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Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit einem zielgasspezifischen Detektorelement, das in einem Messgasraum angeordnet ist, der zumindest abschnittsweise durch eine für ein Zielgas wenigstens teilweise durchlässige Membran von einer Umgebung getrennt ist. In Abhängigkeit der Zielgaskonzentration im Messgasraum erzeugt das Detektorelement ein Messsignal.
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Aus dem Stand der Technik sind allgemein elektrochemische Sensoren bekannt, die gezielt ein in einem Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom enthaltenes Zielgas detektieren bzw. dessen Konzentration in dem jeweiligen Strom ermitteln. Derartige Sensoren verfügen über eine elektrochemische Zelle, in der das nachzuweisende Gas, im Folgenden als Zielgas bezeichnet, an einer Messelektrode oxidiert oder reduziert wird und die hierbei entstehenden Ionen durch einen im Inneren des Sensorgehäuses vorgesehenen Elektrolyten zu einer Gegenelektrode diffundieren, wo sie entsprechend reduziert oder oxidiert werden. Zwischen der Mess- und der Gegenelektrode fließt ein Strom, der proportional zur Gaskonzentration des zu überwachenden Gases in einem Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom ist.
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Mithilfe einer an die Elektroden angeschlossenen Mess- und Auswerteeinheit wird die Stromstärke gemessen und hieraus schließlich der Anteil des relevanten Zielgases im jeweils zu untersuchenden Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom ermittelt. Mit den zuvor geschilderten Sensoren werden Gase oder Dämpfe, die elektrochemisch reduzierbar sind, wie etwa Sauerstoff und Stickoxide, an der Katode nachgewiesen, während solche, die elektrochemisch oxidierbar sind, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff, an der Anode nachgewiesen werden.
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Bei einem elektrochemischen Sensor zur Detektion von Sauerstoff wird der Sauerstoff an einer Sauerstoffkatode reduziert. Das zu überwachende Zielgas gelangt durch eine Diffusionsbarriere in Form einer Membran und/oder einer Kapillare in den flüssigen Elektrolyten und schließlich zur Messelektrode, wobei die Diffusionsbarriere derart ausgeführt ist, dass der Zustrom des Zielgases auf einen Wert begrenzt wird, so dass die Messelektrode im Grenzstrombereich arbeitet. Unter Grenzstrombedingung ist die Zielgaskonzentration einer Elektrodenoberfläche praktisch null der Grenzstrom proportional zum Zielgasfluss, der eine Funktion der Konzentration des Zielgases in dem zu untersuchenden Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom ist.
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Allgemein ist aus der
DE 21 55 935 B2 ein elektrochemischer Sensor zur Messung von gasförmigen Bestandteilen in einem Gasgemisch bekannt, der ein Sensorgehäuse aufweist, in dem eine Messelektrode, eine Gegenelektrode und auch eine Referenzelektrode in einem Elektrolyten angeordnet sind. Derartige Drei-Elektroden-Sensoren werden für den Nachweis unterschiedlicher Bestandteile in Gasgemischen, insbesondere in der Umgebungsluft, eingesetzt, um Schadstoffe, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid oder Stickstoffmonoxid, aber auch Atemalkohol zu detektieren. Die Referenzelektrode ist mit einem Potentiostaten verbunden und erzeugt ein konstantes Potenzial an der Messelektrode, wodurch ein Driften des Sensorsignals verhindert werden soll.
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Wesentlich bei den bekannten elektrochemischen Sensoren ist, dass das zu untersuchende Gas oder Gasgemisch bzw. der zu untersuchende Dampf oder die Luft durch eine Membran von der eigentlichen Sensorik getrennt ist. Diese Membran und deren Dichtungselemente trennen den Elektrolyten im Inneren des Sensors von dem Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom, in dem das Zielgas vorhanden ist, und verhindern somit ein Austreten des Elektrolyten bis zu einer konstruktiv gegebenen Druckdifferenz.
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Der Einfluss eines wechselnden Druckes an der Trennmembran führt zu einem erhöhten Stoffdurchtritt durch die Membran, wodurch diejenigen Sensoren, deren Funktionsprinzip auf einem konzentrationsabhängigen Stoffdurchgang beruht, erhöhte Messwerte anzeigen. Derartige Druckwechsel werden oftmals durch Pumpen verursacht, die das zu messende Gas über eine längere Zuleitung, etwa einen Schlauch, zu dem Gassensor fördern. Diese Pumpen verfügen häufig über variable Kammervolumen oder Kolben-Zylindereinheiten, die jeweils zyklisch arbeiten.
