JP7508306B2 - プローブを測定システムに結合するためのインターフェイスユニット - Google Patents

Description

[0001]本開示は、測定プローブが、電極により生成される電圧を出力上で送出する際のその出力を、電圧信号を加工材料の少なくとも１つの特性に関係付けられる測定値へと処理するために、測定システムの入力に結合することを、電極が加工材料と接触しているときに行うためのインターフェイスユニットに関する。

[0002]より詳しくは、インターフェイスユニット、および、それに対応する方法は、測定システムに、例えば、イオン感応性測定プローブ、特にｐＨ測定プローブ、酸素測定プローブ、ＣＯ_２測定プローブ、またはオゾン測定プローブなどの測定プローブを結合することを可能とする。

[0003]例えば、化学および医薬産業においての、繊維産業においての、食品および飲料産業においての、紙およびセルロースの処理においての、または、水処理および廃水処置の分野においての、産業工程の監視および制御は、適した測定プローブの手段により決定される工程変数の測定値に基づく。

[0004]「Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｃａｔａｌｏｇ ２００５／０６」、Ｍｅｔｔｌｅｒ－Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、ＣＨ－８９０２ ウルドルフ、スイス、８および９頁によれば、完全な測定システムは、筐体と、測定プローブと、ケーブルと、測定値変換器（さらには送信器と呼ばれる）とからなる。筐体の手段により、測定プローブは、例えば、プローブを加工材料内に浸漬し、そのプローブをそこで保持することにより、測定または監視されることになる加工材料との接触に至らせられる。測定プローブは、工程の特定の特性を測定するように働く。測定値信号が、ケーブルを通して送信器に送られ、その送信器は、工程制御システムと通信し、測定信号を読み取り可能データへと変換する。測定プローブは、測定されることになる加工材料特性に依存して選択される。

[0005]測定プローブが、高い温度、一般には１４０℃（セ氏度）以上にさらされる、数多くの状況が実在する。例えば、医薬、医学、または産業的食品生産の分野において、測定プローブは、感染病原体により汚染されるべきでない材料または生産物と接触していることがある。その結果、測定プローブを、高圧蒸気減菌器を使用して殺菌することがしばしば必要である。典型的な使用事例において、その全体の寿命の間、測定プローブは、３０から１００までの間の回数、高圧蒸気減菌工程を経る。イオン感応性測定プローブなどの測定プローブは、典型的には、それらの測定プローブの機能的原理に対し固有である、それらの測定プローブの検知素子を通る電流を搬送する。温度が高いほど、検知素子の抵抗は低い。例えば、ｐＨ測定プローブ内の検知素子のガラス抵抗は、温度がセ氏１００度に達し、それを超過する際に、大幅に減少する。

[0006]測定信号の電圧を、適したレベルに増幅するために、測定プローブの検知素子の出力を、演算増幅器を伴って設けられる入力段回路に結合することが普通である。そのような解決策は、例えば、米国特許第７，１７７，１２７Ｂ２号、ＥＰ２８６１９７５Ｂ、ＥＰ０９２２９５５Ａ２、または、２０１８年４月にインターネットＵＲＬ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｐａｒｋｙｓｗｉｄｇｅｔｓ．ｃｏｍ／ｐｏｒｔｆｏｌｉｏ－ｉｔｅｍ／ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ／から検索されるような、Ｒｙａｎ Ｅｄｗａｒｄｓ：「Ｉｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ － Ｓｐａｒｋｙ’ｓ Ｗｉｄｇｅｔｓ」、２０１７年４月２１日において開示されている。通常の動作のもとで、入力段回路がオンに切り替えられるとき、入力段回路のインピーダンスは、高いレベルにある。対照的に、入力段回路がオフに切り替えられる、および／または、給電されない状態にあるとき、入力段回路のインピーダンスは、典型的には１ｋオーム（ｋΩ）未満の低いレベルに下降する。入力段回路がゼロ電流流れに切り替えられるとき（それは高い温度工程の間にしばしば行われる）、残留電流が、入力段が給電されない状態にある様態での、演算増幅器の低いインピーダンスに起因して、検知素子と入力段回路との間で増す。センサ素子を通って流れる電流は、大幅に増大し、危険なレベルに達することがあり、非常に低速の信号ドリフト、および、センサ素子に対する永続的な損傷を引き起こす。

[0007]セ氏１００度より上の高い温度において、この問題点は、静電放電保護のために演算増幅器において使用される半導体の絶縁特質の感知可能なほどの減少により悪化させられる。この局面において、演算増幅器において見出される静電放電保護ダイオードが、短絡を引き起こすことさえある。

[0008]これらの問題点は、固体ｐＨセンサなどの、能動電圧源を伴って設けられる検知素子に対して、いっそう重大な意味をもつ。
[0009]上で述べられた電流漏出問題点を軽減しながら、能動検知素子を測定システムの入力段回路に接続するための部分的解決策が、ＥＰ１０１０２４９Ｂ１から知られている。しかしながら、これらの種類の入力段は、相当な飽和および／または歪み問題点を出力信号に持ち込むことなく、典型的には０．２５ボルトから５．５ボルトの間の、広い範囲の値によって変動する検知電圧を送出するプローブを接続することを可能としない。その上、知られている入力段は、測定値誤差を持ち込む、電子構成要素製造変動を被りやすい。

