DE19743979A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors sowie elektrische Schaltung für einen elektrochemischen Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors, insbesondere eines amperometrischen Gassensors, der mit einer Meßelektrode, einer Referenzelektrode einem Elektrolyten und einer Gegenelektrode versehen ist, wobei die Gegenelektrode mit einer Eingangswechselspannung einer vorgegebenen Frequenz beaufschlagt wird, und wobei eine an der Meßelektrode anliegende Meßspannung ausgewertet wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltung für einen elektrochemischen Sensor, insbesondere für einen amperometrischen Gassensor, der mit einer Meßelektrode, einer Referenzelektrode und einer Gegenelektrode versehen ist, mit einer Wechselspannungsquelle, die mit der Gegenelektrode gekoppelt ist, und mit einer Signalauswertung, die mit der Meßelektrode verbunden ist.

Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige elektrische Schaltung sind aus der Veröffentlichung "Elektrochemische Gassensoren - Wirkungsweisen und Möglichkeiten zur Funktionsüberwachung" von Dieter Kitzelmann und Carsten Gottschalk in der Zeitschrift tm - Technisches Messen, Jahrgang 1995, Heft 4, Seiten 152 bis 159 bekannt.

Dort ist ein elektrochemischer Sensor beschrieben, mit dem die Konzentration eines Gases in der Luft nachgewiesen werden kann. Bei dem Sensor handelt es sich um einen amperometrischen Gassensor, bei dem durch das nachzuweisende Gas eine elektrochemische Reaktion ausgelöst und damit ein Elektronenstrom erzeugt wird. Der Sensor weist unter anderem eine Gegenelektrode und eine Meßelektrode auf, zu der der erzeugte Elektronenstrom fließt. Der Elektronenstrom ist etwa proportional zur Konzentration des zu messenden Gases. Zur Auswertung des Elektronenstroms sind üblicherweise ein mit der Meßelektrode verbundener und auf Masse liegender Lastwiderstand sowie eine zugehörige Signalauswertung vorgesehen.

Des weiteren ist der Sensor mit einer Referenzelektrode versehen, die der Stabilisierung des Potentials der Meßelektrode dient. Zu diesem Zweck ist ein sogenannter Potentiostat vorgesehen, der mit seinem Eingang mit der Referenzelektrode verbunden ist, und der über seinen Ausgang die Gegenelektrode beaufschlagt. Ein weiterer Eingang des Potentiostaten ist mit einem auf Masse liegenden Spannungsteiler verbunden, über den eine Sollspannung eingestellt werden kann. Die Sollspannung ist abhängig von dem zu messenden Gas und kann beispielsweise bei Kohlenmonoxid auch Null sein.

Zum Zwecke der Funktionsüberwachung des Sensors sind Impedanzmessungen vorgesehen. Hierzu wird üblicherweise der Sollspannung eine Wechselspannung überlagert, die dann an dem Lastwiderstand einen Wechselanteil der Meßspannung zur Folge hat. Dieser Wechselanteil wird von der Signalauswertung derart weiterverarbeitet, daß bei bestimmten Signalverläufen auf einen Ausfall des Sensors geschlossen wird. Das Problem bei dieser Verarbeitung besteht darin, daß der Wechselanteil üblicherweise abhängig ist von der Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases.

Zur Elimination der genannten Konzentration ist es möglich, die Funktionsüberwachung mit mehreren Frequenzen der Wechselspannung durchzuführen und anhand des erhaltenen Impedanzspektrums gegebenenfalls auf einen Ausfall des Sensors zu schließen. Ebenfalls ist es nach der eingangs genannten Veröffentlichung möglich, daß die Funktionsüberwachung nur mit einer einzigen Frequenz durchgeführt wird, um daraus zumindest eine grobe Abschätzung über die Funktionsfähigkeit des Sensors vornehmen zu können. Im Zusammenhang mit dem letzteren Vorgehen sind jedoch in dem Stand der Technik keine näheren Erläuterungen enthalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebsweise des Sensors, insbesondere dessen Funktionsüberwachung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mittels der Meßspannung die Zellenkonstante des Sensors überwacht wird.

