DE102011079346A1

DE102011079346A1 - Konduktiver Leitfähigkeitssensor

Info

Publication number: DE102011079346A1
Application number: DE102011079346A
Authority: DE
Inventors: Andre Thieme; 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: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-24
Also published as: US20130021047A1; CN102890103A; CN102890103B; US8766655B2

Abstract

Es ist ein konduktiver Leitfähigkeitssensor mit ei einen Innenraum (3) aufweist, der über mindestens eine aus dem Innenraum (3) heraus führende Öffnung (5, 5a, 5b, 5c) mit einer Umgebung der Sonde (1) verbunden ist, in dem zwei im Messbetrieb mit einer Wechselspannung beaufschlagte Elektroden (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) mit in den Innenraum (3) gerichteten Innenflächen und nach außen weisenden von einem Isolator überdeckten Außenflächen angeordnet sind, und deren Innenflächen zu den Öffnungen (5a, 5b, 5c) benachbarte Randflächen aufweisen, beschrieben, dessen Messeigenschaften eine möglichst geringe Abhängigkeit von in der Nähe des Leitfähigkeitssensors angeordneten Objekten aufweisen, indem mindestens die zu einer der Öffnungen (5a, 5b oder 5c) benachbarten Randflächen eine darauf beginnende oder endende elektrische Feldlinien in einer von dieser Öffnung (5a, 5b bzw. 5c) abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums (3) ausrichtende Oberflächengeometrie aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde, die einen Innenraum aufweist, der über mindestens eine aus dem Innenraum heraus führende Öffnung mit einer Umgebung der Sonde verbunden ist, in dem zwei im Messbetrieb mit einer Wechselspannung beaufschlagte Elektroden mit in den Innenraum gerichteten Innenflächen und nach außen weisenden von einem Isolator überdeckten Außenflächen angeordnet sind, und deren Innenflächen zu den Öffnungen benachbarte Randflächen aufweisen Konduktive Leitfähigkeitssensoren werden in vielfältigen Anwendungen zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums eingesetzt.
Die bekanntesten konduktiven Leitfähigkeitssensoren sind die so genannten Zwei- oder Vierelektrodensensoren.
Zweielektrodensensoren weisen zwei im Messbetrieb in das Medium eingetauchte und mit einer Wechselspannung beaufschlagte Elektroden auf. Eine an die beiden Elektroden angeschlosssene Messelektronik misst eine elektrische Impedanz der Leitfähigkeitsmesszelle, aus der dann anhand einer von durch die Geometrie und die Beschaffenheit der Messzelle gegebenen vorab bestimmten Zellkonstante ein spezifischer Widerstand bzw. ein spezifischer Leitwert des in der Messzelle befindlichen Mediums ermittelt wird.
Vierelektrodensensoren weisen vier im Messbetrieb in das Medium eingetauchte Elektroden auf, von denen zwei als so genannte Strom- und zwei als so genannte Spannungselektroden betrieben werden. Zwischen den beiden Stromelektroden wird im Messbetrieb eine Wechselspannung angelegt, und damit ein Wechselstrom in das Medium eingespeist. Der eingespeiste Strom bewirkt eine zwischen den Spannungselektroden anliegende Potentialdifferenz, die durch eine vorzugsweise stromlose Messung bestimmt wird. Auch hier wird mittels einer an die Strom- und Spannungselektroden angeschlossenen Messelektronik, die sich aus dem eingespeisten Wechselstrom und der gemessenen Potentialdifferenz ergebende Impedanz der Leitfähigkeitsmesszelle bestimmt, aus der dann anhand einer von durch die Geometrie und die Beschaffenheit der Messzelle gegebenen vorab bestimmten Zellkonstanten ein spezifischer Widerstand bzw. ein spezifischer Leitwert des in der Messzelle befindlichen Mediums bestimmt wird.
Im Messbetrieb bilden sich zwischen den Elektroden elektrische Felder aus, deren Feldlinien regelmäßig aus dem Innenraum der Messzelle herausragen.
Wird ein solcher Leitfähigkeitssensor in der Nähe eines anderen Objekts, wie z. B. einer Behälterwand, betrieben, kommt es zu einer Beeinflussung der elektrischen Feldlinien durch das Objekt, und damit zu einer Beeinflussung der Messung. Diese im wesentlichen von der geometrischen Anordnung des Objekts, dessen Abstand zum Sensor und dessen elektrischer Leitfähigkeit abhängige Beeinflussung wird heute regelmäßig in aufwendigen Kalibrationsverfahren am Einsatzort bestimmt, und hieraus beispielsweise ein Einbaufaktor bestimmt, mit dem die Beeinflussung in den nachfolgenden Messungen kompensierbar ist.
