DE69721653T2 - Ein temperaturausgegliechener elektrochemischer Sensor und Verfahren zur genauen Überwachung von Temperaturänderungen eines zu untersuchenden Gases - Google Patents

Ein temperaturausgegliechener elektrochemischer Sensor und Verfahren zur genauen Überwachung von Temperaturänderungen eines zu untersuchenden Gases Download PDF

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
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    • G01N27/14Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft elektrochemische Gassensoren zum elektrischen Signalisieren der Konzentration eines elektrochemisch aktiven Gases, wie z. B. Sauerstoff, in einer Gasmischung und insbesondere verbesserte Vorrichtungen und Verfahren zum genauen Überwachen von Temperaturänderungen der dem Gassensor zugeführten Gase, wodurch eine genaues Ausgleichen der Temperaturschwankungen ermöglicht wird.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Elektrochemische Gassensoren sind im Stand der Technik dafür bekannt, dass sie die Konzentration eines elektrochemisch aktiven Gases, beispielsweise Sauerstoff, in einer Gasmischung genau aufspüren. Die Konzentration des Gases wird extern durch das elektrische Signal signalisiert, welches durch die Gegenwart des aktiven Gases erzeugt wird, das an der Oberfläche der gasuntersuchenden Kathodenelektrode oxidiert oder reduziert wird. Die Gassensoren umfassen Anoden- und Kathodenelektroden, die in ein Bad aus Flüssigelektrolyten eingetaucht sind. Die elektrischen Ausgangssignale von diesen Gassensoren sind als elektrischer Strom ausgebildet, der dem Teildruck des gerade gemessenen aktiven Gases entspricht. Das Stromsignal lässt sich in ein Spannungssignal durch die Anbringung eines geeigneten Widerstands über die Ausgangsanschlüsse des Gassensors umwandeln, um so eine Spannungssignal in Millivolt abzuleiten. Eine Leiterplatte wird herkömmlicherweise am Gassensor an dessen Rückseite mit einem darauf angebrachten geeigneten Widerstand befestigt, um das Spannungsausgangssignal zu liefern. Bekanntermaßen sind die Ausgangssignale des Gassensors von der Temperatur der diesem Sensor zugeführten Gasmischung abhängig. Die Ausgangssignale der Sensoren erhöhen sich mit zunehmender Temperatur der zugeführten Gase. Diese Änderung des Ausgangssignals ist auf die Änderung der Diffusionsrate der Gasmischung durch die Eingangsmembran für den Gassensor zurückzuführen. Bei den höheren Temperaturen nimmt das elektrische Ausgangssignal aufgrund der höheren Diffusionsrate der Gase durch die Eingangsmembran für den Gassensor zu. Infolgedessen führt die Erhöhung des Ausgangssignals zu einem falschen Ausgangssignal bezüglich der Konzentration des gemessenen Gases. Um die Ausgangssignale hinsichtlich der Temperaturschwankungen auszugleichen und um genaue Ausgangssignale zu liefern, wird herkömmlicherweise ein geeigneter Thermistor auf der Leiterplatte an der Rückseite des Gassensors angebracht. Der Thermistor liefert ein elektrisches Ausgangssignal zum Einstellen oder Ausgleichen des Ausgangssignals des Sensors für die Temperaturschwankungen in dem zugeführten Gas. Dies befähigt den Gassensor zur Durchführung genauer Messungen der Konzentrationen des gemessenen aktiven Gases bei verschiedenen Temperaturen, ohne dass eine zusätzliche Berichtigung erforderlich wäre. Diese Gassensoren besitzen eine Untersuchungsmembran an der Vorderseite zur Aufnahme der zu analysierenden Gasmischung. Ein Elektrolytenbad befindet sich zwischen der Eingangsuntersuchungsmembran und einer Dehnungsmembran. Der Thermistor ist vom Elektrolyten beabstandet. Bei dieser bekannten Anordnung des Thermistor in Gassensoren wurde nun herausgefunden, dass viel Zeit benötigt wird, um die Temperaturänderungen der dem Sensor zugeführten Gasmischung auszugleichen, um so ein Temperaturausgleichssignal bereitzustellen. Der Thermistor in diesen bekannten Sensoranordnungen wird dem gerade einer Analyse unterworfenen Gas direkt bei der Zuführung der Gasmischung zum Sensor ausgesetzt, während der Sensorkörper 30 bis 40 Minuten benötigt, um eine Temperaturänderung in der zugeführten Gasmischung zu erkennen. Infolge dieser zeitlichen Verzögerung kommt es zu einer anfänglichen schwachen Lesung aufgrund der vom Thermistor durchgeführten Einstellung. Diese Zeitverzögerung kann 30 Minuten bis zu einer Stunde ausmachen. Bei medizinischen Anwendungen, bei denen die einem Patienten auf einer Intensivstation verabreichte Sauerstoffkonzentration zu überwachen ist, mag diese Verzögerung zu lange sein, und der mit der verzögerten Temperaturüberwachung einhergehende Fehler könnte bis zu 10% der von einem Patienten benötigten Sauerstoffmenge ausmachen und dem Patienten schaden. Demgemäß wird heutzutage eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zum genaueren Überwachen und Ausgleichen eines elektrischen Ausgangssignals des Sensors im Hinblick auf Fehler verlangt, die durch sich ändernde Temperaturen der dem Gassensor zugeführten und zu analysierenden Gasmischungen hervorgerufen werden.
