电位测量探头的测量方法和装置的制作方法

专利名称：电位测量探头的测量方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种方法和装置，其用于通过测量至少一个电极的内电阻来 测量、监控和分析具有至少两个电极的电位测量探头的状态。
背景技术：
在电化学领域中通常使用电位测量探头、离子灵敏探头或氧化还原探
头，例如pH测量探头。这种测量探头的基本结构包括两个电化学半电池， 其中一个半电池称为指示电极，例如具有敏感膜(sensitive membrane)的玻璃 电极，另一半称为参考电极或基准隔膜(referencediaphragm)。两个半电池之 间的电位差与要测量的参数(例如溶液的pH值)成比例。
指示电极以及参考电极具有一定内电阻。只要电极正常运行，两个内电 阻将基本保持稳定。然而，如果电极故障，例如，电极膜或基准隔膜损坏、 泄露或失灵，则电极的内电阻将显著地改变。因此，通过测量电极的内电阻， 可以监控和分析它们的状态。
为了单独测量电极的电阻，可在要测量的溶液中插入第三电极，即，所 谓的溶液接地电极。然后，参照溶液接地电极测量指示电极以及参考电极的 内电阻。典型地，指示电极的电阻很高，并且可能在很大范围内变化，而参 考电极的电阻通常相对较小，但是也可能在大范围内变化。
此外，电极之间的电位差相对较小，并且连接电缆的电线之间存在大量 电容。所有这些因素对电极的内电阻的测量造成影响，并且为了任意进行测 量或分析不得不考虑到这些因素。
为了克服这些问题，提出了多种测量方法。例如，EP 0 497 994 Al公开 了一种用于测量指示电极的电阻的方法和装置。所公开的方法提出使用交流 测试电压来激励连接电缆和电极。与交流测试电压相关的信号通过低通滤波 器和减法单元(subtmctingunit)从电位测量信号分离出来，并且通过多个同步 整流器对应于实部和虚部进行划分。然而，该方法涉及多个昂贵的组件，例如同步整流器，特别在测量装置具有多个电极的情况下，它大大增加了成本。

发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种电位测量探头的测量方法和装置，其 为电极的电位差以及电位电极的电阻(具体地，指示电极和/或参考电极的电 阻)提供精确和成本有效的测量。
通过一种测量方法和测量装置提供解决上述问题的技术方案，所述测量 方法和测量装置包括在独立权利要求中描述的特征。本发明的其它实施例在 附加的从属权利要求中公开。
根据本发明测量、监控和分析电位测量探头的状态的方法包括以下步 骤，其中所述电位测量探头包括至少两个电极，每个电极均具有电阻
经由连接电缆将由电压源提供的交流测试电压施加至至少一个电极；
将包括至少一个电极的电位电压以及与所施加的交流测试电压相关的
信号的组合信号传递至处理单元；
在所述处理单元中从所述组合信号提取与所施加的交流测试电压相关 的信号；
根据与所施加的交流测试电压(Uel， Ue2)相关的信号来计算所述电极的电阻。
本方法的特征在于，通过转移函数单元在所述处理单元中处理所述组合 信号，所述转移函数单元基本同时地从所述组合信号提取与所述至少一个电 极的电位信号对应的测量值以及用于计算所述电极的电阻的测试响应。本方 法和对应装置具有以下优点，即可通过简单且成本有效的装置从组合信号提 取与所施加的交流测试电压相关的测试响应。
此外，由于可将不同组件的影响和它们的耦合包含在转移函数中，因此 根据本发明的方法非常精确。例如，由于连接电缆的结构，在电极的电阻和 电容之间存在一定程度的耦合，从而导致相互影响。在通过转移函数单元进 行提取期间保持这种相互影响，并且这种相互影响可用于确定电极的电阻。
此外，通过基本同时地提取测试响应，可以将电位电压的测量值以及从 施加的交流测试电压得到的信号进行比较和/或在计算单元中立即进行关联。
在本发明的另一实施例中，在适当地(在适当时)减去恒定电压分量之
8后，所述交流测试电压的负电压值和正电压值基本对称。优选地，特别地在 整个时间期间或在校准时间段期间，所述交流测试电压是具有基本频率的正 弦形状，优选地，特别地在整个时间期间或在对所述至少一个电极施加交流 测试电压的测试时间段期间，所述交流测试电压包括至少一个其它正弦形状 的、与所述基本频率对应的谐波信号分量。
根据另一实施例，施加至少两个交流测试电压，每个交流测试电压包括 与所述基本频率对应的至少一个信号分量的组，其中每个交流测试电压之间
的组是分离的(disjunctive)。此外，交流测试电压的基本频率(fg， f》优选为 根据表达式f^n^f;或f^n^fg在比(m)方面不同，其中fg是第一基本频率，& 是第二基本频率，m是大于或等于2的偶数。优选地，所述测量探头包括两 个电极，且第一交流测试电压施加于第一电极，第二交流测试电压施加于第 二电极。交流测试电压的这些形式具有这样的优点，即它们可以容易地彼此 分离以及从电位信号分离。
在优选的配置中，第一和第二交流测试电压同时满足以下条件第一交 流测试电压基本对称，并且第二基本频率是第一基本频率的偶数倍。在这种 情况下导致，在第一交流测试电压中不包含第二基本频率的分量，在第二交 流测试电压中不包含第一基本频率的分量。
本发明另一实施例的特征在于，通过优选地基于快速傅立叶变换(FFT) 算法计算傅立叶变换的至少一个频率分量，从而处理所述组合信号，并且提 取与所述交流测试电压的至少一个频率分量对应的测试响应。优选地，频率 分量计算仅确定频谱的、计算输出信号所需的那些分量。具体地，仅计算交 流测试电压和/或校准电压的恒定分量和第一阶分量。
在本发明的优选实施例中，所述组合信号通过模数转换处理，并在适当 时经过数字低通滤波之后，被传递至傅立叶变换单元或计算单元。此外，所 述组合信号可以通过一个或多个放大器预处理和/或放大和/或转换，并且在 适当时经由低通滤波器被传递至A/D转换器的输入端、或傅立叶变换单元、 或计算单元。
