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Die Erfindung betrifft eine Sensorschaltung, einen elektrochemischen Sensor, sowie ein Verfahren zum Schützen des elektrochemischen Sensors.
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In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden. Elektrochemische Sensoren zur Messung des pH-Werts eines Messmediums sind in der Regel aus zwei elektrochemischen Halbzellen aufgebaut. Eine Halbzelle besteht darin beispielhaft aus einer sogenannten Referenzzelle mit einer elektrisch kontaktierten Elektrolytflüssigkeit, die über ein Diaphragma leitend mit dem Messmedium verbunden ist. Eine andere mögliche Halbzelle besteht darin, beispielsweise für die Messung des pH-Werts aus einer elektrisch kontaktierten Pufferlösung mit definiertem pH-Wert, welche durch eine dünne Glasbarriere vom Messmedium getrennt ist. Weiterhin ist es möglich, dass eine Halbzelle über einen direkt mit dem Messmedium elektrisch verbundenen Metallkontakt, beispielsweise einen Edelmetallkontakt, oder über eine Emaille-Membran erfolgt. Im Folgenden wird zwar jeweils von elektrochemischen Halbzellen gesprochen, die Erfindung und die zugehörigen Vorteile können vom Fachmann jedoch für jede Sensor-Konfiguration, insbesondere auch für einteilige Konfigurationen, eingesetzt werden. Verschiedene Konfigurationen sind durch die Ersatzschaltbilder aus den 1 und 3 beschrieben. Dort sind z.B. die oben genannten Teilkomponenten nicht in sogenannten Einzel-Elektroden, sondern in sogenannten Kombinations-Elektroden einteilig ausgeführt. Die in den elektrochemischen Halbzellen generierten elektrische Spannungen ermöglichen Rückschlüsse auf die chemischen Eigenschaften des Messmediums zu treffen. In dieser Schrift wird der Begriff „Halbzellen“ zur Beschreibung aller Teilkomponenten des Sensors, welche einen direkten Kontakt zum Messmedium, bzw. zum Analyten, aufweisen, verwendet. Der Begriff „elektrochemischer Sensor“ wird für das Gesamtsystem verwendet, welches aus Elektronik, ggf. Kabelverbindungen und den Halbzellen besteht.
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Elektrochemische Halbzellen weisen eine sehr hohe Impedanz auf, zum Beispiel von 5 Gigaohm oder mehr. Die Messung der von den elektrochemischen Halbzellen generierten Spannungen ist daher mit einer Verkabelung und einer Auswerteelektronik mit einer Sensorschaltung zu realisieren, deren Komponenten besonders hochohmig ausgelegt sind. Anderenfalls entstehen Messfehler z.B. durch Leckströme. Besonders relevant ist hierbei die Auslegung des Sensorkabels, da dies häufig Feuchtigkeit oder Dämpfen ausgesetzt ist und oft große Längen, zum Beispiel von 50 m, erreichen kann. Die entsprechenden Elektronikkomponenten zur Signalauswertung müssen aus dem gleichen Grund in der Regel aufwändig gereinigt oder vergossen bzw. lackiert werden, um Leckströme durch Flussmittelreste oder Lotreste zu verhindern. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Methode zum Schutz von Leckströmen bei hochohmigen Eingangssignalen besteht darin, sogenannte Guard-Potentiale bzw. Schutzpotentiale einzusetzen, d.h. niederohmig getriebene Signale, welche auf die gleiche Spannung eingestellt werden, wie das kritische hochohmige Eingangssignal. Wird das niederohmige Signal in einer sogenannten Schutzleitung ringförmig um die hochohmige Eingangsleitung mit dem Eingangssignal herumgeführt. Somit kann kein Leckstrom zwischen der Eingangsleitung und der Schutzleitung abfließen. Es wird in diesem Zuge zudem unvermeidlich auch eine gewisse Rückkoppelkapazität zwischen der Eingangsleitung und der Schutzleitung angebracht. In der Praxis kann dieses Prinzip deswegen nur in Grenzen eingesetzt werden, und zwar wenn die Rückkoppelkapazität einen ausreichend kleinen Betrag annimmt, da sonst die über die Kapazität vermittelte Mittkopplung zu einer Schwingungsneigung des Systems führt. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Sensorschaltung, welche robust und zuverlässig ist, bereitzustellen.
