DE102011087188A1 - Method for determining process variable of medium by electrochemical sensor, involves assigning reference half cell with temperature sensor, so that process variable is determined using temperatures detected by sensors - Google Patents
Method for determining process variable of medium by electrochemical sensor, involves assigning reference half cell with temperature sensor, so that process variable is determined using temperatures detected by sensors Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums mittels eines elektrochemischen Sensors, einen elektrochemischen Sensor und eine Einstabmesskette, beispielsweise zur Bestimmung eines elektrochemischen Potentials. Elektrochemische Sensoren kommen etwa bei der pH-Wert-Bestimmung zum Einsatz und finden vielseitig Anwendung, beispielsweise in der Chemie, Medizin, Industrie, Umwelt- oder Wasseranalytik.The invention relates to a method for determining at least one process variable of a medium by means of an electrochemical sensor, an electrochemical sensor and a combination electrode, for example for determining an electrochemical potential. Electrochemical sensors are used, for example, in pH determination and are used in a variety of applications, for example in chemistry, medicine, industry, environmental or water analysis.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Problematik wird an Hand potentiometrischer Sensoren erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf potentiometrische Sensoren beschränkt, sondern betrifft allgemein Sensoren zur Verwendung in elektrochemischen Messsystemen, z. B. auch Sensoren für amperometrische Verfahren.The problem underlying the invention will be explained with reference to potentiometric sensors. However, the invention is not limited to potentiometric sensors, but generally relates to sensors for use in electrochemical measurement systems, e.g. As well as sensors for amperometric method.
Potentiometrische Sensoren weisen mindestens eine Messelektrode und eine Referenzelektrode auf, zwischen denen eine Potentialdifferenz bestimmt wird. Die Potentialdifferenz ist dabei abhängig von der Konzentration oder der Aktivität der zu messenden Substanz, im Falle einer pH-Messung beispielsweise von der Aktivität der Wasserstoffionen H+.Potentiometric sensors have at least one measuring electrode and a reference electrode, between which a potential difference is determined. The potential difference is dependent on the concentration or the activity of the substance to be measured, in the case of a pH measurement, for example, by the activity of the hydrogen ions H + .
Zur Messung der Konzentration oder der Aktivität weisen potentiometrische Sensoren eine sensorisch wirksame Komponente auf, etwa eine ionenselektive Membran, im Falle einer pH-Messung beispielsweise eine Glasmembran, oder einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel.To measure the concentration or the activity, potentiometric sensors have a sensorically active component, for example an ion-selective membrane, in the case of a pH measurement, for example a glass membrane, or a semiconductor-insulator layer stack.
Neben Systemen aus Messelektrode und Referenzelektrode, welche separat in ein Medium eingebracht werden, sind insbesondere auf dem Gebiet der pH-Messung auch so genannte Einstabmessketten bekannt, welche Messelektrode und Referenzelektrode in einer Sonde vereinen. Ohne Einschränkung soll im Folgenden der erfindungsgemäße Gedanke anhand einer solchen Einstabmesskette näher erläutert werden.In addition to systems of measuring electrode and reference electrode, which are introduced separately into a medium, so-called single-rod measuring chains are also known in particular in the field of pH measurement, which combine measuring electrode and reference electrode in a probe. Without limitation, the idea according to the invention will be explained in more detail below with reference to such a combination electrode.
Die Messelektrode weist ein meist drahtförmiges Ableitelement auf, welches in der Regel aus Silber/Silberchlorid besteht und in eine Pufferlösung mit bekanntem pH-Wert und bekannter Chlorid-Aktivität (oft eine Phosphatpufferlösung) eingetaucht ist. Ableitelement und Pufferlösung sind in der Regel in ein Glasrohr eingebracht, welches medienseitig mit einer Glasmembran (die sensorisch wirksame Komponente) abgeschlossen ist. Das Ableitelement und die Pufferlösung bilden die Messhalbzelle.The measuring electrode has a mostly wire-shaped discharge element, which usually consists of silver / silver chloride and is immersed in a buffer solution of known pH and known chloride activity (often a phosphate buffer solution). Discharge element and buffer solution are usually introduced into a glass tube, which is closed on the media side with a glass membrane (the sensor-active component). The diverting element and the buffer solution form the measuring half cell.
