DE102005026491A1

DE102005026491A1 - Electrochemical gas sensor arrangement e.g. for gas sensor, has test electrodes positioned over diffusion part and being in gas flow connection to environment

Info

Publication number: DE102005026491A1
Application number: DE200510026491
Authority: DE
Inventors: Uwe Kühn
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: DE102005026491B4

Abstract

An electrochemical gas sensor arrangement in a housing (130) has several test electrodes (2, 3), a backplate electrode (7), a reference electrode (8, 9, 60) and electrolytes. The test electrodes are positioned over a diffusion part and are in a gas flow connection to the environment. The test electrodes stand over a gas flow channel being in gas flow connection with one another. Two test electrodes are located over a common gas flow channel in gas flow connection. The diffusion part is in the form of capillary elements or diffusion barriers.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrochemische Gassensoranordnung gemäß Anspruch 1.The The invention relates to an electrochemical gas sensor arrangement according to claim 1.

Es sind viele elektrochemische Gassensoranordnungen bekannt geworden, die sich speziell durch einen unterschiedlichen Aufbau oder auch im Hinblick auf die verwendeten Materialien der Elektroden, der Elektrolyten, des Gehäuses oder der Diffusionsbegrenzungen für das Messgas unterscheiden.It Many electrochemical gas sensor arrangements have become known, which is specifically due to a different structure or also with regard to the materials used in the electrodes, the Electrolytes, of the housing or distinguish the diffusion limitations for the sample gas.

So geht beispielsweise aus US 4,132,616 ein elektrochemischer Gassensor hervor, der als Diffusionsbegrenzung für das Messgas ein oder mehrere Kapillarelemente aufweist mit der vorteilhaften Wirkung, dass das Messsignal speziell in Bezug auf eine vorher notwendige Temperaturkompensation verbessert wird. Elektrochemische Gassensoranordnungen müssen von Zeit zu Zeit kalibriert werden. Speziell Sauerstoffsensoren werden im Allgemeinen über eine sogenannten Einpunkt-Kalibrierung mit der gegebenen Sauerstoffkonzentration kalibriert. Hierbei erhält man jedoch keine Information, ob der betreffende Sensor in einem anderen Konzentrationsbereich noch einwandfrei funktioniert. Eine Begasung mit einer zweiten oder weiteren Sauerstoffkonzentration, um einen zweiten oder weiteren Mess- und Kalibrierpunkt zu erhalten, erfolgt bei Bedarf mittels Prüfgasen aus Prüfgasbehältern mit definierter Konzentration und ist dementsprechend aufwendig.This is how it works, for example US 4,132,616 an electrochemical gas sensor, which has one or more capillary elements as diffusion limitation for the measuring gas, with the advantageous effect that the measuring signal is improved especially with respect to a previously necessary temperature compensation. Electrochemical gas sensor assemblies must be calibrated from time to time. Specifically, oxygen sensors are generally calibrated via a so-called one-point calibration with the given oxygen concentration. However, this does not provide any information as to whether the sensor in question is still functioning properly in a different concentration range. Fumigation with a second or further oxygen concentration in order to obtain a second or further measurement and calibration point, if necessary using test gases from test gas containers with a defined concentration and is therefore expensive.

Bisher ist keine geeignete Gassensoranordnung mit einer Zwei- oder Mehrpunkt-Kalibrierung bekannt, die ohne ein vordefiniertes zusätzliches Prüfgas auskommt.So far If no suitable gas sensor arrangement is known with a two- or multi-point calibration, which manages without a predefined additional test gas.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer elektrochemischen Gassensoranordnung, welche so gestaltet ist, dass damit mindestens eine Zweipunkt-Kalibrierung durchgeführt werden kann, ohne dass die Gassensoranordnung mit einem zusätzlichen Prüfgas begast werden muss.Accordingly, there is the object of the invention in the provision of an electrochemical gas sensor arrangement, which is designed so that at least a two-point calibration are performed can, without the gas sensor assembly with an additional Test gas must be fumigated.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.The solution receives the task one with the features of claim 1.

In der angegebenen elektrochemischen Gassensoranordnung sind mindestens zwei Messelektroden über eine Diffusionsbegrenzung mit der Umgebungsluft in Gasströmungsverbindung und stehen zusätzlich über mindestens einen Gasströmungskanal miteinander in Gasströmungsverbindung. Wenn nun eine der Messelektroden abgeschaltet wird, kann das Messgas von dieser Messelektrode durch den Gasströmungskanal zur zweiten und gegebenenfalls zu weiteren Messelektroden gelangen und führt dort zu einer Messsignalerhöhung. Bei wechselseitiger Schaltung können so beide bzw. alle vorhandenen Messelektroden gegeneinander getestet und kalibriert werden. Durch Modulation des Potentials können verschiedene Messgaskonzentrationen simuliert werden. Gleichzeitig erhält man eine redundante Gassensoranordnung, die nach Ausfall einer Messelektrode messbereit bleibt.In the specified electrochemical gas sensor arrangement are at least two measuring electrodes over a diffusion restriction with the ambient air in gas flow communication and are additionally over at least a gas flow channel together in gas flow connection. If now one of the measuring electrodes is switched off, the measuring gas can from this measuring electrode through the gas flow channel to the second and if necessary, get to other measuring electrodes and leads there to a measurement signal increase. at mutual switching can so both or all existing measuring electrodes tested against each other and calibrated. By modulation of the potential different Measuring gas concentrations are simulated. At the same time you get a redundant Gas sensor arrangement, which is ready for measurement after failure of a measuring electrode remains.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Gassensoranordnung gemäß Hauptanspruch an.The under claims give advantageous embodiments and further developments of the gas sensor arrangement according to the main claim at.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren erläutert.in the Below are embodiments with Help the figures explained.

