专利名称：用于监控和/或确定测量探测器状况的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于监控和/或用于确定电化学测量探测器状况的测量方法和测量设备，所述电化学测量探测器例如为离子敏感测量探测器，具
体而言，PH测量探测器、氧测量探测器或者C02测量探测器。
背景技术：
工业处理(例如，在化学和制药工业中、在纺织工业中、在食品和饮料工业中、在纸和纤维素的处理中或者在水处理和废水处理领域中)的监控和控制基于通过适当的测量探测器所确定的过程变量的测量。
根据对比文件[l]] "Process Measurement Solutions Catalog, 2005/06"(瑞士乌尔多夫CH-8902，梅特勒-托利多公开股份有限公司；第8页和第9页)，完整的测量系统由外罩、测量探测器、线缆和测量转换器(还称为发射器)组成。通过外罩，测量探测器开始与待测量或监控的工艺材料接触，例如通过将探测器浸入工艺材料中并保持在那里。测量探测器用于测量工艺材料的具体特性。测量信号通过线缆发送到发射器，发射器与工艺控制系统进行通信并把测量信号转换成可读数据。根据待测量的工艺材料特性来选择测量探测器。
对比文i牛[2] "Process-Analytical Systems Solutions for the Brewery"(瑞士乌尔多夫镇CH-8902,梅特勒-托利多公开股份有限公司的公司出版物；文章No. 52900309，印刷日期2003年9月)描述了如何将适当的测量探测器用在例如酿酒厂的工艺链的各个阶段中(即，在水处理阶段；酿造室；发酵和存储窖；过滤、碳化和灌注阶段；以及废水处理阶段中)，以确定电导性、溶解氧的量、PH值和工艺液体的C02值。
为了工艺的无问题控制，测量探测器状况是非常重要的。错误的测量能够导致产品缺陷并造成经济方面的损失。
典型地，诸如PH测量探测器或氧测量探测器的电化学测量探测器受到依赖于负载的磨损过程的影响，其中，该磨损过程是探测器的功能性原理的内在性质，并且通常导致测量探测器的测量特征的连续变化。
这样的变化要求按照或多或少的定期时间间隔，以运行维护的形式采取适当动作。这可能需要例如对测量探测器的清理、替换、校准，或者对测量值的误差补偿、具体评估或者修正。
现有技术提供了多种诊断程序以确定测量探测器的磨损状况。例如，
在JP57199950[7]中描述了一种方法，在该方法中，将测量探测器浸入在规定浓度的所谓的校准液体中。接着，把电极连接到充电电容器，并确定电容器的放电速度。当影响电极的电荷总具有相同的极性时，发生单极电荷流入。该诊断程序还被称为离线方法，它的缺点在于为了使测量探测器与校准液体接触，需要在持久的时期内中断主要测量功能(即，工艺材料的离子浓度的确定)。
根据DE 10209318[6]，在PH测量探测器的情况下，优选参数可以是零点、斜率以及电极的阻抗或建立时间，其中，通过优选参数能够可靠地确定测量电极的磨损状况。然而，与这些参数有关的测量方法的缺点在于它们仅可以在处理间断期间执行，即， 一般在处理系统的校准期间。
具体而言，在使用大量测量探测器的工业处理系统中，这些离线诊断程序产生了昂贵的运行维护费用，并且尤其是，对维护间隔的规划需要很多的后勤努力。结果，对于所谓的在线诊断方法的需求增长起来，这种在线诊断方法可以在不中断所要监控的处理的情况下，确定和/或监控测量探测器状况。尤其是，会避免将测量探测器从处理系统中卸载和把测量探测器从工艺材料中取出的步骤。
现有技术提供了基于电阻测量原理的诊断方法，并且其可以在不中断处理的情况下，使测量探测器的损坏和故障可通过连续监控来确定。
在根据US 4,189，367[3]的示例中，为了对玻璃膜损坏进行检测，通过连续的电阻测量来监控用在PH测量中的玻璃电极。在这样的情况下，通过
控制开关设备经由电极来发送第一测量电流并测量所产生的电压的变化。如果电极电压的变化不匹配期望值，那么这表示是缺陷电极。测量之后，通过电极来发送与第一检测电流方向相反但量值和持续时间相等的第二检测电流。利用该第二检测电流，基本会消除第一检测电流对于电极的影响。因此，产生了双极激励，其使测量探测器回到用于测量工艺材料离子浓度的工作状况。