Die Referenzelektrode besitzt ebenfalls ein Ableitelement und kann auch aus Silber/Silberchlorid bestehen. Das Ableitelement ist in eine Referenzlösung, beispielsweise Kaliumchlorid, eingetaucht. Über eine Durchführung, z. B. ein Diaphragma, steht die Referenzlösung in elektrochemischem Austausch mit dem Medium. Das Potential wird ebenfalls mittels eines elektrischen Leiters, z. B. in Form eines Metalldrahtes, mit einer entsprechenden Schnittstelle am mediumsentfernten Ende der Elektrode verbunden. Da der Metalldraht selbst keinen Beitrag zum elektrochemischen Potential liefern soll und elektrochemisch stabil sein muss, besteht dieser in der Regel aus einem edlen Material, meist ein Edelmetall wie Silber oder Platin. Das Ableitelement und die Referenzlösung bilden die Referenzhalbzelle.The reference electrode also has a diverting element and may also consist of silver / silver chloride. The diverter element is immersed in a reference solution, for example potassium chloride. About a implementation, for. As a diaphragm, the reference solution is in electrochemical exchange with the medium. The potential is also by means of an electrical conductor, for. B. in the form of a metal wire, connected to a corresponding interface at the medium-remote end of the electrode. Since the metal wire itself is not intended to contribute to the electrochemical potential and must be electrochemically stable, it usually consists of a noble material, usually a noble metal such as silver or platinum. The diverting element and the reference solution form the reference half-cell.
Die Potentialdifferenz zwischen Referenzelektrode und Messelektrode ist vom pH-Wert des zu messenden Mediums abhängig. Die einzelnen Potentiale werden mittels elektrischer Leiter, z. B. in Form von Metalldrähten, abgeleitet, welche mit einer entsprechenden Schnittstelle am mediumsentfernten Ende der Elektrode verbunden sind.The potential difference between the reference electrode and the measuring electrode depends on the pH of the medium to be measured. The individual potentials are by means of electrical conductors, for. In the form of metal wires, which are connected to a corresponding interface at the medium-distal end of the electrode.
Die elektrischen Leiter leiten die Potentiale der Ableitelemente über ein Dichtungselement zu einer entsprechenden Schnittstelle am mediumsentfernten Ende des Messsystems. Über die Schnittstelle, beispielsweise ein Stecksystem mit Kabel, gelangt das Messsignal an ein übergeordnetes System, beispielsweise einen Messumformer. Im Messumformer werden die Potentiale weiterverarbeitet und beispielsweise zu einem pH-Wert verrechnet. In letzter Zeit haben sich digitale Schnittstellen mit galvanischer Entkopplung etabliert. Dazu werden die Messsignale im Sensorsteckkopf mittels einer elektronischen Schaltung teilweise verrechnet, weiterverarbeitet und/oder digitalisiert.The electrical conductors conduct the potentials of the diverting elements via a sealing element to a corresponding interface at the medium-remote end of the measuring system. Via the interface, for example a plug-in system with cable, the measuring signal is sent to a higher-level system, for example a measuring transducer. In the transmitter, the potentials are further processed and, for example, charged to a pH value. Recently, digital interfaces with galvanic decoupling have become established. For this purpose, the measurement signals in the sensor plug head are partially offset by means of an electronic circuit, further processed and / or digitized.
Es gibt Ausführungsformen mit über 40 cm langen Sensoren. Somit muss auch der elektrische Leiter zur Ableitung des Potentials mindestens dieser Länge entsprechen. Bei der Verwendung von Silber oder Platin fallen erhebliche Materialkosten für den elektrischen Leiter, der meist aus Vollmaterial hergestellt ist, an.There are embodiments with over 40 cm long sensors. Thus, the electrical conductor for deriving the potential must also correspond to at least this length. When using silver or platinum, considerable material costs are incurred for the electrical conductor, which is usually made of solid material.
