公开/公告号CN103543422A
专利类型发明专利
公开/公告日2014-01-29
原文格式PDF
申请/专利权人 恩德莱斯和豪瑟尔测量及调节技术分析仪表两合公司;
申请/专利号CN201310336529.6
申请日2013-07-16
分类号G01R35/00;G01R27/02;
代理机构中原信达知识产权代理有限责任公司;
代理人关兆辉
地址 德国盖林根
入库时间 2024-02-19 21:48:50
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-12-28
授权
授权
2014-03-12
实质审查的生效 IPC(主分类):G01R35/00 申请日:20130716
实质审查的生效
2014-01-29
公开
公开
技术领域
本发明涉及用于确定具有至少两个电极的传导性的电导率传感器 的至少一个故障的方法。
背景技术
传导性的电导率传感器用于不同应用中以测量介质的电导率。
最公知的传导性的电导率传感器是双电极传感器和四电极传感 器。
双电极传感器具有在测量操作时浸入于介质中的两个电极，并且 提供有交变电压。与两个电极连接的测量电子设备测量电导率测量单 元的电阻抗，然后，基于早先确定的取决于测量单元的几何形状以及 其它特性的单元常数，确定位于测量单元中的介质的电阻系数，或者 电导率。
四电极传感器具有在测量操作时浸入于介质中的四个电极，其中 两个用作所谓的电流电极，两个用作所谓的电压电极。在测量操作时 施加在两个电流电极之间的是交变电压，其导致流过介质的交变电流。 该电流在电压电极之间产生电势差，其优选通过无电流测量来确定。 同样在这种情况下，通过连接至电流和电压电极的测量电子设备，由 施加的交变电流以及测量的电势差引起的电导率测量单元的阻抗被确 定，然后，基于早先确定的取决于测量单元的几何形状以及其它特性 的单元常数，确定位于测量单元中的介质的电阻系数，或者电导率。
在当今的电导率传感器中，不可能检测电极断裂(break)。这意味 着用户不能总是充分地确信传感器的功能能力。而且不能区分传感器 是否处于空气中，或者从评估电子设备至电极的线路是否中断。
发明内容
因此本发明的目的是检测传导性的电导率传感器的电极状态的变 化。
该目的通过这样的方法来实现，其包括如下步骤：
向电极施加第一电变量，
测量电极上的至少一个第二电变量，并且
基于测量第二电变量判定是否存在故障，
其中当没有故障存在时，在测量介质时，所述第二电变量位于第 一范围内，
其中在第一故障的情况下，特别是当电导率传感器至少部分地位 于介质之外时，所述第二电变量位于第二范围内，并且
其中当存在第二故障时，特别是第二故障是电极断裂、或者是至 电极的线路断开的形式时，所述第二点电变量位于第三范围内。
通过将第二电变量的测量范围划分为三个范围，就可能确定传感 器的电极的状态。
在优选实施例中，用作第二电变量的是流过电极的电流。以此方 式，可以使用相对简单的测量电路。
在实施例的有利的形式中，第二范围具有比第一范围小的值，并 且第三范围具有比第二范围小的值。范围的分级使上述的分析a)“传 感器测量正常”，b)“传感器位于介质外”，以及c)“传感器电极不能 运行”成为可能。
在进一步的有利改进中，作为第二电变量使用的是电极之间的阻 抗的大小。该测量变量可利用相对少的组件来实现。
在更进一步的有利改进中，作为第二电变量使用的是电极之间的 电容。该测量变量是电极的不希望的状态的最直接的标志。
在更进一步的有利改进中，利用电路将电极形成振荡电路，频率 作为第二电变量。以此方式，可以检测到极小的偏差。
在更进一步的有利改进中，以脉冲的形式提供、特别是矩形脉冲 的形式提供第一电变量，作为第二电变量的是脉冲的衰减特性。
在进一步的有利改进中，提供有集成电路，特别是微控制器，作 为第二电变量的是由集成电路可执行的方法。集成电路可以执行上述 的用于检测至少一个电极的状态变化的所有的方法。
除了标明的选项，可以使用微控制器固有的选项，例如利用集成 比较器和电极实现振荡器，并且评估振荡器的特性。另外一种选项是 为了检测作为状态变化的偏差，使用微控制器的集成时钟源来为电极 电容的充电/放电周期计数。
优选地用作第一电变量的是电交变变量。特别容易实现的这样的 变量是交变电压。
此外，该目的进一步通过用于执行该方法的电导率传感器来实现。
在有利的实施例中，电导率传感器包括至少四个电极，它们成对 地组合以形成第一电极对和第二电极对，其中提供有用于在第一电极 对和第二电极对之间切换第一电变量的电路。因此，可彼此独立地检 测电流电极和电压电极的状态。
附图说明
下面将基于附图对本发明进行更加详细的说明，附图如下示出：