这种在线诊断方法的缺点在于，其需要使用具有非常高的绝缘电阻的
昂贵的开关设备。如WO 92/21962[4]或US 4,468，609[8]中所示，也可以通过由耦合电容器引入的方形电压脉冲来产生相反方向的检测电流。根据对比文件[5] "Halbleiter-schaltungstechnik"(半导体电路设计)(2002年由柏林的斯普林格(Springer Verlag)出版社出版，第12版1538页；由U. Tietze、Ch. Schenk所著)，其中，测量探测器和耦合电容器用作耦合RC部件，从而引起方形波信号的微分。
利用矩形电压脉冲的微分，第一脉冲边沿转换成第一检测电流，并且第二脉冲边沿转换成沿与第一检测电流流动方向相反的第二检测电流。因此，电极同样地受双极信号的影响。
现有技术的在线诊断方法适于连续测量，因而适于连续监控，并适于对例如由离子敏感膜的破损、横膈膜的污染、导体线中的电路中断或者短路电路所引起的电极的损伤和故障的检测。然而，它们仅可以进行一般情况的并不令人满意的诊断，具体地是测量探测器的磨损的电流状况。
发明内容
因而，本发明的目的在于提供一种用于监控和/或确定电化学测量探测器状况的改进方法和改进设备，具体地说，测量探测器指PH测量探测器、氧测量探测器或co2测量探测器，其中，测量探测器具有至少一个电极，并且其中，可以在测量探测器的工作期间确定与工艺材料的离子浓度有关
、该目的由分别具有独立权利要求中所陈述特征的方法和设备来实现。本发明的有益实施例在其他的权利要求中提出。
在根据本发明阐述的用于监控和/或确定电化学测量探测器状况的方法下，尤其是PH测量探测器、氧测量探测器或C02测量探测器，根据这些电化学测量探测器可以确定工艺材料的示例浓度，将至少一个验证阶段设置成发生在工作(在线)期间。该验证阶段包括充电阶段，检测阶段紧接在充电阶段之后。在充电阶段期间，通过控制器单元控制下的电荷转移对
8分配给电极的电荷存储设备充电，具体地是对电容器充电，或者将已经充电的电荷存储设备切换到电极的电路中；在检测阶段开始时，通过第一开关设备，将电荷存储设备与电荷源断开，或者，如果可以应用，将电荷存储设备与电源电压断开，并且在检测阶段期间，至少对由充电所产生的电极电压测量一次，其中，将获得的一个或更多测量值与至少一个参考值比较。当通过将电荷存储设备与电荷源断开来将电荷源隔离时，在相反方向流动的第二检测电流被阻止。因此，电极实质上接收单极信号。这使得可以在测量探测器的工作期间(即，不中断处理的情况下)获得关于测量探测器状况的重要附加信息，例如，关于离子迁移率的信息。
优选地，电极通过最短可能长度的信号连接连接到信号处理单元，以避免测量信号因为电容千扰和/或衰减而失真。因此，根据本发明的测量方法还可以有益地应用在大的工业处理工厂中。
将开关元件设置在电荷源和电荷存储设备之间的优点还在于没有直连到信号连接的开关元件。从而，可以避免开关元件产生的干扰。此外，还可以利用有益的开关元件，例如低泄露电流、高开关速度且不易损坏的半导体，例如MOSFET元件。
本发明基于对在测量探测器的工作期间在测量探测器的离子敏感边沿表面的外围带中连续地形成惰性氢-氧组合的观测。因而，对于进一步地测量，这些氢-氧组合不再作为电荷载流子。因此，可自由利用的氢-氧组合随着操作时间的流逝而减少，而同时剩余的自由的氢-氧组合的迁移率增加的程度也会越来越小。因此，电荷载流子的迁移率是用于监控和/或确定电化学测量探测器状况的主要参数。
根据本发明，通过经由电极放电的电荷存储设备的放电特征来确定电极的电荷载流子的迁移率。如上所述，这种放电的速度直接地与自由电荷载流子的迁移率有关。
因此，通过测量电极的放电速度能够可靠地确定电化学测量探测器状况，特别是磨损的情况。
根据本发明的方法和设备不仅对测量探测器的电流状况归纳结论，还对测量探测器的未来性能做出更精确的预测，这使得对寿命期望的估测提高或者有利于对维护周期的规划。另一优点在于，通过确定电荷载流子迁移率，还可以获取测量探测器的动态表现。因此，不但斜率和敏感度取决于电荷载流子的迁移率，测量探测器的建立时间或响应时间也取决于电荷载流子的迁移率。