Darüber hinaus ist in der DE 10 2008 054 659 A1 beschrieben, den Einfluss von in der Umgebung konduktiver Leitfähigkeitssensor befindlicher Objekte dadurch zu reduzieren, dass planare Elektroden parallel zueinander auf einander gegenüber liegenden Innenseiten einer von außen zugänglichen Ausnehmung in einem elektrisch isolierenden Sondenkörper angeordnet werden.
Dies bietet gegenüber Leitfähigkeitssensoren mit zumindest teilweise vollständig frei liegenden bzw. aus einem Sondenkörper herausragenden Elektroden die auch außerhalb des Sondenkörpers ein ausgeprägtes Freifeld ausbilden den Vorteil, dass sich die Feldlinien im Wesentlichen innerhalb der Ausnehmung zwischen den Elektroden ausbreiten.
Auch hier ist der von den Feldlinien eingenommene räumliche Bereich jedoch deutlich größer als der von den gegenüberliegenden flächigen Elektroden eingeschlossene Innenraum der Ausnehmung.
Um eine Beeinflussung durch in der Nähe des Leitfähigkeitssensors befindliche Objekte am Einsatzort zu vermeiden, ist es erforderlich, die Elektroden in ausreichendem Abstand von den nach außen weisenden Öffnungen des Innenraums anzuordnen. Dies hat unter anderem eine gewisse Mindestbaugröße der Leitfähigkeitssensoren zur Folge, die nicht ohne weiteres unterschritten werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen konduktiven Leitfähigkeitssensor anzugeben, dessen Messeigenschaften eine möglichst geringe Abhängigkeit von in der Nähe des Leitfähigkeitssensors angeordneten Objekten aufweisen.
Hierzu umfasst die Erfindung einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit

– einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde,
– die einen Innenraum aufweist,
– der über mindestens eine aus dem Innenraum heraus führende Öffnung mit einer Umgebung der Sonde verbunden ist,
– in dem zwei im Messbetrieb mit einer Wechselspannung beaufschlagte Elektroden mit in den Innenraum gerichteten Innenflächen und nach außen weisenden von einem Isolator überdeckten Außenflächen angeordnet sind, und
– deren Innenflächen zu den Öffnungen benachbarte Randflächen aufweisen

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weisen alle zu einer der Öffnungen benachbarten Randflächen der Innenflächen der Elektroden eine darauf beginnende oder endende elektrische Feldlinien in einer von der jeweiligen Öffnung abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums ausrichtende Oberflächengeometrie auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen Flächennormalen auf die die erfindungsgemäße Oberflächengeometrie aufweisenden Randflächen in einer von der jeweiligen Öffnung abgewandten Richtung in den Innenraum hinein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weisen die Innenflächen der Elektroden eine elektrische Feldlinien ins Innere des Innenraums hinein fokussierende Oberflächengeometrie auf.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung sind die Innenflächen der Elektroden konkav.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung weisen die Elektroden eine planare Grundfläche auf, an die an mindestens einer zu einer der Öffnungen benachbarten Seite eine in von der Öffnung abgewandter Richtung in den Innenraum hinein geneigte Randfläche anschließt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Elektroden einander gegenüberliegend und gegeneinander geneigt angeordnet, wobei beide Elektroden jeweils insgesamt eine in eine von ein und derselben Öffnung abgewandte Richtung in den Innenraum hinein weisende Ausrichtung aufweisen.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die Elektroden jeweils in Richtung einer den Innenraum nach außen abschließenden elektrisch isolierenden Sondenwand geneigt.
Gemäß einer Ausgestaltung der bevorzugten Weiterbildung

– sind die Elektroden Stromelektroden, über die im Messbetrieb durch anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden ein Wechselstrom in ein im Innenraum befindliches Medium einspeisbar ist, und
– sind im Innenraum zwei Spannungselektroden vorgesehen, über die eine im Messbetrieb aufgrund des in das Medium eingespeisten Wechselstroms daran anliegende Potentialdifferenz abgreifbar ist.

Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung sind die Spannungselektroden auf der Sondenwand angeordnet.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen sechs Ausführungsbeispiel dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Prinzipskizze eines Aufbaus eines erfindungsgemäßen konduktiven Leitfähigkeitssensors;
2 zeigt: einen Längsschnitt durch eine Sonde gemäß 1 mit einer Elektrode mit planarer Grundfläche und daran angrenzenden in den Innenraum geneigten Randflächen;
3 zeigt: eine Schnittzeichnung der Sonde von 1 mit der Elektrode von 2 in einer senkrecht zur Sondenlängsachse verlaufenden Ebene in der Höhe der Mitte der einander gegenüberliegenden Elektroden;
4 zeigt: eine Leitfähigkeitssonde mit einander gegenüberliegenden konkaven Elektroden;
5 zeigt: eine Leitfähigkeitssonde mit einander gegenüberliegenden gegeneinander in Richtung einer oberen Sondenwand geneigten konkaven Elektroden;
6 zeigt: eine Leitfähigkeitssonde mit einander gegenüberliegenden gegeneinander in Richtung einer rückwärtigen Sondenwand geneigten konkaven Elektroden;
7 zeigt: eine Leitfähigkeitssonde mit einander gegenüberliegenden gegeneinander in Richtung einer oberen Sondenwand geneigten planaren Elektroden;
8 zeigt: eine Leitfähigkeitssonde mit einander gegenüberliegenden gegeneinander in Richtung einer rückwärtigen Sondenwand geneigten planaren Elektroden; und
9 zeigt: normierte Zellkonstanten zweier Leitfähigkeitssonden in Abhängigkeit von einem Abstand zu einem darunter befindlichen Objekt im Vergleich.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen sowohl von konduktiven Zweielektroden-Leitfähigkeitssensors als auch von konduktiven Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren beschrieben. Die Erfindung ist analog auch auf Leitfähigkeitssensoren mit anderen Elektrodenanzahlen anwendbar.
1 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen konduktiven Zweielektroden-Leitfähigkeitssensors. Der Leitfähigkeitssensor umfasst eine in ein Messmedium eintauchbare Sonde 1. Die Sonde 1 weist einen Innenraum 3 auf, der über mindestens eine aus dem Innenraum 3 heraus führende Öffnung 5 zur Umgebung der Sonde 1 hin geöffnet ist. Beim Eintauchen der Sonde 1 in das Medium dringt das Medium über die Öffnungen 5 in den Innenraum 3 ein, und füllt diesen aus.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Sonde 1 einen zylindrischen Sondenkörper 7 aus einem elektrischen Isolator auf, der endseitig eine diagonal durch den Sondenkörper 7 hindurchführende zum Ende der Sonde 1 hin offene rechteckförmige Ausnehmung aufweist. Der Innenraum 3 befindet sich zwischen zwei hier planparallel einander gegenüberliegend angeordneten Innenwänden 9 der Ausnehmung und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine in der Darstellung nach vorn (aus der Zeichenebene heraus) weisende Öffnung 5a, eine dieser gegenüberliegende in der Darstellung nach hinten (in die Zeichenebene hinein) weisende und daher in der Figur nicht sichtbare Öffnung 5b und eine die beiden Öffnungen 5a, 5b miteinander verbindende in der Darstellung unten gerichtete Öffnung 5c am unteren Ende der Sonde 1 zur Umgebung hin geöffnet. Die drei Öffnungen 5a, 5b, 5c sind hier durch in deren Öffnungsrichtung aus dem Innenraum 3 heraus weisende Pfeile dargestellt.
In dem Innenraum 3 sind zwei Elektroden 11 vorgesehen, deren Innenflächen in den Innenraum 3 gerichtet sind, und deren nach außen weisenden Außenflächen von einem in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch den Sondenkörper 7 gebildeten Isolator, überdeckt sind. An die Elektroden 11 ist eine – hier nur schematisch dargestellte – Messelektronik 13 angeschlossenen. Die Messelektronik 13 beaufschlagt die Elektroden 11 im Messbetrieb mit einer Wechselspannung, bestimmt eine elektrische Impedanz der durch das Eintauchen der Sonde 1 in das Medium gebildeten Leitfähigkeitsmesszelle, und ermittelt anhand einer von durch die Geometrie und die Beschaffenheit der Messzelle gegebenen vorab bestimmten Zellkonstante Z einen spezifische Widerstand bzw. ein spezifischer Leitwert des in der Messzelle befindlichen Mediums.
