DE69122263T2

DE69122263T2 - Messfühler zur messung der eigenschaften von fluiden

Info

Publication number: DE69122263T2
Application number: DE69122263T
Authority: DE
Inventors: John Saffell
Original assignee: Solomat Ltd
Current assignee: Honeywell Analytics Ltd
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2011-11-28
Also published as: ATE157461T1; IE914125A1; DE69127476D1; ZA919370B; DE69122263D1; WO1992009885A2; EP0672908B1; EP0672908A3; EP0672908A2; AU8934891A; US5235526A; EP0559709A1; WO1992009885A3; EP0559709B1; DE69127476T2

Description

Technischer Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Sonde für das Messen elektrischer Größen und Werte, die mit elektrischen Größen verbunden sind.

Definitionen

Wie hier benutzt, werden die Begriffe "Sonde" und "Sondeneinheit" auswechselbar benutzt, um Bezug zu nehmen auf ein Gehäuse, das eine Vielzahl von Elektroden/Meßwertaufnehmer und damit verbundene Schaltkreise aufweist.
Wie hier benutzt, werden die Begriffe "Elektroden", "Meßwertaufnehmer" und "Aufnahmemittel" auswechselbar benutzt, um sich auf ein Mittel zu beziehen, das spezifische Parameter in einer Flüssigkeit überwacht und diese überwachten Messungen in ein analoges Signal umwandelt.

