DE102008048995A1

DE102008048995A1 - Inductive conductivity sensor

Info

Publication number: DE102008048995A1
Application number: DE200810048995
Authority: DE
Inventors: Marco VÖLKER; Timo Kaufmann
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-01
Also published as: WO2010034668A1

Abstract

Ein induktiver Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfasst eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ringspule gegenüber der zweiten Ringspule geneigt angeordnet ist.An inductive conductivity sensor for detecting the electrical conductivity of a liquid medium, comprises a first annular coil, which encloses a first through-acting with the medium through opening, for inducing a current in the medium, a second annular coil, which encloses a second medium-loadable through opening for detecting a magnetic field generated by the current induced in the medium, characterized in that the first annular coil is arranged inclined relative to the second annular coil.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium, und eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds.The The invention relates to an inductive conductivity sensor for detecting the electrical conductivity of a liquid Medium, comprising a first annular coil, which is a first with the Medium loadable through opening encloses, for Inducing a current in the medium, and a second toroidal coil, which encloses a second through-acting with the medium through opening, for detecting a generated by the current induced in the medium Magnetic field.

Derartige induktive Leitfähigkeitssensoren funktionieren nach Art eines Doppeltransformators, wobei die erste Ringspule als Erregerspule und die zweite Ringspule als Empfängerspule dient. Um die Leitfähigkeit zu messen, wird diese Ringspulenanordnung, die eine Leitfähigkeitsmesszelle bildet, soweit in das Medium eingeführt, dass sich ein Strompfad um die Erregerspule und die Empfängerspule herum ausbilden kann. Wenn die Erregerspule mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagt wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, das in dem Strompfad einen Strom induziert, dessen Größe von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist. Dieser Strom, der ebenfalls ein Wechselstrom ist, wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Daher ist der von der Empfängerspule aus Ausgabesignal gelieferte Wechselstrom bzw. eine entsprechende von der Empfängerspule gelieferte Wechselspannung eine Funktion der elektrischen Leitfähigkeit des zu untersuchenden Mediums.such Inductive conductivity sensors work according to Art a double transformer, wherein the first toroidal coil as exciting coil and the second ring coil serves as a receiver coil. To the conductivity To measure, this ring coil assembly, which is a conductivity cell forms, as far as introduced into the medium, that one Current path around the excitation coil and the receiver coil around can train. When the excitation coil with an AC signal is applied, it generates a magnetic field in the current path induces a current the size of which is electrical Conductivity of the medium is dependent. This stream, which is also an alternating current, becomes inductive with the receiver coil measured. Therefore, the output from the receiver coil output signal supplied alternating current or a corresponding one of the receiver coil supplied AC voltage a function of electrical conductivity of the medium to be examined.

Zur Beaufschlagung der Erregerspule mit einem solchen Wechselspannungssignal umfasst ein induktiver Leitfähigkeitssensor eine mit der Erregerspulespule elektrisch verbundene Sendeeinrichtung zum Speisen der Spule mit einer Wechselspannung und eine mit der Empfängerspule elektrisch verbundene Empfangseinrichtung zur Weiterleitung des Ausgabesignals der Empfängerspule, also des Messsignals, an die Messelektronik des Leitfähigkeitssensors, die das Messsignal gegebenenfalls digitalisiert und mittels eines Mikrocontrollers aus dem Messsignal den Leitfähigkeitsmesswert ermittelt. Das Messsignal und/oder der Leitfähigkeitsmesswert kann dann an eine übergeordnete Einheit weitergegeben und/oder über eine Anzeigeeinheit ausgegeben werden.to Actuation of the excitation coil with such an AC signal For example, an inductive conductivity sensor includes one with the Exciter coil electrically connected transmitting device for dining the coil with an alternating voltage and one with the receiver coil electrically connected receiving device for forwarding the output signal the receiver coil, so the measuring signal, to the measuring electronics of the conductivity sensor, the measuring signal if necessary digitized and by means of a microcontroller from the measurement signal determines the conductivity reading. The measuring signal and / or the conductivity reading can then be sent to a parent Unit passed and / or via a display unit be issued.

Induktive Leitfähigkeitssensoren dieser Art sind beispielsweise aus US 3,603,873 , DE 198 51 146 A1 , DE 41 16 468 A1 , DE 10 2006 025 194 A1 sowie DE 10 2006 056 174 A1 bekannt.Inductive conductivity sensors of this type are made, for example US 3,603,873 . DE 198 51 146 A1 . DE 41 16 468 A1 . DE 10 2006 025 194 A1 such as DE 10 2006 056 174 A1 known.

Induktive Leitfähigkeitssensoren weisen einen typischen Messbereich von etwa 20 μS/cm bis 2 S/cm auf. Der Messbereich bei geringen Leitfähigkeiten ist dadurch beschränkt, dass die Signale der Empfängerspule sehr gering sind und vom Restkopplungssignal (Ausgabesignal der Empfängerspule in Abwesenheit eines Mediums) überlagert werden. Das Restkopplungssignal setzt sich insbesondere zusammen aus einer kapazitiven Kopplung der Zuleitungen und Ringspulen und einer parasitären induktiven Kopplung der Ringspulen.inductive Conductivity sensors have a typical measuring range from about 20 μS / cm to 2 S / cm. The measuring range at low Conductivity is limited by the fact that the Signals of the receiver coil are very low and the residual coupling signal (Output signal of the receiver coil in the absence of a Medium) are superimposed. The residual coupling signal sets in particular together from a capacitive coupling of the leads and toroidal coils and a parasitic inductive coupling the ring coils.