  • Das US-Patent Nr. 3,510,421 offenbart eine polarografische Zelle zum Messen der Menge an gelöstem Sauerstoff innerhalb einer Flüssigkeit. Erste und zweite Elektroden sind innerhalb eines hohlen zylindrischen Gehäuses angeordnet. Ein temperaturempfindliches Widerstandselement ist innerhalb der Flüssigkeit neben der ersten Elektrode angeordnet.
  • Die europäische Patentanmeldung Nr. 0113966 offenbart eine elektrochemische Elektrodenanordnung, die ein Kassettenbauteil sowie ein Verbinderbauteil aufweist. Das Kassettenteil umfasst ein Gehäuse, welches einen ringförmigen Elektrolytenraum definiert, eine wahlweise durchlässige Membran, die sich über eine Öffnung desselben erstreckt, einen Hohlraum, eine Kathodenelektrode, die sich durch die Endwand des Hohlraums mit der Spitze der Kathodenelektrode nebeneinanderliegend zur Membran erstreckt, eine Anodenelektrode sowie einen Elektrolyten. Das Verbinderteil umfasst eine vorspringenden Stange, ein erstes elektrisches Kontaktteil zum elektrischen Ineingriffbringen mit der Kontaktfläche der Kathodenelektrode, einen Temperatursensor in Wärmeverbindung mit dem ersten Kontaktteil, ein zweites Kontaktteil zum elektrischen Ineingriffbringen mit der Kontaktfläche der Anodenelektrode sowie Mittel zum Verbinden der Elektrodenanordnung mit einer entfernten Stelle zum Weiterleiten elektrischer Signale an die entfernte Stelle.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft einen elektrochemischen Gassensor gemäß dem Anspruch 1 der beigefügten Ansprüche. Des Weiteren stellt die Erfindung ein Verfahren zum Ausgleichen eines elektrochemischen Gassensors gemäß Anspruch 5 der beigefügten Ansprüche bereit.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten, feinfühligeren elektrochemischen Gassensor mit verbesserten Verfahren und Einrichtungen zum Aufspüren oder Überwachen der Temperaturänderungen in den den Sensoren zugeführten Gasen, um die Temperaturausgleichssignale rasch bereitzustellen und ohne zeitliche Verzögerung auszunutzen, um korrekte, temperaturausgeglichene Ausgangssignale zu liefern und damit genaue elektrische Ausgangssignale, welche die Konzentrationen der dem Gassensor zugeführten und zu analysierenden elektrochemischen aktiven Gase darstellen. Die oben genannten Vorteile werden erlangt, ohne dass sich die Herstellungskosten des verbesserten Gassensors merklich ändern.
  • Vom Aufbau her gesehen umfasst der verbesserte elektrochemische Gassensor eine Thermistoreinrichtung, die neben einer Dehnungsmembran angebracht ist, d. h. mit dem Gassensorelektrolyten in Kontakt ist und denselben beinhaltet, nämlich in einer im Wesentlichen wärmeisolierten Beziehung hinsichtlich der Temperatur der zu untersuchenden Gase, die dem Gassensor zugeführt werden, so dass jede Temperaturänderung des zu untersuchenden Gases nicht direkt der Thermistoreinrichtung mitgeteilt wird, wodurch sowohl der Gassensor als auch die Thermistoreinrichtung jede Temperaturänderung des zu untersuchenden Gases im Wesentlichen gleichzeitig erfahren, wodurch die Thermistoreinrichtung elektrische Ausgangssignale als Antwort auf die gemessenen Temperaturänderungen in den gerade untersuchten Gasen liefert, ohne dass es zu erheblichen zeitlichen Verzögerungen zwischen den Temperaturänderungen in den zu untersuchenden Gasen und den von der Thermistoreinrichtung gelieferten elektrischen Ausgangssignalen kommt.
