DE102021107754A1 - Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor - Google Patents
Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021107754A1 DE102021107754A1 DE102021107754.0A DE102021107754A DE102021107754A1 DE 102021107754 A1 DE102021107754 A1 DE 102021107754A1 DE 102021107754 A DE102021107754 A DE 102021107754A DE 102021107754 A1 DE102021107754 A1 DE 102021107754A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- output
- input
- filter
- digital
- voltage
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensorschaltung (1) für einen elektrochemischen Sensor (2), umfassend:- eine Spannungsquelle (10),- eine Steuereinheit (20), welche mit der Spannungsquelle (10) verbunden ist,- einen ersten Impedanzwandler (30) mit einem Eingang (31) und einem Ausgang (32),- ein erstes Eingangsfilter (40) mit einem Eingang (AA) und einem Ausgang (BB),- einen ersten Anschluss (60) zum Anschließen eines Kabels (70),- einen zweiten Anschluss (61) zum Anschließen des Kabels (70), wobei der zweite Anschluss (61) mit dem Eingang (31) des ersten Impedanzwandlers (30) verbunden ist,wobei der Eingang (31) des ersten Impedanzwandlers (30) mit dem Eingang (AA) des ersten Eingangsfilters (40) verbunden ist.The invention relates to a sensor circuit (1) for an electrochemical sensor (2), comprising: - a voltage source (10), - a control unit (20) which is connected to the voltage source (10), - a first impedance converter (30). an input (31) and an output (32), - a first input filter (40) with an input (AA) and an output (BB), - a first connection (60) for connecting a cable (70), - a second Connection (61) for connecting the cable (70), the second connection (61) being connected to the input (31) of the first impedance converter (30), the input (31) of the first impedance converter (30) being connected to the input ( AA) of the first input filter (40) is connected.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensorschaltung, einen elektrochemischen Sensor, sowie ein Verfahren zum Betreiben des elektrochemischen Sensors.The invention relates to a sensor circuit, an electrochemical sensor, and a method for operating the electrochemical sensor.
In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden. Elektrochemische Sensoren zur Messung des pH-Werts eines Messmediums sind in der Regel aus zwei elektrochemischen Halbzellen aufgebaut. Eine Halbzelle besteht darin beispielhaft aus einer sogenannten Referenzzelle mit einer elektrisch kontaktierten Elektrolytflüssigkeit, die über ein Diaphragma leitend mit dem Messmedium verbunden ist. Eine andere mögliche Halbzelle besteht darin, beispielsweise für die Messung des pH-Werts aus einer elektrisch kontaktierten Pufferlösung mit definiertem pH-Wert, welche durch eine dünne Glasbarriere vom Messmedium getrennt ist. Weiterhin ist es möglich, dass eine Halbzelle über einen direkt mit dem Messmedium elektrisch verbundenen Metallkontakt, beispielsweise einen Edelmetallkontakt, oder über eine Emaille-Membran erfolgt. Im Folgenden wird zwar jeweils von elektrochemischen Halbzellen gesprochen, die Erfindung und die zugehörigen Vorteile können vom Fachmann jedoch für jede Sensor-Konfiguration, insbesondere auch für einteilige Konfigurationen, eingesetzt werden. Verschiedene Konfigurationen sind durch die Ersatzschaltbilder aus den
In dieser Schrift wird der Begriff „Halbzellen“ zur Beschreibung aller Teilkomponenten des Sensors, welche einen direkten Kontakt zum Messmedium, bzw. zum Analyten, aufweisen, verwendet. Der Begriff „elektrochemischer Sensor“ wird für das Gesamtsystem verwendet, welches aus Elektronik, ggf. Kabelverbindungen und den Halbzellen besteht.In this document, the term "half-cells" is used to describe all sub-components of the sensor that have direct contact with the measurement medium or the analyte. The term "electrochemical sensor" is used for the entire system, which consists of electronics, cable connections, if necessary, and the half-cells.
Die durch die elektrochemische Halbzellen generierten elektrische Spannungen werden mittels zwei oder drei elektrischen Signalleitungen zur Verfügung gestellt. Beispielsweise dient eine Signalleitung zur Bereitstellung eines Bezugspotentials (auch Potentialausgleich PAL genannt), eine Signalleitung dient zur Bereitstellung einer Referenzspannung (auch REF genannt) und eine Signalleitung dient zur Bereitstellung eines Sensorsignals (auch SENSE genannt). In der Praxis bewegen sich die relevanten Spannungspegel, die sich zwischen den Signalleitungen ausbilden, im Bereich von +/- 2 V Gleichspannung. Die Auswertung der elektrischen Spannungen geschieht durch eine Elektronikeinheit mit einer Sensorschaltung, welche die Sensorsignale weitgehend digital verarbeitet. Eine solche Sensorschaltung weist zum Beispiel einen Mikrocontroller auf. Heutige übliche Mikrocontroller arbeiten mit Spannungsversorgungen von 1,8 V, 2,5 V oder 3,3 V und benötigen bezogen auf das Massepotential (auch GND genannt) der Schaltung keine negativen Versorgungsspannungen (auch VCC genannt). Damit der Mikrocontroller, die von den elektrochemischen Halbzellen generierten analoge Spannungen auswerten kann, werden diese für gewöhnlich mittels eines Analog-Digital-Wandlers (auch ADC genannt) in digitale Signale umgesetzt. Besonders kostengünstig ist es, wenn die zur Spannungsumsetzung verwendeten Wandler monolithisch im Mikrocontroller mit integriert sind, da so auf externe teure Bauteile verzichtet werden kann. Im Regelfall setzt das jedoch voraus, dass sich alle konvertierten Spannungspegel im Aussteuerbereich der integrierten Komponenten bewegen, d.h. im Regelfall zwischen den Versorgungspotentialen (GND und VCC) des Mikrocontrollers. Da die von den elektrochemischen Halbzellen generierten Spannungspotentiale sowohl negativ als auch positiv sein können, ist zum Einsatz von im Mikrocontroller integrierten Wandlen üblicherweise eine Umsetzungsschaltung erforderlich, welche die bipolaren Sensorspannungen von z.B. +/-2V in den Aussteuerbereich der Wandlerkomponenten, von z.B. 0 bis 2,5 V umsetzt. Eine solche Umsetzungsspannung hat jedoch verschiedene Nachteile. Einerseits können systematische Fehler durch die Umsetzungsschaltung eingeführt werden, z.B. aufgrund einer Temperaturdrifts können Teilerverhältnisse von Widerstands-Spannungsteilern verändert werden, oder z.B. aufgrund einer Gleichtaktspannungs-Abhängigkeit von Operationsverstärkern können Offsetfehler erzeugt werden.The electrical voltages generated by the electrochemical half-cells are made available by means of two or three electrical signal lines. For example, a signal line is used to provide a reference potential (also called potential equalization PAL), a signal line is used to provide a reference voltage (also called REF) and a signal line is used to provide a sensor signal (also called SENSE). In practice, the relevant voltage levels that develop between the signal lines are in the range of +/- 2 V DC voltage. The electrical voltages are evaluated by an electronic unit with a sensor circuit, which processes the sensor signals largely digitally. Such a sensor circuit has a microcontroller, for example. Today's standard microcontrollers work with power supplies of 1.8 V, 2.5 V or 3.3 V and do not require any negative supply voltages (also called VCC) in relation to the ground potential (also called GND) of the circuit. In order for the microcontroller to be able to evaluate the analog voltages generated by the electrochemical half-cells, these are usually converted into digital signals using an analog-to-digital converter (also called ADC). It is particularly cost-effective if the converters used for voltage conversion are monolithically integrated in the microcontroller, since expensive external components can then be dispensed with. As a rule, however, this assumes that all converted voltage levels are within the control range of the integrated components, i.e. usually between the supply potentials (GND and VCC) of the microcontroller. Since the voltage potentials generated by the electrochemical half-cells can be both negative and positive, the use of converters integrated in the microcontroller usually requires a conversion circuit that converts the bipolar sensor voltages of e.g. +/-2V into the modulation range of the converter components, e.g. from 0 to 2 .5 V converts. However, such a conversion voltage has several disadvantages. On the one hand, systematic errors can be introduced by the conversion circuit, e.g. due to a temperature drift, divider ratios of resistance-voltage dividers can be changed, or e.g. due to a common-mode voltage dependency of operational amplifiers, offset errors can be generated.
