DE3546409A1 - Verfahren und vorrichtung zur selbsttaetigen kalibrierung von chemischen sensoren - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur selbsttaetigen kalibrierung von chemischen sensorenInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung
des Hauptanspruchs und einer Vorrichtung nach der Gattung
des Anspruchs 5. Die Kalibrierung oder Eichung von che
mischen Sensoren, insbesondere in der Analysen-Meßtechnik
ist häufig umständlich und aufwendig, aber üblicherweise
unverzichtbar, weil solche in der Analysen-Meßtechnik etwa
für Wasser und für Gase eingesetzte Sensoren praktisch alle
den ihnen innewohnenden Nachteil haben, nur eine begrenzte
Stabilität aufzuweisen. Solche Sensoren sind dazu bestimmt,
eine chemische Information (beispielsweise die Konzentra
tion der H⁺-Ionen in Wasser) in eine elektrische Informa
tion umzuwandeln; hierbei handelt es sich ausschließlich
um analoge Vorgänge, die zudem stark von anderen Einfluß
größen, beispielsweise Umgebungsparameter wie Temperatur,
Druck oder auch chemischen Reaktionen abhängen. Hierin
liegen die praktisch nicht überwindbaren Ursachen der In
stabilität solcher chemischer Sensoren. Diese Instabilität,
die beispielsweise eine Veränderung der Nullpunktlage (Zero-
Drift) oder eine Steilheitsverlagerung (Slope-Derivation)
sein kann und die, was meistens der Fall ist, durch beide
hervorgerufen wird, kann nur erfaßt und korrigiert werden,
wenn der Sensor, und zwar so häufig wie möglich, eindeuti
gen Kalibriermaßnahmen unterworfen wird.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die bisher be
kannten Möglichkeiten zur Kalibrierung solcher Sensoren,
wie sie verwendet werden, um beispielsweise den Gehalt an
gelösten Gasen in Flüssigkeiten oder auch Gasen zu ermit
teln, da auf diesem Gebiet ein Haupteingangsbereich der Er
findung liegt. Beispielsweise ist es für bestimmte Anwen
dungsbereiche von erheblicher Bedeutung, die absolute Menge
an Sauerstoff pro Volumeneinheit Wasser (mg O2/l) zu messen.
Eine solche Bestimmung ist technisch etwa für eine sogenannte
Aeration oder auch für den Ablauf biologischer Prozesse
erforderlich. Beispielsweise muß die möglichst exakte Steue
rung der Sauerstoffeintragung bei biologischen Abwasserrei
nigungsprozessen sichergestellt sein, um die Menge des ein
getragenen Sauerstoffs dem aktuellen Bedarf anzupassen, die
Mikroben-Fauna ausreichend zu versorgen, andererseits aber
jeden darüber hinausgehenden Überschuß möglichst zu vermei
den.
Um also beispielsweise einen Sensor für gelösten Sauerstoff
eichen zu können, muß dieser mit einem Eichmedium in Kontakt
gebracht werden. Sensoren für gelösten Sauerstoff können
beispielsweise ausgebildet sein als membranbedeckte Sauer
stoffelektrode nach Clark, bei welcher der Sauerstoff durch
eine Membran diffundiert und im lnneren des
Sensors eine elektrochemische Reaktion auslöst (polarome
trische Sauerstoffmessung).
Die besonderen Schwierigkeiten, die sich bei der Eichung
solcher Sauerstoffsensoren, aber auch von Sensoren für Chlor
oder CO2, die auf dem gleichen Gebiet liegen, ergeben, liegt
nicht zuletzt darin, daß sich eine ausgeprägte Temperatur
abhängigkeit der Löslichkeit dieser Gase im jeweiligen Meß
medium, beispielsweise also Sauerstoff im Wasser, ergibt,
die berücksichtigt werden muß. Eichnormalien sind nicht
vorhanden. Man kann sich, wenn auch wie erwähnt mit Schwie
rigkeiten, insoweit behelfen, als man versuchen kann, den
Sensor mit einem geeigneten Meßwasser in Berührung zu brin
gen, welches einen bekannten O2-Gehalt aufweist, beispiels
weise sauerstofffreies Wasser oder mit Sauerstoff gesättig
tes Wasser, mit der sich hierdurch sofort ergebenden Schwie
rigkeit, daß Wasser auch mit Sauerstoff übersättigt werden
kann, jedenfalls eine genaue Angabe des O2-Gehalts im Wasser,
wie sie für Eichzwecke erforderlich ist, unter Einbeziehung
der genauen Temperaturwerte praktisch unmöglich ist. Um hier
wenigstens eine einigermaßen sinnvolle Lösung dieses eine
weltweite Bedeutung aufweisenden Problems erzielen zu kön
nen, wird bekannterweise auch für die Eichung solcher Sen
soren so vorgegangen, daß diese zunächst einmal aus dem Meß
gut herausgenommen und abgetrocknet und anschließend der Um
