• 专利附录
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  • 权利要求
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  • 同族专利
  • 引用文献
  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Ein Gasmessgerät mit einem elektrochemischen Sensor soll derart verbessert werden, dass die Einsatzbereitschaft für einen vorbestimmten Zeitraum gewährleistet ist. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine von der Auswerteschaltung (3) des Gasmessgerätes aktivierte Statusanzeige (7), die den Grad der Sensorerschöpfung anzeigt.
    公开号:DE102004002289A1
    申请号:DE200410002289
    申请日:2004-01-16
    公开日:2005-08-11
    发明作者:Andreas Huth；Robert Dr. Kessel；Kathleen Leahy；Andreas Nauber；Gero Sagasser；Matthias Studer
    申请人:Draeger Safety AG and Co KGaA；
    IPC主号:G01D3-00
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Gasmessgerät mit einem elektrochemischenSensor.
    [0002] ElektrochemischeSensoren, speziell elektrochemische Gassensoren, haben meistenskeine unbegrenzte Lebensdauer. Es wird irgendwann ein Zeitpunkterreicht, wo die technischen Eigenschaften nicht mehr ausreichendsind, um die Messaufgabe erfüllenzu können.Bei elektrochemischen Gassensoren kann eine dieser Eigenschaftenzum Beispiel die Höhedes Ausgangssignals bei einer bestimmten Gaskonzentration sein.Daher sollten solche Sensoren in bestimmten Abständen ausgetauscht und durchneue ersetzt werden.
    [0003] Bezüglich desZeitpunktes des Austausches spielen üblicherweise sowohl ein sicherheitstechnischerAspekt und ein wirtschaftlicher Aspekt eine Rolle. Aus rein sicherheitstechnischerSicht würde derSensor in möglichstkurzen Intervallen (zum Beispiel jährlich oder öfter) ausgetauschtwerden, um einen Ausfall mit möglichsthoher Wahrscheinlichkeit auszuschließen. Der Nachteil ist hierbei,dass unnötighohe Kosten entstehen.
    [0004] Ausrein wirtschaftlicher Sicht würdeman einen Sensor erst austauschen, wenn er als defekt erkannt wordenist. Dieser Defekt kann währendder Kalibrierung oder auch währendeines Sensorselbsttestes festgestellt werden. Der Nachteil ist hier,dass die Messfunktion nicht kontinuierlich gewährleistet ist, da nicht immerein kurzfristiger Sensoraustausch durchgeführt werden kann.
    [0005] Ausder DE 44 45 947 C2 istein Verfahren zur Erkennung von Fehlerquellen bei amperometrischenMesszellen bekannt. Es wird hier die Spannung des Potentiostatengeringfügigverstimmt, um hieraus charakteristische Parameter zu berechnen, dieAufschluss überden Gebrauchszustand des elektrochemischen Sensors geben. Es wirdangezeigt, ob ein Sensor verbraucht oder beschädigt ist. Das bekannte Verfahrenliefert allerdings keine Aussage darüber, wie lange der Sensor für Messzwecke nochverwendet werden kann.
    [0006] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasmessgerät mit einemelektrochemischen Sensor derart zu verbessern, dass die Einsatzbereitschaftfür einenvorbestimmten Zeitraum gewährleistetist.
    [0007] DieLösungder Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
    [0008] DerVorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass auf derBasis von sensorspezifischen Messgrößen eine Statusanzeige am Gasmessgerät angesteuertwird, die dem Anwender den Grad der Sensorerschöpfung anzeigt. Damit erhält der Anwendereine Information überden optimalen Zeitpunkt füreinen Sensoraustausch. Auf diese Weise kann die Messfunktion desGassensors überden längstmöglichenZeitraum ausgenutzt werden. Die erfindungsgemäß angegebene Statusanzeigeist nicht auf elektrochemische Sensoren beschränkt, sondern sie lässt sichauch bei katalytischen oder optischen Gassensoren oder elektrochemischenSystemen, wie Batterien, einsetzen.
