DE69425160T2

DE69425160T2 - Vorrichtung zur messung von materialeigenschaft

Info

Publication number: DE69425160T2
Application number: DE69425160T
Authority: DE
Inventors: L. Brown; J. Fougere
Original assignee: Falmouth Scientific Inc
Current assignee: Falmouth Scientific Inc
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2014-12-07
Also published as: AU1335595A; WO1995016197A1; ATE194426T1; EP0733201A1; CA2177694A1; EP0733201B1; JPH09511056A; US5455513A; DE69425160D1; EP0733201A4

Description

EINLEITUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Techniken zum Messen von Eigenschaften von Materialien und insbesondere eine Technik zur Durchführung von Messungen der elektrischen Leitfähigkeit in Fluiden unter Verwendung von berührenden oder berührungslosen Sensoren.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Bei Prozeßsteuersystemen in der Industrie war es oft erforderlich, die elektrische Leitfähigkeit von Materialien, wie beispielsweise Fluiden, die in dem System verwendet werden, zu messen. In der Vergangenheit wurden diese Messungen unter Verwendung von Sensoren durchgeführt, die in eine von zwei Kategorien fallen, das heißt berührende und berührungslose Sensoren. Berührende Sensoren basieren auf dem elektrischen Kontakt der Meßelektronik mit dem Material, z. B. einem leitenden Fluid, über einen oder mehrere Sätze von Elektroden, die in dem Material in festgelegten Entfernungen voneinander positioniert sind. An einen Satz von Elektroden wird eine Spannung angelegt, und der induzierte Strom in dem Material wird entweder an den Elektroden oder alternativ über einen zweiten Satz von Elektroden gemessen, wobei der gemessene Fluß des elektrischen Stroms proportional zu der Leitfähigkeit ist. Berührungslose Sensoren verwenden zwei Induktionsspulen oder Übertrager, von denen eine bzw. einer dazu verwendet wird, in dem Material eine Spannung zu induzieren und die zweite bzw. der zweite dazu verwendet wird, den sich ergebenden Fluß von Strom, der in dem Material auftritt, zu messen.
In der Vergangenheit waren Umsetzungen derartiger Systeme, besonders wenn berührungslose Sensoren verwendet wurden, oft nicht zufriedenstellend, weil induktive Sensoren von Natur aus insbesondere beim Messen von sehr niedrigen Leitfähigkeiten weniger empfindlich sind. Außerdem haben berührungslose Sensoren nach dem Stand der Technik normalerweise sehr große physikalische Abmessungen, die notwendig sind, um die Einschränkungen kleinerer Sensorkonfigurationen hinsichtlich der Empfindlichkeit zu überwinden.
Außerdem kommt es in Systemen nach dem Stand der Technik zu Meßfehlern, die auf Fehler zurückzuführen sind, die durch die in derartigen Systemen verwendete elektronische Schaltung erzeugt werden. Normalerweise befassen sich Systeme nach dem Stand der Technik, wenn sie einen der beiden Sensortypen verwenden, nicht wirksam mit derartigen Problemen, weshalb die Genauigkeit der durch solche Systeme vorgenommenen Messungen bei vielen Anwendungen unannehmbar ist. Im Stand der Technik ist die Elektronik in der Regel, wie in Fig. 1 gezeigt, als ein "Vorwärtsglied" konfiguriert, bei dem mit einem Signalgenerator 10 eine Spannung Vi an einer Ansteuerspule 11 geregelt wird, was dazu führt, daß ein Strom Is in einem Material fließt, z. B. einer leitfähigen Lösung 12, was als Fließen in einer Schleife mit einer Lösungsleitfähigkeit I/Rs dargestellt wird, wobei dieser Strom proportional zu der Leitfähigkeit Gs der Lösung ist. Das Vorliegen des Stroms Is führt dazu, daß in der Sensorspule 13 ein Strom Im fließt, der durch ein geeignetes Strommeßgerät 14 gemessen wird und von dem sich herausstellt, daß er zu der Leitfähigkeit der Lösung proportional ist. In dieser Schaltung gibt es viele Fehlerquellen, von denen viele mit den magnetischen Eigenschaften der Übertrager in Beziehung stehen, wobei diese Fehler ihre Genauigkeit in der Vergangenheit eingeschränkt haben.
Außerdem ist aus US-A-4,370,892 ein System zum Messen einer Eigenschaft eines Fluids bekannt, das folgendes umfaßt: einen Rechteckwellengenerator, einen Sensor, Integratormittel zum Integrieren einer Komponente des Ausgangssignals des Sensors, um ein analoges Gleichstromausgangssignal zu erzeugen, und ein auf das Gleichstromausgangssignal und den zum Erregen des Sensors verwendeten Ansteuerstrom reagierendes Rückkopplungsglied. Dieses System gestattet die Kompensierung von Änderungen der Ansteuerstrompegel.
