DE19537059C2 - Anordnung zum berührungslosen Messen der spezifischen Leitfähigkeit wäßriger Lösungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum berührungslosen Messen der spezifischen Leitfähigkeit wäßri­ ger Lösungen mittels zweier, einen Wechselstrom kapazitiv in eine Meßzelle einprägenden, Koppelelektroden.

Anordnungen zur genauen Messung der elektrolytischen Leitfä­ higkeit wäßriger Lösungen, die ein Maß für die Konzentration von Ionen in der Lösung ist, gibt es in vielfältigsten Aus­ führungen, jedoch verwehrt der Preis der bisher verwendeten Sensoren sowie der nachfolgenden Auswerteschaltungen den breiten Einsatz in der Hausgerätetechnik.

Für Messungen zum Zwecke der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von wäßrigen Lösungen, ist es bekannt, in der Lösung einen Stromfluß durch eine angelegte Spannung zu er­ zeugen. Der gemessene Strom ist proportional zur Leitfähig­ keit der Lösung.

Im einfachsten Falle dienen hierzu zwei metallische Elektro­ den, über die eine Spannung angelegt und gleichzeitig der fließende Strom über dieselben Elektroden gemessen wird. Da jedoch in einer wäßrigen Lösung ein Stromfluß mit der Wande­ rung von Ionen verbunden ist, bilden sich an den Elektroden Abscheidungen von Ionen eines Ladungstyps, die das ursprüng­ liche Feld schwächen und das Meßsignal verfälschen. Doch nicht nur Elektrolysevorgänge wirken sich störend aus, son­ dern auch die Anwesenheit von Metallen an sich, die zu uner­ wünschten chemischen Reaktionen führt, zu denen beispielswei­ se die katalytische Wirkung von Platin zählt.

Zwecks Vermeidung dieser Nachteile sind Leitfähigkeitsmeßvor­ richtungen mit Vier-Elektroden-Anordnungen entwickelt worden. Dabei erfolgt eine Trennung in stromdurchflossene und poten­ tialgebende Elektroden nach dem bekannten Prinzip der Streu­ feldmessung. Einerseits wird über zwei sogenannte Stromelek­ troden von einer Stromquelle ein Meßstrom in den Elektrolyten eingeprägt und andererseits mittels zweier weiterer Elektro­ den, sogenannte Spannungselektroden, die in dem Elektrolyten abfallende Spannung gemessen und anschließend in einem nach­ geschalteten hochohmigen Verstärker verstärkt. Der konstruk­ tive und schaltungstechnische Aufwand ist im Vergleich zu Zwei-Elektroden-Anordnungen groß.

In stärker korrosiven Lösungen werden metallische Elektroden durch unerwünschte chemische Reaktionen stark in Mitleiden­ schaft gezogen.

Die Elektroden bekannter Meßwertaufnehmer bestehen meistens aus Graphit oder Platin. Graphit besitzt den Nachteil, daß es zum einen aufwendig ist, daraus sehr kleine Elektrodenstruk­ turen herzustellen, und daß es zum anderen, chemisch gesehen, keine hohe Beständigkeit aufweist. Die bekannten Elektroden aus Platin müssen zur Vermeidung von Polarisationseffekten platiniert werden. Daraus folgend besteht die Gefahr der schnellen Verschmutzung der Oberfläche und die Notwendigkeit, die Oberfläche regelmäßig nachzuplatinieren und vor Austroc­ knung zu schützen.

Zur Vermeidung der genannten Effekte ist bereits eine soge­ nannte "elektrodenlose" Leitfähigkeitsmessung bekannt, wobei zwischen einer induktiven und einer kapazitiven Meßmethoden unterschieden werden kann.

Bei der induktiven Methode bildet die Meßflüssigkeit in einem nichtmetallischen Rohr die Koppelschleife zwischen zwei Trans­ formatorwicklungen. Die von der Primärspule induzierte Wech­ selspannung erzeugt in der Koppelschleife einen der Leitfä­ higkeit der Flüssigkeit proportionalen Strom, dessen Stärke mit der Sekundärspule gemessen wird. Der Zusammenhang zwi­ schen Leitfähigkeit der Flüssigkeit und dem elektrischen Pri­ märsignal ist über den gesamten Leitfähigkeitsbereich linear. Diese Methode arbeitet bei Frequenzen mit maximal 500 Hz, je­ doch liegen die Nachteile im apparativen Aufwand und der un­ teren Begrenzung des Meßbereichs.

