CN109477811A - 氯、氧化还原电位(orp)和ph测量探针 - Google Patents

氯、氧化还原电位(orp)和ph测量探针 Download PDF

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Abstract

实施方案提供了一种探针，所述探针包括：离子选择性壳体，其包括浸在电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；多个导电电极，其相对于pH电极同轴布置；所述多个导电电极在pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：至少第一导电电极，其暴露于在探针接近离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及至少第二导电电极，其暴露于在探针接近离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；所述探针还包括参比电极，其围绕并沿着探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中。描述并要求保护其他方面。

Description

氯、氧化还原电位(ORP)和PH测量探针
技术领域
本文描述的主题涉及流体传感器。更具体地，实施方案涉及一种安培型传感器，其可以用于测量目标流体(例如水)的氯、氧化还原电位、电导率和pH。
背景技术
安培法是一种电化学技术，其测量由流体中发生的化学反应产生的电流变化(作为分析物浓度的函数)。安培型传感器可以由两个不同的电极，即阳极和阴极(例如，银/铂或铜/金)组成。以下是安培型***中发生的还原-氧化反应的一般示意图：
阴极(工作电极-次氯酸的还原)：
HOCl+H++2e-→Cl-+H2O
阳极(参比电极)：
Cl-+Me→MeCl+e-
(阳极氧化)
安培测量也可以通过三电极布置实现。在这种情况下，相对于参比电极来控制工作电极的电位以引起分析物的还原或氧化，并且测量所得电流。第三电极(辅助电极或对电极)为工作电极与其自身之间的电流流动提供电路完整性。以下是安培型***中发生的还原-氧化反应的一般示意图：
阴极(工作电极-次氯酸的还原)：
HOCl+H++2e-→Cl-+H2O
阳极(辅助电极)：
H2O-2e-→2H++1/2O2
通过无膜传感器对游离氯进行安培测量高度依赖于样品流量和pH。目前，这样的传感器的主要实施方案涉及使用其中放置有这样的氯传感器的流量控制单元，其中样品流体从源提供到流量控制单元或区块。因此探针或传感器不位于直接的管内位置。
此外，由于氯在水中的还原-氧化性质，现有技术的传感器对质子化形式的氯具有更高的灵敏性和选择性。pH的变化可以改变质子化和未质子化的氯物质的分布，这导致分析物(例如游离氯)的测量浓度的变化和游离氯的测量准确度的误差。例如，质子化和未质子化的物质是：
常规地，将外部pH传感器并入到流量控制单元或区块中，例如，与氯传感器并排。测量的pH传感器值用于校正氯测量，以便对pH变化的样品获得更准确的游离氯测量。当前的控制流量单元或区块中的pH传感器和氯传感器的组件不像管内安装那样理想。
同时，常规地，不希望将多于一个传感器***管中，因为必须将多个孔或端口放入管中以容纳多个传感器安装(例如，氯传感器和pH传感器)。存在的复合问题在于，当氯传感器和pH传感器彼此接近放置时获得最佳准确度。这增加了适当放置管内探针的难度。
发明概述
总的来说，一个实施方案提供了一种探针，所述探针包括：离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；所述多个导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；所述探针还包括参比电极，所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中。
另一个实施方案提供了一种***，所述***包括：计量电子设备；离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；所述导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中；并且所述计量电子设备访问可由处理器执行的指令程序以：使用所述pH电极、所述参比电极、所述至少第一导电电极和所述至少第二导电电极以安培法确定样品流体的氯浓度。
另一个实施方案提供了一种***单元，所述***单元包括：外壳；设置在所述外壳中的探针；所述探针包括：离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；所述导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；所述探针还包括参比电极，所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中。
