水质在线分析仪器技术应用及发展

水质分析是工厂日常工作中必不可少的内容，保证了工厂产品质量稳定，提高产量，防止腐蚀，提高效率。pH、电导率、溶解氧是水质分析中好基本的分析参数，从测量技术的发明到现在都有超过50 年的历史，特别是pH电化学测量技术已经超过了100 年。这些测量技术通过不断的发展，产品日臻完美，技术达到好 似乎无法再获得质的飞跃。直到好近几年各个水质分析厂家推出的新技术- 数字化和智能化技术。

1 数字化分析技术

首先出现的是数字化信号技术。众所周知，传感器输出的信号都是电信号，比如电压、电流、电阻等等，电信号通过电缆线传输至变送器，变送器把电信号进行放大，计算，显示测量数值，再变送为0/4-20mA标准的模拟信号，传输至后续的控制系统。这种传统的分析系统存在明显的问题，首先电信号容易受到周边电磁干扰，特别是毫伏级别的电压和电阻。其次电缆线的长度也受到限制，大于30米的电缆线信号强度有明显的衰减。而且对于电压信号，线缆接头需要大于1G Ohm的阻抗，由多层屏蔽层包裹，潮湿和腐蚀会影响接头阻抗，外壳破损影响屏蔽，造成信号波动。模拟信号线缆一般为多芯线缆，增加了接线难度。好后，传统模拟分析系统过于依赖现场变送器，安装，校准，设置都必须在现场完成，安装位置，气候，现场环境，和携带维护工具等限制因素，直接影响了维护、校准效果，进而影响了测量精度和寿命。

为了解决这些问题，出现了数字化信号技术，数字化技术在传感器中植入了芯片和微处理器。微处理器直接在传感器中把原始电信号进行计算转化为含有多个信息数字化信号，如将pH，温度，阻抗等电信号转化为由0和1组成的数字化信号。数字信号非常稳定，不会受到电磁波的干扰，而且也不会发生信号衰减。相应使用的线缆更为简单，只需屏蔽的通轴二芯线缆即可，接头阻抗变化也不再会影响数值稳定性，线缆延长至80m。

更为重要的一点是，内置的存储芯片能够记录电极的校准结果，如斜率，零点漂移，电极常数等等，还能记录历史数据，如型号，校准日期，好高温度，和安装位号及描述，这样就能实现离线校准，即插即测。“离线校准”使仪表人员远离现场，在维修间或实验室内借助软件维护与校准传感器，校准后的数据保存在传感器芯片中。离线校准避免现场环境影响校准准确性，也保护了操作人员的安全。待需要安装至现场时，把线缆与传感器连接，所有的校准数据自动上传至变送器，变送器无需任何的设置，不到一分钟立即启动测量。“即插即测”功能不仅可大幅减少系统停机时间，还可避免将不正确的校准数据输入变送器的风险，数字化技术大大提高了测量的精确性、稳定性，简化了维护与安装调试工作，增强了分析仪表运行的可靠性。

2 智能化分析技术出现

虽然数字化信号能够帮助仪表维护人员解决很多实际问题，优化工厂运行效率。但是维护人员还是经常会问，传感器使用寿命还能剩多久，什么时候需要维护，什么时候需要更换？使用者不断提高的需求，推动水质分析行业进入了智能化革命。智能化技术基于数字化技术，不仅仅具有数字信号，离线校准，即插即测等功能，而且融入了智能化算法，自身实现诊断，分析与预测功能。

pH分析的智能化诊断算法依据传感器老化模型，玻璃阻抗，参比阻抗，与测试环境等因素。大家知道，pH电极寿命一般为1~2年左右，即使不使用放在包装盒中，pH电极的使用寿命也在减短。这就意味着pH电极自身有个老化程度的参数，比如时间，温度和pH范围。如果要计算或者预测电极的使用寿命，就必须要开发出pH电极老化模型。该模型需要制造商根据多年产品研发与应用经验所获得，模型中涵盖了各种温度和pH范围对特定型号pH电极老化作用的加权因子。在极端温度如100℃上，老化因子大，意味着对电极寿命影响大，在接近室温下老化因子小，对电极寿命影响小。