图1a-1b分别是具有两个或者四个电极的传感器的等效电路图，
图2a-2b是带有或者没有断开的电极的电容的示意图，以及
图3a-3e是用于在第一电极对和第二电极对之间切换的电路选项 的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的特征提供有相同的附图标记。
图1a-1b示出了具有配置有两个电极(图1a)和四个电极(图1b) 的电极配置的电导率传感器20。在这样的情况下，电流电极提供有附 图标记1和2，电压电极提供有附图标记4和5。
在等效电路图示出的电极之间形成的分别是电容3和电容6。
图2a-2b示出了示意性地带有连至评估电子设备9的导线线路7 和8的各电极。评估电子设备9可以实现为例如测量发射器。在图2a 中，导线线路是正常的，测量系统如期望地运行。
图2b示出了带有断开的导线线路8的测量系统。在一个断开的端 和电极之间形成有寄生电容10。
借助于本发明的方法，状态变化识别如下。首先，第一电变量， 特别是电交变变量，例如，交变电压，被施加到电极1和2，或者4和 5。这可通过评估电子设备9，即测量发射器来实现。然而，其它的源 也是合适的。
在接下来的步骤中，测量第二电变量。这可以是例如流过电极的 电流。然而其它的选项还可包括阻抗或者电容的大小。然而，通常测 量的是电流，因为电路复杂性最低。
如果一切正常，即，电极是完好的，并且所有的电极1和2(以 及，在给定的情况下，还包括4和5)都位于待测的介质中(对照图 2a))，则相对大的电流得以测量。电流通过介质中的电荷载流子传导。
如果电导率传感器至少部分地位于介质外，即在空气中，则电流 不再完全流经介质。测得与平板电容相似的针对电极的几何形状的电 流特性。该电流小于在介质中测量情况下的电流。
如果一个电极或者导线线路断开(对照图2b))，则测到更小的电 流。该电流因此小于在空气中的完整的电极情况下的电流。
因此通过测量电流，可检测出电极处于哪种状态、以及是否存在 故障和存在哪种故障。
以示例并且非限定的方式，使用“纯水”作为示例。纯水具有例 如1μS/cm的电解电导率。在单元常数(基本上取决于电极的几何形 状)为0.01cm-1的情况下，则得到可测量电阻为10kΩ。在同样的传感 器，即固定的单元常数的情况下，得到如下结果：待测量介质的电阻 越高，电极的电容，相应地电容的影响也越大。
在具有四个电极的电导率传感器的情况下，需要用于切换第一电 变量的电路。图3a-3e示意性地示出了这样的电路的示例。在图3a中， 开关11指向电流电极1和2，而在图3b中，其指向电压电极4和5。 电流源12，例如同样集成在测量发射器中，即评估电子设备9中，用 于电流的馈入。在每种情况下，电流路径都与接地13相连接。图3c、 图3d和图3e示出了电极1、2或者4、5不被成对地作为电流或者电压 电极读出情况下的电路。相反，电压电极可与电流电极相连接。读出 可以顺序地发生。同样，多路转接器可集成在评估电子设备9内。
作为电流测量的替代，电极可与可选的电感性组件(例如，同样 实现在评估电子设备9内的)一起形成振荡电路。如果存在故障，即 导线线路断开，则电极断开或者至少一个电极至少部分地位于介质之 外，则振荡电路的频率变化。这可以例如通过评估电子设备9来检测。
此外，一个选项是将矩形信号形式的脉冲施加到电极。脉冲的衰 减特性是电极状态的特征，并且可以示出是否存在故障。
在实施例中，集成电路，特别是微控制器，可连接至电极1、2， 或者4、5。
利用集成电路，一个选项是实施上述所有的方法以检测至少一个 电极的状态的变化。
而且，也可以实施其它的评估选项：集成电路，特别是微控制器， 通常具有多个输入端、至少一个集成放大器、比较器、时钟源等。这 些内在的装置提供了多种选项，例如检测第一电变量的变化。因此， 例如，电极1、2，或者4、5可与微控制器的集成比较器连接，从而产 生振荡器。电极1、2，或者4、5的状态变化，以频率变化的形式被检 测。可替代地，电极1、2，或者4、5可与微控制器的时钟源连接。因 此，例如，可测量充放电时间。电极1、2，或者4、5的状态的变化可 作为充放电时间的变化加以检测。
附图标记列表
1 电极
2 电极
3 1和2之间的电容
4 电极
5 电极
6 4和5之间的电容
7 1和2之间的导线线路
8 4和5之间的导线线路
9 评估电子设备
10 寄生电容
11 切换电路
12 电流源
13 接地
14 4和2之间的电容
14 5和2之间的电容
20 电导率传感器
机译： 用于确定电导率传感器的电故障的方法，以及电导率传感器
机译： 用于确定电导率传感器的电故障的方法，以及电导率传感器
机译： 确定导电电导率传感器至少一个故障的方法