Andererseits ist die Bereitstellung einer bipolaren Versorgung mit zusätzlichen Kosten verbunden und kann z.B. im explosionsgeschützten Einsatzfall die Verwendung einer größeren Anzahl von Überspannungs-Begrenzungsmaßnahmen, wie zum Beispiel Zenerdioden o.ä., erforderlich machen.On the other hand, the provision of a bipolar supply is associated with additional costs and, e.g. in explosion-proof applications, may require the use of a larger number of overvoltage limiting measures, such as Zener diodes or similar.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensorschaltung bereitzustellen, welche einfach, zuverlässig und vielseitig einsetzbar ist.It is therefore an object of the invention to provide a sensor circuit which is simple, reliable and versatile.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Sensorschaltung ist, dass bipolare Spannungsversorgungen überflüssig gemacht werden und ein direkter Anschluss der Sensorsignale an die integrierten Wandlerkomponenten von Mikrocontrollern möglich wird. Ebenso ermöglicht die Sensorschaltung die Auswirkung von differentiellen Nichtlinearitätsfehlern in Spannungswandlern weitgehend zu unterdrücken.An advantage of the sensor circuit according to the invention is that bipolar voltage supplies are made superfluous and a direct connection of the sensor signals to the integrated converter components of microcontrollers is possible. The sensor circuit also makes it possible to largely suppress the effects of differential non-linearity errors in voltage converters.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorschaltung gemäß Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by a sensor circuit according to
Die erfindungsgemäße Sensorschaltung für einen elektrochemischen Sensor, umfasst:
- - eine Spannungsquelle, die dazu geeignet ist, ein erstes Spannungspotential und ein zweites Spannungspotential bereitzustellen,
- - eine Steuereinheit, welche mit der Spannungsquelle verbunden ist,
- - einen ersten Impedanzwandler mit einem Eingang und einem Ausgang,
- - ein erstes Eingangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei das erste Eingangsfilter mindestens einen ersten Kondensator aufweist,
- - einen ersten Anschluss zum Anschließen eines Kabels,
- - einen zweiten Anschluss zum Anschließen des Kabels,
wobei der Eingang des ersten Impedanzwandlers mit dem Eingang des ersten Eingangsfilters verbunden ist und der Ausgang des ersten Impedanzwandlers mit dem ersten Analog-Digital-Wandler verbunden ist.The sensor circuit according to the invention for an electrochemical sensor comprises:
- - a voltage source which is suitable for providing a first voltage potential and a second voltage potential,
- - a control unit which is connected to the voltage source,
- - a first impedance converter with an input and an output,
- - a first input filter with an input and an output, wherein the first input filter has at least one first capacitor,
- - a first connector for connecting a cable,
- - a second connector for connecting the cable,
wherein the input of the first impedance converter is connected to the input of the first input filter and the output of the first impedance converter is connected to the first analog-to-digital converter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorschaltung ein erstes Ausgangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen zweiten Digital-Analog-Wandler auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler ist mit dem ersten Eingangsfilter derart verbunden, dass der Digital-Analog-Wandler mit dem Eingang des ersten Ausgangsfilters verbunden ist und der Ausgang des ersten Ausgangsfilters ist mit dem Ausgang des ersten Eingangsfilter verbunden. Das Ausgangsfilter weist mindestens einen ersten Kondensator und einen ersten Widerstand auf.According to one embodiment of the invention, the sensor circuit has a first output filter with an input and an output, and a second digital-to-analog converter. The second digital to analog converter is connected to the first input filter such that the digital to analog converter is connected to the input of the first output filter and the output of the first output filter is connected to the output of the first input filter. The output filter has at least a first capacitor and a first resistor.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt das erste Spannungspotential der Spannungsquelle zwischen 1,5 V und 5 V.According to one embodiment of the invention, the first voltage potential of the voltage source is between 1.5 V and 5 V.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Eingangsfilter einen ersten Kondensator mit einer Kapazität von mindestens 100 pF, vorzugsweise von mindestens 1 nF.According to one embodiment of the invention, the first input filter comprises a first capacitor with a capacitance of at least 100 pF, preferably at least 1 nF.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Eingangsfilter als passives RC-Filter höherer Ordnung ausgebildet und weist neben dem ersten Kondensator mindestens einen weiteren Kondensator auf, sowie weist neben einem ersten Widerstand mindestens einen weiteren Widerstand auf. Die Widerstände sind zwischen dem zweiten Anschluss und dem Eingang des ersten Impedanzwandlers in Serie geschalten und die Kondensatoren sind mit ihrem jeweils ersten Anschluss an mindestens einen der Widerstände angeschlossen und sind mit ihrem zweiten Anschluss an ein Ruhepotential, insbesondere ein Massepotential, oder an jeweils einen Ausgang eines ersten Ausgangsfilters angeschlossen.According to one embodiment of the invention, the first input filter is designed as a higher-order passive RC filter and has at least one additional capacitor in addition to the first capacitor, and has at least one additional resistor in addition to a first resistor. The resistors are connected in series between the second connection and the input of the first impedance converter and the capacitors are connected with their respective first connection to at least one of the resistors and are connected with their second connection to a rest potential, in particular a ground potential, or to an output in each case connected to a first output filter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Ausgangsfilter als passives RC-Tiefpassfilter ausgebildet.According to one embodiment of the invention, the first output filter is designed as a passive RC low-pass filter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuereinheit des Weiteren einen zweiten Analog-Digital-Wandler und einen dritten Digital-Analog-Wandler auf. Die Sensorschaltung weist des Weiteren einen vierten Anschluss, einen fünften Anschluss, einen zweiten Eingangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, einen zweiten Ausgangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, und einen zweiten Impedanzwandler mit einem Eingang und einem Ausgang auf. Der Ausgang ist mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler verbunden und der Eingang ist mit dem vierten Anschluss verbunden. Der Eingang des zweiten Eingangsfilters ist mit dem Eingang des zweiten Impedanzwandlers verbunden und der Eingang des zweiten Ausgangsfilter ist mit dem dritten Digital-Analog-Wandler verbunden. Der Ausgang des zweiten Impedanzwandlers ist mit dem Ausgang des zweiten Eingangsfilters sowie mit dem fünften Anschluss verbunden.According to one embodiment of the invention, the control unit also has a second analog-to-digital converter and a third digital-to-analog converter. The sensor circuit also has a fourth connection, a fifth connection, a second input filter with an input and an output, a second output filter with an input and an output, and a second impedance converter with an input and an output. The output is connected to the second analog to digital converter and the input is connected to the fourth port. The input of the second input filter is connected to the input of the second impedance converter and the input of the second output filter is connected to the third digital-to-analog converter. The output of the second impedance converter is connected to the output of the second input filter and to the fifth connection.
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch einen elektrochemischen Sensor gemäß Anspruch 8 gelöst.The above object is further achieved by an electrochemical sensor according to claim 8.
Der erfindungsgemäße elektrochemischer Sensor umfasst:
- - eine erfindungsgemäße Sensorschaltung,
- - ein erstes Kabel mit einem Innenleiter und einer Abschirmung, wobei die Abschirmung mit dem ersten Anschluss verbunden ist und der Innenleiter mit dem zweiten Anschluss verbunden ist,
- - eine erste elektrochemische Halbzelle mit einem Eingang und einem Ausgang, eine zweite elektrochemische Halbzelle mit einem Eingang und einem Ausgang.
- - a sensor circuit according to the invention,
- - A first cable having an inner conductor and a shield, the shield being connected to the first terminal and the inner conductor is connected to the second terminal,
- - a first electrochemical half-cell with an input and an output, a second electrochemical half-cell with an input and an output.
