DE10031560A1

DE10031560A1 - Device for determining measuring current of amperometric measurement cell for measuring dissolved chlorine concentration comprises operation amplifiers with inlets connected to each other

Info

Publication number: DE10031560A1
Application number: DE2000131560
Authority: DE
Inventors: Christoph Wieland
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2002-01-10

Abstract

A device for determining the measuring current (Ie) of an amperometric measurement cell (2) having an anode (A) and a cathode (K) with a polarization voltage (Upol) in between comprises two operation amplifiers (OP1,OP2) whose n inlets (-) are connected to each other and whose outlets are fed back to the n outlets via a first resistor (R). The measurement current is applied to the p inlet (+) of the first operation amplifier (OP1) and is led via a second resistor (Rshunt) to the outlet of the second operation amplifier (OP2) and the polarization voltage is applied to the p inlet of the second operation amplifier. Preferred Features: Switching elements are arranged in the path to the p inlet (+) and to the n inlet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle zur Messung der Konzentration einer Substanz in einem Messmedium. Die Messzelle weist eine Anode und eine Kathode auf, zwischen denen eine Polarisationsspannung anliegt.The present invention relates to a device for Determining the measuring current of an amperometric measuring cell Measurement of the concentration of a substance in a measuring medium. The measuring cell has an anode and a cathode, between which are subject to a polarization voltage.

Mittels der amperometrischen Messmethode kann der Chlor-, Chlordioxid- und Ozongehalt in einer wässrigen Lösung bestimmt werden. Der Hauptanwendungsbereich der Gelöst-Chlor-Messung liegt bei der Trink-, Schwimm- und Badebeckenwasseraufbereitung. Der Schwerpunkt der Chlordioxidmessung liegt im industriellen Bereich bei Entkeimungsvorgängen. Mit Hilfe einer amperometrischen Messung kann bspw. der Chlorgehalt in Trinkwasser oder der Sauerstoffgehalt in Abwasser ermittelt werden. In Schwimmbädern dient z. B. die Chlorierung zur Desinfektion des Badewassers. Die Chlormessung mit Hilfe einer amperometrischen Messzelle ist in dem Abwasserhandbuch "Abwasser - Mess- und Regeltechnik" Endress + Hauser (International) Holding AG, 1. Ausgabe, 1992, Seite 188 bis 194 ausführlich beschrieben. Auf diesen Stand der Technik wird in der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich Bezug genommen.Using the amperometric measurement method, the chlorine, Chlorine dioxide and ozone content determined in an aqueous solution become. The main area of application of dissolved chlorine measurement lies with the drinking, swimming and Swimming pool water treatment. The focus of the Chlorine dioxide measurement is included in the industrial area Entkeimungsvorgängen. With the help of an amperometric measurement For example, the chlorine content in drinking water or Oxygen content in wastewater can be determined. In Swimming pools serve z. B. chlorination for disinfection of Bath water. The chlorine measurement using an amperometric Measuring cell is in the wastewater manual "Wastewater - Measuring and Control technology "Endress + Hauser (International) Holding AG, 1. Edition, 1992, pages 188 to 194 described in detail. On this prior art is in the present application expressly referred.