gebungsluft ausgesetzt werden. Bekanntermaßen mißt die Membran
solcher Sensoren den Partialdruck O2 in Luft, wenn man von
einem solchen speziellen Anwendungsbeispiel ausgehen will,
dieser ist jedoch sowohl vom barometrischen Druck als auch
von der geographischen Lage abhängig, wobei die Bestimmung
dieser beiden Größen aber möglich ist. Wesentlich problema
tischer ist in diesem Zusammenhang aber der Umstand, daß
die Sensoren eine vergleichsweise große Masse aufweisen,
so daß wegen der Notwendigkeit, auch eine Anpassung an die
Meßtemperatur vorzunehmen, unter Umständen stundenlange
Wartezeiten erforderlich sind, bis sich eine entsprechende
Temperaturgleichheit eingestellt hat. Ferner ist zu berück
sichtigen, daß die Membran, also die meßaktive Oberfläche
des Sensors, unterschiedliches Permeabilitätsverhalten auf
weist, je nachdem, ob die Membran sich im Wasser befindet,
nur teilweise benetzt ist oder der Umgebungsluft ausgesetzt
ist. Man ist daher bestrebt, beispielsweise bei der Sauer
stoffmessung, auf deren Eichprobleme, wie ja erwähnt, zunächst
genauer eingegangen werden soll, Luft mit möglichst 100%
relativer Feuchte zu verwenden und kann sich dadurch behel
fen, daß man den Sensor zur Eichung in ein geschlossenes
Gefäß einbringt, welches in geeigneter Weise eine Wasser
menge einschließt. In dem Gefäß herrscht dann etwa eine re
lative Feuchte von 100% und es bestehen an der Membran die
gleichen Permeationsbedingungen wie beim Eintauchen in die Meß
lösung. Andererseits ist bei diesem Eichverfahren darauf zu
achten, ob an der Membran der Taupunkt unterschritten wird
oder nicht, da dies zu Tropfenbildung führen kann, die wie
der für eine Kalibrierung ungünstige Einflüsse haben kann.
Bekannt ist in diesem Zusammenhang (Prospekt Vorab-Informa
tionen 9407/1 - Automatische Anlage zur Messung von gelöstem
Sauerstoff Modell 9407 der Firma Electronic Instruments Ltd.,
Chertsey, Surrey, England vom Juni 1976) bei einer automa
tischen Anlage zur Messung von gelöstem Sauerstoff ein Sauer
stoffelektrodensystem vorzusehen, welches aus einem in die
Probe eingebrachten Tauchrohr und aus einem Tragrohr besteht.
Das Tauchrohr enthält die zylinderförmige O2-Elektrode im
ringförmigen Abstand zur Innenwandung und ist unten in der
Probe, deren Sauerstoffgehalt bestimmt werden soll, durch
ein durchlässiges Filter abgeschlossen. Zur Messung wird so
vorgegangen, daß angrenzend, jedoch oberhalb zur O2-Elektrode
ein Rohr einmündet, durch welches während des normalen Meß
betriebs Luft unter Druck in das Tauchrohr eingeführt wird.
Durch diese "Lufteinspritzung" bildet sich oberhalb der
Elektrode ein Luft/Flüssigkeitsgemisch, welches weniger
dicht ist als die umgebende Probenflüssigkeit und daher von
der einströmenden Flüssigkeit (üblicherweise Wasser) in den
oberen Teil des Rohres gedrängt und über einen oberhalb
des Flüssigkeitspegels befindlichen Auslauf nach außen ge
drückt wird. Hierdurch wird einerseits das hydrostatische
Gleichgewicht wieder hergestellt, andererseits im Bereich
der O2-Elektrode ein ständiger einströmender Fluß des Proben
mediums sichergestellt. Die während des Meßbetriebs einge
spritzte Luft soll sich deshalb nicht auf den gemessenen O2-
Wert auswirken, weil die Lufteinspritzung oberhalb des Meß
punktes erfolgt.
ln dieser Veröffentlichung wird ferner vorgeschlagen, zu be
stimmten Zeitpunkten das Eintrittsfilter dadurch rückzuspü
len, daß mittels eines Ventils, nämlich eines von einer an
deren Druckversorgung beaufschlagten Balges der Tauchrohrab
lauf verschlossen wird, wodurch bei weiterem Einströmen von
Luft in das Tauchrohr die Flüssigkeit in diesem verdrängt
und durch das Filter rücklaufend ausströmen muß, wobei zu
rückgehaltene Feststoffe gelöst werden. Da zu diesen Rück
spülzeitpunkten die Elektrode von feuchter Luft umgeben ist,
also eine 100%ig gesättigte Probe vorliegen soll, wird die
ser Zustand gleichzeitig für Eichzwecke ausgenutzt. Weitere
Angaben über den Eichvorgang werden nicht gemacht und da im
Tauchrohr ausschließlich die O2-Elektrode vorhanden ist, er
geben sich auch hier die weiter vorn schon ausführlich er
läuterten Probleme, lediglich mit dem Unterschied, daß das
Elektrodensystem zur Eichung nicht aus dem Probenmedium ent
nommen zu werden braucht.
