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Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Elektroden für einen elektrochemischen Gassensor mit Mitteln zum Betrieb eines solchen Sensors.
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Elektrochemische Gassensoren werden für eine Vielzahl von Überwachungs- und Messaufgaben eingesetzt, da sie in der Regel kostengünstig, eigensicher und robust sind und eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzen. Beispielhafte Einsatzgebiete für elektrochemische Gassensoren sind die Arbeitsplatzüberwachung, die Medizintechnik und die Umweltanalytik.
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In den meisten Fällen, in denen eine quantitative Gasanalyse erwünscht ist, werden elektrochemische Sensoren amperometrisch betrieben.
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Derartige elektrochemische Gassensoren müssen in der Praxis eine Reihe von Anforderungen erfüllen, wie beispielsweise:
- • Hohe Langzeitstabilität des Messsignals
- • Hohes Verhältnis vom Signalstrom zum Grundstrom
- • Geringe Querempfindlichkeit gegenüber Störgasen, die in einer Gasmischung mit dem zu messenden Gas auftreten
- • Geringe Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit
- • Schnelles Ansprechverhalten des Messsignals bei Änderung der Gaskonzentration
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Für die Messung von Sauerstoff ist aus
DE 19845318 C2 ein elektrochemischer Gassensor bekannt, der eine Messelektrode, eine Hilfselektrode, eine Bezugselektrode und eine Schutzelektrode in einem mit Schwefelsäure als flüssigem Elektrolyten gefüllten Elektrolytraum enthält. Die Messelektrode und auch die Schutzelektrode werden auch unter dem Obergriff einer Arbeitselektrode bezeichnet.
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Im Betrieb des elektrochemischen Gassensors wird mit Hilfe eines Potenziostaten ein äquivalentes Potenzial an Messelektrode und Schutzelektrode gegenüber einem Bezugspotenzial eingeregelt.
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Aus der
DE 102 15 909 C1 ist ein elektrochemischer Gassensor zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration bekannt, der zwei Arbeitselektroden, eine Gegenelektrode und eine Bezugselektrode aufweist. Der Betrieb des elektrochemischen Gassensors zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration erfolgt mit Hilfe einer Bi-Potenziostat-Schaltung.
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Nachteilig an dieser Anordnung nach
DE 198 453 18 C2 ist, dass die Gegenelektrode und Bezugselektrode für die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode gemeinsam ausgebildet sind. Mit einer solchen Anordnung ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale an der ersten und zweiten Messelektrode. Die Betriebsbeschaltung nach
DE 102 15 909 C1 weist den Nachteil auf, dass der Bezug der Operationsverstärker des Bi-Potenziostaten auf eine gemeinsame Versorgungsspannung erfolgt und eine gegenseitige Verkopplung stattfindet, die eine gegenseitige Beeinflussung der Potenziale an der ersten und zweiten Messelektrode hervorruft. Die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale wirkt sich auf das Zeitverhalten des Sensors nachteilig aus. Das zu messende Gas gelangt durch die Membran des Sensors an die Messelektrode im Inneren des Sensors. Der Transport des zu messenden Gases erfolgt bei porösen Membranen durch Diffusion und bei geschlossenen Membranen durch Permeation. Daraus resultiert eine membrantypische Durchdringungszeit für die zu messenden Gase. Die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale bewirkt eine zeitliche Verzögerung des messbaren Signals des elektrochemischen Gassensors gegenüber der membrantypischen Durchdringungszeit. Besonders nachteilig ist die Verzögerung des messbaren Signals bei einer schnellen Folge von Änderungen der Gaskonzentration, wie sie beispielsweise bei der Überwachung der menschlichen Ein- und Ausatmung stattfindet. In diesem Beispiel ergibt sich bei einem gesunden Menschen bei der Einatmung eine Sauerstoffkonzentration von 21 Volumenprozent, bei der Ausatmung ist die Sauerstoffkonzentration der ausgeatmeten Luft auf cirka 16 Volumenprozent vermindert.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrodenanordnung und eine zugehörige Betriebsbeschaltung für einen elektrochemischen Gassensor anzugeben, die die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale unterbindet und eine Verbesserung des zeitlichen Messsignalverhaltens ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung von Elektroden in einem flüssigen Elektrolyten in einem gemeinsamen Elektrolytraum und der zugehörigen Betriebsschaltung nach Anspruch 1 gelöst.
