DE102015113922A1

DE102015113922A1 - Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums

Info

Publication number: DE102015113922A1
Application number: DE102015113922.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Paul; Erik Münz
Original assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress & Hauser Conducta & Co Kg GmbH; Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2017-02-23
Also published as: CN106468736A; US10101290B2; US20190011387A1; US11131642B2; CN106468736B; US20170052243A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors, umfassend die Schritte, Ermitteln von Messwerten des Leitfähigkeitssensors, Ermitteln von Referenzmesswerten einer in dem Leitfähigkeitssensor integrierten Referenzschaltung, Ableiten mindestens eines Abgleichwerts aus den Referenzmesswerten der Referenzschaltung, Korrigieren der Messwerte des Leitfähigkeitssensors mittels des mindestens einen Abgleichwerts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors.
Eine Messschaltung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums basiert auf einer Widerstandsmessung des Mediums und der anschließenden Verrechnung mit einem Faktor, welcher als Zellkonstante bezeichnet wird und sich aus der Geometrie des Leitfähigkeitssensors ergibt. Typischerweise werden die Messschaltungen für einen Leitfähigkeitssensor während der Produktion abgeglichen. Dabei werden Fehler wie Verstärkungs- und Nullpunktfehler ermittelt und ggf. Korrekturwerte im nichtflüchtigen Speicher hinterlegt. Ein solcher Abgleich findet typischerweise bei Raumtemperatur statt, da eine Veränderung der Temperatur während des Abgleichs schwierig zu realisieren ist. Ein solcher Leitfähigkeitssensor wird über einen Zeitraum von vielen Jahren beim Kunden betrieben und ist dort verschiedenen Umweltbedingungen wie Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen ausgesetzt.
Die Korrekturwerte für die Messschaltung werden zu einem Zeitpunkt bestimmt, an dem definierte Umgebungsbedingungen wie z.B. Temperatur herrschen. Durch Vergießen der Messschaltung mit beispielsweise Epoxidharz, Temperaturschwankungen oder Alterung über einen langen Betriebszeitraum, kann es zu Abweichungen in der Messkette der Messschaltung kommen. Unter Umständen können diese Abweichungen die spezifizierte Messgenauigkeit des Leitfähigkeitssensors beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors mit einer hohen Messgenauigkeit anzugeben.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors, umfassend die Schritte, Ermitteln von Messwerten des Leitfähigkeitssensors, Ermitteln von Referenzmesswerten einer in dem Leitfähigkeitssensor integrierten Referenzschaltung, Ableiten mindestens eines Abgleichwerts aus den Referenzmesswerten der Referenzschaltung, Korrigieren der Messwerte des Leitfähigkeitssensors mittels des mindestens einen Abgleichwerts.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Referenzschaltung zum automatischen Abgleich in den Leitfähigkeitssensor integriert ist (Onboard-Abgleich). Mit geeigneten Algorithmen und zeitlichen Abläufen ist es dann möglich den Leitfähigkeitssensor während des Messbetriebs abzugleichen, Korrekturwerte zu bestimmen und stets eine optimale Messperformance zu gewährleisten. Ein weiterer Vorteil des Onboard-Abgleichs ist die Diagnose von Fehlfunktionen bestimmter Schaltungsteile. Dies kann durch Vergleichen der ermittelten Abgleichwerte mit theoretisch idealen Werten für den Abgleich realisiert werden. Weichen die ermittelten Korrekturwerte zu weit von den theoretischen Werten ab, liegt eine Fehlfunktion der Leitfähigkeitssensors vor und das übergeordnete System kann darauf angemessen reagieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung findet ein zeitlich gesteuerter Wechsel zwischen dem Ermitteln von Messwerten des Leitfähigkeitssensors und dem Ermitteln von Referenzmesswerten der Referenzschaltung statt.
Durch den zyklischen Abgleich des Leitfähigkeitssensors können mittelfristige Veränderungen der fehlerbehafteten Bauteile ermittelt und abgeglichen werden. Beispielsweise können dadurch die Temperatureinflüsse auf Widerstände und andere Bauteile über die Zeit abgeglichen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Variante werden zwei Messwerte des Leitfähigkeitssensors und anschließend ein Referenzmesswert der Referenzschaltung ermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Leitfähigkeitssensor eine Elektronik mit mindestens zwei Messbereichen auf, wobei während einer Messung in einem aktiven Messbereich häufiger abgeglichen wird, als in dem/den anderen Messbereich(en).
