WO1992021962A1

WO1992021962A1 - VERFAHREN ZUR ÜBERWACHUNG DER FUNKTIONSFÄHIGKEIT VON pH-SONDEN

Info

Publication number: WO1992021962A1
Application number: PCT/CH1992/000067
Authority: WO
Inventors: Heinz-Jürgen BRINKMANN; Stefan Hellinge
Original assignee: Ingold Messtechnik Ag
Priority date: 1991-06-07
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1992-12-10
Also published as: EP0542939A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Fehlererkennung beschrieben, das es in einfacher und problemloser Weise gestattet, im Zuge der fortlaufenden Überwachung eines Elektrodensystems auftretende unterschiedliche Fehlerquellen zu erkennen. Bei diesem Verfahren geht man so vor, daß man mittels eines Analog-Digital-Wandlers (12) einen in Amplitude und Dauer variablen Rechteckimpuls über das Netzwerk (4) auf die in ein Meßmedium (16) eintauchende Meßsonde (18) gibt, die durch die Sondenimpedanz veränderte Spannung U1 mißt und mit einem Sollwert für eine intakte Meßsonde vergleicht. Abweichungen der erhaltenen Meßwerte vom vorgegebenen Sollwert erlauben Rückschlüße auf den Elektrodenzustand. Die Meßsonde (18) muß nicht ausgebaut werden und kann während des gesamten Verfahrensablaufes im Meßmedium verbleiben. Eine Störung des zu überwachenden Prozesses kann somit vollständig oder mindestens weitgehend vermieden werden.

Description

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Verfahren zur üeberwachung der Funktionsfähigkeit von pH-Sonden

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur üeberwachung der Funktionsfähigkeit von pH-Sonden gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der Wasserstoffionenkonzentration in Flüssigkei¬ ten, insbesondere für die üeberwachung chemischer und biolo¬ gischer Prozesse, beispielsweise in mikrobiologischen Verfah¬ ren, sowie in der Lebensmitteltechnik werden in zunehmendem Mass Elektrodensysteme, hauptsächlich Glaselektroden, einge¬ setzt. Der zunehmende Einsatz von Elektroden für die genann¬ ten Zwecke führt zu steigenden Anforderungen hinsichtlich der Messgenauigkeit im Langzeiteinsatz. Dabei bedarf es zur Auf¬ rechterhaltung einer befriedigenden Messgenauigkeit einer laufenden üeberwachung des Zustandes der verwendeten Elektro¬ den, da beispielsweise eine Beschädigung der ionensensitiven Membran, eine Verschmutzung des Diaphragmas, eine Leitungsun¬ terbrechung und/oder ein Kurzschluss innerhalb der Elektrode zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit führen können. In der Lebensmitteltechnik können bei einer Beschädigung der Membran anfallende Glassplitter zu Gesundheitsrisiken und/oder dazu führen, dass das Messgut in einer Weise verun¬ reinigt wird, dass es für die vorgesehene Verwendung un¬ brauchbar wird, was zu erheblichen Materialverlusten und damit zu einer unerwünschten Kostensteigerung führt. Das Be¬ dürfnis, diese Störfaktoren möglichst weitgehend auszuschal. ten, führte zu einer wachsenden Nachfrage nach Verfahren zur Fehlererkennung, die es gestatten, den Zustand und die Funk¬ tion der Messelektrode ohne Unterbrechung des zu überwachen¬ den Prozesses und insbesondere ohne die Notwendigkeit, die Messelektrode auzubauen oder aus der Messlösung zu entnehmen, zu überwachen.

Aus der US-A-4 189 367 ist bekannt, zur Untersuchung des Zustandes und der Funktion der ionenselektiven Membran eines Elektrodensystems das Elektrodensystem mit Gleichstromimpul¬ sen zu beaufschlagen, derart, dass ein erster Strom, dessen Grosse vom erwarteten Membranwiderstand und damit von der gemessenen Flüssigkeitstemperatur abhängt, in seiner Dauer so bemessen ist, dass er bei intakter Membran zumindest eine vorgegebene Spannungsänderung erzeugt. Daran anschliesend fliesst durch das Elektrodensystem in Gegenrichtung ein zweiter Strom gleicher Dauer und Grosse, um die durch den ersten Strom hervorgerufene Polarisation aufzuheben. Die Spannungsänderung wird mit einem Sollwert für eine intakte Membran verglichen. Dabei zeigt eine Spannungsänderung unter¬ halb des Sollwertes für eine intakte Membran eine Beschädi¬ gung der zu prüfenden Membran an. Das beschriebene Verfahren erfüllt seine Aufgabe, erfordert jedoch einen hohen Schal¬ tungsaufwand für die Regelung des Teststromes in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit.