米国特許第７，１７７，１２７Ｂ２号 ＥＰ２８６１９７５Ｂ ＥＰ０９２２９５５Ａ２ ＥＰ１０１０２４９Ｂ１

「Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｃａｔａｌｏｇ ２００５／０６」、Ｍｅｔｔｌｅｒ－Ｔｏｌｅｄｏ ＧｍｂＨ、ＣＨ－８９０２ ウルドルフ、スイス、８および９頁 Ｒｙａｎ Ｅｄｗａｒｄｓ：「Ｉｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ － Ｓｐａｒｋｙ’ｓ Ｗｉｄｇｅｔｓ」、２０１７年４月２１日、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｐａｒｋｙｓｗｉｄｇｅｔｓ．ｃｏｍ／ｐｏｒｔｆｏｌｉｏ－ｉｔｅｍ／ｉｏｎ－ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ－ｉｎｔｅｒｆａｃｅ／

[0010]そのことが、測定プローブ、例えば、イオン感応性測定プローブなどの電位差測定の測定プローブのセンサ素子の出力電圧を、上記出力電圧を測定値へと処理するために、測定システムの入力に結合することであって、センサ素子の出力電圧は、典型的には０．２５ボルトから５．５ボルトの間の、広い範囲の値にわたって変動し、センサ素子を通って流れる電流は、検知素子が、固体ｐＨセンサなどで、能動電圧源を伴って設けられるならば、特に、温度が、典型的にはセ氏１００度からの高いレベルに達するとき、および／または、入力段回路が、給電されないオフ状態にあるとき、特に低く、典型的には１ｐＡより低い、結合することを、高い温度、および、入力段回路のより低いインピーダンスの組合せにより、好ましくなく影響を及ぼされる測定値の正確性を保存しながら行うための、改善されたインターフェイスユニットに対する必要性が依然として存する理由である。

[0011]その最終目標のために、第１の態様によれば、本発明は、入力電圧を有する入力電流を、加工材料と接触している様態での使用のための電気化学測定プローブから受けるように適合させられる入力を備えるインターフェイスユニットに関わる。

[0012]電気化学測定プローブは、センサ電圧を生成するように配置構成される検知素子を伴って設けられる電極を備える。電極電圧は、電極が加工材料と接触しているときの、加工材料の、少なくとも１つの特性に関係付けられる。

[0013]電気化学測定プローブは、例えば、電位差測定の測定プローブである。より詳しくは、電気化学測定プローブは、ｐＨ測定プローブと、酸素測定プローブと、ＣＯ_２測定プローブと、オゾン測定プローブとからなる非網羅的な群から選択され得る。

[0014]典型的な動作条件において、温度によって、検知素子のインピーダンスは、例えば、約５００Ｍオームから約２０Ｇオームの間である。
[0015]電極の検知素子は、電圧源として機能する能動層（活性層とも言う）を含み得るものであり、電極電圧は、電極が加工材料と接触していないときでさえ、ゼロとは異なる。

[0016]例えば、電極は、電圧源として機能する能動層を含む固体ｐＨセンサを備え得る。電極は、イオンｐＨ感応性ガラス基板と、上記イオンｐＨ感応性ガラス基板の上部上のいくつかの層とを含み得る。層は、ｅｌｅｍｅｎｔａｒリチウム層と、窒化リン酸リチウム（一般的には頭字語ＬｉＰＯＮにより当てられる）層と、リチウム層の劣化を制限するように、および、環境的影響力に対してガラス電極全体を安定化させるためのパッケージ構造を提供するように適合させられる保護層とを含み得る。測定プローブのガラス電極の電位は、ガラス電極が加工材料と接触していないときでさえ、ゼロとは異なる（零位ではない）。

[0017]インターフェイスユニットは、評価デバイスの入力に結合されるように適合させられる出力をさらに備える。例えば、評価デバイスは、測定値変換器として働き、処理デバイス、例えばコンピュータに結合される。典型的な動作条件において、評価デバイスの入力インピーダンスは、例えば、約１００ｋオームから約１０Ｍオームの間で低い。

[0018]インターフェイスユニットは、出力で、入力電圧に実質的に等しい出力電圧を有する出力電流を送出するように配置構成される。例えば、インターフェイスユニットの入力電圧と出力電圧との間のオフセット電圧は、＋／－１０ｍＶ以下であり得る。オフセット電圧は、インターフェイスユニットに結合されるセンサにおいて達せられる温度の通常の範囲、典型的には約０℃から約１００℃のもとで、入力電圧に無関係に、実質的に一定のままである。

[0019]有利な実施形態において、インターフェイスユニットの電気構成要素の電気仕様、および、より詳しくは、抵抗器の公称値の公差などの、上記電気構成要素の公差は、インターフェイスユニットの出力電圧と、入力電圧との間の差に対する公差が、少なくとも＋／－０．１％以下であるように設定される。よって、インターフェイスユニットの入力電圧と出力電圧との間のオフセット電圧は、＋／－２ｍＶ以下であり得る。オフセット電圧は、インターフェイスユニットに結合されるセンサにおいて達せられる温度の通常の範囲、典型的には約０℃から約１００℃のもとで、入力電圧に無関係に、実質的に一定のままである。

[0020]有利には、インターフェイスユニットは、オフセット電圧に対して補償することにより出力電圧を調整するための手段を備え得る。オフセット電圧は、インターフェイスユニットに結合されるセンサにおいて達せられる温度の通常の範囲のもとで、および、入力電圧に無関係に、実質的に一定のままであるので、較正ステップは、１回遂行され、インターフェイスユニット内に記憶され得る。より詳しくは、インターフェイスユニットは、組み立てられた後に較正され得る。その最終目標のために、精密に測定された、および安定した較正信号が、インターフェイスユニットの入力電圧信号として付与され得る。インターフェイスユニットの結果的に生じる出力電圧が、次いで測定され、利得およびオフセット値が、次いで、較正信号と出力電圧との間の不一致に対して補償するために計算され、インターフェイスユニット内に、例えばＥＥＰＲＯＭ制御器内に記憶され得る。利得およびオフセット値は、例えば、測定値の値を補償するために、測定ソフトウェアにより、要望に応じてアクセスされ得る。