Da die Elektronik über mehrere Messbereiche verfügt, ist es sinnvoll den gerade aktiven Messbereich häufiger abzugleichen, um dort die höchste Genauigkeit und beste Performance zu gewährleisten. Würden die anderen Messbereiche jedoch ignoriert werden, könnten über einen längeren Zeitraum Ungenauigkeiten auftreten. Dies wäre insbesondere der Fall, wenn sich die Elektroniktemperatur ändert, während ein Messbereich aktiv ist. Erfolgt dann der Wechsel zu einem anderen Messbereich, wäre der Abgleichwert in diesem Bereich nicht mehr aktuell und es würden falsche Messwerte ermittelt werden. Nach einer gewissen Zeit würde sich der Fehler minimieren, da die anderen Messbereiche ebenfalls abgeglichen werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine Messschaltung zur Leitfähigkeitsmessung mit integrierter Referenzschaltung,
2: eine Grafik eines Ablaufs von Mediums- und Abgleichmessungen, und
3: eine Grafik eines Ablaufs von Mediums- und Abgleichmessungen in verschiedenen Messbereichen.
1 zeigt eine Messschaltung 3 zur Leitfähigkeitsmessung mit integrierter Referenzschaltung. Die Messschaltung 3 wird durch einen Signalgenerator (nicht dargestellt) betrieben, der ein Signal S_f mit einer Frequenz f bereitstellt. Ein Generatorverstärker VG verstärkt das Signal S_f und erzeugt einen Abgleichstrom I_abgl. Der Abgleichstrom I_abgl fließt durch einen Shunt-Widerstand R_shunt und erzeugt eine Shunt-Spannung U_shunt. Sind die Shunt-Spannung U_shunt und der Shunt-Widerstand R_shunt bekannt, kann der Abgleichstrom I_abgl bestimmt werden:
Über den Shunt-Widerstand R_shunt fließt der Abgleichstrom I_abgl zu einem Multiplexer MUX, der zwei Schalter S₁ und S₂ aufweist. Beide Schalter S₁, S₂ weisen drei Stellungen auf und sind synchronisiert, das heißt ist der obere Schalter S₁ in der mittleren Stellung, dann ist der untere Schalter S₂ auch in der mittleren Stellung usw. Sind beide Schalter S₁, S₂ in der mittleren Stellung, fließt der Abgleichstrom I_abgl durch einen Spannungsteiler R₁ und R_p1 über einen dritten geschlossenen Schalter S₃ zur Masse und erzeugt eine Spannung U_Rpx entlang R_p1:
Die Spannung U_Rpx wird mittels eines Verstärkers V verstärkt, wobei der Verstärkungsfaktor v folgendermaßen bestimmt wird:
Sind die Widerstände R_shunt und R_p1 dermaßen dimensioniert: R_shunt = 100 Ω R_p1 = 390 Ω, und werden für die Shunt-Spannung U_shunt und Abgleichspannung U_abgl beispielsweise folgende Werte gemessen: U_shunt = 100 mV U_abgl = 2 V, dann ergibt sich für I_abgl, U_Rpx und v:
Stehen beide Schalter des Multiplexers MUX in der oberen Stellung, dann fließt der Abgleichstrom I_abgl über zwei Stromelektroden I+, I– durch das Medium, und es wird ein Messwert des Leitfähigkeitssensors ermittelt. Die Stromelektroden I+ und I– stellen zusammen mit zwei Spannungselektroden U+, U– die vier Pole der Vierleitermessung des Leitfähigkeitssensors dar. Der Schalter S₃ ist während der Mediumsmessung geöffnet und an einer separaten Masse angeschlossen, damit die Spannungselektrode U– nicht mit der Stromelektrode I– kurzgeschlossen ist.
Wird das Medium zwischen den Spannungselektroden U+ und U– durch einen Mediumswiderstand R_m repräsentiert, dann fällt die Spannung U_m zwischen den Spannungselektroden U+ und U– ab. Der Strom I_m (in der Zeichnung nicht gezeigt), wird solange geregelt, bis der Strom I_m durch das Medium gleich dem Abgleichstrom I_abgl (siehe oben) ist. In diesem Beispiel wurden nach dem Umstellen der Schalter von der mittleren zur oberen Stellung folgende Werte für die Shunt-Spannung U_shunt und die Abgleichspannung U_abgl gemessen: U_shunt = 80 mV U_abgl = 1 V Somit kann der Mediumswiderstand R_m mittels des Verstärkungsfaktors v = 5,128 folgendermaßen bestimmt werden:
Bei einem Onboard-Abgleich werden also exakt die Bedingungen nachgestellt, wie sie auch in einer Mediumsmessung eingestellt werden (Amplitude, Frequenz, Shunt-Widerstand, Verstärkung). Das Ziel des Abgleichs ist die Berechnung des Verstärkungsfaktors v des Verstärkers V. Mit dem Abgleichstrom I_abgl lässt sich der ideale Spannungsabfall U_Rpx über den Widerstand R_p1 berechnen. Mit der gemessenen Abgleichspannung U_abgl lässt sich der Verstärkungsfaktor v berechnen. Der Verstärkungsfaktor v kompensiert alle Fehler der Messschaltung 3. Wird anschließend der Stromfluss wieder durch das Medium gelenkt, herrschen die gleichen Bedingungen wie beim Abgleich des Messbereiches. Jedoch wird der Stromfluss durch den ermittelten Verstärkungsfaktor v korrigiert, bzw. abgeglichen.
2 zeigt einen Ablauf von Mediums- und Abgleichmessungen. Die Mediums- und Abgleichmessungen dauern jeweils eine halbe Sekunde und finden jeweils einmal in der Sekunde statt. Auf zwei Mediumsmessungen kommt eine Abgleichmessung.
3 zeigt einen Ablauf von Mediums- und Abgleichmessungen entsprechend 2, bei dem die Mediums- und Abgleichmessungen in verschiedenen Messbereichen 0, 1 und 2 stattfinden. Der Messbereich 0 in dem die aktuelle Leitfähigkeitsmessung stattfindet, wird häufiger abgeglichen als die Messbereiche 1 und 2. Sollte der Messbereich von 0 auf 1 gewechselt werden, sind Abgleichwerte für Messbereich 1 vorhanden und können sofort bereitgestellt werden, um eine optimale Messperformance zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

