DE102017123647A1 - Method for calibrating a sensor - Google Patents
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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 (
Bestimmen einer Störionenkonzentration (
Bestimmen einer tatsächlichen Kalibriergeraden, die linear ist, anhand der Spreizung (
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 (
Determining an interference ion concentration (
Determining an actual calibration line that is linear, based on the spread (
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 vonNH4 + 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.
-
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 ofNH 4 + as a function of time, -
7 : a diagram accordingly6 , recorded with a calibrated according to the prior art sensor, and -
8th : a diagram accordingly6 taken with a calibrated by the method according to the invention sensor.
Ist in der Messlösung
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
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
Die Steigung
Der erste und zweite Zeitpunkt
Ist die Störionenkonzentration
Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Rechenbeispiel an einer Messlösung mit einer zeitlich veränderlicher lonenkonzentration von
Zu einem ersten Zeitpunkt
Eine Messung der lonenkonzentration von
Eine Kalibrierung der nicht kalibrierten Elektrode entsprechend
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
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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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EP0667522A2 (en) * | 1993-12-16 | 1995-08-16 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method of measuring ion concentration and apparatus therefor |
DE102010041523A1 (en) * | 2010-09-28 | 2012-03-29 | Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG | Method for operating a measuring device with at least one probe, which has at least one ion-selective electrode |
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