DE10117627A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Konzentration von Ionen in einer Messflüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Konzentration von Ionen in einer Messflüssigkeit

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine symmetrisch beschaltete Vorrichtung (11) und ein Verfahren zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit (12). Die Vorrichtung (11) umfasst eine in der Messflüssigkeit (12) angeordnete pH-sensitive Messelektrode (13), eine in der Messflüssigkeit (12) angeordnete Referenzelektrode (14) und eine in der Messflüssigkeit (12) angeordnete Bezugselektrode (15), die die Messflüssigkeit (12) auf eine vorgebbare Bezugsmasse legt. Außerdem umfasst die Vorrichtung (11) Mittel (16) zum Bilden eines auf die Bezugsmasse bezogenen Differenzsignals aus der Differenz zwischen einem Messsignal (phipH) der Messelektrode (13) und einem Referenzsignal (phiref) der Referenzelektrode (14). Das Differenzsignal ist abhängig von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit (12). Um trotz kleiner Versorgungsspannungen von elektrischen Bauteilen der Vorrichtung (11), insbesondere bei Versorgungsspannung von unter 4 V, dennoch eine genaue und zuverlässige Messung der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit (12) mit der symmetrisch beschalteten pH-Messvorrichtung (11) zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung Kompensationsmittel (20) zum Kompensieren eines Störpotentials (phichem) umfasst, das sich zwischen der Bezugselektrode (15) und der Messflüssigkeit (12) einstellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine symmetrisch beschaltete Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit. Die Vorrichtung umfasst eine in der Messflüssigkeit angeordneten pH-sensitive Messelektrode, eine in der Messflüssigkeit angeordnete Referenzelektrode, eine in der Messflüssigkeit angeordneten Bezugselektrode, die die Messflüssigkeit auf eine vorgebbare Bezugsmasse legt, und Mittel zum Bilden eines auf die Bezugsmasse bezogenen Differenzsignals aus der Differenz zwischen einem Messsignal der Messelektrode und einem Referenzsignal der Referenzelektrode. Das Differenzsignal ist abhängig von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)- Ionen, in einer Messflüssigkeit. Im Rahmen des Verfahrens wird von einer in der Messflüssigkeit angeordneten pH-sensitiven Messelektrode ein Messsignal und von einer in der Messflüssigkeit angeordneten Referenzelektrode ein Referenzsignal aufgenommen. Die Messflüssigkeit wird von einer in der Messflüssigkeit angeordneten Bezugselektrode auf eine vorgebbare Bezugsmasse gelegt. Aus der Differenz zwischen dem Messsignal und dem Referenzsignal wird ein auf die Bezugsmasse bezogenes und von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit abhängiges Differenzsignal gebildet.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Speicherelement für eine Steuerungseinheit einer Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit. Auf dem Speicherelement ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere einem Mikroprozessor, der Steuerungseinheit ablauffähig ist. Das Speicherelement ist insbesondere als ein Read-Only-Memory, als ein Random-Access- Memory oder als ein Flash-Memory ausgebildet.
Messvorrichtungen der eingangs genannten Art werden üblicherweise zur Messung des pH-Werts einer Messflüssigkeit verwendet. Der pH-Wert wird von einer Vielzahl in der Messflüssigkeit gelöster Inhaltsstoffe bestimmt, bspw. von der Konzentration der H+-Ionen oder der OH--Ionen.