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Die Ansprüche 2 bis 13 geben vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung an.
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Eine erste erfindungsgemäße Anordnung ist derart ausgestaltet, dass eine Anordnung der Elektroden in einem elektrochemischen Gassensor gewählt wird, die eine Zuordnung jeweils einer Arbeitselektrode zu einer Gegenelektrode und zu einer Bezugselektrode vorsieht. In einem Elektrolytraum sind insgesamt sechs Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine erste und eine zweite Bezugselektrode,
und eine erste und eine zweite Gegenelektrode.
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Die Schutzelektrode ist zwischen der Messelektrode und den Gegenelektroden angeordnet. Die sechs Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten jeweils die erste Gegenelektrode, die erste Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten jeweils die zweite Gegenelektrode, die zweite Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.
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Die Elektroden werden in einer weiter bevorzugten Weise durch Separatoren, insbesondere Vliese voneinander getrennt. Die Separatoren sind aus porösen hydrophilen Materialien ausgebildet, vorzugsweise aus Glasfaservliesen oder aus Kunststoffvliesen. Die zwischen der Messelektrode und den Gegenelektroden angeordnete Schutzelektrode verhindert den Transport von Reaktionsprodukten der Gegenelektroden zur Messelektrode.
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In bevorzugter Weise ist das Sensorgehäuse in konzentrischer zylindrischer Form ausgebildet.
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Eine weitere vorteilhafte Variante der Gehäuseform stellt eine planare Ausbildung des Sensorgehäuses dar.
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In einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Bezugselektroden als gemeinsame Bezugselektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei in vorteilhafter Weise der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse vereinfacht wird.
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In einem Elektrolytraum sind insgesamt fünf Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Bezugselektrode
und eine erste und eine zweite Gegenelektrode.
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Die fünf Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten eine erste Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten sind eine zweite Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet.
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In einer dritten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Gegenelektroden als gemeinsame Gegenelektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei wie in der zweiten erfindungsgemäßen Anordnung der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse vereinfacht wird.
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In einem Elektrolytraum sind insgesamt fünf Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Gegenelektrode
eine erste und eine zweite Bezugselektrode
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Die fünf Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die erste Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die zweite Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.
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In einer vierten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Bezugselektroden als gemeinsame Bezugselektrode und die Gegenelektroden als gemeinsame Gegenelektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse gegenüber der zweiten und dritten Ausführungsform weiter vereinfacht wird.
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In einem Elektrolytraum sind insgesamt vier Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Gegenelektrode
eine gemeinsame Bezugselektrode
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Die vier Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.
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Eine spezielle Erweiterung der Ausführungsform eines solchen elektrochemischen Gassensors und in solcher Art betriebenen elektrochemischen Gassensors erhält man dadurch, dass zusätzlich zu den beschriebenen zwei Elektrodensätzen, jeweils bestehend aus einer Gegenelektrode, einer Bezugselektrode und einer Messelektrode, mindestens ein weiterer Elektrodensatz, bestehend aus einer Gegenelektrode, einer Bezugselektrode und einer Messelektrode, in dem gemeinsamen Elektrolytraum untergebracht ist, und dass jeder weitere Elektrodensatz mit einer weiteren Potenziostatschaltung verbunden ist.
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In einer weiteren speziellen Erweiterung der Ausführungsform eines solchen elektrochemischen Gassensors ist die galvanische Trennung der Versorgungsspannungen der mindestens drei Potenziostatschaltungen vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung von vier, fünf oder sechs Elektroden in einem gemeinsamen Elektrolytraum und der zugehörigen Betriebsschaltung ist die Spannungsversorgung des ersten Potenziostaten von der Spannungsversorgung des zweiten Potenziostaten getrennt ausgeführt, um eine unabhängige Potenzialsteuerung der Elektrodenpotenziale zu gewährleisten.
