WO2023161064A1 - Kompensierte leitfähigkeitsbestimmung - Google Patents

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WO2023161064A1
WO2023161064A1 PCT/EP2023/053531 EP2023053531W WO2023161064A1 WO 2023161064 A1 WO2023161064 A1 WO 2023161064A1 EP 2023053531 W EP2023053531 W EP 2023053531W WO 2023161064 A1 WO2023161064 A1 WO 2023161064A1
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signal
received signal
conductivity
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PCT/EP2023/053531
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Armin Wernet
Kaj Uppenkamp
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Endress+Hauser Se Gmbh+Co. Kg
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    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the conductivity of a medium using a measuring probe which has at least one first electrode.
  • the medium is located in a container, which can be a container or a pipeline, for example.
  • the invention also relates to a device which is designed to carry out the method according to the invention.
  • the electrical conductivity of a medium can be determined, for example, using a conductivity measuring cell, as described, for example, in EP0990894A2, or also using an inductive sensor.
  • field devices based on the capacitive and/or conductive measuring principle which are also frequently used to determine and/or monitor a filling level or limit level, are also suitable for determining the conductivity of a medium.
  • Such capacitive or conductive measuring devices typically have an essentially cylindrical measuring probe with at least one electrode, which is at least partially placed in a container.
  • rod-shaped measuring probes reaching vertically into the container are widespread, in particular for continuous level measurement.
  • measuring probes that can be introduced into the side wall of a respective container and, in particular, also those that essentially end flush with the container wall have become known.
  • the measuring probe in particular a transmitting electrode of the measuring probe, is subjected to an excitation signal, usually in the form of an alternating current signal.
  • the respective process variable can then be determined from the response signal received from the measuring probe.
  • the capacitive measuring principle the dependency of the response signal on the capacitance of a first electrode of the measuring probe and the wall of the container or a capacitor formed on a further electrode of the measuring probe is used to determine the respective process variable.
  • either the medium itself or an insulation of the measuring probe forms the dielectric of this capacitor.
  • an apparent current measurement or an admittance measurement is often carried out.
  • an apparent current measurement the magnitude of the apparent current flowing through the sensor unit is measured.
  • the apparent current has an active and a reactive component. Therefore, in the case of an admittance measurement, the phase angle between the apparent current and the voltage applied to the measuring probe is measured in addition to the apparent current. the extra Determining the phase angle also allows statements to be made about a possible formation of deposits, as has become known, for example, from DE102004008125A1.
  • the conductive measuring principle it is detected whether there is electrical contact between one of the electrodes and the wall of a conductive container or the second electrode via the conductive medium used in the application of the conductive measuring principle.
  • Field devices in the form of multi-sensors which can work both in a capacitive and in a conductive operating mode, have become known, for example, from the documents DE102011004807A1, DE102013102055A1 or DE102014107927A1.
  • Such multi-sensors are also suitable for determining various media-specific properties, such as electrical conductivity, or also dielectric properties of the medium, such as the dielectric constant, as described in DE102013104781A1, for example.
  • One of the problems in determining conductivity in process measurement technology is the insulation layers that can form in the area of the electrodes used. However, other deposits on the electrode surfaces can also cause similar problems.
  • a reduction in the measurement error resulting from layers of this type can be achieved, for example, by using alternating signals, increasing the frequency of the excitation signal and/or reducing a measurement current.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a possibility for determining and/or monitoring the electrical conductivity which is as simple and precise as possible.
  • the object on which the invention is based is achieved by a method for determining and/or monitoring the conductivity of a medium using a measuring probe which has at least one electrode, comprising the following method steps:
  • Applying an excitation signal to the measuring probe Receiving a received signal from the measuring probe, determining an ohmic component of the received signal, and determining the conductivity of the medium based on the ohmic component of the received signal.
  • the method according to the invention can be applied to all types of measuring probes that are suitable for the capacitive and/or conductive measuring method.
  • the measuring probe can have one or more electrodes with different functions, such as a transmitting electrode, a receiving electrode, a ground electrode and/or a guard electrode. Also, the same electrode can have different functions.
  • the at least one electrode serves as a transmission electrode and a container wall or an optional second electrode is used as a ground electrode.
  • the second electrode can at least temporarily also serve as a receiving electrode.
  • an influence on the received signal due to insulation and/or other layers or deposits on the at least one electrode can be eliminated or reduced.
  • the method according to the invention makes it possible to use a simple sensor, for example with a stainless steel electrode or the like, without loss of measurement accuracy due to deposits, in particular deposits with an insulating effect or insulating deposits, and/or polarization layers.