Es zeigenIt demonstrate

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gassensoranordnung und 1 a first embodiment of a gas sensor assembly and

2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Gassensoranordnung. 2 A second embodiment of a gas sensor arrangement.

1 zeigt in Draufsicht beispielhaft zwei in einem Gehäuse 30 aus Polyethylen, Polypropylen, Polyester oder PTFE angeordnete und eine Sensoranordnung bildende elektrochemische Sensoren mit jeweils einer Messelektrode 4 und 5, jeweils einer Gegenelektrode 6 und 7 und jeweils einer Bezugselektrode 8 und 9. Die einzelnen Elektroden sind mit einem mit einem Elektrolyten getränkten Vlies 100, 200 elektrolytisch miteinander verbunden. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem porösen Edelmetall/PTFE-Verbund. Über Kontaktdrähte 10, 11, 12 und 13, 14, 15 sind die Sensoren mit einer steuerbaren Potentiostateinheit 16 verbunden, die die Potentiale und Schaltzeiten regelt und die Auswertung der Signale vornimmt. 1 shows in plan view exemplary two in a housing 30 from polyethylene, polypropylene, polyester or PTFE arranged and forming a sensor array electrochemical sensors, each having a measuring electrode 4 and 5 , in each case one counterelectrode 6 and 7 and one reference electrode each 8th and 9 , The individual electrodes are covered with a nonwoven impregnated with an electrolyte 100 . 200 electrolytically connected to each other. The electrodes are preferably made of a porous noble metal / PTFE composite. About contact wires 10 . 11 . 12 and 13 . 14 . 15 are the sensors with a controllable potentiostat unit 16 connected, which controls the potentials and switching times and carries out the evaluation of the signals.

Über die als Kapillarelemente 18, 19 ausgebildete Diffusionsbegrenzung sind die Messelektroden 4, 5 mit der Umgebungsluft verbunden.About as capillary elements 18 . 19 Trained diffusion limitation are the measuring electrodes 4 . 5 connected to the ambient air.

Alternativ kann die Diffusionsbegrenzung als poröse oder geschlossene, aber permeable Diffusionsmembran, speziell aus PTFE, ausgeführt sein. Über den Gasströmungskanal 20 sind beide Messelektroden 4, 5 gasseitig miteinander gekoppelt, so dass bei Anlegen eines Potentials an diese Elektroden das ankommende Messgas aus der Umgebung, beispielsweise Sauerstoff, wegreduziert wird und im Gleichgewicht zu einem konstanten Stromfluss durch beide Sensoren führt. Wird nun einer der Sensoren abgeschaltet oder das Potential vermindert, so kann über das zugehörige Kapillarelement 18 oder 19 und den Gasströmungskanal 20 zusätzlicher Sauerstoff an die Messelektrode 4 oder 5 des noch unverändert aktiven Sensors gelangen und wird dort reduziert, was zu einer Erhöhung des Messsignalsstroms führt. Es stehen somit, obwohl nur mit einer Messgaskonzentration der Umgebung begast wird, mindestens zwei Kalibrierpunkte wechselseitig zur Verfügung, die für beide Sensoren durch entsprechende Schaltung zum Tragen kommen.Alternatively, the diffusion restriction can be designed as a porous or closed, but permeable diffusion membrane, especially made of PTFE. About the gas flow channel 20 are both measuring electrodes 4 . 5 coupled on the gas side, so that when a potential is applied to these electrodes, the incoming sample gas from the environment, such as oxygen, is wegreduziert and leads in equilibrium to a constant current flow through both sensors. If one of the sensors is switched off or the potential is reduced, it is possible to use the associated capillary element 18 or 19 and the gas flow channel 20 additional oxygen to the measuring electrode 4 or 5 get the still unchanged active sensor and is reduced there, which leads to an increase of the measurement signal current. Thus, although only gassing with a sample gas concentration of the environment, at least two calibration points are mutually available, which come into effect for both sensors by appropriate circuit.

