DE102007041238A1

DE102007041238A1 - Elektrochemischer Sensor

Info

Publication number: DE102007041238A1
Application number: DE102007041238A
Authority: DE
Inventors: Peter Lindmüller; Martin Lohmann; Thomas Hartmann; Thilo Dr. Trapp; Sven Matthias Scheibe; Stephan Dr. Buschnakowski
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: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-03-05
Also published as: WO2009027210A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Sensor (1) mit einem Sensorelement (5), mit einem primärseitigen Steckverbinderelement (2) und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement (3), wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement (3) mit dem Sensorelement (5) verbindbar ist, wobei das primärseitige Steckverbinderelement (2) und das sekundärseitige Steckverbinderelemenet (3) über eine Steckverbinderkupplung (4) miteinander verbindbar sind und wobei die Energieversorgung und ggf. die Kommunikation zwischen dem primärseitigen Steckverbinderelement (2) und dem Sensorelement (5) bzw. dem sekundärseitigen Steckverbinderelement (3) über die Steckverbinderkupplung (4) erfolgt. Damit der Sensor nach einer Stand-by-Phase sofort einsatzbereit ist, ist dem primärseitigen Steckverbinderelement (2) eine Energieversorgungseinheit (16) zugeordnet, die das Sensorelement (5) über die Steckverbinderkupplung (4) mit einer zum Betrieb des Sensorelements (5) notwendigen Spannung (U) versorgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor mit einem Sensorelement, mit einem primärseitigen Steckverbinderelement und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement, wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement mit dem Sensorelement verbindbar ist, wobei das primärseitige Steckverbinderelement und das sekundärseitige Steckverbinderelement über eine Steckverbinderkupplung miteinander verbindbar sind, und wobei die Energieversorgung und die Kommunikation zwischen dem primärseitigen Steckverbinderelement und dem Sensorelement bzw. dem sekundärseitigem Steckverbinderelement über die Steckverbinderkupplung erfolgt.
Aus der DE 102 18 606 A1 ist ein potentiometrischer Sensor bekannt geworden, der einen Elementarsensor mit einem digitalen Datenspeicher aufweist, wobei der Datenspeicher fest mit dem Sensor verbunden ist. In dem Datenspeicher sind Prozess- oder Sensordaten gespeichert. Der Sensor kommuniziert über eine Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit, z. B. einem Transmitter oder einem Kabel. Über die Schnittstelle überträgt der Sensor Messsignale, die den pH-Wert oder einen sonstigen Messwert repräsentieren. Weiterhin werden über die Schnittstelle Daten vom dem Datenspeicher gelesen bzw. auf den Datenspeicher geschrieben. Bevorzugt erfolgt über die Schnittstelle auch die Energieversorgung des Sensors.
Aus der DE 103 13 639 A1 ist ein vergleichbarer elektrochemischer Sensor bekannt geworden. Bei dem elektrochemischen Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Sauerstoffsensor. Entsprechende Sensoren mit induktiver Schnittstelle werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausgestaltungen unter der Bezeichnung MEMOSENS oder mit Bezug auf die MEMOSENS-Technologie angeboten und vertrieben.
Je nach Sensortyp dauert es nach einer Inbetriebnahme oder auch im Falle von intermittierenden Messungen – z. B. bei Badge Prozessen – relativ lang, bis der Sensor einen eingeschwungenen, stabilen Zustand erreicht. Bei einem ISFET-Sensor, wie er beispielsweise zur pH-Messung eingesetzt wird, liegt die Einschwingzeit bei ca. 10 Minuten. Bei einem Sauerstoffsensor kann es bis zu einem Tag dauern, bis der eingeschwungene Zustand erreicht ist. In vielen Applikation ist eine derart lange Einschwingzeit natürlich problematisch, da dies im Extremfall bedeutet, dass die Prozessanlage für längere Zeit still nicht betriebsbereit ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor so auszugestalten, dass er nach der Inbetriebnahme unverzüglich betriebsbereit ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass dem primärseitigen Steckverbinderelement eine Energieversorgungseinheit zugeordnet ist, die das Sensorelement über die Steckverbinderkupplung mit einer Betriebsspannung versorgt. Diese Betriebsspannung ist bevorzugt so ausgelegt, dass der elektrochemische Sensor bei einer Erst- oder Wieder- Inbetriebnahme oder auch beim intermittierenden Betrieb nach einer Stand-by Phase verzögerungsfrei messbereit ist. Im Falle eines ISFET-Sensors entspricht diese Betriebsspannung der Polarisationsspannung des ISFETs.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Sensors handelt es sich im Falle der Lagerung des Sensorelements bei dem primärseitigen Steckverbinderelement um einen Adapter, der während der Lagerung des Sensorelements auf das sekundärseitige Steckverbinderelement aufgesteckt ist und das Sensorelement mit der erforderlichen Mindest-Betriebsspannung versorgt. Bevorzugt handelt es sich um einen Steckadapter, der mit demselben mechanischen Verbindungsmechanismus, z. B. einem Bajonettverschluß, ausgestattet ist wie das üblicherweise mit dem sekundärseitigen Steckverbinderelement verbundene primärseitige Steckverbinderelement.
Weiterhin wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des elektrochemischen Sensors vorgeschlagen, dass für den Fall, dass der elektrochemische Sensor intermittierend betrieben wird, die Energieversorgungseinheit so ausgestaltet ist, dass sie zu- und abschaltbar ist, und dass die Energieversorgungseinheit im Stand-by Zustand aktiviert ist und die Mindest-Betriebsspannung für das Sensorelement zur Verfügung stellt und dass die Energieversorgungseinheit im Normalbetrieb des elektrochemischen Sensors deaktiviert ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Energieversorgungseinheit ein Energiespeicher zugeordnet ist, der so ausgestaltet ist, dass er sich im Normalbetrieb des elektrochemischen Sensors auflädt.
Obwohl beispielsweise bei pH-Sensoren bevorzugt als Steckverbinderkupplung eine galvanische getrennte, insbesondere eine induktive Schnittstelle zum Einsatz kommt, kann es sich bei der Steckverbinderkupplung auch um eine galvanische Schnittstelle handeln. Als kontaktlose Schnittstelle kann selbstverständlich auch eine optisch oder eine kapazitiv koppelnde Schnittstelle vorgesehen sein.
Wie bereits erwähnt handelt es sich bei dem elektrochemischen Sensor um einen pH-Sensor entweder mit einer Glaselektrode oder mit einer ISFET-Elektrode oder um einen Sensor zur Bestimmung einer chemischen Substanz. Bei der zu detektierenden Substanz kann es sich z. B. um eine beliebige in einer Flüssigkeit gelöste Substanz handeln. Beispielsweise wird eine Konzentration von Sauerstoff, Stickstoff oder Chlor gemessen.
Weiterhin wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors vorgeschlagen, dass es sich bei der Energieversorgungseinheit um eine Batterie, eine Solarzelle oder eine Brennstoffzelle handelt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der elektrochemische Sensor über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk mit einem Messumformer verbunden ist, wobei der Messumformer ggf. mit einer übergeordneten Leitwarte über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk kommuniziert.
Die Kommunikation des elektrochemischen Sensors mit der übergeordneten Leitwarte erfolgt entweder über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk. Die Kommunikation basiert auf einem der Protokolle, die in der Prozessautomatisierung standardmäßig verwendet werden, z. B. Profibus PA, Fieldbus Foundation, usw.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors, die für den intermittierenden Messbetrieb einsetzbar ist, und
2: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steckadapters.
1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors 1. Diese Ausgestaltung kommt bevorzugt beim intermittierenden Messbetrieb zum Einsatz. Dargestellt sind in der 1 nur wenige Komponenten, die zur Daten- und Energieübertragung zwischen dem primärseitigen Steckverbinderelement 2 und dem sekundärseitigen Steckverbinderelement 3 erforderlich sind. Für ausführliche Information hierzu wird auf die beiden in der Beschreibungseinleitung zitierten Schriften des Standes der Technik oder auf den MEMOSENS der Anmelderin verwiesen.
Der elektrochemische Sensor 1 besteht – wie bereits mehr erwähnt – aus einem primärseitigen Steckverbinderelement 2 und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement 3. Das sekundärseitigen Steckverbinderelement 3 ist mit dem Sensorelement 5 verbindbar. Bei dem Sensorelement 5 handelt es sich beispielsweise um eine pH-Glaselektrode oder um eine pH-ISFET-Elektrode. Das primärseitige Steckverbinderelement 2 und das sekundärseitige Steckverbinderelement 3 sind über eine Steckverbinderkupplung 4 miteinander verbunden. Die mechanische Verbindung der beiden Komponenten 2, 3 erfolgt beispielsweise über einen Bajonett-Verschluss, wie er beim MEMOSENS der Anmelderin verwendet wird.
Über die induktiv koppelnde Schnittstelle 4 erfolgt die Energie- und Datenübertragung im gezeigten Beispiel kontaktlos. Selbstverständlich kann die Kopplung auch kapazitiv oder optisch ausgestaltet sein. Ebenso ist erfindungsgemäß eine galvanische Schnittstelle einsetzbar. Über diese Steckverbinderkupplung 4 bzw. Schnittstelle erfolgen die Energieversorgung und der Datenaustausch zwischen dem primärseitigem Steckverbinderelement 2 und dem sekundärseitigem Steckverbinderelement 3, das mit dem Sensorelement 5 verbunden ist.
Beim intermittierenden Betrieb in der Stand-by Phase wird das sekundärseitige Steckverbinderelement 3 mit dem Sensorelement 5 über die Schnittstelle 4 mit der notwendigen Betriebsspannung versorgt. Im Falle eines ISFET-Sensors handelt es sich bei der zur Verfügung gestellten Betriebsspannung U um die sog. Polarisationsspannung. Sobald der elektrochemische Sensor 1 wieder aktiviert wird und Messwerte bereitstellen soll, wird die Energieversorgungseinheit 6 deaktiviert. Die Zu- und Abschaltung der Energieversorgungseinheit 6 erfolgt über den Schalter 7.
Der intermittierende Betrieb des elektrochemischen Sensors 1 wird über die Verbindungsleitung 9 bzw. das Kabel 9 gesteuert, die bzw. das den Sensor 1 mit einem Messumformer 11 verbindet. Wie in der 1 schematisch dargestellt, kann die Datenübertragung zwischen dem Sensor 1 und dem Messumformer 11 auch per Funk erfolgen. Über die Verbindungsleitung 13 oder über Funkt 14 ist der Messumformer 11 weiterhin mit einer übergeordneten Leitwarte 12 verbunden.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Steckadapter 18, der verwendet wird, wenn das intelligente Sensorelement 5 mit gekoppeltem sekundärseitigem Steckverbinderelement 3 nicht in eine Prozessanlage eingebunden, sondern gelagert ist. Der Steckadapter 18 hat ebenfalls eine zugeordnete Energieversorgungseinheit 6, die dem sekundärseitigen Steckverbinderelement 3 und dem Sensorelement 5 die Mindest-Betriebsspannung U zur Verfügung stellt. Hierdurch befindet sich das Sensorelement 5 jederzeit im eingeschwungenen Zustand und ist unmittelbar nach der Einbindung in die Prozessanlage betriebsbereit. Über einen Schalter 7 ist die Energieversorgungseinheit 6 gleichfalls zu- und abschaltbar. Bei der Energieversorgungseinheit 6 handelt es sich beispielsweise um eine Batterie, eine Brennstoffzelle, eine Solarzelle, usw.