Die Zellenkonstante ist etwa umgekehrt proportional zu der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors. Verändert sich somit beispielsweise durch Alterungserscheinungen die aktive Fläche des Sensors, so kann dies anhand der umgekehrt proportionalen Veränderung der Zellenkonstanten erkannt und berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Überwachung der Zellenkonstanten des Sensors ist es somit möglich, die Funktionsfähigkeit des Sensors insbesondere im Hinblick auf Veränderungen der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors zu kontrollieren und gegebenenfalls an einen Benutzer zu melden. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung der Funktionsüberwachung des Sensors dar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden in zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei einer vorgegebenen Frequenz der Eingangswechselspannung die jeweiligen Meßspannungen gemessen und dann miteinander verglichen. Durch diesen Vergleich von zwei Meßspannungen ist es möglich, die Zellenkonstante zu überwachen. Insbesondere wird die erste Messung der Meßspannung dabei am Beginn des Betriebs des Sensors, also bei intaktem Sensor durchgeführt. Die gemessenen Werte werden gespeichert. Im späteren Betrieb werden dann die gemessenen Werte mit den gespeicherten Werten verglichen. Aus der Differenz oder dem Quotienten kann dann auf eine Veränderung der Zellenkonstanten und damit auf eine Veränderung der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors geschlossen werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Frequenz der Eingangswechselspannung derart vorgegeben, daß eine Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung und der Meßspannung klein oder etwa Null ist. Durch diese Vorgabe der Frequenz der Eingangswechselspannung wird erreicht, daß die Meßspannung unabhängig ist von der Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases. Damit kann die bei dieser Frequenz ermittelte Meßspannung zur Funktionsüberwachung des Sensors verwendet werden.

Die Unabhängigkeit der Meßspannung von der genannten Konzentration ergibt sich daraus, daß bei einer möglichst kleinen Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung und der Meßspannung die konzentrationsabhängige Doppelschichtkapazität des Elektrolyten sowie der ebenfalls konzentrationsabhängige Durchtrittswiderstand durch diese Doppelschicht keine Rolle mehr spielen. Die Meßspannung ist damit im wesentlichen nur noch abhängig von dem Elektrolytwiderstand. Da der spezifische Elektrolytwiderstand konzentrationsabhängig und etwa zeitlich konstant ist, ist der Elektrolytwiderstand proportional zur Zellenkonstanten und damit etwa umgekehrt proportional zur elektrochemisch aktiven Fläche, so daß eine Veränderung des Elektrolytwiderstandes gleichbedeutend ist mit einer Veränderung der Zellenkonstanten sowie mit einer Veränderung der elektrochemisch aktiven Fläche. Aus der letztgenannten Veränderung kann dann auf die Funktionsfähigkeit des Sensors geschlossen werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zum Vorgeben der Frequenz der Eingangswechselspannung, bei der die Phasenverschiebung klein ist, zuerst eine niedere Frequenz, insbesondere eine Frequenz von wenigen Hertz, eingestellt und dann die Frequenz erhöht. Dies stellt eine einfache, aber effektive Möglichkeit dar, schnell und sicher diejenige Frequenz aufzufinden, bei der die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung und der Meßspannung klein oder vorzugsweise nahezu Null ist. Dabei ist es möglich, daß das genannte Auffinden derjenigen Frequenz, bei der die Phasenverschiebung hinreichend klein ist, von einer Bedienperson durchgeführt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz der Eingangswechselspannung von einer Signalauswertung vorgegeben. Dies bedeutet, daß die Frequenz, bei der die Phasenverschiebung klein ist, von der Signalauswertung automatisch aufgefunden wird. Die Signalauswertung beeinflußt also die die Eingangswechselspannung erzeugende Wechselspannungsquelle derart, daß zuerst eine niedere Frequenz eingestellt und dann die Frequenz erhöht wird. Gleichzeitig überwacht die Signalauswertung die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung und der Meßspannung und wählt dann diejenige Frequenz für die Eingangswechselspannung aus, bei der die Phasenverschiebung klein oder etwa Null ist. Auf diese Weise wird eine vollautomatische Überwachung des Sensors ermöglicht, die selbsttätig den Sensor auf seine Funktionsfähigkeit überprüfen kann.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Frequenz der Eingangswechselspannung, bei der die Phasenverschiebung klein ist, bei der Inbetriebnahme des Sensors vorgegeben und danach beibehalten. Des weiteren wird bei dieser Frequenz die Impedanz bzw. der Wechselanteil der Meßspannung ermittelt. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß ein späterer Ausfall des Sensors erkannt werden.

