DE2927209C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Schaltungsanordnungen dieser Art sind bereits bekannt. In der Regel handelt es sich hierbei um einfache, eine zusätzliche Einrichtung zur Erhaltung einer Polarisationsspannung enthaltende Strommeßgeräte mit Masse als Bezugspunkt. Sie arbeiten zufriedenstellend bei hohem Membranisolationswiderstand, anderenfalls kann ein unerwünschter Stromfluß durch die Membran auftreten, da die die zu untersuchende Lösung nicht unbedingt das gleiche Potential wie der Elektrolyt aufweist. Ebenso kann ein elektrochemisches Potential wie der Elektrolyt aufweist. Ebenso kann ein elektrochemisches Potential und hierdurch verursacht ein Membranleckstrom am Interface zwischen Lösung und Elektrolyt auftreten, der zu einer Beeinflussung des zu messenden Polarisationsstroms und damit Verfälschung der Meßergebnisse führt. Zur Vermeidung dieses Nachteils ist es beispielsweise bekannt, die zu untersuchende Lösung gegen Masse und andere mögliche Stromsenken zu isolieren, allerdings ist diese Maßnahme in der Regel nur schwer durchführbar, insbesondere dann, wenn sich andere Elektroden-Systeme in der gleichen Lösung befinden. Eine andere Methode zur Vermeidung solcher Membranleckströme liegt in der Isolierung der ganzen Meßkette von Masse und anderen Stromsenken, was jedoch eine gesonderete Versorgungsspannung für die Meßkette und damit einen höheren Kostenaufwand erfordert.

In beispielsweise einem pO₂-Elekroden-System bedarf es der Messung von Strömen im Nano-Ampere-Bereich als Grundlage für den zu messenden Wert. Darüber hinaus ist die Aufrechterhaltung einer stabilen Polarisationsspannung zwischen der aktiven Elektrode und der Referenzelektrode während der Messung erforderlich. Unter diesen schwierigen Bedingungen ist in solchen Elektroden-Systemen der unerwünscht durch ein Membranleck fließende Strom auszuschalten im Hinblick darauf, daß sich bei Verschlechterung des Isolationswiderstandes der Membran in einer Sauerstoff-(pO₂)-Elektrode infolge eines Membranlecks Meßfehler infolge undefinierter Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden eines solchen elektrischen Systems und der zu untersuchenden Lösung ergeben, die einen Stromfluß durch die Referenzelektrode und das Membranleck verursachen.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Schaffung einer Schaltungsanordnung der beschriebenen Art zugrunde, mit deren Hilfe alle Spannungen in der Leckschleife automatisch ausgeglichen werden und somit das Auftreten eines unerwünschten Leckstromes vermieden ist. Diese Aufgabe wird durch eine Schaltung der im Patentanspruch 1 wiedergegebenen Art gelöst.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise erläutert ist. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein Zusatzteil zu der in Fig. 1 wiedergegebenen Schaltung.

Die Meßeinrichtung, in welcher die vorliegende Schaltungsanordnung angewendet wird, enthält eine oder mehrere Elektrodensysteme einer an sich bekannten Art, so daß sich ihre Darstellung im Einzelnen erübrigt.

Hierin sind - siehe Fig. 1 - jeweils die polarisierte Elektrode, z. B. eine Sauerstoffelektrode (pO₂), und die Referenzelektrode, an je einen Eingang der vorliegenden Schaltungsanordnung und die die polarisierte Elektrode ist an der Verbindungsstelle E₁ an einen ersten Operationsverstärker OA₁ angeschlossen. Der Operationsverstärker OA₁ ist mittels eines ersten Widerstandes R₁ gegengekoppelt, wobei der Ausgang E₂ des Operationsverstärkers OA₁ dem invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers OA₄ zugeführt wird, dessen nicht invertierender Eingang mit dem nicht invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers OA₁ verbunden ist. Der Operationsverstärker OA₄ dient der Umwandlung des zugeführten Differenzsignals in einen einpoligen Ausgang Ea. Es mißt somit nur die Größe der Differenz zwischen den Signalen an seinen Eingängen, und ist unabhängig vom Niveau der gesamten Schaltungsanordnung.