  • Bei einem Verfahren im weiten Sinne umfasst die vorliegende Erfindung die Bereitstellung eines elektrochemischen Gassensors, um ein elektrisches Ausgangssignal als Antwort auf die Zuführung einer Gasmischung zum Gassensor zu liefern, in dem sich ein elektrochemisch aktives und zu untersuchendes Gas befindet, nämlich aufgrund der Erzeugung einer Kathodenreaktion, wodurch das elektrische Ausgangssignal die Konzentration des untersuchten, elektrochemisch aktiven Gases darstellt, die sich mit den Temperaturen der Gasmischungen ändert, wodurch es zu fehlerhaften elektrischen Ausgangssignalen aufgrund der Temperaturschwankungen der Gasmischung kommt, wobei die Thermistoreinrichtung im Gassensor auf eine vorbestimmte wärmeisolierte Art und Weise angebracht wird, um jede direkte Wärmeübertragung an die Thermistoreinrichtung zu minimieren, so dass der Gassensorkörper und die Thermistoreinrichtung den Temperaturschwankungen der Gasmischung im Wesentlichen gleichzeitig ausgesetzt sind, um so eine genaue Ausgleichung der elektrischen Ausgangssignale vom Gassensor ohne Zeitverzögerung zu erlauben, wodurch genaue Ausgangssignale der Konzentrationen der untersuchten Gase trotz der Temperaturschwankungen in den zugeführten Gasmischungen geschaffen werden.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Anbringen der Thermistoreinrichtung in einem Kühlkörper neben dem Gassensorelektrolyten und Vorsehen mehrerer Wärmeisolatoren, die im Gassensor gestapelt sind, wobei die Leitungsdrähte der Thermistoreinrichtung in Spulen spiralförmig angebracht sind und außerhalb des Gassensors elektrisch zugänglich sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind besser zu verstehen, wenn man sie anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen betrachtet, wobei
  • 1 eine Querschnittsansicht eines bekannten elektrochemischen Gassensors mit Thermistor-Temperaturausgleich ist,
  • 2 eine grafische Darstellung des Gassensors der 1 ist, wobei elektrische Ausgangssignaländerungen auf erhöhte Temperaturen der dem Gassensor zugeführten Gasmischung zurückzuführen sind,
  • 3 eine Querschnittsansicht eines elektrochemischen Gassensors mit einer Einrichtung zur genauen Übenrvachung von Temperaturänderungen der dem Gassensor zugeführten Gasmischungen ist, welche die Erfindung verkörpert,
  • 4 eine Ansicht von oben auf einen unvergossenen Thermistor ist, mit Blick auf die Rückseite des Gassensors der 3, welche die spiralförmige Anordnung der Thermistorleitungen zeigt, teilweise mit gepunktetem Umriss dargestellt,
  • 5 eine Seitenansicht der Thermistoranordnung zeigt, wie sie in der 4 zu sehen ist,
  • 6 eine Iosgelöste Ansicht des Oberteils der Leiterplattenanordnung zeigt, wie sie im Gassensor der 3 verwendet wird, und
  • 7 eine grafische Darstellung des Gassensors der 3-6 ist, wobei elektrische Ausgangssignalschwankungen auf eine Erhöhung der Temperatur in der dem Gassensor zugeführten Gasmischung zurückzuführen sind.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
  • Eine Würdigung des Problems des heutigen Aufbaus elektrochemischer Gassensoren und des Temperaturausgleichs der elektrischen Ausgangssignale des Sensors mittels der Thermistoreinrichtung führt zu einem besseren Verständnis der Notwendigkeit der hierin offenbarten Verbesserungen und der Vorteile der neuartigen Strukturen. Der elektrochemische Gassensor 10 ist in der 1 als galvanischer Gassensor des Stands der Technik zum Erzeugen einer Kathodenreaktion an der gasuntersuchenden Kathodenelektrode 12 für den Gassensor dargestellt. Die Kathodenreaktion wird in Antwort auf die dem Gassensor 10 zugeführten Gasmischungen hervorgerufen, wenn sich die Kathodenelektrode 12 und die dazugehörige Anodenelektrode 14 mit Hilfe eines geeigneten Elektrolyten 16 im Nasszustand befinden, der im Behälter 18 angeordnet ist, welcher den Körper für den Sensor 