  • the area of application can be significantly increased, since there are no special requirements for the excitation signal, such as e.g. B. a high frequency must be provided.
  • the measuring probe is operated in a capacitive and/or in a conductive operating mode.
  • the measuring probe preferably has at least two electrodes.
  • further process variables of the medium can be determined in the two operating modes.
  • a multi-sensor can also be involved, which is suitable for both capacitive and conductive process variable determination. Both operating modes can be carried out alternately, simultaneously or at predefinable times.
  • a first partial signal can be selected for use with the capacitive measurement mode and a second partial signal for use with the conductive measurement mode.
  • a fill level or limit level of the medium in the respective container is also determined.
  • dielectric properties of the medium for example a dielectric constant, can also be determined.
  • a further embodiment of the method according to the invention includes that the received signal is recorded as a function of time. By recording as a function of time, the evaluation of the received signal with regard to conductivity can be significantly improved.
  • the excitation signal can be a sinusoidal signal, a triangular signal, or a trapezoidal signal, for example.
  • a square-wave signal is used for the excitation signal.
  • the use of a square-wave signal as an excitation signal offers particular advantages in relation to the determination of the ohmic component of the received signal, as will be explained below.
  • a first point in time is determined at which the received signal has a step from a first value, in particular a maximum value or minimum value, to a second value, and the difference of the first and second value is determined.
  • the received signal as a function of time therefore has a jump or a step which is detected or ascertained. The level of the step can then be used for further signal evaluation.
  • the ohmic component of the received signal is determined based on the difference between the first and second value, ie based on the height of the step. This ohmic part of the received signal is free from effects due to insulation layers or other deposits on the respective electrode surface.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a device for determining and/or monitoring the conductivity of a medium with a measuring probe which has at least one electrode, which device is designed to carry out the method according to at least one of the described configurations.
  • the device can in particular be configured analogously to the device described in DE102014107927A1, in particular with regard to the electronics. It should be pointed out that the configurations described in connection with the method according to the invention can also be applied to the device according to the invention, mutatis mutandis.
  • FIG. 1 to FIG. 4 It shows:
  • FIG. 1 exemplary schematic representations for a measuring probe for use with the method according to the invention
  • Fig. 4 (a) a square-wave excitation signal and (b) a corresponding one
  • Received signal as a function of time.
  • the measuring probe 1a shows an exemplary configuration for a measuring probe 1 of a field device V, by means of which a process variable can be monitored in the capacitive or conductive measuring method.
  • the measuring probe 1 is arranged in a container 2 which is at least partially filled with a medium 3 . In this case, it projects into the container from the top thereof.
  • the measuring probe 1 can also be designed in other configurations in such a way that it closes with the wall of the container 3 .
  • the measuring probe 1 itself is composed of two electrodes, a first electrode 4 and a second electrode 5, which serves to avoid the formation of deposits.
  • the container wall also forms a ground electrode 6.
  • the measuring probe 1 is also connected to electronics 8, which are responsible for signal detection, evaluation and/or feeding. In particular, the electronic system 8 uses the received signals to determine the respective process variable.
  • FIG. 1b shows a sectional view of a measuring probe 1 with three electrodes 4,5,6.
  • the electrodes 4,5,6 are electrically separated from one another by insulation 7a, 7b and surround one another concentrically.
  • Such a configuration for a measuring probe 1 is particularly advantageous for a measuring probe 1 which is flush with the container wall.
  • the use of a measuring probe 1 with a single electrode 4 is also possible within the scope of the present invention.
  • the container wall can form a ground electrode.
  • 2 shows a block diagram of electronics 8, by means of which the measuring probe 1 can be operated both in the capacitive and in the conductive operating mode.
  • the present invention is in no way limited to such electronics 8, but that the embodiment shown merely represents a possible example of suitable electronics 8.
  • the electronics 8 from FIG. 2 correspond to the electronics described in DE102014107927A1.
  • the electronics 8 includes a microcontroller 9 and is divided into one
  • Two voltage dividers 11, 11a are used to generate a transmission signal in the form of a square-wave signal for the conductive operating mode, a low-impedance voltage divider (R1/R2) 11 for highly conductive media and a high-impedance (R3/R4) 11a for slightly conductive media.
  • These two voltage dividers 11, 11a are clocked via corresponding port outputs 12, 12a of the microcontroller 9.