Der Eingang der ersten elektrochemischen Halbzelle ist dazu geeignet, mit dem Messmedium verbunden zu werden. Der Ausgang der ersten elektrochemischen Halbzelle ist mit der Abschirmung verbunden. Der Eingang der zweiten elektrochemischen Halbzelle ist dazu geeignet, mit dem Messmedium verbunden zu werden. Der Ausgang der zweiten elektrochemischen Halbzelle ist mit dem Innenleiter verbunden.The input of the first electrochemical half-cell is suitable for being connected to the measurement medium. The output of the first electrochemical half-cell is connected to the shield. The input of the second electrochemical half-cell is suitable for being connected to the measurement medium. The output of the second electrochemical half-cell is connected to the inner conductor.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der elektrochemische Sensor eine erfindungsgemäße Sensorschaltung auf. Der elektrochemische Sensor weist des Weiteren ein zweites Kabel mit einem Innenleiter und einer Abschirmung, sowie ein drittes Kabel auf. Der Innenleiter des ersten Kabels ist mit dem zweiten Anschluss und dem Ausgang der zweiten Halbzelle verbunden. Der dritte Anschluss ist mit der Abschirmung des ersten Kabels verbunden. Der Innenleiter des zweiten Kabels ist mit dem vierten Anschluss und dem Ausgang der ersten Halbzelle verbunden. Die Abschirmung des dritten Kabels ist mit dem fünften Anschluss verbunden. Das dritte Kabel ist mit dem ersten Anschluss und mit dem Eingang der ersten Halbzelle sowie dem Eingang der zweiten Halbzelle verbunden.According to one embodiment of the invention, the electrochemical sensor has a sensor circuit according to the invention. The electrochemical sensor also has a second cable with an inner conductor and a shield, and a third cable. The inner conductor of the first cable is connected to the second connection and the output of the second half-cell. The third connector is connected to the shield of the first cable. The inner conductor of the second cable is connected to the fourth connection and the output of the first half-cell. The shield of the third cable is connected to the fifth connector. The third cable is connected to the first connection and to the input of the first half-cell and the input of the second half-cell.
Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.The above object is further achieved by a method according to
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors, umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors,
- - Messen eines ersten Elektrodensignals der ersten elektrochemischen Halbzelle und/oder der zweiten elektrochemischen Halbzelle am zweiten Anschluss,
- - Ausgeben einer ersten Ausgangsspannung am ersten Anschluss an die erste elektrochemische Halbzelle und/oder and die zweite elektrochemische Halbzelle durch den ersten Digital-Analog-Wandler, wobei die erste Ausgangsspannung zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential der Spannungsquelle liegt,
- - Vergleichen des ersten Elektrodensignals und der ersten Ausgangsspannung durch die Steuereinheit,
- - Verändern der ersten Ausgangsspannung durch den ersten Digital-Analog-Wandler, wobei der Schritt des Veränderns der ersten Ausgangsspannung durch den ersten Digital-Analog-Wandler
bis sowohl die erste Ausgangsspannung als auch das erste Elektrodensignal einen Abstand
oder bis ein erster Mittelwert aus der ersten Ausgangsspannung und dem ersten Elektrodensignal gleich einem zweiten Mittelwert aus dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential ist.The method according to the invention for operating an electrochemical sensor comprises the following steps:
- - Providing an electrochemical sensor according to the invention,
- - measuring a first electrode signal of the first electrochemical half-cell and/or the second electrochemical half-cell at the second terminal,
- - Outputting a first output voltage at the first connection to the first electrochemical half-cell and/or to the second electrochemical half-cell by the first digital-to-analog converter, the first output voltage being between the first voltage potential and the second voltage potential of the voltage source,
- - comparing the first electrode signal and the first output voltage by the control unit,
- - changing the first output voltage by the first digital-to-analog converter, wherein the step of changing the first output voltage by the first digital-to-analog converter
until both the first output voltage and the first electrode signal are at a distance of more than 50 mV, preferably more than 200 mV, from the first voltage potential and the second voltage potential,
or until a first average of the first output voltage and the first electrode signal is equal to a second average of the first voltage potential and the second voltage potential.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt beim Schritt des Veränderns der ersten Ausgangsspannung durch den ersten Digital-Analog-Wandler ein synchrones Nachregeln der ersten Ausgangsspannung des ersten Digital-Analog-Wandlers und eines ersten Guard-Signals des zweiten Digital-Analog-Wandlers mit identischen Änderungsraten.According to one embodiment of the invention, when the first output voltage is changed by the first digital-to-analog converter, the first output voltage of the first digital-to-analog converter and a first guard signal of the second digital-to-analog converter are synchronously readjusted with identical rates of change .
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- -
1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors mit einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung, - -
2 : eine detaillierte Darstellung einer Ausführungsform eines Eingangsfilters und eines Ausgangsfilters der in1 dargestellten Sensorschaltung, - -
3 : eine alternative Ausführungsform des in1 dargestellten elektrochemischen Sensors mit einer alternativen Sensorschaltung, - -
4 : eine schematische Darstellung eines Regelverfahrens.
- -
1 : a schematic representation of an electrochemical sensor according to the invention with a sensor circuit according to the invention, - -
2 : a detailed representation of an embodiment of an input filter and an output filter of FIG1 shown sensor circuit, - -
3 : an alternative embodiment of the in1 illustrated electrochemical sensor with an alternative sensor circuit, - -
4 : a schematic representation of a control method.
Die Sensorschaltung 1 weist eine Spannungsquelle 10, eine Steuereinheit 20, einen ersten Impedanzwandler 30, ein erstes Eingangsfilter 40 ein erstes Ausgangsfilter 50, einen ersten Anschluss 60 und einen zweiten Anschluss 61 auf.The
Die Spannungsquelle 10 ist mit der Steuereinheit 20 verbunden und ist dazu geeignet, der Steuereinheit 20 ein erstes Spannungspotential VCC und ein zweites Spannungspotential GND bereitzustellen. Zum Beispiel stellt die Spannungsquelle 10 die Spannungspotentiale VCC, GND über zwei separate Leitungen der Steuereinheit 20 bereit. Die Spannungsquelle 10 stellt vorzugsweise eine unipolare Betriebsspannung bereit. Das erste Spannungspotential VCC ist zum Beispiel 2,5 V größer als das zweite Spannungspotential GND. Das erste Spannungspotential VCC liegt zum Beispiel zwischen 1,8 V und 5 V.The
Die Steuereinheit 20 weist einen ersten Digital-Analog-Wandler 21, einen ersten Analog-Digital-Wandler 22 und einen zweiten Digital-Analog-Wandler 23 auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler 23 kann als Puls-Weiten-Modulator ausgebildet sein. Ein Vorteil der Verwendung von Puls-Weiten-Modulatoren besteht darin, dass diese in üblichen Mikrocontrollern gewöhnlich in größerer Anzahl verbaut sind und weniger Strom als Analog-Digital-Wandler mit kontinuierlichen Ausgangspegeln benötigen. Die Steuereinheit 20 ist zum Beispiel ein Mikrocontroller. Die Aufgabe des zweiten Digital-Analogwandlers 23 besteht darin, ein Gleichspannungssignal auszugeben und einer Filterschaltung (erster Ausgangsfilter 50) zuzuführen, insbesondere ein Gleichspannungssignal, welches dem zeitlich gemittelten Signal am Analog-Digital-Wandler 22 entspricht, um so eine sogenannte „Guard“-Hilfsspannung für den Betrieb der Filterschaltung bereitzustellen.The
