DE102012106384B4

DE102012106384B4 - Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fehlfunktion eines konduktiven Leitfähigkeitssensors

Info

Publication number: DE102012106384B4
Application number: DE102012106384.2A
Authority: DE
Inventors: Stephan Buschnakowski; Stefan Paul; Robert Tzschoppe
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: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-07-17
Also published as: US20140015540A1; DE102012106384A1; US9329226B2; CN103543422B; CN103543422A

Abstract

Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fehlfunktion eines konduktiven Leitfähigkeitssensors (20) mit zumindest zwei Elektroden (1, 2, 4, 5), wobei der Leitfähigkeitssensor (20) zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums eingesetzt wird, umfassend die Schritte
– Anlegen einer ersten elektrischen Größe an die Elektroden (1, 2, 4, 5),
– Messen zumindest einer zweiten elektrischen Größe an den Elektroden (1, 2, 4, 5) und
– Entscheiden ob eine Fehlfunktion vorliegt anhand der Messung der zweiten elektrischen Größe,
a) wobei sich die zweite elektrische Größe bei einer Messung des Mediums in einem ersten Bereich befindet, wenn keine Fehlfunktion vorliegt,
b) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem zweiten Bereich befindet, wenn eine erste Fehlfunktion vorliegt, insbesondere wenn sich der Leitfähigkeitssensor zumindest teilweise außerhalb des Mediums befindet, und
c) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem dritten Bereich befindet, wenn eine zweite Fehlfunktion vorliegt, insbesondere ein Elektrodenabriss oder ein Abriss einer Zuleitung (7, 8) zu den Elektroden (1, 2, 4, 5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fehlfunktion eines konduktiven Leitfähigkeitssensors mit zumindest zwei Elektroden.
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 angeschlossene 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.
In aktuellen Leitfähigkeitssensoren ist es nicht möglich, einen Elektrodenabriss zu erkennen. Dies gewährt dem Nutzer somit keine ausreichende Sicherheit bezüglich der Funktionsfähigkeit des Sensors. Es ist weiterhin nicht möglich zu unterscheiden, ob sich der Sensor in Luft befindet oder ob die Zuleitung zu den Elektroden von einer Auswerteelektronik getrennt ist.
WO002011042106A1 beschreibt ein Verfahren zur Erkennung einer Fehlfunktion eines Sensors zur in-vivo Messung einer Analytkonzentration, wobei mit dem Sensor eine Serie von Messsignalen erzeugt wird, und aus den Messsignalen fortlaufend ein Wert eines Rauschparameters bestimmt wird, der angibt, wie stark die Messung durch Störsignale beeinträchtigt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus fortlaufend ermittelnden Werten des Rauschparameters ermittelt wird, wie schnell sich der Rauschparameter ändert und die Änderungsgeschwindigkeit des Rauschparameters zur Erkennung einer Fehlfunktion ausgewertet wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Änderung des Zustands der Elektroden eines konduktiven Leitfähigkeitssensors zu erkennen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend die Schritte

– Anlegen einer ersten elektrischen Größe an die Elektroden,
– Messen zumindest einer zweiten elektrischen Größe an den Elektroden, und
– Entscheiden ob eine Fehlfunktion vorliegt anhand der Messung der zweiten elektrischen Größe,
a) wobei sich die zweite elektrische Größe bei einer Messung des Mediums in einem ersten Bereich befindet, wenn keine Fehlfunktion vorliegt,
b) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem zweiten Bereich befindet, wenn eine erste Fehlfunktion vorliegt, insbesondere wenn sich
c) der Leitfähigkeitssensor zumindest teilweise außerhalb des Mediums befindet, und
d) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem dritten Bereich befindet, wenn eine zweite Fehlfunktion vorliegt, insbesondere ein Elektrodenabriss oder ein Abriss einer Zuleitung zu den Elektroden.

