparungen eingespritzt werden.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind beide Toroidspulen in der zuvor beschriebenen Weise aufgebaut.
Die beiden Spulen können beispielsweise koaxial und axial hintereinander angeordnet oder koaxial und koplanar angeordnet sein, wobei in der zweiten Alternative die Spulen unterschiedliche Radien aufweisen.
Die Spulen sind vorzugsweise mit den üblichen Schirmungsmitteln magnetisch und kapazitiv voneinander geschirmt.
Zumindest der von dem Medium benetzbare Teil des Sensors kann beispielsweise mit einer isolierenden Schutzschicht, insbesondere einer Kunststoffschicht überzogen sein, um die Leiterkarte und die Spulen vor direktem Medienkontakt zu schützen.
Auf der Leiterkarte können weiterhin elektronische Schaltungen zum Betreiben des Sensors vorgesehen sein.
Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt:
1: einen Längsschnitt durch eine Leiterkarte mit einer Toroidspule gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
2: eine Aufsicht auf verschiedene Ebenen der Leiterkarte aus 1.
3: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorkopfs eines erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; und
4: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorkopfs eines erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors.
1 zeigt einen Längsschnitt eine Spulenanordnung 1 für einen Leitfähigkeitssensor in einer mehrlagigen Leiterkarte 2. Eine Aufsicht auf verschiedene Lagen dieser mehrlagigen Leiterplatte 2 der Spulenanordnung ist in 2 dargestellt, wobei das linke Teilbild eine Zwischenlage zeigt, und das rechte Teilbild eine Decklage. Die Spulenanordnung wird nun unter Verweis auf 1 und 2 erläutert.
Die Spulenanordnung 1 umfasst eine Toroidspule 3, welche eine durchgehende Öffnung 7 in der Leiterkarte 2 ringförmig umgibt. Die Toroidspule 3 umfasst erste Leiterabschnitte 5 die auf der Oberseite der Decklage der verlaufen, und zweite Leiterabschnitte die auf der Unterseite einer Basislage der Leiteplatte verlaufen. Zwischen der Basislage und der Decklage ist eine Zwischenlage angeordnet, die selbst eine oder mehrere Lagen umfassen kann. Die Zwischenlage umfasst eine Aussparung in der ein Ringbandkern 4 für die Toroidspule 3 eingesetzt wird, bevor die Decklage mit der Zwischenlage gefügt wird. Die ersten Leiterabschnitte 5 und die zweiten Leiterabschnitte werden über Durchkontaktierungen durch die Lagen der Leiterplatte miteinander kontaktiert, so dass die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte, und die Durchkontaktierungen zusammen die umlaufenden Windungen der Toroidspule bilden, die den Ringbandkern 4 umschließt.
Zum Schutz gegen Messmedien, weist die Spulenanordnung 1 im benetzbaren Bereich eine Konststoffschutzschicht 8 auf, welche vorzugsweise sämtliche Oberflächen der Spulenanordnung 1 im benetzbaren Bereich vollständig überdeckt.
Der Sensorkopf 11 gemäß 3 umfasst eine erste Toroidspule 13 und eine zweite Toroidspule 23, die entsprechend der im Zusammenhang mit 1 erläuterten Weise aufgebaut sind, wobei die Spulen koaxial und axial hintereinander angeordnet sind. Die Toroidspulen 13, 23 umfassen jeweils erste und zweite Leiterabschnitte 15, 25, die über Durchkontaktierungen 16, 26 durch Teillagen 12, 22 der Leiterkarte miteinander kontaktiert sind, um jeweils die umlaufenden Windungen der ersten bzw. zweiten Toroidspule auszubilden, wobei die beiden Toroidspulen voneinander elektrisch isoliert sind. Zwischen den beiden Spulen verläuft weiterhin eine Trennlage 19, die eine oder mehrere Teillagen umfassen kann, beispielsweise auch Schirmungslagen zur Entkopplung der Spulen. In Aussparungen in den Zwischenlagen ist jeweils ein Ringkern 14, 24 angeordnet, der von einer der Toroidspulen 13, 23 umschlossen ist.
Der benetzbare Teil des Sensorkopfes 11 ist wie zuvor mit einer Kunststoffschutzschicht 18 überzogen.
Der Sensorkopf 31 in 4 weist zwei koaxial und koplanar angeordnete Toroidspulen 33, 34 auf, die eine durchgehende Öffnung 37 umgeben. Der Aufbau der Spulen entspricht den obigen Ausführungen.
Die erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensoren zeichnen sich im Ergebnis durch einen flachen Aufbau und damit durch erhöhte Empfindlichkeit aus. Zudem sind sie automatisiert mit gängigen Methoden der Leiterkartentechnologie zu fertigen.

Claims

Leitfähigkeitssensor zum Messen der Leitfähigkeit eines Mediums, welches den Leitfähigkeitssensor umgibt, umfassend: eine erste Toroidspule (13; 33), welche eine mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung (17; 37) umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium und eine zweite Toroidspule (23; 35), welche die durchgehende Öffnung (17; 37) umschließt, zum Erfassen eines durch den Strom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Toroidspulen (13, 23; 33, 35) eine Vielzahl erster Leiterabschnitte (15; 25) aufweist, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte (12; 22) verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte (12, 22) verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (16, 26), welche die ersten Leiterabschnitte (15; 25) mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte (15, 25), die zweiten Leiterabschnitte und die Durchkontaktierungen (16, 26) zusammen die Windungen einer Toroidspule (13, 23) ausbilden.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei die Durchkontaktierungen verlaufen in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung im wesentlichen senkrecht zu den Lagen der Leiterkarte verlaufen.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ersten bzw. zweiten Leiterabschnitte jeweils als Leiterbahnen an einer äußeren Oberfläche der Leiterkarte oder einer Zwischenlage in der Leiterkarte ausgebildet sind.
Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der Toroidspulen eine Luftspule umfasst.
Leitfähigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine der Toroidspulen eine Ringkernspule umfasst.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 6, wobei der Ringkern in einer Aussparung in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet ist.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Ringkern, einen massiven Ringkern, einen gewickelten Ringbandkern oder einen Kunststoffringkern mit magnetischen Partikeln umfasst
Leitfähigkeitssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beide Toroidspulen jeweils eine Vielzahl erster Leiterabschnitte (15; 25) aufweisen, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte (12; 22) verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte (12, 22) verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (16, 26), welche die ersten Leiterabschnitte (15; 25) mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten Leiterabschnitte (15, 25), die zweiten Leiterabschnitte und die Durchkontaktierungen (16, 26) zusammen jeweils die Windungen der beiden Toroidspulen (13, 23) ausbilden.
Leitfähigkeitssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Toroidspule koaxial axial hintereinander angeordnet sind.
Leitfähigkeitssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Toroidspule koaxial und koplanar angeordnet sind.