CN102914581A - 确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器 - Google Patents

Abstract

确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器。测量变换器被实施成根据被测介质中存在的目标离子的活性来产生和输出测量信号，其中，该测量变换器在被设置用于接触被测介质的区域中具有传导目标离子的至少一个膜；其中，该测量变换器具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，第二电势感应元件的至少一个部分布置在膜的内部，而第一电势感应元件布置在内电解液中，内电解液通过膜与被测介质分离并与膜接触。

Description

确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器

技术领域

本发明涉及用于确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器。

背景技术

在实验室中或在工业过程中的环境分析和多种化学或生物方法中，被测介质中特定目标离子的活性或浓度是重要的被测变量。对于第一近似值，目标离子的活性可设置成等于稀溶液中目标离子的浓度。

离子活性测量或浓度测量的一种特殊情况是被测介质中的pH值测量或pOH值的测量。pH值对应于被测介质中H⁺离子活性的以10为底的对数取负值，H⁺离子活性可设置成等于稀溶液中H⁺离子浓度。对于第一近似值，H⁺离子活性可设置成等于稀溶液中的H⁺离子浓度。类似于pH值，对于稀溶液，pOH值定义成OH^-离子活性或OH^-离子浓度以10为底的对数取负值，以使得有良好地近似值。这两个值以水的恒定离子积而关联：

pH+pOH=14.

由pH值或pOH值开始，可因此确定关联的H⁺离子活性或OH^-离子活性和/或对应的浓度。

用于确定目标离子的活性的测量变换器（下文中也称为离子选择测量变换器或离子选择电极）通常包括具有离子选择元件（例如离子选择的固体或聚合物的膜）的测量半电池。被测介质与电势感应电极之间的平衡加瓦尼电压（equilibrium Galvani voltage）的相对变化基本上主要受特定目标离子的活性变化的影响。基于基本恒定电势的参考电势，参考半电池，例如，诸如Ag/AgCl参考电极的第二类型参考电极，可以借助于高阻抗、高精度、电压表轻而易举地确定被测介质中目标离子的活性。用作诸如离子选择测量变换器的用于表示目标离子活性的测量信号因此是测量半电池与参考半电池之间的电势差。例如，J.Koryta和K.Stulik在1983年的Cambridge University Press第61页的“Ion-selective electrodes”中或K.Cammann,H.Galster,Springer在1996年的“Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden”，（“Workingwith Ion Selective Electrodes”）中描述了离子选择电极。

最著名且最常应用的离子选择测量变换器是pH玻璃电极。玻璃电极的测量半电池通常具有管状玻璃外壳，其一端由包括pH敏感玻璃的膜闭合。管状玻璃外壳填充有内电解液，例如，包括氯化物的缓冲液，以及延伸到缓冲液中的电势感应元件，例如氯化处理的银丝。依赖于pH值的测量半电池电势形成在与测量介质接触的玻璃膜处。通常，第二类型的参考电极，例如Ag/AgCl电极或甘汞电极，用作参考半电池，其具有在容纳参考电解液的半电池空间与被测介质之间的液体接界。可在测量半电池的电势感应元件处测得的测量半电池电势和参考半电池的参考电势（其理想地独立于被测介质的pH值）之间的电势差形成了测量变换器的测量信号，并且是对被测介质的H⁺离子活性或pH值的直接测量。

虽然这样的电位测量变换器确保非常精确且可靠的测量结果且在实验室和过程分析中都很完善，但是它们有若干缺点。例如，通常在用作参考半电池的第二类型的参考电极中可能出现缺陷或降解现象，降低测量的质量。例如，参考半电池的内电解液可能泄露或干涸；第二类型的参考半电池通过其与被测介质接触的液体接界可能由于固体而变得被阻塞，尤其是难溶解盐；或者，电极有毒物可能经由液体接界而渗入参考半电池中。通常来说，在实践中，这样的参考半电池的电势倾向于漂移，即经受缓慢的、但稳定变化的参考电势。扩散电势和流送电势也可导致错误。

