DE4217658B4 - Sensor zur Feststellung der Neigung und Verfahren zur Bestimmung einer Neigung - Google Patents

Abstract

Sensor zur Feststellung der Neigung einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, wobei der Sensor eine Meßzelle mit der darin befindlichen Flüssigkeit, zwei in der Meßzelle angeordnete Außenelektroden (1a, 3a) zur Stromführung und eine dazwischen in der Meßzelle angeordnete Mittelelektrode (2ab) zur Potentialmessung aufweist, wobei das Potential der Mittelelektrode (2ab) als Neigungssignal auswertbar ist, wobei die Elektroden (1a, 2ab, 3a) von der Flüssigkeit ganz bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zusätzlich mindestens zwei den Außenelektroden (1a, 3a) zugeordnete, benachbart und definiert zu diesen angeordnete Hilfselektroden (1b, 3b) zur Potentialmessung aufweist, die zwischen den Außenelektroden (1a, 3a) angeordnet sind und ebenfalls von der Flüssigkeit ganz bedeckt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kombination von Sensordesign und elektronischer Signalverarbeitung zur Ausschaltung des Temperaturkoeffizienten bei konduktiven Neigungssensoren mit planar aufgebrachten Elektroden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensor zur Feststellung der Neigung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Neigung mittels eines Sensors.
• Die elektrolytischen Neigungssensoren sind im allgemeinen so aufgebaut, daß sich in einem Behälter eine Flüssigkeit mit einem Lufteinschluß befindet. Auf dem Boden, an den Wänden oder an der Decke des Behälters sind Elektroden aufgebracht, die ständig oder in Abhängigkeit der Naigung des Behälters mit der Flüssigkeit in Kontakt sind. Die Elektroden sind so angeordnet, daß man im allgemeinen zwei sich gegensätzlich ändernde Impedanzen erhält, eine gegensinnige Halbbrücke (1).
• In diese Halbbrücke wird üblicherweise ein sinusförmiges oder rechteckförmiges Wechselspannungsignal eingekoppelt, so daß an der Brückenmitte das vom Neigungswinkel abhängige Signal anliegt. Dieses Signal wird dann verstärkt und phasenabhängig gleichgerichtet.
• Es gibt auch die Möglichkeit, in die Brückenmitte eine konstante Wechselspannung oder -strom einzuspeisen, wodurch eine Stromaufteilung in zwei vom Neigungswinkel abhängige Teilströme erfolgt, die dann über zwei Strom/Spannungswandler, Gleichrichter und einen Subtrahierer in eine dem Winkel proportionale Spannung gewandelt werden.
• Das Grundproblem bei den elektrolytischen Neigungssensoren sind die Übergangswiderstände von den metallischen Elektroden zur Flüssigkeit, der Polarisationsfehler. Dieser ist von der Grundleitfähigkeit, der Temperatur, der Art der Ionen, der Stromdichte, der Zellkonstante, der Elektrodenfläche, des Elektrodenmaterials, der Signalform, der Signalamplitude und der Meßfrequenz abhängig. Das elektrische Ersatzschaltbild einer elektrolytischen Neigungsmeßzelle ist in 2 veranschaulicht. Dabei stellt R_k den Kabelwiderstand und C_k die Kabelkapazität dar. Der Übergangswiderstand von der Elektrode in die Flüssigkeit, der den Polarisationswiderstand darstellt, setzt sich aus einem ohmschen Widerstand R_p, der Polarisationskapazität C_p und der differentiellen Kapazität C_d zusammen. Die dem Neigungswinkel entsprechenden Widerstände R_l und R_r sollen nun möglichst genau gemessen werden.