Die Innenflächen der Elektroden 11 weisen jeweils zu den einzelnen Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarte Randflächen auf. Erfindungsgemäß weisen mindestens die zu einer der Öffnungen 5a, 5b oder 5c benachbarten Randflächen eine darauf beginnende oder endende elektrische Feldlinien in einer von dieser nach außen weisenden Öffnung 5a, 5b bzw. 5c abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums 3 ausrichtende Oberflächengeometrie auf.
Dies geschieht vorzugsweise durch eine Oberflächengeometrie, bei der die Flächennormalen auf diese Randflächen, in einer von der jeweils benachbarten Öffnung 5a, 5b, 5c abgewandten Richtung in den Innenraum 3 hinein weisen.
Da die Elektroden 11 Äquipotentialflächen sind, auf denen elektrische Feldlinien immer senkrecht enden, verlaufen die elektrischen Feldlinien in unmittelbarer Nähe der Elektroden 11 zwangsläufig parallel zu den Flächennormalen auf die Elektroden 11. Entsprechend weisen die Feldlinien an jeder Öffnung 5a, 5b, 5c, an der die dazu benachbarten Randflächen der Innenflächen der Elektroden 11 in einer von dieser Öffnung 5a, 5b, 5c abgewandten Richtung in den Innraum 3 hinein weisen, in den Innenraum 3 hinein. Dies bewirkt eine deutliche Reduzierung der aus der jeweiligen Öffnung 5a, 5b, 5c austretenden Feldlinien.
Eine größtmögliche Reduzierung der insgesamt aus dem Innenraum 3 austretenden Feldlinien wird folglich erzielt, indem nicht nur die zu einer der Öffnungen 5a, 5b oder 5c benachbarten, sondern alle zu einer der Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarten Randflächen auf die erfindungsgemäße Weise ausgestaltete Oberflächengeometrien aufweisen. In dem Fall weisen die Flächennormalen auf alle zu einer der Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarten Randflächen jeweils in eine von der jeweils nächstliegenden Öffnung 5a, 5b, 5c abgewandten Richtung in den Innenraum 3 hinein.
Die Erfindung bewirkt über die Oberflächengeometrie der Randflächen eine gezielte Ausrichtung und vorzugsweise auch eine Fokussierung der sich im Messbetrieb zwischen den Elektroden 11 ausbildenden Feldlinien in den Innenraum 3 der Sonde 1 hinein.
Die erfindungsgemäße Oberflächengeometrie der Randflächen der Elektroden 11 ist durch vielfältige Formgebungen der Elektroden 11 realisierbar und an vielfältige Ausgestaltungen der Öffnungen 5 des Innenraums 3 adaptierbar.
Hierzu können beispielsweise Elektroden mit einer planaren Grundfläche eingesetzt werden, die an mindestens einer, vorzugsweise an allen an eine Öffnung 5 angrenzenden Seiten von einer gegenüber der Grundfläche in einer von der jeweils nächstliegenden Öffnung 5 abgewandten Richtung in den Innenraum 3 hinein geneigten Randfläche umgeben ist.
Ein an den in 1 dargestellten rechteckförmigen zu drei Seiten offenen Innenraum 3 angepasstes Ausführungsbeispiel hierzu ist in den 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt einen Längsschnitt durch die Sonde 1 in der Ebene der Innenwand 9. Die dargestellte mittig auf der Innenwand 9 angeordnete Elektrode 11a weist eine planare rechteckförmige Grundfläche 15 auf, die zu ihren drei an die hier durch Pfeile symbolisierten Öffnungen 5a, 5b, 5c des Innenraums 3 angrenzenden Seiten hin, jeweils von einer in von der jeweils nächstliegenden Öffnung 5a, 5b bzw. 5c abgewandten Richtung in den Innenraum 3 hinein geneigten Randfläche 17a, 17b, 17c umgeben ist. 3 zeigt hierzu eine Schnittzeichnung der Sonde 1 von 1 in einer senkrecht zur Sondenlängsachse L verlaufenden Ebene in der Höhe der Mitte der formgleichen einander gegenüberliegenden Elektroden 11a.
4 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere an den in 1 dargestellten rechteckförmigen zu drei Seiten offenen Innenraum 3 angepasste Ausführungsform. Auch hier sind zwei formgleiche mittig auf den einander gegenüberliegenden Innenwänden 9 des Innenraums 3 angeordnete Elektroden 11b vorgesehen. Im Unterschied zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 11b jedoch keine planaren Grundflächen, sondern im Ganzen konkav ausgebildete Innenflächen auf.