该方法还尤其适于使用了较长工作时间周期的测量探测器，因为在这种情况下关于不间断工作的要求特别高。利用根据本发明的方法，对测量探测器状况确定的改进和进一步对特征测量量的获取可以识别和控制测量探测器的仅发生缓慢和/或细微变化的处理参数。
优选地，在检测阶段，电极电压经由信号线发送到信号处理单元并被测量至少一次。在这种情况下，术语"信号线"涉及所有可能形式的导电连接，例如，铜线、导线、电路板或集成电路上的连接。
为了进一步的处理，例如，将测量结果发送到信号处理单元，直接处理，或者置入到中间存储器中。还可以在较晚时刻对它们做进一步处理，即，在测量探测器的正常工作期间或者在后续的检测阶段中。还可能之后在例如信号估测单元、发射器或主计算机中对这些结果做进一步处理和/或分析。最后，可以通过信号估测单元或主计算机中的统计分析来确定一系列的多个测量探测器的长期性能。
在根据本发明的方法下，优选地，电荷存储设备与电极固定地连接，或者仅在验证阶段的持续时间期间连接到电极。利用这种可切换的连接，可以对电荷存储设备与测量阶段并行地充电，从而可以使测量阶段的中断最小化。此外， 一方面出于电荷转移的目的，电荷存储设备可以连接到电
荷源，或者可以连接到电源电压(如果可以应用)；另一方面连接到电极以用于验证阶段。因此，可以控制和/或定时电荷转移。因而，例如，可以防止(特别是在检测阶段中)电荷电流通过电荷存储设备的流动。
在根据本发明的方法和设备的另一可能的发展中，将用于对工艺材料的离子浓度进行测量的至少一个测量阶段设置成出现在测量探测器的工作期间。该测量阶段在验证阶段期间中断。从而测量阶段和验证阶段彼此分隔开，这样避免了测量阶段和验证阶段彼此间互相影响的问题。
在另一优选的实施例中，在检测阶段和/或在测量阶段期间，对在远离电极一侧的电荷存储设备的连接器端子进行电隔离。因此，电荷存储设备的这种连接器端子(具体地是电容器的这种连接器端子)是自由的，比方说终止在空气中，或者如果完全连接到电荷源，那么仅通过开关元件的高
断开电阻(open-switchresistance)。这样防止电荷源影响检测阶段和/或测量阶段期间的测量。
有利地，在检测阶段期间对电极电压进行充足次数的测量来确定检测阶段期间的电极电压的时间曲线的特征参数。通过这些重复检测，可以计算更多的复杂参数，并还可以提高估测结果的精确性。
在本方法的另一发展的变型中，通过第二开关设备，优选地通过接地连接来去除电荷存储设备的电荷。这保证电荷存储设备可能剩余的电荷不会在测量探测器的后续工作期间影响对离子浓度的进一步测量。此外，验证阶段可以较快地终止，并且可以立即恢复正常的测量阶段。优选地，这样的电荷消除在验证阶段结束之前终止。在检测阶段期间电荷被充分耗尽的情况下，可以略去对剩余电荷的主动去除。
在本方法的优选变型中，优选地在验证阶段之外(即，通常在测量阶段期间)，通过第三开关设备将诸如双极脉冲的附加测量信号导向电荷存储设备。以这种方式，根据本发明的方法可以与通过电阻测量进行误差检测的现有技术方法进行合并。可以使用根据本发明的电荷存储设备或者还可以使用专用于该目的的其它耦合电容器作为耦合器元件。
在根据本发明的方法中，以选择性预定的时间间隔来重复验证阶段，具体地以分钟、小时或天的间隔。因此，测量阶段仅受到验证阶段很少的影响，并且将电极上来自附加电荷的负载保持相对较小。
在本发明的实施例中，电荷存储设备可以包含在测量探测器中，或者可以设置成外部电荷存储设备。在任一设置中，电荷存储设备与信号源和电极的内电阻并行设置。
在本发明的另一实施例中，电荷存储设备还可以仅在验证阶段通过开关元件切换到电路中。在这种设置中，电荷流动电流更易受电阻器限制。根据这种概念，电荷存储设备可以在测量探测器的工作期间或在测量阶段期间完全地断开。
在这种结构下，电荷源还可以表现出电荷存储设备的功能，成为特别有成本效益的方案。此外，可通过适当的换向开关的形式来组合诸如第一和第三开关元件的不同开关元件。作为优选方案，可以通过信号处理单元的信号线来发送所测量的电压，以用于进一步处理。这种处理可以由传递信号组成，或者可以包括诸如阻抗转换、放大和/或存储的多个处理步骤。此外，可以具有包含在信号处理单元中的其它信号处理元件，例如比较器元件、多路复用器单元、处理器单元或者计算器单元。