1: elektrochemischer Sensor
2: primärseitiges Steckverbinderelement
3: sekundärseitiges Steckverbinderelement
4: Steckverbinderkupplung/Schnittstelle
5: Sensorelement
6: Energieversorgung
7: Schalter
8: Kommunikationsmodul
9: Verbindungsleitung
10: Funk
11: Messumformer
12: übergeordnete Leitwarte
13: Verbindungsleitung
14: Funk
15: Verbindungsleitung
16: Elektronik
17: Ansteuerung der Schnittstelle
18: Steckadapter
19: Energiespeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10218606 A1 [0002]
- DE 10313639 A1 [0003]

Claims

Elektrochemischer Sensor (1) mit einem Sensorelement (5), mit einem primärseitigen Steckverbinderelement (2) und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement (3), wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement (3) mit dem Sensorelement (5) verbindbar ist, wobei das primärseitige Steckverbinderelement (2) und das sekundärseitige Steckverbinderelement (3) über eine Steckverbinderkupplung (4) miteinander verbindbar sind, und wobei die Energieversorgung und ggf. die Kommunikation zwischen dem sekundärseitigen Steckverbinderelement (3) mit dem Sensorelement (5) und dem primärseitigen Steckverbinderelement (2) über die Steckverbinderkupplung (4) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass dem primärseitigen Steckverbinderelement (2) eine Energieversorgungseinheit (16) zugeordnet ist, die das Sensorelement (5) über die Steckverbinderkupplung (4) mit einer Mindest-Betriebsspannung (U) versorgt, die so bemessen ist, dass der elektrochemische Sensor (1) nach einer Erst- oder Wieder-Inbetriebnahme oder nach einer Stand-by Phase verzögerungsfrei messbereit ist.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich im Falle der Lagerung des Sensorelements (5) bei dem primärseitige Steckverbinderelement (2) um einen Adapter (18) handelt, der während der Lagerung des Sensorelements (5) auf das sekundärseitige Steckverbinderelement (3) aufgesteckt ist und das Sensorelement (5) mit der erforderlichen Mindest-Betriebsspannung (U) versorgt.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass der elektrochemische Sensor (1) intermittierend betrieben ist, die Energieversorgungseinheit (6) so ausgestaltet ist, dass sie über ein Schaltelement (7) zu- und abschaltbar ist, und dass die Energieversorgungseinheit (6) im Stand-by Zustand aktiviert ist und die Mindest-Betriebsspannung (U) für das Sensorelement (5) zur Verfügung stellt und dass die Energieversorgungseinheit (6) im Normalbetrieb des elektrochemischen Sensors (1) deaktiviert ist.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieversorgungseinheit (6) ein Energiespeicher (19) zugeordnet ist, der so ausgestaltet ist, dass er sich im Normalbetrieb des elektrochemischen Sensors (1) auflädt.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Steckverbinderkupplung (4) bzw. der Schnittstelle um eine galvanische oder um eine galvanische getrennte Schnittstelle handelt.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrochemischen Sensor (1) um einen pH-Sensor mit Glaselektrode oder mit ISFET-Elektrode oder um einen Sensor zur Bestimmung einer chemischen Substanz handelt.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Energieversorgungseinheit (6) um eine Batterie, eine Solarzelle oder eine Brennstoffzelle handelt.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Sensor (1) über eine Verbindungsleitung (9) und/oder über Funk (10) mit einem Messumformer (11) verbunden ist, wobei der Messumformer (11) ggf. mit einer übergeordneten Leitwarte (12) über eine Verbindungsleitung (13) und/oder über Funk (14) kommuniziert.
Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrochemische Sensor (1) über eine Verbindungsleitung (13) und/oder über Funk (14) mit einer übergeordneten Leitwarte (12) kommuniziert.