DE10062062C1 - Elektrochemischer Sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen digitalen elektrochemischen Sensor, mit einer Sensorelektrodenanordnung (1-4), einer auf einem Chip integrierten Betriebselektronik zum Betreiben der Sensorelektrodenanordnung (1-4) und zur Aufbereitung davon empfangener elektrischer Signale, wobei die Betriebselektronik eine Potentiostatschaltung umfasst, und mit einem Mikroprozessor (20), der die von der Betriebselektronik aufbereiteten Signale aufnimmt und weiterverarbeitet. Um einen elektrochemischen Sensor zu schaffen, der bei Installation und im Betrieb einfacher und mit höherer Präzision zu betreiben ist, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Potentiostatschaltung als digitale Schaltung aufgebaut ist, deren Reglerfunktion von dem Mikroprozessor (20) gesteuert wird, und dass der Mikroprozessor (20) ebenfalls auf dem Chip der Betriebselektronik integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor mit einer Sensorelektrodenanordnung, einer auf einem Chip integrierten Betriebselektronik zum Betreiben der Sensorelektrodenanordnung und zur Aufbereitung der davon aufgenommenen elektrischen Signale, wobei die Betriebselektronik eine Potentiostatschaltung umfasst, und mit einem Mikroprozessor, der die von der Betriebselektronik aufbereiteten Signale aufnimmt und weiterverarbeitet.

Aus DE 38 09 247 C2 ist eine Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens zur elektrischen Messung der Konzentration von Säuren, insbesondere zur Überwachung des Ladezustandes einer wiederaufladbaren Säurebatterie, bekannt geworden, welche eine spezielle Messelektrode aufweist, die mit einem Potentiostaten bzw. Galvanostaten verbunden ist und über einen D/A- Wandler von einem Rechner gesteuert wird.

Aus der EP 0 333 246 B1 geht eine eine Potentiostatschaltung und einen Mikroprozessor aufweisende elektrochemische Sensoranordnung hervor mit einer Vielzahl von Elektroden in Form von Bereichen einer Metall enthaltenden Lage auf einem Isoliersubstrat, wobei einer der Elektrodenbereiche von einem porösen, direkt darüber liegenden Isolator bedeckt ist.

Eine weitere elektrochemische Messanordnung wird in EP 0 286 084 B1 beschrieben, wobei eine Elektrodenanordnung mit einem Potentiostaten verbunden ist sowie über einen Multiplexer mit einer parallelen Schnittstelle des mit dem Potentiostaten verbundenen Mikroprozessors.

Die in US 5,806,517 offenbarte elektrochemische Messanordnung wird für medizinisch-neurologische Untersuchungen eingesetzt und weist eine Referenzelektrode mit aufgeprägten Signalen und eine Messelektrode auf, die über eine Potentiostatschaltung mit einem Rechner zur Auswertung der Messsignale mit hoher Zeitauflösung verfügt.

In der Arbeitssicherheit, Medizintechnik, Prozessmesstechnik, Umwelt­ analytik usw. werden häufig elektrochemische Sensoren eingesetzt. Solche Sensoren haben Elektrodenanordnungen mit zwei, drei oder mehr Elektroden, die als Hilfselektrode, Bezugselektrode und Arbeitselektrode(n) bezeichnet werden. Beim 2-Elektroden-Sensor entfällt die Bezugselektrode, und die Hilfselektrode wird als Gegenelektrode bezeichnet. Zum Betrieb dieser Sensoren wird ein sogenannter Potentiostat benötigt. Dieser Potentiostat regelt die Potentialdifferenz zwischen der Bezugselektrode und der/den Arbeitselektroden auf einen vorgegebenen Wert. Das Messsignal, das von der zu messenden Stoffkonzentra­ tion abhängt, wird aus dem Strom der Arbeitselektrode(n) abge­ leitet. Somit hat der Potentiostat auch die Funktion, den Strom in diesen Arbeitselektroden zu messen.

Ein elektrochemischer Sensor der eingangs genannten Art ist aus DE 197 24 888 A1 bekannt, worin ein elektrochemischer Gassensor beschrieben ist, der eine Sensorelektrodenanordnung aufweist, der mit einer Betriebselektronik, die auf einem Chip integriert ist, verbunden ist, wobei die Betriebselektronik mit einem sepa­ raten, von dem eigentlichen Sensor entfernten Mikroprozessor kommuniziert. Bei diesem bekannten Sensor ist auf dem Chip auch eine Potentiostatschaltung untergebracht, die eine analoge Reg­ lerschaltung umfasst. Eine typische analoge Potentiostatschal­ tung ist in Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung dargestellt. Solche Potentiostatschaltungen neigen bei einigen Sensoren zum Schwingen oder regeln die Potentialdifferenz zwischen den Ar­ beits- und Bezugselektroden nicht mit optimalem Zeitverhalten. Ferner können Sensoralterungseffekte die Regelung instabil wer­ den lassen. Dies liegt daran, dass die Regelungsparameter durch die Dimensionierung der elektrischen Schaltungselemente, wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, bestimmt werden. Insofern können Änderungen an den durch solche Schaltungen definierten festen Reglerparametern nur durch hardwaremäßige Änderungen an den elektronischen Schaltungselementen vorgenommen werden, was praktisch einen so erheblichen Aufwand bedeutet, dass solche Änderungen nicht praktikabel sind.