Stand der Technik

In ihrer einfachsten Form bestehen Sonden aus einem Erkennungs- oder Spürelement, z. B. einer Elektrode, einem Meßwertaufnehmer etc. und elektronischen Schaltkreisen, um durch das Element gelieferte Signale zu verarbeiten. Meßvorrichtungen umfassen generell auch Anzeigevorrichtungen oder andere Mittel, um die Ergebnisse dem Benutzer zu übermitteln.
Seit ihrer Einführung in der Industrie haben Meßvorrichtungen verschiedene Entwicklungsstufen durchgemacht. Ein Beispiel einer solchen Entwicklungsstufe ist der Einbau von Mikroprozessoren, der die Benutzung von mehreren Elektroden/Meßwertaufnehmer mit einer Einheit ermöglicht. Diese Konstruktion erleichtert den Transport der Vorrichtung. Außerdem verringert der Bau einer Sonde mit einer Vielzahl von Elektroden die Anzahl der Kabel und der benötigten Komponenten.
Sonden haben die Fähigkeit, eine Mehrzahl von Parametern zu messen, wobei jeweils ein Parameter jeweils einer speziellen Eiektrode zugeordnet ist. Die bekannten Sonden umfassen Mittel, um Elektroden auszuwählen, deren Ausgangssignale zu einem vorgegebenen Zeitpunkt überwacht werden. Nachdem eine spezielle Elektrode ausgewählt wurde, wird ihr analoges Ausgangssignal verarbeitet. Dieses Signal kann auf viele verschiedene Wege verarbeitet werden. Beispiele für solche Wege umfassen: (a) das analoge Signal von der ausgewählten Elektrode direkt an ein Instrument oder an den Benutzer zum Messen, Analysieren, Kalibrieren, Darstellen und/oder Speicher zu senden; und/oder (b) das analoge Signal von der gewählten Elektrode an eine entfernte Zentralverarbeitungseinheit zu senden, wo das analoge Signal zuerst digitalisiert wird, und es dann an ein Instrument oder einen Benutzer zum Messen, Analysieren, Kalibrieren, Darstellen und/oder Speichern zu übertragen.
Konventionelle Sonden haben ihnen anhaftende Grenzen und/oder mit ihnen verbundene Probleme. Ein wesentliches Problem beruht auf ihrer mangelnden Fähigkeit, gemessene Parameter akkurat zu reproduzieren, wenn das analoge Signal der Elektroden/Meßwertaufnehmer über eine erhebliche Distanz zu übertragen ist. Wenn der Abstand zwischen der Sondeneinheit und der zentralen Verarbeitungseinheit erheblich ist (d. h. generell alles über 10 Meter), beginnt das Signal generell schwächer zu werden. Dieses Schwächerwerden betrifft die Akkuratesse der Messung.
Ein Verfahren, um zu versuchen, diese Probleme zu überwinden, ist die Verwendung hochentwickelter analoger Verkabelung zwischen der Sondeneinheit und der zentralen Verarbeitungseinheit. Während diese Technik unter gewissen Umständen funktioniert, ist sie sehr teuer und hat sehr hohe Kosten je Meter Verkabelung. Falls die Sondeneinheit benutzt wird, um beispielsweise verschiedene Parameter in Wasser bei Tiefen von über 100 Meter zu messen, können die Kosten für die Verwendung der vorgenannten Technik, um dieses spezielle Problem zu überwinden, abschreckend teuer werden.
Ein anderes Verfahren, um zu versuchen, die Probleme zu überwinden, die mit der akkuraten Reproduktion gemessener Parmeter und der übertragung dieser Messungen über eine erhebliche Strecke verbunden sind, ist die Programmierung der Zentralverarbeitungseinheit, um die Abschwächung der übertragenen Signale zu kompensieren. Dieses Verfahren kann erfolgreich eingesetzt werden, aber nur unter den Umständen, wo alle anderen Variablen (d. h. Abstand zwischen der Elektrode und der zentralen Verarbeitungseinheit, Umgebungstemperatur, Lösungstemperatur, etc.) relativ konstant bleiben. Da aber in dieser Welt nichts konstant bleibt und da Sonden generell unter einer Vielzahl von unterschiedlichen Bedingungen benutzt werden, ist diese Technik, das Problem zu bewältigen, generell unpraktisch.
Demgemäß wäre eine Sonde, die mit einer Meßvorrichtung verbunden ist, die Messungen akkurat wiedergeben kann, ohne die Kosten der Vorrichtung wesentlich zu erhöhen, eine willkommene Verbesserung für die Industrie. Es wäre eine sogar noch stärker willkommene Verbesserung, wenn dieser hohe Grad der Reproduzierbarkeit erreicht werden könnte, wenn die Sondeneinheit einen erheblichen Abstand von der zentralen Verarbeitungseinheit hat.
Ein anderes Problem, das mit vielen der konventionellen Vielfachsondenmeßvorrichtungen verbunden ist, hängt mit dem Bereich ihrer Funktion zusammen (d. h. die Flexibilität der Meßvorrichtung). Insbesondere haben viele der konventionellen Sonden nur eine begrenzte Flexibilität, wenn sie mit anderen Vorrichtungen verbunden werden, wie (a) Vorrichtungen, die die gemessenen Parameter darstellten, (b) Kontrollmitteln, die verschiedene Funktionen einleiten können, wie das Auslösen eines Alarmes, das Öffnen/Schließen eines Ventiles, etc., und/oder (c) Computern, zum Umsetzen und/oder Verarbeiten der überwachten Informationen.
Da es oft erwünscht ist, Parameter zu ändern, gemessene Parameter zu analysieren und/oder nicht gemessene Parameter an Ort und Stelle zu berechnen, und da es umständlich ist, ständig einen Computer zur Verfügung zu haben, wäre es für die Industrie eine willkommene Verbesserung, falls eine Sonde entworfen würde, um mathematische Berechnungen auszuarbeiten, ohne mit einem externen Speicher- und/oder Datenverarbeitungsgerät verbunden werden zu müssen.
Wenn spezifische Parameter einer Flüssigkeit (z. B. Wasser) mit einer Vielfachsonden-Meßvorrichtung überwacht werden, ist es oft wünschenswert, die Flüssigkeit kontinuierlich über die Elektroden fließen zu haben. Deshalb wird üblicherweise ein externer Agitator oder Rührer benutzt, wenn die Flüssigkeit ruht. In bisherigen Vorrichtungen ist diese externe Rühreinheit eine unabhängige Komponente, die üblicherweise an den gegenüberliegenden Flächen der Sondeneinheit so angebracht ist, daß der Propeller der Rühreinheit rückwärts zu der Vielzahl von Elektroden/Meßwertaufnehmer weist. Diese konventionelle externe Rühreinheit ist üblicherweise mit einer entfernten Zentralverarbeitungseinheit (CPU) durch ein separates externes Kabel verbunden.
Es sind grundlegende Probleme mit einer solchen Konstruktion verbunden. Ein solches Problem betrifft die Größe. Generell wird die Sondeneinheit groß und schwierig zu handhaben aufgrund des Vorliegens der externen Rühreinheit und des separaten externen Energiekabels für diese.
Ein anderes Probem ist mit dem außenliegenden Kabel verbunden. Zusätzlich zu den damit einhergehenden Kosten macht das Vorliegen eines separaten Kabels zwischen dem Rührer und der CPU es angreifbar aufgrund der oft ungünstigen Bedingungen, denen die Elektroden unterzogen wurden, insbesondere an den Verbindungspunkten. Demgemäß müssen externe Kabel, die mit den konventionellen Rühreinheiten verbunden sind, häufig repariert, gewartet und/oder ersetzt werden. Im Hinblick auf das Obengesagte wäre es in der Industrie ebenfalls eine willkommene Verbesserung, falls eine Sonde entwickelt werden könnte, um die Kosten für die Verwendung, Wartung und/oder das Austauschen des Rührers zu minimieren.
Ein weiteres Problem, das mit den konventionellen externen Rührern verbunden ist, bezieht sich auf deren Energieverbrauch. Insbesondere benötigen Rühreinheiten eine großen Menge von Energie. Da viele Sonden üblicherweise im Feld benutzt werden, werden sie üblicherweise aus Batteriepacks betrieben. Da die Lebensdauer eine Batterie im wesentlichen von der verbrauchten Energiemenge abhängt, ist es erstrebenswert, die für zusätzliche Zwecke verbrauchten Energiemengen zu mmimieren, z. B. für den Betrieb eines Rührers Trotzdem ist es notwendig, die Flüssigkeit über die Elektroden fließen zu haben, im Gegensatz zum In-Ruhe-sein. Im Hinblick auf das Obengesagte ist die Industrie mit einem Dilemma konfrontiert. Demgemäß wäre es eine andere willkommene Verbesserung, falls Mittel entworfen werden könnten, um Flüssigkeit über die Elektroden fließend zu halten, und gleichzeitig die verbrauchte Energie zu minimieren.
Ein weiteres Problem, das mit vielen der konventionellen Sonden verbunden ist, bezieht sich auf deren Verfahren zur Kalibrierung. Z. B. werden Sonden mit der folgenden Technik kalibriert. Als erstes wird eine Kalibrierungslösung, die zur Kalibrierung eines spezifischen Parameters einer spezifischen Elektrode gebraucht werden kann, in ein Kalibrierungsbad getan. Da alle Elektroden der meisten konventionellen Sonden in einer Sondeneinheit angeordnet sind, werden dann alle Elektroden in diese spezifische Kalibrierungsflüssigkeit gesteckt. Die eine Elektrode, die zu der spezifischen Kalibrierungslösung im Bad paßt, wird dann kalibriert.
Danach wird diese spezielle Kalibrierungslösung aus dem Bad entsorgt und die Elektroden und der Lösungsbehälter werden gespült. Dieser Füllen-Kalibrieren-Spülen-Prozeß wird dann wiederholt für jede der übrigen Elektroden, bis alle kalibriert sind für ihre spezifischen Parameter. Da aber in vielen Fällen Elektroden auch für andere Parameter kalibriert werden müssen, bedeutet dies generell, daß der vorerwähnte Füllen-Kalibrieren- Spülen-Prozeß wiederholt werden muß mit einer zweiten Art von Kalibrierungslösung für jede Elektrode.
