DE9205313U1 - Device for monitoring the operating status of electrochemical sensors - Google Patents

Device for monitoring the operating status of electrochemical sensors

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DE9205313U1 DE9205313U DE9205313U DE9205313U1 DE 9205313 U1 DE9205313 U1 DE 9205313U1 DE 9205313 U DE9205313 U DE 9205313U DE 9205313 U DE9205313 U DE 9205313U DE 9205313 U1 DE9205313 U1 DE 9205313U1
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Description

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30.3.1992
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30.3.1992

Firma Conducta Gesellschaft für Meß- und Regeltechnik mbH & Co. , Dieselstr. 24, 7016 GerungenConducta GmbH & Co., Dieselstr. 24, 7016 Gerungen

Vorrichtung zur überwachung des Betriebszustands von elektrochemischen SensorenDevice for monitoring the operating status of electrochemical sensors

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und richtet sich speziell auf die Überwachung des Innenwiderstands von potentiometrischen Meßhalbzellen und deren Referenzhalbzellen. Bei einer bekannten überwachungsschaltung dieser Art (EP 86200640.0), die als Stand der Technik, auf welchen hier speziell Bezug genommen wird, auch in Fig. 2 dargestellt ist, wird periodisch über einen Vorwiderstand R1' und einen Schalter S-' eine vom Meßpotential abweichende Prüfungsspannung U ' an den Meßeingang E ' bzw. an den Referenzeingang gelegtThe invention is based on a device according to the preamble of claim 1 and is specifically directed to monitoring the internal resistance of potentiometric measuring half-cells and their reference half-cells. In a known monitoring circuit of this type (EP 86200640.0), which is also shown in Fig. 2 as prior art, to which special reference is made here, a test voltage U ' which differs from the measuring potential is periodically applied to the measuring input E ' or to the reference input via a series resistor R 1 ' and a switch S-'.

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und die Sprungantwort des aus Vorwiderstand, Zellen-Innenwiderstand R'pH und Kabelkapazität Ck bestehenden RC-Gliedes bestimmt, indem der Spannungsverlauf z.B. durch ein Sample- and Hold-Glied zu unterschiedlichen Zeiten nach dem Anlegen der Prüfspannung abgetastet wird. Verändert sich der Innenwiderstand der überwachten Zelle, so äußert sich dies in einer charakteristischen Änderung der Umladegeschwindigkeit, aus der auf einen eventuell vorhandenen Fehler geschlossen werden kann. Gegebenenfalls wird über einen weiteren Schalter eine zusätzliche Kapazität an den Meßeingang geschaltet, um zu längeren und daher leichter auswertbaren Umladezeiten zu kommen. Um im zeitlichen Mittel die Meßzelle nicht mit einem Gleichstrom zu belasten, der zu störender Polarisation oder elektrolytischen Zersetzungsvorgängen in der Zelle führen würde, können im Wechsel positive und negative Prüfspannungen aufgeschaltet werden.and the step response of the RC element consisting of series resistance, cell internal resistance R'pH and cable capacitance Ck is determined by sampling the voltage curve, e.g. using a sample and hold element, at different times after the test voltage is applied. If the internal resistance of the monitored cell changes, this is expressed in a characteristic change in the charge transfer rate, from which a possible error can be concluded. If necessary, an additional capacitance is connected to the measuring input via another switch in order to achieve longer and therefore easier to evaluate charge transfer times. In order not to load the measuring cell with a direct current over time, which would lead to disruptive polarization or electrolytic decomposition processes in the cell, positive and negative test voltages can be switched on alternately.

Da in der Regel neben einer solchen pH-empfindlichen Halbzelle, die hier als die Erfindung nicht einschränkendes Beispiel zum besseren Verständnis angezogen wird, und der Referenzhalbzelle ein Potentialausgleichsstift PA' ins Meßmedium eintaucht, gelingt es mit dem beschriebenen Schema, beide Halbzellen getrennt auf ihren Fehlerzustand zu überwachen. Wegen der sehr verschiedenen Innenwiderstände müssen die beiden Teilschaltungen unterschiedlich dimensioniert werden.Since a potential equalization pin PA' is usually immersed in the measuring medium next to such a pH-sensitive half-cell, which is used here as a non-limiting example for better understanding of the invention, and the reference half-cell, the described scheme makes it possible to monitor both half-cells separately for their fault status. Due to the very different internal resistances, the two sub-circuits must be dimensioned differently.

Bei diesem bekannten, aus der Darstellung der Fig.l hervorgehenden Prüfverfahren, wie auch bei allen ande-In this known test procedure, which is shown in Fig. 1, as well as in all other

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ren Überwachungsschaltungen, auf die im folgenden noch eingegangen wird und die darauf beruhen, daß elektrisch direkt, mindestens jedoch indirekt auf den Meßeingang eingegriffen wird, können sich erhebliche Probleme dadurch ergeben, daß die hierzu notwendigen ein oder mehreren Schalter, wie z. B. Sl' in Fig. 1,den Signalknoten zwischen pH-Meßzelle und dem nachgeschalteten Eingangsverstärker belasten. Nach dem Stand der Technik haben pH-Elektroden üblicherweise Innenwiderstände bis zu mehreren GigaohmWith other monitoring circuits, which will be discussed below and which are based on the fact that the measuring input is electrically directly or at least indirectly intervened, considerable problems can arise because the one or more switches required for this, such as Sl' in Fig. 1, load the signal node between the pH measuring cell and the downstream input amplifier. According to the state of the art, pH electrodes usually have internal resistances of up to several gigaohms

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(mehrere 10 Ohm). Demgegenüber sind auch die besten elektronischen Schalter im geöffneten Zustand nicht beliebig hochohmig, so daß sie gegebenenfalls das Signal des pH-Sensors verfälschen. Die erforderliche Meßgenauigkeit ist daher in vielen Anwendungsfällen nicht erzielbar. Bei der genannten EP 86200640 (Yokogawa), aber z. B. auch bei der aus der EP 0419769 bekannten Überwachungsschaltung, die weiter unten noch erläutert wird, besteht zusätzlich die Anforderung, daß zur Auswertung der Abfragezeitpunkt exakt eingehalten werden muß; dies erschwert die Realisierung der üblicherweise auf einem Mikrorechner implementierten Auswertesoftware.
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(several 10 ohms). In contrast, even the best electronic switches do not have an arbitrarily high resistance when open, so that they may distort the signal from the pH sensor. The required measurement accuracy is therefore not achievable in many applications. In the aforementioned EP 86200640 (Yokogawa), but also, for example, in the monitoring circuit known from EP 0419769, which is explained further below, there is an additional requirement that the query time must be adhered to exactly for evaluation; this makes it difficult to implement the evaluation software that is usually implemented on a microcomputer.