    [0009] VorteilhafteAusgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    [0010] Invorteilhafter Weise wird in der Auswerteschaltung in Abhängigkeitvon sensorspezifischen Messgrößen eineTrendkurve als Funktion der Zeit ermittelt und mit einem vorbestimmtenGrenzwert verglichen. Die Statusanzeige wird aktiviert, wenn derFunktionswert der Trendkurve einen vorbestimmten Grenzwert erreichthat. Zweckmäßig istes hierbei, mehrere Grenzwerte festzulegen, die individuellen Statusanzeigenzugeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich der Verlauf der Trendkurvebesser verfolgen.
    [0011] Beieiner amperometrischen Brennstoffzelle eignet sich als sensorspezifischeMessgröße der Sensorstrom,wobei die Trendkurve durch Integration des Sensorstromes über derZeit gebildet wird. Bei einem fabrikneuen Sensor hat das Integral,im Folgenden mit Stromintegral bezeichnet, den Wert Null. Die Sensorerschöpfung isthierbei ebenfalls Null, d.h. der Sensor ist uneingeschränkt gebrauchsfähig. Je näher dasStromintegral im Verlauf des Sensoreinsatzes einem vorbestimmtenGrenzwert kommt, desto mehr vergrößert sich die Sensorerschöpfung bis hinzum völligenVerbrauch des Elektrolyten beziehungsweise des Anodenmaterials.
    [0012] Alseine alternative Trendkurve eignet sich die Abnahme der SensorempfindlichkeitE, welche im Ursprungszustand den Maximalwert annimmt und während desGeräteeinsatzesständigabnimmt. Die Sensorempfindlichkeit kann beispielsweise während derroutinemäßig durchzuführendenKalibrierzyklen ermittelt werden, wobei durch die Einzelmesswerte eineAusgleichsgerade gelegt wird. Der Abfall der SensorempfindlichkeitE von dem Maximalwert auf einen vorbestimmten unteren Grenzwertist ein Maß für die Sensorerschöpfung beziehungsweisefür den völligen Verbrauchdes Sensors.
    [0013] Inzweckmäßiger Weiseist ein die Umgebungstemperatur messender Temperatursensor vorgesehenund es sind als zusätzlicheMessgrößen positiveAbweichungen und negative Abweichungen von einer mittleren TemperaturTM vorgesehen. Es werden dann Integraleder positiven Temperaturabweichungen und negativen Temperaturabweichungengebildet. Der Temperatursensor kann entweder am Gasmessgerät selbstoder am Sensor angebracht sein.
    [0014] EinAusführungsbeispielist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
    [0015] Eszeigen:
    [0016] 1 denAufbau eines Gasmessgerätes nachder Erfindung,
    [0017] 2 verschiedeneInformationszustände vonStatusanzeigen,
    [0018] 3 einBeispiel fürdie Auswertung des Sensorstromes,
    [0019] 4 einBeispiel fürdie Auswertung der Sensorempfindlichkeit,
    [0020] 5 einBeispiel fürdie Berücksichtigung desTemperatureinflusses.
    [0021] 1 veranschaulichtschematisch ein Gasmessgerät 1 miteiner amperometrischen Brennstoffzelle als Sensor 2, einerAuswerteschaltung 3 zur Verarbeitung von sensorspezifischenMessgrößen, einerAnzeigeeinheit 4 fürMesswerte, einer Stromversorgung 5, einem Temperatursensor 6 undmit einer Statusanzeige 7 für die Sensorerschöpfung. Die Statusanzeige 7 besitztzwei Anzeigefelder 8, 9, die je nach Sensorzustandschwarz oder neutral sind. Bei dem in der 1 dargestelltenSensorzustand ist nur das Anzeigefeld 9 geschwärzt, wasin etwa einem mehr als die Hälfteverbrauchten Sensor 2 entspricht, der noch eine hohe Einsatzbereitschaftmit niedriger Ausfallwahrscheinlichkeit hat.