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Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform eine galvanische Trennung der Versorgungsspannungen der beiden Potenzionstatschaltungen vorgesehen.
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Die galvanische Trennung kann über entsprechende Trennelemente, wie etwa Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung der eingangsseitigen Spannung von den ausgangsseitigen Spannungen oder über getrennte Sekundärwicklungen eines Trenntransformators mit nachgeschalteten Gleichrichtelementen dargestellt werden. Eine Spannungsversorgung der Schaltung über eine Anzahl von mindestens zwei nicht untereinander elektrisch verbundenen Primärbatterien oder wiederaufladbaren Batterien bewirkt in ähnlicher Weise eine galvanische Trennung der Potenziostaten.
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Eine Anordnung von mindestens zwei Elektrodensätzen in einem elektrochemischen Gassensor ist besonders vorteilhaft für einen Sauerstoffsensor zur Überwachung der menschlichen Atemtätigkeit. Der flüssige Elektrolyt besteht dabei in bewährter Weise aus Schwefelsaure. Dem Elektrolyten kann dabei ein ergänzender Zusatz beigefügt sein, mit dessen Hilfe die chemische Prozesskette bei der elektrochemisch basierten Gasmessung in einer Form variiert wird, dass mit dem ergänzenden Zusatz, dem sogenannten Mediator, eine zusätzliche Umsetzungsreaktion erfolgt. In der
DE 10 2006 014 715 B3 ist der Aufbau eines elektrochemischen Gassensors mit einem Mediator beschrieben. Die Messelektrode und die Schutzelektrode bestehen in bewährter Ausführung aus einem Edelmetall, oder aus einem Material, das ein Edelmetall enthält.
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Die Messelektrode und die Schutzelektrode können in einer alternativen Ausführung aus Kohlenstoff als Basismaterial bestehen. Mögliche Ausprägungen davon sind Elektroden aus Diamant, aus Diamant-ähnlichen Materialien, wie dem sogenannten Diamant-Like-Carbon (DLC) oder Ausführungen aus einem Material, das auf Kohlenstoffröhrchen basiert, den sogenannten Carbon Nano Tubes (CNT). In der
DE 10144862 A1 ist der Aufbau eines elektrochemischen Gassensors mit Diamatelektroden beschrieben.
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An einem Ausführungsbeispiel und den zugehörigen 1–7 werden die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden und die Betriebsschaltung näher erläutert.
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1 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von sechs Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen,
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2 zeigt in der erfindungsgemäßen Ausführung die zugehörigen Mittel einer ersten Potenziostaten-Beschaltung und
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Energieversorgung für den Betrieb des erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensors,
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3 zeigt in der erfindungsgemäßen Ausführung die zugehörigen Mittel einer zweiten Potenziostaten-Beschaltung und Energieversorgung für den Betrieb des erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensors,
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4 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von fünf Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen,
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5 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von fünf Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen,
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6 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer vierten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von vier Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen,
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7 zeigt den erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensor in Zusammenschau mit den Mitteln zum Betrieb und zur Energieversorgung und Auswertung gemäß den 1 bis 6.
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1 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit der erfindungsgemäßen Anordnung von sechs Elektroden. Die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) ist in den 2 und 3 abgebildet. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Gegenelektrode 5, eine zweite Gegenelektrode 6, eine erste Bezugselektrode 7 und eine zweite und eine Anzahl von drei Separatoren 200, 201, 202 Bezugselektrode 8 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über eine Membran 19. Die erste Bezugselektrode 7 ist über eine Verbindungsstelle 70 nach außen geführt. Die zweite Bezugselektrode 8 ist über eine Verbindungsstelle 80 nach außen geführt. Die erste Gegenelektrode 5 ist über eine Verbindungsstelle 50 nach außen geführt. Die zweite Gegenelektrode 6 ist über eine Verbindungsstelle 60 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über eine Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist zwischen der Messelektrode 3 und den Gegenelektrode 6 angeordnet, Die Schutzelektrode 4 ist über eine Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 5, 6, 7, 8 sind durch die drei Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von ersten Gegenelektrode 5 und von der zweiten Gegenelektrode 6 getrennt. Die erste und die zweite Gegenelektrode 5, 6 sind von der ersten Bezugselektrode 7 und von der zweiten Bezugselektrode 8 durch einen ersten Separator 200 getrennt.