0: Nullter Messbereich
1: Erster Messbereich
2: Zweiter Messbereich
3: Messschaltung
I_abgl: Abgleichstrom
U_abgl: Abgleichspannung
R_shunt: Shunt-Widerstand
U_shunt: Shunt-Spannung
V: Verstärker
V: Verstärkungsfaktor
S₁: erster Schalter
S₂: Zweiter Schalter
S₃: Dritter Schalter

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Leitfähigkeit eines Mediums mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors, umfassend die Schritte, Ermitteln von Messwerten des Leitfähigkeitssensors, Ermitteln von Referenzmesswerten einer in dem Leitfähigkeitssensor integrierten Referenzschaltung, Ableiten mindestens eines Abgleichwerts aus den Referenzmesswerten der Referenzschaltung, Korrigieren der Messwerte des Leitfähigkeitssensors mittels des mindestens einen Abgleichwerts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein zeitlich gesteuerter Wechsel zwischen dem Ermitteln von Messwerten des Leitfähigkeitssensors und dem Ermitteln von Referenzmesswerten der Referenzschaltung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwei Messwerte des Leitfähigkeitssensors und anschließend ein Referenzmesswert der Referenzschaltung ermittelt werden.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leitfähigkeitssensor eine Elektronik mit mindestens zwei Messbereichen aufweist, und wobei während einer Messung in einem aktiven Messbereich häufiger abgeglichen wird, als in dem/den anderen Messbereich(en).