DE102006056174A1

DE102006056174A1 - Induktiver Leitfähigkeitssensor

Info

Publication number: DE102006056174A1
Application number: DE200610056174
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Eberheim; Torsten Dr. Pechstein
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: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-05-29
Also published as: WO2008065112A1

Abstract

Ein Leitfähigkeitssensor 1 umfasst einen Doppeltransformator mit einer Sendespule 2, einem Kurzschlusspfad 8 und einer Empfangsspule 5; wobei der im Messbetrieb gebildete Kurzschlusspfad 8 durch das zu messende Medium, die Sendespule 2 und die Empfangsspule 5 durchsetzt; eine mit der Sendespule 2 elektrisch verbundene Sendeeinrichtung 4 zum Speisen der Sendespule mit einer Wechselspannung; und eine mit der Empfangsspule 5 elektrisch verbundenen Empfangseinrichtung 7, wobei ferner die Sendespule 2 und/oder die Empfangsspule 5 eine umschaltbare Windungszahl aufweisen bzw. aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum bestimmen der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums.
Induktive Leitfähigkeitssensoren umfassen im Wesentlichen einen Doppeltransformator, mit einer meist ringförmigen Sendespule und einer meist ringförmigen Empfangsspule, einen Kurzschlusspfad mit dem zu messenden Medium, der die Sendespule und die Empfangsspule durchsetzt, eine mit der Sendespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfangsspule elektrisch verbundenen Empfangseinrichtung.
Derartige Leitfähigkeitssensoren sind beispielsweise in den Offenlegungsschriften DE 198 51 146 und DE 41 16 468 sowie in dem U.S. Patent Nr. 6,414,493 offenbart.
Induktive Leitfähigkeitssensoren weisen einen typischen Messbereich von etwa 20 μS/cm bis 2 S/cm auf. Der Messbereich bei geringen Leitfähigkeiten ist dadurch beschränkt, dass die Signale der Empfangsspule sehr gering sind und vom Restkopplungssignal (Ausgabesignal ohne Medium) überlagert werden. Das Restkopplungssignal setzt sich insbesondere zusammen aus einer kapazitiven Kopplung der Zuleitungen und einer induktiven Kopplung der Spulen. Das Ausgangssignal kann zwar durch eine höhere Eingangsspannung verstärkt werden, aber die höhere Eingangsspannung geht auch mit einer größeren kapazitiven Kopplung und über einen größeren Sendespulenstrom mit einer größeren induktiven Kopplung einher.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Leitfähigkeitssensor bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Leitfähigkeitssensor gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums umfasst einen Doppeltransformator, mit einer vorzugsweise ringförmigen Sendespule und einer vorzugsweise ringförmigen Empfangsspule, einen im Messbetrieb gebildeten Kurzschlusspfad durch das zu messende Medium, der die Sendespule und die Empfangsspule durchsetzt, eine mit der Sendespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Sendespule mit einer Wechselspannung, und eine mit der Empfangsspule elektrisch verbundenen Empfangseinrichtung, wobei die Sendespule und/oder die Empfangsspule eine umschaltbare Windungszahl aufweisen bzw. aufweist.
Die Windungszahl bezieht sich auf die jeweils geschalteten Windungen der Spulen, die von dem in der Sendeeinrichtung angeregten bzw. von dem in der Empfangseinrichtung erfassten Strom durchflossen werden.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Empfangsspule eine umschaltbare Windungszahl auf, womit das Windungszahlenverhältnis zwischen Sendespule und Empfangsspule beispielsweise von etwa 1:1 auf nicht weniger als etwa 2:1, vorzugsweise auf nicht weniger als etwa 3:1, und besonders bevorzugt auf nicht weniger als etwa 4:1 umschaltbar, um die Leitfähigkeit von Medien geringer Leitfähigkeit zu erfassen.
Die Windungszahl der Sendespule kann beispielsweise 20 bis 250 Windungen betragen In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Windungszahl der Primärspule etwa 120 Windungen.
Die Windungszahlen der Empfangsspule ergeben sich entsprechend aus den obigen Verhältnissen.
Das Umschalten zwischen den verschiedenen Windungszahlen erfolgt vorzugsweise messbereichsabhängig über einen elektronischen Schalter durch Umschalten zwischen entsprechend vorgesehenen Spulenabgriffen, die den Windungszahlen zugeordnet sind.
Wahlweise kann jeder Spulenabgriff zunächst einem I-U-Wandler zugeführt werden, wobei die Auswahl des zu verwertenden Spannungssignals durch einen elektronischen Schalter erfolgt, der den I-U-Wandlern nachgeordnet ist.