Es ist wünschenswert, ein System zu entwerfen, das Sensoren so verwenden kann, daß selbst bei relativ niedrigen Leitfähigkeitspegeln und selbst dann, wenn relativ kleine berührungslose Sensoren verwendet werden, die elektrische Leitfähigkeit mit hoher Präzision gemessen wird.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung verwendet ein System einen Sensor mit einem Material, dessen Leitfähigkeit gemessen werden soll, wobei der Sensor durch ein Ansteuersignal mit einer rechteckigen Signalwellenform angesteuert wird. Mit einem am Ausgang des Sensors (wie unten erörtert) erzeugten Fehlersignal wird ein Gleichstromsystemausgangssignal abgeleitet, das proportional zu der elektrischen Leitfähigkeit des Materials ist, wobei das Ausgangssignal, um den gewünschten Leitfähigkeitswert zu erhalten, auf geeignete Weise digitalisiert und verarbeitet werden kann, zum Beispiel durch einen entsprechenden Mikroprozessor.
Mit dem Systemausgangssignal wird ein gleichphasiges rechteckiges Rückkopplungssignal abgeleitet, das über einen geeigneten Rückkopplungsweg dem Ausgang des Sensors zugeführt wird, um an dem Sensorausgang ein Fehlersignal zu erzeugen, das die Differenz zwischen dem Strom in dem erfaßten Ausgangssignal und dem Strom in dem Rückkopplungsweg darstellt. Die Spitze-Spitze-Amplitude des rechteckigen Rückkopplungssignals wird der Amplitude des Gleichstromsystemausgangssignals angeglichen. Durch die Verwendung eines rechteckigen Ansteuersignals und eines rechteckigen Rückkopplungssignals, wobei das Verhältnis der Spitze-Spitze-Amplitude der Rechteckwelle zu der Amplitude des Gleichstromsignals präzise ausgewählt ist, wird bei dem Systemausgangssignal eine größere Präzision sichergestellt. Mit einer Kalibrierschaltung kann das Ausgangssignal des Sensors bei mehreren unterschiedlichen, aber genau bekannten Materialleitfähigkeiten präzise simuliert werden.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung kann mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine Erfassungsschaltung nach dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Erfassungsschaltung, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 3 alternative Abschnitte der Erfassungsschaltung von Fig. 1, um eine weitere Ausführungsform der Erfindung bereitzustellen;
Fig. 4 eine Erfassungsschaltung, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt; und
Fig. 5 eine Erfassungsschaltung, wie sie mit beliebigen Sensoren mit vier Anschlüssen verwendet wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt, ist ein Stromleitfähigkeitssensor 15 ein induktiv angekoppelter Sensor, der aus koaxialen Ringwicklungen oder Übertragern 16 und 17 besteht, wobei ein leitfähiges Fluid im Grunde einen Stromkreis 18 mit einer Wicklung mit einer Leitfähigkeit Gs bildet, der beide Übertrager verbindet. Ein Rechtecksignal mit einer ausgewählten Frequenz, zum Beispiel 2048 Hz, wird von einem Signalgenerator 19 an die Eingangswicklung 16 des Sensors angelegt, der wiederum in dem leitfähigen Fluid, dessen elektrische Leitfähigkeit gemessen werden soll, ein Signal erzeugt. Das Signal in dem Fluid ist gleich der Signalgeneratorausgangsspannung Eg geteilt durch die Anzahl der Windungen auf der Eingangswicklung des Sensors. Dieser Vorgang führt dazu, daß in dem Fluid, z. B. einer leitfähigen Lösung, ein Strom Isol erzeugt wird, der durch folgende Gleichung angegeben wird:
Isol = Eg · G · Kc/Np,
wobei Eg die Spannung des Rechteckwellengenerators, G die Leitfähigkeit der Lösung, Kc die Zellenkonstante des Leitfähigkeitssensors und Np die Anzahl der Windungen auf der Eingangswicklung des Sensors ist.
Das in der Ausgangswicklung 17 des Sensors induzierte Signal wird durch einen Vorverstärker 20 verstärkt, wobei dessen Ausgangssignal durch einen Verstärker 21 mit festem Verstärkungsfaktor weiter verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers 21 wird einem abgestimmten Filterverstärker 22 zugeführt, der auf die gleiche Frequenz wie das Signal von dem Rechteckwellengenerator 19 abgestimmt ist, um harmonische und subharmonische Frequenzkomponenten wirksam zu entfernen und ein im wesentlichen sinusförmiges Spannungssignal Ea zu erzeugen, das hauptsächlich eine gleichphasige Komponente und eine relativ kleine Quadraturkomponente aufweist.
