用於監控和/或確定測量探測器狀況的方法和設備的製作方法

2023-05-11 02:14:36 2

專利名稱：用於監控和/或確定測量探測器狀況的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於監控和/或用於確定電化學測量探測器狀況的測量方法和測量設備，所述電化學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：
工業處理(例如，在化學和製藥工業中、在紡織工業中、在食品和飲料工業中、在紙和纖維素的處理中或者在水處理和廢水處理領域中)的監控和控制基於通過適當的測量探測器所確定的過程變量的測量。
根據對比文件[l]] "Process Measurement Solutions Catalog, 2005/06"(瑞士烏爾多夫CH-8902，梅特勒-託利多公開股份有限公司；第8頁和第9頁)，完整的測量系統由外罩、測量探測器、線纜和測量轉換器(還稱為發射器)組成。通過外罩，測量探測器開始與待測量或監控的工藝材料接觸，例如通過將探測器浸入工藝材料中並保持在那裡。測量探測器用於測量工藝材料的具體特性。測量信號通過線纜發送到發射器，發射器與工藝控制系統進行通信並把測量信號轉換成可讀數據。根據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CH-8902,梅特勒-託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)描述了如何將適當的測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。錯誤的測量能夠導致產品缺陷並造成經濟方面的損失。
典型地，諸如PH測量探測器或氧測量探測器的電化學測量探測器受到依賴於負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在性質，並且通常導致測量探測器的測量特徵的連續變化。
這樣的變化要求按照或多或少的定期時間間隔，以運行維護的形式採取適當動作。這可能需要例如對測量探測器的清理、替換、校準，或者對測量值的誤差補償、具體評估或者修正。
現有技術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定濃度的所謂的校準液體中。接著，把電極連接到充電電容器，並確定電容器的放電速度。當影響電極的電荷總具有相同的極性時，發生單極電荷流入。該診斷程序還被稱為離線方法，它的缺點在於為了使測量探測器與校準液體接觸，需要在持久的時期內中斷主要測量功能(即，工藝材料的離子濃度的確定)。
根據DE 10209318[6]，在PH測量探測器的情況下，優選參數可以是零點、斜率以及電極的阻抗或建立時間，其中，通過優選參數能夠可靠地確定測量電極的磨損狀況。然而，與這些參數有關的測量方法的缺點在於它們僅可以在處理間斷期間執行，即， 一般在處理系統的校準期間。
具體而言，在使用大量測量探測器的工業處理系統中，這些離線診斷程序產生了昂貴的運行維護費用，並且尤其是，對維護間隔的規劃需要很多的後勤努力。結果，對於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控的處理的情況下，確定和/或監控測量探測器狀況。尤其是，會避免將測量探測器從處理系統中卸載和把測量探測器從工藝材料中取出的步驟。
現有技術提供了基於電阻測量原理的診斷方法，並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監控來確定。
在根據US 4,189，367[3]的示例中，為了對玻璃膜損壞進行檢測，通過連續的電阻測量來監控用在PH測量中的玻璃電極。在這樣的情況下，通過
控制開關設備經由電極來發送第一測量電流並測量所產生的電壓的變化。如果電極電壓的變化不匹配期望值，那麼這表示是缺陷電極。測量之後，通過電極來發送與第一檢測電流方向相反但量值和持續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於電極的影響。因此，產生了雙極激勵，其使測量探測器回到用於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於，其需要使用具有非常高的絕緣電阻的
昂貴的開關設備。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衝來產生相反方向的檢測電流。根據對比文件[5] "Halbleiter-schaltungstechnik"(半導體電路設計)(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。
利用矩形電壓脈衝的微分，第一脈衝邊沿轉換成第一檢測電流，並且第二脈衝邊沿轉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。