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Ein zu hoher statischer Unterdruck über der Gastrennmembran kann auf Dauer zu einem Austreten des Elektrolyten bzw. zu einer erhöhten Leckage führen. Der Sensor wird in seiner Lebensdauer reduziert. Der Unterdruck entsteht durch den Absaugflow und den pneumatischen Widerstand, der durch die Schlauchleitungen erzeugt wird. Zusätzlich kann auch die Absaugstelle in einem Bereich liegen, in dem ein anderer statischer Druck herrscht, wie es zum Beispiel bei Lüftungsanlagen der Fall ist.
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Ausgehend von den bekannten elektrochemischen Gassensoren und dem zuvor geschilderten Problem in Bezug auf das Auftreten von unterschiedlichen Druckdifferenzen an der Trennmembran, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Sensor derart weiterzubilden, dass mit verhältnismäßig einfachen Mitteln eine Kompensation der an der Trennmembran auftretenden Druckdifferenzen durchgeführt werden kann. Die anzugebende technische Lösung soll sich in bekannte elektrochemische Sensoren integrieren lassen, ohne dass der wesentliche Aufbau derartiger Sensoren erheblich verändert werden muss. Weiterhin soll eine entsprechende Kompensation der an der Trennmembran auftretenden Druckdifferenzen durch Einsatz verhältnismäßig einfacher regelungstechnischer Maßnahmen erzielt werden. Mithilfe der angegebenen technischen Lösung soll zuverlässig sichergestellt werden, dass Druckschwankungen an der Trennmembran ausgeglichen oder zumindest stark reduziert werden. Weiterhin wäre es vorteilhaft, wenn durch eine vergleichsweise einfache Maßnahme eine an der Gastrennmembran herrschende Druckdifferent veränderbar ist, um eine erhöhte Sensibilität des Sensors zu erreichen.
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Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Gassensor gemäß Anspruch 1, sowie einem Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist ein Gassensor mit einem zielgasspezifischen Detektorelement, das in einem Messgasraum angeordnet ist, der zumindest abschnittsweise durch eine für ein Zielgas durchlässige Membran von einer Umgebung getrennt ist, und das ein von einer Zielgaskonzentration abhängiges Messsignal generiert, derart weitergebildet worden, dass ein Pumpenelement vorgesehen ist, das in Abhängigkeit einer zwischen Messgasraumseite und Umgebungsseite der Membran herrschenden Druckdifferenz derart angesteuert wird, dass die Druckdifferenz verändert, insbesondere verkleinert wird. Erfindungsgemäß ist somit ein Pumpelement vorgesehen, das in Abhängigkeit einer an der Trennmembran anliegenden Druckdifferenz auf geeignete Weise derart angesteuert wird, sodass die Druckdifferenz kompensiert, also im Wesentlichen verringert wird. Grundsätzlich ist es hierbei denkbar, dass das entsprechende Pumpenelement durch eine Druckerhöhung, einem Unterdruck oder durch Druckverringerung einem Überdruck entgegenwirkt. Ebenso ist es generell denkbar, dass mit Hilfe eines entsprechenden Pumpenelements Druckpulsationen an der Gastrennmembran erzeugt werden.
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Um eine Druckdifferenz zwischen dem elektrolytgefüllten Messgasraum und der Umgebungsseite der Trennmenbran kompensieren zu können, ist ein Messelement vorgesehen, das den auf der Zielgas- und/oder der Umgebungsseite herrschenden Druck oder einen Differenzdruck erfasst. Ein derartiges Element kann wahlweise Bestandteil des Pumpenelementes sein oder als separater Drucksensor, der ein Messsignal beispielsweise an eine Steuerung weiterleitet, ausgeführt sein.
