DE69023129T2

DE69023129T2 - Fehlerdetektion in elektrochemischen gassensorvorrichtungen.

Info

Publication number: DE69023129T2
Application number: DE69023129T
Authority: DE
Inventors: Gareth Jeremy Great Abington Cambridgeshire Jones
Original assignee: Neotronics Ltd
Current assignee: Honeywell Analytics Ltd
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2010-04-05
Also published as: DE69023129D1; US5202637A; WO1990012315A1; EP0467902B1; CA2051099C; GB8907564D0; JPH04504307A; EP0467902A1; JP2951721B2; CA2051099A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasüberwachungseinrichtung, die einen oder mehrere amperometrische Gassensoren umfaßt, und im besonderen betrifft sie Verbesserungen in den elektrischen Schaltungen der Überwachungseinrichtungen, die es der Überwachungseinrichtung ermöglichen zu testen, daß der Sensor sauber arbeitet.
Es sind Gasüberwachungseinrichtungen bekannt, die einen oder mehrere ersetzbare amperometrische Gassensoren enthalten, wodurch ein elektrischer Strom mit einer Stärke zur Verfügung gestellt wird, die ein Maß für die in einer Atmosphäre ermittelte Gasmenge liefert. Dieses Signal wird durch einen Stromkreis innerhalb der Überwachungseinrichtung analysiert, wodurch sich ein Überwachungseinrichtungsausgang ergibt, der in Form einer Anzeige (in analoger oder digitaler Form) der Menge eines spezifischen ermittelten Gases erfolgt, und/oder der Ausgang kann in einem Drucker oder Plotter und/oder einem Alarm bestehen, um eine hörbare und/oder sichtbare Warnung zu geben, wenn die Konzentration des Gases auf ein unerwünschtes Niveau fällt, oder wenn die Konzentration des Gases über ein gewisses voreingestelltes Niveau ansteigt; das Ausgangssignal kann für nachfolgende Analysen aufgezeichnet werden. Jedoch muß die Gasüberwachungseinrichtung nicht unbedingt eine direkte Anzeige der Menge des ermittelten Gases angeben, sondern kann das Signal von einem oder mehreren Sensoren verwenden, um einen anderen Parameter zu errechnen, der angezeigt oder ausgedruckt werden soll; folglich kann das Signal eines Gassensors verwendet werden zusammen mit anderen Messungen, um die Effektivität eines Boilers zu errechnen (siehe britisches Patent Nr. 2 064 780).
Die in den Überwachungseinrichtungen der vorliegenden Erfindung verwendeten Sensoren sind amperometrische elektrochemische Sensoren des Typs mit einer Abtast(oder Arbeits-) Elektrode, die in Verbindung steht mit der abgetasteten Atmosphäre, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode, wobei alle drei Elektroden in Kontakt mit dem Elektrolyt innerhalb des Sensors stehen und über jeweilige Anschlüsse mit dem Stromkreis innerhalb der Überwachungseinrichtung verbunden sind; Sensoren dieses Typs werden nachfolgend als "Dreielektrodensensoren" bezeichnet. Die Potentialdifferenz zwischen der Abtastelektrode und der Referenzelektrode kann gesteuert werden und in einigen Sensoren wird dies dadurch erzielt, daß diese zwei Elektroden mit den Eingängen eines Operationsverstärkers entweder direkt oder über einen Widerstand verbunden werden, siehe hierzu beispielsweise die britischen Patentschriften Nr. 1 101 101 und 1 385 201 und die US-Patentschrift Nr. 3 776 832 und die europäische Patentanmeldung Nr. 0 220 896 A.
Eine Schaltung in allgemeiner Übereinstimmung mit den oben aufgeführten Patenten ist in Figur 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. In Figur 1 ist der Sensor durch das allgemeine Bezugszeichen 10 bezeichnet und enthält einen Elektrolyt (Schwefelsäure), eine Abtastelektrode 12, eine Referenzelektrode 14 und eine Gegenelektrode 16, wobei alle in Kontakt mit dem Elektrolyt stehen. Die Abtastelektrode und die Referenzelektrode sind über Anschlüsse 12a und 14a mit jeweiligen Eingängen eines Operationsverstärkers 18 verbunden, dessen Ausgang mit der Gegenelektrode 16 über einen Anschluß 16a verbunden ist. Ein Widerstand 20 befindet sich zwischen der Abtastelektrode 12 und dessen Eingang zu dem Operationsverstärker 18. Die Abtastelektrode 12 steht in Kontakt mit einer überwachten Atmosphäre, und wenn die Atmosphäre ein Gas des überwachten Typs enthält, geht dieses Gas eine elektrochemische Reaktion ein, was die Abtastelektrode 12 depolarisiert, wodurch das Potential dieser Elektrode wechselt und ein Ungleichgewicht zwischen dem Potential der Abtastelektrode 12 und der Referenzelektrode 14 entsteht und folglich zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers 18. Die Potentialdifferenz zwischen den Operationsverstärkereingängen verursacht, daß der