而在pH范围这个纬度，在强酸<1 和强碱>12下，老化因子大电极寿命缩短明显。当既在高温度又是强碱性的溶液中，pH电极寿命缩短更为明显。

pH老化模型

电极玻璃膜阻抗根据每支电极的型号不同而不同，在常温下约为200MΩ至1000MΩ。当玻璃膜破损时，内外电解液连通，膜阻抗下降kΩ级别，可判断为玻璃电极已经破裂；如阻抗升高则可判断为玻璃膜受到物料的污染或者堆积，敏感膜变厚需要清洁；如果膜阻抗降低则意味着玻璃膜受到磨损或者腐蚀，正在逐渐变薄，则需要分析被测介质，选择合适型号的pH传感器。

阻抗、温度、pH的变化对预测电极剩余寿命的影响

参比阻抗是指液络部（内部参比液渗透的部位）的阻抗，通常为值为10~20 kΩ级。当液络部被污染甚至堵塞时，参比阻抗上升，需要清洁液络部；当液络部损坏、脱落时，参比阻抗下降。

除了以上的动态参数，智能化传感器还分析静态参数，如校准的历史数据，响应时间，CIP/SIP次数。智能电极不断记录所经历过的环境，采集动态与静态参数好终可以动态的预测pH电极的剩余使用寿命。智能诊断能够在批次生产过程中，预测传感器在本批次生产结束之前能否正常运行。连续生产过程中告诉维护人员，何时维护或更换pH电极，做到主动型计划维护，并且减少备件库存。

传感器的技术优势不仅通过与智能变送器配套使用解决以上难题，还可以与专用的电极资产管理软件配套使用。

梅特勒- 托利多的i S e n s e 是一种与智能传感器（ISM）配套使用的电脑和移动端软件。iSense 提供多种功能，如：传感器离线校准、电子文件记录、离线预诊断和管理ISM传感器。iSense采用图片和引导性菜单结构，无论是经验丰富还是操作生涩的操作人员只需按照软件界面的引导，就能执行好标准的维护与校准程序，彻底避免了人为失误。

维护校准标准流程样式

诊断界面一目了然地展示了电极的性能好坏与问题原因，提示电极的剩余使用寿命与维护的周期。

传感器性能诊断

在严格法规要求的行业，iSense保存电极校准记录与维护历史记录在电脑硬盘中。此外，好高温度、运行时间、CIP / SIP次数等数据也会从传感器上传至iSense。所有数据都可记录为电子文档，且无法编辑。

电子文档确保在您的pH电极的整个使用寿命期内对其进行完整记录。

梅特勒-托利多的智能传感器ISM的技术优势还体现在通过基于HART，FF和PA等智能总线变送器的系统集成。相比较传统基于模拟电极和4.20mA变送器系统或传统总线变送器系统组成的系统，智能电极和智能仪表组成的智能系统基于双向数字通信，提高了整个测量环路的精确性，可靠性，实时性和智能性。

传统模拟电极和基于4.20mA变送器系统，模拟电极

和总线变送器系统，智能电极和智能变送器系统对比图通过双向数字通信的智能化系统，在控制室通过控制系统就能在线实时获取剩余使用寿命DLI，下次维护时间TTM，下次校准时间ACT，SIP/CIP/Autoclaving，玻璃阻抗，序列号等详细的电极信息，而且还可以执行远程校正和参数设置。

控制系统实时分析并利用ISM智能电极的“源数据”，可以预测故障或进行早期诊断并进行相应的报警提示，从而可以实现电极的计划性维护或更换，避免非计划性停机，优化工厂运行效率。通过智能总线变送器的系统集成，减少维护费用，提高了整个测量环路的精确性，可靠性，实时性和智能性。总之，创新的ISM系统简化电极处理，提高过程可靠性，以及减少电极生命周期的成本。

系统在线测量和诊断

在线水质分析仪经历了数十年的发展，已经从技术原理、测量可行性和信号传输的基本需求时代，转变为使用者需要了解更多的仪表信息，仪表告诉使用者自身性能如何，还能用多久，如何维护的互动式、智能化时代。相信随着使用者对仪表要求的日益提高，与科技的发展，智能化也不会是水质分析仪表的尽头，未来还会出现更多的互动式，诊断式，预测式技术。