用于確定傳導性的電導率傳感器的至少一個故障的方法及電導率傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于確定具有至少兩個電極的傳導性的電導率傳感器的至少一個故障的方法，其中所述電導率傳感器用于測量介質(zhì)的電導率，該方法包括如下步驟：向所述電極施加第一電變量，測量所述電極上的至少一個第二電變量，并且基于測量所述第二電變量判定是否存在故障，a)其中當沒有故障存在時，測量介質(zhì)時，所述第二電變量位于第一范圍內(nèi)，b)其中在第一故障的情況下，特別是當所述電導率傳感器至少部分地位于所述介質(zhì)之外時，所述第二電變量位于第二范圍內(nèi)，并且c)其中當?shù)诙收洗嬖跁r，特別是第二故障為電極斷裂或者連至所述電極的線路斷開的形式時，所述第二電變量位于第三范圍內(nèi)。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行該方法的電導率傳感器。
【專利說明】用于確定傳導性的電導率傳感器的至少一個故障的方法及電導率傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于確定具有至少兩個電極的傳導性的電導率傳感器的至少一個故障的方法。
【背景技術】
[0002]傳導性的電導率傳感器用于不同應用中以測量介質(zhì)的電導率。
[0003]最公知的傳導性的電導率傳感器是雙電極傳感器和四電極傳感器。
[0004]雙電極傳感器具有在測量操作時浸入于介質(zhì)中的兩個電極，并且提供有交變電壓。與兩個電極連接的測量電子設備測量電導率測量單元的電阻抗，然后，基于早先確定的取決于測量單元的幾何形狀以及其它特性的單元常數(shù)，確定位于測量單元中的介質(zhì)的電阻系數(shù)，或者電導率。
[0005]四電極傳感器具有在測量操作時浸入于介質(zhì)中的四個電極，其中兩個用作所謂的電流電極，兩個用作所謂的電壓電極。在測量操作時施加在兩個電流電極之間的是交變電壓，其導致流過介質(zhì)的交變電流。該電流在電壓電極之間產(chǎn)生電勢差，其優(yōu)選通過無電流測量來確定。同樣在這種情況下，通過連接至電流和電壓電極的測量電子設備，由施加的交變電流以及測量的電勢差引起的電導率測量單元的阻抗被確定，然后，基于早先確定的取決于測量單元的幾何形狀以及其它特性的單元常數(shù)，確定位于測量單元中的介質(zhì)的電阻系數(shù)，或者電導率。
[0006]在當今的電導率傳感器中，不可能檢測電極斷裂(break)。這意味著用戶不能總是充分地確信傳感器的功能能力。而且不能區(qū)分傳感器是否處于空氣中，或者從評估電子設備至電極的線路是否中斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此本發(fā)明的目的是檢測傳導性的電導率傳感器的電極狀態(tài)的變化。
[0008]該目的通過這樣的方法來實現(xiàn)，其包括如下步驟:
[0009]向電極施加第一電變量，
[0010]測量電極上的至少一個第二電變量，并且[0011 ] 基于測量第二電變量判定是否存在故障，
[0012]其中當沒有故障存在時，在測量介質(zhì)時，所述第二電變量位于第一范圍內(nèi)，
[0013]其中在第一故障的情況下，特別是當電導率傳感器至少部分地位于介質(zhì)之外時，所述第二電變量位于第二范圍內(nèi)，并且
[0014]其中當存在第二故障時，特別是第二故障是電極斷裂、或者是至電極的線路斷開的形式時，所述第二點電變量位于第三范圍內(nèi)。
[0015]通過將第二電變量的測量范圍劃分為三個范圍，就可能確定傳感器的電極的狀態(tài)。[0016]在優(yōu)選實施例中，用作第二電變量的是流過電極的電流。以此方式，可以使用相對簡單的測量電路。
[0017]在實施例的有利的形式中，第二范圍具有比第一范圍小的值，并且第三范圍具有比第二范圍小的值。范圍的分級使上述的分析a) “傳感器測量正常”，b) “傳感器位于介質(zhì)外”，以及c) “傳感器電極不能運行”成為可能。
[0018]在進一步的有利改進中，作為第二電變量使用的是電極之間的阻抗的大小。該測量變量可利用相對少的組件來實現(xiàn)。
[0019]在更進一步的有利改進中，作為第二電變量使用的是電極之間的電容。該測量變量是電極的不希望的狀態(tài)的最直接的標志。
[0020]在更進一步的有利改進中，利用電路將電極形成振蕩電路，頻率作為第二電變量。以此方式，可以檢測到極小的偏差。
[0021]在更進一步的有利改進中，以脈沖的形式提供、特別是矩形脈沖的形式提供第一電變量，作為第二電變量的是脈沖的衰減特性。