• Es werden deshalb verschiedene Anstrengungen unternommen, um diesen Polarisationsfehler relativ klein zu halten. Dabei wird die Leitfähigkeit der Flüssigkeit verringert, um das Verhältnis zwischen Polarisationsfehler und Wirkwiderstand möglichst groß zu halten. Auch durch das Betreiben der Meßzelle mit verschiedenen Signalformen und hohen Meßfrequenzen läßt sich der Polarisationsfehler verringern. Ein erhebliches Problem stellt jedoch der Temperaturkoeffizient der Flüssigkeit dar, der je nach Ionenart und Leitfähigkeit zwischen 2,5...6%/K liegt. Das heißt, das sich bei einer Temperaturerhöhung um 35K die Leitfähigkeit schon verdoppelt hat. Bei den in der Industrie üblichen Temperaturbereichen von –40...+85°C wird damit an die Signalverarbeitung hohe Anforderungen gestellt. Die auftretenden Fehler sollen an 3 verdeutlicht werden:
  Steigt zum Beispiel die Temperatur der Flüssigkeit in der Meßkammer der Neigungsmeßzelle, so erhöht sich der Polarisationsfehler an den Widerständen R_p1, R_p2 und R_p3. Die Größe des Widerstandes ist aber auch von der Stromdichte abhängig, daß heißt, der in Reihe liegende Polarisationswiderstand ist auch von der verwendeten Schaltungsart abhängig. So ist zum beispiel R_p2 wesentlich kleiner als R_p1 und R_p3, wenn an der Brückenmitte das Meßsignal hochohmig ausgekoppelt wird. Sitzt allerdings an der Brückenmitte ein Strom/Spannungswandler, so ist R_p2 auch nicht zu vernachlässigen.
• Unter der Voraussetzung, das die Polarisationswiderstände R_p1, R_p2 und R_p3 exakt gleich groß sind, ergibt sich durch die Reihenschaltung dieser Widerstände in die Brücke eine Verringerung der Empfindlichkeit des Sensors bei ansteigender Temperatur. R(L) * = R(L) + R(P1) R(R) * = R(R) + R(P3)
• Da in der Praxis jedoch die Polarisationswiderstände nicht gleich groß sind und viele Sensoren den Neigungswinkel durch die Größe der Benetzungsfläche der Elektroden bestimmen, kommen somit noch weitere Unsicherheiten hinzu, die dann zusätzlich zur Steilheitsänderung der Kennlinie auch noch eine Verschiebung dieser bewirken. Ursachen dafür können auch Verschmutzungen der Elektrodenoberflächen oder Ionenanlagerung durch unsymmetrische Wechselspannungssignale sein.
• Die GB-PS 933,715, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart einen Neigungssensor mit einer Meßzelle. Die Meßzelle ist teilweise mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt und weist drei Elektroden – eine Mittelelektrode und zwei Außenelektroden – auf. Die Widerstände zwischen der Mittelelektrode und den beiden Außenelektroden variieren jeweils in Abhängigkeit von der Neigung. Diese Widerstände können über eine geeignete Brückenschaltung, insbesondere eine Wechselstrombrücke einschließlich eines Verstärkers, gemessen werden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren anzugeben, so daß Polarisationsfehler vermieden werden.
• Die obige Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Durch das Anbringen von Hilfselektroden kann man ähnlich dem 4-Leiter-Meßprinzips in der Widerstandsmeßtechnik die auftretenden Übergangswidertände von dem eigentlichen Meßwiderstand trennen. Vorzugsweise bringt man dazu in der Nähe der Außenelektroden zwei oder mehere Hilfselektroden an. Nun läßt sich der Spannungsabfall von der Außenelektrode in die Lösung messen und diesen Wert kann man dann in die Korrekturrechnung für das Meßergebnis einfließen lassen. Dieses Meßverfahren kann sowohl bei einer Konstantspannungs- oder aber auch Konstantstromspeisung verwendet werden.
• Vorteilhafter und Inhalt der Erfindung ist die Überlegung, die zusätzlich in einem definierten Abstand zu den Außenelektroden, symmetrisch und vorzugsweise zwischen den Außenelektroden liegenden Hilfselektroden auf genau dem Spannungspotential zu halten, mit dem der Sensor betrieben werden soll. Das bedeutet, wenn durch einen hochohmigen Abgriff über die Hilfselektrode, die an definierten Punkten in. der Leitfähigkeitszelle liegt, die Spannung entsprechend den Spannungsvorgaben anliegt, so bildet sich in der Flüssigkeit von der linken Hilfselektrode über die Mittelelektrode bis zur rechten Hilfselektrode ein Spannungsabfall aus, der exakt der vorgegebenen Brückenspannung entspricht. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten Meßverfahren liegt in der Flüssigkeit zwischen zwei durch die Position der Hilfselektroden definierten Punkten die genaue Brückenversorgungsspannung an. Durch die Potentialmessung an der Mittelelektrode kann nun die Änderung des Widerstandsverhältnisses der beiden gegensinnigen Brückenzweige unabhängig von Effekten wie Polarisations-, Verschmutzungs- und Temperaturfehlern an den den Strom in die Flüssigkeit einprägenden Elektro- den abgegriffen werden. Die Spannung an den stromführenden Elektroden ist dabei unwesentlich, wichtig ist nur, daß ihr Arbeitsbereich so groß ist, daß an der Hilfselektrode die vorgegebene Spannung anliegt.