Diese bisher bestehenden und auch bei Fachleuten bekannten
Nachteile sind deshalb so umfassend geschildert, weil der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, ein
selbsttätiges Kalibrierverfahren für chemische Sensoren,
insbesondere also von dem Typ zu schaffen, der den Gehalt
zu Flüssigkeiten oder auch Gasen gelösten Gasen erfaßt, bei
dem die bisherigen Umständlichkeiten der Sensorkalibrierung
vollkommen entfallen, der Sensor insbesondere in seinem
Meßmedium verbleiben kann und daher die gesamte Eichung
drastisch vereinfacht wird, wesentlich häufiger wiederholt
werden kann und vor allen Dingen auch zu Eichergebnissen
von hoher Genauigkeit führt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor
richtung lösen diese Aufgabe jeweils mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. des Unteranspruchs 5 und
haben den Vorteil, daß eine hochgenaue Eichung solcher che
mischer Sensoren möglich ist, ohne daß diese aus dem eigent
lichen Meßmedium entnommen werden müssen und ohne daß es
hierzu eines merklichen Aufwands bedarf. Ein wesentlicher
Vorteil ist dabei insbesondere darin zu sehen, daß wegen
der starken Temperaturabhängigkeit durch das Verbleiben des
Sensors im eigentlichen Meßmedium Temperaturänderungen gar
nicht auftreten, also auch nicht etwa abgewartet zu werden
braucht, bis eine entsprechende Anpassung erreicht ist, die
allein eine sinnvolle Eichung mit einiger Genauigkeit er
lauben würde, wie dies bisher praktiziert werden mußte.
Eine angrenzend an die aktive Sensoroberfläche angeordnete
Wandstruktur ist dabei so beschaffen, beispielsweise schirm
artig ausgebildet, daß durch ein unter Druck erfolgendes Ein
bringen des Eichmediums das Meßmedium von der aktiven Sen
soroberfläche, also der Membran verdrängt wird, andererseits
aber die gleichen Umgebungsbedingungen voll aufrechterhalten
bleiben - dabei ist in diesem Fall das Erfordernis der
gleichen Temperatur des zugeführten Eichmediums (gleich
mit Bezug auf die Sensor- und die Meßmediumstemperatur)
problemlos und ohne Schwierigkeiten zu erreichen, beispiels
weise indem man das Eichmedium, welches in bevorzugter Weise
ein Gas, beispielsweise Luft ist, entsprechend mit geringem
Aufwand in der Temperatur dem Meßmedium anpaßt. Hierbei kann
es sich auch um eine Abkühlung handeln, da das Eichmedium
zumeist wärmer als das Meßmedium ist. Durch diese Abkühlung
läßt sich die gewünschte 100%ige Wasserdampfsättigung be
sonders leicht erreichen.
Eine solche Anpassung kann schon dadurch erfolgen, daß man
einige Rohrschlangen, die von einem einfachen Gebläse mit
der der Eichung dienenden Luft beaufschlagt werden, nach
Wärmetauscherart durch das Meßmedium führt, so daß die Eich
luft dann sowohl die gleiche Temperatur aufweist wie die
restlichen Komponenten und auch sonstige, ideale Eichbedin
gungen vorliegen, denn durch das Verdrängen des Meßmediums
durch beispielsweise das Einblasen des Eichmediums, also
der Kalibrierluft, ergibt sich für diese eine eindeutige
Wasserdampfsättigung, so daß Wasserdampffehler nicht mehr
auftreten. Die Erfindung ist daher in der Lage, den Einfluß
der Wasserdampfsättigung der Luft als Eichmedium beim Kali
briervorgang voll zu berücksichtigen und erzielt hierdurch
schon eine Eichgenauigkeit, die die bisherigen Eichverfahren
um Prozentwerte übersteigt, da diese die Wasserdampfsätti
gung entweder gar nicht oder nur sehr unvollkommen einbezie
hen konnten.
In ähnlicher Weise unkompliziert ermöglicht die Erfindung
die Ermittlung des Luftdrucks und die Umrechnung auf den O2-
Partialdruck, wenn man der Übersicht halber hier zunächst
erneut auf die Gegebenheiten bei einem O2-Sensor abstellt.