在实施为玻璃电极的pH选择测量变换器中，非常薄的pH感应玻璃膜制造复杂并且对操作尤其敏感。玻璃的破裂可能产生碎片，碎片可能进入被测介质。如果被测介质是例如药物或食品技术工艺中生产的产品或中间产品，则在这种玻璃碎裂的情形中，被测介质必须被丢弃，以防止产品中的碎片对最终消费者构成危险。

由于pH感应玻璃膜的低传导率，因此额外需要在非常高的阻抗下测量测量变换器的引线之间的电势差。该情形可能导致测量的不稳定性和测量值不准确。由于形成玻璃膜的玻璃的高电阻系数，因此限于小型化pH玻璃电极，因为随着玻璃膜面积的减小，测量半电池的阻抗总是变得更大。因此，一直需要一种具有更鲁棒的测量变换器来确定pH值、或pOH值的替代测量方法。

发明内容

鉴于现有技术的上述特征，本发明的目的是提供一种用于确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器，相比于现有技术已知的测量变换器，这种测量变换器更容易小型化，具有改善的机械和/或化学稳定性并由此拥有对于目标离子良好的选择性。

通过实施成根据被测介质中存在的目标离子的活性来产生和输出测量信号的测量变换器来实现该目标，

其中，该测量变换器在被提供用于接触被测介质的区域中具有传导目标离子的至少一个膜，例如，聚合物膜；

并且其中，该测量变换器具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，第二电势感应元件的至少一部分布置在膜的内部，而第一电势感应元件布置在内电解液中，内电解液通过膜与被测介质分离并与膜接触。

第一电势感应元件和第一电势感应元件之间测量到的电势差可用作测量信号。因此，该测量变换器没有常规的具有流体接界的参考半电池并从而避免先前描述的缺点。

优选地，膜是选择性传导目标离子的聚合物膜。目标离子传导膜被理解成一种例如聚合物膜的膜，该膜对目标离子的传导性比它对被测介质中存在的其他离子的传导性高至少10倍，优选高至少100倍，特别优选高至少1000倍。

目标离子的示例包括H⁺、OH^-、Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、Cl^-。例如，膜可以实施为质子传导聚合物膜或实施为氢氧根离子传导聚合物膜。该情形中，聚合物膜可包括H⁺离子和/或OH^-离子传导聚合物，特别是选择性传导聚合物。

例如在上面提到的J.Koryta和K.Stulik在1983年的CambridgeUniversity Press第61页的“Ion-selective electrodes”中或K.Cammann,H.Galster,Springer在1996年的“Das Arbeiten mit ionenselektivenElektroden”（“Working with Ion Selective Electrodes”）中已知用于阳离子Na⁺、K⁺、NH₄ ⁺和用于阴离子NO₃ ^-、Cl^-以及其他阳离子和阴离子的离子选择性聚合物膜。

已知研究了质子传导和氢氧根离子传导聚合物，尤其结合燃料电池的发展。例如，日本的Tokuyama公司（Tokuyama Corporation,Tokyo,Japan）同时提供了用于燃料电池中的选择性H⁺离子传导聚合物膜以及选择性OH^-离子传导聚合物膜，如可从2011年2月Tokuyama公司的产品手册“DMFC Membrane and Ionomer Solution”以及Tokuyama公司的2011年2月的“Anion Conductive Membrane andIonomer Solution”看到的。

大量的出版物也涉及了质子传导聚合物，尤其用于燃料电池。例如，在Prepr.Pap.-Am.Chem.Soc.,Div.Fuel Chem.2004,49(2),596的X.-G.Sun等人的文章“New polymeric proton conductors for water-freeand high temperature fuel cells”中描述了一种具有以下骨架的质子传导体，其中，借助于柔性侧链将用作质子溶剂的例如咪唑基团和例如氟代烷基磺酰亚胺（fluoroalkylsulfonylimide）基团的酸基团的基团结合到该骨架。

