DE102009010773B4

DE102009010773B4 - Electrode arrangement for an electrochemical gas sensor

Info

Publication number: DE102009010773B4
Application number: DE200910010773
Authority: DE
Inventors: Frank 23556 Mett; Uwe 23858 Kühn; Udo 23617 Beckmann
Original assignee: Drager Safety AG & Co Kgaa 23560; Draeger Safety AG and Co KGaA
Current assignee: Drager Safety AG & Co Kgaa 23560; Draeger Safety AG and Co KGaA
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2009-02-26
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: DE102009010773A1

Abstract

Elektrochemischer Gassensor, bestehend aus einem Sensorgehäuse (1) mit einer Elektrodenanordnung in einem flüssigen Elektrolyten in einem gemeinsamen Elektrolytraum (2), mit einer ersten Potenziostatschaltung (9) und einer zweiten Potenziostatschaltung (10) für den Betrieb des elektrochemischen Gassensors, wobei
a) ein erster Satz von Elektroden, bestehend aus einer Messelektrode (3), einer ersten Gegenelektrode (5) und einer ersten Bezugselektrode (7), sowie
b) ein zweiter Satz von Elektroden, bestehend aus einer Schutzelektrode (4), einer zweiten Gegenelektrode (6) und einer zweiten Bezugselektrode (8) in einem gemeinsamen Elektrolytraum angeordnet sind,
c) wobei die Schutzelektrode (4) des zweiten Satzes von Elektroden zwischen der Messelektrode (3) des ersten Satzes von Elektroden und der mindestens einen Gegenelektrode (5, 6, 204) des ersten oder zweiten Satzes von Elektroden angeordnet ist und wobei
d) die Messelektrode (3), die erste Gegenelektrode (5) und die erste Bezugselektrode (7) mit der ersten Potenziostatschaltung (9) verbunden sind, wobei
e) die Schutzelektrode...Electrochemical gas sensor, comprising a sensor housing (1) with an electrode arrangement in a liquid electrolyte in a common electrolyte space (2), with a first potentiostat circuit (9) and a second potentiostat circuit (10) for the operation of the electrochemical gas sensor, wherein
a) a first set of electrodes, consisting of a measuring electrode (3), a first counter electrode (5) and a first reference electrode (7), and
b) a second set of electrodes consisting of a protective electrode (4), a second counterelectrode (6) and a second reference electrode (8) are arranged in a common electrolyte space,
c) wherein the guard electrode (4) of the second set of electrodes is disposed between the sensing electrode (3) of the first set of electrodes and the at least one counter electrode (5, 6, 204) of the first or second set of electrodes, and wherein
d) the measuring electrode (3), the first counter electrode (5) and the first reference electrode (7) are connected to the first potentiostat circuit (9), wherein
e) the protective electrode ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Elektroden für einen elektrochemischen Gassensor mit Mitteln zum Betrieb eines solchen Sensors.The invention relates to an arrangement of electrodes for an electrochemical gas sensor with means for operating such a sensor.

Elektrochemische Gassensoren werden für eine Vielzahl von Überwachungs- und Messaufgaben eingesetzt, da sie in der Regel kostengünstig, eigensicher und robust sind und eine hohe Nachweisempfindlichkeit besitzen. Beispielhafte Einsatzgebiete für elektrochemische Gassensoren sind die Arbeitsplatzüberwachung, die Medizintechnik und die Umweltanalytik.Electrochemical gas sensors are used for a variety of monitoring and measurement tasks, as they are usually inexpensive, intrinsically safe and robust and have high detection sensitivity. Exemplary fields of application for electrochemical gas sensors are workplace monitoring, medical technology and environmental analysis.

In den meisten Fällen, in denen eine quantitative Gasanalyse erwünscht ist, werden elektrochemische Sensoren amperometrisch betrieben.In most cases where quantitative gas analysis is desired, electrochemical sensors are operated amperometrically.

Derartige elektrochemische Gassensoren müssen in der Praxis eine Reihe von Anforderungen erfüllen, wie beispielsweise:

• Hohe Langzeitstabilität des Messsignals
• Hohes Verhältnis vom Signalstrom zum Grundstrom
• Geringe Querempfindlichkeit gegenüber Störgasen, die in einer Gasmischung mit dem zu messenden Gas auftreten
• Geringe Temperatur- und Feuchtigkeitsabhängigkeit
• Schnelles Ansprechverhalten des Messsignals bei Änderung der Gaskonzentration

Such electrochemical gas sensors must meet in practice a number of requirements, such as:

• High long-term stability of the measuring signal
• High ratio of signal current to basic current
• Low cross-sensitivity to interfering gases that occur in a gas mixture with the gas to be measured
• Low temperature and humidity dependence
• Fast response of the measurement signal when the gas concentration changes

Für die Messung von Sauerstoff ist aus DE 19845318 C2 ein elektrochemischer Gassensor bekannt, der eine Messelektrode, eine Hilfselektrode, eine Bezugselektrode und eine Schutzelektrode in einem mit Schwefelsäure als flüssigem Elektrolyten gefüllten Elektrolytraum enthält. Die Messelektrode und auch die Schutzelektrode werden auch unter dem Obergriff einer Arbeitselektrode bezeichnet.For the measurement of oxygen is off DE 19845318 C2 an electrochemical gas sensor is known, which contains a measuring electrode, an auxiliary electrode, a reference electrode and a protective electrode in an electrolyte space filled with sulfuric acid as a liquid electrolyte. The measuring electrode and the protective electrode are also referred to as the top grip of a working electrode.

Im Betrieb des elektrochemischen Gassensors wird mit Hilfe eines Potenziostaten ein äquivalentes Potenzial an Messelektrode und Schutzelektrode gegenüber einem Bezugspotenzial eingeregelt.During operation of the electrochemical gas sensor, an equivalent potential at measuring electrode and protective electrode is adjusted with respect to a reference potential with the aid of a potentiostat.

Aus der DE 102 15 909 C1 ist ein elektrochemischer Gassensor zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration bekannt, der zwei Arbeitselektroden, eine Gegenelektrode und eine Bezugselektrode aufweist. Der Betrieb des elektrochemischen Gassensors zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration erfolgt mit Hilfe einer Bi-Potenziostat-Schaltung.From the DE 102 15 909 C1 For example, an electrochemical gas sensor for monitoring the hydrogen concentration is known, which has two working electrodes, a counter electrode and a reference electrode. The operation of the electrochemical gas sensor for monitoring the hydrogen concentration is carried out by means of a bi-potentiostat circuit.