Bei der kapazitiven Methode werden metallische Elektroden auf die Außenseite einer nichtmetallischen Meßzelle aufgebracht. Infolge der nur sehr kleinen erreichbaren Kapazitäten ist ei­ ne sehr hohe Frequenz notwendig, um einen meßbaren Stromfluß in der Meßzelle zu erzeugen. Die Auswertung erfolgt über die Blind- oder die Wirkkomponente. In beiden Fällen besteht ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit und dem Meßsignal, der durch die Kapazität der Meßzelle ver­ ursacht wird. Die Messung der Blindkomponente, d. h. der Ge­ samtkapazität der Meßzelle, ist die allgemein übliche Metho­ de. Dabei wird die Dämpfung eines Hochfrequenzschwingkreises, die der Leitfähigkeit der wäßrigen Lösung proportional ist, ausgewertet. Beide Varianten weisen nur kleine Meßbereiche auf und werden in ihren Eigenschaften im wesentlichen von der Meßfrequenz charakterisiert.

Durch die genannten Nachteile und die notwendige sehr hohe Frequenz hat die kapazitive Meßmethode bisher keine große Be­ deutung in der Betriebsmeßtechnik erlangt.

Aus der DE 40 22 563 A1 ist schließlich noch ein Verfahren zur kontaktlosen Messung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit eines vorzugsweise flächenhaf­ ten Untersuchungsmaterals bekannt, in das mittels zweier Kop­ pelelektroden ein Wechselstrom kapazitiv eingekoppelt wird, wobei zunächst der Blindteil des Gesamtwiderstandes bei hoher Frequenz gemessen und daraus die Streukapazität zwischen den Koppelelektroden bestimmt wird, wobei zweitens der Blindteil des Gesamtwiderstandes bei niederer Frequenz gemessen und un­ ter Einbeziehung der berechneten Streukapazität die Koppelka­ pazität bestimmt wird und wobei letztlich noch der Wirkteil des Gesamtwiderstandes bei mittlerer Frequenz gemessen und daraus unter Berücksichtigung der errechneten Streu- und Kop­ pelkapazität der Widerstand des Untersuchungsmaterials be­ stimmt wird. Ermittelt werden also wiederum die Blind- und die Wirkkomponente des Gesamtwiderstandes. Verwendung findet das Verfahren zur Berechnung des elektrischen Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit von Kunststoffolien, Papierbahnen und insbesondere zur Steuerung eines Kfz-Scheibenwischers.

Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßzel­ le zur Leitfähigkeitsmessung wäßriger Lösungen zu schaffen, die auf einer rein kapazitiven Kopplung zwischen der Leitfä­ higkeitsmeßanordnung und der wäßrigen Lösung basiert, wobei Polarisatons- und Elektrolyseeffekte innerhalb der wäßrigen Lösung vermieden werden, die Koppelelektroden beständig gegen den Elektrolyten sind und Ablagerungen an den Elektroden ver­ mieden werden. Weiterhin soll die Anordnung eine analoge Aus­ wertung der Meß-ergebnisse mit geringem Schaltungs-, Meß- und Rechenaufwand erlauben, um einen kostengünstigen Einsatz in Haushaltgroßgeräten zu ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 offenbart.

Nach einem bestimmenden Merkmal der Erfindung bestehen die Koppelelektroden selbst aus rückseitig kontaktierten Folien dielektrischer Kondensatorkeramik, die, auflaminiert auf ei­ ner Trägerkeramik, gesintert werden. Spezielle, feinkristal­ lin gesinterte Kondensatorkeramik, beispielsweise keramische Massen aus Titanaten mit Perowskitstruktur, zeichnet sich be­ kanntlich durch eine extrem hohe Dielektrizitätskonstante aus, so daß eine hohe Übertragungskapazität gegen die wäßrige Lösung bei vergleichsweise kleiner Elektrodenfläche besteht, womit der Blindwiderstand bei der verwendeten Frequenz klein im Vergleich zum Elektrolytwiderstand wird. Außerdem hat fein­ kristalline Keramik den Vorteil, daß sie, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, feinpoliert eine extrem glatte Oberfläche bie­ tet und somit anlagerungsfeindlich ist, was ihr Langzeitver­ halten in wässrigen Lösungen verbessert. Weiterhin verringert sich durch die polierte Oberfläche die Ansprechzeit des Sen­ sors im Vergleich zu metallischen, beispielsweise platinier­ ten Platin-Elektroden und es tritt eine geringere Feldverzer­ rung auf. Durch Verwendung gesinterter dielektrischer Konden­ satorkeramik wird außerdem eine hohe chemische Beständigkeit der Elektroden auch in aggresiven Medien erreicht. Die Kera­ mikfolie hat vorzugsweise eine Stärke von 100 µm und ist des­ halb rückseitig auf einem Trägermaterial geeigneter Festig­ keit befestigt. Indem die Elektrodenflächen klein gehalten werden können, ist eine einfache Integration der Sensoren auf der Außenseite einer Meßzelle möglich. Dadurch werden größere Meßbereiche als bei bisherigen kapazitiven Verfahren er­ reicht, da diese aufgrund der verwendeten Frequenzen nur in kleinen Leitfähigkeitsbereichen stetige Abhängigkeiten lie­ fern und keine eindeutigen Ergebnisse bei der Wirkkomponen­ tenmethode. Auch treten aufgrund der kapazitiven Einkopplung keine Nebenschlußeffekte auf. Die Kapazität des Elektrolyten in der Meßzelle, die durch den Abstand und die wirksame Flä­ che der Elektroden sowie die Dielektrizitätskonstante der Lö­ sung beeinflußt wird, ist klein gegenüber der der Elektroden und damit deren Blindwiderstand sehr groß gegenüber dem Elek­ trolytwiderstand. Die Erfindung erlaubt eine Messung des Leit­ fähigkeitswertes in Bereichen von 0,0 mS/cm bis 20 mS/cm.

Vorteilhafterweise sind die Elektroden planparallel oder pla­ nar zueinander an oder in der Meßzelle angeordnet. Die Meß­ zelle selbst kann so gestaltet werden, daß auch strömende Medien erfaßt und ausgewertet werden können.

Die Messung erfolgt mit einer Frequenz im NF-Bereich, die da­ mit weit unter den herkömmlichen Meßfrequenzen liegt, die größer als 1 Mhz sind. Bei der gewählten Meßfrequenz ist der Blindwiderstand der kapazitiven Elektroden klein gegenüber dem Elektrolytwiderstand, aber gleichzeitig der Blindwider­ stand der elektrischen Kapazität der Meßzelle sehr groß ge­ genüber dem Elektrolytwiderstand. Außerdem verringert sich die Dielektrizitätskonstante von Titanatmassen bei Frequenzen ab ca. 100 Mhz.

Der fließende elektrische Strom durch die Elektrolytlösung wird bei konstanter Spannung über der Meßzelle mittels des Spannungsabfalls an einem Meßwiderstand ausgewertet, dessen Wert kleiner als der Elektrolytwiderstand der wäßrigen Lösung bei größter elektrischer Leitfähigkeit ist. Damit wird eine weitgehend lineare Abhängigkeit der Spannung U_M vom Elektro­ lytwiderstand erreicht. Der Spannungsabfall wird mittels ei­ nes OPV verstärkt, gleichgerichtet und kann einem Mikrokon­ troller zwecks Berechnung der spezifischen Leitfähigkeit zu­ geführt werden.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Elektrode,

Fig. 2: Eine Meßzelle mit planparalleler Elektrodenanordnung,

Fig. 3: Eine Meßzelle mit planarer Elektrodenanordnung,

Fig. 4: einen Schaltbild zur Erklärung des Stromflusses,

Fig. 5: das elektrische Ersatzschaltbild nach Fig. 4,

Fig. 6: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungs­ anordnung.

Eine Keramikfolie 1 von ca. (15 × 15) mm² in Fig. 1 ist auf ihrer Rückseite mit einem elektrischen Anschluß 2 kontaktiert und auf einem Träger 3 aus Keramik auflaminiert und gesin­ tert. Der elektrische Anschluß 2 ist vollständig isoliert ge­ genüber dem Elektrolyt. Die Oberfläche der Keramikfolie 1 ist feinpoliert.

