СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОПОРНОЙ ПОЛУЯЧЕЙКИ Российский патент 2007 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к способу и устройству для контроля опорной полуячейки, причем опорная полуячейка образует с измерительной полуячейкой потенциометрическое место измерения для определения и/или контроля концентрации ионов в среде и с помощью измеренного значения, полученного в измерительной цепи между измерительной и опорной полуячейками, определяют концентрацию ионов в среде.

Потенциометрическое место измерения для определения и/или контроля концентрации ионов в текучей среде представляет собой, например, рН-сенсор. рН-сенсор может быть выполнен в виде стеклянного электрода или ISFET-сенсора. Напряжение, возникающее между измерительной и опорной полуячейками, служит мерой рН-значения или концентрации ионов в среде. Основы техники измерения рН и конструкция рН-сенсоров описаны, например, в книге "Abwasser - Меβ- und Regeltechnik", Hrsg: Endress + Hauser GmbH + Co., 2. Auflage, стр.81 и далее.

Предпочтительно рН-измерительные полуячейки представляют собой так называемые стеклянные электроды или ISFET-сенсоры. Они находят широкое применение во многих областях химии, изучения окружающей среды, медицины, промышленности и водного хозяйства. Для самых разных применений предлагаются и распространяются оба типа сенсоров. Как уже сказано, используемые для потенциометрических измерений стеклянные электроды и ISFET-сенсоры содержат обычно опорные полуячейки, образующие в высокой степени постоянные потенциалы.

У стеклянных электродов применяют, как правило, серебряные/серебряно-хлоридные или каломельные электроды. Контакт между опорной полуячейкой и измеряемой средой создается электролитом солевого мостика. Электролит солевого мостика может быть жидким или упрочненным и должен выполнять, как правило, определенные условия: с одной стороны, он должен мало влиять на потенциал опорной полуячейки, а с другой стороны, он должен образовывать с измеряемой средой как можно меньший диффузионный потенциал. При выполнении этих условий опорная полуячейка вырабатывает независимый от процесса и стабильный опорный сигнал.

Во многих случаях применения техники измерения рН, Redox и ISE используются опорные полуячейки с жидким переходом. Опорные полуячейки с жидким переходом содержат жидкий контакт между процессом - здесь средой - и внутренним пространством опорной полуячейки. Этот жидкий контакт выполнен обычно в виде керамического штифта с диаметром пор в мкм-диапазоне. Как обусловлено процессом, эта пористая керамика может засориться. При возникновении засорения или блокирования керамики переход является очень высокоомным, и больше не существует низкоомной связи опорной полуячейки с измеряемой средой. Поэтому на потенциал опорной полуячейки могут накладываться напряжения помех, которые при случае могут значительно ухудшить точность измерений. В случае измерения рН-значения эти напряжения помех могут вполне соответствовать изменениям нескольких рН-значений. Вследствие напряжений помех место измерения выдает рН-значения, не отражающие фактическую концентрацию ионов в среде. На практике, кстати, около 90% ошибочных измерений, возникающих при измерениях концентрации ионов, вызваны неправильным функционированием опорной полуячейки.

Уже известен метод обнаружения неправильного функционирования опорной полуячейки, вызванного блокированием перехода между опорной полуячейкой и измеряемой средой. Согласно этому известному методу, неправильное функционирование опорной полуячейки обнаруживают за счет того, что в ходе процесса контролируют импеданс жидкого перехода между опорной полуячейкой и измеряемой средой. При превышении заданного предельного значения подается сигнал (ЕР 0417347 А1).

На фиг.1 изображены основные компоненты места 1 измерения рН, используемого в измерительной технике. Место 1 измерения состоит из измерительной полуячейки 2, опорной полуячейки 3 и измерительного прибора 6, который измеряет обычно напряжение между обеими полуячейками 2, 3. Это напряжение обратно пропорционально рН-значению измеряемой среды 7.