[0021]インターフェイスユニットは第１のトランジスタを備え、この第１のトランジスタは、入力に結合される第１の絶縁ゲート端子と、第１の抵抗器の第１の端子に結合される第１のソース端子と、第２の抵抗器の第１の端子に結合される第１のドレイン端子とを備える。第２の抵抗器の第２の端子は、一定の電圧が一定の値に維持される点に結合され、第１のトランジスタは、第２の抵抗器において第２の抵抗器電圧を、入力電圧によって生成するように配置構成される。

[0022]インターフェイスユニットは、基準電圧が一定の値に維持される回路の点に結合される第１の非反転入力を伴って設けられる第１の演算増幅器を備える。第１の演算増幅器は、さらには、第１のトランジスタの第１のドレイン端子に結合される第１の反転入力を伴って設けられる。第１の演算増幅器は、さらには、第１の抵抗器の第２の端子に結合される第１の出力を伴って設けられる。

[0023]インターフェイスユニットは第２のトランジスタをさらに備え、この第２のトランジスタは、第３の抵抗器の第２の端子に結合される第２のソース端子と、第４の抵抗器の第１の端子に結合される第２のドレイン端子とを備える。第３の抵抗器の第１の端子は、第１の抵抗器の第２の端子に結合される。第４の抵抗器の第２の端子は、一定の電圧が維持される点に結合される。

[0024]インターフェイスユニットは、第２のトランジスタの第２のドレイン端子に結合される第２の非反転入力を伴って設けられる第２の演算増幅器をさらに備える。第２の演算増幅器は、さらには、第１の演算増幅器の第１の反転入力に結合される第２の反転入力を伴って設けられる。第２の演算増幅器は、さらには、第２のトランジスタの第２の絶縁ゲート端子に、および、インターフェイスユニットの出力に結合される第２の出力を伴って設けられる。

[0025]第１の演算増幅器は、第１のトランジスタの動作点を制御するために、基準電圧と第２の抵抗器電圧との間の比較によって、可変電圧（ｔｅｎｓｉｏｎ）を第１のトランジスタの第１のソース端子に提供するように配置構成される。

[0026]インターフェイスユニットは、高いインピーダンス入力から受けられる弱い入力信号を低いインピーダンス出力に送信するためのインピーダンスバッファの役割を果たしている。

[0027]本発明によれば、評価デバイスは、電極電圧それ自体も、従来の入力段回路において普通に行われるような、電極電圧を前置増幅することにより直接的に取得される増幅された電圧も直接的に給送されるのではなく、インターフェイスユニットにより送出される減結合された電圧を給送される。その上、電極電圧は、入力内に、第１のトランジスタを通して、高い絶縁障壁を設けられた、そのトランジスタの絶縁ゲートを通して給送される。インターフェイスユニットは、いかなる相当な負荷も入力を通って流れることを回避する、および、典型的には１ｐＡ未満の、効率的な電流障壁を提供する。その結果、電極のセンサ素子は、インターフェイスユニットの減結合効果のおかげで、もはや帯電させられない。例えば高圧蒸気減菌工程の間の、高い温度においてでさえ、電極ＥＬのセンサ素子への残留電流の影響力は、格別に低く保たれる。そのことは、特に、測定プローブがゼロ電流流れに切り替えられるとき（このことは高い温度工程の間にしばしば行われる）、残留電流の電極への少なからぬ好ましくない影響を制限するための効率的な解決策を提供する。

[0028]絶縁ゲートを伴って設けられるトランジスタを使用することにより、本発明によるインターフェイスユニットは、演算増幅器を含む、従来の入力段回路を有する信号処理ユニットを、出力で結合することを可能とする。

[0029]その上、電極ＥＬのセンサ素子への残留電流の影響力は、絶縁ゲートを伴うトランジスタの作用により、大幅に低減されるので、本発明によるインターフェイスユニットは、温度がセ氏１００度に達し、それを超過する環境においてでさえ、電圧源として機能する能動層を含む電極を使用することを可能とする。ｅｌｅｍｅｎｔａｒリチウム層を含むセンサ素子を伴う電極に対して、そのことは、ｅｌｅｍｅｎｔａｒリチウムの消費を大幅に低減し、プローブの寿命を改善することを可能とする。このことは、例えば、固体ｐＨセンサに対して有利である。

[0030]第１の演算増幅器は、第１のトランジスタが、典型的には０．２５ボルトから５．５ボルトの間の、入力電圧の広い範囲の値に対して、飽和、歪み、または、他の非線形乱れなしに動作するように、第１のトランジスタの、Ｑ点またはバイアス点としても知られている動作点を制御するように配置構成される。第１の演算増幅器は、入力電圧の広い範囲の値にわたって、ほとんど同じ動作点にとどまる。その上、第１のトランジスタのゲートは、第１の演算増幅器のソースとドレインとの間を流れる電流との関係において、線形に制御されないので、固定された動作点を維持することは、入力電圧Ｖ_ＩＮに対する広い範囲の値にわたって非線形挙動を低減することにより、第１の演算増幅器の挙動の正確性を増大することを可能とする。結局、インターフェイスユニットにより、入力電圧Ｖ_ＩＮと比較して出力電圧に持ち込まれる誤差は、大幅に低減される。

[0031]対照的に、定常状態ＤＣ電圧、または、一定の電流が、トランジスタのソースをバイアスするために付与される、知られている解決策において、入力電圧は、本発明と比較して、入力電圧に対する、はるかに制限された範囲の値上でのみ変動し得るものであり、なぜならば、飽和および／または歪み問題点が、バイアスする電流の固定された性質に起因して発生するからである。