現有技術的在線診斷方法適於連續測量，因而適於連續監控，並適於對例如由離子敏感膜的破損、橫膈膜的汙染、導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，它們僅可以進行一般情況的並不令人滿意的診斷，具體地是測量探測器的磨損的電流狀況。

發明內容
因而，本發明的目的在於提供一種用於監控和/或確定電化學測量探測器狀況的改進方法和改進設備，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，並且其中，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
、該目的由分別具有獨立權利要求中所陳述特徵的方法和設備來實現。本發明的有益實施例在其他的權利要求中提出。
在根據本發明闡述的用於監控和/或確定電化學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，根據這些電化學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置成發生在工作(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後。在充電階段期間，通過控制器單元控制下的電荷轉移對
8分配給電極的電荷存儲設備充電，具體地是對電容器充電，或者將已經充電的電荷存儲設備切換到電極的電路中；在檢測階段開始時，通過第一開關設備，將電荷存儲設備與電荷源斷開，或者，如果可以應用，將電荷存儲設備與電源電壓斷開，並且在檢測階段期間，至少對由充電所產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。當通過將電荷存儲設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)獲得關於測量探測器狀況的重要附加信息，例如，關於離子遷移率的信息。
優選地，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，根據本發明的測量方法還可以有益地應用在大的工業處理工廠中。
將開關元件設置在電荷源和電荷存儲設備之間的優點還在於沒有直連到信號連接的開關元件。從而，可以避免開關元件產生的幹擾。此外，還可以利用有益的開關元件，例如低洩露電流、高開關速度且不易損壞的半導體，例如MOSFET元件。
本發明基於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地形成惰性氫-氧組合的觀測。因而，對於進一步地測量，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，而同時剩餘的自由的氫-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於監控和/或確定電化學測量探測器狀況的主要參數。
根據本發明，通過經由電極放電的電荷存儲設備的放電特徵來確定電極的電荷載流子的遷移率。如上所述，這种放電的速度直接地與自由電荷載流子的遷移率有關。
因此，通過測量電極的放電速度能夠可靠地確定電化學測量探測器狀況，特別是磨損的情況。
根據本發明的方法和設備不僅對測量探測器的電流狀況歸納結論，還對測量探測器的未來性能做出更精確的預測，這使得對壽命期望的估測提高或者有利於對維護周期的規劃。另一優點在於，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表現。因此，不但斜率和敏感度取決於電荷載流子的遷移率，測量探測器的建立時間或響應時間也取決於電荷載流子的遷移率。
該方法還尤其適於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於不間斷工作的要求特別高。利用根據本發明的方法，對測量探測器狀況確定的改進和進一步對特徵測量量的獲取可以識別和控制測量探測器的僅發生緩慢和/或細微變化的處理參數。
優選地，在檢測階段，電極電壓經由信號線發送到信號處理單元並被測量至少一次。在這種情況下，術語"信號線"涉及所有可能形式的導電連接，例如，銅線、導線、電路板或集成電路上的連接。
為了進一步的處理，例如，將測量結果發送到信號處理單元，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一步處理，即，在測量探測器的正常工作期間或者在後續的檢測階段中。還可能之後在例如信號估測單元、發射器或主計算機中對這些結果做進一步處理和/或分析。最後，可以通過信號估測單元或主計算機中的統計分析來確定一系列的多個測量探測器的長期性能。
在根據本發明的方法下，優選地，電荷存儲設備與電極固定地連接，或者僅在驗證階段的持續時間期間連接到電極。利用這種可切換的連接，可以對電荷存儲設備與測量階段並行地充電，從而可以使測量階段的中斷最小化。此外， 一方面出於電荷轉移的目的，電荷存儲設備可以連接到電
荷源，或者可以連接到電源電壓(如果可以應用)；另一方面連接到電極以用於驗證階段。因此，可以控制和/或定時電荷轉移。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備的流動。