Nachteilig an dieser Anordnung nach DE 198 453 18 C2 ist, dass die Gegenelektrode und Bezugselektrode für die erste Messelektrode und die zweite Messelektrode gemeinsam ausgebildet sind. Mit einer solchen Anordnung ergibt sich eine gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale an der ersten und zweiten Messelektrode. Die Betriebsbeschaltung nach DE 102 15 909 C1 weist den Nachteil auf, dass der Bezug der Operationsverstärker des Bi-Potenziostaten auf eine gemeinsame Versorgungsspannung erfolgt und eine gegenseitige Verkopplung stattfindet, die eine gegenseitige Beeinflussung der Potenziale an der ersten und zweiten Messelektrode hervorruft. Die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale wirkt sich auf das Zeitverhalten des Sensors nachteilig aus. Das zu messende Gas gelangt durch die Membran des Sensors an die Messelektrode im Inneren des Sensors. Der Transport des zu messenden Gases erfolgt bei porösen Membranen durch Diffusion und bei geschlossenen Membranen durch Permeation. Daraus resultiert eine membrantypische Durchdringungszeit für die zu messenden Gase. Die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale bewirkt eine zeitliche Verzögerung des messbaren Signals des elektrochemischen Gassensors gegenüber der membrantypischen Durchdringungszeit. Besonders nachteilig ist die Verzögerung des messbaren Signals bei einer schnellen Folge von Änderungen der Gaskonzentration, wie sie beispielsweise bei der Überwachung der menschlichen Ein- und Ausatmung stattfindet. In diesem Beispiel ergibt sich bei einem gesunden Menschen bei der Einatmung eine Sauerstoffkonzentration von 21 Volumenprozent, bei der Ausatmung ist die Sauerstoffkonzentration der ausgeatmeten Luft auf cirka 16 Volumenprozent vermindert.A disadvantage of this arrangement after DE 198 453 18 C2 in that the counterelectrode and reference electrode for the first measuring electrode and the second measuring electrode are formed together. With such an arrangement results in a mutual influence of the electrode potentials at the first and second measuring electrode. The operating circuit according to DE 102 15 909 C1 has the disadvantage that the reference of the operational amplifier of the bi-potentiostat takes place on a common supply voltage and mutual coupling takes place, which causes a mutual influence of the potentials at the first and second measuring electrode. The mutual influence of the electrode potentials has a detrimental effect on the time behavior of the sensor. The gas to be measured passes through the membrane of the sensor to the measuring electrode inside the sensor. The transport of the gas to be measured takes place in porous membranes by diffusion and in closed membranes by permeation. This results in a membrane-typical penetration time for the gases to be measured. The mutual influence of the electrode potentials causes a time delay of the measurable signal of the electrochemical gas sensor with respect to the membrane-typical breakthrough time. Particularly disadvantageous is the delay of the measurable signal in a rapid sequence of changes in gas concentration, such as occurs in the monitoring of human inhalation and exhalation. In this example, in a healthy person inhalation results in an oxygen concentration of 21% by volume, during exhalation the oxygen concentration of the exhaled air is reduced to about 16% by volume.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Elektrodenanordnung und eine zugehörige Betriebsbeschaltung für einen elektrochemischen Gassensor anzugeben, die die gegenseitige Beeinflussung der Elektrodenpotenziale unterbindet und eine Verbesserung des zeitlichen Messsignalverhaltens ermöglicht.The object of the present invention is to specify an electrode arrangement and an associated operating circuit for an electrochemical gas sensor, which prevents the mutual influencing of the electrode potentials and enables an improvement of the temporal measurement signal behavior.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung von Elektroden in einem flüssigen Elektrolyten in einem gemeinsamen Elektrolytraum und der zugehörigen Betriebsschaltung nach Anspruch 1 gelöst.The object is achieved by an arrangement of electrodes in a liquid electrolyte in a common electrolyte space and the associated operating circuit according to claim 1.

Die Ansprüche 2 bis 13 geben vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Anordnung an.The claims 2 to 13 indicate advantageous embodiments of the arrangement according to the invention.

Eine erste erfindungsgemäße Anordnung ist derart ausgestaltet, dass eine Anordnung der Elektroden in einem elektrochemischen Gassensor gewählt wird, die eine Zuordnung jeweils einer Arbeitselektrode zu einer Gegenelektrode und zu einer Bezugselektrode vorsieht. In einem Elektrolytraum sind insgesamt sechs Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine erste und eine zweite Bezugselektrode,
und eine erste und eine zweite Gegenelektrode.A first arrangement according to the invention is designed in such a way that an arrangement of the electrodes in an electrochemical gas sensor is selected, which provides for a respective assignment of a working electrode to a counter electrode and to a reference electrode. In an electrolyte space a total of six electrodes are arranged:
a measuring electrode, a protective electrode,
a first and a second reference electrode,
and a first and a second counter electrode.

Die Schutzelektrode ist zwischen der Messelektrode und den Gegenelektroden angeordnet. Die sechs Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten jeweils die erste Gegenelektrode, die erste Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten jeweils die zweite Gegenelektrode, die zweite Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.The protective electrode is arranged between the measuring electrode and the counterelectrodes. The six electrodes are arranged such that in each case the first counterelectrode, the first reference electrode and the measuring electrode are connected to one another via a first potentiostat and the second counterelectrode, the second reference electrode and the protective electrode are interconnected via a second potentiostat.

Die Elektroden werden in einer weiter bevorzugten Weise durch Separatoren, insbesondere Vliese voneinander getrennt. Die Separatoren sind aus porösen hydrophilen Materialien ausgebildet, vorzugsweise aus Glasfaservliesen oder aus Kunststoffvliesen. Die zwischen der Messelektrode und den Gegenelektroden angeordnete Schutzelektrode verhindert den Transport von Reaktionsprodukten der Gegenelektroden zur Messelektrode.The electrodes are separated from one another in a further preferred manner by separators, in particular nonwovens. The separators are formed from porous hydrophilic materials, preferably glass fiber webs or plastic nonwovens. The protective electrode arranged between the measuring electrode and the counterelectrodes prevents the transport of reaction products of the counterelectrodes to the measuring electrode.

In bevorzugter Weise ist das Sensorgehäuse in konzentrischer zylindrischer Form ausgebildet.Preferably, the sensor housing is formed in concentric cylindrical shape.

Eine weitere vorteilhafte Variante der Gehäuseform stellt eine planare Ausbildung des Sensorgehäuses dar.A further advantageous variant of the housing shape represents a planar design of the sensor housing.

In einer zweiten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Bezugselektroden als gemeinsame Bezugselektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei in vorteilhafter Weise der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse vereinfacht wird.In a second arrangement according to the invention, the reference electrodes are designed as a common reference electrode. This variant can be used in the case of a very high-impedance decrease in the reference electrode potentials by the potentiostat circuit, with the mechanical structure in the sensor housing advantageously being simplified.

In einem Elektrolytraum sind insgesamt fünf Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Bezugselektrode
und eine erste und eine zweite Gegenelektrode.In an electrolyte chamber a total of five electrodes are arranged:
a measuring electrode, a protective electrode,
a common reference electrode
and a first and a second counter electrode.

Die fünf Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten eine erste Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten sind eine zweite Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet.The five electrodes are arranged such that a first counter-electrode, the common reference electrode and the measuring electrode are interconnected via a first potentiostat, and a second counter-electrode, the common reference electrode and the protective electrode are interconnected via a second potentiostat.

In einer dritten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Gegenelektroden als gemeinsame Gegenelektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei wie in der zweiten erfindungsgemäßen Anordnung der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse vereinfacht wird.In a third arrangement according to the invention, the counterelectrodes are designed as a common counterelectrode. This variant can be used in the case of a very high-impedance decrease of the reference electrode potentials by the potentiostat circuit, the mechanical structure in the sensor housing being simplified as in the second arrangement according to the invention.

In einem Elektrolytraum sind insgesamt fünf Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Gegenelektrode
eine erste und eine zweite BezugselektrodeIn an electrolyte chamber a total of five electrodes are arranged:
a measuring electrode, a protective electrode,
a common counterelectrode
a first and a second reference electrode

Die fünf Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die erste Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die zweite Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.The five electrodes are arranged in such a way that the common counterelectrode, the first reference electrode and the measuring electrode are interconnected via a first potentiostat and the common counterelectrode, the second reference electrode and the protective electrode are interconnected via a second potentiostat.

In einer vierten erfindungsgemäßen Anordnung sind die Bezugselektroden als gemeinsame Bezugselektrode und die Gegenelektroden als gemeinsame Gegenelektrode ausgeführt. Diese Variante ist bei einer sehr hochohmigen Abnahme der Bezugselektrodenpotentiale durch die Potenziostatenschaltung einsetzbar, wobei der mechanische Aufbau im Sensorgehäuse gegenüber der zweiten und dritten Ausführungsform weiter vereinfacht wird.In a fourth arrangement according to the invention, the reference electrodes are designed as a common reference electrode and the counterelectrodes as a common counterelectrode. This variant can be used in the case of a very high-impedance decrease of the reference electrode potentials by the potentiostat circuit, the mechanical structure in the sensor housing being further simplified compared with the second and third embodiments.