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Die Sensorschaltung ermöglicht die Auswirkung von Leckströmen von Verbindungskabeln zu den hochohmigen elektrochemischen Halbzellen zu unterdrücken. Außerdem werden somit durch die Sensorschaltung aufwendige Reinigungsprozesse der Elektronik überflüssig. Des Weiteren wird durch die Sensorschaltung erreicht, dass Verguss- oder Lackierprozesse der Elektronik zum Zweck des Feuchteschutzes, also der Beibehaltung der Hochohmigkeit, überflüssig gemacht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorschaltung gemäß Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Sensorschaltung für einen elektrochemischen Sensor, umfasst:
- - eine Spannungsquelle, die dazu geeignet ist, ein erstes Spannungspotential und ein zweites Spannungspotential bereitzustellen,
- - eine Steuereinheit, welche mit der Spannungsquelle verbunden ist, wobei die Steuereinheit einen ersten Digital-Analog-Wandler, und einen ersten Analog-Digital-Wandler aufweist,
- - einen ersten Impedanzwandler mit einem Eingang und einem Ausgang,
- - ein erstes Eingangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei das erste Eingangsfilter mindestens einen ersten Kondensator aufweist,
- - einen ersten Anschluss zum Anschließen eines Kabels,
- - einen zweiten Anschluss zum Anschließen des Kabels,
wobei der erste Anschluss mit dem ersten Digital-Analog-Wandler verbunden ist und der zweite Anschluss mit dem Eingang des ersten Impedanzwandlers verbunden ist, wobei der Eingang des ersten Impedanzwandlers mit dem Eingang des ersten Eingangsfilters verbunden ist und der Ausgang des ersten Impedanzwandlers mit dem ersten Analog-Digital-Wandler verbunden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Sensorschaltung ein erstes Ausgangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang sowie einen zweiten Digital-Analog-Wandler auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler ist mit dem ersten Eingangsfilter derart verbunden, dass der Digital-Analog-Wandler mit dem Eingang des ersten Ausgangsfilters verbunden ist und der Ausgang des ersten Ausgangsfilters ist mit dem Ausgang des ersten Eingangsfilter verbunden. Das Ausgangsfilter weist mindestens einen ersten Kondensator und einen ersten Widerstand auf.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt das erste Spannungspotential der Spannungsquelle zwischen 1,5 V und 5 V.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das erste Eingangsfilter einen ersten Kondensator mit einer Kapazität von mindestens 100 pF, vorzugsweise von mindestens 1 nF.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der erste Eingangsfilter als passives RC-Filter höherer Ordnung ausgebildet und weist neben dem ersten Kondensator mindestens einen weiteren Kondensator auf, sowie weist neben einem ersten Widerstand mindestens einen weiteren Widerstand auf. Die Widerstände sind zwischen dem zweiten Anschluss und dem Eingang des ersten Impedanzwandlers in Serie geschalten und die Kondensatoren sind mit ihrem jeweils ersten Anschluss an mindestens einen der Widerstände angeschlossen und sind mit ihrem zweiten Anschluss an ein Ruhepotential, insbesondere ein Massepotential, oder an jeweils einen Ausgang eines ersten Ausgangsfilters angeschlossen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Ausgangsfilter als passives RC-Tiefpassfilter ausgebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Steuereinheit des Weiteren einen zweiten Analog-Digital-Wandler und einen dritten Digital-Analog-Wandler auf. Die Sensorschaltung weist des Weiteren einen vierten Anschluss, einen fünften Anschluss, einen zweiten Eingangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, einen zweiten Ausgangsfilter mit einem Eingang und einem Ausgang, und einen zweiten Impedanzwandler mit einem Eingang und einem Ausgang auf. Der Ausgang ist mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler verbunden und der Eingang ist mit dem vierten Anschluss verbunden. Der Eingang des zweiten Eingangsfilters ist mit dem Eingang des zweiten Impedanzwandlers verbunden und der Eingang des zweiten Ausgangsfilter ist mit dem dritten Digital-Analog-Wandler verbunden. Der Ausgang des zweiten Impedanzwandlers ist mit dem Ausgang des zweiten Eingangsfilters sowie mit dem fünften Anschluss verbunden.
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Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch einen elektrochemischen Sensor gemäß Anspruch 8 gelöst.
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Der erfindungsgemäße elektrochemischer Sensor umfasst:
- - eine erfindungsgemäße Sensorschaltung,
- - ein erstes Kabel mit einem Innenleiter und einer Abschirmung, wobei die Abschirmung mit dem ersten Anschluss verbunden ist und der Innenleiter mit dem zweiten Anschluss verbunden ist,
- - eine erste elektrochemische Halbzelle mit einem Eingang und einem Ausgang, eine zweite elektrochemische Halbzelle mit einem Eingang und einem Ausgang.
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Der Eingang der ersten elektrochemischen Halbzelle ist dazu geeignet, mit dem Messmedium verbunden zu werden. Der Ausgang der ersten elektrochemischen Halbzelle ist mit der Abschirmung verbunden. Der Eingang der zweiten elektrochemischen Halbzelle ist dazu geeignet, mit dem Messmedium verbunden zu werden. Der Ausgang der zweiten elektrochemischen Halbzelle ist mit dem Innenleiter verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der elektrochemische Sensor eine erfindungsgemäße Sensorschaltung auf. Der elektrochemische Sensor weist des Weiteren ein zweites Kabel mit einem Innenleiter und einer Abschirmung, sowie ein drittes Kabel auf. Der Innenleiter des ersten Kabels ist mit dem zweiten Anschluss und dem Ausgang der zweiten Halbzelle verbunden. Der dritte Anschluss ist mit der Abschirmung des ersten Kabels verbunden. Der Innenleiter des zweiten Kabels ist mit dem vierten Anschluss und dem Ausgang der ersten Halbzelle verbunden. Die Abschirmung des dritten Kabels ist mit dem fünften Anschluss verbunden. Das dritte Kabel ist mit dem ersten Anschluss und mit dem Eingang der ersten Halbzelle sowie dem Eingang der zweiten Halbzelle verbunden.
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Die oben genannte Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schützen eines elektrochemischen Sensors, umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors,
- - Messen eines ersten Elektrodensignals der ersten elektrochemischen Halbzelle am zweiten Anschluss,
- - Anlegen eines ersten Guard-Signals am Ausgang des ersten Eingangsfilters durch den zweiten Digital-Analog-Wandler, wobei das Guard-Signal derart gewählt wird, dass keine Spannung über dem ersten Eingangsfilter abfällt.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- - 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors mit einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung,
- - 2: eine detaillierte Darstellung einer Ausführungsform eines Eingangsfilters und eines Ausgangsfilters der in 1 dargestellten Sensorschaltung,
- - 3: eine alternative Ausführungsform des in 1 dargestellten elektrochemischen Sensors mit einer alternativen Sensorschaltung,
- - 4: eine schematische Darstellung eines Regelverfahrens.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorschaltung 1, ein erstes Kabel 70, das Ersatzschaltbild für zwei elektrochemische Halbzellen und die Sensorschaltung 1 umfassenden elektrochemischen Sensor 2 mit einer ersten Halbzelle 100 und einer zweiten elektrochemischen Halbzelle 200. Das erste Kabel 70 ist vorzugsweise ein geschirmtes Kabel. Das Messmedium mit dem Analyten kann optional über eine zusätzliche Potentialausgleichsleitung auch direkt kontaktiert werden (siehe drittes Kabel 76 in 3, welches mit den Anschlüssen 202 und 102 der Ersatzschaltbilder der elektrochemischen Halbzellen verbunden ist).