Die Referenzelektrode ist an der Anschlußstelle E₅ an den invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers OA₂ angeschlossen, der ebenfalls mittels eines Widerstandes R₂ gegengekoppelt ist. Der Ausgang E₃ dieses zweiten Operationsverstärkers OA₂ ist über einen Widerstand R₄ an den invertierenden Eingang E₆ eines dritten Operationsverstärkers OA₃ angeschlossen. Der Eingang E₆ dieses dritten Operationsverstärkers OA₃ ist dann über einen Widerstand R₃ mit dem Ausgang E₂ des ersten Operationsverstärkers OA₁ verbunden, während der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers OA₃ mit dem Verbindungspunkt E₅ am Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA₂ verbunden ist. Der Ausgang E₄ des dritten Operationsverstärkers OA₃ ist sowohl mit dem nicht invertierenden Eingang E₄ des ersten Operationsverstärkers OA₁ als auch mit dem nicht invertierenden Eingang E₇ des zweiten Operationsverstärkers OA₂ verbunden, wobei diese zuletzt genannte Verbindung unter Zwischenschaltung eines Widerstandes R₅ erfolgt.

Da für den Betrieb des gesamten Meßsystems eine Polarisationsspannung zwischen der Referenzelektrode und der polarisierten Elektrode erforderlich ist, ist in der vorliegenden Schaltung eine Doppelstromquelle Q vorgesehen, die zwei aus einer Speisequelle S gespeiste Transistoren T₁ und T₂ enthält. Die Speisequelle S kann auch als Speisequelle für den jeweiligen Operationsverstärker dienen.

Zwischen den Anschlußklemmen V+ und V- der Doppelstromquelle Q ist ein Spannungsteiler mit einem veränderlichen Widerstand R₈ geschaltet, wobei die Emitter der Transistoren T₁ und T₂ über je einen Widerstand R₆ bzw. R₇ an einen Pol der Speisequelle S angeschlossen sind. Der Kollektor des ersten Transistors T₁ ist an den invertierenden Eingang E₆ des dritten Operationsverstärkers OA₃ und der Kollektor des zweiten Transistors T₂ an den nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA₂ angeschlossen. Diese Quelle Q₃ erzeugt zusammen mit den Widerständen R₃ und R₅ die genannte Polarisationsspannung, die - für ein pO₂-System - eine Größe von etwa 700 mV aufweist und auf den beschriebenen Wegen den Elektroden zugeführt wird. Die Größe dieser Polarisationsspannung, gegeben durch die Ströme I₃ und I₄ sowie die Widerstände R₃ und R₅ ist mit Hilfe des veränderlichen Widerstandes R₈ beliebig einstellbar. Die Quelle Q sorgt dafür, daß die einmal eingestellte Größe der Polarisationsspannung gleich bleibt, und zwar unabhängig von der Stärke des Stromes im Punkt E₅ am Eingang des zweiten Operationsverstärkers. Selbstverständlich können hier auch andere Arten von Stromquellen verwendet werden; z. B. Feldeffekt-Stromquellen, wenn sie die notwendige Stabilität über den Arbeitstemperaturbereich aufweisen.

Es ist weiterhin zweckmäßig ein aus umgekehrt gepolten Dioden D₁ und D₂ bestehender Spannungs- bzw. Potentialbegrenzer vorgesehen, der die obere und untere Grenze der Spannung bzw. des Potentials bestimmt, welche die Schaltungsanordnung während des Betriebes annehmen kann. Erforderlichenfalls kann dieser Potentialbereich durch mehrere Dioden in Serienschaltung oder durch eine Vorspannung in Sperrichtung an die Dioden vergrößert werden.

In Fig. 1 ist ein allfälliges Leck in der Membran eines Elektroden-Systems mit Hilfe einer Serienschaltung dargestellt, welche aus einem Widerstand Ry und einer Quelle Ey besteht. Diese Serienkombination ist an die Referenzelektrode einerends angeschlossen.

Mit Hilfe der beschriebenen Schaltung ist die Messung eines zwischen den Punkten E₅ und E₁ fließenden Stromes I₁ möglich. Enthält die analysierte Flüssigkeit - beispielsweise Blut - keinen Sauerstoff, so ist der Strom I₁ gleich Null, während mit zunehmender Sauerstoff-Konzentration die Größe des Stromes I₁ zunimmt.