Wie man sehen kann, ist das konventionelle Verfahren zur Kalibrierung von Sondenelektroden sehr zeitaufwendig. Außerdem können Elektroden trotz des gründlichen Spülens in gewissem Grad durch die anderen verschiedenen Kalibrierungsflüssigkeiten verschmutzt sein, z. B. pH-Elektroden können kontaminiert sein durch Trübungs-Kalibrierungslösungen. Demgemäß wäre eine Vorrichtung oder Technik, die die Kalibrierung von Sonden, Elektroden vereinfacht und/oder die Verschmutzung von verschiedenen Elektroden durch andere, nicht verbundene Kalibrierungslösungen ausschließt, eine weitere willkominene Verbesserung für die Industrie.
Ein weiteres Problem, das mit Sonden verbunden ist, beruht auf der Reparatur und/oder dem Ersatz von beschädigten Elektroden und/oder dem Auswechseln der Parameter, die die Elektroden überwachen. Insbesondere, da konventionelle Sonden benutzt werden, um verschiedene Parameter in Flüssigkeiten zu messen, müssen die Verbindungen zwischen den Elektroden/Sonden und den Schaltkreisen innerhalb der Sonde trocken bleiben. Deshalb muß die Sonde wasserdicht sein. Aufgrund dieses Erfordernisses sind viele Sondeneinheiten fabrikmäßig versiegelt. Falls eine spezielle Elektrode repariert oder ersetzt werden muß aus diesem oder jenem Grund, muß deswegen die komplette Sondeneinheit grundsätzlich ausgebaut werden und in eine Werkstatt zurückgebracht werden, wo diese Arbeit durchgeführt werden kann; dies ist offensichtlich sehr umständlich fur einen Benutzer.
Falls die Sonde benutzt wird, um kontinuierlich spezifische Parameter zu überwachen, zwingt dies einen Benutzer generell, mehr als eine Sondeneinheit vor Ort zur Verfügung zu haben. Da die Sondeneinheit mehrere tausende US-Dollar kosten könnte, abhängig von der Zahl der Elektroden und der darin enthaltenen Schaltkreise, ist es sehr kostenträchtig, eine größere Anzahl von Sondeneinheiten vor Ort zur Verfügung zu haben. Demgemäß wäre eine andere willkommene Verbesserung in der Industrie eine Vielfachsonden-Meßvorrichtung, die für den Ersatz und/oder die Reparatur von Elektroden/Sonden entworfen ist, ohne die Zerstörung der notwendigen wasserdichten Konfiguration der Sondeneinheit.
Schließlich sollte verhindert werden, daß Elektroden völlig austrocknen, wenn sie nicht benutzt werden, d. h., während längerer Lagerzeiten, da dies ihre Benutzbarkeit und/oder Genauigkeit betreffen kann. Es wäre ausgesprochen nützlich, Elektroden in einer ständig feuchten Atmosphäre zu lagern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sonde vorzusehen, die akkurat überwachte Parameter über erhebliche Distanzen wiedergeben kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sonde anzugeben, die mathematische Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen durchführen kann, ohne mit einer externen Speichereinheit und/oder Datenverarbeitungseinheit verbunden sein zu müssen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Rührer anzugeben, um einen Flüssigkeitsstrom über die Elektroden einer Sonde beizubehalten, die Kosten für die Benutzung und/oder Reparatur des Rührers zu verringern und den Energieverbrauch des Rührers zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung in einer bevorzugten Ausführungsform sieht auch eine verbesserte Sonde vor, die ein verbessertes Kalibrierungsmittel vorsieht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Sonde gemäß dem Anspruch 1 vorgesehen.
Die bevorzugte Sonde der vorliegenden Erfindung weist auf: (a) eine Vielzahl von Elektroden und Schaltkreisen, die damit verbunden sind zur Signalkonditionlerung, (b) einen eingebauten Analog/Digital-(A/D)- Konverter, (c) einen eingebauten Auswahlschaltkreis und (d) einen eingebauten primären Digitalsignal-Verarbeitungsschaltkreis, z. B. einen Mikroprozessor.
Der Auswahlschaltkreis identifiziert jede der Vielzahl der Elektroden, um die Behandlung der durch diese gelieferten Signale dadurch zu kontrollieren. Der Auswahlschaltkreis verbindet die Elektroden auch mit dem A/D-Konverter. Der Mikroprozessor ist in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Analog/Digital- Konverter und in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Auswahlschaltkreis.
Die Sonde der vorliegenden Erfindung ist angepaßt zur Verbindung mit einer separaten Vorrichtung, die eine zentrale Verarbeitungseinheit aufweist. Diese zentrale Verarbeitungseinheit umfaßt: (a) eine Energieversorgung für die zentrale Verarbeitungseinheit und für die Sondeneinheit, (b) eine Echtzeituhr, (c) einen RAM-Speicher, der in der Lage ist, wenigstens 500 Bytes Informationen zu speichern, (d) eine arithmetische und logische Einheit (ALU), die in der Lage ist, mathematische Multi-Paß-Linearisierungsberechnungen durchzuführen,
(e) einen digitalen Signalverarbeitungsschaltkreis (Mikroprozessor), der eine digitale Ausgabe liefert,
(f) Mittel zur Verarbeitung der digitalen Ausgabe aus dem zweiten digitalen Verarbeitungsschaltkreis und (g) ein digitales Ausgabemittel. Wenn die Sonde mit der besagten Vorrichtung verbunden ist, ist der Mikroprozessor der letzteren in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit den folgenden Komponenten: dem Sondenmikroprozessor-Signalverarbeitungsschaltkreis, den Echtzeituhrmitteln, dem RAM, dem ALU und den digitaler Ausgabemitteln.
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Mittel, die Flüssigkeit fließend zu halten (Rührer), das in den Körper der Sonde integriert ist, als Gegensatz, extern davon befestigt zu sein, und umfaßt: (a) eine Rührersteuerung, (b) eine Rührerantriebskomponente (Motor) und (c) einen Propeller.
Vorteilhafterweise ist die Rührkontrolleinheit in uni-direktionaler digitaler Verbindung sowohl mit dem Sondenmikroprozessor als auch mit dem Rührermotor. Der Propeller ist üblicherweise zentral angeordnet zu der Vielzahl der Elektroden.
Bevorzugterweise weist die vorliegende Erfindung auch verbesserte Mittel zur Kalibrierung der Elektroden auf, einschließlich eines Kalibrierungsbechers, der eine Vielzahl von beispielsweise vertikal orientierten Bohrungen aufweist, die teilweise durch ihn hindurchtreten. Die Bohrungen sind so angeordnet, daß sie mit der Anordnung der Vielzahl von Elektroden in der Sonde korrespondieren. Jede Bohrung ist so dimensioniert, daß sie die spezifische Elektrode, mit der sie korrespondiert, aufnimmt, wobei sie einen ausreichenden Spalt darum herumläßt, für Flüssigkeitsströmung.
Bevorzugterweise sieht die vorliegende Erfindung auch ein Mittel vor, um Elektroden einer Sonde vor Ort zu ersetzen und/oder zu reparieren.
Bevorzugterweise weist die vorliegende Erfindung auch Meßmittel auf, die die Informationen von einer Vielzahl von gleichen Sondeneinheiten verarbeiten können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung und viele damit zusammenhängende Vorteile sind besser zu verstehen unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Dabei ist
Figur 1 ein Gesamtschaltkreisdiagramm-Schema einer Sonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein Gesamtschaltkreisdiagramm-Schema eines Vielfachmeßaufnehmers/Vielfachsondenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform;
Figur 3 ein Gesamtschaltkreisdiagramm-Schema einer Vielfachmeßaufnehmer/Vielfachsondenvorrichtung gemäß noch einer anderen Ausführungsform;
Figur 4 eine teilweise Querschnittsansicht einer Sonde mit Mitteln zur Reparatur und/oder Ersatz von Elektroden im Feld;
Figur 5 eine teilweise Querschnittsansicht einer Sonde mit Mitteln zur Reparatur und/oder Ersatz von Elektroden im Feld;
Figur 6 eine Schrägansicht einer Ausführungsform eines verbesserten Kalibrierungsmittels für eine Sonde gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 7 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform für ein verbessertes Kalibrierungsmittel;
Figur 8 ein Querschnitt des Kalibrierungsmittels aus Figur 7 gemäß der Ebene, die durch die Ebene 8-8 angedeutet ist; und
Figur 9 eine teilweise Querschnittansicht einer Sonde mit einem verbesserten Rührer und einem verbessertem Kalibrierungsmittel.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung löst viele der Probleme, die die Industrie seit Jahren plagen. In der allgemeinsten Form der vorliegenden Erfindung werden analoge Signale von den Elektroden der Sonde auf eine Eingangsignalsammeleinheit übertragen (d. h. einen A/D-Wandler), um digitalisiert zu werden. Generell wird der A/D-Wandler kombiniert mit einem elektronischen Wahlschaltkreis, der alternativ den ein oder anderen der zwei Linien wählt, mit denen die Elektroden verbunden sind.
Die digitalen Signale werden dann an einen Mikroprozessor in der Sonde zum Messen übertragen, der in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem A/D-Wandler und in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem elektronischen Auswahlschaltkreis ist.