以上是发明概述，因而可以包含细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解，该概述仅是说明性的，并且不旨在以任何方式进行限制。
为了更好地理解实施方案连同它们的其他和另外的特征和优点，结合附图参考以下描述。本发明的范围将在所附权利要求中指出。
附图的若干视图的简要说明
图1示出了根据一个实施方案的示例性探针。
图2示出了根据一个实施方案的具有流量控制器的示例性***。
图3示出了根据一个实施方案的获得依次的pH测量、ORP测量、电导率测量和安培型氯测量的示例性方法。
发明详述
容易理解的是，除了所描述的示例性实施方案以外，如本文附图中一般描述和示出的实施方案的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图中所示的示例性实施方案的以下更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施方案的范围，而仅仅是示例性实施方案的代表。
本说明书全文中提到“一个实施方案”或“实施方案”(等)意指结合该实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在本说明书全文中各个地方出现短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”等不必然都指代相同的实施方案。
此外，所描述的特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对示例性实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在不具有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等来实践各种实施方案。在其他情况下，未详细示出或描述公知的结构、材料或操作。以下描述仅旨在举例说明，并且简单示出某些示例性实施方案。
本文描述的各种实施方案提供了具有传感器(例如氯传感器和pH传感器)的组合的探针。一个实施方案提供了在单个紧凑单元中的组合的氯和pH探针，其允许使用单个端口或入口的管内安装。
目前，存在提供pH和ORP能力两者的产品，例如Hanna Instruments HI98121ORP/pH/温度测试装置。在这样的装置中，单个铂电极围绕玻璃pH传感器安装，并且两者都接近共用的参比电极。
在一个实施方案中，在用于氯测量的探针中提供安培型机构。可以进行其他基于安培法的分析物测量。在一个实施方案中，为相同的探针或单元提供电位型机构以提供pH和/或氧化还原电位(ORP)测量的测量能力。沿着探针的纵轴，pH传感器位于具有围绕pH玻璃的环形参比电极或参比结的探针的端部。两个导电电极，例如Pt、Au或C或者其组合，环状地围绕pH电极放置。如本文中进一步描述的，在一个实施方案中，两个导电电极可以沿着探针纵向移位。
探针的传感器组件可以用作独立的探针和/或可以并入到流量控制单元或区块中。在任一种情况下，探针可以作为用于使用单个端口或入口的管内安装的紧凑单元提供。
在一个实施方案中，在测量期间，参比电极可以与pH电极一起使用来电位法确定样品流体的pH。在一个实施方案中，导电电极中的至少一个(例如Pt电极)可以与参比电极一起使用，来电位法确定样品流体的ORP。
在单独的操作中，两个导电电极可以与参比电极一起用作工作电极和辅助电极，以便安培法测量氯。在该过程期间可以采用电化学脉冲法，以保持清洁的电极表面用于氯测量和ORP测量两者。
在单独的操作中，可以使用至少两个导电电极来确定样品流体的电导率。在另一个实施方案中，可以通过以四电极电导率传感器布置使用作为驱动电极的两个导电电极和作为传感电极的两个导电电极来确定样品流体的电导率。
在一个实施方案中，参比电极可以具有例如由玻璃、玻璃纤维或其他结材料形成的单结或双结配置。也可以采用标准Ag/AgCl或甘汞参比配置。在一个实施方案中，可以采用准参比电极代替参比结。例如，如果采用在缓冲填充溶液配置中的pH参比电极，向探针添加接地棒使得接地棒接触样品流体使得能够使用差示pH传感器配置。可以并入热敏电阻器或其他温度传感元件用于温度补偿。
通过参考附图将最好地理解所说明的示例性实施方案。以下描述仅旨在举例说明，并且简单示出某些示例性实施方案。
图1中示出了探针100，其允许测量pH、氯(游离氯)、电导率和/或流体ORP。如所示的，探针100包括浸入pH填充溶液109中的pH电极102形式的pH传感器。pH敏感玻璃110或其他离子敏感材料与参比电极101组合允许pH传感，参比电极101本身被参比填充溶液105包围。在探针100中提供参比结106和参比电极填充溶液外壳112，以形成完整的pH传感单元。
探针100另外包括沿着探针100的长度以纵向间隔布置形成的两个电极107、108。当将电极107、108放置在样品流体中时(图1中未示出)，电极107、108允许对样品流体中的氯的安培测量。电极107连接到电极引线103，电极引线103将电极107可操作地耦接到计量电子设备111。同样地，电极引线104将电极108通信地耦接到计量电子设备111。计量电子设备111可以与探针100的引线103、104和/或其他组件物理接触。备选地，计量电子设备111可以无线地耦接到探针100的引线103、104和/或其他组件。