Aus dem Stand der Technik sind Messvorrichtungen zum Messen der Ionenkonzentration in einer Messflüssigkeit in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. So kann der pH- Wert einer Messflüssigkeit über unsymmetrisch beschaltete Messketten oder über symmetrisch beschaltete Messketten erfasst werden. Die unsymmetrisch beschaltete Messkette umfasst eine an einer in der Messflüssigkeit angeordnete Bezugsmasse anliegende Referenzelektrode und eine in der Messflüssigkeit angeordnete pH-sensitive Messelektrode, bspw. eine Glaselektrode oder Halbleiterelektrode. An dem Ausgang der Messelektrode wird ein auf die Bezugsmasse bezogenes Messsignal erfasst. Das Messsignal ist abhängig von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte symmetrisch beschaltete Vorrichtung zum Messen der Ionenkonzentration ist in Fig. 2 in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine in einer Messflüssigkeit 2 angeordnete pH-sensitive Messelektrode 3, eine in der Messflüssigkeit 2 angeordnete Referenzelektrode 4 und eine in der Messflüssigkeit 2 angeordnete Bezugselektrode 5. Durch die Bezugselektrode 5 wird die Messflüssigkeit 2 auf eine vorgebbare Bezugsmasse GND gelegt. Die Vorrichtung 1 umfasst des weiteren einen Subtrahierer 6 zum Bilden eines auf die Bezugsmasse GND bezogenen Differenzsignals UpH aus der Differenz zwischen einem Messsignal ϕpH der Messelektrode 3 und einem Referenzsignal ϕref der Referenzelektrode 4. Das Differenzsignal UpH ist abhängig von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit 2 bzw. dem pH-Wert der Messflüssigkeit 2. Das Messsignal ϕpH und das Referenzsignal ϕref sind als Potentiale ausgebildet. Sie werden jeweils über einen als Impedanzwandler oder Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker 7, 8 geführt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 6 wird ebenfalls über einen als Impedanzwandler oder Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker 9 geführt. Die Operationsverstärker 7, 8, 9 dienen zur Gleichtaktunterdrückung, d. h. zur Verringerung der Störanfälligkeit der Vorrichtung 1. Ein üblicher Operationsverstärker weist eine Gleichtaktunterdrückung von etwa 80 bis 90 dB auf. Das bedeutet, dass bei einem angenommenen zulässigen Fehler am Ausgang eines Operationsverstärkers von 1 mV, am Eingang eine Spannungsschwankung von bis zu 10 V auftreten kann.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zum Messen des pH-Werts einer Messflüssigkeit, werden Spannungsschwankung bspw. durch elektrochemische Störpotentiale, die sich zwischen der Bezugselektrode und der Messflüssigkeit einstellen, oder durch sonstige z. B. auf die Meßleitung eingekoppelte Störungen, hervorgerufen. Die Größe eines Störpotentials ist abhängig von dem verwendeten Materials der Bezugselektrode und von der Zusammensetzung der Messflüssigkeit. Die Bezugselektrode besteht bspw. aus Edelstahl oder aus Tantal. Das Störpotential addiert sich auf das Messsignal und das Referenzsignal gleichermaßen. Durch die bei der symmetrischen Beschaltung vorgesehene Differenzbildung wird das Störpotential eliminiert, so dass es sich nicht auf das Ausgangssignal der Vorrichtung auswirkt. Das Störpotential führt jedoch zu einem Anstieg der in den Spannungsfolgern zu verarbeitenden einzelnen Potentiale. Das Störpotential geht direkt in den Aussteuerbereich der Spannungsfolger für die beiden Potentiale und in den nachfolgenden Subtrahierer ein. Der elektrochemische Offset kann bis zu +/-1,4 V betragen, in Extremfällen sogar bis zu +/-2,8 V.
Mit der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen im allgemeinen geht, insbesondere zur Reduzierung der Abwärme von aktiven Bauteilen, auch eine Verringerung der Versorgungsspannung einher. Moderne ASICs (Application Specific Integrated Circuits) z. B. werden inzwischen mit Versorgungsspannungen betrieben, die bei Vcc = 3 V liegen oder sogar darunter. Bei diesen Schaltungen ist auch der Gleichtaktbereich auf +/-3 V begrenzt. Wenn ein Störpotential bzw. ein elektrochemischer Offset im Bereich der Versorgungsspannung liegt, kann es im Verlauf der Messung des pH-Werts zu einem Überschreiten des Gleichtaktbereichs kommen. Eine Eingangsschaltung ist dann nicht mehr in der Lage, die Differenzspannung linear zu übertragen und es kann zu erheblchen Messabweichungen kommen. Zusätlich kann des Messsignal die Ansteuergrenze erreichen und einfach auf einen bestimmten Wert, bspw. 3 V, abgeschnitten werden. Für den Fall, dass eine analoge Subtrahierschaltung die Differenz der beiden Potentiale bildet, kann ein nachfolgendes Meßinstrument oder ein nachfolgender A/D-Wandler keinen Unterschied zwischen einem kleiner werdenden pH-Wert und einem Abschneiden (sog. Clipping) der Potentiale erkennen. Eine Messung ist nicht mehr möglich.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, trotz kleiner Versorgungsspannungen von elektrischen Bauteilen, insbesondere bei Versorgungsspannung von unter 4 V, dennoch eine genaue und zuverlässige Messung des pH-Werts in einer Messflüssigkeit mit einer symmetrisch beschalteten pH- Messvorrichtung zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden für die Messvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß Kompensationsmittel zum Kompensieren eines Störpotentials vorgeschlagen, das sich zwischen der Bezugselektrode und der Messflüssigkeit einstellt.