Der erste Impedanzwandler 30 weist einen Eingang 31 und einen Ausgang 32 auf. Der Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 ist mit einem Eingang AA des ersten Eingangsfilters 40 und mit dem zweiten Anschluss 61 verbunden. Der Ausgang 32 des ersten Impedanzwandlers 30 ist mit dem ersten Analog-Digital-Wandler 22 verbunden.The
Das erste Eingangsfilter 40 weist einen Eingang AA und einen Ausgang BB auf. Das erste Eingangsfilter 40 umfasst mindestens einen ersten Kondensator 41. Der erste Kondensator 41 weist eine Kapazität von mindestens 220 pF, vorzugsweise von mindestens 1 nF, auf.The
Das erste Ausgangsfilter 50 weist einen Eingang A und einen Ausgang B auf und verbindet den Ausgang des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23 mit dem ersten Eingangsfilter 40 und entkoppelt dabei bei Bedarf das erste Eingangsfilter 40 und den zweiten Digital-Analog-Wandler 23 wechselseitig von ggf. vorhandenen internen und externen Störsignalen. Sofern weder am Digital-Analog-Wandler 23 noch am Eingang mit Störsignalen zu rechnen ist, ist auch eine direkte Verbindung von Eingang A und Ausgang B möglich, d.h. ein Verzicht auf das Ausgangsfilter 50.The
Das Ausgangsfilter 50 weist vorteilhaft einen ersten Kondensator 51 und einen ersten Widerstand 52 auf. Das erste Ausgangsfilter 50 bildet somit ein erstes RC-Glied RC1. Das RC-Glied ist vorzugsweise ein Tiefpass. Der erste Kondensator 51 des ersten RC-Glieds RC1 weist vorzugsweise eine Kapazität, welche deutlich größer als die des ersten Kondensators 41 des ersten Eingangsfilters 40 ist, auf. Zum Beispiel weist der erste Kondensator 41 des ersten Eingangsfilters 40 eine Kapazität von 1 nF und der erste Kondensator 51 des ersten Ausgangsfilters 50 eine beispielsweise zehn Mal höhere Kapazität, also zum Beispiel von 10 nF, auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler 23 ist mit dem Eingang A des ersten Ausgangsfilters 50 verbunden. Der Ausgang B des ersten Ausgangsfilters 50 ist mit dem Ausgang BB des ersten Eingangsfilter 40 verbunden. Der erste Kondensator 51 ist mit einem ersten Anschluss zwischen dem Widerstand 52 und dem Ausgang B verbunden und mit einem zweiten Anschluss mit einem Spannungspotential, z.B. dem Massepotential verbunden.The
Der erste Anschluss 60 ist dazu geeignet, das erste Kabel 70 oder ein anderes Kabel anzuschließen. Zum Beispiel wird am ersten Anschluss 60 eine Abschirmung 72 des ersten Kabels angeschlossen. Der zweite Anschluss 61 ist auch dazu geeignet, das erste Kabel 70 oder ein anderes Kabel anzuschließen. Zum Beispiel wird am zweiten Anschluss 61 ein Innenleiter 71 des ersten Kabels 70 angeschlossen (siehe
Der erste Anschluss 60 ist mit dem ersten Digital-Analog-Wandler 21 verbunden. Der zweite Anschluss 61 ist mit dem Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 und dem Eingang AA des ersten Eingangsfilters 40 verbunden.The
Die erste elektrochemische Halbzelle 100 weist einen Eigenwiderstand 101, einen Eingang 102 sowie einen Ausgang 103 auf. Die zweite elektrochemische Halbzelle 200 weist einen Eigenwiderstand 201, einen Eingang 202 sowie einen Ausgang 203 auf. Die Eigenwiderstände werden auch Serienimpedanzen genannt. Die erste elektrochemische Halbzelle 100 ist dazu geeignet, ein Gleichspannungspotential auszubilden und an dem Ausgang 103 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 bereitzustellen. Die zweite elektrochemische Halbzelle 200 ist dazu geeignet, ein Gleichspannungspotential auszubilden und an dem Ausgang 203 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 bereitzustellen.The first electrochemical
Wie in der in
In der Ausführungsform von
Wie in
Gemäß der in
Diese zweite Ausführungsform des ersten Eingangsfilters 40 hat den Vorteil, dass am Eingang anliegende Störsignale, z.B. aufgrund von Funkinterferenzen oder andersartig vermittelten Störeinkopplungen mit einem analogen Filter höherer Ordnung besser unterdrückt werden können.This second embodiment of the
Gemäß der in
Ein Eingang A''' des vierten RC-Glieds RC''' ist mit dem Ausgang B des ersten RC-Glieds RC verbunden und ein Ausgang B''' des dritten RC-Glieds RC''' ist mit dem zweiten Anschluss des dritten Kondensators 41'' des ersten Eingangsfilters 40 verbunden, so dass über allen direkt am Eingang 31 des Impedanzwandlers angeschlossenen Bauteilen, also der erste Kondensator 41, der zweite Kondensator 41' und der dritte Kondensator 41'' des ersten Eingangsfilters 40, die gleiche Gleichspannung abfällt, nämlich die Differenz zwischen der an der Klemme, also dem zweiten Anschluss 61, anliegenden Spannung und der am Eingang A des ersten Ausgangsfilters 50, also des ersten RC-Glieds anliegende Gleichspannung.An input A''' of the fourth RC element RC''' is connected to the output B of the first RC element RC and an output B''' of the third RC element RC''' is connected to the second terminal of the third capacitor 41'' of the
Diese zweite Ausführungsform des ersten Ausgangsfilters 50 hat den Vorteil, dass die bei Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers auf Basis einer Pulsweitenmodulation entstehenden Störsignale durch die Filterstufen aus dem ersten Widerstand 52 und dem ersten Kondensator 51 des ersten Ausgangsfilters durch ein Filter höherer Ordnung besser unterdrückt werden können und somit Wechselspannungs-Einkopplungen aus dem PWM-Signal an den Eingang 31 des Impedanzwandlers 30 besser unterdrückt werden können.This second embodiment of the
In der in
In der in
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors 2 beschrieben.The method according to the invention for operating an
In einem ersten Schritt wird der elektrochemische Sensor 2 gemäß einer oben beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt. Der Einfachheit halber wird das Verfahren jedoch zuerst anhand der ersten Ausführungsform der Sensorschaltung 1 beschrieben (siehe
Anschließend erfolgt ein Schritt des Messens eines ersten Elektrodensignals ES1 am zweiten Anschluss 61. Das erste Elektrodensignal ES1 wird durch die erste elektrochemische Halbzelle 100, bzw. zweite elektrochemische Halbzelle 200 generiert und an deren Ausgang 103, bzw. 203 bereitgestellt. Beim ersten Elektrodensignal ES1 handelt es sich um ein Gleichspannungssignal. Das erste Elektrodensignal ES1 ist z.B. abhängig von einer im Messmedium vorhandenen Analyt-Konzentration oder des pH-Werts der Lösung.This is followed by a step of measuring a first electrode signal ES1 at the
Das erste Elektrodensignal ES1 ist im Prinzip die digital ermittelte Differenzspannung zwischen dem Signal am Eingang des ersten Analog-Digital-Wandlers 22 und dem Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers 21, also die Potentialdifferenz zwischen den Kabelanschlüssen 60 und 61. Das erste Elektrodensignal ES1 ist somit die elektrochemische Spannung des elektrochemischen Sensors 2. Ist der elektrochemische Sensor 2 ein pH-Sensor, so kann basierend auf dem ersten Elektrodensignal ES1 z.B. der pH-Wert des Messmediums berechnet werden.The first electrode signal ES1 is in principle the digitally determined differential voltage between the signal at the input of the first analog-to-