Operationsverstärker Strom durch seinen Ausgang der Gegenelektrode 16 zuführt, und verursacht folglich, daß ein Strom in die Sensorzelle 10 zwischen der Gegenelektrode 16 und der Abtastelektrode 12 fließt (jedoch fließt im wesentlichen kein Strom zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode). Der durch die Sensorzelle fließende Strom, der in direktem Bezug zu der Gasmenge in der Atmosphäre steht, kann zum Beispiel gemessen werden, indem ein Widerstand zwischen dem Verstärkerausgang und der Gegenelektrode 16 angeordnet wird und der Spannungsabfall entlang des Widerstands gemessen wird (siehe US-Patent Nr. 3 776 832); alternativ kann der durch die Zelle fließende Strom gemessen werden durch eine Gitterbasisschaltung, die mit Leitung 22 verbunden ist, oder durch Messen der Potentialdifferenz entlang eines Widerstands zwischen Leitung 22 und einer Erdung oder einem in anderer Weise festen Potential (siehe europäische Patentanmeldung Nr. 0 220 896); alternativ hierzu kann der Spannungsabfall entlang des Widerstands 20 gemessen werden (siehe britisches Patent Nr. 1 101 101). Der Widerstand 20 ist zwischen der Abtastelektrode und dem Operationsverstärker angeordnet, um die Antwortzeit des Sensors zu verlangsamen und folglich Stör- und Schwankungsfestigkeit im Potential der Abtastelektrode zur Verfügung zu stellen; der Wert des Widerstands 20 wird allgemein zwischen 0 und 500 ohm gewählt.
Der Verstärker 18 weist ein Nulldurchgangsversatzpotentiometer 19 auf, das im wesentlichen derart eingestellt ist, daß der Strom durch den Verstärker seinem Ausgang zugeführt wird, wenn keine Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingängen des Verstärkers vorhanden ist; jedoch kann der Nulldurchgangsversatz so eingestellt sein, daß eine Offsetspannung zwischen den Verstärkereingängen geliefert wird, in diesem Fall wird Strom durch den Verstärker seinem Ausgang zugeführt, wenn das Potential zwischen den Verstärkereingängen nicht einen gewissen, von Null verschiedenen Wert (die Offsetspannung) beträgt. Wenn eine Offsetspannung eingestellt ist, liefert der Verstärker Strom zu seinem Ausgang und zum Sensor, bis eine potentialdifferenz zwischen seinen Eingängen erzeugt wird, die der Offsetspannung gleicht, und wenn dies der Fall ist, besteht eine Potentialdifferenz zwischen der Abtastelektrode und dem Elektrolyt, das diese sofort umgibt; die Anwesenheit einer Elektrolytschicht um eine Elektrode, die ein anderes Potential als die Elektrode aufweist, wird als "Doppelschicht" bezeichnet und arbeitet wie ein Kondensator.
Gewöhnlich wird das Potentiometer 19 so eingestellt, daß es den Nulldurchgangsversatz des Verstärkers 18 auf im wesentlichen Null setzt, so daß bei eingeschalteter Überwachungseinrichtung keine Spannungsdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode besteht und demnach eine Ladung auf der Doppelschicht in der Abtastelektrode vorhanden ist, die eine falsche Ausgabe ergeben würde, wenn die Überwachungseinrichtung das erste Mal eingeschaltet wird. Bei manchen Überwachungseinrichtungen wird ein merklicher Spannungsausgleich zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode aufrechterhalten, um die Empfindlichkeit bei anderen als den zu ermittelnden Gasen zu minimieren, die in der überwachten Atmosphäre vorhanden sind, und eine solche Anordnung wird im wesentlichen dazu verwendet, die Empfindlichkeit für Stickstoffgas zu minimieren; wenn jedoch ein großer Ausgleich eingestellt wird zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode, kann es zwei Tage dauern, bis ein Sensor in einen stabilen Zustand gelangt, wenn die Überwachungseinrichtung das erste Mal eingeschaltet wird (und keine genauen Ablesungen können während dieser Zeitdauer vorgenommen werden) und derartige Überwachungseinrichtungen werden normalerweise durchgehend angeschaltet gelassen, um dieses Problem zu verhindern.
Wenn der Sensor, der ein ersetzbares Bauelement ist, nicht in der Überwachungseinrichtung korrekt angeordnet ist, zum Beispiel wenn die Elektrodenanschlüsse des Sensors keinen sauberen Kontakt mit den entsprechenden Anschlüsse der Überwachungseinrichtung aufweisen, zeigt die Überwachungseinrichtung einen Null-Ausschlag an, sogar wenn Gas in der überwachten Atmosphäre sich befindet und der Benutzer wird annehmen, daß die Atmosphäre kein Gas des überwachten Typs enthält. Da Überwachungseinrichtungen giftige Gase, zum Beispiel Kohlenmonoxid ermitteln können, kann dies gefährlich sein. Folglich ist die Schaltung der oben aufgezeigten Art nicht "ausfallsicher". Ein weiteres Problem kann entstehen, wenn der Elektrolyt der Sensorzelle 10 verdampft, so daß die Zelle austrocknet und nicht länger elektrischen Strom leitet; in diesem Fall wird wiederum eine Null-Anzeige erhalten, selbst wenn Gas in der überwachten Atmosphäre anwesend ist.