所有这些处理步骤可以在转移函数单元中执行，该转移函数单元可包括 串联的运算放大器、A/D转换器和傅立叶转换单元。转移函数单元还可包括 滤波器装置，其包括低通滤波器、或低通滤波器和数字滤波器，其中低通滤
9波器连接在转移函数单元的输入端和A/D转换器之间，并且数字滤波器连接
在A/D转换器和傅立叶变换单元之间。
在本发明的其它实施例中，所述方法包括校准处理，该校准处理用于特 别地通过对所述至少一个电极施加交流正弦电压来确定至少一个校准响应
(calibration response)。
在优选实施例中，在校准处理期间，通过用校准电阻来代替所述至少一 个电极的电阻来确定所述至少一个校准响应。优选地，通过选择一对校准电 阻(Rg， R》的4个不同设置所执行的4点校准处理，或通过选择用于第一电 极(la)的2个不同校准电阻(Rgo， Rg0的2点校准处理，来确定所述校准响应， 其中所述一对校准电阻的第一个值表示第一电极(la)的电阻，第二个值表示 第二电极(lb)的电阻。具体地，对于所述4点校准处理，4个校准点选择为 (Rg0， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rro)和(O， Rrl)，其中Rgo与Rg!、以及I^与Rn是不 同的校准电阻。
在本发明的其它实施例中，在所述校准处理期间，根据包括所述测量装 置的至少一个阻抗的阻抗等式来计算至少一个响应系数。所述响应系数反映 已知电路结构，并可作为中间值存储，且用于重新测量。这样，可大大减少 电位测量的计算工作。
在本发明的优选实施例中，通过解开阻抗等式来确定所述电极的电阻， 其中所述阻抗等式与所述测量装置对应，并使得所述测量响应与所述至少一 个电极的电阻相关。优选地，同时解开用于第一测试响应的第一阻抗等式以 及用于第二测试响应的第二阻抗等式，以确定第一电阻和第二电阻。通过解 开与测量装置对应的阻抗等式，阻抗的作用、特别是电阻和电容之间的耦合 的作用被考虑在内，从而特别提高了长连接电缆的测量精度。
测量装置的阻抗等式可包括所述电极的阻抗、和/或所述连接电缆的阻 抗、禾卩/或所述处理单元的阻抗、和/或所述电压源的隔直(DC-block)/限流 (cmrent-limit)阻抗、和/或对所述处理单元的输入端接收的组合信号进行滤波 的滤波单元的阻抗。此外，有利的是，通过包括优选为在先确定的至少一个 中间值来解开所述阻抗等式，其中所述中间值特别地通过至少一个校准响应 和/或通过至少一个响应系数给出。在本实施例中，阻抗等式可考虑许多不同 形式的阻抗，并且不需要仅通过电极的电阻来形成独立于总阻抗的部分-非相
10位变换或基本频率。因此，本方法适用于相对复杂的输入电路，而没有限制 为很强的化简，例如将纯电容串联至电极的电阻，这将导致高通特性不精确。 本发明的本实施例考虑到多个输入阻抗，因此提高了测量精度。
在另一优选实施例中，测量装置包括放大器，该放大器的输入端经由连 接电缆连接至至少一个电极，并且其输出端连接至转移函数单元，并且特别 地预处理、放大和/或转换组合信号。优选地，第一电极连接至放大器的第一 输入端，第二电极连接至放大器的第二输入端，其输出端提供与第一电极的 组合信号和第二电极的组合信号的差对应的组合信号。
此外，在本发明的优选实施例中，所述电压源包括隔直和/或限流阻抗， 其具体地包括电容器和/或电阻器，并且所述电极经由所述隔直和/或限流阻 抗连接至所述电压源。
在本发明的另 一实施例中，所述电极经由滤波单元连接至所述转移函数 单元或放大器，所述滤波单元具体地是包括电容器和电阻器的RC低通滤波 器电路。这样，在确定阻抗等式和电极的电阻的过程中包含了具有滤波单元 的相对简单的输入电路，因此提高了测量的精度。'
例如，这可以在测量系统的电路包括例如用于反EMC和反ESD的常用 的电阻器和电容器的组件时应用。即使在这种情况下，这些组件有助于整个 系统的相对复杂阻抗特性，在确定电极的电阻时解决这些组件的影响。


现将参照附图和具体实施例描述本发明的特征和优点，其中 图1是用于根据本发明实施例的电位测量探头的测量装置的结构以及电 极和连接电缆的示意图2是图1的等效电路图3是图2的转移函数单元的结构框图4是用于根据图2的示图的测量装置的测量方法的对应流程图5是示出电极、连接电缆和用于根据本发明另一实施例的电位测量探
头的测量装置的等效电路；
图6是示出电极、连接电缆以及用于根据本发明另一实施例的电位测量
测量探头的测量装置的结构的示意图；图7是图6的等效电路图8是用于根据本发明另一实施例的电位测量探头的测量方法的流程图。
具体实施例方式
图l表示电极、连接电缆和用于根据本发明实施例的电位测量探头的测
量装置的示意性结构图。所述装置用于测量电极电位Ux、以及内电阻Rg和 Rr。探头位于要测量的溶液中，且所述探头1包括指示电极la、参考电极lb 和溶液接地电极SG，其中指示电极la和参考电极lb经由连接电缆2的两 个不同的芯线连接至测量装置30，而溶液接地电极SG接地。优选地，指示 电极la经由连接电缆2的中央芯线(center core)进行连接，参考电极lb经由 围绕连接电缆2的中央芯线的第一屏蔽件(shield)进行连接，且溶液接地电极 SG经由围绕第一屏蔽件的第二屏蔽件进行连接。指示电极la具有内电阻Rg， 且参考电极lb具有内电阻Rr。具有各自电气功能(electricalfunction)的电极1 和连接电缆2对应于图2的等效电路图。
图2表示图1的等效电路图。如图2所示，将探头l表示为具有电极电
位Ux和两个电极电阻Rg、 Rr的电压源，其中Rg和Rf串联，从而Rg和Rr之
间的结点经由溶液接地电极SG接地。根据常用的连接电缆的结构，将连接 电缆2表示为电容器d和C2。电容器d在连接点7和8之间并联至探头。 对于其它连接电缆，电路及其连接方式可稍微不同，从而导致这里呈现的表 达式和方程稍微改变，但是，原理和方法相同。
