CN109946346B - 可清洁电导率传感器以及在液体中进行电导率测量的方法 - Google Patents

Abstract

提供了可清洁电导率传感器以及在液体中进行电导率测量的方法，该可清洁电导率传感器具有：一个远侧感测端部，其中定位有主动感测元件；以及，一个外部翅片，该外部翅片特别地被配置为在不影响对远侧感测端部的自动清洁能力的情况下使不必要的干扰最小化。一个可旋转擦拭器或刷子可以在远侧感测端部上方周期性地旋转，从而移除不必要的生物积聚并且避免污垢，从而在没有主动干预和维护的情况下增加传感器部署时间。

Description

可清洁电导率传感器以及在液体中进行电导率测量的方法

本申请是申请日为2015年11月10日、申请号为201580072761.0、名称为“可清洁平坦面的电导率传感器”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2015年2月12日提交的序列号为62/115,466和62/115,593的美国临时申请以及2014年11月10日提交的序列号为62/077,528的美国临时申请的优先权权益，在不与本文抵触的条件下，所述美国临时申请中的每个以整体引用的方式纳入本文。

发明背景

本文中提供了水质传感器以及含有测量多个水相关参数的多个传感器的仪器，特别地包括电导率传感器。所述传感器被独特地配置为具有极其高的形状因子(formfactor)，使得可以在一个能够使传感器之间的无信号空间(dead space)最小化的壳体内含有这些传感器，并且在该壳体内，个体传感器端部形成单个连续的感测表面。这在多参数探头和相关的感测方法领域中提供了许多功能益处。

电导率传感器通常依赖于电极单元，其中某些电极被小心地定位以使电极污垢最小化，电极污垢严重影响电极性能，从而影响电导率传感器的精度。由于存在这些问题，所以清洁电导率传感器是重要的，因为常规的电导率传感器的设计通常需要从感测环境移除传感器并且用温和的洗涤剂、淡水以及主动擦洗来清洁。这反映了电导率传感器在部署时不能够简单地用擦拭器来清洁这一问题。替代的是，常规的电导率传感器需要频繁的手动维护，以确保传感器清洁和精确的读数。因此，在本领域中对能够自动且可靠地清洁电导率传感器而不必从部署中移除传感器有需求。

发明内容

本文中提供了被独特配置和成形的电导率传感器，以便于在不从操作环境移除的情况下清洁传感器表面，同时维持良好的传感器性能参数。因此，本文中所描述的电导率传感器也被称为可清洁电导率传感器，以区别于常规的电导率传感器，常规的电导率传感器通常被包封以保护电极，并且常规的电导率传感器在不从操作环境移除或在不影响操作的情况下不能够很容易地被清洁。

在本文中呈现的可清洁电导率传感器对于多个传感器被设置在多参数探头内的实施方案是特别有用的，这些多参数探头包括在2014年11月10日提交的、标题为“Submersible multi-parameter sonde having a high sensor form factor”的第62/077,528号美国专利申请(代理人案号562476:128-14P US)以及2015年1月6日提交的、标题为“Multi-parameter sonde and sensor,sensor guard and brush portions”的第29/513,888号美国专利申请(代理人案号562663:133-14 US)中公开的那些多参数探头中的任何一个，所述美国专利申请中的每个以引用的方式纳入本文，包括对于所述美国专利申请中描述的多种几何结构和部件。在这样的多参数探头中包括具有可清洁表面的电导率传感器的能力提供了许多重要的功能益处。首先，可清洁电导率传感器的感测区域可以被定位在与每一其他传感器相同的平面内，这允许在不影响部署的情况下通过擦拭器或刷子在感测表面之上的自动移动来清洁电导率传感器以及每一其他传感器。位于相同平面中的感测表面允许在没有任何主动用户干预(诸如，从感测环境和/或从探头移除传感器)的情况下进行自动清洁。这是便于在最小维护或主动清洁的情况下实现持续精确的电导率读数以提供长期部署的一个重要方面。

本文中提供的电导率传感器通过使用翅片(fin)来获得这些益处，所述翅片从平面远侧感测端部延伸，具有楔形形状，诸如圆的四分之一。此外，金属传感器防护部相对于该翅片定位，具有用于流体样品接触远侧感测端部的开口，这使极为接近传感器的物体的干扰效应最小化。这些与传感器防护部构成、配置以及翅片几何结构相关的方面在本文中被更广泛地称为隔离增强部件，用以实现高精度且鲁棒的电导率测量。

本文中提供的电导率传感器具有翅片特征，并且可以被包封在一个金属传感器防护部内。这两个方面都提供保护，以免受到由极为接近传感器的物体引起的干扰，同时仍然允许很容易地进行传感器清洁。本文中描述的传感器的优势是，传感器是平坦的并且能够被清洁，但是不受由极为接近传感器的物体引起的任何外部干扰的影响。在没有特别配置的隔离设计的情况下，由于极为接近外部物体，传感器将受到显著的干扰，造成不精确的读数。

在一个实施方案中，提供了一种可清洁电导率传感器，包括一个大体上平面的远侧感测端部。该远侧感测端部包括一个顶点区域、从该顶点区域延伸到第一内部端点的第一内部端边缘，以及从该顶点区域延伸到第二内部端点的第二内部端边缘。该第一内部端边缘和该第二内部端边缘在限定顶角的方向上延伸。一个外部端边缘在该第一内部端点和该第二内部端点之间延伸。以此方式，所述边缘中的每个限定该远侧感测端部的外部边缘形状。对于直线形端部边缘，该形状是三角形的。对于直线形第一内部端边缘和第二内部端边缘以及作为圆的一部分的弧形外部端边缘，该形状将是楔形。对于45°的顶角，端部形状将是饼的四分之一。外部翅片从该远侧感测端部延伸，并且被定位为邻近于该外部端边缘的至少一部分，以限定电导率测量单元体积。多个电极具有定位在该远侧感测端部或接近于该远侧感测端部并且定位在该外部翅片和该顶点区域之间的远侧端部，并且测量该电导率测量单元体积内的电导率。