In einem Elektrolytraum sind insgesamt vier Elektroden angeordnet:
eine Messelektrode, eine Schutzelektrode,
eine gemeinsame Gegenelektrode
eine gemeinsame BezugselektrodeIn an electrolyte space a total of four electrodes are arranged:
a measuring electrode, a protective electrode,
a common counterelectrode
a common reference electrode

Die vier Elektroden sind so angeordnet, dass über einen ersten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Messelektrode miteinander verschaltet sind und über einen zweiten Potenziostaten die gemeinsame Gegenelektrode, die gemeinsame Bezugselektrode und die Schutzelektrode miteinander verschaltet sind.The four electrodes are arranged in such a way that the common counterelectrode, the common reference electrode and the measuring electrode are interconnected via a first potentiostat and the common counterelectrode, the common reference electrode and the protective electrode are interconnected via a second potentiostat.

Eine spezielle Erweiterung der Ausführungsform eines solchen elektrochemischen Gassensors und in solcher Art betriebenen elektrochemischen Gassensors erhält man dadurch, dass zusätzlich zu den beschriebenen zwei Elektrodensätzen, jeweils bestehend aus einer Gegenelektrode, einer Bezugselektrode und einer Messelektrode, mindestens ein weiterer Elektrodensatz, bestehend aus einer Gegenelektrode, einer Bezugselektrode und einer Messelektrode, in dem gemeinsamen Elektrolytraum untergebracht ist, und dass jeder weitere Elektrodensatz mit einer weiteren Potenziostatschaltung verbunden ist.A specific extension of the embodiment of such an electrochemical gas sensor and electrochemical gas sensor operated in such a manner is obtained in that in addition to the described two electrode sets, each consisting of a counter electrode, a reference electrode and a measuring electrode, at least one further electrode set consisting of a counter electrode, a reference electrode and a measuring electrode, is housed in the common electrolyte space, and that each further electrode set is connected to a further potentiostat circuit.

In einer weiteren speziellen Erweiterung der Ausführungsform eines solchen elektrochemischen Gassensors ist die galvanische Trennung der Versorgungsspannungen der mindestens drei Potenziostatschaltungen vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung von vier, fünf oder sechs Elektroden in einem gemeinsamen Elektrolytraum und der zugehörigen Betriebsschaltung ist die Spannungsversorgung des ersten Potenziostaten von der Spannungsversorgung des zweiten Potenziostaten getrennt ausgeführt, um eine unabhängige Potenzialsteuerung der Elektrodenpotenziale zu gewährleisten.In a further specific extension of the embodiment of such an electrochemical gas sensor, the galvanic isolation of the supply voltages of the at least three potentiostat circuits is provided. In a preferred embodiment, the arrangement of four, five or six electrodes in a common Electrolyte space and the associated operating circuit, the power supply of the first potentiostat is performed separately from the power supply of the second potentiostat to ensure independent potential control of the electrode potentials.

Weiterhin ist in einer besonders bevorzugten Variante dieser Ausführungsform eine galvanische Trennung der Versorgungsspannungen der beiden Potenzionstatschaltungen vorgesehen.Furthermore, in a particularly preferred variant of this embodiment, a galvanic isolation of the supply voltages of the two potential-generating actuation circuits is provided.

Die galvanische Trennung kann über entsprechende Trennelemente, wie etwa Gleichspannungswandler mit galvanischer Trennung der eingangsseitigen Spannung von den ausgangsseitigen Spannungen oder über getrennte Sekundärwicklungen eines Trenntransformators mit nachgeschalteten Gleichrichtelementen dargestellt werden. Eine Spannungsversorgung der Schaltung über eine Anzahl von mindestens zwei nicht untereinander elektrisch verbundenen Primärbatterien oder wiederaufladbaren Batterien bewirkt in ähnlicher Weise eine galvanische Trennung der Potenziostaten.The galvanic isolation can be represented by appropriate isolation elements, such as DC-DC converter with galvanic isolation of the input side voltage from the output side voltages or via separate secondary windings of an isolation transformer with downstream rectifier elements. A voltage supply of the circuit via a number of at least two primary batteries or rechargeable batteries which are not connected to one another in an electrically connected fashion likewise causes a galvanic separation of the potentiostats.

Eine Anordnung von mindestens zwei Elektrodensätzen in einem elektrochemischen Gassensor ist besonders vorteilhaft für einen Sauerstoffsensor zur Überwachung der menschlichen Atemtätigkeit. Der flüssige Elektrolyt besteht dabei in bewährter Weise aus Schwefelsaure. Dem Elektrolyten kann dabei ein ergänzender Zusatz beigefügt sein, mit dessen Hilfe die chemische Prozesskette bei der elektrochemisch basierten Gasmessung in einer Form variiert wird, dass mit dem ergänzenden Zusatz, dem sogenannten Mediator, eine zusätzliche Umsetzungsreaktion erfolgt. In der DE 10 2006 014 715 B3 ist der Aufbau eines elektrochemischen Gassensors mit einem Mediator beschrieben. Die Messelektrode und die Schutzelektrode bestehen in bewährter Ausführung aus einem Edelmetall, oder aus einem Material, das ein Edelmetall enthält.An arrangement of at least two electrode sets in an electrochemical gas sensor is particularly advantageous for an oxygen sensor for monitoring human respiratory activity. The liquid electrolyte consists in a proven manner of sulfuric acid. The electrolyte may be accompanied by a supplementary additive, by means of which the chemical process chain in the electrochemically based gas measurement is varied in such a way that an additional conversion reaction takes place with the supplementary additive, the so-called mediator. In the DE 10 2006 014 715 B3 the construction of an electrochemical gas sensor with a mediator is described. The measuring electrode and the protective electrode are in proven design of a noble metal, or of a material containing a precious metal.

Die Messelektrode und die Schutzelektrode können in einer alternativen Ausführung aus Kohlenstoff als Basismaterial bestehen. Mögliche Ausprägungen davon sind Elektroden aus Diamant, aus Diamant-ähnlichen Materialien, wie dem sogenannten Diamant-Like-Carbon (DLC) oder Ausführungen aus einem Material, das auf Kohlenstoffröhrchen basiert, den sogenannten Carbon Nano Tubes (CNT). In der DE 10144862 A1 ist der Aufbau eines elektrochemischen Gassensors mit Diamatelektroden beschrieben.The measuring electrode and the protective electrode may be made of carbon as a base material in an alternative embodiment. Possible forms of this are electrodes made of diamond, diamond-like materials, such as the so-called diamond-like carbon (DLC) or versions of a material based on carbon tubes, the so-called carbon nanotubes (CNT). In the DE 10144862 A1 the construction of an electrochemical gas sensor with diamond electrodes is described.

An einem Ausführungsbeispiel und den zugehörigen 1–7 werden die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden und die Betriebsschaltung näher erläutert.On an embodiment and the associated 1 - 7 the arrangement of the electrodes and the operating circuit according to the invention are explained in more detail.