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Die pulsierenden Volumenströme, die von den häufig verwendeten, zyklisch arbeitenden Membranpumpen oder auch Kolbenpumpen verursacht werden, führen zu einem pulsierenden Druck an der Trennmembran des Sensors. Je nach Volumenstrom, verwendeter Schlauchleitung bzw. entsprechendem pneumatischem Widerstand und der Position der Pumpen relativ zum Gassensor treten unterschiedliche Drücke oder Druckschwankungen auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Pumpenelement strömungstechnisch mit dem Messgasraum verbunden und verändert in Abhängigkeit der Druckdifferenz einen in dem Messgasraum herrschenden Druck. Das erfindungsgemäß vorgesehene Pumpenelement ist somit zusätzlich zu einer Pumpe vorgesehen, mit der ein Gas-, Dampf- oder Luftstrom, in dem das Zielgas vorhanden ist, zum Gassensor hin oder vom Gassensor weg gefördert wird. Das zusätzlich vorgesehene Pumpenelement zur Kompensation der Druckdifferenz an der Gastrennmembran wird derart angesteuert, dass der Druck zwischen der Gastrennmembran und der Umgebungsseite des Gassensors gezielt verändert werden kann. Vorteilhafterweise ist ein zusätzlicher Drucksensor vorgesehen, der derart angeordnet ist, dass er die Druckdifferenz messen kann.
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Somit ist vorzugsweise eine Sensoreinheit vorgesehen, die eine Differenz zwischen dem im Messgasraum und dem in der Umgebung herrschenden Druck erfasst und ein druckspezifisches Messsignal an eine Steuereinheit überträgt, wobei von der Steuereinheit unter Berücksichtigung des druckspezifischen Messsignals ein Steuersignal erzeugt und an das Pumpenelement übertragen wird.
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Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung verfügt das Pumpenelement über einen Piezoaktor, eine Kolbenpumpe, eine Membran oder einen Balg. In einer ganz besonderen Ausführungsform der Erfindung weist das Pumpenelement eine Doppelkolbenpumpe auf, die zwei über die gleiche Welle gekoppelt Pumpen aufweist. Mit einer derartigen technischen Lösung wird auf der Umgebungsseite der Trennmembran ein ähnlicher Druck erzeugt wie auf der elektrolytgefüllten Zielgasseite der Gastrennmembran.
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In einer besonderen Weiterbildung ist auf der Umgebungsseite der Membran ein wenigstens teilweise durch eine Bauteilwand umschlossener Probenraum angeordnet, der einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist, durch die der zu untersuchende Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom in den Probenraum ein- und ausgeleitet wird. In diesem Gas-, Luft- und/oder Dampfstrom ist das Zielgas enthalten, dessen Konzentration mithilfe des elektrochemischen Sensors gemessen werden soll. Ein derartiger Probenraum kann integraler Bestandteil des Sensors bzw. des Sensorgehäuses sein oder aber in Form eines Begasungsadapters ausgeführt sein, der am Gassensor befestigt wird.
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Weiterhin ist es denkbar, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die derart ausgeführt und an das Pumpenelement gekoppelt ist, dass die Druckdifferenz in Betrieb auf einem Wert gehalten wird, der kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert für die Druckdifferenz ist. Auf diese Weise kann die an der Gastrennmembran anliegende Druckdifferenz auf einen zulässigen Wert begrenzt werden, so dass Schäden an der Membran bzw. etwaige Leckagen zuverlässig vermieden werden bzw. die Standzeit der Gastrennmembran im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren verlängert werden kann.
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Wird eine Steuereinheit sowie ein Pumpenelement verwendet, die derart ausgeführt sind, dass eine schnelle Regelung der Druckdifferenz realisiert wird, so kann auch der Wechselanteil der Druckdifferenz ausgeglichen werden. Dies führt dann zu einer Egalisierung oder zumindest Reduktion des Wechselanteils, wodurch die Empfindlichkeit des Gassensors wieder auf die ursprünglichen Kalibrierbedingungen gebracht wird. Der Wechselanteil des Drucks ergibt sich im Betrieb des Gassensors zusätzlich zu dem statischen Druck aus dem pulsierenden Betrieb der Pumpe, die den zu untersuchenden Gas-, Luft- oder Dampfstrom fördert. Der Wechselanteil variiert hierbei in Abhängigkeit der Dämpfung durch das pneumatische System. In der Nähe der Pumpe nimmt der Wechselanteil einen maximalen wert an, während der Wechselanteil mit steigender Anzahl dämpfender pneumatischer Elemente zwischen Pumpe und Gassensor geringer wird.
