DE102005062387B4

DE102005062387B4 - Potentiometrischer Sensor mit Zustandsüberwachung

Info

Publication number: DE102005062387B4
Application number: DE102005062387.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Pechstein Torsten; Lars Kirsten
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: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2025-12-24
Also published as: DE102005062387A1; US7615140B2; US20070163881A1

Abstract

Potentiometrischer Sensor zum Messen einer potentiometrischen Größe eines Messmediums, umfassend: einen ISFET (1), dessen Gate-Region eine ionensensitive Oberfläche aufweist, die mit dem Messmedium beaufschlagbar ist, und der ein Ausgangssignal ausgibt, welches von der Konzentration der Ionen an der ionensensitiven Oberfläche der Gate-Region abhängt; eine Auswertungsschaltung (2) mit einem Messeingang, an dem das Ausgangssignal des ISFETs anliegt, wobei die Auswertungsschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Ausgangssignals einen Messwert für die potentiometrische Größe auszugeben; einen Messwiderstand (3) der zwischen dem Ausgang des ISFETs und dem Eingang der Auswertungsschaltung (2) angeordnet ist; eine Überwachungsschaltung (4), die dazu eingerichtet ist den Spannungsabfall über dem Messwiderstand (3) zu erfassen; und einen Brückenzweig (5), der parallel zum Messwiderstand (3) verläuft, um den Messwiderstand zu überbrücken, wobei der Brückenzweig einen Schalter (6) aufweist, mit dem der Brückenzweig geöffnet und geschlossen werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen potentiometrischen Sensor mit Zustandsüberwachung, wobei der Sensor einen ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) aufweist.
Potentiometrische Sensoren mit ISFETs werden zur Bestimmung elektrochemischer Potentiale, insbesondere als pH-Sensoren eingesetzt. Derartige Sensoren sind u. a. in einem Übersichtsartikel von P. Bergveld diskutiert („Thirty Years of ISFETOLOGY ...” in „Sensors and Actuators B 88, 2003, S. 1–20).
Ein gattungsgemäßer, einen ISFET umfassender Sensor zur Messung der Konzentration von Ionen, insbesondere von Wasserstoffionen, in einer Messflüssigkeit ist beispielsweise aus DE 198 57 953 A1 oder US 6,624, 637 B1 bekannt. Der Sensor weist eine Schaltung auf, in der der ISFET zusammen mit mindestens drei Widerständen in einer Brückenschaltung realisiert ist.
In US 2005/0230245 A1 sind verschiedene Schaltungen gattungsgemäßer Sensoren dargestellt, die einen ISFET aufweisen und dazu ausgestaltet sind, den Drain-Strom und/oder die Drain-Source-Spannung des ISFET mittels einer Rückkopplungs-Anordnung auf einen konstanten Wert zu regeln.
Zur Funktion eines ISFETs ist es erforderlich, dass kein Leckstrom fließt, der die Messung des elektrochemischen Potentials beeinträchtigt. Fließt ein signifikanter Leckstrom, so kann daraus geschlossen werden, dass der potentiometrische Sensor defekt ist. Es ist daher unerlässlich, den Sensor auf einen Leckstrom zu überwachen.
Gängige Stromüberwachungen mit einem Shunt-Widerstand im Messzweig kommen jedoch nicht in Betracht, da Ströme im Bereich von 1 nA detektiert werden müssen, was entweder einen großen Widerstand erfordert, der mit der Messung nicht vereinbar ist, oder eine aufwändige Auswertungsschaltung, die für die in Rede stehenden Sensoren zu teuer ist.
Weiterhin kann die Detektion eines Leckstroms im Gegenstromprinzip erfolgen. Hierzu wird in dem zu überwachenden Stromkreis eine gesteuerte Stromquelle eingebracht, die einen Strom aufprägen soll, der dem Leckstrom entgegenwirkt. Eine weitere Messeinrichtung, welche feststellen kann, ob die Summe des Leckstroms und des Gegenstroms in der Bilanz einen Wert von Null ergibt, steuert die Stromquelle. Anhand des erforderlichen Steuersignals kann festgestellt werden, in welchem Ausmaß ein Leckstrom fließt. Auch das Gegenstromprinzip ist für die Überwachung eines potentiometrischen Sensors nicht geeignet, denn einerseits geht sie mit einer erhöhten Leistungsaufnahme einher, die – insbesondere bei Sensoren mit galvanisch getrennten, induktiv koppelnden Schnittstellen, wie sie von der Anmelderin unter der Marke Memosens vertrieben werden – für potentiometrische Sensoren nicht ohne weiteres zur Verfügung steht. Gleichermaßen ist eine Gegenstromschaltung mit erhöhten Kosten verbunden, die bei den potentiometrischen Sensoren nicht vertretbar sind.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine praktikable Leckstromüberwachung für einen potentiometrischen Sensor mit einem ISFET bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den potentiometrischen Sensor gemäß des Gegenstandes des Patentanspruchs 1.
Der erfindungsgemäße potentiometrische Sensor zum Messen einer potentiometrischen Größe eines Messmediums umfasst:
einen ISFET, dessen Gate-Region eine ionensensitive Oberfläche aufweist, die mit dem Messmedium beaufschlagbar ist, und der ein Ausgangssignal ausgibt, welches von der Konzentration der Ionen an der ionensensitiven Oberfläche der Gate-Region abhängt;
eine Auswertungsschaltung mit einem Messeingang, an dem das Ausgangssignal des ISFETs anliegt, wobei die Auswertungsschaltung dazu vorgesehen ist, in Abhängigkeit des Ausgangssignals einen Messwert für die potentiometrische Größe auszugeben;
einen Messwiderstand der zwischen dem Ausgang des ISFETs und dem Eingang der Auswertungsschaltung angeordnet ist;
eine Überwachungsschaltung um den Spannungsabfall über dem Messwiderstand zu erfassen; und
einen Brückenzweig, der parallel zum Messwiderstand verläuft, um den Messwiderstand zu überbrücken, wobei der Brückenzweig einen Schalter aufweist, mit dem der Brückenzweig geöffnet und geschlossen werden kann.
Der Schalter kann beispielsweise getaktet sein, wobei die Auswertung des Ausgangssignals zur Bestimmung der potentiometrischen Messgröße erfolgt, wenn der Schalter geschlossen ist, und die Überwachung des Messwiderstands durchgeführt wird, wenn der Schalter geöffnet ist.
Der Messwiderstand kann so bemessen sein, dass beispielsweise bei einem Strom von 1 nA ein Spannungsabfall von etwa 1 mV bis etwa 100 mV erfolgt, d. h. der Messwiderstand kann beispielsweise einen Wert von etwa 1 Megaohm bis 100 Megaohm auf.
Das Tastverhältnis des Schalters ist unkritisch. Der Schalter kann den größten Teil der Zeit geschlossen sein, damit die die Bestimmung der potentiometrischen Größe erfolgen kann, und nur in einem kleinen Teil der Zeit muss der Schalter zur Leckstromüberwachung geöffnet werden. Ein Tastverhältnis von mehr als 10:1 bzw. sogar mehr als 100:1 ist durchaus möglich.
Der Schalter und/oder die Überwachungsschaltung können getrennt von der Auswertungsschaltung angeordnet oder mit dieser in einer Baugruppe realisiert sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße potentiometrische Sensor einen Überwachungsausgang, der in Abhängigkeit des ermittelten Leckstromwerts bzw. des zeitlichen Verlaufs des Leckstromwerts einen Alarm bei erfolgtem oder bevorstehendem Überschreiten eines Leckstromgrenzwerts oder eine Prognose über die Reststandzeit ausgibt.
Der Potentiometrische Sensor kann insbesondere ein pH-Sensor sein.
Die Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
1: ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen potentiometrischen Sensors.
Der erfindungsgemäße potentiometrische Sensor in diesem Ausführungsbeispiel ist ein pH-Sensor. Er umfasst einen pH-sensitiven ISFET 1, dessen Ausgang in einem so genannten Messzweig mit dem Eingang einer Auswerteschaltung 2 verbunden ist, welche in Abhängigkeit des Ausgangssignals des ISFETs 1 einen pH-Wert augibt.
In dem Messzweig ist ein Messwiderstand 3 von 100 Megaohm angeordnet, wobei der Spannungsabfall über dem Messwiderstand 3 von einer Überwachungsschaltung 4 erfasst wird. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Komparator vorgesehen, welcher den ermittelten Spannungsabfall mit einem vorgebbaren Grenzwert vergleicht und einen Alarm auslost, wenn der Grenzwert überschritten wird.
Da der Messwiderstand 3 das Ausgangssignal des ISFETs verfälschen kann, ist parallel zum Messwiderstand 3 ein Brückenzweig 5 vorgesehen, welcher den Messwiderstand 3 überbrückt. Der Brückenzweig 5 umfasst einen getakteten Schalter 6, welcher zu Zeiten t1 geöffnet und zu Zeiten t2 geschlossen ist. Des Tastverhältnis von t2:t1 beträgt beispielsweise 32:1. Sei geschlossenem Schalter kann die pH-Messung durchgeführt werden, und bei geöffnetem Schalter erfolgt die Leckstromüberwachung.

