DE1255957B - Schaltungsanordnung mit mehreren mit einem gemeinsamen Verstaerker verbundenen elektrochemischen Messzellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIn

Deutsche KL: 421- 4/16

Nummer: 1255 957

Aktenzeichen: B 81419IX b/421

Anmeldetag: 12. April 1965

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für die selektive Anzeige des Ausgangssignals mehrerer elektrochemischer Meßzellen, die zur Erzeugung des Ausgangssignals eine polarisierende Spannung benötigen, unter Anwendung eines gemeinsamen Verstärkers, und bezweckt die genaue und schnelle Anzeige der Ausgangssignale.

Elektrochemische Meßzellen, die eine polarisierende Spannung benötigen, sind z. B. für den quantitativen Nachweis von verschiedenen Gasen entwickelt worden, z. B. für Sauerstoff, Schwefeldioxyd und Wasserstoff. Bei Anwendung mehrerer derartiger Meßzellen war es bisher üblich, das Ausgangssignal einer jeden Meßzelle durch einen getrennten Verstärker zur Anzeige zu bringen, wenn man nicht Verzögerungen in Kauf nehmen wolke, die sich durch das allmähliche Erreichen des stationären Zustandes nach dem Anlegen der polarisierenden Spannung an die Meßzellen ergaben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit mehreren elektrochemischen Meßzellen vorzusehen, bei der die Anzeige der Ausgangssignale unter Anwendung eines gemeinsamen Verstärkers mit hoher Geschwindigkeit und Anzeigegenauigkeit möglich ist und bei der die polarisierenden Spannungen auch an den Fühlerelektroden, die nicht gerade zur Erzeugung eines Ausgangssignals verwendet werden, aufrechterhalten werden.

Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur selektiven Anschaltung von eine polarisierende Spannung benötigenden elektrochemischen Meßzellen an den Eingangskreis eines gemeinsamen Verstärkers kennzeichnet sich durch eine Schaltvorrichtung, welche beim selektiven Anschalten einer der elektrochemischen Meßzellen an den Eingangskreis des Verstärkers die polarisierende Spannung an sämtliche elektrochemischen Zellen anlegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren erörtert. Die elektrochemischen Meßzellen bestehen dabei aus sogenannten Sauerstoffühlern. Von den Figuren zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild einer Schaltstufe der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, in welchem der Sauerstoffühler ohne die zugehörigen Umschalter dargestellt ist.

In F i g. 1 ist eine Mehrzahl Sauerstoffühler 10,11, 12 dargestellt, die in verschiedenen Gasströmungen oder Flüssigkeitsströmungen angeordnet sind und deren Anoden mit Hilfe einer Leitung 13 an den Ab-

Schaltungsanordnung mit mehreren mit einem gemeinsamen Verstärker verbundenen
elektrochemischen Meßzellen

Anmelder:

Beckman Instruments, Inc., Fullerton, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Elwood Francis Blondfield, Fullerton, Calif.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 13. April 1964 (359 040)

griff 14 eines Potentiometers angeschlossen sind, welches aus Widerständen 15 und 16 besteht und einem Verstärker 17 angehört, der einen hohen Eingangswiderstand mit Gegenkopplungsmitteln aufweist.

Eine positive Spannungsquelle ist an eine Klemme angeschaltet, und die andere Klemme des Potentiometers ist bei 19 geerdet.

Die Sauerstoffühler 10, 11 und 12 können, z. B. von der in der USA.-Patentschrift 2 913 386 offenbarten Art sein. Hierbei handelt es sich um Zellen, bei denen die Anode und die Kathode durch einen Elektrolyten verbunden sind und von der zu untersuchenden Probe durch eine selektive durchlässige Membran getrennt sind. Wenn an die Fühlerelektroden eine polarisierende Spannung gelegt wird, so erzeugen diese bei Anwesenheit von Sauerstoff einen Strom. Die polarisierende Spannung wird durch eine äußere Spannungsquelle erzeugt. Im vorliegenden Fall wird die Spannung durch den Verstärker 17 in Form des Spannungsgefälles an den Widerstand 16 geliefert und beträgt etwa 0,8 Volt.

Wenn der Ausgangsstrom eines Sauerstoffühlers in Abhängigkeit der Temperatur aufgetragen wird, so nimmt der Strom in Abhängigkeit von der Temperatür exponentiell zu. Um diese Abhängigkeit zu kompensieren, ist einem jeden Sauerstoffühler 10,11 und ein an sich bekannter, temperaturabhängiger Ther-

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mistor 20, 21, 22 zugeordnet, der in demselben, durch 57, 58 und 59 mit der einen Klemme der Kontaktgestrichelte Linien angedeuteten Gehäuse unterge- strecken 30, 33 und 36 verbunden. Die anderen Klembracht ist. men dieser Schaltstrecken 30, 33, 36 sind miteinander