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Sind die verwendete Steuereinheit sowie das Pumpenelement derart ausgeführt, dass eine langsame Regelung realisiert wird, so kann das Pumpenelement den mittleren statischen Druck kompensieren und damit möglichen Leckagen entgegenwirken, so dass der Einsatzbereich des Gassensors in Bezug auf den Druckbereich oder in Bezug auf die Lebensdauer erweitert wird.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Pumpenelement eine Doppelkolbenpumpe mit einem ersten und einem zweiten Arbeitsraum aufweist, wobei der erste Arbeitsraum strömungstechnisch mit dem Messgasraum oder mit einem strömungstechnisch mit dem Messgasraum verbundenen Volumen der zweite Arbeitsraum strömungstechnisch mit der Umgebung oder mit einem strömungstechnisch mit der Umgebung verbundenen Volumen verbunden ist. Eine derartig ausgeführte Doppelkolbenpumpe ist somit mit dem einen Kolben strömungstechnisch mit der Zielgasseite verbunden, während die andere Seite des Kolbens strömungstechnisch mit der Umgebung verbunden ist. Sofern als Pumpenelement eine Doppelkolbenpumpe mit zwei über die gleiche Welle gekoppelte Pumpen eingesetzt wird, so kann auf der Umgebungsseite ein ähnlicher Druck erzeugt werden wie auf der Zielgasseite der Gastrennmembran.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es ebenso denkbar, dass das Pumpenelement eine Membran aufweist, die den Messgasraum oder ein strömungstechnisch mit dem Messgasraum verbundenes Volumen von der Umgebung oder von einem strömungstechnisch mit der Umgebung verbunden Volumen trennt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Membran des Pumpenelementes derart angesteuert, dass die an der Gastrennmembran anliegende Druckdifferenz verringert wird. Eine Druckdifferenzverringerung kann hierbei erreicht werden, indem auf zumindest einer Seite der Gastrennmembran der dort herrschende Druck auf geeignete Weise erhöht oder verringert wird.
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Im Übrigen betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckausgleichs an der Gastrennmembran von elektrochemischen Sensoren. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich hierbei dadurch aus, dass zusätzlich zu einer Pumpe, die den zu untersuchende Gas-, Gasgemisch-, Luft- oder Dampfstrom zum Gassensor führt oder von diesem fortleitet ein zusätzliches Pumpenelement vorgesehen ist, das mithilfe einer Steuereinheit derart angesteuert wird, dass eine an der Gastrennmembran zwischen ihrer Umgebungs- und der Zielgasseite anliegende Druckdifferenz wenigstens zeitweise verändert, insbesondere verringert wird. Eine entsprechende Veränderung der Druckdifferenz wird dadurch erreicht, dass das zusätzlich vorgesehene Pumpenelement strömungstechnisch mit dem elektrolytgefüllten Messgasraum und/oder der Umgebungsseite der Gastrennmembran verbunden ist und in Abhängigkeit einer an der Gastrennmembran herrschenden Druckdifferenz eine gezielte Druckänderung auf wenigstens einer Seite der Gastrennmembran herbeigeführt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: Aus dem Stand der Technik bekannte Versorgung eines elektrochemischen Gassensors mit einem zu untersuchenden Gas;
- 2: Gassensor mit Pumpe zur Versorgung mit einem zu untersuchenden Gas sowie Drucksensor und Pumpenelement;
- 3: Gehäusegekapselter Gassensor mit zusätzlichem Pumpenelement;
- 4: Versorgung eines Gassensors mit zu untersuchendem Gas mit zusätzlich vorgesehener Doppelkolben- bzw. Doppelmembran-Pumpe;
- 5: Druckverlauf eines Gassensors in der Saugleitung einer Gasversorgungspumpe ohne und mit langsamer bzw. schneller Druckkompensation sowie
- 6: Regelkreis zur Regelung der an einer Gastrennmembran anliegenden Druckdifferenz.
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1 zeigt einen elektrochemischen Gassensor 1 dem über eine Versorgungspumpe 18 einer Fluidversorgung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein zu untersuchendes gas- und/oder dampfförmiges Fluid, das das Zielgas enthält, zugeführt wird. Generell ist es denkbar, einen derartigen Gassensor zur Untersuchung eines Gas-, Luft- und/oder Dampfstroms einzusetzen, insbesondere um die Konzentration eines Zielgases in dem zu untersuchenden Gas-, Luft und/oder Dampf zu ermitteln. Zur Vereinfachung wird im Folgenden nur von Gas gesprochen, obwohl die Erfindung grundsätzlich bei jedem gas- oder dampfförmigen Fluid sowie bei der Untersuchung entsprechender Mischungen zum Einsatz kommen kann.
