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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Mediums mittels einer Messsonde, welche zumindest eine erste Elektrode aufweist. Das Medium befindet sich in einem Behältnis, welches beispielsweise ein Behälter oder eine Rohrleitung sein kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.
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Die elektrische Leitfähigkeit eines Mediums kann beispielsweise mittels einer Leitfähigkeitsmesszelle ermittelt werden, wie beispielsweise in der
EP0990894A2 beschrieben, oder auch mittels eines induktiven Sensors.
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Aber auch auf dem kapazitiven und/oder konduktiven Messprinzip beruhende Feldgeräte, welche häufig auch zur Bestimmung und/oder Überwachung eines Füllstands oder Grenzstands verwendet werden, eignen sich zur Bestimmung der Leitfähigkeit eines Mediums. Derartige kapazitive bzw. konduktive Messgeräte weisen typischerweise eine im Wesentlichen zylindrische Messsonde mit zumindest einer Elektrode auf, welche zumindest teilweise in ein Behältnis eingebracht wird. Einerseits sind, insbesondere zur kontinuierlichen Füllstandsmessung, vertikal in den Behälter hineinreichende stabförmige Messsonden weitverbreitet. Zur Erkennung eines Grenzstandes sind jedoch auch in die Seitenwandung eines jeweiligen Behälters einbringbare Messsonden und insbesondere auch solche, welche im Wesentlichen frontbündig mit der Behälterwandung abschließen, bekannt geworden.
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Während des herkömmlichen Messbetriebs wird die Messsonde, insbesondere eine Sendeelektrode der Messsonde, mit einem Anregesignal, in der Regel in Form eines Wechselstromsignals, beaufschlagt. Aus dem von der Messsonde empfangenen Antwortsignal kann anschließend die jeweilige Prozessgröße bestimmt werden. Gemäß dem kapazitiven Messprinzip wird die Abhängigkeit des Antwortsignals von der Kapazität einer ersten Elektrode der Messsonde und der Wandung des Behälters oder einer weiteren Elektrode der Messsonde gebildeten Kondensators herangezogen, um die jeweilige Prozessgröße zu ermitteln. Je nach Leitfähigkeit des Mediums bildet entweder das Medium selbst oder eine Isolierung der Messsonde das Dielektrikum dieses Kondensators.
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Zur Auswertung des von der Messsonde empfangenen Antwortsignals wird häufig eine Scheinstrommessung oder auch eine Admittanzmessung durchgeführt. Bei einer Scheinstrommessung wird der Betrag des durch die Sensoreinheit fließenden Scheinstroms gemessen. Der Scheinstrom weist jedoch einen Wirk- und einem Blindanteil auf. Daher wird im Falle einer Admittanzmessung neben dem Scheinstrom der Phasenwinkel zwischen dem Scheinstrom und der an der Messsonde anliegenden Spannung gemessen. Die zusätzliche Bestimmung des Phasenwinkels erlaubt es darüber hinaus ferner, Aussagen über eine mögliche Ansatzbildung zu treffen, wie beispielsweise aus der
DE102004008125A1 bekannt geworden ist.
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Beim konduktiven Messprinzip wird dagegen detektiert, ob über das jeweils bei Anwendung des konduktiven Messprinzips verwendete, leitfähige Medium ein elektrischer Kontakt zwischen einer der Elektroden und der Wandung eines leitfähigen Behälters oder der zweiten Elektrode besteht.
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Feldgeräte in Form von Multisensoren, welche sowohl in einem kapazitiven als auch in einem konduktiven Betriebsmodus arbeiten können, sind beispielsweise aus den Dokumenten
DE102011004807A1 ,
DE102013102055A1 oder
DE102014107927A1 bekannt geworden. Auch derartige Multisensoren eignen sich zur Bestimmung verschiedener medienspezifischer Eigenschaften, wie der elektrischen Leitfähigkeit, oder auch von dielektrischen Eigenschaften des Mediums, wie der Dielektrizitätskonstanten, wie beispielsweise in
DE102013104781A1 beschrieben.
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Problematisch bei der Leitfähigkeitsbestimmung in der Prozessmesstechnik sind unter anderem Isolationsschichten, welche sich im Bereich der verwendeten Elektroden bilden können. Aber auch andere Ablagerungen auf den Elektrodenoberflächen können ähnliche Probleme hervorrufen.