Durch das Einteilen des Messbereichs der zweiten elektrischen Größe in drei Bereiche wird es möglich den Zustand der Elektroden des Sensors festzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dabei als zweite elektrische Größe der Strom verwendet wird, der durch die Elektroden fließt. Dadurch lässt sich eine verhältnismäßig einfache Auswerteschaltung verwenden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei der zweite Bereich in seinem Wert kleiner als der erste Bereich, und der dritte Bereich ist in seinem Wert kleiner als der zweite Bereich. Diese Abstufung macht die oben beschriebenen Analyse a) „Sensormessung in Ordnung”, b) „Sensor außerhalb des Mediums” und c) „Sensorelektroden nicht funktionsfähig” möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird als zweite elektrische Größe der Scheinwiderstand zwischen den Elektroden verwendet. Diese Messgröße ist mit relativ wenigen Bauteilen realisierbar.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird als zweite elektrische Größe die Kapazität zwischen den Elektroden verwendet. Diese Messgröße ist das direkteste Anzeichen eines möglichen unerwünschten Zustandes der Elektroden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung bilden die Elektroden mit einem elektrischen Schaltkreis einen Schwingkreis, und als zweite elektrische Größe wird die Frequenz verwendet. So können auch kleinste Abweichungen detektiert werden
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die erste elektrische Größe als Impuls, insbesondere als Rechteckimpuls, angelegt, und als zweite elektrische Größe wird das Abklingverhalten des Impulses verwendet.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Mikrocontroller, vorgesehen, und als zweite elektrische Größe wird eine der integrierten Schaltung zur Verfügung stehenden Methode verwendet. Mit einer integrierten Schaltung ist es möglich, alle in den oberen Abschnitten beschriebenen Methoden zum Erkennen einer Änderung des Zustands zumindest einer Elektrode durchzuführen.
Neben den genannten Möglichkeiten können die inhärenten Möglichkeiten eines Mikrocontrollers verwendet werden, etwa wenn mit einem integrierten Komparator und der Elektrode ein Oszillator realisiert wird, dessen Verhalten ausgewertet wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass mit der integrierten Taktquelle des Mikrocontrollers der Auf-/Entladezyklus des Elektrodenkondensators gezählt wird und so eine Abweichung als Zustandsänderung erkannt wird.
Bevorzugt wird als erste elektrische Größe eine elektrische Wechselgröße verwendet. Eine besonders einfach zu realisierende Größe ist dabei elektrische Wechselspannung.
Die Aufgabe wird weiterhing gelöst durch einen Leitfähigkeitssensor zur Durchführung des Verfahrens.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Leitfähigkeitssensor dabei zumindest vier Elektroden, die paarweise zu einem ersten Elektrodenpaar und einem zweiten Elektrodenpaar zusammengefasst sind, wobei eine Schaltung zum Umschalten der ersten elektrischen Größe zwischen erstem Elektrodenpaar und zweitem Elektrodenpaar vorgesehen ist. Somit können Strom- und Spannungselektroden getrennt voneinander auf ihren Zustand untersucht werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
1 ein Ersatzschaltbild eines Sensors mit zwei bzw. vier Elektroden,
2 eine schematische Darstellung der Kapazitäten der Elektroden mit und ohne Abriss, und
3 eine schematische Darstellung möglicher Schaltungen zum Umschalten zwischen erstem Elektrodenpaar und zweitem Elektrodenpaar.
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt einen Leitfähigkeitssensor 20 mit einer Anordnung der Elektroden in einer Konfiguration mit zwei Elektroden (1a)) und vier Elektroden (1b)). Dabei sind die Stromelektroden mit den Bezugszeichen 1 und 2 sowie die Spannungselektroden mit den Bezugszeichen 4 und 5 gekennzeichnet.
Zwischen den Elektroden bildet sich im dargestellten Ersatzschaltbild eine Kapazität 3 bzw. 6.
2 zeigt die Elektroden schematisch mit dessen Zuleitungen 7 und 8 zu einer Auswerteelektronik 9. Die Auswerteelektronik 9 kann etwa als Messumformer ausgestaltet sein. In 2a) sind die Zuleitungen in Ordnung, das Messsystem funktioniert wie gewünscht.
2b) zeigt das Messsystem mit einer abgerissener Zuleitung 8. Es bildet sich zwischen dem einen abgerissenen Ende und der Elektrode eine parasitäre Kapazität 10.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens soll nun diese Zustandsänderung erkannt werden. Zuerst wird eine erste elektrische Größe, insbesondere eine elektrische Wechselgröße, beispielsweise eine Wechselspannung, an die Elektroden 1 und 2 bzw. 4 und 5 angelegt. Dies kann auch durch die Auswerteelektronik 9, d. h. einen Messumformer geschehen. Es eignen sich aber auch andere Quellen.
