DE102017123647A1 - Method for calibrating a sensor - Google Patents

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DE102017123647A1 DE102017123647.3A DE102017123647A DE102017123647A1 DE 102017123647 A1 DE102017123647 A1 DE 102017123647A1 DE 102017123647 A DE102017123647 A DE 102017123647A DE 102017123647 A1 DE102017123647 A1 DE 102017123647A1
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Erik Hennings
Stefan Wilke
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors (1) mit einer ionenselektiven Elektrode (2) und einer Bezugselektrode (3), wobei der Sensor (1) eine ideale Kalibriergerade aufweist, die linear ist, umfassend die Schritte,Bestimmen einer ersten und zweiten lonenkonzentration (c, c) einer der Messlösung (4) zu einem ersten und zweiten Zeitpunkt (t, t) entnommenen Probe,Ermitteln einer ersten und zweiten Spannung (U, U) zwischen der ionenselektiven Elektrode (2) und der Bezugselektrode (3) zu dem ersten und zweiten Zeitpunkt (t, t),gekennzeichnet durch,Bestimmen einer Spreizung (pX) der ionenselektiven Elektrode (2)mit einer theoretische Steigung (S),Bestimmen einer Störionenkonzentration (c) der Messlösung (4),Bestimmen einer tatsächlichen Kalibriergeraden anhand der Spreizung (pX) und der Störionenkonzentration (c),Kalibrieren des Sensors (1) anhand einer Verwendung der tatsächlichen Kalibriergeraden anstelle der idealen Kalibriergerade.The invention relates to a method for calibrating a sensor (1) having an ion-selective electrode (2) and a reference electrode (3), wherein the sensor (1) has an ideal calibration line which is linear, comprising the steps of determining a first and second ion concentration (c, c) of a sample taken from the measurement solution (4) at a first and second time (t, t), determining a first and second voltage (U, U) between the ion-selective electrode (2) and the reference electrode (3) at the first and second times (t, t), characterized by determining a spread (pX) of the ion selective electrode (2) with a theoretical slope (S), determining an interference ion concentration (c) of the measurement solution (4), determining an actual Calibration line based on the spread (pX) and the interference ion concentration (c), calibrating the sensor (1) using an actual calibration line instead of the ideal calibration line.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors mit einer ionenselektiven Elektrode und einer Bezugselektrode.The invention relates to a method for calibrating a sensor having an ion-selective electrode and a reference electrode.

Ionenselektive Elektroden (ISE) kommen häufig in Kläranlagen zum Einsatz. Die Messung der Aktivität oder Konzentration der gewünschten Ionen erfolgt über ein aus dem Stand der Technik bekanntes potentiometrisches Messprinzip. Im Folgenden wird mit dem Begriff „ionenselektive Elektrode“ eine potentiometrische Elektrode zur Bestimmung einer Aktivität oder Konzentration anderer Ionen als H3O+ bzw. H+ Ionen verstanden. In den allermeisten Anwendungsfällen ionenselektiver Elektroden in der Prozess- oder Analysemesstechnik können Konzentration und Aktivität mit guter Näherung gleichgestellt werden. Die Begriffe werden daher im Folgenden synonym verwendet.Ion-selective electrodes (ISE) are often used in sewage treatment plants. The measurement of the activity or concentration of the desired ions takes place via a potentiometric measuring principle known from the prior art. In the following, the term "ion-selective electrode" is understood to mean a potentiometric electrode for determining an activity or concentration of ions other than H 3 O + or H + ions. In the vast majority of applications of ion-selective electrodes in process or analytical measurement techniques concentration and activity can be equated with good approximation. The terms are therefore used synonymously below.

Die ideale ionenselektive Elektrode wäre ionenspezifisch, wenn Sie selektiv auf das zu bestimmende Ion anspricht. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. Ionenselektive Elektroden besitzen oft eine Querempfindlichkeit gegenüber anderen Störionen. Ein bekanntes Beispiel ist die Querempfindlichkeit einer Ammonium-ionenselektiven Elektrode für Kaliumionen.The ideal ion-selective electrode would be ion-specific if it responds selectively to the ion to be determined. In practice, however, this is not the case. Ion-selective electrodes often have a cross sensitivity to other interfering ions. A well-known example is the cross sensitivity of an ammonium ion selective electrode for potassium ions.