现在参照图2，测量装置30包括第一电压源IO、第二电压源ll、第 一电压源阻抗3、第二电压源阻抗5、转移函数单元15和计算单元16。
第一电压源10产生第一测试电压Uep其包括具有基波(basicwave)的基 本频率(base frequency)fg的谐波Ueg。第二电压源11产生第二测试电压Ue2， 其包括具有基波的基本频率t的谐波Uw为了避免在傅立叶变换过程期间它
们相互干扰，将频率f;和fg选择为具有分离性的基本频率分量。这意味着，
在激励电压Uel的频谱中不存在基本频率fr的谐波'分量，且在激励电压Ue2 的频谱中不存在基本频率fg的谐波分量。这可通过使用具有严格对称的正负 半波的波形(例如，使用方型函数(square shaped fimction)等)的第一测试电压来实现。这样，该波形可仅包括具有频率3fg、 5fg等的谐波，而不包括诸如
2fg、 4fg等的偶次谐波。同时，使得fFii^fg，其中m是等于或大于2的偶数。 第一电压源阻抗3连接在所述第一电压源10的输出端与连接电缆的一 根芯线之间，特别地连接至连接点7，并在该第一电压源阻抗3上施加测试 电压Ud。第二电压源阻抗5连接在所述第二电压源11的输出端与连接电缆 的另一根芯线之间，特别地连接至连接点8，并在该第二电压源阻抗5上施 加测试电压Ue2。通常，第一电压源阻抗3和第二电压源阻抗5可仅包括电
容器。然而，在本实施例中，电阻器R3和电容器C3串联，以构成第一电压
源阻抗3。类似地，电阻器R5和电容器C5串联，以构成第二电压源阻抗5。 考虑到成本效率，使用电阻器R3和Rs进行限流，其原因在于在具有类似 的精度和温度系数的前提下，电阻器通常比电容器便宜很多。此外，通过使
用电阻器，将不会增加基本频率高的谐波。此外，电容器C3和C5主要用于
阻隔来自电压产生单元IO的直流电。
在连接点7、 8与差分放大器14的两个输入端之间，通常存在滤波单元 12和13，以减少电磁干扰和静电电击(dectrostaticshock)。每个滤波单元12 和13均包括RC低通滤波电路，优选地，分别包括电阻器R4、电容器Q， 以及电阻器R6、电容器Q。除了电阻元件和电容元件之外，在滤波单元12 和13中也可以包括电感元件，例如铁氧体。然而，由于用于测量电阻Rg和 Rr的测试电压Uel或Ue2的频率通常较低，所以在确定Rg和Rr时可省略电感 元件。因此，在以下所述的方程中没有提及电感元件。但是，本方法和装置 也可以通过电感元件来使用。
将滤波单元12的输出端配置在连接点4处，该连接点4连接至差分放 大器14的非反相输入端，而滤波单元13的输出端配置在连接点6处，该连 接点6连接至差分放大器14的反相输入端。
现在参照图3，转移函数单元15包括A/D转换器15c和傅立叶变换单元 15e。转移函数单元15还可包括在A/D转换器15c之前的一个或多个运算放 大器15a。傅立叶变换单元15e用于计算电位测量探头的电位Ux和两个测试 响应Ug和Ur。在A/D转换器之前还可以插入低通滤波器15b，以减少可能 的A/D采样的重叠误差(aliasing error)。 A/D转换器'15c的输出值X(i)是对应 于输入信号的数值。如果需要，可在A/D转换之后包括数字低通滤波器15d，
13以执行数字滤波，从而进一步消除较高的基本频率干扰。转移函数单元15 中的模块的总转移函数可由Hg和Hr表示，其中Hg表示具有基本频率fg的信
号的一般转移函数(general transfer function),且Hf表示具有基本频率fr的信
号的一般转移函数。
运算放大器15a也可包括转移函数，特别地，包括放大器14的增益。 因此，转移函数Hg、 Hr也可包括放大器14的转移函数。
再参照图2，可通过测量和计算而获得测试响应Ug和U。具有fg的正弦
电压Ueg、具有f;的正弦电压Uer和转移函数Hg， H,是已知的。在所有的电
路元件中，仅有电阻Rg、和Rr以及电容C1和C2是未知的。因此，通过同 时解开测试响应Ug和Ur的方程，可建立电阻Rg、 Rr以及电容Cl、 C2的 方程，并且可计算出电阻Rg和Rr。
连接至转移函数单元15的傅立叶变换单元15e的输出端的计算单元16 可通过Rg、 Rr、 Q和C2的复数联立方程(complex simultaneous equation)基于 已知的测试响应Ug和Ur和已知结构以及电路的参数而导出指示电极的内电 阻Rg和参考电极的内电阻R。
然而，通常，根据放大器14、低通滤波器15b、 A/D转换器15c、数字 滤波器15d和傅立叶变换单元15e来确定信号转移函数Hg和Hr是非常复杂
的。通常，根据测试电压Uei和Ue2精确确定正弦电压Ueg和Uer也是一项复 杂的任务。然而，可通过用于确定两个校准响应Uehg和Uehr的4点校准来一 起解开所有这些复数表达式，其中Uehg=Ueg*Hg，且Ueh尸Ue,Hr。将校准响应 Uehg和U^或它们的等效参数存储在存储器内，用于以后使用。优选地，4
个校准点优选是(Rg， Rr)=(RgO， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rrl)， (0， Rr2)。
在测量和校准的整个过程中，转移函数Hg保持相同，或者其差是已知 的。在测量和校准的整个过程中，第一测试电压Uel的幅度、波形和相位保 持相同，或者其差是已知的。可选地，在测量和校准的整个过程中，具有fg 的正弦电压Ueg保持相同，或者其差是已知的。类似地，在测量和校准的过 程中，转移函数&保持相同，或者其差是己知的。在测量和校准的过程中，
第二测试电压Ue2的幅度、波形和相位保持相同，或者其差是已知的。可选
地，在测量和校准的过程中，具有&的正弦电压1^保持相同，或者其差是
