DE102021107765A1

DE102021107765A1 - Verfahren zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums

Info

Publication number: DE102021107765A1
Application number: DE102021107765.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Paul; Andre Thieme
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-09-29
Also published as: US20220308002A1; US11879861B2

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums (5) mit einem konduktiven Leitfähigkeitssensor mit in das Medium (5) eintauchbaren Elektroden, wobei die Elektroden eine erste Stromelektrode (EI1), eine zweite Stromelektrode (EI2), eine erste Spannungselektrode (EU1) und eine zweite Spannungselektrode (EU2) umfassen, beschrieben, bei dem: eine von einer ersten Gesamtimpedanz (G1) der ersten Spannungselektrode (EU1) und einer an die erste Spannungselektrode (EU1) angrenzenden Mediumsschicht abhängige erste Impedanz (Z1) gemessen wird, eine von einer zweiten Gesamtimpedanz (G2) der zweiten Spannungselektrode (EU2) und einer an die zweite Spannungselektrode (EU1) angrenzenden Mediumsschicht abhängige zweite Impedanz (Z2) gemessen wird, und mindestens eine Leitfähigkeitsmessung ausgeführt wird, bei der: ein elektrisches Wechselsignal über die erste Stromelektrode (EI1) in das Medium eingeleitet wird und eine zwischen der ersten Spannungselektrode (EU1) und der zweiten Spannungselektrode (EU2) anliegende Potentialdifferenz gemessen wird, anhand der gemessenen Potentialdifferenz (ΔUgem), der ersten Impedanz (Z1) und der zweiten Impedanz (Z2) eine bezüglich eines durch über die erste Gesamtimpedanz (G1) und die zweite Gesamtimpedanz (ZG2) abfallende Spannungen verursachten Messfehlers korrigierte Potentialdifferenz (ΔUkorr) bestimmt wird, und anhand der korrigierten Potentialdifferenz (ΔUkorr) eine gemessene Leitfähigkeit (ρgem) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ausführbares Verfahren zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums, sowie einen konduktiven Leitfähigkeitssensor der dazu ausgebildet ist, konduktive Leitfähigkeitsmessungen mittels dieses Verfahrens auszuführen.
Konduktive Leitfähigkeitssensoren werden in vielfältigen Anwendungen zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums eingesetzt.
Konduktive Leitfähigkeitssensoren umfassen unter anderem als Vierelektrodensensoren ausgebildete Sensoren, wie sie z.B. in der DE 10 2012 106 384 A1 beschrieben sind.
Vierelektrodensensoren umfassen vier im Messbetrieb in das Medium eingetauchte Elektroden, von denen zwei als Stromelektroden und zwei als Spannungselektroden eingesetzt werden. Zwischen den beiden Stromelektroden wird im Messbetrieb ein Wechselsignal, wie z.B. eine Wechselspannung, angelegt, und hierdurch ein hierzu korrespondierender Wechselsignalfluss, z.B. eine Wechselstrom, in das Medium eingeleitet. Der Wechselsignalfluss durch das zwischen den Spannungselektroden befindliche Medium bewirkt eine zwischen den Spannungselektroden anliegende, von der Leitfähigkeit des Mediums abhängige Potentialdifferenz, die mittels einer an die Spannungselektroden angeschlossenen Messeinrichtung durch eine vorzugsweise stromlose Messung bestimmt wird. Aus der gemessenen Potentialdifferenz wird über einen von der Geometrie, der Beschaffenheit und der Anordnung der Elektroden abhängigen, vorab bestimmten Umrechnungsfaktor die Leitfähigkeit des zwischen den Spannungselektroden befindlichen Mediums bestimmt. Dabei wird die gemessene Leitfähigkeit z.B. in Form eines spezifischen Widerstands bzw. eines spezifischen Leitwerts des Mediums bestimmt.
Bei konduktiven Leitfähigkeitsmessungen stehen die Elektroden des Leitfähigkeitssensors während der Messung in unmittelbarem Kontakt zu dem Medium. Durch diesen unmittelbaren Kontakt kommt es zu einer elektrochemischen Wechselwirkung der Elektroden mit Medium, die in der Regel dazu führt, dass sich an den Elektroden Helmholtz-Doppelschichten ausbilden. Helmholtz-Doppelschichten umfassen eine an die jeweilige Elektrode angrenzende, eine Überschussladung tragende Helmholtzschicht und eine entgegengesetzt zur Helmholtzschicht geladene Oberflächenschicht der Elektrode.
Diese elektrochemischen Wechselwirkungen führen dazu, dass unmittelbar an die Elektroden angrenzende Mediumsschichten in Verbindung mit Wechselsignalen jeweils wie eine zusätzliche der jeweiligen Elektrode vorgeschaltete, nachfolgend als Schichtimpedanz bezeichnete elektrische Impedanz wirken, die sich unter Umständen nachteilig auf die mit dem konduktiven Leitfähigkeitssensor erzielbare Messgenauigkeit auswirken kann.
Diese Schichtimpedanzen können insb. bei der Ausbildung von Helmholtz-Doppelschichten zumindest näherungsweise durch einen Kondensator beschrieben werden. Entsprechend kann der Einfluss der an die Elektroden angrenzenden Mediumsschichten auf die Leitfähigkeitsmessung innerhalb gewisser Grenzen durch eine möglichst hohe Eingangsimpedanz der Messeinrichtung und eine möglichst hohe Frequenz des während der Messung in das Medium eingespeisten Wechselsignals reduziert werden. Er kann jedoch aufgrund der auch dann noch endlichen Eingangsimpedanz der Messeinrichtung nicht gänzlich eliminiert werden.
Das ist insb. bei der Messung sehr hoher Leitfähigkeiten problematisch, da diese Messungen eine möglichst genaue Messung entsprechend kleiner zwischen den Spannungselektroden anliegender Potentialdifferenzen erfordern. Je kleiner die zu messenden Potentialdifferenzen sind, umso größer sind die über die Schichtimpedanzen jeweils aufgrund der endlichen Eingangsimpedanz der Messeinrichtung und der endlichen Frequenz des Wechselsignals abfallenden Spannungen im Vergleich zu der zu messenden Potentialdifferenz.
Das führt zu einem Messfehler, der umso größer ist, je stärker sich die Schichtimpedanzen der beiden unmittelbar an die Spannungselektroden angrenzenden Mediumsschichten voneinander unterscheiden. Unterschiedliche Schichtimpedanzen dieser Mediumsschichten können z.B. durch unterschiedliche Geometrien der Spannungselektroden, Verschmutzungen von Elektrodenoberflächen und/oder an den Elektroden anhaftende Ablagerungen verursacht werden.
Darüber hinaus können sich die elektrischen Eigenschaften der an die Elektroden angrenzenden Mediumsschichten im laufenden Messbetrieb verändern. Mögliche Ursache hierfür sind z.B. Veränderungen von elektrochemischen Eigenschaften des Mediums, mit der Zeit auftretende Veränderungen einer Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden, sowie sich mit der Zeit auf den Elektrodenoberflächen ausbildende Verunreinigungen und/oder Ablagerungen. Das kann zu einer zeitlichen Veränderung der erzielbaren Messgenauigkeit führen, die regelmäßig unerkannt bleibt.
In der zuvor genannten DE 10 2012 106 384 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von Fehlfunktionen konduktiver Leitfähigkeitssensoren beschrieben. Bei diesem Verfahren wird an aus den Elektroden des Leitfähigkeitssensors ausgewählte Elektrodenpaare eine Wechselspannung angelegt und eine elektrische Messgröße, wie z.B. ein über die Elektroden fließender Strom, eine Kapazität oder ein Scheinwiderstand gemessen. Liegt die Messgröße in einem ersten Bereich, wird keine Fehlfunktion erkannt. Liegt die Messgröße in einem zweiten Bereich, wird eine diesem Bereich zugeordnete Fehlfunktion erkannt, die z.B. darin besteht, dass sich der Leitfähigkeitssensor zumindest teilweise außerhalb des Mediums befindet. Liegt die Messgröße in einem dritten Bereich, wird eine diesem Bereich zugeordnete Fehlfunktion, wie z.B. ein Elektrodenabriss oder ein Abriss einer Zuleitung, erkannt.
Die zuvor beschriebenen insb. bei der Messung sehr hoher Leitfähigkeiten ggfs. auftretenden Messfehler sind hierüber jedoch weder ohne weiteres erkennbar noch kompensierbar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, mit dem insb. auch sehr hohe Leitfähigkeiten mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensor mit hoher Messgenauigkeit gemessen werden können.
Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Messung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums mit einem konduktiven Leitfähigkeitssensor mit in das Medium eintauchbaren Elektroden, wobei die Elektroden eine erste Stromelektrode, eine zweite Stromelektrode, eine erste Spannungselektrode und eine zweite Spannungselektrode umfassen, bei dem:

die Elektroden in das Medium eingetaucht werden,
eine von einer ersten Gesamtimpedanz der ersten Spannungselektrode und einer an die erste Spannungselektrode angrenzenden Mediumsschicht abhängige erste Impedanz gemessen wird,
eine von einer zweiten Gesamtimpedanz der zweiten Spannungselektrode und einer an die zweite Spannungselektrode angrenzenden Mediumsschicht abhängige zweite Impedanz gemessen wird, und
mindestens eine Leitfähigkeitsmessung ausgeführt wird, bei der
ein elektrisches Wechselsignal über die erste Stromelektrode in das Medium eingeleitet wird und eine währenddessen zwischen der ersten Spannungselektrode und der zweiten Spannungselektrode anliegende Potentialdifferenz gemessen wird,
anhand der gemessenen Potentialdifferenz, der ersten Impedanz und der zweiten Impedanz eine bezüglich eines durch während der Messung der Potentialdifferenz über die erste Gesamtimpedanz und die zweite Gesamtimpedanz abfallende Spannungen verursachten Messfehlers korrigierte Potentialdifferenz bestimmt wird, und
anhand der korrigierten Potentialdifferenz eine gemessene Leitfähigkeit bestimmt wird.

Das Verfahren bietet den Vorteil, dass über die erste und die zweite Impedanz ein quantitatives Maß für ggfs. bestehende Unterschiede zwischen den bei der Messung der zwischen den Spannungselektroden anliegenden Potentialdifferenz eingangsseitig über die erste und die zweite Gesamtimpedanz abfallenden Spannungen zur Verfügung steht. Das bietet den Vorteil, dass ein durch die ggfs. voneinander verschiedenen Spannungsabfälle entstehender Messfehler der gemessenen Potentialdifferenz erkannt und dementsprechend korrigiert werden kann. Anhand der korrigierten Potentialdifferenz können somit insb. auch sehr hohe Leitfähigkeiten mit sehr hoher Messgenauigkeit bestimmt werden.
Eine erste Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem:

die erste Impedanz gemessen wird, indem:
- ein Wechselsignal über einen über die erste Spannungselektrode durch das Medium zur zweiten Stromelektrode verlaufenden ersten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird,
- eine von einer Pfadimpedanz des ersten Signalpfads abhängige erste elektrische Größe gemessen wird, und
- die erste Impedanz anhand der ersten elektrischen Größe bestimmt wird, und
- die zweite Impedanz gemessen wird, indem:
ein Wechselsignal über einen über die zweite Spannungselektrode durch das Medium zur zweiten Stromelektrode verlaufenden zweiten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird,
eine von einer Pfadimpedanz des zweiten Signalpfads abhängige zweite elektrische Größe gemessen wird, und
die zweite Impedanz anhand der zweiten elektrischen Größe bestimmt wird.

Eine Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem das zur Messung der ersten Impedanz in das Medium eingeleitete Wechselsignal und das zur Messung der zweiten Impedanz in das Medium eingeleitete Wechselsignal jeweils eine Frequenz aufweist, die gleich einer Frequenz des während der Leitfähigkeitsmessung in das Medium eingeleiteten Wechselsignals ist.
Eine weitere Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem:

das Wechselsignal bei der Messung der ersten Impedanz in Form einer Wechselspannung an die erste Spannungselektrode angelegt wird,
die erste elektrischen Größe ein einer Pfadimpedanz des ersten Signalpfads entsprechender über den ersten Signalpfad fließender Strom ist,
das Wechselsignal bei der Messung der zweiten Impedanz in Form einer Wechselspannung an die zweite Spannungselektrode angelegt wird, und
die zweite elektrischen Größe ein einer Pfadimpedanz des zweiten Signalpfads entsprechender über den zweiten Signalpfad fließender Strom ist.

Eine weitere Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem:

die Pfadimpedanz des ersten Signalpfads einen der Leitfähigkeit des Mediums entsprechenden Widerstand umfasst, und
die erste Impedanz derart bestimmt wird, dass sie gleich der anhand der ersten elektrische Größe bestimmten Pfadimpedanz abzüglich eines mittels des Leitfähigkeitssensors bestimmten Widerstandswerts des Widerstands ist.

Eine weitere Weiterbildung der ersten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem die zweite Impedanz derart bestimmt wird, dass sie gleich der anhand der zweiten elektrische Größe bestimmten Pfadimpedanz des zweiten Signalpfads ist.
Eine zweite Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem bei dem:

mindestens einmal, periodisch oder wiederkehrend eine erneute Messung der ersten Impedanz und der zweiten Impedanz ausgeführt wird, und
nach jeder erneuten Messung der ersten Impedanz und der zweiten Impedanz jeweils mindestens eine Leitfähigkeitsmessung durchgeführt wird, bei der die korrigierte Potentialdifferenz anhand der zuletzt gemessenen ersten Impedanz und der zuletzt gemessenen zweiten Impedanz bestimmt wird.