Ein weiteres Problem zeigt sich bei der Kalibrierung von ionenselektiven Elektroden mit Hilfe von realen Proben. Häufig erfolgt die Kalibrierung von ionenselektiven Elektroden anhand von Proben, deren Gehalt an den zu bestimmenden Ionen mit Hilfe eines anderen Messverfahrens im Labor ermittelt wird. Um Standards mit höheren Gehalten herzustellen, können die Proben auch mit den zu bestimmenden Ionen aufgestockt sein. Da in solchen als Kalibrierstandard genutzten Proben die Störionen in der gleichen Konzentration wie in der Probe enthalten sind, muss die Störionenkonzentration auch bei der Kalibrierung des Sensors berücksichtigt werden.Another problem arises in the calibration of ion-selective electrodes with the aid of real samples. Frequently, the calibration of ion-selective electrodes is based on samples whose content of the ions to be determined is determined using a different measurement method in the laboratory. In order to produce standards with higher contents, the samples can also be supplemented with the ions to be determined. Since in such samples used as a calibration standard the interfering ions are contained in the same concentration as in the sample, the interference ion concentration must also be taken into account when calibrating the sensor.

Wenn nun eine ionenselektive Elektrode kalibriert wird, muss die Störionenkonzentration ebenfalls bekannt sein und berücksichtigt werden. Wenn die Störionenkonzentration beim Kalibrieren ignoriert wird, also Messionenkonzentration und scheinbare Konzentration gleichgesetzt werden, führt der Kalibriervorgang zu falschen Ergebnissen für die Kalibrierparameter Nullpunkt, und im Falle einer Zwei-Punkt-Kalibrierung auch die Steigung.Now, if an ion-selective electrode is calibrated, the interference ion concentration must also be known and taken into account. If the interference ion concentration is ignored during calibration, ie the measurement concentration and the apparent concentration are equated, the calibration process leads to incorrect results for the calibration parameters zero point, and in the case of a two-point calibration also the gradient.

Der Anwender arbeitet in der Praxis der Anwendung ionenselektiver Elektroden mit einer Massenkonzentration (mg/L) als Messgröße und nicht wie bei der vermeintlich analogen potentiometrischen pH-Messung mit einer logarithmischen Messgröße. Dadurch sind Begriffe wie Steigung, Nullpunkt und Offset welche dem Anwender von der potentiometrischen pH-Wert Bestimmung bekannt sind, nicht ohne weiteres auf die Ammoniummessung und die Kalibrierung von ISEs übertragbar.The user works in the practice of the application of ion-selective electrodes with a mass concentration (mg / L) as a measured variable and not as in the supposedly analog potentiometric pH measurement with a logarithmic measure. As a result, terms such as slope, zero and offset known to the user from potentiometric pH determination are not readily transferable to the ammonium measurement and calibration of ISEs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors mit einer ionenselektiven Elektrode anzugeben, welches zu einem Sensor mit genaueren Messwerten führt.The invention has for its object to provide a method for calibrating a sensor with an ion-selective electrode, which leads to a sensor with more accurate readings.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors mit einer ionenselektiven Elektrode und einer Bezugselektrode, wobei der Sensor eine ideale Kalibriergerade aufweist, die linear ist, umfassend die Schritte, Eintauchen des Sensors in eine Messlösung mit zeitlich verändernder Ionenkonzentration,
Bestimmen einer ersten lonenkonzentration einer der Messlösung zu einem ersten Zeitpunkt entnommenen Probe,
Ermitteln einer ersten Spannung zwischen der ionenselektiven Elektrode und der Bezugselektrode zu dem ersten Zeitpunkt,
Bestimmen einer zweiten lonenkonzentration einer der Messlösung zu einem zweiten Zeitpunkt entnommenen Probe,
Ermitteln einer zweiten Spannung zwischen der ionenselektiven Elektrode und der Bezugselektrode zu dem zweiten Zeitpunkt,
gekennzeichnet durch,
Bestimmen einer Spreizung (pX) der ionenselektiven Elektrode p X = log ( 10 U 2 / S 10 U 1 / S c 2 c 1 )

Figure DE102017123647A1_0002
mit einer theoretischen Steigung (S),
Bestimmen einer Störionenkonzentration (coffset ) der Messlösung,
Bestimmen einer tatsächlichen Kalibriergeraden, die linear ist, anhand der Spreizung (pX) und der Störionenkonzentration (coffset ),
Kalibrieren des Sensors anhand einer Verwendung der tatsächlichen Kalibriergeraden anstelle der idealen Kalibriergerade.This object is achieved by the subject matter of the invention. The invention relates to a method for calibrating a sensor having an ion-selective electrode and a reference electrode, wherein the sensor has an ideal calibration line which is linear, comprising the steps of immersing the sensor in a measurement solution having a time-varying ion concentration,
Determining a first ion concentration of a sample taken from the measurement solution at a first time,
Determining a first voltage between the ion-selective electrode and the reference electrode at the first time,
Determining a second ion concentration of a sample taken from the measurement solution at a second time,
Determining a second voltage between the ion-selective electrode and the reference electrode at the second time,
marked by,
Determining a spread ( pX ) of the ion-selective electrode p X = log ( 10 U 2 / S - 10 U 1 / S c 2 - c 1 )
Figure DE102017123647A1_0002
with a theoretical slope ( S )
Determining an interference ion concentration ( c offset ) of the measurement solution,
Determining an actual calibration line that is linear, based on the spread ( pX ) and the interference ion concentration ( c offset )
Calibrate the sensor by using the actual calibration line instead of the ideal calibration line.