Das Signal Ea wird einem entsprechenden Phasengleichheitsdetektor 23 zum Erzeugen eines zu der gleichphasigen Komponente von Ea proportionalen Gleichstromsignals zugeführt, das dann durch eine Integratorschaltung 24 integriert wird, die aus einem Widerstand R2, einem Kondensator C2 und einem Operationsverstärker 24A besteht, um ein integriertes analoges Gleichstromausgangssignal Eii zu erzeugen. Eii wird an den Eingang eines Schaltverstärkers angelegt, dessen Spitze-Spitze-Amplitude des rechteckigen Ausgangssignals genau gleich der Amplitude des Gleichstromausgangssignals des Integrators ist. Eis ist zu dem Fehlersignal Err um 180 Grad außer Phase und gleicht durch eine negative Rückkopplungswirkung den Stromkreis genau aus, wobei Err präzise bei Null bleibt.
Um eine präzise Messung der elektrischen Leitfähigkeit zu erzielen, wird das integrierte Ausgangssignal Eii zurückgekoppelt, um bei dem Rückkopplungswiderstand Rf einen Strom bereitzustellen, der im Grunde von dem Strom des Sensorausgangssignals subtrahiert wird, wodurch an dem Eingang des Vorverstärkers 20 ein Fehler signal in Form einer Spannung Err erzeugt wird, so daß das Fehlersignal im wesentlichen auf einem Wert Null oder auf einem Wert, der so klein wie möglich ist, gehalten wird. Dazu wird das Ausgangssignal Eii einem durch ein gleichphasiges Referenzsignal Ein von dem Rechteckwellengenerator 19 angesteuerten Schaltverstärker 27 zugeführt, damit ein gleichphasiges Spannungssignal Eis erzeugt wird, dessen Spitze- Spitze-Amplitude genau gleich der Amplitude des integrierten Gleichstromausgangssignals Eii ist.
Das rechteckige Spannungssignal Eis wird einem Vorverstärker 28 und einem Dämpfungsverstärker 29 mit einer festen Dämpfung zugeführt, die im wesentlichen gleich dem Kehrwert der festen Verstärkung des Vorwärtsverstärkers 21 ist. Das Ausgangssignal des Dämpfungsverstärkers 29 wird über einen Rückkopplungswiderstand Rf der Ausgangswicklung 17 des Sensors 15 zugeführt, so daß, wie oben erwähnt, der Rückkopplungsstrom effektiv von dem Strom in der Ausgangswicklung 17 subtrahiert wird und das Fehlersignal Err erzeugt wird. Wenngleich in dem Rückkopplungsglied jeder beliebige effektive, in der Technik bekannte Schaltverstärker verwendet werden kann, wird ein geeigneter bekannter Schaltverstärker in dem am 24. Februar 1976 an N. L. Brown erteilten US-Patent Nr. 3,940,693 ausführlich beschrieben. Es hat sich herausgestellt, daß, wenn am Sensor 15 eine rechteckige Ansteuerung eine rechteckige Rückkopplungsspannung von dem Schaltverstärker 26, die eine Spitze-Spitze-Amplitude aufweist, die genau gleich der integrierten Gleichstromamplitude des die elektrische Leitfähigkeit darstellenden Ausgangssignals ist, und ein Rückkopplungsglied mit einer im wesentlichen konstanten Gesamtschleifenverstärkung (d. h. Vorwärtsverstärkung plus Rückkopplungsverstärkung) verwendet wird, die in Fig. 2 dargestellte Schaltung eine präzisere Messung der Leitfähigkeit des relevanten Materials liefert, als dies Einrichtungen nach dem Stand der Technik tun. Eine derartige Schaltung kann bei vielen Anwendungen nützlich sein. In einem derartigen Fall werden die feste Vorwärtsverstärkung und die Rückkopplungsdämpfung auf Werte eingestellt, die über einen bestimmten Bereich von Leitfähigkeitswerten hinweg wirksame Leitfähigkeitsmessungen liefern, wobei bei Verwendung in anderen Leitfähigkeitsbereichen die Werte für die Verstärkung und die Dämpfung geändert werden.
Die Schaltung von Fig. 2 enthält wahlweise eine Kalibrierschaltung 50, deren Funktionsweise unten ausführlicher erörtert wird. Wenn in dem System eine derartige Kalibrierschaltung verwendet wird, wird die gesamte Schaltung in einen Meßbetriebsmodus versetzt, wenn sich die Schalter S1 und S2 in den in der Zeichnung dargestellten Positionen befinden, wobei die gesamte Schaltung in einen Kalibrierbetriebsmodus ver setzt wird, wenn sich diese Schalter in ihren anderen Positionen befinden. Der Betrieb im Kalibriermodus wird unten erörtert.