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Das zu untersuchende Gas wird jeweils über eine Schlauchleitung 17 einem Probenraum 12 zugeführt, in dem der Gassensor 1 mit dem zu messenden Gas beaufschlagt wird. Das zu untersuchende Gas wird innerhalb des Probenraums 12 von einem Gaseinlass 13 zu einem Gasauslass 14 entlang einer Membran 3, der sogenannten Gastrennmembran, des Gassensors 1 geleitet. Die Gastrennmembran 3 hat die Aufgabe, die Menge des in den Messgasraum 2 des Sensors 1 gelangenden Zielgases auf das nötige bzw. erforderliche Maß zu begrenzen. Die Zuführung des Zielgases zum Probenraum 2 erfolgt jeweils mithilfe einer Versorgungspumpe 18. Gemäß der in 1a dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der verwendeten Versorgungspumpe 18 um eine Saugpumpe, die stromabwärts des zum Sensor 1 geförderten Gasgemisches angeordnet ist und im Bereich des Probenraumes 12 einen Unterdruck herstellt, sodass das zu untersuchende Gas aus dem Gasauslass 14 des Probenraumes 12 abgesaugt wird.
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Demgegenüber wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1b als versorgungspumpe 18 eine Druckpumpe verwendet, die das zu messende Gas in den Gaseinlass 13 des Probenraumes 12 hinein fördert. Die Druckpumpe erzeugt hierbei einen Überdruck, der die Förderung des zu untersuchenden Gases mit dem darin enthaltenen Zielgas bewirkt.
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Bei den für die Förderung des zu untersuchenden Gases mit dem Zielgases verwendeten Versorgungspumpen 18 werden üblicherweise zyklisch arbeitende Membran- oder Kolbenpumpen verwendet. Der Einsatz derartiger Pumpen führt zu pulsierenden Volumenströmen innerhalb der Gasversorgung, wodurch wiederum ein pulsierender Druck an der Gastrennmembran 3 des Gassensors 1 bewirkt wird. Je nach Volumenstrom, verwendeter Schlauchleitung 17 bzw. dem entsprechenden pneumatischen Widerstand und der Position der versorgungspumpe 18 in Bezug auf den Gassensor 1 treten unterschiedliche Drücke während des Betriebs des Gassensors 1 auf.
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Befindet sich der Gassensor 1 in der Saugleitung der Versorgungspumpe 18, wie es in 1a gezeigt ist, ergibt sich ein kontinuierlicher Druck an der Gastrennmembran 3 aus dem Produkt des Volumenstroms und des pneumatischen Widerstandes der Saugleitung. Sofern der Gassensor 1 in der Druckleitung der Versorgungspumpe 18 angeordnet ist, wie es in 1b gezeigt ist, ergibt sich ein Überdruck an der Gastrennmembran 3 des Gassensors 1 der dem Produkt aus Volumenstrom und pneumatischem Widerstand der Druckleitung entspricht. Aufgrund des pulsierenden Betriebs der Versorgungspumpe 18 ergibt sich ferner ein Wechselanteil des Drucks, der sich je nach Dämpfung durch das pneumatische System verändert. In unmittelbarer Nähe der Versorgungspumpe 18 ergibt sich ein Maximalwert für den Wechselanteil, während der Wechselanteil mit zunehmenden dämpfenden pneumatischen Elementen zwischen Versorgungspumpe 18 und Gassensor 1 geringer wird.
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Das mit dem zu untersuchenden Gas in den Probenraum 12 des elektrochemischen Sensors 1 bzw. an die Gastrennmembran 3 gemeinsam mit dem zu untersuchenden Gas geförderte Zielgas diffundiert zum Teil durch die Gastrennmembran 3. Die Gastrennmembran 3 ist derart ausgeführt, dass die Menge des durch diese Membran 3 diffundierenden Zielgases einen zulässigen Höchstwert nicht überschreitet. Durch die Gastrennmembran 3 ist das eigentliche Detektorelement 8 mit der erforderlichen Sensorik des elektrochemischen Sensors 1, die insbesondere eine Messelektrode, eine Gegenelektrode sowie eine Referenzelektrode aufweist, welche in einem Elektrolyten angeordnet sind, von dem den Probenraum 12 durchströmenden Gas-, Dampf- oder Luftstrom getrennt.