10 bestimmt. Der Elektrolyt 16 besitzt ein vorgewähltes Volumen, das zwischen der dünnen Untersuchungsmembran 20 und der Dehnungsmembran 22 festgelegt wird, welche an der entgegengesetzten Seite der Anodenelektrode 14 von der Kathodenelektrode 12 beabstandet ist. Die Rückseite des Behälters 18 wird durch die Anordnung einer Leiterplatte 24, welche im Abstand von der Membran 22 gezeigt ist, sowie durch die Anbringung eines Thermistors 26 und mehrerer Widerstände 28 abgeschlossen. Ein elektrischer Steckverbinder 30 ist an die Leiterplatte 24 zum Ableiten der elektrischen Ausgangssignale angeschlossen, welche durch die oben genannte Kathodenreaktion erzeugt werden, sowie der Thermistorsignale, welche zum Ausgleichen sämtlichen Temperaturänderungen in der dem Gassensor 10 zugeführten Gasmischung in wohlbekannter Art und Weise zu kombinieren sind. Dieser Aufbau ist typisch für die bekannten elektrochemischen Gassensoren vom galvanischen Typ, welche die Konzentrationen elektrochemisch aktiver Gase, wie z. B. Sauerstoff, in den dem Gassensor zugeführten Gasmischungen in ppm erfassen können. Es sollte von den Fachleuten erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung auch auf andere Arten von Gassensoren anwendbar ist, einschließlich polarografische Gassensoren.
  • Wie in der 1 gezeigt, ist das offene Ende des Behälters 18 mit einem offenendigen Gewindeteil 32 zur Aufnahme der dem Gassensor 10 zugeführten Gasmischungen versehen. Dadurch kann der Gassensor 10 auf einen geeigneten Gasblock zur Aufnahme der Gasmischungen geschraubt werden, welche durch diesen fließen, um auf der Untersuchungsmembran 20 aufzutreffen. Ein derartiger Gasblock kann aus Aluminium oder Kunststoff bestehen. Der Gasblock ist in der 1 schematisch mit gepunkteter Kontur und auf dem Teil 32 befestigt dargestellt. Bei Zuführung der zu analysierenden Gasmischung zum Gassensor 10 erzeugt die Konzentration des elektrochemisch aktiven Gases in der Gasmischung einen Kathodenstrom, der auf die Oxidation oder Reduktion des aktiven Gases zurückzuführen ist, wodurch ein elektrisches Stromausgangssignal vom Sensor 10 geliefert wird, das die Konzentration des aktiven Gases in der Gasmischung darstellt. Der elektrische Strom kann in ein Spannungsausgangssignal durch die Bereitstellung eines geeigneten Ausgangswiderstands umgewandelt werden, welcher über die Ausgangsanschlüsse des Sensors 10 gekoppelt ist. Zum Beispiel wandelt ein zehnohmiger, auf der Leiterplatte 24 angebrachter Widerstand die Ausgangsströme in ein Spannungssignal in Millivolt um. Auch ist es wohlbekannt, dass elektrische Ausgangssignale von den Gassensoren 10 ebenso von der Temperatur und den Temperaturschwankungen der dem Sensor zugeführten Gasmischungen abhängen. Die elektrischen Ausgangssignale nehmen größenmäßig mit den Temperaturerhöhungen der zu untersuchenden oder analysierenden Gasmischung zu. Diese Veränderung des Ausgangssignals ist auf die Veränderung der Diffusionsrate des zugeführten Gases durch die dünne Untersuchungsmembran 20 zurückzuführen. Bei den höheren Gastemperaturen nehmen die elektrischen Ausgangssignale aufgrund der höheren Diffusionsrate des zugeführten Gases durch die Untersuchungsmembran 20 zu, und dadurch signalisieren die abgeleiteten Ausgangssignale irrtümlicherweise die Konzentration des untersuchten aktiven Gases in der zugeführten Gasmischung. Die Gassensoren im Stand der Technik verwandten ein Temperaturmessgerät in der Form des auf der Leiterplatte 24 angebrachten Thermistors 26 für den Gassensor 10, um ein elektrisches Ausgangssignal zu liefern, das die Temperaturänderung in dem dem Gassensor zugeführten Gas darstellt. Das Ausgangssignal des Thermistor wird als Temperaturausgleichssignal für das irrtümlicherweise erzeugte Ausgangssignal des Sensors verwendet, um das korrekte, für die Temperaturänderungen ausgeglichene