通过用于模拟/数字转换的元件，能够有利地执行对测量信号的过程处理。该元件也可以包含在测量探测器的信号处理单元或者估测设备中。通过数字化测量值，可以使它们隶属于数字过程处理，该过程处理允许执行相对复杂的操作并提供用于将数据存储在测量探测器的信号处理单元、估测设备或外部存储器中的简单方式。
在本方法的另一变型中，例如在测量探测器的信号处理单元或信号估测设备中，可以将测量结果与电极电压的期望值进行比较。
能够通过实验和/或数学方法来确定电极电压的期望值。出于这样的目的，还可以使用对于未涉及的测量电极(即，其它电极或辅助电极)的比较测量。另外可能地是，电极电压的期望值也可以基于出现在诸如国家或国际规范标准的规章文献中的最大值、阈值和极限值。另外，期望值也可以由测量探测器或电极的制造者来设置。
电极电压的测量值和期望值之间的比较能够通过诸如比较器电路或计算单元的比较器设备来执行。上下文中的术语"计算单元"是指包括诸如模拟电路、数字电路、集成电路、处理器、计算机等的所有种类的信号处理元件。优选地，该比较器设备可以通过信号处理单元来实现，或者实现在估测单元中的信号估测单元中。
发射器或估测单元能够包括诸如通信单元、信号估测单元和/或存储单元的各种器件。优选地，这些单元通过直连来进行双向通信，并交换指令、程序以及测量值和结果。
在本发明的优选实施例中，由通信单元来协调测量探测器和估测设备的所有活动。此外，通信单元可以与主计算机进行双向通信，并传输指令、程序、操作数据、测量值和/或估测结果。
优选实施例还提供了将诸如电极电压的期望值、阈值、控制参数、特
征数字和程序的操作数据存储在发射器TR的存储单元中的非易失性存储
12器的功能。例如，可以将这些数据从主计算机发送到通信单元并写入到存储器单元中。如果需要，接着可以通过信号估测单元读取数据。
最后，还可按照将诸如信号估测单元、存储单元和/或通信单元以及估测设备或具有前述功能的发射器之类的那些单元包含在每个测量探测器中的方式，来配置测量探测器。
根据本发明的设备，其用于监控和/或确定电化学测量探测器状况，尤
其是PH测量探测器、氧测量探测器或C02测量探测器，所述电化学测量探测器具有至少一个电极和信号处理单元，其中，在测量探测器的工作期间，可以确定与工艺材料的离子浓度有关的处理量；其具有以下区别特征测量探测器包括与电极相关联且可通过可控制的电荷转移得以充电的电荷存储设备；测量探测器还包括用于产生验证阶段的控制器单元，其中，验证阶段包括充电阶段，检测阶段紧接在该充电阶段之后；并且测量探测器还包括信号线，其用于将在检测阶段期间测量了至少一次的电极电压值传输给信号处理单元。
根据本发明的方法还适于在无需将测量探测器从系统中移除的条件下，对包含在通过使用现有技术的CIP或SIP处理过程(适当地清理、适当地消毒)不时地被清理的处理系统中的测量探测器状况进行确定。把在这样的清理过程期间所确定的测量值考虑到测量探测器状况的整个评估中是有益的。
通过对图示中示意和简要的代表图所示出实施例的描述，根据本发明的方法和设备的细节将变得显而易见，其中
图1示出了用于通过电化学探测器la、lb和lc在溶液6中测量离子浓
度的系统的主要结构；
图2示意性地示出了浸入在工艺材料6中并连接到评测设备3的电化学测量探测器l;
图3表示具有电极EL、电荷源Q1、电荷存储设备Q2和控制器单元CU以及开关元件Sl、 S2和S3的测量探测器1的方框图4表示具有并入在测量探测器1中的电荷存储设备Q2的，本发明的另一可能实施例的方框图5表示具有通过换向开关S4切换到测量探测器电路的电荷存储设备Q2的，本发明的另一可能实施例的方框图6示意性示出了电荷存储设备的电荷流动电流的时间曲线，以及与此对应的，与所生成的电极电压和对定时测量的可能选择相关的两个时间曲线。
具体实施例方式
图1示出了具有由填充有工艺材料6的巴氏杀菌保温桶81所组成的容器8的处理系统，其可以通过连接管82连接到下一个处理阶段的系统单元。工艺材料6的特性由通过信号传输设备2连接到估测设备3a或3b的测量探测器la、 lb和lc来测量。在其它功能中用作测量转换器的估测设备3a、3b经由段耦合器30连接到主计算机300.