Die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen ergibt sich aufgrund eines Störfelds, welches senkrecht zu der Hauptkomponente des Magnetfelds der einzelnen Ringspulen ausgerichtet ist, die entlang eines innerhalb der Ringspule verlaufenden, ringförmigen geschlossenen Pfades verläuft.The parasitic inductive coupling of the toroidal coils results due to an interference field which is perpendicular to the main component The magnetic field of the individual toroidal coils is aligned along the a running within the toroid, annular closed path runs.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das Störfeld mit Hilfe von hochpermeablen magnetischen Werkstoffen abzuschirmen. Beispielsweise kann die Ringspule in einer Aufnahme aus nachgeglühtem hochpermeablem Material, z. B. Mumetall, eingekapselt werden. Diese Art der Schirmung hat jedoch Nachteile. Die hohe Permeabilität des Mumetalls verringert sich bei Kaltverformung, so dass das Mumetall nach Bearbeitung aufwändig schlussgeglüht werden muss, um die hohe Permeabilität wieder herzustellen. Das Beziehen solcher vorgefertigter Schirmungen für die Herstellung von geschirmten Ringspulen, zum Beispiel zur Verwendung in der Fertigung von Leitfähigkeitssensoren, ist entsprechend kostspielig. Bei dieser Art der Fertigung ist außerdem darauf zu achten, dass eine weitere Verformung der vorgefertigten Schirmung wieder zur Verringerung der Permeabilität führt.Out the prior art, it is known, the interference field with To shield help from high permeability magnetic materials. For example, the toroidal coil can be post-annealed in a receptacle high permeability material, e.g. As Mumetall be encapsulated. These Type of shielding has disadvantages. The high permeability of the mumetal decreases with cold deformation, leaving the mumetal After finishing laboriously final annealing must to restore the high permeability. The Obtaining such prefabricated shields for the production of shielded toroidal coils, for example for use in manufacturing of conductivity sensors, is correspondingly expensive. In addition, with this type of production, it is important to that further deformation of the prefabricated shield again leads to a decrease in permeability.

In US 3,806,798 ist ein induktiver Leitfähigkeitssensor mit zwei Ringspulen zur Messung der Leitfähigkeit eines Fluids beschrieben, wobei die Ringspulen jeweils einen ferromagnetischen Ringkern aufweisen. Zur Bildung jeder Ringspule ist ein elektrischer Leiter in einer ersten Lage unter Bildung einer ersten Spulenwicklung, die sich aus einer Vielzahl von Einzel-Windungen zusammensetzt, und die sich zwischen einem Anfangs- und einem Endpunkt, die beide auf dem Ringkern liegen, erstreckt, um den Ringkern gewunden. Zwischen dem Endpunkt- und dem Anfangspunkt ist derselbe elektrische Leiter weiterhin in einer zweiten Lage unter Bildung einer zweiten Spulenwicklung um den Ringkern gewunden, wobei sich die zweite Spulenwicklung aus der gleichen Zahl von Einzel-Windungen mit dem gleichen Windungssinn zusammensetzt wie die erste Spulenwicklung, wobei jedoch ihr Windungsfortschritt in entgegen gesetzter Richtung verläuft wie der Windungsfortschritt der ersten Spulenwicklung. Auf diese Weise soll bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter das von der ersten Spulenwicklung erzeugte Störfeld durch das entsprechende Störfeld der zweiten Spulenwicklung im Wesentlichen kompensiert werden.In US 3,806,798 an inductive conductivity sensor with two toroidal coils for measuring the conductivity of a fluid is described, wherein the toroidal coils each have a ferromagnetic toroidal core. To form each toroidal coil, an electrical conductor is in a first position to form a first coil winding composed of a plurality of single turns and extending between a start and an end point both on the toroidal core wound the toroidal core. Between the end point and the starting point, the same electrical conductor is further wound in a second layer to form a second coil winding around the toroidal core, the second coil winding being composed of the same number of individual turns having the same winding sense as the first coil winding However, their winding progress in the opposite direction as the winding progress of the first coil winding. In this way, the interference field generated by the first coil winding is to be compensated by the corresponding interference field of the second coil winding at current flow through the electrical conductor substantially.

Um eine möglichst vollständige gegenseitige Kompensation der Störfelder der beiden Spulenwicklungen zu erzielen, kommt es bei der Ringspulenanordnung der US 3,806,789 darauf an, dass die einzelnen Windungen die gleiche Steigung besitzen und möglichst exakt symmetrisch zueinander orientiert sind, so dass an jeder Stelle der Windung zwei entgegen gesetzte Magnetfeldkomponenten im Wesentlichen gleicher Stärke auftreten. Die Fertigung einer derartigen Spulenwicklung mit ausreichender Genauigkeit ist jedoch extrem aufwändig und nur mit hohem Aufwand umzusetzen.In order to achieve a complete mutual compensation of the interference fields of the two coil windings, it comes in the toroidal coil assembly of US 3,806,789 on the fact that the individual turns have the same slope and are oriented as exactly symmetrical as possible to each other, so that at each point of the turn two opposing magnetic field components of substantially the same strength occur. However, the production of such a coil winding with sufficient accuracy is extremely complex and implement only with great effort.

In US 4,740,755 ist angegeben, dass eine koplanare und achsparallele Spulenanordnung zweier Ringspulen in einem Leitfähigkeitssensor, die Restkopplung verringern soll. Damit geht jedoch entsprechend Flexibilität bei der Anordnung der Ringspulen und der konstruktiven Ausgestaltung des Leitfähigkeitssensors verloren. Weiterhin ist aufgrund der Bauform die Zellkonstante einer derartigen Spulenanordnung um ein Vielfaches höher als bei einer Ringspulenanordnung, bei der die Ringspulen koaxial hintereinander angeordnet sind, da die Zellkonstante proportional zur Länge des Strompfads ist. Eine derartige Erhöhung der Zellkonstante führt zu einer wesentlichen Reduzierung des Dynamikbereichs des Sensors.In US 4,740,755 It is stated that a coplanar and axially parallel coil arrangement of two toroidal coils in a conductivity sensor should reduce the residual coupling. However, this flexibility is lost in the arrangement of the toroidal coils and the structural design of the conductivity sensor. Furthermore, due to the design, the cell constant of such a coil arrangement is many times higher than in a toroidal coil arrangement, in which the toroidal coils are arranged coaxially one behind the other, since the cell constant is proportional to the length of the current path. Such an increase in the cell constant leads to a substantial reduction in the dynamic range of the sensor.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Leitfähigkeitssensor bereitzustellen, der die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Leitfähigkeitssensor angegeben werden, der bei verringerter parasitärer induktiver Kopplung eine akzeptable Zellkonstante aufweist.Of the The present invention is therefore based on the object, an inductive Provide conductivity sensor, which has the disadvantages of the prior art overcomes. In particular, a should Conductivity sensor can be specified, which at reduced parasitic inductive coupling an acceptable cell constant having.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen induktiven Leitfähigkeitssensor zum Erfassen der elektrischen Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums, umfassend
eine erste Ringspule, welche eine erste mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Induzieren eines Stroms in dem Medium,
eine zweite Ringspule, welche eine zweite mit dem Medium beaufschlagbare durchgehende Öffnung umschließt, zum Erfassen eines durch den im Medium induzierten Strom erzeugten Magnetfelds,
wobei die erste Ringspule gegenüber der zweiten Ringspule geneigt angeordnet ist.This object is achieved by an inductive conductivity sensor for detecting the electrical conductivity of a liquid medium, comprising
a first annular coil enclosing a first through-acting medium-loadable opening for inducing a flow in the medium;
a second toroid enclosing a second through-hole to be acted upon by the medium for detecting a magnetic field generated by the current induced in the medium;
wherein the first annular coil is arranged inclined relative to the second annular coil.