Eine dritte Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz anhand von vorab bestimmten Kompensationsdaten erfolgt.
Eine Weiterbildung der dritten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem die Kompensationsdaten Kompensationsdaten umfassen, über die einem Verhältnis der ersten Impedanz zur zweiten Impedanz ein von einer Größe des Verhältnisses abhängiger Korrekturwert für die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz zugeordnet ist.
Eine weitere Weiterbildung der dritten Weiterbildung umfasst ein Verfahren, bei dem die Kompensationsdaten:

experimentell bestimmte Kompensationsdaten umfassen,
anhand von mit Spannungselektroden unterschiedlicher Güte, unterschiedlicher Oberflächenqualität und/oder unterschiedlicher Oberflächenreinheit mit dem Leitfähigkeitssensor in einem oder mehreren Referenzmedien mit bekannter Leitfähigkeit durchgeführten Referenzmessungen bestimmte Kompensationsdaten umfassen, und/oder
numerisch bestimmte Kompensationsdaten umfassen.

Des Weiteren umfasst die Erfindung einen konduktiven Leitfähigkeitssensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit

in das Medium eintauchbaren, die erste Stromelektrode, die zweite Stromelektrode, die erste Spannungselektrode und die zweite Spannungselektrode umfassen Elektroden,
einem Signalgenerator zur Erzeugung von Wechselsignalen,
einer an den Signalgenerator angeschlossenen Schaltvorrichtung, über die der Signalgenerator in einem ersten Schaltzustand an die erste Stromelektrode, in einem zweiten Schaltzustand an die erste Spannungselektrode und in einem dritten Schaltzustand an die zweite Spannungselektrode angeschlossen ist,
eine Impedanzmesseinrichtung, die dazu ausgebildet ist:
- die erste Impedanz zu messen, während mittels des Signalgenerators und der im zweiten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung ein Wechselsignal über einen über die erste Spannungselektrode durch das Medium zur zweiten Stromelektrode verlaufenden ersten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird, und
die zweite Impedanz zu messen, während mittels des Signalgenerators und der im dritten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung ein Wechselsignal über einen über die zweite Spannungselektrode durch das Medium zur zweiten Stromelektrode verlaufenden zweiten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird, und
einer an die erste Spannungselektrode und die zweite Spannungselektrode angeschlossene Messeinrichtung, die dazu ausgebildet ist:
- eine zwischen der ersten Spannungselektrode und der zweiten Spannungselektrode anliegende Potentialdifferenz zu messen während mittels des Signalgenerators und der im ersten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung ein Wechselsignal über die erste Stromelektrode in das Medium eingeleitet wird,
- anhand der gemessenen Potentialdifferenz, der ersten Impedanz und der zweiten Impedanz die korrigierte Potentialdifferenz zu bestimmen, und
- anhand der korrigierten Potentialdifferenz die gemessene Leitfähigkeit zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.

Gemäß einer Weiterbildung des konduktiven Leitfähigkeitssensors umfasst die Impedanzmesseinrichtung:

eine zwischen dem Signalgenerator und der Schaltvorrichtung angeordnete Messeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine von einer Pfadimpedanz des ersten Signalpfads abhängige erste elektrische Größe und eine von einer Pfadimpedanz des zweiten Signalpfads abhängige zweite elektrische Größe zu messen, und
eine an die Messeinrichtung angeschlossene Signalverarbeitungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist anhand der ersten elektrischen Größe die erste Impedanz und anhand der zweiten elektrischen Größe die zweite Impedanz zu bestimmen.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt: einen konduktiven Leitfähigkeitssensor mit in ein Medium eingetauchten Elektroden;
2 zeigt: ein Schaltbild des Leitfähigkeitssensors von 1 zusammen mit einem Ersatzschalbild von sich mediumseitig ausbildenden elektrischen Verhältnissen;
3 zeigt: einen während einer Messung einer ersten Impedanz von einem Wechselsignal durchströmten ersten Signalpfad von 2; und
4 zeigt: einen während einer Messung einer zweiten Impedanz von einem Wechselsignal durchströmten zweiten Signalpfad von 2.