Allgemein ist die Messung des pH-Potentials mit Glaselektroden eine der häufigsten Meßaufgaben der Prozeßtechnik. Die pH-empfindliche Halbzelle kann dabei in einfacher Näherung, wie in Fig. 1 schon gezeigt, durch eine Urspannung U „ und einen Innenwi-In general, the measurement of the pH potential with glass electrodes is one of the most common measuring tasks in process engineering. The pH-sensitive half-cell can be described in a simple approximation, as shown in Fig. 1, by a primary voltage U " and an internal resistance

P"P"

derstand R „ dargestellt werden. Typische Werte für pHresistance R ". Typical values for pH

U „ liegen zwischen -400 mV und +400 mV, Extremwerte P"U "are between -400 mV and +400 mV, extreme values P"

für R „ zwischen 50 KQ und 10 &THgr;&OHgr;, abhängig vom verwenpn for R„ between 50 KQ and 10 &THgr;&OHgr;, depending on the used

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deten Sensorglas und der Einsatztemperatur. Andere potentiometrische Sensoren, zum Beispiel ionensensitive Meßelektroden (ISE), haben vergleichbare Eigenschaften; wenn nachfolgend zur Vereinfachung lediglich von pH-Meßzellen gesprochen wird, sind derartige und alle sonstigen vergleichbaren Sensoren und Meßzellen daher immer eingeschlossen.sensor glass and the operating temperature. Other potentiometric sensors, for example ion-sensitive measuring electrodes (ISE), have comparable properties; if, for the sake of simplicity, only pH measuring cells are referred to below, these and all other comparable sensors and measuring cells are therefore always included.

Die pH-empfindliche Glasmembran der Meßelektrode trennt den Innenraum der Halbzelle vom umgebenden Meßmedium. Wird diese Membran beschädigt (Haarrisse) oder zerstört, so kann das Meßpotential verfälscht bzw. gegen das Bezugspotential kurzgeschlossen werden. Hierdurch werden unrichtige Meßwerte vorgetäuscht; dies kann besonders gefährlich sein, wenn eine Meßspannung = 0 Volt erwartet wird, in Wahrheit aber der zugehörige korrekte pH-Wert längst verlassen ist.The pH-sensitive glass membrane of the measuring electrode separates the interior of the half-cell from the surrounding measuring medium. If this membrane is damaged (hairline cracks) or destroyed, the measuring potential can be falsified or short-circuited against the reference potential. This can simulate incorrect measured values; this can be particularly dangerous if a measuring voltage of 0 volts is expected, but in reality the corresponding correct pH value has long since been exceeded.

Meßtechnische Schwierigkeiten können sich andererseits auch ergeben, wenn sich durch chemische Vorgänge die Glasmembran in ihrer Struktur so ändert, daß eine gravierende Widerstandserhohung eintritt und dann das Meßsystem aufgrund seiner unvermeidlichen Eingangskapazität sehr langsam wird.On the other hand, measurement difficulties can also arise if chemical processes change the structure of the glass membrane in such a way that a serious increase in resistance occurs and then the measuring system becomes very slow due to its unavoidable input capacitance.

Daher ist z.B. die Überwachung der Glasmembran ein wichtiger sicherheitstechnischer Bereich in der elektrochemischen Analysentechnik.Therefore, monitoring the glass membrane, for example, is an important safety-related area in electrochemical analysis technology.

Eine entsprechende uberwachungsaufgabe liegt auch auf der Seite der Referenzhalbzelle vor, die die pH-Halbzelle zu einer vollständigen Meßkette ergänzt.A corresponding monitoring task also exists on the side of the reference half-cell, which complements the pH half-cell to form a complete measuring chain.

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Diese Referenzhalbzelle hat die Aufgabe, einen leitenden Kontakt mit wohldefiniertem Kontaktpotential zum Meßmedium herzustellen. Hierzu wird zum Beispiel über Kapillaren, poröse Materialien oder andere Mittel eine Elektrolytbrücke gebildet, die den Außenraum mit dem Inneren der Halbzelle verbindet. Es besteht die Gefahr, daß im Betrieb diese leitfähige Brücke durch Schmutz oder Ablagerungen verblockt wird und daß damit ein unrichtiger pH-Wert vorgetäuscht wird. Typische Werte für den Durchgangswiderstand von Referenzhalbzellen liegen unter oder um 1 kti, im Fehlerfall ändert sich dieser Widerstand auf einige kf2 oder mehr. Das Erkennen einer Widerstandserhöhung kann dazu ausgenutzt werden, (gegebenenfalls automatisch) einen Reinigungsvorgang für die Meßkette auszulösen; ist Reinigen erfolglos, so muß ein Sensortausch vorgenommen werden.The purpose of this reference half-cell is to establish a conductive contact with a well-defined contact potential to the measuring medium. For this purpose, an electrolyte bridge is formed, for example, using capillaries, porous materials or other means, which connects the outside with the inside of the half-cell. There is a risk that this conductive bridge will be blocked by dirt or deposits during operation, thus creating an incorrect pH value. Typical values for the volume resistance of reference half-cells are less than or around 1 kti; in the event of a fault, this resistance changes to several kf2 or more. The detection of an increase in resistance can be used to initiate a cleaning process for the measuring chain (if necessary automatically); if cleaning is unsuccessful, the sensor must be replaced.

Im Zusammenhang mit diesen genannten Überwachungsbereichen sind daher auch schon eine Vielzahl weiterer Lösungsansätze bekannt geworden.In connection with these monitoring areas, a large number of other solutions have already become known.

