專利名稱：用于監(jiān)控和/或確定測量探測器狀況的方法和設(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)控和/或用于確定電化學(xué)測量探測器狀況的測量方法和測量設(shè)備，所述電化學(xué)測量探測器例如為離子敏感測量探測器，具
體而言，PH測量探測器、氧測量探測器或者C02測量探測器。
背景技術(shù)：
工業(yè)處理(例如，在化學(xué)和制藥工業(yè)中、在紡織工業(yè)中、在食品和飲料工業(yè)中、在紙和纖維素的處理中或者在水處理和廢水處理領(lǐng)域中)的監(jiān)控和控制基于通過適當(dāng)?shù)臏y量探測器所確定的過程變量的測量。
根據(jù)對比文件[l]] "Process Measurement Solutions Catalog, 2005/06"(瑞士烏爾多夫CH-8902，梅特勒-托利多公開股份有限公司；第8頁和第9頁)，完整的測量系統(tǒng)由外罩、測量探測器、線纜和測量轉(zhuǎn)換器(還稱為發(fā)射器)組成。通過外罩，測量探測器開始與待測量或監(jiān)控的工藝材料接觸，例如通過將探測器浸入工藝材料中并保持在那里。測量探測器用于測量工藝材料的具體特性。測量信號通過線纜發(fā)送到發(fā)射器，發(fā)射器與工藝控制系統(tǒng)進(jìn)行通信并把測量信號轉(zhuǎn)換成可讀數(shù)據(jù)。根據(jù)待測量的工藝材料特性來選擇測量探測器。
對比文i牛[2] "Process-Analytical Systems Solutions for the Brewery"(瑞士烏爾多夫鎮(zhèn)CH-8902,梅特勒-托利多公開股份有限公司的公司出版物；文章No. 52900309，印刷日期2003年9月)描述了如何將適當(dāng)?shù)臏y量探測器用在例如釀酒廠的工藝鏈的各個階段中(即，在水處理階段；釀造室；發(fā)酵和存儲窖；過濾、碳化和灌注階段；以及廢水處理階段中)，以確定電導(dǎo)性、溶解氧的量、PH值和工藝液體的C02值。
為了工藝的無問題控制，測量探測器狀況是非常重要的。錯誤的測量能夠?qū)е庐a(chǎn)品缺陷并造成經(jīng)濟(jì)方面的損失。
典型地，諸如PH測量探測器或氧測量探測器的電化學(xué)測量探測器受到依賴于負(fù)載的磨損過程的影響，其中，該磨損過程是探測器的功能性原理的內(nèi)在性質(zhì)，并且通常導(dǎo)致測量探測器的測量特征的連續(xù)變化。
這樣的變化要求按照或多或少的定期時間間隔，以運行維護(hù)的形式采取適當(dāng)動作。這可能需要例如對測量探測器的清理、替換、校準(zhǔn)，或者對測量值的誤差補償、具體評估或者修正。
現(xiàn)有技術(shù)提供了多種診斷程序以確定測量探測器的磨損狀況。例如，
在JP57199950[7]中描述了一種方法，在該方法中，將測量探測器浸入在規(guī)定濃度的所謂的校準(zhǔn)液體中。接著，把電極連接到充電電容器，并確定電容器的放電速度。當(dāng)影響電極的電荷總具有相同的極性時，發(fā)生單極電荷流入。該診斷程序還被稱為離線方法，它的缺點在于為了使測量探測器與校準(zhǔn)液體接觸，需要在持久的時期內(nèi)中斷主要測量功能(即，工藝材料的離子濃度的確定)。
根據(jù)DE 10209318[6]，在PH測量探測器的情況下，優(yōu)選參數(shù)可以是零點、斜率以及電極的阻抗或建立時間，其中，通過優(yōu)選參數(shù)能夠可靠地確定測量電極的磨損狀況。然而，與這些參數(shù)有關(guān)的測量方法的缺點在于它們僅可以在處理間斷期間執(zhí)行，即， 一般在處理系統(tǒng)的校準(zhǔn)期間。
具體而言，在使用大量測量探測器的工業(yè)處理系統(tǒng)中，這些離線診斷程序產(chǎn)生了昂貴的運行維護(hù)費用，并且尤其是，對維護(hù)間隔的規(guī)劃需要很多的后勤努力。結(jié)果，對于所謂的在線診斷方法的需求增長起來，這種在線診斷方法可以在不中斷所要監(jiān)控的處理的情況下，確定和/或監(jiān)控測量探測器狀況。尤其是，會避免將測量探測器從處理系統(tǒng)中卸載和把測量探測器從工藝材料中取出的步驟。
現(xiàn)有技術(shù)提供了基于電阻測量原理的診斷方法，并且其可以在不中斷處理的情況下，使測量探測器的損壞和故障可通過連續(xù)監(jiān)控來確定。
在根據(jù)US 4,189，367[3]的示例中，為了對玻璃膜損壞進(jìn)行檢測，通過連續(xù)的電阻測量來監(jiān)控用在PH測量中的玻璃電極。在這樣的情況下，通過
控制開關(guān)設(shè)備經(jīng)由電極來發(fā)送第一測量電流并測量所產(chǎn)生的電壓的變化。如果電極電壓的變化不匹配期望值，那么這表示是缺陷電極。測量之后，通過電極來發(fā)送與第一檢測電流方向相反但量值和持續(xù)時間相等的第二檢測電流。利用該第二檢測電流，基本會消除第一檢測電流對于電極的影響。因此，產(chǎn)生了雙極激勵，其使測量探測器回到用于測量工藝材料離子濃度的工作狀況。
這種在線診斷方法的缺點在于，其需要使用具有非常高的絕緣電阻的