Die Erfindung betrifft ein mittels eines konduktiven Leitfähigkeitssensors ausführbares Verfahren zur Messung einer Leitfähigkeit eines Mediums, sowie einen konduktiven Leitfähigkeitssensor, der dazu ausgebildet ist, konduktive Leitfähigkeitsmessungen mittels dieses Verfahrens auszuführen.
Der Leitfähigkeitssensor umfasst in das Medium eintauchbare Elektroden und eine an die Elektroden angeschlossene Messelektronik 1. 1 zeigt eine Messanordnung, bei der die Elektroden des Leitfähigkeitssensor in ein in einem Behälter 3 befindliches Medium 5 eingetaucht sind. Der dargestellte Leitfähigkeitssensors ist als Vierelektrodensensor ausgebildet, dessen Elektroden eine erste Stromelektrode EI1, eine zweite Stromelektrode EI2, eine erste Spannungselektrode EU1 und eine zweite Spannungselektrode EU2 umfassen.
2 zeigt ein Schaltbild des Leitfähigkeitssensors von 1 zusammen mit einem links von einer in 2 eingezeichneten, vertikal verlaufenden Trennlinie TL dargestellten Ersatzschalbild der sich bei in das Medium eingetauchten Elektroden mediumseitig ausbildenden elektrischen Verhältnisse.
In dem Ersatzschaltbild sind die elektrischen Eigenschaften einer jeden jeweils unmittelbar an eine der Elektroden angrenzenden Mediumsschichten jeweils durch einen der jeweiligen Elektrode vorgeschaltete Schichtimpedanz Ci1, Cu1, Cu2, Ci2 dargestellt. Im Hinblick auf die zuvor beschriebenen im Wesentlichen kapazitiven Eigenschaften der Helmholtz-Doppelschichten sind die Schichtimpedanzen Ci1, Cu1, Cu2, Ci2 in dem in 2 dargestellten Ersatzschaltbild als Kondensatoren dargestellt. Alternativ können die an die Elektroden angrenzenden Mediumsschichten durch kapazitive, induktive und/oder ohmsche Komponenten aufweisende Impedanzen beschrieben werden.
In dem Ersatzschaltbild ist die elektrische Leitfähigkeit des Mediums 5 durch einen zwischen den beiden Spannungselektroden EU1, EU2 angeordneten, der Leitfähigkeit des Mediums 5 entsprechenden ohmschen Widerstand Rx dargestellt. Dieser Widerstand Rx ist auf einer Seite über die der ersten Spannungselektrode EU1 vorgeschaltete Schichtimpedanz Cu1 mit der ersten Spannungselektrode EU1 und parallel hierzu über eine erste Mediumsimpedanz Zm1 und die der ersten Stromelektrode EI1 vorgeschaltete Schichtimpedanz Ci1 mit der ersten Stromelektrode EI1 verbunden. Auf der anderen Seite ist der Widerstand Rx über die der zweiten Spannungselektrode EU2 vorgeschalteten Schichtimpedanz Cu2 mit der zweiten Spannungselektrode EU2 und parallel hierzu über eine zweite Mediumsimpedanz Zm2 und die der zweiten Stromelektrode EI2 vorgeschaltete Schichtimpedanz Ci2 mit der zweiten Stromelektrode EI2 verbunden.
Die Messelektronik 1 umfasst einen Signalgenerator 7 zur Erzeugung eines in das Medium 5 einleitbaren Wechselsignals. Als Signalgenerator 7 eignet sich z.B. eine Wechselspannungsquelle, die eine Wechselspannung vorgebbarer Amplitude und vorgegebener oder vorgebbarer Frequenz ausgibt.
An den Signalgenerator 7 ist eine Schaltvorrichtung 9 angeschlossen, über die der Signalgenerator 7 wahlweise an die erste Stromelektrode EI1, an die erste Spannungselektrode EU1 oder an die zweite Spannungselektrode EU2 anschließbar ist. Als Schaltvorrichtung 9 eignet sich insb. eine elektronisch steuerbarer Schalter oder ein Multiplexer.
Die Auswahl der jeweiligen Elektrode erfolgt z.B. durch eine dementsprechende Auswahl und Einstellung eines Schaltzustands der Schaltvorrichtung 9. Entsprechend umfassen die Schaltzustände, in denen die Schaltvorrichtung 9 betreibbar ist, einen ersten Schaltzustand, in dem der Signalgenerator 7 über die Schaltvorrichtung 9 an die erste Stromelektrode EI1 angeschlossen ist, einen zweiten Schaltzustand, in dem der Signalgenerator 7 über die Schaltvorrichtung 9 an die erste Spannungselektrode EU1 angeschlossen ist, und einen dritten Schaltzustand, in dem der Signalgenerator 7 über die Schaltvorrichtung 9 an die zweite Spannungselektrode EU2 angeschlossen ist.
Während der Leitfähigkeitsmessung wird die Schaltvorrichtung 9 in dem in 2 dargestellten ersten Schaltzustand betrieben und das Wechselsignal über die erste Stromelektrode EI1 in das Medium eingespeist. Das führt zu einem Spannungsabfall über den Widerstand Rx, der eine von der Leitfähigkeit des Mediums 5 abhängige Potentialdifferenz ΔU(Rx):= U1 - U2 zwischen den beiden im Ersatzschaltbild oberhalb und unterhalb des Widerstands Rx eingezeichneten, auf den Potentialen U1 und U2 liegenden Punkten P1, P2 zur Folge hat.
Diese der Leitfähigkeit des Mediums 5 entsprechende Potentialdifferenz ΔU(Rx) wird mittels einer über einen ersten Leitungspfad 11 an die erste Spannungselektrode EU1 und über einen zweiten Leitungspfad 13 an die zweite Spannungselektrode EU2 angeschlossenen Messeinrichtung 15 messtechnisch erfasst. Die Messeinrichtung 15 ist dazu ausgebildet, eine zwischen der ersten Spannungselektrode EU1 und der zweiten Spannungselektrode EU2 anliegende Potentialdifferenz zu messen und anhand der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem eine gemessene Leitfähigkeit ρ_gem des Mediums 5 zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.
Die in 2 dargestellte Messeinrichtung 15 umfasst einen Messwandler 17, der anhand von eingangsseitig über die beiden Leitungspfade 11, 13 daran anliegenden Eingangsspannungen ein der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem entsprechendes Messsignal Sm erzeugt. Hierzu eignet sich z.B. ein Differenzverstärker, der ausgangsseitig das der Differenz der eingangsseitig daran anliegenden Eingangsspannungen entsprechende Messsignal Sm zur Verfügung stellt.
Des Weiteren umfasst die Messeinrichtung 15 eine an den Messwandler 17 angeschlossene Signalverarbeitungseinrichtung 19, wie z.B. einen Mikroprozessor, einen Microcontroller, eine in der englischsprachigen Fachwelt als „Field Programmable Gate Array (FPGA)“ bezeichnete im Feld programmierbare (Logik-) Gatter-Anordnung, eine in der englischsprachigen Fachwelt als „ application specific integrated circuit (ASIC)“ bezeichnete anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder eine vergleichbare digitale Einrichtung, die anhand des während der Leitfähigkeitsmessung vom Messwandler 17 ausgegebenen, der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem entsprechenden Messignals Sm die gemessene Leitfähigkeit ρ_gem des Mediums 5 bestimmt und zur Verfügung stellt.
