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Die Erfindung betrifft einen Gradiometer zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit eines in einem Behältnis enthaltenen Mediums.
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In der Prozessmesstechnik bzw. in der industriellen Messtechnik werden zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit häufig Leitfähigkeitssensoren verwendet, die nach einem induktiven oder einem konduktiven Messprinzip arbeiten.
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Aus der
EP 990 894 B1 ist beispielsweise ein konduktiver Leitfähigkeitssensor bekannt, der mindestens zwei Elektroden umfasst, die zur Messung in ein Medium eingetaucht werden. Zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums wird der Widerstand oder Leitwert der Elektrodenmessstrecke im Medium bestimmt. Bei bekannter Zellkonstante lässt sich daraus die Leitfähigkeit des Mediums ermitteln. Zur Messung der Leitfähigkeit einer Messflüssigkeit mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ist es zwingend erforderlich, mindestens zwei Elektroden in Kontakt mit der Messflüssigkeit zu bringen.
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Beim induktiven Prinzip der Leitfähigkeitsbestimmung von Prozessmedien werden Sensoren eingesetzt, die eine Sendespule sowie eine beabstandet von der Sendespule angeordnete Empfangsspule aufweisen. Durch die Sendespule wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, das auf die geladenen Teilchen, z. B. Ionen, in dem flüssigen Medium einwirkt und einen entsprechenden Stromfluss im Medium hervorruft. Durch diesen Stromfluss entsteht auch an der Empfangsspule ein elektromagnetisches Feld, das in der Empfangsspule ein Empfangssignal (Induktionsspannung) nach dem Faradayschen Induktionsgesetz induziert. Dieses Empfangssignal kann ausgewertet und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des flüssigen Mediums herangezogen werden.
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Typischerweise sind induktive Leitfähigkeitssensoren wie folgt aufgebaut: Die Sende- und Empfangsspule sind in der Regel als Ringspulen ausgestaltet und umfassen eine durchgehende, von dem Medium beaufschlagbare Öffnung, so dass beide Spulen von Medium umströmt werden. Bei Erregung der Sendespule bildet sich ein innerhalb des Mediums verlaufender geschlossener Strompfad, der sowohl Sende- als auch Empfangsspule durchsetzt. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der Empfangsspule in Antwort auf das Signal der Sendespule kann dann die Leitfähigkeit der Messflüssigkeit ermittelt werden. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert, beispielsweise in der
DE 198 51 146 A1 .
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Gradiometrie mit Hilfe eines Gradiometers ist die gleichzeitige Messung eines Gradienten mit zwei Sensoren, die in einem festen Abstand relativ zueinander angeordnet sind. Häufig werden Gradiometer zur Messung von Magnetfeldern verwendet. Dabei sind die Sensoren im Allgemeinen als Magnetometer, im einfachsten Falle als Spulen, ausgestaltet. Dabei werden die Messwerte meist voneinander subtrahiert, um Magnetfeldunterschiede zwischen den beiden Sensoren zu detektieren. So können hochpräzise Messungen des Magnetfelds erstellt werden.
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Somit können Spulen in der Anordnung als Gradiometer als Leitfähigkeitssensoren verwendet werden.
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Problematisch bei Gradiometern ist, dass sie aufgrund der Feldkonfiguration auf sämtliche leitfähigen Objekte in ihrer näheren Umgebung ansprechen. Insbesondere wirken sich metallische Objekte, z. B. eine Behältniswand, störend auf die Messung aus, da in ihnen Wirbelströme generiert werden, welche ein Störsignal bewirken, welches das eigentliche Messsignal überlagert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gradiometer zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit vorzuschlagen, das auch bei metallischen Behältnissen verwendbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gradiometer, umfassend
- – zumindest eine erste, zweite und dritte elektrische Spule,
wobei die erste Spule als Sendespule ausgestaltet ist,
wobei die zweite und dritte Spule als Empfangsspulen ausgestaltet sind,
- – eine Haltevorrichtung,
wobei die erste, zweite und dritte Spule auf die Haltevorrichtung gewickelt sind,
wobei die Haltevorrichtung durch eine Behältnisöffnung in einer Behältniswand so angeordnet ist, dass die erste Spule mittig zur Behältniswand positioniert ist,
wobei die zweite und dritte Spule spiegelsymmetrisch zur ersten Spule angeordnet sind und mit der ersten Spule induktiv gekoppelt sind.
