CN103430016B - 用于校准导电性测量单元的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于校准位于测量装置（2）中的电导率测量单元（3）的方法，所述电导率测量单元（3）利用相对于彼此以预定间隔设置在液体介质中的、被供应有交流电压的两个预定面积的电极确定液体介质、尤其是非常纯净的水的电导率，所述电导率测量单元（3）具有由间隔和电极面积预先确定的并且必须被校准的单元常数。为了能够独立于使用预定电导率和/或基准测量单元的校准标准确定该单元常数，通过在电极上施加的频率范围在1kHz-1MHz之间的交流电压探知该测量单元（3）的电容，然后根据所探知的电容和测量单元中所含的液体介质的介电常数确定单元常数。

Description

用于校准导电性测量单元的方法

技术领域

本发明涉及一种用于校准位于测量装置中的电导率测量单元的方法，所述电导率测量单元利用相对于彼此以预定间隔设置在液体介质中的、被供应有交流电压的两个预定面积的电极来确定液体介质、尤其是非常纯净的水的电导率，并且所述电导率测量单元具有由间隔和电极面积预先确定的并且必须被校准的单元常数。

背景技术

从分析和过程测量技术已知具有电导率测量单元的测量装置，该测量装置根据电导率测量原理工作，其中，在直接接触液体介质的电极上施加交流电压，和在测量装置中评价和液体介质的电导率成比例的电信号响应。DE19844489A1公开了这种确定液体的电导率的方法。在该情况下，电信号响应评价基于电导率测量单元的等效电路发生，该等效电路由至少一个电容器和与其并联连接的电阻器形成。特别为了防止干扰极化效应，电极的面积及其彼此的间隔与电导率测量单元的测量范围相匹配。该匹配通常为每个电导率测量单元传递单元常数。该单元常数受生产相关波动影响并且能够随时间函数改变，使得在给定情况下，必须校准具有这种电导率测量单元的测量装置。

为此，电导率测量单元被供应有预定电导率的校准液体，和例如使用1kHz的交流电压测量电阻。通过等效电路，根据电阻确定单元常数。为了预防测量误差，校准液体的电导率应位于将测量的液体介质的电导率范围内。尤其是在具有较小电导率，例如非常纯净的水的液体介质情况下，稳定的校准液体的提供需要相当大的努力。基准单元准确确定液体介质的电导率，因此允许通过如此获得的液体介质的电导率校准单元常数，基准单元的应用正是通过校准液体将校准努力转换至基准单元。此外，在被安装在测量容器，诸如导管中的情况下，必须提供另外的容器开口。由于在使通过校准液体进行的校准期间电导率测量单元的高温度依赖性，所以校准更困难，在校准期间，该校准另外尤其需要在将被校准的电导率测量单元和基准单元之间进行具有相应的温度稳定时间的复杂温度测量。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种校准电导率测量单元的方法，其能够在无校准标准和基准单元的情况下运用。

通过一种用于校准位于测量装置中的电导率测量单元的方法实现该目标，该电导率测量单元利用相对于彼此以预定间隔布置在液体介质中的、被供应有交流电压的两个预定面积的电极确定液体介质、尤其是非常纯净的水的电导率，该电导率测量单元具有由间隔和电极面积预先确定的并且必须被校准的单元常数，其中，通过在电极上施加的频率范围在1kHz和1MHz之间、优选地在10kHz和1MHz之间的交流电压探知液体介质中的测量单元的电容，然后根据所探知的电容和测量单元中所含的液体介质的介电常数来确定单元常数。