Dabei wird z.B. derart Verfahren, dass anhand der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem über einen von der Geometrie, der Beschaffenheit und der Anordnung der Elektroden abhängigen, vorab bestimmten und z.B. in einem der Signalverarbeitungseinrichtung 19 zugeordneten Speicher 21 abgespeicherten, in der Leitfähigkeitsmesstechnik regelmäßig als Zellkonstante bezeichneten Umrechnungsfaktor die dem Widerstand Rx entsprechende Leitfähigkeit des Mediums 5 bestimmt wird. Die gemessene Leitfähigkeit ρ_gem kann z.B. in Form eines spezifischen Widerstands bzw. eines spezifischen Leitwerts des Mediums 5 bestimmt werden. Die Ausgabe der gemessenen Leitfähigkeit ρ_gem erfolgt z.B. über eine an die Signalverarbeitungseinrichtung 19 angeschlossene Schnittstelle 23, über die die gemessene Leitfähigkeit ρ_gem in abrufbarer Form zur Verfügung gestellt und/oder in Form von entsprechenden Messwerten und/oder Messignalen ausgegeben wird.
Während der Leitfähigkeitsmessung führen für die begrenzte Eingangsimpedanz der Messelektronik 1 mitverantwortliche an die Leitungspfade 11, 13 gekoppelte parasitäre Kapazitäten Cp1, Cp2 zu einem Stromfluss über den ersten und den zweiten Leitungspfad 11, 13. Der während der Leitfähigkeitsmessung über den ersten Leitungspfad 11 fließende Strom führt zu einem von einer ersten Gesamtimpedanz G1 der ersten Spannungselektrode EU1 und der an die erste Spannungselektrode EU1 angrenzenden Mediumsschicht abhängigen Potentialabfall Up1. Dieser Potentialabfall Up1 reduziert die eingangsseitig über den ersten Leitungspfad 11 an der Messeinrichtung 15 anliegende Eingangsspannung. Analog führt der während der Leitfähigkeitsmessung über den zweiten Leitungspfad 13 fließende Strom zu einem von einer zweiten Gesamtimpedanz G2 der zweiten Spannungselektrode EU2 und der an die zweite Spannungselektrode EU2 angrenzenden Mediumsschicht abhängigen Potentialabfall Up2. Dieser Potentialabfall Up2 reduziert die eingangsseitig über den zweiten Leitungspfad 13 an der Messeinrichtung 15 anliegende Eingangsspannung.
In dem in 2 dargestellten Beispiel ist in jeden der beiden Leitungspfade 11, 13 jeweils ein Eingangswiderstand R1, R2 eingesetzt. Bei dieser Ausführungsform umfassen die für die Spannungsabfälle Up1, Up2 jeweils zumindest mitverantwortlichen Gesamtimpedanzen G1, G2 jeweils zusätzlich zu der Elektrodenimpedanz Zeu1 bzw. Zeu2 der jeweiligen Spannungselektrode EU1 bzw. EU2 und der Schichtimpedanz Cu1 bzw. Cu2 der an die jeweilige Spannungselektrode EU1 bzw. EU2 angrenzenden Mediumsschicht noch den in den jeweiligen Leitungspfad 11, 13 eingesetzten Eingangswiderstand R1 bzw. R2.
Sind die beiden, die an der Messeinrichtung 15 anliegenden Eingangsspannungen reduzierenden Potentialabfälle Up1, Up2 identisch, so entspricht die anhand der eingangsseitig an dem Messwandlers 17 anliegenden Eingangsspannungen gemessene Potentialdifferenz ΔUgem der von der Leitfähigkeit des Mediums 5 abhängige Potentialdifferenz ΔU(Rx):= U1 - U2. Sind die Potentialabfälle Up1, Up2 jedoch verschieden, so weist die gemessene Potentialdifferenz ΔUgem einen der Differenz der Potentialabfälle Up1, Up2 entsprechenden Messfehler auf.
Um diesen ggfs. vorhandenen Messfehler kompensieren zu können, wird zumindest einmal oder wiederkehrend jeweils ein Impedanzmessverfahren ausgeführt, bei dem eine von der ersten Gesamtimpedanz G1 abhängige erste Impedanz Z1 und eine von der zweiten Gesamtimpedanz G2 abhängige zweite Impedanz Z2 gemessen wird.
Zur Messung der ersten Impedanz Z1 wird z.B. derart Verfahren, dass ein Wechselsignal entlang eines über die erste Spannungselektrode EU1 durch das Medium 5 zur zweiten Stromelektrode EI2 verlaufenden ersten Signalpfads in das Medium 5 eingeleitet wird und eine von einer Pfadimpedanz ZR1 des ersten Signalpfads abhängige erste elektrische Größe 11 gemessen wird.
Hierzu wird der Signalgenerator 7 über die im zweiten Schaltzustand betriebene Schaltvorrichtung 9 an die erste Spannungselektrode EU1 angeschlossen.
Das Einleiten des Wechselsignals über die erste Spannungselektrode EU1 bewirkt einen vom Signalgenerator 7 ausgehenden Wechselsignalfluss entlang des ersten Signalpfads, wobei der erste Signalpfad die in 3 dargestellten Komponenten der in 2 dargestellten Schaltung und des in 2 dargestellten Ersatzschaltbilds umfasst.
Unter der in der Regel gerechtfertigten Annahme, dass ein dabei über die parasitäre Kapazität Cp1 fließender Anteil des Wechselsignalflusses vernachlässigbar gering ist, ist die Pfadimpedanz ZR1 des ersten Signalpfads im Wesentlichen gleich einer Reihenschaltungsimpedanz der in 3 den Eingangswiderstands R1, die Elektrodenimpedanz Zeu1 der ersten Spannungselektrode EU1, die der ersten Spannungselektrode EU1 vorgeschaltete Schichtimpedanz Cu1, den Widerstand Rx, und eine dem Widerstand Rx nachgeschaltete Zusatzimpedanz Za umfassenden Reihenschaltung. Damit gilt näherungsweise: ZR1:= G1 + Rx + Za; wobei für die erste Gesamtimpedanz G1 gilt: G1:= R1 + Zeu1 + Cu1. In der Zusatzimpedanz Za sind alle dem Widerstand Rx nachgeschalteten Impedanzen zusammengefasst. In dem dargestellten Beispiel umfasst die Zusatzimpedanz Za folglich die zweite Mediumsimpedanz Zm2, die Schichtimpedanz Ci2 der an die zweite Stromelektrode EI2 angrenzenden Mediumsschicht und die Elektrodenimpedanz Zei2 der zweiten Stromelektrode EI2. Damit gilt hier für die Zusatzimpedanz Za hier: Za := Zm2 + Ci2 + Zei2.
Als erste elektrische Größe 11 eignet sich z.B. ein beim Anlegen einer vom Signalgenerator 7 erzeugten Wechselspannung bekannter Amplitude und vorgegebener Frequenz vom Signalgenerator 7 in den ersten Signalpfad einfließender Strom. Dieser Strom entspricht der Pfadimpedanz ZR1 des ersten Signalpfads und ist somit abhängig von der in der Pfadimpedanz ZR1 enthaltenen ersten Gesamtimpedanz G1.
Grundsätzlich kann die erste Impedanz Z1 derart bestimmt werden, dass sie gleich der anhand der gemessenen ersten Größe 11 ermittelbaren Pfadimpedanz ZR1 ist. In dem Fall gilt: $Z1: = ZR1: = G1 + Rx + Za$