电极引线103、104中的一个或多个可以放置在由pH电极玻璃113的外表面(例如，沿着中空玻璃管的表面，其终止于容纳pH玻璃110的球状或其他形状的元件)和参比电极外壳114的内表面限定的腔室115内。容纳引线103、104的限定的腔室115可以包括空气、其他气体或绝缘材料。引线103、104可以通过密封机构与流体样品和外部环境隔开，该密封机构包封容纳引线103、104的腔室的端部，例如，除其它位置外，在结116处涂布环氧树脂或其他树脂。电极引线103、104中的一个或多个可以用环氧树脂或树脂材料涂覆，以保护电极引线103、104免受外部污染。
探针100可以包括两种不同类型的电极107、108，例如阳极107和阴极108(例如分别由银/铂和铜/金形成)。探针100可以包括由类似材料构成的电极107、108，例如阳极107和阴极108(例如由铂/铂形成)。通常，电极107、108可以形成为粘附到pH探针100的中空玻璃(即粘附在pH玻璃球110上方)的带或箔。在覆膜或未覆膜的情况下，电极107、108与流体样品接触。
可以通过有线或无线连接分别可操作地耦接到电极107、108(并且更特别地耦接到电极引线103、104)的计量电子设备111和/或通过有线或无线连接可操作地耦接到pH电极102的参比电极101或前述各项的组合允许pH测量和安培型氯测量以及ORP测量和电导率测量，如本文中进一步描述的。
例如，在一个实施方案中，计量电子设备111包括存储设备，该存储设备存储用于使用来自pH电极102和参比电极101的信号完成pH测量的指令程序。计量电子设备111还可以在存储设备中存储用于使用来自电极107、108和参比电极101的信号完成流体样品中的氯的安培型测量的指令程序。在一个实施方案中，计量电子设备111可以包括执行指令程序以对流体样品进行pH测量和/或安培测量的处理器。同样地，计量电子设备111可以执行用于分别使用参比电极101、pH电极102、或导电电极107、108中的一个来测量样品流体的pH和ORP的指令程序。同样地，计量电子设备111可以执行用于操作双电极或四电极电导率传感器的指令程序。
因为一个实施方案提供了能够进行pH测量和安培型氯测量两者的探针100，所以探针100可以作为用于单个入口的管内安装的单元***。如图2所示，可以将探针200并入到***单元212中，该***单元212包括探针200和位于其一端的流动控制单元213。***单元212可以放置在样品管215内的入口或端口内，用于测量流过样品管215的样品流体的氯含量。
提供探针200用于样品流体的氯含量的管内测量，如针对pH(以及温度，如本文所述)进行校正。
如本文所提及的，根据一个实施方案的探针也可以用于ORP测量，例如，使用为安培型氯含量测量提供的两个或更多个电极中的一个。举例来说，图3示出了使用根据任一实施方案的用于氯测量、pH测量、电导率、ORP测量或前述各项的组合的探针的方法。
如图3所示，一个实施方案可以实施由指令程序提供的方法。例如，可以加载例如由计量电子设备存储或访问并且由其处理器执行的指令例程或程序，其指示在301处的测量模式。例如，测量模式可以用于测量pH、氯和/或ORP。如图3中所指示，如果确定样品流体的安培型氯测量和ORP测量两者都由指令程序支配，则一个实施方案可以依次利用探针的电极来获得所需的样品流体的必要测量。
作为非限制性实例，在302处，一个实施方案可以利用参比电极与pH电极来电位法确定样品流体的pH。在303处，一个实施方案可以利用参比电极与导电电极中的至少一个(即Pt电极)，并且电位法确定样品流体的ORP。此后，在304处，可以采用电化学脉冲清洁电极表面以用于后续测量。
作为非限制性实例，在305处，一个实施方案可以利用导电电极中的至少两个(例如Pt电极)来确定样品流体的电导率。另外，作为非限制性实例，在305处，一个实施方案可以利用至少两对导电电极(例如Pt电极)来确定样品流体的电导率。此后，在306处，可以采用电化学脉冲清洁电极表面以用于后续测量。
在单独的操作中，在307处，两个导电电极可以与参比电极一起用作工作电极和辅助电极，以便安培法测量氯。此后，在308处，可以采用另一种电化学脉冲来维持清洁的电极表面以用于后续测量。
举例来说，如果确定在301处指示仅pH模式或仅ORP模式，则一个实施方案可以如在309处所指示开始测量样品流体的pH，或者可以如在310处所指示开始仅测量ORP。
出于举例说明和描述的目的已经呈现了本公开，但是其并不旨在是详尽或限制性的。多种修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择和描述实施方案以解释原理和实际应用，并且使本领域其他普通技术人员能够理解具有多种修改的各种实施方案的公开内容，所述修改适合于预期的特定用途。
尽管本文中已经描述了说明性实施方案，但是应理解，实施方案不限制于那些精确的实施方案，并且本领域技术人员在不脱离本公开的范围或精神的情况下可以在其中进行各种其他改变和修改。