Eine amperometrische Messzelle wird mit einer Polarisationsspannung polarisiert, die die Ausbildung einer Polarisationsschicht auf der Kathode (Arbeitselektrode) bewirkt. Während der gesamten Messung sollte eine möglichst konstante Polarisationsspannung zwischen Anode und Kathode anliegen. An der Kathode wird in die Messzelle eindringender Sauerstoff bzw. eindringendes Chlor unter Erzeugung von Elektronen chemisch umgewandelt. Die Elektronen führen zu einem Stormfluss, der bei konstanter Polarisationsspannung proportional zu dem Gehalt an Sauerstoff bzw. an Chlor in dem Messmedium ist. Bei einem hohen O₂-Gehalt fließt bspw. ein Strom in der Größenordnung von etwa 300 nA, bei einem kleinen O₂-Gehalt fließt ein Strom in der Größenordnung von etwa 100 pA. Dieser Strom wird als Messstrom der Messzelle bezeichnet. An amperometric measuring cell is polarized with a polarization voltage, which causes the formation of a polarization layer on the cathode (working electrode). During the entire measurement, the polarization voltage between the anode and cathode should be as constant as possible. At the cathode, oxygen or chlorine penetrating into the measuring cell is chemically converted to produce electrons. The electrons lead to a current flow that is proportional to the content of oxygen or chlorine in the measuring medium at constant polarization voltage. With a high O ₂ content, for example, a current in the order of magnitude of approximately 300 nA flows; with a small O ₂ content, a current in the order of approximately 100 pA flows. This current is called the measuring current of the measuring cell.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle bekannt, die einen als Strom-Spannungs-Wandler beschalteten Operationsverstärker mit einer negativen Rückkopplung über einen Widerstand aufweist. Die Kathode der Messzelle wird an den n-Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen. Der p-Eingang des Operationsverstärkers liegt auf Masse. An dem Ausgang des Operationsverstärkers wird eine Ausgangsspannung abgegriffen, die abhängig ist von der Größe des Messstromes. Die Anode der Messzelle ist an einen ersten Anschluss einer Spannungsquelle angeschlossen, die die Polarisationsspannung liefert. Der zweite Anschluss der Spannungsquelle liegt auf Masse.Devices for determining the Measuring current of an amperometric measuring cell is known, the one operational amplifier connected as a current-voltage converter with negative feedback through a resistor having. The cathode of the measuring cell is connected to the n input of the Operational amplifier connected. The p input of the Operational amplifier is on ground. At the exit of the An output voltage is tapped, which depends on the size of the measuring current. The anode of the Measuring cell is at a first connection of a voltage source connected, which supplies the polarization voltage. The the second connection of the voltage source is grounded.

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung liegt darin, dass die Anode der Messzelle nicht unmittelbar auf Masse liegt, was zu einer nur unzureichenden elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) führt. Die unzureichende EMV hat Ihre Ursache insbesondere darin, dass Störströme der Messstelle nicht unmittelbar über Masse abfließen können.The disadvantage of this known device is that the anode of the measuring cell is not directly on ground, which to an insufficient electromagnetic Compatibility (EMC) leads. The insufficient EMC has yours The cause in particular is that interference currents from the measuring point cannot drain off directly above mass.

Theoretisch wäre es denkbar, die Spannungsquelle, die die Polarisationsspannung liefert, zwischen die Kathode der Messzelle und den n-Eingang der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle anzordnen. Das würde in der Praxis jedoch dazu führen, dass der als Strom-Spannungs-Wandler ausgebildete Operationsverstärker das Potential der Kathode, die an die Spannungsquelle für die Polarisationsspannung angeschlossen ist, auf Grund des bekannten Regelverhaltens von Strom-Spannungs-Wandlern auf 0 V ziehen würde. Zudem müsste der Messstrom von der Kathode ungehindert und unverfälscht durch die Spannungsquelle für die Polarisationsspannung hindurchfließen können. Das einzige Bauelement, das diese Bedingungen in der Praxis erfüllen könnte, ist eine Batterie. Diese ist aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer und ihrer Selbstentladungseigenschaften zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle nicht praxisgerecht und außerdem zu teuer.In theory, it would be conceivable to use the voltage source that the Polarization voltage supplies between the cathode of the Measuring cell and the n-input from the prior art known device for determining the measuring current of a Arrange amperometric measuring cell. That would be in practice however, cause that as a current-to-voltage converter trained operational amplifier the potential of the cathode, to the voltage source for the polarization voltage is connected, due to the known control behavior of Current-voltage converters would pull to 0 V. In addition, the measuring current from the cathode is unimpeded and unadulterated through the voltage source for the polarization voltage can flow through. The only component that this A battery could meet conditions in practice. This is due to their limited lifespan and their Self-discharge properties for determining the measuring current an amperometric measuring cell not practical and also too expensive.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert und insbesondere die Anode der Messzelle unmittelbar auf Masse gelegt werden kann.It is therefore an object of the present invention Device for determining the measuring current of a amperometric measuring cell of the type mentioned at the beginning to design and further develop that the Electromagnetic compatibility improved and in particular the anode of the measuring cell is immediately connected to ground can.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Vorrichtung zum Bestimmen des Messstroms einer amperometrischen Messzelle der eingangs genannten Art vor, dass die Vorrichtung zwei Operationsverstärker aufweist, deren n-Eingänge miteinander verbunden sind und deren Ausgänge über jeweils einen ersten Widerstand zu dem n-Eingang rückgekoppelt sind, wobei der Messstrom an dem p-Eingang des ersten Operationsverstärkers anliegt und über einen zweiten Widerstand an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers geführt ist und die Polarisationsspannung an dem p-Eingang des zweiten Operationsverstärkers anliegt.To achieve this object, the invention proposes starting from the device for determining the measuring current amperometric measuring cell of the type mentioned at the beginning, that the device has two operational amplifiers, the n inputs are connected to each other and their outputs via in each case a first resistor fed back to the n input are, the measuring current at the p-input of the first Operational amplifier is present and a second Resistor at the output of the second operational amplifier is guided and the polarization voltage at the p input of the second operational amplifier is present.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Spannungsquelle für die Polarisationsspannung und ein Strom-Spannungs-Wandler in einer Schaltung vereint. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals möglich, die Anode der Messzelle unmittelbar auf Masse zu legen ohne die Genauigkeit, die Funktionsfähigkeit oder die Lebensdauer des Strom-Spannungs- Wandlers oder der Spannungsquelle für die Polarisationsspannung zu beeinträchtigen.In the device according to the invention is the voltage source for the polarization voltage and a current-voltage converter united in one circuit. With the invention It is possible for the first time to fix the anode of the measuring cell to put directly on ground without the accuracy that Functionality or the lifespan of the current-voltage Converter or the voltage source for the Affect polarization voltage.

