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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Gassensorsystem.
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Elektrochemische Gassensorsysteme werden zu stationären oder mobilen Überwachungsaufgaben im industriellen Umfeld, insbesondere zur Überwachung von Schadgaskonzentrationen in chemischen oder petrochemischen Anlagen eingesetzt. Elektrochemische Gassensorsysteme setzen sich in üblichen technischen Umsetzungen aus einem elektrochemischen Gassensor mit einem Sensorgehäuse und einer zugehörigen Betriebs- und Auswertungselektronik zusammen. Über einen Gaszutritt, beispielsweise als gasdurchlässige Membran ausgeführt, gelangt Gas aus einer Messumgebung in das Sensorgehäuse. Ein elektrochemischer Gassensor mit einer Messelektrode, einer Hilfselektrode, einer Bezugselektrode und einer Schutzelektrode zur Messung von Sauerstoff ist aus der
DE 198 45 318 C2 bekannt. In einem mit Schwefelsäure als flüssigem Elektrolyten gefüllten Elektrolytraum sind eine Messelektrode, eine Hilfselektrode, eine Bezugselektrode und eine Schutzelektrode angeordnet. Sowohl die Messelektrode, als auch die Schutzelektrode werden vielfach auch als Arbeitselektrode bezeichnet. Die Bezugselektrode wird oftmals auch als Referenzelektrode bezeichnet. Die Elektroden sind mit einer Betriebselektronik, einem sogenannten Potentiostaten elektrisch verbunden. Im Betrieb des elektrochemischen Gassensors wird mit Hilfe des Potentiostaten ein äquivalentes elektrisches Potential an Messelektrode und Schutzelektrode gegenüber einem Bezugspotential an der Bezugselektrode eingeregelt.
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Aus der
DE 10 2010 021 975 A1 ist ein elektrochemischer Gassensor mit einer Messelektrode aus Kohlenstoffnanoröhrchen und einer Hilfselektrode in einem wässrigen Lithiumbromid-Elektrolyten zum Nachweis von Blausäure bekannt.
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Bei einem elektrochemischen Gassensor gemäß der
DE 10 2010 021 975 A1 wird das elektrische Potential an der Messelektrode so eingestellt, dass Lithiumbromid zu Brom reagiert und damit gelöstes Brom im Elektrolyten vorhanden ist. Bei dieser Methode zur Erzeugung von gelöstem Brom ergibt sich, dass ein Grundstrom im elektrochemischen Gassensor gegeben ist, welcher vom eingestellten elektrischen Potential abhängig ist und sich daher nachteilig auf die Empfindlichkeit und die Grundstrom- Stabilität des elektrochemischen Gassensors auswirkt.
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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein elektrochemisches Gassensorsystem mit verbesserter Stabilität des Grundstroms bereitzustellen.
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Als Lösung dieser Aufgabe und weiterer Aufgaben sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vor.
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Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird durch ein elektrochemisches Gasmesssystem gebildet. Das erfindungsgemäße elektrochemische Gasmesssystem weist einen elektrochemischen Gassensor und einen Spannungsgenerator auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ausgebildet, eine Schadgaskonzentration in einer Messumgebung zu erfassen. Der elektrochemische Gassensor weist ein Sensorgehäuse mit einer Elektrolytflüssigkeit und mit einer Elektrodenkonfiguration und einen Gaszutritt auf. Die Elektrodenkonfiguration umfasst eine Messelektrode, eine Hilfselektrode, eine Referenzelektrode und eine erste Generator-Elektrode und eine zweite Generator-Elektrode. Die Referenzelektrode ist zwischen der ersten Generator-Elektrode und der zweiten Generator-Elektrode angeordnet. Die erste Generator-Elektrode und die zweite Generator-Elektrode mit sind dem Spannungsgenerator verbunden und bilden mit dem Spannungsgenerator und der Elektrolytflüssigkeit eine galvanische Quelle. Die Elektrolytflüssigkeit ist elektrisch leitend und kann beispielsweise auch als eine wässrige Elektrolytflüssigkeit, als ein organischer Elektrolyt, als eine ionische Flüssigkeit oder eine Kombination aus wässriger Elektrolytflüssigkeit, ionischer Flüssigkeit und/oder organischem Elektrolyten ausgeführt sein.
