CN102472723B - 用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器及测试其功能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器，该传感器包括：充满电解质的传感器体(2)，其在接触工艺流体(4)一侧由氧气可渗透的膜(5)覆盖；在膜(5)上的阴极(8)；环形保护电极(9)，环绕阴极(8)并且在测量模式下具有与阴极(8)相同的电势；在传感器体(2)中的与电解质(3)接触的阳极(10)；在传感器体(2)中与电解质(3)接触的参考电极(11)，其中在阳极(10)和阴极(8)之间施加电压(23)，该电压在阴极(8)和参考电极(11)之间被调节到恒定极化电压(UPOL)并且在测量模式下，在阴极(8)和阳极(10)之间流动的测量传感器电流(I测量)是在工艺流体(4)中的氧气分压的测量值；以及测试电压源(17)，其在测试模式中，被切换在阴极(8)和保护电极(11)之间以在电解质(3)中和/或在阴极(8)和保护电极(9)之间过程流体(4)中产生测试氧气以用于测试传感器的功能。

Description

用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器及测试其功能的方法
技术领域
本发明涉及用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器和用于测试此传感器的功能的方法。
背景技术
关于本发明的背景，应该注意，用电化学传感器测量在工艺流体中的氧气浓度，必须对传感器和整体测量装置的功能进行定期检查。具体地，用惰化（inertisation）测量，其中氧气浓度必须保持在最大水平之下，以便例如避免点燃或爆炸，测量装置的定期监视是必要的。另外的一个困难是具有低氧气浓度的电化学传感器仅提供很低的测量电流并且因此很难辨别是否传感器有故障-例如，连接线缆断开-还是在工艺流体中氧气浓度非常低。
之前，经常定期用如空气的测试气体填充传感器以检查其功能。另外，必须移除传感器或使用昂贵的手动或自动装置从测量介质分离传感器并用测试气体填充传感器。
这方面，从EP0 744 620B1或DE10 2005 028 246B4可以获知用气体发生器装备电化学气体传感器设备，操作该气体发生器用于传感器自身的检查并原位产生测试气体-通常为氧气，因此可以用测试气体填充传感器并且检查其功能。
这些已知气体传感器装备的缺点是对于具体的测试气体的产生必须提供气体发生器，这意味着增加设备的成本。
发明内容
已知的用于测量氧气分压的电化学传感器，包括：
电解质填充的传感器体，在被工艺流体填充的一侧被氧气可渗透的膜覆盖，
在所述膜上的阴极，
环状保护（guard）电极，环绕所述阴极，在测量操作中与所述阴极的电势相同，
阳极，在所述传感器体中，被所述电解质填充，以及
参考电极，在所述传感器体中，被所述电解质填充，其中在所述阳极和所述阴极之间施加电压，在所述阴极和所述参考电极之间所述电压被控制在恒定极化电压（恒电位器），并且在测量操作中，在所述阴极和所述阳极之间流动的测量传感器电流是在所述工艺流体中的氧气分压的测量值。
这样的传感器通常由三电极配置组成，已提及的阴极、阳极和参考电极。阳极的目的是将阴极相对于参考电极的电势保持在稳定值，称为极化电压。氧气在阴极处的还原引起了从阴极到阳极的电流，该电流与氧气分压成比例。整个系统被氧气可渗透的膜覆盖，以防止电解质与测量介质和其它杂质的交换。
当测量较低的氧气浓度时，通常使用的传感器的阴极被附加的称为保护环形电极的电极所环绕，此即保护电极，该电极与阴极具有相同的电势并且还原剩余的氧气。
本发明要解决的潜在问题是改进前述类型的电化学传感器，以便可以通过单独的氧气体处理（gassing）进行功能测试，从而避免了单独的气体发生器及相关的装置成本。
本发明可以解决此问题，其中在阴极和保护电极之间提供可以在测试模式中切换的测试电压源，该电压源在阴极和保护电极之间的工艺流体中产生测试氧气以用于测试传感器的功能。