So wird zum Beispiel in US 3661748 über eine Hilfselektrode ein Wechselstrom ins Meßmedium eingespeist. Bei Beschädigung der Glasmembran tritt am Kontakt der Meßelektrode ein Wechselspannungssignal auf, das als Fehlerindikator dient.For example, in US 3661748, an alternating current is fed into the measuring medium via an auxiliary electrode. If the glass membrane is damaged, an alternating voltage signal appears at the contact of the measuring electrode, which serves as an error indicator.

In der US 49611163 (Bryan) wird vorgeschlagen, zwischen zwei Hilfselektroden periodisch einen Gleichstrom fließen zu lassen. Die dadurch hervorgerufene Wasserelektrolyse hebt kurzzeitig den pH-Wert an,In US 49611163 (Bryan) it is proposed to periodically allow a direct current to flow between two auxiliary electrodes. The resulting water electrolysis briefly raises the pH value,

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so daß die korrekte Funktion der Meßkette geprüft werden kann.so that the correct function of the measuring chain can be checked.

Beide genannten Verfahren können zumindest insofern problematisch sein, daß sie durch die Hilfselektroden den Sensoreinbau unnötig erschweren und zusätzlich einen erheblichen Aufwand an elektronischen Schaltungsmitteln benötigen. Both of the methods mentioned can be problematic at least in that they make sensor installation unnecessarily difficult due to the auxiliary electrodes and also require a considerable amount of electronic circuitry.

In der US 4189367 wird ebenfalls über Schaltmittel periodisch ein Strom wechselnder Amplitude zwischen den Meßzellen und einem Potentialausgleichsstift eingeprägt. Der entstehende Spannungsabfall ist ein Maß für die Höhe des Innenwiderstands der Zellen. Ein ähnliches Verfahren benutzt die schon erwähnte EP 0419769A2, wobei hier noch zusätzlich der zeitliche Verlauf des Prüfsignales zur Klassifizierung unterschiedlicher Fehler herangezogen werden soll. Ein Nachteil dieser Technik ist, daß durch unterschiedliche Kabelkapazitäten bei der Installation der Meßstelle unterschiedliche Umladezeiten entstehen; die Auswertung muß dies in geeigneter Weise berücksichtigen. Die genannte Einschränkung gilt für alle Verfahren, die den Zeitvorgang der Umladung ausnützen.In US 4189367, a current of varying amplitude is also periodically impressed between the measuring cells and a potential equalization pin using switching means. The resulting voltage drop is a measure of the level of the internal resistance of the cells. A similar method is used in the aforementioned EP 0419769A2, whereby the temporal progression of the test signal is also used to classify different errors. A disadvantage of this technology is that different cable capacities result in different recharge times when installing the measuring point; the evaluation must take this into account in an appropriate manner. The above-mentioned restriction applies to all methods that utilize the time process of recharge.

Schließlich wird in der DE 4001274A1, und zwar in deren Unteranspruch 18, eine prinzipielle Lösungsmöglichkeit für die erwähnten Schwierigkeiten angedeutet, indem über mehrere elektronische Schalter und eine zusätzliche Verstärkerstufe erreicht wird, daß während der Meßphase am eigentlichen Prüfschalter Sl eine Spannung U1 anliegt, die identisch mit derFinally, in DE 4001274A1, namely in its subclaim 18, a fundamental solution for the problems mentioned is indicated by using several electronic switches and an additional amplifier stage to ensure that during the measuring phase a voltage U 1 is applied to the actual test switch Sl which is identical to the

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Spannung am Meßeingang ist. Über den Schalter S^ fließt daher kein Strom und die Meßspannung wird nicht verfälscht. Allerdings ist der elektronische Aufwand, der in DE 4001274 für die Erreichung dieses Zieles angegeben wird, besonders hoch.Voltage at the measuring input. Therefore, no current flows through the switch S^ and the measuring voltage is not distorted. However, the electronic effort specified in DE 4001274 for achieving this goal is particularly high.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsschaltung für Sensoren in der analytischen Chemie, insbesondere eine elektronische Überwachungsschaltung zu schaffen, die den hochgenauen Meßvorgang durch ihre Anwesenheit nicht beeinträchtigt und gleichzeitig kostengünstig und mit sehr einfachen Schaltungsmitteln, daher ohne größeren Aufwand, das gesteckte Ziel erreicht.The present invention is therefore based on the object of creating a monitoring circuit for sensors in analytical chemistry, in particular an electronic monitoring circuit, which does not impair the highly precise measuring process through its presence and at the same time achieves the set goal inexpensively and with very simple circuit means, therefore without major expenditure.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des ersten Vorrich-cungsanspruchs und hat den Vorteil, daß zur Innenwiderstandsmessung von elektrochemischen Sensoren, speziell potentiometrischen Sensoren und deren Referenzhalbzellen eine Prüfspannung, beispielsweise über einen Widerstand, auf den Meßeingang gegeben werden kann, ohne daß die hierfür erforderlichen Schaltmittel in den Meßphasen eine Belastung der Sensorspannung darstellen und ohne daß für die Auswertung ein genaues Zeitschema eingehalten werden muß.The invention solves this problem with the features of claim 1 or the first device claim and has the advantage that for measuring the internal resistance of electrochemical sensors, especially potentiometric sensors and their reference half-cells, a test voltage can be applied to the measuring input, for example via a resistor, without the switching means required for this representing a load on the sensor voltage in the measuring phases and without a precise time schedule having to be observed for the evaluation.

Dabei ist von besonderem Vorteil, daß zur Realisierung der erfindungsgemäßen Elektrodenüberwachung mit ein-It is particularly advantageous that the electrode monitoring according to the invention can be implemented with

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fachsten Schaltungsmitteln gearbeitet werden kann, wobei auch auf Präzisionsschaltmittel oder Präzisionswiderstände bei der Realisierung der Erfindung nicht zurückgegriffen zu werden braucht. Die durch die Erfindung gewährleistete Elektrodenüberwachung eignet sich sowohl für den eigentlichen Meßsensor, beispielsweise eine pH-empfindliche Halbzelle als auch für deren Referenzhalbzellen in gleicher Weise, bei entsprechender Wahl einer geeigneten Dimensionierung.The simplest circuit means can be used, whereby there is no need to resort to precision switching means or precision resistors when implementing the invention. The electrode monitoring provided by the invention is suitable both for the actual measuring sensor, for example a pH-sensitive half-cell, and for its reference half-cells in the same way, provided that suitable dimensions are selected.