Claims

Potentiometrischer Sensor zum Messen einer potentiometrischen Größe eines Messmediums, umfassend: einen ISFET (1), dessen Gate-Region eine ionensensitive Oberfläche aufweist, die mit dem Messmedium beaufschlagbar ist, und der ein Ausgangssignal ausgibt, welches von der Konzentration der Ionen an der ionensensitiven Oberfläche der Gate-Region abhängt; eine Auswertungsschaltung (2) mit einem Messeingang, an dem das Ausgangssignal des ISFETs anliegt, wobei die Auswertungsschaltung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit des Ausgangssignals einen Messwert für die potentiometrische Größe auszugeben; einen Messwiderstand (3) der zwischen dem Ausgang des ISFETs und dem Eingang der Auswertungsschaltung (2) angeordnet ist; eine Überwachungsschaltung (4), die dazu eingerichtet ist den Spannungsabfall über dem Messwiderstand (3) zu erfassen; und einen Brückenzweig (5), der parallel zum Messwiderstand (3) verläuft, um den Messwiderstand zu überbrücken, wobei der Brückenzweig einen Schalter (6) aufweist, mit dem der Brückenzweig geöffnet und geschlossen werden kann.
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der Schalter (5) getaktet ist, und die Auswertung des Ausgangssignals zur Bestimmung der potentiometrischen Messgröße erfolgt, wenn der Schalter (5) geschlossen ist, und die Überwachung des Messwiderstands (3) durchgeführt wird, wenn der Schalter (5) geöffnet ist.
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, welcher einen Überwachungsausgang aufweist, der in Abhängigkeit des ermittelten Leckstromwerts oder des zeitlichen Verlaufs des Leckstromwerts einen Alarm ausgibt.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, welcher einen Überwachungsausgang aufweist, der in Abhängigkeit des ermittelten Leckstromwerts oder des zeitlichen Verlaufs des Leckstromwerts eine Prognose über die Reststandzeit des Sensors ausgibt.
Potentiometrischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der potentiometrische Sensor ein pH-Sensor ist.