pH计的在线自诊断
日期：2009-7-13 22:54:52 来源：互联网
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工业用pH计是一类故障率较高的仪表，电极的寿命是按月计算的，而且电极的性能也是不断变化的，所以pH计的校验工作的间隔时间也是按月（有时甚至是按天）计算的，因此对pH计的维护人员来说，正常情况下的维护工作量是一个沉重的负担。即使是一个维护得很好的系统，由于电极常常出现问题，在使用一段时间后所提供的测量结果往往不能满足要求。因为pH电极的寿命通常是6~12个月，这取决于正确的维护和测量环境的恶劣程度，比如电极在高温、高腐蚀性或高酸溶液中，寿命将明显降低。虽然电极一步步老化，灵敏度降低，响应时间延长，线性也受影响，但这个过程是一个渐变的过程，通常不通过使用标准缓冲溶液校验是无法得知的。
针对pH计维护量大的难题，众多pH计的生产厂商花了很多精力解决上面提到的具体问题。二十多年前的1987年，日本横河电机公司的TM20BG型pH计就已经采用了传感器在线自诊断功能，当时号称是世界上第一台可对电极阻抗、传感器响应时间进行在线测试的pH计，如今相似的功能已经有很多生产厂商采用。
pH计在线自诊断功能
pH计自诊断功能是分析仪表微机化之后才可能具有的功能，因为对pH计来说，故障过程是缓慢发
生的，例如pH电极的斜率逐渐减少、响应时间逐渐延长等等通常在pH计正常运行过程中是发现不了的，而是要等到下一次进行标准缓冲溶液校验后才能发现。pH计有了自诊断功能之后，可以在pH测量进行的同时实时在线进行自诊断，当然，有些自诊断项目涉及标准缓冲溶液，很可能是在自动校验或自动清洗的同时进行自诊断，比如下面介绍的pH传感器灵敏度的测定和pH传感器响应时间的测定。
pH计在线自诊断功能包含的内容很多，主要有接线自诊断功能，被测溶液自诊断功能、传感器自诊断功能等等。接线自诊断功能主要是相关接线的开路、短路诊断，被测溶液自诊断功能主要是温度、p H值超限诊断，而pH计在线自诊断功能中最重要而且最复杂的是传感器自诊断功能，这项功能的诊断重点有以下四项：
玻璃电极阻抗的测定；
参比电极阻抗的测定；
pH传感器灵敏度的测定；
pH传感器响应时间的测定。
艾默生过程管理公司最新推出的6081-P型无线pH分析变送器带有开放的、标准化的WirelessHART数字通讯功能，其中在线自诊断功能可连续监测标定错误、高/低温报警、玻璃电极破裂、参比电极失效、ROM故障、传感器失效、CPU故障及玻璃电极和参比电极的各种警告信息。
玻璃电极阻抗的测定
玻璃电极的阻抗，通常由他的玻璃膜阻抗决定，在常温下约为10 MΩ~1000MΩ。当玻璃膜破损时，阻抗下降为1 MΩ以下的kΩ级，可判断为玻璃电极损坏；如阻抗过高则可判断为玻璃电极引线开路。所以可通过玻璃膜阻抗的测定判断玻璃电极及其接线是否完好。至于玻璃膜阻抗仍处于正常值范围内而玻璃电极的性能已经老化的判断，则由pH传感器灵敏度测定、响应时间的测定结果来判断。
玻璃电极阻抗的测量有溶液接地的情况下在玻璃电极和参比电极之间进行和溶液不接地的情况下在玻璃电极和参比电极之间进行两种方式，由于溶液电导率对玻璃电极的阻抗的测量结果影响很大，当溶液接地时并适当减少玻璃电极与溶液接地点间的距离时，可使这种影响大大减少。
溶液温度对玻璃电极的阻抗测量的影响也非常大，当溶液温度每增加10℃时，玻璃电极的阻抗大致减少一半，所以必须在测量的同时进行温度补偿。
参比电极的阻抗的测定
参比电极的阻抗是由液络部（KCl溶液渗透出口部分）的阻抗决定，正常值为10~20 kΩ级。当液络部被污染时，参比电极的阻抗高达数百kΩ级；当液络部脱落时，参比电极的阻抗下降到数十Ω至数百Ω级。所以可通过参比电极阻抗的测定判断参比电极是否完好。
pH传感器灵敏度的测定
将pH传感器放在标准缓冲溶液中，测量输出电动势，并与理论值进行比较。输出电动势与理论值相等，说明灵敏度完好；输出电动势与理论值相差不多，说明灵敏度尚好；输出电动势与理论值相差太多，说明灵敏度差。
pH传感器响应时间的测定
将pH传感器放在标准缓冲溶液中和被测溶液中，对反应时间进行测定，这是判断pH传感器是否正常最有效的方法，横河公司采用两种响应时间的测定方法：TM20BG型pH计采用半值恢复时间测定方法；PH400G、PH450G采用的90%响应时间测定方法。