Masse wird grundsätzlich bevorzugt als Bezugspotential einer Schaltung herangezogen. Auf Masse sollten alle Störströme abfließen. Deshalb ist die Masse sehr niederohmig zu halten und besonders gut geeignet, um eine Schirmung der amperometrischen Messzelle auf Masse zu legen. Da die Anode der Messzelle konstruktiv üblicherweise ringförmig um die Kathode angeordnet ist, wirkt sie als Schirmung für die Kathode. Mit einer unmittelbar auf Masse liegenden Anode ist somit auch die Schirmung für die Kathode an Masse angeschlossen. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Abschirmung und eine verbesserte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Konstruktiv ergibt sich außerdem der Vorteil, dass die Schirmung für die Kathode in einem Anschlusskabel der Messzelle als elektrische Leitung für die Anode verwendet werden kann.In principle, mass is preferred as a reference potential Circuit used. All interference currents should be grounded flow away. Therefore, the mass must be kept very low and particularly well suited to shielding the amperometric measuring cell to ground. Because the anode the measuring cell is usually constructed in a ring around the Arranged cathode, it acts as a shield for the Cathode. With an anode directly on ground hence the shield for the cathode to ground connected. This results in a particularly good one Shielding and improved electromagnetic Compatibility (EMC) of the device according to the invention. In terms of design, there is also the advantage that the Shielding for the cathode in a connecting cable Measuring cell used as electrical line for the anode can be.

Aufgrund des bekannten Regelverhaltens der beiden als Strom- Spannungs-Wandler ausgebildeten Operationsverstärker wird der n-Eingang des zweiten Operationsverstärkers auf das an dem p-Eingang des zweiten Operationsverstärkers anliegende Potential, nämlich auf die Polarisationsspannung, geregelt, so dass nach einiger Zeit an den n-Eingängen des ersten und des zweiten Operationsverstärkers die Polarisationsspannung anliegt. Der erste Operationsverstärker regelt seinerseits seinen p-Eingang auf die an seinem n-Eingang anliegende Polarisationsspannung, so dass auch an dem p-Eingang des ersten Operationsverstärkers die Polarisationsspannung anliegt. Die beiden Operationsverstärker regeln also auf die Polarisationsspannung und nicht - wie bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung - auf Masse (0 V).Due to the known control behavior of the two as current Voltage converter trained operational amplifier is the n input of the second operational amplifier to that on the p input of the second operational amplifier Potential, namely regulated to the polarization voltage, see above that after some time at the n inputs of the first and the second operational amplifier the polarization voltage is applied. The first operational amplifier regulates itself its p input to that connected to its n input Polarization voltage, so that also at the p-input of the first operational amplifier the polarization voltage is applied. The two operational amplifiers therefore regulate the Polarization voltage and not - like the one from the stand the device known in the art - to ground (0 V).

