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Dokumentenidentifikation DE102004002289B4 22.02.2007
Titel Gasmessgerät mit einem elektrochemischen Sensor
Anmelder Dräger Safety AG & Co. KGaA, 23560 Lübeck, DE
Erfinder Studer, Matthias, 23628 Krummesse, DE;
Kessel, Robert, Dr., 23843 Bad Oldesloe, DE;
Nauber, Andreas, 23568 Lübeck, DE;
Leahy, Kathleen, 23552 Lübeck, DE;
Sagasser, Gero, 23611 Bad Schwartau, DE;
Huth, Andreas, 23558 Lübeck, DE
DE-Anmeldedatum 16.01.2004
DE-Aktenzeichen 102004002289
Offenlegungstag 11.08.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/49(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01N 27/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gasmessgerät mit einem elektrochemischen Sensor und ein Verfahren zur Ermittlung der Erschöpfung eines elektrochemischen Sensors in einem Gasmessgerät.

Elektrochemische Sensoren, speziell elektrochemische Gassensoren, haben meistens keine unbegrenzte Lebensdauer. Es wird irgendwann ein Zeitpunkt erreicht, wo die technischen Eigenschaften nicht mehr ausreichend sind, um die Messaufgabe erfüllen zu können. Bei elektrochemischen Gassensoren kann eine dieser Eigenschaften zum Beispiel die Höhe des Ausgangssignals bei einer bestimmten Gaskonzentration sein. Daher sollten solche Sensoren in bestimmten Abständen ausgetauscht und durch neue ersetzt werden.

Bezüglich des Zeitpunktes des Austausches spielen üblicherweise sowohl ein sicherheitstechnischer Aspekt und ein wirtschaftlicher Aspekt eine Rolle. Aus rein sicherheitstechnischer Sicht würde der Sensor in möglichst kurzen Intervallen (zum Beispiel jährlich oder öfter) ausgetauscht werden, um einen Ausfall mit möglichst hoher Wahrscheinlichkeit auszuschließen. Der Nachteil ist hierbei, dass unnötig hohe Kosten entstehen.

Aus rein wirtschaftlicher Sicht würde man einen Sensor erst austauschen, wenn er als defekt erkannt worden ist. Dieser Defekt kann während der Kalibrierung oder auch während eines Sensorselbsttestes festgestellt werden. Der Nachteil ist hier, dass die Messfunktion nicht kontinuierlich gewährleistet ist, da nicht immer ein kurzfristiger Sensoraustausch durchgeführt werden kann.

Aus der DE 44 45 947 C2 ist ein Verfahren zur Erkennung von Fehlerquellen bei amperometrischen Messzellen bekannt. Es wird hier die Spannung des Potentiostaten geringfügig verstimmt, um hieraus charakteristische Parameter zu berechnen, die Aufschluss über den Gebrauchszustand des elektrochemischen Sensors geben. Es wird angezeigt, ob ein Sensor verbraucht oder beschädigt ist. Das bekannte Verfahren liefert allerdings keine Aussage darüber, wie lange der Sensor für Messzwecke noch verwendet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasmessgerät mit einem elektrochemischen Sensor derart zu verbessern, dass die Einsatzbereitschaft für einen vorbestimmten Zeitraum gewährleistet ist. Die Aufgabe besteht auch darin, ein Verfahren zur Ermittlung der Erschöpfung eines elektrochemischen Sensors in einem Gasmessgerät anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass auf der Basis von sensorspezifischen Messgrößen eine Statusanzeige am Gasmessgerät angesteuert wird, die dem Anwender den Grad der Sensorerschöpfung anzeigt. Damit erhält der Anwender eine Information über den optimalen Zeitpunkt für einen Sensoraustausch. Auf diese Weise kann die Messfunktion des Gassensors über den längstmöglichen Zeitraum ausgenutzt werden. Die erfindungsgemäß angegebene Statusanzeige ist nicht auf elektrochemische Sensoren beschränkt, sondern sie lässt sich auch bei katalytischen oder optischen Gassensoren oder elektrochemischen Systemen, wie Batterien, einsetzen.

Erfindungsgemäß wird in der Auswerteschaltung in Abhängigkeit von sensorspezifischen Messgrößen eine Trendkurve als Funktion der Zeit ermittelt und mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Die Statusanzeige wird aktiviert, wenn der Funktionswert der Trendkurve einen vorbestimmten Grenzwert erreicht hat. Zweckmäßig ist es hierbei, mehrere Grenzwerte festzulegen, die individuellen Statusanzeigen zugeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Verlauf der Trendkurve besser verfolgen.