Die Neigung der Ringspulen gegeneinander führt dazu, dass die Störfelder der Ringspulen nur wenig überlappen, was zu einer verringerten induktiven Kopplung der Spulen führt. Gleichzeitig ist, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, die Zellkonstante einer solchen Anordnung deutlich geringer als bei einer koplanaren achsparallelen Ringspulenanordnung. Die geneigte Anordnung der Spulen stellt also einen Kompromiss dar zwischen einem Leitfähigkeitssensor mit koaxial hintereinander angeordneten Ringspulen, der den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante aufweist, wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen, und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine hohe Zellkonstante aufweist.The Inclination of the ring coils against each other causes the Interference fields of the toroidal coils overlap only slightly, which leads to a reduced inductive coupling of the coils. At the same time, as described in more detail below is significantly lower than the cell constant of such an arrangement in a coplanar paraxial ring coil arrangement. The inclined one Arrangement of the coils thus represents a compromise between a Conductivity sensor with coaxially arranged one behind the other Ring coils, which has the advantage of a low cell constant, however, the interference fields of the toroidal coils overlap maxmially, and a coplanar axis-parallel ring coil arrangement in which the parasitic Inductive coupling of the toroidal coils due to minimal overlap the interference fields is very low, but on the other hand a has high cell constant.

Der Begriff „Ringspule” bezeichnet hier und im Folgenden eine Spule mit einem in sich geschlossenen magnetischen Pfad. Die Spule kann einen magnetischen oder magnetisierbaren Kern aufweisen, oder als kernlose Spule ausgestaltet sein. Der magnetische Pfad muss in sich geschlossen oder zumindest durch Luftspalte überbrückt verlaufen. Auf die Gestalt des ringförmigen Verlaufs kommt es dabei nicht an. Ein Kreisring ist die einfachste Form, gleichermaßen sind aber auch beliebige andere Formen denkbar, wie beispielsweise Ellipsen, Rechtecke oder andere Polygone. Eine derartige Ringspule weist eine zentrale Achse auf, die im Fall einer zylindersymmetrischen Kreisringspule eine Rotationssymmetrieachse ist. Falls die Ringspule keine Zylindersymmetrie aufweist, sondern beispielsweise als Ellipse oder als Polygon ausgestaltet ist, verläuft die zentrale Achse beispielsweise durch den Mittelpunkt des Polygons bzw. durch einen zentralen, zwischen den Ellipsenbrennpunkten lokalisierten Punkt innerhalb der Ellipse.Of the Term "toroidal coil" refers to here and below a coil with a self-contained magnetic path. The Coil may have a magnetic or magnetizable core, or be designed as a coreless coil. The magnetic path must closed in itself or at least bridged by air gaps run. On the shape of the annular course comes it does not matter. A circular ring is the simplest form, as well but also any other forms are conceivable, such as Ellipses, rectangles or other polygons. Such a ring coil has a central axis, which in the case of a cylindrically symmetric Annular coil is a rotational symmetry axis. If the toroidal coil has no cylindrical symmetry, but for example as an ellipse or is designed as a polygon, runs the central For example, axis through the center of the polygon or through a central, located between the ellipse focal points Point within the ellipse.

Ist also eine erste Ringspule gegenüber einer zweiten Ringspule geneigt angeordnet, bedeutet dies, dass sich ihre zentralen Achsen – im Falle von zylindersymmetrischen Spulen handelt es sich dabei um Rotationssymmetrieachsen – schneiden, d. h. einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 180° einschließen.is that is, a first annular coil with respect to a second annular coil arranged inclined, this means that their central axes - in the Case of cylindrically symmetric coils are this Rotational symmetry axes - cutting, d. H. an angle of more than 0 ° and less than 180 °.

Unter dem von den zentralen Achsen eingeschlossenen Winkel wird hier und im Folgenden der Winkel zwischen einer ersten Halbgeraden, welche ausgehend vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule entlang der zentralen Achse der ersten Ringspule durch die erste Ringspule verläuft, und einer zweiten Halbgeraden, welche ausgehend vom Schnittpunkt der zentralen Achsen der ersten und zweiten Ringspule entlang der zentralen Achse der zweiten Ringspule durch die zweite Ringspule verläuft, verstanden.Under the angle enclosed by the central axes becomes here and in the following the angle between a first half-line, which starting from the intersection of the central axes of the first and second toroidal coils along the central axis of the first toroidal coil through the first toroidal coil runs, and a second half-straight, which starting from the intersection of the central axes of the first and second toroidal coils along the central axis of the second toroid through the second Ring coil runs, understood.

In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform schließen die zentralen Achsen der Ringspulen einen Winkel von mehr als 0° und weniger als 100° ein. Besonders bevorzugt ist dabei ein Winkel von 90°.In a presently preferred embodiment the central axes of the toroidal coils an angle of more than 0 ° and less than 100 °. Particularly preferred is a Angle of 90 °.

In einer Ausgestaltung sind die Spulen in einem gemeinsamen Gehäuse derart angeordnet, dass die von den Ringspulen umschlossenen zentralen Öffnungen der Ringspulen durch mindestens eine Bohrung im Gehäuse miteinander verbunden sind.In one embodiment, the coils are in egg nem common housing arranged such that the enclosed by the toroidal central openings of the toroidal coils are interconnected by at least one bore in the housing.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind die Öffnungen durch eine einzige Zylinderbohrung im Gehäuse miteinander verbunden. Dies ist zum einen fertigungstechnisch besonders einfach, zum anderen kann eine durchgehende Zylinderbohrung besonders gut vom Messmedium durchströmt werden, so dass keine Turbulenzen oder Luftblasen innerhalb der Bohrung oder innerhalb der von den Ringspulen umschlossenen durchgehenden Öffnung die Messung stören.In a particularly advantageous development, the openings by a single cylinder bore in the housing with each other connected. This is on the one hand manufacturing technology particularly simple, for Others, a continuous cylinder bore particularly good from Flowed through the measuring medium, so no turbulence or air bubbles within the bore or within the ring coils enclosed through opening interfere with the measurement.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse zusätzliche Bohrungen auf, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen geführt sind.In an advantageous embodiment, the housing has additional Holes on, through the conductor for electrical contacting of the Ring coils are guided.