Die digitale Ausgabe wird dann übertragen vom Mikroprozessor in der Sonde auf eine separate Vorrichtung, die eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) enthält, die in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Sondenmikroprozessor ist, eine Echtzeituhr, einem RAM, das in der Lage ist, wenigstens 500 Bytes von Informationen zu speichern, einem ALU und einem digitalen Ausgabemittel.
Die digitalisierten Signale, die von dem Sondenmikroprozessor übertragen werden, werden mathematischen Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen im Mikroprozessor der CPU unterzogen. Während der mathematischen Vielfachfilter-Linearisierungsberechnung werden Informationen an den Mikroprozessor der CPU, das RAM, das ALU und die Echtzeituhr geliefert.
Nachdem der Mikroprozessor der CPU die vorerwähnten Berechnungen gemacht hat, erzeugt er eine digitale Ausgabe, die als solche benutzt werden kann, um beispielsweise festzustellen, ob ein starkes oder ein schwaches Signal vorliegt, oder das in ein analoges Signal durch einen Digital/Analog-(D/A)-Wandler gewandelt und als solches benutzt wird.
In der Sondeneinheit und der zentralen Verarbeitungseinheit der vorliegenden Erfindung sind Signalverarbeitungsschaltkreise jeder spezifischen Elektrode zugeordnet.
Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen der Signale innerhalb der CPU vereinfachen die Struktur der Sonde und reduzieren Kosten. Tatsächlich werden die zu linearisierenden Messungen durch den Sondenmikroprozessor geliefert, wenn dieser mit dem CPU-Mikroprozessor verbunden ist. Daher können gewisse Elektroden eine nicht lineare Erwiderung haben, ohne daß dies die Sonde kompliziert, mit der sie verbunden sind.
Die Verbindung zwischen der Sonde und der CPU sichert den elektrischen Kontakt zwischen den zwei Elementen für die folgenden Zwecke:
(a) Energieversorgung und Erdung, die durch die CPU der Sonde zur Verfügung gestellt werden; und
(b) bi-direktionale digitale Verbindung zwischen dem Sondenmikroprozessor und dem Mikroprozessor der CPU.
Durch Umwandlung der analogen Signale aus den Elektroden in digitale Signale in der Sonde benötigt es nur bi-direktionaler digitaler Verbindungen zwischen den zwei Mikroprozessoren. Diese Art von Schaltkreisen reduziert eine Anzahl von Kontakten zwischen der CPU und der Sonde. Insbesondere vermeidet diese Art von Schaltkreisen auch das Bedürfnis von hochkomplexen analogen Verkabelungen zwischen der Sonde und der CPU. Durch die Implementierung der Schaltkreise, die in der vorliegenden Erfindung vorliegen, wird deshalb die Gesamtanzahl von Verbindungsleitungen zwischen der Sonde und der CPU erheblich reduziert. Insbesondere ist der Gebrauch von analogen Verkabelungen zwischen den zwei Einheiten weggefallen.
Im Hinblick auf die Zeichnungen zeigt Figur 1 ein Gesamtschaltkreisdiagrammschema einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung umfaßt eine Sondeneinheit 1 und eine CPU 2. Wie aus den Figuren 2 und 3 gesehen wird, kann die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Sondeneinheiten umfassen.
CPU 2 umfaßt einen Mikroprozessor 10, der in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit einem RAM 12 ist, einen ALU 14, der in der Lage ist, mathematische Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen durchzuführen, eine Echtzeituhr oder RTC 15, einen Sondenmikroprozessor 16 und digitale Ausgabemittel.
Der Mikroprozessor 10 erzeugt eine digitale Ausgabe, die an die digitalen Ausgabemittel übertragen wird. Die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor der CPU und den digitalen Ausgabemitteln kann in direktem Kontakt sein, in paralleler Form über den Bus 18 und/oder in Serie über den Bus 20.
Optional kann die digitale Ausgabe vom Mikroprozessor 10 umgewandelt werden in ein analoges Signal. In diesem Fall können die digitalen Ausgabemittel einen D/A-Wandler 22 umfassen. Dies führt schließlich zu einer analogen Ausgabe vom Mikroprozessorschaltkreis 10 über den Bus 24.
Die digitalen Ausgaben, die durch den Mikroprozessor 10 der CPU erzeugt werden, können beispielsweise genutzt werden, um digitale Informationen in eine externe Quelle (z. B. eine Computer) zu laden oder von dieser digitale Informationen zu erhalten. Diese Art von Informationsübertragung kann erreicht werden durch geeignete Mittel, die dem Fachmann bekannt sind. Beispiele für solche geeigneten Mittel aber sind nicht begrenzt auf den Einbau von RS 232 und/oder RS 485 bi-direktionalen Digitalbussen.
Die CPU 2 ist mit der Sonde 1 über Busse 28 und 29 verbunden. Diese Busse dienen als Mittel für eine bi-direktionale digitale Verbindung zwischen dem Mikroprozessor 10 und dem Mikroprozessor 16. Die CPU 2 umfaßt weiterhin eine Energieversorgung 30, z. B. eine Trockenzellenbattene, eine Naßzellenbatterie, einen Gleichstromwandler und/oder einen Wechselstromwandler. Die Energieversorgung 30 ist nicht nur mit den Schaltkreisen der CPU 30 verbunden, sondern auch mit der Sonde über die Leitung 32.
Die Sonde 1 umfaßt Elektroden 34 und 36, einen elektronischen Auswahlschaltkreis 38, einen Eingangsignalsammelschaltkreis (d. h. einen A/D-Wandler 40), einen Mikroprozessor 16 und eine Quelle für Prozeßarbeitsspeicher (d. h. ROM 42).
Der Auswahlschaltkreis 38 ist mit den Elektroden 34 und 36 durch Leitungen 44 bzw. 46 verbunden. Der Auswahlschaltkreis 38 steuert das Schalten zwischen den verschiedenen Elektroden über Schaltkreise 48 und 50.
Die Leitung 45 zwischen dem Auswahlschaltkreis 38 und dem Mikroprozessor 16 dient als Mittel zur Abf rage des Wahlschaltkreises 38 durch den Mikroprozessor 10 der CPU über den Sondenmikroprozessor 16. Diese Abf rage wird ausgeführt durch den Austausch von digitalen Signalen vom Mikroprozessor 10 mit dem Mikroprozessor 16 und dann zum Wahlschaltkreis 38. Durch dieses Abfrageschema ist es möglich, von der CPU 2 die Art der auszuführenden Messung zu steuern, die Art der zu benutzenden Elektrode, die Natur des Signales der ausgewählten Elektrode und/oder welche Elektrode(n) zu benutzen ist (sind).
In der Praxis überwachen die Elektroden 34 und 36 gleichzeitig unterschiedliche Parameter. Der Benutzer selektiert die zu erhaltenden Informationen von einer der Meßaufnehmer durch den CPU-Mikroprozessor 10. Der Mikroprozessor 10 sendet ein digitales Signal an den Sondenmikroprozessor über die Leitung 28 und dann an den Wahlschaltkreis 38 über die Leitung 54. Die digitalisierten Signale, die von dem Mikroprozessor erhalten werden, aktivieren den entsprechenden Schaltkreis. Dies ermöglicht es, ein analoges Signal von einer der Meßaufnehmer durch die Leitung 52 zum A/D-Wandler 14 zu leiten, wo es digitalisiert wird.
Nachdem das Analogsignal vom A/D-Wandler digitalisiert wurde, wird das Digitalsignal von dort zum Mikroprozessor 16 übertragen und von dort über die Leitung 29 zum Mikroprozessor 10.
Wenn der Mikroprozessor 10 das digitalisierte Signal vom Mikroprozessor 16 erhält, kann er es auf verschiedenste Weisen verarbeiten, z. B. es analysieren, darstellen und/oder speichern der Informationen, die Information für Rekalibrierungszwecke nutzen und/oder die Informationen einer mathematischen Vielfachfilter- Linearisierungsberechnung unterziehen.
Nachdem die Informationen verarbeitet wurden, erzeugt der Mikroprozessor 10 eine digitale Ausgabe, die als solche in paralleler oder serieller Form benutzt werden kann und/oder die in analoge Signale über optionale D/A-Wandler 22 umgesetzt werden kann.
Unabhängig von ihrer Form werden diese digitalen Ausgaben dann an ein digitales Ausgabemittel zur weiteren Verarbeitung übertragen, z. B. an lichtausstrahlende Dioden (LED-) Display, an eine Flüssigkeitsanzeige (LCD), an einen externen Computer und/oder Überwachungsquellen, ein D/A-Wandler und/oder eine Kombination dieser.
Da das RAM 12 die Fähigkeit zur Speicherung von wenigstens 500 Bytes von Informationen hat und wegen der Echtzeituhr 15 kann die Ausgabe vom Mikroprozessor 10 benutzt werden als ein Echtzeitmonitor/Alarm und/oder für Zwecke zur entfernten Datenspeicherung.
Da die analogen Signale von den Meßaufnehmern 34 und 36 in der Sonde 1 digitalisiert werden anstatt in der CPU 2, besteht keine Notwendigkeit für eine aufwendige analoge Verkabelung zwischen der Sonde 1 und der CPU 2. Da es viel einfacher ist, ein digitales Signal zu reproduzieren als ein analoges Signal, ist der Grad der digitalen Signalabschwächung zwischen der Sondeneinheit 1 und der zentralen Verarbeitungseinheit 2 vernachlässigbar.
Im Hinblick auf das Obige kann die Sonde der vorliegenden Erfindung akkurat überwachte Parameter über eine erhebliche Strecke reproduzieren. Da keine Notwendigkeit für hochpreisige Analogverkabelung zur Benutzung der vorliegenden Erfindung vorliegt, kann dieses akkurate Reproduzieren von überwachten Parametern bei einer erheblichen Verringerung von Kosten erreicht werden.
Wie oben angegeben, hat das RAM 12 die Fähigkeit, wenigstens 500 Bytes Informationen zu speichern. Dies ermöglicht der Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung mathematische Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen. Insbesondere kann sie programmiert werden zwischen 500 und 5.000.000 Bytes zu handhaben, um die Bedürfnisse der meisten Nutzer zu befriedigen. In der praktischen Anwendung bei der Überwachung verschiedener Parameter in wäßrigen Lösungen wird es generell bevorzugt, daß das RAM in der Lage ist, zwischen 5.000 und 500.000, vorzugsweise 10.000 und 50.000 Byte, zu handhaben.