传感器的功能性测试基于极谱学规律的简单反转。如果在阴极和保护电极之间施加正电压，测试电压源的正极与保护电极连接，从而，由于在保护电极处的水成（aqueous）电解质，通过氧化产生氧气。在切断阴极处的电压后，由此产生的氧气被还原，这导致传感器电流的增加。此传感器电流的增加可以容易地通过测量器件评估。
通过这些简单的测量，可以不依靠大量的设备进行标准传感器的定期检查。另一个优点是功能测试对测量的相对短暂的中断，因为传感器不必移除或不需要在测量介质和测试介质之间进行复杂的切换。
根据本发明的另一个优选实施例，可以通过变换（change-over）装置交替在测试模式切换保护电极到测试电压源或直接到阴极。所述变换装置可以具有简单的结构并且可以通过在所述测量装置中的对应控制方式而容易地控制。
本发明还涉及用于测试通常类型的电化学传感器的功能的方法，包括如下方法步骤：
在测试模式中，在阴极和保护电极之间施加测试电压用于在电解质中和/或在阴极和保护电极之间的工艺流体中产生测试氧气，
切断所述测试电压，以及
评估通过测试氧气产生的测试传感器电流以用于传感器的功能分析。
上述方法步骤已经根据对应的装置进行了说明。
参考公开的附图，在随后示范实施例的描述中描述了其特征，细节和优点。
附图说明
图1示出了具有测量电路和测试电压源的附加电路图的电化学氧气传感器的截面图；
图2示出了传感器沿图1的横截线Ⅱ-Ⅱ的径向截面图；以及
图3示出了传感器的功能测试的流程图。
具体实施方式
从图1和图2所示可以清楚，电化学传感器1包括充有电解质3的管状传感器体2。在测量操作中，被工艺流体4填充的一侧，充满电解质的传感器体2被氧气可渗透但防止电解质3和工艺流体4之间的任何交换的膜5覆盖。
在传感器体2中，轴向设置有绝缘材料构成的电极支持器6。在端面侧7上，在中心形成阴极8，在其端面侧阴极抵住渗透膜5的内侧。环状保护电极9同心环绕阴极8。
阳极10和参考电极11横向设置在传感器体2内部的电极支持器6上。
如集成到图1中的电路图清楚的所示，阳极10和参考电极11分别通过线12、13分别与恒电位器14相连，以便恒定极化电压UPOL位于阴极8和参考电极11之间。
通过线15将阴极8依次连接到用于阳极电压U阳极的电压源23的负极，在线15中设置有测量单元16。流过测量单元16的测量传感器电流I测量是工艺流体4中氧气分压的测量值。
为测试传感器装备的功能，提供测试电压源17，其可以在阴极8和保护电极9之间切换，以便其正极通过电源线18与保护电极9相连。在此情况下，在支线18.1、18.2中提供到电压源17或到阴极8的线15的具有两个交替打开和关闭开关20、21的变换装置19。图1示出了测量情况，其中因为打开的切换开关20并且关闭的切换开关21，所以测试电压源17未被连接，而保护电极9通过阻抗变换器22与阴极8连接。这表示正常测量状态。
为了测试传感器的功能，变换切换装置19被激活以便两个开关20、21改变其切换位置（通过图1中的虚线示出）并且在保护电极9和阴极8之间施加测试电压U测试。这导致从水成电解质3产生氧气，其在切断电压U测试之后在阴极8处被还原。这导致传感器电流I测量的增加。
可以通过例如在未示出的测量装置中集成的测量单元16检测测量传感器电流的路径并因此进行评估。
在图3的关于此示出了进行对应的测试程序时该方法的顺序。在框101示出了在正常氧气测量操作的基础上，通过初始化步骤102开始传感器1的功能测试。在步骤103中，测量传感器电流I测量的最终值存储在未示出的存储器中。随后，在步骤104中，在阴极8和保护电极9之间施加测试电压U测试。测试电压的值和电势增加的持续时间在此情况下针对具体的传感器而不同。
在下面的步骤105中，切断测试电压之后，用测量单元16测试确定传感器电流I测量，并且如框106所示-对于传感器1的功能分析，评估测量传感器电流I测量是否通过附加的氧气输入而增加。
从传感器电流的逐渐消失的随时间变化和与在正常状态中测量传感器电流的最后存储值的比较，计算再次激活测量操作的时间点。如果测试传感器电流与测量传感器电流I测量的存储值偏离特定阈值，则进行再次激活。偏离的范围可以是例如在0%和2%之间。