[0032]その上、第２の演算増幅器の反転入力を、第１の演算増幅器の反転入力に結合することにより、インターフェイスユニットは、実例として製造公差に起因する、電子構成要素の間の不一致に対して、それに応じて第２の演算増幅器の出力電圧を適合させることにより補償するように配置構成される。

[0033]有利には、第１の抵抗器は、第３の抵抗器の抵抗と実質的に同一の抵抗を有し得るものであり、第２の抵抗器は、第４の抵抗器の抵抗と実質的に同一の抵抗を有し得る。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、さらには、同じ型のものであり得る。

[0034]特に、同じ型の電子構成要素が、第１の抵抗器および第３の抵抗器に対して使用され得る。同じ型の電子構成要素が、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタに対して使用され得る。同じ型の電子構成要素が、第１の演算増幅器および第２の演算増幅器に対して使用され得る。インターフェイスユニットは、したがって、非対称的設計を伴う回路と比較して大いに低減され得る、温度の、電気構成要素に対する製造公差の、および電気雑音の変動などの、環境パラメータの変動の、インターフェイスユニットへの累積的な影響力を低減するための有利な解決策を提供する、釣り合いのとられた対称的設計を呈する。

[0035]有利には、第１の演算増幅器および第２の演算増幅器は、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれ得る。第１のトランジスタおよび第２のトランジスタは、さらには、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれ得る。これらの特徴は、電気構成要素に対する製造公差の、および電気雑音の、環境パラメータの変動の影響力の低減をさらに改善することを可能とする。その上、インターフェイスユニットの設置面積は、さらに低減され得るものであり、一方で、生産費用は、低下させられ得る。

[0036]より詳しくは、第１のトランジスタおよび／または第２のトランジスタは、トランジスタの型の、後に続く列挙の中で選定され得る：
・ゲートにおいて静電放電保護素子を伴わない、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）、または、
・金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であって、酸化物層が、広い温度範囲の中で電流が流れることを防止するために、ＭＯＳＦＥＴのゲートとチャネルとの間で使用されるので、特に効率的な絶縁障壁をゲート上に設ける、および、温度が幅広く変動することがあり、セ氏１００度を超過する環境のもとで使用されるように適合させられる、ＭＯＳＦＥＴ、または、
・金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、または、
・絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）。

[0037]信号処理ユニットは、静電放電保護を伴って設けられ、減結合された電圧を受けるように構成される、演算増幅器を備え得る。結果として、何らの費用のかかるリエンジニアリング、および／または、あつらえの解決策も要することなく、標準的な静電放電保護を有する従来の入力段回路を使用し、したがって、証明された、信頼性の高い信号処理ユニットを使用することが可能である。

[0038]第２の態様によれば、本発明は、さらには、
・第１の態様によるインターフェイスユニットと、
・センサ電圧を生成するように配置構成される検知素子を伴って設けられる電極を備える、加工材料と接触している様態での使用のための電気化学測定プローブであって、電極電圧は、電極が加工材料と接触しているときの、加工材料の、少なくとも１つの特性に関係付けられ、電気化学測定プローブは、センサ電圧をインターフェイスユニットの入力に送出するように適合させられる、電気化学測定プローブと、
・出力電圧を測定値へと変換するために、出力電圧を受けるために、インターフェイスユニットの出力に結合されるように適合させられる入力を伴って設けられる評価デバイスと
を備える、測定システムに関わる。

[0039]電極の検知素子は、電圧源として挙動する能動層を含み得るものであり、電極電圧は、電極が加工材料と接触していないときでさえ、ゼロとは異なる。
[0040]測定プローブは、ｐＨ測定プローブと、酸素測定プローブと、ＣＯ_２測定プローブと、オゾン測定プローブとからなる群から選択され得る。

[0041]電極の検知素子は、窒化リン酸リチウム層を含み得る。
[0042]開示される方法およびデバイスの詳細は、図面においての概略的な、および単純化された表現において示される実施形態の説明から明らかになるであろう。

測定プローブ１の手段により加工材料６の、少なくとも１つの特性を測定するためのシステムの主構造を例示する図である。 加工材料６内に浸漬され、評価デバイス３に結合される、電気化学測定プローブ１を概略的に例示する図である。 インターフェイスユニット４の概略回路線図を表す図である。 入力電圧信号の例に対する、インターフェイスユニット４の回路内で測定される様々な電圧のタイミング線図を表す図である。 インターフェイスユニットの入力電圧と出力電圧との間のオフセット電圧ｄｉｆｆ．ｍＶ、および、関係付けられる測定値誤差が経時的に表される（横軸はミリ秒での時間を表す）、誤差線図を表す図である。

[0043]図１は、加工材料６によって満たされた保持容器８１を備える入れ物８を伴う測定システムを例示する。加工材料６の特性は、信号送信デバイス２を通してインターフェイスユニット４に接続される、少なくとも１つの電気化学測定プローブ１の手段により測定される。インターフェイスユニット４は、さらには、評価デバイス３に結合される。数ある機能の中でも、測定値変換器として働く評価デバイス３は、処理デバイス５００、例えばコンピュータに結合される。電気化学測定プローブは、例えば、電位差測定の測定プローブである。より詳しくは、電気化学測定プローブは、ｐＨ測定プローブと、酸素測定プローブと、ＣＯ_２測定プローブと、オゾン測定プローブとからなる非網羅的な群から選択され得る。

[0044]例えば、単一ロッド測定系列（ｓｉｎｇｌｅ ｒｏｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｈａｉｎ）の構成において、ガラス電極１６と、基準電極１５と、補助電極１８とを含む、ｐＨ測定プローブなどの電気化学測定プローブの主設計構造が、図２において概略的に表される。しかしながら、本発明は、ｐＨ測定プローブに制限されず、さらには、酸素測定プローブ、ＣＯ_２測定プローブ、またはオゾン測定プローブなどの、任意の型の電気化学測定プローブに適用可能である。