Die Lösung der oben genannten Aufgabe wird also durch eine Kalibrierung des Sensors in der Messlösung erreicht. Somit ist die Verwendung einer separaten Kalibrierlösung nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil des erfindungsmäßen Verfahrens ist, dass der Sensor ständig in der Messlösung, also im Prozess, verbleibt und kontinuierlich Messwerte liefert, ohne einer Temperaturschwankung als Folge des Herausnehmens zu unterliegen.The solution of the above object is thus achieved by calibrating the sensor in the measurement solution. Thus, the use of a separate calibration solution is not required. A further advantage of the method according to the invention is that the sensor constantly remains in the measurement solution, ie in the process, and continuously supplies measured values without being subject to a temperature fluctuation as a result of the removal.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es erforderlich zu zwei verschiedenen Zeitpunkten jeweils eine Probe mit unterschiedlicher lonenkonzentration zu entnehmen und diese beispielsweise in einem Labor oder vor Ort mit einem tragbaren Messgerät hinsichtlich der lonenkonzentration zu analysieren. Die Störionenkonzentration, hier die Kaliumkonzentration, wird mit Hilfe eines Laborverfahrens (Küvetten-Test) bestimmt. Der Störionenkonzentration bzw. Kaliumkonzentration wird anschließend eine gemessene Spannung zugeordnet.For the method according to the invention, it is necessary at two different times each to take a sample with different ion concentration and to analyze them, for example, in a laboratory or on-site with a portable meter in terms of ion concentration. The interference ion concentration, in this case the potassium concentration, is determined by means of a laboratory method (cuvette test). The interference ion concentration or potassium concentration is then assigned a measured voltage.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird der Begriff des Nullpunktes in Spreizung umbenannt.For the method according to the invention, the concept of the zero point is renamed spread.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Steigung einen theoretischen Wert von 59,15 mV für einfach geladene Ionen, einen theoretischen Wert von 118,3 mV für zweifach geladene Ionen, und einen theoretischen Wert von 177,45 mV für dreifach geladene Ionen auf. Die Steigung einer ionenselektiven Elektrode ändert sich im Laufe der Zeit nur wenig und hat zudem im Falle einer geringen Änderung nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Richtigkeit des Messergebnisses. Daher braucht die Steigung einer ionenselektiven Elektrode nicht notwendigerweise kalibriert und justiert zu werden.According to an advantageous development, the slope has a theoretical value of 59.15 mV for singly charged ions, a theoretical value of 118.3 mV for doubly charged ions, and a theoretical value of 177.45 mV for triply charged ions. The slope of an ion-selective electrode changes only slightly over time and, in the case of a small change, has only a negligible influence on the accuracy of the measurement result. Therefore, the slope of an ion-selective electrode does not necessarily need to be calibrated and adjusted.

Gemäß einer vorteilhaften Variante wird die Temperatur bei der Bestimmung der Spreizung berücksichtigt. Bei der Kalibrierung ist die Temperatur direkt proportional zur Konzentration der zu messenden Ionen. Dies folgt aus der Nernst-Gleichung. Daher sollten keine großen Temperaturunterschiede zwischen Messlösung und Sensor bestehen.According to an advantageous variant, the temperature is taken into account in the determination of the spread. During calibration, the temperature is directly proportional to the concentration of the ions to be measured. This follows from the Nernst equation. Therefore, there should be no large temperature differences between the measuring solution and the sensor.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1: einen Längsschnitt eines Sensors mit einer ionenselektiven Elektrode,
  • 2: einen mehrere Konzentrationsdekaden umfassenden geraden Abschnitt eines Diagramms der Nernst-Gleichung,
  • 3a/3b: Diagramme einer nicht kalibrierten ionenselektiven Elektrode,
  • 4a/4b: Diagramme einer nach dem Stand der Technik kalibrierten Elektrode,
  • 5a/5b: Diagramme einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibrierten Elektrode,
  • 6: ein Diagramm mit Verläufen der Konzentration von NH4 + als Funktion der Zeit,
  • 7: ein Diagramm entsprechend 6, aufgenommen mit einem nach dem Stand der Technik kalibrierten Sensor, und
  • 8: ein Diagramm entsprechend 6, aufgenommen mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibrierten Sensor.
The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. It shows:
  • 1 FIG. 3: a longitudinal section of a sensor with an ion-selective electrode, FIG.
  • 2 : a multiple-decade straight section of a diagram of the Nernst equation,
  • 3a / 3b : Diagrams of an uncalibrated ion-selective electrode,
  • 4a / 4b : Diagrams of an electrode calibrated according to the prior art,
  • 5a / 5b : Diagrams of an electrode calibrated by the method according to the invention,
  • 6 : a diagram with gradients of the concentration of NH 4 + as a function of time,
  • 7 : a diagram accordingly 6 , recorded with a calibrated according to the prior art sensor, and
  • 8th : a diagram accordingly 6 taken with a calibrated by the method according to the invention sensor.