Ein generelles Problem vieler elektrochemischer Sensoren besteht darin, dass die sehr empfindlichen Elektrodenanordnungen oft nur sehr kleine Signale mit Messströmen in der Größenordnung von wenigen Nanoampere liefern. Durch die in vielen Anwendungsberei­ chen vorgeschriebenen niedrigen Grenzwerte, auf die ein Sensor mit hoher Zuverlässigkeit ansprechen soll, wird sich das Problem sehr kleiner elektrischer Sensorsignale in Zukunft noch ver­ schärfen, da in vielen Bereichen die Grenzwerte der zu messenden Größen durch strenge Vorschriften eher abgesenkt werden. Die Auswertung von elektrischen Sensorsignalen mit Messströmen im Nanoampere-Bereich erfordert sehr sensible elektrische Schaltun­ gen zur Aufbereitung und Weiterverarbeitung, die aufgrund ihrer hohen Sensitivität zwangsläufig auch anfällig für Beeinflussun­ gen durch elektromagnetische Störungen sind. Bei dem Sensor der eingangs genannten Art wird dieses Problem insoweit angegangen, als alle Schaltungen der Betriebselektronik auf einem Chip inte­ griert werden, so dass nur digitale Signale von dem Chip zum Mikroprozessor und umgekehrt weitergeleitet werden müssen, wobei die digitale Kommunikation mit dem Mikroprozessor eine geringere Störanfälligkeit hat. Gleichwohl ist das Messsignal, das von der Potentiostatschaltung abgenommen wird, ein analoges Signal, das anschließend zur Weiterverarbeitung an nachfolgende Schaltungen der Betriebselektronik weitergegeben wird, in diesem ersten Stadium störanfällig.

Bei neueren Sensoren wird oft ein elektronischer Speicher (EEPROM) integriert, um Sensordaten wie Sensortyp, Potentiale, Kalibrationskoeffizienten usw., zu speichern und der Betriebs­ elektronik zur Verfügung zu stellen.

Zur Überwachung einer größeren Fläche, z. B. auf einem Firmenge­ lände, werden mehrere Messköpfe mit jeweils einem Sensor ver­ teilt platziert. Damit wird natürlich auch für jeden Sensor eine eigene Betriebselektronik benötigt, die zusammen mit der Sensor­ elektrodenanordnung in dem Messkopf untergebracht ist. Die Über­ tragung der Messwerte und die Spannungsversorgung der Messköpfe erfolgt über ein sternförmiges Leitungsnetz zu und von einer zentralen Stelle. Bei solchen Aufbauten muss eine Vielzahl von Messköpfen installiert und betrieben werden, was insbesondere im Hinblick darauf, dass, wie oben beschrieben, Sensoralterungsef­ fekte oder andere Veränderungen bei einzelnen Sensoren auftreten und entsprechende Korrekturen erfordern können, einen hohen Installations- und Wartungsaufwand bedeutet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektro­ chemischen Sensor zu schaffen, der bei Installation und im Be­ trieb einfacher und mit höherer Präzision zu betreiben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteil­ hafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Potentiostatschaltung als digitale Reglerschaltung aufgebaut, deren Funktion von dem Mikroprozessor abhängig ist. Ferner ist der Mikroprozessor, zusammen mit der Potentiostatschaltung und weiteren Schaltungen ebenfalls auf dem Chip der Betriebselektronik integriert.

Schaltungen, die von einem Prozessor zur Ausführung einer Reg­ lerfunktion digital gesteuert werden, sind in anderen Anwen­ dungsgebieten an sich bekannt. Daher wird hier auf eine nähere Beschreibung digitaler Regler verzichtet.

Bei bekannten Sensoren der eingangs genannten Art wäre der Ein­ satz eines digitalen Reglers für die Potentiostatschaltung nicht in Frage gekommen, da der externe Mikroprozessor, der Bestand­ teil des digitalen Reglers ist, aufgrund seiner Entfernung von der Betriebselektronik zu relativ starken Störungen der sehr empfindlichen Messsignale führen würde.