Durch den Widerstandswert des zweiten Widerstands kann der Verstärkungsfaktor der gesamten Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung variiert werden.The resistance value of the second resistor allows the Gain factor of the entire circuit of the device according to the invention can be varied.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass an die Ausgänge der beiden Operationsverstärker eine Verstärkerstufe angeschlossen ist, die einen dritten Operationsverstärker aufweist, an dessen Eingängen eine an den Ausgängen der beiden Operationsverstärker anliegende Ausgangsspannung über mehrere in Reihe geschaltete dritte Widerstände und mindestens ein Schaltelement anliegt, wobei zum Einstellen des Verstärkungsfaktors der Verstärkerstufe die Anzahl der dritten Widerstände, über die die Ausgangsspannung an den Eingängen des dritten Operationsverstärkers anliegt, mit Hilfe des mindestens einem Schaltelements veränderbar ist. Eine derart ausgebildete Verstärkerstufe erlaubt eine besonders genaue Messung der Ausgangsspannung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verstärkerstufen liegt insbesondere darin, dass die Schaltelemente an den Eingängen des dritten Operationsverstärkers liegen, in die definitionsgemäß kein Strom fließt. Somit fließt auch durch die Schaltelemente kein Strom. Im Gegensatz dazu sind bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verstärkerstufen mehrere Widerstände und mindestens ein Schaltelement in der Rückkopplung des Operationsverstärkers angeordnet, durch die Strom fließen kann. Für die Schaltelemente werden aus Kostengründen üblicherweise nichtideale Schalter eingesetzt. Die Nachteile eines nichtidealen Schalters treten jedoch überwiegend nur dann zutage, wenn ein Strom durch den Schalter fließt. Da bei der Verstärkerstufe gemäß der bevorzugten Ausführungsform kein Strom durch das Schaltelement fließt, kann dieses ohne weiteres als ein nichtidealer Schalter ausgebildet werden, ohne dass die typischen Nachteile eines nichtidealen Schalters zutage treten. Dadurch können ohne Genauigkeitseinbuße erhebliche Kosten bei der Herstellung der Verstärkerstufe eingespart werden. Insgesamt ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Möglichkeit den Messstrom einer amperometrischen Messzelle auf eine kostengünstigere Weise besonders genau zu messen. Die Schaltelemente sind vorzugsweise als einfache Halbleiter-Analogschalter ausgebildet.According to an advantageous development of the present Invention is proposed to the outputs of the two Operational amplifier an amplifier stage is connected which has a third operational amplifier, on the Inputs one at the outputs of the two Output amplifier applied output voltage over several third resistors connected in series and at least one Switching element is present, wherein for setting the Gain factor of the amplifier stage the number of third Resistors across which the output voltage at the inputs of the third operational amplifier is present using the at least one switching element is changeable. Such a trained amplifier stage allows a particularly precise Measurement of the output voltage of the invention Contraption. The difference to those from the prior art known amplifier stages is in particular that the Switching elements at the inputs of the third Operational amplifiers are, by definition, none Electricity flows. So there is no flow through the switching elements Electricity. In contrast, those from the prior art Technology known amplifier stages several resistors and at least one switching element in the feedback of the Operational amplifier arranged through which current flow can. For the switching elements are for cost reasons usually non-ideal switches used. The disadvantages of a non-ideal switch, however, mostly only occur when a current flows through the switch. There with the amplifier stage according to the preferred embodiment none Current flows through the switching element, this can be done without further be designed as a non-ideal switch, without the typical disadvantages of a non-ideal switch come to light. This allows you to reduce accuracy considerable cost in the manufacture of the amplifier stage be saved. Overall, with the device according to the invention a possibility of measuring current an amperometric measuring cell to a cheaper one Way to measure particularly accurately. The switching elements are preferably as a simple semiconductor analog switch educated.