Auch wenn der Innenwiderstand der pH-Meßzelle sehr niedrige Werte, beispielsweise um 50 kfl annimmt, ist es durch entsprechende Bemessung der verwendeten einfachen Widerstände möglich, korrekte Meßwerte zu gewährleisten. Even if the internal resistance of the pH measuring cell assumes very low values, for example around 50 kfl, it is possible to ensure correct measurement values by appropriately dimensioning the simple resistors used.

So läßt sich die der Erfindung zugrunde liegende Schaltung einerseits so dimensionieren, daß eine quantitative Bestimmung des Innenwiderstandes RpH einer pH-Meßzelle im Bereich von 50 k&OHgr; bis 1 &Mgr;&OHgr; gelingt. Auf diese Weise ist neben einer vollständigen Zerstörung . der Glasmembran auch das Auftreten von Haarrissen sicher detektierbar.Thus, the circuit on which the invention is based can be dimensioned in such a way that a quantitative determination of the internal resistance RpH of a pH measuring cell in the range from 50 kΩ to 1 μΩ is possible. In this way, in addition to complete destruction of the glass membrane, the occurrence of hairline cracks can also be reliably detected.

Die erfindungsgemäße Schaltung läßt andererseits aber auch Dimensionierungen zu, die eine Widerstandserhöhung aufgrund von Membranveränderungen sicher nachweisen können.On the other hand, the circuit according to the invention also allows for dimensions that can reliably detect an increase in resistance due to membrane changes.

Dabei kann der Ansteuer- und Auswertevorgang so eingerichtet werden, daß ein gesamter Prüfzyklus sehr schnell, beispielsweise in weniger als 300 ms abge-The control and evaluation process can be set up so that an entire test cycle can be completed very quickly, for example in less than 300 ms.

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arbeitet werden kann. Für Messungen mit pH-Elektroden oder ionensensitiven Elektroden ist die Zeitdauer einer solchen Unterbrechung in jedem Fall belanglos.can be worked on. For measurements with pH electrodes or ion-sensitive electrodes, the duration of such an interruption is in any case irrelevant.

Auch für eine Referenzelektrode läßt sich eine Dimensionierung vorgeben, die einen sicheren Nachweis beispielsweise der Verblockung des Elektrolytpfades gestattet. A dimensioning can also be specified for a reference electrode, which allows reliable detection, for example, of blockage of the electrolyte path.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, indem von der Elekodenuberwachungsschaltung umfaßten positiven Ruckkopplungszweig einen zweiten Schalter einzuführen, der in den Meßphasen ebenfalls geöffnet und während der Prüfphase geschlossen ist. Durch diesen zweiten Schalter wird sichergestellt, daß auch bei sehr niederohmigem Rückkopplungspfad die korrekte Funktion des als Verstärker hier vorgesehenen Operationsverstärkers in Form eines Spannungsfolgers gewährleistet ist.The measures listed in the subclaims enable advantageous further developments and improvements of the invention. Particularly advantageous is the possibility of introducing a second switch in the positive feedback branch included in the electrode monitoring circuit, which is also open in the measuring phases and closed during the test phase. This second switch ensures that the operational amplifier in the form of a voltage follower provided here as an amplifier functions correctly even with a very low-impedance feedback path.

Schließlich besteht ein weiterer Vorteil darin, daß der Widerstand Rl, über den die Prüfspannung über einen Schalter während der Prüfzyklen zugeschaltet wird, so niederohmig gewählt werden kann, daß die Umladung des diesen Widerstand Rl umfassenden RC-Glieds bereits nach sehr kurzer Zeit, beispielsweise nach einigen 10 ms abgeschlossen ist.Finally, a further advantage is that the resistance Rl, via which the test voltage is switched on via a switch during the test cycles, can be selected to be so low-resistance that the charge reversal of the RC element comprising this resistance Rl is completed after a very short time, for example after a few 10 ms.

Man ist daher nicht gezwungen, den Zeitvorgang der Umladung zu messen, wie das bei anderen vorgeschlage-One is therefore not forced to measure the time process of the reloading, as is the case with other proposed

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nen Verfahren der Fall ist, sondern man kann die Endspannung zur Beurteilung des Membranzustandes heranziehen. Damit steigt die Genauigkeit der Auswertung und die Anforderungen an die steuernde Schaltung bleiben zugleich gering, weil der Abfragezeitpunkt nicht genau festgelegt werden muß. Es muß auch nicht sehr lange gewartet werden, bis die Spannung stabil ist, wie dies bei anderen Vorschlägen der Fall ist. Die Prüfzeit kann daher klein gegenüber der Meßzeit gehalten werden.This is not the case with any other method, but the final voltage can be used to assess the condition of the membrane. This increases the accuracy of the evaluation and the requirements for the control circuit remain low at the same time, because the query time does not have to be precisely determined. There is also no need to wait very long until the voltage is stable, as is the case with other proposals. The test time can therefore be kept short compared to the measurement time.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail in the following description. They show:

Fig. 1 eine erste einfache Ausfuhrungsform einer Überwachungsschaltung nach vorliegender Erfindung für Elektroden in der elektrochemischen Analysenmeßtechnik, wobei in GegenüberstellungFig. 1 shows a first simple embodiment of a monitoring circuit according to the present invention for electrodes in electrochemical analysis measurement technology, wherein in comparison

Fig. 2 den elektrischen Schaltungsaufbau einer zum Stand der Technik gehörenden Elektrodenüberwachungsschaltung angibt, bei welcher die Prüfspannung über einen Schalter auf den mit der Meßelektrode verbundenen Eingang eines Operationsverstärkers gegeben wird,Fig. 2 shows the electrical circuit structure of a prior art electrode monitoring circuit, in which the test voltage is applied via a switch to the input of an operational amplifier connected to the measuring electrode,