Ausgangssignal zu liefern, was wohlbekannt ist, ohne dass zusätzliche Korrekturen erforderlich wären. Die Thermistorsignale werden zum Auslöschen der Temperaturkomponenten der sensorerzeugten Signale in bekannter Schaltungsweise verwendet. Wie mit Blick auf die 1 zu erkennen ist, wird die zu analysierende Gasmischung sofort dem Thermistor 26 ausgesetzt und signalisiert infolgedessen eine Temperaturänderung, welche ein anfänglich schwaches und falsches Ausgangssignal vom Gassensor 10 erzeugt. Bekanntermaßen braucht der Gassensorkörper einen Zeitraum in der Größenordnung von 30 bis 40 Minuten für die Temperaturänderung, bevor er dann die Temperaturänderung in der zugeführten Gasmischung korrekt signalisiert. Wie festgestellt wurde, dauert diese zeitliche Verzögerung bei der Bereitstellung genauer elektrischer Ausgangssignale zwischen 30 Minuten und einer Stunde. Für einen Patienten auf einer Intensivstation, auf der z. B. die Sauerstoffzufuhr überwacht wird, ist diese Zeitverzögerung zu lang, und die Fehler, zu denen es aufgrund der verzögerten Temperaturüberwachung durch den Thermistor kommt, könnten bis zu 10% der erforderlichen Sauerstoffzufuhr ausmachen und einem Patienten schaden.
  • Die durch die falsche Temperaturüberwachung vom Thermistor 26 für den Gassensor 10 hervorgerufene zeitliche Verzögerung ist in der 2 grafisch für eine Temperaturänderung von 24°C auf 40°C für Tests dargestellt, die an drei verschiedenen Gassensoren vom Typ des Gassensors 10 durchgeführt wurden. Der Abstand zwischen den senkrechten Linien in der 2 stellt zeitlich 5 Minuten dar. Alle drei Gassensoren signalisierten einen sofortigen wertmäßigen Abfall des elektrischen Ausgangssignals, da der Thermistor 26 sofort der Temperaturänderung ausgesetzt wurde – mit allmählicher wertmäßiger Zunahme, während der Sensorkörper die Temperaturänderung im Laufe der Zeit absorbiert. Das elektrische Ausgangssignal erreicht einen stabilen Zustand nach der Zeitverzögerungsdauer, die vom Sensorkörper und den dazugehörigen Elementen benötigt wird, um die geänderte Temperatur, im obigen Beispiel 40°C, zu erreichen. Diese Zeitverzögerungsdauer für die Zellen der 2 sind im Wesentlichen in der Größenordnung von 30 Minuten zu erkennen.
  • In Anbetracht der oben genannten Anordnungen und Probleme im Stand der Technik wird nun der verbesserte Gassensor 10' der vorliegenden Erfindung zusammen mit den in den 3 bis 6 gezeigten Strukturen sowie der grafischen Darstellung der 7 untersucht. Der Grundaufbau des elektrochemischen Gassensors 10 vom galvanischen Typ der 1 ist in der 3 gezeigt, allerdings mit der verbesserten Anordnung zum Untersuchen der angewandten Gastemperaturen und zum Überwachen der Temperaturen, ohne jedoch die zeitlichen Verzögerungen der bekannten Strukturen hervorzurufen. Der erfindungsgemäße Thermistor 26 befindet sich in sehr großer Nähe zu dem Flüssigelektrolyten neben der Dehnungsmembran 22 in einer im Wesentlichen wärmeisolierten Beziehung zum Gassensorkörper und zu den dem Gassensor 10' zugeführten Gasen, wodurch die Zeitverzögerungen im Stand der Technik beseitigt werden, welche beim Überwachen der Temperaturen der den Gassensoren zugeführten Gase während einer Temperaturänderung der Gase auftreten.
  • Zu diesem Zweck wird der Thermistor 26 an die Rückseite der Dehnungsmembran 22 mit einer Kühlkörpermasse 34 vergossen, wie beispielsweise Zinkoxid oder Silikon, wie in der 3 gezeigt. Dadurch werden sämtliche Temperaturänderungen der gerade einer Analyse unterworfenen Gase nicht direkt dem Thermistor 26 mitgeteilt, um falsche Ausgangssignale zu erzeugen. Die Leitungsdrähte für den Thermistor 26 umfassen ein elektrisch isoliertes Kabel 26C mit einer Länge von etwa 3 bis 4 Inch (7,62 bis 10,16 cm), wobei seine einzelnen Leitungsdrähte an der Leiterplatte 24 an den Punkten „4" auf der Platte befestigt sind, siehe 4 und 6.