[0045]測定プローブ１において、導体リード素子１６を伴うガラス電極、および、基準リード素子１５を伴う基準電極は、１つのユニットに建設的に組み合わされる。内部管１１、および、管に隣接する薄壁のガラス半球またはガラス膜１１１の中の第１の室の内側で、導体リード素子１６は、定められたｐＨ値を伴う溶液、具体的には内部緩衝液１４内に浸漬され、その緩衝液は、ガラス膜１１１の内側と導体リード素子１６との間の導電性接続を確立する。外部管１２の内側で、基準リード素子１５は、電解質、具体的には外部緩衝液１３内に浸漬され、その緩衝液１３は、多孔質分離壁または隔壁１２１を経由して、電荷の交換が、測定材料６に関して起こることを可能とする。

[0046]導体リード素子１６においての、基準リード素子１５においての、および／または、補助電極１８においての電位は、評価デバイス３および処理デバイス５００により、測定され、次いでさらに処理されることを意図される。

[0047]内部緩衝液空間内に、温度測定センサ１７が配置構成され、そのセンサは、温度影響に対して自動的に補償する、および、温度サイクルを記録することを可能にする。
[0048]測定プローブ１は、典型的には、電圧源として機能する能動層を含む。例えば、測定プローブ１は、固体ｐＨセンサであり得るものであり、測定プローブ１のガラス電極１６は、典型的には、イオンｐＨ感応性ガラス基板と、上記イオンｐＨ感応性ガラス基板の上部上のいくつかの層とを含む。それらの層は、ｅｌｅｍｅｎｔａｒリチウム層と、窒化リン酸リチウム（一般的には頭字語ＬｉＰＯＮ）層と、リチウム層の劣化を制限するように、および、環境的影響力に対してガラス電極全体を安定化させるためのパッケージ構造を提供するように適合させられる保護層とを含み得る。測定プローブ１のガラス電極１６の電位は、導体リード素子１６が、加工材料６によって満たされた保持容器８１内に浸漬されないときでさえ、ゼロとは異なる（零位ではない）。この挙動は、とりわけ、ｅｌｅｍｅｎｔａｒリチウム層および窒化リン酸リチウム層の電気特質に起因する。

[0049]図３は、有利な実施形態においてのインターフェイスユニット４の回路線図を示す。図４は、例示的な入力電圧信号に対する、インターフェイスユニット４の回路内で測定される、本明細書の以降で説明において言及される、様々な電圧のタイミング線図を表す。インターフェイスユニット４は、入力電圧Ｖ_ＩＮを受けるように適合させられる入力１１０を備える。入力１１０は、典型的には、測定プローブ１の出力に結合されるように適合させられ、その測定プローブ１は、センサ電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}を受けるように、少なくとも１つの電極ＥＬ、例えば、ガラス電極および基準電極を含む。使用される測定プローブ１の型に依存して、センサ電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}は、測定プローブ１が加工材料６内に浸漬されるときにのみ、または、例えば固体ｐＨセンサの使用の場合において絶えずのいずれかで観測され得る。電極ＥＬそれ自体は、電圧源ＳＱを形成する。測定プローブ１のガラス電極１６が入力１１０に結合されるとき、入力１１０において観測される入力インピーダンスＺ_ｉｎは、用途に依存して典型的には約０℃から約１００℃の、センサの普通の動作温度のもとで、特に高く、典型的には２Ｇオームを上回る。実例として、センサの温度がおよそ２５℃であるとき、入力１１０において観測される入力インピーダンスＺ_ｉｎは、典型的にはおよそ２．５Ｇオームである。しかしながら、電極抵抗Ｒ_Ｅは、測定プローブ１において観測される温度に依存するので、電極抵抗Ｒ_Ｅは、セ氏１００度より上で、非常に小さく、典型的には５０Ｍオームより低くなり得る。測定プローブ１が能動層を含むとき、信号源ＳＱのセンサ電圧Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}は、導体リード素子１６が保持容器８１内に浸漬されないときでさえ、ゼロとは異なり、例えば、ガラス電極１６において観測される電圧は、ガラス電極が加工材料６と接触していないとき、およそ－３Ｖである。

[0050]代替的には、入力１１０は、典型的には、試験信号を送出する試験または較正デバイスに電気的に結合される。インターフェイスユニット４は、とりわけ、評価デバイス３の入力に電気的に結合されるように適合させられる出力１２０を備える。インターフェイスユニット４は、出力１２０で出力電圧Ｖ_ＯＵＴを送出するように構成される。評価デバイス３の入力が出力１２０に結合されるとき、出力１２０において観測される出力インピーダンスＺ_ＯＵＴは、特に低く、典型的には１００オームより低い。

[0051]インターフェイスユニット４は、入力１１０において観測される入力電圧Ｖ_ＩＮが、出力１２０においてミラーリングされる、すなわち、経時的に、出力電圧Ｖ_ＯＵＴが、入力電圧Ｖ_ＩＮに実質的に等しく維持されるように配置構成される。典型的には、図５で例示されるように、入力電圧と出力電圧との間の差は、０．２５Ｖから５．５Ｖで変動する入力電圧に対して、０．１ｍＶから－０．４ｍＶの間に含まれる。

[0052]インターフェイスユニット４は、さらには、高いインピーダンス入力から受けられる弱い入力信号を低いインピーダンス出力に送信するためのインピーダンスバッファの役割を果たしている。インターフェイスユニット４は、さらには、いかなる相当な負荷も入力１１０を通って流れることを回避する、および、典型的には０．２ｐＡ未満の、電流障壁を提供している。その結果、電極ＥＬのセンサ素子は、インターフェイスユニット４のおかげで、もはや帯電させられない。そのことが、例えば高圧蒸気減菌工程の間の、高い温度においてでさえ、電極ＥＬのセンサ素子への残留電流の影響力が、格別に低く保たれる理由である。そのことは、特に、測定プローブ１がゼロ電流流れに切り替えられるとき（これは高い温度工程の間にしばしば行われる）、残留電流の電極ＥＬへの少なからぬ好ましくない影響を制限するための効率的な解決策を提供する。