Fig. 3 eine um einen weiteren Schalter erweiterte Elektrodenüberwachungsschaltung zur Aufrechterhaltung der korrekten Funktion des eingesetzten Operationsverstärkers als Spannungsfolger,Fig. 3 an electrode monitoring circuit extended by an additional switch to maintain the correct function of the operational amplifier used as a voltage follower,

Fig. 4 eine vervollständigte Auswerteschaltung unterFig. 4 a completed evaluation circuit under

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Einschluß der Elektrodenüberwachungsschaltung der Figuren 2 bzw. 3 undInclusion of the electrode monitoring circuit of Figures 2 and 3 and

Fig. 5 in Form eines Diagramms Spannungsverläufe eines kompletten Prüfzyklus.Fig. 5 shows the voltage curves of a complete test cycle in diagram form.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, während des Meßbetriebs einen aus der Elektrodenüberwachungsschaltung resultierenden störenden Fehlerstrom, der aus dem Schalter zum Meßeingang eines nachgeschalteten Verstärkers fließen kann, über den die Prüfschaltung zugeschaltet wird, zu verhindern.The basic idea of the present invention is to prevent a disturbing fault current resulting from the electrode monitoring circuit during the measuring operation, which can flow from the switch to the measuring input of a downstream amplifier via which the test circuit is connected.

Eine Möglichkeit, diesen Fehlerstrom zu unterbinden, besteht darin, daß man während des Meßzyklus dafür sorgt, daß am Verstärkereingang und am Anschluß des Scnalters gleiches Potential besteht. Unter diesen Umständen ist es unerheblich, wie der Schalter selbst ausgebildet ist, ob er im geöffneten Zustand einen sehr hohen oder niedrigen Widerstand hat, denn die Potentialidentität verhindert ersichtlich das Fließen jedes, einen verfälschenden Einfluß auf das eigentliche Meßsignal ausübenden Stroms.One way to prevent this error current is to ensure that the amplifier input and the switch connection have the same potential during the measurement cycle. Under these circumstances, it is irrelevant how the switch itself is designed, whether it has a very high or low resistance when open, because the potential identity clearly prevents the flow of any current that could have a distorting effect on the actual measurement signal.

In der Darstellung der Fig. 1 ist der Sensor durch das Ersatzschaltbild seines Innenwiderstandes R „In the illustration in Fig. 1, the sensor is represented by the equivalent circuit of its internal resistance R„

ptlptl

und der von ihm abgegebenen Urspannung oder Meßspannung U „ dargestellt. Dem Sensor ist ein Operations-and the original voltage or measuring voltage U " emitted by it. The sensor is an operating

pti.pti.

verstärker OPV nachgeschaltet, dessen nicht invertierendem, also positivem Eingang EM die Ausgangsspan-amplifier OPV, whose non-inverting, i.e. positive input E M is the output voltage

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nung des Sensors zugeführt ist, wobei dem Sensor eine Kapazität C^ parallel geschaltet ist, die stellvertretend für alle im Bereich des Sensors, aber auch beispielsweise als Kabelkapazität auftretenden Kapazitäten steht.voltage of the sensor, whereby a capacitance C^ is connected in parallel to the sensor, which represents all capacitances occurring in the area of the sensor, but also, for example, as cable capacitance.

Der Operationsverstärker OPV stellt einen perfekten Spannungsfolger dar, da der Ausgangsanschluß A unmittelbar auf den invertierenden Eingangsanschluß Ev rückgeschaltet ist.The operational amplifier OPV represents a perfect voltage follower, since the output terminal A is directly connected to the inverting input terminal E v .

Die Zuführung der Prüfspannung U erfolgt über einen durch sein öffnen bzw. Schließen den Betriebs- bzw. Prüfzyklus bestimmenden Schalter S,, wobei die Prüfspannung auf einen Schaltungspunkt P1 gelangt, gebildet von dem Verbindungspunkt zweier Widerstände R1 und R-, die ebenfalls den Ausgang A des Operationsverstärkers auf dessen Eingangsanschluß E.. rückkoppeln. The test voltage U is supplied via a switch S, which determines the operating or test cycle by its opening or closing, whereby the test voltage reaches a circuit point P 1 , formed by the connection point of two resistors R 1 and R-, which also feed back the output A of the operational amplifier to its input terminal E..

In bekannter Weise stellt der Operationsverstärker OPV aufgrund der in Fig.1 dargestellten Beschaltung einen sehr hochohmigen Spannungsfolger der Verstärkung V=I dar, daher ist die Spannung am Ausgang A gleich der am Meßeingang EM anliegenden Spannung.As is known, the operational amplifier OPV represents a very high-impedance voltage follower with gain V=I due to the circuitry shown in Fig.1, therefore the voltage at output A is equal to the voltage at measuring input E M.

Wird nun der Widerstand R-, der in Reihe mit dem Widerstand R^ die Ausgangsspannung zum positiven Eingang (Meßeingang EM) des Operationsverstärkers zurückführt, klein gehalten gegenüber dem Restwiderstand des Schalters S, im geöffneten Zustand, was sich auch unter Einsatz handelsüblicher Bauelemente sehr leicht errei-If the resistance R-, which in series with the resistance R^ returns the output voltage to the positive input (measurement input E M ) of the operational amplifier, is kept small compared to the residual resistance of the switch S in the open state, which can also be achieved very easily using commercially available components,

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chen läßt, dann ergibt sich unabhängig von der Größe der am Schalter anliegenden Prüfspannung U am Schaltungspunkt P. in sehr guter Näherung die gleiche Spannung wie am Schaltungspunkt P-, der den Signalknoten bildet und mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Mit anderen Worten, das Potential der beiden Schaltungspunkte oder Knoten P. und P- ist identisch. Diese Phase stellt daher den Meßbetrieb der in Fig.1 gezeigten Schaltung dar, bei dem wegen der identischen Potentiale von P. und P- zum Meßeingang EM kein Fehlerstrom über den Widerstand R, fließen kann, so daß das Meßsignal der in diesem Fall dargestellten pH-Zelle aus Urspannung U „ und Innenwiderstand R_„ auchchen, then, regardless of the size of the test voltage U applied to the switch, the same voltage is obtained at the circuit point P. as at the circuit point P-, which forms the signal node and is connected to the input of the amplifier. In other words, the potential of the two circuit points or nodes P. and P- is identical. This phase therefore represents the measuring operation of the circuit shown in Fig.1, in which, due to the identical potentials of P. and P- to the measuring input E M , no fault current can flow through the resistor R,, so that the measuring signal of the pH cell shown in this case from the original voltage U "and internal resistance R_" also

ptl ptlptl-ptl-ptl

nicht verfälscht werden kann.cannot be falsified.