在图2中，示意性地示出了诸如PH测量探测器的电化学测量探测器的主要设计结构，其中，在单杆测量链结构中，包括玻璃电极16、参考电极15以及辅助电极18。在测量探测器1中，将具有导体线元件16的玻璃电极和具有参考导线元件15的参考电极组配到一个单元中。在内管11和连接该内管的薄壁玻璃半球或玻璃膜111中的第一腔内，导体线元件16浸入在具有限定PH值的溶液中，具体地是在内缓冲区14中，其中，内缓冲区建立了在玻璃膜111的内部和导体线元件16之间建立了导电连接。在外管12内，参考导线元件15浸入在电解液中，具体地是在外缓冲区13中，外缓冲区可以经由多孔分隔壁或横膈膜121与测量材料6进行电荷交换。
对信号源(参见图3，信号源SQ1)的电势进行测量，然后利用信号处理单元OP (优选地是运算放大器)对这些电势进行进一步处理，其中，在测量期间，信号源的电势在导体线元件16、参考导线元件15和/或辅助电极18处升高。在内缓冲区空间中，设置温度测量感测器17，其提供了自动补偿温度效果和记录温度周期的可能。将在以下进一步详细描述的信号处理单元OP包含在测量探测器1的头部中，并经由信号导线2连接到估测设备3。
图3示出了具有测量探测器1的有利实施例中的图2的测量设备，测量探测器1包括至少一个电极EL (例如，玻璃电极和参考电极)。测量探测器1 一侵入在工艺材料6中，电极EL上就产生电压UE。工艺材料6和电极EL—起形成电压源SQ1，图中电压源的内电阻以电极电阻RE来表示。例如，玻璃电极的玻璃膜表现出非常高的电阻，而参考电极的过渡电阻为相对低的电阻值。
电压UE经由信号线19发送到信号处理单元OP以用于处理。接着，尚未处理、已部分处理或已完全处理的信号通过连接导线2b传输到信号估测单元PROC。信号估测单元PROC包含在估测设备3或发射器3中，并且可以通过内连接与存储器单元MEM和通信单元COM进行通信。之后，可以传递所处理和/或估测的测量结果，以用于例如处理系统的控制和监控。
估测单元3或发射器TR包括多个器件，例如通信单元COM、信号估测单元PROC和/或存储器单元MEM，这些多个器件彼此间可以双向连接，因而能够交换数据、指令或程序。
通信单元COM协调测量探测器1和估测设备3的所有活动，并建立与主计算机300的通信。指令通过连接2a从通信单元COM传输到测量探测器1中的控制器单元CU。通信单元COM还可以向信号估测单元PROC发布指令，从信号估测单元PROC接收数据，或者也可以把数据和程序存储在存储器单元MEM中。
控制器单元CU用作对开关元件Sl、 S2和S3的控制器元件，其通过控制输出终端CL1、 CL2和CL3发送控制信号，从而触发各个开关元件中的响应，其中，控制器单元CU也可以包含在信号处理单元OP中。开关元件可以配置成机械或电元件，或者配置为诸如晶体管的半导体元件。然而，也可以利用控制器单元CU来直接执行开关操作。
在测量工艺数量的测量阶段的持续时间内，开关元件Sl和S2都处于打开状况。因而在测量阶段期间，这些开关元件和电荷存储设备对工作状况和对电极的测量结果不具有影响。
通过开关元件S3，可以在测量阶段和验证阶段期间传递诸如双极脉冲的其它测量信号。这些信号可以经由信号源SQ2来产生，并通过电荷存储设备Q2或者也通过单独的电容器耦合到电路中。因此，在开关元件S3闭合之后，现有技术中己知的电阻测量方法对于功能性故障的检测是有效的。在验证阶段开始时，开关元件Sl闭合，而开关元件S2保持在打开位 置，以使电荷源Q1连接到电荷存储设备Q2。之后，通过经由电荷流动电 流IQ的电荷转移，对电荷存储设备Q2充电。
电荷转移可以在充电阶段结束时通过打开开关元件S1而中断。之后， 电荷存储设备Q2直接地连接到电极EL，同时不受电荷源Q1的影响。
紧接检测阶段之后，可以通过在适当的时期内闭合开关S2，来消除电 荷存储设备Q2的剩余电荷。优选地，这将使电荷存储设备Q2的电荷减少 到地电势。
优选地，可以利用上述信号处理单元OP对所施加电荷对电极EL的影 响和由此而自身建立的电极电压ue进行测量、处理和传递。然而，还可能 切换到专门为了根据本发明的方法而提供的另一信号处理单元(附图中未 示出)。
用于电荷源Ql的以及可能用于其它电路器件的电源电压可以从工作 电压UB中来获取，或者从连接导线2中寄生地产生，并可以被适当地调整。
图4示出了根据本发明的设备的又一实施例，除了将电荷存储设备Q2 设置成电极EL内的内部元件或者该电极外的外部元件，并将其与信号源 SQ1和电极的内电阻RE并联的情况之外，该实施例与图3的实施例类似。 此外，将电阻器Rg置入在电荷存储设备Ql和电极EL之间的连接中来作 为用于限制电荷流动电流lQ的装置。然而，电阻器的值也可以为零。
现在，在充电阶段电荷流动电流Iq通过电阻器Rq流到电极EL和电荷 存储设备Q2，同时依然可以在信号线19上测量电极电压ue。电荷存储设 备Q2可以按照物理分立单元的形式来组成，或者还可以作为电极EL的内 部电容，例如，作为导体线元件16的或者参考导线元件15的电容。
