CN102890103B - 导电电导率传感器 - Google Patents

Abstract

一种导电电导率传感器，其包括可浸入被测介质中的探头（1）。该探头（1）具有内部空间（3），内部空间（3）经由从内部空间（3）引出的至少一个开口（5、5a、5b、5c）连接到探头（1）的环境，并且在内部空间（3）中布置有两个电极（11、11a、11b、11c、11d、11e），该两个电极（11、11a、11b、11c、11d、11e）在测量操作期间被供给交流电压，并且具有面向内部空间（3）的内表面和面向外部的由绝缘覆盖的外表面，其中内表面具有邻接开口（5a、5b、5c）的边缘表面。该电导率传感器的测量特性对布置在该电导率传感器附近的物体具有最小可能的依赖性。至少邻接开口（5a、5b或5c）之一的边缘表面具有沿着背离该开口（5a、5b或5c）且进入所述内部空间（3）的方向引导在该边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状。

Description

导电电导率传感器

技术领域

本发明涉及一种导电电导率传感器，其具有可浸入被测介质的探头，其中该探头具有内部空间，该内部空间经由从该内部空间向外引出的至少一个开口与该探头的环境相连接。在该内部空间中布置有两个电极，该两个电极在测量操作期间被供给交流电压。该电极具有面向该内部空间的内表面和面向外部且由绝缘覆盖的外表面。该内表面具有邻接该开口的边缘表面。

背景技术

在测量介质的电导率的各种应用场合利用导电电导率传感器。

最著名的导电电导率传感器是所谓的双电极或四电极传感器。

双电极传感器具有两个电极，该两个电极浸入介质并且在测量操作期间被供给交流电压。连接到该两个电极的测量电子装置测量电导率测量电池的电阻抗，然后根据该电阻抗，基于通过给定测量电池的几何形状和特性较早确定的电池常数来确认位于测量电池中的介质的比电阻或比电导（specmc conductance）。

四电极传感器具有在测量操作期间浸入介质的四个电极，其中两个电极作为所谓的电流电极操作并且两个电极作为所谓的电压电极操作。在测量操作期间，在两个电流电极之间施加交流电压，并且由此将交流电流馈入介质。实际上，馈入的电流在电压电极之间产生电势差。优选地，使用无电流测量方法来确认电势差。在此也借助于连接到电流电极和电压电极的测量电子装置，根据馈入的交流电流和测量的电势差确认电导率测量电池的阻抗。然后，根据该阻抗，基于较早确定的且根据测量电池的几何形状和特性而得出的电池常数确认位于测量电池中的介质的比电阻或比电导。

在测量操作期间，在电极之间形成电场，该电场的场线有规律地从测量电池的内部空间延伸出。

如果在诸如容器壁的另一物体的附近操作这样的电导率传感器，则存在该物体对电场线的影响以及由此对测量的影响。该影响基本上依赖于该物体的几何布置、与传感器的间距及其电导率，该影响如今在使用位置处使用复杂的校正方法有规律地确定，并且由此例如确定安装系数，利用该安装系数能够在随后的测量中补偿该影响。

而且，DE102008054659A1描述了在电绝缘探头主体中的外部可接近的腔室的相互相对的内表面上设置彼此平行的平面电极，由此来降低位于导电电导率传感器的环境中的物体的影响。

与具有布置成至少部分完全脱离探头主体或从探头主体突出的电极，使得其包括在探头主体外部的截然不同的自由场的电导率传感器相比，这提供了场线基本上在腔室内的电极之间延伸的优点。

然而，由场线所占据的空间区域明显大于由相对设置的扁平电极所围住的腔室的内部空间。

为了防止在电导率传感器附近的物体的影响，有必要将电极布置成与内部空间的面向外部的开口有足够的间距。除了其他方面之外，这导致电导率传感器的特定的最小结构尺寸。毫无疑问，考虑使用小于该最小值的尺寸是不太可能的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电导率传感器，其测量特性具有对布置在其附近的物体的最小可能的依赖性。