Um ein Meßsystem bereitzustellen, das über einen größeren Bereich von Leitfähigkeitswerten hinweg gewünschte Ausgangsspannungssignale erzeugt, kann die Schaltung von Fig. 2 wie in Fig. 3 gezeigt modifiziert werden, die nur bestimmte Abschnitte der Schaltung von Fig. 2 darstellt. Wie aus ihr zu sehen ist, kann der Verstärker 21 von Fig. 2 mit festem Verstärkungsfaktor durch einen diskret veränderlichen Verstärker ersetzt werden, das heißt einen Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor, der unter Verwendung eines digitalen Steuersignals dafür über mehrere Bereiche diskret verändert werden kann. Beispielsweise ist ein diskret veränderlicher Verstärker 30 an den Vorverstärker 20 angeschlossen und ein digitales Signal 31 wird daran angelegt, um seinen Verstärkungsfaktor über einen ausgewählten Bereich von digitalen Pegeln zu steuern, z. B. kann das digitale Signal digitale Werte von 0 bis 256 zum Steuern des Verstärkungsfaktors über eine derartige Anzahl von Bereichspegeln aufweisen.
Auf ähnliche Weise wird der Verstärker 29 mit fester Dämpfung durch einen Verstärker 32 mit diskret veränderlicher Dämpfung ersetzt, dessen Dämpfung unter Verwendung eines digitalen Steuersignals dafür diskret über mehrere Bereiche verändert wird. Der Verstärker 32 mit veränderlicher Dämpfung ist an den Vorverstärker 28 angeschlossen, und ein digitales Steuersignal 33 wird daran angelegt, um seine Dämpfung über einen ausgewählten Bereich von Pegeln zu steuern, zum Beispiel ein digitales Steuersignal mit digitalen Werten von 0 bis 256 zum Steuern der Dämpfung über einen derartigen Bereich digitaler Werte.
Das geeignete digitale Steuersignal für einen bestimmten Bereichsabschnitt des Gesamtbereichs von Leitfähigkeitswerten, die durch das System gemessen werden können, kann unter Verwendung eines Mikroprozessors 26 geliefert werden. Als Beispiel für eine derartige Verwendung in der beispielhaften Umsetzung von Fig. 3 zur Verwendung mit einem induktiven Leitfähigkeitssensor mit beispielhafter Geometrie mit einem niedrigen Bereich von 0-25 mikroSiemens/Meter (uS/m) und einem hohen Bereich von 0-3000 mS/m wird der Gesamtbereich in 2R aufeinanderfolgende Bereiche unterteilt, wobei jeder nachfolgende Bereich den vorausgehenden Bereich überlappt. In jedem Bereich ist der Wert der Vorwärtsverstärkung an einen entsprechenden Wert der Rückkopplungsdämpfung angepaßt, was dazu führt, daß die Gesamtschleifenverstärkung auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. So wird beispielsweise für Leitfähigkeitswerte in sehr niedrigen Bereichen eine mit einer hohen Rückkopplungsdämpfung gekoppelte hohe Vorwärtsverstärkung bevorzugt, während für Leitfähigkeitswerte in sehr hohen Bereichen eine mit einer niedrigen Rückkopplungsdämpfung gekoppelte niedrige Vorwärtsverstärkung bevorzugt wird.
Zu Beginn eines Meßzyklus ist der Mikroprozessor programmiert, die Werte für Verstärkung und Dämpfung bei dem niedrigsten der 2R Bereiche auszuwählen. Die Gleichstromausgangspannung Eii wird daraufhin untersucht, ob sie für diesen Bereich über einen Vollausschlagspegel hinausgeht. Wenn sie über den Vollausschlagsbereich hinausgeht und über annehmbaren Grenzen für den Betrieb des A-D-Umsetzers liegt, setzt der Prozessor diese Messungen so lange für jeden nachfolgenden höheren Bereich fort, bis der Wert von Eii annehmbar ist, das heißt, unter dem Vollausschlagswert und innerhalb der annehmbaren Grenzen des A-D-Umsetzers liegt. Für den Gebrauch werden dann die entsprechenden digitalen Steuereingänge für den Verstärker 30 und das Dämpfungsglied 32 verwendet. Wenn der Ausgangswert Eii die Vollausschlagsgrenze übersteigt oder unter die unterste Skalengrenze für diesen Bereich abfällt, wählt der Mikroprozessor unter Verwendung der gleichen Art der Technik schrittweiser Annäherung wieder den entsprechenden Arbeitsbereich aus. Den Mikroprozessor so zu programmieren, daß er eine derartige bekannte Vorgehensweise der schrittweisen Annäherung liefert, liegt durchaus im Bereich der Möglichkeiten des Fachmanns.