DE10160213B4

DE10160213B4 - Messeinrichtung für elektrochemische Messgrössen, insbesondere pH-Messeinrichtung

Info

Publication number: DE10160213B4
Application number: DE2001160213
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. Wohlrab
Original assignee: Knick Elektronische Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: KNICK ELEKTRONISCHE MESSGERAETE GMBH & CO. KG, 1416
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2021-12-08
Also published as: DE10160213A1

Abstract

Meßeinrichtung für elektrochemische Meßgrößen, insbesondere pH-Meßeinrichtung, mit einer Meßschaltung (11, 11') umfassend
– einen Meßeingang (2), der mit einer Meßelektrode (3) verbindbar ist, gekennzeichnet durch
– einen ersten Referenzelektroden-Eingang (4), der mit einer ersten Referenzelektrode (5) verbindbar und vom Nullpotential der Meßschaltung (11, 11' ) getrennt ist,
– einen zweiten Referenzelektroden-Eingang (6), der mit einer zweiten Referenzelektrode (7) verbindbar und auf dem Nullpotential (10) der Meßschaltung (11, 11') liegt,
– eine Meßwert-Erfassungsschaltung (17), die den die Meßgröße repräsentierenden Signalspannungswert (U_glas, U_pH) zwischen Meßeingang (2) und einem der Referenzelektroden-Eingänge (4) ermittelt, und
– eine Referenz-Überwachungsschaltung (17), die die zwischen den Referenzelektroden-Eingängen (4, 6) herrschende Spannungsdifferenz (U_ref) auswertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung für elektrochemische Meßgrößen, insbesondere eine pH-Meßeinrichtung, mit einer Meßschaltung.
Herkömmlicherweise umfaßt eine solche Meßschaltung etwa für pH-Meßketten einen Meßeingang, der mit einer Meßelektrode – etwa eine Glaselektrode – verbindbar ist. Ferner ist ein Referenzelektroden-Eingang vorgesehen, der mit einer entsprechenden Referenzelektrode verbindbar ist. Der die entsprechende Meßgröße, wie z.B. den pH-Wert repräsentierende Signalspannungswert, ist durch eine Messung der zwischen Meßeingang und Referenzelektroden-Eingang anliegenden Spannung mittels einer entsprechenden Meßwert-Erfassungsschaltung erfaßbar.
Bekanntermaßen ist für die Meßgenauigkeit bei solchen elektrochemischen Messungen der Zustand der Referenzelektrode ein wichtiger Einflußfaktor. So kann die Referenzelektrode unterschiedlichen Einflüssen, wie Alterung, Verschleiß oder dgl. unterworfen sein, die eine Verfälschung des Signalspannungswertes und damit eine entsprechende Meßungenauigkeit hervorrufen.
Bei bestimmten chemischen Prozessen ist das Referenzelektroden-System auch gegen Kontamination durch am überwachten Prozeß beteiligte Stoffe empfindlich. In diesem Zusammenhang ist es zur Verbesserung der Meßsicherheit etwa aus der DE 196 26 277 A1 grundsätzlich bekannt, eine Meßeinrichtung mit zwei Referenz eektroden-Systemen auszurüsten, die sich beispielsweise in ihrer Geometrie voneinander unterscheiden und daher unterschiedlich empfindlich gegenüber Kontaminationseffekten sind. Durch eine Überwachung der Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Referenzelektroden kann eine Kontamination einer der beiden Elektroden festgestellt und dann beispielsweise eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt und auf einer Anzeigeeinheit der Meßeinrichtung angezeigt werden.
Im Stand der Technik ist die Erfassung der Spannungsdifferenz zwischen zwei Referenzelektroden-Systemen bisher nur bei aufwendigen Meßumformern mit zwei Meßkanälen praktiziert worden, wie sie z. B aus der Firmenbroschüre der Anmelderin mit dem Titel „Process Unit 76X drei Geräte: pH, pH/LF und pH/pH" bekannt sind. Die damit verbundene Meßsicherheit ist also nur durch einen erhöhten Apparateaufwand erzielbar gewesen.
Die im Folgenden genannten Druckschriften beleuchten den technologischen Hintergrund der Erfindung. So zeigt die DE 39 41 157 A1 eine Ionenmeßeinrichtung zur Prozesssteuerung mit drei oder mehr Ionenmeßelektroden, wobei aus den durch die Ionenmeßelektroden gelieferten Meßwerten ein Mittelwert berechnet und Mittel zur Beurteilung des Existenz einer Abnormalität in den Ionenmeßelektroden vorhanden sind. Eine als abnormal beurteilte Elektrode wird vom Meßvorgang ausgeschlossen.
Die DE 40 25 426 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung von Ionenkonzentrationen eiweißhaltiger Körperflüssigkeiten, bei dem unter Verwendung einer ionenselektiven, zwei Kammern aufweisenden Meßkette die Spannung U_D gemessen wird. Dabei wird die Körperflüssigkeit zusätzlich an einer dritten Kammer vorbeigeführt, die mit einem Innenelektrolyten gefüllt ist, der über eine Membran mit der Körperflüssigkeit in Verbindung steht. Danach oder gleichzeitig zur ionenselektiven Messung wird mittels einer in den Innenelektrolyten der dritten Kammer eintauchenden Elektrode die Spannung U_ISE zwischen dieser Elektrode und der Bezugselektrode der ionenselektiven Meßkette gemessen. Anschließend wird die Spannung U_ISE um U_D korrigiert.
Die DE 41 36 779 A1 zeigt eine Vorrichtung zum simultanen Nachweis verschiedener Gaskomponenten, die eine Vielzahl elektrochemischer Dreielektrodenmeßzellen mit einem gemeinsamen Elektrolyten umfasst. Die Meßzellen werden durch eine Vielzahl von Arbeitselektroden mit einer gemeinsamen Gegenelektrode und einer gemeinsamen Bezugselektrode gebildet.
Die DE 44 37 727 A1 betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration ausgewählter Ionen in Lösungen unter Verwendung ionenselektiver Elektroden, wobei die Probelösung und eine Trägerlösung intermittierend beidseitig an einer ionenselektiven Membran und einer an jeder Seite der Membran angeordneten Bezugselektrode vorbeigeführt werden.
