检查传感器功能的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于检查具有电化学电池的电流计电化学传感器的功能的方法，并且还涉及用于执行该方法的测量系统。该方法具有以下步骤：在给定极化电压下利用电压控制工作的传感器受到一个干扰量。确定通过这种方式被干扰的电化学电池的响应，即测量信号或测量值，并使用受干扰时电化学电池的响应作为计算的输入来计算检查值。将检查值与系统相关的极限值进行比较。如果发现检查值小于或等于系统相关的极限值，则当前设定的极化电压已经表示最佳极化电压。但是，如果检查值大于系统相关的极限值，则将初始极化电压改变一个预定的电压增量。利用改变的极化电压重复上述步骤，直至找出最佳极化电压，即，直至所计算出的检查值小于系统相关的极限值为止。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种检查电流计电化学传感器是否正常工作的方法。
技术介绍
电流计电化学传感器用在多个领域中，用于确定液体中溶解的气体的局部压力和/或浓度。气体可以溶解在液体中，也可以溶解在气体中。现有技术的已知状态包括用于确定臭氧、氯、氢和氧的传感器。这些传感器用于不同领域中，诸如化学工业、食品工业以及生物
，例如用于监测生产过程或者还用于污水分析。电流计电化学传感器的测量原理是基于，当施加特定偏压或极化电压时，测量电化学电池中至少两个电极之间流过的电流。在许多情况下，该传感器还包括薄且能透过气体的薄膜，该薄膜将检测介质与电化学电池分隔开，并且只允许某些挥发性或气态物质，例如氧气通过。但是，还存在不具有这种薄膜的传感器。电化学电池具有至少两个电极和电极浸入在其中的电解液。至少一个电极是工作电极，至少一个为反电极。此外，还可能具有参考电极。反电极以及参考电极浸入在离导电解液中，而离导电解液又与工作电极相接触。通过适当的装置，工作电极以特定电压操作，该特定电压对于反电极而言通常为负的。换句话说，工作电极通常配置为阴极。在具有可透过氧的薄膜的电流计电化学传感器中，即在氧传感器中，溶解到介质中的氧通过薄膜移动到阴极。在阴极处，根据下面的化学式，氧被电化学还原成水 在大多数情况下被配置为阳极的反电极，通常由银/氯化银电极构成。在这种类型的反电极处，如下面的化学式所描述的，银被氧化为氯化银 如果将恒定电压施加给电化学电池，则电极处的化学反应将产生可测电流在阳极与阴极之间流动。如果阴极处的氧被完全消耗从而阴极处氧的局部压力等于零，则所测得的电流与局部压力成正比，并且因而与介质中所溶解的物质的浓度成正比。除局部压力之外，传感器的几乎所有特征参数都取决于温度，从而可以将所有测量值和特征参数都规定为温度的函数，或者将其与标准温度相联系。因此通常利用温度补偿和利用至少一个温度传感器的器件所确定的实际温度来进行测量。利用通过透气薄膜的氧扩散，提供了用于电极反应的驱动力，其中薄膜处的局部压力差为决定因素。如果阴极处存在的所有氧都被还原，那么通过薄膜处的局部压力差对氧流量进行专门地控制。电流计电化学氧传感器通常利用电压控制来进行操作，所施加的电压称为极化电压。在典型的伏安图即电流与电压图中，为了将所溶解的氧还原，作为减小的负电压的函数的电流首先升高到坪(plateau)，在该坪处电流在某个电压范围上保持基本恒定，超过该电压范围之后电流随电压的连续减小而增大。