Vorteilhafterweise weisen die in dem Pfad zu dem p-Eingang des dritten Operationsverstärkers angeordneten dritten Widerstände dieselben Widerstandswerte auf wie die in dem Pfad zu dem n-Eingang des dritten Operationsverstärkers angeordneten dritten Widerstände. Die Verstärkerstufe ist demnach als ein symmetrischer Differenzverstärker mit einer durch das mindestens eine Schaltelement umschaltbaren Verstärkung ausgebildet.Advantageously, those in the path to the p input of the third operational amplifier arranged third resistors the same resistance values as those in the path to that n input of the third operational amplifier arranged third resistances. The amplifier stage is therefore as one symmetrical differential amplifier with a through the at least one switching element switchable gain educated.

Vorzugsweise ist in dem Pfad zu dem p-Eingang ein erstes Schaltelement und in dem Pfad zu dem n-Eingang ein zweites Schaltelement angeordnet. Somit ist das erste Schaltelement für die in dem Pfad zu dem p-Eingang angeordneten dritten Widerstände und das zweite Schaltelement für die in dem Pfad zu dem n-Eingang des dritten Operationsverstärkers angeordneten dritten Widerstände zuständig. Die beiden Schaltelemente werden vorzugsweise synchron zueinander geschaltet, um die Symmetrieeigenschaften des Differenzverstärkers sicherzustellen.There is preferably a first one in the path to the p input Switching element and a second in the path to the n input Switching element arranged. Thus, the first switching element for the third located in the path to the p-input Resistors and the second switching element for those in the path to the n input of the third operational amplifier arranged third resistors responsible. The two Switching elements are preferably synchronized with one another switched to the symmetry properties of the Ensure differential amplifier.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in Zeichnung. Es zeigenOther features, applications and advantages of the Invention result from the following description of Embodiments of the invention shown in the drawing are shown. Thereby form all described or presented features alone or in any combination the subject of the invention, regardless of its Summary in the claims or their Relationship and regardless of their wording or Representation in the description or in the drawing. Show it

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform; und Fig. 1 shows an inventive device according to a preferred embodiment; and

Fig. 2 eine Verstärkerstufe zum Anschluss an die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1. FIG. 2 shows an amplifier stage for connection to the device according to the invention from FIG. 1.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die Vorrichtung 1 dient zum Bestimmen eines Messstroms Ie einer amperometrischen Messzelle. Mit Hilfe einer amperometrischen Messzelle kann die Konzentration einer Substanz in einem Messmedium, bspw. die Sauerstoff-Konzentration oder die Chlor-Konzentration in Abwässern, gemessen werden. Der Aufbau und die Funktionsweise einer amperometrischen Messzelle ist am Beispiel der Chlormessung in "Abwasser-Mess- und Regeltechnik" Endress + Hauser (International) Holding AG, 1. Ausgabe, 1992, Seiten 188 bis 194 beschrieben, worauf ausdrücklich Bezug genommen wird. Die amperometrische Messzelle ist in Fig. 1 durch eine Stromquelle 2 symbolisiert.In FIG. 1, a device according to the invention is designated in its entirety with reference number 1 in accordance with a preferred embodiment. The device 1 serves to determine a measuring current Ie of an amperometric measuring cell. With the aid of an amperometric measuring cell, the concentration of a substance in a measuring medium, for example the oxygen concentration or the chlorine concentration in waste water, can be measured. The structure and functioning of an amperometric measuring cell is described using the example of chlorine measurement in "Waste water measurement and control technology" Endress + Hauser (International) Holding AG, 1st edition, 1992, pages 188 to 194, to which express reference is made. The amperometric measuring cell is symbolized in FIG. 1 by a current source 2 .