Es wird aber nochmals darauf hingewiesen, daß, obwohl an
dieser Stelle und auch in der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugt das Ausführungsbeispiel eines gelösten Sauerstoffs
etwa in Wasser ermittelnden Sensors (Sauerstoffelektrode)
genauer erläutert wird, die Erfindung auf dieses Ausfüh
rungsbeispiel nicht beschränkt ist und Lösungswege für die
(selbsttätige) Kalibrierung einer Vielzahl chemischer Sen
soren aufzeigt.
Da es möglich ist, der eigentlichen Sauerstoffelektrode des
Sensors ergänzende Meßmittel zur Kompensation der rest
lichen wesentlichen Einflußgrößen, also Temperatur und
Druck zuzuordnen und sinnvollerweise ebenfalls direkt an
dem insofern zu einem Multisensor werdenden Sensor anzuord
nen, lassen sich die Einflüsse von Temperatur und Druck ge
meinsam mit dem chemischen Paramter messen und direkt ver
rechnen, so daß in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des Sensors das diesen verlassende elektrische Signal die
reine Meßgröße darstellt.
Hierzu kann es sinnvoll und vorteilhaft sein, bei der in der
vorliegenden Erfindung zugrundegelegten "In situ Kalibrie
rung" die rechnerischen Mittel zur Auswertung für die Sig
nalkorrektur direkt am Sensor einschließlich der erwähnten
integirerten Zusatzsensoren anzuordnen, so daß eine selbst
tätig ablaufende hochgenaue Kalibrierung möglich ist. Dabei
können ferner am Sensor noch im folgenden als Empfängersen
soren bezeichnete Erkennungsmittel vorgesehen sein, die
auf eine Mitteilung des Eichmediums ansprechen. Also bei
spielsweise auf eine spezielle Kennung des Eichmediums, so
daß nicht nur ab dem Zeitpunkt, ab welchem das Eichmedium
an der aktiven Sensorfläche für den Kalibriervorgang zur
Verfügung steht, dieser eingeleitet wird, sondern gleichzei
tig auch noch, eben durch das Erfassen der Kennung, eine
information darüber an die Auswertemittel gelangt, um wel
ches Eichmedium es sich handelt, ob es beispielsweise zur
Nullpunkteinstellung geeignet ist, oder ob mit diesem ein
bestimmter Punkt im Verlauf der Sensorkennlinie (Steigungs
eichung), bestimmt ist, - bei einem pH-Sensor beispielsweise,
um einen numerischen Wert anzugeben, eine Eichmediumsken
nung "pH 4", vorliegt, so daß auf diesen Wert in der Kennlinie
abgeglichen werden kann.
Es ist ferner zweckmäßig und vorteilhaft, im Sensor für
die Durchführung der erwähnten Maßnahmen Rechnermittel auf
der Basis heute verfügbarer miniaturisierter Systeme anzu
ordnen, also Mikroprozessor, Einzweckrechner u.dgl., die
vorzugsweise mit entsprechenden, ebenfalls hochintegrier
ten Speichern ausgerüstet sind, so daß für die jeweils er
faßten Temperatur- und Druckwerte des Eichmediums sofort
aus diesen "gespeicherten Tabellen" die erforderlichen Kor
rekturgrößen entnommen und in den Kalibriervorgang ent
sprechend einbezogen werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
Erfindung möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung nä
her erläutert. Die Zeichnung zeigt stark schematisiert
Mittel zur Durchführung eines bevorzugt selbsttätig ablau
fenden Kalibriervorgangs bei einem chemischen Sensor, bei
spielsweise O2-Sensor.
Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, bei
einer angrenzend zur meßaktiven Sensorfläche des unverän
dert im Meßmedium befindlichen chemischen Sensors angeord
neten Wandstruktur und bei unter Druck erfolgender Zufüh
rung des Eichmediums, wodurch das Meßmedium zeitweilig,
jedenfalls für die Dauer des Kalibriervorgangs, jedoch
unter Beibehaltung der sonstigen Umgebungsparameter, ver
drängt und durch das Eichmedium ersetzt wird, einen auto
matisch ablaufenden Kalibrierungsvorgang durchzuführen,
der aufgrund der erfaßten Druck- und Temperaturangaben aus
Tabellen (Speicher) den jeweiligen Partialdruck des Gases,
dessen Gehalt zu bestimmen ist, ermittelt und aus diesem
wiederum für einen Eichpunkt den Gehalt des Gases sehr ge
nau festlegt, so daß die Eichung dann entsprechend ablau
fen kann, oder der ganze Vorgang geht durch manuellen Ein
griff von außen vonstatten. In diesem Falle kann die Zu
führung des Eichmediums durch Betätigung eines entspre
chenden Gebläses und zugeordneter Ventile erfolgen und die
Kalibrierung ergibt sich durch Einstellen der Sensoraus
gangsspannung bzw. einer entsprechenden Justierung am diese
Spannung empfangenden Gerät (Transmitter) unter Beobachtung
der gelieferten Temperatur- und Druckangaben.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Sensor mit
10 bezeichnet; er umfaßt mindestens die Sensorelemente 11
mit einer meßaktiven Fläche, die im folgenden allgemein als
Membran 12 bezeichnet wird.