昂貴的開關(guān)設(shè)備。如WO 92/21962[4]或US 4,468，609[8]中所示，也可以通過由耦合電容器引入的方形電壓脈沖來產(chǎn)生相反方向的檢測電流。根據(jù)對比文件[5] "Halbleiter-schaltungstechnik"(半導(dǎo)體電路設(shè)計)(2002年由柏林的斯普林格(Springer Verlag)出版社出版，第12版1538頁；由U. Tietze、Ch. Schenk所著)，其中，測量探測器和耦合電容器用作耦合RC部件，從而引起方形波信號的微分。
利用矩形電壓脈沖的微分，第一脈沖邊沿轉(zhuǎn)換成第一檢測電流，并且第二脈沖邊沿轉(zhuǎn)換成沿與第一檢測電流流動方向相反的第二檢測電流。因此，電極同樣地受雙極信號的影響。
現(xiàn)有技術(shù)的在線診斷方法適于連續(xù)測量，因而適于連續(xù)監(jiān)控，并適于對例如由離子敏感膜的破損、橫膈膜的污染、導(dǎo)體線中的電路中斷或者短路電路所引起的電極的損傷和故障的檢測。然而，它們僅可以進(jìn)行一般情況的并不令人滿意的診斷，具體地是測量探測器的磨損的電流狀況。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器狀況的改進(jìn)方法和改進(jìn)設(shè)備，具體地說，測量探測器指PH測量探測器、氧測量探測器或co2測量探測器，其中，測量探測器具有至少一個電極，并且其中，可以在測量探測器的工作期間確定與工藝材料的離子濃度有關(guān)
、該目的由分別具有獨立權(quán)利要求中所陳述特征的方法和設(shè)備來實現(xiàn)。本發(fā)明的有益實施例在其他的權(quán)利要求中提出。
在根據(jù)本發(fā)明闡述的用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器狀況的方法下，尤其是PH測量探測器、氧測量探測器或C02測量探測器，根據(jù)這些電化學(xué)測量探測器可以確定工藝材料的示例濃度，將至少一個驗證階段設(shè)置成發(fā)生在工作(在線)期間。該驗證階段包括充電階段，檢測階段緊接在充電階段之后。在充電階段期間，通過控制器單元控制下的電荷轉(zhuǎn)移對
8分配給電極的電荷存儲設(shè)備充電，具體地是對電容器充電，或者將已經(jīng)充電的電荷存儲設(shè)備切換到電極的電路中；在檢測階段開始時，通過第一開關(guān)設(shè)備，將電荷存儲設(shè)備與電荷源斷開，或者，如果可以應(yīng)用，將電荷存儲設(shè)備與電源電壓斷開，并且在檢測階段期間，至少對由充電所產(chǎn)生的電極電壓測量一次，其中，將獲得的一個或更多測量值與至少一個參考值比較。當(dāng)通過將電荷存儲設(shè)備與電荷源斷開來將電荷源隔離時，在相反方向流動的第二檢測電流被阻止。因此，電極實質(zhì)上接收單極信號。這使得可以在測量探測器的工作期間(即，不中斷處理的情況下)獲得關(guān)于測量探測器狀況的重要附加信息，例如，關(guān)于離子遷移率的信息。
優(yōu)選地，電極通過最短可能長度的信號連接連接到信號處理單元，以避免測量信號因為電容千擾和/或衰減而失真。因此，根據(jù)本發(fā)明的測量方法還可以有益地應(yīng)用在大的工業(yè)處理工廠中。
將開關(guān)元件設(shè)置在電荷源和電荷存儲設(shè)備之間的優(yōu)點還在于沒有直連到信號連接的開關(guān)元件。從而，可以避免開關(guān)元件產(chǎn)生的干擾。此外，還可以利用有益的開關(guān)元件，例如低泄露電流、高開關(guān)速度且不易損壞的半導(dǎo)體，例如MOSFET元件。
本發(fā)明基于對在測量探測器的工作期間在測量探測器的離子敏感邊沿表面的外圍帶中連續(xù)地形成惰性氫-氧組合的觀測。因而，對于進(jìn)一步地測量，這些氫-氧組合不再作為電荷載流子。因此，可自由利用的氫-氧組合隨著操作時間的流逝而減少，而同時剩余的自由的氫-氧組合的遷移率增加的程度也會越來越小。因此，電荷載流子的遷移率是用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器狀況的主要參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，通過經(jīng)由電極放電的電荷存儲設(shè)備的放電特征來確定電極的電荷載流子的遷移率。如上所述，這種放電的速度直接地與自由電荷載流子的遷移率有關(guān)。
因此，通過測量電極的放電速度能夠可靠地確定電化學(xué)測量探測器狀況，特別是磨損的情況。
根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備不僅對測量探測器的電流狀況歸納結(jié)論，還對測量探測器的未來性能做出更精確的預(yù)測，這使得對壽命期望的估測提高或者有利于對維護(hù)周期的規(guī)劃。另一優(yōu)點在于，通過確定電荷載流子遷移率，還可以獲取測量探測器的動態(tài)表現(xiàn)。因此，不但斜率和敏感度取決于電荷載流子的遷移率，測量探測器的建立時間或響應(yīng)時間也取決于電荷載流子的遷移率。
該方法還尤其適于使用了較長工作時間周期的測量探測器，因為在這種情況下關(guān)于不間斷工作的要求特別高。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，對測量探測器狀況確定的改進(jìn)和進(jìn)一步對特征測量量的獲取可以識別和控制測量探測器的僅發(fā)生緩慢和/或細(xì)微變化的處理參數(shù)。