[0053]インターフェイスユニット４は、さらに、減結合（デカップリング）回路２００と、電位ミラーリング回路３００とを備えている。
[0054]減結合回路２００は、第１のトランジスタ２１０と、第１の演算増幅器２２０と、抵抗Ｒ１を呈する第１の抵抗器２３０と、抵抗Ｒ２を呈する第２の抵抗器２４０とを備える。第１のトランジスタ２１０は、入力１１０に結合される絶縁ゲート端子を備えている。

[0055]電位ミラーリング回路３００は、第２のトランジスタ３１０と、第２の演算増幅器３２０と、抵抗Ｒ３を呈する第３の抵抗器３３０と、抵抗Ｒ４を呈する第４の抵抗器３４０とを備える。出力１２０は、第２の演算増幅器３２０の出力に、および、第２のトランジスタ３１０の絶縁ゲート端子に結合される。

[0056]第１のトランジスタ２１０は、さらには、第１の抵抗器２３０の第１の端子に結合されるソース端子と、第２の抵抗器２４０の第１の端子に結合されるドレイン端子とを備える。第２の抵抗器２４０の第２の端子は、電圧Ｖ_Ｃが実質的に一定の値、典型的には－５．２５Ｖに維持される回路の点に結合される。

[0057]第１の演算増幅器２２０は、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが一定の値、典型的には－５Ｖに維持される回路の点に結合される非反転入力Ｖ＋を備えている。第１の演算増幅器２２０は、さらには、第１のトランジスタ２１０のドレイン端子に、第２の抵抗器２４０の第１の端子に、および、第２の演算増幅器３２０の反転入力Ｖ－に結合される反転入力Ｖ－を備えている。

[0058]演算増幅器２２０の出力は、第１の抵抗器２３０の第２の端子に、および、第３の抵抗器３３０の第１の端子に結合される。
[0059]第１の演算増幅器２２０は、その演算増幅器の非反転入力Ｖ＋で受けられる基準電圧Ｖ_ｒｅｆと、その演算増幅器の反転入力Ｖ－で受けられる電圧Ｖ_Ｒ２との間の比較によって、可変電圧を第１のトランジスタ２１０のソース端子に提供するように配置構成される。第１の演算増幅器２２０は、第１のトランジスタ２１０の、（Ｑ点またはバイアス点としても知られている）動作点を制御するように配置構成されており、第１のトランジスタ２１０が、典型的には０．２５ボルトから５．５ボルトの間の、入力電圧Ｖ_ＩＮの広い範囲の値に対して、飽和、歪み、または、他の非線形乱れなしに動作するようになっている。説明されるように実行することにより、第１の演算増幅器２２０は、入力電圧Ｖ_ＩＮの広い範囲の値にわたって、ほとんど同じ動作点にとどまる。その上、ゲートは、第１の演算増幅器２２０のソースとドレインとの間を流れる電流との関係において、線形に制御されないので、実質的に固定された動作点を維持することは、入力電圧Ｖ_ＩＮに対する広い範囲の値にわたって非線形挙動を低減することにより、第１の演算増幅器２２０の挙動の正確性を増大することを可能とする。結局、インターフェイスユニットにより、入力電圧Ｖ_ＩＮと比較して出力電圧Ｖ_ＯＵＴに持ち込まれる誤差は、例えば図５において例示されるように、大幅に低減される。

[0060]対照的に、定常状態ＤＣ電圧、または、一定の電流が、トランジスタのソースをバイアスするために付与される、知られている解決策において、入力電圧は、本発明と比較して、入力電圧に対する、はるかに制限された範囲の値上でのみ変動し得るものであり、なぜならば、飽和および／または歪み問題点が、バイアスする電流の固定された性質に起因して発生するからである。

[0061]第２のトランジスタ３１０は、第２の演算増幅器３２０の出力に結合される絶縁ゲート端子と、第３の抵抗器３３０の第２の端子に結合されるソース端子と、第４の抵抗器３４０の第１の端子に結合されるドレイン端子とを備えている。第４の抵抗器３４０の第２の端子は、電圧Ｖ_Ｃが維持される回路の点に結合される。

[0062]第２の演算増幅器３２０は、第２のトランジスタ３１０のドレイン端子に、および、第４の抵抗器３４０の第１の端子に結合される非反転入力Ｖ＋を備えている。第２の演算増幅器３２０は、さらには、第１の演算増幅器２２０の反転入力Ｖ－に、第２の抵抗器２４０の第１の端子に、および、第１のトランジスタ２１０のドレイン端子に結合される反転入力Ｖ－を備えている。

[0063]電位ミラーリング回路３００および減結合回路２００は、
・第１の抵抗器２３０の抵抗Ｒ１、および、第３の抵抗器３３０の抵抗Ｒ３は、実質的に同一である、ならびに、
・第２の抵抗器２４０の抵抗Ｒ２、および、第４の抵抗器の抵抗Ｒ４は、実質的に同一である、ならびに、
・第１のトランジスタ２１０および第２のトランジスタ３１０は、実質的に同等の特徴と性能とを有する、および／または、同じ型のものである、
という意味において、釣り合いのとられた対称的設計を共有している。