已知的。这样，可通过解开如上所述的联立方程来确定内电阻Rg和Rr。
14现在参照图4，根据图2的等效电路图的测量装置的测量方法的对应流 程图包括以下步骤
在步骤S1，分别通过电压源阻抗3和5对连接电缆的两根芯线(g卩，连
接点7和8)施加两个测试电压Uel和Ue2。测试电压Uel包括具有基本频率fg
的谐波Ueg，而测试电压Ue2包括具有基本频率f;的谐波Uer。第一测试电压
uel的基本频率f;和第二测试电压ue2的基本频率fg两者不具有共同的谐波分
量。这可通过在第一测试电压uel的信号形状具有严格对称的正负半波(例如 使用方波等)的情况来实现。这意味着波形可仅具有3fg、 5fg等的奇数谐波， 而不存在例如2fg、 4fg等的偶数谐波。在这种情况下，&可表示为&=m*fg， 其中m是等于或大于2的偶数。
在步骤2:指示电极la的结果的AC响应信号Ug以及参考电极lb的结 果的AC响应信号U通过差分放大器14、A/D转换器15c和傅立叶变换单元 15e，以确定电位测量探头的电位Ux和两个测试响应Ug和U。更详细地，
所述计算表示如下
A/D转换信号通过数字滤波器，以得到电压序列U(i)，其中1=0， 1， 2...， n*M-l，且n和M定义如下。
使采样周期的时间段为T，其中M*T等于激励基本频率fg的周期的时间 段，且M为自然数。接下来，使得fFi^fg，其中M*T/m等于激励基本频 率fr的一个周期的时间段，其中M/m为自然数；并且使得n*M为M和M/m 的公倍数。
傅立叶变换实现如下
nM—
nM
9 nM-1
Ua =上y U(i)cos 9 nM S "
_2;r M
一^L，U(i)s nM^ 、'
sin — 2;r
M
Ur =丄yu(i)cos nM f
—2m;r M
nM
nM-1
，)sin
—2m;r M
15<formula>formula see original document page 16</formula>
如果适当选择了数目M，则可通过使用与快速傅立叶变换类似的方法来 减少在以上计算中乘法的次数。由于在测试电压Uel中不存在偶数阶的谐波 分量(例如2fg、 4fg)，所以测试响应Ur的计算将不会受到Ud或Ueg的干扰。
在步骤S3，预先确定两个校准响应Uehg和Uehr，其中Uehg包括正弦电压 Ueg与转移函数Hg的乘积，且Uehr包括正弦电压Uer与转移函数Hr的乘积。
校准响应Uehg和U^还可包括其它确定的乘积因子。将包括其它确定的
乘积因子的Uehg和Uehr看作Uehg和Uehr的等效参数。Hg是具有基本频 率fg的信号的转移函数，其馈送到差分放大器14，通过低通滤波器15b(如果 有的话)、A/D转换器15c、数字低通滤波器15d(如果有的话)，到达傅立叶 变换单元15e。类似地，Hr是具有基本频率fr的信号的转移函数，其馈送到 差分放大器14，通过低通滤波器15b(如果有的话)、A/D转换器15c、数字低 通滤波器15d(如果有的话)，到达傅立叶变换单元15e。然后，可通过将在以
下步骤S3a详细描述的4点校准来确定校准响应Uehg和Uehr。
在步骤S4，基于电路的结构参数，建立用于测试响应Ug和Ur的函数
表达式，其中测试响应Ug包括校准响应Uehg与由电路的结构和参数所限定 的第一响应系数Cfg的乘积，且测试响应U包括校准响应Uehr与由电路的结 构和参数所限定的第二响应系数Cfr的乘积。具体地，它们可推导如下 对于基本频率fg:
1
XCkg =—
2" fgCk
其中k=l，2....6
其中k=l，2....6 -kg—'、kTZCkg，其中k=3，4,5,6 其中，对应于k^3，4,5和6的参数是已知参数,
:Ckg = JX。kg
H
4g
■C4g
■4g<formula>formula see original document page 17</formula>
运算放大器的输入与傅立叶变换的输出之间的关系为
<formula>formula see original document page 17</formula>其中A =
乙6g 乙C4g 使校准响应Uehg为
Uehg = U印 Hg
以及
u
g —.
陽7g
u
ehg
z +z H4g
l一
隱8g +々lg
A
第一响应系数Cfg是等号右边的项。为了避免在实时计算中计算H4g，可
将Uehg定义为Uehg =Ueg .Hg .H4g 。这将等效于校准响应的先前定义。
对于基本频率f;:
1
xckr =—
-Ckr
2;r ■ frCL
，其中k=l,2....6，
jXCkr，其中k4,2.…6，
Zkr=Rk+ZCkr，其中k:3，4,5,6, 其中对应于1^=3,4，5，6的参数是已知参数。<formula>formula see original document page 17</formula><formula>formula see original document page 18</formula>
与基本频率f;相关的节点4和6的电压可根据以下等式推导出:
乙8r +乙5r 乙6r
U4r = Uer
隱8r
-7r
隱C4r
-8r + 二5r二7r + ^"Clr 二4r
运算放大器的输入与傅立叶变换的输出之间的关系为:
Ur=(U4r—U6r)Hr=—Ue
一8r
8r +乙5r
H
6r
l一-
-7r +々lr
b
其中，b = c4r
-4r *~C6r
使校准响应为1^=-^*^，则
ur
-8r
u
ehr
-8r + *~5r
■H6r(l —
-7r
-7r + ^~Clr
B)
其中在等号右边的项是第二响应系数
在步骤S5，同时解开阻抗方程
LL ' 、 ^ 、
'ehg —
『_
'g
1 + -
Z
1
g乂
H
4g
ehr
ur
1+1 z8r
H
6r
^■Clg +乙8g
:clg+(i_A)z8g.