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Eine Reduktion des sich durch derartige Schichten ergebenden Messfehlers kann beispielsweise durch die Verwendung von Wechselsignalen, eine Erhöhung der Frequenz des Anregesignals und/oder einer Reduktion eines Messstroms erreicht werden. Alternativ oder ergänzend ist es ebenfalls bekannt geworden, die Elektroden zumindest teilweise Graphit oder aus Platin herzustellen, bzw. platinierte Elektroden zu verwenden.
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Derartige Maßnahmen schränken allerdings die Signalauswertung häufig ein oder machen entsprechende Sensoren vergleichsweise teuer.
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Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfach und genaue Möglichkeit zur Bestimmung und/oder Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1, sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8.
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Bezüglich des Verfahrens wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Leitfähigkeit eines Mediums mittels einer Messsonde, welche zumindest eine Elektrode aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:
- Beaufschlagen der Messsonde mittels eines Anregesignals,
- Empfangen eines Empfangssignals von der Messsonde,
- Ermitteln eines ohmschen Anteils des Empfangssignals, und Bestimmen der Leitfähigkeit des Mediums anhand des ohmschen Anteils des Empfangssignals.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auf alle Arten von Messsonden, welche sich für das kapazitive und/oder konduktive Messverfahren eignen, angewendet werden. Die Messsonde kann dabei eine oder mehrere Elektroden mit unterschiedlichen Funktionen aufweisen, wie beispielsweise eine Sendeelektrode, eine Empfangselektrode, eine Masseelektrode und/oder eine Guardelektrode. Auch kann dieselbe Elektrode unterschiedliche Funktionen haben.
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Erfindungsgemäß dient die zumindest eine Elektrode als Sendeelektrode und eine Behälterwandung oder eine optionale zweite Elektrode wird als Masseelektrode verwendet. Die zweite Elektrode kann zumindest zeitweise auch als Empfangselektrode dienen.
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Durch die Ermittlung des ohmschen Anteils des Empfangssignals kann ein Einfluss aufgrund von Isolations- und/oder anderen Schichten bzw. Ablagerungen auf der zumindest einen Elektrode auf das Empfangssignal eliminiert bzw. reduziert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es entsprechend möglich, einen einfachen Sensor, beispielsweise mit einer Edelstahlelektrode oder ähnlichem, zu verwenden und zwar ohne Einbußen in der Messgenauigkeit aufgrund von Ablagerungen, insbesondere isolierend wirkenden Ablagerungen bzw. isolierenden Ablagerungen, und/oder von Polarisationsschichten. Darüber hinaus kann der Anwendungsbereich deutlich erhöht werden, da keine besonderen Anforderungen an das Anregesignal, wie z. B. eine hohe Frequenz, gestellt werden müssen.
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In einer Ausgestaltung wird die Messsonde in einem kapazitiven und/oder in einem konduktiven Betriebsmodus betrieben. Die Messsonde weist in diesem Falle vorzugsweise zumindest zwei Elektroden auf. In den beiden Betriebsmodi können vorteilhaft weitere Prozessgrößen des Mediums ermittelt werden.
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Beispielsweise kann es sich in diesem Fall auch um einen Multisensor handeln, welcher sowohl zur kapazitiven als auch zur konduktiven Prozessgrößenbestimmung geeignet ist. Dabei können beide Betriebsmodi abwechselnd, gleichzeitig oder jeweils zu vorgebbaren Zeitpunkten durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise möglich, das Anregesignal aus zwei Teilsignalen zusammenzusetzen. Dabei kann ein erstes Teilsignal zur Verwendung mit dem kapazitiven Messmodus und ein zweites Teilsignal zur Verwendung mit dem konduktiven Messmodus gewählt werden. In diesem Zusammenhang sei insbesondere auch verwiesen auf
DE102014107927A1 verwiesen, auf welche im Rahmen dieser Anmeldung Bezug genommen wird, und welche die Verwendung eines aus zwei Teilsignalen zusammengesetzten Anregesignals zur Realisierung eines kapazitiven und konduktiven Multisensors beschreibt.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn zusätzlich ein Füllstand oder Grenzstand des Mediums in dem jeweiligen Behältnis ermittelt wird. Außerdem können beispielsweise auch dielektrische Eigenschaften des Mediums, beispielsweise eine Dielektrizitätskonstante bestimmt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beinhaltet, dass das Empfangssignal als Funktion der Zeit aufgenommen wird. Durch die Aufzeichnung als Funktion der Zeit kann die Auswertung des Empfangssignals hinsichtlich der Leitfähigkeit deutlich verbessert werden.
