感应电导率传感器及其生产方法与流程

本发明涉及一种用于测量介质的特定电导率的感应电导率传感器。本发明还涉及一种生产该感应电导率传感器的方法.

背景技术：

特定电导率的测量用于控制过程工程的进程。例如，在食品技术中，借助于特定电导率的测量，区分管线中的产品流与清洁溶液或漂洗水。取决于特定介质，也影响了过程工程进程。

通常，根据感应或导电测量原理工作的电导率传感器通常在过程自动化中使用以测量介质的电导率。

导电的电导率传感器包括至少两个电极，该至少两个电极浸没在介质中以进行测量。为确定介质的电导率，确定了介质中的电极测量通路的阻抗或电导。如果电导常数是已知的，则能够确定介质的电导率。为了借助于导电电导率传感器来测量测量流体的电导率，至少两个电极与测量液体接触是绝对必要的。

利用确定工艺介质的电导率的感应原理，使用包括发射器线圈和布置在距发射器线圈一定距离处的接收器线圈两者的传感器。借助于发射器线圈，产生交变电磁场，该交变电磁场影响液体介质中的带电粒子例如离子，且在介质中产生相应的电流。由于该电流，在接收器线圈处产生电磁场，从而根据法拉第电磁感应定律在接收器线圈中感应接收信号(感应电压)。该接收信号能够被分析并且用于确定液体介质的电导率。

感应电导率传感器通常如下设计：作为规则，发射器线圈和接收器线圈被构建成环形线圈和包括介质能够流过的连续开口。线圈被布置在浸没在被测量的介质中的壳体中。介质因此在两个线圈周围流动。发射器线圈的激励在介质中产生通过发射器线圈和接收器线圈的闭合电流通路。通过分析响应来自发射器线圈信号的接收器线圈的电流和电压信号，能够确定测量液体的电导率。该原理其本身建立在工业过程测量技术中并已在大量专利文献的文本中记录。

线圈由至少一个由导线制成的导体绕组构成，该导线缠绕在线圈载体上并被设有磁芯。绕组排列和绕组形式、导线直径、绕组材料和芯材料限定线圈的相应电感和另外(品质)特性的值。

高品质线圈和芯通常用于电导率传感器。因为芯或线圈的相对磁导率表现出低的温度相关性，所以这些线圈具有低的温度相关性。然而，即使在非常高质量的芯中，仍存在一定的温度相关性，无论是由于老化导致的缓慢流动或在高温处，例如超过130℃。随时间或随温度变化的相对磁导率影响测量值，并且因此影响测量的电导率。

通常，电导率传感器具有同样基于交变电磁场执行的另外的功能。例如，应在此提及的流量、压力或密度的测量。但是，由于磁场和电场相互影响，这些另外的功能只能够一个接一个地执行。

技术实现要素：

本发明基于提供一种灵活的电导率传感器的任务，该传感器以长期且关于温度稳定的方式进行测量。

该目标通过感应电导率传感器实现，该感应电导率传感器的特征在于，其壳体包括磁性塑料-特别是铁磁性塑料，或磁性树脂-特别是铁磁性树脂，用于使发射器线圈与接收器线圈感应解耦。因此，发生线圈的彼此感应解耦。

两个线圈之间的耦合是测量值的不需要的组分。为了正确地确定测量值，必须确定该耦合并针对测量值排解该耦合，即减少该耦合。由于耦合本质上取决于相对磁导率，并且如提及的，由于相对磁导率是温度相关的，电导率传感器的温度相关性可通过使线圈彼此解耦来减少。

在食品技术和生物技术中，有这样的需求，即传感器能够被热消毒并且设计成能被清洁(关键词：“卫生设计”)。作为原理性问题，感应电导率传感器必须至少部分地由电绝缘材料构成。塑料通常用于此目的。这些塑料需要特别审核用于食品技术和生物技术领域。

在一个有利实施例中，壳体因此被与所述磁性塑料不同的塑料围绕-特别是嵌件成型。

为了减少电容耦合，电导率传感器包括电路板，电路板带有导体路径和广延的接地平面，其中，接地平面设计为用于发射器线圈和接收器线圈从导体路径的该电容解耦，其中，该电路板布置在发射器线圈和接收器线圈之间，并且发射器线圈和接收器线圈与电路板接触。

