DE102014109366A1 - Inductive conductivity sensor for measuring the specific electrical conductivity of a medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Induktiver Leitfähigkeitssensor (1) zum Messen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums (6), mit einer mittels eines Eingangssignals gespeisten Sendespule (2), einer über das Medium mit der Sendespule (2) gekoppelten Empfangsspule (3), die ein Ausgangssignal liefert, das ein Maß für die Leitfähigkeit des Mediums (6) ist, und einem die Sendespule (2) und die Empfangsspule (3) umgebenden Gehäuse (7), welches mindestens einen zum Eintauchen in das Medium (6) bestimmten Gehäuseabschnitt aufweist, dessen Gehäusewandung die Sendespule (2) und die Empfangsspule (3) umgibt. Der Leitfähigkeitssensor (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt zumindest einen zum Kontakt mit dem Medium (6) bestimmten ersten elektrisch leitfähigen Kontakt (4) und einen zum Kontakt mit dem Medium (6) bestimmten zweiten elektrisch leitfähigen Kontakt (5) umfasst, wobei der Leitfähigkeitssensor (1) einen elektrisch leitfähigen Leiter (8) umfasst und der erste Kontakt (4) über den Leiter (8) mit dem zweiten Kontakt (5) verbunden ist, wobei der Leiter (8) und die elektrisch leitfähigen Kontakte (4, 5) so ausgestaltet sind, dass sie über eine Ionenleitung (9) des Mediums (6) einen geschlossenen Strompfad um die Sendespule (2) und die Empfangsspule (3) ausbilden. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren umfassend einen Leitfähigkeitssensor (1).The invention relates to an inductive conductivity sensor (1) for measuring the specific electrical conductivity of a medium (6), comprising a transmitting coil (2) fed by means of an input signal, a receiving coil (3) coupled to the transmitting coil (2) via the medium Output signal which is a measure of the conductivity of the medium (6), and a housing (7) surrounding the transmitting coil (2) and the receiving coil (3), which has at least one housing section intended for immersion in the medium (6). whose housing surrounds the transmitter coil (2) and the receiver coil (3). The conductivity sensor (1) is characterized in that the housing section comprises at least one first electrically conductive contact (4) intended for contact with the medium (6) and a second electrically conductive contact (5) intended for contact with the medium (6), wherein the conductivity sensor (1) comprises an electrically conductive conductor (8) and the first contact (4) is connected to the second contact (5) via the conductor (8), the conductor (8) and the electrically conductive contacts (4 , 5) are configured such that they form a closed current path about the transmitting coil (2) and the receiving coil (3) via an ionic line (9) of the medium (6). The invention further relates to a method comprising a conductivity sensor (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Messen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums sowie ein Verfahren zum Messen der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit mit einem solchen Leitfähigkeitssensor.The invention relates to an inductive conductivity sensor for measuring the specific electrical conductivity of a medium and to a method for measuring the specific electrical conductivity with such a conductivity sensor.
Induktive Leitfähigkeitssensoren dienen in einer Vielzahl von Anwendungen im Labor und der Prozessmesstechnik zur Erfassung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums. Sie kommen vorzugsweise dort zum Einsatz, wo große Messbereiche und hohe chemische oder thermische Belastungen auftreten. Dies ist beispielsweise in einer Vielzahl industrieller chemischer Prozesse der Fall, aber auch bei Heißdampfsterilisationsverfahren, die häufig aufgrund der hohen Hygieneanforderungen im Bereich der Lebensmitteltechnik eingesetzt werden.Inductive conductivity sensors are used in a variety of applications in the laboratory and process measurement technology to detect the specific electrical conductivity of a liquid medium. They are preferably used where large measuring ranges and high chemical or thermal loads occur. This is the case, for example, in a large number of industrial chemical processes, but also in superheated steam sterilization processes, which are frequently used because of the high hygienic requirements in the field of food technology.