[0022]在進一步的有利改進中，提供有集成電路，特別是微控制器，作為第二電變量的是由集成電路可執(zhí)行的方法。集成電路可以執(zhí)行上述的用于檢測至少一個電極的狀態(tài)變化的所有的方法。
[0023]除了標明的選項，可以使用微控制器固有的選項，例如利用集成比較器和電極實現(xiàn)振蕩器，并且評估振蕩器的特性。另外一種選項是為了檢測作為狀態(tài)變化的偏差，使用微控制器的集成時鐘源來為電極電容的充電/放電周期計數(shù)。
[0024]優(yōu)選地用作第一電變量的是電交變變量。特別容易實現(xiàn)的這樣的變量是交變電壓。
[0025]此外，該目的進一步通過用于執(zhí)行該方法的電導率傳感器來實現(xiàn)。
[0026]在有利的實施例中，電導率傳感器包括至少四個電極，它們成對地組合以形成第一電極對和第二電極對，其中提供有用于在第一電極對和第二電極對之間切換第一電變量的電路。因此,可彼此獨立地檢測電流電極和電壓電極的狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面將基于附圖對本發(fā)明進行更加詳細的說明，附圖如下示出:
[0028]圖1a-1b分別是具有兩個或者四個電極的傳感器的等效電路圖，
[0029]圖2a_2b是帶有或者沒有斷開的電極的電容的示意圖，以及
[0030]圖3a_3e是用于在第一電極對和第二電極對之間切換的電路選項的示意圖。
【具體實施方式】
[0031 ] 在附圖中，相同的特征提供有相同的附圖標記。
[0032]圖1a-1b示出了具有配置有兩個電極(圖1a)和四個電極(圖1b)的電極配置的電導率傳感器20。在這樣的情況下，電流電極提供有附圖標記I和2，電壓電極提供有附圖標記4和5。
[0033]在等效電路圖示出的電極之間形成的分別是電容3和電容6。
[0034]圖2a_2b示出了示意性地帶有連至評估電子設備9的導線線路7和8的各電極。評估電子設備9可以實現(xiàn)為例如測量發(fā)射器。在圖2a中，導線線路是正常的，測量系統(tǒng)如期望地運行。
[0035]圖2b示出了帶有斷開的導線線路8的測量系統(tǒng)。在一個斷開的端和電極之間形成有寄生電容10。
[0036]借助于本發(fā)明的方法，狀態(tài)變化識別如下。首先，第一電變量，特別是電交變變量，例如，交變電壓，被施加到電極I和2，或者4和5。這可通過評估電子設備9，即測量發(fā)射器來實現(xiàn)。然而，其它的源也是合適的。
[0037]在接下來的步驟中，測量第二電變量。這可以是例如流過電極的電流。然而其它的選項還可包括阻抗或者電容的大小。然而，通常測量的是電流，因為電路復雜性最低。
[0038]如果一切正常，S卩，電極是完好的，并且所有的電極I和2 (以及，在給定的情況下，還包括4和5)都位于待測的介質(zhì)中(對照圖2a))，則相對大的電流得以測量。電流通過介質(zhì)中的電荷載流子傳導。
[0039]如果電導率傳感器至少部分地位于介質(zhì)外，即在空氣中，則電流不再完全流經(jīng)介質(zhì)。測得與平板電容相似的針對電極的幾何形狀的電流特性。該電流小于在介質(zhì)中測量情況下的電流。
[0040]如果一個電極或者導線線路斷開(對照圖2b))，則測到更小的電流。該電流因此小于在空氣中的完整的電極情況下的電流。
[0041]因此通過測量電流，可檢測出電極處于哪種狀態(tài)、以及是否存在故障和存在哪種故障。
[0042]以示例并且非限定的方式，使用“純水”作為示例。純水具有例如I μ S/cm的電解電導率。在單元常數(shù)(基本上取決于電極的幾何形狀)為0.0lcnT1的情況下，則得到可測量電阻為IOkQ。在同樣的傳感器，即固定的單元常數(shù)的情況下，得到如下結(jié)果:待測量介質(zhì)的電阻越高，電極的電容，相應地電容的影響也越大。
[0043]在具有四個電極的電導率傳感器的情況下，需要用于切換第一電變量的電路。圖3a-3e示意性地示出了這樣的電路的示例。在圖3a中，開關11指向電流電極I和2，而在圖3b中，其指向電壓電極4和5。電流源12，例如同樣集成在測量發(fā)射器中，即評估電子設備9中，用于電流的饋入。在每種情況下，電流路徑都與接地13相連接。圖3c、圖3d和圖3e示出了電極1、2或者4、5不被成對地作為電流或者電壓電極讀出情況下的電路。相反，電壓電極可與電流電極相連接。讀出可以順序地發(fā)生。同樣，多路轉(zhuǎn)接器可集成在評估電子設備9內(nèi)。