In der CH-636 447 ist vorgeschlagen worden zu überprüfen, daß eine pH-Referenz- (oder Gegen-) Elektrode sauber arbeitet in einer potentiometrischen Titriervorrichtung, indem der Widerstand zwischen der Gegen- und der Abtastelektrode der Titriervorrichtüng gemessen wird, indem ein Wechselstrom zwischen diesen Elektroden fließt, der den sich ergebenden Strom abgleicht, indem ein identischer Wechselstrom durch einen Festwiderstand fließt, der den sich ergebenden Strom abgleicht, und indem die beiden abgeglichenen Ströme voneinader abgezogen werden, um ein Signal zu bilden und das Titrieren anzuhalten, wenn das genannte Signal anzeigt, daß der Widerstand zwischen der Abtastelektrode und der Gegenelektrode entweder viel höher oder viel niedriger als der Widerstand des Festwiderstands ist, Abgesehen davon, daß der Vorschlag der CH-636 447 in einem anderen technischen Feld als in der vorliegenden Erfindung angewandt worden ist (die CH-636 447 verwendet als Abtastkriterium das Potential anstatt des Stroms, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist), ist der Vorschlag komplex und folglich teuer zu verwirklichen.
Die EP 0 039 549 beschreibt ein System zum Testen des Betriebs eines elektrochemischen Gassensors mit einem Salzlösungselektrolyt durch Anwendung eines Impulses eines Potentials zwischen den Elektroden des Sensors, die den Elektrolyt zersetzen; wenn sich dort eine Änderung im durch den Sensor fließenden Strom ergibt, arbeitet der Sensor sauber. Die Elektrolyse des Elektrolyts verursacht, daß Gas erzeugt wird, was in einem abgedichteten Gassensor nachteilig ist, da es die Sensorarbeitsweise beeinflussen kann und Druck sich innerhalb des Sensors aufbauen kann, wodurch dieser undicht werden kann; die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Verfügung, das diese Probleme vermeidet.
Die GB-2 065 309 beschreibt einen Sensor, bei dem ein Wechselstrom zwischen der Abtast- und Referenzelektrode eingebracht wird, um zu verhindern, daß die Elektroden altern.
Die DE-A-31 36 248 offenbart ein Verfahren zum Testen des Funktionierens von Elektroden in einem Gassensor. Eine fluktuierende Spannung wird zwischen den beiden Elektroden angelegt, wobei die Spitzenpotentiale an den Punkten ausgewählt werden, bei denen die Elektrolyse startet. Wenn sich der Strom über einem voreingestellten Wert befindet, wird eine Anzeige ausgegeben, daß der Sensor fehlerhaft ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Konzept, daß das Potential entlang der Doppelschicht bei der Abtastelektrode eines Dreielektronensensors nicht sofort geändert werden kann aufgrund der großen Kapazität der Doppelschicht und des Widerstands des Rests der Schaltung. Wenn das Potential zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode geändert wird, fließt sein Strom so lange, bis die Doppelschichtkapazität auf ein neues Potential aufgeladen ist, und dieser Stromfluß kann ermittelt und zum Bestätigen dessen verwendet werden, daß der Sensor sauber arbeitet; Wenn jedoch der Sensor nicht sauber arbeitet (oder fehlt), fließt ein reduzierter Strom (oder kein Strom) als Ergebnis des eingestellten Potentials und dieser reduzierte (oder nicht existierende) Strom kann dazu verwendet werden, eine Warnung dahingehend zur Verfügung zu stellen, daß der Sensor nicht sauber arbeitet. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß wenn das eingestellte Potential nur für kurze Zeit aufgebracht wird, die Doppelschicht zu ihrem Betriebspotential zurückkehrt, wenn das eingebrachte Potential innerhalb einer kurzen Zeit (einem Bruchteile einer Millisekunde) entfernt wird und hierauf kann der normale Betrieb des Sensors fortgesetzt werden und somit ist die Zeit, während der der Sensor nicht arbeitet und die Atmosphäre überwacht, minimal. Die Doppelschicht muß nicht komplett aufgeladen sein beim Betrieb der vorliegenden Erfindung und tatsächlich wird das teilweise Aufladen der Doppelschicht bevorzugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Gasüberwachungseinrichtung zum Ermitteln der Anwesenheit eines gewissen Gases in einer überwachten Atmosphäre zur Verfügung gestellt und ein Verfahren zum Testen des Betriebs eines amperometrischen elektrochemischen Sensors wie in den beigefügten Zeichnungen näher spezifiziert.