可清洁电导率传感器中的任一个还可以包括一个从远侧感测端部延伸的内部翅片，其中外部翅片和内部翅片彼此间隔开一翅片间隔距离，从而限定电导率测量单元体积。该电导率测量单元体积可以被限定为远侧感测端部的、对应于顶点区域或内部翅片(当存在时)与外部翅片的面向内的表面之间的表面面积乘以翅片高度。对于不同高度的内部翅片和外部翅片，高度可以按照内部翅片高度和外部翅片高度的平均值计算。

在一个方面，外部翅片具有定位在外部端边缘的3mm内的翅片面向外表面。在一个方面，该翅片面向外表面从该外部端边缘的至少一部分连续地延伸，以形成一个连续的面向外表面。

第一内部端边缘和第二内部端边缘中的每个从顶点延伸一径向距离，该径向距离选自大于或等于1cm且小于或等于20cm的范围。在一个方面，内部边缘的长度彼此相等，并且在约1.6cm和2cm之间，或是1.8cm。在一个方面，内部边缘的长度彼此不相等，并且被独立地选择为大于或等于1cm且小于或等于20cm。

在一个方面，外部端边缘是弧形的，诸如，具有作为圆的一部分的曲率。

在一个方面，顶角大于或等于30°且小于或等于180°，包括约45°或等于45°。以此方式，可清洁电导率传感器可以结合各自具有45°顶角的三个其他传感器组合使用，并且整体多个传感器用一个传感器防护部包封，该传感器防护部具有圆形横截面，并且在传感器的弧形外部表面和传感器防护部的内部表面之间具有小于约1mm的间隔距离。

在一个方面，远侧感测端部具有大于或等于1cm²且小于或等于20cm²的可清洁表面面积。在一个方面，该可清洁表面面积在约1cm²和3cm²之间，或为约2.1cm²。

对于本文中提供的传感器中的任一个，顶点区域可以包括一个凹口，该凹口被配置为以紧凑配合配置接收可旋转驱动轴。以此方式，传感器的远侧感测端部可以具有对应于凹口边缘的内半径和对应于弧形外部端边缘的外半径，使得半径差为约1.8cm，包括约2.0cm的外半径和2mm或更小的内半径。当与在类似构造的传感器壳体中所含有的其他传感器组合时，该凹口提供一个通道，该通道可以紧凑地容纳一个旋转轴，该旋转轴使一个附接到该轴的远侧端部的擦拭器旋转，从而清洁传感器表面，包括电导率传感器表面。

在一个方面，外部翅片和内部翅片具有对应于外部端边缘的形状的横向定向的形状，诸如，作为圆的一部分的弧形形状。该弧形形状可以在曲率半径方面进行量化，诸如，大于或等于1cm且小于或等于20cm的曲率半径，且该顶角是45°。

在一个实施方案中，远侧感测端部具有的表面形状是圆的一部分，该表面形状的可清洁表面面积与远侧感测端部表面面积的比率大于或等于70％、80％或90％。在一个方面，可清洁面积由外部翅片和内部翅片之间的表面面积限定。在一个方面，可清洁表面面积对应于一表面面积，其中与远侧感测端部物理接触的擦拭器在该表面面积上方旋转。

可以按照期望的功能性能参数限定外部翅片的尺寸，诸如，选择尺寸和/或形状以在电导率测量单元体积中提供一个电场，该电场与包封远侧感测端部的传感器防护部位置无关。以此方式，该电场与相对于穿过传感器防护部的通道关于电导率测量单元体积的位置的传感器防护部定向无关。

在一个实施方案中，可清洁电导率传感器的电极与外部翅片的内部表面间隔开一翅片-电极间隔距离。可以按照绝对值限定此间隔，诸如，在0.2cm和1.5cm之间，或在0.2cm和0.5cm之间，或约0.3cm。替代地，可以按照外部翅片高度与翅片-电极间隔距离的比率来描述该间隔，诸如，外部翅片高度和电极间距之间的比率大于或等于2.4。在一个实施方案中，按照翅片高度、限定电导率测量单元体积的一个表面的翅片表面面积、以及翅片厚度中的一个或多个来描述翅片。在一个方面，翅片高度在约0.25cm和1cm之间，或在0.5cm和0.8cm之间。对于45°饼形传感器，翅片表面面积被限定为翅片高度和0.25π*2r的乘积，其中r是从顶点区域到外部翅片(对于外部翅片表面面积)或内部翅片(内部翅片表面面积)的位置的距离。在一个方面，翅片被表征为薄壁。在一个方面，薄壁具有小于3mm、小于2mm或小于1mm的厚度。

在一个方面，外部翅片高度大于或等于1mm且小于或等于5cm，或在5mm和10mm之间，或在7.0mm和8.0mm之间。在一个方面，外部翅片高度等于内部翅片高度。替代地，外部翅片高度大于内部翅片高度。在一个方面，外部翅片表面面积大于或等于2cm²且小于或等于8cm²。在一个方面，内部翅片表面面积大于或等于0.3cm²且小于或等于2cm²。

在一个实施方案中，翅片间隔距离大于或等于0.5cm并且小于第一内部端边缘或第二内部端边缘的长度。

本文中描述的可清洁电导率传感器中的任一个还可以包括一个传感器防护部，该传感器防护部具有多个开口，以环绕远侧感测端部和外部翅片。在此上下文中，环绕是指围绕远侧感测端部的保护性包封件，但是允许流体与其中浸没有传感器的流体环境接触。这种流体接触可以通过一系列手段来实现，只要维持使远侧感测端部免受不必要的物理接触和流体进入的影响。例如，传感器防护部可以具有网格型几何结构。替代地，防护部可以由其中布置有多个流体通道的固体材料形成。在一个实施方案中，防护部由金属材料(诸如，金属材料)形成，以最小化来自定位在传感器外侧的物体的不必要的电气干扰。

在一个方面，第一翅片邻近于传感器防护部的内部表面，并且该传感器防护部包括一个或多个流体样品开口，所述一个或多个流体样品开口用于将流体样品从传感器防护部外侧的流体环境引入到电导率测量单元体积。例如，外部翅片和传感器防护部内部表面之间的防护部间隔距离可以提供一种紧凑配合，该紧凑配合大体上防止外部翅片和传感器防护部内部表面之间的生物生长。在一个方面，防护部间隔距离小于1mm或小于0.8mm。