Ausgehend von der oben geschilderten Problematik eines erhöhten apparativen Aufwandes liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung für elektrochemische Meßgrößen anzugeben, bei der eine verbesserte Meßsicherheit durch Anwendung zweier Referenzelektroden-Systeme auch bei üblichen, einkanaligen Meßumformern erreichbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebene Beschaltungsweise der Meßeinrichtung gelöst.
Demnach benötigt letztere lediglich einen ersten Referenzelektroden-Eingang, der mit einer ersten Referenzelektrode verbindbar und vom Nullpotential der Meßschaltung getrennt ist. Damit korrespondiert ein zweiter Referenzelektroden-Eingang, der mit einer zweiten Referenzelektrode verbindbar und auf dem Nullpotential der Meßschaltung liegt. Neben der im Stand der Technik üblichen Meßwert-Erfassungsschaltung ist eine Referenz-Überwachungsschaltung vorgesehen, die die zwischen den Referenzelektroden-Eingängen herrschende Spannungsdifferenz auswertet. Damit ist die Voraussetzung dafür geschaffen, daß durch Feststellung anormaler Spannungsdifferenzen zwischen den Referenzelektroden-Eingängen ein Warnsignal von der Referenz-Überwachungsschaltung generierbar ist.
Bevorzugtermaßen werden die Meßwert-Erfassungsschaltung und die Referenz-Überwachungsschaltung von einer gemeinsamen Auswerteschaltung gebildet, die durch eine Schalteinrichtung wechselweise mit dem Meßeingang und einem der Referenz-Eingänge verbindbar ist. Diese Auswerteschaltung kann – in an sich bekannter Weise – einen Analog-Digital-Wandler und einen diesen nachgeschalteten Mikroprozessor aufweisen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen, Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm einer pH-Meßeinrichtung in einer ersten Ausführungsform, und
2. ein Schaltungsdiagramm einer solchen pH-Meßeinrichtung in einer zweiten Ausführungsform.
Die in 1 gezeigte pH-Meßeinrichtung 1 ist eingangsseitig mit drei als Klemmen ausgebildeten Anschlüssen versehen, nämlich einem Meßeingang 2 zum Anschluß einer Glaselektrode 3, einem erstem Referenzelektroden-Eingang 4 zum Anschluß einer ersten Referenzelektrode 5 und einem zweiten Referenzelektroden-Eingang 6 zum Anschluß einer zweiten Referenzelektrode 7. Dem Meßeingang 2 und dem ersten Referenzelektroden-Eingang 4 ist jeweils ein Impedanzwandler 8, 9 in Form von Operationsverstärkern nachgeschaltet. Der zweite Referenzelektroden-Eingang 6 liegt auf dem – hier geerdeten – Nullpotential 10 der als Ganzes mit 11 bezeichneten Meßschaltung der pH-Meßeinrichtung 1.
Die beiden Ausgänge der Impedanzwandler 8, 9 sind jeweils über eine Schalteinrichtung 12 mit dem Eingang 13 eines Analog-Digital-Wandlers 14 verbunden, der mit einem weiteren Eingang 15 den zweiten Referenzelektroden-Eingang 6 abgreift.
Dem Analog-Digital-Wandler 14 ist ein Mikroprozessor 16 nachgeschaltet, der die jeweiligen, vom Wandler 14 digitalisierten Spannungswerte auswertet. Insofern bilden Analog-Digital-Wandler 14 und Mikroprozessor 16 eine als Ganzes mit 17 bezeichnete Auswerteschaltung, die einerseits der eigentlichen Meßwert-Erfassung dient. Dazu wird der Schalter 12.1 der Schalteinrichtung 12 geschlossen und der Schalter 12.2 geöffnet, so daß der Signalspannungswert U_glas zwischen dem Meßeingang 2 und dem zweiten Referenzelektroden-Eingang 6 ermittelt wird.
Durch Umschalten der Schalteinrichtung 12 in einen Zustand „Schalter 12.1 geöffnet" und „Schalter 12.2 geschlossen" kann der Analog-Digital- Wandler 14 andererseits die Spannungsdifferenz U_ref zwischen den Referenzelektroden-Eingängen 4, 6 ermitteln. Die Spannungsdifferenz U_ref wird im Mikroprozessor 16 darauf hin abgeprüft, ob sie einen vorgegebenen Wert überschreitet. Zutreffendenfalls wird dies als Kriterium dahingehend gewertet, daß eine der beiden Referenzelektroden 5, 7 beispielsweise durch die überwachte Prozeßflüssigkeit kontaminiert ist und damit keine korrekte Messung des Signalspannungswertes U_glas stattfindet. Der Mikroprozessor 16 kann dann eine entsprechende Warnung an der pH-Meßeinrichtung 1 über eine nicht näher dargestellte Warnanzeige ausgeben.
Die in 2 gezeigte pH-Meßeinrichtung 1' stimmt in wesentlichen Bauteilen, nämlich bezüglich der Eingänge 2, 4, 6, der Impedanzwandler 8, 9, der Schalteinrichtung 12, des Analog-Digital-Wandlers 14 und des Mikroprozessors 16 mit der Ausführungsform gemäß 1 überein. Insoweit bedarf es keiner nochmaligen Erörterung.
Als Unterschied ist lediglich herauszustellen, daß mit Hilfe eines den Ausgängen der Impedanzwandler 8, 9 mit seinen Eingängen nachgeschalteten Differenzverstärkers 18 die Meßspannung U_pH analog erzeugt und anschließend über den Schalter 12.1 auf den Analog-Digital-Wandler 14 gebbar ist, wo sie entsprechend vom Mikroprozessor 16 erfaßt und ausgewertet wird.
Ferner ist der Referenzelektroden-Eingang 6 erdungsfrei gehalten. Insoweit entspricht diese Meßschaltung 11' intern üblichen pH-Meßeinrichtungen, bei denen über den Eingang 6 eine Potentialausgleichselektrode oder eine Platinelektrode für eine simultane Redox-Messung angeschlossen werden kann.
Im erfindungsgemäßen Fall wird jedoch am Eingang 6 ein zusätzliches Referenzelektroden-System 7 angeschlossen, so daß durch eine entsprechende Auslegung des Mikroprozessors 16 in seinem Steuerprogramm die erfindungsgemäße Referenz-Überwachung stattfinden kann.