为此，本发明涉及一种导电电导率传感器，包括：

可浸入被测介质中的探头，

该探头具有内部空间，

该内部空间经由从该内部空间引出的至少一个开口与该探头的环境相连接，并且

在该内部空间中布置有两个电极，该两个电极在测量操作期间被供给交流电压，并且该两个电极具有面向该内部空间的内表面和面向外部的由绝缘覆盖的外表面，

其中该内表面具有邻接该开口的边缘表面，

其中，根据本发明，

至少邻接该开口之一的边缘表面具有沿着背离该开口且进入内部空间的方向引导在该边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状。

在优选实施例中，电极的内表面的邻近所述开口的所有边缘表面均具有沿这背离各个开口且进入内部空间的方向引导在该边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状。

在另一实施例中，具有本发明的表面几何形状的边缘表面的表面法线指向从各个开口离开且进入内部空间中的方向。

在本发明的进一步改进中，电极的内表面具有将电场线集中到内部空间中的表面几何形状。

在本发明的第一变型中，电极的内表面是凹面。

在本发明的第二变型中，电极具有平面基部，在该平面基部邻近开口之一的至少一个侧面上邻接有沿背离开口且进入内部空间中的方向倾斜的边缘表面。

在本发明的优选的进一步改进中，电极相互相对且相对于彼此倾斜地布置，其中两个电极中的每一个均具有面向沿从同一开口离开且进入内部空间的方向的总共一个取向。

在前个进一步改进的进一步改进中，电极中的每一个均朝电绝缘探头壁的方向倾斜，该电绝缘探头壁在一个侧面上针对外部封闭内部空间。

在优选的进一步改进的实施例中，电极是电流电极，通过在测量操作期间对该电极施加交流电压，可以将交流电流经由该电流电极馈送到位于内部空间中的介质中；并且，在内部空间中设置有两个电压电极，经由该电压电极，可在测量操作期间分接（tap）由于施加到介质的交流电流而引起的跨该电压电极的电势差。

在上个实施例的进一步改进中，电压电极布置在探头壁上。

附图说明

现在基于附图的图更详细地解释本发明及其优点，附图示出实施例的六个实例；在图中对相同的元件提供相同的附图标记。其中：

图1本发明的导电电导率传感器的示意图；

图2穿过根据图1的具有电极的探头的纵截面，该电极具有平面基部和与其邻接的倾斜到内部空间中的边缘表面；

图3图1的具有图2的电极的探头的、在相互相对的电极的中心的高度处在与探头纵轴线垂直的平面内所截取的截面图；

图4具有相互相对的凹面电极的电导率探头；

图5具有朝上探头壁的方向相对于彼此倾斜的、相互相对的凹面电极的电导率探头；

图6具有朝后探头壁的方向相对于彼此倾斜的、相互相对的凹面电极的电导率探头；

图7具有朝上探头壁的方向相对于彼此倾斜的、相互相对的平面电极的电导率探头；

图8具有朝后探头壁的方向相对于彼此倾斜的、相互相对的平面电极的电导率探头；以及

图9两个电导率探头的归一化电池常数作为与距位于其下面的物体的间距的函数的比较。

具体实施方式

现在基于导电双电极电导率传感器以及导电四电极电导率传感器的实施例的多个实例来描述本发明。类似地，本发明还可应用于具有其它数目的电极的电导率传感器。

图1示出本发明的导电双电极电导率传感器的视图。电导率传感器具有可浸入被测介质中的探头1。该探头1具有内部空间3，该内部空间3经由从该内部空间3引出的至少一个开口5通向该探头1的环境。一旦将探头1浸入介质中，介质经由开口5渗透进入内部空间3中并且填充内部空间3。

在此处所示的实施例的实例中，探头1具有：圆柱形探头主体7，其包括电绝缘体，该电绝缘体在一端具有敞开的矩形腔室，经探头主体7对角地通向探头1的端部。在示出的实施例的实例中，内部空间3位于腔室的两个相互相对的面平行的内壁9之间，并且通过如下开口通向环境：开口5a，其在附图中面向正面（从附图的平面向外）；开口5b，其设置成与开口5a相反、在附图中面向背面（进入附图的平面）并且因此在图中不可见；以及开口5c，其将两个开口5a、5b彼此连接，在图中在探头1的下端面向下方。在此三个开口5a、5b、5c以面向其从内部空间3开出来的方向的箭头表示。

两个电极11设置在内部空间3中，该两个电极11的内表面面向内部空间3，并且其面向外部的外表面被探头主体7覆盖，该探头主体7在示出的实施例的例子中是绝缘体。测量电子装置13——在此处仅示意性地示出——连接到电极11。在测量操作期间，测量电子装置13对电极11供应交流电压，确定由探头1浸入介质中所形成的电导率测量电池的电阻抗，并且基于较早确定的且根据给定测量电池的几何形状和特性而得出的电池常数Z确认位于测量电池中的介质的比电阻或比电导。

电极11的内表面在每种情况下均具有邻接各开口5a、5b、5c的边缘表面。根据本发明，邻近开口5a、5b或5c中的至少一个的边缘表面具有沿着从面向外部的开口5a、5b或5c离开而进入内部空间3的内部的方向引导在该边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状。

这优选地以一种表面几何形状发生，在该情况下这些边缘表面的表面法线沿着从相应的邻近开口5a、5b、5c离开的方向指向到内部空间3中。

由于电极11是等势表面，电场线在该等势表面上总是垂直地结束，因此将紧邻电极11的电场线限制为与电极11的表面法线平行地延伸。相应地，在每个开口5a、5b、5c处的场线面向内部空间3，在每个开口5a、5b、5c上，与其邻近的电极11的内表面的边缘表面面向背离该开口5a、5b、5c而进入内部3中的方向。这造成从各个开口5a、5b、5c露出的场线明显减少。

因此，通过不仅使邻近开口5a、5b或5c之一的边缘表面而且使邻近开口5a、5b、5c的所有边缘表面均具有以本发明的方式所实施的表面几何形状，实现了从内部空间3露出的场线的总数的最大可能的减少。在这种情况下，所有的相应邻近开口5a、5b、5c的边缘表面上的表面法线指向从其邻接的开口5a、5b、5c离开且进入内部空间3的方向。

本发明产生目标化取向并且优选地还经由边缘表面的表面几何形状将在测量操作期间在电极11之间形成的场线集中到探头1的内部空间3中的效果。

对于电极11的边缘表面，本发明的表面几何形状可以通过电极11的不同的形式实现并且适于内部空间3的开口5的不同的实施例。

为此，例如，可以应用具有平面基部的电极，该平面基部在邻接开口5的至少一个侧面上、优选地在所有侧面上由边缘表面包围，该边缘表面相对于基部在每种情况下沿着背离邻接的开口5的方向倾斜到内部空间3中。

为此在图2和图3中示出了实施例的矩形实例，该矩形实例适于图1中所示出实施例的实例的敞开内部空间3的三个侧面。图2示出沿内壁9的平面穿过探头1的纵截面。所示的中央布置在内壁9上的电极11a具有平面矩形基部15，该平面矩形基部15在每种情况下在其邻接内部空间3的开口5a、5b、或5c的三个侧面上由边缘表面17a、17b、17c包围，该开口5a、5b、或5c在此处用箭头表示，该边缘表面17a、17b、17c在每种情况下沿着背离邻接开口5a、5b、或5c的方向倾斜到内部空间3中。为此，图3示出图1的探头1的在相互相对的同等形状的电极11a的中心的高度处在与探头纵轴线L垂直延伸的平面内所截取的截面图。

图4示出穿过适于图1的矩形的、三个侧面敞开的内部空间3的实施例的另一形式的纵截面。在这种情况下，也提供了将两个同等形成的、相互面对的电极11b中央布置在内部空间3的内壁9上。然而，与实施例的前述实例相反，电极11b不具有平面基部表面，而是代替地具有完全凹面内表面。