• Damit bleiben die Abklingzeitkonstanten der Grenzschicht zwischen den stromführenden Elektroden, die ja auch einen kapazitiven Charakter besitzt, wirkungslos auf das Meßergebnis. Auch die Änderung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit in den Grenzen der Dimensionierung der Elektronik und damit natürlich auch der Temperaturkoeffizient haben keinen Einfluß mehr auf das Meßsignal. Das bedeutet, das auch Langzeiterscheinungen wie die Änderung der Grundleitfähigkeit der Flüssigkeit, die Verschmutzung der Elektroden oder die Anlagerung von Ionen keinen Einfluß auf die Meßwerte des Sensors haben.
• Bezugnehmend auf das Patent DE 40 36 262 A1 wird nun die Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Dazu werden in der Nähe der Außenelektroden zwei Hilfselektroden angebracht. Damit ergibt sich der in 4 gezeigte Aufbau. Die Außenelektroden (1.a, 3.a) sind die stromführenden Elektroden, während die Mittelelektrode (2.ab) und die hinzugekommenen Hilfselektroden (1.b, 3.b) die Abgreifelektroden darstellen. Die. beiden Elektroden (1.b, 3.b) sollten dabei möglichst nah an den stromführenden Elektroden angebracht sein. Da bei dem Meßverfahren in Patent DE 4036262 die Elektroden ständig mit Flüssigkeit bedeckt sind, läßt sich eine Regelung aufbauen, die den Übergangswiderstand, also den als Polarisationswiderstand bezeichneten Widerstand, eleminiert. Dazu werden die Elektroden 1.b und 3.b jeweils auf den Eingang eines Reglers rückgeführt, dessen Sollspannung eine Wechselspannung mit einer beliebigen Signalform, vorzugsweise eine Rechteck oder Sinusspannung mit einer Frequenz von 20Hz bis 40kHz, ist. Die Ausgänge der beiden Regler RE1 und RE2 werden auf die stromführenden Elektroden 1.a und 3.a geführt. Der Regler für das Elektrodenpaar 3.a und 3.b erhält als Sollregelspannung die um 180° phasengedrehte Sollregelspannung vom Regler für die Elektroden 1.a und 1.b. Die Regelstrecke ist nun der Abschnitt in der Meßzelle zwischen den Elektroden 1.a und 1.b bzw. 3.a und 3.b mit zwei Übergängen von der Elektrode in die Flüssigkeit. Dabei fließt aber nur über den Übergang Elektrode 1.a-Flüssigkeit bzw. 3.a-Flüssigkeit ein Arbeitsstrom, während die Elektroden 1.b und 3.b nur als Potentialelektroden dienen. Der Eingang des Reglers für die Elektroden 1.b und 3.b muß deshalb möglichst hochohmig ausgeführt sein. An der Mittelelektrode kann nun die dem Winkel proportionale Wechselspannung abgegriffen werden, wobei dieser Abgriff ebenfalls hochohmig ausgeführt sein sollte. Durch eine phasenrich- tige Gleichrichtung, zum Beispiel getaktet durch die Sollregelspannung der beiden Regler, erhält man eine vorzeichenbehaftete Gleichspannung, die exakt dem Neigungswinkel zugeordnet werden kann.
• Grundsätzlich kann man sagen, daß bei ausreichender Dimensionierung der Spannungs- oder auch Stromregelung der Außenelektroden sich durch diese der Erfindung zu Grunde liegende Kombination des Sensordesigns und der Elektronik alle spezifischen Fehler der Messung der Leitfähigkeit, die bei der Messung des Neigungswinkels in einer elektrolytischen Meßzelle auftreten, im Rahmen der Auflösung einer solchen Meßzelle kompensiert werden können.