In einer Ausgestaltung besteht das Gehäuse aus Stahl, insbesondere aus Stahl mit einer Permeabilitätszahl von mehr als 500, insbesondere von mehr als 1500. Somit wirkt das Gehäuse als elektrische und magnetische Abschirmung der Ringspulen, wodurch die Einkopplung unerwünschter elektrischer und/oder magnetischer Felder weiter reduziert wird. Wenn das Gehäuse als elektrische Schirmung genutzt wird, liegt es vorteilhafterweise auf Masse.In In one embodiment, the housing made of steel, in particular made of steel with a permeability of more than 500, in particular of more than 1500. Thus, the housing acts as electrical and magnetic shielding of the toroidal coils, thereby the coupling of unwanted electrical and / or magnetic Fields is further reduced. If the housing as electrical Shielding is used, it is advantageously on ground.

In einer Ausgestaltung, die insbesondere für den Fall, dass eine zusätzliche magnetische Schirmung der Ringspulen erforderlich ist, vorteilhaft ist, ist mindestens eine der Ringspulen jeweils in einer im Gehäuse gefassten Aufnahme aus einem Material mit hoher Permeabilitätszahl, insbesondere von mehr als 5000, angeordnet. Gleichermaßen kann eine zusätzliche elektrische Schirmung vorgesehen sein.In an embodiment, in particular in the event that additional magnetic shielding of the toroidal coils is required is, is advantageous, is at least one of the toroidal coils respectively in a housing made of a material with a high permeability, in particular more than 5000, arranged. Similarly, an additional be provided electrical shielding.

In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine der Ringspulen in eine mehrlagige Leiterkarte integriert, wobei die Windungen der Ringspule durch eine Vielzahl von ersten Leiterabschnitten, die in einer ersten Ebene der Leiterkarte verlaufen, eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte, die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte verlaufen, und einer Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, gebildet sind.In a further embodiment is at least one of the toroidal coils integrated into a multi-layer printed circuit board, with the turns of the Ring coil through a plurality of first conductor sections, which in a first level of the circuit board, a plurality of second Conductor sections that run in a second plane of the circuit board, and a plurality of vias including the first conductor portions connect to the second conductor sections, are formed.

Eine mehrlagige Leiterkarte umfasst mehrere schichtweise in einer Stapelrichtung übereinander gestapelte Ebenen oder Lagen, in denen Leiterbahnen oder Leiterabschnitte oder sonstige Bauteile angeordnet sein können.A multi-layer printed circuit board comprises several layers stacked in a stacking direction Layers or layers in which conductors or conductor sections or other components can be arranged.

Solche in eine Leiterkarte integrierte Ringspulen können mit herkömmlichen Techniken der Leiterkartenfertigung hergestellt werden, z. B. in der sogenannten PCB (printed circuit board)-Technik, wie z. B. in O. Dezuari, S. E. Gilbert, E. Belloy, M. A. M. Gijs, „A new hybrid technology for planar microtransformer fabrication”, Sensors and Actuators A 71, 1998, S. 198-207 , beschrieben. Diese Art der Fertigung ist zum einen einfach automatisierbar. Zum anderen erlaubt die Herstellung einer Ringspule mit einer PCB-Technik eine höhere Präzision bei der Herstellung der einzelnen Windungen der Spulenwicklung als die bei der Spulenwicklung von herkömmlichen Spulen angewendeten Verfahren. Indem die Spulenwicklung mit höherer Präzision hergestellt werden kann, können auch die Windungen einheitlicher ausgeführt werden, was zu homogeneren und damit besser berechenbaren Streufeldern der Ringspulen führt, die leichter kompensiert werden können als das inhomogenere Streufeld einer herkömmlichen Ringspule.Such integrated in a printed circuit card ring coils can be prepared by conventional techniques of printed circuit board production, for. B. in the so-called PCB (printed circuit board) technique such. In O. Dezuari, SE Gilbert, E. Belloy, MAM Gijs, "A new hybrid technology for planar microtransformer fabrication", Sensors and Actuators A 71, 1998, pp. 198-207 , described. This type of production is on the one hand easy to automate. On the other hand, the production of a toroidal coil with a PCB technique allows a higher precision in the production of the individual turns of the coil winding than the methods used in the coil winding of conventional coils. By making the coil winding with higher precision, the turns can be made more uniform, resulting in more homogeneous and thus more predictable leakage fields of the toroidal coils, which can be compensated more easily than the more inhomogeneous stray field of a conventional toroidal coil.

Die Erfindung wird nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The The invention will now be described with reference to the embodiments illustrated in the drawings explained. Show it:

1 eine schematische Längsschnitt-Darstellung einer Ringspulenanordung in einem Leitfähigkeitssensor mit einer gegenüber der Empfängerspule geneigt angeordneten Senderspule; 1 a schematic longitudinal sectional view of a Ringpulenanordung in a conductivity sensor with a relative to the receiver coil inclined arranged transmitter coil;

2 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors in einem Gehäuse nach einer ersten Ausgestaltung; 2 a schematic longitudinal sectional view of two mutually inclined arranged annular coils of a conductivity sensor in a housing according to a first embodiment;

3 eine schematische Längsschnitt-Darstellung zweier zueinander geneigt angeordneter Ringspulen eines Leitfähigkeitssensors in einem Gehäuse nach einer zweiten Ausgestaltung; 3 a schematic longitudinal sectional view of two mutually inclined arranged annular coils of a conductivity sensor in a housing according to a second embodiment;

4 ein Diagramm experimentell ermittelter Stromsignale einer Empfängerspule als Funktion des Widerstands einer die Empfängerspule und eine Erregerspule durchsetzenden Leiterschleife bei verschiedenen Ringspulenanordnungen; 4 a graph of experimentally determined current signals of a receiver coil as a function of the resistance of a conductor loop passing through the receiver coil and an excitation coil in various toroidal coil assemblies;

5 ein Diagramm mit für verschiedene Ringspulenanordnungen berechneten Verläufen eines normierten Leitfähigkeitssensor-Ausgangssignals als Funktion einer normierten Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums. 5 a diagram with calculated for different ring coil arrangements curves of a normalized conductivity sensor output signal as a function of a normalized conductivity of a liquid medium.