Das Mittel zum Aufrechterhalten des ersten Potentials (oder Durchschnittspotentials) besteht bevorzugterweise in einem Operationsverstärker, der Eingänge aufweist, die direkt oder indirekt mit den Abtast- und Referenzelektroden verbunden sind, und einen Ausgang, der entweder mit der Gegenelektrode oder mit der Abtastelektrode verbunden ist. Das erste Potential (oder Durchschnittspotential) beträgt bevorzugterweise Null.
Die Impulse des zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode können in verschiedenen Arten eingebracht werden, zum Beispiel:
(a) der Ausgleich des Operationsverstärkers kann gestört werden, so daß der Verstärker einen Ausgang für eine kurze Zeit produziert, zum Beispiel kann der Nulldurchgangsversatz des Operationsverstärkers gestört werden, so daß der Verstärker eine Offsetspannung (oder eine unterschiedliche Offsetspannung) produziert, oder
(b) eine Spannung kann zwischen den zwei Elektroden von einer Spannungsquelle eingebracht werden, welche gewöhnlicherweise die Energiequelle der Überwachungseinrichtung sein wird; die Spannung kann ein kurzlebiger Impuls oder eine schwankende Spannung sein, zum Beispiel eine Wechselspannung, die kontinuierlich oder periodisch zwischen die beiden Elektroden eingebracht wird. Wenn die Spannungsquelle eine schwankende Spannung liefert, sollten die Perioden der Schwankungen bevorzugterweise kleiner als die Antwortzeit des Ausgangs der Überwachungseinrichtung sein (das heißt, das den durch die Sensorzelle fließenden Strom messende und eine Anzeige der Menge des in der Atmospähre ermittelten Gases liefernde Gerät), so daß das Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung bei Anwesenheit von zu ermittelndem Gas nicht durch die eingebrachte Spannung beeinflußt wird; ebenso sollte die Periode der Schwankungen bevorzugterweise länger als die Antwortzeit des Geräts zur Ermittlung des Stroms sein, der aus der Einbringung der zweiten Spannung resultiert. Darüber hinaus wird bevorzugt, daß die schwankende Spannung einen Durchschnitt von Null ergeben sollte, so daß die vom Sensor bei Anwesenheit von zu ermittelndem Gas produzierte Anzeige nicht durch die eingebrachte schwankende Spannung beeinflußt wird. Wenn die eingebrachte Spannung eine Wechselspannung (oder eine andere Wellenform aufweisende Spannung) sein sollte, ist das genannte erste Potential zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode die durchschnittliche Spannung der eingebrachten Spannung, wohingegen die zweite Spannung der Spitzenwert (oder Tiefstwert) der Wechselspannung ist.
Wenn der Sensor sich in stabilem Zustand befindet (was gewöhnlicherweise auftritt, wenn kein Gas des zu ermittelnden Typs in der überwachten Atmosphäre vorhanden ist), verursacht das Einbringen des zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode einen Strom, der in den Sensor fließt, was die Doppelschicht bei der Abtastelektrode auflädt. Während die Doppelschicht aufgeladen wird, kann ein merklicher Strom durch den Sensor und die externe Schaltung fließen, und dieser Strom fällt ab, wenn die Doppelschicht aufgeladen ist. Die Rate, bei der die Doppelschicht aufgeladen ist, hängt vom Widerstand in der externen Schaltung in der Überwachungseinrichtung ab und insbesondere vom Widerstand zwischen der Abtastelektrode und dessen entsprechenden Eingang in den Operationsverstärker. Der Strom, der fließt, solange die Doppelschicht aufgeladen wird, kann relativ leicht durch ein Gerät innerhalb der Überwachungseinrichtung ermittelt werden. Bis jetzt gab es noch keinen Vorschlag, einen solchen Ausgleichstrom dazu zu verwenden, eine Bestätigung zu liefern, daß der Sensor arbeitet.
Im Gegensatz zum in CH-636 447 vorgeschlagenen Gerät, mißt das Sensorüberwachungssystem der vorliegenden Erfindung die Kapazität der Doppelschicht bei der Abtastelektrode, wohingegen das Gerät der CH-636 447 den Widerstand des Elektrolyts zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode mißt.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen;
hierbei zeigen
Figur 1 eine bekannte Schaltung eines Gasuberwachers;
Figuren 2 bis 7 Gasüberwacherschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren 1 bis 7 werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um vergleichbare Komponenten anzudeuten.
