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Dokumentenidentifikation DE102006029416A1 03.01.2008
Titel Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums
Anmelder Knick Elektronische Messgeräte GmbH & Co. KG, 14163 Berlin, DE
Erfinder Feucht, Wolfgang, Dipl.-Ing., 14165 Berlin, DE;
Fuchs, Andreas, Dipl.-Ing., 12205 Berlin, DE;
Martell, Thomas, Dipl.-Ing., 14513 Teltow, DE
Vertreter Patentanwälte Rau, Schneck & Hübner, 90402 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 27.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006029416
Offenlegungstag 03.01.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse G01N 27/04(2006.01)A, F, I, 20060627, B, H, DE
Zusammenfassung Eine Leitfähigkeitsmessvorrichtung weist eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem Analogausgang (8, 9) auf, von dem abgeleitet vorzugsweise von mindestens einem D/A-Wandler im Wesentlichen sinusförmige Ausgangssignale zueinander synchron-invers ausgebbar sind. Die Schaltungsanordnung weist ferner zwei Analogeingänge (19, 20) auf. Eine Vierpolzelle (2) ist mit zwei Stromelektroden (4, 5) versehen, in die ein durch die synchron-inversen Ausgangssignale generierter Wechselmessstrom in das Medium einspeisbar ist. Zwei Spannungselektroden (6, 7) dienen zum Abgreifen eines für die Leitfähigkeit des Mediums repräsentativen Potentialunterschiedes und sind jeweils mit einem der A/D-Analogeingänge (19, 20) gekoppelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums.

Die konduktive Messung der Leitfähigkeit erfolgt üblicherweise mittels einer sogenannten Vierpolzelle. Über deren beiden äußeren Elektroden – die Stromelektroden – fließt ein im Wert bekannter Strom durch das zu messende Medium. An den beiden inneren Elektroden – den Spannungselektroden – wird der Spannungsabfall, der durch den vom Leitwert des Mediums abhängigen Stromfluss entsteht, gemessen. Um in dem leitfähigen Medium Polarisationseffekte zu vermeiden, erfolgt die Messung der Leitfähigkeit in der Regel auf der Basis einer Wechselspannung.

Üblicherweise wird bei bekannten Vorrichtungen zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums für die Wechselspannung ein Rechtecksignal eingesetzt, da dies leicht zu erzeugen und eine synchrone Gleichrichtung einfach möglich ist. Allerdings hat das Rechtecksignal den erheblichen Nachteil, dass es einen hohen Anteil an Oberwellen aufweist. Diese Oberwellen führen zu starken Ausstrahlungen von EMV-Störungen. Ferner werden insbesondere bei langen Messkabeln dadurch die Messsignale verfälscht, was zu Messfehlern führt. Die Fachwelt hat sich in diesem Zusammenhang bereits ausführlich damit beschäftigt, solche Messfehler zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Ein Beispiel hierfür ist der DE 198 44 489 A1 entnehmbar, bei der bei einem Messumformer wenigstens zwei Frequenzwerte einer Wechselspannung zur Ermittlung der Impedanz der in die Flüssigkeit eintauchenden Messzelle verwendet werden. Aus den ermittelten Impedanzwerten werden unter Zugrundelegung eines Ersatzschaltbildes bestehend aus einer Parallelschaltung eines die Messzellenkapazität darstellenden Kondensators und eines den gesuchten Widerstand der Flüssigkeit innerhalb der Leitfähigkeitsmesszelle darstellenden ohmschen Widerstands sowie aus einem elektrischen, Frequenz-unabhängige Parameter aufweisenden Bauelement mit einer Frequenz-unabhängigen Phase die Frequenz-unabhängigen Parameter und der gesuchte Widerstand bestimmt. Erkennbar ist mit diesem Verfahren ein erheblicher Rechenaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums anzugeben, die mit schaltungstechnisch einfachen Mitteln eine genaue Messung unter erheblicher Reduzierung der EMV-Störstrahlungen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 gelöst. Demnach basiert die Erfindung auf einer Schaltungsanordnung, von deren mindestens einem Analogausgang abgeleitet vorzugsweise mit Hilfe eines D/A-Wandlers im Wesentlichen sinusförmige Ausgangssignale zueinander synchron-invers ausgebbar sind. Ferner sind bei der Schaltungsanordnung zwei Analogeingänge vorgesehen, die das Messsignal aufnehmen. Die Vierpolzelle ist an sich üblich mit zwei Stromelektroden und zwei Spannungselektroden aufgebaut. Die Stromelektroden sind dabei jeweils mit einem der D/A-Analogausgänge zur Einspeisung des durch deren synchron-inverse Ausgangssignale generierten Wechselmessstromes in das Medium gekoppelt. Die zwei Spannungselektroden zum Abgreifen eines für die Leitfähigkeit des Mediums repräsentativen Potentialunterschiedes sind jeweils mit einem der A/D-Analogeingänge gekoppelt. Damit kann der Mikrocontroller das jeweilige Elektrodenpotential messen und daraus den resultierenden Potentialunterschied bestimmen.