Beim Schritt des Messens des ersten Elektrodensignals ES1 erfolgt vorzugsweise gleichzeitig eine analoge Filterung des ersten Elektrodensignals ES1 durch den ersten Eingangsfilter 40 und optional den ersten Ausgangsfilter 50. Beispielsweise wird das erste Elektrodensignal ES1 durch den ersten Kondensator 41 des ersten Eingangsfilters 40 geglättet. Die Filterung durch den ersten Ausgangsfilter 50 umfasst, dass ein Filtersignal vom zweiten Digital-Analog-Wandler 23 generiert und in den ersten Ausgangsfilter 50 eingespeist wird. Das Filtersignal beeinflusst das erste Elektrodensignal ES1 über den mit dem ersten Ausgangsfilter 50 verbundenen ersten Eingangsfilter 40. Für die Filterung weisen die Filterkondensatoren vorzugsweise eine sehr große Kapazität auf, d.h. größer als 100 nF. Das Ausgangsfilter 50 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als für die Digital-Analog-Konvertierung im zweiten Digital-Analog-Wandler 23 ein stromsparendes pulsweitenmoduliertes Digitalsignal als Filtersignal zum Einsatz kommt.In the step of measuring the first electrode signal ES1, the first electrode signal ES1 is preferably simultaneously filtered by the
Als nächstes erfolgt ein Schritt des Ausgebens einer ersten Ausgangsspannung U1 am ersten Anschluss 60 an die erste elektrochemische Halbzelle 100 durch den ersten Digital-Analog-Wandler 21. Eine erste Ausgangsspannung U1 liegt zwischen dem ersten Spannungspotential VCC und dem zweiten Spannungspotential GND der Spannungsquelle 10. Im Folgenden wird unter Ausgangsspannung auch ein zeitlicher Verlauf der ersten Ausgangsspannung, z.B. eine Variation der Amplitude der ersten Ausgangsspannung verstanden. Der Schritt des Ausgebens einer ersten Ausgangsspannung U1 kann auch vor dem Schritt des Messens eines ersten Elektrodensignals ES1 oder zeitgleich erfolgen. Es sei außerdem angemerkt, dass zur Ermittlung der Pegel des Sendesignals 60 sowohl möglich ist, über das Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandlers 21 bzw. dessen digitales Steuersignal auf den Signalpegel am ersten Anschluss 60 zurückzuschließen, bzw. alternativ auch dieses Signal über einen weiteren Analog-Digitalwandler nochmals zurückzulesen, was zur Vereinfachung in den Abbildungen nicht explizit zusätzlich aufgeführt wurde.Next there is a step of outputting a first output voltage U1 at the
Dann folgt ein Schritt des Vergleichens des ersten Elektrodensignals ES1 und der ersten Ausgangsspannung U1 durch die Steuereinheit 20.A step then follows in which the first electrode signal ES1 and the first output voltage U1 are compared by the
Vorteilhafterweise bewegen sich alle Eingangs- und Ausgangssignale bzw. alle Spannungen in der Sensorschaltung 1 mit ausreichend großem Abstand, z.B. 0,2 V zum Massepotential, also dem zweiten Spannungspotential GND, und Versorgungspotential, also dem ersten Spannungspotential VCC, der Spannungsquelle 10. Unter anderem können bei zu geringem Abstand von diesen Grenzen Signalverzerrungen in den Impedanzwandlern 36 und 31 zum Tragen kommen. Um auf einen größtmöglichen Abstand der Signalpegel von diesen Grenzen zu optimieren, ist es möglich, den Spannungspegel am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 21 geeignet zu modifizieren. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die durch die Kapazitäten im ersten Eingangsfilter 40 sowie dem ersten Kabel 70 in Kombination mit der hohen Quellimpedanz der Sensor-Halbzellen lange Einschwingzeiten und Signalverfälschungen ergeben können.Advantageously, all input and output signals or all voltages in the
Zum Zweck der Optimierung des Aussteuerbereichs bzw. der Abstände von den Versorgungsrails, also von dem ersten Spannungspotential VCC und von dem zweiten Spannungspotential GND, erfolgt anschließend ein Schritt des Veränderns der ersten Ausgangsspannung U1 durch den ersten Digital-Analog-Wandler 21. Hierbei wird die erste Ausgangsspannung U1 vorzugsweise mit kleinen Änderungsraten von z.B. weniger als 100 mV pro Sekunde geändert, bis sowohl die erste Ausgangsspannung U1 des ersten Digital-Analog-Wandlers 21 als auch das vom ersten Analog-Digital-Wandler 22 gemessene erste Elektrodensignal ES1 einen Abstand von mehr als 50 mV zu jeweils dem ersten Spannungspotential VCC und dem zweiten Spannungspotential GND aufweisen. Die veränderte erste Ausgangsspannung U1 ist also zwischen dem ersten Spannungspotential VCC und dem zweiten Spannungspotential GND. In anderen Worten ist die erste Ausgangsspannung U1 immer im Ansteuerbereich der Steuereinheit 20. Vorzugsweise beträgt der Abstand zu den Ansteuerbereichsgrenzen, also zum ersten Spannungspotential VCC und zum zweiten Spannungspotential GND mehr als 200 mV.For the purpose of optimizing the control range or the distances from the supply rails, i.e. from the first voltage potential VCC and from the second voltage potential GND, there is then a step of changing the first output voltage U1 by the first digital-to-
Alternativ dazu kann die erste Ausgangsspannung U1 auch verändert werden, bis ein erster Mittelwert aus der ersten Ausgangsspannung U1 und dem Elektrodensignal ES1 gleich einem zweiten Mittelwert aus dem ersten Spannungspotential VCC und dem zweiten Spannungspotential GND ist und somit der Abstand zu den Grenzen maximiert wird.As an alternative to this, the first output voltage U1 can also be changed until a first mean value from the first output voltage U1 and the electrode signal ES1 is equal to a second mean value from the first voltage potential VCC and the second voltage potential GND, and the distance to the limits is thus maximized.
Ergibt sich also beispielsweise ein positiver Spannungspegel von +1V an der elektrochemischen Halbzelle 100 mit einem ersten Elektrodensignal ES1 von 1V, dann kann die erste Ausgangsspannung U1 am ersten Digital-Analog-Wandler 21 auf eine niedrige Spannung von z.B. 250 mV vorgewählt werden, so dass vom ersten Analog-Digital-Wandler 22 ein erstes Elektrodensignal ES1 von 250mV + 1V = 1250 mV gemessen wird.If, for example, there is a positive voltage level of +1V at the electrochemical half-
Würde die zweite elektrochemische Halbzelle 200 eine negative Spannung am Ausgang 203 ausgeben, also wäre das erste Elektrodensignal ES1 negativ, so würde die Steuereinheit 20 am ersten Digital-Analog-Wandler 21 eine höhere erste Ausgangsspannung U1 ausgeben, so dass das nach Addition des ersten Elektrodensignals negative Spannungen, welche außerhalb des Ansteuerbereichs der Steuereinheit 20 wären, vermieden werden.If the second electrochemical half-
Eine Herausforderung ist beim Verändern der ersten Ausgangsspannung U1 durch den ersten Digital-Analog-Wandler 21, dass eine optimale erste Ausgangsspannung U1 durch die Steuereinheit 20 ermittelt und am ersten Digital-Analog-Wandler 21 ausgegeben werden muss, um das erste Elektrodensignal ES1 im Ansteuerbereich der Steuereinheit 20 zu halten. Nicht zu verachten beim Verändern der ersten Ausgangsspannung U1 ist, dass die effektiven Zeitkonstanten der Halbzellen 100, 200 sehr lang sind. Es ergibt sich z.B. bei einer Impedanz von 5 Gigaohm und einem Wert von 10 nF für den Filterkondensator 41 des ersten Eingangsfilter 40 leicht eine Zeitkonstante von 50 Sekunden und Einschwingzeiten von vielen Minuten. In anderen Worten bedeutet dies, dass eine Änderung der ersten Ausgangsspannung U1 durch den ersten Digital-Analog-Wandler 21 erst mit erheblicher Verzögerung vom ersten Analog-Digital-Wandler 22 korrekt gemessen werden kann (z.B. nach dem Ablauf von 10 charakteristischen Zeitkonstanten). Diese Verzögerung wird dadurch verursacht, dass der Kondensator 41 bzw. 46 umgeladen werden muss, was jedoch durch die hohe Quellimpedanz, also den Eigenwiderstand 101 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 bzw. den Eigenwiderstand 201 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 stark verzögert wird.One challenge when changing the first output voltage U1 by the first digital-to-