Bei dieser Formgebung weisen die Flächennormalen auf allen äußeren Randflächen der Elektroden 11b in einer von der jeweils nächstliegenden Öffnung 5 abgewandten Richtung in den Innraum 3 hinein. Durch diese konkave Form werden die Feldlinien in den den Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarten Randbereichen in den Innenraum 3 hinein ausgerichtet und zusätzlich allseitig in den Innenraum 3 hinein fokussiert. Darüber hinaus bieten konkave Elektrodeninnenflächen den Vorteil einer hohen Symmetrie, die im Hinblick auf die Kalibration der Messzelle und die damit erzielbare Messgenauigkeit von Vorteil ist.
Alternativ oder in Kombination mit den bereits beschriebenen Varianten kann eine erfindungsgemäße Oberflächengeometrie von zu einer der Öffnungen 5 benachbarten Randflächen der Innenflächen der Elektroden auch dadurch bewirkt werden, dass die Elektroden 11 einander gegenüberliegend und insgesamt gegeneinander geneigt angeordnet werden. Dabei werden die Elektroden 11 insgesamt jeweils derart ausgerichtet, dass sie in einer von dieser Öffnung 5 abgewandter Richtung in den Innenraum 3 hinein weisen.
Vorzugsweise wird eine Elektrodenausrichtung gewählt, bei der die Flächennormalen auf die Innenflächen der Elektroden 11 in Richtung einer den Innraum 3 nach außen abschließenden elektrisch isolierenden Sondenwand weisen. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Feldlinien nicht nur in von dieser Öffnung 5 abgewandter Richtung, sondern zugleich auch in Richtung der Sondenwand ausgerichtet werden. Dort herrschen unabhängig vom Einsatzort der Sonde 1 aufgrund der Isolation durch die Sondenwand immer die gleichen Bedingungen für die Feldausbreitung.
Als Sondenwand eignet sich beispielsweise die nach oben durch den an Innenraum 3 angrenzenden massiven Teil des Sondenkörpers 7 gebildete Innenraumbegrenzung.
5 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel hierzu. Genau wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sonde 1 auch hier einen beispielsweise zylindrischen Sondenkörper 7 aus einem elektrischen Isolator auf, der endseitig eine diagonal durch den Sondenkörper 7 hindurchführende zum unteren Ende der Sonde 1 hin offene Ausnehmung aufweist. Der Innenraum 3 befindet sich auch hier zwischen einander gegenüberliegenden Innenwänden 19 der Ausnehmung und ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine in der Darstellung nach vorn weisende Öffnung 5a, eine dieser gegenüberliegende in der Darstellung nach hinten weisende Öffnung 5b und eine die beiden Öffnungen 5a, 5b miteinander verbindende in der Darstellung unten gerichtete Öffnung 5c am unteren Ende der Sonde 1 zur Umgebung hin geöffnet. Nach oben ist der Innenraum 3 durch eine durch den an den Innenraum 3 angrenzenden massiven Teil des Sondenkörpers 7 gebildete isolierenden Sondenwand 21 abgeschlossen. Im Unterschied zu den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Innenwände 19 hier jedoch nicht planparallel sondern gegeneinander geneigt angeordnet, wobei der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Innenwänden 19 in Richtung zur Sondenwand 21 ansteigt. Die der Neigung der Innenwände 19 entsprechende Ausrichtung der Elektroden 11c in von der Öffnung 5c abgewandter in den Innenraum 3 in Richtung der Sondenwand 21 hinein weisender Richtung ist hier durch die in den Elektrodenmitten eingezeichneten Flächennormalen n veranschaulicht. Die beiden Elektroden 11c weisen konkave Innenflächen auf und sind mittig auf den Innenwänden 19 des Innenraums 3 angeordnet.
Bei Sonden, die im Unterschied zu der in 1 dargestellten Variante, mit einer zusätzlichen die Öffnung 5b in 1 verschießenden rückwärtigen Sondenwand 23 ausgestattet sind, kann die Ausrichtung der Feldlinien natürlich auch in Richtung dieser Sondenwand 23 erfolgen. 6 zeigt hierzu einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer solchen Sonde in einer senkrecht zur Sondenlängsachse L verlaufenden Ebene in der Höhe der Mitte der hier ebenfalls konkaven Elektroden 11d.