DE102004023586A1描述了一种具有聚硅氧烷基本结构的质子传导交联含杂原子的聚硅氧烷（heteropolysiloxane），包括磺酸基酸基团和/或羧基基团，在每一种情形中，其经由有机间隔基结合到聚硅氧烷基本结构的特定硅（Si）原子，以及环中包含氮的芳香杂环，在每一种情形中，其经由包括酰胺官能基团的有机间隔基结合到聚硅氧烷基本结构的特定Si原子，或环中包括氮的芳香杂环，在每一种情形中，其经由有机间隔基结合到聚硅氧烷基本结构的特定Si原子。包括这些材料的质子传导膜区别在于高质子传导率、非常好的化学阻抗、低气体渗透性和高温度稳定性。

这些和其他质子离子或氢氧根传导聚合物可用作用于本发明的测量变换器的膜的材料。

聚合物膜比已知的电位pH玻璃电极的H⁺选择性玻璃膜的机械稳定性更高。因此，例如，它们可有利地应用在用于pH测量的电位测量变换器中，而不是pH玻璃电极的玻璃膜，由此显著地降低了测量操作中和处理测量变换器中对测量变换器的机械损坏的危险。此外，聚合物膜通常比用于pH玻璃电极中已建立的玻璃膜具有更高的离子传导性。这导致不以高阻抗通过测量变换器输出必须测量的电势，对测量信号的稳定性和对干扰的灵敏性有正面影响。

在实施例中，其中膜是选择性质子传导的，该膜包括质子传导聚合物，其是无水聚合物质子传导体并具有基本聚合结构，包括例如用作质子溶剂的至少一个氨基化合物功能团和/或至少一个醚官能基团的基团通过侧链，尤其是柔性侧链结合到该基本聚合结构。用作质子溶剂的基团可包括例如芳香杂环，尤其是咪唑、苯并咪唑、或吡唑。该实施例中，酸基团可经由侧链、尤其是柔性侧链补充地结合到基本聚合结构。附加的酸基团为质子导体提供可移动的质子；它们因此用作传导聚合物的掺杂。酸基团可包括例如磺酸基酸基团和/或羟基基团。

测量变换器可以例如实施为电位探针，该测量变换器具有外壳，该外壳围绕容纳pH缓冲的且优选地含有卤素离子的内电解液的内空间并由膜在用于浸入被测介质的区域中密封。其中，第二电势感应元件的至少一个部分布置在质子离子或氢氧根离子传导膜的内部，以产生并输出依赖于例如被测介质中的H⁺或OH^-的目标离子的活性和/或浓度的电势；

其中，例如银丝的第一电势感应元件布置在pH缓冲内电解液中，以产生并输出相对于时间基本恒定的电势。

在该实施例中，用作测量信号的也是测量到的第一电势感应元件与第二电势感应元件之间电势差。测量变换器还可实施成从该电势差来推导信号，例如数字信号，并将该推导出的信号输出作为测量信号。

该测量变换器可具有用于记录内电解液和/或膜的特性的至少一个附加测量传感器。例如该附加测量传感器可记录内电解液的温度和/或传导率。还可设置附加的测量传感器来记录膜的电阻抗或膜阻抗。

测量变换器和在给定情形中附加的测量传感器可连接到评估电路。该评估电路可以实施成接收测量变换器和在给定情形中附加的测量传感器的测量信号并将该信号输出到上级单元，例如，测量发射器、可编程逻辑控制器、计算机、处理控制系统或其它数据处理器。该评估电路可尤其实施成在输出到上级单元之前处理从测量变换器接收到的测量信号，例如将模拟信号放大和/或转换成数字信号。该评估电路可相应地匹配通过膜输送的电荷载体类型，即阳离子或阴离子。

内电解液优选地含有例如氯化物离子的溶解的卤素离子，其中第一电势感应元件包括溶解在内电解液中的卤素离子的难溶盐。由此，确保可在第一电势感应元件处测得基本独立于被测介质的目标离子含量且随时间基本恒定的电势。内电解液可例如包含浓度3mol/l的溶解氯化钾，且电势感应元件可形成为氯化处理的银丝，即具有包括难溶氯化银涂层的银丝。