Bei der Veränderung der ersten Ausgangsspannung U1 muss deswegen mit sehr langen Einschwingzeiten umgegangen werden. Ein Nachstellen der ersten Ausgangsspannung U1 führt also zu einer sich nur sehr langsam abbauenden Signalverfälschung an dem ersten Analog-Digital-Wandler 22, da die Kondensatoren 41, 41', 41" im ersten Eingangsfilter 40 nun auf einen anderen Spannungspegel umgeladen werden müssen. Dieser Umladevorgang kann dadurch vermieden und die Stabilisierung des Messignals kann dadurch beschleunigt werden, dass simultan mit der Veränderung der Ausgangsspannung U1 am ersten Digital-Analog-Wandler 21 von z.B. 100 mV / s eine entsprechende Veränderung am Ausgang des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23 mittels hier so genannten Guard-Signalen K1, K2 erfolgt. Da sich dadurch die Spannung am Anschluss bzw. Fußpunkt des Kondensators 41, also am Ausgang B', bzw. B'' und B''' des ersten Ausgangsfilters 50, im ersten Eingangsfilter 40 die Spannung mit der im wesentlichen gleichen Rate ändert wie am Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers 21, braucht der erste Kondensator 41 nicht umgeladen werden (siehe
Werden die Guard-Signale K1, K2 mit der gleichen Rate verändert wie das Ausgangssignal des ersten Digital-Analog-Wandler 21, so braucht auch hier die parasitäre Kabelkapazität nicht umgeladen werden.If the guard signals K1, K2 are changed at the same rate as the output signal of the first digital-to-
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird beim Schritt des Veränderns der ersten Ausgangsspannung U1 das erste Guard-Signal K1 am zweiten Digital-Analog-Wandler 23 als Abschirmpotential über den ersten Ausgangsfilter 50 auf die Abschirmung 72 des ersten Kabels 70 gegeben (siehe
Gleichzeitig wird der Tastgrad der Digital-Analog-Wandler 23, 25 so verändert, dass sich an den Abschirmpotentialen eine genau entsprechende Anpassung ergibt. Damit die Gleichspannungs-Änderungsrate am Ausgang des ersten Ausgangsfilters 50 und des zweiten Ausgangsfilters 55 möglichst genau der Änderungsrate am Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers 21 folgt, wird vorteilhafterweise die Zeitkonstante des ersten Ausgangsfilters 50 und des zweiten Ausgangsfilters 55 so gewählt, dass diese deutlich schneller einschwingen als die Zeitkonstante, die sich unter Berücksichtigung der Sensorzellen-Impedanz, also dem Eigenwiderstand 101 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 und dem Eigenwiderstand 201 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 und der Kabelkapazitäten bzw. Filterkapazitäten, also den Kondensatoren 41, 41', 41", 51, 51', 51", 51", in dem ersten Eingangsfilter 40 und dem zweiten Eingangsfilter 45 ergibt (siehe
Wird z.B. die erste Ausgangsspannung U1 am ersten Digital-Analog-Wandler 21 vergrößert, so wird die Spannung der Abschirmpotentiale, also der Guard-Signale K1, K2 um den gleichen Betrag vergrößert. Eine Umladung der Kondensatoren 40 und 46 der Eingangsfilter 40, 45 ist somit nicht mehr erforderlich. In anderen Worten wird das Umladen der Kondensatoren 40, 46 durch das erste Guard-Signal K1 bzw. das zweite Guard-Signal K2 vorgenommen, um die Einschwingzeit zu minimisieren. Somit kommen die langen Zeitkonstanten, welche sich aufgrund der großen Eigenwiderstände 101, 201 der elektrochemischen Halbzellen 100, 200 ergeben, nicht mehr zum Tragen. Das Messsignal, also das erste Elektrodensignal ES1 schwingt somit trotz Nachjustage der ersten Ausgangsspannung U1 am ersten Digital-Analog-Wandler 21 schnell ein. Es werden also lange Einschwingzeiten durch Umladen der Kondensatoren der Eingangsfilter an den Analog-Digital-Wandlern vermieden, weil die Spannung am Fußpunkt der Kondensatoren, also am Ausgang BB, BB' des ersten Eingangsfilters 40, 45 synchron mitbewegt wird. Ebenso wird erreicht, dass das erste Elektrodensignal ES1 im Ansteuerbereich der Steuereinheit 20 liegt, vorzugsweise mit möglichst viel Abstand von dem oberen Ansteuergrenzwert, also dem ersten Spannungspotential VCC, und von dem unteren Ansteuergrenzwert, also dem zweiten Spannungspotential GND.If, for example, the first output voltage U1 at the first digital-to-
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in allen beschriebenen Verfahren, im Falle, wenn am Digital-Analogwandler 21 eine Spannung ausgegeben wird, am Digital-Analogwandler 21 nicht nur eine konstante Gleichspannung ausgegeben, sondern eine Überlagerung eines Gleichspannungssignals mit einem Wechselspannungssignal WS1. Durch die Überlagerung mit Wechselspannungswerten, das heißt durch das Wechselspannungssignal WS1, wird der erste Analog-Digital-Wandler 22 und der zweite Analog-Digital-Wandler 24 sowie der erste Digital-Analog-Wandler 21 nicht an einer einzelnen Gleichspannung, also der Ausgangsspannung U1 betrieben. Damit mitteln sich differentielle Nichtlinearitätsfehler bei der Signalwandlung von analog nach digital aus den digitalisierten Werten weitgehend heraus, ein Vorgehen das gelegentlich mit dem Stichwort „Dithering“ beschrieben wird. Diese Kompensation gelingt umso besser, desto höher die Wechselspannungsamplitude des Wechselspannungssignal WS1 ist. Bei einer zu groß gewählten Wechselspannungsamplitude ergibt sich jedoch das Problem der Übersteuerung, da das Ausgangssignal US sich als Summe der AC und DC-Komponenten ergibt und auch die Eingangssignale an den ersten Digital-Analog-Wandler 21 den Ansteuerbereich der Steuereinheit 20, also das erste Spannungspotential VCC nicht überschreiten bzw. das zweite Spannungspotential GND nicht unterschreiten dürfen.In an advantageous embodiment, in all the methods described, when a voltage is output at the digital-to-
Aus diesem Grund wird das nachfolgend beschriebene und in
Liegt keine Übersteuerungsgefahr vor, also ist der Abstand aller Signale zu den Rails kleiner als der vorhergehenden definierten Referenzwert, so wird unterschieden zwischen einem Betriebsmodus im Wesentlichen konstanter Signale oder einem Betriebsmodus, bei dem erkannt wird, dass sich das Sensorsignal aktuell signifikant verändert (Schritt 3.) in
Sofern sich das Sensorsignal aktuell ohnehin ändert (Schritt 3.4) in
Dieser Fall kann bei Nutzung eines mittelnden Guard-Signals, welches dem über längere Zeiträume gemittelten bisherigen Eingangssignal ES1 entspricht z.B. dadurch erkannt werden, dass sich das Eingangssignal, also das erste Elektrodensignal ES1 am Eingang 61 im Vergleich zum zugehörigen ersten Guard-Signal K1 des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23 (bzw. das Signal am Eingang 63 im Vergleich zum zweiten Guard-Signal K2 des dritten Digital-Analog-Wandlers 25) nennenswert ändert, z.B. um mehr als 20 mV. Sofern initial das Guard-Signal so eingestellt war, dass es auf den Gleichspannungspegel am Eingang 61 eingeregelt war, ist eine sich über die Zeit hinweg einstellende Abweichung ein Indikator dafür, dass sich aktuell das analoge Eingangssignal in den Sensorzellen signifikant verändert hat.This case can be detected when using an averaging guard signal, which corresponds to the previous input signal ES1 averaged over longer periods of time, e.g. by the fact that the input signal, i.e. the first electrode signal ES1 at
In diesem Fall wird die Nachführung der Guard-Signale K1 und K2 und des Ausgangssignals US auch mit ggf. größeren Steigungen vorgenommen (Schritt 3.5) in