Bei einer amperometrischen Brennstoffzelle eignet sich als sensorspezifische Messgröße der Sensorstrom, wobei die Trendkurve durch Integration des Sensorstromes über der Zeit gebildet wird. Bei einem fabrikneuen Sensor hat das Integral, im Folgenden mit Stromintegral bezeichnet, den Wert Null. Die Sensorerschöpfung ist hierbei ebenfalls Null, d.h. der Sensor ist uneingeschränkt gebrauchsfähig. Je näher das Stromintegral im Verlauf des Sensoreinsatzes einem vorbestimmten Grenzwert kommt, desto mehr vergrößert sich die Sensorerschöpfung bis hin zum völligen Verbrauch des Elektrolyten beziehungsweise des Anodenmaterials.

Als eine alternative Trendkurve eignet sich die Abnahme der Sensorempfindlichkeit E, welche im Ursprungszustand den Maximalwert annimmt und während des Geräteeinsatzes ständig abnimmt. Die Sensorempfindlichkeit kann beispielsweise während der routinemäßig durchzuführenden Kalibrierzyklen ermittelt werden, wobei durch die Einzelmesswerte eine Ausgleichsgerade gelegt wird. Der Abfall der Sensorempfindlichkeit E von dem Maximalwert auf einen vorbestimmten unteren Grenzwert ist ein Maß für die Sensorerschöpfung beziehungsweise für den völligen Verbrauch des Sensors.

In zweckmäßiger Weise ist ein die Umgebungstemperatur messender Temperatursensor vorgesehen und es sind als zusätzliche Messgrößen positive Abweichungen und negative Abweichungen von einer mittleren Temperatur TM vorgesehen. Es werden dann Integrale der positiven Temperaturabweichungen und negativen Temperaturabweichungen gebildet. Der Temperatursensor kann entweder am Gasmessgerät selbst oder am Sensor angebracht sein.

Das Verfahren zur Ermittlung der Erschöpfung eines elektrochemischen Sensors eines Gasmessgerätes umfasst die Schritte

  • – eine Trendkurve als Funktion der Zeit in Form eines Integrals des Sensorstromes oder einer Ausgleichsgeraden durch Einzelmesswerte der Sensorempfindlichkeit E zu erzeugen,
  • – eine Statusanzeige für die Sensorerschöpfung mit mindestens zwei Anzeigefeldern vorzusehen,
  • – den Grad der Sensorerschöpfung in der Weise zu verfolgen, dass individuellen Anzeigefeldern vorbestimmte Grenzwerte der Trendkurve zugeordnet werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

1 den Aufbau eines Gasmessgerätes nach der Erfindung,

2 verschiedene Informationszustände von Statusanzeigen,

3 ein Beispiel für die Auswertung des Sensorstromes,

4 ein Beispiel für die Auswertung der Sensorempfindlichkeit,

5 ein Beispiel für die Berücksichtigung des Temperatureinflusses.

1 veranschaulicht schematisch ein Gasmessgerät 1 mit einer amperometrischen Brennstoffzelle als Sensor 2, einer Auswerteschaltung 3 zur Verarbeitung von sensorspezifischen Messgrößen, einer Anzeigeeinheit 4 für Messwerte, einer Stromversorgung 5, einem Temperatursensor 6 und mit einer Statusanzeige 7 für die Sensorerschöpfung. Die Statusanzeige 7 besitzt zwei Anzeigefelder 8, 9, die je nach Sensorzustand schwarz oder neutral sind. Bei dem in der 1 dargestellten Sensorzustand ist nur das Anzeigefeld 9 geschwärzt, was in etwa einem mehr als die Hälfte verbrauchten Sensor 2 entspricht, der noch eine hohe Einsatzbereitschaft mit niedriger Ausfallwahrscheinlichkeit hat.

2 zeigt verschiedene Informationszustände der Statusanzeige 7. Die linke Darstellung mit zwei geschwärzten Anzeigefeldern 8, 9 steht für einen unverbrauchten Sensor 2 mit sehr hoher Einsatzbereitschaft und sehr geringer Ausfallwahrscheinlichkeit. Demgegenüber veranschaulicht die rechte Darstellung der Statusanzeige 7 mit zwei ungeschwärzten Anzeigefeldern 8, 9 einen Sensor 2, der nur noch eingeschränkt einsatzbereit ist und ausgetauscht werden sollte. Die mittlere Darstellung entspricht einem Sensorzustand, der zwischen diesen beiden Trendwerten liegt. Die Statusanzeige kann alternativ auch mit Symbolen „gut 10", „Mittel 11", „schlecht 12" vorgenommen werden.