Die Erfindung basiert dabei auf der Erkenntnis, dass in EMV-technischer Hinsicht ein zumindest angenähertes Sinussignal deutliche Vorteile gegenüber einem Rechtecksignal aufweist. Die Sinus-Signalform ist auf analogem Wege allerdings nur sehr aufwändig herstellbar, genauso wie dabei die synchrone Gleichrichtung nur mit erheblichem Aufwand lösbar ist. Die Erfindung macht sich nun zu Nutze, dass über D/A-Wandler praktisch beliebige Signalformen, also auch die für die konduktive Messung der Leitfähigkeit optimale Sinusform generierbar sind. Da eine Vierpolzelle symmetrisch angesteuert wird, stellt vorzugsweise ein zweiter D/A-Wandler, ein Inverter oder ein Verstärker mit symmetrischen Ausgängen ein synchron-inverses Sinussignal zur Verfügung.

Aufgrund des über die D/A-Wandler einfach zu erzeugenden Sinussignals können an die Messkabel reduzierte Anforderungen gestellt werden. Insbesondere können diese eine höhere Kapazität bzw. Länge aufweisen, da keine einen hohen Oberwellenanteil aufweisenden Rechteck-Signale mehr übertragen werden.

Ein weiterer Vorteil der Sinus-Signalform ist der damit verbundene, geringere Leistungsbedarf der Messschaltung, da diese eine weitaus geringere Verstärkungsbandbreite aufweisen muss.

Der Spannungsabfall an den Spannungselektroden wird über zwei A/D-Wandler abgetastet, deren A/D-Analogeingänge mit den Spannungselektroden gekoppelt sind. Über den durch die Vierpolzelle fließenden Strom und den damit ermittelten Spannungsabfall kann der Leitwert des in der Vierpolzelle befindlichen Mediums berechnet werden.

Der nebengeordnete Patentanspruch 2 betrifft eine sehr ähnliche konduktive Messvorrichtung, die jedoch auf der Basis einer Zweipolzelle arbeitet. Hierbei sind die bei der Vierpolzelle getrennten Strom- und Spannungselektroden jeweils zu einer kombinierten Strom-/Spannungselektrode gekoppelt, die jeweils sowohl für die Messstrom-Einspeisung als auch den Abgriff des Messsignals zuständig sind. Dabei ergeben sich die gleichen Vorteile, wie sie bei der Ausführung mit Vierpolzelle geschildert wurden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Stromkreis der Vier- oder Zweipolzelle, also zwischen einer der Stromelektroden bzw. kombinierten Strom-/Spannungselektroden und einem der D/A-Analogausgänge ein Messwiderstand geschaltet, dessen Spannungsabfall von einem weiteren A/D-Wandler des Mikrocontrollers zur Erfassung des Wechselmessstromes abtastbar ist.