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Die Referenzelektrode, die Messelektrode und die Hilfselektrode sind im Betrieb des Gassensors und des Gassensorsystems vorzugsweise mit einer Betriebs- und Auswerteelektronik, dem sogenannten Potentiostaten verbunden. Mit Hilfe dieses Potentiostaten wird ein äquivalentes elektrisches Potential an Messelektrode und Hilfselektrode gegenüber einem Referenzpotential an der Referenzelektrode eingestellt oder geregelt. Der Spannungsgenerator liefert eine Spannung, wobei sich zwischen der ersten Generator-Elektrode und der zweiten Generator-Elektrode ein elektrisches Feld ausbildet. An der zwischen der ersten Generator-Elektrode und der zweiten Generator-Elektrode angeordneten Referenzelektrode stellt sich bedingt durch das elektrische Feld ein bestimmtes Referenzpotential ein. Das elektrische Feld ist weitgehend unabhängig vom durch den Potentiostaten eingestellten oder geregelten elektrischen Potential an Messelektrode und Hilfselektrode. Damit werden der Grundstrom und die Stabilität des Grundstroms des elektrochemischen Gassensorsystems durch die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise nur sehr geringfügig durch die Erzeugung des Referenzpotentials beeinflusst. Vielmehr wird die Abhängigkeit der Einstellung des Referenzpotentials von der Einstellung des elektrischen Potentials an der Messelektrode weitgehend entkoppelt. Die durch die vorliegende Erfindung verbesserte Grundstromstabilität wirkt sich bei der Messung von Schadgaskonzentrationen vorteilhaft auf die Empfindlichkeit und/oder die Messgenauigkeit des elektrochemischen Gassensorsystems aus. Das bestimmte Referenzpotential an der Referenzelektrode wird im Wesentlichen durch die Spannung des Spannungsgenerators, die Zusammensetzung der Elektrolytflüssigkeit, sowie durch die jeweilige relative räumliche Lage der Referenzelektrode zu den beiden Generatorelektroden bestimmt. Der Stromfluss in der Elektrolytflüssigkeit zwischen den beiden Generatorelektroden ist abhängig von der verfügbaren Anzahl an freien Ladungsträgern in der Elektrolytflüssigkeit, dem Abstand der ersten Generator-Elektrode von der zweiten Generator-Elektrode, den Oberflächen der beiden Generatorelektroden und den Eigenschaften des Spannungsgenerators, wie Leerlaufspannung und Innenwiderstand.
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An der ersten und und/oder an der zweiten Generatorelektrode sind Vliese oder Vlieselemente angeordnet. Diese Vliese oder Vlieselemente sind für die Elektrolytflüssigkeit durchlässig und leiten und/oder transportieren die Elektrolytflüssigkeit im Sensorgehäuse zu den Elektroden.
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Die für die Elektrolytflüssigkeit durchlässigen Vliese oder die für die Elektrolytflüssigkeit durchlässigen Vlieselemente sind jeweils derart an der ersten und/oder zweiten Generatorelektrode angeordnet, dass sich eine Einbaulage mit vorbestimmten Abständen der Generatorelektroden zur Referenzelektrode und mit vorbestimmten Abständen zwischen den Generatorelektroden ergibt.
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Die erste und die zweite Generatorelektrode und die Referenzelektrode und die für die Elektrolytflüssigkeit durchlässigen Vliese sind von einem für die Elektrolytflüssigkeit undurchlässigen Innengehäuse umschlossen.
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Das für die Elektrolytflüssigkeit undurchlässige Innengehäuse ermöglicht eine direkte elektrochemische Anbindung der Generatorelektroden und der Referenzelektrode an die Messelektrode und eine weniger direkte elektrochemische Anbindung der Generatorelektroden und der Referenzelektrode an die Hilfselektrode.
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Mindestens eines der für die Elektrolytflüssigkeit durchlässigen Vliese oder das für die Elektrolytflüssigkeit durchlässige Vlieselement ist dafür ausgebildet, die Elektrolytflüssigkeit aus dem Sensorgehäuse zwischen die erste und zweite Generatorelektrode in das Innengehäuse zur ersten und zweiten Generatorelektrode zu transportieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in der Elektrolytflüssigkeit ein Halogenid gelöst. Halogenide sind verschiedenste Verbindungen eines Halogens, wie beispielsweise von Jod, Chlor, Brom, Fluor mit Metallen, Halb- oder Nichtmetallen zu Jodiden, Chloriden, Fluoriden oder Bromiden. Metall- Halogenide, wie beispielsweise Natriumchlorid, Kaliumbromid, Lithiumbromid, Silberbromid, Silberfluorid sind auch als Salze bekannt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Bromid in der Elektrolytflüssigkeit gelöst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Bromid als Lithiumbromid in der Elektrolytflüssigkeit gelöst.
