專利名稱：用于監(jiān)控參考半電池的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)考參考半電池的方法和設(shè)備，其中參考半電池與測量半電池一起形成用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)的離子濃度的電位測量點，并且其中介質(zhì)的離子濃度是基于在測量半電池和參考半電池之間的測量電路中確定的測量值而確定的。
在用于確定液體介質(zhì)中離子濃度的電位測量點的情況中，這意味著例如pH傳感器。pH傳感器可以實現(xiàn)為玻璃電極或ISFET傳感器。在測量半電池和參考半電池之間形成的電壓用作介質(zhì)的pH值或離子濃度的量度。例如在“Abwasser-Meβ-und Regeltechnik”(廢水—測量和控制技術(shù))，出版者Endress+Hauser GmbH+Co.，第2版，第81頁，等等中描述了pH測量技術(shù)和原理以及pH傳感器的結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選的，pH測量半電池是所謂的玻璃電極或ISFET傳感器。它們在化學、環(huán)境檢測、醫(yī)藥、工業(yè)和水處理的許多分支中找到了廣闊的應(yīng)用。這兩種類型的傳感器可以從受讓人處得到，用于多種應(yīng)用。正如已經(jīng)說明的，用于電位測量的玻璃電極和ISFET傳感器通常與具有較高恒定性的電位的參考半電池結(jié)合。
在玻璃電極的情況中，通常使用銀/氯化銀或氧化亞汞電極。參考半電池與被測介質(zhì)的接觸由橋電解液形成。橋電解液可以是液體或固體，但是通常必須滿足一定條件一方面，它應(yīng)當對于參考半電池的電位幾乎沒有影響；另一方面，它應(yīng)當與被測介質(zhì)一起形成盡可能小的擴散電位。如果滿足了這些條件，參考半電池提供與過程無關(guān)且穩(wěn)定的參考信號。
在pH、REDOX和ISE測量技術(shù)的許多應(yīng)用實例中，使用液體橋接參考半電池。液體橋接半電池使用過程，即介質(zhì)，和參考半電池內(nèi)部之間的接觸。這個液體接觸通常以具有μm范圍的孔徑的多孔陶瓷棒的形式提供。現(xiàn)在，過程因素可以導(dǎo)致這個多孔陶瓷的堵塞。如果發(fā)生陶瓷的堵塞，連接處將呈現(xiàn)非常高的電阻并且不再提供參考半電池到介質(zhì)的低電阻聯(lián)結(jié)。結(jié)果，擾動電壓可能疊加在參考半電池的電位上，并且它們能明顯危及測量的精確度。在pH值測量的情況中，這些擾動電壓甚至能夠?qū)?yīng)于多個pH值的改變。作為擾動電壓的結(jié)果，測量點輸出的pH值不再反映介質(zhì)中的實際離子濃度。進一步，在實際中，在離子濃度測量中發(fā)生的大約90％的不良測量都是由測量半電池的故障引起的。
確實已經(jīng)存在了一種方法，用于識別由于參考半電池和被測介質(zhì)之間的連接阻塞而引起的參考半電池故障。根據(jù)這種已知方法，通過在過程中監(jiān)控參考半電池和被測介質(zhì)之間的液體連接的阻抗而識別參考半電池的故障。一旦超過確定的極限值，就啟動警報。


圖1顯示了測量技術(shù)中使用的pH測量點1的基本部件。測量點1包括測量半電池2、參考半電池3和測量設(shè)備6，其中測量設(shè)備6通常測量兩個半電池2、3之間的電壓。這個電壓與被測介質(zhì)7的pH值成反比。
pH測量半電池2通常具有50～1000MΩ的內(nèi)阻。經(jīng)由被測介質(zhì)7，有至液體橋接參考半電池3的連接。這個連接通常具有1～100kΩ量級的阻抗，并且因此比測量半電池2的阻抗小幾個量級。測量設(shè)備6確定兩個半電池2、3之間的電壓，而參考半電池3處于測量設(shè)備6中的地電位。由于液體橋接參考半電池3相對較低的阻抗，所以介質(zhì)7也處于測量設(shè)備6的地電位，直至玻璃隔膜4。
如果發(fā)生了液體橋接參考半電池3的阻塞，那么在測量半電池2和參考半電池3之間的電子擾動電位在測量中變?yōu)槟軌虮蛔⒁獾健Ｓ捎跍y量半電池2和參考半電池3被串聯(lián)地電連接，所以阻抗之和中測量半電池2的阻抗占優(yōu)勢。因此，如圖1所示，此刻在點I和II之間的簡單電阻測量沒有關(guān)于參考半電池3的阻抗的任何結(jié)論。
為了實現(xiàn)參考半電池3的阻抗的目標監(jiān)控，已知使用一種對稱連接的測量點1。圖2中示意性顯示了一種這種類型的電路。測量半電池2以相對于金屬棒10的低電阻運行；參考半電池3也被相對于金屬棒10測量。與參考半電池3相比，金屬棒10具有優(yōu)點，即，它不發(fā)生阻塞。由于在金屬棒10上能夠顯現(xiàn)氧化還原電位，所以金屬棒10不具有恒定的參考電位。然而，這對于利用測量設(shè)備8和9的測量是無需考慮的，因為最終形成來自兩個測量結(jié)果的測量值之差，是的金屬棒10上改變的氧化還原電位的影響下降。結(jié)果，在兩個點I和II之間測量的阻抗基本上以來于液體橋接的參考半電池2的阻抗。于是，這個方法理想地適用于識別由于阻塞而引起的參考半電池3的故障。
然而，這種已知方案的缺點不容忽視—必須承擔一個不可忽略的額外的負擔。與額外的金屬棒一起，有更為復(fù)雜的懸掛系統(tǒng)、額外的電纜以及擴張的電子裝置。
—在超過較早建立的極限值之后，首先觸發(fā)指示參考半電池故障的警報。警報的啟動與以下兩種情況完全獨立參考半電池的阻抗的增加值實際上是否影響測量，或者擾動是否有可能已經(jīng)甚至在達到極限值之前就嚴重到令測量已經(jīng)被嚴重影響。
本發(fā)明的一個目的是提供一種方法和設(shè)備，允許監(jiān)控測量點的參考半電池，并且監(jiān)控特別關(guān)注于找到參考半電池的故障。
根據(jù)本發(fā)明的方法，通過間歇地在操作模式和測試模式操作測量點實現(xiàn)這個目的，其中，在操作模式中，測量離子濃度，并且在測試模式中，檢查參考半電池的操作性能。
根據(jù)本發(fā)明的方法的具有優(yōu)點的進一步發(fā)展，在測試模式和操作模式中確定測量信號的噪聲成分。另外，在測試模式中，為了確定測量信號的噪聲成分，在測量電路中啟動阻抗，特別是電阻，并且在操作模式中，改變阻抗。優(yōu)選的，在操作模式中，電阻被短路。
本發(fā)明的方法的具有優(yōu)點的另一發(fā)展為了改變，即添加或移除阻抗，特別是電阻，啟動阻抗改變元件。特別的，阻抗改變元件是開關(guān)，其例如與電阻并聯(lián)設(shè)置。
另外，在操作模式和測試模式中測量測量信號的噪聲成分，并且基于在操作模式和測試模式中噪聲成分的改變關(guān)系，識別參考半電池的故障并且發(fā)出相應(yīng)的報告。
本發(fā)明的方法的進一步的發(fā)展能夠聲明參考半電池的預(yù)期剩余壽命。為此，在操作模式和測試模式中連續(xù)存儲測量信號的噪聲成分或者測量信號的噪聲成分的改變關(guān)系；發(fā)出有關(guān)參考半電池何時可能發(fā)生故障的報告。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，實現(xiàn)本發(fā)明的目的，其中，控制/分析單元間歇地在操作模式和測試模式中操作測量點，并且控制/分析單元在操作模式中確定介質(zhì)的離子濃度，在測試模式中檢查參考半電池的操作性能。
優(yōu)選的，在測量電路中提供阻抗，特別是電阻。在本發(fā)明的設(shè)備的一個具有優(yōu)點的實施例中，在操作模式中電阻被短路，而在測試模式中電阻被添加入測量電路。當然，應(yīng)當理解，任何其它類型的阻抗改變都可以用于本發(fā)明的測量電路中。
優(yōu)選的，提供阻抗改變元件，例如開關(guān)，其與電阻并聯(lián)連接。這個開關(guān)由分析/控制單元啟動。
在本發(fā)明的設(shè)備的一個具有優(yōu)點的實施例中，一旦在操作模式和測試模式中噪聲成分的比率改變高于預(yù)定閾值，控制/分析單元就將這個改變解釋為參考半電池正確工作。
特別地，當操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分的關(guān)系近似于沒有改變時，控制/分析單元輸出參考半電池的故障。
為了消除“測量信號的逸出值”，控制/分析單元使用統(tǒng)計分析方法，用于識別參考半電池的故障和/或正確操作。
現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細解釋本發(fā)明，附圖中圖1是現(xiàn)有技術(shù)已知的測量點，用于測量和/或監(jiān)控介質(zhì)的離子濃度；圖2是現(xiàn)有技術(shù)已知的電路，用于監(jiān)控圖1所示的測量點的參考半電池；圖3是本發(fā)明的設(shè)備的一個優(yōu)選實施例，用于監(jiān)控電位測量點的參考半電池；和圖4是個圖表，其中示出了對于不同條件，在操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分的比率。
圖1顯示了現(xiàn)有技術(shù)已知的測量點1，用于測量和/或監(jiān)控介質(zhì)7的離子濃度。圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)已知的圖1所示測量點1的電路，用于監(jiān)控測量點1的參考半電池3的阻塞。這兩個技術(shù)方案都已經(jīng)在背景技術(shù)部分作了充分描述。
圖3顯示了本發(fā)明的設(shè)備的一個優(yōu)選實施例，用于監(jiān)控用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)7的離子濃度的測量點1的參考半電池3。特別地，測量點1是pH測量點。
本發(fā)明的概念與圖1所示的已知概念不同在于，在測量電路中提供電阻12，其具有與其并聯(lián)連接的開關(guān)13。開關(guān)13通常在在操作模式或測量模式中由控制/分析單元11保持關(guān)閉，并且在測試模式中由單元11保持打開。于是，在操作模式中，電阻12被短路，即，參考半電池3被以低電阻連接至低電位，而在測試模式中，在電阻12兩端發(fā)生電壓降。
控制/分析單元11的一個主要部件是微處理器，其沒有在圖3中單獨示出。它用于與同樣沒有單獨示出的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器一起用于轉(zhuǎn)換、計算和提供測量信號或測量值。這種控制/分析單元11可以在受讓人的pH變送器中得到，并且是現(xiàn)有技術(shù)已知的。
測量信號通常是電壓值，其例如反映了介質(zhì)7的pH值，但是不是恒定的。恰恰相反，平均的測量電壓值通常在其上疊加了噪聲。如果開關(guān)13打開，那么參考半電池3通過電阻12與地電位相連，并且到地電位的聯(lián)結(jié)變得更弱。于是，疊加在測量信號平均值上的噪聲也依賴于電阻12的大小的函數(shù)而增加。
然而，如果液體橋接參考半電池3被阻塞，并且參考半電池3的阻抗在添加的電阻12附近或大于添加的電阻12，那么噪聲僅僅不顯著地由添加的電阻12改變。
根據(jù)本發(fā)明，使用以下概念基于操作模式和測試模式中的測量信號的噪聲成分，可以做出有關(guān)參考半電池3的阻塞的結(jié)論。測試模式中的測量僅持續(xù)幾毫秒。在這期間，先前確定的測量值必須保持在保持狀態(tài)。以這種方式，防止了輸出擾動的測量值用于進一步處理。
圖4是一圖表，顯示了在不同的安裝和操作條件下，操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分的比率。四個不同陰影條的每一個都代表了四種不同的工作條件，電位測量點必須在該工作條件下發(fā)送在工業(yè)應(yīng)用中的安裝位置處的可靠的測量值。在未接地的被測介質(zhì)的情況中，外部電磁干擾場可能對測量結(jié)果有負面影響。在湍動例如流動介質(zhì)的情況中，類似地發(fā)生本地干擾場。
在從左上到右下打陰影的條的情況中，介質(zhì)7靜止；另外，介質(zhì)7所處的容器被接地。在從右上到左下打陰影的條的情況中，涉及湍動例如流動的介質(zhì)7；在這種情況中，容器也被接地。在空條的情況中，容器未接地并且介質(zhì)靜止。在有斑點的條的情況中，容器未接地并且介質(zhì)湍動。
數(shù)字1-5指示了在不同溫度下的不同介質(zhì)中使用測量點的工作條件。數(shù)字1表示在較低溫度具有低電導(dǎo)率(LC)的介質(zhì)，數(shù)字2表示在較高溫度具有較低電導(dǎo)率的介質(zhì)。在數(shù)字3和4的情況中，在不同溫度在酸中進行測量。數(shù)字5表示介質(zhì)是酸并且另外介質(zhì)在金屬容器中的情況。
在條形表的左部，對于參考半電池3未被阻塞的情況，對于所有上面列出的使用條件給出了操作模式和測試模式中噪聲的百分率改變。即使在最壞的情況中，操作模式中的噪聲成分也是測試模式中噪聲成分的5倍大。在條形圖的右部，顯示了對于阻塞的參考半電池3，在操作模式和測試模式中噪聲的百分率改變。很清楚，在兩種模式中的噪聲幾乎恒定。根據(jù)本發(fā)明，在操作模式和測試模式中近似不變的噪聲成分清楚指示參考半電池的故障。
附圖標記列表1 測量點2 測量半電池3 參考半電池4 玻璃隔膜5 多孔陶瓷6 電阻測量設(shè)備7 介質(zhì)8 電阻測量9 電阻測量10金屬棒11控制/分析單元12電阻13開關(guān)14連接線15連接線
權(quán)利要求