Falls die Membran kein Leck aufweist, ist der Widerstand Ry unendlich groß. Dies hat zur Folge, daß kein Strom I₁ durch den Widerstand Ry fließt. Infolgedessen ist die Größe des bei E₅ (aus)-fließenden Stromes I₁ gleich der Größe des bei E₁ am Eingang des ersten Operationsverstärkers OA₁ (ein)-fließenden Stromes I₁, d. h. der Strom fließt also von der Klemme V+ durch den Operationsverstärker OA₂, weiter durch den Gegenkopplungs-Widerstand R₂, den Punkt E₅, die Referenzelektrode, die polarisierte Elektrode, den Punkt E₁, den Widerstand R₁, den Operationsverstärker OA₁ bis zur Klemme V- am ersten Operationsverstärker.

Falls die Membran ein Leck aufweist, fließt ein sich mit dem aus dem Punkt E₅ ausfließenden Strom I₁ summierender Leckstrom I₁, so daß sich die Größe der Ströme in den Punkten E₁ und E₅ unterscheiden. Diese Ungleichheit erzeugt eine Differenzspannung an den Eingängen des dritten Operationsverstärkers OA₃, an dessen Ausgang ein verstärktes Korrektursignal auftritt, welches den nicht invertierenden Eingängen des ersten und zweiten Operationsverstärkers OA₁ und OA₂ zugeführt wird. Hierdurch wird das Potential der gesamten Schaltung so eingestellt, daß unter Berücksichtigung der Spannung Ey ein Leckstrom verhindert wird, d. h. es kann einerseits eine Differenz in den Elektrodenströmen nur bei Fluß eines Leckstromes und andererseits ein Leckstrom I₂ nur dann auftreten, wenn die Summe aller Spannungen in der Leckschleife nicht gleich Null ist. Der dritte Operationsverstärker OA₃ sorgt dafür, daß das Potentialniveau des Elektrolytes so eingestellt ist, daß die Summe aller Spannungen in der Leckschleife gleich Null ist. Die einstellbare Doppelstromquelle Q erzeugt gemeinsam mit den zwei Widerständen R₃ und R₅ zwischen den zwei Elektroden eine einstellbare Spannungsdifferenz als Polarisationsspannung.

Die Spannung Ey beträgt erfahrungsgemäß in der Regel 0 bis 100 mV liegt. Das Intervall der Niveau-Unterschiede, welches eine solche Schaltungsanordnung während ihres Betriebes annehmen kann, ist bei einer Membran ohne Leck jedoch wesentlich größer. In einem solchen Fall könnte das jeweilige Potential-Niveau sehr unterschiedliche Werte haben. Die Durchlaßspannungen der Dioden D₁ und D₂ bestimmen die Grenzen für die des Potential-Niveaus der Schaltungsanordnung, wobei sich das Niveau innerhalb eines Spannungsunterschiedes von ungefähr 1 V bewegen kann. Auch in den Fällen, in denen die Membran ein Leck aufweist, erreicht die Spannung Ey, wie gesagt, praktisch höchstens 100 mV, was mit Sicherheit innerhalb der durch die Dioden D₁ und D₂ gesetzten Grenzen liegt. Wenn erforderlich, kann dieser Potentialbereich trotzdem durch die Schaltung von mehreren Dioden in Serie oder durch Anlegen einer Vorspannung in Sperrichtung an die Dioden vergrößert werden.

Mit Hilfe der beschriebenen Schaltungsanordnung wird der Fluß von Leckströmen durch die Membran unterdrückt, sie erlaubt somit die Messung des eigentlichen Polarisationsstromes der aktiven Elektrode sowie die Einstellung und die Aufrechterhaltung der jeweils erforderlichen Polarisationsspannung. Die Lebendauer der Membran kann verlängert werden, weil man zuverlässige Meßergebnisse bekommt, bis die Membran so schlecht wird, daß eine beträchtliche Menge der Lösung durch das Leck fließt. Dieser Zustand ist jedoch leicht erkennbar, denn es treten dann beim Eichen der Elektroden Instabilität und Drift auf. Das bisher notwendige periodische Prüfen des Membran-Isolationswiderstandes ist bei Anwendung der vorliegenden Schaltungsanordnung nicht mehr erforderlich.