優(yōu)選地，在檢測階段，電極電壓經(jīng)由信號線發(fā)送到信號處理單元并被測量至少一次。在這種情況下，術(shù)語"信號線"涉及所有可能形式的導(dǎo)電連接，例如，銅線、導(dǎo)線、電路板或集成電路上的連接。
為了進(jìn)一步的處理，例如，將測量結(jié)果發(fā)送到信號處理單元，直接處理，或者置入到中間存儲器中。還可以在較晚時刻對它們做進(jìn)一步處理，即，在測量探測器的正常工作期間或者在后續(xù)的檢測階段中。還可能之后在例如信號估測單元、發(fā)射器或主計算機中對這些結(jié)果做進(jìn)一步處理和/或分析。最后，可以通過信號估測單元或主計算機中的統(tǒng)計分析來確定一系列的多個測量探測器的長期性能。
在根據(jù)本發(fā)明的方法下，優(yōu)選地，電荷存儲設(shè)備與電極固定地連接，或者僅在驗證階段的持續(xù)時間期間連接到電極。利用這種可切換的連接，可以對電荷存儲設(shè)備與測量階段并行地充電，從而可以使測量階段的中斷最小化。此外， 一方面出于電荷轉(zhuǎn)移的目的，電荷存儲設(shè)備可以連接到電
荷源，或者可以連接到電源電壓(如果可以應(yīng)用)；另一方面連接到電極以用于驗證階段。因此，可以控制和/或定時電荷轉(zhuǎn)移。因而，例如，可以防止(特別是在檢測階段中)電荷電流通過電荷存儲設(shè)備的流動。
在根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備的另一可能的發(fā)展中，將用于對工藝材料的離子濃度進(jìn)行測量的至少一個測量階段設(shè)置成出現(xiàn)在測量探測器的工作期間。該測量階段在驗證階段期間中斷。從而測量階段和驗證階段彼此分隔開，這樣避免了測量階段和驗證階段彼此間互相影響的問題。
在另一優(yōu)選的實施例中，在檢測階段和/或在測量階段期間，對在遠(yuǎn)離電極一側(cè)的電荷存儲設(shè)備的連接器端子進(jìn)行電隔離。因此，電荷存儲設(shè)備的這種連接器端子(具體地是電容器的這種連接器端子)是自由的，比方說終止在空氣中，或者如果完全連接到電荷源，那么僅通過開關(guān)元件的高
斷開電阻(open-switchresistance)。這樣防止電荷源影響檢測階段和/或測量階段期間的測量。
有利地，在檢測階段期間對電極電壓進(jìn)行充足次數(shù)的測量來確定檢測階段期間的電極電壓的時間曲線的特征參數(shù)。通過這些重復(fù)檢測，可以計算更多的復(fù)雜參數(shù)，并還可以提高估測結(jié)果的精確性。
在本方法的另一發(fā)展的變型中，通過第二開關(guān)設(shè)備，優(yōu)選地通過接地連接來去除電荷存儲設(shè)備的電荷。這保證電荷存儲設(shè)備可能剩余的電荷不會在測量探測器的后續(xù)工作期間影響對離子濃度的進(jìn)一步測量。此外，驗證階段可以較快地終止，并且可以立即恢復(fù)正常的測量階段。優(yōu)選地，這樣的電荷消除在驗證階段結(jié)束之前終止。在檢測階段期間電荷被充分耗盡的情況下，可以略去對剩余電荷的主動去除。
在本方法的優(yōu)選變型中，優(yōu)選地在驗證階段之外(即，通常在測量階段期間)，通過第三開關(guān)設(shè)備將諸如雙極脈沖的附加測量信號導(dǎo)向電荷存儲設(shè)備。以這種方式，根據(jù)本發(fā)明的方法可以與通過電阻測量進(jìn)行誤差檢測的現(xiàn)有技術(shù)方法進(jìn)行合并。可以使用根據(jù)本發(fā)明的電荷存儲設(shè)備或者還可以使用專用于該目的的其它耦合電容器作為耦合器元件。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，以選擇性預(yù)定的時間間隔來重復(fù)驗證階段，具體地以分鐘、小時或天的間隔。因此，測量階段僅受到驗證階段很少的影響，并且將電極上來自附加電荷的負(fù)載保持相對較小。
在本發(fā)明的實施例中，電荷存儲設(shè)備可以包含在測量探測器中，或者可以設(shè)置成外部電荷存儲設(shè)備。在任一設(shè)置中，電荷存儲設(shè)備與信號源和電極的內(nèi)電阻并行設(shè)置。
在本發(fā)明的另一實施例中，電荷存儲設(shè)備還可以僅在驗證階段通過開關(guān)元件切換到電路中。在這種設(shè)置中，電荷流動電流更易受電阻器限制。根據(jù)這種概念，電荷存儲設(shè)備可以在測量探測器的工作期間或在測量階段期間完全地斷開。
在這種結(jié)構(gòu)下，電荷源還可以表現(xiàn)出電荷存儲設(shè)備的功能，成為特別有成本效益的方案。此外，可通過適當(dāng)?shù)膿Q向開關(guān)的形式來組合諸如第一和第三開關(guān)元件的不同開關(guān)元件。作為優(yōu)選方案，可以通過信號處理單元的信號線來發(fā)送所測量的電壓，以用于進(jìn)一步處理。這種處理可以由傳遞信號組成，或者可以包括諸如阻抗轉(zhuǎn)換、放大和/或存儲的多個處理步驟。此外，可以具有包含在信號處理單元中的其它信號處理元件，例如比較器元件、多路復(fù)用器單元、處理器單元或者計算器單元。