Eine Möglichkeit zur Ermittlung der Sensorerschöpfung besteht darin, das Integral des Sensorstromes in Abhängigkeit von der Zeit zu bilden.

Der obere Teil der 3 veranschaulicht den Verlauf des Sensorstromes i in Abhängigkeit von der Zeit t; i = i (t). Die Zeitachse beginnt mit t = 0 für einen unverbrauchten Sensor 2. Die Höhe des Sensorstromes i (t) ist abhängig von der zu messenden Gaskonzentration. Im mittleren Bereich der Kurve ist kein nachzuweisendes Gas vorhanden, und der Sensorstrom i fällt auf den Wert Null. Bei Begasung mit einer konstanten Gaskonzentration nimmt der Sensorstrom i bei einer amperometrischen Brennstoffzelle stetig ab, bis der Sensor 2 aufgrund der elektrochemischen Umsetzung mit der Gasprobe völlig verbraucht ist.

Der untere Teil der 3 zeigt den Verlauf des Integrals des Sensorstromes i, das Stromintegral 18, als Funktion der Zeit t. Das Stromintegral 18 beginnt zum Zeitpunkt t = 0 mit dem Wert Null für einen fabrikneuen, unverbrauchten Sensor 2. Für das Stromintegral 18 wird ein Grenzwert G festgelegt, bei dem der Sensor 2 verbraucht ist. Dieser Grenzwert G wird für einen bestimmten Sensortyp durch Versuche ermittelt. Als Kriterium für das Maß der Sensorerschöpfung werden Prozentanteile des Grenzwertes, 30 % G und 75 % G, festgelegt.

Zum Zeitpunkt t = 0 bei einem unverbrauchten Sensor 2, sind beide Anzeigefelder 7, 8 der Statusanzeige 7 geschwärzt. Erreicht das Stromintegral 18 zum Zeitpunkt t = t1 den Grenzwert 30 % G, ist nur noch das Anzeigefeld 9 aktiv. Wenn zum Zeitpunkt t = t2 der Grenzwert 75 % G überschritten wird, erlischt auch das Anzeigefeld 9 und der Sensor 2 muss ausgetauscht werden.

Als Alternative zum Stromintegral 18 oder zusätzlich zum Stromintegral 18 kann die Sensorempfindlichkeit E als Kriterium zu dem Grad der Sensorerschöpfung benutzt werden. Die Sensorempfindlichkeit wird während regelmäßig durchzuführender Kalibrierzyklen bestimmt und ergibt sich aus dem Quotienten aus Signalanstieg und Gaskonzentrationsänderung.

4 veranschaulicht den Verlauf der Sensorempfindlichkeit E in Abhängigkeit von der Gebrauchszeit t. Die Sensorempfindlichkeit E wird erstmalig zum Zeitpunkt t = 0 für einen fabrikfrischen Sensor 2 ermittelt und mit 100 % bewertet. Durch weitere, im Rahmen von Kalibrierungen ermittelte Messwerte 13, 14, 15, 16 werden Extrapolationsgeraden gelegt. Die Ausgleichsgerade 17 zeigt den Abfall der Empfindlichkeit E in Abhängigkeit von der Gebrauchszeit t. Zum Zeitpunkt t = t1 sind nur noch 40 % der ursprünglichen Empfindlichkeit E vorhanden, während zum Zeitpunkt t = t2 die Empfindlichkeit auf 30 % des Ausgangswertes abgefallen ist.

Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Sensorempfindlichkeit E maximal und es sind beide Anzeigefelder 8, 9 der Statusanzeige 7 geschwärzt. Ist die Sensorempfindlichkeit E zum Zeitpunkt t = t1 auf 40 % E abgefallen, ist nur noch das Anzeigefeld 9 aktiv. Unterschreitet die Sensorempfindlichkeit E zum Zeitpunkt t = t2 den Wert 30 % E, ist keines der Anzeigefelder 8, 9 aktiv und der Sensor 2 muss ausgetauscht werden.

Für den Fall, dass der Sensor 2 Temperatureinflüssen ausgesetzt ist, muss für die die Beurteilung der Sensorerschöpfung die Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.

