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Die Erfindung betrifft ein Gradiometer zur Bestimmung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums.
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Gradiometrie mit Hilfe eines Gradiometers ist die gleichzeitige Messung eines Gradienten mit zwei Sensoren, die in einem bestimmten 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. Damit können Spulen in der Anordnung als Gradiometer grundsätzlich als Leitfähigkeitssensoren verwendet werden.
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Im Allgemeinen werden in der Prozessautomatisierung 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 geladene 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. 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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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere soll eine universelleres Messgerät entwickelt werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein 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 der Haltevorrichtung angeordnet sind; eine Messschaltung, die dazu ausgestaltet ist, durch die erste Spule einen Strom zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte fließen zu lassen, wobei die Messschaltung weiter dazu ausgestaltet ist, eine vom, die zweite Spule und die dritte Spule durchflutenden, magnetischen Flussdichte abhängige Messgröße, insbesondere die dadurch resultierende Spannung oder den dadurch resultierenden Strom in der zweiten Spule und/oder dritten Spule, auszuwerten. Das Gradiometer ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule und die zweite Spule sowie die erste Spule und die dritte Spule die gleiche induktive Kopplung erfahren, und wobei das Gradiometer weiter so ausgestaltet ist, dass die zweite Spule und die dritte Spule eine unterschiedliche induktive Kopplung zum Medium haben.
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Als erste, einfach herzustellende Variante handelt es sich bei zumindest einer der Spulen um eine gewickelte Spule, insbesondere umfasst die zumindest eine Spule eine Zylinderspule.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest die erste, zweite und dritte Spule als Zylinderspule ausgestaltet, und auf einem als Haltevorrichtung dienenden Stab aus einem elektrisch isolierenden Material in der Weise aufgebracht, dass die Zylinderachsen der ersten, zweiten und dritten Spule miteinander und der Stabachse zusammenfallen.
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In einer zweiten Variante handelt es sich bei zumindest einer der Spulen um eine Planarspule, insbesondere wird die zumindest eine Spule durch Leiterbahnen auf einem als Haltevorrichtung dienenden elektrisch isolierenden Substrat, insbesondere auf einer Leiterplatte oder einem Keramiksubstrat, gebildet. Auch diese Variante lässt sich einfach und in hohen Stückzahlen herstellen.
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In einer dritten Variante handelt es sich bei zumindest einer der Spulen um eine Toroidspule.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird die gleiche magnetische Kopplung zwischen erster Spule und zweiter Spule sowie zwischen erster Spule und dritter Spule dadurch erreicht, dass zumindest ein erster Parameter und ein zweiter Parameter der Liste: Abstand von zweiter Spule und/oder dritter Spule zur ersten Spule, Anzahl der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule, Anzahl der Lagen der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule, Abstand zwischen den Windungen der zweiten und/oder dritten Spule, Material der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule, Durchmesser des Drahtes und/oder der Leiterbahn der zweiten und/oder dritten Spule, Stärke und/oder Frequenz des Stroms durch die zweite und/oder dritte Spule, Radius der zweiten und/oder dritten Spule, Höhe der zweiten und/oder dritten Spule, Material eines Kerns in der zweiten und/oder dritten Spule, oder Form und/oder Position eines Kerns der zweiten und/oder dritten Spule, Form der zweiten und/oder dritten Spule, Position der zweiten und/oder dritten Spule bezüglich des Mediums unterschiedlich sind, wobei eine Erniedrigung der magnetischen Kopplung durch Änderung des ersten Parameter durch Erhöhung der magnetischen Kopplung des zweiten Parameters, und umgekehrt, ausgeglichen wird. Somit wird in jedweder geometrischen oder elektrischen Anordnung der Spule dafür gesorgt, dass die Kopplung durch die zweite bzw. dritte Spule gleich ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zweite Spule und dritte Spule seriell geschaltet. Alternativ sind diese parallel geschaltet.