[0064]特に、同じ型の電子構成要素が、第１の抵抗器２３０および第３の抵抗器３３０に対して使用され得る。同じ型の電子構成要素が、第１のトランジスタ２１０および第２のトランジスタ３１０に対して使用され得る。同じ型の電子構成要素が、第１の演算増幅器２２０および第２の演算増幅器３２０に対して使用され得る。電位ミラーリング回路３００および減結合回路２００は、釣り合いのとられた対称的設計を共有しているので、温度の、電気構成要素に対する製造公差の、および電気雑音の変動などの、環境パラメータの変動の、インターフェイスユニット４への累積的な影響力は、非対称的設計を伴う回路と比較して大いに低減され得る。

[0065]実施形態において、第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）であって、その導電率σ_ＤＥＣを、そのゲート端子によって適合させるように構成される、ＭＯＳＦＥＴである。

[0066]実施形態において、第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）である。第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、ゲートにおいて静電放電保護素子を伴わずに設けられる。その結果、インターフェイスユニットは、種々の異なる型のトランジスタを使用して実現され得るものであり、以て、供給の第２の源を見出すこと、および、費用を最適化することを可能とすることにおいて、製造工程の間の、より多くの柔軟性を与える。

[0067]別の実施形態において、第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）である。
[0068]別の実施形態において、第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

[0069]第１のトランジスタ２１０および／または第２のトランジスタ３１０は、とりわけ、前に述べられた選択肢の中で選定され得るので、インターフェイスユニットは、多種多様の異なる型のトランジスタを使用して実現され得るものであり、以て、供給の第２の源を見出すこと、および／または、費用を最適化することを可能とすることにおいて、製造工程の間の、より多くの柔軟性を供する。

[0070]有利な実施形態において、第１の演算増幅器２２０および第２の演算増幅器３２０は、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれ、ならびに／または、第１のトランジスタ２１０および第２のトランジスタ３１０は、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれる。これらの特徴は、電気構成要素に対する製造公差の、および電気雑音の、環境パラメータの変動の影響力の低減をさらに改善することを可能とする。その上、インターフェイスユニットの設置面積は、さらに低減され得るものであり、一方で、生産費用は、低下させられ得る。

[0071]第１のトランジスタ２１０は、第２の抵抗器２４０においての減結合された電圧Ｖ_Ｒ２を、絶縁ゲート端子上で受けられる入力電圧Ｖ_ＩＮによって生成するように配置構成される。より詳しくは、第２の抵抗器２４０においての減結合された電圧Ｖ_Ｒ２は、第１の抵抗器２３０内を、第１のトランジスタ２１０のソースからゲートを通って、第２の抵抗器２４０内へと流れる電流に比例する。第１のトランジスタ２１０を入力１１０に、絶縁ゲート端子を通して結合することにより、入力１１０を通る電流漏出は、大幅に低減される。その結果、第１のトランジスタ２１０は、入力１１０と、インターフェイスユニットの残部、および特に出力１２０との間の絶縁障壁として挙動し、入力１１０に負荷を負わせることを回避する。

[0072]第２の演算増幅器３２０の反転させられたゲートＶ－は、第２の抵抗器２４０の第１の端子に結合され、第２の抵抗器２４０の第２の端子は、電圧Ｖ_Ｃに維持されるので、第２の演算増幅器３２０の出力端子により送出される出力電圧Ｖ_ＯＵＴは、電圧Ｖ_Ｃによって、第２のトランジスタ３１０のゲートを制御している。その結果、第２のトランジスタ３１０は、第１のトランジスタ２１０と同様に挙動する。第１のトランジスタ２１０の挙動を再現するように配置構成されて、第２のトランジスタ３１０は、インターフェイスユニット４の対称的動作を確実にする。

[0073]第２のトランジスタ３１０は、第４の抵抗器３４０においての電圧Ｖ_Ｒ４を、絶縁ゲート端子上で受けられる、第２の演算増幅器３２０の出力端子により送出される出力電圧Ｖ_ＯＵＴによって生成するように配置構成される。その上、出力１２０が、さらには、第２の演算増幅器３２０の絶縁ゲート端子に結合される。より詳しくは、第４の抵抗器３４０においての電圧Ｖ_Ｒ４は、第３の抵抗器３３０内を、第２のトランジスタ３１０のソースからゲートを通って、第４の抵抗器３４０内へと流れる電流に比例する。ゆえに、第２の演算増幅器３２０の出力端子を出力１２０に結合することにより、インターフェイスユニット４は、出力電圧Ｖ_ＯＵＴを確実に生み出すことができる。

１ 電気化学測定プローブ
２ 信号リード
３ 評価デバイス
４ インターフェイスユニット
６ 測定材料
８ 入れ物
８１ 保持容器
５００ 処理デバイス
１１ 内部管
１２ 外部管
１３ 外部緩衝液
１４ 内部緩衝液
１５ 基準電極
１６ ガラス電極
１７ 温度測定センサ
１８ 補助電極
１１１ 薄壁のガラス半球またはガラス膜
１２１ 隔壁
１９ 信号電線
１１０ インターフェイスユニット入力
１２０ インターフェイスユニット出力
２００ 減結合回路
２１０ 第１のトランジスタ
２２０ 第１の演算増幅器
２３０ 第１の抵抗器
２４０ 第２の抵抗器
３００ 電位ミラーリング回路
３１０ 第２のトランジスタ
３２０ 第２の演算増幅器
３３０ 第３の抵抗器
３４０ 第４の抵抗器

Claims (10)