第二电势感应元件可包括嵌入膜中的第一部分和导电连接到第一部分并与膜和内电解液电绝缘的第二部分。为了增加膜与第二电势感应元件的第一部分之间的接触表面，第一部分可例如实施为弯曲形、螺旋形、环或栅格。在第二电势感应元件与第一电势感应元件的第二部分之间测得第一电势感应元件与第二电势感应元件之间的电势差。

测量布置可包括上面所述实施例中的一个或多个测量变换器。测量布置此外可包括测量电路或可连接到测量电路，测量电路实施成接收由至少一个测量变换器发出的测量信号，在给定情形中，以处理该信号并将该信号输出到上级单元，例如计算机、测量发射器、可编程逻辑控制器或处理控制站、或/和例如显示器的用户界面。一个或多个测量变换器的测量信号的处理可以是例如放大、滤波、积分或将模拟信号转换为数字信号。

在具体实施例中，测量布置可包括第一电位测量变换器和第二电位测量变换器，第一电位测量变换器具有H⁺离子传导的、布置在被设置成用于接触被测介质的区域中的第一膜，第二电位测量变换器具有OH^-离子传导的、布置在被设置成用于接触被测介质的区域中的第二膜。该测量布置允许通过彼此比较由两个测量变换器传递的测量信号来检查测量布置的功能并利用两个测量信号来用于测量布置的预知性维修。上面提到的感知中，第一膜优选地是选择性传导H⁺离子，而第二膜优选地是选择性传导OH^-离子。

例如，第一测量变换器可具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，第二电势感应元件布置在第一膜的内部中，以产生并输出依赖于在被测介质中存在的H⁺离子或OH^-离子的活性的电势，而第一电势感应元件布置在pH缓冲的内电解液中，该内电解液通过第一膜与被测介质分离并与该膜接触，以产生并输出随时间基本恒定的电势，并且其中，测量布置实施成根据由第一测量变换器测量的第一电势感应元件与第二电势感应元件之间的电势差来确定第一pH值和/或第一pOH值。第二测量变换器可具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，第二电势感应元件布置在第二膜的内部中，以产生并输出依赖于被测介质中存在的H⁺离子或OH^-离子的活性的电势，而第一电势感应元件布置在pH缓冲的内电解液中，该内电解液通过第二膜与被测介质分离并与第二膜接触，以产生并输出随时间基本恒定的电势，并且其中，测量布置实施成根据由第二测量变换器测量的第一电势感应元件与第二电势感应元件之间的电势差来确定第二pH值和/或第二pOH值。

如上所述，pH缓冲的内电解液优选地含有例如氯化物离子的溶解的卤素离子，其中第一电势感应元件包括溶解在内电解液中的卤素离子的难溶盐。由此，确保可在第一电势感应元件处测得基本独立于被测介质的目标离子含量且随时间基本恒定的电势。内电解液可例如含有浓度为3mol/l的溶解氯化钾且对应的电势感应元件可呈银丝形式或氯化处理银丝。

第一测量变换器的第二电势感应元件和第二测量变换器的第二电势测量元件可包括嵌入在膜中的第一部分和导电连接到第一部分并与膜和内电解液电绝缘的第二部分。为了增加膜与第二电势感应元件的第一部分之间的接触表面，第一部分可例如实施成具有高表面面积，例如实施成弯曲形、螺旋形、环或栅格。在第二电势感应元件的第二部分与第一电势感应元件之间记录的电势差用作相应测量变换器的测量信号。

在该测量布置的一个实施例中，第一膜可包括选择性质子传导聚合物而第二膜可包括选择性氢氧根传导聚合物。

可通过设置成使得第一测量变换器的内电解液具有与第二测量变换器的内电解液的pH值不同的pH值来实现测量布置的测量范围的扩大。为了实现该扩大的测量范围，具有质子传导膜的第一测量变换器的内电解液的pH值优选地大于具有氢氧根传导膜的第二测量变换器的pH值。例如，第一测量变换器的内电解液可具有pH值10，而第二测量变换器的内电解液可具有pH值4。