在一个方面，可清洁电导率传感器具有的电导率测量单元体积与传感器感测体积的比率大于或等于0.0001且小于或等于0.1，包括对于约3英寸³的传感器感测体积和约0.1英寸³的电导率测量单元。

可以在一个或多个有益处的功能参数方面来进一步描述本文所描述的可清洁电导率传感器。例如，可以在不必从测量环境中移除可清洁电导率传感器的情况下和/或在无主动维护的情况下，在具有长期、高保真的电导率感测方面来描述可清洁电导率传感器。这是通过传感器远侧感测端部的、大致上平坦的特殊几何形状来实现的，除了从外部表面边缘处或略微延伸的电极处，或邻近于外部表面边缘或邻近与略微延伸的电极的远侧端延伸的特定配置的外部翅片以外。此外，避免了裂纹或其他凹处特征，裂纹或其他凹处特征难以用刷子清洁，会使得生物生长能够积聚，导致污垢和对探头维护的需要。然而，本文中提供的特定配置的传感器端部允许用擦拭器或刷子可靠的自动的清洁，该擦拭器和刷子可以在远侧传感器表面上方自动旋转，以确保通过移除污染或污垢物质来维持在电导率传感器中的电极的高性能。相反，常规的电导率传感器需要从环境中移除用于清洁，或是需要其他主动维护，诸如由个体清洁。在一个方面，在无主动维护的情况下或在不从操作环境中移除传感器的情况下，该可清洁电导率传感器可以在至少六个月的操作时间内具有在0.5％以内的测量精度。

可以将外部翅片进一步描述为使位于电导率测量单元体积外侧的物体的电导率干扰最小化。在一个方面，与不具有外部翅片的等同的可清洁电导率传感器相比，该外部翅片使电导率干扰减少了至少50％。

在一个方面，多个电极对一个传感器感测体积开放，诸如，由传感器防护部的内部表面限定的传感器感测体积。电导率测量单元体积是传感器感测体积的对应的子体积。环绕传感器防护部的流体之后经由开口或经由穿过传感器防护部的通道与传感器感测体积流体接触。

可清洁电导率传感器的多个电极中的任一个可以包括两个驱动电极和两个感测电极。所述电极中的每个可以具有一个远侧端，所述远侧端与平面远侧感测端部叠合地终止，或接近平面远侧感测端部终止。以此方式，远侧感测端部的大致上平面的配置大体上未被扰乱。类似地，可清洁电导率传感器还可以包括一个温度传感器，该温度传感器具有温度感测表面，该温度感测表面与远侧感测端部叠合或接近远侧感测端部。叠合是指一个端部所具有的远侧端部对应于由远侧感测端部所形成的平面。接近是指一个端部在由远侧感测端部所形成的平面附近，但是该端部对清洁表面的能力不会产生显著不利的影响，诸如，用能够清洁表面的擦拭器来维持期望的测量精度(例如1％内，或随着时间的逝去在0.5％内)。在一个方面，接近可以在电极或温度传感器的特征尺寸(诸如，直径或厚度)内，或可以按照绝对值进行表达，诸如，在远侧端部表面的约1.5mm或1mm内。

可清洁电导率传感器可以具有由传感器防护部的内部表面限定的传感器感测体积，所述传感器防护部包封可清洁电导率传感器，该传感器感测体积大于或等于0.5mL且小于或等于100mL。该电导率测量单元体积可以由距顶点区域的外部翅片间隔距离、外部翅片高度和外部翅片高度的长度限定。

所述可清洁电导率传感器中的任一个作为多参数探头的一部分是有用的。可清洁电导率传感器还可以包括分别终止于第一内部端边缘处和第二内部端边缘处的第一平坦面内部表面和第二平坦面内部表面。远侧感测端部可以形成圆的一部分。例如，对于四个等同成形的传感器，包括本发明所描述的电导率传感器中的一个，远侧感测端部可以是圆的四分之一。一个或多个附加传感器可以被类似地成形，使得每个附加传感器具有一个远侧感测表面、第一平坦面内部表面和第二平坦面内部表面，所述第一平坦面内部表面和第二平坦面内部表面从包括凹口的顶点区域延伸。弧形外部表面可以在一个或多个附加传感器的第一平坦面内部表面和第二平坦面内部表面之间延伸。电导率传感器和一个或多个附加传感器组合形成单个连续的感测表面，所述单个连续的感测表面在具有包括顶点区域的凹口的中心孔口的单个平面中具有圆形外部圆周。可旋转驱动轴被定位在中心孔口中，并且擦拭器被可操作地连接到所述可旋转驱动轴并且与单个连续的感测表面可旋转地接触，用于在使用期间清洁单个连续的感测表面的传感器部分以及可清洁电导率传感器的可清洁表面面积。具有传感器体积的传感器防护部在该传感器体积内并且邻近于该传感器体积含有连续的感测表面和擦拭器。

在一个实施方案中，在擦拭器方面进一步描述可清洁电导率传感器，诸如，擦拭器包括一个具有面向下的表面和面向上的表面的中心主体。下部擦拭器被连接到该面向下的表面，用于可旋转地接触单个连续感测表面的传感器部分。上部擦拭器被连接到面向上的表面，用于可旋转地接触传感器防护部的面向下的表面。下部擦拭器具有一个对应于外部翅片间隔距离的横向尺寸，并且上部擦拭器具有一个横向尺寸，以可旋转地接触大体上所有传感器防护部面向下的表面。

一个或多个附加传感器可以是在感兴趣的应用中使用的任何传感器，诸如，选自由以下组成的组的传感器：溶解氧传感器、氧还原电位传感器、pH传感器、压力传感器、浊度传感器、离子传感器、温度传感器和传感器坯件(blank)。