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Durch die mittige Positionierung der ersten Spule zur Behältniswand und die spiegelsymmetrische Anordnung der zweiten und dritten Spule zur ersten Spule ergibt sich die vorteilhafte Anordnung als Gradiometer, was für sensible Messungen der Leitfähigkeit von Vorteil ist.
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Wird Strom, insbesondere Wechselstrom, durch die erste Spule geschickt, entsteht ein Magnetfeld. Nach dem Faradayschen Induktionsgesetz wird dadurch in der zweiten und dritten Spule eine Spannung induziert, die in der zweiten und dritten Spule bei idealer spiegelsymmetrischer Anordnung gleich groß ist. Die elektromagnetischen Wellen koppeln sowohl über die Haltevorrichtung, als auch über das Medium im Behältnis und das Medium außerhalb des Behältnisses. Durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der beiden Medien wird in der im Behältnis angeordneten Spule eine andere Spannung induziert als in der außerhalb des Behältnisses angeordneten Spule. Typischerweise wird in der innerhalb des Behältnisses angeordneten Spule eine größere Spannung induziert, da im sich im Behältnis befindenden Medium durch das Magnetfeld der ersten Spule Wirbelströme induziert werden. Die Wirbelströme sind von einem eigenen Magnetfeld umgeben. Durch Bestimmung der Differenzspannung zwischen zweiter und dritter Spule kann so kann auf die elektrische Leitfähigkeit des Mediums im Behältnis geschlossen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die zweite und dritte Spule gegenläufig gewickelt. Da für die Bestimmung des Leitwerts der Unterschied der induzierten Spannungen in zweiter und dritter Spule entscheidend ist und durch die gegenläufige Wicklung von zweiter und dritter Spule vorzeichenverschiedene Spannungen induziert werden, müssen die beiden Spannungen nur addiert werden um die Differenzspannung zu erhalten. Dies ist schaltungstechnisch relativ einfach zu bewerkstelligen und somit als vorteilhaft anzusehen. Weiterhin wird so das in zweiter und dritter Spule gleich große Signal der ersten Spule unterdrückt, so dass nur die Differenzspannung gemessen wird. Dies ist ebenfalls schaltungstechnisch vorteilhaft, da typischerweise das Signal der ersten Spule sehr viel größer ist als das Differenzsignal.
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In einer bevorzugten Ausführung sind die zweite und dritte Spule elektrisch miteinander verschaltet. Dabei ist sowohl eine parallele als auch serielle Schaltung denkbar. Zweite und dritte Spulen bilden elektrisch gesehen nun zwar einen einzigen Schaltkreis, physikalisch bestehen sie jedoch weiterhin aus zwei getrennten Wicklungsabschnitten. Die Ermittlung der Differenzspannung wird durch diese Ausführung erleichtert und der anschließende Schaltungsaufwand minimiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Schutzschicht oder eine Schutzeinrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass die erste, zweite und dritte Spule von dem zu untersuchenden Medium geschützt sind. Da das Medium häufig chemisch und/oder biologisch aggressiv ist, müssen die Spulen davor geschützt werden, um einen dauerhaften Betrieb des Gradiometers zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Haltevorrichtung in einem elektrisch nicht leitenden Bereich der Behältniswand angeordnet. So kann der Gradiometer beispielsweise mittels eines Flanschs in das Behältnis eingebaut sein und der nicht leitende Teil des Flanschs ist dessen Dichtung. Durch das Anbringen des Gradiometers in einem nicht leitenden Teil werden unerwünschte Wirbelströme in der Behältniswand vermieden, welche ein Störsignal liefern würden. Im nicht leitenden Teil werden keine Wirbelströme generiert, und die Messung wird dadurch präziser und reproduzierbarer. Insbesondere eignet sich der erfindungsgemäße Gradiometer dadurch für metallische Behältnisse.
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In einer günstigen Ausgestaltung ist die Haltevorrichtung mit ihrer Hauptachse senkrecht zur Behältniswand angeordnet. So kann ideal gewährleistet werden, dass zweite und dritte Spule den gleichen Abstand (in Betrag und Winkel) von der ersten Spule haben und ideale Messbedingungen vorliegen.