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Die Sensorschaltung 1 weist eine Spannungsquelle 10, eine Steuereinheit 20, einen ersten Impedanzwandler 30, ein erstes Eingangsfilter 40 ein erstes Ausgangsfilter 50, einen ersten Anschluss 60 und einen zweiten Anschluss 61 auf.
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Die Spannungsquelle 10 ist mit der Steuereinheit 20 verbunden und ist dazu geeignet, der Steuereinheit 20 ein erstes Spannungspotential VCC und ein zweites Spannungspotential GND bereitzustellen. Zum Beispiel stellt die Spannungsquelle 10 die Spannungspotentiale VCC, GND über zwei separate Leitungen der Steuereinheit 20 bereit. Die Spannungsquelle 10 stellt vorzugsweise eine unipolare Betriebsspannung bereit. Das erste Spannungspotential VCC ist zum Beispiel 2,5 V größer als das zweite Spannungspotential GND. Das erste Spannungspotential VCC liegt zum Beispiel zwischen 1,8 V und 5 V.
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Die Steuereinheit 20 weist einen ersten Digital-Analog-Wandler 21, einen ersten Analog-Digital-Wandler 22 und einen zweiten Digital-Analog-Wandler 23 auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler 23 kann als Puls-Weiten-Modulator ausgebildet sein. Ein Vorteil der Verwendung von Puls-Weiten-Modulatoren besteht darin, dass diese in üblichen Mikrocontrollern gewöhnlich in größerer Anzahl verbaut sind und weniger Strom als Analog-Digital-Wandler mit kontinuierlichen Ausgangspegeln benötigen. Die Steuereinheit 20 ist zum Beispiel ein Mikrocontroller. Die Aufgabe des zweiten Digital-Analogwandlers 23 besteht darin, ein Gleichspannungssignal auszugeben und einer Filterschaltung (erster Ausgangsfilter 50) zuzuführen, insbesondere ein Gleichspannungssignal, welches dem zeitlich gemittelten Signal am Analog-Digital-Wandler 22 entspricht, um so eine sogenannte „Guard“-Hilfsspannung für den Betrieb der Filterschaltung bereitzustellen.
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Der erste Impedanzwandler 30 weist einen Eingang 31 und einen Ausgang 32 auf. Der Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 ist mit einem Eingang AA des ersten Eingangsfilters 40 und mit dem zweiten Anschluss 61 verbunden. Der Ausgang 32 des ersten Impedanzwandlers 30 ist mit dem ersten Analog-Digital-Wandler 22 verbunden.
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Das erste Eingangsfilter 40 weist einen Eingang AA und einen Ausgang BB auf. Das erste Eingangsfilter 40 umfasst mindestens einen ersten Kondensator 41. Der erste Kondensator 41 weist eine Kapazität von mindestens 220 pF, vorzugsweise von mindestens 1 nF, auf.
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Das erste Ausgangsfilter 50 weist einen Eingang A und einen Ausgang B auf und verbindet den Ausgang des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23 mit dem ersten Eingangsfilter 40 und entkoppelt dabei bei Bedarf das erste Eingangsfilter 40 und den zweiten Digital-Analog-Wandler 23 wechselseitig von ggf. vorhandenen internen und externen Störsignalen. Sofern weder am Digital-Analog-Wandler 23 noch am Eingang mit Störsignalen zu rechnen ist, ist auch eine direkte Verbindung von Eingang A und Ausgang B möglich, d.h. ein Verzicht auf das Ausgangsfilter 50.
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Das Ausgangsfilter 50 weist vorteilhaft einen ersten Kondensator 51 und einen ersten Widerstand 52 auf. Das erste Ausgangsfilter 50 bildet somit ein erstes RC-Glied RC1. Das RC-Glied ist vorzugsweise ein Tiefpass. Der erste Kondensator 51 des ersten RC-Glieds RC1 weist vorzugsweise eine Kapazität, welche deutlich größer als die des ersten Kondensators 41 des ersten Eingangsfilters 40 ist, auf. Zum Beispiel weist der erste Kondensator 41 des ersten Eingangsfilters 40 eine Kapazität von 1 nF und der erste Kondensator 51 des ersten Ausgangsfilters 50 eine beispielsweise zehn Mal höhere Kapazität, also zum Beispiel von 10 nF, auf. Der zweite Digital-Analog-Wandler 23 ist mit dem Eingang A des ersten Ausgangsfilters 50 verbunden. Der Ausgang B des ersten Ausgangsfilters 50 ist mit dem Ausgang BB des ersten Eingangsfilter 40 verbunden. Der erste Kondensator 51 ist mit einem ersten Anschluss zwischen dem Widerstand 52 und dem Ausgang B verbunden und mit einem zweiten Anschluss mit einem Spannungspotential, z.B. dem Massepotential verbunden.
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Der erste Anschluss 60 ist dazu geeignet, das erste Kabel 70 oder ein anderes Kabel anzuschließen. Zum Beispiel wird am ersten Anschluss 60 eine Abschirmung 72 des ersten Kabels angeschlossen. Der zweite Anschluss 61 ist auch dazu geeignet, das erste Kabel 70 oder ein anderes Kabel anzuschließen. Zum Beispiel wird am zweiten Anschluss 61 ein Innenleiter 71 des ersten Kabels 70 angeschlossen (siehe 1).
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Der erste Anschluss 60 ist mit dem ersten Digital-Analog-Wandler 21 verbunden. Der zweite Anschluss 61 ist mit dem Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 und dem Eingang AA des ersten Eingangsfilters 40 verbunden.