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In eine bevorzugten Weiterbildung umfasst das Gradiometer ein Behältnis in dem das Medium aufgenommen ist, wobei das Gradiometer außerhalb des Behältnis‘ angeordnet ist und durch eine Wand des Behältnis‘ hindurch wirkt. Dadurch kann eine direkte Mediumsberührung vermieden werden.
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Alternativ umfasst das Gradiometer ein Behältnis in dem das Medium aufgenommen ist, wobei das Gradiometer zumindest abschnittsweise in das Behältnis eindringt. Dies ermöglicht einen platzsparenden Einbau.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 einen Querschnitt durch ein Behältnis mit Gradiometer,
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2 einen Querschnitt durch ein Behältnis mit Gradiometer in einer zweiten Ausführungsform,
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3a/b/c einen Querschnitt durch ein Behältnis mit dem Gradiometer aus 1 in drei verschiedenen Anordnungen zum Behältnis,
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4a/b/c ein Gradiometer in einer dritten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im Folgenden sollen mehrere Ausführungsbeispiele eines Gradiometers 13 zur Bestimmung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums 2 gezeigt werden. Das abgebildete Gradiometer 13 umfasst eine erste elektrische Spule 5, eine zweite elektrische Spule 6 und eine dritte elektrische Spule 7, wobei die erste Spule 5 als Sendespule ausgestaltet ist, und wobei die zweite Spule 6 und dritte Spule 7 als Empfangsspulen ausgestaltet sind. Das Gradiometer 13 umfasst weiter eine Haltevorrichtung 4, wobei die erste, zweite und dritte Spule 5, 6, 7 auf der Haltevorrichtung 4 angeordnet sind. Darüber hinaus umfasst das Gradiometer 13 eine Messschaltung 10, die dazu ausgestaltet ist, durch die erste Spule 5 einen Strom zur Erzeugung einer magnetischen Flussdichte fließen zu lassen, wobei die Messschaltung 10 weiter dazu ausgestaltet ist, eine vom, die zweite Spule 6 und die dritte Spule 7 durchflutenden, magnetischen Flussdichte abhängige Messgröße, insbesondere die dadurch resultierende Spannung oder den dadurch resultierenden Strom in der zweiten Spule 6 und/oder dritten Spule 7, auszuwerten.
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Im Allgemeinen ist das Gradiometer 13 so ausgestaltet, dass die erste Spule 5 und die zweite Spule 6 sowie die erste Spule 5 und die dritte Spule 7 die gleiche induktive Kopplung erfahren. Gleichzeitig ist das Gradiometer 13 so ausgestaltet, dass die zweite Spule 6 und die dritte Spule 7 eine unterschiedliche induktive Kopplung zum Medium 2 haben.
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Dies kann auf unterschiedlichste Art und Weise erreicht werden. Das in den oberen Abschnitten beschriebene Grundprinzip des erfindungsgemäßen Gradiometers 13 soll zunächst in den Figuren 1 und 2 im einfachsten Fall erläutert werden. Dabei sind alle Spulen 5, 6, 7 entlang einer Achse A auf einem Zylinder angeordnet und als gewickelte Spulen ausgestaltet. Zweite Spule 6 und dritte Spule 7 haben den gleichen Abstand von der ersten Spule 5. Die zweite Spule 6 befindet sich außerhalb eines Behältnisses 8, in dem sich das zu messende Medium 2 befindet, und die dritte Spule 7 befindet sich innerhalb des Behältnisses 8. Dies soll im Folgenden genauer erläutert werden.
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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. Das Behältnis 8 wird gebildet durch eine Behältniswand 1, die im Allgemeinen aus einem Metall, beispielsweise aus Aluminium, oder Metalllegierung, beispielsweise Stahl, besteht. In einer alternativen Ausführungsform besteht die Wand 1 aus einem nichtmetallischen Werkstoffe, beispielsweise widerstandfähigen Kunstoffen wie Polyetheretherketon (PEEK) oder Polyphenylensulfon (PPSU).