Genau wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sonde auch hier einen beispielsweise zylindrischen Sondenkörper 7 aus einem elektrischen Isolator auf, der endseitig eine diagonal durch den Sondenkörper 7 hindurchführende zum Ende der Sonde 1 hin offene Ausnehmung aufweist. Der Innenraum 3 befindet sich auch hier zwischen einander gegenüberliegenden gegeneinander geneigten Innenwänden 25 der Ausnehmung und ist lediglich über eine frontale Öffnung 5a und eine nach unten gerichtete Öffnung 5c am unteren Ende der Sonde 1 zur Umgebung hin geöffnet. Der Innenraum 3 ist nach oben durch den an den Innenraum 3 angrenzenden massiven Teil des Sondenkörpers 7 und nach hinten durch die isolierende Sondenwand 23 abgeschlossen. Über die Sondenwand 23 ist damit die in den zuvor genannten Ausführungsbeispielen nach hinten weisende Öffnung 5b verschlossen.
Auch in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Innenwände 25 gegeneinander geneigt angeordnet, wobei der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Innenwänden 25 in der Ausnehmung von vorne nach hinten in Richtung zur Sondenwand 23 ansteigt. Die beiden Elektroden 11d sind auch hier mittig auf den geneigten Innenwänden 25 des Innenraums 3 angeordnet, und weisen konkave jeweils in Richtung der Sondenwand 25 geneigte Innenflächen auf.
Anstelle der in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen vorgesehenen konkaven Elektroden 11c, 11d können natürlich auch andere im Sinne der Erfindung geeignete Elektrodenformen, insb. auch planare Elektroden, eingesetzt werden.
7 zeigt hierzu eine Abwandlung des in 5 dargestellten Ausführungsbeispiels, das sich von letzterem lediglich darin unterscheidet, dass hier anstelle der konkaven Elektroden 11c einander gegenüberliegende Elektroden 11e mit gegeneinander und jeweils in Richtung der Sondenwand 21 geneigten planaren Innenflächen vorgesehen sind.
8 zeigt hierzu eine Abwandlung des in 6 dargestellten Ausführungsbeispiels, das sich von letzterem lediglich darin unterscheidet, dass hier anstelle der konkaven Elektroden 11d einander gegenüberliegende Elektroden 11f mit gegeneinander und jeweils in Richtung der Sondenwand 23 geneigten planaren Innenflächen vorgesehen sind.
Aufgrund der Neigung der Elektroden 11e der in 7 dargestellten Ausführungsform weisen die Flächennormalen n auf die planaren Innenflächen in von der unteren Öffnung 5c abgewandter Richtung in den Innenraum 3 hinein. Obwohl hier nur die Flächennormalen auf die zu der unteren Öffnung 5c benachbarten Randflächen der Elektroden 11e in einer von dieser Öffnung 5c abgewandten Richtung in den Innenraum 3 hinein weisen zeigt sich bereits hier eine deutlich geringere Abhängigkeit der Leitfähigkeitsonde vom Abstand zu einem benachbarten Objekt, wie z. B. einer Wand.
9 zeigt hierzu die Abhängigkeiten der normierten Zellkonstanten Z des in 7 dargestellten Leitfähigkeitssensors A mit gegeneinander in Richtung der Sondenwand 21 geneigten planaren Elektroden 11e im Vergleich zu einem ansonsten baugleichen Leitfähigkeitssenor B mit planaren planparallel zueinander angeordneten Elektroden, von einem Abstand d zu einer unterhalb des jeweiligen Sensors befindlichen leitfähigen Wand.
Zum Vergleich sind in dem Diagramm zusätzlich Prinzipskizzen der beiden Leitfhähigkeitssensoren A und B dargestellt, in denen die sich zwischen den Elektrodenpaaren jeweils ausbildenden Feldlinienverläufe eingezeichnet sind. Hieraus ist ersichtlich, dass bereits eine verhältnismäßig geringe Neigung der Elektroden 11e in von der Öffnung 5c abgewandter Richtung in den Innenraum 3 hinein dazu führt, dass die Feldlinien auf einen sehr engen Ausbreitungsbereich beschränkt bleiben, während bei parallel Ausrichtung der Elektroden deutlich weiter aus dem Innenraum 3 heraus ragen.
Das spiegelt sich entsprechend im Vergleich der normierten Zellkonstanten Z der beiden Leitfähigkeitssensoren A und B wieder. Die Zellkonstante Z des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors A steigt zu kleineren Abständen d hin deutlich langsamer an, als die des Leitfähigkeitssensors B. Während beide bei einem Abstand d von 2 cm und darüber die gleiche normierte Zellkonstante von Z = 1 aufweisen, beträgt die Zellkonstante Z des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors A bei einem Abstand von d = 7 mm nur 1,2 während die des Leitfähigkeitssensors B bereits auf einen Wert von fast 1,4 angestiegen ist.