Ein induktiver Leitfähigkeitssensor umfasst eine Sendespule und eine Empfangsspule, welche in der Regel als Ringspulen, auch als Toroidspulen bezeichnet, ausgestaltet sind. Ein derartiger Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule so weit in das Medium eingeführt werden, dass sich ein durch das Medium verlaufender, die Sende- und die Empfangsspule durchsetzender, geschlossener Strompfad ausbilden kann. Wenn die Sendespule mit einem Wechselspannungssignal als Eingangssignal angeregt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem die Spulen durchsetzenden, in sich geschlossenen Mediumspfad einen Strom induziert, dessen Stärke von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängt. Da dieser elektrische Wechselstrom im Medium wiederum ein ihn umgebendes veränderliches Magnetfeld hervorruft, wird ein Wechselstrom in der Empfangsspule als Ausgangssignal induziert. Dieser von der Empfangsspule als Ausgangssignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende Wechselspannung ist ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit des Mediums.An inductive conductivity sensor comprises a transmitting coil and a receiving coil, which are generally designed as toroidal coils, also called toroidal coils. Such a conductivity sensor functions in the manner of a double transformer, wherein the transmitting and the receiving coil are inserted so far into the medium, that a running through the medium, the transmitting and the receiving coil enforcing, closed current path can form. When the transmitting coil is excited with an AC signal as the input signal, it generates a magnetic field which, in the self-contained medium path passing through the coils, induces a current whose magnitude depends on the electrical conductivity of the medium. Since this alternating electrical current in the medium in turn causes a variable magnetic field surrounding it, an alternating current is induced in the receiving coil as an output signal. This supplied by the receiving coil as an output AC or a corresponding AC voltage is a measure of the electrical conductivity of the medium.
Zum Speisen der Sendespule mit einer Wechselspannung umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der Sendespule verbundene Treiberschaltung. Zur Erfassung des Ausgangssignals der Empfangsspule umfasst der Leitfähigkeitssensor darüber hinaus eine mit der Empfangsspule elektrisch verbundene Empfangsschaltung, die dazu ausgestaltet ist, das erfasste und gegebenenfalls von der Empfangsschaltung aufbereitete Messsignal an eine Sensorelektronik auszugeben, die dazu dient, das Messsignal weiter zu verarbeiten und gegebenenfalls zu digitalisieren. Häufig sind Leitfähigkeitssensoren als mindestens abschnittsweise in das Medium eintauchbare Messsonden ausgestaltet. Eine solche Messsonde weist ein Gehäuse auf, in dem die Sende- und Empfangsspule, gegebenenfalls die Treiberschaltung und die Empfangsschaltung sowie weitere, mit der Sende- und Empfangsschaltung in einer Sensorschaltung zusammengefasste Schaltungsteile untergebracht sind. Die Messsonde ist in einer derartigen Ausgestaltung mit einer abgesetzten übergeordneten Einheit, beispielsweise einer Anzeigeeinheit, einem Messumformer, einem Computer oder einem Leitsystem, verbunden. Die übergeordnete Einheit kann sowohl zur Energieversorgung der Messsonde als auch zur Datenkommunikation mit der Messsonde ausgestaltet sein. Die optional in der Messsonde enthaltene Sensorschaltung kann dazu ausgestaltet sein, das weiterverarbeitete, gegebenenfalls digitalisierte Messsignal an die übergeordnete Einheit weiterzugeben. Der entsprechende Messwert kann über die übergeordnete Einheit mittels einer Anzeigeeinrichtung angezeigt oder über eine Datenschnittstelle ausgegeben werden.For feeding the transmitting coil with an alternating voltage, an inductive conductivity sensor comprises a driver circuit connected to the transmitting coil. For detecting the output signal of the receiving coil, the conductivity sensor further comprises a receiving circuit electrically connected to the receiving circuit, which is configured to output the detected and optionally processed by the receiving circuit measurement signal to a sensor electronics, which serves to further process the measurement signal and optionally to digitize. Conductivity sensors are often designed as measuring probes which can be submerged in the medium at least in sections. Such a measuring probe has a housing in which the transmitting and receiving coil, possibly the driver circuit and the receiving circuit and further, combined with the transmitting and receiving circuit in a sensor circuit circuit parts are housed. In such an embodiment, the measuring probe is connected to a remote superordinate unit, for example a display unit, a measuring transducer, a computer or a control system. The higher-level unit can be configured both for supplying energy to the measuring probe and for data communication with the measuring probe. The optionally included in the probe sensor circuit may be configured to pass the further processed, possibly digitized measurement signal to the parent unit. The corresponding measured value can be displayed via the higher-level unit by means of a display device or output via a data interface.