Mit Hilfe der Kompensationsmittel kann einer entscheidenden Ursache für das Clipping, nämlich dem Erreichen einer Versorgungsspannungsgrenze, entgegengewirkt werden. Die Kompensation des Störpotentials kann dadurch erfolgen, dass ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential auf das negative Störpotential eingestellt wird. Alternativ kann die Kompensation aber auch dadurch erfolgen, dass eine Summe aus Bezugspotential und Störpotential derart eingestellt wird, dass das Referenzsignal oder das Messsignal zu Null wird. Da die Aussteuerung der Bezugselektrode bis zur negativen Versorgungsspannungsgrenze erfolgen kann und das Messsignal und das Referenzsignal bis an die positive Versorgungsgrenze gehen kann, kann der Gleichtakterfassungsbereich durch die vorliegende Erfindung nahezu verdoppelt werden, ohne eine Änderung an der Spannungsversorgung vornehmen zu müssen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsmittel ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential in Abhängigkeit von dem Störpotential einstellen. Das an der Bezugselektrode tatsächlich anliegende Potential ergibt sich aus der Summe des Bezugspotentials und des Störpotentials. Vorzugsweise wird das Bezugspotential auf das negative Störpotential geregelt. Gemäß dieser Weiterbildung kann das Bezugspotential so eingestellt werden, dass das Störpotential kompensiert wird und an der Bezugselektrode im Idealfall tatsächlich nur ein Bezugspotential von 0 V (Ground) anliegt.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsmittel ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential derart einstellen, dass das Referenzsignal einen vorgebbaren Wert annimmt. Vorteilhafterweise stellen die Kompensationsmittel das Bezugspotential derart ein, dass das Referenzsignal den Wert Null annimmt. Das Referenzsignal wird vorzugsweise auf den vorgebbaren Wert geregelt, indem des Bezugspotential in Abhängigkeit von dem Störsignal variiert wird.
Zum Regeln des Referenzsignals wird vorgeschlagen, dass die Kompensationsmittel ein Reglerelement zum Regeln eines an der Bezugselektrode anliegenden Bezugspotentials auf einen vorgebbaren Sollwert umfassen, wobei das Referenzsignal als Istwert und der Sollwert an dem Reglerelement anliegen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Reglerelement als ein Operationsverstärker ausgebildet ist, an dessen nicht-invertierenden Eingang das Referenzsignal, an dessen invertierenden Eingang die Bezugsmasse und an dessen Ausgang das Bezugspotential anliegt.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass ein Störpotential, das sich zwischen der Bezugselektrode und der Messflüssigkeit einstellt, kompensiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential in Abhängigkeit von dem Störpotential eingestellt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential derart eingestellt wird, dass das Referenzsignal einen vorgebbaren Wert annimmt. Das Bezugspotential wird vorteilhafterweise derart eingestellt, dass das Referenzsignal den Wert Null annimmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein an der Bezugselektrode anliegendes Bezugspotential in Abhängigkeit von dem Referenzsignal als Istwert und einem vorgebbaren Sollwert geregelt wird.
Von besonderer Bedeutung ist die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Form eines Speicherelements, das für eine Steuerungseinheit einer Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit vorgesehen ist. Dabei ist auf dem Speicherelement ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät, insbesondere einem Mikroprozessor, der Steuerungseinheit ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. In diesem Fall wird also die Erfindung durch ein auf dem Speicherelement abgespeichertes Computerprogramm realisiert, so dass dieses mit dem Computerprogramm versehene Speicherelement in gleicher Weise die Erfindung darstellt wie das Verfahren, zu dessen Ausführung das Computerprogramm geeignet ist. Als Speicherelement kann insbesondere ein elektrisches Speichermedium zur Anwendung kommen, bspw. ein Read-Only- Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Ionenkonzentration in einer Messflüssigkeit;
Fig. 2 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zum Messen einer Ionenkonzentration in einer Messflüssigkeit;
Fig. 3 eine Steuerungseinheit für die Vorrichtung nach Fig. 1; und
Fig. 4 ein Blockdiagramm einer mit einem erfindungsgemäßen Messverfahren realisierten Regelung.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung 1 zum Messen einer Ionenkonzentration in einer Messflüssigkeit 2 ist anhand der Fig. 2 in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben. Die Messvorrichtung 1 dient zur Messung des pH- Werts in der Messflüssigkeit 2. Der pH-Wert wird von einer Vielzahl in der Messflüssigkeit 2 gelöster Inhaltsstoffe bestimmt, bspw. von der Konzentration der H+-Ionen oder der OH--Ionen.