Durch die damit gegebene synchrone Abtastung des Messsignales durch die verschiedenen A/D-Wandler des Mikrocontrollers, der über seine synchrone D/A-Wandler den Zellenstrom liefert, kann eine definierte Phasenverschiebung bei der Messung vorgenommen werden. Es können so auftretende Phasenverschiebungen innerhalb des Messsystems, die durch die Verstärker unvermeidlich sind und beispielsweise auch durch lange Messkabel verursacht werden, ausgeglichen werden. Da ferner die Messung mit einer hohen Abtastrate erfolgen kann, besteht die Möglichkeit, das Messsignal in Realteil und Imaginärteil aufzuteilen, wodurch auftretende Polarisationseffekte herausgerechnet werden können.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind im Übrigen in der nachfolgenden Beschreibung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 bis 3 Blockdiagramme einer Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums in verschiedenen Ausführungsformen.

Wie aus 1 deutlich wird, ist das Herzstück der Leitfähigkeitsmessvorrichtung ein Mikrocontroller 1, der lediglich schematisch angedeutet ist und über alle notwendige Peripherie, wie eine entsprechende Betriebsspannungsversorgung, Taktung und so weiter verfügt.

Ferner gehört zu der Messvorrichtung eine übliche Vierpolzelle 2, die in den Figuren ebenfalls nur schematisch und mit einem Ersatzschaltbild von drei Reihen-Widerständen dargestellt ist. Bei letzteren handelt es sich um den eigentlichen zu bestimmenden Widerstand RX des in der Vierpolzelle 2 befindlichen flüssigen Mediums 3, sowie um die Vorwiderstände RV, die Leitungswiderstände und -kapazitäten sowie Übergangswiderstände in den Elektroden versinnbildlichen.

Die Vierpolzelle 2 weist – wie üblich – zwei Stromelektroden 4, 5 zur Einspeisung eines Messstromes IM in das Medium 3 sowie zwei dazwischen angeordnete Spannungselektroden 6, 7 zum Abgriff des zwischen diesen Elektroden über dem Medium 3 abfallenden Potentials auf.

Zur Einspeisung eines sinusförmigen Messstromes IM über die beiden Stromelektroden 4, 5 in das Medium 3 sind die Stromelektroden 4, 5 mit den D/A-Analogausgängen 8, 9 eines jeweiligen D/A-Wandlers 10, 11 im Mikrocontroller 1 gekoppelt. Zwischen der einen Stromelektrode 4 und dem zugehörigen D/A-Analogausgang 8 ist neben einem Ausgangsverstärker 15 in Reihe ein Messwiderstand RM geschaltet, über den der Messstrom IM läuft. Zu dessen Messung ist der Messwiderstand RM mit dem A/D-Analogeingang 13 eines A/D-Wandlers 14 im Mikrocontroller 1 verbunden. Dieser A/D-Wandler 14 ermittelt den Messstrom IM als Spannungsabfall über den Messwiderstand RM, der in seiner Größe vom Mikrocontroller einstellbar ist, wie dies in den beigefügten 1 bis 3 strichliert angedeutet ist. Der Messstrom IM wird im Übrigen durch die Ausgangsverstärker 15, 16 vor den jeweiligen D/A-Analogausgängen 8, 9 entsprechend der von den D/A-Wandlern 10, 11 generierten Signalform erzeugt.

Die beiden Spannungselektroden 6, 7 sind über Eingangsverstärker 17, 18, die als Differenzverstärker geschaltet sind, mit den A/D-Analogeingängen 19, 20 eines jeweiligen A/D-Wandlers 21, 22 im Mikrocontroller 1 verbunden.

Die Funktionsweise und Vorteile der gezeigten Messvorrichtung stellen sich wie folgt dar:

Die Versorgungsspannung für die Schaltung ist unipolar, leistungsarm und liegt bei niedrigen Werten von beispielsweise 2,5 bis 3 Volt. Neben dem Mikrocontroller 1 sind nur wenige externe Bauteile, wie die Ausgangsverstärker 15, 16 und Eingangsverstärker 17, 18 notwendig.

Das von den D/A-Wandlern 10, 11 generierte Sinussignal enthält keine Oberwellen und ist daher EMV-technisch sehr günstig. Bei hohen Kabellängen zur Vierpolzelle 2 hin führt ein Sinussignal ferner zu geringsten Verzerrungen, was mögliche Messfehler deutlich verringert.