In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnen I₁ den durch die Polarisationsspannung zwischen E₅ und E₁ in Abhängigkeit von der Ionenkonzentration in der Meßlösung bewirkten (auszuwertenden) Strom und I₂ den durch die unbekannte Spannung Ey verursachten unerwünschten Strom durch den unbekannten (0 bis unendlich) Widerstand Ry. Die Ausgangsspannungen E₂ und E₄ stellen einen Differenzausgang dar und speisen den Verstärker OA₄, der einen Differenz-Eingang und eine hohe Gleichtaktunterdrückung besitzt. Die eigentliche Schaltung dieses Verstärkers ist nicht wichtig, denn er muß nur die Übertragungsfunktion Ea = K (E₄-E₂) weisen, wobei K eine Konstante ist. Hieraus ergibt sich unter Berücksichtigung der negativen Rückkopplung und der hohen Leerlaufverstärkungen der Operationsverstärker OA₁, OA₂ und OA₃:

E₁ = E₄ (1)

E₅ = E₆ = E₇ (2)

I₄ + I₅ = I₆ (3)

E₄ = E₇ - I₃ R₅ (4)

E₂ = E₁ - I₁ R₁ (5)

E₃ = E₅ + R₂ (I₁ + I₂) (6)

Aus (2) und (7) erhält man:

Ersetzen wir darin E₃ durch die Gleichung (6) erhalten wir

Aus (1) und (5) ergibt sich:

E₂ = E₄ - I₁ R₁

Aus (2) und (4) erhält man:

E₄ = E₅ - I₃ R₅

und somit ergibt sich:

E₂ = E₅ - I₃ R₅ - I₁ R₁ (10)

Aus (2) und (8) ergibt sich:

Ersetzen wir darin E₂ durch (10):

Aus (3), (9) und (11) ergibt sich dann:

Diese Gleichung kann man umwandeln in:

I₁ (R₂ R₃-R₁ R₄)=I₃ R₄ R₅-I₂ R₂ R₃-I₄ R₃ R₄

Setzen wir jetzt R₂ R₃ = R₁ R₄ dann verschwindet I₁ und wir haben:

I₂ R₂ R₃ = R₄ (I₃ R₅ - I₄ R₃)

Setzen wir jetzt I₃ H₅ = I₄ R₃ muß I₂ gleich 0 sein.

Die letzte Voraussetzung kann man schreiben:

Für parallele Stromquellen kann man im allgemeinen schreiben:

Es können aber Fehler durch Ungleichheit bzw. Nichtlinearität der zwei Transistoren vorkommen. Trotzdem, wenn wir ein integriertes Transistorpaar verwenden und gleichzeitig

I₄ = I₃

voraussetzen, ist die Schaltung sehr genau und stabil, da auch die beiden Kollektorspannungen immer gleich bleiben (siehe Gleichung 2).

Damit ist deutlich geworden, daß die Schaltung unter den Voraussetzungen

R₇ = R₆
R₃ = R₅
R₂ R₃ = R₁ R₄

den Strom I₂ auf 0 hält, unabhängig vom Wert von I₁ und der Spannung Ey. Natürlich darf Ey nicht außerhalb der Gleichtaktspannungsbereiche der Operationsverstärker liegen.

Aus den Gleichungen (1), (2) und (4) ergibt sich die Konstanz der Polarisationsspannung

E₅ - E₁ = I₃ R₅

unabhängig von den anderen Spannungs- und Stromwerten. Diese Spannung läßt sich auch durch den regelbaren Widerstand R₈, der I₃ und I₄ steuert, einstellen.

Aus den Gleichungen (1) und (5) ergibt sich weiterhin, daß - unabhängig von den weiteren Variablen - die Differenzausgangsspannung

E₄ - E₂ = I₁ R₁

proportional dem Polarisationsstrom I₁ ist.

Wenn der Membranisolationswiderstand (Ry in der Schaltung) sehr hoch ist, ist das Spannungsniveau der Schaltung undefiniert, da eine Steuerung fehlt. Die hochohmigen Dioden D₁ und D₂ begrenzen, wie gesagt, den Spannungsbereich und dienen gleichzeitig als Eingangsschutz.