Diese Vorgehensweise wird jedoch vorzugsweise nur dann eingesetzt, wenn der Widerstand Rx des Mediums sehr klein ist im Vergleich zu den Schichtimpedanzen Cu1, Cu2 der an die beiden Spannungselektroden EU1, EU2 angrenzenden Mediumsschichten und den Eingangswiderständen R1, R2.
Vorzugsweise wird die erste Impedanz Z1 derart bestimmt, dass sie gleich der anhand der gemessenen ersten Größe 11 ermittelbaren Pfadimpedanz ZR1 des ersten Signalpfads abzüglich eines Widerstandswertes Rgem des Widerstands Rx ist. In dem Fall gilt: $Z1: = ZR1 - Rgem = G1 + Za$
Der hierfür benötigte Widerstandswert Rgem wird z.B. anhand einer vorzugsweise vor oder nach der Messung der ersten Größe 11 mittels des Leitfähigkeitssensor gemessenen Leitfähigkeit pgem bestimmt. Alternativ kann der Widerstandswert Rgem bestimmt werden, indem das Wechselsignal über die erste Stromelektrode EI1 in das Medium eingespeist wird und der Widerstandswert Rgem anhand der währenddessen mittels des Messwandlers 17 gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem bestimmt wird.
Analog zur Messung der ersten Impedanz Z1, wird bei der Messung der zweiten Impedanz Z2 z.B. derart Verfahren, dass ein Wechselsignal entlang eines über die zweite Spannungselektrode EU2 durch das Medium zur zweiten Stromelektrode EI2 verlaufenden zweiten Signalpfads in das Medium eingeleitet wird, eine von einer Pfadimpedanz ZR2 des zweiten Signalpfads abhängige zweite elektrische Größe 12 gemessen wird, und die zweite Impedanz Z2 anhand der zweiten elektrischen Größe 12 bestimmt wird.
Während der Messung der zweiten Impedanz Z2 ist der Signalgenerator 7 über die im dritten Schaltzustand betriebene Schaltvorrichtung 9 an die zweite Spannungselektrode EU2 angeschlossen.
Das Einleiten des Wechselsignals über die zweite Spannungselektrode EU2 bewirkt einen vom Signalgenerator 7 ausgehenden Wechselsignalfluss entlang des zweiten Signalpfads, wobei der zweite Signalpfad die in 4 dargestellten Komponenten der in 2 dargestellten Schaltung und des in 2 dargestellten Ersatzschaltbilds umfasst. Unter der auch hier in der Regel gerechtfertigten Annahme, dass ein dabei über die parasitäre Kapazität Cp2 fließender Anteil des Wechselsignalflusses vernachlässigbar gering ist, ist die Pfadimpedanz ZR2 des zweiten Signalpfads im Wesentlichen gleich einer Reihenschaltungsimpedanz der in 4 den Eingangswiderstands R2, die Elektrodenimpedanz Zeu2 der zweite Spannungselektrode EU2, die der zweiten Spannungselektrode EU2 vorgeschaltete Schichtimpedanz Cu2 und die zuvor bereits beschriebene Zusatzimpedanz Za umfassenden Reihenschaltung. Damit gilt näherungsweise: ZR2:= G2 +Za, wobei die für die zweite Gesamtimpedanz G2 gilt: G2:= R2 + Zeu2 + Cu2.
Entsprechend eignet sich als zweite elektrische Größe 12 z.B. ein beim Anlegen einer vom Signalgenerator 7 erzeugten Wechselspannung bekannter Amplitude und vorgegebener Frequenz vom Signalgenerator 7 in den zweiten Signalpfad einfließender Strom. Dieser Strom entspricht der Pfadimpedanz ZR2 des zweiten Signalpfads und ist somit abhängig von der in der zweiten Pfadimpedanz ZR2 enthaltenen zweiten Gesamtimpedanz G2.
Dabei wird die zweite Impedanz Z2 z.B. derart bestimmt, dass sie gleich der anhand der gemessenen zweiten Größe 12 ermittelbaren Pfadimpedanz ZR2 des zweiten Signalpfads ist. Für das in 4 dargestellte Beispiel ergibt sich demnach: Z2:= ZR2 = G2 + Za; mit G2:= R2 + Zeu2 + Cu2 und Za:= Zm2 + Ci2 + Zei2.
Vorzugsweise weisen das zur Messung der ersten Impedanz Z1 über die erste Spannungselektrode EU1 in das Medium 5 eingeleitete Wechselsignal und das zur Messung der zweiten Impedanz Z2 über die zweite Spannungselektrode EU2 in das Medium 5 eingeleitete Wechselsignal die gleiche Frequenz auf. Diese Frequenz ist vorzugsweise gleich einer für mit dem Leitfähigkeitssensor auszuführende Leitfähigkeitsmessungen vorgegebenen Frequenz. In dem Fall weisen auch die während der Leitfähigkeitsmessungen über die erste Stromelektrode EI1 ins das Medium 5 eingeleiteten Wechselsignale diese vorgegebene Frequenz auf.
Die Messung der ersten und der zweiten Impedanz Z1, Z2 wird z.B. mittels einer im Leitfähigkeitssensor integrierten Impedanzmesseinrichtung 25 durchgeführt. Die in 2 lediglich als ein mögliches Beispiel dargestellte Impedanzmesseinrichtung 25 umfasst eine zwischen dem Signalgenerator 7 und der Schaltvorrichtung 9 angeordnete Messschaltung 27 und eine daran angeschlossene Signalverarbeitungseinrichtung 29.
Die Messschaltung 27 ist dazu ausgebildet, die erste und die zweite elektrischen Größe 11, 12 jeweils anhand des beim Einleiten des Wechselsignals in den jeweiligen Signalpfad einfließenden Wechselsignalflusses zu bestimmen. Hierzu eignet sich z.B. eine als Amperemeter A ausgebildete oder ein Amperemeter A umfassende Messschaltung 27 oder eine Messschaltung 27, die eine über einen zwischen dem Signalgenerator 7 und der Schaltvorrichtung 9 eingesetzten Shunt-Widerstand abfallende Spannung misst.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 29 ist dazu ausgebildet anhand der von der Messschaltung 27 gemessenen ersten Größe 11 die erste Impedanz Z1 und anhand der gemessenen zweiten elektrischen Größe 12 die zweite Impedanz Z2 zu bestimmen. Wie in 2 dargestellt, kann die Funktion der Signalverarbeitungseinrichtung 29 z.B. von der an den Messwandler 17 angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtung 19 übernommen werden.
Die erste Impedanz Z1 umfasst die für den durch den während der Leitfähigkeitsmessung über den ersten Leitungspfad 11 fließenden Strom verursachten Potentialabfall Up1 maßgebliche erste Gesamtimpedanz G1 und die Zusatzimpedanz Za. Die zweite Impedanz Z2 umfasst die für den durch den während der Leitfähigkeitsmessung über den zweiten Leitungspfad 13 fließenden Strom verursachten Potentialabfall Up2 maßgebliche zweite Gesamtimpedanz G2 und die Zusatzimpedanz Za. Da die Zusatzimpedanz Za in der ersten und der zweiten Impedanz Z1, Z2 gleichermaßen enthalten ist, steht über die erste und die zweite Impedanz Z1, Z2 somit ein quantitatives Maß für ggfs. bestehende Unterschiede zwischen den bei der Leitfähigkeitsmessung über die erste und die zweite Gesamtimpedanz G1, G2 abfallenden Spannungen zur Verfügung.