[0044]作為電流測量的替代，電極可與可選的電感性組件(例如，同樣實現(xiàn)在評估電子設備9內(nèi)的)一起形成振蕩電路。如果存在故障，即導線線路斷開，則電極斷開或者至少一個電極至少部分地位于介質(zhì)之外，則振蕩電路的頻率變化。這可以例如通過評估電子設備9來檢測。
[0045]此外，一個選項是將矩形信號形式的脈沖施加到電極。脈沖的衰減特性是電極狀態(tài)的特征，并且可以示出是否存在故障。
[0046]在實施例中，集成電路，特別是微控制器，可連接至電極1、2，或者4、5。
[0047]利用集成電路，一個選項是實施上述所有的方法以檢測至少一個電極的狀態(tài)的變化。[0048]而且，也可以實施其它的評估選項:集成電路，特別是微控制器，通常具有多個輸入端、至少一個集成放大器、比較器、時鐘源等。這些內(nèi)在的裝置提供了多種選項，例如檢測第一電變量的變化。因此，例如，電極1、2，或者4、5可與微控制器的集成比較器連接，從而產(chǎn)生振蕩器。電極1、2，或者4、5的狀態(tài)變化，以頻率變化的形式被檢測。可替代地，電極
1、2，或者4、5可與微控制器的時鐘源連接。因此，例如，可測量充放電時間。電極1、2，或者
4、5的狀態(tài)的變化可作為充放電時間的變化加以檢測。
[0049]附圖標記列表
[0050]I 電極
[0051]2 電極
[0052]3 I和2之間的電容
[0053]4 電極
[0054]5 電極
[0055]6 4和5之間的電容
[0056]7 I和2之間的導線線路
[0057]8 4和5之間的導線線路
[0058]9評估電子設備
[0059]10寄生電容
[0060]11切換電路
[0061]12電流源
[0062]13 接地
[0063]14 4和2之間的電容
[0064]14 5和2之間的電容
[0065]20電導率傳感器
【權利要求】
1.一種用于確定具有至少兩個電極(1、2、4、5)的傳導性的電導率傳感器(20)的至少一個故障的方法，其中所述電導率傳感器(20)用于測量介質(zhì)的電導率，所述方法包括如下步驟: 一向所述電極(1、2、4、5)施加第一電變量， 一測量所述電極(1、2、4、5)上的至少一個第二電變量，并且 -基于測量所述第二電變量來判定是否存在故障， a)其中當沒有故障存在時，在測量所述介質(zhì)時，所述第二電變量位于第一范圍內(nèi)， b)其中在第一故障的情況下，特別是當所述電導率傳感器至少部分地位于所述介質(zhì)之外時，所述第二電變量位于第二范圍內(nèi)，并且 c)其中當存在第二故障時，特別是以電極斷裂或者至所述電極(1、2、4、5)的線路(7、8)斷開的形式的第二故障存在時，所述第二電變量位于第三范圍內(nèi)。
2.如權利要求1所述的方法，其中用作第二電變量的是流經(jīng)所述電極的電流。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述第二范圍具有比所述第一范圍小的值，并且 其中所述第三范圍具有比所述第二范圍小的值。
4.如權利要求1至3的至少一項所述的方法，其中用作第二電變量的是所述電極之間的阻抗的大小。
5.如權利要求1至4的至少一項所述的方法，其中用作第二電變量的是所述電極之間的電容(3、6、10)。
6.如權利要求1至5的至少一項所述的方法，其中利用電路將所述電極形成振蕩電路，并且其中用作第二電變量的是頻率。
7.如權利要求1至6的至少一項所述的方法，其中以脈沖的形式提供、特別是以矩形脈沖的形式提供所述第一電變量，并且 其中用作第二電變量的是所述脈沖的衰減特性。
8.如權利要求1至6的至少一項所述的方法，其中提供有集成電路、特別是微控制器，并且用作第二電變量的是由所述集成電路可執(zhí)行的方法。
9.如權利要求1至8的至少一項所述的方法，其中用作第一電變量的是電交變變量。
10.一種用于執(zhí)行如權利要求1至9中至少一項所要求的方法的電導率傳感器(20)。
11.一種用于執(zhí)行如權利要求1至10中至少一項所要求的方法的電導率傳感器(20)，其中所述電導率傳感器包括至少四個電極(1、2、4、5)，這些電極成對地組合以形成第一電極對(1、2)和第二電極對(4、5)，并且 其中提供有用于在第一電極對(1、2)和第二電極對(4、5)之間切換所述第一電變量的電路。
【文檔編號】G01R27/02GK103543422SQ201310336529
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月16日 優(yōu)先權日:2012年7月16日
【發(fā)明者】斯特凡·保羅, 斯特凡·布施納科斯基, 羅伯特·喬培 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調(diào)節(jié)技術分析儀表兩合公司