伏安图中的坪其特征在于具有一个电压范围，在该电压范围中氧还原受扩散速度控制，并且阴极处的局部压力等于零。通常，选择传感器的极化电压，以使传感器内部、更具体而言是阴极处氧的局部压力等于零，并且存在于阴极处的所有氧都被还原。极化电压的最佳电平应当处于典型伏安图中坪的中间附近。在这种情况下，测得的电流是电压无关的，并且与介质中溶解的氧的局部压力和浓度成正比。如果极化电压偏离最佳极化电压，即如果极化电压不再位于坪的中间或者甚至位于坪之外，则两个电极反应其中之一优先于另一个而发生。太低的极化电压具有将更少氧还原成水的作用，而太高的极化电压具有甚至将水还原成氢的作用。这样，偏离最佳极化电压的极化电压导致电流测量结果发生误差。最佳极化电压以及伏安图中坪的形状和位置，取决于多种因素。传感器正常工作的能力受这些因素的影响，这些因素包括温度、传感器的几何形状、传感器的使用年限，以及传感器中电解液的多种性质以及检测介质的多种性质，诸如pH值，氧浓度，以及诸如二氧化碳或能够通过薄膜并在电极处发生化学反应的其他挥发组分的干扰物质的存在。电流计电化学传感器的不同应用领域对于传感器正常工作的能力具有很强的要求。已知有多种检查电流计电化学传感器功能的方法。在DE 102 44 084 A1中披露了一种检查电化学传感器、特别是电导率传感器或pH传感器的功能的方法。向传感器暂时施加一个扰动量，在施加和/或去除扰动期间获取传感器信号的动态改变。作为时间的函数的传感器信号中的改变可以用作测量不同性质传感器参数的改变。在这种情况下所使用的扰动量由外部辅助电压构成。在pH传感器的情况下，测量电极和参考电极只是简单地彼此短路。在电流计电化学氧传感器中，上述方法具有缺点，即扰动量诸如电压变化必须相对较大，以便可观察到传感器信号的动态依赖性。电压变化必须足够大，以使化学系统失衡，并且从而应当处于伏安图中坪之外。直至化学平衡被恢复为止，即直至阴极处的局部压力返回零时经过的时间相对较长，并且可能会影响通常在非常短时间间隔内发生的化学反应期间的测量值的获取。在传感器的功能检查期间，不能获得测量系统或介质的短期改变。在US 6,761,817 B2中披露了一种确定氧传感器的极化电压的方法。包括在电压控制下正常工作的传感器的测量系统以这样一种方式变形，即能够利用电压控制及电流控制来操作该传感器。为了检查极化电压，将传感器切换到电流控制模式，并针对与初始值相比升高的电流电平和与初始值相比降低的另一电流电平来测量电压响应。在这种情况下的电压响应由在特定的预设电流电平下测得的电压值来表示。在这种情况下，与初始电流的偏差是固定的给定值，并且在这两个恒定电流电平下确定电压响应。在这种情况下，最佳极化电压接近两个电压的平均值，具体而言所述值为56％。用于寻找最佳极化电压的这种56％原则必须通过经验确定，并且取决于传感器几何形状以及介质中的氧浓度。这意味着仅当介质和/或测量系统在确定过程中没有改变时才能确定最佳极化电压。选择电流的给定电平，使其处于形成氧电化学极限的区域内。在本方法的实践中，传感器在处于典型伏安图的坪之外的电流电平工作，尽管这样做的结果是，可例如通过水还原时产生的氢来干扰化学平衡，导致在极化电压确定过程之后达到化学平衡时发生延迟。在已经确定了极化电压之后，将传感器切换回电压控制模式，并且设定新的半经验确定的极化电压。取决于传感器受到的干扰有多强，必须观察延长的等待周期直至能够确定稳定的测量值为止。但是，特别是在诸如食品工业和/或生物