Die A/D-Wandler 21, 22 können den für den Leitwert des Mediums 3 repräsentativen, von den Spannungselektroden 6, 7 erfassten Potentialunterschied mit einer hohen Abtastrate erfassen. Ferner kann das Empfangssignal in seinen Imaginär- und Realteil aufgespalten werden. Damit können Signallaufzeitverschiebungen, die durch die Verstärker 15, 16 oder lange Kabel hervorgerufen werden, kompensiert werden. Bei der Verwendung von Zweipolzellen kann der Einfluss der Polarisation an den Elektroden durch mathematische Verrechnung minimiert werden.

Der Mikrocontroller 1 kann ferner eine Einstellung der Messbereiche vornehmen. Bei hohen Eingangssignalen entsprechend einer niedrigen Leitfähigkeit des Mediums 3 werden die Eingangsverstärker 17, 18 auf eine kleine Verstärkung eingestellt. Bei kleinen Eingangssignalen entsprechend einer hohen Leitfähigkeit des Mediums 3 wird der Messwiderstand RM auf kleine Werte reduziert. Damit regelt der Mikrocontroller den Strommesswiderstand RM und die Eingangsverstärkung auf die für die jeweilige Messung optimalen Werte.

Bei sehr hohen Leitfähigkeiten regelt der Mikrocontroller das Ausgangssignal der D/A-Wandler 10, 11 weiter herunter, um den Messstrom RM und damit den Leistungsbedarf der Gesamtschaltung unter einem Maximalwert zu halten.

Eine Besonderheit der gezeigten Messvorrichtung liegt in der Möglichkeit, ungünstige Einbauverhältnisse der Vierpolzelle 2 zu kompensieren. Stört beispielsweise eine benachbarte metallische Wand das elektrische Feld der Zelle, so ergeben sich für die beiden Ersatz-Widerstände RV unterschiedliche Werte. Dies hat zur Folge, dass der Messstrom IM nicht ausschließlich über den zu messenden Mediumswiderstand RX fließt, sondern dass auch Fehlströme über die erwähnte metallische Wand abgeleitet werden. Diesen Umstand registriert der Mikrocontroller durch ungleiche Amplituden an den A/D-Analogeingängen 19, 20. Der Mikrocontroller 1 regelt dann die Amplituden der D/A-Analogausgänge 8, 9 auf unsymmetrische Werte, bis an den A/D-Analogeingängen 19, 20 die Symmetrie wieder hergestellt ist. Die Feldverteilung in der Zelle ist damit symmetrisch zur metallischen Wand und es kann kein Fehlstrom fließen.

Wie ferner aus den 1 bis 3 hervorgeht, kann statt der Vierpolzelle 2 die gesamte konduktive Messeinrichtung auch auf Basis einer explizit nicht dargestellten Zweipolzelle zur Anwendung gelangen. Dann fungieren die beiden Elektroden 6, 7 als kombinierte Strom-/Spannungselektroden, über die sowohl der von den D/A-Wandlern 10, 11 zur Verfügung gestellte Messstrom IM in die Zelle eingespeist als auch der Potentialunterschied zwischen den beiden Elektroden 6, 7 von den A/D-Wandlern 21, 22 erfasst wird. Die entsprechende Schaltungsänderung ist in 1 punktiert eingezeichnet.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Leitfähigkeits-Messvorrichtung ist in 2 gezeigt. Dort ist im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1 lediglich ein D/A-Wandler 10 mit entsprechendem D/A-Analogausgang 8 vorgesehen, der einerseits mit dem Ausgangsverstärker 15, andererseits mit einem Inverter 23 gekoppelt ist. Letzterer erzeugt ein zum Ausgangssignal des Ausgangsverstärkers 15 synchron-inverses Ausgangssignal. Im Übrigen arbeitet die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung entsprechend der gemäß 1, sodass übereinstimmende Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind und auf die diesbezüglichen Erläuterungen der 1 verwiesen werden kann.

Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist eine weitere Alternative zur Erzeugung der synchron-inversen, sinusförmigen Ausgangssignale gezeigt. So ist dem Analogausgang 8 ein Verstärker 24 nachgeschaltet, der über zwei symmetrische Ausgänge 25, 26 verfügt. Über diese werden die sinusförmigen, synchron-inversen Ausgangssignale zur Erzeugung des sinusförmigen Messstromes IM generiert. Im Übrigen kann zum verbleibenden Aufbau der Messvorrichtung wiederum auf die Ausführungen zu 1 verwiesen werden.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums,

gekennzeichnet durch

– eine Schaltungsanordnung mit

– mindestens einem Analogausgang (8, 9), von dem abgeleitet vorzugsweise von mindestens einem D/A-Wandler (10, 11) im Wesentlichen sinusförmige Ausgangssignale zueinander synchron-invers ausgebbar sind, und

– zwei A/D-Analogeingängen (19, 20), sowie

– eine Vierpolzelle (2) mit

– zwei Stromelektroden (4, 5), in die ein durch die synchron-inversen Ausgangssignale generierter Wechselmessstrom (IM) in das Medium einspeisbar ist, und

– zwei Spannungselektroden (6, 7) zum Abgreifen eines für die Leitfähigkeit des Mediums repräsentativen Potentialunterschiedes, die jeweils mit einem der A/D-Analogeingänge (19, 20) zur Messung des jeweiligen Elektrodenpotentials und zur Bestimmung des daraus resultierenden Potentialunterschiedes gekoppelt sind.
Vorrichtung zur konduktiven Messung der Leitfähigkeit eines Mediums,

gekennzeichnet durch

– eine Schaltungsanordnung mit

– mindestens einem Analogausgang (8, 9), von dem abgeleitet vorzugsweise von mindestens einem D/A-Wandler (10, 11) im Wesentlichen sinusförmige Ausgangssignale zueinander synchron-invers ausgebbar sind, und

– zwei A/D-Analogeingängen (19, 20), sowie

– eine Zweipolzelle (2) mit zwei kombinierten Strom/Spannungselektroden (6, 7),

– in die ein durch die synchron-inversen Ausgangssignale generierter Wechselmessstrom in das Medium einspeisbar ist, und

– die zum Abgreifen eines für die Leitfähigkeit des Mediums repräsentativen Potentialunterschiedes mit einem der A/D-Analogeingänge (19, 20) zur Messung des jeweiligen Elektrodenpotentials und zur Bestimmung des daraus resultierenden Potentialunterschiedes gekoppelt sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine D/A-Wandler (10, 11) integraler Bestandteil eines Mikrocontrollers (1) mit einem zugeordneten D/A-Analogausgang (8, 9) ist und die A/D-Analogeingänge (19, 20) auf A/D-Wandlern (21, 22) des Mikrocontrollers (1) geschaltet sind. Messvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer der Stromelektroden (4) bzw. kombinierten Strom/Spannungselektroden (6) und einem der D/A-Analogausgänge (8) ein Messwiderstand (RM) geschaltet ist, dessen Spannungsabfall von einem weiteren A/D-Wandler (14) des Mikrocontrollers (1) zur Erfassung des Wechselmessstromes abtastbar ist. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (RM) variabel und in seinem Wert durch den Mikrocontroller (1) einstellbar ist. Messvorrichtung mindestens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass den A/D-Analogeingängen (RM) ein Eingangsverstärker (17, 18) vorgeschaltet ist, dessen Verstärkung durch den Mikrocontroller (1) einstellbar ist. Messvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsverstärker (17, 18) als Differenzverstärker geschaltet sind. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zueinander synchron-inverse Ausgangssignal durch einen D/A-Wandler (10) mit nachgeschaltetem Inverter (23) erzeugt wird. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zueinander synchron-inverse Ausgangssignal durch einen D/A-Wandler (10) mit einem nachgeschalteten Verstärker (24) erzeugt wird, der über symmetrische Ausgänge (25, 26) verfügt. Messvorrichtung mindestens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Symmetrierang von Zellen-Fehlstrom-bedingten unsymmetrischen Eingangsamplituden an den A/D-Analogeingängen (19, 20) die Amplituden der Ausgangssignale der D/A-Analogausgänge (8, 9) vom Mikrocontroller (1) auf unsymmetrische Werte regelbar sind.






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