附图说明

现在将基于附图中示出的实施例的实例在下文中更详细地描述本发明，所述附图示出如下：

图1是用于测量表示被测介质中目标离子活性的测量变量的电位测量变换器；

图2是通过示例示出图1的具有H⁺离子传导膜的测量变换器的膜的内部的电势的曲线图；

图3是通过示例示出图1的具有OH^-离子传导膜的测量变换器的膜的内部的电势的曲线图；

图4是具有第一电位测量变换器和第二电位测量变换器的测量布置，第一电位测量变换器具有用于测量表示被测介质中H⁺活性或OH^-活性的测量变量的质子传导膜，第二电位测量变换器具有用于测量表示被测介质中H⁺活性或OH^-活性的测量变量的氢氧根传导膜；

图5是示出图4中图示的测量布置的第一测量变换器和第二测量变换器的测量信号的曲线图；以及

图6是具有集成在芯片中的第一电位测量变换器和集成在芯片中的第二电位测量变换器的测量布置，第一电位测量变换器具有质子传导膜，而第二电位测量变换器具有氢氧根传导膜。

具体实施方式

图1示出具有用于测量目标离子活性或表示目标离子活性的测量变量的电位测量变换器400的测量布置的示意表示。目标离子的示例包括H⁺、Na⁺、K⁺或NH₄ ⁺或阴离子OH^-、NO₃ ^-或Cl^-中的一种。如果目标离子是H⁺，则表示H⁺活性的测量变量可以是例如pH值。测量变换器400不需要传统的参考半电池。

测量变换器400包括外壳450，外壳容纳内电解液410。内电解液410可以是例如含有浓度为3mol/l的KCl的pH缓冲液。例如，圆筒形外壳450在设置用于接触测量介质M的区域通过目标离子传导膜10来密封。

第一电势感应元件420延伸到内电解液410中。电势感应元件420可包括例如氯化处理银丝，并从而与含有KCl的内电解液一起形成Ag/AgCl参考系统。第二电势感应元件440具有第一部分，第一部分由例如铂的导电材料的栅格430形成。栅格430嵌入膜10中。通过将栅格430嵌入膜10中，栅格430同时与内电解液410以及围绕膜侧的被测介质M、测量变换器400的端部区域空间隔离开，即栅格430既不直接接触内电解液410也不直接接触被测介质M。栅格430可例如夹在两个膜层之间。栅格430通过第二电势感应元件440的第二部分导电连接到测量电路403，其中，该第二部分由导电体形成，例如金属丝，例如铂丝。导电体借助于电绝缘体460与内电解液410和膜10空间隔离开并电隔绝，电绝缘体460例如为玻璃管或合成材料（例如塑料）护套。

根据目标离子的类型来选择膜。已知用于确定上面提到的阳离子或阴离子中的一个的活性的一系列聚合物膜。这些聚合物膜选择性地传导上述定义中的这些离子中的一种。

在下文中描述实施例实例，其中膜是质子传导的或氢氧根离子传导的。当然，这些实施例实例中描述的测量变换器也可通过使用对于具体目标离子具有相对应的——优选是选择性的——传导率的膜而应用于测量其它阳离子或阴离子的活性。

在这里描述的实例中，膜10选择性地是质子传导聚合物膜，使得测量变换器可适于在被测介质M中H⁺活性的测量或从H⁺活性推导的pH值的测量。在替代实施例中，膜也可包括选择性的氢氧根传导聚合物，以确定被测介质M的pOH值。

为了测量被测介质M的pH值，测量变换器400的端部区域（其至少包括膜10）浸入被测介质M中。在第一电势感应元件420与第二电势感应元件440之间形成电势差，这一方面依赖于电解液410的pH值的差异，而另一方面依赖于被测介质M的pH值的差异。原因在于从膜10的内侧到外侧，即从膜10的背离被测介质M的侧到膜10的与被测介质M接触的侧形成的H⁺离子浓度或活性的梯度。第一电势感应元件420与第二电势感应元件440之间的电势差形成测量变换器的测量信号。