Es wird also bei der Inbetriebnahme des Sensors insbesondere automatisch die genannte Frequenz ermittelt und beispielsweise abgespeichert. Gleichzeitig wird die Meßspannung bzw. Impedanz bei dieser Frequenz ermittelt und z. B. abgespeichert. Später wird dann zeit- oder ereignisabhängig der Sensor wieder mit der Eingangswechselspannung der genannten Frequenz beaufschlagt und die Meßspannung bzw. Impedanz erneut ermittelt. Aus der Veränderung der Meßspannung bzw. Impedanz kann dann auf eine Veränderung des Sensors geschlossen werden. Insbesondere kann aus der Veränderung der Meßspannung bzw. Impedanz unter einen vorgebbaren Schwellwert auf einen Ausfall des Sensors geschlossen werden.

Dies stellt insgesamt eine insbesondere vollautomatische Überwachung des Sensors auf seine Funktionsfähigkeit, insbesondere hinsichtlich eines Ausfalls des Sensors dar. Ein Defekt z. B. aufgrund von Alterungserschienungen oder gar ein totaler Ausfall des Sensors können auf diese Weise sicher und ohne größeren Aufwand automatisch erkannt und beispielsweise einer Bedienperson mitgeteilt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei der Frequenz der Eingangswechselspannung, bei der die Phasenverschiebung klein ist, der Gleichanteil der Meßspannung als Ausgangssignal für die Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases verwendet. Dieses Ausgangssignal ist jedoch noch abhängig von Veränderungen des Sensors, insbesondere von Alterungserscheinungen des Sensors.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden der Gleichanteil der Meßspannung und der gleichgerichtete Wechselanteil der Meßspannung multiplikativ miteinander zu einem Signal verknüpft. Auf diese Weise ist es möglich, das die Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases darstelltende Ausgangssignal unabhängig zu machen von Alterungserscheinungen oder dergleichen. Insbesondere können Veränderungen der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors durch den multiplikativen Eingriff fortlaufend berücksichtigt und deren Auswirkungen auf die Empfindlichkeit korrigiert werden. Die genannte multiplikative Verknüpfung ist dabei unabhängig von der Ermittlung des die Funktionsfähigkeit des Sensors charakterisierenden Ausgangssignals. Insbesondere kann das die Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases darstellende Ausgangssignal auch dann erzeugt werden, wenn das Ausgangssignal für die Funktionsfähigkeit des Sensors nicht erzeugt wird.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn bei der Frequenz der Eingangswechselspannung, bei der die Phasenverschiebung klein ist, das Signal als korrigiertes Ausgangssignal für die Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases verwendet wird. Das korrigierte Ausgangssignal stellt eine Information für den Benutzer dar, die in Abhängigkeit von der Größe der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors korrigiert ist. Dies bedeutet, daß eine Veränderung der aktiven Fläche bei dem korrigierten Ausgangssignal zu keiner Verfälschung desselben führt. Die genannte Korrektur wird dabei automatisch und permanent vorgenommen, so daß eine sogenannte Online-Korrektur vorliegt. Mit dem korrigierten Ausgangssignal liegt somit für einen Benutzer eine Information über die Konzentration des den Sensor beaufschlagenden Gases vor, die fortlaufend mögliche Alterungserscheinungen oder dergleichen des Sensors berücksichtigt und automatisch ausgleicht.

Des weiteren wird die eingangs genannte Aufgabe bei einer elektrischen Schaltung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wechselspannungsquelle und die Signalauswertung miteinander gekoppelt sind. Auf diese Weise wird die Überwachung der Zellenkonstanten des Sensors realisiert. Insbesondere wird also durch die erfindungsgemäße Kopplung der Wechselspannungsquelle mit der Signalauswertung erreicht, daß die Frequenz der von der Wechselspannungsquelle erzeugten Eingangswechselspannung gerade so vorgegeben werden kann, daß die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung und der an der Signalauswertung anliegenden Meßspannung klein oder etwa Null wird.

Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, und

Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Teils der Schaltung der Fig. 1 in näheren Einzelheiten.

