Beschreibung Induktiver Leitfähigkeitssensor

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Leitfähigkeitssensor.

[0002] Induktive Leitfähigkeitssensoren zum Bestimmen der elektrischen Leitfähigkeit eines Mediums umfassen im wesentlichen zwei vom Medium umgebene Toroidspulen, die eine durchgehende öffnung für das Medium umschließen und gewöhnlich koaxial angeordnet sind, wobei eine erste der Spulen als Erregerspule einen Strom in dem Medium induziert, der von der zweiten Spule erfasst wird. Das Prinzip an sich ist in der industriellen Prozessmesstechnik etabliert und in einer Vielzahl von Schriften in der Patentliteratur dokumentiert, beispielsweise in US Patent No. 3,603,873, oder der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 51 146 Al.

[0003] Aufgabe der Erfindung ist es einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit verbesserter Empfindlichkeit bereitzustellen. Die Empfindlichkeit der induktiven Leitfähigkeitssensoren steigt einerseits mit zunehmender Querschnittsfläche der öffnung die von den Toroidspulen umschlossen ist, und nimmt andererseits ab mit zunehmender axialer Länge der öffnung, da die Pfadlänge für den durch die Spule induzierten Ringstrom im Medium mit der axialen Länge ansteigt. Die Querschnittsfläche der öffnung kann jedoch bei gegebener Spulenbauweise nicht beliebig vergrößert werden, ohne die gesamte Baugröße des Leitfähigkeitssensors zu vergrößern. Insoweit ist es zur Verbesserung der Empfindlichkeit erstrebenswert, die axiale Länge der öffnung zu reduzieren. Die Aufgabe wird daher erfindungsgemäß gelöst durch den Leitfähigkeitssensor gemäß Anspruch 1.

[0004] Hierzu stellt die Erfindung einen induktiven Leitfähigkeitssensor mit einem neuartigen Spulenaufbau bereit, der eine besonders geringe axiale Baulänge für den Leitfähigkeitssensor ermöglicht. Gemäß eines weiteren Gesichtspunkts der Erfindung ermöglicht der neuartige Spulenaufbau eine vereinfachte automatisierte Fertigung.

[0005] Der erfindungsgemäße induktive Leitfähigkeitssensor zum Messen der Leitfähigkeit eines Mediums umfasst:

[0006] eine erste Toroidspule, welche eine durchgehende öffnung umschließt, zum

Induzieren eines Ringstroms in einem Medium und eine zweite Toroidspule, welche die durchgehende öffnung umschließt, zum Erfassen des durch den Ringstrom erzeugten Magnetfelds, wobei mindestens eine der Toroidspulen eine Vielzahl erster Leiterabschnitte aufweist, die in einer Ebene einer mehrlagigen Leiterkarte verlaufen, und eine Vielzahl zweiter Leiterabschnitte die in einer zweiten Ebene der Leiterkarte

verlaufen, und eine Vielzahl von Durchkontaktierungen, welche die ersten

Leiterabschnitte mit den zweiten Leiterabschnitten verbinden, wobei die ersten

Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte und die Durchdurchkontaktierungen zusammen die Windungen der Toroidspule ausbilden. [0007] Die Durcrkontaktierungen verlaufen in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der

Erfindung im wesentlichen senkrecht zu den Lagen der Leiterkarte. [0008] Die ersten bzw. zweiten Leiterabschnitte können jeweils als Leiterbahnen an einer äußeren Oberfläche der Leiterkarte oder in einer Zwischenlage in der Leiterkarte ausgebildet sein. [0009] Die Toroidspule kann als Luftspule oder als Ringkernspule ausgebildet sein, wobei der Ringkern beispielsweise in einer entsprechenden Aussparung in der Leiterkarte zwischen der ersten und der zweiten Ebene angeordnet ist. [0010] Der Ringkern kann beispielsweise einen massiven Ringkern, einen gewickelten

Ringbandkern oder einen Kunststoffringkern mit magnetischen Partikeln umfassen.