1 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von sechs Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen, 1 shows an electrode arrangement in an electrochemical gas sensor in a first embodiment according to the invention with a number of six electrodes and the connection points to the two potentiostat circuits,

2 zeigt in der erfindungsgemäßen Ausführung die zugehörigen Mittel einer ersten Potenziostaten-Beschaltung und 2 shows in the embodiment according to the invention the associated means of a first potentiostat circuit and

Energieversorgung für den Betrieb des erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensors,Energy supply for the operation of the electrochemical gas sensor according to the invention,

3 zeigt in der erfindungsgemäßen Ausführung die zugehörigen Mittel einer zweiten Potenziostaten-Beschaltung und Energieversorgung für den Betrieb des erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensors, 3 shows in the embodiment according to the invention the associated means of a second potentiostat circuit and power supply for the operation of the electrochemical gas sensor according to the invention,

4 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von fünf Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen, 4 shows an electrode arrangement in an electrochemical gas sensor in a second embodiment according to the invention with a number of five electrodes and the connection points to the two potentiostat circuits,

5 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von fünf Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen, 5 shows an electrode arrangement in an electrochemical gas sensor in a third embodiment according to the invention with a number of five electrodes and the connection points to the two potentiostat circuits,

6 zeigt eine Elektrodenanordnung in einem elektrochemischen Gassensor in einer vierten erfindungsgemäßen Ausführung mit einer Anzahl von vier Elektroden und den Verbindungsstellen zu den zwei Potenziostatenschaltungen, 6 shows an electrode arrangement in an electrochemical gas sensor in a fourth embodiment according to the invention with a number of four electrodes and the connection points to the two potentiostat circuits,

7 zeigt den erfindungsgemäßen elektrochemischen Gassensor in Zusammenschau mit den Mitteln zum Betrieb und zur Energieversorgung und Auswertung gemäß den 1 bis 6. 7 shows the electrochemical gas sensor according to the invention in conjunction with the means for operation and energy supply and evaluation according to the 1 to 6 ,

1 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit der erfindungsgemäßen Anordnung von sechs Elektroden. Die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) ist in den 2 und 3 abgebildet. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Gegenelektrode 5, eine zweite Gegenelektrode 6, eine erste Bezugselektrode 7 und eine zweite und eine Anzahl von drei Separatoren 200, 201, 202 Bezugselektrode 8 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über eine Membran 19. Die erste Bezugselektrode 7 ist über eine Verbindungsstelle 70 nach außen geführt. Die zweite Bezugselektrode 8 ist über eine Verbindungsstelle 80 nach außen geführt. Die erste Gegenelektrode 5 ist über eine Verbindungsstelle 50 nach außen geführt. Die zweite Gegenelektrode 6 ist über eine Verbindungsstelle 60 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über eine Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist zwischen der Messelektrode 3 und den Gegenelektrode 6 angeordnet, Die Schutzelektrode 4 ist über eine Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 5, 6, 7, 8 sind durch die drei Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von ersten Gegenelektrode 5 und von der zweiten Gegenelektrode 6 getrennt. Die erste und die zweite Gegenelektrode 5, 6 sind von der ersten Bezugselektrode 7 und von der zweiten Bezugselektrode 8 durch einen ersten Separator 200 getrennt. 1 shows an electrochemical gas sensor with the inventive arrangement of six electrodes. The connection of the arrangement of the six electrodes to the potentiostats 9 . 10 ( 2 . 3 ) is in the 2 and 3 displayed. In a common sensor housing 1 with an electrolyte compartment 2 are a measuring electrode 3 , a protective electrode 4 , a first counter electrode 5 , a second counter electrode 6 , a first reference electrode 7 and a second and a number of three separators 200 . 201 . 202 reference electrode 8th accommodated. The electrolyte space 2 is with an electrolyte 29 filled. Gas is admitted via a membrane 19 , The first reference electrode 7 is via a connection point 70 led to the outside. The second reference electrode 8th is via a connection point 80 led to the outside. The first counter electrode 5 is via a connection point 50 led to the outside. The second counterelectrode 6 is via a connection point 60 led to the outside. The measuring electrode 3 is via a connection point 30 led to the outside. The protection electrode 4 is between the measuring electrode 3 and the counter electrode 6 arranged, the protective electrode 4 is via a connection point 40 led to the outside. The electrodes 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8th are through the three separators 200 . 201 . 202 separated from each other. The measuring electrode 3 is via a third separator 202 from the guard electrode 4 separated. The protection electrode 4 is via a second separator 201 from the first counterelectrode 5 and from the second counter electrode 6 separated. The first and the second counterelectrode 5 . 6 are from the first reference electrode 7 and from the second reference electrode 8th through a first separator 200 separated.

In den 2 und 3 ist die Anbindung der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung nach 1 mit einer ersten und zweiten Potenziostatschaltung zum Betrieb des elektrochemischen Sensors gezeigt.In the 2 and 3 is the connection of the electrode arrangement according to the invention 1 with a first and second potentiostat circuit for operating the electrochemical sensor.

Die Messelektrode 3, die erste Gegenelektrode 5 und die erste Bezugselektrode 7 sind über die Verbindungen 30, 31, 50, 51 und 70, 71 mit einer ersten Potenziostatschaltung 9 verbunden. Die Schutzelektrode 4, die zweite Gegenelektrode 6 und die zweite Bezugselektrode 8 sind über die Verbindungen 40, 41, 60, 61 und 80, 81 mit einer zweiten Potenziostatschaltung 10 verbunden. Die erste Potenziostatschaltung 9 mit den Verbindungsstellen 31, 51, 71 besteht aus einem ersten Operationsverstärker 23, einem ersten Widerstand 22, einem zweiten Operationsverstärker 33 und einem dritten Operationsverstärker 43. Der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 ist über die Verbindungsstellen 31 und 30 mit der Messelektrode 3 verbunden.The measuring electrode 3 , the first counterelectrode 5 and the first reference electrode 7 are about the connections 30 . 31 . 50 . 51 and 70 . 71 with a first potentiostat circuit 9 connected. The protection electrode 4 , the second counter electrode 6 and the second reference electrode 8th are about the connections 40 . 41 . 60 . 61 and 80 . 81 with a second potentiostat circuit 10 connected. The first potentiostat circuit 9 with the connection points 31 . 51 . 71 consists of a first operational amplifier 23 , a first resistance 22 , a second operational amplifier 33 and a third operational amplifier 43 , The inverting input of the first operational amplifier 23 is about the connection points 31 and 30 with the measuring electrode 3 connected.