In der Fig. 1 ist eine elektrische Schaltung 1 für einen elektrochemischen Sensor 2 dargestellt. Bei dem Sensor 2 handelt es sich um einen amperometrischen Gassensor, der eine Meßelektrode S (auch Sensing-Elektrode genannt), eine Referenzelektrode R und eine Gegenelektrode C (auch Counter- Elektrode genannt) aufweist. Der Sensor 2 ist dazu geeignet, die Konzentration eines Gases in der Luft nachzuweisen. Dabei bewirkt das Gas in dem Sensor 2 eine elektrochemische Reaktion, die einen zu der Meßelektrode S fließenden Elektronenstrom zur Folge hat. Dieser Elektronenstrom ist etwa proportional zur Konzentration des zu messenden Gases. Das auf den Sensor 2 einwirkende Gas ist in der Fig. 1 mit einem Pfeil dargestellt, die Konzentration des Gases ist mit einem "x" gekennzeichnet.

Die Meßelektrode S des Sensors 2 ist über einen Lastwiderstand 3 nach Masse geschaltet. Der durch das zu messende Gas hervorgerufene Elektronenstrom fließt von der Meßelektrode S über den Lastwiderstand 3 nach Masse und erzeugt damit am Lastwiderstand 3 eine Meßspannung UL.

Die Schaltung 1 ist mit einem Potentiostaten 4 versehen, der zur Stabilisierung des Potentials der Meßelektrode vorgesehen ist. Der Potentiostat 4 weist einen Operationsverstärker 5 auf, dessen Ausgang 6 über einen Widerstand 7 mit der Gegenelektrode C des Sensors 2 verbunden ist. Der invertierende Eingang 8 des Operationsverstärkers 5 ist mit der Referenzelektrode R des Sensors 2 verbunden.

Der nicht-invertierende Eingang 9 des Operationsverstärkers 6 ist über eine Gleichspannungsquelle 10 und eine Wechselspannungsquelle 11 nach Masse verbunden. Die Gleichspannungsquelle 10 dient dazu, eine Sollspannung US einzustellen. Beispielsweise kann es sich bei der Gleichspannungsquelle 10 um einen Spannungsteiler handeln, dem eine Versorgungsgleichspannung parallelgeschaltet ist, und von dessen Mittelabgriff die Sollspannung US abgenommen wird.

Der Operationsverstärker 5 beaufschlagt die Gegenelektrode C derart, daß die Spannungsdifferenz zwischen seinem invertierenden und seinem nicht-invertierenden Eingang 8, 9 etwa Null ist. Damit wird von dem Operationsverstärker 5 über die Gegenelektrode C an der Referenzelektrode R immer etwa die Sollspannung US eingestellt. Dies hat zur Folge, daß die Referenzelektrode R und damit letztlich auch die Meßelektrode S auf einer etwa konstanten Spannung bleiben. Der Sensor 2 wird dadurch von dem Potentiostaten 6 auf einen durch die Sollspannung US vorgegebenen Arbeitspunkt eingestellt.

Die Wechselspannungsquelle 11 erzeugt eine Eingangswechselspannung UZ mit einer Frequenz ω, die über den nicht-invertierenden Eingang 9 des Operationsverstärkers 5 den Sensor 2 beaufschlagt. Insbesondere handelt es sich bei der Eingangswechselspannung UZ um eine Sinus- oder Rechteckspannung.

Die Meßelektrode S ist mit einer Signalauswertung 12 verbunden. Damit liegt an der Signalauswertung 12 die Meßspannung UL an. Des weiteren ist die Signalauswertung 12 über eine Verbindung 13 mit der Wechselspannungsquelle 11 gekoppelt. Dabei können bei dieser Verbindung 13 Signale in beide Richtungen weitergegeben werden. Die Signalauswertung 12 erzeugt ein Signal S, das die Funktionsfähigkeit des Sensors 2 betrifft.

Die Überwachung der Funktionsfähigkeit des Sensors 2 wird mittels einer Impedanzmessung vorgenommen. Die Eingangswechselspannung UZ hat zur Folge, daß von der Signalauswertung 12 eine Impedanz Z des Sensors 2 gemessen werden kann. Aus dieser Impedanz Z kann dann von der Signalauswertung 12 auf die elektrochemisch aktive Fläche des Sensors 2 und damit auf dessen Funktionsfähigkeit geschlossen werden. Für die Impedanz Z des Sensors 2 gilt dabei folgende Gleichung:

Z(ω) = RE + (RD/(1 + j×ω×RD×CD))

mit Z = Impedanz des Sensors 2
ω = Frequenz der Eingangswechselspannung UZ
RE = Elektrolytwiderstand des Sensors 2
CD = Doppelschichtkapazität des Elektrolyten
RD = Durchtrittswiderstand durch die Doppelschicht
j = Imaginärteil der Gleichung.

Bei der Inbetriebnahme des Sensors 2 wird die Frequenz ω der Eingangswechselspannung UZ zuerst von der Signalauswertung 12 über die Verbindung 13 auf einen niedrigen Wert eingestellt. Insbesondere beträgt die Frequenz ω dabei einige Hertz. Dann wird von der Signalauswertung 12 die Meßspannung UL ermittelt. Die Signalauswertung 12 vergleicht dann die Phase der Eingangswechselspannung UZ mit der Phase der Meßspannung UL. Weisen diese beiden Phasen noch eine große Phasenverschiebung auf, so erhöht die Signalauswertung 12 die Frequenz ω der Eingangswechselspannung UZ und vergleicht erneut die beiden genannten Phasen. Dies wird solange wiederholt, bis die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung UZ und der Meßspannung UL klein ist. Insbesondere wird dies solange wiederholt, bis die Phasenverschiebung nahezu Null oder etwa Null ist.

Dabei ist es möglich, daß die Frequenz ω der Eingangswechselspannung UZ auch wieder vermindert wird, um eine möglichst kleine Phasenverschiebung zu finden. Insgesamt wird somit von der Signalauswertung 12 diejenige Frequenz ωz der Eingangswechselspannung UZ vorgegeben, bei der die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung UZ und der Meßspannung UL klein oder etwa Null ist.

Wenn die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung UZ und der Meßspannung UL klein oder nahezu Null ist, so bedeutet dies, daß der Imaginärteil j der obigen Gleichung ebenfalls etwa Null wird. Damit spielen die Doppelschichtkapazität CD des Elektrolyten sowie der Durchtrittswiderstand RD durch diese Doppelschicht keine Rolle mehr. Dies hat zur Folge, daß die Impedanz Z bei der vorgegebenen Frequenz ωz, bei der die Phasenverschiebung klein oder etwa Null ist, im wesentlichen nur noch von dem Elektrolytwiderstand RE abhängig ist.

Der Elektrolytwiderstand RE ist unabhängig von der Konzentration x des den Sensor 2 beaufschlagenden Gases. Der Elektrolytwiderstand RE ist aber proportional zu der sogenannten Zellenkonstanten C, die ihrerseits etwa umgekehrt proportional zu der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors 2 ist. Damit ist die Impedanz Z über den Elektrolytwiderstand RE ein Maß für die Größe der elektrochemisch aktive Fläche des Sensors 2. Verändert sich die Impedanz Z des Sensors 2, so bedeutet dies, daß sich auch die elektrochemisch aktive Fläche des Sensors 2 geändert hat.

Wie beschrieben wird die Frequenz ωz, bei der die Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung UZ und der Meßspannung UL klein oder nahezu Null ist, bei der Inbetriebnahme des Sensors 2 von der Signalauswertung 12 ermittelt. Diese Frequenz ωz wird von der Signalauswertung 12 gespeichert. Des weiteren wird von der Signalauswertung 12 die Impedanz Z0 bzw. die Meßspannung UL0 bei dieser Frequenz ωz ebenfalls gemessen und gespeichert.

Danach wird in bestimmten, insbesondere in gleichen zeitlichen Abständen i, z. B. jeden Tag, die Impedanz Zi bzw. die Meßspannung ULi des Sensors 2 bei der vorgegebenen Frequenz ωz erneut von der Signalauswertung 12 gemessen. Es ist ebenfalls möglich, daß diese erneute Messung durch eine Bedienperson über eine entsprechende Eingriffsmöglichkeit ausgelöst und von der Signalauswertung 12 durchgeführt wird. Ebenfalls ist es möglich, daß die erneute Messung auf sonstige Art und Weise durch irgendwelche Ereignisse ausgelöst wird. In jedem Fall wird bei der erneuten Messung die gemessene Impedanz Zi bzw. die Meßspannung ULi des Sensors 2 von der Signalauswertung abgespeichert.

Die Signalauswertung 12 vergleicht dann die bei der Inbetriebnahme des Sensors 2 gemessene und abgespeicherte Impedanz Z0 bzw. Meßspannung UL0 des Sensors 2 mit der später gemessenen Impedanz Zi bzw. Meßspannung ULi. Hat sich die Impedanz Z bzw. Meßspannung UL des Sensors 2 verändert, so stellt dies eine Veränderung der Zellenkonstanten C und damit der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors 2 dar.

Übersteigt diese Veränderung eine Schwelle, so bedeutet dies, daß die Funktionsfähigkeit des Sensors 2 nicht mehr gewährleistet ist. Die Signalauswertung 12 meldet dann den Ausfall des Sensors 2 über das Signal S.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, daß die Signalauswertung 12 ein Signal Y erzeugt, indem die Meßspannung UL mit dem Wert der Impedanz Z des Sensors 2 multipliziert wird. Dieses Produkt stellt ein von Veränderungen der elektrochemisch aktiven Fläche befreites Signal dar. Dieses Signal kann so lange zur Messung der Gaskonzentration x herangezogen werden, bis das Signal S der Signalauswertung 12 den Ausfall des Sensors 2 meldet.

In der Fig. 2 ist derjenige Teil der elektrischen Schaltung 1 dargestellt, der unter anderem zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Vergleichs vorgesehen ist. Insbesondere ist der in der Fig. 2 dargestellte Teil der Schaltung 1 ein Bestandteil der Signalauswertung 12.

in einer ersten Ausführungsform beaufschlagt die Meßspannung UL einen Verstärker 14. Aufgrund der Gleichspannungsquelle 10 und der Wechselspannungsquelle 11 weist das Ausgangssignal des Verstärkers 14 einen Gleichanteil ug und einen Wechselanteil uw auf. Beide Anteile werden einem Hochpaß 15 zugeführt, der den Wechselanteil uw abtrennt und an einen Gleichrichter 16 und einen nachfolgenden Tiefpaß 17 weitergibt. Das Ausgangssignal ue des Tiefpaßes 17 ist einem Komparator 18 zugeführt, der dieses Ausgangssignal ue mit einem Signal ud vergleicht. Das Signal ud stellt die Schwelle dar, bei der die Signalauswertung 12, wie beschrieben, den Ausfall des Sensors 2 meldet. Das Signal ud kann beispielsweise ein bestimmtes Vielfaches, z. B. 250% des bei Inbetriebnahme ermittelten Ausgangssignals ue sein. Das Ausgangssignal des Komparators 18 ist dann das Signal S, mit dem die Signalauswertung 12 ggf. einen Ausfall meldet.

Es wird also aus der Meßspannung UL der Wechselanteil uw ausgekoppelt und gleichgerichtet. Aus dem bei Inbetriebnahme des Sensors 2 ermittelten Ausgangssignal ue wird die Schwelle ud abgeleitet. Dann wird das bei späteren Messungen ermittelte Ausgangssignal ue mit der Schwelle ud verglichen. Erreicht das Ausgangssignal ue die Schwelle ud, so ändert sich das Signal S, womit einer Bedienperson der Ausfall des Sensors 2 mitgeteilt wird.

In einer weiteren Ausführungsform werden der Gleichanteil ug und der Wechselanteil uw des Ausgangssignals des Verstärkers 14 einem Tiefpaß 19 zugeführt, der den Gleichanteil ug abtrennt und einem Multiplizierer 20 zuführt. Des weiteren ist der Multiplizierer 20 mit dem Ausgangssignal ue des Tiefpaßes 17 beaufschlagt. Aus dem Gleichanteil ug und dem Ausgangssignal ue ermittelt der Multiplizierer 20 ein Signal Y, das der korrigierten Konzentration x des den Sensor 2 beaufschlagenden Gases entspricht. Aus dem Signal Y kann somit die Bedienperson die Konzentration des gemessenen Gases ablesen.