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In einer nutzbringenden Ausführungsform besteht die Haltevorrichtung aus einem Material mit einer Permeabilitätszahl größer 1. In dieser Ausführungsform werden die magnetischen Feldlinien ideal in der Haltevorrichtung geleitet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Abgleicheinrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass die in der zweiten und dritten Spule induzierten Spannungen bei gleichem Medium inner- und außerhalb des Behältnisses zumindest betragsmäßig gleich sind. Kommt es beispielsweise baubedingt zu dem Fall, dass die erste Spule nicht exakt mittig zur zweiten und dritten Spule positioniert ist, werden auch bei gleichen Medien inner- und außerhalb des Behältnisses unterschiedliche Spannungen in zweiter und dritter Spule induziert. Folglich kann auch eine korrekte Bestimmung des Leitwerts eines zu messenden Mediums nicht erreicht werden. Durch das Anbringen einer Abgleicheinrichtung kann diesem Umstand Sorge getragen werden und eine Differenzspannung von 0 V im beschriebenen Zustand erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei als Abgleicheinrichtung auf der dem Medium im Behältnis abgewandten Seite der Haltevorrichtung eine Öffnung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass darin ein Kern mit einer Permeabilitätszahl größer 1 aufgenommen wird, wobei die Eintauchtiefe des Kerns in die Öffnung den Kopplungsfaktor zwischen erster und zweiter und/oder erster und dritter Spule verändert.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Abgleicheinrichtung als zumindest eine übergeordnete Einheit ausgestaltet. Teil der übergeordneten Einheit kann beispielsweise ein Mikrocontroller sein, der den Abgleich vornimmt.
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Darüber hinaus ist die übergeordnete Einheit so ausgestaltet, dass sie elektrischen Strom, insbesondere Wechselstrom, durch die erste Spule generiert, steuert und/oder regelt, und/oder die in der zweiten und dritten Spule induzierten elektrischen Spannungen ermittelt und/oder weiterverarbeitet. Dies kann auch auf einem einzelnen Chip geschehen.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigt
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1 einen Querschnitt durch ein Behältnis mit Gradiometer,
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2 einen Querschnitt durch ein Behältnis mit Gradiometer mit einem alternativen Schutz für die Spulen, und
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3 einen Querschnitt durch ein Behältnis mit Gradiometer in einer zweiten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt einen Querschnitt durch ein Behältnis 8 mit einem flüssigen, zu messenden Medium 2. Außerhalb des Behältnisses 8 befindet sich Medium 14, typischerweise Luft. Der Gradiometer in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 13. Das Behältnis 8 wird gebildet durch eine Behältniswand 1, die im Allgemeinen aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, oder Metalllegierung, beispielsweise Stahl, besteht. Auch sind Ausführungsformen mit nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise widerstandfähigen Kunstoffen wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfon (PPSU) vorstellbar.
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Der Gradiometer 13 ist in einer Behältnisöffnung 9 in der Behältniswand 1 angeordnet. Der Gradiometer 13 wird beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben oder Verriegeln mit dem Behältnis 8 verbunden. Auch sind Ausführungsformen realisierbar bei denen der Gradiometer 13 durch einen Rohrstutzen mit einer Flanschanordnung mit dem Behältnis 8 verbunden ist. Der Gradiometer 13 kann auch Teil einer Armatur sein.
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Der Gradiometer 13 ist in einem elektrisch nicht leitenden Bereich 3 der Behältniswand 1 angeordnet. Der elektrisch nicht leitende Bereich 3 kann beispielsweise Teil eines Prozessanschlusses oder Flansches sein und aus PEEK gefertigt sein. Auch kann der elektrisch nicht leitende Bereich 3 ein Dichtring sein und aus FKM oder EPDM gefertigt sein.
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Der Gradiometer 13 besteht aus einer Haltevorrichtung 4, die aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise einen Kunststoff wie PEEK oder PPSU, hergestellt wird. Es sind auch Ausführungsformen mit metallischen Werkstoffen, z. B. aus einem Ferrit, realisierbar. Die Haltevorrichtung 4 kann insbesondere aus einem Material gefertigt sein, das eine Permeabilitätszahl größer 1 besitzt.
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Die Haltevorrichtung 4 hat typischerweise eine kreiszylindrische Form, andere Ausgestaltungen sind aber möglich. Üblicherweise ist der Durchmesser der Haltevorrichtung 4 über ihre komplette Länge gleich. Die Haltevorrichtung 4 kann auch als Stift, Zapfen, Bolzen, Dorn, Steg etc. ausgestaltet sein.