Die Potentiale von elektrochemischen Sensoren sind nach der Nernst'schen Gleichung stark temperaturabhängig, deswegen ist ein Temperatursensor zur exakten Bestimmung des Messwertes notwendig. Dieser ist meist direkt in die Halbzelle integriert. Schon geringe Temperaturunterschiede zwischen Mess- und Referenzelektrode führen zu einer Verfälschung des Messergebnisses. Ein Temperaturverlauf findet sich hauptsächlich entlang der Längsachse des Sensors, deswegen befinden sich typischerweise die Ableitelemente der Referenz- und Messelektrode auf gleicher Höhe, wie etwa aus der
Es ist problematisch, dass sich aufgrund von Temperaturunterschieden über die Länge des Sensor Löslichkeits- und Komplexbildungsgleichgewichte innerhalb des Elektrodenraums unterscheiden. Diese orts- und temperaturabhängigen Konzentrationsverhältnisse führen zu Transportvorgängen innerhalb des Elektrodenraums, zu Korrosion und unter ungünstigen Umständen zum Auflösen der Ableitung und somit zum Ausfall des Sensors. It is problematic that due to temperature differences over the length of the sensor, solubility and complexing equilibria differ within the electrode space. These location- and temperature-dependent concentration ratios lead to transport processes within the electrode space, to corrosion and under unfavorable circumstances to dissolve the derivative and thus to the failure of the sensor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren, einen elektrochemischen Sensor und eine Einstabmesskette bereit zu stellen, welche eine exakte Messung dauerhaft gewährleisten und dennoch kostengünstig herstellbar sind.The invention has for its object a method to provide an electrochemical sensor and a combination electrode, which permanently ensure an accurate measurement and yet are inexpensive to produce.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, umfassend
zumindest eine Referenzhalbzelle,
zumindest eine sensorisch wirksame Komponente,
zumindest einen ersten Temperatursensor,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Referenzhalbzelle zumindest ein zweiter Temperatursensor zugeordnet ist,
die Prozessgröße mit dem elektrochemischen Sensor bestimmt wird, und
wobei zumindest zwei von verschiedenen Temperatursensoren ermittelte Temperaturen bei der Bestimmung der Prozessgröße berücksichtigt werden.The object is achieved by a method comprising
at least one reference half cell,
at least one sensory component,
at least a first temperature sensor,
characterized in that
the reference half cell is assigned at least one second temperature sensor,
the process variable is determined with the electrochemical sensor, and
wherein at least two temperatures determined by different temperature sensors are taken into account in the determination of the process variable.
Die Verwendung zumindest eines zweiten Temperatursensors ist als vorteilhaft anzusehen. So kann die für eine korrekte Bestimmung der Prozessgröße notwendige Temperatur von zumindest zwei verschiedenen Temperatursensoren berücksichtigt werden. Es kann gewährleistet werden, dass die Prozessgröße dauerhaft korrekt bestimmt wird.The use of at least one second temperature sensor is to be regarded as advantageous. Thus, the temperature necessary for a correct determination of the process variable of at least two different temperature sensors can be taken into account. It can be ensured that the process variable is permanently determined correctly.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch einen elektrochemischer Sensor zur Bestimmung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, umfassend
zumindest eine Referenzhalbzelle,
zumindest eine sensorisch wirksame Komponente,
zumindest einen ersten Temperatursensor,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Referenzhalbzelle zumindest ein zweiter Temperatursensor zugeordnet ist,
wobei zumindest eine übergeordnete Einheit vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie zur Bestimmung der Prozessgröße zumindest zwei von verschiedenen Temperatursensoren ermittelte Temperaturen berücksichtigt.The object is further achieved by an electrochemical sensor for determining at least one process variable of a medium comprising
at least one reference half cell,
at least one sensory component,
at least a first temperature sensor,
characterized in that
the reference half cell is assigned at least one second temperature sensor,
wherein at least one higher-level unit is provided, which is designed such that it takes into account for determining the process variable at least two temperatures determined by different temperature sensors.