Dabei setzt für die korrekte Funktion die in Fig.1 gezeigte Schaltung lediglich voraus, daß im Meßbetrieb die von den Widerständen R-, und R- gebildete, auf den positiven Eingangsanschluß EM des Operationsverstärkers zurückgeführte (positive) Rückkopplung nicht so niederohmig werden darf, daß der Operationsverstärker nicht mehr als Spannungsfolger mit V=I arbeiten kann.For the correct function, the circuit shown in Fig.1 only requires that during measuring operation the (positive) feedback formed by the resistors R-, and R- and fed back to the positive input terminal E M of the operational amplifier must not become so low-impedance that the operational amplifier can no longer work as a voltage follower with V=I.

Die weitere Funktion der Schaltung in Fig. 1 ist dann so, daß während eines den Meßbetrieb oder Meßzyklus ablösenden Prüfzyklus, beispielsweise Überprüfung der Meßzellenmembran, der Schalter S, geschlossen wird. Der Durchlaßwiderstand des Schalters ist jetzt klein gegen den Wert von R2· Dann nimmt der Knoten P. in sehr guter Näherung das Prüfpotential U an. Der Meßeingang E„ wird daher umgeladen mit einer Zeit-The further function of the circuit in Fig. 1 is then such that during a test cycle replacing the measuring operation or measuring cycle, for example checking the measuring cell membrane, the switch S is closed. The forward resistance of the switch is now small compared to the value of R 2. Then the node P. assumes the test potential U in very good approximation. The measuring input E" is therefore recharged with a time

. 1 &idiagr; *. 1 &id; *

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konstante, die sich aus der Gesamtkapazität C, und der Parallelschaltung der Widerstände R „ und R1 ergibt.constant resulting from the total capacitance C and the parallel connection of the resistors R " and R 1 .

ptl &igr;ptl &igr;

C, wird im wesentlichen von der Kabelkapazität der Sensoranschlußleitung gebildet; typische Werte können zwischen 100 pF und einigen nF liegen. Die Zielspannung der Umladung errechnet sich in bekannter Weise aus den Spannungen U o, U und den Widerständen R „ und R1.C is essentially formed by the cable capacitance of the sensor connection cable; typical values can be between 100 pF and several nF. The target voltage of the charge transfer is calculated in a known manner from the voltages U o , U and the resistances R " and R 1 .

pn S pn Xpn S pn X

In der Dimensionierung von R1 und U herrscht große Freiheit, so daß man die für ein bestimmtes Auswerteverfahren günstigste Kombination wählen kann. Am Ausgang A des Verstärkers kann die zeitveränderliche Spannung abgenommen und ausgewertet werden.There is a great deal of freedom in the dimensioning of R 1 and U, so that the most suitable combination for a particular evaluation method can be selected. The time-varying voltage can be taken from output A of the amplifier and evaluated.

Wie erwähnt, eignet sich die geschilderte Anordnung für eine Referenzhalbzelle in gleicher Weise, wenn eine geeignete Dimensionierung gewählt wird.As mentioned, the arrangement described is equally suitable for a reference half-cell if a suitable dimensioning is chosen.

Wenn der Innenwiderstand der pH-Meßzelle sehr niedrige Werte um 50 kti annimmt, was zum Beispiel mit speziellen Elektroden bei sehr hohen Meßtemperaturen eintreten kann, so muß der Widerstand R1 ebenfalls einen kleinen Wert haben, damit der Teilungsfaktor zwischen dem Innenwiderstand und R. für die Auswertung groß genug ist. In diesem Fall kann der Rückkopplungspfad R2+R-1 so niederohmig werden, daß eine korrekte Funktion des Operationsverstärkers als Spannungsfolger schwierig wird oder nicht mehr gewährleistet ist.If the internal resistance of the pH measuring cell assumes very low values of around 50 kTi , which can occur, for example, with special electrodes at very high measuring temperatures, the resistance R1 must also have a small value so that the division factor between the internal resistance and R is large enough for the evaluation. In this case, the feedback path R2+R-1 can become so low-resistance that correct function of the operational amplifier as a voltage follower becomes difficult or is no longer guaranteed.

Abhilfe schafft dann entsprechend Fig. 4 die Einführung eines zweiten Schalters S- im positiven Rückkopplungszweig, der in den Meßphasen ebenfalls geöffnet und während der Prüfphase geschlossen ist. Ein weite-The solution is then, as shown in Fig. 4, to introduce a second switch S- in the positive feedback branch, which is also open during the measurement phases and closed during the test phase.

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res Steuersignal ist daher nicht erforderlich. Der Zusatzaufwand für S2 ist vernachlässigbar, da üblicherweise mehrere elektronische Schalter in einem Gehäuse vereint sind.A new control signal is therefore not required. The additional effort for S 2 is negligible, since several electronic switches are usually combined in one housing.