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In den 2 und 3 ist die Anbindung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung nach 1 mit einer ersten und zweiten Potenziostatschaltung zum Betrieb des elektrochemischen Sensors gezeigt.
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Die Messelektrode 3, die erste Gegenelektrode 5 und die erste Bezugselektrode 7 sind über die Verbindungen 30, 31, 50, 51 und 70, 71 mit einer ersten Potenziostatschaltung 9 verbunden. Die Schutzelektrode 4, die zweite Gegenelektrode 6 und die zweite Bezugselektrode 8 sind über die Verbindungen 40, 41, 60, 61 und 80, 81 mit einer zweiten Potenziostatschaltung 10 verbunden. Die erste Potenziostatschaltung 9 mit den Verbindungsstellen 31, 51, 71 besteht aus einem ersten Operationsverstärker 23, einem ersten Widerstand 22, einem zweiten Operationsverstärker 33 und einem dritten Operationsverstärker 43. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 ist über die Verbindungsstellen 31 und 30 mit der Messelektrode 3 verbunden.
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Der erste Widerstand 22 ist mit einer Anschlussseite an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 23 angeschlossen, mit der anderen Anschlussseite ist der erste Widerstand 22 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 angeschlossen. Am nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 wird von außen ein erstes Referenzpotenzial 26 im Bereich von –2000 bis +2000 Millivolt eingestellt, das als Führungsgröße für das Potenzial an der ersten Messelektrode 3 wirkt. Das erste Referenzpotenzial 26 ist mit einem ersten Bezugsspannungsanschluss 20 einer ersten Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist über die Verbindungsstellen 51 und 50 mit der ersten Gegenelektrode 5 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist über die Verbindungsstellen 71 und 70 mit der ersten Bezugselektrode 7 verbunden. Am nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 wird von außen ein drittes Referenzpotential 36 eingestellt, das mit einem zweiten Bezugsspannungsanschluss 27 der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden ist. Der zweite Bezugsspannungsanschluss 27 der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 ist von der ersten positiven Versorgungsspannung 91 und der ersten negativen Versorgungsspannung 92 in der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 abgeleitet und wird in einer bevorzugten Ausführung als Bezugsgröße als ein Massepotenzial ausgebildet. Besonders bei einer Ausführung mit unipolarer Versorgung der Operationsverstärker 33, 43, 23 wobei die negative Versorgungsspannung 92 als ein Potenzial von 0 V ausgebildet ist, wird das Potenzial des zweiten Bezugsspannungsanschlusses 27 in bevorzugter Weise als virtuelle Masse mittig in den Spannungsbereich gelegt. Eine unipolare Ausführung ist in besonderer Weise vorteilhaft für ein batteriebetriebenes Gasmessgerät. Der dritte Operationsverstärker 43 ist als Differenzverstärker ausgeführt und ist eingangsseitig über die Verbindungsstelle 31 und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23, sowie mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 23 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 43 ist mit der Kontaktstelle 46 verbunden. Hier liegt ein erstes Ausgangssignal an, das einer Auswerteschaltung 13 (7) zur Verfügung gestellt wird. Die positive Versorgungsspannung für den ersten Operationsverstärker 23 ist über die Verbindungsstelle 24 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt.
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Die negative Versorgungsspannung für den ersten Operationsverstärker 23 ist über die Verbindungsstelle 25 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den zweiten Operationsverstärker 33 ist über die Verbindungsstelle 34 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den zweiten Operationsverstärker 33 ist über die Verbindungsstelle 35 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den dritten Operationsverstärker 43 ist über die Verbindungsstelle 44 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den dritten Operationsverstärker 43 ist über die Verbindungsstelle 45 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die zweite Potenziostatschaltung 10 mit den Verbindungsstellen 41, 61, 81 besteht aus einem vierten Operationsverstärker 53, einem zweiten Widerstand 52, einem fünften Operationsverstärker 63 und einem sechsten Operationsverstärker 73. Der invertierende Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 ist über die Verbindungsstellen 41 und 40 mit der Schutzelektrode 4 verbunden.