Claims (9)

1. Sensor zur Feststellung der Neigung einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, wobei der Sensor eine Meßzelle mit der darin befindlichen Flüssigkeit, zwei in der Meßzelle angeordnete Außenelektroden (1a, 3a) zur Stromführung und eine dazwischen in der Meßzelle angeordnete Mittelelektrode (2ab) zur Potentialmessung aufweist, wobei das Potential der Mittelelektrode (2ab) als Neigungssignal auswertbar ist, wobei die Elektroden (1a, 2ab, 3a) von der Flüssigkeit ganz bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor zusätzlich mindestens zwei den Außenelektroden (1a, 3a) zugeordnete, benachbart und definiert zu diesen angeordnete Hilfselektroden (1b, 3b) zur Potentialmessung aufweist, die zwischen den Außenelektroden (1a, 3a) angeordnet sind und ebenfalls von der Flüssigkeit ganz bedeckt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (1b, 3b) jeweils auf einer Äquipotentialfläche des sich in der Flüssigkeit bei Stromzuführung ausbildenden Stromlinienfeldes angeordnet sind.
3. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (1b, 3b) symmetrisch zwischen den Außenelektroden (1a, 3a) angeordnet sind.
4. Vorrichtung zur Messung der Neigung mit einem konduktiven Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Außenelektroden (1a, 3a) und die Mittelelektrode (2ab) des Sensors gegensinnige Halbbrücken bilden, und wobei im Betrieb des Sensors mit einer Wechselspannung beliebiger Signalform der Spannungsabfall zwischen stromführender Außenelektrode (1a, 3a) und zugeordneter Hilfselektrode (1b, 3b) gemessen wird und dieser dem Polarisationsfehler entsprechende Spannungsabfall in die Korrekturrechnung für das Meßergebnis als Spannung oder Zahlenwert einfließt.
5. Vorrichtung zur Messung der Neigung mit einem konduktiven Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mit einer Regelelektronik, die zwei Regler (RE1, RE2) aufweist, wobei zwischen der Außenelektrode (1a, 3a) und der zugeordneten Hilfselektrode (1b, 3b) jeweils ein Regler (RE1, RE2) derart geschaltet ist, daß ein Ausgang an die zugeordnete Außenelektrode (1a, 3a) und ein invertierender, hochohmiger Eingang an die zugeordnete Hilfselektrode (1b, 3b) angeschlossen ist, wobei der nicht invertierende Eingang des einen Reglers (RE1) an eine Sollwechselspannung und der nicht invertierende Eingang des anderen Reglers (RE2) an die um 180° phasengedrehte Sollwechselspannung angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung derart ausgebildet ist, daß die als Funktion des Neigungswinkels an der Mittelelektrode (2ab) abfallende Spannung hochohmig abgegriffen und gleichgerichtet wird und somit als dem Neigungswinkel proportionale, vorzeichenbehaftete Spannung, die frei von Polarisationsfehlern ist, zur Verfügung steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Mittelelektrode (2ab) abfallende Spannung phasenrichtig gleichgerichtet wird, wobei die Taktung aus der Sollwechselspannung abgeleitet wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollwechselspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 20 Hz bis 40 kHz und beliebiger Signalform, vorzugsweise Rechteck oder Sinus, ist.
9. Verfahren zur Bestimmung einer Neigung mittels eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Meßzelle mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit, mit zwei in der Meßzelle angeordneten Außenelektroden, mit definierten zu den Außenelektroden angeordneten Hilfselektroden, wobei die Hilfselektroden auf einer Spannung gehalten werden, mit der der Sensor betrieben wird, und hochohmig abgegriffen werden, wobei die Außenelektroden die stromführenden Elektroden sind, und mit einer Mittelelektrode, wobei sich in der Flüssigkeit von der einen Hilfselektrode über die Mittelelektrode zur anderen Hilfselektrode ein Spannungsabfall ausbildet, der einer vorgegebenen Brückenspannung entspricht, und wobei das Potential der Mittelelektrode hochohmig gemessen und als Neigungssignal ausgewertet wird.