專利名稱：電位測量探頭的測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和裝置，其用于通過測量至少一個電極的內(nèi)電阻來 測量、監(jiān)控和分析具有至少兩個電極的電位測量探頭的狀態(tài)。
背景技術(shù)：
在電化學(xué)領(lǐng)域中通常使用電位測量探頭、離子靈敏探頭或氧化還原探
頭，例如pH測量探頭。這種測量探頭的基本結(jié)構(gòu)包括兩個電化學(xué)半電池， 其中一個半電池稱為指示電極，例如具有敏感膜(sensitive membrane)的玻璃 電極，另一半稱為參考電極或基準(zhǔn)隔膜(referencediaphragm)。兩個半電池之 間的電位差與要測量的參數(shù)(例如溶液的pH值)成比例。
指示電極以及參考電極具有一定內(nèi)電阻。只要電極正常運行，兩個內(nèi)電 阻將基本保持穩(wěn)定。然而，如果電極故障，例如，電極膜或基準(zhǔn)隔膜損壞、 泄露或失靈，則電極的內(nèi)電阻將顯著地改變。因此，通過測量電極的內(nèi)電阻， 可以監(jiān)控和分析它們的狀態(tài)。
為了單獨測量電極的電阻，可在要測量的溶液中插入第三電極，即，所 謂的溶液接地電極。然后，參照溶液接地電極測量指示電極以及參考電極的 內(nèi)電阻。典型地，指示電極的電阻很高，并且可能在很大范圍內(nèi)變化，而參 考電極的電阻通常相對較小，但是也可能在大范圍內(nèi)變化。
此外，電極之間的電位差相對較小，并且連接電纜的電線之間存在大量 電容。所有這些因素對電極的內(nèi)電阻的測量造成影響，并且為了任意進(jìn)行測 量或分析不得不考慮到這些因素。
為了克服這些問題，提出了多種測量方法。例如，EP 0 497 994 Al公開 了一種用于測量指示電極的電阻的方法和裝置。所公開的方法提出使用交流 測試電壓來激勵連接電纜和電極。與交流測試電壓相關(guān)的信號通過低通濾波 器和減法單元(subtmctingunit)從電位測量信號分離出來，并且通過多個同步 整流器對應(yīng)于實部和虛部進(jìn)行劃分。然而，該方法涉及多個昂貴的組件，例如同步整流器，特別在測量裝置具有多個電極的情況下，它大大增加了成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題在于提供一種電位測量探頭的測量方法和裝置，其 為電極的電位差以及電位電極的電阻(具體地，指示電極和/或參考電極的電 阻)提供精確和成本有效的測量。
通過一種測量方法和測量裝置提供解決上述問題的技術(shù)方案，所述測量 方法和測量裝置包括在獨立權(quán)利要求中描述的特征。本發(fā)明的其它實施例在 附加的從屬權(quán)利要求中公開。
根據(jù)本發(fā)明測量、監(jiān)控和分析電位測量探頭的狀態(tài)的方法包括以下步 驟，其中所述電位測量探頭包括至少兩個電極，每個電極均具有電阻
經(jīng)由連接電纜將由電壓源提供的交流測試電壓施加至至少一個電極；
將包括至少一個電極的電位電壓以及與所施加的交流測試電壓相關(guān)的
信號的組合信號傳遞至處理單元；
在所述處理單元中從所述組合信號提取與所施加的交流測試電壓相關(guān) 的信號；
根據(jù)與所施加的交流測試電壓(Uel， Ue2)相關(guān)的信號來計算所述電極的電阻。
本方法的特征在于，通過轉(zhuǎn)移函數(shù)單元在所述處理單元中處理所述組合 信號，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元基本同時地從所述組合信號提取與所述至少一個電 極的電位信號對應(yīng)的測量值以及用于計算所述電極的電阻的測試響應(yīng)。本方 法和對應(yīng)裝置具有以下優(yōu)點，即可通過簡單且成本有效的裝置從組合信號提 取與所施加的交流測試電壓相關(guān)的測試響應(yīng)。
此外，由于可將不同組件的影響和它們的耦合包含在轉(zhuǎn)移函數(shù)中，因此 根據(jù)本發(fā)明的方法非常精確。例如，由于連接電纜的結(jié)構(gòu)，在電極的電阻和 電容之間存在一定程度的耦合，從而導(dǎo)致相互影響。在通過轉(zhuǎn)移函數(shù)單元進(jìn) 行提取期間保持這種相互影響，并且這種相互影響可用于確定電極的電阻。
此外，通過基本同時地提取測試響應(yīng)，可以將電位電壓的測量值以及從 施加的交流測試電壓得到的信號進(jìn)行比較和/或在計算單元中立即進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
在本發(fā)明的另一實施例中，在適當(dāng)?shù)?在適當(dāng)時)減去恒定電壓分量之
8后，所述交流測試電壓的負(fù)電壓值和正電壓值基本對稱。優(yōu)選地，特別地在 整個時間期間或在校準(zhǔn)時間段期間，所述交流測試電壓是具有基本頻率的正 弦形狀，優(yōu)選地，特別地在整個時間期間或在對所述至少一個電極施加交流 測試電壓的測試時間段期間，所述交流測試電壓包括至少一個其它正弦形狀 的、與所述基本頻率對應(yīng)的諧波信號分量。
根據(jù)另一實施例，施加至少兩個交流測試電壓，每個交流測試電壓包括 與所述基本頻率對應(yīng)的至少一個信號分量的組，其中每個交流測試電壓之間
的組是分離的(disjunctive)。此外，交流測試電壓的基本頻率(fg， f》優(yōu)選為 根據(jù)表達(dá)式f^n^f;或f^n^fg在比(m)方面不同，其中fg是第一基本頻率，& 是第二基本頻率，m是大于或等于2的偶數(shù)。優(yōu)選地，所述測量探頭包括兩 個電極，且第一交流測試電壓施加于第一電極，第二交流測試電壓施加于第 二電極。交流測試電壓的這些形式具有這樣的優(yōu)點，即它們可以容易地彼此 分離以及從電位信號分離。
在優(yōu)選的配置中，第一和第二交流測試電壓同時滿足以下條件第一交 流測試電壓基本對稱，并且第二基本頻率是第一基本頻率的偶數(shù)倍。在這種 情況下導(dǎo)致，在第一交流測試電壓中不包含第二基本頻率的分量，在第二交 流測試電壓中不包含第一基本頻率的分量。
本發(fā)明另一實施例的特征在于，通過優(yōu)選地基于快速傅立葉變換(FFT) 算法計算傅立葉變換的至少一個頻率分量，從而處理所述組合信號，并且提 取與所述交流測試電壓的至少一個頻率分量對應(yīng)的測試響應(yīng)。優(yōu)選地，頻率 分量計算僅確定頻譜的、計算輸出信號所需的那些分量。具體地，僅計算交 流測試電壓和/或校準(zhǔn)電壓的恒定分量和第一階分量。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述組合信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并在適當(dāng) 時經(jīng)過數(shù)字低通濾波之后，被傳遞至傅立葉變換單元或計算單元。此外，所 述組合信號可以通過一個或多個放大器預(yù)處理和/或放大和/或轉(zhuǎn)換，并且在 適當(dāng)時經(jīng)由低通濾波器被傳遞至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端、或傅立葉變換單元、 或計算單元。