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Der Spannungsgenerator ist vorzugsweise als eine Batterie ausgebildet.
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Der Spannungsgenerator ist in einer bevorzugten Variante ausgebildet, dass Spannung oder Strom einstellbar sind.
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Der Spannungsgenerator ist in einer weiter bevorzugten Variante als eine einstellbare Spannungsquelle ausgebildet.
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In einer weiter bevorzugten Variante ist der Spannungsgenerator in Spannung oder Strom stabilisiert und/oder geregelt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform reagiert das in der Elektrolytflüssigkeit enthaltene Halogenid mittels der galvanischen Quelle zu einem Halogen, wobei sich an der Referenzelektrode ein bestimmtes, weitgehend stabiles Referenzpotential einstellt. Das weitgehend stabile Referenzpotential kann mit Hilfe einer zusätzlichen Spannungsmessung am Gassensor messtechnisch erfasst werden, in dem von außen eine zusätzliche Bezugselektrode in das Sensorgehäuse in die Elektrolytflüssigkeit eingebracht wird. Damit ist auf indirekte Weise auch die Funktionsbereitschaft der Generatorelektroden in Kombination mit dem Zustand des Spannungsgenerators (Batteriekapazität, Batteriespannung) überprüfbar.
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Eine für diesen Zweck geeignete Bezugselektrode ist jeweils auf das verwendete elektrochemische System abzustimmen. Für ein elektrochemisches System mit einem Elektrolyten, in dem ein Bromid, wie beispielsweise Lithiumbromid, gelöst ist, ist eine Silber/Silberbromid Bezugselektrode (Ag/AgBr) als Bezugselektrode geeignet.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform reagiert ein in der Elektrolytflüssigkeit enthaltenes Bromid mittels der galvanischen Quelle zu Brom, wobei sich an der Referenzelektrode ein bestimmtes, weitgehend stabiles Referenzpotential einstellt. Das weitgehend stabile Referenzpotential ergibt sich dabei als um (935 mV ± 25 mV) positiver in Bezug zur Bezugselektrode (Ag/AgBr). Zum Betrieb des Gassensors wird der Potentiostat in dieser weiter bevorzugten Ausführungsform derart eingestellt, dass sich an der Messelektrode ein Potentialunterschied im Bereich von 0 mV und -100 mV ein, vorzugsweise -40 mV bis -60mV gegenüber der Referenzelektrode einstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Spannungsgenerators wird mittels eines Einstellelementes, vorzugsweise eines Widerstands- Potentiometers in einer Parallelschaltung zur Spannungsquelle, welches an Plus-Pol und Minus-Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist, über einen Mittelabgriff, den sogenannten Schleifer, eine eingestellte Spannung an einen Anschluss einer der beiden Generatorelektroden angelegt, während der andere Anschluss der anderen der beiden Generatorelektroden mit dem Plus-Pol oder dem Minus-Pol der Spannungsquelle verbunden ist.
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In einer vorzugsweisen Variante ist das Einstellelement, vorzugsweise ausgebildet als ein einstellbarer, vorzugsweise niederohmiger Widerstand, in einer Reihenschaltung zu einem Pol der Spannungsquelle hin zu den Anschlüssen der beiden Generatorelektroden angeordnet, um eine einstellbare Spannungsquelle zu realisieren.
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In einer weiteren vorzugsweisen Variante ist als Einstellelement ein einstellbarer, vorzugsweise hochohmiger Widerstand, in einer Parallelschaltung zu einem Pol der Spannungsquelle hin zu den Anschlüssen der beiden Generatorelektroden angeordnet, um eine einstellbare Stromquelle zu realisieren.
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Der Spannungsgenerator ist in einer weiter bevorzugten Variante als eine einstellbare Stromquelle ausgebildet.