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Das Gradiometer 13 ist in einer Behältnisöffnung 9 in der Behältniswand 1 angeordnet. Das Gradiometer 13 wird beispielsweise durch Verschrauben, Verkleben oder Verriegeln mit dem Behältnis 8 verbunden. Auch sind Ausführungsformen realisierbar bei denen das Gradiometer 13 durch einen Rohrstutzen mit einer Flanschanordnung mit dem Behältnis 8 verbunden ist. Das Gradiometer 13 kann auch Teil einer Armatur, etwa eine Wechselarmatur, sein.
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Das 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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Das 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 in dieser Ausführungsform 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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Wie bereits erwähnt, sind auf die Haltevorrichtung 4 drei Spulen gewickelt. Dabei wird in dieser Ausgestaltung spiegelsymmetrisch zu einer ersten Spule 5 eine zweite und dritte Spule 6, 7 angeordnet. Die Spulen 5, 6, 7 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 in dieser ersten Ausführungsform gleiche Eigenschaften hinsichtlich Abstand zur ersten Spule 5, Windungszahl, Windungsabstand, Anzahl der Windungslagen, Material und Durchmesser des Leiters, Form, Radius und Höhe der Spule 6, 7, Form, Material und Position eines Kerns 12 (siehe unten, etwa 2) in der Spule 6, 7, sowie Stärke und Frequenz des durch den Leiter fließenden Stromes. Darüber hinaus sind zweite und dritte Spule 6, 7 gegensinnig gewickelt und sind miteinander seriell verschaltet, wobei in einer Variante auch eine parallele oder keine Verbindung möglich sind.
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Die Spulen 5, 6, 7 sind in dieser Ausgestaltung 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. Die Schutzeinrichtung 17 kann alternativ (nicht abgebildet) 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. In einer Ausführungsform berühren die Spulen 5, 6, 7 zwar das Medium 2, der stromführende Leiter ist aber gegenüber dem Medium geschützt, etwa durch eine wie oben beschriebene Schutzschicht.
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Die erste Spule 5 ist so angeordnet, dass sie in dieser Ausführungsform 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 Messschaltung 10 verbunden. Die Messschaltung 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 Messschaltung 10 ist dabei beispielsweise eine Schaltung zum Generieren und Messen von Strom sowie einem angeschlossenen Mikrocontroller. Die einzelnen Komponenten der Messschaltung 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 Messschaltung 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, Windungszahl, Windungsabstand und Anzahl der Windungslagen aufweisen.
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Die zweite und dritte Spule 6, 7 können auch elektrisch miteinander verschaltet sein. So ist wie erwähnt 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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2 zeigt eine Ausgestaltung des Gradiometers 13. Wie oben erwähnt wird die erste Spule 5 in dieser Ausführungsform 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 Voraussetzung 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 Messschaltung 10 erfolgen.
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Wie in 2 gezeigt, kann darüber hinaus das Gradiometer 13 mit einer Abgleicheinrichtung 11 versehen werden. Dabei ist die Haltevorrichtung 4 beispielsweise als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgestaltet. 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 hierfür 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 das 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 das Gradiometer im Produktiveinsatz zur Bestimmung eines Leitwertes eines Mediums 2 verwendet werden.
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Wie erwähnt lässt der erfindungsgemäße Gedanke verschiedenste Ausführungen zu. Die Figuren 3a/b/c zeigen jeweils verschiedene Anordnungen des Gradiometers 13 relativ zum Behältnis 8. 3b ist dabei identisch mit der Anordnung in 1 und 2. In 3a sind alle drei Spulen 5, 6, 7 außerhalb des Behältnis‘ 8 angeordnet, in 3c sind alle drei Spule 5, 6, 7 innerhalb des Behältnis‘ 8 angeordnet. In 3 ist das Gradiometer 13, insbesondere die Haltevorrichtung 4 so ausgestaltet, dass die Lage der zweiten Spule 6 und der dritten Spule 7 räumlich ungleich zum Medium 2 sind. In der 3 bezeichnen dabei die Bezugszeichen I bzw. O den durch die ersten Spule 5 erzeugten Wirbelstrom in die bzw. aus der Zeichenebene heraus.