通過用于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換的元件，能夠有利地執(zhí)行對測量信號的過程處理。該元件也可以包含在測量探測器的信號處理單元或者估測設(shè)備中。通過數(shù)字化測量值，可以使它們隸屬于數(shù)字過程處理，該過程處理允許執(zhí)行相對復(fù)雜的操作并提供用于將數(shù)據(jù)存儲在測量探測器的信號處理單元、估測設(shè)備或外部存儲器中的簡單方式。
在本方法的另一變型中，例如在測量探測器的信號處理單元或信號估測設(shè)備中，可以將測量結(jié)果與電極電壓的期望值進(jìn)行比較。
能夠通過實驗和/或數(shù)學(xué)方法來確定電極電壓的期望值。出于這樣的目的，還可以使用對于未涉及的測量電極(即，其它電極或輔助電極)的比較測量。另外可能地是，電極電壓的期望值也可以基于出現(xiàn)在諸如國家或國際規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)章文獻(xiàn)中的最大值、閾值和極限值。另外，期望值也可以由測量探測器或電極的制造者來設(shè)置。
電極電壓的測量值和期望值之間的比較能夠通過諸如比較器電路或計算單元的比較器設(shè)備來執(zhí)行。上下文中的術(shù)語"計算單元"是指包括諸如模擬電路、數(shù)字電路、集成電路、處理器、計算機等的所有種類的信號處理元件。優(yōu)選地，該比較器設(shè)備可以通過信號處理單元來實現(xiàn)，或者實現(xiàn)在估測單元中的信號估測單元中。
發(fā)射器或估測單元能夠包括諸如通信單元、信號估測單元和/或存儲單元的各種器件。優(yōu)選地，這些單元通過直連來進(jìn)行雙向通信，并交換指令、程序以及測量值和結(jié)果。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，由通信單元來協(xié)調(diào)測量探測器和估測設(shè)備的所有活動。此外，通信單元可以與主計算機進(jìn)行雙向通信，并傳輸指令、程序、操作數(shù)據(jù)、測量值和/或估測結(jié)果。
優(yōu)選實施例還提供了將諸如電極電壓的期望值、閾值、控制參數(shù)、特
征數(shù)字和程序的操作數(shù)據(jù)存儲在發(fā)射器TR的存儲單元中的非易失性存儲
12器的功能。例如，可以將這些數(shù)據(jù)從主計算機發(fā)送到通信單元并寫入到存儲器單元中。如果需要，接著可以通過信號估測單元讀取數(shù)據(jù)。
最后，還可按照將諸如信號估測單元、存儲單元和/或通信單元以及估測設(shè)備或具有前述功能的發(fā)射器之類的那些單元包含在每個測量探測器中的方式，來配置測量探測器。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，其用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器狀況，尤
其是PH測量探測器、氧測量探測器或C02測量探測器，所述電化學(xué)測量探測器具有至少一個電極和信號處理單元，其中，在測量探測器的工作期間，可以確定與工藝材料的離子濃度有關(guān)的處理量；其具有以下區(qū)別特征測量探測器包括與電極相關(guān)聯(lián)且可通過可控制的電荷轉(zhuǎn)移得以充電的電荷存儲設(shè)備；測量探測器還包括用于產(chǎn)生驗證階段的控制器單元，其中，驗證階段包括充電階段，檢測階段緊接在該充電階段之后；并且測量探測器還包括信號線，其用于將在檢測階段期間測量了至少一次的電極電壓值傳輸給信號處理單元。
根據(jù)本發(fā)明的方法還適于在無需將測量探測器從系統(tǒng)中移除的條件下，對包含在通過使用現(xiàn)有技術(shù)的CIP或SIP處理過程(適當(dāng)?shù)厍謇?、適當(dāng)?shù)叵?不時地被清理的處理系統(tǒng)中的測量探測器狀況進(jìn)行確定。把在這樣的清理過程期間所確定的測量值考慮到測量探測器狀況的整個評估中是有益的。


通過對圖示中示意和簡要的代表圖所示出實施例的描述，根據(jù)本發(fā)明的方法和設(shè)備的細(xì)節(jié)將變得顯而易見，其中
圖1示出了用于通過電化學(xué)探測器la、lb和lc在溶液6中測量離子濃
度的系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)；
圖2示意性地示出了浸入在工藝材料6中并連接到評測設(shè)備3的電化學(xué)測量探測器l;
圖3表示具有電極EL、電荷源Q1、電荷存儲設(shè)備Q2和控制器單元CU以及開關(guān)元件Sl、 S2和S3的測量探測器1的方框圖4表示具有并入在測量探測器1中的電荷存儲設(shè)備Q2的，本發(fā)明的另一可能實施例的方框圖5表示具有通過換向開關(guān)S4切換到測量探測器電路的電荷存儲設(shè)備Q2的，本發(fā)明的另一可能實施例的方框圖6示意性示出了電荷存儲設(shè)備的電荷流動電流的時間曲線，以及與此對應(yīng)的，與所生成的電極電壓和對定時測量的可能選擇相關(guān)的兩個時間曲線。
具體實施例方式
圖1示出了具有由填充有工藝材料6的巴氏殺菌保溫桶81所組成的容器8的處理系統(tǒng)，其可以通過連接管82連接到下一個處理階段的系統(tǒng)單元。工藝材料6的特性由通過信號傳輸設(shè)備2連接到估測設(shè)備3a或3b的測量探測器la、 lb和lc來測量。在其它功能中用作測量轉(zhuǎn)換器的估測設(shè)備3a、3b經(jīng)由段耦合器30連接到主計算機300.