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Der zweite Widerstand 52 ist mit einer Anschlussseite an den Ausgang des vierten Operationsverstärkers 53 angeschlossen, mit der anderen Anschlussseite ist der zweite Widerstand 52 an den invertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 angeschlossen. Am nichtinvertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 wird von außen ein zweites Referenzpotenzial 56 im Bereich von –2000 bis +2000 Millivolt eingestellt, das als Führungsgröße für das Potenzial an der Schutzelektrode 4 wirksam ist. Das zweite Referenzpotenzial 56 ist mit einem dritten Bezugsspannungsanschluss 21 einer zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 verbunden. Der Ausgang des fünften Operationsverstärkers 63 ist über die Verbindungsstellen 61 und 60 mit der zweiten Gegenelektrode 6 verbunden. Der invertierende Eingang des fünften Operationsverstärkers 63 ist über die Verbindungsstellen 81 und 80 mit der zweiten Bezugselektrode 8 verbunden. Am nichtinvertierenden Eingang des fünften Operationsverstärkers 63 wird von außen ein viertes Referenzpotenzial 37 eingestellt, das mit dem vierten Bezugsspannungsanschluss 28 der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 verbunden ist. Der vierte Bezugsspannungsanschluss 28 der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 ist in bevorzugter Weise von der zweiten positiven Versorgungsspannung 101 und der zweiten negativen Versorgungsspannung 102 in der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 abgeleitet und wird als Bezugsgröße in einer bevorzugten Ausführung als ein Massepotenzial ausgebildet. Besonders bei einer Ausführung mit unipolarer Versorgung der Operationsverstärker 63, 73, 53 wobei die negative Versorgungsspannung 102 als ein Potenzial von 0 V ausgebildet ist, wird das Potenzial des vierten Bezugsspannungsanschlusses 28 in bevorzugter Weise als virtuelle Masse mittig in den Spannungsbereich gelegt. Eine unipolare Ausführung ist in besonderer Weise vorteilhaft für ein batteriebetriebenes Gasmessgerät. Der sechste Operationsverstärker 73 ist als Differenzverstärker ausgeführt und ist eingangsseitig mit dem invertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53, sowie mit dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers 53 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 73 ist mit der Kontaktstelle 76 verbunden. Hier liegt ein zweites Ausgangssignal an, das einer Auswerteschaltung 13 (7) zur Verfügung gestellt wird. Die positive Versorgungsspannung für den vierten Operationsverstärker 53 ist über die Verbindungsstelle 54 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den vierten Operationsverstärker 53 ist über die Verbindungsstelle 55 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den fünften Operationsverstärker 63 ist über die Verbindungsstelle 64 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den fünften Operationsverstärker 63 ist über die Verbindungsstelle 65 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den sechsten Operationsverstärker 73 ist über die Verbindungsstelle 74 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den sechsten Operationsverstärker 73 ist über die Verbindungsstelle 75 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Das erste Versorgungsmodul 11 dient der Spannungsversorgung der ersten Potenziostatschaltung 9. Das zweite Versorgungsmodul 12 dient der Spannungsversorgung der zweiten Potenziostatschaltung 10. Das erste Spannungsversorgungsmodul 11 enthält ein erstes galvanisches Trennelement 15, ein erstes Gleichrichtelement 16 und ein erstes primärseitiges Anschlusspaar 90. Das zweite Spannungsversorgungsmodul 12 enthält ein zweites galvanisches Trennelement 17, ein zweites Gleichrichtelement 18 und ein zweites primärseitiges Anschlusspaar 100. Die erste positive Versorgungsspannung 91 ist an einen ersten positiven Sammelleiter 93 angeschlossen. Die erste negative Versorgungsspannung 92 ist an einen ersten negativen Sammelleiter 94 angeschlossen. Die zweite positive Versorgungsspannung 101 ist an einen zweiten positiven Sammelleiter 103 angeschlossen. Die zweite negative Versorgungsspannung 102 ist an einen zweiten negativen Sammelleiter 104 angeschlossen. Ausgehend vom ersten Versorgungsmodul 11 werden die Versorgungsspannungen über die Verbindungsstellen 24, 25, 34, 35, 44, 45 und einen ersten gemeinsamen positiven Sammelleiter 93 und einen ersten gemeinsamen negativen Sammelleiter 94 dem ersten Potenziostaten 9 zugeführt. Ausgehend vom zweiten Versorgungsmodul 12 werden die Versorgungsspannungen über die Verbindungsstellen 54, 55, 64, 65, 74, 75 und einen zweiten gemeinsamen positiven Sammelleiter 103 und einen zweiten gemeinsamen negativen Sammelleiter 104 dem zweiten Potenziostaten 10 zugeführt.