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Weitere Möglichkeiten oder Kombinationen von Möglichkeiten der Einstellung von Spannung oder Strom sind im Sinne der vorliegenden Erfindung mit umfasst. Darunter sind schaltungstechnische Realisierungen von Spannungsquellen, Spannungsteilern, Stromquellen mittels resistiven und/oder elektronischen Widerständen umfasst, sowie auch schaltungstechnische Realisierungen mit Relais oder Halbleiter- Bauelementen, wie beispielsweise Transistoren, Feldeffekttransistoren, Bipolartransistoren, Dioden, Operationsverstärkern, ASICs.
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In einer weiter bevorzugten Varianten ist der Spannungsgenerator, die einstellbare Spannungsquelle oder die einstellbare Stromquelle als ein Teil der Betriebs- und Auswerteelektronik ausgeführt, mit der Betriebs- und Auswerteelektronik verbunden oder gekoppelt oder in die Betriebs- und Auswerteelektronik integriert.
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Die vorliegende Erfindung wird mit Hilfe der 1 und der 2 näher erläutert.
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Die 1 zeigt ein erstes Gassensorsystem mit einem elektrochemischen Gassensor mit zwei Generatorelektroden in einer ersten Variante einer zylindrischen Bauweise.
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Die 2 zeigt ein zweites Gassensorsystem mit einem elektrochemischen Gassensor mit zwei Generatorelektroden in einer zweiten Variante einer planaren Bauweise.
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Die 1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch ein erstes elektrochemisches Gasmesssystem 100 in einer ersten Variante 1 eines elektrochemischen Gassensors mit einem zylindrischen Sensorgehäuse 2 und einem Spannungsgenerator 19. In dem zylindrischen Sensorgehäuse 2 sind eine Messelektrode 3 auf einer ersten Diffusionsmembran 4 und eine Hilfselektrode 5 auf einer zweiten Diffusionsmembran 6 angeordnet. Das Sensorgehäuse 2 ist mit einer wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 gefüllt. Ein Zutritt von Messgas aus einer Messumgebung 70 in das zylindrische Sensorgehäuse 2 erfolgt mittels eines in Form einer Öffnung im zylindrischen Sensorgehäuse 2 ausgebildeten Gaszutritts 18 durch die erste Diffusionsmembran 4 hindurch. Die Messelektrode 3 und die Hilfselektrode 5 werden durch die Anordnung zweier Vliese 8, 9 und mittels eines Dochtes 7 auf einem festem Abstand zueinander gehalten. Mittels einer Druckausgleichs- und Belüftungsöffnung 10 und durch die zweite Diffusionsmembran 6 erfolgt ein Druckausgleich des elektrochemischen Gassensors 1 mit der Umgebung 70 und eine Belüftung des zylindrischen Sensorgehäuses 2. Die Messelektrode 3 und die Hilfselektrode 5 sind durch die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 elektrolytisch miteinander verbunden. Im Docht 7 sind in einem für Flüssigkeiten abgedichteten Innengehäuse 12 eine Anode 13 als eine erste Generatörelektrode und eine Kathode 14 als eine zweite Generatorelektrode seitlich von zwei weiteren Vliesen 15, 16 angeordnet. Zwischen den Vliesen 15, 16 befindet sich eine Referenzelektrode 17. Die Referenzelektrode 17 wird oft auch als Bezugselektrode bezeichnet. Die Vliese 15, 16 halten die Generatorelektroden 13, 14 und die Referenzelektrode 17 zueinander in einem festen Abstand. Die Anode 13, die Kathode 14 und die Referenzelektrode 17 sind konzentrisch angeordnet. Die Vliese 8, 9, 15, 16 und der Docht 7 sind für die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 durchlässig ausgestaltet. Durch das Vlies 9, sowie mindestens eines der Vliese 15, 16 wird die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 in das Innengehäuse 12 hinein zu den Generatorelektroden 13, 14 und zur Referenzelektrode 17 transportiert. In der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 ist ein Bromid 28 gelöst. Die Anode 13 und die Kathode 14 sind an die als eine elektrische Spannungsquelle ausgebildeten Spannungsgenerator 19 angeschlossen. Die Messelektrode 3, Hilfselektrode 5 und Referenzelektrode 17 werden elektrisch an einen in dieser 1 nicht näher dargestellten Potentiostaten 80 oder an eine in dieser 1 nicht näher dargestellte Betriebselektronik 81 mit integriertem Potentiostaten 80 angeschlossen. Die Anode 13 und die Kathode 14 sind mit der elektrischen Spannungsquelle 19 und der Elektrolytflüssigkeit 11 zu einer galvanischen Quelle.verbunden. Die galvanische Quelle bildet im Betrieb einen elektrischen Stromkreis 20 aus, in welchem sich ein elektrischer Strom 21 einstellt. In Reihenschaltung zu den Generatorelektroden 13, 14 ist vorzugsweise ein optionaler Widerstand 22 angeordnet. Der Fluss des elektrischen Stromes 21 im elektrischen Stromkreis 20 bewirkt, dass das in der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 enthaltene Bromid 28 zu Brom 28' reagiert. Der elektrische Strom 21 wird in seiner Stromstärke wesentlich durch den vorzugsweisen Widerstand 22, sowie durch den Widerstand von Zuleitungen und den - in dieser 1 nicht eingezeichneten - Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle 19 bestimmt. Das in der wässrigen Elektrolytflüssigkeit gelöste Brom 28' bewirkt, dass sich an der der Referenzelektrode 17 ein weitgehend stabiles elektrisches Potential einstellt.