Claims

Meßeinrichtung für elektrochemische Meßgrößen, insbesondere pH-Meßeinrichtung, mit einer Meßschaltung (11, 11') umfassend – einen Meßeingang (2), der mit einer Meßelektrode (3) verbindbar ist, gekennzeichnet durch – einen ersten Referenzelektroden-Eingang (4), der mit einer ersten Referenzelektrode (5) verbindbar und vom Nullpotential der Meßschaltung (11, 11' ) getrennt ist, – einen zweiten Referenzelektroden-Eingang (6), der mit einer zweiten Referenzelektrode (7) verbindbar und auf dem Nullpotential (10) der Meßschaltung (11, 11') liegt, – eine Meßwert-Erfassungsschaltung (17), die den die Meßgröße repräsentierenden Signalspannungswert (U_glas, U_pH) zwischen Meßeingang (2) und einem der Referenzelektroden-Eingänge (4) ermittelt, und – eine Referenz-Überwachungsschaltung (17), die die zwischen den Referenzelektroden-Eingängen (4, 6) herrschende Spannungsdifferenz (U_ref) auswertet.
Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ermittlung einer anormalen Spannungsdifferenz (U_ref) zwischen den Referenzelektroden-Eingängen (4, 6) ein Warnsignal von der Referenz-Überwachungsschaltung (17) generierbar ist.
Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwert-Erfassungsschaltung und die Referenz-Überwachungsschaltung von einer gemeinsamen Auswerteschaltung (17) gebildet ist, die durch eine Schalteinrichtung (12) wechselweise mit dem Meßeingang (2) und einem der Referenz-Eingänge (4) verbindbar ist.
Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (17) einen Analog-Digital-Wandler (14) und einen diesem nachgeschalteten Mikroprozessor (16) aufweist.
Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwert-Erfassungsschaltung (17) einen zwischen Meßeingang (2) und einem der Referenzeingänge (4) geschalteten Differenzverstärker (18) zur analogen Erfassung des Signalspannungswertes (U_pH) aufweist.
Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche,, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßeingang (2) und einem der Referenzeingänge (4) jeweils ein Impedanzwandler (8, 9) nachgeschaltet ist.
Meßeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwert-Erfassungsschaltung (17) auf denjenigen Referenzelektroden-Eingang (4, 6) zugreift, der mit der gegen Störungen unempfindlicheren Referenzelektrode (5, 7) gekoppelt ist.