Claims (22)

1.一种探针，所述探针包括：
离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；
多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；
所述多个导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：
至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及
至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；
所述探针还包括参比电极，所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中。
2.根据权利要求1所述的探针，其中至少第一导电电极和至少第二导电电极沿着所述探针的长度彼此纵向移位。
3.根据权利要求2所述的探针，其中所述离子选择性壳体包括中空玻璃杆和在末端处的pH玻璃。
4.根据权利要求3所述的探针，其中所述多个导电电极粘附到所述中空玻璃杆。
5.根据权利要求1所述的探针，其中所述多个导电电极围绕所述探针的末端同轴布置。
6.根据权利要求1所述的探针，其中所述多个导电电极各自包括带状电极。
7.根据权利要求6所述的探针，其中所述带状电极包括导电箔。
8.根据权利要求6所述的探针，其中所述导电电极选自由Au、Pt和C组成的组。
9.一种***，所述***包括：
计量电子设备；
离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；
多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；
所述导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：
至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及
至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；
所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中；并且
所述计量电子设备访问可由处理器执行的指令程序以：
使用所述pH电极、所述参比电极、至少第一导电电极和至少第二导电电极以安培法确定样品流体的氯浓度。
10.根据权利要求9所述的***，其中针对所述样品流体的pH调整所述氯浓度。
11.根据权利要求9所述的***，其中所述指令程序分别确定所述样品流体的氯浓度和pH。
12.根据权利要求9所述的***，其中还可由所述处理器执行所述指令程序以使用所述参比电极和至少第一导电电极来确定所述样品流体的氧化还原电位(ORP)。
13.根据权利要求12所述的***，其中所述指令程序依次确定所述样品流体的氯浓度和ORP。
14.根据权利要求13所述的***，其中所述指令程序包括脉冲，所述脉冲提供到所述第一导电电极中的至少一个和所述第二导电电极中的至少一个作为所述样品流体的氯浓度和ORP的依次确定的一部分。
15.根据权利要求9所述的***，其中还可由所述处理器执行所述指令程序以使用所述参比电极、至少第一导电电极和至少第二导电电极来确定所述样品流体的电导率。
16.根据权利要求9所述的***，其中还可由所述处理器执行所述指令程序以使用所述参比电极、作为驱动电极的至少第一导电电极和至少第二导电电极以及作为传感电极的至少第一导电电极和至少第二导电电极来确定所述样品流体的电导率。
17.一种***单元，所述***单元包括：
外壳；
设置在所述外壳中的探针；
所述探针包括：
离子选择性壳体，所述离子选择性壳体包括浸入电解质溶液和/或缓冲溶液中的pH电极；
多个导电电极，所述多个导电电极相对于所述pH电极同轴布置；
所述导电电极在所述pH电极和参比电极之间移位的基板上电隔离，并且包括：
至少第一导电电极，所述至少第一导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的样品流体，并且设置在电极基板接近参比电极末端的表面上；以及
至少第二导电电极，所述至少第二导电电极暴露于在所述探针接近所述离子选择性壳体的末端处的所述样品流体，并且设置在电极基板接近所述参比电极末端的表面上；
所述探针还包括参比电极，所述参比电极围绕并沿着所述探针的纵轴布置，并且浸入参比缓冲溶液和/或电解质溶液中。
18.根据权利要求18所述的***单元，所述***单元还包括：
在所述外壳内的流量控制器，所述流量控制器控制通过其的样品流体的流量。
19.根据权利要求17所述的***单元，所述***单元还包括设置在所述外壳的端部处的至少一个数据端口。
20.根据权利要求19所述的***单元，其中所述数据端口包括用于可操作地耦接计量电子设备的数据连接。
21.根据权利要求20所述的***单元，其中所述数据端口包括多个插针。
22.根据权利要求21所述的***单元，其中所述数据端口包括无线通信设备。
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