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Die Erfindung betrifft einen pH-Sensor mit einer ersten, in einem Innenrohr angeordneten Messelektrode, welche über eine erste, am Innenrohr ausgebildeten Glasmembran mit dem Messmedium verbindbar ist, und einer räumlich getrennt von der ersten Messelektrode angeordneten Referenzelektrode, welche über ein Diaphragma mit dem Messmedium verbindbar ist sowie ein Verfahren zur Herstellung des pH-Sensors.
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In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Messsonden für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen dabei zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise einen pH-Wert eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit der Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden.
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Es sind pH-Sensoren bekannt, bei welchen eine Messelektrode in einem Innenrohr, welches vorzugsweise aus Glas besteht, angeordnet ist. Ein an dem Innenrohr befestigtes Außenrohr umfasst eine Referenzelektrode, die über ein Diaphragma mit einem Messmedium verbindbar ist. Die Referenzelektrode sowie die Messelektrode werden über ein Messkabel mit einem Messumformer verbunden. Je nach Applikation des pH-Sensors werden zyklische, teilweise streng periodische Reinigungs-, Kalibrier- und Sterilisationszyklen gefahren, um reproduzierbare pH-Messwerte zu erhalten. Mittels einer Datensammlung werden Rückschlüsse hinsichtlich Drift und Alterung des pH-Sensors gesammelt, um die Dauer zwischen zwei Kalibrierzyklen so groß wie möglich zu halten.
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Dabei ist es nachteilig, dass während dieser Reinigungs- und Kalibrierzyklen kein aktueller Messwert zur Prozessregelung zur Verfügung steht. Die Prozessregelung muss dabei entweder gestoppt werden oder diese wird blind weiter gefahren. Eine Alternative stellt eine Benutzung einer örtlich getrennten, separaten zweiten Messstelle dar. Durch all diese Verfahren entstehen aber unerwünschte Kosten, entweder durch den Produktionsausfall während der Kalibrierung oder aber einer falschen pH-Werteinstellung während des Blindfahrens in der Kalibrierphase. Eine örtlich getrennte, komplette zweite Messstelle ist teuer und erhöht zusätzlich den Wartungsaufwand, da auch diese gereinigt und kalibriert werden muss. Ein sofortiges Reagieren, z.B. auf einen plötzlichen Glasbelag oder auf Glasbruch des pH-Sensors, ist nur durch Starten eines Reinigungs- oder Kalibrierzyklus bzw. durch einen Elektrodenaustausch möglich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen pH-Sensor anzugeben, bei welchem die Reinigungs- und Kalibrierprozesse reduziert werden und trotzdem eine ausreichende genaue pH-Werteinstellung des pH-Sensors gewährleistet wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine zweite Messelektrode über eine zweite Glasmembran mit dem Messmedium verbindbar ist. Dies hat den Vorteil, dass neben der aus einer Messelektrode und einer Referenzelektrode mit zugeordnetem Diaphragma bestehenden ersten pH-Messkette eine vollkommen unabhängige zweite pH-Messkette mit der zweiten Messelektrode und der an sich vorhandenen Referenzelektrode ausgebildet wird. Diese zwei unabhängig voneinander wirkenden pH-Messketten sind in einem pH-Sensor vereinigt. Die Ausbildung der redundanten zweiten sekundären pH-Messkette hat den Vorteil, dass während des Kalibrierens bzw. Reinigens der zweiten Messkette der Prozess über die erste Messelektrode und die Referenzelektrode weiter geregelt werden kann. Produktionsausfälle werden somit genauso unterbunden wie das Risiko einer falschen pH-Werteinstellung. Gegenüber örtlich getrennten separaten Messstellen stellt der pH-Sensor mit zwei unabhängig voneinander zu realisierenden pH-Messketten eine kostengünstige Variante dar. Somit ist eine Frühausfallserkennung bei Abweichung der Messwerte, die von den beiden pH-Messketten geliefert werden, möglich. Plötzliche pH-Wertveränderungen erlauben ein sofortiges Reagieren auf Fehler, welche beispielsweise durch Glasbelag oder durch Glasbruch hervorgerufen werden können.