In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Ringspulenanordnung 1 für einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit den entsprechenden Störfeldern dargestellt. Die im Längsschnitt stark vereinfacht als Rechteck dargestellte Erregerspule 3 ist als Ringspule mit einer nicht dargestellten Spulenwicklung ausgestaltet, die eine mit dem Messmedium beaufschlagbare durchgehende Öffnung 4 umschließt. Die Erregerspule 3 weist eine zentrale Achse Z3 auf. Ist die Erregerspule 3 beispielsweise zylindersymmetrisch ausgestaltet, bildet die zentrale Achse Z3 eine Rotationssymmetrieachse. Die zugehörige Empfängerspule 5 ist ebenfalls eine im Längsschnitt als Rechteck dargestellte Ringspule mit einer nicht dargestellten Spulenwicklung, welche eine durchgehende Öffnung 6 umschließt, und weist eine zentrale Achse Z5 auf. Im Falle, dass die Empfängerspule 5 zylindersymmetrisch ausgestaltet ist, bildet die zentrale Achse Z5 eine Rotationssymmetrieachse der Empfängerspule 5.In 1 schematically is a ring coil arrangement according to the invention 1 for an inductive conductivity sensor with the corresponding interference fields shown. The excitation coil shown in a simplified longitudinal section as a rectangle 3 is designed as a ring coil with a coil winding, not shown, which can be acted upon by the measuring medium through opening 4 encloses. The exciter coil 3 has a central axis Z3. Is the exciter coil 3 designed, for example, cylindrically symmetrical, the central axis Z3 forms a rotational symmetry axis. The associated receiver coil 5 is also an annular coil shown in longitudinal section as a rectangle with a coil winding, not shown, which has a through hole 6 encloses, and has a central axis Z5. In the case of the receiver coil 5 is designed cylindrically symmetric, the central axis Z5 forms a rotational symmetry axis of the receiver coil 5 ,

In 1 sind weiterhin das bei Stromfluss von der Erregerspule 3 erzeugte magnetische Störfeld 7 sowie das entsprechend bei Stromfluss von der Empfängerspule 5 erzeugte magnetische Störfeld 9 zu sehen. Die Störfelder 7 und 9 bewirken bei wesentlicher Überlappung die eingangs beschriebene parasitäre induktive Kopplung der Erregerspule 3 mit der Empfängerspule 5.In 1 are still the case of current flow from the exciter coil 3 generated magnetic interference field 7 as well as the corresponding current flow from the receiver coil 5 generated magnetic interference field 9 to see. The interference fields 7 and 9 cause at significant overlap the parasitic inductive coupling of the excitation coil described above 3 with the receiver coil 5 ,

Die Empfängerspule 5 ist gegenüber der Erregerspule 3 geneigt angeordnet. Die zentralen Achsen Z3 und Z5 schneiden sich infolgedessen im Schnittpunkt S. Der Winkel zwischen einer ersten Halbgerade H1, welche ausgehend vom Schnittpunkt S entlang der zentralen Achse Z3 durch die Erregerspule 3 hindurch verläuft, und einer zweiten Halbgerade H2, welche ausgehend vom Schnittpunkt S entlang der zentralen Achse Z5 durch die Empfängerspule 5 hindurch verläuft, entspricht dem von den zentralen Achsen Z3 und Z5 eingeschlossenen Winkel α. Im Beispiel der 1 beträgt dieser Winkel α = 90°.The receiver coil 5 is opposite the exciter coil 3 arranged inclined. As a result, the central axes Z3 and Z5 intersect at the point of intersection S. The angle between a first half-line H1 which, starting from the point of intersection S, passes along the central axis Z3 through the exciter coil 3 passes through, and a second half-line H2, which, starting from the intersection S along the central axis Z5 through the receiver coil 5 passes through, corresponds to the angle α included by the central axes Z3 and Z5. In the example of 1 this angle α = 90 °.

Dies führt, wie in 1 zu sehen, zu einer verhältnismäßig geringen Überlappung der Störfelder 7 und 9, die insbesondere deutlich geringer ist, als dies bei einer koaxialen Anordnung der Erregerspule 3 und der Empfängerspule 5 hintereinander der Fall wäre. Die geringere Überlappung der Störfelder führt zu einer verringerten parasitären induktiven Kopplung der beiden Ringspulen.This leads, as in 1 to see a relatively small overlap of the interference fields 7 and 9 , which is in particular significantly lower than that in a coaxial arrangement of the exciter coil 3 and the receiver coil 5 one after another would be the case. The lower overlap of the interference fields leads to a reduced parasitic inductive coupling of the two toroidal coils.

In 2 ist ein Beispiel für eine in einem Träger untergebrachte Ringspulenanordnung 201 nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip zur Verwendung in einem Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums gezeigt.In 2 is an example of a ring coil assembly housed in a carrier 201 after related 1 shown principle for use in a conductivity sensor for measuring the conductivity of a liquid medium.

Die Erregerspule 203 und die Empfängerspule 205 sind wiederum als Ringspulen gestaltet. In 2 sind die Empfängerspule 205 und die Erregerspule 203 schematisch im Längsschnitt als Rechtecke dargestellt. Sie sind in einem Gehäuse 211 fixiert, das eine Bohrung 215 aufweist, die von dem flüssigen Medium durchströmt werden kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 204 und 206 beider Ringspulen 203 und 205 gleichzeitig mit dem Medium beaufschlagbar sind. Auf diese Weise kann sich im Sensorbetrieb ein Strompfad 213 durch das Medium, dessen Leitfähigkeit zu messen ist, ausbilden, der zum Teil durch die Bohrung 215 verläuft. Die Bohrung 215 umfasst zwei zylindrische Teilabschnitte, deren Zylindersymmetrieachsen sich jeweils entlang einer der zentralen Achsen der Ringspulen 203 und 205 oder parallel dazu erstrecken.The exciter coil 203 and the receiver coil 205 are again designed as toroids. In 2 are the receiver coil 205 and the exciter coil 203 schematically shown in longitudinal section as rectangles. They are in a housing 211 fixed, that a hole 215 which can be flowed through by the liquid medium, so that the through openings 204 and 206 both ring coils 203 and 205 can be acted upon simultaneously with the medium. In this way, in the sensor operation, a current path 213 form through the medium whose conductivity is to be measured, in part through the hole 215 runs. The hole 215 comprises two cylindrical sections, whose cylindrical axes of symmetry are each along one of the central axes of the toroidal coils 203 and 205 or extend in parallel.