电路板优选地包括温度传感器，温度传感器布置在壳体外侧。

在一个有利的进一步发展中，电导率传感器包括至少一个罩，所述罩由磁性特别的铁磁性塑料或磁性特别的铁磁性树脂构成的，其中，罩封闭发射器线圈和/或接收器线圈。所述罩进一步减少线圈的杂散场。罩包括非导电环，其中，小的非导电环防止线圈匝之间的短路的发生。同时，该罩用作对抗机械影响的保护件。

在一个优选实施例中，电导率传感器包括另外的传感器-特别是压力传感器和流量传感器，并且壳体包括用于这些另外的传感器的凹部。由于磁性解耦合以及(如果适用的话)电容解耦，能够在相同的时间通过所述另外的传感器进行测量，而没有干扰。

该目的进一步通过生产如上所述的电导率传感器的的方法实现，该方法包括以下步骤：制造由磁性塑料-特别是铁磁性塑料，或磁性树脂-特别是铁磁性树脂制成的壳体；将至少一个发射器线圈和一个接收器线圈安装在壳体中；以及利用与所述磁性塑料不同的塑料来嵌件成型所述壳体。

优选地，发射器线圈和接收器线圈布置在电路板上，并且电路板被塑料嵌件成型。

附图说明

本发明参考以下附图更详细的解释。这些示为：

图1根据本发明的电导率传感器的象征性概观，

图2a-b根据本发明的第一实施例(图2a)和第二实施例(图2b)的电导率传感器壳体的横截面，

图3a-b壳体的感应耦合(图3a)和电容耦合(图3b)耦合，并且

图4在一个实施例中的根据本发明的电导率传感器。

具体实施方式

在附图中，由相同的附图标记来标识相同的特征。

根据本发明的感应电导率传感器的整体由附图标记1标识且在图1中示出。电导率传感器1设计为在过程自动化中使用。

电导率传感器1-例如经由凸缘4(通常通过工艺连接件)-布置在容器3上，被测量的介质2位于容器3中。容器3可以是由例如塑料或金属制成的管。

电导率传感器1包括位于壳体9内侧的发射器线圈6和接收器线圈7。壳体9包括壳体壁16。壳体9由塑料-特别地由热塑性塑料制成。该塑料被批准用于食品技术和生物技术领域。例如，该塑料是聚芳基酮醚，诸如聚醚醚酮(PEEK)。这将在下面详细讨论。

发射器线圈6和接收器线圈7例如彼此相反地布置在电路板(未示出)的彼此背离的侧面上。以这种方式，设计成旋转对称的环形线圈(“螺绕环”)的发射器线圈6和接收器线圈7一个接另一个地同轴布置。电路板包括导体路径，该导体路径与线圈接触并使发射器线圈6与驱动电路连接、使接收器线圈7与接收电路连接。驱动电路和接收电路能够形成安装在电路板上的传感器电路的一部分。线圈6、7与数据处理单元5连接，在图1中与测量变换器连接。

壳体9形成通道12，通道12沿着发射器线圈6和接收器线圈7的旋转轴线穿过发射器线圈6和接收器线圈7。如果壳体9浸没在导电介质2中，则介质围绕壳体9或围绕设计成被浸没在介质2中的壳体区段8并且进入通道12，使得当发射器线圈6被输入信号即交变电压激励或流经时，能够在介质中形成穿过线圈6、7的闭合电流通路13。

电导率传感器以双变压器的方式起作用，其中发射和接收器线圈6、7如提及地插入到介质2中到至少这样的程度，使得能够形成通过介质2并穿过发射器线圈和接收器线圈6、7的闭合电流通路13。当使用交变电压信号作为输入信号来激励发射器线圈6时，其产生磁场，该磁场感应出穿过线圈6和7的电路通路13并且该磁场的强度取决于介质2的电导率。因此，在介质2中产生具有离子导电的电流通路。由于介质中的该交变电流反过来产生环绕它的变动磁场，所以在接收器线圈7中感应出交变电流作为输出信号。由接收器线圈7作为输出信号传递的该交变电流和对应的交变电压分别是介质2的电导率的量度。