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Vorteilhafterweise ist die zweite Messelektrode in einem räumlich von der ersten Messelektrode abgetrennten Bereich des Innenrohres angeordnet. Dadurch, dass die erste und die zweite Messelektrode in demselben Innenrohr angeordnet sind, bleibt die Baugröße des pH-Sensors bestehen, so dass dieser pH-Sensor in jede Messstelle eingesetzt werden kann, die bisher mit einem pH-Sensor mit nur einer Messkette ausgerüstet war.
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In einer Ausgestaltung ist die zweite Glasmembran auf annähernd der halben Länge der Gesamtlänge des Innenrohres angeordnet. Die beiden Glasmembranen und somit die beiden Messketten sind somit ausreichend weit voneinander entfernt, so dass eine gegenseitige Beeinflussung des Messergebnisses nicht gegeben ist. Bei Glasbruch der ersten pH-Messkette mit der ersten Messelektrode und der ersten Glasmembran kann unabhängig von einer Bewertung eines Validier- oder Kalibrierergebnisses der zweiten Messkette diese sofort unterbrechungsfrei den Messprozess übernehmen. Der vorgeschlagene pH-Sensor besitzt somit eine Notlaufeigenschaft, die trotz zerstörter erster Glasmembran mittels der zweiten Glasmembran eine unterbrechungsfreie Weiterführung der pH-Messung sicherstellt.
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In einer Variante ist die zweite Glasmembran auf annähernd der Hälfte der Gesamtlänge des Innenrohres angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht, dass die zweite Glasmembran zur Kalibrierung oder Reinigung in eine Armatur zurückgefahren werden kann, während die erste Glasmembran weiterhin in das Messmedium eingetaucht ist und den Messprozess ausführt.
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In einer Weiterbildung ragt die zweite Glasmembran nach innen in das Innenrohr hinein und ist vorzugsweise konkav ausgebildet. Eine solche konkave Ausbildung unterbindet eine Vergrößerung des Gesamtdurchmessers des Innenrohres. Außerdem liegt die zweite Glasmembran geschützt im Glasschaft des Innenrohres, wodurch sich eine Glasbruchgefahr der zweiten Glasmembran reduziert.
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In einer weiteren Ausführungsform wirkt die zweite Messelektrode mit der Referenzelektrode zusammen. Durch diese Ausgestaltung behält der pH-Sensor mit zwei Messketten dieselbe Baugröße wie ein pH-Sensor mit nur einer Messkette. Dies wird insbesondere durch einen Verzicht auf eine zweite Referenzelektrode erreicht.
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In einer Variante ist die zweite Glasmembran aus einem Glasmaterial mit größeren Ermüdungserscheinungen ausgebildet als die erste Glasmembran. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine frühzeitige Erkennung der Alterung des pH-Sensors, wodurch die Lebensdauer und somit ein Austausch des gesamten pH-Sensors prognostiziert werden kann.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pH-Sensors mit zwei Messelektroden, bei welchen an einem, als Glasrohr ausgebildeten Innenrohr, welches eine erste Messelektrode aufnimmt, zur Bildung einer ersten Glasmembran ein erstes pH-sensitives Glasmaterial angeblasen wird. Bei einem Verfahren, welches eine einfache Herstellung einer redundanten pH-Elektrode in dem pH-Sensor ermöglicht, wird an einer sich längs erstreckenden Seite des Glasrohres eine Bohrung vorgenommen, an welcher mit einem zweiten pH-sensitiven Material eine zweite Glasmembran angesaugt wird. Mittels dieses Vorgehens wird verhindert, dass sich der Gesamtdurchmesser des Innenrohres vergrößert. Trotzdem wird eine stabile zweite Glasmembran an demselben Innenrohr realisiert.
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Vorteilhafterweise werden die erste und die zweite Glasmembran aus demselben pH-sensitiven Glasmaterial gebildet. Dies ermöglicht einen Vergleich der Messwerte der durch die zwei unabhängigen pH-Messketten des nur einen pH-Sensors gelieferten Messwerte. Somit lässt sich bei einer Abweichung der von diesen beiden pH-Messketten gelieferten Messwerte einfach auf eine fehlerhafte Eigenschaft des pH-Sensors schließen, ohne dass der Messprozess unterbrochen werden muss bzw. zusätzlich Reinigungs- und/oder Kalibrierungsvorgänge durchgeführt werden müssen.