所有這些處理步驟可以在轉(zhuǎn)移函數(shù)單元中執(zhí)行，該轉(zhuǎn)移函數(shù)單元可包括 串聯(lián)的運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和傅立葉轉(zhuǎn)換單元。轉(zhuǎn)移函數(shù)單元還可包括 濾波器裝置，其包括低通濾波器、或低通濾波器和數(shù)字濾波器，其中低通濾
9波器連接在轉(zhuǎn)移函數(shù)單元的輸入端和A/D轉(zhuǎn)換器之間，并且數(shù)字濾波器連接
在A/D轉(zhuǎn)換器和傅立葉變換單元之間。
在本發(fā)明的其它實施例中，所述方法包括校準(zhǔn)處理，該校準(zhǔn)處理用于特 別地通過對所述至少一個電極施加交流正弦電壓來確定至少一個校準(zhǔn)響應(yīng)
(calibration response)。
在優(yōu)選實施例中，在校準(zhǔn)處理期間，通過用校準(zhǔn)電阻來代替所述至少一 個電極的電阻來確定所述至少一個校準(zhǔn)響應(yīng)。優(yōu)選地，通過選擇一對校準(zhǔn)電 阻(Rg， R》的4個不同設(shè)置所執(zhí)行的4點校準(zhǔn)處理，或通過選擇用于第一電 極(la)的2個不同校準(zhǔn)電阻(Rgo， Rg0的2點校準(zhǔn)處理，來確定所述校準(zhǔn)響應(yīng)， 其中所述一對校準(zhǔn)電阻的第一個值表示第一電極(la)的電阻，第二個值表示 第二電極(lb)的電阻。具體地，對于所述4點校準(zhǔn)處理，4個校準(zhǔn)點選擇為 (Rg0， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rro)和(O， Rrl)，其中Rgo與Rg!、以及I^與Rn是不 同的校準(zhǔn)電阻。
在本發(fā)明的其它實施例中，在所述校準(zhǔn)處理期間，根據(jù)包括所述測量裝 置的至少一個阻抗的阻抗等式來計算至少一個響應(yīng)系數(shù)。所述響應(yīng)系數(shù)反映 已知電路結(jié)構(gòu)，并可作為中間值存儲，且用于重新測量。這樣，可大大減少 電位測量的計算工作。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過解開阻抗等式來確定所述電極的電阻， 其中所述阻抗等式與所述測量裝置對應(yīng)，并使得所述測量響應(yīng)與所述至少一 個電極的電阻相關(guān)。優(yōu)選地，同時解開用于第一測試響應(yīng)的第一阻抗等式以 及用于第二測試響應(yīng)的第二阻抗等式，以確定第一電阻和第二電阻。通過解 開與測量裝置對應(yīng)的阻抗等式，阻抗的作用、特別是電阻和電容之間的耦合 的作用被考慮在內(nèi)，從而特別提高了長連接電纜的測量精度。
測量裝置的阻抗等式可包括所述電極的阻抗、和/或所述連接電纜的阻 抗、禾卩/或所述處理單元的阻抗、和/或所述電壓源的隔直(DC-block)/限流 (cmrent-limit)阻抗、和/或?qū)λ鎏幚韱卧妮斎攵私邮盏慕M合信號進(jìn)行濾波 的濾波單元的阻抗。此外，有利的是，通過包括優(yōu)選為在先確定的至少一個 中間值來解開所述阻抗等式，其中所述中間值特別地通過至少一個校準(zhǔn)響應(yīng) 和/或通過至少一個響應(yīng)系數(shù)給出。在本實施例中，阻抗等式可考慮許多不同 形式的阻抗，并且不需要僅通過電極的電阻來形成獨立于總阻抗的部分-非相
10位變換或基本頻率。因此，本方法適用于相對復(fù)雜的輸入電路，而沒有限制 為很強的化簡，例如將純電容串聯(lián)至電極的電阻，這將導(dǎo)致高通特性不精確。 本發(fā)明的本實施例考慮到多個輸入阻抗，因此提高了測量精度。
在另一優(yōu)選實施例中，測量裝置包括放大器，該放大器的輸入端經(jīng)由連 接電纜連接至至少一個電極，并且其輸出端連接至轉(zhuǎn)移函數(shù)單元，并且特別 地預(yù)處理、放大和/或轉(zhuǎn)換組合信號。優(yōu)選地，第一電極連接至放大器的第一 輸入端，第二電極連接至放大器的第二輸入端，其輸出端提供與第一電極的 組合信號和第二電極的組合信號的差對應(yīng)的組合信號。
此外，在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述電壓源包括隔直和/或限流阻抗， 其具體地包括電容器和/或電阻器，并且所述電極經(jīng)由所述隔直和/或限流阻 抗連接至所述電壓源。
在本發(fā)明的另 一實施例中，所述電極經(jīng)由濾波單元連接至所述轉(zhuǎn)移函數(shù) 單元或放大器，所述濾波單元具體地是包括電容器和電阻器的RC低通濾波 器電路。這樣，在確定阻抗等式和電極的電阻的過程中包含了具有濾波單元 的相對簡單的輸入電路，因此提高了測量的精度。'
例如，這可以在測量系統(tǒng)的電路包括例如用于反EMC和反ESD的常用 的電阻器和電容器的組件時應(yīng)用。即使在這種情況下，這些組件有助于整個 系統(tǒng)的相對復(fù)雜阻抗特性，在確定電極的電阻時解決這些組件的影響。


現(xiàn)將參照附圖和具體實施例描述本發(fā)明的特征和優(yōu)點，其中 圖1是用于根據(jù)本發(fā)明實施例的電位測量探頭的測量裝置的結(jié)構(gòu)以及電 極和連接電纜的示意圖2是圖1的等效電路圖3是圖2的轉(zhuǎn)移函數(shù)單元的結(jié)構(gòu)框圖4是用于根據(jù)圖2的示圖的測量裝置的測量方法的對應(yīng)流程圖5是示出電極、連接電纜和用于根據(jù)本發(fā)明另一實施例的電位測量探
頭的測量裝置的等效電路；
圖6是示出電極、連接電纜以及用于根據(jù)本發(fā)明另一實施例的電位測量
測量探頭的測量裝置的結(jié)構(gòu)的示意圖；圖7是圖6的等效電路圖8是用于根據(jù)本發(fā)明另一實施例的電位測量探頭的測量方法的流程圖。
具體實施例方式
圖l表示電極、連接電纜和用于根據(jù)本發(fā)明實施例的電位測量探頭的測
量裝置的示意性結(jié)構(gòu)圖。所述裝置用于測量電極電位Ux、以及內(nèi)電阻Rg和 Rr。探頭位于要測量的溶液中，且所述探頭1包括指示電極la、參考電極lb 和溶液接地電極SG，其中指示電極la和參考電極lb經(jīng)由連接電纜2的兩 個不同的芯線連接至測量裝置30，而溶液接地電極SG接地。優(yōu)選地，指示 電極la經(jīng)由連接電纜2的中央芯線(center core)進(jìn)行連接，參考電極lb經(jīng)由 圍繞連接電纜2的中央芯線的第一屏蔽件(shield)進(jìn)行連接，且溶液接地電極 SG經(jīng)由圍繞第一屏蔽件的第二屏蔽件進(jìn)行連接。指示電極la具有內(nèi)電阻Rg， 且參考電極lb具有內(nèi)電阻Rr。具有各自電氣功能(electricalfunction)的電極1 和連接電纜2對應(yīng)于圖2的等效電路圖。
圖2表示圖1的等效電路圖。如圖2所示，將探頭l表示為具有電極電
位Ux和兩個電極電阻Rg、 Rr的電壓源，其中Rg和Rf串聯(lián)，從而Rg和Rr之
間的結(jié)點經(jīng)由溶液接地電極SG接地。根據(jù)常用的連接電纜的結(jié)構(gòu)，將連接 電纜2表示為電容器d和C2。電容器d在連接點7和8之間并聯(lián)至探頭。 對于其它連接電纜，電路及其連接方式可稍微不同，從而導(dǎo)致這里呈現(xiàn)的表 達(dá)式和方程稍微改變，但是，原理和方法相同。