测量电路403导电连接到两个电势感应元件420和440，并实施成将经由信号输出端404输出从电势感应元件420与440之间的电势差推导出的信号U。

图2示出用于被测介质在pH值0与pH值14之间的不同pH值的选择性质子传导膜10的内部的电势。横坐标画出膜中的相对位置，其中相对位置0对应于膜10的表面上的与被测介质M接触的点，而相对位置1对应于膜10的背离被测介质M的表面上的与内电解液410接触的点。在这里描述的实例中，内电解液410的pH值是pH10。这里基于H⁺浓度或活性的跨越膜的线性梯度经由理论考虑来确定电势。在真实的膜材料中，梯度不一定要线性延伸。

在这里示出的实例中，栅格430大致布置在位置0.5处，即在膜10的中间（参见图1）。从图2中示出的曲线图中，可以看到，在膜10的横截面的中心相对位置的情形中，电势主要依赖于被测介质M的pH值，只要该值小于内电解液410的pH值。

图3示出具有图1所示结构的测量变换器的膜的内部的电势，其中，膜10是用于被测介质的不同pH值的氢氧根离子传导膜，而不是质子传导膜。这些pH值选择成在0至14之间，其中，在这里示出的实例中，内电解液具有pH值4。在这样的情形中，如图2曲线图所示，采用跨越膜的OH^-浓度或OH^-活性的线性梯度。在横坐标画出膜中的相对位置，其中相对位置0对应于该膜的表面上的与被测介质M接触的点，而位置1对应于该膜的背离被测介质M的表面上的与内电解液接触的点。

如可从图3所示曲线图中看到的，在该膜的横截面中中心相对位置处，电势主要依赖于被测介质的pH值，只要其大于内电解液的pH值。

对于具有图1所示的结构的测量变换器，为了实现尽可能大的测量范围，对于选择性H⁺传导膜应用中的内电解液，因此合理的是选择高pH值，尤其是等于或大于pH10。在图1所示类型的电位测量变换器中选择性OH^-传导膜的应用中，对于内电解液，选择低pH值，尤其是等于或小于pH4。

借助于具有图1所示结构的具有质子传导膜的第一测量变换器和具有相同结构但具有氢氧根传导膜的第二测量变换器的测量布置，可提供相比于仅具有这些测量变换器之一的测量来说提高的测量范围，如下面将描述的。

图4示出具有第一电位测量变换器400和第二电位测量变换器500的测量布置的示意图。两个测量变换器400、500都实施成用于表示被测介质中H⁺含量或OH^-含量的测量变量的测量，其中，第一测量变换器400具有质子传导膜10，而第二测量变换器500具有氢氧根传导膜20。

与图1所描述的测量变换器400相同地实施第一测量变换器400。测量电路403记录电势感应元件420与440之间的第一电势差U₁并将该电势差或从该第一电势差U₁推导的信号经由测量电路403的信号输出端404发送到上级单元MT。上级单元MT可以是测量发射器。

第二量变换器500具有与测量变换器400相同的结构，即，第二测量变换器包括外壳550，其在选择用于浸入被测介质M的区域中由膜20密封。膜20是OH^-离子传导膜，其可例如通过选择性地氢氧根离子传导聚合物来形成。外壳容纳内电解液510，内电极夜510可以是含有卤素盐的pH缓冲水溶液。内电解液510可以是例如含有浓度为3mol/l的KCl的缓冲液，其中pH值为4。电势感应元件520（其可例如包括氯化处理银丝）延伸到内电解液510中，以形成Ag/AgCl参考系统。

测量变换器500的第二电势感应元件540具有第一部分，第一部分实施成导电栅格530，包括例如嵌入膜20中的铂。栅格530通过膜同时与内电解液和围绕测量变换器端部区域的被测介质M空间隔离。电势感应元件540还具有导电连接到栅格530的第二部分，第二部分可例如包括铂丝，该铂丝通过例如小玻璃管或塑料护套的隔离器与内电解液510空间隔离并电绝缘。第二测量变换器503产生从电势感应元件520与540之间的电势差推导的第二测量信号U2并经由其信号输出端504将该信号发送到上级单元MT。