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In einer besonderen Ausführungsform des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ist die elektrische Spannungsquelle 19 mit einem optionalen Einstellelement 75 ausgestaltet. Dieses optionale Einstellelement 75 ist ausgebildet, die Spannung der Spannungsquelle 19 einzustellen oder zu verändern. In einer weiteren optionalen Variante des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ist eine optionale Kontrolleinheit 82 vorhanden. In dieser weiteren optionalen Variante des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ist die optionale Kontrolleinheit 82 über eine - in dieser 1 mit gestrichelter Linie eingezeichnete - Steuerleitung 820 mit dem Einstellelement 75 verbunden. Über die Steuerleitung 820 ist es damit möglich, das Einstellelement 75 zu steuern und darüber die Spannung der Spannungsquelle 19 einzustellen oder zu verändern. Die optionale Kontrolleinheit 82 kann als ein separates Modul oder als ein Bestandteil der Betriebselektronik 81 ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind eine - in dieser 1 mit gestrichelter Linie gezeichnete - erste Daten- und Steuerungsleitung 821 und eine - in dieser 1 mit gestrichelte Linien gezeichnete - zweite Daten- und Steuerungsleitung 822 zu einem bidirektionalem Datenaustausch zwischen der Kontrolleinheit 82 und dem Potentiostaten 80 vorgesehen. Dies ermöglicht eine Einbeziehung des Potentiostaten 80 in die Einstellung oder Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 19 oder auch eine Einstellung oder Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 19 mittels der Betriebselektronik 81. Diese Einstellung kann vorzugsweise einer Voreinstellung oder Konfiguration bei Inbetriebnahme des Elektrochemischen Gasmesssystems 100 oder bevorzugt einer Feineinstellung im Betrieb des Elektrochemischen Gasmesssystems 100 dienen. Als eine weitere optionale Erweiterung des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ist im elektrischen Stromkreis 20 ein optionaler Strom-Messwiderstand (Shunt) 89 angeordnet. Eine über diesen optionalen Strom-Messwiderstand 89 abfallende Spannungsdifferenz wird mittels einer ersten Messleitung 831 und einer zweiten Messleitung 832 einer optionalen Messeinheit 83 zugeführt. Die optionale Messeinheit 83 ist ausgebildet, beispielsweise in Form eines Voltmeters, die über den Strom-Messwiderstand 89 abfallende Spannungsdifferenz zu erfassen und daraus den im Stromkreis fließenden elektrischen Strom 21 zu bestimmen. Die optionale Messeinheit 83 kann als ein separates Modul oder als ein Bestandteil der Betriebselektronik 81 ausgestaltet sein. In einer besonders bevorzugten Variante dieser weiteren optionalen Erweiterung des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ist die Messeinheit 83 über eine - in dieser 1 mit gestrichelter Linie gezeichnete - dritte Daten- oder Steuerleitung 833 mit der Kontrolleinheit 82 verbunden. In dieser besonders bevorzugten Variante dieser weiteren optionalen Erweiterung des elektrochemischen Gasmesssystems 100 ergibt sich ein Zusammenwirken von Potentiostaten 80, Messeinheit 83, Kontrolleinheit 82 und Einstellelement 75, bevorzugt angeordnet in der Betriebselektronik 81, zu einer Einstellung oder Veränderung der Spannung der Spannungsquelle 19. Damit ist es ermöglicht, den im elektrischen Stromkreis 20 aktuell fließenden elektrischen Strom 21 zu erfassen, darauf basierend die Spannung der Spannungsquelle 19 direkt oder indirekt zu verändern und somit den elektrischen Strom 21 einzustellen, zu steuern oder zu regeln. Damit ist mit dieser besonders bevorzugten Variante dieser weiteren optionalen Erweiterung des elektrochemischen Gasmesssystems 100 eine besonders präzise Einstellung des elektrischen Potentials an der Referenzelektrode 17 ermöglicht, da der Potentiostat 80 mit in die Einstellung einbezogen werden kann oder selbst die Einstellung des elektrischen Potentials an der Referenzelektrode 17 bewirken kann.