    [0022] 2 zeigtverschiedene Informationszuständeder Statusanzeige 7. Die linke Darstellung mit zwei geschwärzten Anzeigefeldern 8, 9 stehtfür einenunverbrauchten Sensor 2 mit sehr hoher Einsatzbereitschaftund sehr geringer Ausfallwahrscheinlichkeit. Demgegenüber veranschaulichtdie rechte Darstellung der Statusanzeige 7 mit zwei ungeschwärzten Anzeigefeldern 8, 9 einenSensor 2, der nur noch eingeschränkt einsatzbereit ist und ausgetauscht werdensollte. Die mittlere Darstellung entspricht einem Sensorzustand,der zwischen diesen beiden Trendwerten liegt. Die Statusanzeigekann alternativ auch mit Symbolen „gut 10", „Mittel 11", „schlecht 12" vorgenommen werden.
    [0023] EineMöglichkeitzur Ermittlung der Sensorerschöpfungbesteht darin, das Integral des Sensorstromes in Abhängigkeitvon der Zeit zu bilden.
    [0024] Derobere Teil der 3 veranschaulicht den Verlaufdes Sensorstromes i in Abhängigkeitvon der Zeit t; i = i (t). Die Zeitachse beginnt mit t = 0 für einen unverbrauchtenSensor 2. Die Höhedes Sensorstromes i (t) ist abhängigvon der zu messenden Gaskonzentration. Im mittleren Bereich derKurve ist kein nachzuweisendes Gas vorhanden, und der Sensorstromi fälltauf den Wert Null. Bei Begasung mit einer konstanten Gaskonzentrationnimmt der Sensorstrom i bei einer amperometrischen Brennstoffzelle stetigab, bis der Sensor 2 aufgrund der elektrochemischen Umsetzungmit der Gasprobe völligverbraucht ist.
    [0025] Deruntere Teil der 3 zeigt den Verlauf des Integralsdes Sensorstromes i, das Stromintegral 18, als Funktionder Zeit t. Das Stromintegral 18 beginnt zum Zeitpunktt = 0 mit dem Wert Null füreinen fabrikneuen, unverbrauchten Sensor 2. Für das Stromintegral 18 wirdein Grenzwert G festgelegt, bei dem der Sensor 2 verbrauchtist. Dieser Grenzwert G wird füreinen bestimmten Sensortyp durch Versuche ermittelt. Als Kriteriumfür dasMaß derSensorerschöpfungwerden Prozentanteile des Grenzwertes, 30% G und 75% G, festgelegt.
    [0026] ZumZeitpunkt t = 0 bei einem unverbrauchten Sensor 2, sindbeide Anzeigefelder 7, 8 der Statusanzeige 7 geschwärzt. Erreichtdas Stromintegral 18 zum Zeitpunkt t = t1 denGrenzwert 30% G, ist nur noch das Anzeigefeld 9 aktiv.Wenn zum Zeitpunkt t = t2 der Grenzwert75% G überschrittenwird; erlischt auch das Anzeigefeld 9 und der Sensor 2 mussausgetauscht werden.
    [0027] AlsAlternative zum Stromintegral 18 oder zusätzlich zumStromintegral 18 kann die Sensorempfindlichkeit E als Kriteriumzu dem Grad der Sensorerschöpfungbenutzt werden. Die Sensorempfindlichkeit wird während regelmäßig durchzuführender Kalibrierzyklenbestimmt und ergibt sich aus dem Quotienten aus Signalanstieg undGaskonzentrationsänderung.
    [0028] 4 veranschaulichtden Verlauf der Sensorempfindlichkeit E in Abhängigkeit von der Gebrauchszeitt. Die Sensorempfindlichkeit E wird erstmalig zum Zeitpunkt t =0 für einenfabrikfrischen Sensor 2 ermittelt und mit 100% bewertet.Durch weitere, im Rahmen von Kalibrierungen ermittelte Messwerte 13, 14, 15, 16 werdenExtrapolationsgeraden gelegt. Die Ausgleichsgerade 17 zeigtden Abfall der Empfindlichkeit E in Abhängigkeit von der Gebrauchszeitt. Zum Zeitpunkt t = t1 sind nur noch 40% derursprünglichenEmpfindlichkeit E vorhanden, währendzum Zeitpunkt t = t2 die Empfindlichkeitauf 30% des Ausgangswertes abgefallen ist.