如果测量变换器400和500的包括膜10或20的特定区域浸入被测介质，则跨膜10和20形成电势梯度。这依赖于相应内电解液与被测介质之间的pH值差异。在内电解液410的pH值为10的情形中，图2示出第一测量变换器400的膜10的内部对于被测介质M的不同pH值的电势。在内电解液510的pH值为4的情形中，图3呈现了第二测量变换器500的膜20的内部对于被测介质M的不同pH值的电势。

优选地，第一测量变换器400的内电解液410的pH值选择高的pH值，尤其是大于或等于pH 10，而第二测量变换器的内电解液510的pH值优选地选择低的pH值，尤其是小于或等于pH 4。上级单元MT记录第一测量变换器400和第二测量变换器500的测量信号U₁和U₂。由此，在被测介质M的pH值范围在pH4与pH10之间时，可借助于两个测量变换器来实现pH值的双确定。这允许监视测量布置的功能性以及预知性维修。

从图4所示的布置可提供与仅用一个测量变换器测量相比扩大的测量范围。图5举例示出电位测量变换器400和500的根据被测介质M的pH值的测量信号（电势感应元件之间的电势差）的曲线，其中，电势感应元件440和540分别记录膜10和膜20中相对位置0.5区域中的电势。如可从图中看到的，在0至4之间的pH值范围内，测量变换器400的测量信号可用于确定pH值。在4至10之间的pH值范围内，两个测量信号可用于确定pH值，其中，在该区域中，可通过比较使用两个测量信号确定的pH值来检查测量布置的功能性。在10至14之间的pH值范围内，可从测量变换器500的测量信号来确定pH值。

图6示出图4所示的测量布置的小型化实施例的示意性纵向横截面。该实施例可例如以芯片形式制造。测量布置600包括两个电位测量变换器400’、500’，其集成在共享的平台610中，例如注模塑料芯片。平台610包括第一空腔，第一空腔填充有内电解液420，例如，具有大于或等于10的pH值的pH缓冲3M KCl溶液。借助于贴合到平台610的膜10来将使空腔密封液体，使得内电解液接触膜10的面向空腔的表面并由膜10限制从空腔泄露。膜10选择性地是质子传导的。延伸到内电解液中的是第一电势感应元件410，例如，氯化处理的银丝，第一感应元件借助于例如延伸穿过平台610和在平台610的表面上延伸的一个或多个导电迹线中至少一种连接到测量电路603，测量电路603优选地也布置在平台610上。测量电路603可以替代地也与610分开布置。第二电势感应元件440’具有嵌入膜10中的栅格430，例如，包括铂。栅格430借助于在容纳内电解液420的空腔外部的穿过平台610的接触引线而导电连接到测量电路603。

平台610还包括第二空腔，第二空腔填充有内电解液520，例如，具有小于或等于4的pH值的pH缓冲3M KCl溶液。借助于贴合到平台610的膜20来使空腔密封液体，使得内电解液520接触膜20的面向空腔的侧，但由膜20限制从空腔泄露。膜20包括氢氧根传导聚合物。第一电势感应元件510（例如氯化处理银丝）延伸到内电解液520中。第二电势感应元件540具有如图4所述的嵌入膜20中的栅格530，例如，同样包括铂。栅格530通过在容纳内电解液520的空腔外部的接触引线穿过平台610而导电连接到测量电路605。第一电势感应元件510也连接到测量电路605。可借助于穿过平台610的通孔引线和/或借助于布置在平台610的表面上的导电迹线来实施电势感应元件510和540到测量电路605的连接。测量电路605优选地布置在平台610上。然而，它还可布置成至少部分与平台610分离。平台610可特别实施为芯片或微芯片。

两个测量电路603和605实施成分别记录连接到它们的它们的两个电势感应元件410、440与510、540之间的电势差，并经由它们的信号输出端604和605将这些电势差或通过进一步处理从其推导的信号、测量信号输出到例如上级单元。

Claims (14)