Измерительная полуячейка 2 для измерения рН имеет обычно внутреннее напряжение от 50 до Через измеряемую среду 7 обычно имеется связь с опорной полуячейкой 3 с жидким переходом. Эта связь имеет обычно импеданс порядка от и, тем самым, на несколько порядков ниже импеданса измерительной полуячейки 2. Измерительный прибор 6 определяет напряжение между обеими полуячейками 2, 3, причем опорная полуячейка 3 в измерительном приборе 6 лежит на потенциале массы. За счет относительно малого импеданса опорной полуячейки 3 с жидким переходом среда 7 вплоть до стеклянной мембраны 4 лежит на потенциале массы измерительного прибора 6.

Если на опорной полуячейке 3 с жидким переходом произойдет блокирование, то во время измерения становятся заметными электрические паразитные потенциалы между измерительной 2 и опорной 3 полуячейками. Поскольку измерительная 2 и опорная 3 полуячейки 2, если смотреть с электрической точки зрения, включены последовательно, сумма импедансов доминирует, однако, за счет импеданса измерительной полуячейки 2. Поэтому, как показано на фиг.1, простое измерение сопротивления между точками ← и ↑ не позволяет сделать вывод о фактическом импедансе опорной полуячейки 3.

Для того чтобы можно было целенаправленно контролировать импеданс опорной полуячейки 3, известно использование места 1 измерения в симметричной схеме. Подобная схема показана на фиг.2. Измерительную полуячейку 2 эксплуатируют низкоомно в направлении металлического штифта 10; в направлении металлического штифта 10 измеряют также опорную полуячейку 3. В противоположность опорной полуячейке 3 металлический штифт 10 имеет то преимущество, что он не забивается. Правда, металлический штифт 10 не вырабатывает постоянный эталонный потенциал, поскольку на нем могут возникнуть редокси-потенциалы. Это, однако, не имеет значения для измерений посредством измерительных приборов 8,9, поскольку в конце концов образуется разность между измеренными значениями от обоих измерений, благодаря чему уменьшается влияние изменяющихся редокси-потенциалов на металлическом штифте 10. Следовательно, измеренный между обеими точками ← и ↑ импеданс, в основном, зависит от импеданса опорной полуячейки 3 с жидким переходом. Таким образом, этот метод в лучшем случае пригоден для обнаружения неправильного функционирования опорной полуячейки 3 из-за блокирования.

Недостатков известного решения нельзя не видеть:

- приходится нести немалые дополнительные затраты. Помимо дополнительного металлического штифта требуются более сложная арматура, дополнительная кабельная разводка и расширенная электроника;

- сигнал неправильного функционирования опорной полуячейки подается только тогда, когда превышено предварительно установленное предельное значение. Сигнал подается совершенно независимо от того, мешает ли вообще измерению повышенное значение импеданса опорной полуячейки или помеха уже до достижения предельного значения была настолько сильной, что это значительно мешало измерению уже к этому моменту времени.

В основе изобретения лежит задача создания способа и устройства, которые позволили бы целенаправленно контролировать опорную полуячейку места измерения на неправильное функционирование.

Эта задача решается в отношении способа согласно изобретению за счет того, что место измерения периодически эксплуатируют в рабочем и тестовом режимах, причем в рабочем режиме измеряют концентрацию ионов, а в тестовом режиме контролируют функциональную способность опорной полуячейки.

В соответствии с одним предпочтительным усовершенствованием способа согласно изобретению предусмотрено, что в тестовом и рабочем режимах определяют шумовую составляющую измерительного сигнала. Далее предложено, что в тестовом режиме для определения шумовой составляющей измерительного сигнала активируют импеданс, в частности резистор в измерительной цепи, и что в рабочем режиме импеданс изменяют. Предпочтительно в рабочем режиме резистор замыкают накоротко.

Одно предпочтительное усовершенствование способа согласно изобретению предусматривает, что с целью изменения или подключения и отключения импеданса, в частности резистора, приводят в действие элемент изменения импеданса. В частности, элемент изменения импеданса представляет собой выключатель, например, включенный параллельно резистору.