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Um die Konzentration eines Zielgases innerhalb des an die Gastrennmembran 3 geförderten Gas-, Luft- oder Dampfstroms zu bestimmen, erzeugt das Detektorelement 8 des elektrochemischen Sensors 1 ein Messsignal in Abhängigkeit des durch die Gastrennmembran 3 erfolgenden Stofftransports. Üblicherweise ist die als Diffusionsbarriere ausgeführte Gastrennmembran 3 derart dimensioniert, dass der Zustrom von Zielgas in den Messgasraum 2 des Gassensors 1 auf einen Wert begrenzt wird, so dass die Messelektrode im Grenzstrombereich arbeitet. Unter Grenzstrombedingungen ist die Konzentration des Zielgases an der Elektrodenoberfläche praktisch Null und der Grenzstrom proportional zum Gasfluss, der eine Funktion der Konzentration des Zielgases in dem zu untersuchenden Gas ist.
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Um Druckschwankungen aufgrund der für die Förderung des Gases verwendeten zyklisch arbeitenden Versorgungspumpen 18 zu kompensieren, ist erfindungsgemäß wenigstens ein zusätzliches Pumpenelement 5 vorgesehen, das in Abhängigkeit einer an der Gastrennmembran 3 herrschenden Druckdifferenz auf wenigstens einer Seite der Gastrennmembran 3 eine Druckerhöhung oder Druckverringerung bewirkt, so dass die Druckdifferenz verringert wird.
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2 zeigt in diesem Zusammenhang eine Ausführungsform, bei der zusätzlich zu einer das zu untersuchende Gas fördernden Saugpumpe 18 eine Sensoreinheit 9 mit einem Drucksensorelement sowie ein zusätzliches Pumpenelement 5 zur Kompensation der Druckdifferenz an der Gastrennmembran 3 vorgesehen sind. Mithilfe des Drucksensorelements 9, das einen oder eine Mehrzahl von Drucksensoren aufweisen kann, wird einerseits der Umgebungsdruck im Probenraum 12 bzw. an der Gastrennmembran 3 und andererseits der Druck innerhalb des Messgasraumes 3 des Gassensors 1 erfasst. grundsätzlich ist es in diesem Zusammenhang denkbar, die beiden vorgenannten Drücke zu erfassen und in der Steuereinheit 10 die Druckdifferenz zu ermitteln oder aber das Drucksensorelement 9 derart auszuführen, dass die zwischen dem Messgasraum 2 und der Umgebung 4 herrschende Druckdifferent gemessen wird.
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Aufgrund des Vorsehens derartiger Drucksensorelemente 9, die die Drücke auf den gegenüberliegenden Seiten der Gastrennmembran 3 bzw. die entsprechende Druckdifferenz erfassen, sodass ein Pumpenelement 5 auf der Grundlage der erfassten Druckwerte mit Hilfe einer Steuereinheit 10, in der die Messwerte verarbeitet und ein Steuersignal erzeugt wird, angesteuert werden kann, ist es möglich, die an der Gastrennmembran 3 herrschende Druckdifferenz auf ein zulässiges Maß zu begrenzen. Durch eine aktive gezielte Begrenzung der Druckdifferenz können einerseits Leckagen im Bereich der Gastrennmembran 3, die zu einem Austreten des im Gassensor 1 befindlichen Elektrolyten führen würden, vermieden und andererseits die Standzeit eines Gassensors 1 erhöht werden.
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3 zeigt eine weitere spezielle Ausführungsform eines Gassensors 1, bei dem während des Betriebs an der Gastrennmembran 3 auftretende Druckdifferenzen mithilfe eines gezielt gesteuerten Pumpenelementes 5 ausgeglichen werden. Auch bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Probegasraum 12 vorgesehen, der über einen Gaseinlass 13 mit dem zu analysierenden Gas versorgt wird und aus dem über einen Gasauslass 14 das zu analysierende Gas mithilfe einer Versorgungspumpe 18 abgesaugt wird.