Durch die erfindungsgemäße Kombination, nämlich einerseits die Potentiostatschaltung als digitale Reglerschaltung auszuführen und andererseits den Mikroprozessor ebenfalls auf dem Chip der Betriebselektronik zu integrieren, wird es ermöglicht, die digi­ tale Potentiostatschaltung zu realisieren, ohne dass dies zu einer störenden Beeinträchtigung der empfindlichen Messsignale führt. Der Einsatz einer digitalen Potentiostatschaltung bringt verschiedene Vorteile mit sich. Dadurch ist es nämlich möglich, dass sich der die Reglerfunktion steuernde Mikroprozessor mit seinem Regelalgorithmus an Veränderungen anpasst, beispielsweise an durch Alterungsprozesse verursachte Veränderungen des Sen­ sors, so dass stets eine sich optimal anpassende Reglerfunktion realisiert werden kann. Ferner ist es möglich, dass der Mikro­ prozessor den Sensor betreffende Daten von einem ebenfalls vor­ handenen Festspeicher einliest, z. B. Sensortyp, Betriebspoten­ tiale, Kalibrationskonstanten usw., die ebenfalls als Eingangs­ parameter in den Regelalgorithmus der digitalen Potentiostat­ schaltung eingehen können, was eine unmittelbare Anpassung der Reglerfunktion an den jeweiligen Sensor ermöglicht.

Ferner wird durch die Erfindung eine weitere Miniaturisierung der Sensormessköpfe möglich, da der Mikroprozessor nicht mehr als externes Bauteil vorgesehen ist.

Ferner lässt sich der Installationsaufwand bei Systemen mit einer Vielzahl von Messköpfen reduzieren, da man eine digitale Schnittstelle als Bussystem ausführen kann, was insbesondere bei verteilten Systemen mit einer Vielzahl von Messköpfen von Vor­ teil ist.

Auf dem Chip des elektrochemischen Sensors können mithin ein elektronischer Speicher, ein Mikrocomputer, eine digitale Schnittstelle, ein Multiplexer, ein Analog/Digital-Wandler und ein Digital/Analog-Wandler integriert sein. Weitere analoge elektronische Schaltungen für die Potentiostatschaltung werden nicht benötigt.

Durch diese Komponentenreduktion und ihre kompakte Anordnung auf einem Chip werden der benötigte Platzbedarf und die Herstel­ lungskosten des Sensors reduziert. Somit können auch räumlich beengte Bereiche, z. B. in Prozessanlagen, günstiger oder über­ haupt erst überwacht werden.

Bedingt durch die integrierte Anordnung dieser Komponenten, insbesondere von Mikroprozessor und digitalen Potentiostatschal­ tungselementen, bietet sich überhaupt erst die Möglichkeit die Potentiostatschaltung digital auszulegen, d. h. einen digitalen Regler zu realisieren. Bei geeignetem Regelalgorithmus, der in dem Mikroprozessor implementiert ist, wird die Potentialdiffe­ renz zwischen den Arbeitselektroden und der Bezugselektrode auf einem vorgegebenen Wert erhalten. Die Regelparameter für die digitale Potentiostatschaltung können in einem elektronischen Speicher bereitgehalten werden. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass der Regelalgorithmus so ausgelegt ist, dass die Regelparameter bei Inbetriebnahme des Sensors selbsttätig er­ fasst und eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn durch Messen der Sensorparameter, die Regelparameter angepasst werden. Dies kann auch in fest vorgegebenen Intervallen wieder­ holt werden oder durch ein bestimmtes Ereignis ausgelöst werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines digitalen elek­ trochemischen Sensors zeigt;

Fig. 2 eine detailliertere Ausführungsform von Betriebselek­ tronik und Mikroprozessor als Blockschaltbild zeigt; und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer analogen Potentiostat­ schaltung für einen 3-Elektrodensensor aus dem Stand der Technik zeigt.

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer analogen Potentiostat­ schaltung für einen 3-Elektrodensensor aus dem Stand der Tech­ nik. Die Elektrodenanordnung des Sensors weist eine Arbeits­ elektrode 2, eine Bezugselektrode 3 und eine Hilfselektrode 4 auf. Wie ersichtlich, dienen hier Operationsverstärker zum Auf­ bau des Regelkreises zur Einstellung der Spannungsdifferenz und zum Auslesen des Messsignals, das somit als analoges Signal ausgegeben wird.