本文中还提供了制造或使用本文中所描述的可清洁电导率传感器中的任一个的方法。在一个方面，制造可清洁电导率传感器的方法包括以下步骤：将多个电极包封在一个楔形传感器壳体内，所述楔形传感器壳体具有一个大体上平面的远侧端部，所述楔形传感器壳体的远侧端部与所述多个电极中的每个电极的远侧端部叠合，或者接近所述多个电极中的每个电极的远侧端部。所述楔形传感器壳体具有一个对应于圆的一部分的弧形外部表面。将一个外部翅片定位为邻近于所述弧形外部表面，并且该外部翅片沿着所述弧形外部表面的横向长度的至少一部分延伸。该外部翅片从所述传感器壳体远侧端部延伸一外部翅片高度。可选地，将一个内部翅片以与所述外部翅片平行的配置定位，并且与所述外部翅片间隔开一翅片间隔距离，其中所述多个电极远侧端部被定位在所述外部翅片和所述顶点区域或所述内部翅片(当存在时)之间。所述内部翅片具有的横向长度小于所述外部翅片的横向长度，其中所述内部翅片从所述传感器壳体远侧端部延伸一内部翅片高度。将具有清洁表面的擦拭器设置成与传感器壳体远侧端部可旋转的接触，并且设置在所述外部翅片和所述内部翅片(如果存在)或所述顶点区域之间。

在一个方面，通过清洁表面相对于传感器壳体远侧端部的旋转，可旋转擦拭器被自动地从事于清洁位于第一翅片和第二翅片之间的传感器壳体远侧端部。这与主动清洁相反，主动清洁需要由用户做出的动作来清洁传感器，诸如，通过从设备中移除传感器壳体部分或中断传感器操作。

本文中还提供了一种在液体中进行精确电导率测量的方法，包括以下步骤：提供一个多参数探头，所述多参数探头包括本文中所描述的电导率传感器中的任一个以及至少一个附加传感器，其中所述传感器的主动感测元件与单个连续的远侧感测表面叠合。将擦拭器可旋转地连接到单个连续的远侧感测表面，该单个连续的远侧感测表面包括位于外部翅片和内部翅片(如果存在)或顶点区域之间的电导率传感器部分。将单个连续的远侧感测表面和擦拭器包封在具有一个或多个开口的传感器防护部内。将多参数探头插入到液体环境中，并且擦拭器在单个连续的远侧感测表面上方周期性地旋转，从而在不从液体环境中移除多参数探头的情况下来清洁单个连续的远侧感测表面。用电导率传感器测量电导率参数，以在液体中获得精确的电导率读数。

该方法还可以包括将擦拭器存储在一个存储位置的步骤，所述存储位置不干扰电导率传感器或其他传感器中的任一个的传感器读数。

在一个方面，电导率传感器性能与穿过传感器的一个或多个开口相对于电导率传感器的位置无关。

周期性地旋转步骤可以是自动的，诸如通过用户限定时间或响应于来自该多参数探头的污垢信号而发生。

不希望受任何特定理论的约束，在本文中可以有对涉及在本文中公开的设备和方法的基本原理的想法或理解的讨论。应当认识到，不论任何机械学上的解释或假设的最终正确性如何，本发明的实施方案是有效的并且是有用的。

附图说明

图1A是多参数探头的俯视立体图，其中处于传感器防护部配置的传感器防护部将多个传感器(包括一个可清洁电导率传感器)和擦拭器包封在传感器体积内。图1B是多参数探头的仰视立体图。图1C是多参数探头的侧视图。

图2是包封传感器远侧感测端部和擦拭器、同时允许流体进入传感器体积和可清洁电导率传感器的电导率传感器体积的传感器防护部和通道的特写图。可清洁电导率传感器的外部翅片被定位成邻近于面向后的通道。

图3A是图1A的多参数探头的侧视图，其中移除了传感器防护部，以示出处于邻近配置的多个传感器和一个清洁刷子，所述清洁刷子在使用期间通常被限制在传感器防护部内。图3B是多参数探头的立体图，示出了具有相对于清洁刷子的外部翅片和内部翅片的可清洁电导率传感器。

图4是图3B的远侧感测表面的特写图，包括可清洁电导率传感器的远侧感测端部，以示出翅片、电极、温度传感器、可旋转擦拭器和驱动轴的相对位置。

图5是可清洁电导率传感器的俯视图。

图6是图5的可清洁电导率传感器的立体图。

图7A-图7D是可以连接到可清洁电导率传感器用于清洁以提高传感器可靠性并且增加传感器寿命的擦拭器的例示。

具体实施方式

总之，在本文中使用的术语和短语具有它们的领域公认的含义，可以通过参考标准文本、杂志参考文献和本领域技术人员知晓的背景找到这些含义。提供了以下定义以澄清它们在本发明的背景下的特定使用。

在本发明描述的可清洁电导率传感器的上下文中，“可清洁”是指在不影响正在进行的传感器操作的情况下自动清洁传感器以维持良好的电导率传感器性能的能力。因此，“可清洁”绝对不包括为了清洁电导率传感器而必须断开操作以便维持可容忍的传感器性能的那些电导率传感器。类似地，“可清洁”不包括由人的部分做出的主动动作以通过手进入和清洁。相反，在本文中提供的特定配置允许在不必将传感器从操作环境中移除或主动干预的情况下使有效率且鲁棒的电导率传感器清洁自动化。

在远侧感测端部的上下文中，“大体上平面的”是指具有明确限定的平面的表面，但是该平面可以含有延伸出该平面的部分。例如，传感器壳体远侧端部可以形成单个平面，但是可以具有部件(诸如，电极和温度传感器)穿过的通道。那些部件可以与远侧感测端部平面齐平。然而，本发明可以容纳这些部件与该平面的偏差，诸如，延伸进或出该平面大约2mm或更小、1mm或更小、或小于0.5mm，只要可清洁性方面是最小化的并且避免了在长期使用期间伴随的精度损失。电极和/或温度传感器可以延伸出平面表面，以便确保没有凹处进到表面内。优选地避免这样的凹处，因为凹处具有难以清洁的倾向，使得可能发生生物生长和对应的污垢，和/或因为凹处是气穴可以安置的地方，潜在不利地干扰传感器测量。因此，具有一个定位在远侧感测端部的远侧端部的电极包含延伸出远侧端部表面的电极尖端，诸如，延伸一大于0mm且小于约2mm的距离，或延伸一处于0.5mm和1.5mm之间的距离。为了反映此公差，电极尖端可以是指具有与远侧感测端部“邻近”或“接近”的远侧端部或在远侧端部表面的2mm内的远侧端部。因为电极的占用面积(footprint)远小于远侧感测端部的面积，所以即使具有延伸的电极，该表面作为整体也保持被恰当地表征为大体上平面的。