1 zeigt einen Längsschnitt eines Sensors 1 mit einer ionenselektiven Elektrode 2 und einer Bezugselektrode 3. Eine Messschaltung 5 misst eine elektrische Spannung U zwischen der ionenselektiven Elektrode 2 und der Bezugselektrode 3, wobei die Bezugselektrode 3 ein konstantes Elektrodenpotential aufweist. 1 shows a longitudinal section of a sensor 1 with an ion-selective electrode 2 and a reference electrode 3 , A measuring circuit 5 measures an electrical voltage U between the ion-selective electrode 2 and the reference electrode 3 , wherein the reference electrode 3 has a constant electrode potential.

Ist in der Messlösung 4 ein Ion i mit einer Konzentration ci vorhanden, ändert sich die Spannung U linear mit dem Logarithmus der Konzentration ci . Dies wird durch die Gleichung U = U 0 + S  log ( c i )

Figure DE102017123647A1_0003
beschrieben, wobei S die Steigung und U0 der Achsenschnittpunkt mit der x-Achse ist.Is in the measurement solution 4 an ion i with a concentration c i present, the voltage changes U linear with the logarithm of the concentration c i , This is done by the equation U = U 0 + S log ( c i )
Figure DE102017123647A1_0003
described, wherein S the slope and U 0 the intercept point with the x -Axis is.

2 zeigt einen mehrere Konzentrationsdekaden umfassenden geraden Abschnitt eines Diagramms der Elektrodenspannung U als Funktion der Konzentration ci . Der gerade Abschnitt ist durch die Kalibrierparameter Steigung S (Steigungsdreieck mit gestrichelten Linien) und die Spannung U0 gekennzeichnet. 2 shows a multiple concentration decades straight section of a graph of electrode voltage U as a function of concentration c i , The straight section is slope through the calibration parameters S (Gradient triangle with dashed lines) and the voltage U 0 characterized.

Ionenselektive Elektroden sprechen sehr häufig auf mehrere Ionen als nur das zu messende Ion an. Diese Tatsache wird näherungsweise durch die gegenüber der Gleichung in Gl. 1 erweiterte Nikolski-Gleichung U = U 0 + S  log ( c i + c o f f s e t )

Figure DE102017123647A1_0004
beschrieben, welche eine Erweiterung der Gl. 1 um den hier als coffset bezeichneten Term darstellt. Die Störionenkonzentration coffset beschreibt summarisch die Wirkung aller Störionen auf die ionenselektive Elektrode. Die Störionenkonzentration coffset stellt also auch die Konzentration dar, um welche die Messung infolge der Wirkung aller Störionen verfälscht wird, d. h. zu hoch ausfällt. Die Summe c schein = c i + c o f f s e t
Figure DE102017123647A1_0005
aus der Konzentration der zu messenden Ionen ci und der Störionenkonzentration coffset wird hier als scheinbare oder wirksame Konzentration cschein bezeichnet. Sie bestimmt die Spannung U, welche sich an einer ionenselektiven Elektrode einstellt. Wenn Störionen die Messung beeinflussen, muss für Gl. 1 korrekterweise U = U 0 + S  log ( c schein )
Figure DE102017123647A1_0006
geschrieben werden.Ion-selective electrodes very often respond to multiple ions than just the ion to be measured. This fact is approximated by the opposite of the equation in Eq. 1 extended Nikolsky equation U = U 0 + S log ( c i + c O f f s e t )
Figure DE102017123647A1_0004
which describes an extension of Eq. 1 around here as c offset represents designated term. The interference ion concentration c offset summarizes the effect of all the interfering ions on the ion-selective electrode. The interference ion concentration c offset So also represents the concentration by which the measurement is falsified due to the effect of all interference ions, that is too high. The sum c bill = c i + c O f f s e t
Figure DE102017123647A1_0005
from the concentration of the ions to be measured c i and the interference ion concentration c offset is here as apparent or effective concentration c shines designated. It determines the tension U , which adjusts to an ion-selective electrode. When interfering ions influence the measurement, Eq. 1 correctly U = U 0 + S log ( c bill )
Figure DE102017123647A1_0006
to be written.