現(xiàn)在參照圖2，測量裝置30包括第一電壓源IO、第二電壓源ll、第 一電壓源阻抗3、第二電壓源阻抗5、轉(zhuǎn)移函數(shù)單元15和計算單元16。
第一電壓源10產(chǎn)生第一測試電壓Uep其包括具有基波(basicwave)的基 本頻率(base frequency)fg的諧波Ueg。第二電壓源11產(chǎn)生第二測試電壓Ue2， 其包括具有基波的基本頻率t的諧波Uw為了避免在傅立葉變換過程期間它
們相互干擾，將頻率f;和fg選擇為具有分離性的基本頻率分量。這意味著，
在激勵電壓Uel的頻譜中不存在基本頻率fr的諧波'分量，且在激勵電壓Ue2 的頻譜中不存在基本頻率fg的諧波分量。這可通過使用具有嚴(yán)格對稱的正負(fù) 半波的波形(例如，使用方型函數(shù)(square shaped fimction)等)的第一測試電壓來實現(xiàn)。這樣，該波形可僅包括具有頻率3fg、 5fg等的諧波，而不包括諸如
2fg、 4fg等的偶次諧波。同時，使得fFii^fg，其中m是等于或大于2的偶數(shù)。 第一電壓源阻抗3連接在所述第一電壓源10的輸出端與連接電纜的一 根芯線之間，特別地連接至連接點7，并在該第一電壓源阻抗3上施加測試 電壓Ud。第二電壓源阻抗5連接在所述第二電壓源11的輸出端與連接電纜 的另一根芯線之間，特別地連接至連接點8，并在該第二電壓源阻抗5上施 加測試電壓Ue2。通常，第一電壓源阻抗3和第二電壓源阻抗5可僅包括電
容器。然而，在本實施例中，電阻器R3和電容器C3串聯(lián)，以構(gòu)成第一電壓
源阻抗3。類似地，電阻器R5和電容器C5串聯(lián)，以構(gòu)成第二電壓源阻抗5。 考慮到成本效率，使用電阻器R3和Rs進(jìn)行限流，其原因在于在具有類似 的精度和溫度系數(shù)的前提下，電阻器通常比電容器便宜很多。此外，通過使
用電阻器，將不會增加基本頻率高的諧波。此外，電容器C3和C5主要用于
阻隔來自電壓產(chǎn)生單元IO的直流電。
在連接點7、 8與差分放大器14的兩個輸入端之間，通常存在濾波單元 12和13，以減少電磁干擾和靜電電擊(dectrostaticshock)。每個濾波單元12 和13均包括RC低通濾波電路，優(yōu)選地，分別包括電阻器R4、電容器Q， 以及電阻器R6、電容器Q。除了電阻元件和電容元件之外，在濾波單元12 和13中也可以包括電感元件，例如鐵氧體。然而，由于用于測量電阻Rg和 Rr的測試電壓Uel或Ue2的頻率通常較低，所以在確定Rg和Rr時可省略電感 元件。因此，在以下所述的方程中沒有提及電感元件。但是，本方法和裝置 也可以通過電感元件來使用。
將濾波單元12的輸出端配置在連接點4處，該連接點4連接至差分放 大器14的非反相輸入端，而濾波單元13的輸出端配置在連接點6處，該連 接點6連接至差分放大器14的反相輸入端。
現(xiàn)在參照圖3，轉(zhuǎn)移函數(shù)單元15包括A/D轉(zhuǎn)換器15c和傅立葉變換單元 15e。轉(zhuǎn)移函數(shù)單元15還可包括在A/D轉(zhuǎn)換器15c之前的一個或多個運算放 大器15a。傅立葉變換單元15e用于計算電位測量探頭的電位Ux和兩個測試 響應(yīng)Ug和Ur。在A/D轉(zhuǎn)換器之前還可以插入低通濾波器15b，以減少可能 的A/D采樣的重疊誤差(aliasing error)。 A/D轉(zhuǎn)換器'15c的輸出值X(i)是對應(yīng) 于輸入信號的數(shù)值。如果需要，可在A/D轉(zhuǎn)換之后包括數(shù)字低通濾波器15d，
13以執(zhí)行數(shù)字濾波，從而進(jìn)一步消除較高的基本頻率干擾。轉(zhuǎn)移函數(shù)單元15 中的模塊的總轉(zhuǎn)移函數(shù)可由Hg和Hr表示，其中Hg表示具有基本頻率fg的信
號的一般轉(zhuǎn)移函數(shù)(general transfer function),且Hf表示具有基本頻率fr的信
號的一般轉(zhuǎn)移函數(shù)。
運算放大器15a也可包括轉(zhuǎn)移函數(shù)，特別地，包括放大器14的增益。 因此，轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg、 Hr也可包括放大器14的轉(zhuǎn)移函數(shù)。
再參照圖2，可通過測量和計算而獲得測試響應(yīng)Ug和U。具有fg的正弦
電壓Ueg、具有f;的正弦電壓Uer和轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg， H,是已知的。在所有的電
路元件中，僅有電阻Rg、和Rr以及電容C1和C2是未知的。因此，通過同 時解開測試響應(yīng)Ug和Ur的方程，可建立電阻Rg、 Rr以及電容Cl、 C2的 方程，并且可計算出電阻Rg和Rr。
連接至轉(zhuǎn)移函數(shù)單元15的傅立葉變換單元15e的輸出端的計算單元16 可通過Rg、 Rr、 Q和C2的復(fù)數(shù)聯(lián)立方程(complex simultaneous equation)基于 已知的測試響應(yīng)Ug和Ur和已知結(jié)構(gòu)以及電路的參數(shù)而導(dǎo)出指示電極的內(nèi)電 阻Rg和參考電極的內(nèi)電阻R。
然而，通常，根據(jù)放大器14、低通濾波器15b、 A/D轉(zhuǎn)換器15c、數(shù)字 濾波器15d和傅立葉變換單元15e來確定信號轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg和Hr是非常復(fù)雜
的。通常，根據(jù)測試電壓Uei和Ue2精確確定正弦電壓Ueg和Uer也是一項復(fù) 雜的任務(wù)。然而，可通過用于確定兩個校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和Uehr的4點校準(zhǔn)來一 起解開所有這些復(fù)數(shù)表達(dá)式，其中Uehg=Ueg*Hg，且Ueh尸Ue,Hr。將校準(zhǔn)響應(yīng) Uehg和U^或它們的等效參數(shù)存儲在存儲器內(nèi)，用于以后使用。優(yōu)選地，4
個校準(zhǔn)點優(yōu)選是(Rg， Rr)=(RgO， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rrl)， (0， Rr2)。
在測量和校準(zhǔn)的整個過程中，轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg保持相同，或者其差是已知 的。在測量和校準(zhǔn)的整個過程中，第一測試電壓Uel的幅度、波形和相位保 持相同，或者其差是已知的?？蛇x地，在測量和校準(zhǔn)的整個過程中，具有fg 的正弦電壓Ueg保持相同，或者其差是已知的。類似地，在測量和校準(zhǔn)的過 程中，轉(zhuǎn)移函數(shù)&保持相同，或者其差是己知的。在測量和校準(zhǔn)的過程中，
第二測試電壓Ue2的幅度、波形和相位保持相同，或者其差是已知的?？蛇x
地，在測量和校準(zhǔn)的過程中，具有&的正弦電壓1^保持相同，或者其差是
已知的。這樣，可通過解開如上所述的聯(lián)立方程來確定內(nèi)電阻Rg和Rr。