“探头”是指水质监控仪器。“多参数”是指具有多个独立分立的传感器以提供多个水参数值的探头。

“独立的传感器”是指在不影响其他传感器的情况下插入或移除传感器的能力。例如，传感器中的一个可以被移除并且被替换成传感器坯件。类似地，本领域的用户可以在不影响其他传感器的情况下仅仅移除一个独立的传感器，并且将它替换成另一相同或不同的传感器。“传感器坯件”是指用于替换传感器的等同成形的物体。如果用户不需要或不使传感器连接到基座以便完全填满传感器防护部，这是有用的。

在本文中提供的设备可与一系列传感器兼容，包括测量电导率、溶解氧(DO)、氧还原电位(ORP)、pH，压力、深度、液面、浊度、多种离子(诸如，硝酸盐、铵和氯化物)的离子选择电极、温度的传感器。

“连续的远侧感测表面”是指彼此邻近放置的多个独立的传感器，以形成对于肉眼或随意的观察者来说表现为连续的单个表面。然而，本发明容许一些间隔距离，优选地小于2mm、小于1mm或小于0.5mm。在本文中以类似的方式使用紧凑配合和紧凑保持，以反映邻近的表面之间的最小空间，与具有相当大的间隙和伴随的大空隙体积的常规系统相反。因此，彼此“大体上接触”的邻近的远侧感测表面可以是指传感器之间的小于连续的远侧感测表面的表面面积的5％或小于1％的开放表面面积。

除非另有限定，否则“大体上”是指在期望值或实际值的至少20％、至少10％或至少5％内的值。因此，“大体上”包括与期望值匹配的值。

“可操作地连接”是指元件的配置，其中一个元件的动作或反应影响另一元件，但是以保持每个元件的功能的方式。例如，可操作地连接到中心支撑件的擦拭器是指在不影响互锁配置中对传感器进行支撑的中心支撑件的功能的情况下移动擦拭器的能力。

“可脱离地连接的”或“可脱离地连接”是指元件的一种配置，在该配置中，在不会不利地影响设备的其他元件的功能的情况下，元件可以暂时地且可靠地彼此连接，并且根据所期望的，可以彼此移除。

“空隙体积”是指传感器之间以及传感器与盖或传感器防护部的侧壁之间的空的空间。常规的多参数探头具有相对大的空隙体积，该空隙体积具有使得生物生长可能成为显著的问题的足够的间隔距离。本发明的设备的低空隙体积反映了所有邻近的传感器和传感器防护部的侧壁之间的紧凑配合，其中间隔距离如此小使得生物生长大体上被限制。在此方面，“大体上被限制”是指不影响长期传感器性能的最小的生长。例如，存在肉眼不可观察到的生物生长，或可观察到的生长如此微小以使得在传感器性能中没有可检测到的下降。可以在防护部的传感器接收体积的分数或百分比方面表达空隙体积。

相反，“样品体积”或“传感器体积”是指系统中的期望定位流体的那部分，诸如，用于水参数测量或传感器存储的那部分。在一个方面，例如，此体积在约20mL和100mL之间，或约40mL至50mL之间，这取决于传感器尺寸。相比之下，由于需要填充相当大的空隙体积以便确保远侧感测表面由液体覆盖，传统探头可以具有多达约二倍、三倍或一个数量级的体积。

“电导率测量单元体积”是指传感器体积中的测量电导率的一部分，其中对于在电导率测量单元体积外侧的物体，它们对电导率的影响是可忽略的。

多参数探头可以具有填充多参数探头的整个传感器空间的饼形传感器。相反，其他探头主要使用在传感器之间具有开放空间的圆形传感器。

饼形形状减小了围绕传感器的液体的体积，这具有特定的优势。第一，流动单元中的小体积的水在低流动采样(诸如，从井水)期间导致更快的测试结果。第二，校准仪器需要更少的校准溶液，这可以节省大量的资金，因为一些校准流体每升花费数百美元。

此外，饼形传感器在长时间部署之后更容易清洁，这是因为传感器彼此直接接触，这减少了与使藻类生长和使其他生物生长的生物活性水直接接触的表面面积。其他多参数探头具有展开的传感器，并且必须在传感器之间清洁生物生长。即使在延长使用周期之后，诸如，大约数周或数月之后，在本文中提供的探头不需要在传感器之间进行清洁。

在本文特别相关的是，如所期望的，可以在多参数探头中使用的可清洁电导率传感器。

参考图1A-图1C，在准备用于在浸没环境中进行感测的完全组装的配置中，多参数探头10具有布置在传感器防护部170内的多个独立的传感器20，包括可清洁电导率传感器。该探头被示出处于传感器防护部配置178中，在该配置中，具有多个流体开口174的感测端部173与传感器20的远侧感测表面30对准。每个开口174可以被分割成两个或更多个开口，诸如，被间隔开一间隔距离的一对开口，包括约2mm到2cm之间的一间隔距离。相对于传感器防护部的感测端部173，覆盖端部175被定位在近侧位置中。感测端部对应于样品体积。传感器防护部是端部开口的，其中一端部(近侧端部)通过与基座50连接而被包封，且另一端部(远侧端部)通过帽177而被包封。传感器接收体积280对应于传感器防护部170的、传感器在其中延伸的一部分，因此取决于传感器的纵向长度。感测体积173的体积可以是约40mL-50mL，或约46mL。

基座50还可以包括用于指示探头和传感器状态的显示部分52，以及用于含有其他探头部件(诸如，电源、电子器件和外部连接端口53)的基座端54。

图2是传感器防护部170、防护部通道174以及远侧感测端部的特写图，包括可通过防护部通道观察到的外部翅片410。传感器防护部的面向内部表面176与外部翅片410以及传感器的面向外表面之间存在很小的间隔距离。