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Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Prinzip nochmals allgemein erläutert werden.
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Die erste Spule bzw. Induktivität 5 wird in der Nähe eines Mediums 2 durch einen Wechselstrom angeregt. Das sich ausbildende Magnetfeld durchflutet das Medium und bewirkt einen Wirbelstrom I bzw. O. Es durchflutet ebenfalls eine zweite und dritte Spule bzw. Induktivität 6, 7, welche die gleiche induktive Kopplung zur ersten Induktivität 5 aufweisen. Das kann bedeuten, dass sie den gleichen Abstand und gleiche Windungszahlen und andere gleiche relevante Parameter (siehe unten) aufweisen. Dies ist etwa im oben beschriebenen Fall gezeigt, vergleiche dazu 1 bzw. 3b.
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Das kann aber auch bedeuten, dass sich unterschiedliche Abstände und Windungszahlen oder andere relevante Parameter (siehe unten) so kompensieren, dass im Ergebnis eine gleiche induktive Kopplung der zweiten Induktivität 6 zur ersten Induktivität 5, sowie dritten Induktivität 7 zur ersten Induktivität 5 entsteht. Damit ist gewährleistet, dass durch das anregende Magnetfeld eine gleiche Durchflutung in diesen beiden Induktivitäten 6, 7 entsteht. Die zweite und dritte Induktivität 6, 7 haben jedoch eine unterschiedliche induktive Kopplung zum Medium 2, so dass das sekundäre Magnetfeld, welches vom Wirbelstrom I, O erzeugt wird, unterschiedliche Durchflutungen in der zweiten und dritten Induktivität 6, 7 bewirkt.
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Werden die zweite und dritte Induktivität 6, 7 in Reihe geschalten, fließt in beiden der gleiche Strom, aber es werden unterschiedliche Spannungen induziert und es kann eine Differenzspannung an den Anschlussklemmen gemessen werden. Werden die zweite und dritte Induktivität 6, 7 parallel geschalten, wird in beiden die gleiche Spannung, aber unterschiedliche Ströme induziert. Die durch das anregende Magnetfeld verursachten Spannungen bzw. Ströme heben sich gerade auf, die durch das sekundäre Magnetfeld verursachten Spannungen bzw. Ströme sind ungleich groß und die Auswertung dieser Differenz erlaubt Rückschlüsse auf das Medium.
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Entscheidend ist, dass die induktive Kopplung von der ersten Induktivität 5 zur zweiten Induktivität 6 gleich der induktiven Kopplung von der ersten Induktivität 5 zur dritten Induktivität 7 ist, sodass zweite und dritte Induktivität 6, 7 vom primären Magnetfeld gleich stark durchflutet werden; sowie dass die zweite und dritte Induktivität 6, 7 eine ungleiche räumliche Lage zum Medium haben, sodass sie vom sekundären Magnetfeld ungleich stark durchflutet werden.