Ist nämlich die erste Impedanz Z1 größer als die zweite Impedanz Z2, so ist auch die erste Gesamtimpedanz G1 größer als die zweite Gesamtimpedanz G2. Folglich ist der während der Leitfähigkeitsmessung durch den durch den ersten Leitungspfad 11 fließenden Strom verursachte Potentialabfall Up1 größer als der durch den durch den zweiten Leitungspfad 13 fließenden Strom verursachte Potentialabfall Up2. Das führt dazu, dass die gemessene Potentialdifferenz ΔUgem kleiner als die von der Leitfähigkeit des Mediums abhängige Potentialdifferenz ΔU(Rx) ist.
Ist die erste Impedanz Z1 kleiner als die zweite Impedanz Z2, so ist auch die erste Gesamtimpedanz G1 kleiner als die zweite Gesamtimpedanz G2. Folglich ist der während der Leitfähigkeitsmessung durch den durch den ersten Leitungspfad 11 fließenden Strom verursachte Potentialabfall Up1 kleiner als der durch den durch den zweiten Leitungspfad 13 fließenden Strom verursachte Potentialabfall Up2. Das führt dazu, dass die gemessene Potentialdifferenz ΔUgem größer als die von der Leitfähigkeit des Mediums abhängige Potentialdifferenz ΔU(Rx) ist.
Entsprechend können die über die erste und die zweite Impedanz Z1, Z2 zur Verfügung stehenden Informationen zur Kompensation des ggfs. durch Unterschiede der ersten und der zweiten Gesamtimpedanz G1, G2 verursachten Messfehlers der Leitfähigkeitsmessung eingesetzt werden.
Hierzu wird im Anschluss an das Impedanzmessverfahren mindestens eine Leitfähigkeitsmessung ausgeführt, bei der das elektrisches Wechselsignal über die erste Stromelektrode EI1 in das Medium eingeleitet wird und anhand der währenddessen auf die oben beschriebene Weise gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem, der ersten Impedanz Z1 und der zweiten Impedanz Z2 eine bezüglich der während der Leitfähigkeitsmessung über die erste Gesamtimpedanz G1 und die zweite Gesamtimpedanz G2 abfallenden Spannungen korrigierte Potentialdifferenz ΔUkorr bestimmt wird.
Die Bestimmung der korrigierten Potentialdifferenz ΔUkorr erfolgt z.B. anhand von Kompensationsdaten. Die Kompensationsdaten werden vorzugsweise vorab bestimmt und in dem der Signalverarbeitung 19 zugeordneten Speicher 21 abgelegt.
Als Kompensationsdaten eignen sich insb. Kompensationsdaten, über die einem Verhältnis der ersten Impedanz Z1 zur zweiten Impedanz Z2 ein von der Größe des Verhältnisses abhängiger Korrekturwert für die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem zugeordnet ist.
Die Bestimmung der Kompensationsdaten kann z.B. experimentell erfolgen, z.B. anhand von mit Spannungselektroden EU1, EU2 unterschiedlicher Güte, insb. unterschiedlicher Oberflächenqualität und/oder unterschiedlicher Oberflächenreinheit, mit dem Leitfähigkeitssensor in einem oder mehreren Referenzmedien mit bekannter Leitfähigkeit durchgeführte Referenzmessungen. Alternativ oder zusätzlich hierzu können aber auch, insb. anhand von Messwerten und/oder Schätzwerten für die einzelnen in 2 dargestellten Komponenten, numerisch bestimmte Kompensationsdaten eingesetzt werden.
Im Anschluss an die Bestimmung der korrigierten Potentialdifferenz ΔUkorr wird die gemessene Leitfähigkeit ρ_gem anhand der korrigierten Potentialdifferenz ΔUkorr bestimmt. Dabei wird bei der Bestimmung, sowie auch bei der Bereitstellung und/oder Ausgabe der gemessenen Leitfähigkeit ρ_gem z. B. auf die oben beschriebene Weise verfahren, wobei die korrigierte Potentialdifferenz ΔUkorr an die Stelle der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem tritt.
Bei jeder im Anschluss an die Messung der ersten und zweiten Impedanz Z1, Z2 ausgeführten Leitfähigkeitsmessung weist das dabei über die erste Stromelektrode EI1 in das Medium 5 eingeleitete Wechselsignal vorzugsweise die vorgegebene Frequenz auf, die identisch zu der vorgegebenen Frequenz des zur Messung der ersten und der zweiten Impedanz Z1, Z2 eingesetzten Wechselsignals ist.
Optional wird mindestens einmal, periodisch oder wiederkehrend eine erneute Messung der ersten und zweiten Impedanz Z1, Z2 ausgeführt. In dem Fall wird nach jeder erneuten Ausführung des oben beschriebenen Impedanzmessverfahrens jeweils mindestens eine Leitfähigkeitsmessung ausgeführt, bei der die korrigierte Potentialdifferenz ΔUkorr anhand der jeweils zuletzt gemessenen ersten und zweiten Impedanzen Z1, Z2 bestimmt wird.
Die wiederholte Ausführung des Impedanzmessverfahrens bietet den Vorteil, dass hierüber seit der letzten Ausführung ggfs. eingetretene Veränderungen der ersten und der zweiten Gesamtimpedanz G1, G2 erfasst und die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz ΔUgem entsprechend angepasst wird. Damit ist auch über sehr lange Zeiträume hinweg eine hohe Messgenauigkeit der Leitfähigkeitsmessungen sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1: Messelektronik
3: Behälter
5: Medium
7: Signalgenerator
9: Schaltvorrichtung
11: Erster Leitungspfad
13: Zweiter Leitungspfad
15: Messeinrichtung
17: Messwandler
19: Signalverarbeitungseinrichtung
21: Speicher
23: Schnittstelle
25: Impedanzmesseinrichtung
27: Messschaltung
29: Signalverarbeitungseinrichtung
EI1: Erste Stromelektrode
EI2: Zweite Stromelektrode
EU1: Erste Spannungselektrode
EU2: Zweite Spannungselektrode
TL: Trennlinie
Ci1: Schichtimpedanz
Ci2: Schichtimpedanz
Cu1: Schichtimpedanz
Cu2: Schichtimpedanz
Rx: Widerstand
R1: Eingangswiderstand
R2: Eingangswiderstand
Zm1: Erste Mediumsimpedanz
Zm2: Zweite Mediumsimpedanz
ΔU(Rx): Potentialdifferenz
U1: Potential
U2: Potential
P1: Punkt
P2: Punkt
Sm: Messsignal
pgem: Gemessene Leitfähigkeit
Cp1: Parasitäre Kapazität
Cp2: Parasitäre Kapazität
Up1: Spannungsabfall
Up2: Spannungsabfall
Z1: Erste Impedanz
G1: Erste Gesamtimpedanz
Z2: Zweite Impedanz
G2: Zweite Gesamtimpedanz
ZR1: Pfadimpedanz
ZR2: Pfadimpedanz
Za: Zusatzimpedanz
Zeu1: Elektrodenimpedanz
Zeu2: Elektrodenimpedanz
Zei1: Elektrodenimpedanz
Zei2: Elektrodenimpedanz
ΔUgem: Gemessene Potentialdifferenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012106384 A1 [0003, 0011]

Claims

Verfahren zur Messung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums (5) mit einem konduktiven Leitfähigkeitssensor mit in das Medium (5) eintauchbaren Elektroden, wobei die Elektroden eine erste Stromelektrode (EI1), eine zweite Stromelektrode (EI2), eine erste Spannungselektrode (EU1) und eine zweite Spannungselektrode (EU2) umfassen, bei dem: die Elektroden in das Medium (5) eingetaucht werden, eine von einer ersten Gesamtimpedanz (G1) der ersten Spannungselektrode (EU1) und einer an die erste Spannungselektrode (EU1) angrenzenden Mediumsschicht abhängige erste Impedanz (Z1) gemessen wird, eine von einer zweiten Gesamtimpedanz (G2) der zweiten Spannungselektrode (EU2) und einer an die zweite Spannungselektrode (EU1) angrenzenden Mediumsschicht abhängige zweite Impedanz (Z2) gemessen wird, und mindestens eine Leitfähigkeitsmessung ausgeführt wird, bei der: ein elektrisches Wechselsignal über die erste Stromelektrode (EI1) in das Medium eingeleitet wird und eine währenddessen zwischen der ersten Spannungselektrode (EU1) und der zweiten Spannungselektrode (EU2) anliegende Potentialdifferenz gemessen wird, anhand der gemessenen Potentialdifferenz (ΔUgem), der ersten Impedanz (Z1) und der zweiten Impedanz (Z2) eine bezüglich eines durch während der Messung der Potentialdifferenz über die erste Gesamtimpedanz (G1) und die zweite Gesamtimpedanz (G2) abfallende Spannungen verursachten Messfehlers korrigierte Potentialdifferenz (ΔUkorr) bestimmt wird, und anhand der korrigierten Potentialdifferenz (ΔUkorr) eine gemessene Leitfähigkeit (ρ_gem) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem: die erste Impedanz (Z1) gemessen wird, indem: ein Wechselsignal über einen über die erste Spannungselektrode (EU1) durch das Medium zur zweiten Stromelektrode (EI2) verlaufenden ersten Signalpfad in das Medium (5) eingeleitet wird, eine von einer Pfadimpedanz (ZR1) des ersten Signalpfads abhängige erste elektrische Größe (I1) gemessen wird, und die erste Impedanz (Z1) anhand der ersten elektrischen Größe (I1)) bestimmt wird, und die zweite Impedanz (Z2) gemessen wird, indem: ein Wechselsignal über einen über die zweite Spannungselektrode (EU2) durch das Medium (5) zur zweiten Stromelektrode (EI2) verlaufenden zweiten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird, eine von einer Pfadimpedanz (ZR2) des zweiten Signalpfads abhängige zweite elektrische Größe (12) gemessen wird, und die zweite Impedanz (Z2) anhand der zweiten elektrischen Größe (12) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das zur Messung der ersten Impedanz (Z1) in das Medium (5) eingeleitete Wechselsignal und das zur Messung der zweiten Impedanz (Z2) in das Medium (5) eingeleitete Wechselsignal jeweils eine Frequenz aufweist, die gleich einer Frequenz des während der Leitfähigkeitsmessung in das Medium (5) eingeleiteten Wechselsignals ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 bis 3, bei dem: das Wechselsignal bei der Messung der ersten Impedanz (Z1) in Form einer Wechselspannung an die erste Spannungselektrode (EU1) angelegt wird, die erste elektrischen Größe (11) ein einer Pfadimpedanz (ZR1) des ersten Signalpfads entsprechender über den ersten Signalpfad fließender Strom ist, das Wechselsignal bei der Messung der zweiten Impedanz (Z2) in Form einer Wechselspannung an die zweite Spannungselektrode (EU2) angelegt wird, und die zweite elektrischen Größe (12) ein einer Pfadimpedanz (ZR2) des zweiten Signalpfads entsprechender über den zweiten Signalpfad fließender Strom ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 bis 4, bei dem: die Pfadimpedanz (ZR1) des ersten Signalpfads einen der Leitfähigkeit des Mediums (5) entsprechenden Widerstand (Rx) umfasst, und die erste Impedanz (Z1) derart bestimmt wird, dass sie gleich der anhand der ersten elektrische Größe (11) bestimmten Pfadimpedanz (ZR1) abzüglich eines mittels des Leitfähigkeitssensors bestimmten Widerstandswerts (Rgem) des Widerstands (Rx) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 bis 5, bei dem die zweite Impedanz (Z2) derart bestimmt wird, dass sie gleich der anhand der zweiten elektrische Größe (I2)) bestimmten Pfadimpedanz (ZR2) des zweiten Signalpfads ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 6, bei dem: mindestens einmal, periodisch oder wiederkehrend eine erneute Messung der ersten Impedanz (Z1) und der zweiten Impedanz (Z2) ausgeführt wird, und nach jeder erneuten Messung der ersten Impedanz (Z1) und der zweiten Impedanz (Z2) jeweils mindestens eine Leitfähigkeitsmessung durchgeführt wird, bei der die korrigierte Potentialdifferenz (ΔUkorr) anhand der zuletzt gemessenen ersten Impedanz (Z1) und der zuletzt gemessenen zweiten Impedanz (Z2) bestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7, bei dem die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz (ΔUgem) anhand von vorab bestimmten Kompensationsdaten erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die Kompensationsdaten Kompensationsdaten umfassen, über die einem Verhältnis der ersten Impedanz (Z1) zur zweiten Impedanz (Z2) ein von einer Größe des Verhältnisses abhängiger Korrekturwert für die Korrektur der gemessenen Potentialdifferenz (ΔUgem) zugeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8 bis 9, bei dem die Kompensationsdaten: experimentell bestimmte Kompensationsdaten umfassen, anhand von mit Spannungselektroden (EU1, EU2) unterschiedlicher Güte, unterschiedlicher Oberflächenqualität und/oder unterschiedlicher Oberflächenreinheit mit dem Leitfähigkeitssensor in einem oder mehreren Referenzmedien mit bekannter Leitfähigkeit durchgeführten Referenzmessungen bestimmte Kompensationsdaten umfassen, und/oder numerisch bestimmte Kompensationsdaten umfassen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 10, mit in das Medium eintauchbaren, die erste Stromelektrode (EI1), die zweite Stromelektrode (EI2), die erste Spannungselektrode (EU1) und die zweite Spannungselektrode (EU2) umfassen Elektroden, einem Signalgenerator (7) zur Erzeugung von Wechselsignalen, einer an den Signalgenerator (7) angeschlossenen Schaltvorrichtung (9), über die der Signalgenerator (7) in einem ersten Schaltzustand an die erste Stromelektrode (EI1), in einem zweiten Schaltzustand an die erste Spannungselektrode (EU1) und in einem dritten Schaltzustand an die zweite Spannungselektrode (EU2) angeschlossen ist, eine Impedanzmesseinrichtung (25), die dazu ausgebildet ist: die erste Impedanz (Z1) zu messen, während mittels des Signalgenerators (7) und der im zweiten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung (9) ein Wechselsignal über einen über die erste Spannungselektrode (EU1) durch das Medium (5) zur zweiten Stromelektrode (EI2) verlaufenden ersten Signalpfad in das Medium eingeleitet wird, und die zweite Impedanz (Z2) zu messen, während mittels des Signalgenerators (7) und der im dritten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung (9) ein Wechselsignal über einen über die zweite Spannungselektrode (EU2) durch das Medium (5) zur zweiten Stromelektrode (EI2) verlaufenden zweiten Signalpfad in das Medium (5) eingeleitet wird, und einer an die erste Spannungselektrode (EU1) und die zweite Spannungselektrode (EU2) angeschlossene Messeinrichtung (15), die dazu ausgebildet ist: eine zwischen der ersten Spannungselektrode (EU1) und der zweiten Spannungselektrode (EU2) anliegende Potentialdifferenz zu messen während mittels des Signalgenerators (7) und der im ersten Schaltzustand betriebenen Schaltvorrichtung (9) ein Wechselsignal über die erste Stromelektrode (EI1) in das Medium (5) eingeleitet wird, anhand der gemessenen Potentialdifferenz (ΔUgem), der ersten Impedanz (Z1) und der zweiten Impedanz (Z2) die korrigierte Potentialdifferenz (ΔUkorr) zu bestimmen, und anhand der korrigierten Potentialdifferenz (ΔUkorr) die gemessene Leitfähigkeit (ρ_gem) zu bestimmen und zur Verfügung zu stellen.
Konduktiver Leitfähigkeitssensor gemäß Anspruch 11, bei dem die Impedanzmesseinrichtung (25): eine zwischen dem Signalgenerator (3) und der Schaltvorrichtung (5) angeordnete Messeinrichtung (27) umfasst, die dazu ausgebildet ist, eine von einer Pfadimpedanz (ZR1) des ersten Signalpfads abhängige erste elektrische Größe (11) und eine von einer Pfadimpedanz (ZR2) des zweiten Signalpfads abhängige zweite elektrische Größe (12) zu messen, und eine an die Messeinrichtung (27) angeschlossene Signalverarbeitungseinrichtung (29) umfasst, die dazu ausgebildet ist anhand der ersten elektrischen Größe (11) die erste Impedanz (Z1) und anhand der zweiten elektrischen Größe (12) die zweite Impedanz (Z2) zu bestimmen.