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Das Anregesignal kann beispielsweise ein Sinussignal, ein Dreiecksignal, oder ein Trapezsignal sein.
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Es ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn für das Anregesignal ein Rechtecksignal verwendet wird. Die Verwendung eines Rechtecksignals als Anregesignal bietet in Bezug auf die Bestimmung des ohmschen Anteils des Empfangssignals besondere Vorteile, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
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In Bezug auf die Verwendung eines Rechtecksignals für das Anregesignals ist es ferner von Vorteil, wenn ein erster Zeitpunkt ermittelt wird, zu welchem das Empfangssignal eine Stufe von einem ersten, insbesondere einem Maximalwert oder Minimalwert, auf einen zweiten Wert aufweist, und wobei die Differenz des ersten und zweiten Werts ermittelt wird. Das Empfangssignal als Funktion der Zeit weist also einen Sprung bzw. eine Stufe auf, welche detektiert bzw. ermittelt wird. Die Höhe der Stufe kann dann für die weitere Signalauswertung herangezogen werden.
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So ist es ferner von Vorteil, wenn anhand der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert, also anhand der Höhe der Stufe, der ohmsche Anteil des Empfangssignals ermittelt wird. Dieser ohmsche Anteil des Empfangssignals ist frei von Effekten aufgrund von Isolationsschichten oder anderen Ablagerungen auf der jeweiligen Elektrodenoberfläche.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Leitfähigkeit eines Mediums mit einer Messsonde, welche zumindest eine Elektrode aufweist, welche Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, das erfindungsgemäße Verfahren nach zumindest einer der beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.
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Die Vorrichtung kann insbesondere analog zu der in
DE102014107927A1 beschriebenen Vorrichtung, insbesondere mit Hinblick auf die Elektronik, ausgestaltet sein.
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Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen.
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Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren 1 bis 4 genauer beschrieben. Es zeigt:
- 1: beispielhaft schematische Darstellungen für eine Messsonde zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
- 2: ein Blockdiagramm für eine Elektronik gemäß Stand der Technik;
- 3: ein Blockschaltbild zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 4: (a) ein rechteckförmiges Anregesignal sowie (b) ein entsprechendes Empfangssignal als Funktion der Zeit.
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In 1a ist eine beispielhafte Ausgestaltung für eine Messsonde 1 eines Feldgeräts V gezeigt, mittels welcher im kapazitiven oder konduktiven Messverfahren eine Prozessgröße überwacht werden kann. Die Messsonde 1 ist in einem Behälter 2 angeordnet, welcher zumindest teilweise mit einem Medium 3 gefüllt ist. In diesem Fall ragt sie von der Oberseite des Behälters in diesen hinein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Messsonde 1 in anderen Ausgestaltungen auch so ausgestaltet sein kann, dass sie mit der Wandung des Behälters 3 abschließt.
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Die Messsonde 1 selbst setzt sich im vorliegenden Beispiel aus zwei Elektroden, einer ersten Elektrode 4 und einer zweiten Elektrode 5 zusammen, welche der Vermeidung von Bildung von Ansatz dient. Die Behälterwandung bildet ferner eine Masseelektrode 6. Die Messsonde 1 ist ferner mit einer Elektronik 8 verbunden, welche zur Signalerfassung, - auswertung und/oder-speisung verantwortlich ist. Insbesondere ermittelt die Elektronik 8 anhand der Empfangssignale die jeweilige Prozessgröße.
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In 1b ist eine Schnittdarstellung einer Messsonde 1 mit drei Elektroden 4,5,6 gezeigt. Die Elektroden 4,5,6 sind durch Isolierungen 7a,7b elektrisch voneinander getrennt und umgeben sich konzentrisch. Eine derartige Ausgestaltung für eine Messsonde 1 ist insbesondere für eine frontbündig mit der Behälterwandung abschließenden Messsonde 1 vorteilhaft.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich auch die Verwendung einer Messsonde 1 mit einer einzigen Elektrode 4 möglich. In diesem Fall kann beispielsweise die Behälterwandung eine Masseelektrode bilden.