Die Messzelle 2 weist eine Anode A und eine Kathode K auf, zwischen denen eine konstante Polarisationsspannung anliegt. Durch die Polarisationsspannung wird die chemische Reaktion, die sich in der Messzelle 2 abspielt, wenn die Messzelle 2 in das Messmedium eingetaucht wird, erzwungen. Die Polarisationsspannung wird so groß gewählt, dass eine Sauerstoff- bzw. Chlorreduktion an der Kathode ausgelöst wird.The measuring cell 2 has an anode A and a cathode K, between which a constant polarization voltage is present. The polarization voltage forces the chemical reaction that takes place in the measuring cell 2 when the measuring cell 2 is immersed in the measuring medium. The polarization voltage is chosen to be large enough to trigger an oxygen or chlorine reduction at the cathode.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist zwei Operationsverstärker OP1 und OP2 auf, deren n-Eingänge (-) miteinander verbunden sind und deren Ausgänge über jeweils einen ersten Widerstand R zu dem jeweiligen n-Eingang (-) rückgekoppelt sind. Der Messstrom Ie liegt an dem p-Eingang (+) des ersten Operationsverstärkers OP1 und an dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 an. Die Polarisationsspannung Upol liegt an dem p-Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers OP2 an. Zwischen den Ausgängen der beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 liegt eine Ausgangsspannung Ua an, die bei einer konstanten Polarisationsspannung Upol proportional zu dem Messstrom Ie ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 wandelt also dem Messstrom Ie in eine entsprechende Spannung Ua um.The device 1 according to the invention has two operational amplifiers OP1 and OP2, the n inputs (-) of which are connected to one another and the outputs of which are fed back via a first resistor R to the respective n input (-). The measuring current Ie is present at the p input (+) of the first operational amplifier OP1 and at the output of the second operational amplifier OP2. The polarization voltage Upol is present at the p input (+) of the second operational amplifier OP2. An output voltage Ua is present between the outputs of the two operational amplifiers OP1 and OP2, which is proportional to the measurement current Ie at a constant polarization voltage Upol. The device 1 according to the invention thus converts the measurement current Ie into a corresponding voltage Ua.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 regelt der zweite Operationsverstärker OP2 aufgrund des bekannten Regelverhaltens eines Strom-Spannungs-Wandlers den n-Eingang auf die an dem p-Eingang anliegende Polarisationsspannung Upol. Diese wird von dem n-Eingang des zweiten Operationsverstärkers OP2 an den n-Eingang des ersten Operationsverstärkers geleitet. Der ersten Operationsverstärker OP1 regelt dann seinerseits den p-Eingang auf die an dem n-Eingang anliegende Polarisationsspannung Upol.During operation of the device 1 according to the invention, the second operational amplifier OP2 regulates the n input to the polarization voltage Upol present at the p input based on the known control behavior of a current-voltage converter. This is passed from the n input of the second operational amplifier OP2 to the n input of the first operational amplifier. The first operational amplifier OP1 then in turn regulates the p input to the polarization voltage Upol present at the n input.

Der Messstrom Ie der Messzelle 2 wird an der Kathode K gemessen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann die Anode A der Messzelle 2 unmittelbar auf Masse gelegt werden. Das hat erhebliche Vorteile insbesondere bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) der Messzelle 2, da grundsätzlich versucht wird, Masse als Bezugspotential für elektrische Schaltungen heranzuziehen. Auf Masse sollten alle Störströme abfließen. Deshalb ist die Masse üblicherweise sehr niederohmig und besonders gut geeignet, um die Schirmung einer amperometrischen Messzelle 2 anzulegen. Konstruktiv ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 außerdem der Vorteil, dass die Anode A ringförmig um die Kathode K herum angeordnet ist und dadurch als Schirmung für die Kathode K benutzt werden kann. Außerdem kann die Schirmung für die Kathode K in einem Anschlusskabel als elektrische Leitung für die Anode A verwendet werden.The measuring current Ie of the measuring cell 2 is measured at the cathode K. With the device 1 according to the invention, the anode A of the measuring cell 2 can be connected directly to ground. This has considerable advantages, in particular with regard to the electromagnetic compatibility (EMC) of the measuring cell 2 , since it is fundamentally attempted to use ground as the reference potential for electrical circuits. All interference currents should flow to ground. For this reason, the mass is usually very low-resistance and particularly well suited for applying the shielding of an amperometric measuring cell 2 . In terms of construction, the device 1 according to the invention also has the advantage that the anode A is arranged in a ring around the cathode K and can therefore be used as a shield for the cathode K. In addition, the shielding for the cathode K in a connection cable can be used as an electrical line for the anode A.