Mit dem Vorliegen eines RAM und einer RTC in der CPU 2 ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in der Lage, mathematische Vielfachfilter-Linearisierungsberechnungen durchzuführen. Insbesondere ermöglicht das Vorliegen dieser Komponenten eine erhöhte Flexibilität der Vorrichtung, da sie Echtzeitüberwachung/Alarmierung und/oder entfernte Datenaufzeichnung ermöglicht.
Ein signifikantes Merkmal der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die eine verbesserte Vorrichtung zum Fließendhalten einer Flüssigkeit aufweist bzw. einen Rührer, der in die Sondeneinheit integriert ist, im Gegensatz zu einer externen Befe stigung daran. Der Rührer der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Rührersteuerung, eine Rührerantreibkomponente (Motor) und einen Propeller.
Unter Bezugnahme auf die Figur 1 wird der Rührer generell mit 55 bezeichnet und umfaßt eine Rührersteuerung 56 und einen Rührmotor 60. Die Rührersteuerung 56 ist in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Sondenmikroprozessor 16 über die Leitung 58 und mit dem Rührmotor 60 über die Leitung 62.
Da die Rührersteuerung in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Mikroprozessor 16 ist, der wiederum in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem CPU-Mikroprozessor 10 ist, kann der Rührer durch die CPU 2 gesteuert werden, d. h. in bezug auf den Winkelsinn der Drehung des Propellers, die Umdrehungszahl pro Minute des Rührers, intermittierende Drehungen des Rührers, z. B. Laufen für eine Minute, dann Aus sein für eine Minute, wodurch Energie gespart wird, und/oder zuerst für eine längere Zeitdauer zu laufen und/oder bei einer höheren Umdrehungzahl pro Minute und dann in ein intermittierendes Laufen überzugehen.
Da der Schaltkreis zum Betrieb des Rührers innerhalb der Sondeneinheit 1 ist, kann die Einheit verwandt werden, um Flüssigkeit entlang der Elektroden fließend zu halten ohne diesen Schaltkreis den widrigen Bedingungen zu unterziehen, denen die Sondeneinheit unterzogen ist. Da der Rührer gesteuert werden kann, um intermittierend zu laufen, kann auch der Energieverbrauch merklich reduziert werden, der damit verbunden ist, die Flüssigkeit über die Elektroden fließend zu halten.
Wie man erkennt, ist der Einbau der verbesserten Mittel, die Flüssigkeit fließend zu halten, der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise beschränkt auf die hier offenbarte Meßvorrichtung
Figur 2 stellt eine andere Ausführungsform dar, bei der eine CPU 3 und zwei separate Sondeneinheiten 64 und 66 vorgesehen sind. Die CPU umfaßt die gleichen Komponenten der CPU 2 in Figur 1, aber hier ist die Energieversorgung 30 mit der Sondeneinheit 64 über die Leitung 32 und die Sondeneinheit 66 über die Leitung 32a verbunden.
Wie zuvor ist der Mikroprozessor 10 der CPU in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Mikroprozessor der Sondeneinheit. Da aber zwei Sondeneinheiten vorliegen, ist der Mikroprozessor 10 in Verbindung mit dem Mikroprozessor 10a der Sondenheit 64 über Leitungen 28a und 29a und mit dem Mikroprozessor 16b der Sonde 65 mit über die Leitungen 28b und 29b.
Die Sonden 64 und 66 sind identisch mit der Sondeneinheit 1 der Figur 1, mit der Ausnahme, daß jede außerdem einen Adressenwähler 68a, 68b aufweist. Die Adressenwähler 68a, 68b sind bei jeder Sondeneinheit notwendig, wenn verschiedene Sondeneinheiten durch eine einzige CPU gesteuert werden.
Die Adressenwähler 68a und 68b sind in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Mikroprozessor 16 und 16 über Leitungen 72 und 72 . Lediglich die Adressenselektoren 68 und 68 identifizieren ihre besonderen Sondeneinheiten. Wenn der Benutzer wünscht, eine Messung von einer der Elektroden in der Sonde 66 zu sehen, würde der Adressenselektor 68 den Mikroprozessor 16 informieren, daß seine Elektroden ausgewählt sind. Gleicherweise würde der Adressenselektor 68a den Mikroprozessor 16a informieren, daß seine Elektroden nicht gewählt sind. Die Mikroprozessoren instruieren die entsprechenden Auswahlschaltkreise 38b und 38a, um entsprechend zu reagieren. Durch das Vorhandensein der Mikroprozessoren 16 und 16 innerhalb ihrer entsprechenden Sondeneinheiten wird die Verkabelungsnotwendigkeit für die Adressenselektoren 68 und 68 zur Durchführung ihrer Funktion minimiert.
Die übrigen Komponenten und ihre entsprechenden Funktionen in den Sondeneinheiten 64 und 66 sind identisch zu denen in der Sondeneinheit 1 der Figur 1. Wie außerdem erkannt werden kann, weist die Sondeneinheit 64 den wahlweisen Rührer nicht auf.
Der Vielfachmeßaufnehmermeßapparat, der in der Figur 3 dargestellt ist, umfaßt eine CPU 76 und zwei Sondeneinheiten 78 und 80.
Mit Ausnahme des Vorhandenseins des Rührers in der Sondeneinheit 78 umfaßt die Sondeneinheit 78 die gleichen Komponenten wie die in der Sondeneinheit 64 von Figur 2 dargestellten. Während andererseits die Sonde 81 Meßwertaufnehmer aufweist, einen elektrischen Auswahlschaltkreis und Adressenwähler, umfaßt sie keine ROM- Einheit, einen A/D-Wandler oder einen Mikroprozessor.
Im Hinblick auf das Obengesagte wurde die CPU 26 leicht geäddert zur Signalverarbeitung von solchen Arten von Elektroden, wodurch die Flexibilität der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung noch weiter erhöht wird Insbesondere umfaßt die CPU 76 weiterhin zusätzlich Schaltkreise, um die in der Sondeneinheit 80 weggelassenen Komponenten zu kompensieren. Z. B. umfaßt die CPU 76 zusätzlich zu den Komponenten, die in der CPU (s. 2 und 3 der Figuren 1 bzw. 2) vorliegen, zusätzlich einen A/D-Wandler 90, der in bi-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Mikroprozessor 92 der CPU ist über die Leitungen 93 und 95. Der A/D-Wandler 90 ist außerdem in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem elektronischen Wählschaltkreis der Sondeneinheit 80. Da kein Mikroprozessor in der Sonde 80 vorliegt, sind insbesondere der elektronische Wahlsschaltkreis und Adressenwähler beide in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem Mikroprozessor 92 der CPU.
Falls in der Praxis ein Benutzer wünscht, ein Signal aus der Sondeneinheit 78 zu überwachen, fragt der Mikroprozessor 92 die Signale aus dem Adressenwähler jeder Sondeneinheit ab und überträgt ein digitales Signal an den Mikroprozessor der Sondeneinheit 78 über die Leitung 94. Der Mikroprozessor der Sondeneinheit 78 wird dann ein digitales Signal an den elektronischen Wahlschaltkreis der gleichen Sondeneinheit übertragen.
Das gewählte überwachte Analogsignal von Elektroden in der Sondeneinheit 78 läuft dann durch den elektronischen Wahlschaltkreis zum A/D-Wandler, wo das Analogsignal digitalisiert werden wird.
Danach wird das Digitalsignal zum Mikroprozessor 92 der CPU laufen, über den Sondenmikroprozessor und die Leitung 96. Der Mikroprozessor 92 der CPU wird dann das Signal gemäß den Bedürfnissen des Benutzers bearbeiten.
Wünscht der Benutzer andererseits, ein Signal aus der Sondeneinheit 80 zu überwachen, würde der Mikroprozessor 92 wieder die Signale von den Adressenwahlschaltern von jeder Sondeneinheit abfragen. Basierend auf diesem Abfrageschema wird der Mikroprozessor 92 ein digitales Signal an den elektronischen Wahlschaltkreis der Sonden 80 über die Leitung 97 übertragen. Die ausgewählten überwachten analogen Signale von den Elektroden in der Sondeneinheit 80 laufen dann durch den elektronischen Wahlschaltkreis der Sondeneinheit 80 zum A/D-Wandler 90 in die CPU 76 über die Leitung 99. Das analoge Signal wird dann digitalisiert
Danach wird das digitale Signal vom A/D-Wandler 90 zum Mikroprozessor 92 über die Leitung 95 laufen. Der Mikroprozessor 92 bearbeitet dann das Signal gemäß den Bedürfnissen des Benutzers.
Aufgrund der vergrößerten Speicherfähigkeiten des RAM 102 können Informationen aus den Sondeneinheiten 78 und 80 benutzt werden, um mathematische Vielfachfilter- Berechnungen im Mikroprozessor 92 durchzuführen.
Nachdem diese mathematischen Berechnungen durchgeführt wurden, produziert der Mikroprozessor 92 eine digitale Ausgabe, die als solche benutzt werden kann in paralleler Form entlang dem Bus 103, in serieller Form entlang dem Bus 105 und/oder in analoger Form entlang der Leitung 107, nachdem sie erst durch den D/A-Wandler 109 gelaufen ist.
Wie man erkennt, ermöglicht die Beschaltung und der Entwurf der verbesserten Vorrichtung der Erfindung einem Benutzer einen Grad von Flexibilität, der bisher durch keine unabhängige Vielfachmeßaufnehmer-Handeinheit gewährleistet wurde. Beispiele des verbesserten Grades von Flexibilität, die durch die verbesserten Vielfachmeßaufnehmer-Meßvorrichtung der vorliegenden Erfindung erreicht werden, werden im folgenden genannt, ohne beschränkend zu wirken:
(a) Bis zu 32 Kanälen können konf iguriert werden, z. B in bezug auf den Sensortyp, den Typ der Eingangssignale, Bearbeitungssymbole und Linearisierung. Diese können durch die verbesserte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vom Benutzer gewählt werden, ohne daß sie mit einer externen Computerguelle verbunden werden müßten.
(b) Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann entweder vollständig programmiert werden, ohne mit einer externen Computerquelle verbunden zu werden oder über eine externe Computersoftware programmiert werden oder beides, insbesondere hat die Vorrichtung der Erfindung aufgrund des Schaltkreisdesigns der vorliegenden Erfindung die Vorteile, eine CPU zu haben mit einer voll funktionsfähigen Bedienbarkeit. Dies ermöglicht dem Benutzer, verschiedene Parameter im Feld zu ändern, ohne die Vorrichtung mit einer externen Computerquelle zu verbinden.
(c) Der Mikroprozessor der CPU kann entweder seinen eigenen Signalverarbeitungsschaltkreis (z. B. einen A/D-Wandler) benutzen, um Signale direkt zu messen und die sich ergebenden Darstellungen zu berechnen oder kann über einen bi-direktionalen digitalen Bus mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis in der Sondeneinheit kommunizieren oder beides (siehe z. B. Figur 3).
(d) Die CPU des Apparates der Erfindung hat die Fähigkeit, Daten in ihrem eigenen RAM zu speichern oder die Daten in dem Moment, wo sie die Messungen macht, durch ihre digitalen Leitungen auszugeben oder beides.
(e) Die CPU der Vorrichtung der Erfindung kann ihren digitalen Ausgang verbunden haben mit einer externen Computerquelle, wie oben angegeben, oder mit einem Drucker. Dieses Merkmal macht die Notwendigkeit überflüssig, einen Computer zu benutzen, wenn lediglich ein Ausdruck von Ergebnissen benötigt wird.
Zusätzlich zum obigen wird die Flexibilität der verbesserten Vorrichtung auch benutzt in einer Zahl von verschiedenen Konfigurationen, z. B.:
(a) Verschiedene Sondeneinheiten können mit einer Multiplex-Box verbunden werden, die dann mit einem einzelnen CPU weiterverbindet, um mehrere Sondeneinheiten, wie in Figur 2, zu programmieren und zu steuern.
(b) Da die CPU entworfen sein kann, um ihre eigenen A/D-Wandler zu integrieren, kann eine CPU Signale sowohl von digitale Ausgaben produzierenden Sondeneinheiten als auch von analoge Ausgaben produzierenden Einheiten erhalten und verarbeiten, wie in Figur 3.
(c) Bei der Vorrichtung der Erfindung können die digitalen Ausgaben, die durch ihre CPU-Mikroprozessor erzeugt werden, benutzt werden, um Alarmbedingungen auszulösen und/oder in Echtzeit Ergebnisse zu berichten, während sie gleichzeitig Daten aufzeichnen. Dieses Merkmal ist insbesondere nützlich, wenn Alarmlevel von gefährlichen chemischen Konzentrationen überwacht werden. Dieses Echtzeitberichten und Alarmüberwachen kann simultan auftreten mit den Fähigkeiten, vor Ort Daten zu speichern. Es ist außerdem möglich, nur Daten zu speichern, wenn eine Alarmsituation eingetreten ist.
Unter Bezugnahme auf Figur 4 wäre es für einen Fachmann unerwünscht, einen Rührer in den Körper der Sondeneinheit zu integrieren aufgrund der Notwendigkeit einer wasserdichten Versiegelung einer Sonde. Konventionelle Rührer werden typischerweise an den äußeren Körper der Sondeneinheit angesetzt, wodurch jegliche Probleme, die mit der zerstörung der wasserdichten Konfiguration verbunden sind, umgangen werden. Die vorliegende Erfindung integriert den Rührer innerhalb des Körpers der Sondeneinheit, ohne die wasserdichte Konfiguration der Sondeneinheit zu zerstören.
In der Figur 4 umfaßt die Sondeneinheit 120 einen Sondenkörper 122, Meßwertaufnehmer 124 und 126 und eine Rührereinheit, die in den Sondenkörper 122 integriert ist mittels zweier gegenüberliegenden und ausgerichteten Kammern 128 und 130 im Sondenkörper 122. Diese Kammern bestimmen einen Wandabschnitt 132 dazwischen. Darüber hinaus gibt es keine physikalische Verbindung zwischen den Kammern 128 und 130.
Die Rührereinheit hat einen Rührermotor 134 und einen Propeller 136. Der Motor 134 ist in Verbindung mit einer Antriebswelle 138 und einem Magnet 140. Die Antriebswelle 138 verbindet den Magneten 140 mit dem Motor.
Der Magnet 140 hat eine ebene Fläche 142, die im wesentlichen rechtwinklig ist zu der Längsachse der Antriebswelle 138 und eine Ankopplung 144, um ihn mit der Antriebswelle 138 physisch zu verbinden.
Der Motor 134 ist so dimensioniert, daß er in die Kammer 128 im Sondenkörper 122 paßt. Der Motor 133 hat außerdem Mittel (nicht dargestellt), um ihn fest mit dem Sondenkörper 122 zu verbinden. Die Gesamtlänge und Konfiguration des Motors 134 ist so, daß, wenn er in die Kammer 128 eingesetzt wird und mit dem Sondenkörper 122 verbunden wird, der Magnet 114 in enger gegenüberliegender Beziehung mit der oberen Fläche 146 des Wandabschnittes 132 des Sondenkörpers ist. Insbesondere sollte die Gesamtlänge und Konfiguration des Antriebsmotors 134 so sein, daß der Magnet 114 in jeder Richtung frei rotieren kann, wenn der Motor in der Sondenkammer 128 positioniert und mit dem Sondenkörper 122 fest verbunden ist.
Der Propeller 136 hat Propellerblätter 148, eine Welle 150, einen Magnet 152 und Sicherungsmittel 154. Der Magnet 152 ist physikalisch verbunden mit dem Propeller über die Welle 150. Diese Verbindung ist wiederum rotierbar verbunden mit Sicherungsmitteln 154. Der Magnet 150 hat wenigstens eine ebene Fläche 156, die eine Längsachse hat, die im wesentlichen rechtwinklig ist zu der der Welle 150.
Der Propeller 136 ist so ausgelegt, daß er fest mit dem Sondenkörper 122 verbunden werden kann und in die Kammer 130 des Sondenkörpers paßt. Insbesondere ist der Propeller 136 so dimensioniert, daß bei fester Ankopplung der Sicherungsmittel 154 an den Sondenkörper 122 die ebene Fläche 156 in nahe gegenüberliegender Beziehung zur unteren Fläche 158 des Wandabschnittes 132 des Sondenkörpers ist. Der Magnet 152 muß innerhalb der Kammer 130 frei rotierbar sein, nachdem der Propeller 136 an dem Sondenkörper 122 befestigt ist.
Die durch die Magneten 140 und 152 erzeugten Magnetfelder müssen ausreichend sein, um durch den Wandabschnitt 132 des Sondenkörpers hindurchzutreten und sie magnetisch miteinander zu koppeln. In der Praxis werden der Motor 134 und der Propeller 136 fest am Sondenkörper 122 befestigt, der Magnet 140 wird mit dem Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn rotieren und da die Magneten magnetisch zusammengekoppelt sind, wird der Magnet 152 korrespondierend rotiert bei Rotieren des Magneten 140. Dies wiederum bewirkt, daß der Propeller 148 rotiert, was bewirkt, daß die Flüssigkeit über die Meßwertaufnehmer 124 und 136 fließt.
Da es keine physikalische Verbindung zwischen dem Motor 134 und dem Propeller 136 gibt, kann der Rührer 136 in die Sondenkörper 122 integriert werden, ohne die wasserdichte Konfiguration des Sondenkörpers zu zerstören. Weiterhin werden die Gesamtabmessungen der Sondeneinheit 120 wesentlich verkleinert.
Wie oben ausgeführt, beruhen Probleme, die mit dem konventionellen Vielfachmeßwert-Aufnehmerapparaten verbunden sind, auf dem Reparieren und/oder Ersetzen von beschädigten Elektroden und auf dem Auswechseln der Parameter, die die Elektroden überwachen oder messen. Da die Messungen oft in Flüssigkeiten stattfinden, z. B. Wasser, müssen die Verbindungen zwischen den Elektroden und den Schaltkreisen innerhalb der Sonde trocken bleiben, auch wenn die Elektroden repariert oder ersetzt werden müssen. Bisher hat dies generell die Notwendigkeit gehabt, daß die gesamte Sondeneinheit aus ihrer Umgebung herausgenommen werden muß und in eine Werkstatt zurückgeschickt wurde, wo diese Arbeit durchgeführt werden kann. Da das Vorrätighalten von Sondenersatzteilen sehr kostspielig ist, würde die Industrie eine Vorrichtung willkommen heißen, die es ermöglicht und/oder die Mittel dafür hat, vor Ort (in situ) Elektroden/Meßwertaufnehmer zu ersetzen und/oder zu reparieren, ohne die notwendige wasserdichte Konfiguration der Sondeneinheit zu zerstören.
Demgemäß bezieht sich ein weiterer Aspekt der Erfindung auf Mittel zum Ersatz und/oder zur Reparatur von Elektroden des Apparates im Feld, ohne die wasserdichte Konfiguration der Sondeneinheit zu zerstören. Ein Beispiel für eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur 5 dargestellt.
In Figur 5 umfaßt die Sondeneinheit 160 einen Sondenkörper 162 und eine Überwachungseinheit 164.
Die Überwachungseinheit 164 umfaßt: Elektroden 168, Dichtungsmittel 170, typischerweise O-Ringe aus verformbarem Material und Verbindungsmittel 172. Der Sondenkörper 162 hat eine Meßwertaufnehmer-Aufnahmekamner darin ausgeformt. Diese Kammer wiederum bestimmt eine Innenwandoberfläche 174 des Sondenkörpers 162.
Die Komponente 164 ist dimensioniert, so daß die Außenwandfläche 176 des Meßwertaufnehmers in nahe gegenüberliegender oder angrenzender Beziehung zu der Sondeneinheit an der Wandfläche 174 ist Der Umfang der O-Ringe 170 ist leicht größer als das der Kammer, die durch die Innenwand 174 festgelegt wird, so daß eine wasserdichte Versiegelung dazwischen hergestellt wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benötigt ein Kupplungsmittel 178, typischerweise einen konventionellen BNC-Stecker, der ausgelegt ist, um Verbindungsmittel 172 oder Elektroden 168 aufzunehmen, Signalkabel 180 oder Überwachungskomponenten.