Aus praktischen Gründen ist es zweckmäßig, für die Umrechnung der gemessenen Spannung in einen Konzentrationswert nicht die Gl. 4 zu verwenden, sondern die entsprechende Beziehung U = S [ log ( c schein ) + p N ]

Figure DE102017123647A1_0007
wobei pN = U0 / S dem Schnittpunkt der Geraden aus Gl. 5 mit der log(c)-Achse entspricht und hier als der Nullpunkt der elektrochemischen Messzelle bezeichnet wird. Die Ermittlung dieser beiden Kalibrierparameter, nämlich pN und S kann durch die Messung der Spannung U in wenigstens zwei Kalibrierlösungen mit hinreichend unterschiedlichen Konzentrationen ci des zu messenden Ions i erfolgen. For practical reasons, it is expedient, for the conversion of the measured voltage into a concentration value not the Eq. 4 to use, but the corresponding relationship U = S [ log ( c bill ) + p N ]
Figure DE102017123647A1_0007
where pN = U 0 / S the intersection of the line from Eq. 5 corresponds to the log (c) axis and is referred to herein as the zero point of the electrochemical cell. The determination of these two calibration parameters, namely pN and S can by measuring the voltage U in at least two calibration solutions with sufficiently different concentrations c i of the ion i to be measured.

Die Steigung S einer ionenselektiven Elektrode ändert sich während der Nutzungsdauer in der Praxis der ionenselektiven Elektrode nur wenig. Wenn die Steigung S einer ionenselektiven Elektrode erst einmal bekannt ist genügt es deshalb, nur den Nullpunkt pN z. B. mittels einer einfachen Ein-Punkt-Kalibrierung zu bestimmen und die einmal ermittelte Steigung S beizubehalten. Zur Berechnung kann die Formel p N = U S log ( c schein )

Figure DE102017123647A1_0008
verwendet werden. Die erfindungsgemäße Zwei-Punkt-Kalibrierung lässt sich folgendermaßen durchführen. Zuerst wird der Sensor 1 in eine Messlösung 4 mit sich zeitlich verändernder lonenkonzentration eingetaucht (siehe 1). Anschließend wird zu einem ersten und zweiten Zeitpunkt t1 und t2 eine erste und zweite lonenkonzentration c1 und c2 und eine erste und zweite Spannung U1 und U2 zwischen der ionenselektiven Elektrode 2 und der Bezugselektrode 3 bestimmt (siehe 1). Die Steigung S wird mit -59,15 mV für einfach geladene Ionen angenommen. Eine Spreizung pX des Sensors lässt sich gemäß p X = log ( 10 U 2 / S 10 U 1 / S c 2 c 1 )
Figure DE102017123647A1_0009
berechnen. Anhand der Spreizung pX kann ein Sensor 1 mit einer ionenselektiven Elektrode als Messfühler für jede gemessene Spannung U den zugehörigen Konzentrationswert ci berechnen.The slope S an ion-selective electrode changes little during the useful life in the practice of the ion-selective electrode. If the slope S Once an ion-selective electrode is known, it is sufficient, therefore, only the zero point pN z. B. by means of a simple one-point calibration to determine and once ascertained slope S maintain. For calculation, the formula p N = U S - log ( c bill )
Figure DE102017123647A1_0008
be used. The two-point calibration according to the invention can be carried out as follows. First, the sensor 1 into a measuring solution 4 immersed with time-varying ion concentration (see 1 ). Subsequently, at a first and second time t 1 and t 2 a first and second ion concentration c 1 and c 2 and a first and second voltage U 1 and U 2 between the ion-selective electrode 2 and the reference electrode 3 determined (see 1 ). The slope S is assumed to be -59.15 mV for singly charged ions. A spread pX the sensor can be adjusted according to p X = log ( 10 U 2 / S - 10 U 1 / S c 2 - c 1 )
Figure DE102017123647A1_0009
to calculate. Based on the spread pX can be a sensor 1 with an ion-selective electrode as a sensor for each measured voltage U the associated concentration value c i to calculate.

Der erste und zweite Zeitpunkt t1 und t2 sind voneinander verschieden, so dass auch die erste und zweite lonenkonzentration c1 und c2 und die erste und zweite Spannung U1 und U2 voneinander verschieden sind.The first and second time t 1 and t 2 are different from each other, so that the first and second ion concentration c 1 and c 2 and the first and second voltages U 1 and U 2 are different from each other.