Ferner ist aus der EP-A-0 241 601 bekannt, zur üeberwachung des Zustandes und der Funktion der Messelektrode und/oder der Bezugselektrode eines Elektrodensystems für potentiometrische Messungen eine Wechselspannung zu verwenden. Dabei werden drei verschiedene Stromkreise aufgebaut, die wechselweise geschlossen werden können, und zwar ein erster Stromkreis zwischen der Messelektrode und einer ebenfalls in die Messlö¬ sung eintauchenden Hilfselektrode, ein zweiter Stromkreis zwischen der Bezugselektrode und der Hilfselektrode und ein dritter Stromkreis zwischen der Messelektrode und der Bezugs- elektrode, wobei der letztgenannte zur Bestimmung der lonen- konzentration in der Messlösung dient. Durch Schliessen des ersten Stromkreises, Messung der Spannungsänderung und deren Vergleich mit dem Sollwert für eine intakte Membran erhält man Auskunft über den Zustand der Messelektrode bzw. deren Membran. Desgleichen erhält man durch Schliessen des zweiten Stromkreises eine Aussage über den Zustand der Bezugselektro¬ de. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass eine sehr kleine Messfrequenz benötigt wird, da die Grenzfrequenz des Tiefpasses (Membranwiderstand, Kabelkapazität) unbekannt ist und in das Messresultat eingeht. Ausserdem muss bei diesem Verfahren die Temperatur der Messlösung während der gesamten Messdauer überwacht werden. Auf diese Weise können aber durch Temperaturänderungen hervorgerufene Abweichungen der Messun¬ gen nur teilweise kompensiert werden, da ohne Kenntnis des je nach Zusammensetzung der für die Membran verwendeten Glasmi¬ schung wechselnden Temperaturkoeffizienten des Membranwider¬ standes gearbeitet wird.

Ausserdem ist aus der EP-A2-0 419 769 ein Verfahren zur fortlaufenden üeberwachung eines Elektrodensystems für poten- tiometrische Messungen bekannt, bei dem die üeberwachung mittels symmetrischer bipolarer Stromimpulse durchgeführt wird. Dabei ist die Periodendauer der Stromimpulse frei wählbar und kann entsprechend der geforderten Prüfgenauigkeit unterschiedlich eingestellt werden. Ferner ist es möglich, die üeberwachung stufenweise durchzuführen, wobei sich die einzuelnen Stufen durch die gewählte Periodendauer und damit durch die zu erreichende Prüfgenauigkeit unterscheiden. Dabei werden die symmetrischen bipolaren Stromimpulse mittels einer Spannungsteilerschaltung erzeugt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus, erfordert jedoch einen verhältnismässig grossen Schaltungsaufwand. Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und problemlos durchzuführendes Verfahren zur Fehlererkennung bei pH- Elektroden anzugeben, bei dem der Aufwand sowohl hinsichtlich der des mechanischen Aufbaus als auch der für die Auswertung erforderlichen Elektronik gering ist und das ausserdem mit einer bekannten Einrichtung zur automatischen oder teilweise automatischen Reinigung und/oder Kalibrierung von pH- Elektroden kombiniert oder zu deren Steuerung eingesetzt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird mittels des im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Verfahrens gelöst.

Durch Vergleich der dabei ermittelten Spannung ü₁ der Mess¬ sonde mit einer Spannung U₀ die durch eine entsprechende Messung bei einer intakten, vorzugsweise neuen, Messsonde oder rechnerisch ermittelt worden ist, kann direkt auf das Vor¬ handensein von Fehlern bzw. Störfaktoren, beispielsweise einer Beschädigung der Membran, einer Verschmutzung des Diaphragmas, einen Kurzschluss innerhalb der Messsonde oder eine Kabelunterbrechung, geschlossen werden. Dabei ist es sogar möglich, aus der Grosse der Abweichung der Spannungs¬ werte Rückschlüsse auf die Art des vorliegenden Störfaktors zu ziehen. Während des gesamten Prüfungsvorganges kann die Messsonde im Messmedium verbleiben und muss, nichteinmal kurzzeitig, ausgebaut werden. Auf diese Weise können Unter¬ brechungen und Störungen des Ablaufs des zu überwachenden Prozesses gänzlich vermieden oder zumindest auf ein Mindest- mass beschränkt werden.

Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprü¬ chen 2 und 3 und besondere Anwendungen in den Ansprüchen 4 und 5 umschrieben. Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben; dabei zeigt:

Die Figur ein Funktionsschema einer Schal¬ tungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung 2 mit einem Netzwerk 4 aus einem ersten Kondensator 6, einem zweiten Kondensator 8 und einem ersten Widerstand 10. Weitere Bestandteile ^• des Schaltkreises 2 sind ein Analog-Digital-Wandler 12, der mittels eines Mikroprozessors 14 steuerbar ist, eine in ein Messmedium 16 eintauchende Messsonde 18 mit einer Messelek¬ trode 20 und einer Bezugselektrode 22, ferner ein zweiter Widerstand 24 und ein Impedanzwandler 26. Der Mikroprozessor 14 weist einen Analogausgang 28 und eine serielle Schnitt¬ stelle 30 auf.