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Die erste elektrochemische Halbzelle 100 weist einen Eigenwiderstand 101, einen Eingang 102 sowie einen Ausgang 103 auf. Die zweite elektrochemische Halbzelle 200 weist einen Eigenwiderstand 201, einen Eingang 202 sowie einen Ausgang 203 auf. Die Eigenwiderstände werden auch Serienimpedanzen genannt. Die erste elektrochemische Halbzelle 100 ist dazu geeignet, ein Gleichspannungspotential auszubilden und an dem Ausgang 103 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 bereitzustellen. Die zweite elektrochemische Halbzelle 200 ist dazu geeignet, ein Gleichspannungspotential auszubilden und an dem Ausgang 203 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 bereitzustellen.
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Wie in der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform des elektrochemischen Sensors 2, ist der Ausgang 103 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 mit der Abschirmung 72 des ersten Kabels 70 verbunden und der Ausgang 203 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 ist mit dem Innenleiter 71 des ersten Kabels 70 verbunden. Der Eingang 202 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 ist über das Messmedium (nicht dargestellt) mit dem Eingang 102 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 verbunden.
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In der Ausführungsform von 1 existiert kein direkter zusätzlicher Anschluss der Auswerteelektronik über eine sogenannte Potentialausgleichsleitung (freiliegender Anschluss zum Eingang 202 und 102 des Ersatzschaltbilds) mit dem Messmedium. Dies kann jedoch alternativ, wie z.B. in 3 gezeigt, über eine zusätzliche Kabelverbindung (drittes Kabel 76) erfolgen, z.B. um in Anwendungen wie Galvanikbädern, bei denen das Messmedium mit dem Analyten unter Spannung gesetzt wird, Stromflüsse über eine der beiden Halbzellen sicher verhindern zu können.
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Wie in 1 dargestellt, kann ein dritter Impedanzwandler 36 mit seinem Eingang mit dem ersten Digital-Analog-Wandler 21 und mit seinem Ausgang mit dem ersten Anschluss 60 verbunden sein.
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2 zeigt eine weitere, also zweite Ausführungsform des ersten Eingangsfilters 40 und des ersten Ausgangsfilters 50.
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Gemäß der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform weist der erste Eingangsfilter 40 des Weiteren einen zweiten Kondensator 41' und einen dritten Kondensator 41", einen ersten Widerstand 42 und einen zweiten Widerstand 42' auf. Die Widerstände 42, 42' sind zwischen dem zweiten Anschluss 61 und dem Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 in Serie geschalten. Der erste Kondensator 41 ist mit seinem ersten Anschluss zwischen dem Eingang 31 des ersten Impedanzwandlers 30 und dem ersten Widerstand 42 angeschlossen. Der zweite Kondensator 41' ist mit seinem ersten Anschluss zwischen dem ersten Widerstand 42 und dem zweiten Widerstand 42' angeschlossen. Der dritte Kondensator 41" ist mit seinem ersten Anschluss zwischen dem zweiten Widerstand 42' und dem zweiten Anschluss 61 angeschlossen.
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Diese zweite Ausführungsform des ersten Eingangsfilters 40 hat den Vorteil, dass am Eingang anliegende Störsignale, z.B. aufgrund von Funkinterferenzen oder andersartig vermittelten Störeinkopplungen mit einem analogen Filter höherer Ordnung besser unterdrückt werden können.
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Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform weist der erste Ausgangsfilter 50 des Weiteren ein zweites RC-Glied RC', ein drittes RC-Glied RC" und ein viertes RC-Glied RC''' auf. Ein Eingang A' des zweiten RC-Glieds RC' ist mit dem Ausgang B des ersten RC-Glieds RC verbunden und der Ausgang B' des zweiten RC-Glieds RC' ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensators 41 des ersten Eingangsfilters 40 verbunden. Ein Eingang A" des dritten RC-Glieds RC" ist mit dem Ausgang B des ersten RC-Glieds RC verbunden und ein Ausgang B" des dritten RC-Glieds RC" ist mit dem zweiten Anschluss des zweiten Kondensators 41' des ersten Eingangsfilters 40 verbunden.
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Ein Eingang A''' des vierten RC-Glieds RC''' ist mit dem Ausgang B des ersten RC-Glieds RC verbunden und ein Ausgang B''' des dritten RC-Glieds RC''' ist mit dem zweiten Anschluss des dritten Kondensators 41" des ersten Eingangsfilters 40 verbunden, so dass über allen direkt am Eingang 31 des Impedanzwandlers angeschlossenen Bauteilen, also der erste Kondensator 41, der zweite Kondensator 41' und der dritte Kondensator 41" des ersten Eingangsfilters 40, die gleiche Gleichspannung abfällt, nämlich die Differenz zwischen der an der Klemme, also dem zweiten Anschluss 61, anliegenden Spannung und der am Eingang A des ersten Ausgangsfilters 50, also des ersten RC-Glieds anliegende Gleichspannung.
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Diese zweite Ausführungsform des ersten Ausgangsfilters 50 hat den Vorteil, dass die bei Verwendung eines Digital-Analog-Wandlers auf Basis einer Pulsweitenmodulation entstehenden Störsignale durch die Filterstufen aus dem ersten Widerstand 52 und dem ersten Kondensator 51 des ersten Ausgangsfilters durch ein Filter höherer Ordnung besser unterdrückt werden können und somit Wechselspannungs-Einkopplungen aus dem PWM-Signal an den Eingang 31 des Impedanzwandlers 30 besser unterdrückt werden können.
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3 zeigt eine alternative zweite Ausführungsform des elektrochemischen Sensors 2 mit einer alternativen Ausführungsform der Sensorschaltung 1 und drei Kabel 70, 73, 76. Zusätzlich zum ersten Kabel 70 ist ein zweites Kabel 73 mit einem Innenleiter 74 und einer Abschirmung 75 sowie ein drittes Kabel 76 vorhanden. Das dritte Kabel 76 kann auch eine Abschirmung aufweisen.