Bei der bekannten Vorrichtung 1 werden aufgrund von elektrochemischen Störpotentialen zwischen einer Bezugselektrode 5 und der Messflüssigkeit 2 die in Spannungsfolgern 7, 8 und 9 zu verarbeitenden Signale ϕpH und ϕref und ein Ausgangssignal aus einem Subtrahierer 6 um ein sich einstellendes Störpotential ϕchem angehoben. Das Störpotential ϕchem kann im Bereich von etwa +/-1,4 V, in Extremfällen sogar im Bereich von +/-2,8 V, liegen. Aufgrund des Störpotentials ϕchem kann es bei geringen Versorgungsspannungen, insbesondere bei Versorgungsspannungen von weniger als 4 V, dazu kommen, dass die Signale ϕpH, ϕref und/oder das Ausgangssignal aus dem Subtrahierer 6 die Versorgungsspannungsgrenze erreichen und einfach abgeschnitten werden (sog. Clipping). Für den Fall, dass eine analoge Subtrahierschaltung die Differenz der beiden Potentiale ϕpH, ϕref bildet, kann ein nachfolgendes Meßinstrument oder ein nachfolgender A/D-Wandler keinen Unterschied zwischen einem kleiner werdenden pH-Wert und einem Abschneiden der Potentiale ϕpH, ϕref erkennen. Eine Messung ist dann nicht mehr möglich.
Zur Vermeidung dieser Probleme bei niedrigen Versorgungsspannungen wird eine in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Messvorrichtung 11 vorgeschlagen. Die Vorrichtung 11 umfasst eine in einer Messflüssigkeit 12 angeordnete pH-sensitive Messelektrode 13, eine in der Messflüssigkeit 12 angeordnete Referenzelektrode 14 und eine in der Messflüssigkeit 12 angeordnete Bezugselektrode 15. Die Messelektrode 13 wird auch als pH-Halbzelle und die Referenzelektrode 14 als Referenzhalbzelle bezeichnet. Die Bezugselektrode 15 wird auch als Potential-Ausgleichs-Leitung (PAL) bezeichnet. Durch die Bezugselektrode 15 wird die Messflüssigkeit 12 auf ein vorgebbares Bezugspotential gelegt.
Die Vorrichtung 11 umfasst des weiteren einen Subtrahierer 16 zum Bilden eines auf die Bezugsmasse bezogenen Differenzsignals UpH aus der Differenz zwischen einem als Potential ausgebildeten Messsignal ϕpH der Messelektrode 13 und einem ebenfalls als Potential ausgebildeten Referenzsignal ϕref der Referenzelektrode 14. Durch die Differenzbildung können Störeinflüsse eliminiert werden, so dass sie sich nicht auf das Differenzsignal UpH auswirken. Dadurch ergibt sich eine hohe Störunempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 11. Das Differenzsignal UpH ist abhängig von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit 12 bzw. dem pH- Wert der Messflüssigkeit 12. Das Messsignal ϕpH und das Referenzsignal ϕref sind als Potentiale ausgebildet. Sie werden jeweils über einen als Impedanzwandler oder Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker 17 und 18 geführt. Das Ausgangssignal des Subtrahierers 16 wird ebenfalls über einen als Impedanzwandler oder Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker 19 geführt. Die Operationsverstärker 17, 18, 19 dienen zur Gleichtaktunterdrückung, d. h. zur Verringerung der Störanfälligkeit der Vorrichtung 11.
Bei der Vorrichtung 11 aus Fig. 1 wird ein an der Bezugselektrode 15 anliegendes Bezugspotential ϕbez in Abhängigkeit von dem Störpotential ϕchem derart geregelt, dass das Referenzsignal ϕref den Wert Null annimmt. Dazu weist die Vorrichtung 11 ein als Operationsverstärker 20 ausgebildetes Reglerelement auf, an dessen nicht-invertierenden Eingang (+) das Referenzsignal ϕref, an dessen invertierenden Eingang (-) die Bezugsmasse GND und an dessen Ausgang das Bezugspotential ϕbez anliegt.