In Fig. 2 ist eine Meßzelle M dargestellt, die in Pfeilrich­ tung von der zu messenden Elektrolytlösung durchströmt wird. Beiderseits der Meßzelle M sind die Meßelektroden E ange­ bracht.

Fig. 3 zeigt eine planare Anordnung der Meßelektroden E an einer Meßzelle M, die wiederum in Pfeilrichtung von einer zu messenden Lösung durchströmt wird. Der Abstand der Meßelek­ troden E zueinander beträgt im Beispiel 30 mm.

In Fig. 4 ist die Ausbildung der Feldlinien bei Anlegen einer konstanten Spannung U_G dargestellt. Über den Meßwiderstand R_M, an dem die Spannung U_M abfällt, wird der durch die Elek­ trolytlösung fließende elektrische Strom, welcher der spezifi­ schen elektrischen Leitfähigkeit des Elektrolyten proportio­ nal ist, gemessen.

In Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild zur Anordnung nach Fig. 4 dargestellt. Darin bezeichnet C_el die Elektrolytkapazität der Meßzelle M, R_el den Elektrolytwiderstand der Meßzelle M und C_K1, C_K2 die Einkoppelkapazitäten der Elektroden E1, E2.

Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild der Meßschaltung. Ein Fre­ quenzgenerator G liefert eine Spannung U_G = 3 V mit einer Frequenz von 20 kHz. Diese Spannung U_G wird kapazitiv über die Koppelelektroden E einer Meßzelle M eingeprägt. An dem Wechselspannungsteilerwiderstand R_M wird die Leitfähig­ keitsänderung der zu messenden Lösung ausgewertet. Die abge­ griffene Spannung, die proportional zum Stromfluß durch die Meßzelle M ist, wird in einem Operationsverstärker OPV ver­ stärkt, in einem Gleichrichter GR gleichgerichtet und einem Mikrokontroller µC zugeführt. Zusätzlich wird dem Mikrokon­ troller µC in bekannter, nicht näher dargestellter Weise ein Signal von einem weiteren Meßfühler zugeführt, das Auskunft über die Temperatur der Lösung gibt. Dies ist notwendig, da bekanntlich die elektrolytische Leitfähigkeit einer Lösung stark temperaturabhängig ist. Im Mikrokontroller µC wird un­ ter Berücksichtigung der Temperaturkompensation die Berech­ nung der Leitfähigkeit vorgenommen und das Ergebnis z. B. in einem Display D dargestellt. Der analoge Meßbereich der be­ schriebenen Anordnung umfaßt 0,0 mS/cm bis 10 (20) mS/cm. Die Anordnung ist damit geeignet, den Verschmutzungsgrad von Waschlaugen oder Spülwässern in Haushaltsgroßgeräten zu be­ stimmen.

Claims (5)

1. Anordnung zum berührungslosen Messen der spezifischen Leitfähigkeit wäßriger Lösungen mittels zweier, einen Wech­ selstrom kapazitiv in eine Meßzelle einprägenden, Koppelelek­ troden mit folgenden Merkmalen:

• a) Jede Koppelelektrode (E) besteht aus einem gebrannten Laminat einer Folie (1) dielektrischer Kondensatorkeramik, einer Metallisierungsschicht (2) und einer Trägerkeramik (3);
• b) die Trägerkeramik (3), ebenfalls ein Laminat aus Keramik­ folien, weist eine oder mehrere Durchkontaktierungen auf und dient der mechanischen Stabilität der Koppelelektrode (E);
• c) die sensorseitige Schicht der Keramikfolie (1) ist po­ liert;
• d) die Koppelelektroden (E) sind so gestaltet und angeordnet, daß die Kapazität des Elektrolyten in der Meßzelle (M) klein gegenüber der Kapazität (C_K1, C_K2) der Kop­ pelelektroden (E) ist;
• e) die Messung erfolgt mit einer Frequenz im NF-Bereich;
• f) der fließende elektrische Strom wird über den Spannungsab­ fall (U_M) an einem Meßwiderstand (R_M) ausgewertet, der auf den Meßbereich abgestimmt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E) planparallel zueinander angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E) planar zueinander angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (E) schiefwinkelig zueinander stehen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle (M) von einer wässrigen Lösung durchströmt werden kann.