Der erste Widerstand 22 ist mit einer Anschlussseite an den Ausgang des ersten Operationsverstärkers 23 angeschlossen, mit der anderen Anschlussseite ist der erste Widerstand 22 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 angeschlossen. Am nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23 wird von außen ein erstes Referenzpotenzial 26 im Bereich von –2000 bis +2000 Millivolt eingestellt, das als Führungsgröße für das Potenzial an der ersten Messelektrode 3 wirkt. Das erste Referenzpotenzial 26 ist mit einem ersten Bezugsspannungsanschluss 20 einer ersten Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist über die Verbindungsstellen 51 und 50 mit der ersten Gegenelektrode 5 verbunden. Der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 ist über die Verbindungsstellen 71 und 70 mit der ersten Bezugselektrode 7 verbunden. Am nichtinvertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers 33 wird von außen ein drittes Referenzpotential 36 eingestellt, das mit einem zweiten Bezugsspannungsanschluss 27 der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden ist. Der zweite Bezugsspannungsanschluss 27 der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 ist von der ersten positiven Versorgungsspannung 91 und der ersten negativen Versorgungsspannung 92 in der ersten Spannungsversorgungseinheit 11 abgeleitet und wird in einer bevorzugten Ausführung als Bezugsgröße als ein Massepotenzial ausgebildet. Besonders bei einer Ausführung mit unipolarer Versorgung der Operationsverstärker 33, 43, 23 wobei die negative Versorgungsspannung 92 als ein Potenzial von 0 V ausgebildet ist, wird das Potenzial des zweiten Bezugsspannungsanschlusses 27 in bevorzugter Weise als virtuelle Masse mittig in den Spannungsbereich gelegt. Eine unipolare Ausführung ist in besonderer Weise vorteilhaft für ein batteriebetriebenes Gasmessgerät. Der dritte Operationsverstärker 43 ist als Differenzverstärker ausgeführt und ist eingangsseitig über die Verbindungsstelle 31 und dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers 23, sowie mit dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers 23 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 43 ist mit der Kontaktstelle 46 verbunden. Hier liegt ein erstes Ausgangssignal an, das einer Auswerteschaltung 13 (7) zur Verfügung gestellt wird. Die positive Versorgungsspannung für den ersten Operationsverstärker 23 ist über die Verbindungsstelle 24 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt.The first resistance 22 is with a connection side to the output of the first operational amplifier 23 connected, with the other terminal side is the first resistor 22 to the inverting input of the first operational amplifier 23 connected. At the non-inverting input of the first operational amplifier 23 becomes a first reference potential from outside 26 in the range of -2000 to +2000 millivolts, which is the reference variable for the potential at the first measuring electrode 3 acts. The first reference potential 26 is with a first reference voltage terminal 20 a first power supply unit 11 connected. The output of the second operational amplifier 33 is about the connection points 51 and 50 with the first counterelectrode 5 connected. The inverting input of the second operational amplifier 33 is about the connection points 71 and 70 with the first reference electrode 7 connected. At the noninverting input of the second operational amplifier 33 becomes a third reference potential from the outside 36 set, with a second reference voltage connection 27 the first power supply unit 11 connected is. The second reference voltage connection 27 the first power supply unit 11 is from the first positive supply voltage 91 and the first negative supply voltage 92 in the first power supply unit 11 is derived and is formed in a preferred embodiment as a reference as a ground potential. Especially in a version with unipolar supply of the operational amplifier 33 . 43 . 23 being the negative supply voltage 92 is formed as a potential of 0 V, becomes the potential of the second reference voltage terminal 27 preferably as a virtual mass in the middle of the voltage range. A unipolar design is particularly advantageous for a battery powered gas meter. The third operational amplifier 43 is designed as a differential amplifier and is the input side via the connection point 31 and the inverting input of the first operational amplifier 23 , as well as the output of the first operational amplifier 23 connected. The output of the operational amplifier 43 is with the contact point 46 connected. Here lies a first output signal, that of an evaluation circuit 13 ( 7 ) is made available. The positive supply voltage for the first operational amplifier 23 is about the connection point 24 from the first potentiostat circuit 9 led out.

Die negative Versorgungsspannung für den ersten Operationsverstärker 23 ist über die Verbindungsstelle 25 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den zweiten Operationsverstärker 33 ist über die Verbindungsstelle 34 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den zweiten Operationsverstärker 33 ist über die Verbindungsstelle 35 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den dritten Operationsverstärker 43 ist über die Verbindungsstelle 44 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den dritten Operationsverstärker 43 ist über die Verbindungsstelle 45 aus der ersten Potenziostatschaltung 9 heraus geführt. Die zweite Potenziostatschaltung 10 mit den Verbindungsstellen 41, 61, 81 besteht aus einem vierten Operationsverstärker 53, einem zweiten Widerstand 52, einem fünften Operationsverstärker 63 und einem sechsten Operationsverstärker 73. Der invertierende Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 ist über die Verbindungsstellen 41 und 40 mit der Schutzelektrode 4 verbunden.The negative supply voltage for the first operational amplifier 23 is about the connection point 25 from the first potentiostat circuit 9 led out. The positive supply voltage for the second operational amplifier 33 is about the connection point 34 from the first potentiostat circuit 9 led out. The negative supply voltage for the second operational amplifier 33 is about the connection point 35 from the first potentiostat circuit 9 led out. The positive supply voltage for the third operational amplifier 43 is about the connection point 44 from the first potentiostat circuit 9 led out. The negative supply voltage for the third operational amplifier 43 is about the connection point 45 from the first potentiostat circuit 9 led out. The second potentiostat circuit 10 with the connection points 41 . 61 . 81 consists of a fourth operational amplifier 53 , a second resistor 52 , a fifth operational amplifier 63 and a sixth operational amplifier 73 , The inverting input of the fourth operational amplifier 53 is about the connection points 41 and 40 with the protective electrode 4 connected.