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In
2 ist ein Blockdiagramm einer Elektronik 8 gezeigt, mittels welcher die Messsonde 1 sowohl im kapazitiven als auch im konduktiven Betriebsmodus betrieben werden kann. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung keineswegs auf eine derartige Elektronik 8 beschränkt ist, sondern dass die gezeigte Ausführung lediglich ein mögliches Beispiel für eine geeignete Elektronik 8 darstellt. Die Elektronik 8 aus
2 entspricht der in
DE102014107927A1 beschriebenen Elektronik.
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Die Elektronik 8 umfasst einen Mikrocontroller 9 und gliedert sich in einen Bereich zur Erzeugung des Sendesignals 10a aus unterschiedlichen Teilsignalen und in einen Bereich zur Auswertung der von den jeweiligen Teilsignalen abhängigen Empfangssignale 10b.
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Zur Erzeugung eines Sendesignals in Form eines Rechtecksignals für den konduktiven Betriebsmodus dienen zwei Spannungsteiler 11,11a, ein niedrigohmig dimensionierter Spannungsteiler (R1/R2) 11 für hochleitfähige Medien und ein hochohmig dimensionierter (R3/R4) 11a für geringfügig leitfähige Medien. Die Taktung dieser beiden Spannungsteiler 11,11a erfolgt über entsprechende Port-Ausgänge 12,12a des Mikrocontrollers 9. Über einen weiteren Port-Ausgang des Mikrocontrollers 12b wird in dem hier gezeigten Beispiel ein Sendesignal für den kapazitiven Betriebsmodus eine Dreieckspannung gewählt, welche über den Integrationsverstärker (Block A) 13 generiert wird.
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Der Bereich zur Auswertung der von den jeweiligen Teilsignalen abhängigen Empfangssignale 10 umfasst die Blöcke B bis D, welche alle drei Operationsverstärker umfassen. Um den Einfluss von parasitären Effekten und durch Ansatzbildung an der Messsonde 1 zu minimieren, kann ferner die Guardtechnik gemäß der
DE00102008043412A1 angewendet werden.
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Block B 14 beinhaltet einen Verstärker, der das Referenzsignal, in diesem Falle die Guardspannung, an den Analog-Digital-Wandler (ADC) 15 des Mikrocontrollers 9 zur Verfügung zu stellen. B 14 kann ebenfalls dazu verwendet werden, mindestens eine Leiterplatte zu schirmen.
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Auch Block C 16 umfasst einen Verstärker, welcher dafür verantwortlich ist, das Empfangssignal an den ADC 15 zu liefern. Daneben ist ein Messwiderstand 17 vorgesehen, mit welchem die Differenz der Spannungen an der Sendeelektrode und Guardelektrode bestimmbar ist.
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Zur Auswertung des aus der kapazitiven Messung gewonnen Empfangssignals wird zusätzlich Block D 18 benötigt, welcher einen Differenzverstärker umfasst, um die beiden Empfangssignale von der Sende- und Guardelektrode voneinander zu subtrahieren und zu verstärken. Dies geschieht über den Messwiderstand 17. Die Differenz der beiden Empfangssignale ist direkt proportional zur Kapazität an der Messsonde 1. Mit einer derartigen Elektronik 8 ist eine Messauflösung von wenigen Femtofarad möglich.
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Darüber hinaus sind im Blockschaltbild aus 2 vier Entkoppelungskondensatoren 19,19a,19b,19c zu sehen, welche die Gleichspannungsteile aus den jeweiligen Signalen filtern. Schließlich ist noch die ESD-Schutzschaltung 20 gezeigt. Ferner kann auch eine, hier nicht dargestellte, Offset-Kompensation durchgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit lässt sich anhand des Blockschaltbildes aus 3 näher erläutern. Eine Messsonde 1 mit einer Elektrode 4 wird mit Anregesignal A beaufschlagt und das Empfangssignal E wird mittels des Bereichs 10b zur Auswertung der Empfangssignale ausgewertet.
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Das Blockschaltbild umfasst ferner ein Ersatzschaltbild für eine, hier vereinfacht durch einen Widerstand dargestellte Impedanz Z1 der Elektrode 4, sowie eine Impedanz Z2 von ggf. vorhanden Isolierschichten und/oder anderen Ablagerungen im Bereich der Elektrode 4, welche durch eine Parallelschaltung einer Kapazität C und eines Widerstands R gegeben ist. Mittels der vorliegenden Erfindung wird der ohmsche Anteil des Empfangssignals E bestimmt, um die Leitfähigkeit des Mediums 3 zu bestimmen.