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Die 2 zeigt in einer Seitenansicht schematisch ein zweites elektrochemisches Gasmesssystem 200 in einer Ausführungsforum mit einem elektrochemischen Gassensor 1' mit einem planareh Sensorgehäuse 2' und einem Spannungsgenerator 19. Gleiche Elemente in der 2 wie in der 1 sind in der 2 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in der 1.
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Das planare Sensorgehäuse 2' ist mit einer wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 gefüllt. In dem planaren Sensorgehäuse 2' sind eine Messelektrode 3 auf einer ersten Diffusionsmembran 4 und eine Hilfselektrode 5 auf einer zweiten Diffusionsmembran 6 angeordnet. Durch eine Belüftungsöffnung 31 und durch die zweite Diffusionsmembran 6 erfolgt eine Belüftung des planaren Sensorgehäuses 2'. Zusätzlich ist eine Schutzelektrode 90 vorhanden, welche zwischen der Hilfselektrode 5 und der Messelektrode 3 angeordnet ist. Die Schutzelektrode 90 dient dem Schutz der Messelektrode 3 vor aus der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 oder von der Belüftungsöffnung 31 zur Messelektrode 3 diffundierenden Substanzen. Ein Zutritt von Messgas aus einer Messumgebung 70 in das planare Sensorgehäuse 2' erfolgt mittels eines in Form einer Öffnung im planaren Sensorgehäuse 2' ausgebildeten Gaszutritts 18 durch die erste Diffusionsmembran 4 hindurch. Die Messelektrode 3, die Schutzelektrode 90 und die Hilfselektrode 5 werden mittels zweier Vliese 34, 35 auf einem festem Abstand zueinander gehalten. Messelektrode 3, Schutzelektrode 90, Hilfselektrode 5 und Vliese 34, 35 werden zwischen der ersten Diffusionsmembran 4 und der zweiten Diffusionsmembran 6 im planaren Sensorgehäuse 2' als ein Stapel (Stack) gehalten. Die Messelektrode 3, die Schutzelektrode 90 und die Hilfselektrode 5 sind durch die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 elektrolytisch miteinander verbunden. Über eine Druckausgleichsöffnung 32 und eine dritte Diffusionsmembran 23 erfolgt ein atmosphärischer Druckausgleich des elektrochemischen Gassensors 1' mit der Umgebung 70. Im planaren Sensorgehäuse 2' sind eine Anode 13 als eine erste Generatorelektrode und eine Kathode 14 als eine zweite Generatorelektrode angeordnet. Im planaren Sensorgehäuse 2' ist zusätzlich zu den Vliesen 34, 35 ein weiteres Vlies 15 angeordnet. Zwischen den Vliesen 15, 35 befindet sich eine Referenzelektrode 17. Die Vliese 15, 35 halten die beiden Generatorelektroden 13, 14 und die Referenzelektrode 17 zueinander in einem festen Abstand in dem planaren Sensorgehäuse 2'. Die Anode 13, die Kathode 14 und die Referenzelektrode 17 sind planar und vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die Vliese 15, 34, 35 sind für die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 durchlässig ausgestaltet und dienen der Benetzung der Elektroden 3, 5, 17, 90, 13, 14 mit dem wässrigen Elektrolyten 11. Insbesondere das Vlies 35 dient dem Transport der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 im planaren Sensorgehäuse 2' von der Anordnung aus Messelektrode 3, Schützelektrode 90 und Hilfselektrode 5 zu der Anordnung aus Generatorelektroden, 13, 14 und Referenzelektrode 17. Damit sind Generatorelektroden 13, 14, Messelektrode 3, Schutzelektrode 90 und die Hilfselektrode 5, sowie die Referenzelektrode 17 im planaren Sensorgehäuse 2' durch die wässrige Elektrolytflüssigkeit 11 direkt elektrolytisch