DE2703479C3

DE2703479C3 - Vorrichtung zum Messen des CO2 -Partialdruckes sowie Verfahren zum Anpassen der Einrichtung

Info

Publication number: DE2703479C3
Application number: DE19772703479
Authority: DE
Inventors: Alwin Dipl.-Ing. 4476 Werlte Luttmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-01-28
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2703479B2; DE2703479A1

Description

Zeitkonstanten geschaltet ist

Das Meßsignal der CCVElektrode ist proportional zum Logarithmus des COrPartialdruckes. Zur Linearisierung des Zusammenhanges von COrPartialdruck und elektrischer Signalspannung ist vor der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems eine Einrichtung zum Delogarithmierei» des Meßsignals des Elektrodensystems vorgesehea

Ein Aufbau mit minimalem Aufwand an Schaltungsmitteln ist für eine näherungsweise Kompensation dadurch möglich, daß eine Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems aus zwei Grundeinheiten /Ci, Ki besteht, und daß die erste negative Rückkopplung der Grundeinheit K\ als Verzögerungsglied erster Ordnung ausgebildet ist

Zur Vereinfachung des Abgleichs durch Konstanthaltung des Verstärkungsgrades einer jeden Grundeinheit ist ein Doppelpotentiometer vorgesehen, mit dessen Hiife die Einstellung der Amplitudenübertragungsfaktoren Am, P_m so vorgenommen wird, daß utre Summe konstant ist

Die Anpassung der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems an das Einstellverhalten des Elektrodensystems erfolgt dadurch, daß unter Verwendung einer Sprungfunktion auf den Eingang der Vorrichtung der Amplitudenübertragungsfaktor Pi der ersten negativen Rückkopplung der ersten Grundeinheit K\ zu Null gesetzt wird, und daß die Zeitkonstante Γι der zweiten negativen Rückkopplung so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal der ersten Grundeinheit K\ sich schnellstmöglich auf den Endwert der Sprungfunktion einstellt, daß anschließen der Amplitudenübertragungsfaktor P\ der ersten negativen Rückkopplung so eingestellt wird, daß wiederum das Ausgangssignal der ersten Grundeinheit K\ sich schnellstmöglich auf den Endwert der Sprungfunktion einstellt, und daß mit den nachgeschalteten Grundeinheiten Kj — K_m entsprechend vorgegangen wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe einer einfachen elektrischen Schaltung, die als Grundeinheit dient, eine Kompensation des Zeitverhaltens und damit eine Verkürzung der Einsteilzeit einer COrElektrode auf 200 ms möglich wird und daß weiterhin auch eine Verwendung dickerer, widerstandsfähigerer Membranen bei erhaltenen kurzen Einstellzeiten möglich ist.

Der Vorteil des Verfahrens zur Anpassung der Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß auch komplexe Zeitverläufe seriell in ihre einzelnen Komponenten zerlegt werden und nacheinander abgeglichen werden. Dabei kann das unkompensierte Ausgangssignal einer CCVElektrode nach einer sprungförmigen Veränderung der Meßgröße vorteilhafterweise auf ein Tonband aufgenommen werden und dann zur Anpassung der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit mehrfach auf den Eingang der Einrichtung gegeben werden.
Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aus den Unteransprüchen zu ersehea

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Gesamtanordnung und

F ι g. 2 den Aufbau der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit.
Anhand der F i g. 1 soll die Wirkungsweise des Elektrodensystems erläutert werden: Die an der C0₂-Elektrode anstehende Spannung, die proportional zum Logarithmus des COrPartialdruckes Pcm ist, wird über einen Impedanzwandler, der zur galvanischen Trennung ein optisches Übertragungssystem enthalten kann, einem Verstärker und nachfolgend zur Erzielung eines linearen Zusammenhanges zwischen CXVPartialdruck und elektrischer Signalspannung einer Antilogarithmiereinheit zugeführt. Zur Verkürzung der Einstellzeit ist eine Einrichtung F_c nachgeschaltet, die ein gegenüber der Elektrode inverses Zeitverhalten hat.