Induktive Leitfähigkeitssensoren weisen eine untere Nachweisgrenze im Bereich von etwa 10–200 µS/cm auf. Dadurch sind diese Sensoren nicht im Rein- und Reinstwasserbereich einsetzbar.Inductive conductivity sensors have a lower detection limit in the range of about 10-200 μS / cm. As a result, these sensors can not be used in pure and ultrapure water.
Die Ursache für die untere Messbereichsbegrenzung bei induktiven Leitfähigkeitssensoren liegt darin, dass der im Analyten induzierte Messstrom in kleinen Mediumsleitfähigkeiten sehr klein wird und die bestehende kapazitive Verkopplung der Sende- zur Empfangsspule ein Grundsignal erzeugt, welches dann größer oder gleich dem Messsignal ist. Mit anderen Worten wird das Signal/Rausch-Verhältnis schlechter.The reason for the lower measuring range limit for inductive conductivity sensors is that the measuring current induced in the analyte becomes very small in small medium conductivities and the existing capacitive coupling of the transmitting coil to the receiving coil generates a fundamental signal which is then greater than or equal to the measuring signal. In other words, the signal-to-noise ratio gets worse.
Neben den bereits induktiven Leitfähigkeitssensoren gibt es auch konduktive Leitfähigkeitssensoren. Dabei geschieht die Bestimmung der Leitfähigkeit im Medium mit einer Messanordnung, bei der sich wie bei einem Kondensator zwei Elektroden einander gegenüber befinden. Nach dem Ohmschen Gesetz wird der elektrische Widerstand bzw. dessen Kehrwert, der Leitwert, gemessen. Mit der durch die Sensorgeometrie bestimmten Zellkonstanten wird aus dem Leitwert die spezifische Leitfähigkeit ermittelt.In addition to the already inductive conductivity sensors, there are also conductive conductivity sensors. In this case, the determination of the conductivity in the medium with a measuring arrangement, in which, as in a capacitor, two electrodes are opposite each other. According to Ohm's law, the electrical resistance or its reciprocal value, the conductance, is measured. With the cell constant determined by the sensor geometry, the specific conductivity is determined from the conductance.
Im Bereich großer Leitfähigkeiten treten an konduktiven Leitfähigkeitssensoren Polarisationserscheinungen an den Elektroden, die den Analyten kontaktieren, auf. Prinzipbedingt gibt es diesen Effekt nicht bei induktiven Leitfähigkeitssensoren. Deshalb werden induktive Leitfähigkeitssensoren im Bereich hoher Leitfähigkeiten und konduktive Leitfähigkeitssensoren bei geringen Leitfähigkeiten eingesetzt. Heute werden Prozesse, in denen sowohl bei sehr hohen als auch sehr niedrigen Leitfähigkeiten gemessen werden muss, entweder mit zwei Leitfähigkeitssensoren, nämlich einem induktiven und einem konduktiven Leitfähigkeitssensor, ausgerüstet, oder mit konduktiven Vierpolsensoren. Letztere haben aber immer noch einen geringeren oberen Messbereich als ein induktiver Leitfähigkeitssensor.In the region of high conductivities, polarization phenomena occur at conductive conductivity sensors at the electrodes which contact the analyte. Due to the principle, this effect does not exist with inductive conductivity sensors. Therefore, inductive conductivity sensors in the range of high conductivities and conductive conductivity sensors are used at low conductivities. Today, processes in which both very high and very low conductivities have to be measured are equipped either with two conductivity sensors, namely an inductive and a conductive conductivity sensor. or with conductive quadrupole sensors. However, the latter still have a lower upper measuring range than an inductive conductivity sensor.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Leitfähigkeitssensor zu schaffen, der die Möglichkeit zur Messung in Reinst- und Reinwasser besitzt, und es sollen im Bereich hoher Leitfähigkeiten keine störenden Polarisationseffekte auftreten.The object of the invention is to provide a conductivity sensor, which has the ability to measure in pure and pure water, and it should be in the range of high conductivities no disturbing polarization effects.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Leitfähigkeitssensor mit einer mittels eines Eingangssignals gespeisten Sendespule, einer über das Medium mit der Sendespule gekoppelten Empfangsspule, die ein Ausgangssignal liefert, das ein Maß für die Leitfähigkeit des Mediums ist, und einem die Sendespule und die Empfangsspule umgebenden Gehäuse, welches mindestens einen zum Eintauchen in das Medium bestimmten Gehäuseabschnitt aufweist, dessen Gehäusewandung die Sendespule und die Empfangsspule umgibt. Der Leitfähigkeitssensor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt zumindest einen zum Kontakt mit dem Medium bestimmten ersten elektrisch leitfähigen Kontakt und einen zum Kontakt mit dem Medium bestimmten zweiten elektrisch leitfähigen Kontakt umfasst, wobei der Leitfähigkeitssensor einen elektrisch leitfähigen Leiter umfasst und der erste Kontakt über den Leiter mit dem zweiten Kontakt verbunden ist, wobei der Leiter und die elektrisch leitfähigen Kontakte so ausgestaltet sind, dass sie über eine Ionenleitung des Mediums einen geschlossenen Strompfad um die Sendespule und die Empfangsspule ausbilden.The object is achieved by a conductivity sensor having a transmission coil fed by means of an input signal, a reception coil coupled to the transmission coil via the medium, which delivers an output signal which is a measure of the conductivity of the medium, and a housing surrounding the transmission coil and the reception coil, which has at least one housing section intended for immersion in the medium, the housing wall of which surrounds the transmitter coil and the receiver coil. The conductivity sensor is characterized in that the housing section comprises at least one first electrically conductive contact intended for contact with the medium and a second electrically conductive contact intended for contact with the medium, wherein the conductivity sensor comprises an electrically conductive conductor and the first contact via the conductor is connected to the second contact, wherein the conductor and the electrically conductive contacts are configured so that they form a closed current path about the transmitting coil and the receiving coil via an ion line of the medium.
Es ist somit möglich auch bei geringen Leitfähigkeiten die Leitfähigkeit mittels eines induktiven Leitfähigkeitssensors zu bestimmen. Gleichzeit bleibt die Möglichkeit größere Leitfähigkeiten mit demselben Leitfähigkeitssensor zu ermitteln. Dies wird erreicht durch eine Verkürzung der Pfadlänge des induzierten Stromes im Medium, wodurch sich der Messstrom vergrößert und somit der Messbereich erweitert.It is thus possible to determine the conductivity by means of an inductive conductivity sensor even at low conductivities. At the same time, the possibility remains to determine larger conductivities with the same conductivity sensor. This is achieved by shortening the path length of the induced current in the medium, which increases the measuring current and thus extends the measuring range.
In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich beim ersten Kontakt und beim zweiten Kontakt um einen Metallkontakt, und der Leiter ist als metallischer Leiter ausgestaltet.In a preferred embodiment, the first contact and the second contact is a metal contact, and the conductor is designed as a metallic conductor.
In einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste Kontakt und der zweite Kontakt in Dünnschichttechnologie gefertigt. In einer Variante sind der erste Kontakt und der zweite Kontakt auf der Oberfläche des zum Eintauchen in das Medium bestimmten Gehäuseabschnitts angebracht. Die Kontakte können somit auch nachträglich angebracht werden.In an advantageous development of the first contact and the second contact are made in thin-film technology. In a variant, the first contact and the second contact are mounted on the surface of the housing section intended for immersion in the medium. The contacts can therefore also be retrofitted.
Um Eindringen von Wasser zu verhindern sind der erste Kontakt und der zweite Kontakt zum Innern des Gehäuses abgedichtet.To prevent ingress of water, the first contact and the second contact are sealed to the interior of the housing.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste Kontakt und der zweite Kontakt ins Innere des Gehäuses geführt, und der Leiter ist zumindest abschnittsweise im Gehäuse geführt.In an advantageous embodiment, the first contact and the second contact are guided into the interior of the housing, and the conductor is at least partially guided in the housing.