Zur Vervollständigung eines intelligenten Multisensors kann
dieser Sensor 10 dann ergänzend noch eine sogenannte Kali
brier- oder Komunikationselektronik 13 enthalten, sowie
eine Sensorelektronik 14. Es wird darauf hingewiesen, daß
die Erläuterung des vorliegenden Ausführungsbeispiels spe
ziell und bevorzugt bezogen auf einen 02-Sensor erfolgt,
mit dem wiederholten Hinweis, daß die durch die Erfindung
ermöglichte Kalibrierung chemischer Sensoren ein breites
Anwendungsfeld auf dem gesamten Gebiet der Sensoren zur Er
fassung des Gehalts von den Flüssigkeiten oder Gasen gelös
ten Gasen = O2, CO2, Chlor als Beispiele) sowie auch sonsti
ger chemischer Sensoren auf dem Gebiet der chemischen Ana
lyse, der industriellen pH-Meßtechnik u.dgl. findet, über
all dort also, wo wiederholte Eichungen wegen Drifteinflüs
sen, Alterung, Vergiftung o.dgl. des chemischen Sensors er
forderlich sind und diese Eichung dadurch erfolgt, daß die
aktive Sensoroberfläche (Membran) mit Eichnormalien (auch
für Nullpunkt und/oder mindestens einem Steigungspunkt) in
Verbindung zu bringen ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel taucht der Sensor
10 als O2-Sensor in das Meßmedium Wasser 15 ein und verfügt
mindestens angrenzend zur aktiven Oberfläche, also zur
Membran 12, über eine Wandstruktur, die eine Verdrängung
des eigentlichen Meßmediums von der Membran 12 während der
Kalibrierungsvorgänge bei unveränderter Position des Sen
sors 10 ermöglicht. Diese Wandstruktur ist bevorzugt schirm
oder glockenartig ausgebildet und in der Zeichnung mit 16
bezeichnet. Die Wandstruktur, die im folgenden auch aus
schließlich noch als Glocke bezeichnet wird, ermöglicht es
daher, an einer geeigneten Stelle, in der Zeichnung bei
16 a, einen Zufluß für das Eichmedium Luft anzuordnen, wel
ches über eine Leitung 17 zur Einlaßöffnung in die Glocke
16 gelangt.
Der Sensor 10 kann als Sauerstoffsensor beispielsweise aus
einer seinem Meßprinzip nach klassischen Clark-Zelle zur
polarometrischen Ermittlung des O2-Partialdrucks bestehen
und enthält zusätzlich und vorzugsweise ebenfalls in den
Körper des Sensors 10, etwa bei 11 integriert, ein möglichst
genau messendes Temperatur-Meßelement wie bei 18 angedeutet
und einen Druckmesser oder Druckaufnehmer 19.
Beispielsweise mit einem Gebläse geeigneter Art oder einer
sonstigen druckerzeugenden Einrichtung 20 gelangt über die
Leitung 17 das Eichmedium, also Luft in die Glocke, die
daher das in der Glocke bis zu den aktiven Meßelement- oder
Sensorflächen stehende Wasser verdrängt. Bei dem darge
stellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verdrängung da
durch, daß die Luft leichter als Wasser ist, jedoch mit
einem solchen Druck der Glocke zugeführt wird, daß der
Druck des Meßmediums Wasser kompensiert und überwunden wird.
Im Grunde handelt es sich hier um das Prinzip der für sich
gesehen bekannten Tauchglocke, durch welche der O2-Sensor
nach Einbringen der das Wasser aus der Glocke verdrängen
den, aus der Umgebung stammenden Luft als Eichmedium in eine
durch die Erfindung ermöglichte, praktisch ideale Kalibrier
situation gebracht wird, und zwar, weil
- - der Sensor 10 aus dem Meßmedium nicht herausgenommen zu werden braucht, dennoch aber
- - mit der erforderlichen definierten O2-Atmosphäre umgeben wird, wobei
- - das eingeblasene oder eingeführte Meßmedium Luft die gleiche Temperatur wie der Sensor 10, also die Mediums temperatur aufweist und ferner
- - durch das Einbringen des Eichmediums und durch das Ver drängen des Meßmediums eine eindeutige Wasserdampfsätti gung der Kalibrierluft als Eichmedium entsteht, so daß auch kein Wasserdampffehler mehr auftreten kann.