Ist die Störionenkonzentration coffset der ionenselektiven Elektrode 2 bekannt, kann eine tatsächliche Kalibriergerade anhand der Spreizung pX und der Störionenkonzentration coffset bestimmt werden. Der Sensor 1 kann dann anhand einer Anpassung der tatsächlichen Kalibriergeraden an die ideale Kalibriergerade kalibriert werden.Is the interference ion concentration c offset the ion-selective electrode 2 is known, an actual calibration line based on the spread pX and the interference ion concentration c offset be determined. The sensor 1 can then be calibrated by fitting the actual calibration line to the ideal calibration line.

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rechenbeispiel an einer Messlösung mit einer zeitlich veränderlicher lonenkonzentration von NH4 + durchgeführt. Die lonenkonzentration von NH4 + schwankt zeitlich zwischen 0,1 und 10 mg/L.For a more detailed explanation of the method according to the invention, a calculation example of a measuring solution with a time-varying ion concentration of NH 4 + carried out. The ion concentration of NH 4 + varies in time between 0.1 and 10 mg / L.

Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird z. B. anhand einer Probe mittels eines Küvettentests oder mittels eines Prozessfotometers, eine erste lonenkonzentration c1 von NH4 + zu 0,1 mg/L bestimmt. Zu diesem ersten Zeitpunkt t1 wird eine Spannung U1 = -251,74 mV zwischen der ionenselektiven Elektrode und der Bezugselektrode gemessen. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird, z. B. anhand einer Probe mittels eines Küvettentests oder mittels eines Prozessfotometers, eine zweite lonenkonzentration c2 von NH4 + zu 10 mg/L bestimmt. Zu diesem zweiten Zeitpunkt t2 wird eine Spannung U2 = -133,42 mV zwischen der ionenselektiven Elektrode und der Bezugselektrode gemessen. Für die Steigung S wird ein theoretischer Wert von -59,15 mV angenommen. Somit ergibt sich entsprechend Gl. 7 für die Spreizung pX = 1. Somit ergibt sich entsprechend Gl. 4 zusammen mit pX = U0 / S für die zu messende Spannung U = 59,15 log ( c ) + 59,15

Figure DE102017123647A1_0010
Gl. 8 beschreibt gleichzeitig die Kalibriergerade eines fabrikneuen Sensors. Ist der Sensor gealtert, ergeben sich für die Spannungen U1 und U2 beispielsweise -222,58 mV und -104,26 mV. Daraus ergibt sich bei der Annahme einer unveränderten Steigung von S = -59,15 mV eine Spreizung von pX = 1,49. Somit ändert sich Gl. 4 zusammen mit pX = U0 / S bei einem gealterten Sensor zu U = 59,16 log ( c ) + 88,32
Figure DE102017123647A1_0011
At a first time t 1 is z. B. based on a sample by means of a cuvette test or by means of a process photometer, a first ion concentration c 1 from NH 4 + to 0.1 mg / L. At this first time t 1 becomes a tension U 1 = -251.74 mV measured between the ion-selective electrode and the reference electrode. At a second time t 2 is, for. Example, based on a sample by means of a Küvettentests or by means of a process photometer, a second ion concentration c 2 from NH 4 + to 10 mg / L. At this second time t 2 becomes a tension U 2 = -133.42 mV between the ion-selective electrode and the reference electrode. For the slope S a theoretical value of -59.15 mV is assumed. Thus, according to Eq. 7 for the spread pX = 1. Thus, according to Eq. 4 together with pX = U 0 / S for the voltage to be measured U = - 59.15 log ( c ) + 59.15
Figure DE102017123647A1_0010
Eq. 8 simultaneously describes the calibration line of a brand new sensor. If the sensor aged, arise for the voltages U 1 and U 2 for example, -222.58 mV and -104.26 mV. This results in a spread of pX = 1.49 assuming an unchanged slope of S = -59.15 mV. Thus, Eq. 4 together with pX = U 0 / S for an aged sensor too U = - 59.16 log ( c ) + 88.32
Figure DE102017123647A1_0011

Eine Messung der lonenkonzentration von NH4 + mittels Gl. 8 würde zu einer zeitlich veränderlichen lonenkonzentration zwischen 0,31 und 31,1 mg/L führen, was im Hinblick auf die korrekten Werte von 0,1 und 10 mg/L nicht präzise wäre. Daher muss der Sensor kalibriert werden, indem die geänderte Spreizung pX von 1 auf 1,49 berücksichtigt ist. Vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass lediglich die Spreizung pX und nicht noch zusätzlich die Steigung S bei der Kalibrierung berücksichtigt werden muss.A measurement of the ion concentration of NH 4 + by means of Eq. 8 would lead to a time-varying ion concentration between 0.31 and 31.1 mg / L, which would not be accurate given the correct values of 0.1 and 10 mg / L. Therefore, the sensor must be calibrated by changing the spread pX from 1 to 1.49. An advantage of the method according to the invention is that only the spread pX and not in addition the slope S must be taken into account during calibration.