In diesen Berechnungen wurde angenommen, daß die drei Operationsverstärker OA₁, OA₂ und OA₃ eine sehr hohe Eingangsimpedanz aufweisen, d. h. daß die Eingangströme im Verhältnis zu den zu messenden Strömen sehr klein sind. Operationsverstärker mit sehr hoher Eingangsimpedanz sind jedoch teuer. Es ist möglich, mit noch einem Operationsverstärker OA₅ (Fig. 2) eine wirtschaftlichere Schaltungsanordnung zu erreichen. Die Referenzelektrode ist an den nicht invertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers OA₅ angeschlossen. Der Ausgang desselben ist mit dem invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers OA₂ und auch mit seinem eigenen invertierenden Eingang unmittelbar verbunden. Das andere Ende des Widerstandes R₂ ist diesmal an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OA₅ angeschlossen.

Der Operationsverstärker OA₅ weist eine sehr hohe Eingangsimpedanz auf und ist als Impedanzwandler (Spannungsfolger) eingesetzt. Wegen der sehr niedrigen Ausgangsimpedanz dürfen die zwei Operationsverstärker OA₂ und OA₃ durch ihre Eingänge etwas Strom aufnehmen. Zwei teure Operationsverstärker werden somit durch einen teuren und zwei billige ersetzt. Die vorstehenden Berechnungen behalten jedoch ihre Gültigkeit, weil die Spannungen auch für diese Ausführung der Schaltungsanordnung am Eingang und am Ausgang des Operationsverstärkers OA₅ immer gleich sind.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung für eine elektro-chemische Meßeinrichtung mit einem Elektrolyten sowie jeweils einer in den Elektrolyten eintauchenden aktiven, polarisierten Elektrode und Bezugselektrode sowie einer die zu untersuchende Lösung vom Elektrolyten trennenden Membran, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden an einen der Eingänge jeweils eines als Stromspannungswandler dienenden ersten bzw. zweiten Operationsverstärkers (OA₁, OA₂) und die Ausgänge dieser Verstärker derart an einen dritten Operationsverstärker (OA₃) angeschlossen sind, daß bei auftretendem Membranleckstrom eine Differenzspannung am Eingang des dritten Operationsverstärkers erzeugt wird, dessen Ausgang zum Zwecke der Übertragung eines entsprechenden Korrektursignals mit den nicht invertierenden Eingängen des ersten und zweiten Operationsverstärkers (OA₁, OA₂) verbunden ist, so daß sich das Potentialniveau des Elektrolyten auf einen solchen Wert einstellt, daß die Summe aller Spannungen in der Leckschleife Null ergibt, wobei zur Erzeugung einer vom erwähnten Potentialniveau unabhängigen konstanten Polarisationsspannung über den Elektroden eine stabilisierte Stromquelle vorgesehen ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge des ersten und des zweiten Operationsverstärkers (OA₁, OA₂) mittels eines Spannungsteilers (R₃, R₄) miteinander und die Verbindungsteile dieser Widerstände (R₃, R₄) mit dem invertierten Eingang (E₆) des dritten Operationsverstärkers (OA) verbunden sind, wobei der nicht invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers (OA₃) mit dem invertierenden Eingang (E₅) des zweiten Operationsverstärkers (OA₂) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Stromquelle als Doppelstromquelle (Q) ausgestaltet ist, deren erster Ausgang an den Eingang des dritten Operationsverstärkers (OA₃) und deren zweiter Ausgang mit dem nicht invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OA₂) verbunden und über einen Widerstand (R₅) an den Ausgang des dritten Operationsverstärkers angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler (OA₄) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die vom ersten an den dritten Operationsverstärkers (OA₁, OA₃) gelieferte Differenzspannung in eine einpolige Spannung umgewandelt wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzelektrode über Spannungsbegrenzer (D₁, D₂) an der Masse oder an einer vorgewählten Sperrspannung liegt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impedanzwandler (OA₅) vorgesehen ist, der den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers (OA₂) und den nicht invertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers (OA₃) sperrt.