Das Bezugspotential ϕbez wird also gegenläufig zu dem elektrochemischen Störpotential ϕchem nachgeregelt. Dadurch kann der Ursache des Clipping, nämlich das Erreichen der Versorgungsspannungsgrenze der Operationsverstärker 17, 18 und 20 infolge eines durch das Störpotential ϕchem verursachten Potentialanstiegs des Messsignals ϕpH, des Referenzsignals ϕref und des Ausgangssignals des Subtrahierers 16, wirksam entgegengewirkt werden. Zur Regelung des Bezugspotentials ϕbez wird das Referenzpotential ϕref an der Referenzelektrode 14 als 0 V definiert. Das Referenzpotential ϕref wird als Istwert dem nicht-invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 20 zugeführt. Als Sollwert von 0 V liegt an dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers 20 eine Bezugsmasse GND an. Der Ausgang des Reglerelements 20 betreibt die Bezugselektrode 15.
Während des Betriebs der Vorrichtung 11 stellt sich an dem elektrischen Anschluß der Bezugselektrode 15 das Potential so ein, dass der elektrische Anschluß der Referenzelektrode 14 auf 0 V liegt. Damit steht an dem Anschluß der Messelektrode 13 ein idealerweise offsetfreies pH-proportionales Messsignal ϕpH zur Verfügung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 kombiniert die Vorteile einer symmetrisch beschalteten Messzelle (hohe Störunempfindlichkeit) mit den Vorteilen einer unsymmetrischen Messzelle (geringer benötigter Messbereich).
Da die Aussteuerung der Bezugselektrode 15 bis zur negativen Versorgungsspannungsgrenze erfolgen kann, und das Messsignal ϕpH bzw. das Referenzsignal ϕref bis an die positive Versorgungsspannungsgrenze gehen kann, wird der Gleichtakterfassungsbereich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 nahezu verdoppelt ohne eine Änderung an der Spannungsversorgung vornehmen zu müssen.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 11 ergibt sich das Ausgangssignal UpH aus der Differenz des Messpotentials ϕpH und des Referenzpotentials ϕref. Das an dem Operationsverstärker 17 anliegende tatsächliche Messpotential ϕpH und das an dem Operationsverstärker 18 anliegende tatsächliche Referenzpotential ϕref ergeben sich wiederum aus den Gleichungen:
ϕpH = ϕ'pH + ϕbez + ϕchem
ϕref = ϕ'ref + ϕbez + ϕchem,
wobei ϕ'pH und ϕ'ref die gemessenen Potentiale sind. Nach dem Stand der Technik ist das Bezugspotential ϕbez gleich 0 V (Ground GND), so dass sich die tatsächlichen Potentiale aus der Summe der gemessenen Potentiale und dem Störpotential ergeben. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Bezugspotential ϕbez auf den negativen Wert des Störpotentials ϕchem zu regeln, so dass sie sich gegenseitig eliminieren und die tatsächlichen Potentiale ϕpH und ϕref den gemessenen Potentialen ϕ'pH und ϕ'ref entsprechen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Bezugspotential ϕbez auch auf den negativen Wert der Summe aus Störpotential ϕchem und gemessenem Referenzpotential ϕ'ref zu regeln, so dass das tatsächliche Referenzpotential ϕ'ref auf den Wert Null geregelt wird.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Speicherelement für eine Steuerungseinheit der Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in der Messflüssigkeit 2 vorgeschlagen. Die Steuerungseinheit ist in Fig. 1 durch eine gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 21 symbolisch eingezeichnet. In Fig. 3 ist der Aufbau der Steuerungseinheit 21 im Prinzip dargestellt. Die Steuerungseinheit 21 hat die Eingänge ϕchem, ϕref und ϕpH und liefert das Ausgangssignal UpH. Das Speicherelement ist mit dem Bezugszeichen 22 bezeichnet. Auf dem Speicherelement 22 ist ein Computerprogramm abgespeichert, das auf einem Rechengerät 23, insbesondere einem Mikroprozessor, der Steuerungseinheit 21 ablauffähig und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Messverfahrens geeignet ist. Das Speicherelement 22 ist bspw. als ein Read-Only-Memory, ein Random-Access-Memory oder ein Flash-Memory ausgebildet.
In Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren realisierten Regelung dargestellt. Der Sollwert ist mit GND bezeichnet. Das gemessene Referenzsignal ϕref wird als Istwert herangezogen. Die Regeldifferenz GND-ϕref wird dem Regler 20 zugeführt, der eine entsprechende Stellgröße ϕbez generiert. Diese wird der Regelstrecke 11 zugeführt, auf die auch das Störpotential ϕchem wirkt. In der Regelstrecke 11 stellt sich dann eine entsprechende Regelgröße ϕref ein.

Claims (12)

1. Symmetrisch beschaltete Vorrichtung (11) zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit (12), mit einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten pH-sensitiven Messelektrode (13), einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten Referenzelektrode (14), einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten Bezugselektrode (15), die die Messflüssigkeit (12) auf eine vorgebbare Bezugsmasse legt, und Mitteln (16) zum Bilden eines auf die Bezugsmasse bezogenen Differenzsignals aus der Differenz zwischen einem Messsignal (ϕpH) der Messelektrode (13) und einem Referenzsignal (ϕref) der Referenzelektrode (14), wobei das Differenzsignal abhängig ist von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit (12), gekennzeichnet durch Kompensationsmittel (20) zum Kompensieren eines Störpotentials (ϕchem), das sich zwischen der Bezugselektrode (15) und der Messflüssigkeit (12) einstellt.
2. Messvorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmittel (20) ein an der Bezugselektrode (15) anliegendes Bezugspotential (ϕbez) in Abhängigkeit von dem Störpotential (ϕchem) einstellen.
3. Messvorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmittel (20) ein an der Bezugselektrode (15) anliegendes Bezugspotential (ϕbez) derart einstellen, dass das Referenzsignal (ϕref) einen vorgebbaren Wert annimmt.
4. Messvorrichtung (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmittel (20) das Bezugspotential (ϕbez) derart einstellen, dass das Referenzsignal (ϕref) den Wert Null annimmt.
5. Messvorrichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsmittel (20) ein Reglerelement zum Regeln eines an der Bezugselektrode (15) anliegenden Bezugspotentials (ϕbez) auf einen vorgebbaren Sollwert (GND) umfassen, wobei das Referenzsignal (ϕref) als Istwert und der Sollwert (GND) an dem Reglerelement anliegen.
6. Messvorrichtung (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Reglerelement als ein Operationsverstärker ausgebildet ist, an dessen nicht- invertierenden Eingang (+) das Referenzsignal (ϕref), an dessen invertierenden Eingang (-) die Bezugsmasse (GND) und an dessen Ausgang das Bezugspotential (ϕbez) anliegt.
7. Verfahren zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit (12), bei dem von einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten pH-sensitiven Messelektrode (13) ein Messsignal (ϕpH) und von einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten Referenzelektrode (14) ein Referenzsignal (ϕref) aufgenommen wird, die Messflüssigkeit (12) von einer in der Messflüssigkeit (12) angeordneten Bezugselektrode (15) auf eine vorgebbare Bezugsmasse gelegt wird und aus der Differenz zwischen dem Messsignal (ϕpH) und dem Referenzsignal (ϕref) ein auf die Bezugsmasse bezogenes und von der Ionenkonzentration in der Messflüssigkeit (12) abhängiges Differenzsignal gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Störpotential (ϕchem), das sich zwischen der Bezugselektrode (15) und der Messflüssigkeit (12) einstellt, kompensiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Bezugselektrode (15) anliegendes Bezugspotential (ϕbez) in Abhängigkeit von dem Störpotential (ϕchem) eingestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Bezugselektrode (15) anliegendes Bezugspotential (ϕbez) derart eingestellt wird, dass das Referenzsignal (ϕref) einen vorgebbaren Wert annimmt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugspotential (ϕbez) derart eingestellt wird, dass das Referenzsignal (ϕref) den Wert Null annimmt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Bezugselektrode (15) anliegendes Bezugspotential (ϕbez) in Abhängigkeit von dem Referenzsignal (ϕref) als Istwert und einem vorgebbaren Sollwert (GND) geregelt wird.
12. Speicherelement (22), insbesondere Read-Only-Memory, Random-Access-Memory oder Flash-Memory, für eine Steuerungseinheit (21) einer Vorrichtung (11) zum Messen der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoff (H+)-Ionen, in einer Messflüssigkeit (12), auf dem ein Computerprogramm abgespeichert ist, das auf einem Rechengerät (23), insbesondere einem Mikroprozessor, der Steuerungseinheit (21) ablauffähig und zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 11 geeignet ist.
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