3a/3b zeigen Diagramme einer nicht kalibrierten ionenselektiven Elektrode. 3a zeigt ein Diagramm bei dem die Spannung U gegen die Konzentration c in logarithmischer Darstellung aufgetragen ist. Die durchgezogene Kurve beschreibt eine gemessene und die gestrichelte Kurve beschreibt einen idealisierten Verlauf der Spannung U. 3a stellt die eigentliche Kalibrierung mit dem logarithmischen Zusammenhang zwischen Signal und Konzentration gem. Nernst-Gleichung dar. 3a / 3b show diagrams of an uncalibrated ion-selective electrode. 3a shows a diagram in which the voltage U plotted against the concentration c in logarithmic representation. The solid curve describes a measured and the dashed curve describes an idealized curve of the voltage U , 3a represents the actual calibration with the logarithmic relationship between signal and concentration acc. Nernst equation.

3b zeigt ein Diagramm bei dem die gemessene Konzentration cgem gegen die tatsächliche Konzentration creal aufgetragen ist. Die durchgezogene Kurve beschreibt einen gemessenen und die gestrichelte Kurve einen idealisierten Verlauf der Konzentrationen cgem und creal . 3b stellt die Ansicht des Anwenders dar. 3b shows a graph at which the measured concentration c acc against the actual concentration c real is applied. The solid curve describes a measured and the dashed curve an idealized course of the concentrations c acc and c real , 3b represents the view of the user.

Eine Kalibrierung der nicht kalibrierten Elektrode entsprechend 3a und 3b führt zu den in 4a/4b gezeigten Diagrammen.Calibration of the uncalibrated electrode accordingly 3a and 3b leads to the in 4a / 4b shown diagrams.

4a/4b zeigen Diagramme einer nach dem Stand der Technik kalibrierten Elektrode. Deutlich zu sehen ist die noch zu große Abweichung zwischen dem gemessenen (durchgehende Linie) und dem angestrebten Verlauf (gestrichelte Linie). Es ist ersichtlich, dass die gemessene und die angestrebte Linie bei lediglich zwei Punkten übereinstimmen, nämlich beim Nullpunkt und dem einen Kalibrierpunkt. 4a / 4b show diagrams of a calibrated according to the prior art electrode. Clearly visible is the too great deviation between the measured (continuous line) and the desired course (dashed line). It can be seen that the measured and the desired line coincide at only two points, namely at the zero point and the one calibration point.

5a/5b zeigen Diagramme einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibrierten Elektrode. Deutlich zu erkennen ist die große Übereinstimmung des gemessenen und des angestrebten Verlaufs. 5a / 5b show diagrams of a calibrated according to the inventive electrode. Clearly recognizable is the great agreement between the measured and the desired course.

6 zeigt ein Diagramm mit Verläufen der Konzentration von NH4 + als Funktion der Zeit in Stunden aufgenommen mit einem nicht kalibrierten potentiometrischen Sensor mit einer ionenselektiven Elektrode (durchgezogene Linie) und einer Referenzmessung eines photometrischen Analysators (punktierte Linie). Bei der Belüftung einer Kläranlage fällt die Konzentration von Ammonium auf ein Minimum. Der Verlauf zeigt eine abwechselnde Belüftung und Einfüllung der Kläranlage, die sich durch das Auf und Ab des Verlaufs bzw. der Ammonium-Konzentration bemerkbar macht. Diesen Verlauf kann man sich zunutze machen, indem als erster Zeitpunkt zur Erfassung eines ersten Kalibriermesswerts ein Zeitpunkt hoher NH4 + -Konzentration (Belüftung aus) und als zweiter Zeitpunkt zur Erfassung eines zweiten Kalibriermesswerts ein Zeitpunkt niedriger Konzentration (Belüftung an) gewählt wird. 6 shows a diagram with courses of the concentration of NH 4 + recorded as a function of time in hours with a non-calibrated potentiometric sensor with an ion-selective electrode (solid line) and a reference measurement of a photometric analyzer (dotted line). When a sewage treatment plant is aerated, the concentration of ammonium falls to a minimum. The course shows an alternating ventilation and filling of the treatment plant, which is noticeable by the up and down of the course or the ammonium concentration. This course can be exploited by using a time of high as the first time to acquire a first calibration reading NH 4 + -Concentration (ventilation off) and a time of low concentration (ventilation on) is selected as the second time to acquire a second calibration value.

7 zeigt ein Diagramm entsprechend 6, aufgenommen mit einem nach dem Stand der Technik kalibrierten Sensor (durchgezogene Linie) und einem Referenzmessung (punktierte Linie, siehe 6). 7 shows a diagram accordingly 6 , recorded with a calibrated according to the prior art sensor (solid line) and a reference measurement (dotted line, see 6 ).