通过将电导率测量单元视为电容器，取决于几何实施方式，诸如平行板电容器、圆柱形电容器等等，在其中液体介质代表具有特定介电常数的电介质的情况下，根据本发明，能够产生在单元常数和电容之间的关系，该关系被记录并计算为对施加到测量装置中的电极上的交流电压的信号响应，该关系基本上独立于位于电导率测量单元中的电极之间液体介质的电导率。特别地，对于较小电导率的介质，诸如非常纯净的水和/或为了校准的液体介质的应用，其电导率，相应地介电常数，位于将被测量的液体介质的测量范围内，也就是说，作为规则，通常在所谓的在线测量的校准情况下，在任何情况下，介电常数对电导率的变化误差基本上可以忽略。因此，不需要通过基准单元进行的当前电导率的复杂测量并基于因此确定探知的电导率校准电导率测量单元，也不需要通过难以制造的校准液体对电导率测量单元进行复杂处理，在线应用中尤其如此。介电常数取决于温度。然而，介电常数的温度依赖性小于电导率的温度依赖性。为了提高精确性，能够通过补充记录的温度测量值补偿电容测量值。除了测量设备的匹配之外，在给定情况下，其对测量单元的供电电缆关联将施加的交流电压及其评价，对于测量装置，不需要另外的初步测量，所以能够使得能够以简单方式，成本有效和具有低复杂性地执行本方法。优选地，在其电导率处于将被测量的介质的电导率范围内的液体介质中执行测量。尤其有利的是在测量介质中执行测量，这是因为在该情况下，不需要进入电导率测量单元的安装，和并且能够原地、实质上是在测量操作之间执行校准。在该情况下，能够由测量装置设备自动执行校准，这是因为不需要维护人员执行人工程序。如果校准失败，相应的状态或警告报告就能够被输出至测量设备。

为了探知单元常数k，例如，具有彼此并联布置的电极的测量单元的单元常数k，根据本发明产生单元常数k的关系，该关系由电导率测量单元的电极的电极面积A和电极间隔I以已知方式产生，该电极面积A根据等效电路图相应于电容器的平行板表面，以及该电极间隔I根据等效电路图相应于电容器的平行板的板间隔，公式如下：

k=I/A    （1）

因此，对于平行板电容器，具有单元常数k的电导率测量单元的电单元电容Cz为：

C_Z=ε₀ε_R/k    （2）

其中，ε₀是真空的介电常数，ε_R是介质的介电常数。对于其他电极形状和单元几何形状，相应确定单元电容。已经发现，在该情况下，在电导率值的测量范围内，测量单元的介电常数（尤其是在非常纯净的水的情况下）充分恒定，并且与制造、供应和应用校准液体、电导率测量的温度补偿等等的情况下的校准缺陷相比，由于取决于电导率变化的介电常数变化而产生的测量误差明显更小。能够通过下列方式补偿介电常数的温度依赖性，例如，即存储探知的或模拟的测量设备中的温度依赖性，以及通过电导率测量单元中出现的温度传感器记录的温度进行补偿。

通过求解单元常数k的公式（2），能够使用直接可记录的电容以简单方式校准。已经证明在该情况下，在电极上施加100kHz的交流电压尤其有利。取决于将测量的液体介质的类型、电导率测量单元的结构、在测量设备和电导率测量单元之间的线长度以及给定情况下的另外参数，交流电压能够在从10kHz至1MHz的优选频率范围内变化。当然，当特殊需求使其延伸有利适合时，频率范围能够进一步延伸。

在电导率测量单元的明显线长和固有电容的情况下，除了单元电容C_Z以外，还能够在探知的电容中出现干扰电容C_S+C_R（图1），其由电导率测量单元的供电线电容C_S和残余电容C_R组成。根据本发明，单独确定该干扰电容，和继而例如通过从测量电容C减去该干扰电容来消除。在本方法的实施例实例中，通过在空气中的电极上施加频率范围在10kHz和1MHz之间的交流电压探知干扰电容，并且从测量电容减去该干扰电容。为此，该电导率测量单元被空载测量。在该情况下，确定液体介质中的电容和干扰电容不需要不可避免地及时、相继发生。相反，优选地，一旦测量装置开启，或者在比校准单元常数更大的时间间距中，能够发生干扰电容的确定，将干扰电容的值存储在测量设备中并经检索和处理，用于补偿在中间发生的单元常数的校准。

在空气中，与水形式的液体介质中的ε_R≈80的介电常数相比，电导率测量单元的介电常数变为ε=1，使得主要根据下列公式，根据空气中的电容C_L和水中的电容C_W的测量来确定用于根据求解k的公式（2）探知单元常数k所需的单元电容C_Z：

$C_Z=(C_W-C_L)\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r}{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}----\left(3\right)$