Anhand der F i g. 2 wird der Aufbau der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit erläutert: Es sind Grundeinheiten K\ bis K_m in Serie geschaltet. Eine Grundeinheit K_n, besteht aus einem Verstärker 1 mit dem Verstärkungsgrad V_n, mit einer positiven Rückkopplung 2 mit einem Amplitudenübertragungsfaktor M_n, und einer negativen Rückkopplung 3 mit dem Amplitudenübertragungsfaktor P_n, und einer negativen Rückkopplung 4 in Form eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung mit der Zeitkonstanten T_n, und dem Amplitudenübertragungsfaktor Am. Die Zeitkonstanten T_n, können durch RC-Glieder realisiert werden. Zur Einstellung der Zeitkonstanten ist ggf. der Widerstand veränderbar. Um bei der Dimensionierung einen konstanten Verstärkungsgrad der Untereinheit zu gewährleisten, kann die Einstellung der Amplitudenübertragungsfaktoren A_n, und P_m mit Hilfe eines Doppelpotentiometers in der Weise erfolgen, daß ihre Summe konstant ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen des CO₂-Partialdrukkes mit einem mit einer CO₂-durchlässigen Membran bespannten pH-Elektrodensystem und einem nachgeschalteten Verstärker mit einer Anzeigevorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß beim Elektrodensystem eine Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems nachgeschaltet ist, bestehend aus seriell geschalteten Grundeinheiten (K₁-Km). welche aus einem Verstärker (1) mit einem Verstärkungsgrad (V_n,), einer positiven Rückkopplung (2) mit einem Amplitudenübertragungsfaktor (M_n) und einer ersten negativen Rückkopplung (3) mit einem Amplitudenübertragungsfaktor (Pm) und einer zweiten negativen Rückkopplung (4) in Form eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung mit einem Amplitudenübertraguhgsfaktor (A_n,) und einer Zeitkonstante (T_n,) bestehen, daß das Produkt des Amplitudenübertragungsfaktors (M_m) der positiven Rückkopplung (2) und des Verstärkungsgrades (V_n) näherungsweise eins ist, und daß die Grundeinheiten (K\ — K_m) nach der Größe ihrer Zeitkonstanten (T_m) in Serie geschaltet sind, und daß die Grundeinheit (K\) mit der größeren Zeitkonstante jeweils vor den Grundeinheiten (K_n,) mit den nächstkleineren Zeitkonstanten geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems eine Einheit zum Delogarithmieren des Meßsignals des Elektrodensystems vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems aus zwei Grundeinheiten (Ku Kz) besteht, und daß die erste negative Rückkopplung (3) der Grundeinheit (K₁) als Verzögerungsglied erster Ordnung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelpotentiometer vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Einstellung der Amplitudenübertragungsfaktoren (Am, P_m) so vorgenommen wird, daß ihre Summe konstant ist.

5. Verfahren zum Anpassen der Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems an das Einstellverhalten des Elektrodensystems bei einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer Sprungfunktion auf den Eingang der Vorrichtung der Amplitudenübertragungsfaktor (P\), der ersten negativen Rückkopplung (3) der ersten Grundeinheit (K\) zu Null gesetzt wird, und daß die Zeitkonstante (T\) der zweiten negativen Rückkopplung (4) so eingestellt wird, daß das Ausgangssignal der ersten Grundeinheit (K\) sich schnellstmöglich auf den Endwert der Sprungfunktion einstellt, daß anschließend der Amplitudenübertragungsfaktor (P\) der ersten negativen Rückkopplung (3) so eingestellt wird, daß wiederum das Ausgangssignal der ersten Grundeinheit (K\) sich schnellstmöglich auf den Endwert der Sprungfunktion einstellt, und daß mit den nachgeschalteten Grundeinheiten (Ki—K_m) entsprechend vorgegangen wird.