  • Ein weiteres wichtiges Merkmal der Anordnung des Thermistor 26 am Gassensor 10' ist die Bereitstellung von Wärmeisoliermitteln, die zwischen der Kühlkörpermasse 34 und den Oberteilen der Leiterplatteneinrichtungen an der Leiterplatte 24 angeordnet sind – am besten zu sehen in den 3 und 5. Die hier dargestellten Isoliermittel umfassen drei Einzelschichten aus Schaum, die aufeinander zwischen dem Kühlkörper 34 und der Leiterplatte 24 gestapelt sind. Die Einzelschichten aus Isolierschaum sind jeweils unterschiedlich groß und in den Zeichnungen als Schichten 36, 38 und 40 von oben nach unten gekennzeichnet, insbesondere zu sehen in der 5. Die oberste Isolierschicht 36 befindet sich unterhalb des Thermistor 26 und der Kühlkörpermasse 34 und ist vom Durchmesser her die größenmäßig kleinste der drei Isolierschichten. Die unterste Isolierschicht 40 ist vom Durchmesser her die größte, während sich die Schicht 38 größenmäßig zwischen den Durchmessern der Schichten 36 und 40 befindet. Die drei Schichten haben im Wesentlichen dieselbe Dicke und nehmen zusammen das Volumen zwischen der Kühlkörpermasse 34 und der Leiterplatte 24 ein. Die drei Schichten sind zueinander versetzt angeordnet, wie am besten in der 5 zu erkennen ist. Das Isolierkabel 26C für den Thermistor 26 ist spiralförmig oder spulenförmig zwischen den Isolierschichten 36, 38 und 40 zwischen den gestapelten Schichten angeordnet, siehe 3 und 4, und die einzelnen Leitungsdrähte des Kabels 26C sind am Punkt „4" auf der Leiterplatte 24 verbunden, wie am besten in den 4 und 6 zu sehen ist.
  • Bei der oben beschriebenen Art und Weise, wie man den Thermistor 26 isolierend befestigt, wird jede Temperaturänderung der dem Gassensor 10' zugeführten Gasmischungen nicht direkt dem Thermistor 26 übermittelt, da sowohl der Gassensorbehälter oder -körper 18 als auch [sic] die Gastemperaturänderung im Wesentlichen gleichzeitig erfahren. Deshalb gleichen die vom Gassensor 10' und vom Thermistor 26 erzeugten elektrischen Ausgangssignale, wenn man sie miteinander kombiniert, die sensorerzeugten elektrischen Ausgangssignale für die gemessenen Temperaturschwankungen korrekt aus, so dass die daraus resultierenden, temperaturausgeglichenen elektrischen Ausgangssignale die an der gasuntersuchenden Kathodenelektrode erzeugten Signale richtig darstellen, ohne dass es zu falschen Zunahmen oder Abnahmen aufgrund von Temperaturänderungen kommt.
  • Der Gassensor 10' wurde auf die gleiche Art und Weise wie der Sensor 10 getestet und in der 7 für eine Temperaturänderung in dem dem Sensor zugeführten Gas von 24°C auf 40°C aufgetragen. In der 7 sind die Ausgangssignale für die sechs Gassensoren so dargestellt, dass sie sofort ins Gleichgewicht kommen, ohne dass es zu falschen Zu- oder Abnahmen in den elektrischen Ausgangssignalen kommt, wie es bei den bekannten Geräten im Stand der Technik der Fall ist.
  • Es sollte nun von den Fachleuten auf dem Gebiet der Gassensoren gewürdigt werden, dass die vorliegende Offenbarung einen Fortschritt zum Stand der Technik für das genaue Überwachen von Temperaturänderungen bei den dem Gassensor zugeführten Gasmischungen darstellt, um so empfindlichere und genau ausgeglichene elektrische Ausgangssignale zu liefern, die Temperaturänderungen besser verfolgen oder überwachen. Eine derartige Überwachung ist darauf zurückzuführen, dass der Thermistor auf die Temperaturänderungen reagiert, die dem Flüssigelektrolyten übermittelt werden, und nicht auf die Temperaturänderungen des Sensorkörpers.