:cir + (i-B)z7r
其中，可通过傅立叶变换确定AC响应复数电压Ug和lV 由于在上述等式等号左侧的值是已知的，所以共存在4个未知参数，即
电阻Rg、 R和电容C,、 C2。可通过各种数学或计算方法推导出电阻Rg、 R
和电容Q、 C2，其中Rg和R是要测量的电阻。
将已知的两个AC响应复数电压Ug和U与两个校准响应Uehg和U^ —
起馈送到能够处理复数的计算单元16，其中基于用于第一响应系数Cfg和第 二响应系数Cfr的函数表达式，通过同时解开包括未知电阻Rg和&以及未知
18电容d和C2的方程，来确定指示电极la的内电阻Rg和参考电极lb的内电 阻Rr。
描述解过程如下
为了简单起见，使电阻为R^R4，电容为CrC6，即A4， B=l，尽管这
个假设不是必须的。此外，由于电阻Rr和电容C2对Ug的影响相对较小，所 以迭代是解开上述等式的很有效方式。
与基本频率&和f;相关的基本等式可重新排列并表示如下
<formula>formula see original document page 19</formula>
如果A和B不等于1，则上示等式将稍微更复杂，但是基本方法相同,
迭代包括以下步骤
首先，假设电阻R产0且电容CfO，得到复数阻抗4=0，贝U
<formula>formula see original document page 19</formula>其中，l是等式右边结果的实部，且;是虚部
迭代的第二步包括假设当电阻Rg己知时，复数阻抗Z7r也已知，且当复 数阻抗Zdg已知时，复数阻抗Zdr也已知
1 1
一 + 一
C2r
UehrH6
一Clr
Clr + Ar
一5r *~6r
Clr + Ar
其中，^是等式右边结果的实部，且;是虚部。
-C2r
迭代的第三步包括假设如果电阻Rr和复数阻抗ZC2g已知，则复数阻抗
Zc2g和复数阻抗Zsg也己知。根据先前计算，在等式右边的复数阻抗Zclg已
知，则
1 1
.+——
R
UehgH4g
-Clg
Clg + ,8g
—3g
Z
—8g
4g
(ZciQ +Z8g)
-ClgV^Clg
其中，等式右边结果的实部是^，且虚部是一
Clg
迭代的第四步包括根据新的电阻Rg来确定复数阻抗Z7P以及根据新的 复数阻抗Zdg来确定复数阻抗zclr。
1 1
一 + 一
C2r
UehrH6r
-Clr
Clr +乙7r
5r *~6r
-Clr + 一r
其中，等式右边结果的实部是;，且虚部是;。
凡
C2c
通常，电阻Rg、 R的计算结果足够精确，否则可继续迭代。
在步骤S3a，以下将描述通过4点校准来确定校准响应Uehg和Uehr的方
法:
在第一校准点，将电阻设置为R严O， Rg=RgQ，并测量测试响应Ug。。当 将校准点Z8g选择为Z8^0时，计算被大大简化，并且可表示为
R
1 1
■ +——
go
-Clg
UehgH4g
、ug0
一l
■3g *"4g
在第二校准点，将电阻设置为R产O， Rg=Rgl，并测量测试响应U:
R
1 1
'+——
-Clg
I I l-l
Uehgn4g i
3g
-4g
20通过彼此组合以上两个等式，推导出以下等式:
<formula>formula see original document page 21</formula>
将校准响应Uehg或其等效数(equivalent)(例如Ueh^H4g)存储在存储器中，用于以后使用。通过以这样的方式选择校准点，电阻R和电容C2将不会影响测试响应Ug，并且大大简化了校准期间的计算。
类似地，在第三校准点，电阻为Rg=0， R尸Rk)，并确定测试响应Uk)。在第四校准点，电阻为R^0， R「Rd，并确定测试响应Un。
同样，利用这些选择的校准点，测试响应U将不会受到电阻Rg的影响。在阻抗Z7「0时，进一步简化了计算，从而
UehrH6r
Rr0 Rr
ur。 u
将校准响应Uelw或其等效参数(例如Ueh,H&)存储在存储器中，用于以后使用。
也可以使用(Rg， Rr)=(Rgo， Rro)， (Rgl， Rro)， (Rgo， Rrl)， (Rgl， Rn)作为
校准点，以确定校准响应Uehg和U^。然而，所述计算相对复杂。但是，所述校准点选择落入本发明的范围内。
在以上步骤中，步骤S3仅被用于推导出包括装置设计和校准的表达式，且步骤S4仅是在推导出表达式时的步骤。为了实际测量，可跳过步骤S3和S4。
图5示出根据本发明另一实施例的用于电位测量探头的测量装置的等效电路。除了图2中所示的装置之外，其还包括电压跟随器24，该电压跟随器24—方面将其输出发送至差分放大器14，同时发送至转移函数a的A/D转换器25b，以独立计算测试响应"，另一方面还通过差分放大器14将另一信号发送至转移函数Hg的A/D转换器25a，以独立计算电极电位Ux和测试响应Ug。与图2相比，"和U^的定义和获取不同，并且电路略微更复杂，但是Rg对U的影响大大减少，并且更容易获得RX一寺别在Rg较大时)的精确测量。在图5中独立地示出了转移函数Hg和Hp但是这并不表示它们必须采用独立的滤波器和A/D元件。可经由多路切换装置将差分放大器14和电压跟随器24的输出切换至相同的A/D转换器。该A/D转换器依次执行对两个信号的变换。傅立叶变换单元依次获得Ux和Ug(来自差分放大器14的信号)以及U《来自电压跟随器24的信号)。可认为电路在较短时间段内是稳定的。在一些情况下，放大器14的两个输入端均可具有电压跟随器。在这种情况下，在负输入端处的跟随器用作跟随器24，并且将Ur和Uehr定义如下
<formula>formula see original document page 22</formula>
其中
<formula>formula see original document page 22</formula>
等号右侧给出第二响应系数。
当解开所述等式(上述步骤S5的第二步和第四步)时，R和C2各自的公
式必须相应地改变为
<formula>formula see original document page 22</formula>
其它步骤与先前实施例中的相同。因此，这里不需要进一步详细描述。
一些探头不包括溶液接地电极，但是仍可以利用装置30和40。在这种情况下，连接点8和9应当在装置连接端处短接，因此实际测量的Rg为Rg+Rr，并且测量的R为0。