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Als Pumpenelement 5 ist hier eine ansteuerbare Membran vorgesehen, die auf der einen Seite strömungstechnisch mit der Umgebungsseite 4 und auf der anderen Seite strömungstechnisch mit dem Messgasraum 2 des Gassensors 1 verbunden ist. Um die messgasseitige Verbindung zu realisieren ist das in 3 gezeigte Pumpenelement 5 über eine Schlauchleitung mit dem Gehäuse 19 des Gassensors 1 und weiterhin mit der Druckausgleichsöffnung 15 des Messgasraumes 2 des elektrochemischen Sensors 1 verbunden. Eine derartige Ausgestaltung zur Realisierung einer Druckkompensation ist bei bestimmten elektrochemischen Sensoren 1 möglich. Insbesondere zur Detektion von Sauerstoff als Zielgas bzw. der entsprechend elektrochemischen Umsetzung an der Referenzelektrode sowie der Gegenelektrode ist eine derartige Anordnung denkbar. Sollen mit einem elektrochemischen Gassensor 1 dagegen Wasserstoff oder Alkohole detektiert werden, ist eine derartige Ausführungsform nicht realisierbar. Gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform ist der Gassensor 1 mithilfe eines Gehäuses 19 gekapselt, wobei alle Öffnungen den gleichen Druck aufweisen.
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4 zeigt eine weitere spezielle Ausführungsform, mit der eine Druckkompensation an der Gastrennmembran 3 eines elektrochemischen Gassensors 1 zu realisieren ist. Wesentlich an der beschriebenen technischen Lösung ist, dass das Pumpenelement 5 zur Druckkompensation an die Versorgungspumpe 18 zur Förderung des zu untersuchenden Gases gekoppelt ist. Auf bevorzugte Weise lässt sich dies, wie in der Detailansicht „A“ in 4 dargestellt, mithilfe einer Doppelkolbenpumpe 20 realisieren, bei der ein erster Arbeitsraum 16a mit dem darin angeordneten Kolben strömungstechnisch mit der Umgebungsseite 4 verbunden ist, während der zweite Arbeitsraum 16b mit dem darin befindlichen Kolben strömungstechnisch mit dem Messgasraum 2 verbunden ist. Wird das vom Pumpenelement 5, wie in 4 dargestellt, als Doppelkolbenpumpe mit zwei über die gleiche Welle gekoppelten Pumpen ausgeführt, so kann auf der Umgebungsseite 7 der Membran 3 zumindest ein ähnlicher Druck wie auf der Messgasraumseite 6 der Membran 3 erzeugt werden.
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In 5 sind vier verschiedene Druckverläufe an einem Gassensor 1 dargestellt, der in der Saugleitung einer Versorgungspumpe 18, mit der das zu untersuchende Gas gefördert wird, angeordnet ist. Die vier Druckverläufe unterscheiden sich, weil die an der Gastrennmembran 3 herrschende Druckdifferenz nicht oder aber auf unterschiedliche Weise kompensiert worden ist. 5a zeigt den Druckverlauf am Gassensor 1, sobald keine gezielte Druckdifferenzkompensation vorgenommen wird. In 5b ist der Druckverlauf am Gassensor dargestellt, wie er sich mit einer langsam geregelten Pumpe zum Ausgleich der Druckdifferenz darstellt. In Ergänzung hierzu zeigt 5c den Druckverlauf bei Einsatz einer langsamen Druckkompensation und 5d den Druckverlauf, wie er sich bei einer aktiven Druckmodifikation durch das zusätzlich vorgesehene Pumpenelement 5 einstellt.
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In 5a ist der Verlauf des Unterdrucks am Gassensor 1 im Saugbetrieb dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass während der Saugphase „S“ der zyklisch arbeitenden Versorgungspumpe 18, die den Gassensor 1 mit dem zu untersuchenden Gas versorgt, der Druck am Gassensor 1 bzw. im Bereich der Gastrennmembran 3 auf der Umgebungsseite 4 abnimmt und während einer sogenannten Erholungsphase „E“ wieder ansteigt. 5a zeigt hierbei deutlich, dass durch die pulsierenden Volumenströme innerhalb der Gasversorgung ein pulsierender Druck an der Gastrennmembran 3 des Gassensors 1 entsteht. Je nach Volumenstrom, verwendeter Schlauchleitung 17 bzw. pneumatischem Widerstand und Position der Versorgungspumpe 18 in Bezug auf den Gassensor 1, treten unterschiedliche Drücke auf.
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In 5b ist der Verlauf des Unterdrucks am Gassensor 1 im Saugbetrieb dargestellt, der über eine erfindungsgemäße Druckkompensation an der Gastrennmembran 3 verfügt. Bei der hier dargestellten Ausführungsform wurde eine langsame Regelung des Pumpenelements 5 zur Druckkompensation verwendet. Mit einer langsamen Regelung kann das Pumpenelement 5 den mittleren statischen Druck kompensieren und so möglichen Leckagen entgegenwirken und damit den Einsatzbereich der Gassensoren 1 in Bezug auf den Druckbereich erweitern und/oder in Bezug auf die Lebensdauer verlängern. Im Unterschied zum Verlauf des Unterdrucks am Gassensor 1 ohne Druckkompensation sind die Amplituden etwas kleiner, so dass die Druckschwankungen an der Gastrennmembran 3 im Vergleich zum nicht kompensierten Betrieb geringer sind.