Der Verstärker 17 hat eine Eingangsleitung 23 und parallel mit der Ausgangsleitung 24 verbunden,

eine Ausgangsleitung 24. Ein Meßinstrument 25 mit 5 Aus F i g. 1 erkennt man, daß in der dargestellten

einem Serienwiderstand ist an die Ausgangsklemme Schaltstellung die Kathode des Fühlers 10 über die

24 des Verstärkers angeschaltet und einseitig geerdet Leitungen 37 und 41 und die Schaltstrecke 29 mit

und zeigt das Äusgangssignal des Verstärkers 17 an. der Eingangselektrode 23 des Verstärkers verbunden

Eine Umschaltvorrichtung 27, die von einer ge- ist, während die Kathode der Fühler 11 und 12 mit strichelten Umrandung umschlossen dargestellt ist, io der Eingangsklemme 23 nicht verbunden ist. Indesverbindet die Fühlerelektroden 10,11 und 12 mit der sen liegt die polarisierende Spannung, die an dem Eingangselektrode 23 des Verstärkers 17, wobei Widerstand 16 auftritt, an sämtlichen Fühlern 10,11, Thermostoren 20, 21, 22 in dem Gegenkopplungs- 12. Der Abgriff 14 ist über die Leitung 13 mit den zweig vorgesehen sind. Die Umschaltvorrichtung 27 Anoden der Fühler 10,11 und 12 verbunden, und die besteht aus drei Kontaktgruppen, die derart umschal- 15 Kathoden der Fühler 11 und 12 sind mit dem ten, daß jeweils ein Kontaktschluß früher als eine Erdungspunkt 19 verbunden, was sich für die Kathode Kontaktunterbrechung erfolgt, wobei eine jede Kon- 11 über die Leitung 38, den oberen Kontakt der taktgruppe drei verschiedene Kontaktanordnungen Schaltstrecke 31, den unteren Kontakt der Schaltumfaßt. Die obersten Kontaktvorrichtungen 28, 29, strecke 28 und die Leitung 40 ergibt.
30 der Gruppen werden gemeinsam geschaltet; die 20 Um die Wirkungsweise des Verstärkers besser zu mittleren Kontaktvorrichtungen 31, 32 und 33 wer- erläutern, zeigt F i g. 2 die Schaltungsanordnung der den ebenfalls gemeinsam geschaltet; die untersten F i g. 1 zur Erzeugung des Ausgangssignals des Füh-Kontaktvorrichtungen 34, 35, 36 werden in solcher lers 10 ohne die zwischengeschaltete Schaltungs-Weise gemeinsam geschaltet, daß, wenn der Kontakt anordnung. Es finden in F i g. 2 dieselben Bezugs-28 seine untere Kontaktstellung innehat, die Kon- 25 zeichen wie zuvor Anwendung. Die Kathode des Fühtakte 29 und 30 geschlossen sind. lers 10 ist mit der Eingangsleitung 23 des Verstärkers

Wenn dann die Umschaltvorrichtung in ihre 17 verbunden. Die Anode des Fühlers 10 ist über nächste Schaltstellung geschaltet wird, kehrt der Kon- den Widerstand 16, an dem sich die polarisierende takt 28 in seine obere Stellung zurück und der Kon- Spannung ausbildet, mit der Erdungsklemme 19 vertakt 31 in seine untere Schaltstellung, gleichzeitig 30 bunden, welche mit der anderen Eingangsklemme des unterbrechen die Kontakte 29 und 30, und die Kon- Verstärkers 17 über die Verbindungsleitung 60 vertakte 32 und 33 werden geschlossen. Die oberen Kon- bunden ist. Der den Meßbereich bestimmende Widertakte 28, 31 und 34 sind über Leitungen 37, 38 und stan 44 ist zwischen der Eingangsleitung 23 und 39 mit den Kathoden der Fühler 10,11 und 12 ver- dem Potentiometer 53 des die Empfindlichkeit der bunden. Die unteren Kontakte 28, 31 und 34 sind 35 Fühleranordnung bestimmenden Gegenkopplungsparallel geschaltet und über eine Leitung 40 mit dem Netzwerkes 47 verbunden. Das Meßinstrument 25 Erdungspunkt 19 des Verstärkers verbunden. Die und der Widerstand 26 verbinden die Ausgangs-Kontakte 29, 32 und 35 sind parallel mit der Ein- klemme 24 des Verstärkers mit dem Erdungspunkt. gangsleitung23 verbunden. Die anderen Klemmen der Der Thermistor 20 ist zwischen der Ausgangsklemme Kontakte 29, 32 und 35 sind über die Leitungen 41, 40 24 und der Verbindungstelle des Widerstandes 50 42 und 43 mit den oberen Kontakten 28, 31 und 34 mit dem Potentiometer 52 angeordnet, wobei die anverbunden und weiterhin an die eine Klemme von dere Klemme des Potentiometers 52 über den WiderWiderständen 44, 45 und 46 angeschlossen, die für stand 51 ebenso wie die andere Klemme des Widerden einen hohen Eingangswiderstand aufweisenden Standes 50 geerdet sind.