Vorteilhafterweise wird die maximal zulässige Steigung proportional zur Änderung des ersten Elektrodensignal ES1 zugelassen, z.B. in der Form delta(V_in - V_GUARD) / t_timeConstant. Dabei bezeichnet V_in das erste Elektrodensignal ES1, V_GUARD das Guard-Signal K1 bzw. K2, und t_timeConstant eine charakteristische Zeit, in der das Guard-Signal K1 bzw. K2 bei konstanter Steigung auf den zugehörigen gewünschten Zielwert eingestellt wäre. Im Ergebnis führt dieses Vorgehen im Verlauf zu einem exponentiellen Nachführen der Guard-Signal-Spannungen. Wenn die Nachführungsgeschwindigkeit der Guard-Signale proportional zum Nachregelbedarf gewählt wird, ergibt sich der Vorteil, dass die durch die Nachführung entstehenden Spannungsfehler, welche durch das Umladen der Kondensatoren des ersten Eingangsfilters 40 bzw. des zweiten Eingangsfilters 45 entstehen, proportional zur Änderung des Elektrodensignals ES1 sind. Vorteilhafterweise wird dabei die Zeitkonstante t_timeConstant in der Größenordnung der RC-Zeitkonstante gewählt, welche sich aus dem Produkt des Serienwiderstands, bzw. des Eigenwiderstands 201, 101 der Sensorzellen 200, 100 und der Kapazität der Eingangsfilter 40, 45 errechnet, beispielsweise derart, dass T_timeConstant in einem Bereich von (1/10) * RC < t_timeConstant < 10 * RC gewählt wird. So kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass durch das Nachführen der Guard-Signale K1, K2 induzierte Störsignale kleiner gehalten werden als die Änderung der Elektrodensignale ES1, welche eine Nachführung der Guard-Signale K1, K2 erst erforderlich machen.Advantageously, the maximum permissible gradient is proportional to the change in the first electrode signal ES1, e.g. in the form delta(V_in - V_GUARD)/t_timeConstant. In this case, V_in designates the first electrode signal ES1, V_GUARD designates the guard signal K1 or K2, and t_timeConstant a characteristic time in which the guard signal K1 or K2 would be set to the associated desired target value with a constant gradient. As a result, this procedure leads to an exponential tracking of the guard signal voltages in the course. If the tracking speed of the guard signals is chosen to be proportional to the need for readjustment, there is the advantage that the voltage errors arising from the tracking, which result from the charge reversal of the capacitors of the
Vorteilhafterweise erfolgt die Nachführung der von den drei Digital-Analog-Wandler 21, 23 und 25 ausgegebenen Signalen in Form einer Rampe mit vorgegebener Steilheit, wobei die Rampensteilheit für die Digital-Analog-Wandler 23, 25 der Guard-Signale K1, K2 sich als Addition der aktuellen Steilheit des Signals des Digital-Analog-Wandlers 21 (bzw. des Ausgangssignals US) und einer zweiten Steilheit ergibt, welche z.B. proportional zum Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) gewählt wird. Dabei sorgt die Addition der Steilheit des Ausgangssignals US dafür, dass die Kondensatoren der Eingangsfilter 40, 45 wegen der Spannungsänderung des Signals des Digital-Analog-Wandlers 21 nicht umgeladen werden müssen und die Nachführung der zweiten, zum Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) proportionalen Komponente dafür, dass auf lange Sicht die Guard-Spannungen bei Änderungen der Elektrodensignale ES1 nachgeführt werden. Solange der Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) groß ist, können auch die für das Dithering bzw. für die Impedanzschätzung genutzten AC-Signalpegel nachgeführt werden.Advantageously, the tracking of the signals output by the three digital-to-
Falls Guard-Signale K1, K2 und Eingangs-Signale, also das erste Elektrodensignal ES1 sich nicht signifikant unterscheiden, wird auf ein konstantes Signal der Sensor-Halbzellen (Ersatzschaltbildkomponenten 202 und 102) erkannt (Schritt 3.1) in
Wichtig ist dabei auch hier, dass die Rampensteilheit zur Nachführung der Guard-Signale K1, K2 sich durch die Summe der als nötig ermittelten Rampe für das Guard-Signal und der aktuell nötigen Rampe zur Nachführung der erste Ausgangsspannung U1 ermittelt. Damit wären Änderungen in der ersten Ausgangsspannung U1 automatisch synchron in den Guard-Signalen K1, K2 mitvollzogen und die RC-Zeitkonstanten zwischen den Sensorimpedanzen und den Filterkondensatoren 41,45 bzw. der zu diesen ggf. parallel verschalteten Kabelkapazitäten (
Die oben beschriebenen Verfahren lassen sich ebenso mit einem Verfahren zum Prüfen des elektrochemischen Sensors oder einem Verfahren zum Schützen des elektrochemischen Sensors kombinieren.The methods described above can also be combined with a method for testing the electrochemical sensor or a method for protecting the electrochemical sensor.
Beim Prüfen des Sensors wird das oben genannte Wechselspannungssignal WS1 dazu verwendet die Impedanz des Sensors zu messen, um Informationen über den Zustand des Sensors zu bekommen. Hierbei wird ein hochfrequentes Signal bzw. ein niederfrequentes Testsignal auf das Wechselspannungssignal WS1 moduliert und an die Halbzellen gesendet sowie die Antwort der Halbzellen, also das durch die Halbzellen veränderte Testsignal ausgewertet.When testing the sensor, the AC voltage signal WS1 mentioned above is used to measure the impedance of the sensor in order to obtain information about the condition of the sensor. In this case, a high-frequency signal or a low-frequency test signal is modulated onto the AC voltage signal WS1 and sent to the half-cells, and the response of the half-cells, ie the test signal changed by the half-cells, is evaluated.
Beim Schützen des Sensors wird das oben genannte Guard-Signal K1, K2 derart angepasst, dass dieses auf den Gleichspannungspegel desgemessenen Elektrodensignals ES1 eingestellt wird. Somit werden Leckströme zwischen der Messleitung, auf welcher das Elektrodensignal gemessen wird, und der Leitung, auf welcher das Guard-Signal angelegt wird, vermieden werden, beispielsweise Leckströme über Filterkondensatoren.When protecting the sensor, the above-mentioned guard signal K1, K2 is adjusted in such a way that it is set to the DC voltage level of the measured electrode signal ES1. In this way, leakage currents between the measuring line on which the electrode signal is measured and the line on which the guard signal is applied are avoided, for example leakage currents via filter capacitors.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Sensorschaltungsensor circuit
- 22
- elektrochemischer Sensor electrochemical sensor
- 1010
- Spannungsquelle voltage source
- 2020
- Steuereinheitcontrol unit
- 2121
- erster Digital-Analog-Wandlerfirst digital-to-analog converter
- 2222
- erster Analog-Digital-Wandlerfirst analog-to-digital converter
- 2323
- zweiter Digital-Analog-Wandlersecond digital-to-analog converter
- 2424
- zweiter Analog-Digital-Wandlersecond analog-to-digital converter
- 2525
- dritter Digital-Analog-Wandler third digital-to-analog converter
- 3030
- erster Impedanzwandlerfirst impedance converter
- 3131
- Eingang des ersten ImpedanzwandlersInput of the first impedance converter
- 3232
- Ausgang des ersten ImpedanzwandlersOutput of the first impedance converter
- 3333
- zweiter Impedanzwandlersecond impedance converter
- 3434
- Eingang des zweiten ImpedanzwandlersInput of the second impedance converter
- 3535
- Ausgang des zweiten ImpedanzwandlersOutput of the second impedance converter
- 3636
- dritter Impedanzwandler third impedance converter
- 4040
- erstes Eingangsfilterfirst input filter
- 4141
- erster Kondensator des ersten Eingangsfiltersfirst capacitor of the first input filter
- 41'41'
- zweiter Kondensator des ersten Eingangsfilterssecond capacitor of the first input filter
- 41''41''
- dritter Kondensator des ersten Eingangsfiltersthird capacitor of the first input filter
- 4242
- erster Widerstand des ersten Eingangsfiltersfirst resistance of the first input filter
- 42'42'
- zweiter Widerstand des ersten Eingangsfilterssecond resistor of the first input filter
- 4545
- zweites Eingangsfiltersecond input filter
- 4646
- Kondensator des zweiten Eingangsfilters Second input filter capacitor
- 5050
- erstes Ausgangsfilterfirst output filter
- 5151
- erster Kondensator des ersten Ausgangsfiltersfirst capacitor of the first output filter
- 51'51'
- zweiter Kondensator des ersten Ausgangsfilterssecond capacitor of the first output filter
- 51''51''
- dritter Kondensator des ersten Ausgangsfiltersthird capacitor of the first output filter
- 51'''51'''
- vierter Kondensator des ersten Ausgangsfiltersfourth capacitor of the first output filter
- 5252
- erster Widerstand des ersten Ausgangsfiltersfirst resistance of the first output filter
- 52'52'
- zweiter Widerstand des ersten Ausgangsfilterssecond resistor of the first output filter
- 52''52''
- dritter Widerstand des ersten Ausgangsfiltersthird resistor of the first output filter
- 52'''52'''