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In der in 3 dargestellten alternativen zweiten Ausführungsform der Sensorschaltung 1 weist die Steuereinheit 20 des Weiteren einen zweiten Analog-Digital-Wandler 24 und einen dritten Digital-Analog-Wandler 25 auf. Die Sensorschaltung 1 weist des Weiteren einen dritten Anschluss 62, einen vierten Anschluss 63, einen fünften Anschluss 64, einen zweiten Eingangsfilter 45 mit einem Eingang AA' und einem Ausgang BB', einen zweiten Ausgangsfilter 55 mit einem Eingang A' und einem Ausgang B', und einen zweiten Impedanzwandler 33 mit einem Eingang 34 und einem Ausgang 35 auf. Der Ausgang 35 ist mit dem zweiten Analog-Digital-Wandler 24 verbunden und der Eingang 34 ist mit dem vierten Anschluss 63 verbunden. Der Eingang AA' des zweiten Eingangsfilters 45 ist mit dem Eingang 34 des zweiten Impedanzwandlers 33 verbunden und der Eingang A' des zweiten Ausgangsfilters 55 ist mit dem dritten Digital-Analog-Wandler 25 verbunden und der Ausgang B' des zweiten Ausgangsfilters 55 ist mit dem Ausgang BB' des zweiten Eingangsfilters 45 sowie mit dem fünften Anschluss 64 verbunden. Der zweite Eingangsfilter 45 ist wie der erste Eingangsfilter 40 aufgebaut und weist einen Kondensator 46 auf. Der zweite Ausgangsfilter 55 ist wie der erste Ausgangsfilter 50 aufgebaut und weist einen Widerstand 57 und einen Kondensator 56 auf.
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In der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsform des elektrochemischen Sensors 2 ist das dritte Kabel 76 mit dem ersten Anschluss 60 und dem Eingang 202 der zweiten Halbzelle 200 verbunden. Der Innenleiter 71 des ersten Kabels 70 ist mit dem zweiten Anschluss 61 und dem Ausgang 203 der zweiten Halbzelle 200 verbunden, und der dritte Anschluss 62 ist mit der Abschirmung 72 des ersten Kabels 70 verbunden. Der Innenleiter 74 des dritten Kabels 73 ist mit dem vierten Anschluss 63 und dem Ausgang 103 der ersten Halbzelle 100 verbunden. Der fünfte Anschluss 64 ist mit der Abschirmung 75 des dritten Kabels 73 verbunden. So dass die Kapazität des ersten Kabels 70 und des zweiten Kabels 73, hier allesamt Coaxialkabel, mit den Filterkondensatoren der ersten und zweiten Eingangsfilter 40 und 45 parallel geschaltet sind und sich zwischen dem Innenleiter 71 bzw. 74 des ersten bzw. zweiten Kabels 70, 73 und der Coaxial-Abschirmung 72, 75 des ersten bzw. zweiten Kabels 70, 73 der gleiche Spannungsabfall wie über den ersten bzw. zweiten Eingangsfiltern 40, 45 ergibt.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Schützen eines elektrochemischen Sensors 2 beschrieben.
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In einem ersten Schritt wird der elektrochemische Sensor 2 gemäß einer oben beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt. Der Einfachheit halber wird das Verfahren jedoch zuerst anhand der ersten Ausführungsform der Sensorschaltung 1 beschrieben (siehe 1). Später wird auf die Unterschiede zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform der Sensorschaltung 1 eingegangen. Das Bereitstellen des elektrochemischen Sensors 2 umfasst, dass dieser selbstverständlich funktionsbereit ist. Dies bedeutet, dass die erste elektrochemische Halbzelle 100 und die zweite elektrochemische Halbzelle 200 mit einem Messmedium in Kontakt stehen. Dies ist in 1 durch die Verbindung zwischen dem Eingang 102 der ersten elektrochemischen Halbzelle 100 und dem Eingang 202 der zweiten elektrochemischen Halbzelle 200 dargestellt.
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Anschließend erfolgt ein Schritt des Messens eines ersten Elektrodensignals ES1 am zweiten Anschluss 61. Das erste Elektrodensignal ES1 wird durch die erste elektrochemische Halbzelle 100, bzw. zweite elektrochemische Halbzelle 200 generiert und an deren Ausgang 103, bzw. Ausgang 203 bereitgestellt. Beim ersten Elektrodensignal ES1 handelt es sich um ein Gleichspannungssignal. Das erste Elektrodensignal ES1 ist z.B. abhängig von einer im Messmedium vorhandenen Analyt-Konzentration oder des pH-Werts der Lösung.
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Das erste Elektrodensignal ES1 ist im Prinzip die digital ermittelte Differenzspannung zwischen dem Signal am Eingang des ersten Analog-Digital-Wandlers 22 und dem Ausgang des ersten Digital-Analog-Wandlers 21, also die Potentialdifferenz zwischen den Kabelanschlüssen 60 und 61. Das erste Elektrodensignal ES1 ist somit die elektrochemische Spannung des elektrochemischen Sensors 2. Ist der elektrochemische Sensor 2 ein pH-Sensor, so kann basierend auf dem ersten Elektrodensignal ES1 z.B. der pH-Wert des Messmediums berechnet werden.
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Beim Schritt des Messens des ersten Elektrodensignals ES1 erfolgt vorzugsweise gleichzeitig eine analoge Filterung des ersten Elektrodensignals ES1 durch den ersten Eingangsfilter 40 und optional den ersten Ausgangsfilter 50. Beispielsweise wird das erste Elektrodensignal ES1 durch den ersten Kondensator 41 des ersten Eingangsfilters 40 geglättet. Die Filterung durch den ersten Ausgangsfilter 50 umfasst, dass ein Filtersignal vom zweiten Digital-Analog-Wandler 23 generiert und in den ersten Ausgangsfilter 50 eingespeist wird. Das Filtersignal beeinflusst das erste Elektrodensignal ES1 über den mit dem ersten Ausgangsfilter 50 verbundenen ersten Eingangsfilter 40. Für die Filterung weisen die Filterkondensatoren vorzugsweise eine sehr große Kapazität auf, d.h. größer als 100 nF. Das Ausgangsfilter 50 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn als für die Digital-Analog-Konvertierung im zweiten Digital-Analog-Wandler 23 ein stromsparendes pulsweitenmoduliertes Digitalsignal als Filtersignal zum Einsatz kommt.