电导率传感器1包括温度传感器10，用于测量介质2的温度。数据处理单元5基于输入信号、输出信号和介质2的温度来确定介质2的电导率。温度传感器10是电气部件或电子部件，其供应作为温度的量度的电信号。该部件例如是负温度系数热敏电阻(NTC热敏电阻)或正温度系数热敏电阻(PTC热敏电阻)，其电阻随温度变化。这方面的示例是铂测量电阻或陶瓷PTC热敏电阻。替代地，可以使用直接供应可处理电信号的部件，例如半导体温度传感器，其供应与温度成比例的电流或电压。作为另外的替代，可使用热电偶或其它常见的温度测量元件。

温度传感器10包括温度元件，其供应作为温度的量度的电信号。这例如是热敏电阻，诸如Pt100或Pt1000。经由导线18，该信号，例如电阻值或电压被传输到测量变换器5。

图2示出了电导率传感器1的壳体9的横截面。壳体9包括磁性塑料-特别是铁磁性塑料，或磁性树脂-特别是铁磁性树脂，用于使发射器线圈6与接收器线圈7感应解耦。磁性塑料的示例有Luvocom 1105-9096、或。磁性材料用于使线圈6、7彼此感应解耦；参见图3b。磁性树脂包括带有磁性填充材料的树脂混合物。冷制造方法因此是可能的，由此磁性填充材料更好地维持其磁性性能。树脂也是容易嵌件成型的(见下文)。

壳体9被不同于磁性塑料的塑料围绕。在一个实施例中，壳体被嵌件成型。电导率传感器1的制造方法则如下：制造壳体9；将至少一个发射器线圈6和一个接收器线圈7安装在壳体9中；利用与磁性塑料不同的塑料来嵌件成型壳体9。

壳体9可被设计成研磨部件或注模部件、完整的载体或由若干个部件制成的插接单元。在一个实施例中，在注模部件或插接部件的情况下，电路板11可作为与线圈6、7一起嵌件成型的嵌件放置在线圈6、7之间。电路板11设计成星型或柔性电路板。线圈6和7与电路板11接触。为此目的，电路板11包括导体路径(未示出)，用于使线圈6和7与已提到的测量变换器5连接。电路板11包括大的接地平面17。此接地平面17降低线圈6和7与电路板11上导体路径的电容耦合。

线圈6、7被罩14覆盖。除了小的非导电环15以外，该罩14由已讨论过的磁性塑料或磁性树脂构成。所述罩14进一步减少线圈6、7的杂散场。非导电环15防止线圈6、7的线匝之间的短路。同时，此罩14用作对抗机械影响的保护件。

在图2b中，电路板11向下延伸且配备有温度传感器10；即，在该实施例中，温度传感器10定位在壳体9外侧。设有保护盖，该温度传感器也可稍后嵌件成型。

图3a示出了电容解耦。如箭头所示，电路板11中断电容耦合K。中断由短划线示出。通过注模或嵌入的电路板11的接地的、大安装的接地平面17，降低了线圈6和7与电路板11的导体路径之间的电容耦合。

图3b示出了感应解耦。如箭头所示，借助于壳体9的磁性材料中断感应耦合M。中断由短划线示出。发生的杂散场被磁性壳体9吸收。

图4示出了电导率传感器1的实施例。

在具有附加的集成功能的电导率传感器中，由于磁场和电场相互影响，只能一个接一个的执行测量。为此，在图4中，各种传感器元件被一体至共同的壳体中且如上文所述被磁性地和电容地屏蔽。在包括由磁性塑料或磁性树脂构成的壳体9的感应式电导率传感器1中，除了通常的线圈6、7以外，还在相同的壳体9的任意位置处施加用于另外的传感器20的凹部19，所述另外的传感器例如是感应传感器或根据其它原理运行的传感器。这些凹部19可包括例如磁流量传感器、压力传感器或其它传感器。磁性塑料防止感应线圈6、7和各种另外的传感器20之间的相互作用。也经由例如在导管中的导线18建立至电路板11的接触。另外的传感器20也被不同于磁性塑料的塑料卫生地嵌件成型。

附图标记列表

1 电导率传感器

2 介质

3 容器

4 凸缘

5 数据处理单元

6 发射器线圈

7 接收器线圈

8 1的设计为浸没在2中的壳体区段

9 壳体

10 温度传感器

11 电路板

12 通道

13 电流通路

14 罩

15 环

16 壳体壁

17 接地平面

18 导线

19 凹部

20 另外的传感器

K 电容耦合

M 感应耦合

E 电场强度

B 磁通密度