在圖2中，示意性地示出了諸如PH測量探測器的電化學(xué)測量探測器的主要設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中，在單桿測量鏈結(jié)構(gòu)中，包括玻璃電極16、參考電極15以及輔助電極18。在測量探測器1中，將具有導(dǎo)體線元件16的玻璃電極和具有參考導(dǎo)線元件15的參考電極組配到一個單元中。在內(nèi)管11和連接該內(nèi)管的薄壁玻璃半球或玻璃膜111中的第一腔內(nèi)，導(dǎo)體線元件16浸入在具有限定PH值的溶液中，具體地是在內(nèi)緩沖區(qū)14中，其中，內(nèi)緩沖區(qū)建立了在玻璃膜111的內(nèi)部和導(dǎo)體線元件16之間建立了導(dǎo)電連接。在外管12內(nèi)，參考導(dǎo)線元件15浸入在電解液中，具體地是在外緩沖區(qū)13中，外緩沖區(qū)可以經(jīng)由多孔分隔壁或橫膈膜121與測量材料6進(jìn)行電荷交換。
對信號源(參見圖3，信號源SQ1)的電勢進(jìn)行測量，然后利用信號處理單元OP (優(yōu)選地是運算放大器)對這些電勢進(jìn)行進(jìn)一步處理，其中，在測量期間，信號源的電勢在導(dǎo)體線元件16、參考導(dǎo)線元件15和/或輔助電極18處升高。在內(nèi)緩沖區(qū)空間中，設(shè)置溫度測量感測器17，其提供了自動補償溫度效果和記錄溫度周期的可能。將在以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的信號處理單元OP包含在測量探測器1的頭部中，并經(jīng)由信號導(dǎo)線2連接到估測設(shè)備3。
圖3示出了具有測量探測器1的有利實施例中的圖2的測量設(shè)備，測量探測器1包括至少一個電極EL (例如，玻璃電極和參考電極)。測量探測器1 一侵入在工藝材料6中，電極EL上就產(chǎn)生電壓UE。工藝材料6和電極EL—起形成電壓源SQ1，圖中電壓源的內(nèi)電阻以電極電阻RE來表示。例如，玻璃電極的玻璃膜表現(xiàn)出非常高的電阻，而參考電極的過渡電阻為相對低的電阻值。
電壓UE經(jīng)由信號線19發(fā)送到信號處理單元OP以用于處理。接著，尚未處理、已部分處理或已完全處理的信號通過連接導(dǎo)線2b傳輸?shù)叫盘柟罍y單元PROC。信號估測單元PROC包含在估測設(shè)備3或發(fā)射器3中，并且可以通過內(nèi)連接與存儲器單元MEM和通信單元COM進(jìn)行通信。之后，可以傳遞所處理和/或估測的測量結(jié)果，以用于例如處理系統(tǒng)的控制和監(jiān)控。
估測單元3或發(fā)射器TR包括多個器件，例如通信單元COM、信號估測單元PROC和/或存儲器單元MEM，這些多個器件彼此間可以雙向連接，因而能夠交換數(shù)據(jù)、指令或程序。
通信單元COM協(xié)調(diào)測量探測器1和估測設(shè)備3的所有活動，并建立與主計算機300的通信。指令通過連接2a從通信單元COM傳輸?shù)綔y量探測器1中的控制器單元CU。通信單元COM還可以向信號估測單元PROC發(fā)布指令，從信號估測單元PROC接收數(shù)據(jù)，或者也可以把數(shù)據(jù)和程序存儲在存儲器單元MEM中。
控制器單元CU用作對開關(guān)元件Sl、 S2和S3的控制器元件，其通過控制輸出終端CL1、 CL2和CL3發(fā)送控制信號，從而觸發(fā)各個開關(guān)元件中的響應(yīng)，其中，控制器單元CU也可以包含在信號處理單元OP中。開關(guān)元件可以配置成機械或電元件，或者配置為諸如晶體管的半導(dǎo)體元件。然而，也可以利用控制器單元CU來直接執(zhí)行開關(guān)操作。
在測量工藝數(shù)量的測量階段的持續(xù)時間內(nèi)，開關(guān)元件Sl和S2都處于打開狀況。因而在測量階段期間，這些開關(guān)元件和電荷存儲設(shè)備對工作狀況和對電極的測量結(jié)果不具有影響。
通過開關(guān)元件S3，可以在測量階段和驗證階段期間傳遞諸如雙極脈沖的其它測量信號。這些信號可以經(jīng)由信號源SQ2來產(chǎn)生，并通過電荷存儲設(shè)備Q2或者也通過單獨的電容器耦合到電路中。因此，在開關(guān)元件S3閉合之后，現(xiàn)有技術(shù)中己知的電阻測量方法對于功能性故障的檢測是有效的。在驗證階段開始時，開關(guān)元件Sl閉合，而開關(guān)元件S2保持在打開位 置，以使電荷源Q1連接到電荷存儲設(shè)備Q2。之后，通過經(jīng)由電荷流動電 流IQ的電荷轉(zhuǎn)移，對電荷存儲設(shè)備Q2充電。
電荷轉(zhuǎn)移可以在充電階段結(jié)束時通過打開開關(guān)元件S1而中斷。之后， 電荷存儲設(shè)備Q2直接地連接到電極EL，同時不受電荷源Q1的影響。
緊接檢測階段之后，可以通過在適當(dāng)?shù)臅r期內(nèi)閉合開關(guān)S2，來消除電 荷存儲設(shè)備Q2的剩余電荷。優(yōu)選地，這將使電荷存儲設(shè)備Q2的電荷減少 到地電勢。
優(yōu)選地，可以利用上述信號處理單元OP對所施加電荷對電極EL的影 響和由此而自身建立的電極電壓ue進(jìn)行測量、處理和傳遞。然而，還可能 切換到專門為了根據(jù)本發(fā)明的方法而提供的另一信號處理單元(附圖中未 示出)。
用于電荷源Ql的以及可能用于其它電路器件的電源電壓可以從工作 電壓UB中來獲取，或者從連接導(dǎo)線2中寄生地產(chǎn)生，并可以被適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的又一實施例，除了將電荷存儲設(shè)備Q2 設(shè)置成電極EL內(nèi)的內(nèi)部元件或者該電極外的外部元件，并將其與信號源 SQ1和電極的內(nèi)電阻RE并聯(lián)的情況之外，該實施例與圖3的實施例類似。 此外，將電阻器Rg置入在電荷存儲設(shè)備Ql和電極EL之間的連接中來作 為用于限制電荷流動電流lQ的裝置。然而，電阻器的值也可以為零。