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4 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von fünf Elektroden. Die Anordnung der fünf Elektroden 3, 4, 5, 6, 203 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 4 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von fünf Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Gegenelektrode 5, eine zweite Gegenelektrode 6 und eine gemeinsame Bezugselektrode 203 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Bezugselektrode 203 ist über die Verbindungsstellen 70, 80 nach außen geführt. Die erste Gegenelektrode 5 ist über die Verbindungsstelle 50 nach außen geführt. Die zweite Gegenelektrode 6 ist über die Verbindungsstelle 60 nach außen geführt.
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Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt.
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Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt.
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Die Elektroden 3, 4, 5, 6, 203 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von der ersten Gegenelektrode 5 und von der zweiten Gegenelektrode 6 getrennt.
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Die erste und die zweite Gegenelektrode 5, 6 sind von der gemeinsamen Bezugselektrode 203 durch einen ersten Separator 200 getrennt.
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5 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von fünf Elektroden. Die Anordnung der fünf Elektroden 3, 4, 7, 8, 204 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 5 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von fünf Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Bezugselektrode 7, eine zweite Bezugselektrode 8 und eine gemeinsame Gegenelektrode 204 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist über die Verbindungsstellen 50, 60 nach außen geführt. Die erste Bezugselektrode 7 ist über die Verbindungsstelle 70 nach außen geführt. Die zweite Bezugselektrode 8 ist über die Verbindungsstelle 80 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 7, 8, 206 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von gemeinsamen Gegenelektrode 204 getrennt. Die gemeinsamen Gegenelektrode 204 ist von den Bezugselektroden 7, 8 durch einen ersten Separator 200 getrennt.
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6 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von vier Elektroden. Die Anordnung der vier Elektroden 3, 4, 203, 204 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 6 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von vier Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine gemeinsame Gegenelektrode 204, und eine gemeinsame Bezugselektrode 203 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Bezugselektrode 203 ist über die Verbindungsstellen 70, 80 nach außen geführt. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist über die Verbindungsstellen 50, 60 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 203, 204 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von der gemeinsamen Gegenelektrode 204 getrennt. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist von der gemeinsamen Bezugselektrode 203 durch einen ersten Separator 200 getrennt.