Das Kupplungsmittel dieser Ausführungsform kann jedes geeignete Mittel sein, das dem Fachmann bekannt ist, beispielsweise DIN- und/oder Koaxialverbinder.
Wenn in der Praxis das Bedürfnis vorliegt, eine Elektrode gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung zu ersetzen oder zu reparieren, wird die Elektrode manövriert, um die Verbindungsmittel 172 aus dem Sockel 178 zu lösen. Danach wird die Elektrode 168 aus der Kammer herausgezogen, die durch die Fläche 174 bestimmt wird.
Die Ersatzüberwachungseinheit 164' (nicht dargstellt) wird dann in die Kammer eingeführt. Dann wird der Verbinder von dieser überwachungseinheit mit dem Sockel 178 verbunden.
Aufgrund des Vorliegens und der Ausführung des O-Ringes 170 zerstört dieses Verfahren des Ersetzens von Elektroden in einer Sondeneinheit nicht die notwendige wasserdichte Konfiguration der Sonde. Die Abmessungen, zusammensetzungen und Formen des verformbaren O-Ringes hängen von der Zusammensetzung der Lösung ab, in die die Sonde eingetaucht wird, der Größe des Druckes, der durch die Lösung, in die die Sonde eingetaucht wird, ausgeübt wird, und von der Temperatur der Lösung, in die die Sonde eingetaucht wird.
In Figur 5 sind alternative Sicherungsmittel, hier ein Gewindestift 182, ebenfalls benutzt. Der Gewindestift 182 hat einen Schraubenkopf 184 und einen entsprechenden mit Gewinde versehenen Abschnitt, der rechtwinklig zu der Längsachse ist und in die Sondenkörperkammer öffnet.
In der Praxis wird der Überwachungsabschnitt 164 zuerst mit der Sondenkörperkammer über den Sockel 178 verbunden. Danach wird der Gewindestift in den Sondenkörper 162 eingeschraubt, bis der Gewindestift 182 die Wandfläche 176 berührt und letzteren dazu zwingt, sich gegen die Wandfläche 174 zu drücken.
Es soll bemerkt werden, daß diese besondere Ausführungsform eines Sicherungsmittels unterhalb des O-Ringes 170 angeordnet sein muß, da das Sicherungsmittel, das in Figur 5 dargestellt ist, eine Passage von außerhalb des Sondenkörpers zu einer Kammer innerhalb des Sondenkörpers benötigt, um die wasserdichte Konfiguration der Sonde zu gewährleisten.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf ein verbessertes Mittel zur Kalibrierung ihrer Vielzahl von Elektroden gerichtet. Eine Ausführungsform dieser verbesserten Kalibrierungsmittel ist in den Figuren 6 bis 9 dargestellt.
In den Figuren 6 bis 9 sind die verbesserten Kalibrierungsmittel mit 186 bezeichnet und umfassen einen kreisförmigen Kalibrierungsbecherkörper 188, der zwei parallele ebene Endflächen 192 und 194 hat.
Der Becherboden 188 hat eine Vielzahl von vertikal gerichteten Kalibrierungsbohrungen 190, die sich von der oberen Fläche 192 erstrecken. Diese treten aber nicht durch die untere Oberfläche 194 hindurch.
Die Konfiguration der Bohrungen 190 im Becherkörper 188 entspricht der Konfiguration der Elektroden, die von dem unteren Abschnitt 196 eines speziellen Sondenkörpers 198 hervorstehen (siehe Figur 9). Die Tiefe der Bohrung 190 muß größer sein als die Länge der korrespondierenden Elektroden.
Deswegen müssen in der Praxis die Elektroden 200 und 201 mit ihren äußeren Flächen 203 in der Lage sein, lose innerhalb der inneren Wände 208 der korrespondierenden Bohrungen 190 im Becherkörper 188 zu passen, so daß der untere Abschnitt 196 des Sondenkörpers gegen die obere Fläche 192 des Becherkörpers anliegt, wie in Figur 9 dargestellt.
Bei der Benutzung werden Kalibrierungsflüssigkeiten 204, 206 in die Bohrung 190 gegossen, die mit den Elektroden 190 korrespondieren, und denen die entsprechenden Lösungen entsprechen. Falls z. B. der Meßwertaufnehmer 200 den pH-Wert überwacht und der Meßwertaufnehmer 201 die Trübung, wäre die Lösung 204 eine pH-Kalibrierungslösung und Lösung 206 wäre eine Trübungskalibrierungslösung.
Nachdem jede Bohrung bis zum entsprechenden Niveau mit der entsprechenden Kalibrierungsflüssigkeit gefüllt ist, werden die Elektroden über den entsprechenden Bohrungen positioniert und in sie eingeführt, bis die untere Fläche 196 des Sondenkörpers auf der oberen Fläche 192 des Bechers ruht. Dies führt dazu, daß jede der Elektroden zumindestens teilweise mit ihrer entsprechenden Kalibrierungsflüssigkeit umgeben ist. Danach wird jeder Meßaufnehmer entsprechend kalibriert und gleichzeitig erreicht, daß die Möglichkeit umgangen wird, eine spezielle Elektrode mit der Kalibrierungsflüssigkeit mit der anderen Elektrode zu verschmutzen.
Optional sind Mittel vorgesehen, um die entsprechende Menge von Kalibrierungsflüssigkeit zu bestimmen, die in die Bohrungen vor dem Einführen in die Elektrode eingefüllt werden soll, beispielsweise mittels Markierungen, die an den Innenwänden der Bohrungen angebracht sind; oder der Becherkörper kann aus einem transparenten oder lichtdurchscheinenden Material sein oder eine vorab gemessene Menge von Kalibrierungsflüssigkeit kann innerhalb der Bohrungen eingebracht werden.
Ein bevorzugtes Verfahren wird an den Figuren 7 bis 9 dargestellt. Wie man erkennen kann, haben die vertikalen Innenwandoberflächen 208 der Bohrung 190 horizontale Simse 210 daran ausgebildet.
Der Abstand zwischen dem Sims und dem Bohrungsboden 212 ist so, daß, wenn eine Kalibrierungsflüssigkeit bis zu dem Sims 210 aufgefüllt wird, das Einführen der entsprechenden Elektrode in die Bohrung 190 nicht zu einem Überfließen der Kalibrierungslösung über die obere Fläche 192 des Becherkörpers führt. Die Anordnung des Sims 210 innerhalb der Bohrung 90 muß die gesamte volumetrische Kapazität der Bohrung 190 berücksichtigen und die Menge von Lösung, die durch den Abschnitt der Elektrode verdrängt wird, die in die Kalibrierungslösung getaucht wird.
In gewissen Fällen muß eine Elektrode/Meßwertaufnehmer kalibriert werden für zwei verschiedene Parameter, z. B. Nulljustage und Gleitjustage. Außerdem können gewisse Elektroden benötigen, während der Kalibrierung elektrisch miteinander verbunden zu werden. Ein Beispiel wäre die Messung von Natrium und Kontakt mit einer pH-Elektrode. In diesem Fall ist ein Schlitz 218 (Figuren 7 bis 9) zwischen den separaten Kalibrierungsbohrungen vorhanden. Dieser Schlitz ermöglicht es der Flüssigkeit, zwischen den zwei Bohrungen zu strömen. Außerdem kann die benötigte Menge zur Kalibrierung eines spezifischen Parameters von jeder Sondeneinheit unterschiedlich sein. Deshalb kann das verbesserte Kalibrierungsmittel der vorliegenden Erfindung verändert werden, um einen zweiten Sims 211 innerhalb der Bohrung 190 aufzuweisen.
Ein anderes Mittel zum Verhindern der Kontamination einer speziellen Elektrode mit der Kalibrierungsflüssigkeit einer anderen Elektrode wird gebildet durch einen Überströmkanal 214, der in der oberen Fläche des Bechers bestimmt ist. Der Überströmkanal 240 läuft von der Außenwand 216 des Becherkörpers zu der Innenwandfläche 208.
In der Praxis ist das kombinierte Volumen der Kalibrierungslösung, die innerhalb der Bohrung 190 ist, und des Abschnittes der Elektrode, die in die Kalibrierungslösung eingetaucht ist, größer als die gesamte volumetrische Kapazität der Bohrung 190. Also wird die überflüssige Menge von Kalibrierungslösung aus der Bohrung 190 über den Kanal 214 austreten. Diese Technik sichert, daß spezifische Elektroden nicht durch eine Kalibrierungsflüssigkeit verschmutzt werden, die aus einer Bohrung in eine benachbarte Bohrung überfließt.
Ein zentraler Schlitz oder eine öffnung 219 ist ebenfalls innerhalb der oberen Fläche 192 ausgebildet. Diese Öffnung ist so dimensioniert, um den Propeller 136 des Rührers 126 aufzunehmen. Die Öffnung 219 kann vollständig durch den Becherkörper 188 hindurchtreten. Dies ist aber nicht notwendig.
Die Kalibrierungsmittel können die Kalibrierungszeiten für Vielfachmeßwert-Aufnehmerapparate um über 50 % verringern.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform dieser Erfindung kann jede Bohrung 190 des Kalibrierungsbechers (oder eines anderen gleichermaßen schnell an- und abkoppelbaren Bechers) an ihrem Boden einen schwammartigen Einsatz haben. Wenn die Sonde für eine längere Zeit nicht benutzt wird, würde dieser Becher angekoppelt mit dem schwammartigen Einsatz mit Wasser gefüllt. Das Ergebnis ist eine feuchtigkeitsgesättigte Atmosphäre um die Elektroden, die verhindert; daß die Elektroden ungewollterweise austrocknen und dadurch defekt und/oder inakkurat werden.
Alternativ kann ein Abdeckteil zum Abdecken vorgesehen sein. Bei der Bedingung der Nichtbenutzung, bei der Teile der genannten Elektroden von dem genannten Gehäuse vorspringen, und bei der die genannten Abdeckteile Mittel aufweisen zum dichtenden Verbinden mit dem genannten Gehäuse und ebenfalls Mittel haben, um eine wasserdampfgesättigte Atmosphäre innerhalb der genannten Abdeckteile um die genannten Elektroden herum haben.