Кроме того, предложено, что шумовые составляющие измерительного сигнала измеряют в тестовом и рабочем режимах и что соотношения изменений шумовых составляющих в рабочем и тестовом режимах обнаруживают неправильное функционирование опорной полуячейки и выдают соответствующее сообщение.

Одно усовершенствование способа согласно изобретению позволяет сделать вывод о предположительном времени простоя опорной полуячейки. Для этого шумовые составляющие измерительных сигналов или соотношения изменений шумовых составляющих измерительных сигналов в рабочем и тестовом режимах непрерывно вводят в память; выдают сообщение, по истечении какого промежутка времени опорная полуячейка предположительно будет иметь неправильное функционирование.

Задача решается в отношении устройства согласно изобретению за счет того, что блок регулирования/обработки эксплуатирует место измерения периодически в рабочем и тестовом режимах и что блок регулирования/обработки в рабочем режиме определяет концентрацию ионов в среде, а в тестовом режиме контролирует функциональную способность опорной полуячейки.

Предпочтительно в измерительной цепи предусмотрен импеданс, в частности резистор. Одно предпочтительное выполнение устройства согласно изобретению предусматривает, что в рабочем режиме резистор коротко замкнут, а в тестовом режиме включен в измерительную цепь. Само собой, понятно, что в измерительной цепи в связи с изобретением может использоваться любой другой вид изменения импеданса.

Предпочтительно предусмотрен элемент изменения импеданса, например выключатель, включенный параллельно резистору. Этот выключатель приводится в действие блоком регулирования/обработки.

Одно предпочтительное выполнение устройства согласно изобретению предусматривает, что блок регулирования/обработки интерпретирует изменение соотношения шумовых составляющих в рабочем и тестовом режимах, если оно лежит выше заданного порогового значения, как правильную работу опорной полуячейки.

В частности, блок регулирования/обработки выдает сообщение о неправильном функционировании опорной полуячейки, если соотношение шумовых составляющих измерительного сигнала в рабочем и тестовом режимах является приблизительно неизменным.

В блоке регулирования/обработки для обнаружения неправильного функционирования и правильной работы опорной полуячейки используют статистические методы обработки.

Изобретение более подробно поясняется с помощью чертежей, на которых изображены:

- фиг.1 - известное из уровня техники место измерения и/или контроля концентрации ионов в среде;

- фиг.2 - известная из уровня техники схема контроля опорной полуячейки показанного на фиг.1 места измерения;

- фиг.3 - предпочтительная форма выполнения устройства согласно изобретению для контроля опорной полуячейки потенциометрического места измерения;

- фиг.4 - диаграмма, на которой показаны соотношения шумовых составляющих измерительных сигналов в рабочем и тестовом режимах в разных условиях.

На фиг.1 изображено известное из уровня техники место 1 измерения и/или контроля концентрации ионов в среде 7. На фиг.2 изображена известная из уровня техники схема показанного на фиг.1 места измерения, которая служит для контроля опорной полуячейки места 1 измерения на блокирование. Оба решения достаточно подробно описаны в преамбуле к описанию.

На фиг.3 изображена предпочтительная форма выполнения устройства согласно изобретению для контроля опорной полуячейки 3 места 1 измерения, которое служит для определения и/или контроля концентрации ионов в среде 7. В частности, место 1 измерения представляет собой место измерения рН.

Устройство согласно изобретению отличается от изображенного на фиг.1 известного решения тем, что в измерительной цепи предусмотрен резистор 12, включенный параллельно выключателю 13. Выключатель 13 замкнут блоком 11 регулирования/обработки в рабочем или измерительном режиме и разомкнут в тестовом режиме. Следовательно, в рабочем режиме резистор 12 коротко замкнут или опорная полуячейка 3 низкоомно соединена с потенциалом массы, тогда как в тестовом режиме на резисторе 12 происходит падение напряжения.

Основной составной частью блока 11 регулирования/обработки является микропроцессор (не показан). Он служит вместе с аналого-цифровым преобразователем (не показан) для преобразования, расчета и отображения измерительного сигнала или измеренного значения. Подобные блоки 11 регулирования/обработки уже реализованы, например, в предложенных и распространенных автором изобретения рН-измерительных преобразователях и являются, тем самым уровнем техники.