图5表示根据本发明的设备的另一实施例，除了电荷存储设备Q2可以 切换到电极电路中的情况之外，该实施例与图3的实施例类似。如图4,将 电阻器Rq包含在电荷存储设备Q2和电极EL之间的连接中来作为限制电 荷流动电流I(j的装置，其中，电阻器Rq值也可为零。
在该实施例中，利用由控制器单元CU的控制输出终端C14所控制的换 向开关S4来实现切换。因此，开关S4为电荷电压、信号源SQ2的测量信 号或者接地的连接提供选择性通路。然而，还可以通过单个开关元件来实
16现该功能，例如，这可以在验证阶段连接信号源SQ2的测量信号。在该示 例中，电荷存储设备Q2直接地通过工作电压UB得以充电。
图6示出了典型的验证阶段Tp期间的信号的时间曲线。上面的图IQ(t)
示出了在充电阶段tl、检测阶段tt和放电期间的电荷流动电流Iq的时间曲
线。下面的图Ue(1)表示所生成电极电压UE的时间曲线。
根据应用，在工作期间或者在测量探测器1的测量阶段期间存在的电 极电势(即，通过电阻RE的信号源SQ1的电势)可以呈现出负值、正值或 者零值。为了简化这种情况，图6表示具有零电势的电极EL的电极电压 UE。
在验证阶段Tp之前(g卩，通常在测量探测器1的工作期间)， 一般测量
当前存在的电极电压UE。
通过闭合开关元件S1，电荷源Q1连接到电荷存储设备Q2，其中，设 置验证阶段Tp和充电阶段TL开始动。通过该连接来移动电荷，使电荷存储 设备Q2中的电荷增加，电荷流动电流Iq减少，并使电极电压UE相应地增 加。信号的图形必然遵从公知的指数形状。
在充电阶段TL结束时，通过打开开关元件S1来中断电荷转移。
在充电阶段之后(即，在检测阶段TT期间)，在tp t2直至l」tn，可以对 电极电压UE进行一个或更多测量。
示出了在测量探测器l的两种可能状况下电极UE的时间曲线。如示例
所示，缓慢下降的曲线图(实线)对应待淘汰的测量探测器l，而快速下降 的曲线图(虚线)对应新的测量探测器l。
此外，对应于单个测量，以十字条的形式示出可能的阈值。根据这些 值，容易确定该示例中的测量探测器l的磨损情况。
在本发明的可能实施例中，可以通过闭合第二开关元件S2来结束检测 阶段Tj。优选地，可以在验证阶段Tp结束之前终止电荷的消除。相应的放 电电荷lQ和电极电压UE的图形在验证阶段Tp的最后部分中示出。
在验证阶段Tp结束之后，可以恢复测量探测器l的正常运行或者测量 探测器的测量阶段，优选地，通过添加诸如双极脉冲的其它测量信号，以 便对测量探测器1的功能进行监控。
测量阶段的持续时间通常是一个小时，而验证阶段消耗大约5秒。在验证阶段期间，将测量阶段的前一个测量值罗列或显示在指示器上。
紧随双极脉冲之后，还可以立即产生单极脉冲，中间可能有一个小的 时间偏移量。还可以设想，形成第一信号脉冲和与已知的双极脉冲类似的 相反的第二信号脉冲的开端部分，并让第二信号脉冲的末端部分按照单极 脉冲结束。
现在，根据本发明的方法为测量探测器状况的精确确定提供了各种可 能性。将在验证阶段期间所确定的测量值在估测设备中与至少一个阈值或 特征图形曲线图进行比较，其中，测量值可以由电荷存储设备的部分或所 有的时间曲线所组成。如附图中所示，估测单元由位于发射器3中的信号
估测单元PROC或者位于测量探测器中的信号处理器组成。
在估测单元中存储为参考数据的阈值或放电图可以表示测量探测器的 可能状况，例如，对减少的电荷载流子迁移率的数量测量、响应时间的值、 斜率的值、诸如玻璃破裂的玻璃膜的缺陷状况或者测量探测器1的污染。
通过比较所测量放电曲线或者较靠后的一个或多个点，从而可以确定 用于表现探测器状况的一个或更多特性或者特性的组合。
从这些数据的分析中，还可以确定针对剩余工作寿命的相应值，或者 发出需要维护服务的信号。
在方法的优选形式中，至少记录并估测在第一和第二验证阶段发现的 状况。例如，可以在两个或更多验证阶段内确定并记录诸如响应时间、零 点和斜率的典型的校准参数。还可以记录测量探测器的其它特性(例如， 电极的电阻)。因此，获得测量探测器的特性的时间曲线记录，其还具有重 要的信息内容。例如，确定和估测这些图的斜率。例如，各个验证阶段的 测量探测器的特性一直处于可接受的范围内也是可能的。根据探测器动作 中的快速变化，优选地通过进行推断，因而可以确定何时不得不预测故障 或不可接受的测量性能。
当估测测量探测器特性的记录时间曲线时，优选地，应该考虑诸如温 度和PH值的测量探测器的影响因数，从而可以确定变化是否源于与处理有 关的因数或者源于测量探测器1内未期望的变化或问题。
具体而言，利用所测量的检测结果来对修正因数或延迟因数进行调整 是有利的，其中，修正因数或延迟因数是在测量阶段期间为处理测量信号而使用的。如果发现斜率小于之前所使用的值，那么将可表示例如工艺材
料PH值的测量信号乘以大于1的权重因数，以便补偿该变化。
因此，根据本发明的方法不仅可以检测测量探测器状况，还可以在无
需卸载测量探测器1的情况下自动地校准整个处理系统。
一方面，本发明具有更少地中断处理的效果，另一方面，使用更精确
的处理控制来优化系统的性能。