- vierter Widerstand des ersten Ausgangsfiltersfourth resistor of the first output filter
- 5555
-
zweite Ausgangsfilter 55
second output filter 55 - 5656
- Kondensator des zweiten AusgangsfiltersCapacitor of the second output filter
- 5757
- Widerstand des zweiten Ausgangsfilters Resistance of the second output filter
- 6060
- erster Anschlussfirst connection
- 6161
- zweiter Anschlusssecond connection
- 6262
- dritter Anschlussthird connection
- 6363
- vierter Anschlussfourth connection
- 6464
- fünfter Anschluss fifth connection
- 7070
- erstes Kabelfirst cable
- 7171
- Innenleiter des ersten KabelsInner conductor of the first cable
- 7272
- Abschirmung des ersten KabelsShielding of the first cable
- 7373
- zweites Kabelsecond cable
- 7474
- Innenleiter des zweiten KabelsInner conductor of the second cable
- 7575
- Abschirmung des zweiten KabelsShielding of the second cable
- 7676
- drittes Kabel third cable
- 100100
- erste elektrochemische Halbzellefirst electrochemical half cell
- 101101
- Eigenwiderstand der ersten elektrochemischen HalbzelleIntrinsic resistance of the first electrochemical half-cell
- 102102
- Eingang der ersten elektrochemischen HalbzelleEntrance of the first electrochemical half-cell
- 103103
- Ausgang der ersten elektrochemischen Halbzelle Output of the first electrochemical half-cell
- 200200
- zweite elektrochemische Halbzellesecond electrochemical half-cell
- 201201
- Eigenwiderstand der zweiten elektrochemischen HalbzelleIntrinsic resistance of the second electrochemical half-cell
- 202202
- Eingang der zweiten elektrochemischen HalbzelleEntrance of the second electrochemical half-cell
- 203203
- Ausgang der zweiten elektrochemischen Halbzelle Output of the second electrochemical half-cell
- AA
-
Eingang des ersten Ausgangsfilters 50Input of the
first output filter 50 - A'A'
-
Eingang des zweiten Ausgangsfilters 55Input of the
second output filter 55 - AAaa
-
Eingang des ersten Eingangsfilters 40Input of the
first input filter 40 - AA'AA'
-
Eingang des zweiten Eingangsfilters 45
Input of the
second input filter 45 - BB
-
Ausgang des ersten Ausgangsfilters 50Output of the
first output filter 50 - B'B'
-
Ausgang des zweiten Ausgangsfilters 55Output of the
second output filter 55 - BBbb
-
Ausgang des ersten Eingangsfilters 40Output of the
first input filter 40 - BB'BB'
-
Ausgang des zweiten Eingangsfilters 45
Output of the
second input filter 45 - ES1ES1
- erstes Elektrodensignal first electrode signal
- GNDGND
- zweites Spannungspotential second voltage potential
- K1K1
-
erstes Guard-Signal des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23first guard signal of the second digital-to-
analog converter 23 - K2K2
-
zweites Guard-Signal des dritten Digital-Analog-Wandlers 25
second guard signal of the third digital-to-
analog converter 25 - RCRC
- erstes RC-Gliedfirst RC element
- RC'RC'
- zweites RC-Gliedsecond RC element
- RC''RC''
- drittes RC-Gliedthird RC element
- RC'''RC'''
- viertes RC-Glied fourth RC element
- U1U1
- erste Ausgangsspannung,first output voltage,
- USU.S
- Ausgangssignal output signal
- VCCVCC
- erstes Spannungspotentialfirst voltage potential
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021107754.0A DE102021107754A1 (en) | 2021-03-26 | 2021-03-26 | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021107754.0A DE102021107754A1 (en) | 2021-03-26 | 2021-03-26 | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021107754A1 true DE102021107754A1 (en) | 2022-09-29 |
Family
ID=83192820
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021107754.0A Pending DE102021107754A1 (en) | 2021-03-26 | 2021-03-26 | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021107754A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4822456A (en) | 1987-06-05 | 1989-04-18 | Bryan Avron I | Ion measuring apparatus and monitoring system |
US20080249385A1 (en) | 2007-04-04 | 2008-10-09 | Luong Ngoc Phan | Isolated intravenous analyte monitoring system |
US20090157338A1 (en) | 2006-08-30 | 2009-06-18 | Mettler-Toledo Ag | Measuring method and apparatus for potentiometric measuring probes |
WO2016050226A1 (en) | 2014-09-30 | 2016-04-07 | Vysoke Uceni Technicke V Brne | Potentiostat |
DE102018124088A1 (en) | 2018-09-28 | 2020-04-02 | Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg | Electronic circuit for an electrochemical sensor and method for sensor signal measurement |
US20200393398A1 (en) | 2017-11-15 | 2020-12-17 | 4T2 Sensors Ltd | Apparatus for monitoring a fluid |
-
2021
- 2021-03-26 DE DE102021107754.0A patent/DE102021107754A1/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4822456A (en) | 1987-06-05 | 1989-04-18 | Bryan Avron I | Ion measuring apparatus and monitoring system |
US20090157338A1 (en) | 2006-08-30 | 2009-06-18 | Mettler-Toledo Ag | Measuring method and apparatus for potentiometric measuring probes |
US20080249385A1 (en) | 2007-04-04 | 2008-10-09 | Luong Ngoc Phan | Isolated intravenous analyte monitoring system |
WO2016050226A1 (en) | 2014-09-30 | 2016-04-07 | Vysoke Uceni Technicke V Brne | Potentiostat |
US20200393398A1 (en) | 2017-11-15 | 2020-12-17 | 4T2 Sensors Ltd | Apparatus for monitoring a fluid |
DE102018124088A1 (en) | 2018-09-28 | 2020-04-02 | Endress+Hauser Conducta Gmbh+Co. Kg | Electronic circuit for an electrochemical sensor and method for sensor signal measurement |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0583250B1 (en) | Integratable conductivity measuring device | |
WO2015185401A1 (en) | Method and device for monitoring the filling level of a medium in a container | |
EP0219725A1 (en) | Method of compensating interference voltages in the electrode circuit in magnetic-inductive flow measurement | |
DE102007049950A1 (en) | Environmental condition determining device | |
DE102013104781A1 (en) | Method for monitoring at least one media-specific property of a medium | |
EP1616174B1 (en) | Method for operating a gas sensor | |
DE102007038225B4 (en) | Highly stable capacitive measuring system for extreme operating conditions | |
EP0497994B1 (en) | Method and circuit for monitoring an ion- or redox-potential measuring electrode system | |
DE102006020301A1 (en) | Capacitance measuring method for use in capacitive sensor, involves measuring charging or discharging time of known reference capacitor and stray capacitor | |
DE102012019095B4 (en) | Device for monitoring insulation resistance of networks | |
EP0640219B1 (en) | Integratable conductivity measuring device | |
DE102021107754A1 (en) | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for operating the electrochemical sensor | |
DE4231602B4 (en) | Circuit for measuring the impedance in the heart | |
DE102021107764A1 (en) | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method of protecting the electrochemical sensor | |
DE102016202501B4 (en) | Method for determining a calibration current pulse | |
DE4216176C2 (en) | Integrable conductivity measuring device | |
DE102021107762A1 (en) | Sensor circuit, electrochemical sensor, and method for testing the electrochemical sensor | |
WO2017202732A1 (en) | Monitoring apparatus and method for monitoring an ac voltage source dc-decoupled from a reference potential | |
EP2626864A1 (en) | Device and method for scanning a signal | |
DE4001274C2 (en) | ||
DE102010013812B4 (en) | Circuit arrangement and method for capacitive level measurement | |
DE102014222371A1 (en) | Circuit arrangement and method for determining the impedance of a test battery | |
EP2423678B1 (en) | Measuring device and method for potentiometric determination of electric indicators in liquids | |
DE102019219759B4 (en) | Circuit arrangement for detecting a current flowing through a bipolar load | |
DE102019103015B4 (en) | Method and circuit for a high-impedance measuring amplifier that is insensitive to bias currents |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R163 | Identified publications notified |