在根據本發明的方法和設備的另一可能的發展中，將用於對工藝材料的離子濃度進行測量的至少一個測量階段設置成出現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。
在另一優選的實施例中，在檢測階段和/或在測量階段期間，對在遠離電極一側的電荷存儲設備的連接器端子進行電隔離。因此，電荷存儲設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，那麼僅通過開關元件的高
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行充足次數的測量來確定檢測階段期間的電極電壓的時間曲線的特徵參數。通過這些重複檢測，可以計算更多的複雜參數，並還可以提高估測結果的精確性。
在本方法的另一發展的變型中，通過第二開關設備，優選地通過接地連接來去除電荷存儲設備的電荷。這保證電荷存儲設備可能剩餘的電荷不會在測量探測器的後續工作期間影響對離子濃度的進一步測量。此外，驗證階段可以較快地終止，並且可以立即恢復正常的測量階段。優選地，這樣的電荷消除在驗證階段結束之前終止。在檢測階段期間電荷被充分耗盡的情況下，可以略去對剩餘電荷的主動去除。
在本方法的優選變型中，優選地在驗證階段之外(即，通常在測量階段期間)，通過第三開關設備將諸如雙極脈衝的附加測量信號導向電荷存儲設備。以這種方式，根據本發明的方法可以與通過電阻測量進行誤差檢測的現有技術方法進行合併。可以使用根據本發明的電荷存儲設備或者還可以使用專用於該目的的其它耦合電容器作為耦合器元件。
在根據本發明的方法中，以選擇性預定的時間間隔來重複驗證階段，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，並且將電極上來自附加電荷的負載保持相對較小。
在本發明的實施例中，電荷存儲設備可以包含在測量探測器中，或者可以設置成外部電荷存儲設備。在任一設置中，電荷存儲設備與信號源和電極的內電阻並行設置。
在本發明的另一實施例中，電荷存儲設備還可以僅在驗證階段通過開關元件切換到電路中。在這種設置中，電荷流動電流更易受電阻器限制。根據這種概念，電荷存儲設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。
在這種結構下，電荷源還可以表現出電荷存儲設備的功能，成為特別有成本效益的方案。此外，可通過適當的換向開關的形式來組合諸如第一和第三開關元件的不同開關元件。作為優選方案，可以通過信號處理單元的信號線來發送所測量的電壓，以用於進一步處理。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、多路復用器單元、處理器單元或者計算器單元。
通過用於模擬/數字轉換的元件，能夠有利地執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備中。通過數位化測量值，可以使它們隸屬於數字過程處理，該過程處理允許執行相對複雜的操作並提供用於將數據存儲在測量探測器的信號處理單元、估測設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備中，可以將測量結果與電極電壓的期望值進行比較。
能夠通過實驗和/或數學方法來確定電極電壓的期望值。出於這樣的目的，還可以使用對於未涉及的測量電極(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於出現在諸如國家或國際規範標準的規章文獻中的最大值、閾值和極限值。另外，期望值也可以由測量探測器或電極的製造者來設置。
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備來執行。上下文中的術語"計算單元"是指包括諸如模擬電路、數字電路、集成電路、處理器、計算機等的所有種類的信號處理元件。優選地，該比較器設備可以通過信號處理單元來實現，或者實現在估測單元中的信號估測單元中。
發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。優選地，這些單元通過直連來進行雙向通信，並交換指令、程序以及測量值和結果。
在本發明的優選實施例中，由通信單元來協調測量探測器和估測設備的所有活動。此外，通信單元可以與主計算機進行雙向通信，並傳輸指令、程序、操作數據、測量值和/或估測結果。
優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、特
徵數字和程序的操作數據存儲在發射器TR的存儲單元中的非易失性存儲
12器的功能。例如，可以將這些數據從主計算機發送到通信單元並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據。
最後，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備或具有前述功能的發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。