Измерительные сигналы, обычно сигналы напряжения, отражающие, например, рН-значение среды 7, никоим образом не являются постоянными. Напротив, на усредненное измеренное значение напряжения всегда наложен шум. При размыкании выключателя 13 опорная полуячейка 3 через резистор 12 соединена с потенциалом массы, и связь с потенциалом массы становится хуже. Следовательно, в зависимости от величины резистора 12 возрастает и наложенный на среднее значение измерительного сигнала шум.

Если же опорная полуячейка 3 с жидким переходом блокирована, а импеданс опорной полуячейки 3 лежит близко к подключенному резистору 12 или больше, чем у него, то шум за счет подключенного резистора 12 изменяется несущественно.

Согласно изобретению используется тот эффект, что с помощью шумовых составляющих измерительных сигналов в рабочем и тестовом режимах можно сделать вывод о блокировании опорной полуячейки 3. Измерение в тестовом режиме длится лишь несколько миллисекунд. В течение этого промежутка времени предварительно полученное измеренное значение должно поддерживаться в состоянии удержания. Это препятствует выдаче искаженного измеренного значения в целях дальнейшей обработки.

На фиг.4 изображена диаграмма, на которой показаны соотношения шумовых составляющих измерительных сигналов в рабочем и тестовом режимах в разных условиях монтажа и эксплуатации. Четыре по-разному обозначенных столбика имитируют четыре различных рабочих режима, в которых потенциометрическое место измерения в месте своего монтажа при промышленном применении должно выдавать надежные результаты измерений. У незаземленных измеряемых сред внешние электромагнитные паразитные поля могут негативно влиять на измерения. У турбулентных, например протекающих, сред также возникают локальные паразитные поля.

Столбики, заштрихованные сверху вниз слева направо, обозначают спокойную среду 7; дополнительно емкость, в которой находится среда 7, заземлена. Столбики, заштрихованные сверху вниз справа налево, обозначают турбулентную, например протекающую, среду 7. Также здесь емкость заземлена. У пустых столбиков емкость не заземлена, а среда находится в состоянии покоя. В случае столбиков с точками емкость не заземлена, а среда является турбулентной.

Цифры 1-5 обозначают рабочие режимы, при которых место 1 измерения используется в различных средах при разных температурах. Цифра 1 обозначает среду с низкой теплопроводностью при относительно низкой температуре. Цифра 2 относится к среде с низкой теплопроводностью при более высокой температуре. Цифрам 3, 4 соответствуют измерения, которые происходят в кислоте при разных температурах. Цифра 5 обозначает случай, когда среда представляет собой кислоту и дополнительно находится в металлическом сосуде.

В левой части столбиковой диаграммы для всех названных рабочих режимов изображены процентные изменения шума в рабочем и тестовом режимах, а именно в том случае, когда опорная полуячейка 3 не блокирована. Даже в самом неблагоприятном случае шумовая составляющая в рабочем режиме на коэффициент 5 выше шумовой составляющей в тестовом режиме. В правой части столбиковой диаграммы для всех названных рабочих режимов изображены процентные изменения шума в рабочем и тестовом режимах при блокированной опорной полуячейке 3. Хорошо видно, что шум в обоих режимах почти постоянный. Согласно изобретению приблизительно неизменная шумовая составляющая в рабочем и тестовом режимах является ясным указанием на неправильное функционирование опорной полуячейки.

Перечень ссылочных позиций:

1 - место измерения;

2 - измерительная полуячейка;

3 - опорная полуячейка;

4 - стеклянная мембрана;

5 - пористая керамика;

6 - резистивный измерительный прибор;

7 - среда;

8 - резистивное измерение;

9 - резистивное измерение;

10 - металлический штифт;

11 - блок регулирования/обработки;

12 - резистор;

13 - выключатель;

14 - соединительный провод;

15 - соединительный провод.