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In 7 ist die Zusammenschaltung des elektrochemischen Gassensors 1 mit der ersten Potenziostatenschaltung 9 und der zweiten Potenziostatenschaltung 10, dem ersten Spannungsversorgungsmoduls 11, dem zweiten Spannungsversorgungsmoduls 12, einer zentralen Spannungsversorgungseinheit 14 und einer Auswerteeinheit 13 gezeigt. Die zentrale Spannungsversorgung 14 ist dazu ausgebildet, die Spannungsversorgungsmodule 11, 12 mit Spannung zu versorgen. Die beiden Versorgungsmodule 11 und 12 sind mit der zentralen Spannungsversorgungseinheit 14 verbunden und können in einer bevorzugten Ausführungsform an den primärseitigen Anschlusspaaren 90, 100 miteinander verbunden sein. Das erste Ausgangssignal 46 des dritten Operationsverstärkers 43 der ersten Potenziostatschaltung 9 und das zweite Ausgangssignal 76 des sechsten Operationsverstärkers 73 der zweiten Potenziostatschaltung 10 sind mit der Auswerteeinheit 13 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorgehäuse
- 2
- Elektrolytraum
- 3
- Messelektrode
- 4
- Schutzelektrode
- 5
- erste Gegenelektrode
- 6
- zweite Gegenelektrode
- 7
- erste Bezugselektrode
- 8
- zweite Bezugselektrode
- 9
- erste Potenziostatschaltung
- 10
- zweite Potenziostatschaltung
- 11
- erste Spannungsversorgungseinheit
- 12
- zweite Spannungsversorgungseinheit
- 13
- Auswerteeinheit
- 14
- zentrale Spannungsversorgung
- 15
- erstes galvanisches Trennelement
- 16
- erstes Gleichrichtelement
- 17
- zweites galvanisches Trennelement
- 18
- zweites Gleichrichtelement
- 19
- Membran
- 20
- erster Bezugsspannungsanschluss
- 21
- dritter Bezugsspannungsanschluss
- 22
- erster Widerstand
- 23
- erster Operationsverstärker
- 24
- positive Versorgungsspannung des ersten Operationsverstärkers
- 25
- negative Versorgungsspannung des ersten Operationsverstärkers
- 26
- erstes Referenzpotenzial
- 27
- zweiter Bezugsspannungsanschluss
- 28
- vierter Bezugsspannungsanschluss
- 29
- Elektrolyt
- 30
- Verbindungsstelle des Sensors zur Messelektrode
- 31
- Verbindungsstelle des ersten Potenziostaten zur Messelektrode
- 33
- zweiter Operationsverstärker
- 34
- positive Versorgungsspannung des zweiten Operationsverstärkers
- 35
- negative Versorgungsspannung des zweiten Operationsverstärkers
- 36
- drittes Referenzpotenzial
- 37
- viertes Referenzpotenzial
- 41
- Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur Schutzelektrode
- 40
- Verbindungsstelle des Sensors zur Schutzelektrode
- 43
- dritter Operationsverstärker
- 44
- positive Versorgungsspannung des dritten Operationsverstärkers
- 45
- negative Versorgungsspannung des dritten Operationsverstärkers
- 46
- Ausgangssignal des dritten Operationsverstärkers
- 50
- Verbindungsstelle des Sensors zur ersten Gegenelektrode
- 51
- Verbindungsstelle des ersten Potenzionstaten zur ersten Gegenelektrode
- 52
- zweiter Widerstand
- 53
- vierter Operationsverstärker
- 54
- positive Versorgungsspannung des vierten Operationsverstärkers
- 55
- negative Versorgungsspannung des vierten Operationsverstärkers
- 56
- zweites Referenzpotenzial
- 60
- Verbindungsstelle des Sensors zur zweiten Gegenelektrode
- 61
- Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur zweiten Gegenelektrode
- 63
- fünfter Operationsverstärker
- 64
- positive Versorgungsspannung des fünften Operationsverstärkers
- 65
- negative Versorgungsspannung des fünften Operationsverstärkers
- 70
- Verbindungsstelle des Sensors zur ersten Bezugselektrode
- 71
- Verbindungsstelle des ersten Potenziostaten zur ersten Bezugselektrode
- 73
- sechster Operationsverstärker
- 74
- positive Versorgung des sechsten Operationsverstärkers
- 75
- negative Versorgung des sechsten Operationsverstärkers
- 76
- Ausgangssignal des sechsten Operationsverstärkers, zweites
- 80
- Verbindungsstelle des Sensors zur zweiten Bezugselektrode
- 81
- Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur zweiten Bezugselektrode
- 90
- erstes primärseitiges Anschlusspaar
- 91
- erste positive Versorgungsspannung
- 92
- erste negative Versorgungsspannung
- 93
- erster positiver Sammelleiter
- 94
- erster negativer Sammelleiter
- 100
- zweites primärseitiges Anschlusspaar
- 101
- zweite positive Versorgungsspannung
- 102
- zweite negative Versorgungsspannung
- 103
- zweiter positiver Sammelleiter
- 104
- zweiter negativer Sammelleiter
- 200
- Separator
- 201
- Separator
- 202
- Separator
- 203
- gemeinsame Bezugselektrode
- 204
- gemeinsame Gegenelektrode