In der Luftglocke ist es dann für den Kalibriervorgang noch
erforderlich, durch den Druckaufnehmer 19 den (Luft)-Eich
mediums-Druck zu messen, der sich, bedingt durch unter
schiedliche Eintauchtiefen, variierendem Mediumsdruck und
variierendem barometrischem Druck sowie des von der druck
erzeugenden Einrichtung 20 erzeugten Drucks verändern kann.
Aus diesem gemessenen absoluten Druck läßt sich dann auf
den O2-Partialdruck umrechnen, mit anderen Worten, die Sen
sorelektronik 14 kann dann, falls gewünscht, selbst die
bei der Kalibrierung bestehende O2-Konzentration errechnen
und bei eventuell bestehenden Steilheitsdriften eine auto
matische Korrektur vornehmen.
Falls gewünscht, könnte auch in einer ersten Kalibrierungs
phase anstelle von Luft, also anstelle des Eichmediums mit
vorgegebener, jedenfalls bestimmbarer Konzentration ein
Inertgas, beispielsweise Stickstoff eingeblasen werden, so
daß auch eine Nullpunktkalibrierung möglich wäre - dies
kann für bestimmte Arten chemischer Sensoren erwünscht sein.
Nach Beendigung des Kalibriervorgangs wird die Gebläseein
richtung 20 wieder ausgeschaltet und die in der Luftglocke
16 am Sensor vorhandene Eichluft entweicht über geeignete
Entlüftungsmittel 20, die beispielsweise ein Dreiwegeventil
21 mit einer Abluftleitung 22 umfassen können. Hierdurch
kommt der Sensor 10 wieder mit dem Meßmedium 15 in Berüh
rung.
Dabei dient der in dem Sensor 10 integrierte, weiter vorn
schon erwähnte Temperaturfühler 18 zur Ermittlung der ab
soluten Mediumstemperatur, wobei sein Ausgangssignal gleich
zeitig zur Errechnung der Temperatur-Einflußkompensation
und zur Umrechnung des O2-Partialdrucks in beispielswelse
ppm O2 verwendet wird. Damit entspricht der Signalausgangs
wert eines solchermaßen "intelligenten" O2-Sensors ledig
lich noch dem gewünschten absoluten O2-Konzentrations-Meß
wert.
Es versteht sich, daß dieser, im vorhergehenden zunächst
grundsätzlich geschilderte Kalibriervorgang einer Vielzahl
von Änderungen zugänglich ist, beispielsweise kann die
Sensorelektronik 14 von sich aus über einen Zeitgeber zu
vorgegebenen Zeitpunkten über die Kommunikationselektronik
13 und die gestrichelt dargestellte Steuerleitung 23 den
Motor 20 a für die druckerzeugende Einrichtung 20 ansteuern,
so daß nunmehr das Eichmedium mit der meßaktiven Membran in
Kontakt gebracht wird, bei gleichzeitiger entsprechender
Ansteuerung des hier vorgesehenen Dreiwegeventils 21. Unter
Auswertung der Meßergebnisse der Sensoren 18 und 19 für
Temperatur und Druck kann der Kalibriervorgang von der Sen
sorelektronik 14 vollständig selbsttätig durchgeführt wer
den, denn diese Elektronik verfügt, wie weiter vorn schon
angesprochen, über geeignete Speichermittel, in welcher
durch Vergleich der gemessenen Temperatur- und Druckwerte
die bei der Kalibrierung anstehende O2-Konzentration er
rechnet und mit dem von dem Sensor bzw. seiner meßaktiven
Membran effektiv gelieferten O2-Konzentrationswert ver
glichen und entsprechende Kalibrierschritte bei einer Ab
weichung vorgenommen werden können. Hierauf braucht nicht
weiter eingegangen zu werden, da bei Vorliegen eines ent
sprechenden Soll- und Istwertes durch dessen Zuführung zu
einem geeigneten Vergleicher das Vergleicherausgangssignal
zur entsprechenden Beaufschlagung von Stellgliedern für die
Kalibrierung, die auch auf rein elektronischer Basis arbei
ten können, ausgewertet wird.
Es ist noch darauf hinzuweisen, daß sich die erforderliche
Temperaturgleichheit zwischen Meßmedium und Sensor 10
einerseits und dem Eichmedium andererseits im Grunde von
selbst einstellt, denn das Eichmedium ist, jedenfalls bei
den hier bevorzugt angesprochenen O2-, Chlor- oder CO2-
Sensoren ein Gas und nimmt daher aufgrund seiner geringen
Masse allein durch das Einführen über eine in dem Meßmedium
15 untergetauchte oder jedenfalls eintauchende Leitung 17
und durch die Berührungen in der Glocke 16 die dort herrschende
Temperatur an - falls gewünscht, ist es jedenfalls ohne
Schwierigkeiten möglich, entweder durch eine gesonderte
Einrichtung das Eichmedium vorab auf die von dem Tempera
tursensor 18 ohnehin durchgehend ermittelte Temperatur zu
bringen oder man kann in der Zuleitung 17 einige Wärmetau
scherschlangen oder Windungen anbringen und so den erfor
derlichen Wärmeübergang in der einen oder anderen Richtung
und die gewünschte Temperaturgleichheit erzeugen.