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Unter einem wie oben angesprochenen relevanten Parameter soll folgendes verstanden werden. Die gleiche magnetische Kopplung zwischen der ersten Spule 5 und zweiter Spule 6 sowie zwischen erster Spule 5 und dritter Spule 6 wird dadurch erreicht, dass zumindest ein erster Parameter und ein zweiter Parameter der Liste
- – Abstand von zweiter Spule und/oder dritter Spule zur ersten Spule,
- – Anzahl der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Anzahl der Lagen der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Abstand zwischen den Windungen der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Material der Windungen der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Durchmesser des Drahtes und/oder der Leiterbahn der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Stärke und/oder Frequenz des Stroms durch die zweite und/oder dritte Spule,
- – Radius der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Höhe der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Material eines Kerns in der zweiten und/oder dritten Spule, oder
- – Form und/oder Position eines Kerns der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Form der zweiten und/oder dritten Spule,
- – Position der zweiten und/oder dritten Spule bezüglich des Mediums unterschiedlich sind, wobei eine Erniedrigung der magnetischen Kopplung durch Änderung des ersten Parameter durch Erhöhung der magnetischen Kopplung des zweiten Parameters, und umgekehrt, ausgeglichen wird. Je nach Art der Spule 5, 6, 7 (vergleiche 3 und 4) sind verschiedene Parameter relevant.
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In einer weiteren Ausgestaltung (nicht abgebildet) handelt es sich bei zumindest einer der Spulen 5, 6, 7 um eine Toroidspule.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung. 4a zeigt eine schematische Darstellung einer planaren Gradiometeranordnung in Seitenansicht. 4b zeigt diese in der Vorderansicht und 4c zeigt diese in der Rückansicht.
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Das Gradiometer 13 weist ein elektrisch isolierendes Substrat 18 auf, auf dem die Spule 5, die zweite Spule 6 und die dritte Spule 7 in Form von, insbesondere metallischen, Leiterbahnen aufgebracht sind. Im vorliegenden Beispiel ist das Substrat 18 eine mehrlagige Leiterkarte aus einem Kunststoffmaterial, z.B. FR4, FR5. Die Spulen weisen jeweils spiralförmig auf einer Oberfläche der Leiterkarte verlaufende Leiterbahnen auf, die die Spulenwindungen bilden, wobei die Windungen der ersten Spule 5 auf der Rückseite 19 und die Windungen der zweiten bzw. dritten Spule 6, 7 auf der Vorderseite 20 der Leiterkarte angeordnet sind. Die zweite bzw. dritte Spulen 6, 7 weisen in einer ersten Ausführungsform die gleiche Windungszahl- und Länge sowie die gleichen Durchmesser der die Windungen bildenden Leiterbahnen auf, im Allgemeinen weisen zweite und dritte Spule 6, 7 die gleichen oben beschriebenen relevanten Parameter auf. Die elektrische Kontaktierungen der zweiten bzw. dritten Spulen 6, 7 und der ersten Spule 5 erfolgt über Leiterbahnen 21, 22, die zumindest teilweise auf inneren Lagen der Leiterkarte verlaufen (als gestrichelte Linien dargestellt). Wie auch im Beispiel mit gewickelten Spulen können zumindest zwei relevante Parameter variieren, wobei eine Erniedrigung der magnetischen Kopplung durch Änderung des ersten Parameter durch Erhöhung der magnetischen Kopplung des zweiten Parameters, und umgekehrt, ausgeglichen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behältniswand
- 2
- Medium
- 3
- Elektrisch nicht leitender Bereich von 1
- 4
- Haltevorrichtung
- 5
- Erste Spule
- 6
- Zweite Spule
- 7
- Dritte Spule
- 8
- Behältnis
- 9
- Behältnisöffnung
- 10
- Messschaltung
- 11
- Abgleicheinrichtung
- 12
- Kern
- 13
- Gradiometer
- 14
- Medium außerhalb von 8
- 15
- Öffnung von 4
- 16
- Schutzschicht
- 17
- Schutzeinrichtung
- 18
- Substrat
- 19
- Rückseite
- 20
- Vorderseite
- 21
- Elektrische Kontaktierung
- 22
- Elektrische Kontaktierung
- A
- Hauptachse
- I
- Wirbelstrom in die Zeichenebene
- O
- Wirbelstrom aus der Zeichenebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 990894 B1 [0004]
- DE 19851146 A1 [0005]