根據本發明的設備，其用於監控和/或確定電化學測量探測器狀況，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的處理量；其具有以下區別特徵測量探測器包括與電極相關聯且可通過可控制的電荷轉移得以充電的電荷存儲設備；測量探測器還包括用於產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後；並且測量探測器還包括信號線，其用於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。
根據本發明的方法還適於在無需將測量探測器從系統中移除的條件下，對包含在通過使用現有技術的CIP或SIP處理過程(適當地清理、適當地消毒)不時地被清理的處理系統中的測量探測器狀況進行確定。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，根據本發明的方法和設備的細節將變得顯而易見，其中
圖1示出了用於通過電化學探測器la、lb和lc在溶液6中測量離子濃
度的系統的主要結構；
圖2示意性地示出了浸入在工藝材料6中並連接到評測設備3的電化學測量探測器l;
圖3表示具有電極EL、電荷源Q1、電荷存儲設備Q2和控制器單元CU以及開關元件Sl、 S2和S3的測量探測器1的方框圖4表示具有併入在測量探測器1中的電荷存儲設備Q2的，本發明的另一可能實施例的方框圖5表示具有通過換向開關S4切換到測量探測器電路的電荷存儲設備Q2的，本發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備的電荷流動電流的時間曲線，以及與此對應的，與所生成的電極電壓和對定時測量的可能選擇相關的兩個時間曲線。
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，其可以通過連接管82連接到下一個處理階段的系統單元。工藝材料6的特性由通過信號傳輸設備2連接到估測設備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換器的估測設備3a、3b經由段耦合器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測量探測器的主要設計結構，其中，在單杆測量鏈結構中，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，將具有導體線元件16的玻璃電極和具有參考導線元件15的參考電極組配到一個單元中。在內管11和連接該內管的薄壁玻璃半球或玻璃膜111中的第一腔內，導體線元件16浸入在具有限定PH值的溶液中，具體地是在內緩衝區14中，其中，內緩衝區建立了在玻璃膜111的內部和導體線元件16之間建立了導電連接。在外管12內，參考導線元件15浸入在電解液中，具體地是在外緩衝區13中，外緩衝區可以經由多孔分隔壁或橫膈膜121與測量材料6進行電荷交換。
對信號源(參見圖3，信號源SQ1)的電勢進行測量，然後利用信號處理單元OP (優選地是運算放大器)對這些電勢進行進一步處理，其中，在測量期間，信號源的電勢在導體線元件16、參考導線元件15和/或輔助電極18處升高。在內緩衝區空間中，設置溫度測量感測器17，其提供了自動補償溫度效果和記錄溫度周期的可能。將在以下進一步詳細描述的信號處理單元OP包含在測量探測器1的頭部中，並經由信號導線2連接到估測設備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，圖中電壓源的內電阻以電極電阻RE來表示。例如，玻璃電極的玻璃膜表現出非常高的電阻，而參考電極的過渡電阻為相對低的電阻值。
電壓UE經由信號線19發送到信號處理單元OP以用於處理。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線2b傳輸到信號估測單元PROC。信號估測單元PROC包含在估測設備3或發射器3中，並且可以通過內連接與存儲器單元MEM和通信單元COM進行通信。之後，可以傳遞所處理和/或估測的測量結果，以用於例如處理系統的控制和監控。
估測單元3或發射器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，因而能夠交換數據、指令或程序。
通信單元COM協調測量探測器1和估測設備3的所有活動，並建立與主計算機300的通信。指令通過連接2a從通信單元COM傳輸到測量探測器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發布指令，從信號估測單元PROC接收數據，或者也可以把數據和程序存儲在存儲器單元MEM中。
控制器單元CU用作對開關元件Sl、 S2和S3的控制器元件，其通過控制輸出終端CL1、 CL2和CL3發送控制信號，從而觸發各個開關元件中的響應，其中，控制器單元CU也可以包含在信號處理單元OP中。開關元件可以配置成機械或電元件，或者配置為諸如電晶體的半導體元件。然而，也可以利用控制器單元CU來直接執行開關操作。
在測量工藝數量的測量階段的持續時間內，開關元件Sl和S2都處於打開狀況。因而在測量階段期間，這些開關元件和電荷存儲設備對工作狀況和對電極的測量結果不具有影響。