Entsprechend Fig. 4 sind daher jetzt im positiven Rückkopplungszweig, gebildet von den Widerständen R. und R2 zwei Schalter S1 und S2 vorgesehen, wobei der zweite Schalter S2 die Verbindung zwischen den beiden Widerständen R. und R2 auftrennt bzw. schließt - synchron zur Schalterbewegung von S1, während der Schalter S1 die am Ausgang eines Tiefpaßfilters mit Operationsverstärker PPO anliegende Prüfspannung UAccording to Fig. 4, two switches S 1 and S 2 are now provided in the positive feedback branch, formed by the resistors R. and R 2 , whereby the second switch S 2 opens or closes the connection between the two resistors R. and R 2 - synchronously with the switch movement of S 1 , while the switch S 1 switches the test voltage U present at the output of a low-pass filter with operational amplifier PPO.

auf den positiven Rückkopplungszweig schaltet. Erkennbar kann aufgrund des Vorhandenseins dieses zweiten Schalters S2 nunmehr der Widerstand R-, auch (beliebig) niederohmig gewählt werden, da durch den während des Meßbetriebs geöffneten Schalter S2 dieser positive Rückkopplungs zweig hochohmig genug ist, um die korrekte Funktion der Operationsverstärker als Spannungsfolgen sicherzustellen.switches to the positive feedback branch. Due to the presence of this second switch S 2 , the resistance R- can now also be selected to be (arbitrarily) low-resistance, since the switch S 2 being open during measurement operation means that this positive feedback branch is high enough to ensure the correct function of the operational amplifiers as voltage sequences.

Die Figuren 4 und 5 zeigen ein bevorzugtes einfaches Auswerteverfahren bei der Überwachung von Elektroden, wobei die Fig. 4 die Schaltungskomponenten der Fig.3 umfaßt, erweitert um einen Microcontroller 11 und seine Beschaltung. Der Ausgangsport P des Rechners liefert das Steuersignal für die beiden synchronen Schalter S1 und S2- Die Prüfspannung U kann in üblicher Weise erzeugt werden durch einen pulsweitenmodulierten Pulszug PWM mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter mit Operationsverstärker PPO oder durch einen anderen üblichen Analog/Digital-Wandler. Schließlich wird dasFigures 4 and 5 show a preferred simple evaluation method for monitoring electrodes, whereby Figure 4 comprises the circuit components of Figure 3, expanded by a microcontroller 11 and its circuitry. The output port P of the computer supplies the control signal for the two synchronous switches S 1 and S 2 - The test voltage U can be generated in the usual way by a pulse width modulated pulse train PWM with a downstream low-pass filter with operational amplifier PPO or by another conventional analog/digital converter. Finally, the

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Ausgangssignal U- des Impedanzwandlers (Operationsverstärker OPV) über einen Analog-Digitalwandler ADW gemessen, der Teil des Rechners oder ein separater Baustein sein kann.The output signal U- of the impedance converter (operational amplifier OPV) is measured via an analog-digital converter ADW which can be part of the computer or a separate component.

In Fig. 5 ist ein kompletter Prüfzyklus dargestellt.A complete test cycle is shown in Fig. 5.

- Zur Zeit t < T1 (Meßbetrieb) hat Ug beliebige Werte, bevorzugt aber wird U in etwa der Meßspannung U, am Ausgang A des Verstärkers nachgeführt.- At time t < T 1 (measurement operation) U g has arbitrary values, but preferably U is adjusted to approximately match the measuring voltage U 1 at the output A of the amplifier.

- Zum Zeitpunkt T1 werden die Schalter geschlossen und U auf eine erste Prüf spannung U ..£1 gesetzt. Die Spannung an der pH-Meßzelle lädt sich nun je nach Kabelkapazität und Innenwiderstand mit unterschiedlicher Geschwindigkeit - um auf einen Endwert- At time T 1 the switches are closed and U is set to a first test voltage U .. £1 . The voltage at the pH measuring cell now charges at different speeds depending on the cable capacity and internal resistance - in order to reach a final value

Uprüfl'RpH } / ( Rl + RpH U testl' R pH } / ( R l + R pH

2 folgt dieser Spannung. Aus dem Endwert wird errechnet, ob R &ldquor; im sicheren Bereich liegt oder ob pn2 follows this voltage. From the final value it is calculated whether R "is in the safe range or whether pn

eine Beschädigung oder Degenierung der Membran vorliegt.there is damage or degeneration of the membrane.

- Zum Zeitpunkt T_ wird bei weiterhin geschlossenen Schaltern U auf eine zweite Prüfspannung U &ggr;^&PSgr;7 gesetzt. Zeitdauer und Wert werden so gewählt, daß im Mittel der Strom durch die Meßzelle = 0 wird, so daß keine Schädigung der Zelle eintreten kann.- At time T_, with the switches U still closed, a second test voltage U γ ^�PS7 is set. The time period and value are selected so that on average the current through the measuring cell = 0, so that no damage to the cell can occur.

Ist die anfängliche Meßspannung negativ, so wird zuerst eine positive Prüfspannung, dann eine nega-If the initial measuring voltage is negative, first a positive test voltage is applied, then a negative

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tive Prüfspannung aufgegeben, sonst umgekehrt. Das auswertbare Prüfsignal ist dann immer hinreichend groß.tive test voltage is applied, otherwise vice versa. The test signal that can be evaluated is then always sufficiently large.

- Zum Zeitpunkt T-. wird U auf die ursprüngliche Meßspannung zurückgesetzt, gegebenenfalls auch auf eine Meßspannung, die sich aus einer Vorhersage aus dem Zeitverlauf vor dem Prüfzyklus ergibt. Nachdem der Meßeingang sich auf diese Spannung eingestellt hat, kann zum Zeitpunkt T4 der Meßbetrieb wieder aufgenommen werden.- At time T-, U is reset to the original measuring voltage, or possibly to a measuring voltage that results from a prediction from the time course before the test cycle. After the measuring input has adjusted to this voltage, the measuring operation can be resumed at time T 4 .

Die in Fig. 5 unten angegebenen Zeiten sind Richtwerte; sie werden im wesentlichen durch die Arbeitsgeschwindigkeit des angeschlossenen Rechners bestimmt.The times given in Fig. 5 below are approximate values; they are essentially determined by the operating speed of the connected computer.