Die in Figur 2 dargestellte Schaltung ist identisch mit derjenigen aus Figur 1, allerdings mit zwei Ausnahmen: Der erste Unterschied liegt darin, daß der durch den Sensor fließende Strom entlang eines Hochwert-Widerstands 24 erfaßt wird, der zwischen einer Festspannungsleitung 26 und einer weiteren Leitung 28 mit Hilfe eines Hochimpedanzpotentiometers 30 verbunden ist. Die Arbeitsweise dieses Schaltungstyps wird genauer in der europäischen Patentanmeldung 0 220 896 A beschrieben; der durch den Widerstand 24 fließende Strom ist der gleiche wie der Strom, der durch die Sensorzelle fließt, da die Impedanz zwischen den Eingängen des Verstärkers 18 groß ist und da das Potentiometer 30 eine hohe Impedanz aufweist; indem der Wert des Widerstands 24 groß gehalten wird (zum Beispiel 10 kOhm) ist der Spannungsabfall entlang des Widerstands 24 groß und dies kann direkt (das heißt ohne weitere Verstärkung) dazu verwendet werden, ein Ausgangsgerät 31 anzutreiben, das zum Beispiel ein Voltmeter oder ein Display sein kann.
Der zweite Unterschied liegt in der zusätzlichen Verbindung des Nulldurchgangsversatzpotentiometers 19 mit einer Erdungsleitung 32 über einen Transistor 34. Gewöhnlich ist der Transistor nicht leitend, jedoch kann ein Impuls entlang einer Steuerleitung 35 geliefert werden, die den Transistor leitend macht und so die normale Verbindung zwischen dem Potentiometer 19 und der Erdungsleitung überbrückt, wodurch der Nulldurchgangsversatz gekippt wird und der Verstärker 18 angetrieben wird, um einen Ausgangsstrom zur Verfügung zu stellen, der verursacht, daß ein Strom durch den Sensor und durch die Widerstände 20 und 24 fließt, wodurch die Doppelschicht aufgeladen und eine Potentialdifferenz zwischen der Abtastelektrode und der Referenzelektrode erzeugt wird. Der Strom kann durch ein Alarmgerät 33 ermittelt werden, das mit dem Potentiometer 30 über einen Schalter 30a verbunden ist, während der Sensor getestet wird; der Schalter 30a wird mit (nicht dargestellten) Mitteln betätigt, um das Potentiometer mit dem Alarm 33 für die Zeit zu verbinden, während der die Überwachungseinrichtung getestet wird, das heißt während der Impuls entlang der Steuerleitung 35 zum Transistor 34 geliefert wird, jedoch ist andererseits der Schalter 30a vorgesehen, um das Potentiometer mit dem Ausgangsgerät 31 zu verbinden. Wenn das Signal vom Potentiometer 30 zum Alarmgerät 33 niedriger als ein voreingestellter Wert ist, dann sendet das Gerät 33 einen sichtbaren und/oder hörbaren Alarm aus, der anzeigt, daß der Sensor nicht sauber arbeitet.
Anstatt des Transistors 34 kann irgendein Schaltgerät verwendet werden, um das Offset-Potentiometer 19 mit der Erdungsleitung 32 zu verbinden, zum Beispiel einen Feldeffekttransistor, eine integrierte Schaltung, ein Relais usw.
Wenn der Sensor nicht korrekt mit den Anschlüssen 12a, 14a oder 16a verbunden ist, oder wenn der Elektrolyt in der Sensorzelle in einem solchen Ausmaß verdampft ist, daß der Sensor nicht länger sauber arbeitet, dann fließt kein Strom (oder ein reduzierter Strom) als Ergebnis des Kippens des Nulldurchgangsversatzs und das Alarmgerät 33 wird hierauf ausgelöst; es ist erkennbar, daß die korrekte Verbindung aller drei Anschlüsse des Sensors dafür erforderlich ist, daß Strom durch den Sensor fließt.
Der Impuls zu der Steuerleitung 35 des Transistors 34 kann ausgesandt werden, wenn die Überwachungseinrichtung zum ersten Mal angeschaltet wird oder periodisch während seines Betriebs. Die Dauer des Impulses sollte ausreichend sein, um es dem Alarm 33 zu ermöglichen, den vom Kippen des Nulldurchgangsversatzs resultierenden Strom zu registrieren, jedoch sollte es auf einem Minimum gehalten werden, um den Zeitraum zu minimieren, während dem die Überwachungseinrichtung getestet wird (und folglich die Atmosphäre nicht überwacht wird); es wurde herausgefunden, daß eine Impulsdauer von 1 bis 10 Millisekunden als ausreichend nachgewiesen wurde. Da der durch den Sensor und die äußere Monitorschaltung fließende Strom nicht unterscheidbar ist von dem Strom, der aus der Anwesenheit eines Gases in der überwachten Atmosphäre resultiert, ist es wünschenswert, daß der Impuls zum Transistor 34 geliefert wird, während die Überwachungseinrichtung in einen Testmodus gesetzt wird, während dem das normale Ausgangsgerät 31 des Monitors (zum Beispiel ein Display, ein Voltmeter oder ein Alarm) abgetrennt ist, da sonst das Ausgangsgerät eine unechte Anzeige ausgeben könnte. Während des Testmodus ist das Potentiometer 30 - wie oben angedeutet -über einen Schalter 30a mit dem Alarm 33 verbunden.
Wenn ein Strom durch den Sensor als Ergebnis der Anwesenheit des depolarisierenden Gases in der zu überwachenden Atmosphäre fließen sollte, beeinflußt dies nicht den Testablauf, da die Ermittlung eines Stromes (sei es aufgrund eines depolarisierenden Gases oder aufgrund des Kippens des Nulldurchgangsversatzes) ein Zeichen dafür ist, daß der Sensor sauber arbeitet.