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Als nächstes erfolgt ein Schritt des Anlegens eines ersten Guard-Signals K1 am Ausgang BB des ersten Eingangsfilters 40 durch den zweiten Digital-Analog-Wandler 23. Das erste Guard-Signal K1 wird derart gewählt, dass keine Spannung über dem ersten Eingangsfilter 40 abfällt.
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Wenn die Sensorschaltung 1 ein zweites Kabel 73 aufweist und ein zweites Eingangsfilter 45 (siehe 3), so wird ein zweites Guard-Signal K2 am Ausgang BB' des zweiten Eingangsfilters 45 durch den dritten Digital-Analog-Wandler 25 angelegt. Das zweite Guard-Signal K2 wird derart gewählt, dass keine Spannung über dem zweiten Eingangsfilter 45 abfällt.
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Somit wird erreicht, dass Leckströme in der Sensorschaltung 1, insbesondere in dem ersten Eingangsfilter 40 und dem zweiten Eingangsfilter 45 sowie ggf. in den Kabeln 70 und 75, unterdrückt werden können. Ist beispielsweise der Kondensator 41 oder 46 verschmutzt, so dass sich ein schmutzbedingter Widerstand von z.B. 100 Gigaohm ergibt, so fließt normalerweise ein Störstrom über den Schmutzfilm ab, der proportional zur Spannung ist, die über den Kondensator abfällt. Bei hochohmigen Signalquellen kann dieses Problem zu erheblichen Spannungsfehlern führen. Durch das Schutzverfahren wird jedoch erreicht, dass sich am Anschluss bzw. Fußpunkt des Kondensators 41, also in 1 am Ausgang BB des ersten Eingangsfilters 40 die gleiche Spannung ausbildet, wie am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 34. Somit fällt über den Kondensator 41 keine Spannung ab und es fließt kein durch den Schmutzfilm verursachter Störstrom. Selbiges gilt selbstredend für den Kondensator 46 in 3. Die Verschmutzung wirkt sich somit nicht negativ aus. Dank dem Schutzverfahren kann in der Schaltung 1 ggf. auf besondere Reinigungsprozesse, Vergusskapselung oder Lackierung bei der Herstellung der Sensorschaltung 1 verzichtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird in allen beschriebenen Verfahren, im Falle, wenn am Digital-Analogwandler 21 eine Spannung ausgegeben wird, am Digital-Analogwandler 21 nicht nur eine konstante Gleichspannung ausgegeben, sondern eine Überlagerung eines Gleichspannungssignals mit einem Wechselspannungssignal WS1. Durch die Überlagerung mit Wechselspannungswerten, das heißt durch das Wechselspannungssignal WS1, wird der erste Analog-Digital-Wandler 22 und der zweite Analog-Digital-Wandler 24 sowie der erste Digital-Analog-Wandler 21 nicht an einer einzelnen Gleichspannung, also der Ausgangsspannung U1 betrieben. Damit mitteln sich differentielle Nichtlinearitätsfehler bei der Signalwandlung von analog nach digital aus den digitalisierten Werten weitgehend heraus, ein Vorgehen das gelegentlich mit dem Stichwort „Dithering“ beschrieben wird. Diese Kompensation gelingt umso besser, desto höher die Wechselspannungsamplitude des Wechselspannungssignal WS1 ist. Bei einer zu groß gewählten Wechselspannungsamplitude ergibt sich jedoch das Problem der Übersteuerung, da das Ausgangssignal US sich als Summe der AC und DC-Komponenten ergibt und auch die Eingangssignale an den ersten Digital-Analog-Wandler 21 den Ansteuerbereich der Steuereinheit 20, also das erste Spannungspotential VCC nicht überschreiten bzw. das zweite Spannungspotential GND nicht unterschreiten dürfen.
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Aus diesem Grund wird das nachfolgend beschriebene und in 4 dargestellte Regelungsverfahren, welches mit allen beschriebenen Verfahren kompatibel ist, vorgeschlagen. Zunächst wird in einem dem Verfahren vorhergehenden impliziten Schritt ein Referenzwert für den einzuhaltenden Mindestabstand zu den Rails, also den Ansteuergrenzen der Steuereinheit 20, nämlich als Ansteuerobergrenze das erste Spannungspotential VCC und als Ansteueruntergrenze das zweite Spannungspotential GND definiert, zum Beispiel mindestens 50 mV jeweils zu den Ansteuergrenzen GND und VCC. Dann wird der minimale Abstand aller Signale zu den Rails bestimmt (Schritt 1.) in 4). Liegt eines der Ausgangs- oder Eingangssignale, also die erste Ausgangsspannung U1 oder erste Elektrodensignal ES1 zu dicht an den Aussteuergrenzen (Schritt 2.) in 4), so wird eine Übersteuerung erkannt (Schritt 2.1) in 4) und eine fixe Mindestgeschwindigkeit zur Nachführung der Gleichspannungswerte des Ausgangssignal US des ersten Digital-Analog-Wandlers 21 vorgegeben. In diesem Fall werden steile Rampen, also zum Beispiel 1 V pro Sekunde zur Nachführung verwendet (Schritt 2.2) in 4). Gleichzeitig wird die Amplitude, der im Ausgangssignal US kodierten Wechselspannungskomponenten reduziert, vorzugsweise auf Null reduziert (Schritt 2.3) in 4).
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Liegt keine Übersteuerungsgefahr vor, also ist der Abstand aller Signale zu den Rails kleiner als der vorhergehenden definierten Referenzwert, so wird unterschieden zwischen einem Betriebsmodus im Wesentlichen konstanter Signale oder einem Betriebsmodus, bei dem erkannt wird, dass sich das Sensorsignal aktuell signifikant verändert (Schritt 3.) in 4).