14現(xiàn)在參照圖4，根據(jù)圖2的等效電路圖的測量裝置的測量方法的對應(yīng)流 程圖包括以下步驟
在步驟S1，分別通過電壓源阻抗3和5對連接電纜的兩根芯線(g卩，連
接點7和8)施加兩個測試電壓Uel和Ue2。測試電壓Uel包括具有基本頻率fg
的諧波Ueg，而測試電壓Ue2包括具有基本頻率f;的諧波Uer。第一測試電壓
uel的基本頻率f;和第二測試電壓ue2的基本頻率fg兩者不具有共同的諧波分
量。這可通過在第一測試電壓uel的信號形狀具有嚴(yán)格對稱的正負(fù)半波(例如 使用方波等)的情況來實現(xiàn)。這意味著波形可僅具有3fg、 5fg等的奇數(shù)諧波， 而不存在例如2fg、 4fg等的偶數(shù)諧波。在這種情況下，&可表示為&=m*fg， 其中m是等于或大于2的偶數(shù)。
在步驟2:指示電極la的結(jié)果的AC響應(yīng)信號Ug以及參考電極lb的結(jié) 果的AC響應(yīng)信號U通過差分放大器14、A/D轉(zhuǎn)換器15c和傅立葉變換單元 15e，以確定電位測量探頭的電位Ux和兩個測試響應(yīng)Ug和U。更詳細(xì)地，
所述計算表示如下
A/D轉(zhuǎn)換信號通過數(shù)字濾波器，以得到電壓序列U(i)，其中1=0， 1， 2...， n*M-l，且n和M定義如下。
使采樣周期的時間段為T，其中M*T等于激勵基本頻率fg的周期的時間 段，且M為自然數(shù)。接下來，使得fFi^fg，其中M*T/m等于激勵基本頻 率fr的一個周期的時間段，其中M/m為自然數(shù)；并且使得n*M為M和M/m 的公倍數(shù)。
傅立葉變換實現(xiàn)如下
nM—
nM
9 nM-1
Ua =上y U(i)cos 9 nM S "
_2;r M
一^L，U(i)s nM^ 、'
sin — 2;r
M
Ur =丄yu(i)cos nM f
—2m;r M
nM
nM-1
，)sin
—2m;r M
15<formula>formula see original document page 16</formula>
如果適當(dāng)選擇了數(shù)目M，則可通過使用與快速傅立葉變換類似的方法來 減少在以上計算中乘法的次數(shù)。由于在測試電壓Uel中不存在偶數(shù)階的諧波 分量(例如2fg、 4fg)，所以測試響應(yīng)Ur的計算將不會受到Ud或Ueg的干擾。
在步驟S3，預(yù)先確定兩個校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和Uehr，其中Uehg包括正弦電壓 Ueg與轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg的乘積，且Uehr包括正弦電壓Uer與轉(zhuǎn)移函數(shù)Hr的乘積。
校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和U^還可包括其它確定的乘積因子。將包括其它確定的
乘積因子的Uehg和Uehr看作Uehg和Uehr的等效參數(shù)。Hg是具有基本頻 率fg的信號的轉(zhuǎn)移函數(shù)，其饋送到差分放大器14，通過低通濾波器15b(如果 有的話)、A/D轉(zhuǎn)換器15c、數(shù)字低通濾波器15d(如果有的話)，到達(dá)傅立葉 變換單元15e。類似地，Hr是具有基本頻率fr的信號的轉(zhuǎn)移函數(shù)，其饋送到 差分放大器14，通過低通濾波器15b(如果有的話)、A/D轉(zhuǎn)換器15c、數(shù)字低 通濾波器15d(如果有的話)，到達(dá)傅立葉變換單元15e。然后，可通過將在以
下步驟S3a詳細(xì)描述的4點校準(zhǔn)來確定校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和Uehr。
在步驟S4，基于電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立用于測試響應(yīng)Ug和Ur的函數(shù)
表達(dá)式，其中測試響應(yīng)Ug包括校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg與由電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)所限定 的第一響應(yīng)系數(shù)Cfg的乘積，且測試響應(yīng)U包括校準(zhǔn)響應(yīng)Uehr與由電路的結(jié) 構(gòu)和參數(shù)所限定的第二響應(yīng)系數(shù)Cfr的乘積。具體地，它們可推導(dǎo)如下 對于基本頻率fg:
1
XCkg =—
2" fgCk
其中k=l，2....6
其中k=l，2....6 -kg—'、kTZCkg，其中k=3，4,5,6 其中，對應(yīng)于k^3，4,5和6的參數(shù)是已知參數(shù),
:Ckg = JX。kg
H
4g
■C4g
■4g<formula>formula see original document page 17</formula>
運算放大器的輸入與傅立葉變換的輸出之間的關(guān)系為
<formula>formula see original document page 17</formula>其中A =
乙6g 乙C4g 使校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg為
Uehg = U印 Hg
以及
u
g —.
陽7g
u
ehg
z +z H4g
l一
隱8g +々lg
A
第一響應(yīng)系數(shù)Cfg是等號右邊的項。為了避免在實時計算中計算H4g，可
將Uehg定義為Uehg =Ueg .Hg .H4g 。這將等效于校準(zhǔn)響應(yīng)的先前定義。
對于基本頻率f;:
1
xckr =—
-Ckr
2;r ■ frCL
，其中k=l,2....6，
jXCkr，其中k4,2.…6，
Zkr=Rk+ZCkr，其中k:3，4,5,6, 其中對應(yīng)于1^=3,4，5，6的參數(shù)是已知參數(shù)。<formula>formula see original document page 17</formula><formula>formula see original document page 18</formula>
與基本頻率f;相關(guān)的節(jié)點4和6的電壓可根據(jù)以下等式推導(dǎo)出:
乙8r +乙5r 乙6r
U4r = Uer
隱8r
-7r
隱C4r
-8r + 二5r二7r + ^"Clr 二4r
運算放大器的輸入與傅立葉變換的輸出之間的關(guān)系為:
Ur=(U4r—U6r)Hr=—Ue
一8r
8r +乙5r
H
6r
l一-
-7r +々lr
b
其中，b = c4r
-4r *~C6r
使校準(zhǔn)響應(yīng)為1^=-^*^，則
ur
-8r
u
ehr
-8r + *~5r
■H6r(l —
-7r
-7r + ^~Clr
B)
其中在等號右邊的項是第二響應(yīng)系數(shù)
在步驟S5，同時解開阻抗方程
LL ' 、 ^ 、
'ehg —
『_
'g
1 + -
Z
1
g乂
H
4g
ehr
ur
1+1 z8r
H
6r
^■Clg +乙8g
:clg+(i_A)z8g.