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Auf die Haltevorrichtung 4 sind drei Spulen gewickelt. Dabei wird spiegelsymmetrisch zu einer ersten Spule 5 eine zweite und dritte Spule 6, 7 angeordnet, d. h. der Gradiometer ist ein sog. Gradiometer 2. Ordnung. Die Spulen bestehen aus einem Stromleiter, z. B. einem Draht, Lackdraht oder Litze. Typischerweise wird Kupferlackdraht verwendet. Die Spulen 5, 6, 7 haben mindestens eine Windung. Die zweite und dritte Spule 6, 7 haben meist gleiche Eigenschaften hinsichtlich Wicklungszahl, Wicklungsabstand und Anzahl der Wicklungslagen. Darüber hinaus sind zweite und dritte Spule 6, 7 gegensinnig gewickelt und sind miteinander seriell verschaltet, wobei auch eine parallele oder keine Verbindung möglich ist.
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Die Spulen 5, 6, 7 sind nicht mediumsberührend. So können die Spulen 5, 6, 7 beispielsweise in die Haltevorrichtung 4 eingebettet sein oder durch eine Schutzschicht 16 vom Medium 2 geschützt sein. Die Schutzschicht kann ein widerstandsfähiger Lack, Harz etc. sein.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der der Schutz für die Spulen 5, 6, 7 aus einer Schutzeinrichtung 17 besteht. Die Schutzeinrichtung 17 kann z. B. als einseitig offener Schutzzylinder oder -rohr ausgestaltet sein. Das Material der Schutzeinrichtung 17 muss dabei widerstandfähig gegenüber dem Medium 2 sein und ist beispielsweise PEEK oder PPSU. Idealerweise ist das Material nicht leitend.
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Die erste Spule 5 ist so angeordnet, dass sie mittig in der Behältniswand 1 positioniert ist. Typischerweise wird die Haltevorrichtung 4 senkrecht zur Behältniswand 1 eingebaut, andere Einbauwinkel sind jedoch auch vorstellbar. Durch die Spiegelsymmetrie der zweiten und dritten Spule 6, 7 zur ersten Spule 5 befinden sich die zweite und dritte Spule 6, 7 gleich beabstandet zur ersten Spule 5 inner- (zweite Spule 6) bzw. außerhalb (dritte Spule 7) des Behältnisses 8.
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Die Spulen 5, 6, 7 sind mit einer übergeordneten Einheit 10 verbunden. Die übergeordnete Einheit 10 generiert, steuert und/oder regelt einen Strom, insbesondere einen Wechselstrom, der durch die erste Spule 5 geschickt wird. Dadurch entsteht in der ersten Spule 5 ein Magnetfeld. Die übergeordnete Einheit 10 ist dabei beispielsweise eine Schaltung zum Generieren und Messen von Strom sowie einem angeschlossenen Mikrocontroller. Die einzelnen Komponenten der übergeordneten Einheit wie z. B. Mikrocontroller, Stromgenerator und -messer können aus nur einem Bauteil bestehen.
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Die elektromagnetischen Wellen koppeln nun sowohl über die Haltevorrichtung 4, als auch über die Medien 2, 14 inner- und außerhalb des Behältnisses 8. Nach dem faradayschen Induktionsgesetz wird dann in der zweiten und dritten Spule 6, 7 eine Spannung induziert und ein Strom fließt in den Spulen.
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Durch die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Medien 2, 14 inner- und außerhalb des Behältnisses 8 wird in der zweiten Spule 6 eine andere Spannung, respektive Strom, induziert als in der dritten Spule 7. Typischerweise wird in der dritten Spule 7, d. h. der Spule im Behältnis 8, mehr Spannung induziert.
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Die induzierten Spannungen in der zweiten und dritten Spule 6, 7 werden in der übergeordneten Einheit 10 weiterverarbeitet, eventuell voneinander subtrahiert. Durch Auswertung des Strom- oder Spannungssignals der zweiten und dritten Spule 6, 7 in Antwort auf das Signal der ersten Spule 5 kann dann die elektrische Leitfähigkeit des Mediums 2 ermittelt werden.