Die Empfangseinrichtung kann zu diesem Zweck gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung eine Steuerschaltung umfassen, welche den elektronischen Schalter messbereichsabhängig steuert.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Windungszahl der Empfangsspule zwischen mehr als zwei Werten insbesondere drei Werten für die Windungszahl umschaltbar.
In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Windungen der beiden Spulen ringförmig oder ringabschnittförmig aufgebaut, wobei die Windungen jeweils um einen ringförmigen Magnetkern verlaufen. Die Windungen können dabei tatsächlich durch Wickeln eines kontinuierlichen Drahtes, oder durch Verbinden einzelner Leiterabschnitte auf Leiterplatten mit Durchkontaktierungen erstellt sein, wie in der noch unveröffentlichten Patentanmeldung Nr. 102006025194 offenbart ist.
Der Begriff „ringförmig" bezeichnet eine Spule mit einem in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Wenn also ein Magnetkern vorgesehen ist, muss dieser in sich geschlossen verlaufen. Auf die Gestalt kommt des ringförmigen Verlaufs kommt es nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form gleichermaßen sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, insbesondere Ellipsen, Rechtecke oder andere Polygone. Die Windungen müssen nicht homogen über den Magnetkern verteilt sein. Sie können mit unterschiedlicher Windungszahldichte über den ringförmigen Magnetkern verteilt sein und insbesondere auf einen Abschnitt des Magnetkerns beschränkt sein.
In den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Sendeeinrichtung vorteilhaft auf einer im Wesentlichen konstanten Sendefrequenz betrieben werden, welche beispielsweise der Resonanzfrequenz der Sendespule in der Messschaltung entspricht. Die Sendeeinrichtung kann eine Frequenzsteuerung umfassen, um die Erregerfrequenz auf die tatsächliche Resonanzfrequenz einzuregeln.
Die Sendefrequenz kann allgemein zwischen etwa 100 Hz und 40 kHz, vorzugsweise zwischen 500 Hz und 20 kHz und besonders bevorzugt 1 kHz bis 10 kHz betragen.
Wenn die Windungszahl der Sendespule umschaltbar gestaltet wird, ist es derzeit bevorzugt, die Sendefrequenz der Sendeeinrichtung an die windungszahlabhängige Resonanzfrequenz der Sendespule anzupassen.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors.
Der in 1 dargestellte induktive Leitfähigkeitssensor umfasst eine Sendespule 2 mit 120 Windungen, die um einen ersten ringförmigen Ferritkern 3 gewickelt sind. Die Sendespule 3 wird von einer Sendeeinrichtung 4 mit einer Wechselspannung einer Frequenz angeregt, die etwa der Resonanzfrequenz der Sendespule in der Sendeeinrichtung entspricht.
Koaxial zu der Sendespule 2 ist eine Empfangsspule 5 mit einer Gesamtwindungszahl von ebenfalls 120 Windungen angeordnet, die um einen zweiten ringförmigen Magnetkern 6 gewickelt sind. Der in der Empfangsspule induzierte Strom kann mit einer Empfangsschaltung 7 ausgewertet werden.
Im Messbetrieb sind die Öffnungen der ringförmigen Spulenkerne von dem zu untersuchenden Medium durchdrungen, welches einen Kurzschlusspfad 8 bildet.
Anhand des gemessenen Stroms kann der Widerstand R_Medium des Mediums bestimmt werden gemäß
wobei I_Empfang der induzierte Strom in der Empfangsspule, U_Sende die Erregerspannung an der Sendespule, N_Sende die Zahl der stromdurchflossenen Windungen der Sendespule, und N_Empfang die Zahl der stromdurchflossenen Windungen der Empfangsspule ist.
Entsprechend gilt bei einem gegebenem Medienwiderstand:
Wenn nun der Widerstand des Mediums größer wird, sinkt der induzierte Strom in der Empfangsspule so weit, dass die relative Bedeutung von Störgrößen zunimmt. Durch die Verringerung der Zahl der Stromdurchflossenen Windungen in der Empfangsspule N_Empfang kann dieser Effekt zumindest teilweise kompensiert werden.
Um dieses zu ermöglichen, umfasst die Empfangsspule 5 gemäß des Ausführungsbeispiels einen Anfangsabgriff 10 und einen Endabgriff 11, zwischen denen alle 120 Windungen der Empfangsspule 5 verlaufen. Die Spule umfasst weiterhin einen Zwischenabgriff 12 nach 30 Windungen. Mittels eines elektronischen Schalters 14, kann zwischen dem Zwischenabgriff 12 und dem Endabgriff 11 umgeschaltet werden.
Die Steuerung des Schalters 14 kann beispielsweise automatisiert in Abhängigkeit des gemessenen induzierten Stroms von der Empfangseinrichtung 14 erfolgen. Dies bedeutet, dass im oberen Messbereich des Leitfähigkeitssensors das Windungszahlverhältnis N_Sende:N_Empfang zunächst 1:1 beträgt, und dass bei Sinken der Leitfähigkeit unter einen Schwellwert N_Sende:N_Empfang auf 4:1 umgeschaltet wird.