通過開關元件S3，可以在測量階段和驗證階段期間傳遞諸如雙極脈衝的其它測量信號。這些信號可以經由信號源SQ2來產生，並通過電荷存儲設備Q2或者也通過單獨的電容器耦合到電路中。因此，在開關元件S3閉合之後，現有技術中己知的電阻測量方法對於功能性故障的檢測是有效的。在驗證階段開始時，開關元件Sl閉合，而開關元件S2保持在打開位 置，以使電荷源Q1連接到電荷存儲設備Q2。之後，通過經由電荷流動電 流IQ的電荷轉移，對電荷存儲設備Q2充電。
電荷轉移可以在充電階段結束時通過打開開關元件S1而中斷。之後， 電荷存儲設備Q2直接地連接到電極EL，同時不受電荷源Q1的影響。
緊接檢測階段之後，可以通過在適當的時期內閉合開關S2，來消除電 荷存儲設備Q2的剩餘電荷。優選地，這將使電荷存儲設備Q2的電荷減少 到地電勢。
優選地，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進行測量、處理和傳遞。然而，還可能 切換到專門為了根據本發明的方法而提供的另一信號處理單元(附圖中未 示出)。
用於電荷源Ql的以及可能用於其它電路器件的電源電壓可以從工作 電壓UB中來獲取，或者從連接導線2中寄生地產生，並可以被適當地調整。
圖4示出了根據本發明的設備的又一實施例，除了將電荷存儲設備Q2 設置成電極EL內的內部元件或者該電極外的外部元件，並將其與信號源 SQ1和電極的內電阻RE並聯的情況之外，該實施例與圖3的實施例類似。 此外，將電阻器Rg置入在電荷存儲設備Ql和電極EL之間的連接中來作 為用於限制電荷流動電流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 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 部電容，例如，作為導體線元件16的或者參考導線元件15的電容。
圖5表示根據本發明的設備的另一實施例，除了電荷存儲設備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S4來實現切換。因此，開關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元件來實
16現該功能，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。
根據應用，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)可以呈現出負值、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
當前存在的電極電壓UE。
通過閉合開關元件S1，電荷源Q1連接到電荷存儲設備Q2，其中，設 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 設備Q2中的電荷增加，電荷流動電流Iq減少，並使電極電壓UE相應地增 加。信號的圖形必然遵從公知的指數形狀。
在充電階段TL結束時，通過打開開關元件S1來中斷電荷轉移。
在充電階段之後(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)對應待淘汰的測量探測器l，而快速下降 的曲線圖(虛線)對應新的測量探測器l。
此外，對應於單個測量，以十字條的形式示出可能的閾值。根據這些 值，容易確定該示例中的測量探測器l的磨損情況。
在本發明的可能實施例中，可以通過閉合第二開關元件S2來結束檢測 階段Tj。優選地，可以在驗證階段Tp結束之前終止電荷的消除。相應的放 電電荷lQ和電極電壓UE的圖形在驗證階段Tp的最後部分中示出。
在驗證階段Tp結束之後，可以恢復測量探測器l的正常運行或者測量 探測器的測量階段，優選地，通過添加諸如雙極脈衝的其它測量信號，以 便對測量探測器1的功能進行監控。
測量階段的持續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。
緊隨雙極脈衝之後，還可以立即產生單極脈衝，中間可能有一個小的 時間偏移量。還可以設想，形成第一信號脈衝和與已知的雙極脈衝類似的 相反的第二信號脈衝的開端部分，並讓第二信號脈衝的末端部分按照單極 脈衝結束。
現在，根據本發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備中與至少一個閾值或 特徵圖形曲線圖進行比較，其中，測量值可以由電荷存儲設備的部分或所 有的時間曲線所組成。如附圖中所示，估測單元由位於發射器3中的信號
估測單元PROC或者位於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據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量測量、響應時間的值、 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的汙染。
通過比較所測量放電曲線或者較靠後的一個或多個點，從而可以確定 用於表現探測器狀況的一個或更多特性或者特性的組合。