图6是示出探头、连接电缆以及电位分析测量装置的另一实施例的示意性示图。使用本实施例测量电极的内电阻I^Rg+I^。探头101包括指示电极101a和参考电极101b，其中指示电极101a通过连接电缆102连接至测量装置130，而参考电极101b接地。两个电极具有串联的内电阻R，并且电极101和连接电缆102可通过图7中所示的它们的等效电路来表示。
图7示出图6的等效电路。如图7所示，探头IOI由具有电极电位Ux和电阻器R的电压源表示，电阻器R的一端接地。根据连接电缆的通常结构，连接电缆102由电容器C101表示。电容器C101连接在连接点107和108之间。其它连接电缆可具有略微不同的等效电路和连接，因此导致等式与如下所示的等式不同，但是原理和方法相同。测量装置包括电压源110、电压源阻抗103、转移函数单元115和计算
单元116。
电压源110产生测试电压Uep其包括具有基波基本频率fg的谐波Ueg。
电压源阻抗103连接在电压源110的输出端和连接电缆102(即连接点107)之间，用于将测试电压U^馈送到连接电缆中。电压源阻抗103典型地仅包括电容，并且在本实施例中，电压源阻抗103包括串联的电阻器R103和电容器C103。
典型地，在连接点107之后配置滤波单元112，以减少电磁干扰和静电电击。滤波单元112可包括与放大器114的非反相输入端连接的RC低通滤波器电路。除了电阻器/电容器元件之外，滤波器单元112还可包括电感器件，例如铁氧体。然而，由于用于测量内电阻R的测试电压的基本频率通常较低，所以在确定R时可省略电感器件。当然，本发明的方法和装置也可用于包括电感器件的机构(setup)。
转移函数单元115包括串联的放大器114的增益、低通滤波器(如果有的话)、A/D转换器、数字滤波器(如果有的话)和傅立叶变换单元。这些装置类似于图2中所示的装置，不同的是，放大器114的非反相端与连接电缆连接且其反相端与输出端连接，从而形成电压跟随器。可选地，如果放大器114是微分运算放大器类型，则其反相端接地，并且其非反相端连接至连接电缆。类似于图2，傅立叶变换单元计算电位测量探头的电位Ux和测试响应Ug。对于基本频率信号fg， Hg是转移函数单元115的总转移函数。测试响应Ug是具有基本频率fg的谐波Ueg由放大器114之前的(多个)电路元件分压并通过转移函数Hg之后的结果。
计算单元116连接至转移函数单元的傅立叶变换单元的输出端。可基于已知的测试响应Ug以及电路的已知结构和参数，通过同时解开包括未知参数(例如阻抗R和电容C101)的等式来确定电极(la)的内电阻R。
可通过2点校准建立校准响应Uehg=Ueg*Hg，从而确定电压Ueg和转移函数Hg。在测量和校准期间，转移函数Hg保持相同，或者其间的差已知。在测量和校准期间，测试电压Ud的波形和相位保持相同，或者其间的差已知。在测量和校准期间，电压Ueg保持相同，或者其间的差已知。这样，可以从测试响应Ug推导出包括未知参数、阻抗R和电容C'lOl的等式，并且通过解
23出这些等式可得到内电阻R。
参照图8，测量方法的另一实施例包括以下步骤
在步骤Sll，通过电压源阻抗将测试电压U^馈送到连接电缆，其中测试电压Uel包括具有基本频率fg的谐波Ueg。
在步骤S12，电极的电压以及从测试电压得到的AC响应通过运算放大器、A/D转换器和傅立叶变换单元。分别计算电位测量探头的电位Ux和测试响应。这里，计算与图2中所示的实施例中的计算类似，故不必详细描述。
在步骤S13，预先确定校准响应Uehg，其中校准响应Uehg包括具有基本频率fg的校准响应Ueg与转移函数Hg的乘积。校准响应Uehg还可包括其它确定的乘积因子。将包括其它确定的乘积因子的Uehg看作等效于Uehg的参数。
Hg是具有基本频率fg的信号的转移函数，其馈送至运算放大器、通过A/D转换器、并从傅立叶变换单元输出。可通过在随后步骤S13a详细描述的2
点校准来确定校准响应Uehg。
在步骤S14，基于电路的结构参数，建立测试响应Ug的函数表达式，其
中测试响应Ug包括校准响应Uehg与由电路结果和参数确定的响应系数的乘积。更详细地，其可表示为
XCkg=、乙，k=101, 103, 104
ZCkg=JXCkg， k=101， 103, 104
Zkg=Rk+ZCkg， k= 103, 104其中与k403， 104对应的参数视为已知。
<formula>formula see original document page 24</formula>
与基本频率fg相关的、节点104处的复数电压可推导为:
<formula>formula see original document page 24</formula>运算放大器的输入和傅立叶变换的输出之间的关系为:
使校准响应为:
Uehg = .Hg 。
107 g
7 +7
乙107g 么103g
与基本频率4相关的基础等式可推导为:
-107g
Uehg Z107g + Z103g
H
104g
等号右边给出响应系数。
在步骤S15，将已知的测试响应Ug和校准响应Uehg发送到计算单元。基
于响应系数的函数表达式，通过同时解开包括未知阻抗R和电容CIOI的等式来确定电极的内电阻R，其中所述函数表达式可表示为
107g
"eAg仏04g Z107g + Z崎
1
R
ClOlg
1
-ClOlg
1 1
104g
UehgH104g
■103g
-04g
;式右边的实部为各，且虚部为
ClOlg
在步骤S13a，校准响应Uehg的2点校准确定描述如下:在第一校准点，确定阻抗J^Ro和测试电压Ugo;在第二校准点，确定阻抗R-Rl和测试电压Ugl。以类似于上述步骤S3a的方式，可推导出
UehgH104g =
■103g
]___^
、-i
i乂乂
Ug。 Ugl
25将校准响应Uehg或其等效参数(例如^^//，g)存储在存储器中，用于以后使用。
在优选实施例中，将电阻器和电容器选择为
C3=100pF,C4= 100pF,C5=1 uF，C6= 100pF，Fg=6Hz,Fr= 12Hz，R3=470kQ，R4=100kQ,R5=470kQ，R6=1 OOkQ 。
以上描述的实施例仅是本发明的优选实施例。本领域的普通技术人员可基于对本发明实施例的以上描述进行各种等效的替换和修改。但是，基于本发明实施例所进行的所有这些替换和修改均落入所附权利要求书中限定的本发明的构思和范围内。
26附图标记
1， 101电位测量探头
la， 101a指示电极
lb， 101b参考电极
2， 102连接电缆
2， 2a， 2b， 102a， 102b芯线
3， 5， 103， 105电压源阻抗