Der Messstrom Ie ist über einen zweiten Widerstand Rshunt an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers OP2 geführt. Über den Widerstandswert des zweiten Widerstandes Rshunt kann der Verstärkungsfaktor der Vorrichtung 1 variiert werden.The measuring current Ie is led to the output of the second operational amplifier OP2 via a second resistor Rshunt. The gain factor of the device 1 can be varied via the resistance value of the second resistor Rshunt.

Die zwischen den Ausgängen der beiden Operationsverstärker OP1 und OP2 anliegende Ausgangsspannung Ua kann mit Hilfe einer Verstärkerstufe 3, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, verstärkt werden. Die Verstärkerstufe 3 ist als ein gegengekoppelter Spannung-Spannungs-Wandler in Form eines symmetrischen Differenzverstärkers mit umschaltbarer Verstärkung ausgebildet. Die Verstärkerstufe 3 weist einen dritten Operationsverstärker OP3 auf.The output voltage Ua present between the outputs of the two operational amplifiers OP1 and OP2 can be amplified with the aid of an amplifier stage 3 , as shown in FIG. 2. The amplifier stage 3 is designed as a negative feedback voltage-voltage converter in the form of a symmetrical differential amplifier with switchable amplification. The amplifier stage 3 has a third operational amplifier OP3.

An dem p-Eingang (+) und dem n-Eingang (-) des Operationsverstärkers OP3 ist jeweils ein Schaltelement 4 angeordnet. Die Schaltelemente 4 sind als analoge 4/1-Halbleiterschalter ausgebildet. Die Schaltelemente 4 werden mittels zweier Steuerleitungen S0, S1 synchron angesteuert. Mit Hilfe der Schaltelemente 4 kann zwischen verschiedenen Verstärkungsfaktoren der Verstärkerstufe 3 umgeschaltet werden. A switching element 4 is arranged at the p input (+) and the n input (-) of the operational amplifier OP3. The switching elements 4 are designed as analog 4/1 semiconductor switches. The switching elements 4 are controlled synchronously by means of two control lines S0, S1. Switching elements 4 can be used to switch between different amplification factors of amplifier stage 3 .

Die verstärkte Ausgangsspannung Ua' liegt zwischen dem Ausgang des dritten Operationsverstärkers OP3 und Masse an.The amplified output voltage Ua 'lies between the output of the third operational amplifier OP3 and ground.

Eingangsseitig weist die Verstärkerstufe 3 sowohl in dem Pfad zu dem p-Eingang als auch in dem Pfad zu dem n-Eingang des Operationsverstärkers OP3 mehrere dritte Widerstände R0, R1, R2, R3 auf. Zwischen den einzelnen dritten Widerständen ist jeweils ein Abgriff 5 vorgesehen, der an das Schaltelement 4 geführt ist. Mit dem Schaltelement 4 können also gezielt Widerstände R0, R1, R2, R3 zugeschaltet bzw. abgeschaltet werden und so der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 3 variiert werden. Ein Widerstand R4 liegt einerseits an dem Pfad zu dem p-Eingang des Operationsverstärkers OP3 und andererseits auf Masse. Der Ausgang des dritten Operationsverstärkers OP3 ist über einen Widerstand R4 zu dem Pfad zu dem n-Eingang des Operationsverstärkers OP3 geführt und über das Schaltelement 4 auf den n-Eingang rückgekoppelt.On the input side, the amplifier stage 3 has a plurality of third resistors R0, R1, R2, R3 both in the path to the p input and in the path to the n input of the operational amplifier OP3. A tap 5 is provided between the individual third resistors, which is led to the switching element 4 . With the switching element 4 , resistors R0, R1, R2, R3 can thus be switched on and off in a targeted manner and the amplification factor of the amplifier stage 3 can thus be varied. A resistor R4 is on the one hand on the path to the p input of the operational amplifier OP3 and on the other hand to ground. The output of the third operational amplifier OP3 is led via a resistor R4 to the path to the n input of the operational amplifier OP3 and fed back to the n input via the switching element 4 .