5 gibt ein Beispiel für die Berücksichtigung des Temperatureinflusses an.

Die obere Kurve der 5 veranschaulicht den Verlauf der Umgebungstemperatur T in Abhängigkeit von der Zeit t. Aus der Sensorspezifikation wird die für den Betrieb des Sensors 2 günstige Temperatur Tm entnommen und als Bezugslinie für die Temperaturauswertung benutzt. Positive Abweichungen, mit „plus" gekennzeichnet und negative Abweichungen mit „minus" bezeichnet, werden in getrennten Integralen in Abhängigkeit von der Zeit aufintegriert. Positive Temperaturabweichungen verkürzen in der Regel die Gebrauchszeit des Sensors 2 stärker als negative Temperaturabweichungen.

Die mittlere Kurve der 5 zeigt das Integral der positiven Temperaturabweichungen, während die untere Kurve der 5 das Integral der negativen Temperaturabweichungen darstellt. Zu den Zeitpunkten t1 und t2 werden aus den Temperaturintegralen Faktoren ermittelt, die in die Ermittlung des Sensorstatus einfließen. Je höher die Werte der Temperaturintegrale zu den Zeitpunkten t1 und t2 sind, desto mehr reduzieren sich bei den korrespondierenden Zeiten des Stromintegrals 18 nach der 3 oder der Ausgleichsgeraden 17 für die Sensorempfindlichkeit E nach der 4 die Grenzwerte, bei denen die Statusanzeige 7 mit zwei geschwärzten 8, 9 auf ein geschwärztes Anzeigefeld 9 umspringt oder die Anzeige für den Sensoraustausch, bei dem kein Anzeigefeld 8, 9 aktiv ist, bereits zu einem früheren Zeitpunkt erreicht ist. Die Statusdaten des Sensors 2 werden in einem am Sensor 2 angeordneten Begleitspeicher 19 abgelegt, damit der Status des Sensors 2 auch dann ermittelt werden kann, wenn dieser an verschiedenen Geräten verwendet wurde.


Anspruch[de]
Gasmessgerät mit

– einem elektrochemischen Sensor (2),

– einer Auswerteschaltung (3) zur Verarbeitung von sensorspezifischen Messgrößen zu einer Trendkurve (17, 18) als Funktion der Zeit,

– einer Statusanzeige (7) für die Sensorerschöpfung mit mindestens zwei Anzeigefeldern (8, 9, 10, 11, 12), wobei zum Verfolgen des Grades der Sensorerschöpfung individuelle Anzeigefelder (8, 9, 10, 11, 12) vorbestimmten Grenzwerten der Trendkurve (17, 18) zugeordnet sind.
Gasmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße der Sensorstrom und die Trendkurve (18) das Stromintegral des Sensorstroms ist. Gasmessgerät nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße die Sensorempfindlichkeit E und die Trendkurve (17) eine Ausgleichsgerade durch Einzelmesswerte (13, 14, 15, 16) der Sensorempfindlichkeit E ist. Gasmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Statusanzeige als eine Bargraphanzeige mit Anzeigefeldern (8, 9) oder als eine Symboldarstellung mit den Symbolen „gut" (10), „mittel" (11), „schlecht" (12) vorliegt. Gasmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Umgebungstemperatur messender Temperatursensor (6) vorgegesehen ist und dass als zusätzliche Messgrößen zur Anpassung der Grenzwerte an Temperaturänderungen positive Abweichungen und negative Abweichungen von einer mittleren Temperatur Tm ausgewählt sind. Verfahren zur Ermittlung der Erschöpfung eines elektrochemischen Sensors (2) eines Gasmessgeräts mit den Schritten

– eine Trendkurve (17, 18) als Funktion der Zeit in Form eines Integrals des Sensorstromes oder einer Ausgleichsgeraden durch Einzelmesswerte (13, 14, 15, 16) der Sensorempfindlichkeit E zu erzeugen,

– eine Statusanzeige (7) für die Sensorerschöpfung mit mindestens zwei Anzeigefeldern (8, 9, 10, 11, 12) vorzusehen,

– den Grad der Sensorerschöpfung in der Weise zu verfolgen, dass individuellen Anzeigefeldern (8, 9, 10, 11, 12) vorbestimmte Grenzwerte der Trendkurve (17, 18) zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, die Statusdaten in einem Begleitspeicher (19) des Sensors (2) abzulegen.






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