Sobald der Testablauffertiggestellt ist, wird der normale Betrieb der Überwachungseinrichtung wieder hergestellt, indem das normale Ausgangsgerat 31 wieder mit dem Potentiometer 30 mit Hilfe eines Schalters 30a verbunden wird. Ein typischer Testablauf dauert ungefähr eine Millisekunde und demnach ist die Totzeit der Überwachungseinrichtung vernachlässigbar.
Es ist nicht notwendig, daß die Überwachungseinrichtung an einen Testmodus geschaltet wird, um die vorliegende Erfindung in Betrieb zu setzen; die in Figur 3 dargestellte Schaltung beinhaltet einen Rechteckwellengenerator 36 (obwohl irgendeine andere Form von Welle oder Impuls verwendet werden kann), der ein oszillierendes Potential zwischen der Abtastelektrode 12 und der Referenzelektrode 14 überlagert, wodurch ein oszillierender Strom durch die Sensorzelle 10 fließt, was durch das Potentiometer 30 ermittelt werden kann. Wenn der durchschnittliche Strom, der als Ergebnis des oszillierenden Potentials zu fließen veranlaßt wird, Null beträgt, dann ist der resultierende Ausgang, der durch das Ausgangsgerät 31 aufgenommen wird, nicht durch die überlagerte Spannung beeinflußt. Zwischenzeitliche Schwankungen im vom Potentiometer 30 zum Ausgangsgerät 31 zugeführten Signal könnten eliminiert werden, indem die Dauer jedes Zyklus des oszillierenden Potentials kürzer als die Antwortzeit des Ausgangsgeräts 31 gemacht wird, oder indem ein geeigneter Filter oder Puffer zwischen dem Schalter 30a und dem Ausgangsgerät 31 plaziert wird, um die Antwortzeit des letzteren zu verlangsamen. Ein zusätzlicher Widerstand 38 ist zwischen der Potentialquelle 36 und der Ermittelungselektrode 12 enthalten, entlang dem die oszillierende Spannung angelegt wird. Der Alarm 33 wird ausgelöst, wenn das Potentiometer keinen fließenden Strom für eine Zeitdauer entsprechend zumindest einem Zyklus des Wechselstroms anzeigt. Es ist offensichtlich, daß die Antwortzeit des Alarms 33 ausreichend schnell sein sollte, um die Schwankungen im Potential entlang des Widerstands 20 zu registrieren, die durch das oszillierende Potential des Wellengenerators 36 verursacht werden.
Anstatt die Abstimmung des Verstärkers 18 über seinen Nulldurchgangsversatz (wie in Figur 2) zu kippen, um ein Potential zwischen der Referenz- und der Abtastelektrode zur Verfügung zu stellen, kann die Abstimmung des Verstärkers 18 gekippt werden, indem ein Signal zu einem der Verstärkereingänge hinzugefügt wird. Dies wird durch die in Figur 4 dargestellte Schaltung erzielt, indem ein Pufferverstärker 40 zwischen der Referenzelektrode 14 und dem Operationsverstärker 18 eingefügt wird und den Nulldurchgangsversatz 42 des Pufferverstärkers mit der Erdungsleitung 32 über einen Transistor 34 verbunden wird. Wenn ein Impuls entlang der Steuerleitung 35 des Transistors 34 geschickt wird, wodurch dieser leitend gemacht wird, wird der Nulldurchgangsversatz des Pufferverstärkers 40 gekippt, wodurch ein Strom, der von einem Ausgang des Pufferverstärkers 40 zur Verfügung gestellt wird, zu einem der Eingänge des Verstärkers 18 fließt und wodurch somit der Ausgang des Verstärkers 18 einen Strom zu der Gegenelektrode 16 liefert, was in einem Strom durch die Zelle resultiert, wenn diese korrekt funktioniert und was durch das Alarmgerät 33 ermittelt werden kann; wenn das Signal zum Alarmgerät 33 vom Potentiometer 30 unter einen voreingestellten Wert kommt, erzeugt es einen Alarm.
In Figur 5 wird der durch die Zelle fließende Strom als ein Spannungsabfall entlang eines Widerstands 44 ermittelt, der zwischen dem Ausgang des Verstärkers 18 und der Gegenelektrode 16 angeordnet ist.
Figur 6 ist identisch mit Figur 2 mit der Ausnahme, daß der Ausgang des Verstäkers 18 mit der Abtastelektrode 12 und der Widerstand 24 mit der Gegenelektrode verbunden sind.
Figur 7 ist identisch mit Figur 2 mit der Ausnahme, daß das Nulldurchgangsversatzpotentiometer 19 mit der Positivspannungsleitung 40 des Monitors anstatt mit der Erdungsleitung 32 verbunden ist.
Das Beginnen des Testablaufs kann durch eine Mikroprozessoreinheit innerhalb der Überwachungseinrichtung gesteuert werden, in diesem Fall sollte der Sensorstrom kontinuierlich durch periodisches Beginnen eines Testablaufs überwacht werden, und auch der Schalter 30a würde dann nicht erforderlich sein, wenn der Mikroprozessor die Ausgangs- und Alarmgeräte 31 und 33 steuern könnte.