4， 6， 7， 8， 107， 108连接点
10， 11， 110电压源
12， 13滤波单元
14， 114放大器
15， 115转移函数单元'
15a运算放大器
15b， 15d低通滤波器
15cA/D转换器
15e傅立叶变换单元
16， 116计算单元
30， 130测量装置
tg， tr基本频率
uel， ue2测试电压
SG溶液接地电极
Rg， Rr电极电阻器
RgO， Rgl， Rro， Rrl校准电阻
ux电极电位差
Cfg， Cfr响应系数
ug， ur测试响应
Uehg Uehr校准响应
Ci ， C2， C3， C4， C5， Cg，C7 电容器
uel， ue2 交流测试电压 ueg， UCT 正弦电压<formula>formula see original document page 0</formula>
信号转移函数. 响应电极电压 A/D输出 电阻器
权利要求
1. 一种测量、监控和分析电位测量探头(1，101)的状态的方法，所述电位测量探头(1，101)包括至少两个电极(1，1a，1b)，每个电极均具有电阻(R，Rg，Rr)，所述方法包括以下步骤经由连接电缆(2，2a，2b，102)将由电压源(10，11，110)提供的交流测试电压(Ue1，Ue2)施加至至少一个电极(1，1a，1b)；将组合信号传递至处理单元(30，130)，其中所述组合信号由所述电极(1，1a，1b)的电位电压以及与所施加的交流测试电压(Ue1，Ue2)相关的信号组成；在所述处理单元(30，130)中从所述组合信号提取与所施加的交流测试电压(Ue1，Ue2)相关的信号；根据与所施加的交流测试电压(Ue1，Ue2)相关的信号来计算所述电极(1，1a，1b)的电阻(R，Rg，Rr)；其特征在于，通过转移函数单元(15，115)在所述处理单元(30，130)中处理所述组合信号，所述转移函数单元(15，115)基本同时地从所述组合信号提取测量值(Ux)以及用于计算所述电极(1，1a，1b)的电阻(R，Rg，Rr)的测试响应(Ug，Ur)，其中所述测量值与所述至少一个电极(1，1a，1b)的电位信号对应。
2. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，在适当地减去恒定电压分量之后，所述交流测试电压(Uep Ue2)的负电压值和正电压值基本对称。
3. 根据权利要求1或2所述的测量方法，其特征在于，特别地在整个时间期间或在校准时间段期间，所述交流测试电压(Ue,， Ue2)是具有基本频率 (fg， Q的正弦形状，且优选地，特别地在整个时间期间或在对所述至少一个 电极(l， la， lb)施加交流测试电压(UeP Ue2)的测试时间段期间，所述交流 测试电压(Ud， Ue2)包括至少一个其它正弦形状的、与所述基本频率(fg， Q 对应的谐波信号分量。
4. 根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，施加至少两个交流 测试电压(U^， Ue2)，每个交流测试电压均包括与所述基本频率(fg， Q对应的至少一个信号分量的组，并且所述交流测试电压(Uep Ue2)的组是分离的。
5. 根据权利要求3或4所述的测量方法，其特征在于，施加两个交流测试电压(U屮Ue2)，所述两个交流测试电压(UeP Ue2)根据表达式f^n^fr或fH^fg在所述基本频率(fg， Q的比(m)方面不同，其中fg是第一基本频率，&是第二基本频率，且m是大于或等于2的偶数。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的测量方法，其特征在于，所述测量探头(l， 101)包括两个电极(la和lb)，其中第一交流测试电压(UeO施加至第一电极(la)，第二交流测试电压(Ue2)施加至第二电极(lb)。
7. 根据权利要求1至6中任一项所述的测量方法，其特征在于，优选地通过基于快速傅立叶变换(FFT)算法计算傅立叶变换的至少一个频率分量，从而在所述转移函数单元(15， 115)中处理所述组合信号，并且提取与所述基本频率和/或与所述交流测试电压(U^， Ue2)的至少一个频率分量对应的测试响应(Ug， Ur)。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的测量方法，其特征在于，通过模数转换处理所述组合信号，并且所述组合信号在适当时经过数字低通滤波之后，被传递至傅立叶变换单元(15e)或计算单元(16， 116)。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的测量方法，其特征在于，所述组合信号通过一个或多个放大器(15a)预处理和/或放大和/或转换，并且优选地经由低通滤波器(15b)被传递至A/D转换器(15c)的输入端、或傅立叶变换单元(15e)、或计算单元(15， 116)。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的测量方法，其特征在于，所述方法包括校准处理，所述校准处理用于特别地通过施加交流正弦电压(Ueg，Ue》至所述至少一个电极(1， la， lb)来确定至少一个校准响应(Uehg， Uehr)。
11. 根据权利要求io所述的测量方法，其特征在于，在校准处理期间，通过用校准电阻(Rg。， Rgl， Rk)， Rn)代替所述至少一个电极(l， la， lb)的电阻(R， Rg， Rr)来确定所述至少一个校准响应(Uehg， Ueh》。
12. 根据权利要求11所述的测量方法，其特征在于，通过选择一对校准电阻(Rg， R》的4种不同设置所执行的4点校准处理，或通过选择用于第一电极(la)的2个不同校准电阻(Rgo， Rg0的2点校准处理，来确定所述校准响应(Uehg， Uehr)，其中所述一对校准电阻的第一个值表示第一 电极(la)的电阻，第二个值表示第二电极(lb)的电阻。
13. 根据权利要求12所述的测量方法，其特征在于，对于所述4点校准处理，4个校准点选择为(Rg0， 0)， (Rgl， 0)， (0， Rro)和(O， Rrl)，其中Rgo与Rg"以及Rri)与Rd是不同的校准电阻。
14. 根据权利要求10至13中任一项所述的测量方法，其特征在于，在所述校准处理期间，根据包括所述测量装置的至少一个阻抗的阻抗等式来计算至少一个响应系数(Cfg， Cfr)。 '