以这种形式，在每种情况下，电极11b的所有外边缘表面上的表面法线指向从邻接的开口5离开而进入内部空间3的方向。通过该凹面形，将在邻近开口5a、5b、5c的边缘区域中的场线引导进入内部空间3中并且补充地在所有侧面上集中到内部空间3中。而且，凹面电极内表面提供高对称性的优势，就测量电池的校正和以此可实现的测量准确度而言这是有利的。

替代地或与已描述的变型结合，对于邻近开口5之一的电极的内表面的边缘表面，本发明的表面几何形状还可以实现为使得将电极11布置成相互相对且相对于彼此完全地倾斜。在这种情况下，电极11总体上在每种情况下以其面向从这样的开口5离开而进入内部空间3中的方式取向。

优选地，选择电极取向，使得在电极11的内表面上的表面法线指向电绝缘探头壁的方向，该电绝缘探头壁在一个侧面上针对外部封闭内部空间3。该变型提供了场线不仅沿背离该开口5的方向取向，而且同时也朝探头壁的方向取向的优点。这样，与探头1的使用位置无关，由于探头壁的绝缘，对于场扩展的相同的条件总是占优势。

例如，由邻接内部空间3的探头主体7的实心部分所形成的向上内部边缘适合作为这样的探头壁。

关于这一点，图5示出穿过实施例的实例的纵截面。正如图1中所示的实施例的实例，探头1在此也具有例如圆柱形探头主体7，该探头主体7包括电绝缘体，该电绝缘体端部具有敞开的腔室，经探头主体7对角地通至探头1的下端。内部空间3在此也位于腔室的相互相对的内壁19之间，并且在示出的实施例的实例中通过如下开口通向环境：开口5a，其在附图中面向前面；开口5b，其设置成与开口5a相反、在附图中面向后面；以及开口5c，其将两个开口5a、5b彼此连接，在图中在探头1的下端处向下引导。通过将由邻接内部空间3的探头主体7的实心部分所形成绝缘探头壁21来针对上方封闭内部空间3。然而，与图1至图4中所示的实施例的实例相反，内壁19在此不是面平行而是相对于彼此倾斜地布置，其中相对设置的内壁19之间的间距朝探头壁21的方向增加。电极11c的取向在此处以在电极中央处所绘制的表面法线n示出，该取向与内壁19面向朝探头壁21的方向背离开口5c而进入内部空间3中的方向的倾斜对应。两个电极11c均具有凹面内表面，并且中央布置在内部空间3的内壁19上。

与图1中所示的变型相反，在配备有封闭图1中的开口5b的附加的后探头壁23的探头中，场线的取向自然也能够朝该后探头壁23的方向。为此，图6示出穿过这样的探头1的实施例的实例的在电极11d的中心的高度处并在与探头纵轴线L垂直延伸的平面内所截取的截面，这里该电极11d是类似的凹面。

正如图1中所示的实施例的实例，探头在此也具有例如圆柱形探头主体7，该探头主体7包括电绝缘体，该电绝缘体端部具有敞开腔室，经探头主体7对角地通至在探头1的下端处。内部空间3在此处也位于腔室的内壁25之间，该内壁25设置成彼此相对并且相对于彼此倾斜，并且仅通过前面的开口5a和向下引导的开口5c在探头1的下端通向环境。内部空间3由邻接内部空间3的探头主体7的实心部分针对上方封闭并且背面为绝缘探头壁23。在实施例的较早所述实例中的面向背面的开口5b由探头壁23封闭。

另外，在图6中所示的实施例的实例中，内壁25布置成相对于彼此倾斜，其中腔室内的相对设置的内壁25之间的间距沿朝向探头壁23的方向从前向后增加。两个电极11d在此也中央布置在内部空间3的倾斜内壁25上，并且具有在每种情况下朝探头壁23的方向倾斜的凹面内表面。

代替在图5和图6中所示的实施例的实例中所提供的凹面电极11c、11d，从本发明的意义上来说，自然也可以应用其它适当的电极形状，特别是平面电极。

为此，图7示出图5中所示的实施例的实例的变化，图7与图5的不同之处仅在于，代替凹面电极11c，在此处设置的相互相对的电极11e具有相对于彼此倾斜的平面内表面，并且在每种情况下朝探头壁21的方向倾斜。