Claims

1. Gasüberwachungseinrichtung zum Ermitteln der Anwesenheit eines gewissen Gases in einer überwachten Atmosphäre, wobei die Überwachungseinrichtung aufweist:

- einen amperometrischen elektrochemischen Gassensor (10), der Elektrolyt und drei unterschiedliche Elektroden, nämlich eine Abtastelektrode (12), eine Referenzelektrode (14) und eine Gegenelektrode (16), welche alle in Kontakt mit dem Elektrolyt stehen, aufweist,

- Mittel (18), die beim Betrieb dazu in der Lage sind, ein erstes Potential zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode (12, 14) aufrechtzuerhalten,

- Mittel (19, 36, 42) zum Einbringen zumindest eines Impulses eines zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode (14) und der Abtastelektrode (12), wobei das zweite Potential verschieden vom ersten Potential ist und das erste und das zweite Potential so ausgewählt sind, daß sie nicht dazu ausreichend sind, ein Potential innerhalb des Sensors zu erzeugen, das den Sensorelektrolyt elektrolysiert,

- Mittel (30) zum Ermitteln eines ersten Stromes, der bei der Abtastelektrode (12) oder bei der Gegenelektrode (16) fließt, aufgrund eines Gases des überwachten Typs in der Atmosphäre und eines zweiten Stroms, der bei der Abtastelektrode oder bei der Gegenelektrode aufgrund des zweiten eingebrachten Potentials fließt,

- Mittel (31) zum Messen des ersten Stroms, und

- Mittel (32) zum Anzeigen, daß der Sensor fehlerhaft ist, wenn der zweite Strom niedriger als ein Schwellenwert ist.