Eine vorteilhafte Variante für eine in einem Gehäuse untergebrachte Ringspulenanordnung 301 nach dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Prinzip ist in 3 dargestellt. Die Erregerspule 303 und die Empfängerspule 305 sind in dieser Anordnung gleichartig ausgebildet wie bei den in 1 und 2 dargestellten Ringspulenanordnungen. Ihre zentralen Achsen schließen wiederum einen Winkel α von 90° ein. Die Ringspulen 303 und 305 sind in einem Gehäuse 311 fixiert, wobei zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 zusätzliche Bohrungen 319 im Gehäuse 311 vorgesehen sind, durch die Leiter zur elektrischen Kontaktierung der Ringspulen 303 und 305 geführt werden können. Das Gehäuse 311 liegt auf Masse und dient so gleichzeitig als elektrische Schirmung für die Ringspulen 303 und 305. Das Gehäuse 311 ist mit einer Bohrung 315 versehen, die von einem flüssigen Medium durchströmt werden kann, so dass die durchgehenden Öffnungen 304, 306 beider Ringspulen 303 und 305 gleichzeitig mit dem Medium beaufschlagbar sind und sich im Betrieb ein Strompfad 313 ausbilden kann, der beide Ringspulen 303 und 305 durchsetzt und sich dann um die Spulen herum schließt.An advantageous variant for housed in a housing ring coil assembly 301 after related 1 described principle is in 3 shown. The exciter coil 303 and the receiver coil 305 are formed in this arrangement similar to those in the 1 and 2 illustrated ring coil assemblies. Their central axes in turn include an angle α of 90 °. The ring coils 303 and 305 are in a housing 311 fixed, wherein for electrical contacting of the toroidal coils 303 and 305 additional holes 319 in the case 311 are provided, through the conductor for electrical contacting of the toroidal coils 303 and 305 can be performed. The housing 311 is grounded and serves at the same time as electrical shielding for the toroidal coils 303 and 305 , The housing 311 is with a hole 315 provided that can be traversed by a liquid medium, so that the through holes 304 . 306 both ring coils 303 and 305 can be acted upon simultaneously with the medium and in operation a current path 313 can form both ring coils 303 and 305 interspersed and then closes around the coils.

Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch eine einzige durchgehende Zylinderbohrung 317 vorgesehen, deren Zylindersymmetrieachse mit den zentralen Achsen der Ringspulen 303 und 305 einen Winkel von etwa 45° einschließt. Abwandlungen von dieser Geometrie sind denkbar, entscheidend ist dabei jedoch, dass die Bohrung 317 als einzelne durchgehende Zylinderbohrung ausgestaltet ist, so dass kein Abknicken der Bohrung 317 erforderlich ist, um die Beaufschlagung beider durchgehender Öffnungen der Ringspulen mit dem Medium zu gewährleisten. Dies erlaubt eine gegenüber dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine vereinfachte Fertigung, da das Bohrwerkzeug zur Herstellung der Bohrung 317 im Gehäuse 311 nur einmal anzusetzen ist.Unlike the in 2 illustrated embodiment, however, here is a single continuous cylinder bore 317 whose axis of symmetry with the central axes of the toroidal coils 303 and 305 an angle of about 45 °. Modifications of this geometry are conceivable, but it is crucial that the bore 317 is designed as a single continuous cylinder bore, so that no kinking of the bore 317 is required to ensure the admission of both through openings of the toroidal coils with the medium. This allows one opposite the in 2 shown embodiment, a simplified production, since the drilling tool for producing the bore 317 in the case 311 only once to set is.

Unter Verwendung des im Artikel Roos et al. Modellierung induktiver Leitfähigkeitssensoren, Proceedings Simulationen mit der Finite Elemente Methode in Feinwerk- und Mikrotechnik, 1996 , beschriebenen Modells für induktive Leitfähigkeitssensoren mit koaxial angeordneten Ringspulen wurde die Zellkonstante der Anordnung gemäß 3 auf 10 bis 15 cm^–1 abgeschätzt. Dieser Wert ist zwar noch größer als die Zellkonstante einer koaxialen Ringspulenanordnung, bei der die Ringspulen axial hintereinander angeordnet sind (diese liegt in der Größenordnung von 5 cm^–1), jedoch deutlich geringer als typische Zellkonstanten von koplanar achsparallelen Ringspulenanordnungen (Größenordnung von 50 cm^–1). Dabei liegt die Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 3 noch etwas unter der Zellkonstante der Ringspulenanordnung gemäß 2.Using the im Article Roos et al. Modeling of Inductive Conductivity Sensors, Proceedings Simulations with the Finite Element Method in Precision and Microtechnology, 1996 The model for inductive conductivity sensors with coaxially arranged toroids was the cell constant of the arrangement according to 3 estimated at 10 to 15 cm ^-1 . This value is even bigger as the cell constant of a coaxial toroidal coil arrangement in which the toroidal coils are arranged axially one behind the other (this is on the order of 5 cm ^-1 ), but significantly lower than typical cell constants of coplanar axis-parallel ring coil assemblies (order of magnitude of 50 cm ^-1 ). In this case, the cell constant of the toroidal coil assembly is according to 3 still slightly below the cell constant of the toroidal coil assembly according to 2 ,

In 4 sind Messsignale der Empfängerspule in drei jeweils unterschiedlichen Ringspulenanordnungen dargestellt, wobei im Messaufbau anstelle eines flüssigen Mediums eine Leiterschleife derart vorgesehen ist, dass sie die Erregerspule und die Empfängerspule wie der Strompfad in einem flüssigen Medium durchsetzt und umgibt. Die Leiterschleife ersetzt also den Strompfad, der sich in einem flüssigen Medium bei Beaufschlagung der Erregerspule mit einer Wechselspannung ausbilden würde.In 4 are measuring signals of the receiver coil shown in three different ring coil assemblies, wherein in the measurement setup instead of a liquid medium, a conductor loop is provided such that it passes through the excitation coil and the receiver coil as the current path in a liquid medium and surrounds. The conductor loop thus replaces the current path which would form in a liquid medium when the excitation coil is exposed to an alternating voltage.