Im nächsten Schritt wird eine zweite elektrische Größe gemessen. Dies kann beispielsweise der Strom sein, der durch die Elektroden fließt. Weitere Möglichkeiten sind aber auch der Scheinwiderstand oder die Kapazität selbst. Typischerweise wird aber der Strom gemessen, da dadurch der Schaltungsaufwand am geringsten ist.
Ist alles in Ordnung, d. h. sind die Elektroden intakt und befinden sich alle Elektroden 1, 2 (und gegebenenfalls auch 4, 5) im zum messenden Medium (vgl. 2a)), wird ein vergleichsweise großer Strom gemessen. Der Strom wird durch Ladungsträger im Medium geleitet.
Befindet sich der Leitfähigkeitssensor zumindest teilweise außerhalb des Mediums, d. h. in Luft, fließt der Strom nicht mehr komplett durch das Medium. Es wird ein für die Geometrie der Elektroden charakteristischer Strom, ähnlich einem Plattenkondensator, gemessen. Dieser Strom ist geringer als der Strom bei Messung im Medium.
Ist eine Elektrode oder eine Zuleitung abgerissen (vgl. 2b)), wird ein noch kleinerer Strom gemessen. Dieser Strom ist somit geringer als der Strom bei intakten Elektroden in Luft.
Durch Messung des Stromes kann somit festgestellt werden in welchem Zustand sich die Elektroden befinden und ob sowie welche Fehlfunktion vorliegt.
Als Beispiel und ohne Einschränkung soll hier das Beispiel „Reinwasser” genannt werden. Reinwasser hat eine elektrolytische Leitfähigkeit von etwa 1 μS/cm. Bei einer Zellkonstante, die im Wesentlichen von der Geometrie der Elektroden abhängt, von 0,01 cm^–1 ergibt sich somit ein messbarer Widerstand von 10 kΩ.
Bei gleichem Sensor, d. h. gleichbleibender Zellkonstante, ergibt sich: je hochohmiger das zu messende Medium, desto größer ist die Kapazität der Elektroden bzw. der Einfluss der Kapazität.
Bei einem Leitfähigkeitssensor mit vier Elektroden ist eine Schaltung zum Umschalten der ersten elektrischen Größe notwendig. 3 zeigt schematisch solche Schaltungen. 3a) ist der Schalter 11 zu den Stromelektroden 1, 2, in 3b) zu den Spannungselektroden 4, 5 gerichtet. Eine Stromquelle 12, beispielsweise auch im Messumformer, d. h. der Auswerteelektronik 9, integriert dient zum Einspeisen des Stromes. Der Strompfad ist jeweils mit Masse 13 verbunden. Die Figuren 3c), 3d) und 3e) zeigen Schaltungen bei denen die Elektroden 1, 2, bzw. 4, 5 nicht paarweise als Strom- bzw. Spannungselektroden ausgelesen werden. Stattdessen kann auch eine Spannungs- mit einer Stromelektrode verbunden werden. Das Auslesen kann nacheinander erfolgen. Auch kann ein Multiplexer in die Auswertelektronik 9 integriert sein.
Als Alternative zur Strommessung können die Elektroden zusammen mit optionalen induktiven Bauteilen (evtl. auch in der Auswerteelektronik 9 realisiert) einen Schwingkreis bilden. Liegt eine Fehlfunktion vor, d. h. ist eine Zuleitung gerissen, ist eine Elektrode selbst gerissen oder befindet sich zumindest eine Elektrode zumindest teilweise außerhalb des Mediums, verändert sich die Frequenz des Schwingkreises, was detektiert werden kann, etwa durch die Auswerteelektronik 9.
Weiterhin ist denkbar, dass ein Impuls in Form eines Rechtecksignals auf die Elektroden gegeben wird. Das Abklingverhalten des Pulses ist charakteristisch für den Zustand der Elektroden und dafür ob eine Fehlfunktion vorliegt.
In einer Ausgestaltung kann an die Elektroden 1, 2 bzw. 4, 5 eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Mikrocontroller angeschlossen werden.
Mit einer integrierten Schaltung ist es möglich, alle in den oberen Abschnitten beschriebenen Methoden zum Erkennen einer Änderung des Zustands zumindest einer Elektrode durchzuführen.
Darüber hinaus sind auch weitere Auswertemöglichkeiten realisierbar: Eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Mikrocontroller, verfügt in der Regel über mehrere Eingänge, zumindest einen integrierten Verstärker, Komparator, Taktquelle o. ä. Durch diese inhärenten Mittel ist es beispielsweise möglich, eine Änderung der ersten elektrischen Größe zu detektieren. So können etwa die Elektroden 1, 2 bzw. 3, 4 mit dem integrierten Komparator des Mikrocontrollers zusammengeschaltet werden um so einen Oszillator zu erzeugen. Eine Änderung des Zustands der Elektroden 1, 2 bzw. 3, 4 wird als Frequenzänderung erkannt. Als Alternative können die Elektroden 1, 2 bzw. 3, 4 mit der Taktquelle des Mikrocontrollers verschaltet werden. So können etwa die Auf- und Entladezeiten gemessen werden. Eine Änderung des Zustands der Elektroden 1, 2 bzw. 3, 4 wird als Änderung der Auf- und Entladezeiten erkannt.
Bezugszeichenliste