图1 pH传感器半值恢复时间测定示意图
图1为半值恢复时间测定方法示意图，图中所示为pH传感器用清洗剂清洗后再放入过程被测溶液进行测试的记录曲线，pH2是清洗剂的pH值，pH1是过程被测溶液的pH值。AB时间段pH传感器用清洗剂清洗，其显示的pH值为pH2；从时间B开始，pH传感器再放入过程被测溶液，此时显示的pH值不断上升，直到显示的pH值稳定在pH1，当显示pH值增加了1/2（pH1- pH2）时所用的时间可称为半值恢复时间t1，我们可预先设定一个时间限制（设定范围0.1~10 min），当检测到的半值恢复时间t1超过这个时间限制时，可判断pH传感器反应迟钝。
在PH450G分析仪中，对t1时间给了一个定量的数据，即1/3tR，tR表示性能良好的pH传感器（比如一个新pH传感器）在用清洗剂清洗再插入过程被测溶液后显示值达到稳定所用的时间。当对一个使用一段时间后的pH传感器在用清洗剂清洗再插入过程被测溶液后开始计时，如显示值增加1/2ΔpH所用时间少于1/3tR，表明pH传感器性能仍然合乎要求，如显示值增加1/2ΔpH所用时间多于1/3tR，表明pH传感器性能达不到响应时间要求(见图2)。
图2 pH传感器1/3tR响应时间测定示意图
在PH400G分析仪中，可采用90% 响应时间测定方法，这是在两种标准缓冲溶液中进行的，两种标准缓冲溶液通常可在pH4、pH7、pH9中选择。90% 响应时间的定义是：当pH传感器从B标准缓冲溶液取出后经过水冲洗、擦干再插入A标准缓冲溶液，如果以A、B间pH值之差作为100%全量程，测定pH值从全量程的10%上升到90%所用时间即为90% 响应时间。90
% 响应时间预先可在分析仪中设定，设定值范围是1~99 s，如果测定结果超出设定值，则发出故障信号。
pH计在线自诊断功能的显示
分析仪面板显示
a) 板显示
通常在分析仪的面板上有报警信号灯，可为自诊断结果须报警输出的信号提供灯光报警显示或带闪光的灯光报警显示，一部分分析仪的面板上还有自诊断结果故障信号的文字显示或故障代码显示。
b) 象形符号的面板显示
在霍尼韦尔公司的APT400系列pH计的LCD显示面板上，除了主显示器和辅助显示器是数字显示外（比如主显示器显示pH值、辅助显示器显示溶液温度值），其余采用的是象形符号（见图3），用户可以非常直观地读懂符号的含义。
图3 带象形符号的显示面板
如图4中的1，3个带面部表情的人脸可以分别表示电极的好、中、差三种状态，当进行电极不对称电位、斜率校验时，如显示上面的笑脸，则说明电极状况好（OK），如显示下面的哭脸，则说明电极状况差，达不到校验的精确度，表示需要更换电极了。
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针对pH计维护量大的难题，众多pH计的生产厂商花了很多精力解决上面提到的具体问题。二十多年前的1987年，日本横河电机公司的TM20BG型pH计就已经采用了传感器在线自诊断功能，当时号称是世界上第一台可对电极阻抗、传感器响应时间进行在线测试的pH计，如今相似的功能已经有很多生产厂商采用。
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pH计自诊断功能是分析仪表微机化之后才可能具有的功能，因为对pH计来说，故障过程是缓慢发
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pH计在线自诊断功能包含的内容很多，主要有接线自诊断功能，被测溶液自诊断功能、传感器自诊断功能等等。接线自诊断功能主要是相关接线的开路、短路诊断，被测溶液自诊断功能主要是温度、p H值超限诊断，而pH计在线自诊断功能中最重要而且最复杂的是传感器自诊断功能，这项功能的诊断重点有以下四项：
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玻璃电极阻抗的测定；
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参比电极阻抗的测定；
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玻璃电极阻抗的测定