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Besitzen das Medium 2 und das sich außerhalb des Behältnisses 8 befindende Medium 14 gleiche elektrische Eigenschaften, ergibt sich bei Subtraktion der Spannungen ein Wert von 0 V, wenn zweite und dritte Spule 6, 7 gegenläufig gewickelt sind und gleiche Merkmale wie Durchmesser, Wicklungszahl, Wicklungsabstand und Anzahl der Wicklungslagen aufweisen.
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Die zweite und dritte Spule 6, 7 können auch elektrisch miteinander verschaltet sein. So ist eine serielle oder parallele Verschaltung möglich. Zweite und dritte Spule 6, 7 können aus einem einzigen Stück Stromleiter hergestellt sein. Die Spulen sind dann elektrotechnisch in Reihe geschaltet, bilden jedoch zwei physikalisch getrennte Wickelabschnitte. Auch können die zweite und dritte Spule 6, 7 gegenläufig gewickelt sein. Dadurch entfällt eine eventuelle Subtraktion, da vorzeichenmäßig unterschiedliche Spannungen induziert werden, und die Spannungen können mit wenig Schaltungsaufwand addiert werden.
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3 zeigt eine Ausgestaltung des Gradiometers 13. Wie oben erwähnt wird idealerweise die erste Spule 5 exakt mittig in die Behältniswand 1 positioniert. Bei gleichen Medien 2, 14 inner- und außerhalb des Behältnisses 8 und gleichen Merkmalen der zweiten und dritten Spule 6, 7 werden dann gleiche Spannungen in der zweiten und dritten Spule 6, 7 induziert. Ist die erste Spule 5 allerdings nicht exakt mittig in der Behältniswand 1 positioniert oder sind zweite und dritte Spule 6, 7 unterschiedlich weit von der ersten Spule 5 positioniert, ergeben sich unterschiedliche Induktionsspannungen und die Differenzspannung ist ungleich 0 V. Da dies aber Vorraussetzung für eine erfolgreiche Bestimmung des Leitwert eines zu messenden Mediums ist, muss ein Abgleich stattfinden.
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Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Kompensation in der übergeordneten Einheit 10 erfolgen.
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Wie in 3 gezeigt, kann darüber hinaus der Gradiometer 13 mit einer Abgleicheinrichtung 11 versehen werden. Dabei ist eine Haltevorrichtung 4' beispielsweise als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgestaltet und kann typischerweise die gleichen Eigenschaften wie die Haltevorrichtung 4 haben. Durch die dem Medium 2 abgewandte Öffnung 15 kann ein Kern 12 ins Innere der Haltevorrichtung 4' gebracht werden, wobei die Hauptachse A der Haltevorrichtung 4' mit der Hauptachse des Kerns 12 übereinstimmt. Der Kern 12 kann aus einem Material hergestellt sein, dessen Permeabilitätszahl größer 1 ist. Beispiele sind Ferrite. Je nach Eintauchtiefe des Kerns 12 in die Haltevorrichtung 4' verändert sich der Kopplungsfaktor zwischen erster und zweiter Spule 5, 6 bzw. erster und dritter Spule 5, 7. Somit kann der Gradiometer 13 so abgeglichen werden, dass trotz einer nicht idealen Positionierung der ersten Spule 5 in der Behältniswand 1 die induzierten Spannungen in der zweiten und dritten Spule 6, 7 bei gleichen Medien 2, 14 inner- und außerhalb des Behältnisses 8 zumindest betragsmäßig gleich sind und sich eine Differenzspannung von 0 V ergibt. Nach dem Abgleichen kann der Gradiometer im Produktiveinsatz zur Bestimmung eines Leitwertes eines Mediums 2 verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behältniswand
- 2
- Medium
- 3
- Elektrisch nicht leitender Bereich von 1
- 4
- Haltevorrichtung
- 4'
- Haltevorrichtung in einer Ausgestaltung
- 5
- Erste Spule
- 6
- Zweite Spule
- 7
- Dritte Spule
- 8
- Behältnis
- 9
- Behältnisöffnung
- 10
- Übergeordnete Einheit
- 11
- Abgleicheinrichtung
- 12
- Kern
- 13
- Gradiometer
- 14
- Medium außerhalb von 8
- 15
- Öffnung von 4'
- 16
- Schutzschicht
- 17
- Schutzeinrichtung
- A
- Hauptachse von 4 bzw. 4'
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 990894 B1 [0003]
- DE 19851146 A1 [0005]