1: Elektrode
2: Elektrode
3: Kapazität zwischen 1 und 2
4: Elektrode
5: Elektrode
6: Kapazität zwischen 4 und 5
7: Zuleitung zu 1 und 2
8: Zuleitung zu 4 und 5
9: Auswerteelektronik
10: Parasitäre Kapazität
11: Schaltung zum Umschalten
12: Stromquelle
13: Masse
14: Kapazität zwischen 4 und 2
14: Kapazität zwischen 5 und 2
20: Leitfähigkeitssensor

Claims

Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Fehlfunktion eines konduktiven Leitfähigkeitssensors (20) mit zumindest zwei Elektroden (1, 2, 4, 5), wobei der Leitfähigkeitssensor (20) zur Messung der Leitfähigkeit eines Mediums eingesetzt wird, umfassend die Schritte – Anlegen einer ersten elektrischen Größe an die Elektroden (1, 2, 4, 5), – Messen zumindest einer zweiten elektrischen Größe an den Elektroden (1, 2, 4, 5) und – Entscheiden ob eine Fehlfunktion vorliegt anhand der Messung der zweiten elektrischen Größe, a) wobei sich die zweite elektrische Größe bei einer Messung des Mediums in einem ersten Bereich befindet, wenn keine Fehlfunktion vorliegt, b) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem zweiten Bereich befindet, wenn eine erste Fehlfunktion vorliegt, insbesondere wenn sich der Leitfähigkeitssensor zumindest teilweise außerhalb des Mediums befindet, und c) wobei sich die zweite elektrische Größe in einem dritten Bereich befindet, wenn eine zweite Fehlfunktion vorliegt, insbesondere ein Elektrodenabriss oder ein Abriss einer Zuleitung (7, 8) zu den Elektroden (1, 2, 4, 5).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als zweite elektrische Größe der Strom verwendet wird, der durch die Elektroden fließt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zweite Bereich in seinem Wert kleiner ist als der erste Bereich, und wobei der dritte Bereich in seinem Wert kleiner ist als der zweite Bereich.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als zweite elektrische Größe der Scheinwiderstand zwischen den Elektroden verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als zweite elektrische Größe die Kapazität (3, 6, 10) zwischen den Elektroden verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Elektroden mit einem elektrischen Schaltkreis einen Schwingkreis bilden und wobei als zweite elektrische Größe Frequenz verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste elektrische Größe als Impuls, insbesondere ein Rechteckimpuls, angelegt wird, und wobei als zweite elektrische Größe das Abklingverhalten des Impulses verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine integrierte Schaltung, insbesondere ein Mikrocontroller, vorgesehen ist und als zweite elektrische Größe eine der integrierten Schaltung zur Verfügung stehenden Methode verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als erste elektrische Größe eine elektrische Wechselgröße verwendet wird.
Leitfähigkeitssensor (20) zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
Leitfähigkeitssensor (20) nach Anspruch 10, wobei der Leitfähigkeitssensor zumindest vier Elektroden (1, 2, 4, 5) umfasst, die paarweise zu einem ersten Elektrodenpaar (1, 2) und einem zweiten Elektrodenpaar (4, 5) zusammengefasst sind, wobei eine Schaltung zum Umschalten der ersten elektrischen Größe zwischen erstem Elektrodenpaar (1, 2) und zweitem Elektrodenpaar (4, 5) vorgesehen ist.