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玻璃电极的阻抗，通常由他的玻璃膜阻抗决定，在常温下约为10 MΩ~1000MΩ。当玻璃膜破损时，阻抗下降为1 MΩ以下的kΩ级，可判断为玻璃电极损坏；如阻抗过高则可判断为玻璃电极引线开路。所以可通过玻璃膜阻抗的测定判断玻璃电极及其接线是否完好。至于玻璃膜阻抗仍处于正常值范围内而玻璃电极的性能已经老化的判断，则由pH传感器灵敏度测定、响应时间的测定结果来判断。
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玻璃电极阻抗的测量有溶液接地的情况下在玻璃电极和参比电极之间进行和溶液不接地的情况下在玻璃电极和参比电极之间进行两种方式，由于溶液电导率对玻璃电极的阻抗的测量结果影响很大，当溶液接地时并适当减少玻璃电极与溶液接地点间的距离时，可使这种影响大大减少。
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溶液温度对玻璃电极的阻抗测量的影响也非常大，当溶液温度每增加10℃时，玻璃电极的阻抗大致减少一半，所以必须在测量的同时进行温度补偿。
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参比电极的阻抗的测定
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参比电极的阻抗是由液络部（KCl溶液渗透出口部分）的阻抗决定，正常值为10~20 kΩ级。当液络部被污染时，参比电极的阻抗高达数百kΩ级；当液络部脱落时，参比电极的阻抗下降到数十Ω至数百Ω级。所以可通过参比电极阻抗的测定判断参比电极是否完好。
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pH传感器灵敏度的测定
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将pH传感器放在标准缓冲溶液中，测量输出电动势，并与理论值进行比较。输出电动势与理论值相等，说明灵敏度完好；输出电动势与理论值相差不多，说明灵敏度尚好；输出电动势与理论值相差太多，说明灵敏度差。
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将pH传感器放在标准缓冲溶液中和被测溶液中，对反应时间进行测定，这是判断pH传感器是否正常最有效的方法，横河公司采用两种响应时间的测定方法：TM20BG型pH计采用半值恢复时间测定方法；PH400G、PH450G采用的90%响应时间测定方法。
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图1 pH传感器半值恢复时间测定示意图
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图1为半值恢复时间测定方法示意图，图中所示为pH传感器用清洗剂清洗后再放入过程被测溶液进行测试的记录曲线，pH2是清洗剂的pH值，pH1是过程被测溶液的pH值。AB时间段pH传感器用清洗剂清洗，其显示的pH值为pH2；从时间B开始，pH传感器再放入过程被测溶液，此时显示的pH值不断上升，直到显示的pH值稳定在pH1，当显示pH值增加了1/2（pH1- pH2）时所用的时间可称为半值恢复时间t1，我们可预先设定一个时间限制（设定范围0.1~10 min），当检测到的半值恢复时间t1超过这个时间限制时，可判断pH传感器反应迟钝。
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图2 pH传感器1/3tR响应时间测定示意图
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pH计在线自诊断功能的显示
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b) 象形符号的面板显示
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图3 带象形符号的显示面板
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