Ist die Kalibrierelektronik nicht Teil der Sensorelektronik
14, dann kann extern eine geeignete logische Steuerelektro
nikschaltung 24 vorgesehen sein, die, gegebenenfalls eben
falls mit einem Zeitgeber 24 a versehen, dann in vorgegebe
nen Zeitabständen den Motor 20 a für das Druckgebläse 20
aktiviert, das Eichmedium der Wandstruktur - Glocke 16 -
zuführt, die parallel ermittelten Temperatur- und Druck
werte auswertet und in der üblichen Weise entweder durch
Rückwirkung in den Sensorbereich oder auch über eine weitere
Verbindungsleitung 25 zum das Sensorausgangssignal empfan
genden Meßgerät (Transmitter) diesen in entsprechender Weise
kalibriert.
Falls gewünscht, können in einen solchermaßen ausgebildeten
Multisensor auch noch weitere Meß- und Überwachungseinrich
tungen eingebaut werden, beispielsweise vorzugsweise zu
sätzlich integrierte Fühler zur Überwachung der inneren
Elektrolytkonzentration des jeweiligen Sensors, so daß ein
Elektrolytwechsel automatisch und rechtzeitig gemeldet wer
den kann, oder auch zusätzliche Einrichtungen, die auf
eine spezielle Eichmediumskennung ansprechen und der Sensor
elektronik oder der externen Elektronik mitteilen, welches
Eichmedium mit welchen Normaleigenschaften derzeit mit der
aktiven Sensorfläche in Berührung steht.
Weiter vorn ist mit Bezug auf die den Sensor mindestens im
Bereich der aktiven Meßfläche (Membran) umgebenden Wand
struktur die Möglichkeit angesprochen, daß das Eichmedium
das Meßmedium in diesem Bereich verdrängt; dieser Begriff
der Verdrängung umfaßt die Möglichkeiten der bisher geschil
derten Glockenwirkung, aber auch einer Strömungswirkung,
die beispielsweise dann einzusetzen ist, wenn das Eichme
dium gleichschwer oder schwerer als das Meßmedium bei den
vorliegenden Bedingungen ist und daher nicht ohne weiteres
in der Glocke verbleiben würde. Es ist daher möglich, die
Wandstruktur auch so auszubilden, daß durch das in speziel
ler Weise über geeignete Einführungsöffnungen, Düsen oder
Mundstücke der Sensoroberfläche zugeführte Eichmedium durch
die Wandstruktur und durch die Strömungswirkung, beispiels
weise Verwirbelung, Ausnutzung von Drall u.dgl. jedenfalls
für die Dauer des Kalibriervorgangs angrenzend zur Meßfläche,
also an der Phasengrenze, verbleibt.
Eine solche gewünschte Einströmungsrichtung des Eichmediums
kann sich im übrigen auch dann als sinnvoll erweisen, wenn
man vermeiden möchte, daß im Bereich der Membran 12 der
Taupunkt unterschritten wird; man kann dann eine Blasrich
tung für das einzuführende Eichmediums-Gas vorgeben, die
gegen die Membran gerichtet ist und eine Tröpfchenbildung
an dieser während des Kalibriervorgangs verhindert.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungs
wesentlich sein.
Claims (12)
1. Verfahren zur (selbsttätigen) Kalibrierung von chemischen
Sensoren in der Analysen-Meßtechnik, insbesondere von
Sensoren, die den Gehalt von Gasen (z.B. O2, Chlor, CO2)
in Flüssigkeiten (z.B. H2O) oder Gasen bestimmen bzw.