Der zweite Widerstand 52 ist mit einer Anschlussseite an den Ausgang des vierten Operationsverstärkers 53 angeschlossen, mit der anderen Anschlussseite ist der zweite Widerstand 52 an den invertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 angeschlossen. Am nichtinvertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53 wird von außen ein zweites Referenzpotenzial 56 im Bereich von –2000 bis +2000 Millivolt eingestellt, das als Führungsgröße für das Potenzial an der Schutzelektrode 4 wirksam ist. Das zweite Referenzpotenzial 56 ist mit einem dritten Bezugsspannungsanschluss 21 einer zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 verbunden. Der Ausgang des fünften Operationsverstärkers 63 ist über die Verbindungsstellen 61 und 60 mit der zweiten Gegenelektrode 6 verbunden. Der invertierende Eingang des fünften Operationsverstärkers 63 ist über die Verbindungsstellen 81 und 80 mit der zweiten Bezugselektrode 8 verbunden. Am nichtinvertierenden Eingang des fünften Operationsverstärkers 63 wird von außen ein viertes Referenzpotenzial 37 eingestellt, das mit dem vierten Bezugsspannungsanschluss 28 der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 verbunden ist. Der vierte Bezugsspannungsanschluss 28 der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 ist in bevorzugter Weise von der zweiten positiven Versorgungsspannung 101 und der zweiten negativen Versorgungsspannung 102 in der zweiten Spannungsversorgungseinheit 12 abgeleitet und wird als Bezugsgröße in einer bevorzugten Ausführung als ein Massepotenzial ausgebildet. Besonders bei einer Ausführung mit unipolarer Versorgung der Operationsverstärker 63, 73, 53 wobei die negative Versorgungsspannung 102 als ein Potenzial von 0 V ausgebildet ist, wird das Potenzial des vierten Bezugsspannungsanschlusses 28 in bevorzugter Weise als virtuelle Masse mittig in den Spannungsbereich gelegt. Eine unipolare Ausführung ist in besonderer Weise vorteilhaft für ein batteriebetriebenes Gasmessgerät. Der sechste Operationsverstärker 73 ist als Differenzverstärker ausgeführt und ist eingangsseitig mit dem invertierenden Eingang des vierten Operationsverstärkers 53, sowie mit dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers 53 verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 73 ist mit der Kontaktstelle 76 verbunden. Hier liegt ein zweites Ausgangssignal an, das einer Auswerteschaltung 13 (7) zur Verfügung gestellt wird. Die positive Versorgungsspannung für den vierten Operationsverstärker 53 ist über die Verbindungsstelle 54 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den vierten Operationsverstärker 53 ist über die Verbindungsstelle 55 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den fünften Operationsverstärker 63 ist über die Verbindungsstelle 64 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den fünften Operationsverstärker 63 ist über die Verbindungsstelle 65 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die positive Versorgungsspannung für den sechsten Operationsverstärker 73 ist über die Verbindungsstelle 74 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Die negative Versorgungsspannung für den sechsten Operationsverstärker 73 ist über die Verbindungsstelle 75 aus der zweiten Potenziostatschaltung 10 heraus geführt. Das erste Versorgungsmodul 11 dient der Spannungsversorgung der ersten Potenziostatschaltung 9. Das zweite Versorgungsmodul 12 dient der Spannungsversorgung der zweiten Potenziostatschaltung 10. Das erste Spannungsversorgungsmodul 11 enthält ein erstes galvanisches Trennelement 15, ein erstes Gleichrichtelement 16 und ein erstes primärseitiges Anschlusspaar 90. Das zweite Spannungsversorgungsmodul 12 enthält ein zweites galvanisches Trennelement 17, ein zweites Gleichrichtelement 18 und ein zweites primärseitiges Anschlusspaar 100. Die erste positive Versorgungsspannung 91 ist an einen ersten positiven Sammelleiter 93 angeschlossen. Die erste negative Versorgungsspannung 92 ist an einen ersten negativen Sammelleiter 94 angeschlossen. Die zweite positive Versorgungsspannung 101 ist an einen zweiten positiven Sammelleiter 103 angeschlossen. Die zweite negative Versorgungsspannung 102 ist an einen zweiten negativen Sammelleiter 104 angeschlossen. Ausgehend vom ersten Versorgungsmodul 11 werden die Versorgungsspannungen über die Verbindungsstellen 24, 25, 34, 35, 44, 45 und einen ersten gemeinsamen positiven Sammelleiter 93 und einen ersten gemeinsamen negativen Sammelleiter 94 dem ersten Potenziostaten 9 zugeführt. Ausgehend vom zweiten Versorgungsmodul 12 werden die Versorgungsspannungen über die Verbindungsstellen 54, 55, 64, 65, 74, 75 und einen zweiten gemeinsamen positiven Sammelleiter 103 und einen zweiten gemeinsamen negativen Sammelleiter 104 dem zweiten Potenziostaten 10 zugeführt.The second resistance 52 is with a connection side to the output of the fourth operational amplifier 53 connected, with the other Terminal side is the second resistor 52 to the inverting input of the fourth operational amplifier 53 connected. At the non-inverting input of the fourth operational amplifier 53 becomes a second reference potential from outside 56 in the range of -2000 to +2000 millivolts, which serves as a reference for the potential at the protective electrode 4 is effective. The second reference potential 56 is connected to a third reference voltage terminal 21 a second power supply unit 12 connected. The output of the fifth operational amplifier 63 is about the connection points 61 and 60 with the second counter electrode 6 connected. The inverting input of the fifth operational amplifier 63 is about the connection points 81 and 80 with the second reference electrode 8th connected. At the non-inverting input of the fifth operational amplifier 63 becomes a fourth reference potential from the outside 37 set with the fourth reference voltage connection 28 the second power supply unit 12 connected is. The fourth reference voltage connection 28 the second power supply unit 12 is preferably from the second positive supply voltage 101 and the second negative supply voltage 102 in the second power supply unit 12 is derived as a reference in a preferred embodiment as a ground potential. Especially in a version with unipolar supply of the operational amplifier 63 . 73 . 53 being the negative supply voltage 102 is formed as a potential of 0 V becomes the potential of the fourth reference voltage terminal 28 preferably as a virtual mass in the middle of the voltage range. A unipolar design is particularly advantageous for a battery powered gas meter. The sixth operational amplifier 73 is designed as a differential amplifier and is the input side to the inverting input of the fourth operational amplifier 53 , as well as the output of the fourth operational amplifier 53 connected. The output of the operational amplifier 73 is with the contact point 76 connected. Here lies a second output signal, that of an evaluation circuit 13 ( 7 ) is made available. The positive supply voltage for the fourth operational amplifier 53 is about the connection point 54 from the second potentiostat circuit 10 led out. The negative supply voltage for the fourth operational amplifier 53 is about the connection point 55 from the second potentiostat circuit 10 led out. The positive supply voltage for the fifth operational amplifier 63 is about the connection point 64 from the second potentiostat circuit 10 led out. The negative supply voltage for the fifth operational amplifier 63 is about the connection point 65 from the second potentiostat circuit 10 led out. The positive supply voltage for the sixth operational amplifier 73 is about the connection point 74 from the second potentiostat circuit 10 led out. The negative supply voltage for the sixth operational amplifier 73 is about the connection point 75 from the second potentiostat circuit 10 led out. The first supply module 11 serves the voltage supply of the first potentiostat circuit 9 , The second supply module 12 serves the voltage supply of the second potentiostat circuit 10 , The first power supply module 11 contains a first galvanic separator 15 , a first rectifying element 16 and a first primary-side terminal pair 90 , The second power supply module 12 contains a second galvanic separator 17 , a second rectifying element 18 and a second primary-side pair of terminals 100 , The first positive supply voltage 91 is at a first positive bus bar 93 connected. The first negative supply voltage 92 is at a first negative bus bar 94 connected. The second positive supply voltage 101 is to a second positive bus bar 103 connected. The second negative supply voltage 102 is to a second negative bus bar 104 connected. Starting from the first supply module 11 the supply voltages are across the connection points 24 . 25 . 34 . 35 . 44 . 45 and a first common positive bus bar 93 and a first common negative bus bar 94 the first potentiostat 9 fed. Starting from the second supply module 12 the supply voltages are across the connection points 54 . 55 . 64 . 65 . 74 . 75 and a second common positive bus bar 103 and a second common negative bus bar 104 the second potentiostat 10 fed.

4 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von fünf Elektroden. Die Anordnung der fünf Elektroden 3, 4, 5, 6, 203 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 4 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von fünf Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Gegenelektrode 5, eine zweite Gegenelektrode 6 und eine gemeinsame Bezugselektrode 203 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Bezugselektrode 203 ist über die Verbindungsstellen 70, 80 nach außen geführt. Die erste Gegenelektrode 5 ist über die Verbindungsstelle 50 nach außen geführt. Die zweite Gegenelektrode 6 ist über die Verbindungsstelle 60 nach außen geführt. 4 shows an electrochemical gas sensor with an array of five electrodes. The arrangement of the five electrodes 3 . 4 . 5 . 6 . 203 in a common sensor housing 1 is designed in a comparable manner as in the inventive arrangement according to 1 , Same components in the 1 and 4 are provided with the same reference numbers. The connection to the potentiostats 9 . 10 ( 2 . 3 ) of the arrangement of five electrodes is carried out in the same way as the connection of the arrangement of the six electrodes 1 , In a common sensor housing 1 with an electrolyte compartment 2 are a measuring electrode 3 , a protective electrode 4 , a first counter electrode 5 , a second counter electrode 6 and a common reference electrode 203 accommodated. The electrolyte space 2 is with an electrolyte 29 filled. The gas enters via the membrane 19 , The common reference electrode 203 is about the connection points 70 . 80 led to the outside. The first counter electrode 5 is about the connection point 50 led to the outside. The second counterelectrode 6 is about the connection point 60 led to the outside.

Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. The measuring electrode 3 is about the connection point 30 led to the outside.

Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt.The protection electrode 4 is about the connection point 40 led to the outside.

Die Elektroden 3, 4, 5, 6, 203 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von der ersten Gegenelektrode 5 und von der zweiten Gegenelektrode 6 getrennt.The electrodes 3 . 4 . 5 . 6 . 203 are formed by in the form of Vliessen separators 200 . 201 . 202 separated from each other. The measuring electrode 3 is via a third separator 202 from the guard electrode 4 separated. The protection electrode 4 is via a second separator 201 from the first counter electrode 5 and from the second counter electrode 6 separated.

Die erste und die zweite Gegenelektrode 5, 6 sind von der gemeinsamen Bezugselektrode 203 durch einen ersten Separator 200 getrennt.The first and the second counterelectrode 5 . 6 are from the common reference electrode 203 through a first separator 200 separated.