8 zeigt ein Diagramm entsprechend 6, aufgenommen mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kalibrierten Sensor (durchgezogene Linie) und einem Referenzmessung (punktierte Linie, siehe 6). 8th shows a diagram accordingly 6 , recorded with a calibrated by the inventive method sensor (solid line) and a reference measurement (dotted line, see 6 ).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensorsensor
22
Ionenselektive ElektrodeIon-selective electrode
33
Bezugselektrodereference electrode
44
Messlösungmeasurement solution
55
Messschaltungmeasuring circuit
c1 c 1
Erste lonenkonzentrationFirst ion concentration
c2 c 2
Zweite lonenkonzentrationSecond ion concentration
t1 t 1
Erster ZeitpunktFirst time
t2 t 2
Zweiter ZeitpunktSecond time
U1 U 1
Erste SpannungFirst tension
U2 U 2
Zweite SpannungSecond tension
pNpN
Schnittpunktintersection
pXpX
Spreizungspread
SS
Steigungpitch
coffset c offset
StörionenkonzentrationStörionenkonzentration

Claims (3)

Verfahren zum Kalibrieren eines Sensors (1) mit einer ionenselektiven Elektrode (2) und einer Bezugselektrode (3), wobei der Sensor (1) eine ideale Kalibriergerade aufweist, die linear ist, umfassend die Schritte, Eintauchen des Sensors (1) in eine Messlösung (4) mit zeitlich verändernder lonenkonzentration, Bestimmen einer ersten lonenkonzentration (c1) einer der Messlösung (4) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) entnommenen Probe, Ermitteln einer ersten Spannung (U1) zwischen der ionenselektiven Elektrode (2) und der Bezugselektrode (3) zu dem ersten Zeitpunkt (t1), Bestimmen einer zweiten lonenkonzentration (c2) einer der Messlösung (4) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) entnommenen Probe, Ermitteln einer zweiten Spannung (U2) zwischen der ionenselektiven Elektrode (2) und der Bezugselektrode (3) zu dem zweiten Zeitpunkt (t2), gekennzeichnet durch, Bestimmen einer Spreizung (pX) der ionenselektiven Elektrode (2) p X = log ( 10 U 2 / S 10 U 1 / S c 2 c 1 ) ,
Figure DE102017123647A1_0012
mit einer theoretische Steigung (S), Bestimmen einer Störionenkonzentration (coffset) der Messlösung (4), Bestimmen einer tatsächlichen Kalibriergeraden, die linear ist, anhand der Spreizung (pX) und der Störionenkonzentration (coffset), Kalibrieren des Sensors (1) anhand einer Verwendung der tatsächlichen Kalibriergeraden anstelle der idealen Kalibriergerade.
A method of calibrating a sensor (1) having an ion selective electrode (2) and a reference electrode (3), the sensor (1) having an ideal calibration straight line, comprising the steps of immersing the sensor (1) in a sensing solution (4) with a time-varying ion concentration, determining a first ion concentration (c 1 ) of a sample taken from the measurement solution (4) at a first time (t 1 ), determining a first voltage (U 1 ) between the ion-selective electrode (2) and the Reference electrode (3) at the first time (t 1 ), determining a second ion concentration (c 2 ) of the sample (4) at a second time (t 2 ) taken sample, determining a second voltage (U 2 ) between the ion-selective electrode (2) and the reference electrode (3) at the second time (t 2 ), characterized by determining a spread (pX) of the ion-selective electrode (2) p X = log ( 10 U 2 / S - 10 U 1 / S c 2 - c 1 ) .
Figure DE102017123647A1_0012
with a theoretical slope (S), determination of an interference ion concentration (c offset ) of the measurement solution (4), determination of an actual calibration straight line, based on the spread (pX) and the interference ion concentration (c offset ), calibration of the sensor (1) by using the actual calibration line instead of the ideal calibration line.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steigung (S) einen theoretischen Wert von 59,15 mV für einfach geladene Ionen, einen theoretischen Wert von 118,3 mV für zweifach geladene Ionen, einen theoretischen Wert von 177,45 mV für dreifach geladene Ionen aufweist.Method according to Claim 1 wherein the slope (S) has a theoretical value of 59.15 mV for singly charged ions, a theoretical value of 118.3 mV for doubly charged ions, a theoretical value of 177.45 mV for triply charged ions. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur bei der Bestimmung der der Spreizung (pX) berücksichtigt wird.Method according to Claim 1 or 2 , wherein the temperature is taken into account in the determination of the spread (pX).
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DE102019114341A1 (en) * 2019-05-28 2020-12-03 Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg Method for checking the functionality of an ion-selective electrode assembly

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