Alternativ sind der der erste Kontakt und der zweite Kontakt außerhalb des Gehäuses geführt, und der Leiter ist zumindest abschnittsweise außerhalb des Gehäuses geführt.Alternatively, the first contact and the second contact are guided outside the housing, and the conductor is at least partially out of the housing.
In eine bevorzugten Ausführungsform ist der Leiter so ausgestaltet, dass er jeweils mehrfach um die Sendespule oder die Empfangsspule oder die Sendespule und die Empfangsspule geführt, insbesondere gewickelt, ist. Somit kann der sich ergebende Messstrom um ein mehrfaches erhöht werden.In a preferred embodiment, the conductor is designed such that it is guided, in particular wound, several times around the transmitting coil or the receiving coil or the transmitting coil and the receiving coil. Thus, the resulting measuring current can be increased by a multiple.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Leiter zumindest einen Schalter, der den Strompfad öffnet und schließt. Der sich ergebende erweiterte Messbereich kann somit je nach Bedarf, d.h. je nach Leitfähigkeit, an- oder ausgeschaltet werden.In an advantageous embodiment, the conductor comprises at least one switch which opens and closes the current path. The resulting extended measurement range can thus be adjusted as needed, i. depending on conductivity, on or off.
Dabei schaltet der Schalter einzelne Führungen, insbesondere Windungen, des Leiter, je nach Leitfähigkeit zu. Bei einer geringen Leitfähigkeit werden also mehr Windungen zugeschaltet als bei einer erhöhten Leitfähigkeit.In this case, the switch switches individual guides, in particular turns, of the conductor, depending on the conductivity. With a low conductivity, more turns are switched on than with an increased conductivity.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Verfahren umfassend einen Leitfähigkeitssensor wie oben stehend beschrieben, umfassend die Schritte: Senden des Eingangssignals von der Sendespule in das Medium; Wandeln des Ausgangssignals der Empfangsspule in einen Wert für die Leitfähigkeit; und Zuschalten des Leiters zur Verringerung der effektiven Pfadlänge des induzierten Stromes im Medium, wenn der Wert der Leitfähigkeit einen bestimmten Wert unterschreitet.The object is further achieved by a method comprising a conductivity sensor as described above, comprising the steps of: transmitting the input signal from the transmitting coil into the medium; Converting the output signal of the receiving coil into a value for the conductivity; and connecting the conductor to reduce the effective path length of the induced current in the medium when the value of the conductivity falls below a certain value.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Show it
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, the same features are identified by the same reference numerals.
Der erfindungsgemäße Leitfähigkeitssensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen
Die genannten Figuren zeigen ein Sensormodul eines induktiven Leitfähigkeitssensors
Das Gehäuse
Der Leitfähigkeitssensor funktioniert nach Art eines Doppeltransformators, wobei die Sende- und die Empfangsspule
Die Größe des induzierten Messstroms hängt aber auch von der Pfadlänge durch das Medium ab. Durch eine Verkürzung der Pfadlänge
Die Kontakte
Die Kontakte
Im Bereich hoher Mediumsleitfähigkeiten ist diese Maßnahme nicht erforderlich und kann durch einen Schalter
In einer weiteren Ausführungsform, die in
In einer Ausgestaltung kann der Leiter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Induktiver Leitfähigkeitssensor Inductive conductivity sensor
- 22
- Sendespule transmitting coil
- 33
- Empfangsspule receiving coil
- 44
- Erster elektrisch leitfähiger Kontakt First electrically conductive contact
- 55
- Zweiter elektrisch leitfähiger Kontakt Second electrically conductive contact
- 66
- Medium medium
- 77
- Gehäuse casing
- 88th
- Leiter ladder
- 99
-
Ionenleitung im Medium
6 Ion conduction in themedium 6 - 1010
- Kanal channel
- 1111
- Schalter switch
- 1212
- Prozessdichtung process seal
Claims (11)
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