在图3A-图3B中例示了移除传感器防护部170的多参数探头。多个独立的传感器20(20a 20b 20c 20d)(被示出为传感器坯件160)中的每个具有远侧感测表面30和连接到基座50的近侧端部40。可清洁电导率传感器对应于传感器20c，如通过外部翅片410示出的。如图3B中示出的，邻近的远侧感测表面彼此接触，以形成具有大体上平面表面的连续的远侧感测表面60。独立的传感器之间的配合非常紧凑，使得外部表面横截面视觉上表现为一个实心圆。因为所有邻近的传感器之间的配合是紧密的或紧凑的，所以传感器在本文中还指具有高“形状因子”，并且在从基座50和近侧端部40延伸到远侧感测表面30以及连续的远侧感测表面60的传感器之间具有最小空隙体积或无信号空间。还例示了连接到驱动轴182的远侧端部181的擦拭器180。

传感器通常可以被描述为“饼形的”，并且可以具有将传感器保持在一起的互锁特征。互锁特征可以是舌形和凹槽设计，以将所有的传感器保持到中心支撑件，该中心支撑件可操作地连接到擦拭器。这具有许多益处，包括增强抗冲击性，因为在未安装传感器防护部的情况下，互锁能够在掉落或冲击期间保护传感器。它还将传感器紧凑地保持在一起，并且使传感器防护部安装更容易。在没有互锁特征的情况下，传感器倾向于展开，并且必须被推在一起以安装紧凑配合的传感器防护部。

在图4中提供了多参数探头内的可清洁电导率传感器400的特写图。连接到大体上平面的远侧感测端部405的是外部翅片410和内部翅片420，并且多个电极430定位在外部翅片410和内部翅片420之间，所述多个电极430具有定位在外部翅片410和内部翅片420之间的远侧端部。还例示了温度传感器440和擦拭器180，所述擦拭器180被用来至少清洁可清洁电导率传感器的感测面积。

本发明的单个连续的感测表面在传感器之间没有开口空间的情况下允许传感器清洁刷子在平坦均匀的表面上擦拭。刷子和擦拭器在清洁时更加有效，因为在传感器周围不存在由于探针之间的空间所造成的偏转，如当前用市场上的常规的多参数探头所发现的。

图5是从其他传感器移除的图4的可清洁电导率传感器400的俯视图。外部翅片与内部翅片被间隔开一翅片间隔距离415。远侧感测端部的周长由顶点区域450、第一内部边缘460、第二内部边缘470和外部边缘475限定。内部边缘450、460分别从顶点区域450延伸到第一内部端点462和第二内部端点472。外部边缘在内部端点462、472之间延伸。内部边缘相对于彼此的方向限定顶角480。四个电极中的每个以及温度传感器440都被定位在电导率测量单元体积490内，以确保补偿温度并且使外部干扰最小化的精确的电导率感测。外部翅片410具有可以从面向外表面475延伸的面向外表面411(参见例如图5)。外部翅片从顶点延伸一径向距离413。

可清洁表面面积被限定为在翅片之间(如由一翅片间隔距离415指示的)并且在内部边缘460、470之间以圆周旋转连续地延伸的传感器表面的那部分。

翅片电极间隔距离510可以指用于电极的平均间隔距离。电极可以是驱动电极432和感测电极434。

图6是图5的可清洁电导率传感器的立体图，并且更好地例示了翅片410和420之间的电导率测量单元体积490以及其中定位了电极和温度传感器远侧端部的平面的远侧感测端部。外部翅片高度由箭头412例示。内部翅片高度被类似地限定。外部翅片和内部翅片可以分别具有表面面积512和522。侧面的形状更清楚地例示了被用来将多个传感器紧凑地封装在多参数探头内的配置。第一平坦面表面530终止于第一内部边缘460处。第二平坦面表面540终止于第二内部边缘470处。一个或多个附加传感器(参见例如图3A-图3B，传感器20a20b)可以与类似成形的表面以及擦拭器180和可旋转驱动轴182的结合使用，并且被包含在具有传感器体积173(参见例如图2)的传感器防护部170内。

图7A-图7D是从探头(更具体地，从探头的驱动轴)拆卸下的擦拭器180的视图。擦拭器可以具有中心主体183，该中心主体183具有面向下的表面184(图7C)和面向上的表面185(图7A)。下部擦拭器186和上部擦拭器187可以连接到相对的表面，用于清洁远侧感测表面以及探头的面向内的表面。在一个方面，擦拭器可以是刷子。所述刷子可以被配置为提供最大清洁面积，其中清洁远侧感测表面的刷子清洁较小的总体面积，这是由于存在终止于可接收地定位在擦拭器180上的接收通道191内的远侧端181中的驱动轴182。

关于引入参考文献和变型的声明

在此整个申请中引用的所有参考文献(例如，专利文件，包含公开的或授权的专利或等同文献；专利申请公布；以及非专利文献文件或其他源材料)在此以引用的方式整体纳入本文，如同以引用的方式单个地纳入，在每个参考文献至少部分地没有与此申请中的公开内容不一致的条件下(例如，通过引用纳入部分不一致的参考文献中除了该参考文献的部分不一致的部分以外的部分)。

在本文中已经采用的术语和表达被用作描述术语而非限制，且并非意在使用这样的术语和表达排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而是应认识到，在本发明要求保护的范围内可以有多种改型。因此，应理解，尽管通过优选实施方案、例示性实施方案和可选的特征具体公开了本发明，但是本领域技术人员可以采用在本文中公开的概念的改型以及变型，并且这样的改型和变型被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。在本文中提供的具体实施方案是本发明的有用的实施方案的实施例，且本领域技术人员应明了，可以使用本说明书中阐明的设备、设备部件以及方法步骤的大量变型来执行本发明。如对于本领域技术人员明显的，对本方法有用的方法和设备能够包括大量可选的组成和处理元件和步骤。

当在本文中公开了一组取代物时，应该理解，该组和所有子组的所有个体成员被分别地公开。当在本文中使用马库什组或其他组时，该组的所有个体成员和该组可能的所有组合和子组合意在被单个地包含在本公开内容中。

除非另有状况，否则在本文中描述或例示的元件的组合可以被用来实践本发明。

每当在本说明书中给出范围(例如，尺寸范围、角度范围或时间范围或数目范围)时，所有中间范围和子范围，以及包含在给定的范围内的所有单个值都意在被包含于本公开内容中。应理解，包含在本文中的描述中的在一个范围或子范围中的任何子范围或单个值能够从本文的权利要求中被排除。