1.用于監(jiān)控參考半電池(3)的方法，其中參考半電池(3)與測量半電池(2)形成用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)(7)的離子濃度的測量點(1)，并且其中介質(zhì)(7)的離子濃度是基于在測量半電池(2)和參考半電池(3)之間的測量電路確定的至少一個測量信號而確定的，其特征在于測量點(1)被間歇地在操作模式和測試模式中操作，在操作模式中測量離子濃度，以及在測試模式中檢查參考半電池(3)的操作性能。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在測試模式和操作模式中確定測量信號的噪聲成分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在測試模式中，啟動在測量電路中的阻抗，用于確定噪聲成分，并且在操作模式中，改變阻抗(12)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中為了改變阻抗(12)，啟動阻抗改變元件(13)。
5.如權(quán)利要求3或4所述的方法，其中作為阻抗改變元件(13)，啟動開關(guān)，其與阻抗(12)并聯(lián)連接，用于改變阻抗(12)。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中測量在操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分，并且根據(jù)在操作模式和測試模式中噪聲成分的改變關(guān)系，識別參考半電池(3)的故障，并且輸出相應(yīng)的報告。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中連續(xù)存儲在操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分或噪聲成分的改變關(guān)系，并輸出有關(guān)在多長時間之后參考半電池(3)將可能出現(xiàn)故障的報告。
8.用于監(jiān)控參考半電池(3)的設(shè)備，其中參考半電池(3)與測量半電池(2)形成用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)(7)的離子濃度的測量點(1)，并且其中提供控制/分析單元(11)，其基于在測量半電池(2)和參考半電池(3)之間的測量電路中確定的測量信號而確定介質(zhì)(7)的離子濃度，其特征在于控制/分析單元(11)在操作模式和測試模式中間歇地操作測量點(1)，以及控制/分析單元(11)在操作模式中確定介質(zhì)(7)的離子濃度，并且在測試模式中檢查參考半電池(3)的操作性能。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中在測量電路中提供阻抗(12)，其在操作模式中改變，優(yōu)選的被短路，并且在測試模式中被接通入測量電路。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中提供阻抗改變元件(13)，其與阻抗(12)并聯(lián)連接，其中阻抗改變元件(13)由分析/控制單元(11)啟動。
11.如權(quán)利要求8、9或10所述的設(shè)備，其中一旦操作模式和測試模式中噪聲成分的關(guān)系改變大于預(yù)定閾值，則控制/分析單元(11)將該改變解釋為參考半電池(3)正確工作。
12.如權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中當操作模式和測試模式中測量信號的噪聲成分的關(guān)系近似不變時，控制/分析單元(11)輸出參考半電池(3)的故障。
13.如權(quán)利要求11或12所述的設(shè)備，其中控制/分析單元(11)使用統(tǒng)計分析方法，用于識別參考半電池(3)的故障或正確工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)控參考半電池(3)的方法，其中參考半電池(3)與測量半電池(2)形成用于確定和/或監(jiān)控介質(zhì)(7)的離子濃度的電位測量點(1)，并且其中介質(zhì)(7)的離子濃度是基于在測量半電池(2)和參考半電池(3)之間的測量電路中確定的至少一個測量信號而確定的。根據(jù)本發(fā)明，測量點(1)被間歇地在操作模式和測試模式中操作，其中在操作模式中測量離子濃度，并且在測試模式中檢查參考半電池(3)的操作性能。
文檔編號G01N27/403GK1756953SQ200380103414
公開日2006年4月5日 申請日期2003年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月15日
發(fā)明者托爾斯滕·佩希施泰因, 卡特林·肖爾茨, 斯萬·哈爾蒂希 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表兩合公司