Demgegenüber zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild eines Sensors, bei dem der Mikroprozessor in die Betriebselektronik integriert ist und die Potentiostatschaltung als digitale Regelschaltung aufgebaut ist. An die Sensorelektrodenanordnung 1 mit Arbeits­ elektrode 2, Bezugselektrode 3 und Hilfselektrode 4 schließt sich ein Multiplexer 10 an, der die Messsignale über einen Ana­ log/Digital-Wandler 14 an den Mikroprozessor 20 weiterleitet. Ferner ist der Mikroprozessor 20 mit einem Digital/Analog-Wand­ ler 12 verbunden, der ein Analogsignal entsprechend der digita­ len Vorgabe des Mikroprozessors 20 erzeugt, das zur Steuerung der Potentialdifferenz an der Sensorelektrodenanordnung 1 dient. Der in dem Mikroprozessor 20 ablaufende Regelalgorithmus reali­ siert hier, zusammen mit den Wandlerschaltungen 12, 14 und der Multiplexschaltung 10 einen digitalen Regler, der die Potentio­ statschaltung bildet. Ferner ist ein elektronischer Speicher 24 vorgesehen, in dem z. B. Betriebsparameter der Sensorelektroden­ anordnung gespeichert sein können, die vom Mikroprozessor 20 eingelesen werden, um den Regelalgorithmus daran anzupassen.

In Fig. 2 ist eine detailliertere Darstellung der Schaltungs­ elemente der Betriebselektronik und des Mikroprozessors darge­ stellt. Das zentrale Bauteil des Mikroprozessors 20 wird durch einen Mikro-Controller gebildet, der die gewandelten Messsignale aus dem Analog/Digital-Wandler 14 aufnimmt, der wiederum die Signale der Sensorelektrodenanordnung 1 sowie die eines Tempera­ tursensors 6 über den Multiplexer 10 aufnimmt. Der Temperatur­ sensor 6 kann den sonst benötigten NTC-Widerstand zur Tempera­ turkompensation der Sensorkennlinie ersetzen. Ferner sind auf dem Chip ein Digital/Analog-Wandler 12 vorhanden, der die digi­ talen Steuersignale des Mikroprozessors 20 in analoge Regel­ signale für die Steuerung der Potentialdifferenz an der Sensor­ elektrodenanordnung 1 umsetzt und so die durch den im Mikropro­ zessor 20 ablaufenden Regelalgorithmus vorgegebene Regelfunktion der digitalen Potentiostatschaltung realisiert.

Wird die digitale Schnittstelle der in Fig. 2 dargestellten Schaltung als Ethernet-Schnittstelle ausgelegt, so ist eine komplette Steuerung und Überwachung des digitalen elektrochemi­ schen Sensors über ein Intranet oder Internet Firmen- oder welt­ weit möglich. Die Versorgungsspannung für den Sensor kann eben­ falls aus dem Ethernetanschluss entnommen werden.

Mit dem dargestellten Aufbau können die einzelnen elektrochemi­ schen Sensoren sehr kompakt aufgebaut werden, da die gesamte Betriebs- und Auswerteelektronik extrem platzsparend auf einem Chip untergebracht ist, der über eine digitale Schnittstelle mit einer Zentraleinheit verbunden ist. Ferner kann jeder Sensor flexibel auf Veränderungen reagieren, da die Regelfunktion der Potentiostatschaltung nicht durch den hardwaremäßigen Aufbau einer Schaltung, wie bei analogen Potentiostatschaltungen, vor­ gegeben ist, sondern durch die von dem Regelalgorithmus im Mi­ kroprozessor erzeugten Regelsignale, wobei der Regelalgorithmus so flexibel ausgelegt sein kann, dass sich die Regelfunktion an veränderte Umweltbedingungen, alterungsbedingte Veränderungen in der Sensorelektrodenanordnung und dergleichen anpasst.

Claims (3)

1. Elektrochemischer Sensor, mit einer Sensorelektrodenanord­ nung, einer auf einem Chip integrierten Betriebselektronik zum Betreiben der Sensorelektrodenanordnung und zur Aufbe­ reitung davon empfangener elektrischer Signale, wobei die Betriebselektronik eine Potentiostatschaltung umfasst, und mit einem Mikroprozessor, der die von der Betriebselektronik aufbereiteten Signale aufnimmt und weiterverarbeitet, da­ durch gekennzeichnet, dass die Potentiostatschaltung als digitale Reglerschaltung aufgebaut ist, deren Reglerfunktion von dem Mikroprozessor (20) gesteuert wird, und dass der Mikroprozessor (20) ebenfalls auf dem Chip der Betriebselek­ tronik integriert ist.

2. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Speicher (24) vorhanden ist, in dem Be­ triebsparameter der Sensorelektrodenanordnung (1-4) ge­ speichert sind, und dass der Mikroprozessor (20) so vorbe­ reitet ist, die Parameter aus dem Speicher (24) einzulesen und den Regelalgorithmus davon abhängig auszuführen.

3. Elektrochemischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (20) so vorbereitet ist, vor Inbetriebnahme des Sensors und/oder in regelmäßigen Abständen Betriebsparameter der Sensorelektrodenanordnung (1 -4) durch Ausführen von Testfunktionen zu bestimmen und den Regelalgorithmus daran anzupassen.