Abschließend wird darauf hingewiesen, daß die Ansprüche und insbesondere der Hauptanspruch Formulierungsversuche der Erfindung ohne umfassende Kenntnis des Stands der Technik und daher ohne einschränkende Präjudiz sind. Daher bleibt es vorbehalten, alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale sowohl einzeln für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander als erfindungswesentlich anzusehen und in den Ansprüchen niederzulegen sowie den Hauptanspruch in seinem Merkmalsgehalt zu reduzieren.Finally, it should be noted that the claims and in particular the main claim are attempts to formulate the invention without comprehensive knowledge of the state of the art and therefore without restrictive prejudice. Therefore, we reserve the right to regard all features presented in the description, the claims and the drawing, both individually and in any combination with one another, as essential to the invention and to set them down in the claims and to reduce the feature content of the main claim.

Claims (6)

DIPL-ING. PETER OTTE PATENTANWALT: f;* - f"?-^ Leonber3DIPL-ING. PETER OTTE PATENT ATTORNEY: f;* - f"?-^ Leonber 3 Vertreter beim Europäischen Patentamt/ European Patent Attorney - ''' &Iacgr;_ &idiagr;';-: " 'T^oJeYStraßeRepresentative at the European Patent Office/ European Patent Attorney - '''&Iacgr;_&idiagr;'; - : "'T^oJeYStraße 2517/ot/mü
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Firma Conducta Gesellschaft für Meß- und Regeltechnik mbH & Co., Dieselstr. 24, 7016 GerungenConducta GmbH & Co., Dieselstr. 24, 7016 Gerungen SchutzansprücheProtection claims 1. Vorrichtung zur Überwachung des Betriebszustands von elektrochemischen Sensoren, insbesondere des Verhaltens des Innenwiderstands von potentiometrischen Meßhalbzellen und deren Referenzhalbzellen, wobei dem mit dem zu überwachenden elektrochemischen Sensor verbundenen Meßeingang (EM) über einen Prüfwiderstand (R.) von einem jeweils während der Prüfzyklen geschlossenen Schalter (S.) eine Prüfspannung (U ) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der widerstandsseitige Anschlußpunkt (P.) des Schalters (S.) über einen weiteren Widerstand (R2) so hinreichend niederohmig mit dem Ausgang (A) des Verstärkers (OPV) verbunden ist, daß im Meßbetrieb bei geöffnetem Schalter (S1) zur Vermeidung eines Fehlerstroms aus dem Schalter zum Meßeingang der Verstärkereingang (E&ldquor;) des Operationsverstärkers und der Anschlußpunkt (P1) des Schalters (S.) gleiches Potential aufweisen.1. Device for monitoring the operating state of electrochemical sensors, in particular the behavior of the internal resistance of potentiometric measuring half-cells and their reference half-cells, wherein the measuring input (E M ) connected to the electrochemical sensor to be monitored is supplied with a test voltage (U ) via a test resistor (R.) from a switch (S.) which is closed during the test cycles, characterized in that the resistance-side connection point (P.) of the switch (S.) is connected to the output (A) of the amplifier (OPV) via a further resistor (R 2 ) with sufficiently low resistance that in measuring mode with the switch (S 1 ) open, the amplifier input (E") of the operational amplifier and the connection point (P 1 ) of the switch (S.) have the same potential in order to avoid a fault current from the switch to the measuring input.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, mit Bezug auf den Übergangswiderstand des Schalters (S1) im geöffneten Zustand niederohmige Widerstand (R^) zusammen mit dem Prüfwiderstand (R1) einen positiven Rückkopplungszweig2. Device according to claim 1, characterized in that the second resistor (R^) which is low-resistance with respect to the contact resistance of the switch (S 1 ) in the open state, together with the test resistor (R 1 ) forms a positive feedback branch 2517/ot/mü ' ; 2517/ot/mu '; 30.3.1992 - 2 -30.3.1992 - 2 - für den als Spannungsfolger (Verstärkungsgrad V = 1) ausgebildeten Operationsverstärker (OPV) bildet, wobei dessen Ausgang (A) über die Reihenschaltung der Widerstände (R1 und R-) mit dem nicht invertierenden Meßeingang (E-.) des Operationsverstärkers verbunden ist.for the operational amplifier (OPV) designed as a voltage follower (gain V = 1), whose output (A) is connected via the series connection of the resistors (R 1 and R-) to the non-inverting measuring input (E-.) of the operational amplifier. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Prüfwiderstand (R..) und daher im Rückkopplungszweig (R2/ R-i) &es Operationsverstärkers (OPV) ein weiterer Schalter (S2) angeordnet ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a further switch (S 2 ) is arranged in series with the test resistor (R..) and therefore in the feedback branch (R 2 / Ri) & the operational amplifier (OPV). 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Schalter (S2) synchron mit dem ersten Schalter (S..) betätigt ist und durch seinen im Meßbetrieb geöffneten Zustand den positiven Rückkopplungspfad vom Verstärkerausgang (A) zum Verstärkereingang (E..) hochohmig macht.4. Device according to claim 3, characterized in that the further switch (S 2 ) is actuated synchronously with the first switch (S..) and, due to its open state in measuring operation, makes the positive feedback path from the amplifier output (A) to the amplifier input (E..) high-impedance. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der durch Zuführung der Prüfspannung ermittelten Spannungswerte ein Mikrorechner oder Mikrocontroller (11) vorgesehen ist, der an einem Ausgangsanschluß (P) das Ansteuersignal für die Schalter (S1, S2) erzeugt und über einen Digital/Analogwandler die einstellbare Prüfspannung (U ) liefert.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that a microcomputer or microcontroller (11) is provided for evaluating the voltage values determined by supplying the test voltage, which microcomputer or microcontroller generates the control signal for the switches (S 1 , S 2 ) at an output terminal (P) and supplies the adjustable test voltage (U ) via a digital/analog converter. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Prüfspannung (U ) ein von dem Mikrorechner (11) erzeugter pulsweitenmodulierter Pulszug erzeugt und über ein nachgeschaltetes Tiefpaßfilter mit Operationsverstärker (PPO) der Prüfschaltung zugeführt ist.6. Device according to claim 5, characterized in that to generate the test voltage (U ) a pulse width modulated pulse train generated by the microcomputer (11) is generated and fed to the test circuit via a downstream low-pass filter with operational amplifier (PPO).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10356008B4 (en) * 2003-11-27 2010-04-08 Krohne Meßtechnik GmbH & Co KG Method for operating a measuring device

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