Diese vergleichsweise hohe Unempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensor A lässt sich noch weiter verbessern, indem beispielsweise die oben beschriebenen konkaven Elektroden eingesetzt werden, oder indem an der der vorderen Öffnung 5a und der hinteren Öffnung 5b zugewandten Seite der Elektrode 11e jeweils eine an die planare Grundfläche anschließende in von der jeweils nächst benachbarten Öffnung 5a, 5b abgewandter Richtung in den Innenraum 3 geneigte Randfläche 17 vorgesehen wird.
Die Erfindung ist völlig analog auch in konduktiven Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren einsetzbar, die – genau wie die beschriebenen Zweielektroden-Leitfähigkeitssonden – eine in ein Messmedium eintauchbare Sonde 1 mit einem über mindestens eine Öffnung 5 mit einer Umgebung der Sonde 1 verbundenen Innenraum 3 und zwei als Stromelektroden dienende Elektroden 11 mit in den Innenraum 3 gerichteten Innenflächen und nach außen weisenden von einem Isolator überdeckten Außenflächen aufweisen. Auch hier ist über die Elektroden 11 im Messbetrieb durch anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 11 ein Wechselstrom in ein im Innenraum 3 befindliches Medium einspeisbar. Der grundsätzliche Aufbau der Sonden 1 von Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren und der Stromelektroden entspricht insoweit dem der oben beschriebenen Zweielektroden-Leitfähigkeitssonden ist daher hier nicht erneut im Detail erläutert.
Zusätzlich zu den Stromelektroden weisen Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren zwei weitere nachfolgend als Spannungselektroden 27 bezeichnete Elektroden auf, über die eine im Messbetrieb aufgrund des in das Medium eingespeisten Wechselstroms daran anliegende Potentialdifferenz ΔU abgegriffen wird. Da der grundsätzliche Aufbau der Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren mit dem der beschriebenen Zweielektroden-Leitfähigkeitssensoren übereinstimmt, sind hierzu in den Figuren keine getrennten Ausführungsbeispiele dargestellt. Stattdessen sind in den 5 bis 8 jeweils zwei zusätzliche Spannungselektroden 27 eingezeichnet, die natürlich in den entsprechenden Zweielektroden-Leitfähigkeitssensoren entfallen.
Entsprechend dem Vierelektroden-Messprinzip ist hier eine Messelektronik 13 vorzusehen, die an die Elektroden 11 und die Spannungselektroden 27 angeschlossen ist. Diese bestimmt die sich aus dem eingespeisten Wechselstrom und der vorzugsweise stromlos von der Messelektronik 13 gemessenen Potentialdifferenz ΔU ergebende Impedanz der Leitfähigkeitsmesszelle, und ermittelt aus der Potentialdifferenz ΔU anhand einer durch die Geometrie und die Beschaffenheit der Messzelle gegebenen vorab bestimmten Zellkonstanten Z einen spezifischen Widerstand bzw. einen spezifischen Leitwert des in der Messzelle befindlichen Mediums.
Erfindungsgemäß weisen auch hier mindestens die zu einer der Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarten Randflächen der Innenflächen der beiden im Messbetrieb mit Wechselspannung beaufschlagten Elektroden 11 eine Oberflächengeometrie auf, die darauf beginnende bzw. endende elektrische Feldlinien in einer von dieser Öffnung 5a, 5b bzw. 5c abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums 3 ausrichtet. Auch hier werden vorzugsweise alle zu einer der Öffnungen 5a, 5b, 5c benachbarten Randflächen auf diese erfindungsgemäße Weise ausgebildet. Diesbezüglich gelten die obigen Ausführungen zu den Elektroden 11 der Zweielektroden-Leitfähigkeitssensoren entsprechend.
Für erfindungsgemäße Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren werden vorzugsweise die oben beschriebenen, und in den 5 bis 8 dargestellten Varianten eingesetzt, bei denen die mit Wechselspannung beaufschlagten Elektroden 11c, 11d, 11e, 11f einander gegenüberliegend und gegeneinander geneigt angeordnet sind, so dass die Flächennormalen auf die Innenflächen der Elektroden 11c, 11d, 11e, 11f in Richtung der den Innraum 3 nach außen abschließenden elektrisch isolierenden Sondenwand 21 bzw. 23 weisen.