5 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von fünf Elektroden. Die Anordnung der fünf Elektroden 3, 4, 7, 8, 204 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 5 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von fünf Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine erste Bezugselektrode 7, eine zweite Bezugselektrode 8 und eine gemeinsame Gegenelektrode 204 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist über die Verbindungsstellen 50, 60 nach außen geführt. Die erste Bezugselektrode 7 ist über die Verbindungsstelle 70 nach außen geführt. Die zweite Bezugselektrode 8 ist über die Verbindungsstelle 80 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 7, 8, 206 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von gemeinsamen Gegenelektrode 204 getrennt. Die gemeinsamen Gegenelektrode 204 ist von den Bezugselektroden 7, 8 durch einen ersten Separator 200 getrennt. 5 shows an electrochemical gas sensor with an array of five electrodes. The arrangement of the five electrodes 3 . 4 . 7 . 8th . 204 in a common sensor housing 1 is designed in a comparable manner as in the inventive arrangement according to 1 , Same components in the 1 and 5 are provided with the same reference numbers. The connection to the potentiostats 9 . 10 ( 2 . 3 ) of the arrangement of five electrodes is carried out in the same way as the connection of the arrangement of the six electrodes 1 , In a common sensor housing 1 with an electrolyte compartment 2 are a measuring electrode 3 , a protective electrode 4 , a first reference electrode 7 , a second reference electrode 8th and a common counter electrode 204 accommodated. The electrolyte space 2 is with an electrolyte 29 filled. The gas enters via the membrane 19 , The common counter electrode 204 is about the connection points 50 . 60 led to the outside. The first reference electrode 7 is about the connection point 70 led to the outside. The second reference electrode 8th is about the connection point 80 led to the outside. The measuring electrode 3 is about the connection point 30 led to the outside. The protection electrode 4 is about the connection point 40 led to the outside. The electrodes 3 . 4 . 7 . 8th . 206 are formed by in the form of Vliessen separators 200 . 201 . 202 separated from each other. The measuring electrode 3 is via a third separator 202 from the guard electrode 4 separated. The protection electrode 4 is via a second separator 201 of common counter electrode 204 separated. The common counter electrode 204 is from the reference electrodes 7 . 8th through a first separator 200 separated.

6 zeigt einen elektrochemischen Gassensor mit einer Anordnung von vier Elektroden. Die Anordnung der vier Elektroden 3, 4, 203, 204 in einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 ist auf eine vergleichbare Weise ausgebildet wie in der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1. Gleiche Komponenten in den 1 und 6 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Anbindung an die Potenziostaten 9, 10 (2, 3) der Anordnung von vier Elektroden erfolgt auf die gleiche Weise wie die Anbindung der Anordnung der sechs Elektroden nach 1. In einem gemeinsamen Sensorgehäuse 1 mit einem Elektrolytraum 2 sind eine Messelektrode 3, eine Schutzelektrode 4, eine gemeinsame Gegenelektrode 204, und eine gemeinsame Bezugselektrode 203 untergebracht. Der Elektrolytraum 2 ist mit einem Elektrolyten 29 gefüllt. Der Gaszutritt erfolgt über die Membran 19. Die gemeinsame Bezugselektrode 203 ist über die Verbindungsstellen 70, 80 nach außen geführt. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist über die Verbindungsstellen 50, 60 nach außen geführt. Die Messelektrode 3 ist über die Verbindungsstelle 30 nach außen geführt. Die Schutzelektrode 4 ist über die Verbindungsstelle 40 nach außen geführt. Die Elektroden 3, 4, 203, 204 sind durch in Form von Vliessen ausgebildete Separatoren 200, 201, 202 voneinander getrennt. Die Messelektrode 3 ist über einen dritten Separator 202 von der Schutzelektrode 4 getrennt. Die Schutzelektrode 4 ist über einen zweiten Separator 201 von der gemeinsamen Gegenelektrode 204 getrennt. Die gemeinsame Gegenelektrode 204 ist von der gemeinsamen Bezugselektrode 203 durch einen ersten Separator 200 getrennt. 6 shows an electrochemical gas sensor with an array of four electrodes. The arrangement of the four electrodes 3 . 4 . 203 . 204 in a common sensor housing 1 is designed in a comparable manner as in the inventive arrangement according to 1 , Same components in the 1 and 6 are provided with the same reference numbers. The connection to the potentiostats 9 . 10 ( 2 . 3 ) The arrangement of four electrodes is carried out in the same manner as the connection of the arrangement of the six electrodes 1 , In a common sensor housing 1 with an electrolyte compartment 2 are a measuring electrode 3 , a protective electrode 4 , a common counter electrode 204 , and a common reference electrode 203 accommodated. The electrolyte space 2 is with an electrolyte 29 filled. The gas enters via the membrane 19 , The common reference electrode 203 is about the connection points 70 . 80 led to the outside. The common counter electrode 204 is about the connection points 50 . 60 led to the outside. The measuring electrode 3 is about the connection point 30 led to the outside. The protection electrode 4 is about the connection point 40 led to the outside. The electrodes 3 . 4 . 203 . 204 are formed by in the form of Vliessen separators 200 . 201 . 202 separated from each other. The measuring electrode 3 is via a third separator 202 from the guard electrode 4 separated. The protection electrode 4 is via a second separator 201 from the common counterelectrode 204 separated. The common counter electrode 204 is from the common reference electrode 203 through a first separator 200 separated.