15. 根据权利要求1至14中任一项所述的测量方法，其特征在于，通过解开阻抗等式来确定所述电极(l， la， lb)的电阻(R， Rg， R》，其中所述阻抗等式与所述测量装置对应，且使得所述测量响应(Ug， U》与所述至少一个电极(l， la， lb)的电阻(R， Rg， Rr)相关。
16. 根据权利要求15所述的测量方法，其特征在于，同时解开用于第一测试响应(Ug)的第一阻抗等式以及用于第二测试响应(U》的第二阻抗等式，以确定第 一 电阻(Rg)和第二电阻(R》。
17. 根据权利要求14至16中任一项所述的测量方法，其特征在于，所述测量装置的阻抗等式包括所述电极(l， la， lb)的阻抗、和/或所述连接电缆(2a， 2b)的阻抗、和/或所述处理单元(30， 130)的阻抗、和/或所述电压源(10，11， 110)的隔直/限流阻抗(3， 5)、和/或滤波单元(4， 5)的阻抗，该滤波单元(4， 5)对所述处理单元(30， 130)的输入端接收的组合信号进行过滤。
18. 根据权利要求14至17中任一项所述的测量方法，其特征在于，通过包括优选为在先确定的至少一个中间值来解开所述阻抗等式，其中所述中间值特别地通过至少一个校准响应(Uehg， Ueh》和/或通过至少一个响应系数(Cfg， Cfr)给出。
19. 一种电位测量探头(l， IOI)的测量装置，所述电位测量探头(l， 101)具有至少两个电极(l， la， lb)，每个电极具有电阻(R， Rg， Rr)，并且至少一个电极(l， la， lb)—方面经由连接电缆(2， 2a， 2b， 102)连接至提供交流测试电压(Ud， Ue2)的电压源(10， 11， 110)，另一方面连接至处理单元(30， 130)的输入端，所述处理单元(30， 130)接收组合信号，并从所述组合信号提取与由所施加的交流测试电压(UeP Ue2)得到的信号对应的信号，所述组合信号由所述至少一个电极(l， la， lb)的电位电压以及与所施加的交流测试电压(Uei，Ue2)相关的信号组成，其特征在于，所述处理单元(30， 130)包括转移函数单元(15， 115)，所述转移函数单元(15， 115)基本同时地从所述组合信号提取测量值(U》和测试响应(Ug， U)，其中所述测量值(Ux)与所述至少一个电极(l，la， lb)的电位信号对应且在第一输出端提供，且所述测试响应(Ug， U)经由第二输出端提供至计算单元。
20. 根据权利要求19所述的测量装置，其特征在于，所述转移函数单元(15， 115)具体化为傅立叶变换单元(15e)，所述傅立叶变换单元(15e)优选地基于快速傅立叶变换(FFT)算法，并且特别地所述傅立叶变换单元(15e)提取与所述交流测试电压(UeP Ue2)的至少一个基本频率分量对应的测试响应(Ug， Ur)。
21. 根据权利要求19或2 0所述的测量装置，其特征在于，所述转移函数单元(15， 115)包括A/D转换器(15c)，所述A/D转换器(15c)接收所述组合信号，并且所述A/D转换器(15c)的输出端在适当时经由数字低通滤波器(15d)连接至傅立叶变换单元(15e)的输入端或计算单元(15， 116)。
22. 根据权利要求19至21中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述转移函数单元(15， 115)包括一个或多个运算放大器(15a)，所述运算放大器(15a)接收所述组合信号，并且所述运算放大器(15a)的输出端优选地经由低通滤波器(15b)连接至A/D转换器(15c)的输入端、或傅立叶变换单元(15e)、或计算单元(15， 116)。
23. 根据权利要求19至22中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述至少一个电极(l， la， lb)经由连接电缆(2a， 2b)和经由放大器(14)连接至所述转移函数单元(15， 115)。
24. 根据权利要求19至23中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括与所述放大器(14)的第一输入端连接的第一电极(la)以及与所述放大器(14)的第二输入端连接的第二电极(lb)，所述放大器(14)的输出端提供与第一电极(la)的组合信号和第二电极(lb)的组合信号的差对应的组合信号。
25. 根据权利要求19至24中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述电压源(IO， 11)包括隔直和/或限流阻抗(3， 5)，所述电压源(IO， ll)具体地包括电容器(C3， C5)和/或电阻器(R3， R5)，并且所述至少一个电极(l， la，lb)经由所述隔直禾P/或限流阻抗(3， 5)连接至所述电压源(10， 11)。
26. 根据权利要求19至25中任一项所述的测量装置，其特征在于，所述电极(l， la， lb)经由滤波单元(12， 13)连接至所述转移函数单元(15， 115)或放大器(14)，所述滤波单元(12， 13)具体地为包括电容器(C4， C5)和电阻器(R4， R5)的RC低通滤波器电路。
全文摘要
本发明公开一种测量电位测量探头的方法和装置，所述方法包括通过电压源阻抗分别向连接电缆的两根芯线中馈送两个测试电压，所述测试电压包括具有基本频率f_g的谐波U_eg和具有基本频率f_r的谐波U_er；将指示电极和参考电极之间的电压以及从两个测试电压得到的AC响应信号传递至放大器，并进一步传递至具有转移函数(H_g，H_r)、A/D转换器、傅立叶变换单元的转移函数单元，以分别计算电位Ux以及两个测试响应U_g和U_r；确定两个校准响应U_ehg和U_ehr，其中U_ehg包括U_eg和H_g的乘积，其中U_ehr包括U_er和H_r的乘积；建立用于测试响应U_g和U_r的函数表达式，通过同时解开包括未知阻抗R_g、R_r和电容C₁、C₂的等式确定内电阻R_g和R_r。即使连接电缆相对较长也能对电极的内电阻的精确测量。
文档编号G01N27/36GK101467031SQ200780022076
公开日2009年6月24日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年8月30日
发明者王长林 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司