    [0029] ZumZeitpunkt t = 0 ist die Sensorempfindlichkeit E maximal und es sindbeide Anzeigefelder 8, 9 der Statusanzeige 7 geschwärzt. Istdie Sensorempfindlichkeit E zum Zeitpunkt t = t1 auf40% 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 aktivund der Sensor 2 muss ausgetauscht werden.
    [0030] Für den Fall,dass der Sensor 2 Temperatureinflüssen ausgesetzt ist, muss für die dieBeurteilung der Sensorerschöpfungdie Umgebungstemperatur berücksichtigtwerden.
    [0031] 5 gibtein Beispiel fürdie Berücksichtigungdes Temperatureinflusses an.
    [0032] Dieobere Kurve der 5 veranschaulicht den Verlaufder Umgebungstemperatur T in Abhängigkeitvon der Zeit t. Aus der Sensorspezifikation wird die für den Betriebdes Sensors 2 günstigeTemperatur Tm entnommen und als Bezugsliniefür die Temperaturauswertungbenutzt. Positive Abweichungen, mit „plus" gekennzeichnet und negative Abweichungenmit „minus" bezeichnet, werdenin getrennten Integralen in Abhängigkeitvon der Zeit aufintegriert. Positive Temperaturabweichungen verkürzen inder Regel die Gebrauchszeit des Sensors 2 stärker alsnegative Temperaturabweichungen.
    [0033] Diemittlere Kurve der 5 zeigt das Integral der positivenTemperaturabweichungen, währenddie untere Kurve der 5 das Integral der negativenTemperaturabweichungen darstellt. Zu den Zeitpunkten t1 undt2 werden aus den Temperaturintegralen Faktorenermittelt, die in die Ermittlung des Sensorstatus einfließen. Jehöher dieWerte der Temperaturintegrale zu den Zeitpunkten t1 undt2 sind, desto mehr reduzieren sich beiden korrespondierenden Zeiten des Stromintegrals 18 nachder 3 oder der Ausgleichsgeraden 17 für die SensorempfindlichkeitE nach der 4 die Grenzwerte, bei denendie Statusanzeige 7 mit zwei geschwärzten 8, 9 aufein geschwärztesAnzeigefeld 9 umspringt oder die Anzeige für den Sensoraustausch,bei dem kein Anzeigefeld 8, 9 aktiv ist, bereitszu einem früheren Zeitpunkterreicht ist. Die Statusdaten des Sensors 2 werden in einemam Sensor 2 angeordneten Begleitspeicher 19 abgelegt,damit der Status des Sensors 2 auch dann ermittelt werdenkann, wenn dieser an verschiedenen Geräten verwendet wurde.
    权利要求:
    Claims (6)
    [1] Gasmessgerätmit einem elektrochemischen Sensor (2), einerAuswerteschaltung (3) zur Verarbeitung von sensorspezifischenMessgrößen und einervon der Auswerteschaltung (3) aktivierten Statusanzeige(7) fürdie Sensorerschöpfung.
    [2] Gasmessgerätnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung(3) zur Erzeugung einer Trendkurve (17, 18)in Abhängigkeit vonder Zeit von zumindestens einer sensorspezifischen Messgröße ausgebildetist und dass die Statusanzeige (7) aktiviert ist, wenndie Trendkurve (17, 18) einen vorbestimmten Grenzwerterreicht.
    [3] Gasmessgerätnach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße, der Sensorstromund die Trendkurve das Stromintegral des Sensorstroms ist.
    [4] Gasmessgerätnach einem der Ansprüche1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße die SensorempfindlichkeitE und die Trendkurve eine Ausgleichsgerade (17) durch Einzelmesswerte(13, 14, 15, 16) der SensorempfindlichkeitE ist.
    [5] Gasmessgerätnach einem der Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Umgebungstemperaturmessender Temperatursensor, (6) vorgegesehen ist und dassals zusätzlicheMessgrößen diepositiven Abweichungen und negativen Abweichungen von einer mittlerenTemperatur Tm ausgewählt sind.
    [6] Gasmessgerätnach einem der Ansprüche1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statusanzeige als eineBargraphanzeige mit Anzeigefeldern (8, 9) oderals eine Symboldarstellung mit den Symbolen „gut 10", „mittel 11", „schlecht 12" vorliegt.
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    优先权:
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