In 7 ist die Zusammenschaltung des elektrochemischen Gassensors 1 mit der ersten Potenziostatenschaltung 9 und der zweiten Potenziostatenschaltung 10, dem ersten Spannungsversorgungsmoduls 11, dem zweiten Spannungsversorgungsmoduls 12, einer zentralen Spannungsversorgungseinheit 14 und einer Auswerteeinheit 13 gezeigt. Die zentrale Spannungsversorgung 14 ist dazu ausgebildet, die Spannungsversorgungsmodule 11, 12 mit Spannung zu versorgen. Die beiden Versorgungsmodule 11 und 12 sind mit der zentralen Spannungsversorgungseinheit 14 verbunden und können in einer bevorzugten Ausführungsform an den primärseitigen Anschlusspaaren 90, 100 miteinander verbunden sein. Das erste Ausgangssignal 46 des dritten Operationsverstärkers 43 der ersten Potenziostatschaltung 9 und das zweite Ausgangssignal 76 des sechsten Operationsverstärkers 73 der zweiten Potenziostatschaltung 10 sind mit der Auswerteeinheit 13 verbunden.In 7 is the interconnection of the electrochemical gas sensor 1 with the first potentiostat circuit 9 and the second potentiostat circuit 10 , the first power supply module 11 , the second power supply module 12 , a central power supply unit 14 and an evaluation unit 13 shown. The central power supply 14 is designed to be the power supply modules 11 . 12 to provide tension. The two supply modules 11 and 12 are with the central power supply unit 14 connected and can in a preferred embodiment of the primary-side terminal pairs 90 . 100 be connected to each other. The first output signal 46 the third operational amplifier 43 the first potentiostat circuit 9 and the second output signal 76 of the sixth operational amplifier 73 the second potentiostat circuit 10 are with the evaluation unit 13 connected.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Sensorgehäusesensor housing
22: Elektrolytraumelectrolyte space
33: Messelektrodemeasuring electrode
44: Schutzelektrodeguard electrode
55: erste Gegenelektrodefirst counterelectrode
66: zweite Gegenelektrodesecond counterelectrode
77: erste Bezugselektrodefirst reference electrode
88th: zweite Bezugselektrodesecond reference electrode
99: erste Potenziostatschaltungfirst potentiostat circuit
1010: zweite Potenziostatschaltungsecond potentiostat circuit
1111: erste Spannungsversorgungseinheitfirst power supply unit
1212: zweite Spannungsversorgungseinheitsecond power supply unit
1313: Auswerteeinheitevaluation
1414: zentrale Spannungsversorgungcentral power supply
1515: erstes galvanisches Trennelementfirst galvanic separator
1616: erstes Gleichrichtelementfirst rectifying element
1717: zweites galvanisches Trennelementsecond galvanic separator
1818: zweites Gleichrichtelementsecond rectifying element
1919: Membranmembrane
2020: erster Bezugsspannungsanschlussfirst reference voltage connection
2121: dritter Bezugsspannungsanschlussthird reference voltage connection
2222: erster Widerstandfirst resistance
2323: erster Operationsverstärkerfirst operational amplifier
2424: positive Versorgungsspannung des ersten Operationsverstärkerspositive supply voltage of the first operational amplifier
2525: negative Versorgungsspannung des ersten Operationsverstärkersnegative supply voltage of the first operational amplifier
2626: erstes Referenzpotenzialfirst reference potential
2727: zweiter Bezugsspannungsanschlusssecond reference voltage connection
2828: vierter Bezugsspannungsanschlussfourth reference voltage connection
2929: Elektrolytelectrolyte
3030: Verbindungsstelle des Sensors zur MesselektrodeConnection point of the sensor to the measuring electrode
3131: Verbindungsstelle des ersten Potenziostaten zur MesselektrodeConnection point of the first potentiostat to the measuring electrode
3333: zweiter Operationsverstärkersecond operational amplifier
3434: positive Versorgungsspannung des zweiten Operationsverstärkerspositive supply voltage of the second operational amplifier
3535: negative Versorgungsspannung des zweiten Operationsverstärkersnegative supply voltage of the second operational amplifier
3636: drittes Referenzpotenzialthird reference potential
3737: viertes Referenzpotenzialfourth reference potential
4141: Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur SchutzelektrodeJunction of the second potentiostat to the protective electrode
4040: Verbindungsstelle des Sensors zur SchutzelektrodeConnection point of the sensor to the protective electrode
4343: dritter Operationsverstärkerthird operational amplifier
4444: positive Versorgungsspannung des dritten Operationsverstärkerspositive supply voltage of the third operational amplifier
4545: negative Versorgungsspannung des dritten Operationsverstärkersnegative supply voltage of the third operational amplifier
4646: Ausgangssignal des dritten OperationsverstärkersOutput signal of the third operational amplifier
5050: Verbindungsstelle des Sensors zur ersten GegenelektrodeConnection point of the sensor to the first counter electrode
5151: Verbindungsstelle des ersten Potenzionstaten zur ersten GegenelektrodeJunction of the first potential ion to the first counterelectrode
5252: zweiter Widerstandsecond resistance
5353: vierter Operationsverstärkerfourth operational amplifier
5454: positive Versorgungsspannung des vierten Operationsverstärkerspositive supply voltage of the fourth operational amplifier
5555: negative Versorgungsspannung des vierten Operationsverstärkersnegative supply voltage of the fourth operational amplifier
5656: zweites Referenzpotenzialsecond reference potential
6060: Verbindungsstelle des Sensors zur zweiten GegenelektrodeConnection point of the sensor to the second counter electrode
6161: Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur zweiten GegenelektrodeJunction of the second potentiostat to the second counterelectrode
6363: fünfter Operationsverstärkerfifth operational amplifier
6464: positive Versorgungsspannung des fünften Operationsverstärkerspositive supply voltage of the fifth operational amplifier
6565: negative Versorgungsspannung des fünften Operationsverstärkersnegative supply voltage of the fifth operational amplifier
7070: Verbindungsstelle des Sensors zur ersten BezugselektrodeConnection point of the sensor to the first reference electrode
7171: Verbindungsstelle des ersten Potenziostaten zur ersten BezugselektrodeJunction of the first potentiostat to the first reference electrode
7373: sechster Operationsverstärkersixth operational amplifier
7474: positive Versorgung des sechsten Operationsverstärkerspositive supply of the sixth operational amplifier
7575: negative Versorgung des sechsten Operationsverstärkersnegative supply of the sixth operational amplifier
7676: Ausgangssignal des sechsten Operationsverstärkers, zweitesOutput signal of the sixth operational amplifier, second
8080: Verbindungsstelle des Sensors zur zweiten BezugselektrodeConnection point of the sensor to the second reference electrode
8181: Verbindungsstelle des zweiten Potenziostaten zur zweiten BezugselektrodeJunction of the second potentiostat to the second reference electrode
9090: erstes primärseitiges Anschlusspaarfirst primary-side connection pair
9191: erste positive Versorgungsspannungfirst positive supply voltage
9292: erste negative Versorgungsspannungfirst negative supply voltage
9393: erster positiver Sammelleiterfirst positive general conductor
9494: erster negativer Sammelleiterfirst negative general conductor
100100: zweites primärseitiges Anschlusspaarsecond primary-side connection pair
101101: zweite positive Versorgungsspannungsecond positive supply voltage
102102: zweite negative Versorgungsspannungsecond negative supply voltage
103103: zweiter positiver Sammelleitersecond positive bus bar
104104: zweiter negativer Sammelleitersecond negative bus bar
200200: Separatorseparator
201201: Separatorseparator
202202: Separatorseparator
203203: gemeinsame Bezugselektrodecommon reference electrode
204204: gemeinsame Gegenelektrodecommon counter electrode

Claims

Electrochemical gas sensor, consisting of a sensor housing ( 1 ) with an electrode arrangement in a liquid electrolyte in a common electrolyte space ( 2 ), with a first potentiostat circuit ( 9 ) and a second potentiostat circuit ( 10 ) for the operation of the electrochemical gas sensor, wherein a) a first set of electrodes, consisting of a measuring electrode ( 3 ), a first counterelectrode ( 5 ) and a first reference electrode ( 7 ), and b) a second set of electrodes, consisting of a protective electrode ( 4 ), a second counterelectrode ( 6 ) and a second reference electrode ( 8th ) are arranged in a common electrolyte space, c) wherein the protective electrode ( 4 ) of the second set of electrodes between the measuring electrode ( 3 ) of the first set of electrodes and the at least one counterelectrode ( 5 . 6 . 204 ) of the first or second set of electrodes, and wherein d) the measuring electrode ( 3 ), the first counterelectrode ( 5 ) and the first reference electrode ( 7 ) with the first potentiostat circuit ( 9 ), e) the protective electrode ( 4 ), the second counterelectrode ( 5 ) and the second reference electrode ( 8th ) with the second potentiostat circuit ( 10 ) and where f) the supply voltages ( 24 ) 25 ) 34 ) 35 ) 44 ) 45 ) of the first potentiostat circuits ( 9 ) of the supply voltages ( 54 ) 55 ) 64 ) 65 ) 74 ) 75 ) of the second potentiostat circuits ( 10 ) are executed galvanically isolated.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein at least three sets of an electrode arrangement, each consisting of a working electrode, a counter electrode and a reference electrode in the common electrolyte space ( 2 and each of these sets of electrode arrays has its own dedicated potentiostat circuit.

An electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the first reference electrode ( 7 ) and the second reference electrode ( 8th ) as a common reference electrode ( 203 ) are executed.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, the first counterelectrode ( 5 ) and the second counterelectrode ( 6 ) as a common counterelectrode ( 204 ) are executed.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the supply voltages of the at least three potentiostat circuits are designed to be galvanically separated from each other.

An electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein said sensor housing is formed in a concentric cylindrical shape.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the sensor housing is designed in planar form.

An electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the electrolyte contains liquid sulfuric acid in its composition.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the measuring electrode ( 3 ) and the protective electrode ( 4 ) consists of a precious metal, or contains a precious metal.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the base material of the measuring electrode ( 3 ) and the material of the protective electrode ( 4 ) is carbon, or contains carbon.

Electrochemical gas sensor according to claim 1, wherein the electrolyte is a mediator added as a supplementary additive.

Use of the electrochemical gas sensor according to one of the preceding claims for detecting the current oxygen content in the inhaled and exhaled air of a patient.