Wird die Erregerspule mit einer Wechselspannung beaufschlagt, so wird in der Leiterschleife ein Strom induziert, dessen Stromstärke vom Widerstand der Leiterschleife abhängig ist. Dieser Strom wird induktiv mit der Empfängerspule gemessen. Der auf der Ordinate des Diagramms in 4 aufgetragene Messstrom entspricht dem von der Empfängerspule ausgegebenen Wechselstromsignal. Auf der Abszisse ist der Leiterschleifenwiderstand aufgetragen. Sowohl Abszisse als auch Ordinate tragen eine logarithmische Skala. Im Experiment wurde der Leiterschleifenwiderstand variiert, indem Widerstandselemente mit unterschiedlichem ohmschem Widerstand zugeschaltet wurden. Die so ermittelte „Kennlinie” einer Ringspulenanordnung gibt also die Stärke des Messsignals als Funktion des Ohmschen Widerstands des Messmediums (der sich reziprok zur Leitfähigkeit verhält), im vorliegenden Fall der Leiterschleife, wieder. Diese Messung mittels Leiterschleife erlaubt es, lediglich die Restkopplung zu ermitteln, ohne dass die Zellkonstante der Ringspulenanordnung in das von der Empfängerspule ausgegebene Stromsignal eingeht.If the excitation coil is subjected to an alternating voltage, then a current is induced in the conductor loop whose current strength depends on the resistance of the conductor loop. This current is measured inductively with the receiver coil. The on the ordinate of the diagram in 4 applied measuring current corresponds to the output from the receiver coil AC signal. The abscissa shows the conductor loop resistance. Both abscissa and ordinate have a logarithmic scale. In the experiment, the conductor loop resistance was varied by switching in resistor elements with different ohmic resistance. The "characteristic curve" of a toroidal coil arrangement thus determined thus reproduces the strength of the measuring signal as a function of the ohmic resistance of the measuring medium (which is reciprocal to the conductivity), in the present case the conductor loop. This measurement by means of a conductor loop makes it possible to determine only the residual coupling without the cell constant of the toroidal coil arrangement entering the current signal output by the receiver coil.

In 4 sind drei Kennlinien für drei jeweils unterschiedliche Ringspulenanordnungen aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung (Kreuze) sind Erreger- und Empfängerspule axial hintereinander angeordnet. In der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger- und Empfänger koplanar achsparallel angeordnet. In der dritten Ringspulenanordnung (Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule derart angeordnet, dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen.In 4 three characteristics are plotted for three different ring coil arrangements. In the first ring coil arrangement (crosses) exciter and receiver coils are arranged axially one behind the other. In the second ring coil arrangement (squares), exciter and receiver are arranged coplanar axis-parallel. In the third ring coil arrangement (circles), the exciter and receiver coils are arranged such that their central axes enclose an angle of 90 °.

Wie aus dem in 4 dargestellten Diagramm hervorgeht, zeigen die drei Anordnungen in einem Widerstandsbereich zwischen 10² und 5·10⁴ Ω ein vergleichbares, lineares Verhalten. Bei höheren Widerständen und entsprechend geringeren Leitfähigkeiten macht sich die Restkopplung der Ringspulenanordnungen bemerkbar. So ist die gemessene Kennlinie beispielsweise für die koplanare Ringspulenanordnung noch bis zu einem Widerstand von 10⁶ Ω annähernd linear, während die entsprechende Kennlinie für die erste Ringspulenanordnung, bei der die Spulen axial hintereinander angeordnet sind, bereits bei einem Widerstand von etwa 5·10⁴ Ω abknickt und bei höheren Widerstandswerten im wesentlichen parallel zur Abszisse verläuft. Dies ist ein Indiz für den Einfluss der Restkopplung auf das Ausgabesignal der Empfängerspule. Wie eingangs ausgeführt, wird die Restkopplung im Wesentlichen durch die unerwünschte parasitäre induktive Kopplung zwischen Erreger- und Empfängerspule verursacht.As from the in 4 As shown in the diagram, the three arrangements in a resistance range between 10 ² and 5 × 10 ⁴ Ω show a comparable, linear behavior. With higher resistances and correspondingly lower conductivities, the residual coupling of the ring coil arrangements becomes noticeable. Thus, for example, the measured characteristic for the coplanar ring coil arrangement is still approximately linear up to a resistance of 10 ⁶ Ω, while the corresponding characteristic for the first ring coil arrangement, in which the coils are arranged axially one behind the other, already at a resistance of about 5 × 10 ⁴ Ω kinks and runs at higher resistance values substantially parallel to the abscissa. This is an indication of the influence of the residual coupling on the output signal of the receiver coil. As stated at the outset, the residual coupling is essentially caused by the undesired parasitic inductive coupling between the excitation coil and the receiver coil.

Die Kennlinie der erfindungsgemäßen dritten Ringspulenanordnung weicht erst ab einem Widerstand von etwa 5·10⁵ Ω vom linearen Verhalten ab. Der Einfluss der Restkopplung ist hier folglich deutlich geringer als bei der koaxialen ersten Ringspulenanordnung.The characteristic curve of the third ring coil arrangement according to the invention deviates from a linear behavior only as of a resistance of approximately 5 · 10 ⁵ Ω. The influence of the residual coupling is therefore significantly lower here than in the case of the coaxial first ring coil arrangement.

Wie zuvor erwähnt, spielt die Zellkonstante der jeweiligen Ringspulenanordnung bei dem Experiment, das den im Diagramm der 4 dargestellten Kennlinien zugrunde liegt, keine Rolle. In 5 sind simulierte Verläufe eines normierten Leichtfähigkeitssensor-Ausgangssignals bei den drei betrachteten Ringspulenanordnungen als Funktion einer normierten Leitfähigkeit in einem flüssigen Medium gezeigt. Bei den Rechnungen wurde lediglich die Zellkonstante der jeweiligen Ringspulenanordnung berücksichtigt, während alle anderen Proportionalitäten, beispielsweise die Proportionalität zur Eingangsspannung, zum Quadrat der Windungszahl etc., vernachlässigt wurden. Daher geben die in 5 gezeigten Kennlinien nur einen relativen Vergleich der einzelnen Ringspulenanordnungen untereinander wieder. Absolute Messwerte können dem Diagramm dagegen nicht entnommen werden.As mentioned previously, the cell constant of the respective toroidal coil assembly in the experiment that corresponds to that shown in the diagram of FIG 4 is based on the characteristics shown, no matter. In 5 Figure 3 shows simulated traces of a normalized lightness sensor output signal in the three considered ring coil assemblies as a function of normalized conductivity in a liquid medium. In the calculations, only the cell constant of the respective ring coil arrangement was taken into account, while all other proportionalities, for example the proportionality to the input voltage, the square of the number of turns, etc., were neglected. Therefore, the in 5 shown characteristics only a relative comparison of the individual ring coil assemblies with each other again. Absolute readings can not be taken from the chart.