此外，本发明还以最少的成本实现。优选地，测量信号的信号路径，
具体地是测量探测器1所测量PH值的信号路径，和检测信号的信号路径是
相同的。
能够通过例如测量探测器的固有电容或者利用至少一个其它的电容器 来实现电荷存储设备，其中，电容器既可以与电极EL固定地连接，也可以 在每次进行检测时切换到电路中。
在本发明的有利实施例中，可以将电荷存储设备充电并切换到电路中， 以用于测量探测器1的验证阶段。例如，图4的电荷存储设备Q2可以在测 量阶段期间充电，并在验证阶段开始时立即切换成对电极充电的状况。在 这种情况下，验证阶段中的充电阶段的长度为零。这就意味着在这种情况 下验证阶段的开始与电荷存储设备的放电的开始是一致的，其中，在该时 期内电荷存储设备Q2与电源电压Ub断开。换句话说，在电源电压Ub和
电极之间发生了切换。参考符号列表
1， la， lb, lc测量探测器
2， 2a， 2b， 2c信号传输连接
3， 3a, 3b估测设备(发射器)
30段耦合器
300主计算机
6工艺材料
8容器
11内管
111玻璃膜
12外管
13外缓冲区
14内缓冲区
15参考导线元件
16导体线元件
17温度测量感测器
18辅助电极
19信号线
81巴氏杀菌保温桶
82连接管
COM通信单元
C11,C12， C13,C14控制输出终端
CU控制器单元
EL电极Iq电荷流动电流
MEM存储器单元
OP信号处理单元
PROC信号估测单元
Ql电荷源Q2电荷存储设备
Re电极电阻
Sl, S2， S3开关元件
S4换向开关
SQ1,SQ2信号源
Tp验证阶段
TL充电阶段
Tt检测阶段
TR发射器
UB工作电压
Ue电极电压参考文献 Process Measurement Solutions Catalog 2005/06， Mettler-Toledo GmbH， CH-8902 Urdorf (参见http:〃www.mtpro.com); "Process-Analytical Systems Solutions for the Brewery", Mettler-Toledo GmbH的公司出版物，CH-8902 Urdorf,文章编号52 900 309, 2003年9月印制；美国专利No. 4,189,367;PCT申请，公开号WO 92/21962; U. Tietze, Ch. Schenk, "Halbleiter-Schaltungstechnik" (Semiconductor Circuit Design),第12版，Springer Verlag出版，柏林2002 年，1538页；德国专利No.DE 10209318;JP 57199950;美国专利No. 4,468,608
权利要求
1、一种用于监控和/或确定电化学测量探测器(1)，尤其是PH测量探测器、氧测量探测器或CO2测量探测器的状况的方法，所述电化学测量探测器(1)包括至少一个电极(EL)，通过所述电化学测量探测器，能够确定工艺材料(6)的离子浓度，其特征在于将至少一个验证阶段(TP)设置成在所述测量探测器(1)的工作期间发生，其中，所述验证阶段包括充电阶段(TL)，检测阶段(TT)紧接在该充电阶段(TL)之后，其中，在所述充电阶段(TL)期间，通过由控制器单元(CU)控制的电荷转移对分配给电极(EL)的电荷存储设备(Q2)充电，具体而言对电容器充电，或将已经充电的电荷存储设备(Q2)切换到电极(EL)的电路中，并在所述检测阶段(TT)开始时，具体而言通过第一开关设备(S1)，将电荷存储设备(Q2)与电荷源(Q1)断开，或者，如果可以应用，将电荷存储设备(Q2)从电源电压断开，并且其中，在所述检测阶段(TT)期间，对在电极(EL)上存在的电极电压(UE)至少测量一次，据此将至少一个测量值与至少一个参考值进行比较。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述电荷存储设备(Q2)与电极(EL)固定连接或者仅在所述验证阶段(Tp)的持续时间内连接，和/或所述电荷存储设备(Q2) —方面能够出于电荷转移的目的连接到电荷源(Ql)或者连接到电源电压，另一方面连接到电极(EL)用于验证阶段(Tp)。
3、 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述测量探测器(1)的工作期间，将至少一个测量阶段设置成针对测量所述工艺材料(6)的离子浓度而发生，并且该测量阶段在所述验证阶段(TV)期间中断。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述测量阶段和/或验证阶段期间，将出现在所述电极(EL)上的电压经由放大器(OP)传递到估测单元，所述估测单元设置在测量探测器中或设置在连接到所述测量探测器的测量转换器或发射器中。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在估测单元中，将在所述验证阶段期间所确定的测量值，或者如果可以应用，将电荷存储设备(Q2)的放电的部分的或整个的时间曲线与表示所述测量探测器可能状况的至少一个阈值或特征时间曲线进行比较，例如，所述可能状况为减少的电荷载流子迁移率的数量测量、响应时间的值、斜率的值、玻璃膜的缺陷状况或者所述测量探测器(1)的污染。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过信号对所确定的测量探测器(1)的状况、剩余工作寿命的相应值或对维护服务的需要进行通信。