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In einer Ausgestaltung wird in dem Innenraum des die erste Messelektrode enthaltenden Glasrohres zur räumlichen Trennung der zweiten Messelektrode und der zweiten Glasmembran von der ersten Messelektrode und der ersten Glasmembran eine Glaswand eingefügt. Somit sind sowohl die erste wie auch die zweite Messelektrode in einem gemeinsamen Glasrohr angeordnet, welches normalerweise nur eine Messelektrode enthält. Durch diese Maßnahme bleiben die Abmaße des pH-Sensors unverändert.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen pH-Sensors,
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2: eine Prinzipdarstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen pH-Sensors,
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3: Außenansicht des erfindungsgemäßen pH-Sensors,
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4: Prinzipdarstellung des mechanischen Aufbaus des erfindungsgemäßen pH-Sensors,
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5: Positionen des erfindungsgemäßen pH-Sensors in einer Messstelle.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen pH-Sensor 1 schematisch dargestellt, welcher ein Innenrohr 2 aufweist, in welchem sich eine Messelektrode 3 erstreckt. Das Innenrohr 2 ist über eine Glasmembran 4 gegenüber einem Prozessmedium 8 abgeschlossen. Ein das Innenrohr 2 umgebendes Außenrohr 5 umfasst eine Referenzelektrode 6, wobei das Außenrohr 5 mittels eines Diaphragmas 7 gegenüber dem Messmedium getrennt ist. Innerhalb des Innenrohres 2 befindet sich ein abgetrennter Bereich 9, welcher sich entlang der Längserstreckung des Innenrohres erstreckt und in welchem eine zweite Messelektrode 10 angeordnet ist. Dieser abgetrennte Bereich 9 ist über eine zweite Glasmembran 11, welche in der Längsseite des Innenrohres etwa auf halber Höhe eingearbeitet ist, von dem Messmedium 8 getrennt. Die zweite Glasmembran 11 ist dabei nach innen in das Innenrohr 2 weisend konkav ausgebildet und besteht aus dem gleichen pH-sensitiven Glasmaterial wie die erste Glasmembran 4.
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In 2 ist die Funktionsweise des pH-Sensors 1 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber ist nur die zweite Messkette, bestehend aus der zweiten Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 6, gezeigt. Die erste Messkette, bestehend aus der Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 6 arbeitet äquivalent. Ein Messumformer 13 tastet dabei die beiden Messelektroden 3, 10 kontinuierlich ab und setzt deren Messwerte in eine Beziehung zu den Messergebnissen der Referenzelektrode 6.
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Während des Messprozesses sind die erste Glasmembran 4, die zweite Glasmembran 11 als auch das Diaphragma 7 in das Prozessmedium 8 eingetaucht. Innerhalb des Bereiches 9 des Innenrohres 2 ist ein Innenpuffer enthalten, welcher die leitfähige Verbindung zwischen der Innenseite der zweiten Glasmembran 11 und der zweiten Messelektrode 10 herstellt. Das Spannungspotential, das während der Messung an der Messelektrode 10 entsteht, wird mit dem Spannungspotential an der Referenzelektrode 6 verglichen, die innerhalb des Außenrohres 5 in einem Elektrolyten, vorzugsweise KCl, eingetaucht ist, der durch eine poröse Trennwand in Form des Diaphragmas 7 langsam in das Messmedium 8 diffundiert. Das Spannungspotential der Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 6 werden in dem Messumformer 13 ausgewertet.
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3 zeigt eine Außenansicht des erfindungsgemäßen pH-Sensors 1, bei welcher die erste Glasmembran 4 dargestellt ist, welche konvex nach außen gewölbt ist und in das Messmedium hineinragt. Auf ungefähr der halben Höhe der Längserstreckung des Innenrohres 2 ist die zweite Glasmembran 11 ersichtlich, welche konkav nach innen gewölbt ist. Eine genauere Darstellung des mechanischen Aufbaus der ersten und der zweiten Glasmembran 4, 11 sind in 4 dargestellt, wo die erste Glasmembran 4 als konvexe Glaskalotte ausgebildet ist, während die zweite Glasmembran 11, die im separaten Bereich 9 des Innenrohres 2 liegt, als konkave Glaskalotte hergestellt ist.