2. Gasüberwachungseinrichtung zum Ermitteln der Anwesenheit eines gewissen Gases in einer überwachten Atmosphäre, wobei die Überwachungseinrichtung umfaßt:

- einen amperometrischen elektrochemischen Gassensor (10), der Elektrolyt und drei unterschiedliche Elektroden, nämlich eine Abtastelektrode (12), eine Referenzelektrode (14) und eine Gegenelektrode (16), welche alle in Kontakt mit den Elektrolyt stehen, umfaßt,

- Mittel (19, 36, 42) zum Einbringen eines überlagerten schwankenden zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode (14) und der Abtastelektrode (12), wobei das zweite Potential in bezug auf das erste Potential schwankt und das erste und das zweite Potential so ausgewählt sind, daß sie nicht dazu ausreichen, ein Potential innerhalb des Sensors zu erzeugen, das den Sensorelektrolyt elektrolysiert,

- Mittel (31) zum Messen des ersten Stroms, und

3. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das erste Potential Null beträgt.

4. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Mittel zum Aufrechterhalten des ersten Potentials ein Operationsverstärker (18) ist, der Eingänge aufweist, die direkt oder indirekt mit der Abtast- und der Referenzelektrode (12, 14) verbunden sind, und einen Ausgang, der entweder mit der Gegenelektrode (16) oder der Abtastelektrode (12) verbunden ist.

5. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei das zweite Potential zwischen der Referenzelektrode (14) und der Abtastelektrode (12) eingebracht wird, indem die Abstimmung des Verstärkers gestört wird.

6. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei der Verstärker (18) einen Nulldurchgangsversatz aufweist und die Abstimmung des Verstärkers gestört wird, indem der Nulldurchgangsversatz so gestört wird, daß der Verstärker eine Offsetspannung oder eine unterschiedliche Offsetspannung produziert.

7. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Abstimmung des Verstärkers (18) gestört wird, indem ein Signal zu einem Eingang des Verstärkers zugefügt wird.

8. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Mittel zum Einbringen eine unabhängige Spannungsquelle (36) umfaßt, die bevorzugterweise von der Energiequelle des Monitors abgeleitet ist.

9. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die schwankende Spannung kontinuierlich oder periodisch zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode (12, 14) eingebracht wird.

10. Überwachungseinrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 9, wobei die Periode der Spannungsschwankungen kürzer als die Antwortzeit des Meßmittels (31) ist, so daß das Signal des Meßmittels (31) bei Anwesenheit des zu ermittelnden Gases nicht von der überlagerten schwankenden Spannung beeinflußt wird.

11. Verfahren zum Testen des Betriebs eines amperometrischen elektrochemischen Sensors (10) in einer Gasüberwachungseinrichtung, wobei der Sensor Elektrolyt und drei unterschiedliche Elektroden, nämlich eine Abtast-, eine Referenz- und eine Gegenelektrode (12, 14, 16), welche in Kontakt mit dem Elektrolyt stehen, aufweist, wobei das Verfahren umfaßt:

- Aufrechterhalten eines ersten Potentials zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode (12, 14),

- Einbringen zumindest eines Impulses eines zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode, wobei das zweite Potential unterschiedlich vom ersten Potential ist und das erste Potential und das zweite Potential derart ausgewählt sind, daß sie nicht dazu ausreichen, ein Potential in dem Sensor hervorzurufen, das den Sensorelektrolyt elektrolysiert,

- Ermitteln eines ersten Stromes, der bei der Abtastelektrode (12) oder bei der Gegenelektrode (16) aufgrund eines Gases in der überwachten Atmosphäre fließt, und eines zweiten Stroms, der bei der Abtastelektrode (12) oder bei der Gegenelektrode (16) aufgrund des zweiten eingebrachten Potentials fließt,

- Messen des ersten Stroms,

- Vergleichen des zweiten Stroms mit einem Schwellenwert, und

- Anzeigen, daß der Sensor fehlerhaft ist, wenn der Strom unterhalb des Schwellenwerts fällt.

12. Verfahren zum Testen des Betriebes eines amperometrischen elektrochemischen Sensors (10) in einer Gasüberwachungseinrichtung, wobei der Sensor Elektrolyt und drei unterschiedliche Elektroden, nämlich eine Abtast-, eine Referenz- und eine Gegenelektrode (12, 14, 16), welche in Kontakt mit dem Elektrolyt stehen, aufweist, wobei das Verfahren umfaßt:

- Einbringen zumindest eines überlagerten schwankenden zweiten Potentials zwischen der Referenzelektrode und der Abtastelektrode, wobei das zweite Potential in bezug auf das erste Potential schwankt und das erste Potential und das zweite Potential so ausgewählt sind, daß sie nicht dazu ausreichen, ein Potential innerhalb des Sensors hervorzurufen, das den Sensorelektrolyt elektrolysiert,

- Messen des ersten Stroms,

- Vergleichen des zweiten Stroms mit einem Schwellenwert, und

- Anzeigen, daß der Sensor fehlerhaft ist, wenn der Strom unterhalb des Schwellenwertes fällt.