在说明书中提及的所有专利和公布都指示本发明所属领域的技术人员的技术水平。在本文中引用的参考文献以整体引用的方式纳入本文，以指示自它们的公布日期或提交日期起的现有技术状况，并且如果需要，此信息意在可以被本文采用以排除现有技术中的具体实施方案。例如，当要求保护物质的组成时，应理解，申请人的发明之前的现有技术中已知的且可用的化合物(包括在本文中引用的参考文献中提供了启示公开内容的化合物)并非意在被包含在本文的物质的组成的权利要求中。

如本文中所使用的，“包含”是与“包括”、“含有”或“其特征在于”同义的，且是包含性的或开放式的，并且不排除附加、未列举的元件或方法步骤。如在本文中使用的，“由...组成”排除了权利要求元件中未指定的任何元件、步骤或要素。如本文中所使用的，术语“基本上由...组成”不排除不会实质上影响权利要求的基础和新颖特性的材料或步骤。在本文的每种情况下，术语“包括”、“基本上由...组成”和“由...组成”中的任一个可以用其他两个术语中的任一个代替。能够在缺少本文中未具体地公开的任何元件或多个元件、限制或多个限制的情况下，适当地实践在本文中例示性地描述的发明。

本领域普通技术人员将理解，可以在不采取过度实验的情况下，在本发明的实践中采用除具体示例的那些之外的材料和方法。任何这样的材料和方法的所有本领域已知的功能等同物意在被包含在此发明中。已经被采用的术语和表达被用作描述术语而非限制，且并非意在使用这样的术语和表达排除所示出的和所描述的特征或其部分的任何等同物，而且应认识到，在本发明要求保护的范围内可以有多种改型。因此，应理解，尽管通过优选实施方式和可选的特征具体公开了本发明，但本领域技术人员可以采用在本文中公开的概念的改型以及变型，并且这样的改型和变型被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (42)

1.一种可清洁电导率传感器，包括：

一个大体上平面的远侧感测端部，包括：

一个顶点区域；

第一内部端边缘，从所述顶点区域延伸到第一内部端点；

第二内部端边缘，从所述顶点区域延伸到第二内部端点，其中

所述第一内部端边缘和所述第二内部端边缘在限定顶角的方向上延伸；

一个外部端边缘，在所述第一内部端点和所述第二内部端点之间延伸；

第一平坦面表面，终止于所述第一内部边缘处；

第二平坦面表面，终止于所述第二内部边缘处；以及

多个电极，每个电极具有一个远侧端部，该远侧端部被定位成位于所述远侧感测端部处或接近所述远侧感测端部，以测量电导率，并且其中所述多个电极的所述远侧端部以及所述远侧感测端部一起形成一个大体上平面表面，所述大体上平面表面被配置用于通过沿着所述大体上平面表面的擦拭器运动进行清洁。

2.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，还包括一个外部翅片，所述外部翅片从所述远侧感测端部延伸，并且被定位成与所述外部端边缘的至少一部分邻近，以限定一个电导率测量单元体积。

3.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部翅片具有定位在所述外部端边缘的3mm内的一个翅片面向外表面。

4.根据权利要求3所述的可清洁电导率传感器，其中所述翅片面向外表面从所述外部端边缘的至少一部分连续地延伸，以形成一个连续的面向外表面。

5.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述第一内部端边缘和所述第二内部端边缘中的每一个从所述顶点区域延伸一径向距离，所述径向距离选自大于或等于1cm且小于或等于20cm的范围。

6.根据权利要求5所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部端边缘是弧形的。

7.根据权利要求6所述的可清洁电导率传感器，其中所述弧形是圆的一部分。

8.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述顶角大于或等于30°且小于或等于180°。

9.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述远侧感测端部具有一个大于或等于1cm²且小于或等于20cm²的可清洁表面面积。

10.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述顶点区域包括一个凹口，所述凹口被配置为以紧凑配合配置接收一个可旋转驱动轴。

11.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，还包括一个内部翅片，所述内部翅片从所述远侧感测端部延伸，其中所述外部翅片和所述内部翅片彼此间隔开一翅片间隔距离，以限定所述电导率测量单元体积，其中所述外部翅片和所述内部翅片具有一个对应于所述外部端边缘的形状的横向定向的形状。

12.根据权利要求11所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部端边缘具有一个弧形形状，其中所述弧形形状是圆的一部分。

13.根据权利要求12所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部端表面形状具有一个大于或等于1cm且小于或等于20cm的曲率半径，且所述顶角是45°。

14.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述远侧感测端部具有的表面形状是圆的一部分，该部分具有的可清洁表面面积与远侧感测端部表面面积的比率大于或等于80％。

15.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部翅片的尺寸被选择为在所述电导率测量单元体积中提供电场，所述电场与包封所述远侧感测端部的传感器防护部的存在与否无关。

16.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，其中：

所述电极与所述外部翅片的内部表面间隔开一翅片-电极间隔距离；

所述外部翅片具有外部翅片高度；以及

所述外部翅片高度与所述翅片-电极间隔距离的比率大于或等于2.4。

17.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，具有一个大于或等于1mm且小于或等于5cm的外部翅片高度。

18.根据权利要求11所述的可清洁电导率传感器，具有一个外部翅片高度和一个内部翅片高度，其中所述外部翅片高度等于所述内部翅片高度。

19.根据权利要求11所述的可清洁电导率传感器，具有一个外部翅片高度和一个内部翅片高度，其中所述外部翅片高度大于所述内部翅片高度。

20.根据权利要求11所述的可清洁电导率传感器，具有一个外部翅片表面面积和一个内部翅片表面面积，其中：

所述外部翅片表面面积大于或等于2cm²且小于或等于8cm²；以及

所述内部翅片表面面积大于或等于0.3cm²且小于或等于2cm²。

21.根据权利要求11所述的可清洁电导率传感器，其中所述翅片间隔距离大于或等于0.5cm，且小于所述第一内部端边缘或第二内部端边缘的长度。

22.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，还包括一个具有多个开口的传感器防护部，以环绕所述远侧感测端部和所述外部翅片。