在测量操作的再次激活的由此检测的时间点，结束传感器监视-步骤107-激活关于传感器的功能测试是否导致其功能性的询问108。如果没有，发出传感器故障的报警和/或消息109。就装置安全性而言（SIL规则），在功能错误的检测之后，工艺设备被关闭。
如果建立了无错误功能，继续进行氧气测量-步骤110。
用于产生氧气的测试电压的施加可以在前述测量器件中不同地实现，未详细描述，通过简单的电路测量，同样凭借在测量器件本身中，以简单的方式，在氧气产生和随后的测量之间提供时间分配。

Claims (9)

1.一种用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器，所述传感器包括：
电解质填充的传感器体（2），在被工艺流体（4）填充的一侧上由氧气可渗透的膜（5）覆盖，
阴极（8），在所述膜（5）上，
环状保护电极（9），环绕所述阴极（8），在测量操作中与所述阴极（8）的电势相同，
阳极（10），被所述传感器体（2）中的所述电解质（3）填充，以及
参考电极（11），被在所述传感器体（2）中的所述电解质（3）填充，其中在所述阳极（10）和所述阴极（8）之间施加电压（23），所述电压在所述阴极（8）和所述参考电极（11）之间被控制在恒定极化电压，并且其中在测量操作中在所述阴极（8）和所述阳极（10）之间流动的测量传感器电流是在所述工艺流体（4）中的氧气分压的测量值，
其特征在于，
测试电压源（17），在测试模式中，所述测试电压源（17）被切换在所述阴极（8）和所述保护电极（9）之间以在所述电解质（3）中和/或在所述阴极（8）和所述保护电极（9）之间的所述工艺流体（4）中产生测试氧气以用于测试所述传感器的功能。
2.根据权利要求1的传感器，其特征为，所述测试电压源（17）的正极连接到所述保护电极（9）。
3.根据权利要求1或2的传感器，其特征为，所述保护电极（9）通过变换开关装置（19）交替在测试模式中切换到所述测试电压源（17）或经由阻抗变换器（22）切换到所述阴极（8）。
4.一种用于检测用于测量工艺流体中的氧气分压的电化学传感器的功能的方法，所述传感器包括：
电解质填充的传感器体（2），在被工艺流体（3）填充的一侧上由氧气可渗透的膜（5）覆盖，
阴极（8），在所述膜（5）上，
环状保护电极（9），环绕所述阴极（8），在测量操作中与所述阴极（8）的电势相同，
阳极（10），被所述传感器体（2）中的所述电解质（3）填充，以及
参考电极（11），被在所述传感器体（2）中的所述电解质（3）填充，其中在所述阳极（10）和所述阴极（8）之间施加电压（23），所述电压在所述阴极（8）和所述参考电极（11）之间被控制在恒定极化电压，并且其中在测量操作中在所述阴极（8）和所述阳极（10）之间流动的测量传感器电流是在所述工艺流体（4）中的氧气分压的测量值，
特征在于包括下列方法步骤：
在测试模式中，在所述阴极（8）和所述保护电极（9）之间施加测试电压以用于在所述电解质（3）中和/或在在所述阴极（8）和所述保护电极（9）之间的所述工艺流体（4）中产生测试氧气，
切断所述测试电压，
评估通过所述测试氧气产生的所述测试传感器电流以用于所述传感器（1）的功能分析。
5.根据权利要求4的方法，其特征为，在所述测试模式中检测所述测试传感器电流的时间序列。
6.根据权利要求5的方法，其特征为，在激活所述测试模式前保存所述测量传感器电流的值并且通过所述测试传感器电流与所述测量传感器电流的保存值的比较而控制所述测量操作的再次激活。
7.根据权利要求6的方法，其特征为，如果所述测试传感器电流与所述测量传感器电流的保存值偏离特定阈值量，则再次激活所述测量操作。
8.根据权利要求4到7中的一项的方法，其特征为，在所述测试传感器电流与特定特性偏离的情况下发出警报。
9.根据权利要求4到7中的一项的方法，其特征为，在所述测试传感器电流与特定特征偏离的情况下，防止所述传感器（1）的所述测量操作的再次激活。
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