Bei der Durchführung des Verfahrens geht man so vor, dass man mittels des Analog-Digital-Wandlers 12 über den Analogausgang 28 des Mikroprozessors 14 über das Netzwerk 4 einen in Ampli¬ tude und Dauer variablen Rechteckimpuls, dessen Dauer und Amplitude mittels des Mikroprozessors 14 gesteuert werden, hochohmig auf die Messsonde 18 gibt. Durch Einschaltung des zweiten Widerstandes 24 wird verhindert, dass ein Strom durch das Dielektrikum des ersten Kondensators 6 in den hochohmigen Eingang des Impedanzwandlers 26 fliesst. Gleichzeitig wird die durch die Sondenimpedanz veränderte Spannung U_j. der zu prüfenden Messsonde 18 gemessen und mit einem experimentell oder rechnerisch ermittelten Sollwert verglichen, z.B. der Spannung U_Q einer intakten, vorzugsweise neuen, Messsonde. Dabei kann die Spannung U_Q experimentell ermittelt werden, indem man eine neue bzw. intakte Messsonde in analoger Weise unter Verwendung der gleichen Schaltungsanordnung misst. Es ^• besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Spannung U_Q rechne¬ risch, z.B. anhand von Tabellenwerken und/oder aufgrund von Herstellerangaben zu ermitteln. Die Messwerte können entweder direkt abgegriffen und von einem Spannungsmesser abgelesen oder durch diesen aufgezeichnet werden. Vorteilhafterweise werden jedoch die Messwerte in den Mikroprozessor 14 einge¬ speist und dort verarbeitet. Sie können dann entweder über den Analogausgang des Mikroprozessors 14 dem Analog-Digital- Wandler 12 zugeleitet und zu dessen Steuerung verwendet oder über die serielle Schnittstelle 30 in eine Reinigungs¬ und/oder Kalibrierungseinrichtung eingespeist und zur Steue¬ rung eines automatischen oder halbautomatischen Reinigungs¬ und/oder Kalibrierungsverfahrens verwendet werden.

Der Vergleich zwischen der gemessenen Spannung ü^ und dem Sollwert, d.h. der Spannung U_Q, lässt direkte Rückschlüsse auf vorhandene Störfaktoren, wie vorstehend erwähnt, sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht zu und erlaubt eine fortlaufende Fehleranalyse ohne umständlichen Ausbau der Messsonde und deren Entnahme aus dem Messmedium und damit ohne Störung des Prozessablaufes, zu dessen Üeber¬ wachung die Messsonde dient. Das Verfahren lässt sich sowohl im Laborbetrieb als auch im industriellen Bereich einfach und problemlos durchführen und gestattet die Verwendung einer unkomplizierten Schaltungsanordnung.

BEZÜGSZEICHKMLISTE

Schaltungsanordnung Netzwerk erster Kondensator zweiter Kondensator erster Widerstand Analog-Digital-Wandler Mikroprozessor Messmedium Messsonde Messelektrode Bezugselektrode zweiter Widerstand Impedanzwandler Analogausgang Schnittstelle

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Erkennung mehrerer unterschiedlicher Feh¬ lerquellen im Zuge der fortlaufenden Üeberwachung eines Elektrodensystems für potentiometrische Messungen ohne Prozessunterbrechung, bei dem eine, in eine Messmedium (16) eintauchende Messsonde (18) mit einer Messelektrode (20) und einer Bezugselektrode (22) Bestandteil einer Schaltungsanordnung (2) mit einem, aus einem ersten Kondensator (6), einem zweiten Kondensator (8) und einem ersten Widerstand (10) gebildeten Netzwerk (4) und einem Impedanzwandler (26) ist, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels eines Analog-Digital-Wandlers (12) über das Netzwerk (4) einen in Amplitude und Dauer variablen Rechteckimpuls hochoh ig auf die Messsonde (18) gibt, wobei man mittels eines zweiten Widerstandes (24) verhin¬ dert, dass ein Strom durch das Dielektrikum des ersten Kondensators (6) in den hochohmigen Eingang des Impedanz¬ wandlers (26) fliesst, dass man gleichzeitig die durch die Sondenimpedanz veränderte Spannung U^ der Messsonde (18) misst und dass man die erhaltenen Messwerte mit einem experimentell oder rechnerisch ermittelten Soll¬ wert für eine intakte Messsonde vergleicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen durch einen Mikroprozessor (14) über dessen Analogausgang 28) gesteuerten Analog-Digital-Wandler (12) verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die erhaltenen Messwerte für die Sondenspannung zum Analog-Digital-Wandler (12) zurückführt und zur Steuerung des über den Analogausgang (28) in das Netzwerk (4) einzuspeisenden Rechteckimpulses verwendet.

4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 auf ein Reinigungs- und/oder Kalibrierungsverfahren für Messwertgebersonden unter Verwendung einer automatischen oder halbautomatischen Reinigungs- und/oder Kalibrie¬ rungseinrichtung.

5. Anwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass man den Mikroprozessor (14) zur Verarbeitung der erhalte¬ nen Messwerte und deren Einspeisung in den Steuerkreis der Reinigungs- und/oder Kalibrierungseinrichtung verwen¬ det, wobei die Einspeisung vorzugsweise über eine seriel¬ le Schnittstelle (30) vorgenommen wird.