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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Bestimmen einer Leitfähigkeit
eines Mediums, umfassend ein induktives elektrisches Bauelement,
einen Signalgenerator zum Beaufschlagen des Bauelements mit einem
Erregersignal und einen Detektor zum Detektieren eines durch das
Medium beeinflussten Messsignals.
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Stand der Technik
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Bekannt und auf dem Markt erhältlich sind
induktive Leitfähigkeitssensoren.
Die Anmelderin bietet solche Sensoren an, die von kleiner und kompakter Bauform
sind und in Rohrleitungen eingebaut werden können. Die optimierte Strömungsgeometrie
und schnelle Ansprechzeit machen diese Sensoren geeignet für das Trennen
von Flüssigkeiten
in Produktionsprozessen, das Trennen von Phasen von Reinigungsmitteln
oder das Aufschärfen
von CIP-Anlagen.
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Im Messkopf sind hintereinander eine
Erreger- und eine Empfängerspule
angeordnet. Die Spulen sind Ringkernspulen, in deren gemeinsamer
Achse eine Kanalbohrung für
die zu messende Flüssigkeit
vorgesehen ist. Die Erregerspule erzeugt ein kontinuierliches magnetisches
Wechselfeld, welches in der in der Kanalbohrung fliessenden Flüssigkeit eine
elektrische Spannung induziert. Wegen den in der Flüssigkeit
vorhandenen Ionen fliesst ein Strom, der mit steigender lonenkonzentration
zunimmt. Die lonenkonzentration ist ein Mass für die Leitfähigkeit. Der Strom in der Flüssigkeit
erzeugt in der Empfängerspule
einen Induktionsstrom, welcher vom Messumformer gemessen wird.
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Mit einem Temperaturfühler (z.
B. einem Pt100 Element) kann die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit
kompensiert werden.
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Der Nachteil dieser Messsonden liegt
darin, dass die Kanalbohrung verstopfen kann.
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Darstellung
der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist. es, eine
dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Vorrichtung zu schaffen,
welche die Verstopfungsgefahr einer Kanalbohrung vermeidet.
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Die Lösung der Aufgabe ist durch
die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst die
Vorrichtung eine Stabspule als induktives elektrisches Element,
einen Signalgenerator zum Beaufschlagen des induktiven Elements
mit einem Erregersignal und einen Detektor zum Detektieren eines
durch das Medium beeinflussten Messsignals. Die Stabspule ist mit
dem Medium in Wechselwirkung zu bringen. Der Detektor misst die
durch das Medium beeinflusste Last der Stabspule.
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Unter den Begriff "Stabspule" fallen Zylinderspulen
ebenso wie Spulen mit rechteckigem oder n-eckigem Querschnitt. Die
Länge der
Stabspule und die Anzahl Spulenwindungen haben zwar einen Einfluss
auf die Eigenschaften des Sensors, sind aber für das Prinzip der Erfindung
von zweitrangiger Bedeutung. Das heisst, die Spule kann sehr kurz
(im Verhältnis
zur Querabmessung) oder auch lang sein. Die Leistung des Wirbelstromfeldes
pro Volumeneinheit des Mediums soll so gering sein, dass keine spürbare lokale
Erwärmung
auftritt.
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Mit der erfindungsgemässen Sensorkonstruktion
kann auf einen Kanal verzichtet werden. Die Stabspule wirkt gleichzeitig
als Erreger und als Messsignalaufnehmer. Mit der Erfindung ergeben
sich mehr Freiheiten bei der konstruktiven Gestaltung des Sensorkopfs.
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Mit Vorteil wird die Stabspule ohne
einen magnetisierbaren bzw. magnetischen Kern, also als Luftspule
betrieben. Dadurch können
die Verluste, die sich mit einem magnetischen Kern ergeben, vermieden
werden. Wenn jedoch die Induktivität der Spule zu erhöhen ist
und die Verluste tragbar sind, kann unter gewissen Umständen trotzdem
ein ferromagnetischer Kern verwendet werden.
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Um den Wechselstromwiderstand der
Stabspule zu erhöhen,
kann die Erregersignalfrequenz im HF-Bereich (z. B. bei 100 MHz
oder mehr) angesiedelt werden.
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Vorzugsweise ist die Stabspule mit
einer Kapazität
zu einem LC-Schwingkreis verschaltet. Die Kreisgüte dieses Schwingkreises hängt von
der Leitfähigkeit
des Mediums ab, weil der im Medium induzierte Wirbelstrom aufgrund
der im Medium vorhandenen Ionen eine zusätzliche Last der Spule darstellt. Anhand
der Kreisgüte
im Resonanzzustand kann auf die Leitfähigkeit geschlossen werden.