Der Ringkern kann beispielsweise bei der Fertigung der Leiterplatte in die dafür vorgesehen Aussparung eingebettet bzw. einlaminiert [0011] werden, oder im Falle des Kunststoffringkerns auch nach der Fertigung der

Leiterplatte in dafür vorgesehene Aussparungen eingespritzt werden. [0012] In einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind beide Toroidspulen in der zuvor beschriebenen Weise aufgebaut. [0013] Die beiden Spulen können beispielsweise koaxial und axial hintereinander angeordnet oder koaxial und koplanar angeordnet sein, wobei in der zweiten

Alternative die Spulen unterschiedliche Radien aufweisen. [0014] Die Spulen sind vorzugsweise mit den üblichen Schirmungsmitteln magnetisch und kapazitiv voneinander geschirmt. [0015] Zumindest der von dem Medium benetzbare Teil des Sensors kann beispielsweise mit einer isolierenden Schutzschicht, insbesondere einer Kunststoffschicht überzogen sein, um die Leiterkarte und die Spulen vor direktem Medienkontakt zu schützen. [0016] Auf der Leiterkarte können weiterhin elektronische Schaltungen zum Betreiben des

Sensors vorgesehen sein. [0017] Die Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten

Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt: [0018] Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine Leiterkarte mit einer Toroidspule gemäß einer

Ausgestaltung der Erfindung. [0019] Fig. 2: eine Aufsicht auf verschiedene Ebenen der Leiterkarte aus Fig. 1.

[0020] Fig. 3: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensorkopfs eines erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors; und

[0021] Fig. 4: einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorkopfs eines erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensors.

[0022] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt eine Spulenanordnung 1 für einen

Leitfähigkeitssensor in einer mehrlagigen Leiterkarte 2. Eine Aufsicht auf verschiedene Lagen dieser mehrlagigen Leiterplatte 2 der Spulenanordnung ist in Fig. 2 dargestellt, wobei das linke Teilbild eine Zwischenlage zeigt, und das rechte Teilbild eine Decklage. Die Spulenanordnung wird nun unter Verweis auf Fign. 1 und 2 erläutert.

[0023] Die Spulenanordnung 1 umfasst eine Toroidspule 3, welche eine durchgehende öffnung 7 in der Leiterkarte 2 ringförmig umgibt. Die Toroidspule 3 umfasst erste Leiterabschnitte 5 die auf der Oberseite der Decklage der verlaufen, und zweite Leiterabschnitte die auf der Unterseite einer Basislage der Leiterplatte verlaufen. Zwischen der Basislage und der Decklage ist eine Zwischenlage angeordnet, die selbst eine oder mehrere Lagen umfassen kann. Die Zwischenlage umfasst eine Aussparung in der ein Ringbandkern 4 für die Toroidspule 3 eingesetzt wird, bevor die Decklage mit der Zwischenlage gefügt wird. Die ersten Leiterabschnitte 5 und die zweiten Leiterabschnitte werden über Durchkontaktierungen durch die Lagen der Leiterplatte miteinander kontaktiert, so dass die ersten Leiterabschnitte, die zweiten Leiterabschnitte, und die Durchkontaktierungen zusammen die umlaufenden Windungen der Toroidspule bilden, die den Ringbandkern 4 umschließt.

[0024] Zum Schutz gegen Messmedien, weist die Spulenanordnung 1 im benetzbaren Bereich eine Kunststoffschutzschicht 8 auf, welche vorzugsweise sämtliche Oberflächen der Spulenanordnung 1 im benetzbaren Bereich vollständig überdeckt.

[0025] Der Sensorkopf 11 gemäß Fig. 3 umfasst eine erste Toroidspule 13 und eine zweite Toroidspule 23, die entsprechend der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Weise aufgebaut sind, wobei die Spulen koaxial und axial hintereinander angeordnet sind. Die Toroidspulen 13, 23 umfassen jeweils erste und zweite Leiterabschnitte 15, 25, die über Durchkontaktierungen 16, 26 durch Teillagen 12, 22 der Leiterkarte miteinander kontaktiert sind, um jeweils die umlaufenden Windungen der ersten bzw. zweiten Toroidspule auszubilden, wobei die beiden Toroidspulen voneinander elektrisch isoliert sind. Zwischen den beiden Spulen verläift weiterhin eine Trennlage 19, die eine oder mehrere Teillagen umfassen kann, beispielsweise auch Schirmungslagen zur Entkopplung der Spulen. In Aussparungen in den Zwischenlagen ist jeweils ein

Ringkern 14, 24 angeordnet, der von einer der Toroidspulen 13, 23 umschlossen ist. [0026] Der benetzbare Teil des Sensorkopfes 11 ist wie zuvor mit einer

Kunststoffschutzschicht 18 überzogen. [0027] Der Sensorkopf 31 in Fig. 4 weist zwei koaxial und koplanar angeordnete

Toroidspulen 33, 34 auf, die eine durchgehende öffnung 37 umgeben. Der Aufbau der

Spulen entspricht den obigen Ausführungen. [0028] Die erfindungsgemäßen Leitfähigkeitssensoren zeichnen sich im Ergebnis durch einen flachen Aufbau und damit durch erhöhte Empfindlichkeit aus. Zudem sind sie automatisiert mit gängigen Methoden der Leiterkartentechnologie zu fertigen.