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Sofern sich das Sensorsignal aktuell ohnehin ändert (Schritt 3.4) in 4), sind auch kleinere Artefakte im ausgewerteten Signal tolerierbar, die durch das Nachjustieren der Wechselspannungsamplituden oder das Nachführen der Gleichspannungspegel entstehen können.
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Dieser Fall kann bei Nutzung eines mittelnden Guard-Signals, welches dem über längere Zeiträume gemittelten bisherigen Eingangssignal ES1 entspricht z.B. dadurch erkannt werden, dass sich das Eingangssignal, also das erste Elektrodensignal ES1 am Eingang 61 im Vergleich zum zugehörigen ersten Guard-Signal K1 des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23 (bzw. das Signal am Eingang 63 im Vergleich zum zweiten Guard-Signal K2 des dritten Digital-Analog-Wandlers 25) nennenswert ändert, z.B. um mehr als 20 mV. Sofern initial das Guard-Signal so eingestellt war, dass es auf den Gleichspannungspegel am Eingang 61 eingeregelt war, ist eine sich über die Zeit hinweg einstellende Abweichung ein Indikator dafür, dass sich aktuell das analoge Eingangssignal in den Sensorzellen signifikant verändert hat.
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In diesem Fall wird die Nachführung der Guard-Signale K1 und K2 und des Ausgangssignals US auch mit ggf. größeren Steigungen vorgenommen (Schritt 3.5) in 4) und die Wechselspannungsamplitude im Ausgangssignal US verändert, so dass diese maximal für den aktuellen Aussteuerbereich ist (Schritt 3.6) in 4).
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Vorteilhafterweise wird die maximal zulässige Steigung proportional zur Änderung des ersten Elektrodensignal ES1 zugelassen, z.B. in der Form delta(V_in - V_GUARD) / t_timeConstant. Dabei bezeichnet V_in das erste Elektrodensignal ES1, V_GUARD das Guard-Signal K1 bzw. K2, und t_timeConstant eine charakteristische Zeit, in der das Guard-Signal K1 bzw. K2 bei konstanter Steigung auf den zugehörigen gewünschten Zielwert eingestellt wäre. Die Zeitkonstante wird vorteilhafterweise auf die charakteristische Zeitkonstante angepasst, welche sich aus der Größe der Filterkondensatoren im Filter 40 und der Quellimpedanz der Sensor-Halbzelle errechnet. Insbesondere wird die Zeitkonstante bei erkannter Schwingneigung vergrößert. Im Ergebnis führt dieses Vorgehen im Verlauf zu einem exponentiellen Nachführen der Guard-Signal-Spannungen, ohne dass durch die kapazitive Rückkopplung im Eingangsfilter 40 eine Schwingung ausbilden kann. Wenn die Nachführungsgeschwindigkeit der Guard-Signale proportional zum Nachregelbedarf gewählt wird, ergibt sich der Vorteil, dass die durch die Nachführung entstehenden Spannungsfehler, welche durch das Umladen der Kondensatoren des ersten Eingangsfilters 40 bzw. des zweiten Eingangsfilters 45 entstehen, proportional zur Änderung des Elektrodensignals ES1 sind. Vorteilhafterweise wird dabei die Zeitkonstante t_timeConstant in der Größenordnung der RC-Zeitkonstante gewählt, welche sich aus dem Produkt des Serienwiderstands, bzw. des Eigenwiderstands 201, 101 der Sensorzellen 200, 100 und der Kapazität der Eingangsfilter 40, 45 errechnet, beispielsweise derart, dass T_timeConstant in einem Bereich von (1/10) * RC < t_timeConstant < 10 * RC gewählt wird. So kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass durch das Nachführen der Guard-Signale K1, K2 induzierte Störsignale kleiner gehalten werden als die Änderung der Elektrodensignale ES1, welche eine Nachführung der Guard-Signale K1, K2 erst erforderlich machen.
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Vorteilhafterweise erfolgt die Nachführung der von den drei Digital-Analog-Wandler 21, 23 und 25 ausgegebenen Signalen in Form einer Rampe mit vorgegebener Steilheit, wobei die Rampensteilheit für die Digital-Analog-Wandler 23, 25 der Guard-Signale K1, K2 sich als Addition der aktuellen Steilheit des Signals des Digital-Analog-Wandlers 21 (bzw. des Ausgangssignals US) und einer zweiten Steilheit ergibt, welche z.B. proportional zum Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) gewählt wird. Dabei sorgt die Addition der Steilheit des Ausgangssignals US dafür, dass die Kondensatoren der Eingangsfilter 40, 45 wegen der Spannungsänderung des Signals des Digital-Analog-Wandlers 21 nicht umgeladen werden müssen und die Nachführung der zweiten, zum Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) proportionalen Komponente dafür, dass auf lange Sicht die Guard-Spannungen bei Änderungen der Elektrodensignale ES1 nachgeführt werden. Solange der Nachregelungsbedarf (V_in - V_GUARD) groß ist, können auch die für das Dithering bzw. für die Impedanzschätzung genutzten AC-Signalpegel nachgeführt werden.
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Falls Guard-Signale K1, K2 und Eingangs-Signale, also das erste Elektrodensignal ES1 sich nicht signifikant unterscheiden, wird auf ein konstantes Signal der Sensor-Halbzellen (Ersatzschaltbildkomponenten 202 und 102) erkannt (Schritt 3.1) in 4). In diesem Fall ist es wichtig, keine Artefakte durch das zu schnelle Nachführen der ersten Ausgangsspannung U1, der Guard-Signale K1 und K2 oder durch das Optimieren der Wechselspannungsamplituden zu provozieren. Es wird deswegen mit fixen, sehr klein gewählten maximalen Steigungen zur Anpassung der DAC bzw. PWM-Signale gearbeitet (Schritt 3.2) in 4), wobei die Wechselspannungsamplitude im Ausgangssignal US nicht verändert wird (Schritt 3.3) in 4).