Der Gasströmungskanal 20 kann als glattwandiges Rohr ausgeführt sein oder aus einem hydrophoben Vliesmaterial bestehen, wobei eine möglichst freie Diffusion des Messgases angestrebt ist. Es ist vorteilhaft, den Gasweg durch den Gasströmungskanal 20 so kurz wie möglich zu halten, vorzugsweise wenige Millimeter, um lange Diffusionswege und damit lange Sensoransprechzeiten zu vermeiden.The gas flow channel 20 can be designed as a smooth-walled tube or consist of a hydrophobic nonwoven material, with the least possible diffusion of the sample gas is sought. It is advantageous to the gas path through the gas flow channel 20 as short as possible, preferably a few millimeters, in order to avoid long diffusion paths and thus long sensor response times.

2 zeigt im Querschnitt eine flach gebaute Gassensoranordnung mit zwei Messelektroden 2, 3, einer Gegenelektrode 7 und einer Bezugselektrode 60, die in einem Gehäuse 130 aufgenommen sind. 2 shows in cross section a flat gas sensor assembly with two measuring electrodes 2 . 3 , a counter electrode 7 and a reference electrode 60 in a housing 130 are included.

Die Messelektroden 2, 3 werden hier durch zwei für das Messgas permeable Diffusionsmembranen 40, 50 zur Umgebung diffusionsbegrenzt. Die Diffusionsmembranen 40, 50 sind entweder mit vielen einzelnen Poren ausgestattet oder inhärent für das Messgas permeabel, so dass in jedem Fall ein konstanter Gastransport durch Diffusion oder Permeation sichergestellt ist. Bevorzugte Materialien sind hydrophobe Polymere wie PTFE, PE, PP.The measuring electrodes 2 . 3 are here by two permeable to the sample gas diffusion membranes 40 . 50 diffusion-limited to the environment. The diffusion membranes 40 . 50 are either equipped with many individual pores or inherently permeable to the sample gas, so that in each case a constant gas transport by diffusion or permeation is ensured. Preferred materials are hydrophobic polymers such as PTFE, PE, PP.

Über eine Bohrung 8 kann an der Gegenelektrode 7 entwickelter Sauerstoff oder gegebenenfalls ein anderes Gas an die Umgebung abgegeben werden. Die gasseitige Kopplung der Messelektroden 2, 3 erfolgt durch den Gasströmungskanal 10, welcher mit einem porösen und hydrophoben Einlegeteil aus einem Vliesmaterial in dem mit Elektrolyt gefüllten Vlies 9 versehen ist.About a hole 8th can at the counter electrode 7 developed oxygen or optionally another gas are released to the environment. The gas-side coupling of the measuring electrodes 2 . 3 takes place through the gas flow channel 10 which comprises a porous and hydrophobic insert made of a nonwoven material in the electrolyte-filled nonwoven fabric 9 is provided.

Die Potentiostateinheit 16 dient wie in der Gassensoranordnung nach 1 dazu, die Potentiale und Schaltzeiten der Elektroden zu regeln und die Auswertung der Signale vorzunehmen.The potentiostat unit 16 serves as in the gas sensor arrangement 1 to regulate the potentials and switching times of the electrodes and to carry out the evaluation of the signals.

Claims

Electrochemical gas sensor arrangement in a housing ( 30 . 130 ) with several measuring electrodes ( 2 . 3 ; 4 . 5 ), at least one counter electrode ( 6 . 7 ), at least one reference electrode ( 8th . 9 ; 60 ) and an electrolyte, wherein - each of the measuring electrodes ( 2 . 3 ; 4 . 5 ) via a diffusion limitation ( 18 . 19 ; 40 . 50 ) is in gas flow communication with the environment and - the measuring electrodes ( 2 . 3 ; 4 . 5 ) via at least one gas flow channel ( 10 . 20 ) are in gas flow communication with each other.

Electrochemical gas sensor arrangement according to claim 1, characterized in that exactly two measuring electrodes ( 2 . 3 ; 4 . 5 ) via a common gas flow channel ( 10 . 20 ) are in gas flow communication.

Electrochemical gas sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the diffusion limitation ( 18 . 19 ; 40 . 50 ) in the form of capillary elements ( 18 . 19 ) or diffusion membranes ( 40 . 50 ) is executed.

Electrochemical gas sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one gas flow channel ( 10 . 20 ) is tubular, in the form of a bore, or made of a porous, hydrophobic nonwoven material.

Electrochemical gas sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 30 . 130 ) consists of polyethylene (PE), polypropylene (PP) polyester or polytetrafluoroethylene (PTFE).

Electrochemical gas sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the capillary elements ( 18 . 19 ) have a length of a few millimeters and an inner diameter of not more than 0.4 millimeters.

Electrochemical gas sensor arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flow channel ( 20 ) has a maximum length of 10 millimeters and an inner diameter of not more than 0.4 millimeters.

Electrochemical gas sensor arrangement according to one of previous claims, characterized in that the gas sensor arrangement for the measurement used by oxygen.