miteinander verbunden. In der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 ist ein Bromid 28 gelöst. Die Anode 13 und die Kathode 14 sind an den als eine elektrische Spannungsquelle ausgebildeten Spannungsgenerator 19 angeschlossen. Die Messelektrode 3, die Hilfselektrode 5, die Schutzelektrode 90 und die Referenzelektrode 17 werden elektrisch an einen in dieser 2 nicht näher dargestellten Potentiostaten 80 angeschlossen. Die Anode 13 und die Kathode 14 sind mit der elektrischen Spannungsquelle 19 und der Elektrolytflüssigkeit 11 zu einer galvanischen Quelle verbunden. Die galvanische Quelle bildet im Betrieb einen elektrischen Stromkreis 20 aus, in welchem sich ein elektrischer Strom 21 einstellt. In Reihenschaltung zu den Generatorelektroden 13,14 ist vorzugsweise ein optionaler elektrischer Widerstand 22 angeordnet. Der Stromfluss 21 im elektrischen Stromkreis 20 bewirkt, dass das in der wässrigen Elektrolytflüssigkeit 11 enthaltene Bromid 28 zu Brom 28' reagiert. Der Stromfluss 21 wird in seiner Stromstärke wesentlich durch den vorzugsweisen elektrischen Widerstand 22, sowie durch den Widerstand von Zuleitungen und den - in dieser 2 nicht eingezeichneten - Innenwiderstand Ri der Spannungsquelle 19 bestimmt. Das in der wässrigen Elektrolytflüssigkeit gelöste Brom 28' bewirkt, dass sich an der der Referenzelektrode 17 ein weitgehend stabiles elektrisches Potential einstellt.
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Die besonderen Ausführungsformen des ersten elektrochemischen Gasmesssystems 100 in der 1 mit Varianten und Optionen zur Anordnung und Zusammenwirkung von Einstellelement 75 (1), der Betriebselektronik 81 (1), der Kontrolleinheit 82 (1), Strom-Messwiderstand 89 (1), Messeinheit 83 (1) sind in ähnlicher Ausgestaltung auch auf die Ausführung des zweiten elektrochemischen Gasmesssystems 200 übertragbar und sind damit im Sinne der vorliegenden Erfindung von der Beschreibung der 1 mit umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrochemischer Gassensor in einer ersten Variante
- 1'
- Elektrochemischer Gassensor in einer zweiten Variante
- 2
- zylindrisches Sensorgehäuse
- 2'
- planares Sensorgehäuse
- 3
- Messelektrode, Arbeitselektrode
- 4
- erste Diffusionsmembran
- 5
- Hilfselektrode
- 6
- zweite Diffusionsmembran
- 7
- Docht
- 8,9
- Vliese
- 10
- Druckausgleichs- und Belüftungsöffnung
- 11
- wässrige Elektrolytflüssigkeit
- 12
- Innengehäuse
- 13
- erste Generatorelektrode, Anode
- 14
- zweite Generatorelektrode, Kathode
- 15,16
- Vliese
- 17
- Referenzelektrode, Bezugselektrode
- 18
- Gaszutritt, Öffnung im Sensorgehäuse
- 19
- Spannungsgenerator, elektrische Spannungsquelle
- 20
- elektrischer Stromkreis
- 21
- elektrischer Strom I
- 22
- elektrischer Widerstand
- 23
- dritte Diffusionsmembran
- 28
- Bromid
- 28'
- Brom
- 31
- Belüfturigsöffnung
- 32
- Druckausgleichsöffnung
- 34, 35
- Vliese
- 70
- Messumgebung
- 75
- Einstellelement (optional)
- 80
- Potentiostat
- 81
- Betriebselektronik
- 82
- Kontrolleinheit (optional)
- 83
- Messeinheit (optional)
- 89
- Strom-Messwiderstand /Shunt (optional)
- 90
- Schutzelektrode
- 100
- erstes elektrochemisches Gasmesssystem
- 200
- zweites elektrochemisches Gasmesssystem
- 820
- Steuerleitung (optional)
- 821
- erste Daten- oder Steuerleitung (optional)
- 822
- zweite Daten-oder Steuerleitung (optional)
- 831
- erste Messleitung (optional)
- 832
- zweite Messleitung (optional)
- 833
- dritte Daten- oder Steuerleitung (optional)
