Beschreibung

Elektrochemischer Sensor

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor mit einem

Sensorelement, mit einem primärseitigen Steckverbinderelement und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement, wobei das sekundärseitige Steckverbinderelement mit dem Sensorelement verbindbar ist, wobei das primärseitige Steckverbinderelement und das sekundärseitige Steckverbinderelement über eine Steckverbinderkupplung miteinander verbindbar sind, und wobei die Energieversorgung und die Kommunikation zwischen dem primärseitigen Steckverbinderelement und dem Sensorelement bzw. dem sekundärseitigem Steckverbinderelement über die Steckverbinderkupplung erfolgt.

[0002] Aus der DE 102 18 606 A1 ist ein potentiometrischer Sensor bekannt geworden, der einen Elementarsensor mit einem digitalen Datenspeicher aufweist, wobei der Datenspeicher fest mit dem Sensor verbunden ist. In dem Datenspeicher sind Prozess- oder Sensordaten gespeichert. Der Sensor kommuniziert über eine Schnittstelle mit einer übergeordneten Einheit, z. B. einem Transmitter oder einem Kabel. über die Schnittstelle überträgt der Sensor Messsignale, die den pH-Wert oder einen sonstigen Messwert repräsentieren. Weiterhin werden über die Schnittstelle Daten vom dem Datenspeicher gelesen bzw. auf den Datenspeicher geschrieben. Bevorzugt erfolgt über die Schnittstelle auch die Energieversorgung des Sensors.

[0003] Aus der DE 103 13 639 A1 ist ein vergleichbarer elektrochemischer

Sensor bekannt geworden. Bei dem elektrochemischen Sensor handelt es sich beispielsweise um einen Sauerstoffsensor. Entsprechende Sensoren mit induktiver Schnittstelle werden von der Anmelderin in unterschiedlichen Ausgestaltungen unter der Bezeichnung MEMOSENS oder mit Bezug auf die MEMOSENS-Technologie angeboten und vertrieben.

[0004] Je nach Sensortyp dauert es nach einer Inbetriebnahme oder auch im Falle von intermittierenden Messungen - z.B. bei Badge Prozessen - relativ lang, bis der Sensor einen eingeschwungenen, stabilen Zustand

erreicht. Bei einem ISFET-Sensor, wie er beispielsweise zur pH-Messung eingesetzt wird, liegt die Einschwingzeit bei ca. 10 Minuten. Bei einem Sauerstoffsensor kann es bis zu einem Tag dauern, bis der eingeschwungene Zustand erreicht ist. In vielen Applikation ist eine derart lange Einschwingzeit natürlich problematisch, da dies im Extremfall bedeutet, dass die Prozessanlage für längere Zeit still nicht betriebsbereit ist.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor so auszugestalten, dass er nach der Inbetriebnahme unverzüglich betriebsbereit ist.

[0006]

[0007] Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass dem primärseitigen

Steckverbinder-element eine Energieversorgungseinheit zugeordnet ist, die das Sensor-element über die Steckverbinderkupplung mit einer Betriebsspannung versorgt. Diese Betriebsspannung ist bevorzugt so ausgelegt, dass der elektrochemische Sensor bei einer Erst- oder WiederInbetriebnahme oder auch beim intermittierenden Betrieb nach einer Stand-by Phase verzögerungsfrei messbereit ist. Im Falle eines ISFET-Sensors entspricht diese Betriebsspannung der Polarisationsspannung des ISFETs.

[0008] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Sensors handelt es sich im Falle der Lagerung des Sensorelements bei dem primärseitigen Steckverbinder-element um einen Adapter, der während der Lagerung des Sensorelements auf das sekundärseitige Steckverbinderelement aufgesteckt ist und das Sensorelement mit der erforderlichen Mindest-Betriebsspannung versorgt. Bevorzugt handelt es sich um einen Steckadapter, der mit demselben mechanischen

Verbindungsmechanismus, z.B. einem Bajonettverschluß, ausgestattet ist wie das üblicherweise mit dem sekundärseitigen Steckverbinderelement verbundene primärseitige Steckverbinderelement.

[0009] Weiterhin wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des elektro-chemischen Sensors vorgeschlagen, dass für den Fall, dass der elektro-chemische Sensor intermittierend betrieben wird, die

Energieversorgungseinheit so ausgestaltet ist, dass sie zu- und abschaltbar ist, und dass die Energieversorgungseinheit im Stand-by Zustand aktiviert ist und die Mindest-Betriebsspannung für das Sensorelement zur Verfügung stellt und dass die Energieversorgungseinheit im Normalbetrieb des elektro-chemischen Sensors deaktiviert ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Energieversorgungseinheit ein Energiespeicher zugeordnet ist, der so ausgestaltet ist, dass er sich im Normalbetrieb des elektrochemischen Sensors auflädt.

[0010] Obwohl beispielsweise bei pH-Sensoren bevorzugt als

Steckverbinder-kupplung eine galvanische getrennte, insbesondere eine induktive Schnittstelle zum Einsatz kommt, kann es sich bei der Steckverbinder-kupplung auch um eine galvanische Schnittstelle handeln. Als kontaktlose Schnittstelle kann selbstverständlich auch eine optisch oder eine kapazitiv koppelnde Schnittstelle vorgesehen sein.

[0011] Wie bereits erwähnt handelt es sich bei dem elektrochemischen Sensor um einen pH-Sensor entweder mit einer Glaselektrode oder mit einer ISFET-Elektrode oder um einen Sensor zur Bestimmung einer chemischen Substanz. Bei der zu detektierenden Substanz kann es sich z.B. um eine beliebige in einer Flüssigkeit gelöste Substanz handeln. Beispielsweise wird eine Konzentration von Sauerstoff, Stickstoff oder Chlor gemessen.

[0012] Weiterhin wird gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors vorgeschlagen, dass es sich bei der Energieversorgungseinheit um eine Batterie, eine Solarzelle oder eine Brennstoffzelle handelt.

[0013] Weiterhin ist vorgesehen, dass der elektrochemische Sensor über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk mit einem Messumformer verbunden ist, wobei der Messumformer ggf. mit einer übergeordneten Leitwarte über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk kommuniziert.

[0014] Die Kommunikation des elektrochemischen Sensors mit der übergeordneten Leitwarte erfolgt entweder über eine Verbindungsleitung und/oder über Funk. Die Kommunikation basiert auf einem der Protokolle,

die in der Prozessautomatisierung standardmäßig verwendet werden, z.B. Profibus PA, Fieldbus Foundation, usw.

[0015] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors, die für den intermittierenden Messbetrieb einsetzbar ist, und Fig. 2: eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steckadapters. Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors 1. Diese Ausgestaltung kommt bevorzugt beim intermittierenden Messbetrieb zum Einsatz. Dargestellt sind in der Fig. 1 nur wenige Komponenten, die zur Daten- und Energieübertragung zwischen dem primärseitigen Steckverbinderelement 2 und dem sekundärseitigen Steckverbinderelement 3 erforderlich sind. Für ausführliche Information hierzu wird auf die beiden in der Beschreibungseinleitung zitierten Schriften des Standes der Technik oder auf den MEMOSENS der Anmelderin verwiesen.

[0016] Der elektrochemische Sensor 1 besteht - wie bereits mehr erwähnt - aus einem primärseitigen Steckverbinderelement 2 und einem sekundärseitigen Steckverbinderelement 3. Das sekundärseitigen Steckverbinderelement 3 ist mit dem Sensorelement 5 verbindbar. Bei dem Sensorelement 5 handelt es sich beispielsweise um eine pH-Glaselektrode oder um eine pH-ISFET-Elektrode. Das primärseitige Steckverbinderelement 2 und das sekundär-seitige Steckverbinderelement 3 sind über eine Steckverbinderkupplung 4 miteinander verbunden. Die mechanische Verbindung der beiden Komponenten 2, 3 erfolgt beispielsweise über einen Bajonett-Verschluss, wie er beim MEMOSENS der Anmelderin verwendet wird.

[0017] über die induktiv koppelnde Schnittstelle 4 erfolgt die Energie- und

Datenübertragung im gezeigten Beispiel kontaktlos. Selbstverständlich kann die Kopplung auch kapazitiv oder optisch ausgestaltet sein. Ebenso ist erfindungsgemäß eine galvanische Schnittstelle einsetzbar. über diese Steckverbinderkupplung 4 bzw. Schnittstelle erfolgen die Energieversorgung und der Datenaustausch zwischen dem primärseitigem

Steckverbinder-element 2 und dem sekundärseitigem Steckverbinderelement 3, das mit dem Sensorelement 5 verbunden ist.

[0018] Beim intermittierenden Betrieb in der Stand-by Phase wird das sekundär-seitige Steckverbinderelement 3 mit dem Sensorelement 5 über die Schnittstelle 4 mit der notwendigen Betriebsspannung versorgt. Im Falle eines ISFET-Sensors handelt es sich bei der zur Verfügung gestellten Betriebsspannung U um die sog. Polarisationsspannung. Sobald der elektrochemische Sensor 1 wieder aktiviert wird und Messwerte bereitstellen soll, wird die Energieversorgungseinheit 6 deaktiviert. Die Zu- und Abschaltung der Energieversorgungseinheit 6 erfolgt über den Schalter 7.

[0019] Der intermittierende Betrieb des elektrochemischen Sensors 1 wird über die Verbindungsleitung 9 bzw. das Kabel 9 gesteuert, die bzw. das den Sensor 1 mit einem Messumformer 11 verbindet. Wie in der Fig. 1 schematisch dargestellt, kann die Datenübertragung zwischen dem Sensor 1 und dem Messumformer 11 auch per Funk erfolgen. über die Verbindungsleitung 13 oder über Funkt 14 ist der Messumformer 11 weiterhin mit einer übergeordneten Leitwarte 12 verbunden.

[0020] Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Steckadapter 18, der verwendet wird, wenn das intelligente Sensorelement 5 mit gekoppeltem sekundärseitigem Steckverbinderelement 3 nicht in eine Prozessanlage eingebunden, sondern gelagert ist. Der Steckadapter 18 hat ebenfalls eine zugeordnete Energieversorgungseinheit 6, die dem sekundärseitigen Steckverbinder-element 3 und dem Sensorelement 5 die Mindest-Betriebsspannung U zur Verfügung stellt. Hierdurch befindet sich das Sensorelement 5 jederzeit im eingeschwungenen Zustand und ist unmittelbar nach der Einbindung in die Prozessanlage betriebsbereit. über einen Schalter 7 ist die Energieversor-gungseinheit 6 gleichfalls zu- und abschaltbar. Bei der Energieversorgungs-einheit 6 handelt es sich beispielsweise um eine Batterie, eine Brennstoffzelle, eine Solarzelle, usw.

[0021] Bezugszeichenliste

elektrochemischer Sensor primärseitiges Steckverbinderelement sekundärseitiges Steckverbinderelement Steckverbinderkupplung / Schnittstelle Sensorelement Energieversorgung Schalter Kommunikationsmodul Verbindungsleitung Funk Messumformer übergeordnete Leitwarte Verbindungsleitung Funk Verbindungsleitung Elektronik Ansteuerung der Schnittstelle Steckadapter Energiespeicher