为此，图8示出图6中所示的实施例的实例的变化，图8与图6的不同之处仅在于，代替凹面电极11d，在此处设置的相互相对的电极11f具有相对于彼此倾斜的平面内表面，并且每种情况下朝探头壁23的方向倾斜。

由于在图7中所示的实施例的形式的电极11e的倾斜，在平面内表面上的表面法线n沿从下开口5c离开的方向指向内部空间3。虽然在此处仅邻近下开口5c的电极11e的边缘表面上的表面法线沿从该开口5c离开的方向指向内部空间3，但是也仍旧示出了电导率探头对距诸如壁的邻近物体的间距的明显较低的依赖性。

关于这一点，图9示出与具有彼此面平行地布置的平面电极的、在其他方面同样构造的电导率传感器B相比，具有朝图7中所示的探头壁21的方向相对于彼此倾斜的平面电极11e的电导率传感器A在距位于各传感器下方的导电壁间距d处的归范化电池常数Z的依赖性。

为了图示中的比较，补充示出了两个电导率传感器A和B的示意图，其中绘制了在每种情况下在电极对之间形成的场线。为此，明显地，电极11e在背离开口5c的方向上进入内部空间3中的相对低的倾斜导致场线仍然被限制于非常窄的扩展区域，同时在平行取向的电极的情况下，场线明显地从内部空间3进一步地延伸出。

这相应地反映在两个电导率传感器A和B的归范化电池常数Z的比较中。随着距离d的减小，本发明的电导率传感器A的电池常数Z明显比电导率传感器B的电池常数更缓慢地增加。虽然在2cm及更大的间距d情况下，两者均具有Z=1的相同的归范化电池常数，但是在d=7mm的间距的情况下，本发明的电导率传感器A的电池常数Z仅为1.2，而电导率传感器B的电池常数已经升高至几乎1.4的值。

通过应用例如上述凹面电极或通过在电极11e的面向前开口5a和后开口5b的侧面上在每种情况下在邻接的平面基部上提供边缘表面17，可以更进一步提高本发明的电导率传感器A的这种比较高的不灵敏性，其中边缘表面17沿进入内部空间3且背离各个邻接开口5a、5b的方向倾斜。

本发明还可以完全类似地应用到导电四电极电导率传感器，该四电极电导率传感器——正如在双电极电导率探头的情况下描述的——具有探头1，该探头1可浸入被测介质中并且包含经由至少一个开口5连接到该探头的环境的内部空间3和用作电流电极的两个电极11，该电极11具有朝向内部空间3引导的内表面和面向外部的由绝缘覆盖的外表面。在测量操作中，在此通过对电极11施加交流电压，也可以将交流电流经由电极11馈送至位于内部空间3中的介质。四电极电导率传感器的探头1和电流电极的基本结构因此与上述双电极电导率探头的基本结构对应；因此，在此处不再对此作详细解释。

除了电流电极，四电极电导率传感器具有另外两个电极，后面称为电压电极27，经由该电压电极27分接由于在测量操作期间馈送至介质的交流电流而引起的电势差ΔU。由于四电极电导率传感器的基本结构与所描述的双电极电导率的基本结构兼容，所以在图中未给出单独的实施例的实例。而是在图5至图8中示出两个附加电压电极27，该两个附加电压电极27在对应的双电极电导率传感器中自然被省略。

根据四电极测量原理，在此提供了连接到电极11和电压电极27的测量电子装置13。这根据馈入的交流电流和优选地由测量电子装置13无电流地测量的电势差ΔU确定电导率测量电池的阻抗，并且基于较早确定的且根据给定测量电池的几何形状和特性得出的电池常数Z，根据电势差ΔU确认位于测量电池中的介质的比电阻或比电导。

根据本发明，在测量操作期间被供给交流电压的两个电极11的内表面也具有邻近开口5a、5b、5c中的至少一个的边缘表面。这些边缘表面也具有如下表面结构：该表面几何形状沿背离这样的开口5a、5b、或5c并且进入内部空间的方向引导在该边缘表面上开始或结束的电场线。优选地，邻近开口5a、5b、5c之一的所有边缘表面在此也以本发明的这种方式实施。就这点而言，对于双电极电导率传感器的电极11的上述解释相应地成立。