Claims (7)

  1. Elektrochemischer Gassensor (10') zum Erfassen der Konzentration eines elektrochemisch aktiven Gases in einer zu analysierenden Gasmischung und zum Liefern elektrischer Sensorausgangssignale, welche die erfassten Konzentrationen darstellen, wobei der Gassensor (10') aufweist: einen isolierenden Sensorbehälter (18) mit einem offenen Ende, eine Einrichtung zum Festlegen einer gaserfassenden Kathodenelektrode (12), die innerhalb des Behälters (18) neben dem offenen Ende des isolierenden Sensorbehälters (18) abgestützt ist, eine gasdurchlässige, flüssigkeitsundurchlässige Membran (20), die an dem offenen Ende des Behälters (18) in engem Kontakt mit der Kathodenelektrode (12) befestigt ist und eine vorbestimmte geringe Dicke hat, um die Diffusion der zu erfassenden und an die Kathode (12) zu transportierenden Gase einzuschränken, eine Dehnungsmembran (22), die innerhalb des Sensorbehälters (18) angebracht und in einem vorgewählten Abstand vom offenen Ende beabstandet ist, ein Flüssigkeitselektrolyt (16), der sich in dem Volumen zwischen der gasdurchlässigen Membran (20) und der Dehnungsmembran (22) befindet, und eine Einrichtung zum Festlegen einer Anodenelektrode (14), die in dem Elektrolyten (16) neben der Dehnungsmembran (22) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10') des Weiteren aufweist: eine Thermistoreinrichtung (26), die an der Dehnungsmembran (22) mit einer Kühlkörpereinrichtung (34) befestigt ist, um so im Wesentlichen nur auf Temperaturänderungen des Elektrolyten (16) zu reagieren, wobei die Thermistoreinrichtung (26) elektrische Ausgangssignale als Reaktion auf die erfassten Temperaturänderungen liefert, und Wärmeisoliereinrichtungen (36, 38, 40) auf der entgegengesetzten Seite der Thermistoreinrichtung von der an der Dehnungsmembran befestigten Seite aus, um die Thermistoreinrichtung (26) in einer im Wesentlichen wärmeisolierten Beziehung hin sichtlich der Temperatur der zu erfassenden Gase anzubringen, die zur gasdurchlässigen Membran (20) transportiert werden, so dass eine Temperaturänderung des zu erfassenden Gases nicht direkt der Thermistoreinrichtung (26) übermittelt wird, außer mittels der dem Elektrolyten (16) übermittelten Temperaturänderungen, wodurch sowohl der Sensor (10') als auch die Thermistoreinrichtung (26) eine Temperaturänderung des zu erfassenden Gases im Wesentlichen zur selben Zeit erfahren und wodurch die elektrischen Ausgangssignale, die von der Thermistoreinrichtung (26) als Reaktion auf die erfassten Temperaturänderungen geliefert werden, ohne wesentliche Zeitverzögerungen zwischen den Temperaturänderungen und den elektrischen Thermistorausgangssignalen geliefert werden, wobei die von der Thermistoreinrichtung (26) gelieferten elektrischen Ausgangssignale zum Liefern der Temperaturausgleichssignale für die vom Gassensor (10') erzeugten Ausgangssignale nützlich sind.
  2. Elektrochemischer Gassensor (10') nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine Leiterplatte (24) zum Einschließen des Endes des Isolierbehälters (18), das dessen offenem Ende gegenüberliegt, mehrere Wärmeisolatoren (36, 38, 40), die zwischen der Thermistoreinrichtung (26) und der Leiterplatte (24) gestapelt sind, um jede direkte Wärmeübertragung von den zu erfassenden Gasen zur Thermistoreinrichtung (26) zu minimieren, wobei die Thermistoreinrichtung (26) ein isoliertes elektrisches Kabel (26C) aufweist, das spiralförmig zwischen den gestapelten Wärmeisolatoren (36, 38, 40) angebracht und mit der Leiterplatte (24) verbunden ist.
  3. Elektrochemischer Gassensor (10') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die mehreren Wärmeisolatoren (36, 38, 40) individuelle Isolatoren unterschiedlicher Größen aufweisen, die beginnend neben der Thermistoreinrichtung (26) zur Leiterplatte (24) hin größenmäßig zunehmen.