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es möglicherweise notwendig, eine noch höhere Meßgenauigkeit zu erreichen, die Fehler berücksichtigt, die möglicherweise von Streukapazitäten in der Schaltung herrühren. Dazu kommt ein weiteres Rückkopplungsglied zum Einsatz, wie in Fig. 4 gezeigt. Wie dort im Zusammenhang mit der Verwendung der in Fig. 3 dargestellten Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor und veränderlicher Dämpfung zu sehen ist, wird eine Quadraturrückkopplungsschaltung verwendet. Danach wird ein Quadraturspannungssignal geliefert, und zwar als Reaktion auf die Quadraturkomponente des Signals Ea von dem abgestimmten Filterverstärker 22 unter Verwendung eines geeigneten Quadraturdetektors 40, dessen Ausgangssignal in der Integratorschaltung 41, die einen Widerstand R6, einen Kondensator C3 und einen Operationsverstärker 41A umfaßt, integriert wird, um ein integriertes Gleichstromquadratur-Spannungsausgangssignal Eqi zu erzeugen. Das Quadratursignal Eqi wird einem Schaltverstärker 42 des oben offenbarten Typs zugeführt, dem von dem Rechteckwellenspannungsgenerator 19 eine Quadraturrechteckwellenreferenzspannung Eq zugeführt wird, um ein Rechteckwellenquadraturrückkopplungssignal Eqs mit einer Spitze-Spitze-Amplitude zu erzeugen, die gleich der Amplitude des integrierten Gleichstromquadratursignals Eqi ist. Das Rückkopplungssignal Eqs erzeugt über ein Widerstandsnetzwerk 43 und einen Quadraturrückkopp lungswiderstand 44 einen Quadraturrückkopplungsstrom Iq. Der Rückkopplungsstrom wird dem Eingang des Vorverstärkers 20 zugeführt, um einen Quadraturrückkopplungsstrom zu liefern, der effektiv von der Quadraturstromkomponente an dem Sensorausgang bei Wicklung 17 subtrahiert wird. Die Verwendung einer derartigen Quadraturrückkopplungsschaltung gestattet eine Senkung der am Verstärker 20 angetroffenen Quadraturfehlerspannung, was die Verwendung eines größeren Verstärkungsfaktors in dem Vorwärtsabschnitt der Schaltung zur Verhinderung einer Sättigung irgendeiner dieser Komponenten aufgrund der Verstärkung der Quadraturfehlerkomponenten gestattet. Höhere Verstärkungsfaktoren ermöglichen es, als direktes Ergebnis der größeren Gesamtschleifenverstärkungen, die erhalten werden können, eine hohe Präzision zu erzielen.
Wie oben erwähnt, können unter Verwendung der Kalibrierschaltung 50, wie in den Zeichnungen gezeigt, Kalibrierprüfungen vorgenommen werden. Die Kalibrierschaltung umfaßt eine Reihe von Präzisionswiderständen, die ausgewählt und konfiguriert sind, die Ausgabe des Sensors bei spezifischen Leitfähigkeitswerten in dem Fluid zu simulieren. Die eingesetzten Widerstände sollten sowohl niedrige Temperaturkoeffizienten als auch niedrige Langzeitabweichungen aufweisen, so daß sie diese Leitfähigkeitswerte zu jedem Zeitpunkt nach der anfänglichen Kalibrierung präzise von neuem simulieren können.
Die Kalibrierschaltung 50 kann durch entsprechende Einstellungen der Schalter S1 und 52 in Gebrauch genommen werden. Wenn diese Schalter in die in Fig. 2 und 4 gezeigten Positionen gebracht werden, ist die Kalibrierschaltung 50 nicht in Gebrauch, und das System arbeitet so, daß es die Leitfähigkeitsmessungen wie gewünscht durchführt, wie oben erörtert. Um die Kalibrierschaltung in Gebrauch zu nehmen, wird der Schalter S1 in seine geerdete Position gebracht, während der Schalter S2 in Kombination mit dem Widerstand R2 entweder in seine obere oder seine untere Position gebracht werden kann, so daß sein Ausgang sowohl in der oberen als auch in der unteren Position mit dem Eingang des Vorverstärkers 20 verbunden ist. Das Ausgangssignal Eq des Rechteckwellengenerators 19 wird dem Eingang der Kalibrierschaltung 50 zugeführt, damit daraus ein Rechtecksignal erzeugt wird, das präzise das Signal simuliert, daß bei einem ausgewählten bekannten Bereich von Leitfähigkeitspegeln des Materials erzeugt würde. Das heißt, wenn sich der Schalter S2 in seiner oberen H-Position befindet, wird ein Signal am Vorverstärker 20 für einen bekannten größten (hohen) Leitfähigkeitspegel CkH des ausgewählten Bereichs geliefert, und wenn sich der Schalter S2 in seiner unteren L-Position befindet, wird ein Signal am Vorverstärker 20 für den bekannten kleinsten (niedrigen) Leitfähigkeitspegel Ck2L des ausgewählten Be reichs geliefert. Auf diese Weise werden am Ausgang der Integratorschaltung 24 spezifische bekannte Ausgangsspannungssignale EiiH und EiiL bei derartigen größten und kleinsten Leitfähigkeitswerten erzeugt. Der Bereich ist so ausgewählt, daß er so klein ist, daß die Beziehung der bekannten Leitfähigkeit Ck als Funktion der Kalibrierausgangsspannung Eii eine lineare Funktion ist, das heißt:
Ck = M · Eii + B.
Auf diese Weise bei den größten und kleinsten bekannten Leitfähigkeitswerten CkH und Cki durchgeführte Kalibriermessungen der Spannungen EiiH und EiiL gestatten die Berechnung von M und B.
Unter Verwendung dieser Werte kann mit den Werten für M und B und den gemessenen Ausgangspannungen EiiH und EiiL bei größten und kleinsten Pegeln) die kalibrierte Leitfähigkeit sowohl bei den größten als auch den kleinsten Leitfähigkeitspegeln des relevanten Bereichs geliefert werden:
CH = M · EiiH + B
CL = M · EiiL + B.
Zum Zeitpunkt der Herstellung kann der repräsentative Wert der Widerstände in der Kalibrierschaltung 50 erhalten werden, indem der Sensor in ein bekanntes Fluid plaziert und sowohl das Sensorausgangssignal als auch das Kalibrierausgangssignal gemessen werden. Die repräsentativen Werte für den Widerstand können dann durch die umgekehrte Formel berechnet werden, wodurch der Benutzer Werte für die Kalibrierschaltungswiderstände in den gleichen Einheiten wie die erforderliche Ausgabe spezifisch bestimmen kann. Bei der oben erörterten Umsetzung sind für jeden Bereich lediglich zwei derartige Punkte erforderlich, wenn sowohl der Sensor als auch die Schaltung über jeden der relevanten Bereiche hinweg in hohem Grade linear arbeiten. Die Anzahl der verwendeten Kalibrierpunkte kann jedoch auf der Grundlage der Komplexität einer nichtlinearen Sensorantwort auf die Änderungen der Eigenschaften der gemessenen Materialien erhöht werden. Die Kalibrierschaltung ist möglicherweise in Anwendungen, bei denen die sehr hohe absolute Präzision der Schaltung nicht benötigt wird, nicht erforderlich. Die Kalibrierschaltung ist dementsprechend eine wahlweise Verbesserung der grundlegenden Ausführungsformen der Erfindung.
Fig. 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die der Einfachheit halber auf der Ausführungsform von Fig. 2 basiert. Wie dort gezeigt, kann die Schaltung, um ein Spannungsausgangssignal zu liefern, mit jedem allgemeinen Spannungs sensor mit vier Anschlüssen verwendet werden, wobei ein besonderer Sensor durch eine Brücke 18' mit vier Anschlüssen dargestellt wird. Wenngleich der spezifische Sensor 18 mit zwei aktiven Brückenzweigen gezeigt wird, so ist zu verstehen, daß in Abhängigkeit von dem verwendeten jeweiligen Sensor möglicherweise 1, 2, 3 oder 4 aktive Zweige vorliegen können. Mit den Schaltern S1' und S2' liefert die Gesamtschaltung dem Sensor 18' ein rechteckiges Eingangssignal, und sie ist ausgelegt, ein rechteckiges Rückkopplungssignal zu liefern, um den Fehler am Vorverstärker 20 zu reduzieren, damit ein Betrieb erzielt wird, der dem unter Bezugnahme auf Fig. 2 erörterten ähnlich ist, wie für den Fachmann zu verstehen ist. Eine entsprechende Schaltung, die den veränderlichen Verstärkungsfaktor und die veränderliche Dämpfung von Fig. 3 und die Quadraturrückkopplung von Fig. 4 verwendet, kann auch mit einem derartigen allgemeinen Sensor mit vier Anschlüssen zum Einsatz kommen.
Wenngleich die Ausführungsformen der Erfindung, wie sie oben beschrieben wurden, bevorzugte Ausführungsformen darstellen, kann der Fachmann sich dazu Modifikationen ausdenken, die innerhalb des Gedankens und Schutzbereichs der Erfindung legen. Wenngleich die Erfindung speziell unter Einsatz von berührungslosen Sensoren beschrieben wird, können doch auch berührende Sensoren verwendet werden. Außerdem wird das System zwar so beschrieben, daß es zum Messen von elektrischen Leitfähigkeitswerten von Fluiden, z. B. leitfähigen Lösungen, verwendet wird, doch können unter Verwendung des Systems der Erfindung andere physikalische oder chemische Eigenschaften verschiedener Materialien unter Verwendung von dafür geeigneten Sensoren gemessen werden. Die Erfindung ist somit nicht so auszulegen, daß sie auf die beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist, ausgenommen wie durch die angefügten Ansprüche definiert.