  • a further port output of the microcontroller 12b is used in the example shown here to select a transmission signal for the capacitive operating mode, a triangular voltage which is transmitted via the Integrating Amplifier (Block A) 13 is generated.
  • the area for evaluating the received signals 10, which are dependent on the respective partial signals, includes blocks B to D, which all include three operational amplifiers.
  • the guard technique according to DE00102008043412A1 can also be used.
  • Block B 14 contains an amplifier that makes the reference signal, in this case the guard voltage, available to the analog-to-digital converter (ADC) 15 of the microcontroller 9 .
  • ADC analog-to-digital converter
  • B 14 can also be used to shield at least one circuit board.
  • Block e 16 also includes an amplifier which is responsible for supplying the received signal to the ADC 15 .
  • a measuring resistor 17 is provided, with which the difference between the voltages at the transmitting electrode and the guard electrode can be determined.
  • block D 18 In order to evaluate the received signal obtained from the capacitive measurement, block D 18 is also required, which includes a differential amplifier in order to subtract and amplify the two received signals from the transmitting and guard electrodes from one another. This takes place via the measuring resistor 17. The difference between the two received signals is directly proportional to the capacitance at the measuring probe 1. With such electronics 8, a measurement resolution of a few femtofarads is possible. Also in the block diagram of FIG. 2 are four decoupling capacitors
  • a measuring probe 1 with an electrode 4 is supplied with an excitation signal A and the received signal E is evaluated by means of the area 10b for evaluating the received signals.
  • the block diagram also includes an equivalent circuit diagram for an impedance Zi of the electrode 4, shown here in simplified form as a resistance, and an impedance Z2 of any insulating layers and/or other deposits in the area of the electrode 4, which are caused by a parallel connection of a capacitance C and a resistance R is given.
  • the ohmic component of the received signal E is determined by means of the present invention in order to determine the conductivity of the medium 3 .
  • FIG. 4a shows the excitation signal A as a function of time t
  • FIG. 4b shows three different received signals E1-E3 as a function of time t.
  • the received signal Ei is also a square-wave signal and the level of the steps E01 at the predefinable times t s can be based on a maximum or minimum value and its ohmic component Eo and thus the conductivity of the medium 3 can be concluded.
  • a received signal E2 occurs which has rising and falling edges and jumps or steps at the predefinable times t s .
  • the height of these jumps or steps E02 from a maximum or minimum value to a second value at the predefinable times t s results from the difference ⁇ between the maximum or minimum value and the second value and is again a measure of the ohmic component Eo and thus for the conductivity of the medium 3.
  • the height of the jumps or steps in the received signal E or the difference ö, and thus Eo increases with increasing insulation layer or deposit, as illustrated by the received signal E3 and E03, which indicates the case of significant insulation layers and/or deposits in the area of the electrode 4 concern.
  • the slope of the flanks also increases as the insulation layer and/or deposit increases.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Leitfähigkeit eines Mediums (3) mittels einer Messsonde (1), welche zumindest eine Elektrode (4) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte: Beaufschlagen der Messsonde (1) mittels eines Änregesignals (A), Empfangen eines Empfangssignals (E) von der Messsonde (1), Ermitteln eines ohmschen Anteils (Eo) des Empfangssignals (E), und Bestimmen der Leitfähigkeit des Mediums (3) anhand des ohmschen Anteils (Eo) des Empfangssignals (E). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist.

Description

Kompensierte Leitfähigkeitsbestimmung
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.
Die elektrische Leitfähigkeit eines Mediums kann beispielsweise mittels einer Leitfähigkeitsmesszelle ermittelt werden, wie beispielsweise in der EP0990894A2 beschrieben, oder auch mittels eines induktiven Sensors.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Derartige Maßnahmen schränken allerdings die Signalauswertung häufig ein oder machen entsprechende Sensoren vergleichsweise teuer.
Daher liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfach und genaue Möglichkeit zur Bestimmung und/oder Überwachung der elektrischen Leitfähigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 , sowie durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 8.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
Das Anregesignal kann beispielsweise ein Sinussignal, ein Dreiecksignal, oder ein Trapezsignal sein.
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.
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.
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.
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.
Die Vorrichtung kann insbesondere analog zu der in DE102014107927A1 beschriebenen Vorrichtung, insbesondere mit Hinblick auf die Elektronik, ausgestaltet sein. Es sei darauf verwiesen, dass die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Ausgestaltungen sich mutatis mutandis auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung anwenden lassen.