現(xiàn)在，在充電階段電荷流動電流Iq通過電阻器Rq流到電極EL和電荷 存儲設(shè)備Q2，同時依然可以在信號線19上測量電極電壓ue。電荷存儲設(shè) 備Q2可以按照物理分立單元的形式來組成，或者還可以作為電極EL的內(nèi) 部電容，例如，作為導(dǎo)體線元件16的或者參考導(dǎo)線元件15的電容。
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一實施例，除了電荷存儲設(shè)備Q2可以 切換到電極電路中的情況之外，該實施例與圖3的實施例類似。如圖4,將 電阻器Rq包含在電荷存儲設(shè)備Q2和電極EL之間的連接中來作為限制電 荷流動電流I(j的裝置，其中，電阻器Rq值也可為零。
在該實施例中，利用由控制器單元CU的控制輸出終端C14所控制的換 向開關(guān)S4來實現(xiàn)切換。因此，開關(guān)S4為電荷電壓、信號源SQ2的測量信 號或者接地的連接提供選擇性通路。然而，還可以通過單個開關(guān)元件來實
16現(xiàn)該功能，例如，這可以在驗證階段連接信號源SQ2的測量信號。在該示 例中，電荷存儲設(shè)備Q2直接地通過工作電壓UB得以充電。
圖6示出了典型的驗證階段Tp期間的信號的時間曲線。上面的圖IQ(t)
示出了在充電階段tl、檢測階段tt和放電期間的電荷流動電流Iq的時間曲
線。下面的圖Ue(1)表示所生成電極電壓UE的時間曲線。
根據(jù)應(yīng)用，在工作期間或者在測量探測器1的測量階段期間存在的電 極電勢(即，通過電阻RE的信號源SQ1的電勢)可以呈現(xiàn)出負(fù)值、正值或 者零值。為了簡化這種情況，圖6表示具有零電勢的電極EL的電極電壓 UE。
在驗證階段Tp之前(g卩，通常在測量探測器1的工作期間)， 一般測量
當(dāng)前存在的電極電壓UE。
通過閉合開關(guān)元件S1，電荷源Q1連接到電荷存儲設(shè)備Q2，其中，設(shè) 置驗證階段Tp和充電階段TL開始動。通過該連接來移動電荷，使電荷存儲 設(shè)備Q2中的電荷增加，電荷流動電流Iq減少，并使電極電壓UE相應(yīng)地增 加。信號的圖形必然遵從公知的指數(shù)形狀。
在充電階段TL結(jié)束時，通過打開開關(guān)元件S1來中斷電荷轉(zhuǎn)移。
在充電階段之后(即，在檢測階段TT期間)，在tp t2直至l」tn，可以對 電極電壓UE進(jìn)行一個或更多測量。
示出了在測量探測器l的兩種可能狀況下電極UE的時間曲線。如示例
所示，緩慢下降的曲線圖(實線)對應(yīng)待淘汰的測量探測器l，而快速下降 的曲線圖(虛線)對應(yīng)新的測量探測器l。
此外，對應(yīng)于單個測量，以十字條的形式示出可能的閾值。根據(jù)這些 值，容易確定該示例中的測量探測器l的磨損情況。
在本發(fā)明的可能實施例中，可以通過閉合第二開關(guān)元件S2來結(jié)束檢測 階段Tj。優(yōu)選地，可以在驗證階段Tp結(jié)束之前終止電荷的消除。相應(yīng)的放 電電荷lQ和電極電壓UE的圖形在驗證階段Tp的最后部分中示出。
在驗證階段Tp結(jié)束之后，可以恢復(fù)測量探測器l的正常運行或者測量 探測器的測量階段，優(yōu)選地，通過添加諸如雙極脈沖的其它測量信號，以 便對測量探測器1的功能進(jìn)行監(jiān)控。
測量階段的持續(xù)時間通常是一個小時，而驗證階段消耗大約5秒。在驗證階段期間，將測量階段的前一個測量值羅列或顯示在指示器上。
緊隨雙極脈沖之后，還可以立即產(chǎn)生單極脈沖，中間可能有一個小的 時間偏移量。還可以設(shè)想，形成第一信號脈沖和與已知的雙極脈沖類似的 相反的第二信號脈沖的開端部分，并讓第二信號脈沖的末端部分按照單極 脈沖結(jié)束。
現(xiàn)在，根據(jù)本發(fā)明的方法為測量探測器狀況的精確確定提供了各種可 能性。將在驗證階段期間所確定的測量值在估測設(shè)備中與至少一個閾值或 特征圖形曲線圖進(jìn)行比較，其中，測量值可以由電荷存儲設(shè)備的部分或所 有的時間曲線所組成。如附圖中所示，估測單元由位于發(fā)射器3中的信號
估測單元PROC或者位于測量探測器中的信號處理器組成。
在估測單元中存儲為參考數(shù)據(jù)的閾值或放電圖可以表示測量探測器的 可能狀況，例如，對減少的電荷載流子遷移率的數(shù)量測量、響應(yīng)時間的值、 斜率的值、諸如玻璃破裂的玻璃膜的缺陷狀況或者測量探測器1的污染。
通過比較所測量放電曲線或者較靠后的一個或多個點，從而可以確定 用于表現(xiàn)探測器狀況的一個或更多特性或者特性的組合。
從這些數(shù)據(jù)的分析中，還可以確定針對剩余工作壽命的相應(yīng)值，或者 發(fā)出需要維護(hù)服務(wù)的信號。
在方法的優(yōu)選形式中，至少記錄并估測在第一和第二驗證階段發(fā)現(xiàn)的 狀況。例如，可以在兩個或更多驗證階段內(nèi)確定并記錄諸如響應(yīng)時間、零 點和斜率的典型的校準(zhǔn)參數(shù)。還可以記錄測量探測器的其它特性(例如， 電極的電阻)。因此，獲得測量探測器的特性的時間曲線記錄，其還具有重 要的信息內(nèi)容。例如，確定和估測這些圖的斜率。例如，各個驗證階段的 測量探測器的特性一直處于可接受的范圍內(nèi)也是可能的。根據(jù)探測器動作 中的快速變化，優(yōu)選地通過進(jìn)行推斷，因而可以確定何時不得不預(yù)測故障 或不可接受的測量性能。
當(dāng)估測測量探測器特性的記錄時間曲線時，優(yōu)選地，應(yīng)該考慮諸如溫 度和PH值的測量探測器的影響因數(shù)，從而可以確定變化是否源于與處理有 關(guān)的因數(shù)或者源于測量探測器1內(nèi)未期望的變化或問題。
具體而言，利用所測量的檢測結(jié)果來對修正因數(shù)或延遲因數(shù)進(jìn)行調(diào)整 是有利的，其中，修正因數(shù)或延遲因數(shù)是在測量階段期間為處理測量信號而使用的。如果發(fā)現(xiàn)斜率小于之前所使用的值，那么將可表示例如工藝材
料PH值的測量信號乘以大于1的權(quán)重因數(shù)，以便補償該變化。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法不僅可以檢測測量探測器狀況，還可以在無