23.根据权利要求22所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部翅片邻近于所述传感器防护部的内部表面，并且所述传感器防护部包括一个或多个流体样品开口，用于将流体样品从所述传感器防护部外侧的流体环境引入到所述电导率测量单元体积。

24.根据权利要求23所述的可清洁电导率传感器，所述可清洁电导率传感器在所述外部翅片和所述传感器防护部的内部表面之间具有一防护部间隔距离，该防护部间隔距离提供一个紧凑配合，该紧凑配合大体上防止在所述外部翅片和所述传感器防护部的内部表面之间的生物生长。

25.根据权利要求24所述的可清洁电导率传感器，其中所述防护部间隔距离小于1mm。

26.根据权利要求22所述的可清洁电导率传感器，所述可清洁电导率传感器具有的电导率测量单元体积与传感器感测体积的比率大于或等于0.0001且小于或等于0.1。

27.根据权利要求1所述的可清洁电导率传感器，其中所述大体上平面表面被配置为通过所述擦拭器运动进行清洁便于在不必将所述可清洁电导率传感器从测量环境中移除的情况下和/或在无主动维护的情况下提供长期的、高保真的电导率感测。

28.根据权利要求27所述的可清洁电导率传感器，所述可清洁电导率传感器在无主动维护的情况下在至少六个月的操作时间内具有在0.5％内的测量精度。

29.根据权利要求2所述的可清洁电导率传感器，其中所述外部翅片使来自位于所述电导率测量单元体积外侧的物体的电导率干扰最小化。

30.根据权利要求29所述的可清洁电导率传感器，其中与不具有所述外部翅片的等同的可清洁电导率传感器相比，所述外部翅片使电导率干扰减少了至少50％。

31.根据权利要求22所述的可清洁电导率传感器，其中所述多个电极向一个传感器感测体积开放。

32.根据权利要求31所述的可清洁电导率传感器，其中所述多个电极包括两个驱动电极和两个感测电极。

33.根据权利要求32所述的可清洁电导率传感器，还包括一个温度传感器，该温度传感器具有一个温度感测表面，所述温度感测表面与所述远侧感测端部叠合或接近所述远侧感测端部。

34.根据权利要求31所述的可清洁电导率传感器，其中一个传感器感测体积由包封所述可清洁电导率传感器的所述传感器防护部的内部表面限定，所述传感器感测体积大于或等于0.5mL且小于或等于100mL。

35.根据权利要求34所述的可清洁电导率传感器，其中所述电导率测量单元体积是通过距所述顶点区域的外部翅片间隔距离、外部翅片高度和所述外部翅片的长度限定的。

36.根据权利要求10所述的可清洁电导率传感器，该可清洁电导率传感器是多参数探头的一部分，并且还包括：

所述远侧感测端部形成圆的一部分；

一个或多个附加传感器，其中每个附加传感器具有：一个远侧感测表面；第一平坦面内部表面和第二平坦面内部表面，从包括凹口的顶点区域延伸；以及，一个弧形外部表面，在所述一个或多个附加传感器的第一平坦面内部表面和所述第二平坦面内部表面之间延伸；

所述电导率传感器和所述一个或多个附加传感器组合，以形成单个连续的感测表面，所述单个连续的感测表面在单个平面中具有圆形外圆周，所述单个平面具有包括所述顶点区域的所述凹口的中心孔口；

一个可旋转驱动轴，该驱动轴被定位在所述中心孔口内；

一个擦拭器，被可操作地连接到所述可旋转驱动轴并且与所述单个连续的感测表面可旋转地接触，用于在使用期间清洁所述单个连续的感测表面的传感器部分并且清洁所述可清洁电导率传感器的可清洁表面面积；以及

一个传感器防护部，具有一个含有所述连续的感测表面和擦拭器的传感器体积。

37.根据权利要求36所述的可清洁电导率传感器，其中所述擦拭器包括：

一个中心主体，具有一个面向下表面和一个面向上表面；

一个下部擦拭器，被连接到所述面向下表面，用于可旋转地接触所述单个连续的感测表面的所述传感器部分；

一个上部擦拭器，被连接到所述面向上表面，用于可旋转地接触所述传感器防护部的面向下表面；以及

其中所述下部擦拭器具有一个对应于外部翅片间隔距离的横向尺寸，并且所述上部擦拭器具有一个横向尺寸，以可旋转地接触大体上所有所述传感器防护部的面向下表面。

38.根据权利要求36所述的可清洁电导率传感器，其中所述一个或多个附加传感器选自：溶解氧传感器、氧化-还原电位传感器、pH传感器、压力传感器、浊度传感器、离子传感器、温度传感器以及传感器坯件。

39.一种在液体中进行精确的电导率测量的方法，包括以下步骤：

提供一个多参数探头，所述多参数探头包括权利要求1所述的可清洁电导率传感器以及至少一个附加传感器，其中所述可清洁电导率传感器以及所述至少一个附加传感器的主动感测元件与单个连续的远侧感测表面叠合；

将一个擦拭器可旋转地连接到所述单个连续的远侧感测表面，所述单个连续的远侧感测表面包括通过外部翅片所限定的可清洁电导率传感器部分，所述外部翅片从所述远侧感测端部延伸，并且被定位成与所述外部端边缘的至少一部分邻近；

将所述单个连续的远侧感测表面和所述擦拭器包封在一个传感器防护部内，所述传感器防护部具有一个或多个开口；

将所述多参数探头插入到液体环境中；

使所述擦拭器在所述单个连续的远侧感测表面上方周期性地旋转，从而在不从所述液体环境中移除所述多参数探头的情况下清洁所述单个连续的远侧感测表面；以及

用所述电导率传感器测量电导率参数，

从而在液体环境中获得精确的电导率读数。

40.根据权利要求39所述的方法，还包括将擦拭器存储在一个存储位置的步骤，所述存储位置不干扰电导率传感器或另外传感器中的任一个的传感器读数。

41.根据权利要求39所述的方法，其中电导率传感器性能与所述一个或多个开口相对于所述电导率传感器的位置无关。

42.根据权利要求39所述的方法，其中周期性地旋转的步骤是自动的，并且通过用户限定时间或响应于来自所述多参数探头的污垢信号而发生。

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