对于本发明的四电极电导率传感器，优选地应用上述的并且在图5至图8中所示的变型。在这些变型中，将提供有交流电压的相互相对的电极11c、11d、11e、11f布置成相对于彼此倾斜，使得在电极11c、11d、11e、11f的内表面上的表面法线指向朝电绝缘探头壁21或23的方向，该电绝缘探头壁21或23在一个侧面针对外部封闭内部空间3。

在这些变型中，如图5至图8中补充示出的，两个电压电极27优选地布置在探头壁21或23上的测量电池的内部中，该探头壁21或23使内部空间3截止。于是，一方面，存在对位于探头1附近的物体的极大的测量不灵敏性，这是由于本发明的被供给交流电流的电极11c、11d、11e、11f的表面几何形状，其中该表面几何形状将场线引导至测量电池内部中，并且另一方面，由于受到电极11c、11d、11e、11f的倾斜的影响而将场线引导至探头壁21、23并且借此引导至几乎布置成彼此相邻的电压电极27上，所以存在大的测量效果。

附图标记列表

1探头

3内部空间

5开口

7探头主体

9内壁

11电极

13测量电子装置

15基部

17边缘表面

19内壁

21上探头壁

23后探头壁

25内壁

27电压电极

Claims (11)

1.一种导电电导率传感器，包括可浸入被测介质中的探头，

其中，所述探头具有内部空间，所述内部空间经由从所述内部空间引出的至少一个开口连接到所述探头的环境，

其中，在所述内部空间中布置有两个电极，所述两个电极在测量操作期间被供给交流电压，并且所述两个电极具有面向所述内部空间的内表面和面向外部的由绝缘覆盖的外表面，其中所述内表面具有邻接所述开口的边缘表面，

其中，至少邻接所述开口之一的所述边缘表面具有沿着背离该开口且进入所述内部空间的方向引导在所述边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状，其中，所述表面几何形状实现测量操作期间在所述电极之间形成的电场线的目标化取向并且使得电场线集中到所述内部空间。

2.根据权利要求1所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极的所述内表面的邻近所述开口的所有边缘表面具有沿着背离相应开口且进入所述内部空间中的方向引导在所述边缘表面上开始或结束的电场线的表面几何形状。

3.根据权利要求1中所述的导电电导率传感器，其中

所述边缘表面上的表面法线使该表面几何形状指向从相应开口离开且进入所述内部空间的方向。

4.根据权利要求2中所述的导电电导率传感器，其中

所述边缘表面上的表面法线使该表面几何形状指向从相应开口离开且进入所述内部空间的方向。

5.根据权利要求1中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极的所述内表面具有把电场线集中到所述内部空间中的表面几何形状。

6.根据权利要求5中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极的所述内表面是凹面。

7.根据权利要求1中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极具有平面基部，在所述平面基部邻近所述开口之一的至少一个侧面上邻接有沿着背离所述开口且进入所述内部空间的方向倾斜的边缘表面。

8.根据权利要求1-7中任何一项中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极相互相对并且相对于彼此倾斜地布置，其中所述电极中的每一个均具有面向沿着从同一开口离开且进入所述内部空间的方向的总共一个取向。

9.根据权利要求8中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极中的每一个均朝电绝缘探头壁的方向倾斜，所述电绝缘探头壁在一个侧面上针对外部封闭所述内部空间。

10.根据权利要求8中所述的导电电导率传感器，其中，

所述电极是电流电极，通过在测量操作期间对所述电极施加交流电压，可以将交流电流经由所述电流电极馈送到位于所述内部空间中的介质，并且，

在所述内部空间中设置有两个电压电极，经由所述电压电极，可在测量操作期间分接由于施加到所述介质的所述交流电流而引起的跨所述电压电极施加的电势差(ΔU)。

11.根据权利要求9或10所述的导电电导率传感器，其中，

所述电压电极布置在所述探头壁上。