Die Erfindung betrifft ein Elektrodensystem zum Messen des COrPartialdruckes mit einem mit einer CO₂-durchlässigen Membran bespannten pH-Elektrodensystem und einem nachgeschaiteten Verstärker mit einer Anzeigevorrichtung sowie ein Verfahren zum Anpassen der Einrichtung zur Verkürzung der EinsteJI-zeit des Elektrodensystems an das Einstellverhalten des Elektrodensystems. Die Messung des CO₂-PartiaIdrukkes in Gasen und Flüssigkeiten kaiin mit Hilfe einer

ίο Membi anbespannten pH-Elektrode erfolgen. Der zeitliche Einstellvorgang des Meßsignals ist bestimmt durch physikalische und chemische Prozesse (Diffusion, Hydratisierung des CO₂). Um die Einstellzeit solcher Elektroden zu verkürzen, wurden bisher zur Verringerung der Diffusionszeiten dünnere Membranen oder aber Elektrolyte mit verminderter lonenkonzentration verwendet (Arndiu.a, Pflügers Archiv 288, S.288— 296, 1965, Siesjö in Cerebrospinal fluid and the regulation of ventilation, Oxford 1965). Die durch diese Maßnahmen erzielbare Verkürzung der Einstellzeit auf etwa 10 s wurde durch Nachteile wie mangelnde Festigkeit der Membranen und durch höhere Störanfälligkeit erkauft Außerdem ist die Zeit von 10 s zur Erreichung von 90% des Endwertes für viele technische und biologische Aufgabenstellungen bei weitem nicht ausreichend. Es ist eine Schaltung zur Messung der Korrosionsgeschwindigkeit bekannt (deutsche Auslegeschrift P 20 33 619.0-52) bei der zur Verkürzung der Einstellzeit eines Meßsignals im Augenblick des Einschaltens mit Hilfe eines /?C-Gliedes ein exponentieller Spannungsverlauf erzeugt wird, der zusammen mit dem Zeitverlauf der Polarisationsspannung einen sprungförmigen Verlauf des Meßstromes erzielt. Diese Einrichtung ist lediglich dazu geeignet einen sprungför-

■J5 migen Verlauf des Ausgangssignals zu erzielen; andere Zeitfunktionen können mit dieser Einrichtung nicht untersucht werden. Darüberhinaus ist diese Einrichtung nur geeignet jeweils für einen einmaligen Meßvorgang nämlich nach dem Einschalten eine Kompensation des Zeitverhaltens zu bewirken, sie ist somit zur Kompensation des Zeitverhaltens während einer kontinuierlichen Messung nicht geeignet. Außerderr eignet sich die Einrichtung nur für Meßobjekte, deren Sprungantwortfunktion eine einfache e-Funktion ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Elektrodensysteme mit wesentlich kürzerer Einstellzeit und besserer mechanischer und elektrischer Stabilität zu ermöglichen, mit deren Hilfe auch eine kontinuierliche Messung möglich ist.

so Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Elektrodensystem eine Einrichtung zur Verkürzung der Einstellzeit des Elektrodensystems nachgeschaltet ist, bestehend aus seriell geschalteten Grundeinheiten K\ — K_m welche aus einem Verstärker mit einem Verstärkungsgrad V_n, einer positiven Rückkopplung mit einem Amplitudenübertragungsfaktor M_m und einer ersten negativen Rückkopplung mit einem Amplitudenübertragungsfaktor P_m und einer zweiten negativen Rückkopplung in Form eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung mit einem Amplitudenübertragungsfaktor Am und einer Zeitkonstante T_m bestehen, daß das Produkt des Amplitudenübertragungsfaktors M_n, der positiven Rückkopplung und des Verstärkungsgrades V_m näherungsweise eins ist, und daß die Grundeinheiten K\ — K_m nach der Größe ihrer 7,eitkonstanten T_m in Serie geschaltet sind, und daß die Grundeinheit K\ mit der größeren Zeitkonstante jeweils vor den Grundeinheiten K_n, mit der nächstkleineren