:cir + (i-B)z7r
其中，可通過傅立葉變換確定AC響應(yīng)復(fù)數(shù)電壓Ug和lV 由于在上述等式等號左側(cè)的值是已知的，所以共存在4個未知參數(shù)，即
電阻Rg、 R和電容C,、 C2。可通過各種數(shù)學(xué)或計算方法推導(dǎo)出電阻Rg、 R
和電容Q、 C2，其中Rg和R是要測量的電阻。
將已知的兩個AC響應(yīng)復(fù)數(shù)電壓Ug和U與兩個校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和U^ —
起饋送到能夠處理復(fù)數(shù)的計算單元16，其中基于用于第一響應(yīng)系數(shù)Cfg和第 二響應(yīng)系數(shù)Cfr的函數(shù)表達(dá)式，通過同時解開包括未知電阻Rg和&以及未知
18電容d和C2的方程，來確定指示電極la的內(nèi)電阻Rg和參考電極lb的內(nèi)電 阻Rr。
描述解過程如下
為了簡單起見，使電阻為R^R4，電容為CrC6，即A4， B=l，盡管這
個假設(shè)不是必須的。此外，由于電阻Rr和電容C2對Ug的影響相對較小，所 以迭代是解開上述等式的很有效方式。
與基本頻率&和f;相關(guān)的基本等式可重新排列并表示如下
<formula>formula see original document page 19</formula>
如果A和B不等于1，則上示等式將稍微更復(fù)雜，但是基本方法相同,
迭代包括以下步驟
首先，假設(shè)電阻R產(chǎn)0且電容CfO，得到復(fù)數(shù)阻抗4=0，貝U
<formula>formula see original document page 19</formula>其中，l是等式右邊結(jié)果的實部，且;是虛部
迭代的第二步包括假設(shè)當(dāng)電阻Rg己知時，復(fù)數(shù)阻抗Z7r也已知，且當(dāng)復(fù) 數(shù)阻抗Zdg已知時，復(fù)數(shù)阻抗Zdr也已知
1 1
一 + 一
C2r
UehrH6
一Clr
Clr + Ar
一5r *~6r
Clr + Ar
其中，^是等式右邊結(jié)果的實部，且;是虛部。
-C2r
迭代的第三步包括假設(shè)如果電阻Rr和復(fù)數(shù)阻抗ZC2g已知，則復(fù)數(shù)阻抗
Zc2g和復(fù)數(shù)阻抗Zsg也己知。根據(jù)先前計算，在等式右邊的復(fù)數(shù)阻抗Zclg已
知，則
1 1
.+——
R
UehgH4g
-Clg
Clg + ,8g
—3g
Z
—8g
4g
(ZciQ +Z8g)
-ClgV^Clg
其中，等式右邊結(jié)果的實部是^，且虛部是一
Clg
迭代的第四步包括根據(jù)新的電阻Rg來確定復(fù)數(shù)阻抗Z7P以及根據(jù)新的 復(fù)數(shù)阻抗Zdg來確定復(fù)數(shù)阻抗zclr。
1 1
一 + 一
C2r
UehrH6r
-Clr
Clr +乙7r
5r *~6r
-Clr + 一r
其中，等式右邊結(jié)果的實部是;，且虛部是;。
凡
C2c
通常，電阻Rg、 R的計算結(jié)果足夠精確，否則可繼續(xù)迭代。
在步驟S3a，以下將描述通過4點校準(zhǔn)來確定校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和Uehr的方
法:
在第一校準(zhǔn)點，將電阻設(shè)置為R嚴(yán)O， Rg=RgQ，并測量測試響應(yīng)Ug。。當(dāng) 將校準(zhǔn)點Z8g選擇為Z8^0時，計算被大大簡化，并且可表示為
R
1 1
■ +——
go
-Clg
UehgH4g
、ug0
一l
■3g *"4g
在第二校準(zhǔn)點，將電阻設(shè)置為R產(chǎn)O， Rg=Rgl，并測量測試響應(yīng)U:
R
1 1
'+——
-Clg
I I l-l
Uehgn4g i
3g
-4g
20通過彼此組合以上兩個等式，推導(dǎo)出以下等式:
<formula>formula see original document page 21</formula>
將校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg或其等效數(shù)(equivalent)(例如Ueh^H4g)存儲在存儲器中，用于以后使用。通過以這樣的方式選擇校準(zhǔn)點，電阻R和電容C2將不會影響測試響應(yīng)Ug，并且大大簡化了校準(zhǔn)期間的計算。
類似地，在第三校準(zhǔn)點，電阻為Rg=0， R尸Rk)，并確定測試響應(yīng)Uk)。在第四校準(zhǔn)點，電阻為R^0， R「Rd，并確定測試響應(yīng)Un。
同樣，利用這些選擇的校準(zhǔn)點，測試響應(yīng)U將不會受到電阻Rg的影響。在阻抗Z7「0時，進(jìn)一步簡化了計算，從而
UehrH6r
Rr0 Rr
ur。 u
將校準(zhǔn)響應(yīng)Uelw或其等效參數(shù)(例如Ueh,H&)存儲在存儲器中，用于以后使用。
也可以使用(Rg， Rr)=(Rgo， Rro)， (Rgl， Rro)， (Rgo， Rrl)， (Rgl， Rn)作為
校準(zhǔn)點，以確定校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg和U^。然而，所述計算相對復(fù)雜。但是，所述校準(zhǔn)點選擇落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在以上步驟中，步驟S3僅被用于推導(dǎo)出包括裝置設(shè)計和校準(zhǔn)的表達(dá)式，且步驟S4僅是在推導(dǎo)出表達(dá)式時的步驟。為了實際測量，可跳過步驟S3和S4。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的用于電位測量探頭的測量裝置的等效電路。除了圖2中所示的裝置之外，其還包括電壓跟隨器24，該電壓跟隨器24—方面將其輸出發(fā)送至差分放大器14，同時發(fā)送至轉(zhuǎn)移函數(shù)a的A/D轉(zhuǎn)換器25b，以獨立計算測試響應(yīng)"，另一方面還通過差分放大器14將另一信號發(fā)送至轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg的A/D轉(zhuǎn)換器25a，以獨立計算電極電位Ux和測試響應(yīng)Ug。與圖2相比，"和U^的定義和獲取不同，并且電路略微更復(fù)雜，但是Rg對U的影響大大減少，并且更容易獲得RX一寺別在Rg較大時)的精確測量。在圖5中獨立地示出了轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg和Hp但是這并不表示它們必須采用獨立的濾波器和A/D元件?？山?jīng)由多路切換裝置將差分放大器14和電壓跟隨器24的輸出切換至相同的A/D轉(zhuǎn)換器。該A/D轉(zhuǎn)換器依次執(zhí)行對兩個信號的變換。傅立葉變換單元依次獲得Ux和Ug(來自差分放大器14的信號)以及U《來自電壓跟隨器24的信號)?？烧J(rèn)為電路在較短時間段內(nèi)是穩(wěn)定的。在一些情況下，放大器14的兩個輸入端均可具有電壓跟隨器。在這種情況下，在負(fù)輸入端處的跟隨器用作跟隨器24，并且將Ur和Uehr定義如下
<formula>formula see original document page 22</formula>
其中
<formula>formula see original document page 22</formula>
等號右側(cè)給出第二響應(yīng)系數(shù)。
當(dāng)解開所述等式(上述步驟S5的第二步和第四步)時，R和C2各自的公
式必須相應(yīng)地改變?yōu)?br> <formula>formula see original document page 22</formula>
其它步驟與先前實施例中的相同。因此，這里不需要進(jìn)一步詳細(xì)描述。
一些探頭不包括溶液接地電極，但是仍可以利用裝置30和40。在這種情況下，連接點8和9應(yīng)當(dāng)在裝置連接端處短接，因此實際測量的Rg為Rg+Rr，并且測量的R為0。