Mit der Resonanzmessung können
relativ hohe Empfindlichkeiten, erreicht und parasitäre Effekte
minimiert werden. Ist die Induktivität der Spule für die zu
ermittelnden Signale ausreichend, kann auch auf einen LC-Schwingkreis
verzichtet und eine direkte Messung (also nicht via Kreisgüte) vorgenommen
werden.
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Da sich die Resonanzfrequenz verändern kann,
ist das Erregersignal für
eine optimale Messung nachzuführen.
Dies kann in an sich bekannter Weise erfolgen. Eine Möglichkeit,
die (variable) Resonanzfrequenz zu treffen, besteht beispielsweise darin,
einen Signalgenerator mit sich wiederholt ändernder Frequenz einzusetzen.
Der Signalgenerator erzeugt z. B. periodisch eine Frequenzrampe
im Bereich der vermuteten Resonanzfrequenz. Es ist auch eine Frequenzregelung
möglich,
die den LC-Schwingkreis im Resonanzzustand hält.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
hat die Stabspule funktionsmässig
nur eine einzige Windung. Dadurch wird die induzierte Spannung pro
Windung maximal. Entsprechend ist auch der induzierte Wirbelstrom
pro Windung gross.
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Es kann unter Umständen auch
nützlich
sein, einige wenige (z. B. zwei bis zehn) Windungen vorzusehen.
Diese Windungen können
(in axialer Richtung) nebeneinander oder (in radialer Richtung) übereinander
(im Sinn einer mehrlagigen Spule) angeordnet sein. Werden die Windungen
nebeneinander platziert, wird das Wirbelstromfeld im Medium entsprechend
verteilt. Der Sensor misst damit einen ausgedehnten Bereich des
Mediums.
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Die Stabspule kann z. B. durch ein
geschlitztes Rohr (Hohlzylinder) mit zwei oder mehr parallel geschalteten
Leitern verwirklicht sein. Eine solche Ausführung zeichnet sich durch die
Einfachheit des Aufbaus aus.
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Mit einem vorzugsweise im Sensorkopf
integrierten Temperaturfühler
kann die Temperatur des Mediums bestimmt und die Temperaturkompensation durchgeführt werden.
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Die Stabspule ist z. B. in einem
zylindrischen Gehäuse
kleinstmöglicher
Abmessung unter- gebracht. Das Gehäuse (bzw. der Sensorkopf) ist
frei von verstopfungsempfindlichen Durchgangskanälen. Es hat vorzugsweise eine
strömungstechnisch
optimierte Form. und kann daher auch in eine Leitung eingesetzt
werden.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn in
der Schaltungsanordnung ein einstellbarer Widerstand (z. B. ein
Drehschalter) vorgesehen ist, so dass der Sensor auf verschiedene
Messbereiche eingestellt werden kann.
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Das erfindungsgemässe Messprinzip zum Bestimmen
der Leitfähigkeit
eines flüssigen
Mediums beruht also darauf, dass eine Stabspule mit einem Erregerstrom
beaufschlagt wird und dass der durch die Leitfähigkeit des Mediums beeinflusste
Verlustwiderstandswert der Stabspule bestimmt wird.
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Vorzugsweise wird die Stabspule zu
einem Schwingkreis verschaltet und bei 100 MHz oder mehr betrieben,
so dass der Verlustwiderstand RM des Wirbelstroms
im Medium über
die Kreisgüte
Q bestimmt werden kann.
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Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und
der Gesamtheit der Patentansprüche
ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen
der Erfindung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels
verwendeten Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Messvorrichtung; FGg.
2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Stabspule;
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3 eine
schematische Darstellung der Resonanzkurve; und
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4 eine
beispielhafte Darstellung eines Erregersignals.
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Grundsätzlich sind in den Figuren
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
des Messgerätes
schematisch dargestellt. In einem Gehäuse 1 ist eine (einzige)
Stabspule 2 untergebracht. Das Gehäuse 1 ist im Bereich
der Stabspule 2 gerade so gross dimensioniert, dass letztere Platz
hat. Die Stabspule 2 mit dem sie unmittelbar umgebenden
Gehäuseteil
bildet also den Sensorkopf. Die Stabspule 2 besteht im
Wesentlichen aus einer Drahtwicklung 3 auf einem Träger, die
sich über eine
gewisse Länge
der typischerweise zylindrischen Stabspule 2 erstreckt.
Die Anzahl der Windungen hängt
von der benötigten
Induktivität
L der Stabspule 2 ab. Die Stabspule 2 hat keinen
magnetischen Kern.