  4. Elektrochemischer Gassensor (10') nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Wärmeisolatoren (36, 38, 40) drei Wärmeisolatoren aufweisen, die zwischen der Thermistoreinrichtung (26) und der Leiterplatte (24) gestapelt sind, wobei der an der Thermistoreinrichtung (26) anliegende Wärmeisolator der kleinste Isolator (36) ist und der größte Isolator (40) an der Leiterplatte (24) anliegt, und der dritte Isolator (38) größer als der kleinste Isolator (36) und kleiner als der größte Isolator (40) ist und zwischen dem kleinen und dem großen Isolator (36, 40) gestapelt ist, wobei der isolierte Thermistor (26) Leitungsdrähte (26C) aufweist, die in Spulen zunehmenden Durchmessers zwischen dem kleinsten und dem dritten Isolator (36, 38) und zwischen dem größten und dem dritten Isolator (40, 38) spiralförmig angebracht sind und mit der Leiterplatte (24) elektrisch verbunden sind.
  5. Verfahren zum Ausgleichen eines elektrochemischen Gassensors (10') zum Erfassen der Konzentration eines elektrochemisch aktiven Gases in einer Gasmischung, die dem Sensor (10') für Temperaturänderungen in der Gasmischung zugeführt wird, wobei der Gassensor (10') elektrische Ausgangssignale liefert, die das erfasste, elektrochemisch aktive Gas darstellen und mit den Temperaturschwankungen der zugeführten Gasmischung variieren, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines elektrochemischen Gassensors (10') mit einem Isolierbehälter (18) mit einer gaserfassenden Kathodenelektrode (12) und einer Anodenelektrode (14), die im Behälter mit einem Elektrolyten (16) angebracht sind, wobei der Behälter (18) ein offenes, an der Kathodenelektrode (12) anliegendes Ende zum Zuführen der Gasmischung zur Kathodenelektrode (12) aufweist und eine Dehnungsmembran (22), die am Behälter (18) in vorgewählter und beabstandeter Beziehung mit dem offenen Ende des Behälters (18) angebracht ist und den Elektrolyten (16) enthält, Anbringen einer Thermistoreinrichtung (26) an der Dehnungsmembran (22), um auf Temperaturänderungen der zugeführten Gasmischung zu reagieren, die dem Elektrolyten (16) übermittelt werden, Befestigen der Thermistoreinrichtung (26) an der Dehnungsmembran (22) mit einer Kühlkörpereinrichtung (34), um so im Wesentlichen zu verhindern, dass Temperaturänderungen der zugeführten Gasmischung direkt an die Thermistoreinrichtung (26) übertragen werden, so dass sowohl der Gassensor (10') als auch die Thermistoreinrichtung (26) auf Temperaturänderungen im Wesentlichen zur gleichen Zeit reagieren, Anbringen von Wärmeisoliermitteln (36, 38, 40) an der entgegengesetzten Seite der Thermistoreinrichtung (26) von der an der Dehnungsmembran (22) angebrachten Seite aus, wobei die Thermistoreinrichtung (26) isolierte Leitungsdrähte (26C) aufweist, die sich von dieser zum Ableiten elektrischer Temperaturausgleichssignale vom Gassensor (10') erstrecken, und Anordnen der Drähte (26C) mit den Wärmeisoliermitteln (36, 38, 40), so dass sie innerhalb der Isoliermittel (36, 38, 40) so enthalten sind, dass Temperaturänderungen der zugeführten und an die Thermistoreinrichtung (26) zu leitenden Gasmischung verhindert werden, und erlauben, dass die Drähte (26C) außerhalb des Gassensors (10') zugänglich sind.
  6. Verfahren zum Ausgleichen eines elektrochemischen Gassensors (10') nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Anbringens von Wärmeisoliermitteln (36, 38, 40) die Schritte beinhaltet, mehrere Wärmeisoliermittel (36, 38, 40) von jeweils unterschiedlicher vorgewählter Größe für die Wärmeisolierung der Thermistoreinrichtung (26) zu stapeln und die Leitungsdrähte (26C) der Thermistoreinrichtung (26) in isolierender Beziehung zwischen jedem der gestapelten mehreren Isoliermittel (36, 38, 40) spiralförmig anzubringen und so anzuordnen, dass sie außerhalb des Gassensors (10') zugänglich sind.
  7. Verfahren zum Ausgleichen eines elektrochemischen Gassensors (10') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des spiralförmigen Anbringens der Leitungsdrähte das Umwickeln der Leitungsdrähte (26C) in einer Spulenkonfiguration zwischen den gestapelten Isoliermitteln (36, 38, 40) umfasst.
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