Bei diesen Varianten werden die beiden Spannungselektroden 27 vorzugsweise, wie in den 5 bis 8 zusätzlich dargestellt, im Inneren der Messzelle auf der den Innenraum 3 abschließenden Sondenwand 21 bzw. 23 angeordnet. Damit besteht zum einen aufgrund der Feldlinien ins Messzelleninnere ausrichtenden Oberflächengeometrie der erfindungsgemäßen mit Wechselstrom beaufschlagten Elektroden 11c, 11d, 11e, 11f eine große Unempfindlichkeit der Messung gegenüber in der Nähe der Sonde 1 befindlichen Objekten, und zum anderen aufgrund der durch die Neigung der Elektroden 11c, 11d, 11e, 11f bewirkten Ausrichtung der Feldlinien auf die Sondenwand 21, 23 und damit auf die dort nebeneinander angeordneten Spannungselektroden 27 ein großer Messeffekt.
Bezugszeichenliste

1: Sonde
3: Innenraum
5: Öffnung
7: Sondenkörper
9: Innenwände
11: Elektroden
13: Messelektronik
15: Grundfläche
17: Randfläche
19: Innenwand
21: obere Sondenwand
23: hintere Sondenwand
25: Innenwand
27: Spannungselektroden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008054659 A1 [0007]

Claims

Konduktiver Leitfähigkeitssensor mit – einer in ein Messmedium eintauchbaren Sonde (1), – die einen Innenraum (3) aufweist, – der über mindestens eine aus dem Innenraum (3) heraus führende Öffnung (5, 5a, 5b, 5c) mit einer Umgebung der Sonde (1) verbunden ist, – in dem zwei im Messbetrieb mit einer Wechselspannung beaufschlagte Elektroden (11, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e) mit in den Innenraum (3) gerichteten Innenflächen und nach außen weisenden von einem Isolator überdeckten Außenflächen angeordnet sind, und – deren Innenflächen zu den Öffnungen (5a, 5b, 5c) benachbarte Randflächen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die zu einer der Öffnungen (5a, 5b oder 5c) benachbarten Randflächen eine darauf beginnende oder endende elektrische Feldlinien in einer von dieser Öffnung (5a, 5b bzw. 5c) abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums (3) ausrichtende Oberflächengeometrie aufweisen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle zu einer der Öffnungen (5a, 5b, 5c) benachbarten Randflächen der Innenflächen der Elektroden (11a, 11b, 11c, 11d) eine darauf beginnende oder endende elektrische Feldlinien in einer von der jeweiligen Öffnung (5a, 5b, 5c) abgewandten Richtung ins Innere des Innenraums (3) ausrichtende Oberflächengeometrie aufweisen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Flächennormalen auf die diese Oberflächengeometrie aufweisenden Randflächen in einer von der jeweiligen Öffnung (5a, 5b, 5c) abgewandten Richtung in den Innenraum (3) hinein weisen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Elektroden (11a, 11b, 11c, 11d) eine elektrische Feldlinien ins Innere des Innenraums (3) fokussierende Oberflächengeometrie aufweisen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen der Elektroden (11b, 11c, 11d) konkav sind.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11a) eine planare Grundfläche (15) aufweisen, an die an mindestens einer zu einer der Öffnungen (5a, 5b, 5c) benachbarten Seite eine in von der Öffnung (5a, 5b, 5c) abgewandter Richtung in den Innenraum (3) hinein geneigte Randfläche (17a, 17b, 17c) anschließt.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11c, 11d, 11e, 11f) einander gegenüberliegend und gegeneinander geneigt angeordnet sind, wobei beide Elektroden (11c, 11d, 11e, 11f) jeweils insgesamt eine in eine von ein und derselben Öffnung (5a, 5b oder 5c) abgewandte Richtung in den Innenraum (3) hinein weisende Ausrichtung aufweisen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (11c, 11d, 11e, 11f) jeweils in Richtung einer den Innenraum (3) nach außen abschließenden elektrisch isolierenden Sondenwand (21, 23) geneigt sind.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Elektroden (11c, 11d, 11e, 11f) Stromelektroden sind, über die im Messbetrieb durch anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden (11c, 11d, 11e, 11f) ein Wechselstrom in ein im Innenraum (3) befindliches Medium einspeisbar ist, und – im Innenraum (3) zwei Spannungselektroden (27) vorgesehen sind, über die eine im Messbetrieb aufgrund des in das Medium eingespeisten Wechselstroms daran anliegende Potentialdifferenz (ΔU) abgreifbar ist.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungselektroden (27) auf der Sondenwand (21, 23) angeordnet sind.