Verstärker 17 als Eingangswiderstände wirken. Die 45 Der in dem Fühler 10 erzeugte Strom durchfließt

Widerstände 44, 45 und 46 können einen Bereich den Widerstand 44 und das Gegenkopplungs-Netz-

oder mehrere Widerstandsbereiche aufweisen und werk 47 zur Erdungsklemme hin, so daß, wenn eine

zwecks Wahl des Meßbereiches dann umschalt- Signalspannung an dem Widerstand 44 auftritt, der

bar sein. Die Widerstandswerte können etwa Verstärker in dem Gegenkopplungs-Netzwerk 47

200 000 Ohm betragen. _# 50 einen Strom erzeugt, der eine Spannung zur Folge

Es sind drei die Empfindlichkeit bestimmende hat, die gleich und entgegengesetzt der Spannung ist, Gegenkopplungszweige 47, 48 und 49 vorgesehen, die an dem Widerstand 44 sich ausbildet. Der Thervon denen jeder aus einem festen Widerstand 50 be- mistor 20 ist zwischen der Ausgangsklemme des Versteht, zu dem ein fester Widerstand 51 in Serie mit stärkers 17 und dem Gegenkopplungs-Netzwerk 47 einem einen Abgriff 53, 54, 55 besitzenden Potentio- 55 angeordnet. Wenn die Umgebungstemperatur des meter 52 parallel geschaltet ist. Der Abgriff 53 des Fühlers 10 zunimmt, nimmt der Thermistorwider-Zweiges 47 ist mit der einen Klemme des Wider- stand exponentiell ab, und es ergibt sich ein entstandes 44 verbunden, und in ähnlicher Weise sind sprechendes Spannungsgefälle mit einer Verringerung die Abgriffe 54 und 55 der Zweige 48 und 49 mit der Ausgangsspannung des Verstärkers 17, während den entsprechenden Widerständen 45 und 46 zur 60 eine vergrößerte Spannung an dem Rückkopplungs-Festlegung des Meßbereiches verbunden. Die Ver- Netzwerk 47 aufrechterhalten wird und das Gleichbindungsstellen der Widerstände 50 und 51 in den gewicht zwischen dieser Spannung und der an dem Zweigen 47, 48 und 49 sind miteinander verbunden Widerstand 44 auftretenden Spannung aufrechterhal- und über die Leitung 56 an die beweglichen Kontakte ten wird,
der Kontaktstrecken 28, 31 und 34 angeschlossen. 65 Man erkennt, daß bei der Schaltungsanordnung

Die Verbindungsstellen des Widerstandes 50 mit gemäß F i g. 1 irgendeine Fühleranordnung ausgedem Potentiometer 52 in den Zweigen 47, 48 und 49 wählt werden kann zur Einschaltung in den Einsind über Thermistoren 20, 21, 22 und die Leitungen gangskreis des Verstärkers 17 zwecks Erzeugung eines

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Ausgangssignals und daß hierbei die übrigen Fühlervorrichtungen nach wie vor die Polarisationsspannung führen, die sich an dem Widerstand 16 ausbildet, so daß, wenn eine der nicht ausgenutzten Fühlervorrichtungen zur Erzeugung eines Ausgangssignals herangezogen wird, keine beträchtliche Zeit erforderlich wird, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur selektiven Anschaltung von eine polarisierende Spannung benötigenden elektrochemischen Meßzellen für die Gas- oder Flüssigkeitsanalyse an den Eingangskreis eines gemeinsamen Verstärkers, gekennzeichnet durch eine Schaltvorrichtung (27), welche beim selektiven Anschalten einer der elektrochemischen Meßzellen (10 bzw. 11 bzw. 12) an den Eingangskreis des Verstärkers (17) die polarisierende Spannung an sämtliche elektrochemischen Zellen (10,11,12) anlegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der elektrochemischen Meßzellen (10,11,12) einen Thermistor (20, 21, 22) und die Schaltvorrichtung (27) zusätzliche Schaltmittel (30, 33,36) aufweist, welche den Thermistor der jeweils an den Eingangskreis des Verstärkers (17) angeschlossenen Meßzelle in Serie mit einem einem jeden Thermistor zugeordneten Gegenkopplungsnetzwerk (47 bzw. 48 bzw. 49) in den Gegenkopplungskreis des Verstärkers (17) einschaltet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßzelle ein den Meßbereich bestimmender Widerstand (44 bzw. 45 bzw. 46) zugeordnet ist, der durch die Schaltvorrichtung (27) in Serie mit einem Teil des Gegenkopplungsnetzwerkes (47 bzw. 48 bzw. 49) an den Eingangskreis des Verstärkers (17) angeschaltet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (17) einen hohen Eingangswiderstand hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen