DE19851164C2

DE19851164C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Meßzelle

Info

Publication number: DE19851164C2
Application number: DE19851164A
Authority: DE
Inventors: Philip Michael Formica; Ingo Kaneblei
Original assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2018-11-07
Also published as: GB9919587D0; DE19851164A1; US6344133B1; FR2785679B1; GB2343518A; GB2343518B; FR2785679A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Meßzelle.

Aus der DE 38 09 107 C1 ist ein Verfahren zur automatischen Überprüfung der Kennwerte einer elektrochemischen Gasmeßzelle bekannt, bei welchem die im Meßbetrieb befindliche Gasmeßzelle mit verschiedenen Spannungs impulsfolgen beaufschlagt wird. Aus einem Vergleich der aufgeprägten Spannungsimpulse mit den zugehörigen Stromimpulsen lassen sich Rück schlüsse auf Änderungen der Empfindlichkeit der Gasmeßzelle ableiten. So ist beispielsweise während des Meßbetriebs feststellbar, ob sich die Empfindlichkeit kurzzeitig oder langzeitig geändert hat.

Aus der DE 44 45 948 C2 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Einlauf verhaltens von elektrochemischen Meßzellen bekannt, das darauf beruht, nach dem Einschalten die Potentialspannung während eines vorbestimmten Zeitintervalls auf einen erhöhten Wert einzustellen, damit sich der aus der erhöhten Potentialspannung resultierende Sensorstrom nach kurzer Zeit dem zur Betriebs-Potentialspannung gehörenden stationären Sensorruhestrom annähert.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß nach dem Einschalten der elektrochemischen Meßzelle nicht sofort mit der Messung begonnen werden kann, da zunächst stationäre Betriebsbedingungen hergestellt weden müssen. Die Einlaufzeit einer elektrochemischen Meßzelle ist außerdem von der Konzen tration des nachzuweisenden Gases in der Umgebung der Meßzelle abhängig. Wird die Meßzelle beispielsweise ohne angelegte Potentialspannung dem nachzuweisenden Gas ausgesetzt, findet innerhalb der Meßzelle aufgrund von Diffusionsprozessen kontinuierlich eine elektrochemische Umsetzung statt, die eine Potentialveränderung an den Elektroden zur Folge hat. Diese Potential verschiebung muß nach dem Einschalten erst wieder abgebaut werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Meßzelle anzugeben, um schon kurz nach dem Einschalten der Betriebs-Potentialspannung Gaskonzentrations messungen ausführen zu können.

Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine elektrochemische Meßzelle, die in der Bereitschaftsstellung, in der die Potentialspannung abgeschaltet ist, in regelmäßigen Intervallen mit Spannungs impulsen beaufschlagt wird, fast ohne Verzögerung für Meßzwecke ein gesetzt werden kann, nachdem die für den Meßbetrieb erforderliche Potentialspannung angelegt worden ist. Der Impulsbetrieb während der Bereitschaftsstellung ist besonders für tragbare, batteriebetriebene Meßgeräte bedeutsam, da auf diese Weise ohne übermässigen Stromverbrauch die Betriebsbereitschaft für lange Zeit erhalten werden kann. Gegenüber dem Meßbetrieb mit angelegter konstanter Potentialspannung, wird während der Bereitschaftsstellung nur etwa 4% der im Meßbetrieb anfallenden Leistung benötigt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben.

In vorteilhafter Weise sind die Spannungsimpulse derart bemessen, daß die Impulspausenzeit zwischen einer Minute und 60 Minuten liegt.

Bevorzugte Werte für die Impulsdauer liegen zwischen 8 Sekunden und 30 Sekunden.

Es ist vorteilhaft, als Verhältnis von Impulszeit zu Impulspausenzeit einen Wert zwischen 1/10 und 1/100 zu wählen.

Das einzustellende Verhältnis von Impulszeit zu Impulspausenzeit richtet sich nach der während der Bereitschaftsstellung vorliegenden Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente. Da bei einer hohen Gaskonzentration entsprechend mehr Gasmoleküle durch Diffusionsprozesse in den Innenraum der Meßzelle gelangen, ist ein entsprechend hohes Verhältnis von Impulszeit zu Impulspausenzeit einzustellen; d. h. ein Wert in Richtung 1/10.

Besonders vorteilhaft ist es, die Spannungsimpulse mit der Amplitude der betriebsmäßigen Potentialspannung auszuführen. Auf diese Weise läßt sich eine besonders kurzfristige Betriebsbereitschaft der Meßzelle nach dem Einschalten der Potentialspannung erreichen.

Besonders vorteilhaft ist es, das Verhältnis von Impulszeit zu Impulspausenzeit während der Bereitschaftsstellung an die Gaskonzentration anzupassen, indem im Verlauf der Bereitschaftsstellung in vorbestimmten Zeitintervallen Gas konzentrationsmessungen durchgeführt werden und das Verhältnis von Impulszeit zu Impulspausenzeit dann entsprechend der gemessenen Gaskonzentration eingestellt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine an einen Potentiostaten angeschlossene elektrochemische Meßzelle,

Fig. 2 schematisch eine Folge von Spannungs impulsen.

Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrochemische Meßzelle 1, enthaltend eine Meßelektrode 2 und eine Gegenelektrode 3, welche in einem Elektro lytraum 4 eines Meßzellengehäuses 5 angebracht sind. Das Meßzellenge häuse 5 ist mit einem Elektrolyten 6 gefüllt und zum nachzuweisenden Gas hin mit einer permeablen Membran 7 abgeschlossen.