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5c zeigt den Verlauf des Unterdrucks am Gassensor 1 im Saugbetrieb bei Verwendung eines Pumpenelementes 5 mit schneller Regelung. Mit Hilfe eines schnell geregelten Pumpenelements 5 zur Druckkompensation wird auch der Wechselanteil der Druckdifferenz ausgeglichen. Dies führt nahezu zu einer Egalisierung oder zumindest Reduktion des Wechselanteils, wodurch die Empfindlichkeit des Gassensors 1 wieder auf die ursprünglichen Kalibrierbedingungen gebracht wird. Der Wechselanteil ergibt sich zusätzlich zu dem statischen Druck in Abhängigkeit der Dämpfung durch das pneumatische System. In unmittelbarer Nähe der Gasversorgungspumpe 18 ergibt sich ein maximaler Wert des Wechselanteils, während der Wechselanteil mit zunehmenden dämpfenden pneumatischen Elementen zwischen der Versorgungspumpe 18 und dem Gassensor 1 geringer wird.
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Ferner wird in 5d der Verlauf des Unterdrucks in der Gasversorgung am Gassensor 1 bei einer bewusst erzeugten zusätzlichen Druckmodulation gezeigt. In diesem Fall werden der Gassensor 1 und die Gasversorgung mithilfe des weiteren Pumpenelementes 5 mit einer zusätzlichen, bewussten Druckmodulation beaufschlagt, um die Empfindlichkeit des Gassensors 1 zu erhöhen. Da die Empfindlichkeit in der Regel nicht kalibriert ist, kann auf diese Weise beispielsweise die untere Erkennungsschwelle manipuliert werden, jedoch ohne, dass auch ein genauer Konzentrationswert berechnet werden kann. Um schließlich den genauen Messwert ermitteln zu können, wird die Modulation abgeschaltet, damit die Messung im Normalbetrieb erfolgt. Ein solcher Betrieb kann auch intermittierend stattfinden.
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6 zeigt abschließend in einer schematischen Darstellung die Regelung eines zusätzlich vorgesehenen Pumpenelements 5 zur Kompensation von an der Gastrennmembran 3 eines Gassensors 1 auftretenden Druckschwankungen. Mithilfe einer Sensoreinheit 9 wird der an der Gastrennmembran 3 des Gassensors 1 herrschende Druck bzw. die Druckdifferenz zwischen der Umgebungsseite 7 und der Messgasraumseite 6 der Gastrennmembran 3 erfasst. Das erfasste Messsignals wird in einer Steuereinheit 10 mit einem Sollwert verglichen und schließlich in Abhängigkeit des Vergleichs ein mit dem Verstärker 21 verstärktes Steuersignal zur bedarfsgerechten Ansteuerung des zusätzlichen Pumpenelements 5 erzeugt.
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Mithilfe der erfindungsgemäßen technischen Lösung wird somit auf bevorzugte Weise die Kompensation von Druckschwankungen an der Gastrennmembran 3 eines Gassensors 1 bewirkt. Durch die geeignete Kompensation von auftretenden Druckschwankungen ist es hierbei möglich, das Risiko von Leckagen im Bereich der Gastrennmembran 3 zu minimieren und die Lebensdauer eines Gassensors auf geeignete Weise zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gassensor
- 2
- Messgasraum
- 3
- Membran
- 4
- Umgebung
- 5
- Pumpenelement
- 6
- Messgasraumseite der Membran
- 7
- Umgebungsseite der Membran
- 8
- Detektorelement
- 9
- Sensoreinheit
- 10
- Steuereinheit
- 11
- Bauteilwand
- 12
- Probenraum
- 13
- Gaseinlass
- 14
- Gasauslass
- 15
- Druckausgleichsöffnung
- 16
- Arbeitsraum a erster Arbeitsraum b zweiter Arbeitsraum
- 17
- Schlauchleitung
- 18
- Versorgungspumpe
- 19
- Gehäuse
- 20
- Doppelkolbenpumpe
- 21
- Verstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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