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5 zeigt den erfindungsgemäßen pH-Sensor 1 in verschiedenen Positionen, welche dieser in einer Messstelle einnehmen kann. Der pH-Sensor 1 ist dabei in einer Armatur 14 verbaut, welche diesen entweder in das Messmedium 8 eintaucht oder aus diesem entfernt. Zur Charakterisierung des pH-Sensors 1 sind die erste und die zweite Glasmembran 4 bzw. 11 herausgestellt. 5a zeigt den pH-Sensor in einer Serviceposition. Dabei ist der pH-Sensor 1 komplett in die Armatur 13 zurückgezogen, ohne mit dem Messmedium 8 in Kontakt zu kommen.
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5b stellt den pH-Sensor 1 in einer Wartungsposition dar, wobei der pH-Sensor 1 nur mit der ersten Glasmembran 4 in das Messmedium 8 eintaucht. Die zweite Glasmembran 11 bleibt dabei unberührt von dem Messmedium 8 und es kann eine Kalibrierung oder Reinigung der zweiten Messkette, bestehend aus der Messelektrode 10 und Referenzelektrode 6, durchgeführt werden. Die erste Messkette mit der ersten Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 6 führt während dieses Reinigungs- und/oder Kalibrierprozesses die pH-Messung im Messmedium 8 weiter durch.
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Die eigentliche Messposition des pH-Sensors 1 zeigt 5c, bei welcher sowohl die erste Glasmembran 4 als auch die zweite Glasmembran 11 und das nicht weiter dargestellte Diaphragma 7 in das Messmedium 8 eingetaucht sind. Dabei liefern die erste und die zweite Messelektrode unabhängig voneinander Messwerte an den Messumformer 13 liefern. In dieser Messposition des pH-Sensors 1 werden die durch die erste und die zweite Messkette gelieferten Messwerte durch den Messumformer 13 verglichen. Stimmen diese Messwerte überein, wird der Messprozess fortgesetzt. Detektiert der Messumformer 12 eine Überschreitung eines Schwellwertes durch die Differenz der Messwerte, wird der pH-Sensor 1 aus dem Messmedium 8 heraus in die Armatur 14 gefahren. Die erste pH-Messkette, bestehend aus der ersten Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 6, verbleiben vollständig im Messmedium 8 und liefern unterbrechungsfrei aktuelle pH-Messwerte (5b).
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Die sich nun außerhalb des Messmediums 8 befindende zweite pH-Messkette wird kalibriert. Nach der Kalibrierung der zweiten Messkette wird diese wieder in das Messmedium 8 eingeführt und ein neuer Messvorgang gestartet (5c). Tritt wiederum eine Differenz der Messwerte der beiden Messketten auf, die den Schwellwert überschreitet, nimmt der pH-Sensor 1 wieder die Wartungsposition gemäß 5b ein, wo die zweite Glasmembran 11 gereinigt wird. Nach dem wiederholten Eintauchen der zweiten Glasmembran 11 in das Messmedium 8 werden wiederum die beiden Messwerte der ersten und zweiten Messkette miteinander verglichen. Dauert die Überschreitung des Schwellwertes durch die Differenz zwischen den Messwerten der beiden Messketten an, übernimmt die zweite Messkette, bestehend aus der zweiten Messelektrode 10 und der Referenzelektrode 6, die pH-Messung und löst die erste Messkette, bestehend aus der ersten Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 6, ohne Unterbrechung ab, weshalb der zu überwachende Prozess kontinuierlich weiter gefahren werden kann. Da jetzt davon ausgegangen werden kann, dass die erste Messkette defekt ist, wird entweder ein Alarm ausgelöst, welcher den Defekt anzeigt oder die Messwerte werden einer Frühausfallerkennung zugrunde gelegt.
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Die vorgeschlagene Lösung bietet eine kontinuierliche hohe Verfügbarkeit von reproduzierbaren pH-Messwerten eines pH-Sensors 1 mit minimalem Wartungsaufwand aber gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit. Der Aufbau einer intelligenten Sensorüberwachung führt zu zuverlässigen Vorhersagen über den Alterungszustand des pH-Sensors 1. Eine Reduzierung der kompletten Reinigungs- und Kalibrierzyklen des gesamten pH-Sensors 1 lässt sich nun anhand der ermittelten Daten nachweislich vornehmen bzw. auf das tatsächlich notwendige Maß in Abhängigkeit von der Applikation einstellen. Somit kann kundenindividuell ein Höchstmaß an Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig erhöhter Verfügbarkeit sichergestellt werden.