Claims

1. System zum Bestimmen einer Eigenschaft eines Materials (18, 18'), das folgendes umfaßt:

einen in Signalkontakt mit dem Material (18, 18') positionierten Sensor (15) zum Liefern eines Ausgangssignals, dessen Wert als Reaktion auf ein Eingangsansteuersignal zu der Eigenschaft in Beziehung steht;

einen Rechteckwellengenerator (19) zum Liefern eines Rechteckwelleneingangsansteuersignals mit einer ausgewählten Frequenz zu dem Sensor (15), um ein rechteckiges Ausgangssignal von dem Sensor zu liefern;

ein auf das Sensorausgangssignal und ein Rückkopplungssignal am Ausgang des Sensors reagierendes Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals;

ein auf das Fehlersignal reagierendes Vorwärtsglied (20-21) zum Liefern eines Vorwärtssignals mit einer gleichphasigen und einer Quadraturkomponente, die jeweils eine im wesentlichen sinusförmige Konfiguration aufweisen;

einen auf die gleichphasige Komponente des Vorwärtssignals reagierenden Integrator (24) zum Integrieren der gleichphasigen Komponente, um ein gleichphasiges integriertes analoges Gleichstromausgangssignal zu erzeugen;

ein auf das gleichphasige integrierte analoge Gleichstromausgangssignal reagierendes Rückkopplungsglied (27-29) zum Erzeugen eines gleichphasigen rechteckigen Rückkopplungssignals mit der ausgewählten Frequenz, dessen Spitze-Spitze-Amplitude eine präzise ausgewählte Beziehung mit der Amplitude des Gleichstromausgangssignals aufweist, zum Vergleich mit der gleichphasigen Komponente des rechteckigen Ausgangssignals von dem Sensor, um das Fehlersignal zu erzeugen;

einen auf das gleichphasige analoge Gleichstromausgangssignal reagierenden Analog-Digital-Umsetzer (25) zum Liefern eines digitalen Ausgangssignals; und

einen auf das digitale Ausgangssignal reagierenden Prozessor (26) zum Verarbeiten des digitalen Ausgangssignals, um ein die Eigenschaft des Signals darstellendes verarbeitetes Signal zu liefern.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Spitze-Spitze-Amplitude des rechteckigen Rückkopplungssignals so ausgewählt ist, daß sie genau gleich der Amplitude des Gleichstromausgangssignals ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Mittel zum Erzeugen eines Fehlersignals auf das Sensorausgangssignal und auf ein Rückkopplungssignal am Ausgang des Sensors reagiert.

