[发明专利]确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定表示被测介质中目标离子活性的被测变量的测量变换器。

背景技术

在实验室中或在工业过程中的环境分析和多种化学或生物方法中，被测介质中特定目标离子的活性或浓度是重要的被测变量。对于第一近似值，目标离子的活性可设置成等于稀溶液中目标离子的浓度。

离子活性测量或浓度测量的一种特殊情况是被测介质中的pH值测量或pOH值的测量。pH值对应于被测介质中H⁺离子活性的以10为底的对数取负值，H⁺离子活性可设置成等于稀溶液中H⁺离子浓度。对于第一近似值，H⁺离子活性可设置成等于稀溶液中的H⁺离子浓度。类似于pH值，对于稀溶液，pOH值定义成OH^-离子活性或OH^-离子浓度以10为底的对数取负值，以使得有良好地近似值。这两个值以水的恒定离子积而关联：

pH+pOH=14.

由pH值或pOH值开始，可因此确定关联的H⁺离子活性或OH^-离子活性和/或对应的浓度。

用于确定目标离子的活性的测量变换器（下文中也称为离子选择测量变换器或离子选择电极）通常包括具有离子选择元件（例如离子选择的固体或聚合物的膜）的测量半电池。被测介质与电势感应电极之间的平衡加瓦尼电压（equilibrium Galvani voltage）的相对变化基本上主要受特定目标离子的活性变化的影响。基于基本恒定电势的参考电势，参考半电池，例如，诸如Ag/AgCl参考电极的第二类型参考电极，可以借助于高阻抗、高精度、电压表轻而易举地确定被测介质中目标离子的活性。用作诸如离子选择测量变换器的用于表示目标离子活性的测量信号因此是测量半电池与参考半电池之间的电势差。例如，J.Koryta和K.Stulik在1983年的Cambridge University Press第61页的“Ion-selective electrodes”中或K.Cammann,H.Galster,Springer在1996年的“Das Arbeiten mit ionenselektiven Elektroden”，（“Working with Ion Selective Electrodes”）中描述了离子选择电极。

最著名且最常应用的离子选择测量变换器是pH玻璃电极。玻璃电极的测量半电池通常具有管状玻璃外壳，其一端由包括pH敏感玻璃的膜闭合。管状玻璃外壳填充有内电解液，例如，包括氯化物的缓冲液，以及延伸到缓冲液中的电势感应元件，例如氯化处理的银丝。依赖于pH值的测量半电池电势形成在与测量介质接触的玻璃膜处。通常，第二类型的参考电极，例如Ag/AgCl电极或甘汞电极，用作参考半电池，其具有在容纳参考电解液的半电池空间与被测介质之间的液体接界。可在测量半电池的电势感应元件处测得的测量半电池电势和参考半电池的参考电势（其理想地独立于被测介质的pH值）之间的电势差形成了测量变换器的测量信号，并且是对被测介质的H⁺离子活性或pH值的直接测量。

虽然这样的电位测量变换器确保非常精确且可靠的测量结果且在实验室和过程分析中都很完善，但是它们有若干缺点。例如，通常在用作参考半电池的第二类型的参考电极中可能出现缺陷或降解现象，降低测量的质量。例如，参考半电池的内电解液可能泄露或干涸；第二类型的参考半电池通过其与被测介质接触的液体接界可能由于固体而变得被阻塞，尤其是难溶解盐；或者，电极有毒物可能经由液体接界而渗入参考半电池中。通常来说，在实践中，这样的参考半电池的电势倾向于漂移，即经受缓慢的、但稳定变化的参考电势。扩散电势和流送电势也可导致错误。

在实施为玻璃电极的pH选择测量变换器中，非常薄的pH感应玻璃膜制造复杂并且对操作尤其敏感。玻璃的破裂可能产生碎片，碎片可能进入被测介质。如果被测介质是例如药物或食品技术工艺中生产的产品或中间产品，则在这种玻璃碎裂的情形中，被测介质必须被丢弃，以防止产品中的碎片对最终消费者构成危险。

由于pH感应玻璃膜的低传导率，因此额外需要在非常高的阻抗下测量测量变换器的引线之间的电势差。该情形可能导致测量的不稳定性和测量值不准确。由于形成玻璃膜的玻璃的高电阻系数，因此限于小型化pH玻璃电极，因为随着玻璃膜面积的减小，测量半电池的阻抗总是变得更大。因此，一直需要一种具有更鲁棒的测量变换器来确定pH值、或pOH值的替代测量方法。

发明内容