從這些數據的分析中，還可以確定針對剩餘工作壽命的相應值，或者 發出需要維護服務的信號。
在方法的優選形式中，至少記錄並估測在第一和第二驗證階段發現的 狀況。例如，可以在兩個或更多驗證階段內確定並記錄諸如響應時間、零 點和斜率的典型的校準參數。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於可接受的範圍內也是可能的。根據探測器動作 中的快速變化，優選地通過進行推斷，因而可以確定何時不得不預測故障 或不可接受的測量性能。
當估測測量探測器特性的記錄時間曲線時，優選地，應該考慮諸如溫 度和PH值的測量探測器的影響因數，從而可以確定變化是否源於與處理有 關的因數或者源於測量探測器1內未期望的變化或問題。
具體而言，利用所測量的檢測結果來對修正因數或延遲因數進行調整 是有利的，其中，修正因數或延遲因數是在測量階段期間為處理測量信號而使用的。如果發現斜率小於之前所使用的值，那麼將可表示例如工藝材
料PH值的測量信號乘以大於1的權重因數，以便補償該變化。
因此，根據本發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整個處理系統。
一方面，本發明具有更少地中斷處理的效果，另一方面，使用更精確
的處理控制來優化系統的性能。
此外，本發明還以最少的成本實現。優選地，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 來實現電荷存儲設備，其中，電容器既可以與電極EL固定地連接，也可以 在每次進行檢測時切換到電路中。
在本發明的有利實施例中，可以將電荷存儲設備充電並切換到電路中， 以用於測量探測器1的驗證階段。例如，圖4的電荷存儲設備Q2可以在測 量階段期間充電，並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備的放電的開始是一致的，其中，在該時 期內電荷存儲設備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估測設備(發射器)
30段耦合器
300主計算機
6工藝材料
8容器
11內管
111玻璃膜
12外管
13外緩衝區
14內緩衝區
15參考導線元件
16導體線元件
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電荷存儲設備
Re電極電阻
Sl, S2， S3開關元件
S4換向開關
SQ1,SQ2信號源
Tp驗證階段
TL充電階段
Tt檢測階段
TR發射器
UB工作電壓
Ue電極電壓參考文獻 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月印製；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
權利要求
1、一種用於監控和/或確定電化學測量探測器(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，所述電化學測量探測器(1)包括至少一個電極(EL)，通過所述電化學測量探測器，能夠確定工藝材料(6)的離子濃度，其特徵在於將至少一個驗證階段(TP)設置成在所述測量探測器(1)的工作期間發生，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)之後，其中，在所述充電階段(TL)期間，通過由控制器單元(CU)控制的電荷轉移對分配給電極(EL)的電荷存儲設備(Q2)充電，具體而言對電容器充電，或將已經充電的電荷存儲設備(Q2)切換到電極(EL)的電路中，並在所述檢測階段(TT)開始時，具體而言通過第一開關設備(S1)，將電荷存儲設備(Q2)與電荷源(Q1)斷開，或者，如果可以應用，將電荷存儲設備(Q2)從電源電壓斷開，並且其中，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，據此將至少一個測量值與至少一個參考值進行比較。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，將所述電荷存儲設備(Q2)與電極(EL)固定連接或者僅在所述驗證階段(Tp)的持續時間內連接，和/或所述電荷存儲設備(Q2) —方面能夠出於電荷轉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)用於驗證階段(Tp)。
3、 根據權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，在所述測量探測器(1)的工作期間，將至少一個測量階段設置成針對測量所述工藝材料(6)的離子濃度而發生，並且該測量階段在所述驗證階段(TV)期間中斷。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，在所述測量階段和/或驗證階段期間，將出現在所述電極(EL)上的電壓經由放大器(OP)傳遞到估測單元，所述估測單元設置在測量探測器中或設置在連接到所述測量探測器的測量轉換器或發射器中。