圖6是示出探頭、連接電纜以及電位分析測量裝置的另一實施例的示意性示圖。使用本實施例測量電極的內(nèi)電阻I^Rg+I^。探頭101包括指示電極101a和參考電極101b，其中指示電極101a通過連接電纜102連接至測量裝置130，而參考電極101b接地。兩個電極具有串聯(lián)的內(nèi)電阻R，并且電極101和連接電纜102可通過圖7中所示的它們的等效電路來表示。
圖7示出圖6的等效電路。如圖7所示，探頭IOI由具有電極電位Ux和電阻器R的電壓源表示，電阻器R的一端接地。根據(jù)連接電纜的通常結(jié)構(gòu)，連接電纜102由電容器C101表示。電容器C101連接在連接點107和108之間。其它連接電纜可具有略微不同的等效電路和連接，因此導(dǎo)致等式與如下所示的等式不同，但是原理和方法相同。測量裝置包括電壓源110、電壓源阻抗103、轉(zhuǎn)移函數(shù)單元115和計算
單元116。
電壓源110產(chǎn)生測試電壓Uep其包括具有基波基本頻率fg的諧波Ueg。
電壓源阻抗103連接在電壓源110的輸出端和連接電纜102(即連接點107)之間，用于將測試電壓U^饋送到連接電纜中。電壓源阻抗103典型地僅包括電容，并且在本實施例中，電壓源阻抗103包括串聯(lián)的電阻器R103和電容器C103。
典型地，在連接點107之后配置濾波單元112，以減少電磁干擾和靜電電擊。濾波單元112可包括與放大器114的非反相輸入端連接的RC低通濾波器電路。除了電阻器/電容器元件之外，濾波器單元112還可包括電感器件，例如鐵氧體。然而，由于用于測量內(nèi)電阻R的測試電壓的基本頻率通常較低，所以在確定R時可省略電感器件。當(dāng)然，本發(fā)明的方法和裝置也可用于包括電感器件的機(jī)構(gòu)(setup)。
轉(zhuǎn)移函數(shù)單元115包括串聯(lián)的放大器114的增益、低通濾波器(如果有的話)、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器(如果有的話)和傅立葉變換單元。這些裝置類似于圖2中所示的裝置，不同的是，放大器114的非反相端與連接電纜連接且其反相端與輸出端連接，從而形成電壓跟隨器。可選地，如果放大器114是微分運算放大器類型，則其反相端接地，并且其非反相端連接至連接電纜。類似于圖2，傅立葉變換單元計算電位測量探頭的電位Ux和測試響應(yīng)Ug。對于基本頻率信號fg， Hg是轉(zhuǎn)移函數(shù)單元115的總轉(zhuǎn)移函數(shù)。測試響應(yīng)Ug是具有基本頻率fg的諧波Ueg由放大器114之前的(多個)電路元件分壓并通過轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg之后的結(jié)果。
計算單元116連接至轉(zhuǎn)移函數(shù)單元的傅立葉變換單元的輸出端?？苫谝阎臏y試響應(yīng)Ug以及電路的已知結(jié)構(gòu)和參數(shù)，通過同時解開包括未知參數(shù)(例如阻抗R和電容C101)的等式來確定電極(la)的內(nèi)電阻R。
可通過2點校準(zhǔn)建立校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg=Ueg*Hg，從而確定電壓Ueg和轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg。在測量和校準(zhǔn)期間，轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg保持相同，或者其間的差已知。在測量和校準(zhǔn)期間，測試電壓Ud的波形和相位保持相同，或者其間的差已知。在測量和校準(zhǔn)期間，電壓Ueg保持相同，或者其間的差已知。這樣，可以從測試響應(yīng)Ug推導(dǎo)出包括未知參數(shù)、阻抗R和電容C'lOl的等式，并且通過解
23出這些等式可得到內(nèi)電阻R。
參照圖8，測量方法的另一實施例包括以下步驟
在步驟Sll，通過電壓源阻抗將測試電壓U^饋送到連接電纜，其中測試電壓Uel包括具有基本頻率fg的諧波Ueg。
在步驟S12，電極的電壓以及從測試電壓得到的AC響應(yīng)通過運算放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和傅立葉變換單元。分別計算電位測量探頭的電位Ux和測試響應(yīng)。這里，計算與圖2中所示的實施例中的計算類似，故不必詳細(xì)描述。
在步驟S13，預(yù)先確定校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg，其中校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg包括具有基本頻率fg的校準(zhǔn)響應(yīng)Ueg與轉(zhuǎn)移函數(shù)Hg的乘積。校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg還可包括其它確定的乘積因子。將包括其它確定的乘積因子的Uehg看作等效于Uehg的參數(shù)。
Hg是具有基本頻率fg的信號的轉(zhuǎn)移函數(shù)，其饋送至運算放大器、通過A/D轉(zhuǎn)換器、并從傅立葉變換單元輸出?？赏ㄟ^在隨后步驟S13a詳細(xì)描述的2
點校準(zhǔn)來確定校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg。
在步驟S14，基于電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立測試響應(yīng)Ug的函數(shù)表達(dá)式，其
中測試響應(yīng)Ug包括校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg與由電路結(jié)果和參數(shù)確定的響應(yīng)系數(shù)的乘積。更詳細(xì)地，其可表示為
XCkg=、乙，k=101, 103, 104
ZCkg=JXCkg， k=101， 103, 104
Zkg=Rk+ZCkg， k= 103, 104其中與k403， 104對應(yīng)的參數(shù)視為已知。
<formula>formula see original document page 24</formula>
與基本頻率fg相關(guān)的、節(jié)點104處的復(fù)數(shù)電壓可推導(dǎo)為:
<formula>formula see original document page 24</formula>運算放大器的輸入和傅立葉變換的輸出之間的關(guān)系為:
使校準(zhǔn)響應(yīng)為:
Uehg = .Hg 。
107 g
7 +7
乙107g 么103g
與基本頻率4相關(guān)的基礎(chǔ)等式可推導(dǎo)為:
-107g
Uehg Z107g + Z103g
H
104g
等號右邊給出響應(yīng)系數(shù)。
在步驟S15，將已知的測試響應(yīng)Ug和校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg發(fā)送到計算單元。基
于響應(yīng)系數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，通過同時解開包括未知阻抗R和電容CIOI的等式來確定電極的內(nèi)電阻R，其中所述函數(shù)表達(dá)式可表示為
107g
"eAg仏04g Z107g + Z崎
1
R
ClOlg
1
-ClOlg
1 1
104g
UehgH104g
■103g
-04g
;式右邊的實部為各，且虛部為
ClOlg
在步驟S13a，校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg的2點校準(zhǔn)確定描述如下:在第一校準(zhǔn)點，確定阻抗J^Ro和測試電壓Ugo;在第二校準(zhǔn)點，確定阻抗R-Rl和測試電壓Ugl。以類似于上述步驟S3a的方式，可推導(dǎo)出
UehgH104g =
■103g
]___^
、-i
i乂乂
Ug。 Ugl
25將校準(zhǔn)響應(yīng)Uehg或其等效參數(shù)(例如^^//，g)存儲在存儲器中，用于以后使用。
在優(yōu)選實施例中，將電阻器和電容器選擇為
C3=100pF,C4= 100pF,C5=1 uF，C6= 100pF，F(xiàn)g=6Hz,Fr= 12Hz，R3=470kQ，R4=100kQ,R5=470kQ，R6=1 OOkQ 。
以上描述的實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可基于對本發(fā)明實施例的以上描述進(jìn)行各種等效的替換和修改。但是，基于本發(fā)明實施例所進(jìn)行的所有這些替換和修改均落入所附權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的構(gòu)思和范圍內(nèi)。
26附圖標(biāo)記
1， 101電位測量探頭
la， 101a指示電極
lb， 101b參考電極
2， 102連接電纜
2， 2a， 2b， 102a， 102b芯線
3， 5， 103， 105電壓源阻抗
4， 6， 7， 8， 107， 108連接點
10， 11， 110電壓源
12， 13濾波單元
14， 114放大器
15， 115轉(zhuǎn)移函數(shù)單元'
15a運算放大器
15b， 15d低通濾波器
15cA/D轉(zhuǎn)換器
15e傅立葉變換單元
16， 116計算單元
30， 130測量裝置
tg， tr基本頻率
uel， ue2測試電壓
SG溶液接地電極
Rg， Rr電極電阻器
RgO， Rgl， Rro， Rrl校準(zhǔn)電阻
ux電極電位差
Cfg， Cfr響應(yīng)系數(shù)
ug， ur測試響應(yīng)
Uehg Uehr校準(zhǔn)響應(yīng)
Ci ， C2， C3， C4， C5， Cg，C7 電容器
uel， ue2 交流測試電壓 ueg， UCT 正弦電壓<formula>formula see original document page 0</formula>
信號轉(zhuǎn)移函數(shù). 響應(yīng)電極電壓 A/D輸出 電阻器
權(quán)利要求
1. 一種測量、監(jiān)控和分析電位測量探頭(1，101)的狀態(tài)的方法，所述電位測量探頭(1，101)包括至少兩個電極(1，1a，1b)，每個電極均具有電阻(R，Rg，Rr)，所述方法包括以下步驟經(jīng)由連接電纜(2，2a，2b，102)將由電壓源(10，11，110)提供的交流測試電壓(Ue1，Ue2)施加至至少一個電極(1，1a，1b)；將組合信號傳遞至處理單元(30，130)，其中所述組合信號由所述電極(1，1a，1b)的電位電壓以及與所施加的交流測試電壓(Ue1，Ue2)相關(guān)的信號組成；在所述處理單元(30，130)中從所述組合信號提取與所施加的交流測試電壓(Ue1，Ue2)相關(guān)的信號；根據(jù)與所施加的交流測試電壓(Ue1，Ue2)相關(guān)的信號來計算所述電極(1，1a，1b)的電阻(R，Rg，Rr)；其特征在于，通過轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15，115)在所述處理單元(30，130)中處理所述組合信號，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15，115)基本同時地從所述組合信號提取測量值(Ux)以及用于計算所述電極(1，1a，1b)的電阻(R，Rg，Rr)的測試響應(yīng)(Ug，Ur)，其中所述測量值與所述至少一個電極(1，1a，1b)的電位信號對應(yīng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，在適當(dāng)?shù)販p去恒定電壓分量之后，所述交流測試電壓(Uep Ue2)的負(fù)電壓值和正電壓值基本對稱。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量方法，其特征在于，特別地在整個時間期間或在校準(zhǔn)時間段期間，所述交流測試電壓(Ue,， Ue2)是具有基本頻率 (fg， Q的正弦形狀，且優(yōu)選地，特別地在整個時間期間或在對所述至少一個 電極(l， la， lb)施加交流測試電壓(UeP Ue2)的測試時間段期間，所述交流 測試電壓(Ud， Ue2)包括至少一個其它正弦形狀的、與所述基本頻率(fg， Q 對應(yīng)的諧波信號分量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，施加至少兩個交流 測試電壓(U^， Ue2)，每個交流測試電壓均包括與所述基本頻率(fg， Q對應(yīng)的至少一個信號分量的組，并且所述交流測試電壓(Uep Ue2)的組是分離的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的測量方法，其特征在于，施加兩個交流測試電壓(U屮Ue2)，所述兩個交流測試電壓(UeP Ue2)根據(jù)表達(dá)式f^n^fr或fH^fg在所述基本頻率(fg， Q的比(m)方面不同，其中fg是第一基本頻率，&是第二基本頻率，且m是大于或等于2的偶數(shù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的測量方法，其特征在于，所述測量探頭(l， 101)包括兩個電極(la和lb)，其中第一交流測試電壓(UeO施加至第一電極(la)，第二交流測試電壓(Ue2)施加至第二電極(lb)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的測量方法，其特征在于，優(yōu)選地通過基于快速傅立葉變換(FFT)算法計算傅立葉變換的至少一個頻率分量，從而在所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)中處理所述組合信號，并且提取與所述基本頻率和/或與所述交流測試電壓(U^， Ue2)的至少一個頻率分量對應(yīng)的測試響應(yīng)(Ug， Ur)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的測量方法，其特征在于，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理所述組合信號，并且所述組合信號在適當(dāng)時經(jīng)過數(shù)字低通濾波之后，被傳遞至傅立葉變換單元(15e)或計算單元(16， 116)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的測量方法，其特征在于，所述組合信號通過一個或多個放大器(15a)預(yù)處理和/或放大和/或轉(zhuǎn)換，并且優(yōu)選地經(jīng)由低通濾波器(15b)被傳遞至A/D轉(zhuǎn)換器(15c)的輸入端、或傅立葉變換單元(15e)、或計算單元(15， 116)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的測量方法，其特征在于，所述方法包括校準(zhǔn)處理，所述校準(zhǔn)處理用于特別地通過施加交流正弦電壓(Ueg，Ue》至所述至少一個電極(1， la， lb)來確定至少一個校準(zhǔn)響應(yīng)(Uehg， Uehr)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求io所述的測量方法，其特征在于，在校準(zhǔn)處理期間，通過用校準(zhǔn)電阻(Rg。， Rgl， Rk)， Rn)代替所述至少一個電極(l， la， lb)的電阻(R， Rg， Rr)來確定所述至少一個校準(zhǔn)響應(yīng)(Uehg， Ueh》。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的測量方法，其特征在于，通過選擇一對校準(zhǔn)電阻(Rg， R》的4種不同設(shè)置所執(zhí)行的4點校準(zhǔn)處理，或通過選擇用于第一電極(la)的2個不同校準(zhǔn)電阻(Rgo， Rg0的2點校準(zhǔn)處理，來確定所述校準(zhǔn)響應(yīng)(Uehg， Uehr)，其中所述一對校準(zhǔn)電阻的第一個值表示第一 電極(la)的電阻，第二個值表示第二電極(lb)的電阻。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的測量方法，其特征在于，對于所述4點校準(zhǔn)處理，4個校準(zhǔn)點選擇為(Rg0， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rro)和(O， Rrl)，其中Rgo與Rg"以及Rri)與Rd是不同的校準(zhǔn)電阻。