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Wichtig ist dabei auch hier, dass die Rampensteilheit zur Nachführung der Guard-Signale K1, K2 sich durch die Summe der als nötig ermittelten Rampe für das Guard-Signal und der aktuell nötigen Rampe zur Nachführung der erste Ausgangsspannung U1 ermittelt. Damit wären Änderungen in der ersten Ausgangsspannung U1 automatisch synchron in den Guard-Signalen K1, K2 mitvollzogen und die RC-Zeitkonstanten zwischen den Sensorimpedanzen und den Filterkondensatoren 41,45 bzw. der zu diesen ggf. parallel verschalteten Kabelkapazitäten (3) kommen nicht zum Tragen.
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Die oben beschriebenen Verfahren lassen sich ebenso mit einem Verfahren zum Betreiben des elektrochemischen Sensors oder einem Verfahren zum Prüfen des elektrochemischen Sensors kombinieren.
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Beim Betreiben des Sensors wird ein Guard-Signal dazu verwendet das erste Elektrodensignal ES1 in einem für die Steuereinheit 20 lesbaren Spannungsbereich, also zwischen GND und VCC zu halten. Hierbei wird abhängig vom ersten Elektrodensignal ES1 eine Art Offset-Signal, also das Guard-Signal verwendet, um das erste Elektrodensignal ES1 auch bei Spannungswerten, welche außerhalb des Ansteuerbereiches der Steuereinheit 20 sind, in den Ansteuerbereich zu heben.
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Beim Prüfen des Sensors wird das oben genannte Wechselspannungssignal WS1 dazu verwendet die Impedanz des Sensors zu messen, um Informationen über den Zustand des Sensors zu bekommen. Hierbei wird ein hochfrequentes Signal bzw. ein niederfrequentes Testsignal auf das Wechselspannungssignal WS1 moduliert und an die Halbzellen gesendet sowie die Antwort der Halbzellen, also das durch die Halbzellen veränderte Testsignal ausgewertet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorschaltung
- 2
- elektrochemischer Sensor
- 10
- Spannungsquelle
- 20
- Steuereinheit
- 21
- erster Digital-Analog-Wandler
- 22
- erster Analog-Digital-Wandler
- 23
- zweiter Digital-Analog-Wandler
- 24
- zweiter Analog-Digital-Wandler
- 25
- dritter Digital-Analog-Wandler
- 30
- erster Impedanzwandler
- 31
- Eingang des ersten Impedanzwandlers
- 32
- Ausgang des ersten Impedanzwandlers
- 33
- zweiter Impedanzwandler
- 34
- Eingang des zweiten Impedanzwandlers
- 35
- Ausgang des zweiten Impedanzwandlers
- 36
- dritter Impedanzwandler
- 40
- erstes Eingangsfilter
- 41
- erster Kondensator des ersten Eingangsfilters
- 41'
- zweiter Kondensator des ersten Eingangsfilters
- 41"
- dritter Kondensator des ersten Eingangsfilters
- 42
- erster Widerstand des ersten Eingangsfilters
- 42'
- zweiter Widerstand des ersten Eingangsfilters
- 45
- zweites Eingangsfilter
- 46
- Kondensator des zweiten Eingangsfilters
- 50
- erstes Ausgangsfilter
- 51
- erster Kondensator des ersten Ausgangsfilters
- 51'
- zweiter Kondensator des ersten Ausgangsfilters
- 51''
- dritter Kondensator des ersten Ausgangsfilters
- 51'''
- vierter Kondensator des ersten Ausgangsfilters
- 52
- erster Widerstand des ersten Ausgangsfilters
- 52'
- zweiter Widerstand des ersten Ausgangsfilters
- 52''
- dritter Widerstand des ersten Ausgangsfilters
- 52'''
- vierter Widerstand des ersten Ausgangsfilters
- 55
- zweite Ausgangsfilter 55
- 56
- Kondensator des zweiten Ausgangsfilters
- 57
- Widerstand des zweiten Ausgangsfilters
- 60
- erster Anschluss
- 61
- zweiter Anschluss
- 62
- dritter Anschluss
- 63
- vierter Anschluss
- 64
- fünfter Anschluss
- 70
- erstes Kabel
- 71
- Innenleiter des ersten Kabels
- 72
- Abschirmung des ersten Kabels
- 73
- zweites Kabel
- 74
- Innenleiter des zweiten Kabels
- 75
- Abschirmung des zweiten Kabels
- 76
- drittes Kabel
- 100
- erste elektrochemische Halbzelle
- 101
- Eigenwiderstand der ersten elektrochemischen Halbzelle
- 102
- Eingang der ersten elektrochemischen Halbzelle
- 103
- Ausgang der ersten elektrochemischen Halbzelle
- 200
- zweite elektrochemische Halbzelle
- 201
- Eigenwiderstand der zweiten elektrochemischen Halbzelle
- 202
- Eingang der zweiten elektrochemischen Halbzelle
- 203
- Ausgang der zweiten elektrochemischen Halbzelle
- A
- Eingang des ersten Ausgangsfilters 50
- A'
- Eingang des zweiten Ausgangsfilters 55
- AA
- Eingang des ersten Eingangsfilters 40
- AA'
- Eingang des zweiten Eingangsfilters 45
- B
- Ausgang des ersten Ausgangsfilters 50
- B'
- Ausgang des zweiten Ausgangsfilters 55
- BB
- Ausgang des ersten Eingangsfilters 40
- BB'
- Ausgang des zweiten Eingangsfilters 45
- ES1
- erstes Elektrodensignal
- GND
- zweites Spannungspotential
- K1
- erstes Guard-Signal des zweiten Digital-Analog-Wandlers 23
- K2
- zweites Guard-Signal des dritten Digital-Analog-Wandlers 25
- RC
- erstes RC-Glied
- RC'
- zweites RC-Glied
- RC"
- drittes RC-Glied
- RC'''
- viertes RC-Glied
- U1
- erste Ausgangsspannung,
- US
- Ausgangssignal
- VCC
- erstes Spannungspotential