需卸載測量探測器1的情況下自動地校準(zhǔn)整個處理系統(tǒng)。
一方面，本發(fā)明具有更少地中斷處理的效果，另一方面，使用更精確
的處理控制來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。
此外，本發(fā)明還以最少的成本實現(xiàn)。優(yōu)選地，測量信號的信號路徑，
具體地是測量探測器1所測量PH值的信號路徑，和檢測信號的信號路徑是
相同的。
能夠通過例如測量探測器的固有電容或者利用至少一個其它的電容器 來實現(xiàn)電荷存儲設(shè)備，其中，電容器既可以與電極EL固定地連接，也可以 在每次進(jìn)行檢測時切換到電路中。
在本發(fā)明的有利實施例中，可以將電荷存儲設(shè)備充電并切換到電路中， 以用于測量探測器1的驗證階段。例如，圖4的電荷存儲設(shè)備Q2可以在測 量階段期間充電，并在驗證階段開始時立即切換成對電極充電的狀況。在 這種情況下，驗證階段中的充電階段的長度為零。這就意味著在這種情況 下驗證階段的開始與電荷存儲設(shè)備的放電的開始是一致的，其中，在該時 期內(nèi)電荷存儲設(shè)備Q2與電源電壓Ub斷開。換句話說，在電源電壓Ub和
電極之間發(fā)生了切換。參考符號列表
1， la， lb, lc測量探測器
2， 2a， 2b， 2c信號傳輸連接
3， 3a, 3b估測設(shè)備(發(fā)射器)
30段耦合器
300主計算機
6工藝材料
8容器
11內(nèi)管
111玻璃膜
12外管
13外緩沖區(qū)
14內(nèi)緩沖區(qū)
15參考導(dǎo)線元件
16導(dǎo)體線元件
17溫度測量感測器
18輔助電極
19信號線
81巴氏殺菌保溫桶
82連接管
COM通信單元
C11,C12， C13,C14控制輸出終端
CU控制器單元
EL電極Iq電荷流動電流
MEM存儲器單元
OP信號處理單元
PROC信號估測單元
Ql電荷源Q2電荷存儲設(shè)備
Re電極電阻
Sl, S2， S3開關(guān)元件
S4換向開關(guān)
SQ1,SQ2信號源
Tp驗證階段
TL充電階段
Tt檢測階段
TR發(fā)射器
UB工作電壓
Ue電極電壓參考文獻(xiàn) Process Measurement Solutions Catalog 2005/06， Mettler-Toledo GmbH， CH-8902 Urdorf (參見http:〃www.mtpro.com); "Process-Analytical Systems Solutions for the Brewery", Mettler-Toledo GmbH的公司出版物，CH-8902 Urdorf,文章編號52 900 309, 2003年9月印制；美國專利No. 4,189,367;PCT申請，公開號WO 92/21962; U. Tietze, Ch. Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Semiconductor Circuit Design),第12版，Springer Verlag出版，柏林2002 年，1538頁；德國專利No.DE 10209318;JP 57199950;美國專利No. 4,468,608
權(quán)利要求
1、一種用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器(1)，尤其是PH測量探測器、氧測量探測器或CO2測量探測器的狀況的方法，所述電化學(xué)測量探測器(1)包括至少一個電極(EL)，通過所述電化學(xué)測量探測器，能夠確定工藝材料(6)的離子濃度，其特征在于將至少一個驗證階段(TP)設(shè)置成在所述測量探測器(1)的工作期間發(fā)生，其中，所述驗證階段包括充電階段(TL)，檢測階段(TT)緊接在該充電階段(TL)之后，其中，在所述充電階段(TL)期間，通過由控制器單元(CU)控制的電荷轉(zhuǎn)移對分配給電極(EL)的電荷存儲設(shè)備(Q2)充電，具體而言對電容器充電，或?qū)⒁呀?jīng)充電的電荷存儲設(shè)備(Q2)切換到電極(EL)的電路中，并在所述檢測階段(TT)開始時，具體而言通過第一開關(guān)設(shè)備(S1)，將電荷存儲設(shè)備(Q2)與電荷源(Q1)斷開，或者，如果可以應(yīng)用，將電荷存儲設(shè)備(Q2)從電源電壓斷開，并且其中，在所述檢測階段(TT)期間，對在電極(EL)上存在的電極電壓(UE)至少測量一次，據(jù)此將至少一個測量值與至少一個參考值進(jìn)行比較。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，將所述電荷存儲設(shè)備(Q2)與電極(EL)固定連接或者僅在所述驗證階段(Tp)的持續(xù)時間內(nèi)連接，和/或所述電荷存儲設(shè)備(Q2) —方面能夠出于電荷轉(zhuǎn)移的目的連接到電荷源(Ql)或者連接到電源電壓，另一方面連接到電極(EL)用于驗證階段(Tp)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述測量探測器(1)的工作期間，將至少一個測量階段設(shè)置成針對測量所述工藝材料(6)的離子濃度而發(fā)生，并且該測量階段在所述驗證階段(TV)期間中斷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述測量階段和/或驗證階段期間，將出現(xiàn)在所述電極(EL)上的電壓經(jīng)由放大器(OP)傳遞到估測單元，所述估測單元設(shè)置在測量探測器中或設(shè)置在連接到所述測量探測器的測量轉(zhuǎn)換器或發(fā)射器中。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在估測單元中，將在所述驗證階段期間所確定的測量值，或者如果可以應(yīng)用，將電荷存儲設(shè)備(Q2)的放電的部分的或整個的時間曲線與表示所述測量探測器可能狀況的至少一個閾值或特征時間曲線進(jìn)行比較，例如，所述可能狀況為減少的電荷載流子遷移率的數(shù)量測量、響應(yīng)時間的值、斜率的值、玻璃膜的缺陷狀況或者所述測量探測器(1)的污染。