14. 根據(jù)權(quán)利要求10至13中任一項所述的測量方法，其特征在于，在所述校準(zhǔn)處理期間，根據(jù)包括所述測量裝置的至少一個阻抗的阻抗等式來計算至少一個響應(yīng)系數(shù)(Cfg， Cfr)。 '
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的測量方法，其特征在于，通過解開阻抗等式來確定所述電極(l， la， lb)的電阻(R， Rg， R》，其中所述阻抗等式與所述測量裝置對應(yīng)，且使得所述測量響應(yīng)(Ug， U》與所述至少一個電極(l， la， lb)的電阻(R， Rg， Rr)相關(guān)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的測量方法，其特征在于，同時解開用于第一測試響應(yīng)(Ug)的第一阻抗等式以及用于第二測試響應(yīng)(U》的第二阻抗等式，以確定第 一 電阻(Rg)和第二電阻(R》。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的測量方法，其特征在于，所述測量裝置的阻抗等式包括所述電極(l， la， lb)的阻抗、和/或所述連接電纜(2a， 2b)的阻抗、和/或所述處理單元(30， 130)的阻抗、和/或所述電壓源(10，11， 110)的隔直/限流阻抗(3， 5)、和/或濾波單元(4， 5)的阻抗，該濾波單元(4， 5)對所述處理單元(30， 130)的輸入端接收的組合信號進(jìn)行過濾。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的測量方法，其特征在于，通過包括優(yōu)選為在先確定的至少一個中間值來解開所述阻抗等式，其中所述中間值特別地通過至少一個校準(zhǔn)響應(yīng)(Uehg， Ueh》和/或通過至少一個響應(yīng)系數(shù)(Cfg， Cfr)給出。
19. 一種電位測量探頭(l， IOI)的測量裝置，所述電位測量探頭(l， 101)具有至少兩個電極(l， la， lb)，每個電極具有電阻(R， Rg， Rr)，并且至少一個電極(l， la， lb)—方面經(jīng)由連接電纜(2， 2a， 2b， 102)連接至提供交流測試電壓(Ud， Ue2)的電壓源(10， 11， 110)，另一方面連接至處理單元(30， 130)的輸入端，所述處理單元(30， 130)接收組合信號，并從所述組合信號提取與由所施加的交流測試電壓(UeP Ue2)得到的信號對應(yīng)的信號，所述組合信號由所述至少一個電極(l， la， lb)的電位電壓以及與所施加的交流測試電壓(Uei，Ue2)相關(guān)的信號組成，其特征在于，所述處理單元(30， 130)包括轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)基本同時地從所述組合信號提取測量值(U》和測試響應(yīng)(Ug， U)，其中所述測量值(Ux)與所述至少一個電極(l，la， lb)的電位信號對應(yīng)且在第一輸出端提供，且所述測試響應(yīng)(Ug， U)經(jīng)由第二輸出端提供至計算單元。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的測量裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)具體化為傅立葉變換單元(15e)，所述傅立葉變換單元(15e)優(yōu)選地基于快速傅立葉變換(FFT)算法，并且特別地所述傅立葉變換單元(15e)提取與所述交流測試電壓(UeP Ue2)的至少一個基本頻率分量對應(yīng)的測試響應(yīng)(Ug， Ur)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或2 0所述的測量裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)包括A/D轉(zhuǎn)換器(15c)，所述A/D轉(zhuǎn)換器(15c)接收所述組合信號，并且所述A/D轉(zhuǎn)換器(15c)的輸出端在適當(dāng)時經(jīng)由數(shù)字低通濾波器(15d)連接至傅立葉變換單元(15e)的輸入端或計算單元(15， 116)。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一項所述的測量裝置，其特征在于，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)包括一個或多個運算放大器(15a)，所述運算放大器(15a)接收所述組合信號，并且所述運算放大器(15a)的輸出端優(yōu)選地經(jīng)由低通濾波器(15b)連接至A/D轉(zhuǎn)換器(15c)的輸入端、或傅立葉變換單元(15e)、或計算單元(15， 116)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19至22中任一項所述的測量裝置，其特征在于，所述至少一個電極(l， la， lb)經(jīng)由連接電纜(2a， 2b)和經(jīng)由放大器(14)連接至所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19至23中任一項所述的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括與所述放大器(14)的第一輸入端連接的第一電極(la)以及與所述放大器(14)的第二輸入端連接的第二電極(lb)，所述放大器(14)的輸出端提供與第一電極(la)的組合信號和第二電極(lb)的組合信號的差對應(yīng)的組合信號。
25. 根據(jù)權(quán)利要求19至24中任一項所述的測量裝置，其特征在于，所述電壓源(IO， 11)包括隔直和/或限流阻抗(3， 5)，所述電壓源(IO， ll)具體地包括電容器(C3， C5)和/或電阻器(R3， R5)，并且所述至少一個電極(l， la，lb)經(jīng)由所述隔直禾P/或限流阻抗(3， 5)連接至所述電壓源(10， 11)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求19至25中任一項所述的測量裝置，其特征在于，所述電極(l， la， lb)經(jīng)由濾波單元(12， 13)連接至所述轉(zhuǎn)移函數(shù)單元(15， 115)或放大器(14)，所述濾波單元(12， 13)具體地為包括電容器(C4， C5)和電阻器(R4， R5)的RC低通濾波器電路。
全文摘要
本發(fā)明公開一種測量電位測量探頭的方法和裝置，所述方法包括通過電壓源阻抗分別向連接電纜的兩根芯線中饋送兩個測試電壓，所述測試電壓包括具有基本頻率f_g的諧波U_eg和具有基本頻率f_r的諧波U_er；將指示電極和參考電極之間的電壓以及從兩個測試電壓得到的AC響應(yīng)信號傳遞至放大器，并進(jìn)一步傳遞至具有轉(zhuǎn)移函數(shù)(H_g，H_r)、A/D轉(zhuǎn)換器、傅立葉變換單元的轉(zhuǎn)移函數(shù)單元，以分別計算電位Ux以及兩個測試響應(yīng)U_g和U_r；確定兩個校準(zhǔn)響應(yīng)U_ehg和U_ehr，其中U_ehg包括U_eg和H_g的乘積，其中U_ehr包括U_er和H_r的乘積；建立用于測試響應(yīng)U_g和U_r的函數(shù)表達(dá)式，通過同時解開包括未知阻抗R_g、R_r和電容C₁、C₂的等式確定內(nèi)電阻R_g和R_r。即使連接電纜相對較長也能對電極的內(nèi)電阻的精確測量。
文檔編號G01N27/36GK101467031SQ200780022076
公開日2009年6月24日 申請日期2007年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月30日
發(fā)明者王長林 申請人:梅特勒-托利多公開股份有限公司