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Induktive Leitfähigkeitssensorik in der Industrieellen Anwendung

Induktive Leitfähigkeitssensorik in der Industrieellen Anwendung
Ansprechpartner:Marco Völker, Olaf Dössel
Projektgruppe:Messtechnik/Signalverarbeitung

Induktive Leitfähigkeitssensorik in der industrieellen Anwendung

Ziel des Projekts ist die Modellierung, Simulation, Optimierung und Evaluation von induktiven Leitfähigkeitssensoren für die industrieellen Anwendung. Die Bearbeitung des Projekts erfolgt in Zusammenarbeit mit der Industrie.
Die Messgröße „Leitfähigkeit“ ist ein wichtiger Parameter zur Steuerung von Prozessen. Der Bereich der Leitfähigkeit in der industrieellen Anwendung reicht von 55 nS/cm bei Reinstwasseranwendungen (z.B. in der Pharmazie) bis zu mehr als 1000 mS/cm bei heißen Säuren und Laugen (siehe Bild). Zum Vergleich: Das Karlsruher Trinkwasser

hat eine Leitfähigkeit von etwa 640 µS/cm bis 680 µS/cm. Induktive Leitfähigkeitssensoren erzeugen mittels einer Spule einen Strom im Medium, welcher durch eine zweite Spule gemessen und ausgewertet wird (siehe Abbildung).

 

Durch die berührungslose Art der Messung umgehen induktive Leitfähigkeitssensoren die mit Elektroden verbundenen Probleme, wie unkontrollierbare Belagsbildung und Polarisationseffekte. Der Nachteil der derzeitigen induktiven Leitfähigkeitssensoren ist jedoch die reduzierte Empfindlichkeit und die relativ hohe untere Messbereichsgrenze (ca. 100 µS/cm). Dies schließt induktive Leitfähigkeitssensoren trotz ihrer Vorteile heute noch von Rein- und Reinstwasseranwendungen aus.
Ziel des Projekts ist es, durch systematische Modellierung, Simulation und Optimierung die Empfindlichkeit zu erhöhen und die untere Messbereichsgrenze zu reduzieren.

Grundsätzlich lässt sich das Projekt in 3 Hauptbereiche einteilen :

  • Modellierung und Simulation
Es wird mit Hilfe des Programms Comsol Multiphysics ein FEM (Finite Elemente Methode) Modell einer Toroidspule erstellt. Dies soll die Simulation durch numerische Feldberechnung und die Beurteilung parasitärer Effekte in der Spule ermöglichen (linkes Bild). Weiterhin werden auch axialsymmetrische Modelle von Sensoren untersucht (rechtes Bild).




  • Messungen und Ersatzschaltbild
Eines der Ziele dieses Projekts ist es, ein elektrisches Ersatzschaltbild in PSpice zu erstellen, das alle für das Mess- ergebnis wichtigen Effekte nachbildet. Dafür ist die Durchführung von Messungen an bestehenden Sensoren notwendig. Diese Messungen werden entweder im Hardwarelabor (rechte Abbildung) oder im Chemielabor (links) durchgeführt. Zur Durchführung der Messungen stehen verschiedene Messgeräte zur Verfügung, u.a. ein Hoch- frequenz-Lock-In-Amplifier (PerlinElmer 7280, Bild unten rechts), ein 500MHz-Vierkanal-Digitaloszilloskop (Tektronix TDS2024, Bild ganz unten links) und ein Niederfrequenz- Impedanceanalyzer (HP4192A, Bild ganz unten rechts).






  • Hardwareaufbau
Zur Untersuchung verschiedener neuer Sensorprinzipien werden entsprechende Sensoren und Schaltungen aufgebaut. Die neuen Messprinzipien werden nach verschiedenen Kriterien (u.a. Empfindlichkeit, Durchführbarkeit in der Praxis und Kosten) beurteilt. Zur Erstellung von Gedruckten Schaltungen steht eine vollständige Belichtungs- und Ätzanlage zur Verfügung.

In allen Teilgebieten dieses Projekts gibt es Studien- und Diplomarbeiten zu vergeben. Die Studien- und Diplomarbeiten sind im Bereich „Studien- und Diplomarbeiten“ auf der Website des IBT aufgelistet. Interessenten können jederzeit mit mir in Kontakt treten.