的敏感区域中，极其重要的是要连续监测介质中的改变。即使浓度的小的改变或波动都会对敏感过程的产品产生影响。
技术实现思路
从而，本专利技术的任务是开发一种用于监测电流计电化学传感器正常工作能力的方法和测量系统，以及按照这样一种方式来设计所述方法和测量系统，即，使该方法能够被快速执行，使其与介质的成分无关，并且还可以用于处理介质的可变成分。分别根据独立权利要求1和根据权利要求9的方法和测量系统中可以得出该任务的解决方案。检查具有电化学电池的电流计电化学传感器是否正常工作的方法包括如下步骤电化学电池在具有初始恒定极化电压的电压控制下工作之后，向电化学电池施加扰动量。记录下电化学电池产生的响应，即测量信号或测量值作为扰动的结果，并且电化学电池的扰动的响应用作确定检查值时的输入。将该检查值与依赖于系统的或者系统特定的极限值进行比较，并且确认或改变极化电压。如果检查值小于或等于依赖于系统的极限值，则初始极化电压已经代表了最佳极化电压。另一方面，如果检查值大于依赖于系统的极限值，则将初始极化电压改变预定的电压增量。利用改变的极化电压重复这些步骤，直至找出最佳极化电压为止，即，直至确定检查值小于依赖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有电化学电池的电流计电化学传感器的功能检查方法，包括以下步骤：ａ．向所述电化学电池施加恒定的极化电压（Ｕ↓［Ｓ］，Ｕ↓［－１］，Ｕ↓［－２］，Ｕ↓［１］，Ｕ↓［－ｎ］，Ｕ↓［ｎ］），所述恒定的极化电压在开始时为恒定的初始极化电压（Ｕ↓［Ｓ］），ｂ．向所述电化学电池施加干扰量（±Ｕ↓［Ｄ］），ｃ．确定在存在所述干扰时所述电化学电池的至少一个响应（Ｉ↓［－１Ｄ］，Ｉ↓［－２Ｄ］，Ｉ↓［１Ｄ］，Ｉ↓［－ｎ］，Ｉ↓［ｎ］），ｄ．通过使用存在所述干扰时所述电化学电池的所述响应（Ｉ↓［－１Ｄ］，Ｉ↓［－２Ｄ］，Ｉ↓［１Ｄ］，Ｉ↓［－ｎ］，Ｉ↓［ｎ］）作为所述确定的输入，确定检查值（Ｋ↓［Ｄ］，Ｋ↓［－１］，Ｋ↓［－２］，Ｋ↓［１］，Ｋ↓［－ｎ］，Ｋ↓［ｎ］），ｅ．将所述检查值（Ｋ↓［Ｄ］，Ｋ↓［－１］，Ｋ↓［－２］，Ｋ↓［１］，Ｋ↓［－ｎ］，Ｋ↓［ｎ］）与极限值（Ｋ↓［Ｌ］）进行比较，ｆ．如果所述检查值（Ｋ↓［Ｄ］，Ｋ↓［－１］，Ｋ↓［－２］，Ｋ↓［１］，Ｋ↓［－ｎ］，Ｋ↓［ｎ］）小于或等于所述极限值（Ｋ↓［Ｌ］），则确认所述极化电压（Ｕ↓［Ｓ］，Ｕ↓［－１］，Ｕ↓［－２］，Ｕ↓［１］，Ｕ↓［－ｎ］，Ｕ↓［ｎ］）为最佳极化电压（Ｕ↓［ｏｐｔ］），或者如果所述检查值（Ｋ↓［Ｄ］，Ｋ↓［－１］，Ｋ↓［－２］，Ｋ↓［１］，Ｋ↓［－ｎ］，Ｋ↓［ｎ］）大于所述极限值（Ｋ↓［Ｌ］），则将所述极化电压（Ｕ↓［Ｓ］，Ｕ↓［－１］，Ｕ↓［－２］，Ｕ↓［１］，Ｕ↓［－ｎ］，Ｕ↓［ｎ］）改变一个增量（△Ｕ），ｇ．利用改变的极化电压（Ｕ↓［－１］，Ｕ↓［－２］，Ｕ↓［１］，Ｕ↓［－ｎ］，Ｕ↓［ｎ］），重复所述步骤ａ至ｆ。...

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：勒内奥柏林，
申请(专利权)人：梅特勒托利多公开股份有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]