von pH- oder Redox-Sensoren u.dgl., wobei die aktive
Sensorfläche (Membran) mit einem bekannten Eichmedium
in Kontakt gebracht und entsprechende Kalibrierschritte
zur Einstellung von Nullpunkt und/oder Steilheit vorge
nommen werden, wobei der in das Meßmedium eingetauchte
Sensor unverändert in diesem belassen und über eine druck
erzeugende, zum jeweils gewünschten Kalibrierzeitpunkt
angesteuerte Einrichtung ein geeignetes Eichmedium an
grenzend zur aktiven Sensorfläche (Membran) so einge
führt wird, daß unter Verdrängung des Meßmediums das
Eichmedium während der Kalibrierdauer die aktive Sensor
fläche (Membran) umspült, dadurch gekennzeichnet, daß
durch zusätzlich auf Umgebungsparameter (Druck, Tempe
ratur) ansprechende Sensormittel (Temperatursensor 18,
Drucksensor 19) die für den jeweiligen Kalibriervorgang
erforderlichen Umgebungsparameter am Sensor (10) erfaßt
und durch Korrelation der Umgebungsparameter, des hier
durch bekannten Eichmediumswertes und des sich ergeben
den Sensorausgangssignals die Kalibrierung durch ent
sprechende Einstellung im Bereich des Sensors und/oder
des nachgeschalteten Auswertegeräts bewirkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Verdrängung des Meßmediums aus dem Bereich der akti
ven Sensorfläche (Membran 12) das Eichmedium unter Druck
in eine die aktive Sensorfläche (Membran 12) glockenförmig
lediglich von oben umgebende Wandstruktur eingeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Eichmedium zur Verdrängung des Meßmediums aus dem
Bereich der aktiven Sensorfläche (Membran 12) mit vorge
gebener Strömungsrichtung und Strömungskraft in Wirkver
bindung mit einer im Bereich des Sensors angeordneten
Wandstruktur so eingeführt wird, daß sich durch die Strö
mungswirkung und die Rückhaltewirkung der Wandstruktur
die Umspülung der aktiven Sensorfläche (Membran 12) mit
dem Eichmedium während des Kalibriervorgangs ergibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die von den auf Umgebungsparameter an
sprechenden Gebern (Temperatursensor 18, Drucksensor 19)
gelieferten Ausgangswerte mit die Konzentration des Eich
mediums in diesem Zusammenhang angebenden gespeicherten
Werten in Bezug gesetzt und die Kalibrierung des effek
tiven Ausgangssignals des Sensors durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Eichmedium in die als Glocke (16)
ausgebildete Wandstruktur über ein druckerzeugendes Ge
bläse (20) Umgebungsluft eingeführt und deren O2-Partial
druck durch Einbeziehung der vom Temperatursensor (18)
und Drucksensor (19) gelieferten Ausgangswerte errechnet
und der effektive Ausgangswert des Sensors durch die
Kalibrierung entsprechend korrigiert wird.
6. Vorrichtung zur vorzugsweise selbsttätigen Kalibrierung
von chemischen Sensoren in der Analysen-Meßtechnik, zur
Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 5, mit einer angrenzend zur aktiven Sen
sorfläche (Membran) angeordnete Wandstruktur und mit
druckerzeugenden Mitteln die das Einbringen des Eichme
diums in den Bereich der aktiven Sensorfläche (Membran)
bei unverändert an seiner Meßposition im Meßmedium belas
senen Sensor durch auf das Meßmedium ausgeübte Verdrän
gungswirkung ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß
Mittel (Temperatursensor 18, Drucksensor 19; Eichmediums-
Kennungs-Empfänger) vorgesehen sind, die einer Kalibrier
elektronik entweder unmittelbar die Konzentrationsangabe
des Eichmediums oder gemessene Umgebungsparameter zur Er
reichung der Eichmediumskonzentration zuführen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Druckerhöhungseinrichtung (Gebläse 20) vorgesehen
ist, die das jeweilige Eichmedium unter Druck einer sich
unterhalb des Meßmediumspiegels befindenden, glocken
förmigen Wandstruktur (Glocke 16), die den Sensor ledig
lich von oben umschließend umgibt, zur Kalibrierung zu
führt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß in den Körper des Sensors (10) Meßmittel (Mem
bran 12, Temperatursensor 18, Drucksensor 19) elektro
nische Kalibriermittel (14) und eine Kommunikationselek
tronik (13) eingebaut sind, derart, daß, vorzugsweise zu
vorgegebenen Zeitabständen, durch Signalgabe nach außen
anschließend der Kalibriervorgang selbsttätig durch Ver
gleich mit gespeicherten Werten zur Ermittlung der Kon
zentration des Meßmediums selbsttätig durchgeführt wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß Temperaturangleichungsmittel für das
dem Sensor (10) zugeführte Meßmedium vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperaturangleichungsmittel Anordnungen zur Erwär
mung oder Abkühlung des Eichmediums auf die Temperatur
von Meßmedium (15) und Sensor (10) sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die das Eichmedium von der Druckerhöhungseinrichtung (20)
zur Wandstruktur (16) im Sensorbereich führende Leitung
(17) in Form von Wärmetauscherschlangen im Meßmedium
geführt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die der Kalibrierelektronik unmittelbar die Konzentra
tionsangabe des Eichmediums zuführenden Mittel auf eine
spezielle Eichmediumskennung ansprechende Empfängermit
tel sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853546409 DE3546409A1 (de) | 1985-12-31 | 1985-12-31 | Verfahren und vorrichtung zur selbsttaetigen kalibrierung von chemischen sensoren |
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DE19853546409 DE3546409A1 (de) | 1985-12-31 | 1985-12-31 | Verfahren und vorrichtung zur selbsttaetigen kalibrierung von chemischen sensoren |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=6289722
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