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，通過信號對所確定的測量探測器(1)的狀況、剩余工作壽命的相應(yīng)值或?qū)S護(hù)服務(wù)的需要進(jìn)行通信。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，將在第一和第二驗證階段中所確定的測量探測器(1)的各個狀況相互比較，并且在適當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行推斷，以便確定所述測量探測器(1)的工作壽命，還可能考慮處理的時間曲線；和/或?qū)⒃谒龅谝缓偷诙炞C階段中所確定的測量探測器(1)的各個狀況相互比較，以便發(fā)現(xiàn)指示故障的測量探測器(1)的變化。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5、 6或7所述的方法，其特征在于，將所確定的所述測量探測器(1)的狀況，尤其是斜率和響應(yīng)時間，用來調(diào)整在所述測量階段期間用于測量信號的處理所使用的修正因數(shù)或延遲因數(shù)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項所述的方法，其特征在于，在所述檢測階段(Tt)期間，對電極電壓(UE)進(jìn)行充足次數(shù)的測量，以便確定電極電壓(UE)的時間曲線的特征參數(shù)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的方法，其特征在于，在所述檢測階段(TT)之后，緊接著通過第二開關(guān)設(shè)備(S2)，尤其是通過接地連接，消除所述電荷存儲設(shè)備(Q2)的電荷。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的方法，其特征在于，在所述測量階段，通過第三開關(guān)設(shè)備(S3)，將諸如雙極脈沖的其它測量信號導(dǎo)向所述電極(EL)，以便在所述電極(EL)上進(jìn)行附加的電阻測量。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其特征在于，按照能夠改變的預(yù)定時間間隔，具體而言按照分鐘、小時或天的時間間隔，重復(fù)所述驗證階段(Tp)。
13、 一種用于監(jiān)控和/或確定電化學(xué)測量探測器(1)，尤其是PH測量探測器、氧測量探測器或C02測量探測器的狀況的設(shè)備，所述電化學(xué)測量探測器(1)包括具有至少一個電極(EL)和信號處理單元(OP)的測量探測器(1)，其中，在所述測量探測器(1)的工作期間，能夠確定與工藝材料(6)的離子濃度有關(guān)的測量量，其特征在于，所述測量探測器(1)包括屬于所述電極(EL)的并能夠通過可控的電荷轉(zhuǎn)移充電的電荷存儲設(shè)備(Q2);所述測量探測器(1)還包括用于產(chǎn)生驗證階段(TV)的控制器單元(CU),所述驗證階段包括充電階段(TL)，檢測階段(TV)緊接在該充電階段(TJ之后；所述測量探測器(1)還包括斷開設(shè)備，具體而言第一開關(guān)設(shè)備(Sl)，所述斷開設(shè)備用于在所述檢測階段(TT)開始時，將所述電荷存儲設(shè)備(Q2)與電荷源(Ql)斷幵，或者如果可以應(yīng)用，將所述電荷存儲設(shè)備(Q2)與電源電壓斷開。并且所述測量探測器(1)還包括信號線(19)，其用于將在所述檢測階段(TT)期間測量至少一次的電極電壓值(UE)傳輸給所述信號處理單元(OP)。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，能夠?qū)⑺鲭姾纱鎯υO(shè)備優(yōu)選通過第一開關(guān)設(shè)備(Sl)連接到電荷源(Ql)。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的設(shè)備，其特征在于，所述電荷存儲設(shè)備(Q2)能夠通過第二開關(guān)設(shè)備(S2)，優(yōu)選經(jīng)由接地連接，來釋放電荷。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13-15中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，能夠優(yōu)選在所述測量階段通過第三開關(guān)設(shè)備(S3)將諸如雙極脈沖的其它測量信號導(dǎo)向所述電極(EL)，以便執(zhí)行所述電極(EL)的電阻測量。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13-16中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，在所述檢測階段(TT)和/或在所述測量階段期間，對遠(yuǎn)離所述電極(EL)的電荷存儲設(shè)備(Q2)的連接器端子進(jìn)行電隔離。
全文摘要
本方法用于監(jiān)控和/或確定諸如pH測量探測器、氧測量探測器或CO₂測量探測器的電化學(xué)測量探測器(1)的狀況。所述測量探測器(1)具有至少一個電極(EL)并適于測量工藝材料(6)的離子濃度。根據(jù)本發(fā)明，在充電階段(T_L)期間，通過能夠由控制器單元(CU)控制的電荷轉(zhuǎn)移對屬于所述電極(EL)的電荷存儲設(shè)備(Q2)充電。在接下來的檢測階段(T_T)期間，對所產(chǎn)生的電極電壓(U_E)測量至少一次，并進(jìn)一步處理測量的結(jié)果。
文檔編號G01N27/416GK101568827SQ200780047732
公開日2009年10月28日 申請日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月22日
發(fā)明者J·阿曼 申請人:梅特勒-托利多公開股份有限公司