Die Zuordnung zur Referenzhalbzelle zumindest eines zweiten Temperatursensors ist als vorteilhaft anzusehen. So kann die für eine korrekte Bestimmung der Prozessgröße notwendige Temperatur von zumindest zwei verschiedenen Temperatursensoren von der zumindest einen übergeordneten Einheit berücksichtigt werden. Es kann gewährleistet werden, dass die Prozessgröße dauerhaft korrekt bestimmt wird.The assignment to the reference half cell of at least one second temperature sensor is to be regarded as advantageous. Thus, the temperature of at least two different temperature sensors necessary for a correct determination of the process variable can be taken into account by the at least one higher-order unit. It can be ensured that the process variable is permanently determined correctly.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite Temperatursensor in oder an der Referenzhalbzelle angeordnet. So kann die Temperatur direkt am Ort des Interesses, nämlich an der Referenzhalbzelle, bestimmt werden.In an advantageous embodiment, the second temperature sensor is arranged in or on the reference half-cell. Thus, the temperature can be determined directly at the point of interest, namely at the reference half-cell.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Sensorsteckkopf am medienentfernten Ende des elektrochemischen Sensors vorgesehen, und der zweite Temperatursensor ist im Sensorsteckkopf angeordnet. Dies ist vorteilhaft, da durch die Anordnung des zweiten Temperatursensors im Sensorsteckkopf keine weiteren Leitungen etc. verwendet werden müssen und dass Messdaten des zweiten Temperatursensors direkt über den Sensorsteckkopf weitergeleitet werden können, da sich am oder im Sensorsteckkopf üblicherweise eine Schnittstelle zur Kommunikation befindet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Referenzhalbzelle nun im Verhältnis zur sensorisch wirksamen Komponente kürzer ausgestaltet werden kann und somit Materialkosten gespart werden.In an alternative advantageous embodiment, a sensor plug head is provided at the media-remote end of the electrochemical sensor, and the second temperature sensor is arranged in the sensor plug head. This is advantageous because the arrangement of the second temperature sensor in the sensor plug head no further lines, etc. must be used and that measurement data of the second temperature sensor can be forwarded directly through the sensor plug head, since there is usually an interface for communication on or in the sensor plug head. Another advantage is that the reference half-cell can now be made shorter in relation to the sensor-active component and thus material costs are saved.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist ein Sensorsteckkopf am medienentfernten Ende des elektrochemischen Sensors vorgesehen,
wobei eine elektronische Schaltung vorgesehen ist, die in dem Sensorsteckkopf angeordnet ist, und
der zweite Temperatursensor in der elektronischen Schaltung angeordnet ist. Dies ist vorteilhaft, da durch die Anordnung des zweiten Temperatursensors in der elektronischen Schaltung keine weiteren Leitungen etc. verwendet werden müssen und die Messdaten des zweiten Temperatursensors direkt über den Sensorsteckkopf weitergeleitet werden können, da sich am oder im Sensorsteckkopf üblicherweise eine Schnittstelle zur Kommunikation befindet.In a further alternative embodiment, a sensor plug head is provided at the media-distal end of the electrochemical sensor,
wherein an electronic circuit is provided, which is arranged in the sensor plug head, and
the second temperature sensor is arranged in the electronic circuit. This is advantageous because the arrangement of the second temperature sensor in the electronic circuit no further lines, etc. must be used and the measurement data of the second temperature sensor can be forwarded directly through the sensor plug head, since there is usually an interface for communication on or in the sensor plug head.