1.一种测量变换器，所述测量变换器被实施成根据被测介质中存在的目标离子的活性来产生和输出测量信号，

其中，所述测量变换器在被设置用于接触所述被测介质的区域中具有传导所述目标离子的至少一个膜，

其特征在于，所述测量变换器具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，所述第二电势感应元件的至少一个部分布置在所述膜的内部，而所述第一电势感应元件布置在内电解液中，所述内电解液通过所述膜与所述被测介质分离并与所述膜接触。

2.如权利要求1所述的测量变换器，

其中，所述测量变换器具有用于记录所述内电解液和/或所述膜的特性的至少一个附加测量传感器。

3.如权利要求1或2所述的测量变换器，其中，所述膜是选择性地传导所述目标离子的聚合物膜。

4.如权利要求1至3中一项所述的测量变换器，其中，所述测量变换器实施成电位探针。

5.如权利要求1至4中一项所述的测量变换器，其中，所述测量变换器被实施成输出作为测量信号的所述第一电势感应元件与所述第二电势感应元件之间的电势差或从所述电势差推导的信号，尤其是数字信号。

6.如权利要求1至5中一项所述的测量变换器，其中，所述内电解液是pH缓冲的。

7.如权利要求1至6中一项所述的测量变换器，其中，所述内电解液含有已知浓度的目标离子。

8.如权利要求1至7中一项所述的测量变换器，其中，所述内电解液含有溶解的卤素离子，并且其中所述第一电势感应元件包括溶解在所述内电解液中的卤素离子的难溶盐。

9.如权利要求1至8中一项所述的测量变换器，其中，所述第二电势感应元件具有第一部分和第二部分，所述第一部分例如形成为嵌入所述膜中的栅格、环、螺旋形或弯曲形，所述第二部分导电连接到所述第一部分并与所述膜和所述内电解液电绝缘。

10.一种测量布置，包括如权利要求1至9中一项所述的一个或多个测量变换器。

11.如权利要求10所述的测量布置，

包括第一电位测量变换器和第二电位测量变换器，所述第一电位测量变换器具有布置在被设置用于接触所述被测介质的区域中的H⁺离子传导聚合物膜，尤其是选择性H⁺离子传导聚合物膜，所述第二电位测量变换器具有布置在被设置用于接触所述被测介质的区域中的至少一个OH^-离子传导第二聚合物膜，尤其是选择性OH^-离子传导第二聚合物膜。

12.如权利要求11所述的测量布置，

其中，所述第一测量变换器具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，所述第二电势感应元件的至少一个部分布置在所述第一聚合物膜的内部中，以使得产生并输出依赖于所述被测介质中存在的H+离子的活性的电势，而所述第一电势感应元件布置在pH缓冲的内电解液中，该内电解液通过第一膜与所述被测介质分离并与所述第一膜接触，以产生并输出随时间基本恒定的电势，并且其中，所述测量布置被实施成根据所述第一测量变换器的所述第一电势感应元件与所述第二电势感应元件之间的测量到的电势差或从该电势差推导的信号来确定第一pH值和/或第一pOH值；以及

其中，所述第二电位测量变换器具有第一电势感应元件和第二电势感应元件，其中，所述第二电势感应元件布置在第二膜的内部中，以使得产生并输出依赖于所述被测介质中存在的H⁺离子的活性的电势，而所述第一电势感应元件布置在pH缓冲的内电解液中，该内电解液通过所述第二膜与所述被测介质分离并与所述第二膜接触，以产生并输出随时间基本恒定的电势；并且其中，所述测量布置被实施成根据所述第二测量变换器的所述第一电势感应元件与所述第二电势感应元件之间的测量到的电势差或从该电势差推导的信号来确定第二pH值和/或第二pOH值。

13.如权利要求12所述的测量布置，

其中，所述第一测量变换器的内电解液具有不同于所述第二测量变换器的内电解液的pH值的pH值，尤其是所述第一测量变换器的内电解液具有小于所述第二测量变换器的内电解液的pH值的pH值。

14.如权利要求10至13中一项所述的测量布置，

其中，一个或多个测量变换器被集成在一个部件中，尤其是单一部件，尤其是在芯片上。

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