Изобретение относится к способу и устройству для контроля опорной полуячейки. Сущность изобретения: опорная полуячейка образует с измерительной полуячейкой потенциометрическое место измерения для определения и/или контроля концентрации ионов в среде, причем с помощью, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, полученного в измерительной цепи между измерительной и опорной полуячейками, определяют концентрацию ионов в среде. Согласно изобретению место измерения эксплуатируют периодически в рабочем и тестовом режимах, причем в рабочем режиме измеряют концентрацию ионов, а в тестовом режиме контролируют функциональную способность опорной полуячейки. Изобретение позволяет целенаправленно контролировать опорную полуячейку места измерения на неправильное функционирование. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля опорной полуячейки (3), причем опорная полуячейка (3) образует с измерительной полуячейкой (2) потенциометрическое место (1) измерения для определения и/или контроля концентрации ионов в среде (7), причем с помощью, по меньшей мере, одного измерительного сигнала, полученного в измерительной цепи между измерительной (2) и опорной (3) полуячейками, определяют концентрацию ионов в среде (7), отличающийся тем, что место (1) измерения эксплуатируют периодически в рабочем и тестовом режимах, в рабочем режиме измеряют концентрацию ионов, при этом в тестовом режиме контролируют функциональную способность опорной полуячейки (3).2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в тестовом и рабочем режимах определяют шумовую составляющую измерительного сигнала.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в тестовом режиме для определения шумовой составляющей измерительного сигнала активируют импеданс в измерительной цепи, при этом в рабочем режиме изменяют импеданс (12).4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, с целью изменения импеданса (12), активируют элемент (13) изменения импеданса.5. Способ по п.3 или 4, отличающийся тем, что в качестве элемента (13) изменения импеданса приводят в действие выключатель, который, с целью изменения импеданса (12), включен параллельно импедансу (12).6. Способ по пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в рабочем и тестовом режимах измеряют шумовые составляющие измерительного сигнала, при этом с помощью соотношения изменений шумовых составляющих в рабочем и тестовом режимах обнаруживают неправильное функционирование опорной полуячейки (3) и выдают соответствующее сообщение.7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в рабочем и тестовом режимах шумовые составляющие измерительного сигнала или соотношения изменений шумовых составляющих измерительных сигналов непрерывно вводят в память, при этом выдают сообщение, по истечении какого промежутка времени опорная полуячейка (3) предположительно будет иметь неправильное функционирование.8. Устройство для контроля опорной полуячейки (3), причем опорная полуячейка (3) образует с измерительной полуячейкой (2) потенциометрическое место (1) измерения для определения и/или контроля концентрации ионов в среде (7) и причем предусмотрен блок (11) регулирования/обработки, выполненный с возможностью с помощью измерительного сигнала, полученного в измерительной цепи между измерительной (2) и опорной (3) полуячейками, определять концентрацию ионов в среде (7), отличающееся тем, что блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью эксплуатировать место (1) измерения периодически в рабочем и тестовом режимах, при этом блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью определения в рабочем режиме концентрации ионов в среде (7), а в тестовом режиме - контроля функциональной способности опорной полуячейки (3).9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что в измерительной цепи предусмотрен импеданс (12), который в рабочем режиме изменен, предпочтительно короткозамкнут, а в тестовом режиме включен в измерительную цепь.10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что предусмотрен элемент (13) изменения импеданса, включенный параллельно импедансу (12), причем элемент (13) изменения импеданса выполнен с возможностью срабатывания от блока (11) регулирования/обработки.11. Устройство по пп.8, 9 или 10, отличающееся тем, что блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью интерпретировать изменение соотношения шумовых составляющих в рабочем и тестовом режимах, если оно лежит выше заданного порогового значения, как правильную работу опорной полуячейки (3).12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что блок (11) регулирования/обработки выполнен с возможностью выдавать сообщение о неправильном функционировании опорной полуячейки (3), если соотношение шумовых составляющих измерительного сигнала в рабочем и тестовом режимах является приблизительно неизменным.13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что в блоке (11) регулирования/обработки для обнаружения неправильного функционирования и правильной работы опорной полуячейки (3) использованы статистические методы обработки.