Bevorzugt ist die zumindest eine übergeordnete Einheit Teil der elektronischen Schaltung. Dies ist vorteilhaft, da somit Bauteile und damit Kosten gespart werden.Preferably, the at least one higher-level unit is part of the electronic circuit. This is advantageous, since thus components and thus costs are saved.
In einer bevorzugten Ausführungsform berechnet die zumindest eine übergeordnete Einheit die Temperatur entlang der Referenzhalbzelle, insbesondere am medienseitigen Ende der Referenzhalbzelle, mit Hilfe der zumindest zwei Temperatursensoren und der Wärmeleitungsgleichung. Die Wärmeleitungsgleichung in einer Raumdimension für dünne, relativ dazu lange Stäbe aus festem Material lautet wobei u(x, t) die räumlich und zeitlich abhängige Wärmeverteilung, α die Temperaturleitfähigkeit, x den Ort und t die Zeit darstellt. Dies ist vorteilhaft: aus den Messdaten der zumindest zwei Temperatursensoren und der bekannten Geometrie des Sensors berechnet die zumindest eine übergeordnete Einheit die Temperatur entlang der Referenzhalbzelle. Der der Referenzhalbzelle zugeordnete Temperatursensor kann somit relativ frei positioniert werden, und die zumindest eine übergeordnete Einheit berechnet anhand der bekannten Position des Sensors und der Messdaten die Temperatur über den Verlauf der Referenzhalbzelle.In a preferred embodiment, the at least one higher-order unit calculates the temperature along the reference half-cell, in particular at the media-side end of the reference half-cell, with the aid of the at least two temperature sensors and the heat conduction equation. The heat equation in a space dimension for thin, relatively long rods of solid material is where u (x, t) represents the spatially and temporally dependent heat distribution, α the thermal conductivity, x the location and t the time. This is advantageous: from the measured data of the at least two temperature sensors and the known geometry of the sensor, the at least one higher-order unit calculates the temperature along the reference half-cell. The temperature sensor assigned to the reference half cell can thus be positioned relatively freely, and the at least one higher-level unit uses the known position of the sensor and the measured data to calculate the temperature over the course of the reference half cell.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung handelt es sich bei der sensorisch wirksamen Komponente um eine ionenselektive Membran, insbesondere eine pH-Glasmembran, um einen Halbleiter-Isolator-Schichtstapel, insbesondere einen ISFET oder um eine Metall- oder Metall/Metalloxid- oder eine nichtmetallische Redox-Elektrode, insbesondere eine Kohlenstoffelektrode.In an advantageous embodiment, the sensorically active component is an ion-selective membrane, in particular a pH glass membrane, a semiconductor-insulator layer stack, in particular an ISFET or a metal or metal / metal oxide or a non-metallic redox electrode , in particular a carbon electrode.
Bevorzugt ermittelt die zumindest eine übergeordnete Einheit die Prozessgröße über ein potentiometrisches oder amperometrisches Verfahren.Preferably, the at least one higher-level unit determines the process variable via a potentiometric or amperometric method.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Einstabmesskette umfassend den erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensor,
wobei ein Gehäuse vorgesehen ist, in dem mindestens eine Kammer ausgebildet ist, wobei die Referenzhalbzelle in der Kammer angeordnet ist,
wobei zumindest ein Referenzelektrolyt in der Kammer angeordnet ist,
wobei die sensorisch wirksame Komponente in Kontakt mit dem Medium steht,
wobei an der Referenzhalbzelle ein Ableitsystem zum Ableiten eines Potentials der Referenzhalbzelle vorgesehen ist,
wobei der Referenzelektrolyt das Ableitsystem zumindest teilweise benetzt,
wobei zumindest eine Durchführung vorgesehen ist mittels derer der Referenzelektrolyt mit einem das Gehäuse umgebenden Medium,
insbesondere einem Messmedium, in Kontakt steht,
wobei an der sensorisch wirksamen Komponente ein zweites Ableitsystem zum Ableiten eines Potentials,
wobei das zweite Ableitsystem der sensorisch wirksamen Komponente zugeordnet ist.The object is further achieved by a combination electrode comprising the electrochemical sensor according to the invention,
wherein a housing is provided in which at least one chamber is formed, wherein the reference half cell is arranged in the chamber,
wherein at least one reference electrolyte is arranged in the chamber,
wherein the sensory component is in contact with the medium,
wherein a reference system for deriving a potential of the reference half cell is provided at the reference half cell,
wherein the reference electrolyte at least partially wets the lead-off system,
wherein at least one passage is provided by means of which the reference electrolyte with a medium surrounding the housing,
especially a measuring medium, in contact,
wherein at the sensorically active component a second discharge system for deriving a potential,
wherein the second delivery system is associated with the sensory component.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind das erste Ableitsystem und das zweite Ableitsystem unterschiedlich lang. So ist es möglich Material und damit Kosten zu sparen.In an advantageous embodiment, the first lead-off system and the second lead-off system have different lengths. So it is possible to save material and thus costs.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigtThe invention will be explained in more detail with reference to the following figures. It shows
In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.In the figures, the same features are identified by the same reference numerals.