Claims

1. Sonde, mit einem Gehäuse (122, 162, 198), einer Vielzahl von diskreten Fühlerelektroden (34, 36; 34a; 34b, 36a, 36b; 124, 168; 200, 201) mit analoger Ausgabe, die mit dem besagten Gehäuse verbunden sind, um eine korrespondierende Vielzahl von zu messenden Parametern zu fühlen, und Mitteln (48, 50; 38a, 38b) zur wahlweisen Aktivierung jeder der besagten Elektroden, dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse einschließt

- einen eingebauten, integrierten Mikroprozessor (16, 16a, 16b);

- einen vollständig internen Analog-Digital-Wandler (40; 40a, 40b), der wirkt, um die analogen Ausgaben von jeder der besagten Elektroden zu digitalisieren und an den Mikroprozessor weiterzuleiten;

- Ausgabemittel, die angeschlossen sind, um digitale Signale zu erhalten, die durch den besagten Wandler (40; 40a, 40b) ausgegeben und in besagtem Mikroprozessor verarbeitet werden, und

- eine integrierte Rührereinheit (136), wobei die besagte Einheit aus einem Flüssigkeitsrührerabschnitt besteht, der außerhalb des Gehäuses benachbart zu den aktiven Abschnitten der besagte Elektroden montiert ist, sowie aus Rührerschaufelantriebsmitteln (60), die im wesentlichen intern des Gehäuses montiert sind, und aus einem vollständig internen Rührerschaufelantriebskontrollmittel (56), und

daß das besagte Rührerschaufelantriebskontrollmittel (56) elektrisch durch den besagten Mikroprozessor kontrolliert ist.

2. Sonde, mit einem Gehäuse (122, 162, 198), einer Vielzahl von diskreten Fühlerelektroden (34, 36; 34a, 36a; 34b, 36b; 124, 126, 168; 200, 201) mit analoger Ausgabe, die mit dem besagten Gehäuse verbunden sind, um eine korrespondierende Vielzahl von zu messenden Parametern zu fühlen, um Mitteln (48, 50; 38a, 38b) zur wahlweisen Aktivierung jeder der besagten Elektroden, gekennzeichnet durch einen Analog-Digital-(A/D)-Wandler (40; 40a, 40b), der mit den besagten Elektroden verbunden ist und wirkt, um die analogen Ausgabesignale von jeder der besagten Elektroden zu digitalisieren, einen digitalen Signalprozessor (16, 16a; 16b) in besagtem Gehäuse zur Steuerung der besagten Mittel, Ausgabemitteln in oder an dem besagten Gehäuse, wobei der besagte digitale Signalprozessor (16; 16a; 16b) zur bi-direktionalen digitalen Kommunikation sowohl mit dem A/D-Wandler (40; 40a, 40b) als auch mit den besagten Ausgabemitteln verbunden ist und wobei die besagte Sonde angepaßt ist zur bi-direktionalen digitalen Kommunikation über die genannten Ausgabemittel mit einer diskreten Vorrichtung (2), die wirksam ist, um digitale Daten, die von Fühlerelektroden einer oder mehrerer gleicher Sonden stammen, zu verarbeiten, zu speichern und/oder darzustellen, und eine Rührereinheit (136), die an dem besagten Gehäuse angebracht ist, wobei die besagte Rührereinheit (136) einen Rührer (148) aufweist, Antriebsmittel (60) zum Rotieren des Rührers (148), die im wesentlichen ganz innerhalb des besagten Gehäuses angeordnet sind, und Rührerantriebskontrollmittel (56), die im wesentlichen ganz innerhalb des Gehäuses angeordnet sind und elektrisch in den digitalen Signalprozessor (16; 16a; 16b) integriert sind.

3. Sonde gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Antriebsmittel einen Motor (60) aufweisen, der einen drehbaren Magnet (140) hat, mit wenigstens einer ebenen Fläche, eine Motorwelle (138), mit einer Längsachse, die im wesentlichen senkrecht zu der besagten wenigstens einen ebenen Fläche ist, eine Rotationsrührerwelle (150), einen Rührermagnet (152), der wenigstens eine ebene Fläche hat, wobei die Längsachse der besagten Rührerwelle (150) im wesetnlichen senkrecht zu der genannten einen ebenen Fläche des besagten Rührermagnetes (152) ist, und daß die besagte(n) Fläche(n) des Motormagnetes in beabstandeter Fluchtung aber magnetisch verbindbar mit der/den ebenen Fläche(n) des Rührermagnetes ist/sind.

4. Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Antriebskontrollmittel (56) durch den Prozessor elektrisch kontrolliert wird in bezug auf die Spannung und die Zeit der Energiezufuhr zum Rührer (136).

5. Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Adressenwähler (68a, 68b), der die besagte Sonde identifiziert, wobei der besagte Adressenwähler in uni-direktionaler digitaler Verbindung mit dem besagten Prozessor (16, 16a, 16b) ist.

6. Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende von jeder der genannten Elektroden an einem Sitz (180) in besagtem Gehäuse befestigt ist, wobei besagter Sitz und das besagte eine Ende jeweils mit einem zusammenwirkenden schnell lösbaren Kupplungsmittel (172, 179) ausgebildet sind für ein schnelleres Verbinden und Lösen voneinander, und daß jede der genannten Elektroden Dichtungsmittel (170) trägt, um das Eindringen von Flüssigkeit in den besagten Sitz zu verhindern

7. Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abdeckteil (216) vorgesehen ist, um bei Nichtbenutzung Abschnitte der genannten Elektroden abzudecken, die aus dem genannten Gehäuse hervorstehen, wobei das genannte Abdeckteil Mittel zur dichtenden Verbindung mit dem Gehäuse aufweist und ebenfalls Mittel, um eine wasserdampfgesättigte Atmosphäre innerhalb des genannten Abdeckteiles um die besagten Elektroden herum beizubehalten.

8. Sonde gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kalibrierungsbecher (18r.) vorgesehen ist zur leichten Verbindung mit dem Gehäuse, wobei der Becher eine Mehrzahl von Kalibrierungsbohrungen (190) aufweist, die geformt, positioniert und von einer Zahl sind, um jede der genannten Fühlerelektroden auf zunehmen und zu umgeben, wobei die Anordnung der Bohrungen so ist, um ein unerwünschtes Überströmen von einer vorbestimmten Bohrung zu einer anderen vorbestimmten Bohrung zu verhindern.

9. Sonde gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Bohrungen (190) miteinander verbunden sind und/oder mit Überläufen (214) versehen sind, die zur äußeren Kante des Bechers gerichtet sind.