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Parallel zur Stabspule 2 ist
eine Kapazität
C (Kondensator) geschaltet. Diese befindet sich zwischen den Anschlüssen der
Stabspule 2. In Serie zum Parallel-LC-Schwingkreis (aus
Stabspule 2 und Kapazität
C) ist ein Messwiderstand R angeordnet.
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Ein Signalgenerator 4 erzeugt
ein Erregersignal einer vorgegebenen Frequenz. Dieses wird über die
erwähnten
Enden der Drahtwicklung auf die Stabspule 2 gegeben. Das
Medium 8, in welches das elektrische Wirbelstromfeld der
Stabspule 2 eindringt, wirkt als leitfähigkeitsabhängige Last (variabler Verlustwiderstand).
Mit einer Detektorschaltung 5 wird die Spannung über dem
Widerstand R gemessen. Aus dieser kann die Leitfähigkeit des Mediums abgeleitet
werden.
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Da die Leitfähigkeit des Mediums von der Temperatur
abhängt,
wird zusätzlich
mit einem Temperaturfühler 7 und
einer Temperaturmessschaltung 6 die Temperatur am Ort der
Leitfähigkeitsmessung (d.h.
in der Nähe
der Stabspule 2) bestimmt. In 1 ist der Temperaturfühler (welcher ein bekanntes Pt100-Element
sein kann) an der Innenseite des Gehäuses 1 am unteren
Ende der Stabspule dargestellt. Die Drähte von der Temperaturmessschaltung 6 zum Temperaturfühler sind
z. B. durch die Mitte der Stabspule nach unten geführt. Tatsächlich kann
der Temperaturfühler
auch an einem anderen geeigneten Ort platziert sein. Der Messwert
der Temperaturmessschaltung 6 wird in die Detektorschaltung 5 direkt
als Koeffizient eingespeist. Die Detektorschaltung 5 liefert
nach aussen also bereits ein kompensiertes Signal.
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Im Gehäuse 1 ist nach Bedarf
auch die Stromversorgung des Messkopfs untergebracht, so dass der
Benutzer eine kompakte, in sich geschlossene Einheit zur Verfügung hat,
die er in einer Leitung einbauen kann.
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2 zeigt
eine Stabspule in Form eines Zylinders
10 mit einem Längsschlitz
11.
Auf dem Zylinder
10 sind mehrere elektrische Leiter
12.1,
...,
12.5 ausgebildet. Diese bilden jeweils eine umlaufende Windung
und sind elektrisch parallel geschaltet (z. B. durch zwei den Längsschlitz
11 säumende,
in axialer Richtung verlaufende, durchgehende Leiterbereiche). Der
Zylinder
10 hat z. B. eine Abmessung von 5 – 15 mm
Durchmesser und 3 – 10
mm Länge.
Er kann aus einem zu einem Hohlzylinder gebogenen Blechstück geformt
sein, so dass die Zylinderwand gleichzeitig als Leiter dient. (Der
Zylinder kann aber auch aus einem nichtleitenden Material bestehen, auf
welchem die Leiter aufgebracht (bzw. getragen) sind. Bekanntlich
hat der verlustbehaftete Parallelschwingkreis folgende Resonanzfrequenz
w
D
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- C = Kapazität
des Kondensators
L = Induktivität der Stabspule
RL = Leitfähigkeitsabhängiger Lastwiderstand
der Stabspule im Medium (bei Resonanzfrequenz).
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Die Dämpfung d und die Kreisgüte Q sind wie
folgt definiert:
R
p =
Parallelwiderstand zur Kapazität
(R
p »R
L).
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3 und 4 veranschaulichen das Messprinzip.
Die Breite der Resonanzkurve A(w) des LC-Schwingkreises ist bekanntlich eine
Funktion der Dämpfung
d bzw. der Kreisgüte
Q. Diese wird im vorliegenden Fall durch die Leitfähigkeit
des Mediums beeinflusst. In 3 ist
die Amplitude am Messwiderstand R dargestellt. In der gezeigten
Schaltungsanordnung kann die Leitfähigkeit, anhand der minimalen
Spannung der Resonanzkurve A(w) bei Resonanzfrequenz wo bestimmt
werden.
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In 4 ist
ein bevorzugtes Erregersignal E(t) schematisch dargestellt. Es handelt
sich um eine Sägezahnkurve,
deren Frequenz periodisch um die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises herum variiert
(wobei im Wesentlichen mehrere linear ansteigende, gleiche Rampen
mit einer Pause bzw. einem Frequenzsprung hintereinander folgen).
Dadurch wird sichergestellt; dass in jedem Messzyklus die effektive
Resonanzfrequenz des Kreises getroffen wird unabhängig von
temperaturbedingten oder sonstigen Driften.