Der Sensor
Zur Abdichtung des oberen Gehäuseabschnittes gegenüber dem Elektrolyten
Die Einstabmesskette besteht aus zwei Halbzellen
Die Referenzelektrode
In der Wandung der ersten Kammer
Die Messelektrode
In der Wandung der zweiten Kammer
Außer der Möglichkeit als Glasmembran, ist vorstellbar die sensorisch wirksame Komponente
Die Messelektrode
Am Sensorsteckkopf
Die hier beschriebene Methode der pH-Messung ist ein potentiometrisches Verfahren, d. h. idealerweise findet kein Stromfluss über die Ableitsysteme
Elektrochemische Prozesse sind nach der Nernst'schen Gleichung hochgradig temperaturabhängig. Deswegen ist der Messelektrode
Der Referenzelektrode
Wie bereits erwähnt gelangen die Messsignale In den Ausführungsformen in den Figuren
In jüngster Zeit haben sich digitale Schnittstellen mit galvanischer Entkopplung etabliert. Ein Ausführungsbeispiel eines elektrochemischen Sensors
Auf der elektronischen Schaltung
Seriennummer, Fertigungsdatum, Gerätedaten, Kalibrationsdaten etc.On the
Serial number, date of manufacture, device data, calibration data etc.
In der in
Die gemessenen Temperatursignale des Temperatursensors
Mit zumindest einem Messsignal der Temperatursensoren
Es ist denkbar, dass die komplette Berechnung im Sensor
Selbstredend sind auch alle Kombinationen der genannten Ausführungsbeispiele möglich. So ist z. B. grundsätzlich immer eine kleine Kammer
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sensorsensor
- 22
- Gehäusecasing
- 33
- Erste KammerFirst chamber
- 44
- Zweite KammerSecond Chamber
- 55
- Referenzelektrodereference electrode
- 66
- Messelektrodemeasuring electrode
- 77
- Temperatursensortemperature sensor
- 88th
- Temperatursensortemperature sensor
- 99
- Referenzelektrolytreference electrolyte
- 1010
- Elektrolytelectrolyte
- 1111
- AbleitsystemMetal lead
- 1212
- AbleitsystemMetal lead
- 1313
- Mediummedium
- 1414
- Durchführungexecution
- 1515
- Sensorisch wirksame KomponenteSensory effective component
- 1616
- Elektronische SchaltungElectronic switch
- 1717
- SensorsteckkopfSensor plug head
- 1818
- ReferenzhalbzelleReference half-cell
- 1919
- MesshalbzelleMeasuring half cell
- 2020
- Übergeordnete EinheitParent unit
- 2121
- Übergeordnetes SystemParent system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008055082 A1 [0011] DE 102008055082 A1 [0011]
- EP 1172648 A1 [0036, 0038] EP 1172648 A1 [0036, 0038]
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Also Published As
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