4. System nach Anspruch 1, bei dem das Vorwärtsglied einen Detektor (23) zum Erfassen der gleichphasigen Komponente des Vorwärtssignals zum Liefern an den Integrator (24) enthält.

5. System nach Anspruch 4, bei dem das Vorwärtsglied weiterhin einen auf das Fehlersignal reagierenden Filterverstärker (22) zum Entfernen harmonischer und subharmonischer Komponenten aus dem Fehlersignal enthält, um dem Detektor (23) ein gefiltertes Vorwärtssignal zu liefern.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Rückkopplungsglied einen auf ein gleichphasiges Rechtecksignal von dem Rechteckwellengenerator und auf das gleichphasige analoge Gleichstromausgangssignal reagierenden Schaltverstärker (27), um ein gleichphasiges Rechtecksignal zu erzeugen; und

ein auf das gleichphasige Rechtecksignal reagierendes Dämpfungsglied (29) mit fester Dämpfung zum Erzeugen eines gedämpften gleichphasigen rechteckigen Rückkopplungssignals enthält, wobei die feste Dämpfung des Dämpfungsglied (29) so ausgewählt ist, daß die Rückkopplungsverstärkung des Rückkopplungsglieds gleich der Vorwärtsverstärkung der Filterverstärkerschaltung ist.

7. System nach Anspruch 6, bei dem die Vorwärtsverstärkung des Vorwärtsglieds und die Rückkopplungsverstärkung des Rückkopplungsglieds so ausgewählt sind, daß sie Messungen der Eigenschaft des Materials über einen ausgewählten Wertebereich der Eigenschaft liefern.

8. System nach Anspruch 7, bei dem die Eigenschaft der Schaltung ihre Leitfähigkeit ist und der Sensor (15) ein Leitfähigkeitssensor ist, der ein rechteckiges Ausgangssignal liefert, dessen Spitze-Spitze-Wert zu der Leitfähigkeit des Materials (18, 18') in Beziehung steht.

9. System nach Anspruch 8, bei dem das Vorwärtsglied (20, 21) eine Verstärkung aufweist, die über mehrere diskrete Bereiche davon diskret verändert werden kann, und das Dämpfungsglied (29) des Rückkopplungsglieds eine Dämpfung aufweist, die über mehrere diskrete Bereiche davon diskret verändert werden kann, wobei die Verstärkung und die Dämpfung für jeden der Bereiche so gewählt sind, daß die Vorwärtsverstärkung des Vorwärtsglieds und die Rückkopplungsverstärkung des Rückkopplungsglieds eine Gesamtschleifenverstärkung mit im wesentlichen dem gleichen konstanten Wert für jeden diskreten Bereich liefern.

10. System nach Anspruch 9 und ferner mit einem weiteren Integrator (41) zum Integrieren von Antworten auf die Quadraturkomponente des Vorwärtssignals zum Integrieren der Quadraturkomponente, um ein integriertes analoges Gleichstromquadraturausgangssignal zu erzeugen; und

einem weiteren, auf ein Quadraturrechtecksignal von dem Rechteckwellengenerator und auf die Quadraturkomponente des analogen Gleichstromausgangssignal reagierendes Rückkopplungsglied (42-44) zum Liefern eines Quadraturrechteckrückkopplungssignals mit der ausgewählten Frequenz zum Vergleich mit einer Quadraturkomponente des rechteckigen Ausgangssignals von dem Sensor (18, 18'), um die Quadraturkomponente des Fehlersignals zu reduzieren, so daß eine Sättigung des Vorwärtsglieds verhindert wird und die Verwendung einer relativ hohen Verstärkung in dem Vorwärtsglied gestattet wird, um relativ hochpräzise Messungen der Leitfähigkeit zu liefern.

11. System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor (18) ein Stromsensor zum Liefern eines Stromausgangssignals ist.

12. System nach Anspruch 1, bei dem der Sensor (18') ein Spannungssensor zum Liefern eines Spannungsausgangssignals ist.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiterhin mit einer Kalibrierschaltung (50), die ausgefegt ist, um gezielt anstelle des Sensors (15) in das System geschaltet zu werden.

14. System nach Anspruch 13, bei dem die Kalibierschaltung (50) eine Reihe von Präzisionswiderständen enthält, die ausgewählt und konfiguriert sind, die Ausgabe des Sensors (15) bei spezifischen Eigenschaftswerten des Materials (18, 18') zu simulieren.