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Eine beispielhafte Möglichkeit zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Empfangssignals E im Falle eines rechteckförmigen Anregesignals A ist in 4 illustriert. 4a zeigt das Anregesignal A als Funktion der Zeit t und 4b zeigt drei verschiedene Empfangssignale E1-E3 als Funktion der Zeit t.
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Im Falle, dass keine Isolationsschichten und/oder Ablagerungen auf der Elektrode 4 vorhanden sind, ergibt sich als Empfangssignal E1 ebenfalls ein Rechtecksignal und aus der Höhe der Stufen EO1 zu den vorgebbaren Zeitpunkten ts jeweils von einem Maximalwert oder Minimalwert ausgehend kann auf dessen ohmschen Anteil Eo und damit auf die Leitfähigkeit des Mediums 3 geschlossen werden.
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Für den Fall des geringfügigen Vorhandenseins von Isolationsschichten und/oder Ablagerungen auf der Elektrode 4 kommt es zu einem Empfangssignal E2, welches ansteigende und absteigende Flanken und Sprünge bzw. Stufen zu den vorgebbaren Zeitpunkten ts aufweist. Die Höhe dieser Sprünge bzw. Stufen EO2 von einem Maximal- bzw. Minimalwert zu jeweils einem zweiten Wert zu den vorgebbaren Zeitpunkten ts ergibt sich aus der Differenz δ zwischen dem Maximal- bzw. Minimalwert und dem zweiten Wert und ist wieder ein Maß für den ohmschen Anteil Eo und damit für die Leitfähigkeit des Mediums 3.
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Die Höhe der Sprünge bzw. Stufen im Empfangssignal E bzw. die Differenz δ, und damit Eo, nimmt mit zunehmender Isolationsschicht oder Ablagerung zu, wie anhand des Empfangssignals E3 und EO3 verdeutlicht, welches den Fall signifikanter Isolationsschichten und/oder Ablagerungen im Bereich der Elektrode 4 betreffen. Auch die Steigung der Flanken nimmt mit zunehmende Isolationsschicht und/oder Ablagerung zu.
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Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Leitfähigkeit ohne den Einfluss des Vorhandenseins von Isolationsschichten und/oder Ablagerungen im Bereich der Elektrode 4 bzw. der Elektroden 4-6 ermittelbar ist. Die Leitfähigkeit ergibt sich direkt aus dem ohmschen Anteil des Empfangssignals Eo. Bei Verwendung eines Anregesignals A in Form eines Rechtecksignals ergibt sich zudem eine besonders einfache Signalauswertung, die lediglich die Detektion von Sprüngen bzw. Stufen im Empfangssignal E erfordert. Der kapazitive Anteil des Empfangssignals E ist vernachlässigbar. Somit lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in diesem Falle auf ganz besonders einfache Art und Weise realisieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messsonde
- 2
- Behältnis
- 3
- Medium
- 4
- Erste Elektrode
- 5
- Zweite Elektrode
- 6
- Dritte Elektrode
- 7
- a,b Isolierungen
- 8
- Elektronik
- 9
- Mikrocontroller
- 10
- a,b Bereiche zur Erzeugung des Sendesignals und zur Auswertung der Empfangssignale
- 11
- 11a Spannungsteiler
- 12
- 12a Port-Ausgänge
- 13
- Block A, Integrationsverstärker
- 14
- Block B, Verstärker
- 15
- Analog-Digital-Wandler (ADC)
- 16
- Block C, Verstärker
- 17
- Messwiderstand
- 18
- Block D, Differenzverstärker
- 19
- 19a 19b 19c Entkoppelungskondensatoren
- 20
- ESD-Schutzschaltung
- A
- Anregesignal
- E
- E1, E2, E3 Empfangssignale
- Z
- Z1, Z2 Impedanzen
- EO1-EO3
- Ohmscher Anteil der Empfangssignals
- ts
- vorgebbare Zeitpunkte
- δ
- Differenz
- V
- Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0990894 A2 [0002]
- DE 102004008125 A1 [0005]
- DE 102011004807 A1 [0007]
- DE 102013102055 A1 [0007]
- DE 102014107927 A1 [0007, 0018, 0026, 0033]
- DE 102013104781 A1 [0007]
- DE 00102008043412 A1 [0036]