7、 根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，将在第一和第二验证阶段中所确定的测量探测器(1)的各个状况相互比较，并且在适当的情况下进行推断，以便确定所述测量探测器(1)的工作寿命，还可能考虑处理的时间曲线；和/或将在所述第一和第二验证阶段中所确定的测量探测器(1)的各个状况相互比较，以便发现指示故障的测量探测器(1)的变化。
8、 根据权利要求5、 6或7所述的方法，其特征在于，将所确定的所述测量探测器(1)的状况，尤其是斜率和响应时间，用来调整在所述测量阶段期间用于测量信号的处理所使用的修正因数或延迟因数。
9、 根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述检测阶段(Tt)期间，对电极电压(UE)进行充足次数的测量，以便确定电极电压(UE)的时间曲线的特征参数。
10、 根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，在所述检测阶段(TT)之后，紧接着通过第二开关设备(S2)，尤其是通过接地连接，消除所述电荷存储设备(Q2)的电荷。
11、 根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，在所述测量阶段，通过第三开关设备(S3)，将诸如双极脉冲的其它测量信号导向所述电极(EL)，以便在所述电极(EL)上进行附加的电阻测量。
12、 根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其特征在于，按照能够改变的预定时间间隔，具体而言按照分钟、小时或天的时间间隔，重复所述验证阶段(Tp)。
13、 一种用于监控和/或确定电化学测量探测器(1)，尤其是PH测量探测器、氧测量探测器或C02测量探测器的状况的设备，所述电化学测量探测器(1)包括具有至少一个电极(EL)和信号处理单元(OP)的测量探测器(1)，其中，在所述测量探测器(1)的工作期间，能够确定与工艺材料(6)的离子浓度有关的测量量，其特征在于，所述测量探测器(1)包括属于所述电极(EL)的并能够通过可控的电荷转移充电的电荷存储设备(Q2);所述测量探测器(1)还包括用于产生验证阶段(TV)的控制器单元(CU),所述验证阶段包括充电阶段(TL)，检测阶段(TV)紧接在该充电阶段(TJ之后；所述测量探测器(1)还包括断开设备，具体而言第一开关设备(Sl)，所述断开设备用于在所述检测阶段(TT)开始时，将所述电荷存储设备(Q2)与电荷源(Ql)断幵，或者如果可以应用，将所述电荷存储设备(Q2)与电源电压断开。并且所述测量探测器(1)还包括信号线(19)，其用于将在所述检测阶段(TT)期间测量至少一次的电极电压值(UE)传输给所述信号处理单元(OP)。
14、 根据权利要求13所述的设备，其特征在于，能够将所述电荷存储设备优选通过第一开关设备(Sl)连接到电荷源(Ql)。
15、 根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述电荷存储设备(Q2)能够通过第二开关设备(S2)，优选经由接地连接，来释放电荷。
16、 根据权利要求13-15中任一项所述的设备，其特征在于，能够优选在所述测量阶段通过第三开关设备(S3)将诸如双极脉冲的其它测量信号导向所述电极(EL)，以便执行所述电极(EL)的电阻测量。
17、 根据权利要求13-16中任一项所述的设备，其特征在于，在所述检测阶段(TT)和/或在所述测量阶段期间，对远离所述电极(EL)的电荷存储设备(Q2)的连接器端子进行电隔离。
全文摘要
本方法用于监控和/或确定诸如pH测量探测器、氧测量探测器或CO<sub>2</sub>测量探测器的电化学测量探测器(1)的状况。所述测量探测器(1)具有至少一个电极(EL)并适于测量工艺材料(6)的离子浓度。根据本发明，在充电阶段(T<sub>L</sub>)期间，通过能够由控制器单元(CU)控制的电荷转移对属于所述电极(EL)的电荷存储设备(Q2)充电。在接下来的检测阶段(T<sub>T</sub>)期间，对所产生的电极电压(U<sub>E</sub>)测量至少一次，并进一步处理测量的结果。
文档编号G01N27/416GK101568827SQ200780047732
公开日2009年10月28日 申请日期2007年12月19日 优先权日2006年12月22日
发明者J·阿曼 申请人:梅特勒-托利多公开股份有限公司