在本方法实施例的可替换形式中，例如当不能拆下电导率测量单元和/或将相应的长供电线用作供电电缆时，能够发生下列情况，即能够通过下列方式确定可基本上归因于在测量设备和电导率测量单元之间延伸的连接线的电缆长度的干扰电容C_S，即将连接线和电导率测量单元隔离，和将高电阻的电阻器，例如100kOhm至10MOhm，优选1MOhm的电阻器代替电导率测量单元连接到该连接线中。由于该电阻基本上无电容，所以测量电容是供电线电容C_S。从单元电容C_Z中简单地减去以该方式确定供电线电容C_S。已经证明在电导率测量单元具有显著的供电线电容C_S的情况下特别有利，当例如通过短、基本上无电容的电缆或者具有可忽略电容的电缆和设置在空气中的电极上的交变变压探知供电线电容，并且将其用于修正干扰电容时特别有利。在该情况下，例如一旦确定探知的小于0.1pF的干扰电容，就能够省略进一步修正。有利地根据下列公式（4），通过确定总电容C_mitZelle，和通过高电阻的电阻器确定连接线的供电线电容C_S，来确定电导率测量单元的单元电容C_Z：

Cz＝C_mitZelle-C_S    （4）

为了探知电导率测量单元的残余电容C_R，该残余电容记录测量装置对于电导率测量单元的影响，通过在液体介质和空气中测量电导率单元，通过短电缆特别准确地进行测量。然后根据下列公式（5）计算残余电容C_R：

$C_R=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r{C}_{0,L}-C_{0,W}}{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}---\left(5\right)$

在该情况下，C_0,W代表具有可忽略电容的短电缆的测量装置在水中的确定电容，和C_0,L代表具有可忽略电容的短电缆的测量装置在空气中的确定电容。

通过所述方法，有利地补偿单元常数在电导率单元的操作时间上的偏差，该偏差例如由下列条件产生，包括电极形状变化、在电极的嵌入材料和电极支持物之间的缺口形成等等。如果在电极上发生污染，例如脂肪膜等等，则电导率测量单元的几何尺寸及其单元常数实际上不变化。然而，不应将测量误解为电极极化的结果。因此，已经证明通过所施加频率范围在1kHz和5kHz之间的交流电压的相移来探知电极的极化是有利的。例如，如果通过超过预定相移的阈值检测到极化，则能够在电导率测量和/或在校准期间提高例如1kHz的所施加交流电压的频率。作为替换或作为补充，能够在测量设备中输出相应的状态或警告报告。

附图说明

现在将基于附图中所示的电导率测量单元的关系更详细地解释本发明，其附图如下所示：

图1是测量装置中的电导率测量单元的等效电路图；

图2是相位角度对被施加在电导率测量单元上的交流电压频率的示意图；以及

图3是电导率测量单元的阻抗对被施加在电导率测量单元上的交流电压频率的示意图。

具体实施方式

图1示出具有电导率测量单元3的测量装置2的等效电路图1，通过插头连接7和连接线4、5电导率测量单元3与测量装置测量设备6相连接。在等效电路图1中电导率测量单元3被示出为：串联连接的液体溶液的溶液电阻R_Fl和双层电容C_DS，与所述串联连接的液体溶液的溶液电阻R_Fl和双层电容C_DS并联连接的单元电容C_Z。负责通过电导率测量单元3的电极测量电导率的是溶液电阻R_Fl，其显示液体介质的电导率和例如能够为4kΩ，其在0.01cm^-1的单元常数情况下，该电阻响应对应约2.5μS/m的电导率。与单元电容C_Z相比非常大的高双层电容C_DS通过在电极表面上的充电和电荷反演过程产生，和并且在通常电极面积的情况下等于总计约100μF。单元电容Cz代表电极构造的电容，所述电极构造具有电极面积、它们彼此的间隔和在测量将被测量的液体介质、例如非常纯净的水的形式的液体介质期间，位于其间的电介质材料。从电极的几何尺寸和它们彼此的间隔获得的是电导率测量单元3的单元常数，以及结合连接所施加电介质的等效电路图1中所示的组件的介电常数，该组件作为为具有单元电容C_Z的电容器。通过根据在单元常数k和在非常纯净的水中能够等于总计约1nF的单元电容C_Z之间的公式（1）中所示的关系，单元电容C_Z的测量能够导出单元常数k而无需知道溶液电阻R_Fl。在确定单元常数的过程中，唯一涉及液体介质的是其介电常数，在预先确定的测量条件情况下，介电常数随电导率的函数的变化可忽略。