Die Elektroden 2, 3 sind über Leitungen 8, 9 mit einem Potentiostaten 10 verbunden, mit welchem eine Potentialspannung U₀ an die Elektroden 2, 3 gelegt wird. Der Sensorstrom i (t) wird als Spannungsabfall über einem Meßwiderstand 11 in der Leitung 9 abgegriffen. Der Potentiostat 10 ist über einen Schalter 12 als Impulsgeber mit einer Spannungsversorgungs einheit 13 verbunden.

Fig. 2 veranschaulicht den Verlauf der Potentialspannung U₀ in Abhängig keit von der Zeit t. Die Bereitschaftsstellung der elektrochemischen Meßzelle 1 liegt dabei für Zeiten t kleiner t₀ vor, während mit der Messung zum Zeitpunkt t = t₀ begonnen wird. In der Bereitschaftsstellung ist der Schalter 12, Fig. 1, nur während der Impulszeiten t_i geschlossen und während der Impulspausenzeit t_p geöffnet. Durch das Öffnen und Schließen des Schalters 12 werden Spannungsimpulse mit der Amplitude der betriebsmäßigen Potentialspannung U₀ erzeugt. Im Meßbetrieb ist der Schalter 12 ständig geschlossen, so daß die Potentialspannung U₀ an den Elektroden 2, 3 anliegt, und aus dem Sensorstrom i (t) der Anteil der nachzuweisenden Gaskomponente in der Gasprobe ermittelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen.

Während der Bereitschaftsstellung werden die Elektroden 2, 3, der elektro chemischen Meßzelle 1 mit Spannungsimpulsen der Amplitude U₀ beaufschlagt, um die Meßzelle 1 auf einen möglichen Einsatz vorzubereiten. Durch den Impulsbetrieb wird in der Bereitschaftsstellung eine mögliche Vergiftung der Meßzelle 1 durch eine Akkumulation von Gasen innerhalb des Elektrolytraumes 4 verhindert. Die Impulspausenzeit t_p zwischen zwei Impulsen beträgt 10 Minuten, und die Impulszeit t_i ist 15 Sekunden. Zum Zeitpunkt t = t₀ wird der Meßbetrieb gestartet, indem der Schalter 12 geschlossen wird und die Potentialspannung U₀ ständig an den Elektroden 2, 3 anliegt. Durch den Impulsbetrieb während der Bereitschaftsstellung kann mit Beginn des Meßbetriebes nach kurzer Einlaufzeit mit der Gaskonzentrationsmessung begonnen werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrochemischen Meßzelle, gekennzeichnet durch die Schritte

- eine elektrochemische Meßzelle (1) vorzusehen, die ein mit einem Elektrolyten (6) gefülltes Meßzellengehäuse (5), eine gaspermeable Membran (7), eine Meßelektrode (2) und eine Gegenelektrode (3) aufweist,
- die Meßelektrode (2) und die Gegenelektrode (3) mit einem Potentiostaten (10) zu verbinden, welcher von einem Impulsgeber (12) angesteuert wird,
- während eines Meßbetriebs eine im wesentlichen konstante Potential spannung an die Elektroden (2, 3) der Meßzelle (1) zu legen und
- während einer Bereitschaftsstellung mit dem Potentiostaten (10) und dem Impulsgeber (12) Spannungsimpulse zu erzeugen und an die Elektroden (2, 3) anzulegen, wobei jeder Spannungsimpuls eine Impulszeit t_i und eine Impulspausenzeit t_p umfasst und wobei während der Impulszeit t_i eine Spannung an den Elektroden (2, 3) anliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Spannungsimpulse derart zu bemessen, daß deren Impuls pausenzeit t_p zwischen einer Minute und 60 Minuten liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, bei den Spannungsimpulsen ein Verhältnis von Impulszeit t_i zu Impulspausenzeit t_p zwischen 1/10 und 1/100 einzustellen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, die Spannungsimpulse mit der Amplitude der Potentialspannung U₀ auszuführen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, während der Bereitschaftsstellung in vorbestimmten Zeitintervallen Gaskonzentrationsmessungen auszuführen und das Verhältnis von Impulszeit t_i und Impulspausenzeit t_p entsprechend der gemessenen Gaskonzentration einzustellen.

6. Vorrichtung zum Betreiben einer elektrochemischen Meßzelle mit folgenden Merkmalen:

- die Meßzelle (1) weist ein mit einem Elektrolyten (6) gefülltes Meßzellengehäuse (5), eine gaspermeable Membran (7), eine Meßelektrode (2) und eine Gegenelektrode (3) auf,
- ein Potentiostat (10) mit einem Impulsgeber (12) ist an die Meß elektrode (2) und an die Gegenelektrode (3) angeschlossen, wobei während eines Meßbetriebs eine im wesentlichen konstante Spannung an die Elektroden (2, 3) angelegt ist,
- durch den Impulsgeber (12) ist der Potentiostat (10) während einer Bereitschaftsphase zur Erzeugung von Spannungsimpulsen ausgebildet, wobei jeder Spannungsimpuls eine Impulszeit t_i und eine Impulspausen zeit t_p umfasst und wobei während der Impulszeit t_i eine Spannung an den Elektroden (2, 3) anliegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs impulse derart bemessen sind, daß deren Impulspausenzeit t_p zwischen einer Minute und 60 Minuten liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse ein Verhältnis von Impulszeit t_i zu Impulspausenzeit t_p zwischen 1/10 und 1/100 aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse die Amplitude der Potentialspannung U₀ aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bereitschaftsstellung in vorbestimmten Zeitintervallen Gaskonzen trationsmessungen ausgeführt werden und das Verhältnis von Impuls zeit t_i und Impulspausenzeit t_p entsprechend der gemessenen Gaskon zentration eingestellt ist.