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Die Resonanzfrequenz wird z. B. in
den Bereich zwischen 140 und 160 MH gelegt. Die Kapazität C kann
z. B. etwa 150 bis 200 pF betragen und die Induktivität L der
Stabspule etwa 4–8
nH. Der Messwiderstand R liegt z. B. im Bereich von 100 – 400 Ohm.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel
kann im Rahmen der Erfindung in verschiedenster Hinsicht abgewandelt
werden. Das Gehäuse
braucht nicht zylindrisch zu sein, sondern kann auch eine andere
geeignete Form haben. Im Bereich der Stabspule könnte das Gehäuse z. B.
so geformt sein, dass zumindest ein Teil der inneren Seite (quasi
der Kern) der Stabspule mit dem Medium gefüllt ist. Zu denken ist an eine
Vertiefung oder ein kurzes und relativ grosses Sackloch, das keine
Verstopfungsprobleme kennt.
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Die Messschaltung kann unter Umständen weitere
Bauteile enthalten. Es können
z. B. mehrere individuelle zuschaltbare Messwiderstände vorgesehen
sein, damit der Messbereich des Geräts verändert werden kann. Entsprechend
können
mehrere Klemmen (welche mit unterschiedlichen Widerständen verbunden
sind) oder Umschalter oder Drehschalter vorgesehen sein. Es. ist
auch denkbar, die Änderung
des Messwiderstandes R durch eine elektronische Umschaltung zu erreichen.
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Die Messschaltung kann aber auch
nach einem anderen Verfahren arbeiten. So ist es z. B. nicht zwingend,
dass ein LC-Schwingkreis in Resonanz betrieben wird. Die Induktivität der Spule
kann unter Umständen
ausreichend hoch gewählt
werden, so dass nicht ein LC-Schwingkreis
aufgebaut werden muss. Es könnte
z. B. ein kleiner ferromagnetischer Kern zur Erhöhung der Induktivität vorgesehen
sein. Ein solcher Kern müsste
keineswegs so gross wie beim eingangs zitierten Stand der Technik
sein, da es nicht um eine Kopplung von örtlich getrennten Erreger-
und Detektorspulen geht.
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Die Erregerfrequenz sollte deutlich
grösser als
10 MHz sein, z. B. 50 MHz oder mehr. Aus messtechnischen Gründen wird
die genannte Frequenz jedoch in aller Regel unter 300 MHz sein.
Der Variationsbereich des Erregersignals beträgt typischerweise 10 – 20% der
erwarteten bzw. durchschnittlichen Resonanzfrequenz. Anstelle einer
Sägezahnkurve, können einzelne
(zeitlich getrennte) Frequenzrampen oder auch andersartig variierende
Frequenzkurven gewählt
werden. Kann die Resonanzfrequenz genügend stabil gehalten werden,
ist es nicht einmal zwingend, einen Frequenzbereich kontinuierlich
zu scannen (wie es mit der weiter oben vorgeschlagenen Frequenzrampe
erfolgt).
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Die Auswerteelektronik ist mit Vorteil
(aber nicht zwingend) im selben Gehäuse wie die Stabspule untergebracht.
Im einfachsten Fall liefert die Detektorschaltung einen Strom (in
einem vorgegebenen Bereich von z. B. 1 bis 10 mA). Die Detektorschaltung 5 (und
ev. die Temperaturmessschaltung 6) kann auch über eine
Datenschnittstelle 9 abfragbar sein. Die Leitfähigkeitswerte
können
dann von einem zentralen Rechner (an welchen mehrere Messköpfe einer
Produktionsanlage angeschlossen sind) ermittelt und ausgewertet
werden. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
die erfindungsgemässe
Vorrichtung als autonome Einheit (also unabhängig von einem zusätzlichen
bzw. zentralen Steuerrechner) auszuführen.
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Das Gehäuse des Sensorkopfs soll hinsichtlich
Material und Form so ausgebildet sein, dass die Stabspule 2 bzw.
deren magnetisches Wechselfeld möglichst
gut in das flüssige
Medium eingekoppelt werden kann. Der Temperaturfühler ist mit Vorteil, aber
nicht zwingend, im Sensorkopf platziert. Bei einem strömenden Medium
kann er auch an einem vom Wirbelstromfeld der Stabspule nicht allzu
weit entfernten Ort angeordnet werden.
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Zusammenfassend ist festzustellen,
dass durch die Erfindung ein Messkopf zur Bestimmung von Leitfähigkeitswerten
von Flüssigkeiten
(bzw. von liquiden Medien) geschaffen worden ist, der einen einfachen
und betriebssicheren Aufbau hat und der ansonsten die ähnlichen
Vorteile und Anwendungsbereiche hat, wie der von der Anmelderin
bereits vertriebene.