Claims

Leitfähigkeitssensor (1) zum Erfassen der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend einen Doppeltransformator mit einer Sendespule (2), einem Kurzschlusspfad (8) und einer Empfangsspule (5); wobei der im Messbetrieb gebildete Kurzschlusspfad (8) durch das zu messende Medium, die Sendespule (2) und die Empfangsspule (5) durchsetzt; eine mit der Sendespule (2) elektrisch verbundene Sendeeinrichtung (4) zum Speisen der Sendespule mit einer Wechselspannung; und eine mit der Empfangsspule (5) elektrisch verbundene Empfangseinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (2) und/oder die Empfangsspule (5) eine umschaltbare Windungszahl aufweisen bzw. aufweist.
Leitfähigkeitssensor, nach Anspruch 1, wobei die Empfangsspule eine umschaltbare Windungszahl aufweist.
Leitfähigkeitssensor, nach Anspruch 2, wobei das Windungszahlenverhältnis zwischen Sendespule (2) und Empfangsspule (5) von etwa 1:1 auf nicht weniger als etwa 2:1, vorzugsweise auf nicht weniger als etwa 3:1, und besonders bevorzugt auf nicht weniger als etwa 4:1 umschaltbar ist.
Leitfähigkeitssensor, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windungszahl der Sendespule (2) 20 bis 250 Windungen beträgt.
Leitfähigkeitssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen elektronischen Schalter (14) zum Umschalten zwischen den verschiedenen Spulenabgriffen (11, 12), die jeweils den Windungszahlen zugeordnet sind.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 5, wobei die Empfangseinrichtung (7) eine Steuerschaltung umfasst, welche den elektronischen Schalter (14) messbereichsabhängig steuert.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, wobei die Windungszahl der Empfangsspule zwischen mehr als zwei Werten für die Windungszahl umschaltbar ist.
Leitfähigkeitssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sendespule (2) und die Empfangsspule (5) ringförmig oder ringabschnittförmig aufgebaut sind, und die Windungen jeweils um einen ringförmigen magnetischen Kern (3, 6) verlaufen.
Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 8, wobei die Windungen durch Verbinden einzelner Leiterabschnitte auf Leiterplatten mit Durchkontaktierungen erstellt sind.