由于在双层电容C_DS和单元电容C_Z之间巨大差异总计几个数量级，所以能够通过向电极供应适当频率的交流电压来几乎无干扰地区别这两个电容。关于通过单元电容C_Z校准单元常数的干扰，以干扰电容C_S形式的电缆电容和以残余电容C_R形式的电导率测量单元3的固有电容能够是显著的。例如通过在空气中测量电导率测量单元3的相应补偿测量来消除这些电容，在空气中的情况下，介电常数明显较低，并且实际排外地确定干扰电容，并在它们确定之后将其减去，以便获得单元电容。可替换地，能够松开插头连接7，并且利用高电阻的电阻器的连接测量连接线。在该情况下，残余电容C_R处于不可忽略不计的程度，例如利用短电缆测量的2pF。

图2中的曲线图8示出在测量设备6中探知的相位角phi和交流电压频率f之间的模拟关系，通过测量设备6在例如假定分别为1nF、3nF的单元电容C_Z的电导率测量单元的电极上施加交流电压。在至多10Hz的小频率情况下，双层电容C_DS的影响是明显的。在10Hz和1000Hz之间的范围内，溶液电阻R_Fl的影响使其本身显著而基本上不影响相位角，使得优选地在该频率范围中执行电导率的测量。

在频率大于1000Hz的情况下，能够评价单元电容C_Z的影响。因而，在该频率范围中，能够发生单元电容的确定。取决于单元常数的大小，优选地在100kHz和1MHz之间选择适当的校准频率。

图3示出模拟1nF和3nF的两个单元电容C_Z时，阻抗Z对设置在图1的电导率测量单元3的电极上的交流电压频率的关系的曲线图9。在该情况下，清楚的是，在频率大于10kHz、尤其是大于100kHz的情况下，阻抗Z取决于单元电容C_Z并且因此能够被评价用于确定单元常数。

附图标记列表

1      等效电路图

2      测量装置

3      电导率测量单元

4      连接线

5      连接线

6      测量设备

7      接插头的连接

8      曲线图

9      曲线图

C_DS    双层电容

C_R     残余电容

C_S     干扰电容

C_Z     单元电容

f      频率

phi    相位角

R_Fl    溶液电阻

Z      阻抗

Claims (13)

1.一种用于校准位于测量装置(2)中的电导率测量单元(3)的方法，所述电导率测量单元(3)利用相对于彼此以预定间隔设置在液体介质中的、被供应有交流电压的两个预定面积的电极确定液体介质的电导率，所述电导率测量单元(3)具有由间隔和电极面积预先确定的并且必须被校准的单元常数，其特征在于，通过在所述电极上施加的频率范围在1kHz和1MHz之间的交流电压探知所述测量单元的电容，然后根据由测量电容探知的单元电容(C_z)和所述测量单元中所含的所述液体介质的介电常数来确定所述单元常数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述单元常数之前消除在测量电容中包含的由所述测量装置(2)引起的干扰电容(C_S+C_R)，其中所述干扰电容(C_S+C_R)由所述电导率测量单元(3)的供电线电容(C_S)和残余电容(C_R)组成。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用在空气中和水中在所述电极上施加的频率范围在1kHz和1MHz之间的交流电压来探知所述干扰电容(C_S+C_R)，并且从测量电容中减去所述干扰电容(C_S+C_R)。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用代替所述电导率测量单元(3)连接至所述测量装置(2)的连接线(4、5)的高电阻的电阻器和频率范围在1kHz和1MHz之间的交流电压来探知所述供电线电容(C_S)，并且从测量电容中减去所述供电线电容(C_S)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用具有可忽略电缆电容的短电缆和在空气中在所述电极上施加的交流电压来探知所述电导率测量单元(3)的残余电容(C_R)，并且所述残余电容(C_R)用于修正所述干扰电容(C_S+C_R)。

6.根据权利要求2至5中的一项所述的方法，其特征在于，独立于所述校准的校准循环来确定所述干扰电容(C_S+C_R)，并且将所述干扰电容存储在测量设备(6)中，用于在校准期间消除电容。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，存储探知或模拟的所述测量设备(6)中介电常数的温度依赖性，并且利用在所述电导率测量单元中出现的温度传感器记录的温度，温度依赖性被用于补偿电容测量值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述校准期间所述液体介质的电导率处于将被测量的电导率范围以内。

9.根据权利要求1至5中的一项所述的方法，其特征在于，利用施加的频率范围在1kHz至5kHz之间的交流电压的相移来探知所述电极的极化。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用施加的频率范围在1kHz至5kHz之间的交流电压的相移来探知所述电极的极化。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在检测出极化的情况下，在测量电导率期间和/或校准期间增大频率。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在检测出极化的情况下，在测量电导率期间和/或校准期间增大频率。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体介质是纯净的水。