Die vorgeschlagene Verstärkerstufe 3 hat den Vorteil, dass die Schaltelemente 4 an den Eingängen des Operationsverstärkers OP3 angeordnet sind. Deshalb fließt durch die Schaltelemente 4 kein Strom, da definitionsgemäß in die Eingänge eines Operationsverstärkers kein Strom fließt. Dadurch können ohne nachteilige Auswirkungen auf die Genauigkeit der Verstärkerstufe 3 relativ preiswerte nichtideale analoge Halbleiterschalter oder andere nichtideale Schaltelemente als Schaltelemente 4 eingesetzt werden. The proposed amplifier stage 3 has the advantage that the switching elements 4 are arranged at the inputs of the operational amplifier OP3. Therefore, no current flows through the switching elements 4 , since by definition no current flows into the inputs of an operational amplifier. As a result, relatively inexpensive non-ideal analog semiconductor switches or other non-ideal switching elements can be used as switching elements 4 without any adverse effects on the accuracy of the amplifier stage 3 .

Die in dem Pfad zu dem p-Eingang (+) des dritten Operationsverstärkers OP3 angeordneten dritten Widerstände R1, R2, R3 weisen dieselben Widerstandswerte auf wie die in dem Pfad zu dem n-Eingang (-) des dritten Operationsverstärkers OP3 angeordneten dritten Widerstände R0, R1, R2, R3. Dadurch ergibt sich ein symmetrischer Aufbau der Verstärkerstufe 3.The third resistors R1, R2, R3 arranged in the path to the p input (+) of the third operational amplifier OP3 have the same resistance values as the third resistors R0 arranged in the path to the n input (-) of the third operational amplifier OP3, R1, R2, R3. This results in a symmetrical structure of amplifier stage 3 .

Die Verstärkerstufe 3 ist nicht auf den Einsatz mit einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen des Messstroms Ie einer amperometrischen Messzelle 2 beschränkt. Vielmehr stellt sie ganz allgemein einen kostengünstigen symmetrischen Differenzverstärker mit umschaltbarer Verstärkung mittels Halbleiteranalogschalter und nur einem Operationsverstärker dar, der zum Verstärken beliebiger Spannungen eingesetzt werden kann.The amplifier stage 3 is not limited to use with a device 1 for determining the measuring current Ie of an amperometric measuring cell 2 . Rather, it generally represents an inexpensive symmetrical differential amplifier with switchable amplification by means of semiconductor analog switches and only one operational amplifier, which can be used to amplify any voltages.

Claims

1. Device ( 1 ) for determining the measuring current (Ie) of an amperometric measuring cell ( 2 ) for measuring the concentration of a substance in a measuring medium, the measuring cell ( 2 ) having an anode (A) and a cathode (K), between which a constant polarization voltage (Upol) is present, characterized in that the device ( 1 ) has two operational amplifiers (OP1, OP2), whose n inputs (-) are connected to one another and whose outputs each have a first resistor (R) to the n -Input (-) are fed back, the measuring current (Ie) being present at the p-input (+) of the first operational amplifier (OP1) and being led via a second resistor (Rshunt) to the output of the second operational amplifier (OP2) and the Polarization voltage (Upol) is present at the p input (+) of the second operational amplifier (OP2).

2. Device according to claim 1, characterized in that to the outputs of the two operational amplifiers (OP1, OP2) an amplifier stage is connected, the one has third operational amplifier (OP3), at the Inputs (+, -) one at the outputs of the two Operational amplifier (OP1, OP2) connected Output voltage (Ua) over several series connected third resistors (R0, R1, R2, R3, R4) and at least a switching element is applied, wherein for setting the Gain factor of the amplifier stage the number of third resistors (R0, R1, R2, R3, R4), through which the Output voltage (Ua) at the inputs (+, -) of the third Operational amplifier (OP3) is present using the at least one switching element is changeable.

3. Device according to claim 2, characterized in that those in the path to the p input (+) of the third Operational amplifier (OP3) arranged third Resistors (R0, R1, R2, R3) have the same resistance values like those in the path to the n input (-) of the third operational amplifier (OP3) arranged third Resistors (R0, R1, R2, R3).

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized marked that in the path to the p input (+) first switching element and in the path to the n input (-) a second switching element is arranged.

5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized characterized that the switching elements as Semiconductor analog switches are formed.