Die Erfindung wird nun anhand der nachfolgenden Figuren Fig. 1 bis Fig. 4 genauer beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 : beispielhaft schematische Darstellungen für eine Messsonde zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren;
Fig. 2: ein Blockdiagramm für eine Elektronik gemäß Stand der Technik;
Fig. 3: ein Blockschaltbild zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 4: (a) ein rechteckförmiges Anregesignal sowie (b) ein entsprechendes
Empfangssignal als Funktion der zeit.
In Fig. 1 a 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.
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.
In Fig. 1 b 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.
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. In Fig. 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 Fig. 2 entspricht der in DE102014107927A1 beschriebenen Elektronik.
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.
Zur Erzeugung eines Sendesignals in Form eines Rechtecksignals für den konduktiven Betriebsmodus dienen zwei Spannungsteiler 11 ,11 a, ein niedrigohmig dimensionierter Spannungsteiler (R1/R2) 11 für hochleitfähige Medien und ein hochohmig dimensionierter (R3/R4) 11 a für geringfügig leitfähige Medien. Die Taktung dieser beiden Spannungsteiler 11 ,11 a 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.
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.
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.
Auch Block e 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.
Zur Auswertung des aus der kapazitiven Messung gewonnen Empfangssignals wird zusätzlich Block D 18 benötigt, weicher 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. Darüber hinaus sind im Blockschaltbild aus Fig. 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.
Die erfindungsgemäße Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit lässt sich anhand des Blockschaltbildes aus Fig.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.
Das Blockschaltbild umfasst ferner ein Ersatzschaltbild für eine, hier vereinfacht durch einen Widerstand dargestellte Impedanz Zi 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.
Eine beispielhafte Möglichkeit zur Bestimmung des ohmschen Anteils des Empfangssignals E im Falle eines rechteckförmigen Anregesignals A ist in Fig. 4 illustriert. Fig. 4a zeigt das Anregesignal A als Funktion der Zeit t und Fig. 4b zeigt drei verschiedene Empfangssignale E1-E3 als Funktion der zeit t.
Im Falle, dass keine Isolationsschichten und/oder Ablagerungen auf der Elektrode 4 vorhanden sind, ergibt sich als Empfangssignal Ei ebenfalls ein Rechtecksignal und aus der Höhe der Stufen E01 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.
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 E02 von einem Maximal- bzw. Minimalwert zu jeweils einem zweiten Wert zu den vorgebbaren Zeitpunkten ts ergibt sich aus der Differenz ö 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.
Die Höhe der Sprünge bzw. Stufen im Empfangssignal E bzw. die Differenz ö, und damit Eo, nimmt mit zunehmender Isolationsschicht oder Ablagerung zu, wie anhand des Empfangssignals E3 und E03 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. 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.
Bezugszeichenliste
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 Ei, E2, E3 Empfangssignale
Z Zi, Z2 Impedanzen
E01-E03 Ohmscher Anteil der Empfangssignals ts vorgebbare Zeitpunkte ö Differenz
V Vorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung der Leitfähigkeit eines Mediums (3) mittels einer Messsonde (1), welche zumindest eine Elektrode (4) aufweist, umfassend folgende Verfahrensschritte:
Beaufschlagen der Messsonde (1) mittels eines Anregesignals (A),
Empfangen eines Empfangssignals (E) von der Messsonde (1),
Ermitteln eines ohmschen Anteils (Eo) des Empfangssignals (E), und
Bestimmen der Leitfähigkeit des Mediums (3) anhand des ohmschen Anteils (Eo) des Empfangssignals (E).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Messsonde (1) in einem kapazitiven und/oder in einem konduktiven Betriebsmodus betrieben wird.
3. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Füllstand oder ein Grenzstand ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Empfangssignal (E) als Funktion der zeit (t) aufgenommen wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei für das Anregesignal (A) ein Rechtecksignal verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei ein erster Zeitpunkt (ts) ermittelt wird, zu welchem das Empfangssignal (E) eine Stufe von einem ersten, insbesondere einem Maximalwert oder Minimalwert, auf einen zweiten Wert aufweist, und wobei die Differenz (ö) des ersten und zweiten Werts ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei anhand der Differenz (ö) der ohmsche Anteil (Eo) des Empfangssignals (E) ermittelt wird.
8. Vorrichtung (V) zur Bestimmung und/oder Überwachung der Leitfähigkeit eines Mediums mit einer Messsonde (1), welche zumindest eine Elektrode (4) aufweist, welche Vorrichtung (V) dazu ausgestaltet ist, das Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
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