In 5 sind analog zu 4 drei Verläufe der normierten Ausgangssignale für drei jeweils unterschiedliche Ringspulenanordnungen in einem Leitfähigkeitssensor in einer Flüssigkeit aufgetragen. In der ersten Ringspulenanordnung (Kreuze) sind Erreger- und Empfängerspule axial hintereinander angeordnet. In der zweiten Ringspulenanordnung (Quadrate) sind Erreger- und Empfängerspule koplanar achsparallel angeordnet. In der dritten Ringspulenanordnung (Kreise) sind Erreger- und Empfängerspule derart angeordnet, dass ihre zentralen Achsen einen Winkel von 90° einschließen. Auf der Ordinate ist ein normiertes Ausgangssignal des Leitfähigkeitssensors, das einem Stromsignal der Empfängerspule entspricht, aufgetragen, auf der Abszisse ist eine normierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit aufgetragen. Abszisse und Ordinate tragen jeweils eine logarithmische Skala.In 5 are analogous to 4 three curves of the normalized output signals for three different ring coil assemblies in a conductivity sensor in a liquid applied. In the first ring coil arrangement (crosses) exciter and receiver coils are arranged axially one behind the other. In the second ring coil arrangement (squares) exciter and receiver coil are arranged coplanar axis-parallel. In the third ring coil arrangement (circles), the exciter and receiver coils are arranged such that their central axes enclose an angle of 90 °. On the ordinate, a normalized output signal of the conductivity sensor corresponding to a current signal of the receiver coil is plotted, on the abscissa a normalized conductivity of the liquid is plotted. The abscissa and ordinate each have a logarithmic Scale.

Wie aus 5 hervorgeht, weist die dritte Ringspulenanordnung, bei der die zentralen Achsen von Empfänger- und Erregerspule einen Winkel von 90° einschließen, einen ebenso großen linearen Messbereich auf, wie die zweite Ringspulenanordnung mit koplanar achsparallelen Ringspulen, nämlich ab einheitslosen normierten Leitfähigkeitswerten von mehr als einem Wert von 10^–4. Im Bereich zwischen den einheitslosen normierten Leitfähigkeitswerten 5·10^–6 und 10^–4 zeigt die dritte Ringspulenanordnung eine geringere Abweichung vom idealen linearen Verhalten als die zweite Ringspulenanordnung. Für den Einsatz in einem induktiven Leitfähigkeitssensor zur Messung der Leitfähigkeit eines flüssigen Mediums ist somit die dritte Ringspulenanordnung, bei der die zentralen Achsen der Erreger- und Empfängerspule einen Winkel von 90° einschließen, besonders gut geeignet, da sie einen Kompromiss zwischen einer Ringspulenanordnung mit koaxial hintereinander angeordneten Ringspulen, die den Vorteil einer niedrigen Zellkonstante aufweist, wobei die Störfelder der Ringspulen jedoch maxmial überlappen, und einer koplanar achsparallelen Ringspulenanordnung, bei der die parasitäre induktive Kopplung der Ringspulen aufgrund minimaler Überlappung der Störfelder sehr gering ist, die aber andererseits eine hohe Zellkonstante aufweist, darstellt.How out 5 As can be seen, the third ring coil arrangement, in which the central axes of the receiver and excitation coil at an angle of 90 °, a large linear measuring range, as the second toroidal coil assembly with coplanar paraxial ring coils, namely from unitless normalized conductivity values of more than one value from 10 ^-4 . In the range between the unitless normalized conductivity values 5 × 10 ^-6 and 10 ^-4 , the third ring coil arrangement shows a smaller deviation from the ideal linear behavior than the second ring coil arrangement. Thus, for use in an inductive conductivity sensor for measuring the conductivity of a liquid medium, the third toroidal coil assembly, in which the central axes of the excitation and receiver coils enclose an angle of 90 °, is particularly well suited because it compromises a coaxial ring coil arrangement successively arranged toroidal coils, which has the advantage of a low cell constant, but the interference fields of the toroidal coils overlap maxmial, and a coplanar axis-parallel toroidal coil arrangement in which the parasitic inductive coupling of the toroidal coils is very low due to minimal overlap of the interference fields, but on the other hand, a high cell constant has, represents.

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Claims

Inductive conductivity sensor ( 1 . 201 . 301 ) for detecting the electrical conductivity of a liquid medium, comprising a first annular coil ( 3 . 203 . 303 ), which encloses a first through-acting with the medium through opening, for inducing a current in the medium, a second annular coil ( 5 . 205 . 305 ), which encloses a second through-acting with the medium through opening, for detecting a magnetic field generated by the current induced in the medium, characterized in that the first annular coil ( 3 . 203 . 303 ) with respect to the second annular coil ( 5 . 205 . 305 ) is arranged inclined.

Conductivity sensor ( 1 . 201 . 301 ) according to claim 1, wherein the toroidal coils ( 3 . 5 . 203 . 205 . 303 . 305 ) have a central axis (Z3, Z5), in particular a rotational symmetry axis, and wherein the central axis (Z3) of the first annular coil ( 3 . 203 . 303 ) with the central axis (Z5) of the second annular coil ( 5 . 205 . 305 ) includes an angle (α) of more than 0 ° and less than 180 °, in particular of 90 °.

Conductivity sensor ( 1 . 201 . 301 ) according to claim 1 or 2, wherein the toroidal coils ( 203 . 205 . 303 . 305 ) in a housing ( 211 . 311 ) are arranged such that the of the ring coils ( 203 . 205 . 303 . 305 ) enclosed central openings of the toroidal coils ( 203 . 205 . 303 . 305 ) through at least one bore ( 215 . 315 ) in the housing ( 211 . 311 ) are interconnected.

A conductivity sensor according to claim 3, wherein the central openings are defined by a single cylindrical bore ( 315 ) in the housing ( 311 ) are interconnected.

Conductivity sensor according to one of claims 3 or 4, wherein the housing ( 211 . 311 ) additional holes ( 319 ), through the conductors for electrical contacting of the toroidal coils ( 203 . 303 . 205 . 305 ) are guided.

Conductivity sensor according to one of claims 3 to 5, wherein the housing ( 211 . 311 ) made of steel, in particular steel with a permeability of more than 500, in particular more than 1500 exists.

Conductivity sensor according to one of claims 3 to 6, wherein at least one of the toroidal coils ( 203 . 205 . 303 . 305 ) in a housing ( 211 . 311 ) is arranged receptacle made of a material having a high permeability, in particular more than 5000.

Conductivity sensor according to one of claims 1 to 7, wherein at least one of the toroidal coil ( 3 . 5 . 203 . 205 . 303 . 305 ) is integrated in a multi-layer printed circuit board, wherein the windings of the toroidal coil through a plurality of first conductor portions extending in a first plane of the printed circuit board, a plurality of second conductor sections extending in a second plane of the printed circuit board, and a plurality of vias, which the first conductor sections connect to the second conductor sections, are formed.