1. 入力電圧（Ｖ_ＩＮ）を有する入力電流を、加工材料（６）と接触している様態での使用のための電気化学測定プローブ（１）から受けるように適合させられる入力（１１０）を備えるインターフェイスユニット（４）であって、
   前記電気化学測定プローブ（１）は、センサ電圧（Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}）を生成するように配置構成される検知素子を備えた電極（ＥＬ）を備え、
   電極電圧は、前記電極が前記加工材料と接触しているときの、前記加工材料の、少なくとも１つの特性に関係付けられ、
   前記インターフェイスユニット（４）は、評価デバイス（３）の入力に結合されるように適合させられる出力（１２０）をさらに備え、
   前記インターフェイスユニットは、前記出力（１２０）上で、前記入力電圧（Ｖ_ＩＮ）に実質的に等しい出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を有する出力電流を送出するように配置構成されており、前記インターフェイスユニット（４）は、
   ・第１のトランジスタ（２１０）であって、前記入力（１１０）に結合される第１の絶縁ゲート端子と、第１の抵抗器（２３０）の第１の端子に結合される第１のソース端子と、第２の抵抗器（２４０）の第１の端子に結合される第１のドレイン端子とを備え、前記第２の抵抗器の第２の端子は、一定の電圧（Ｖ_Ｃ）が一定の値に維持される点に結合され、前記第１のトランジスタは、前記第２の抵抗器において第２の抵抗器電圧（Ｖ_Ｒ２）を、前記入力電圧（Ｖ_ＩＮ）によって生成するように配置構成される、第１のトランジスタ（２１０）と、
   ・第１の演算増幅器（２２０）であって、基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）が一定の値に維持される回路の点に結合される第１の非反転入力と、前記第１のトランジスタ（２１０）の前記第１のドレイン端子に結合される第１の反転入力と、前記第１の抵抗器（２３０）の第２の端子に結合される第１の出力とを備えた、第１の演算増幅器（２２０）と、
   ・第２のトランジスタ（３１０）であって、第３の抵抗器（３３０）の第２の端子に結合される第２のソース端子と、第４の抵抗器（３４０）の第１の端子に結合される第２のドレイン端子とを備えており、前記第３の抵抗器（３３０）の第１の端子は、前記第１の抵抗器（２３０）の前記第２の端子に結合され、前記第４の抵抗器（３４０）の第２の端子は、前記一定の電圧（Ｖ_Ｃ）が維持される点に結合される、第２のトランジスタ（３１０）と、
   ・第２の演算増幅器（３２０）であって、前記第２のトランジスタ（３１０）の前記第２のドレイン端子に結合される第２の非反転入力と、前記第１の演算増幅器（２２０）の前記第１の反転入力に結合される第２の反転入力と、前記第２のトランジスタ（３１０）の第２の絶縁ゲート端子におよび前記インターフェイスユニット（４）の前記出力（１２０）に結合される第２の出力と備えた、第２の演算増幅器（３２０）と
   を備え、
   前記第１の演算増幅器（２２０）は、前記第１のトランジスタ（２１０）の動作点を制御するために、前記基準電圧（Ｖ_ｒｅｆ）と前記第２の抵抗器電圧（Ｖ_Ｒ２）との間の比較によって、可変電圧を前記第１のトランジスタ（２１０）の前記第１のソース端子に提供するように配置構成されることを特徴とする、インターフェイスユニット（４）。
2. 請求項１に記載のインターフェイスユニットであって、
   前記第１の抵抗器（２３０）は、前記第３の抵抗器（３３０）の抵抗と実質的に同一の抵抗を有し、前記第２の抵抗器（２４０）は、前記第４の抵抗器（３４０）の抵抗と実質的に同一の抵抗を有する、インターフェイスユニット。
3. 請求項１または２に記載のインターフェイスユニットであって、
   前記第１のトランジスタ（２１０）および前記第２のトランジスタ（３１０）は、同じ型のものである、インターフェイスユニット。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のインターフェイスユニットであって、
   前記第１の演算増幅器（２２０）および前記第２の演算増幅器（３２０）は、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれる、インターフェイスユニット。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のインターフェイスユニットであって、
   前記第１のトランジスタ（２１０）および前記第２のトランジスタ（３１０）は、単一の電子構成要素の１つのパッケージ内に埋め込まれる、インターフェイスユニット。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のインターフェイスユニットであって、
   前記第１のトランジスタ（２１０）および／または前記第２のトランジスタ（３１０）は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ、または金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、または金属絶縁体半導体電界効果トランジスタ、または絶縁ゲートバイポーラトランジスタである、インターフェイスユニット。
7. 測定システムであって、
   ・請求項１から６のいずれか一項に記載のインターフェイスユニット（４）と、
   ・加工材料（６）と接触している様態での使用のための電気化学測定プローブ（１）であって、センサ電圧（Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}）を生成するように配置構成される検知素子を備えた電極（ＥＬ）を備えており、前記電極電圧は、前記電極が前記加工材料と接触しているときの、前記加工材料の、少なくとも１つの特性に関係付けられ、前記電気化学測定プローブは、前記センサ電圧（Ｖ_{ＳＥＮＳＯＲ}）を前記インターフェイスユニットの前記入力（１１０）に送出するように適合させられる、電気化学測定プローブ（１）と、
   ・評価デバイス（３）であって、前記出力電圧を測定値へと変換するために、前記出力電圧（Ｖ_ＯＵＴ）を受けるために、前記インターフェイスユニットの前記出力（１２０）に結合されるように適合させられる入力を備える評価デバイス（３）と
   を備える、測定システム。
8. 請求項７に記載の測定システムであって、
   前記電極の前記検知素子は、電圧源として機能する能動層を含み、前記電極電圧は、前記電極が前記加工材料と接触していないときでさえ、ゼロとは異なる、測定システム。
9. 請求項７または８に記載の測定システムであって、
   前記測定プローブは、ｐＨ測定プローブと、酸素測定プローブと、ＣＯ_２測定プローブと、オゾン測定プローブとからなる群から選択される、測定システム。
10. 請求項７または８に記載の測定システムであって、
    前記電極の前記検知素子は、窒化リン酸リチウム層を含む、測定システム。

Images