5、根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，在估測單元中，將在所述驗證階段期間所確定的測量值，或者如果可以應用，將電荷存儲設備(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徵時間曲線進行比較，例如，所述可能狀況為減少的電荷載流子遷移率的數量測量、響應時間的值、斜率的值、玻璃膜的缺陷狀況或者所述測量探測器(1)的汙染。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，通過信號對所確定的測量探測器(1)的狀況、剩餘工作壽命的相應值或對維護服務的需要進行通信。
7、 根據權利要求5或6所述的方法，其特徵在於，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，並且在適當的情況下進行推斷，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/或將在所述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，以便發現指示故障的測量探測器(1)的變化。
8、 根據權利要求5、 6或7所述的方法，其特徵在於，將所確定的所述測量探測器(1)的狀況，尤其是斜率和響應時間，用來調整在所述測量階段期間用於測量信號的處理所使用的修正因數或延遲因數。
9、 根據權利要求1-8中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述檢測階段(Tt)期間，對電極電壓(UE)進行充足次數的測量，以便確定電極電壓(UE)的時間曲線的特徵參數。
10、 根據權利要求1-9中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述檢測階段(TT)之後，緊接著通過第二開關設備(S2)，尤其是通過接地連接，消除所述電荷存儲設備(Q2)的電荷。
11、 根據權利要求1-10中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述測量階段，通過第三開關設備(S3)，將諸如雙極脈衝的其它測量信號導向所述電極(EL)，以便在所述電極(EL)上進行附加的電阻測量。
12、 根據權利要求1-11中任一項所述的方法，其特徵在於，按照能夠改變的預定時間間隔，具體而言按照分鐘、小時或天的時間間隔，重複所述驗證階段(Tp)。
13、 一種用於監控和/或確定電化學測量探測器(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備，所述電化學測量探測器(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)的離子濃度有關的測量量，其特徵在於，所述測量探測器(1)包括屬於所述電極(EL)的並能夠通過可控的電荷轉移充電的電荷存儲設備(Q2);所述測量探測器(1)還包括用於產生驗證階段(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之後；所述測量探測器(1)還包括斷開設備，具體而言第一開關設備(Sl)，所述斷開設備用於在所述檢測階段(TT)開始時，將所述電荷存儲設備(Q2)與電荷源(Ql)斷幵，或者如果可以應用，將所述電荷存儲設備(Q2)與電源電壓斷開。並且所述測量探測器(1)還包括信號線(19)，其用於將在所述檢測階段(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、 根據權利要求13所述的設備，其特徵在於，能夠將所述電荷存儲設備優選通過第一開關設備(Sl)連接到電荷源(Ql)。
15、 根據權利要求13或14所述的設備，其特徵在於，所述電荷存儲設備(Q2)能夠通過第二開關設備(S2)，優選經由接地連接，來釋放電荷。
16、 根據權利要求13-15中任一項所述的設備，其特徵在於，能夠優選在所述測量階段通過第三開關設備(S3)將諸如雙極脈衝的其它測量信號導向所述電極(EL)，以便執行所述電極(EL)的電阻測量。
17、 根據權利要求13-16中任一項所述的設備，其特徵在於，在所述檢測階段(TT)和/或在所述測量階段期間，對遠離所述電極(EL)的電荷存儲設備(Q2)的連接器端子進行電隔離。
全文摘要
本方法用於監控和/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)並適於測量工藝材料(6)的離子濃度。根據本發明，在充電階段(TL)期間，通過能夠由控制器單元(CU)控制的電荷轉移對屬於所述電極(EL)的電荷存儲設備(Q2)充電。在接下來的檢測階段(TT)期間，對所產生的電極電壓(UE)測量至少一次，並進一步處理測量的結果。
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 優先權日2006年12月22日
發明者J·阿曼 申請人:梅特勒-託利多公開股份有限公司