Die Ermittlung des Signals Y ist dabei unabhängig von der Ermittlung des Signals S, kann also auch durchgeführt werden, wenn das Signal S von der Schaltung 1 nicht erzeugt wird. Das Signal Y stellt ein Ausgangssignal dar, das in Abhängigkeit von der elektrochemisch aktiven Fläche des Sensors 2 korrigiert ist. Dies bedeutet, daß eine Veränderung der aktiven Fläche bei dem Signal Y berücksichtigt ist und deshalb nicht zu einer Verfälschung des Signals Y führt. Die genannte Korrektur wird dabei automatisch und permanent mittels des Signals ue vorgenommen, so daß eine sogenannte Online- Korrektur vorliegt.

Mit dem Signal Y liegt somit für einen Benutzer eine Information über die Konzentration des den Sensor 2 beaufschlagenden Gases vor, die fortlaufend mögliche Alterungserscheinungen oder dergleichen des Sensors 2 berücksichtigt und automatisch ausgleicht.

Claims (16)

1. Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors (2), insbesondere eines amperometrischen Gassensors, der mit einer Meßelektrode (S), einer Referenzelektrode (R) und einer Gegenelektrode (C) versehen ist, wobei die Gegenelektrode (C) mit einer Eingangswechselspannung (UZ) einer Frequenz (ω) beaufschlagt wird, und wobei eine an der Meßelektrode (S) anliegende Meßspannung (UL) ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Meßspannung (UL) die Zellenkonstante des Sensors (2) überwacht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten bei einer vorgegebenen Frequenz (ω) der Eingangswechselspannung (UZ) die jeweiligen Meßspannungen (UL) gemessen und dann miteinander verglichen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (ω) der Eingangswechselspannung (UZ) derart vorgegeben wird, daß eine Phasenverschiebung zwischen der Eingangswechselspannung (UZ) und der Meßspannung (UL) klein oder etwa Null ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vorgeben der Frequenz (ωz) der Eingangswechselspannung (UZ), bei der die Phasenverschiebung klein ist, zuerst eine niedere Frequenz (ω), insbesondere eine Frequenz (ω) von wenigen Hertz, eingestellt und dann die Frequenz (ω) erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (ω) der Eingangswechselspannung (UZ) von einer Signalauswertung (12) vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (ωz) der Eingangswechselspannung (UZ), bei der die Phasenverschiebung klein ist, bei der Inbetriebnahme des Sensors (2) vorgegeben und danach beibehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Eingangswechselspannung (UZ) eine Sinus- oder Rechteckspannung verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Frequenz (ωz) der Eingangswechselspannung (UZ), bei der die Phasenverschiebung klein ist, der Wechselanteil (uw) der Meßspannung (UL) mit einer vorgegebenen Schwelle (ud) verglichen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Vergleich ein Ausfall des Sensors (2) erkannt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Frequenz (ωz) der Eingangswechselspannung (UZ), bei der die Phasenverschiebung klein ist, der Gleichanteil (ug) der Meßspannung (UL) als Ausgangssignal für die Konzentration des den Sensor (2) beaufschlagenden Gases verwendet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichanteil (ug) der Meßspannung (UL) und der gleichgerichtete Wechselanteil (uw) der Meßspannung (UL) multiplikativ miteinander zu einem Signal (Y) verknüpft werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Frequenz (ωz) der Eingangswechselspannung (UZ), bei der die Phasenverschiebung klein ist, das Signal (Y) als korrigiertes Ausgangssignal für die Konzentration des den Sensor (2) beaufschlagenden Gases verwendet wird.

13. Elektrische Schaltung (1) für einen elektrochemischen Sensor (2), insbesondere für einen amperometrischen Gassensor, der mit einer Meßelektrode (S), einer Referenzelektrode (R) und einer Gegenelektrode (C) versehen ist, mit einer Wechselspannungsquelle (11), die mit der Gegenelektrode (C) gekoppelt ist, und mit einer Signalauswertung (12), die mit der Meßelektrode (S) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (11) und die Signalauswertung (12) miteinander gekoppelt sind.

14. Schaltung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung (12) mit Mitteln (15) zum Auskoppeln eines Wechselanteils (uw) einer Meßspannung (UL) sowie mit einem nachfolgenden Komparator (18) versehen ist.

15. Schaltung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung (12) mit Mitteln (16, 17) zur Gleichrichtung des Wechselanteils (uw) versehen ist.

16. Schaltung (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswertung (12) mit Mitteln (19) zum Auskoppeln eines Gleichanteils (ug) der Meßspannung sowie mit einem nachfolgenden Multiplizierer (20) versehen ist.