專利名稱：用于測量工藝流體中的氧氣分壓的電化學(xué)傳感器及測試其功能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于測量工藝流體中的氧氣分壓的電化學(xué)傳感器和用于測試此傳感器的功能的方法。
背景技術(shù)：
關(guān)于本發(fā)明的背景，應(yīng)該注意，用電化學(xué)傳感器測量在工藝流體中的氧氣濃度，必須對傳感器和整體測量裝置的功能進(jìn)行定期檢查。具體地，用惰化(inertisation)測量， 其中氧氣濃度必須保持在最大水平之下，以便例如避免點(diǎn)燃或爆炸，測量裝置的定期監(jiān)視是必要的。另外的一個困難是具有低氧氣濃度的電化學(xué)傳感器僅提供很低的測量電流并且因此很難辨別是否傳感器有故障-例如，連接線纜斷開-還是在工藝流體中氧氣濃度非常低。之前，經(jīng)常定期用如空氣的測試氣體填充傳感器以檢查其功能。另外，必須移除傳感器或使用昂貴的手動或自動裝置從測量介質(zhì)分離傳感器并用測試氣體填充傳感器。這方面，從EP 0744620B1或DE 102005028246B4可以獲知用氣體發(fā)生器裝備電化學(xué)氣體傳感器設(shè)備，操作該氣體發(fā)生器用于傳感器自身的檢查并原位產(chǎn)生測試氣體-通常為氧氣，因此可以用測試氣體填充傳感器并且檢查其功能。這些已知?dú)怏w傳感器裝備的缺點(diǎn)是對于具體的測試氣體的產(chǎn)生必須提供氣體發(fā)生器，這意味著增加設(shè)備的成本。

發(fā)明內(nèi)容
從權(quán)利要求1的前序描述的特征可以明白，已知的用于測量氧氣分壓的電化學(xué)傳感器，包括電解質(zhì)填充的傳感器體，在被工藝流體填充的一側(cè)被氧氣可滲透的膜覆蓋，在所述膜上的陰極，環(huán)狀保護(hù)(guard)電極，環(huán)繞所述陰極，在測量操作中與所述陰極的電勢相同，陽極，在所述傳感器體中，被所述電解質(zhì)填充，以及參考電極，在所述傳感器體中，被所述電解質(zhì)填充，其中在所述陽極和所述陰極之間施加電壓，在所述陰極和所述參考電極之間所述電壓被控制在恒定極化電壓(恒電位器)，并且在測量操作中，在所述陰極和所述陽極之間流動的測量傳感器電流是在所述工藝流體中的氧氣分壓的測量值。這樣的傳感器通常由三電極配置組成，已提及的陰極、陽極和參考電極。陽極的目的是將陰極相對于參考電極的電勢保持在穩(wěn)定值，稱為極化電壓。氧氣在陰極處的還原引起了從陰極到陽極的電流，該電流與氧氣分壓成比例。整個系統(tǒng)被氧氣可滲透的膜覆蓋，以防止電解質(zhì)與測量介質(zhì)和其它雜質(zhì)的交換。當(dāng)測量較低的氧氣濃度時，通常使用的傳感器的陰極被附加的稱為保護(hù)環(huán)形電極的電極所環(huán)繞，此即保護(hù)電極，該電極與陰極具有相同的電勢并且還原剩余的氧氣。本發(fā)明要解決的潛在問題是改進(jìn)前述類型的電化學(xué)傳感器，以便可以通過單獨(dú)的氧氣體處理(gassing)進(jìn)行功能測試，從而避免了單獨(dú)的氣體發(fā)生器及相關(guān)的裝置成本。根據(jù)權(quán)利要求1的特征部分可以解決此問題，其中在陰極和保護(hù)電極之間提供可以在測試模式中切換的測試電壓源，該電壓源在陰極和保護(hù)電極之間的工藝流體中產(chǎn)生測試氧氣以用于測試傳感器的功能。傳感器的功能性測試基于極譜學(xué)規(guī)律的簡單反轉(zhuǎn)。如果在陰極和保護(hù)電極之間施加正電壓，測試電壓源的正極與保護(hù)電極連接，從而，由于在保護(hù)電極處的水成(aqueous) 電解質(zhì)，通過氧化產(chǎn)生氧氣。在切斷陰極處的電壓后，由此產(chǎn)生的氧氣被還原，這導(dǎo)致傳感器電流的增加。此傳感器電流的增加可以容易地通過測量器件評估。通過這些簡單的測量，可以不依靠大量的設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)傳感器的定期檢查。另一個優(yōu)點(diǎn)是功能測試對測量的相對短暫的中斷，因?yàn)閭鞲衅鞑槐匾瞥虿恍枰跍y量介質(zhì)和測試介質(zhì)之間進(jìn)行復(fù)雜的切換。根據(jù)本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例，可以通過變換(change-over)裝置交替在測試模式切換保護(hù)電極到測試電壓源或直接到陰極。所述變換裝置可以具有簡單的結(jié)構(gòu)并且可以通過在所述測量裝置中的對應(yīng)控制方式而容易地控制。本發(fā)明還涉及用于測試通常類型的電化學(xué)傳感器的功能的方法，包括如下方法步驟在測試模式中，在陰極和保護(hù)電極之間施加測試電壓用于在電解質(zhì)中和/或在陰極和保護(hù)電極之間的工藝流體中產(chǎn)生測試氧氣，切斷所述測試電壓，以及評估通過測試氧氣產(chǎn)生的測試傳感器電流以用于傳感器的功能分析。上述方法步驟已經(jīng)根據(jù)對應(yīng)的裝置進(jìn)行了說明。本方法的優(yōu)選實(shí)施例在附加從屬權(quán)利要求里也進(jìn)行了描述。參考公開的附圖，在隨后示范實(shí)施例的描述中描述了其特征，細(xì)節(jié)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1示出了具有測量電路和測試電壓源的附加電路圖的電化學(xué)氧氣傳感器的截面圖；圖2示出了傳感器沿圖1的橫截線II-II的徑向截面圖；以及圖3示出了傳感器的功能測試的流程圖。
具體實(shí)施例方式從圖1和圖2所示可以清楚，電化學(xué)傳感器1包括充有電解質(zhì)3的管狀傳感器體 2。在測量操作中，被工藝流體4填充的一側(cè)，充滿電解質(zhì)的傳感器體2被氧氣可滲透但防止電解質(zhì)3和工藝流體4之間的任何交換的膜5覆蓋。在傳感器體2中，軸向設(shè)置有絕緣材料構(gòu)成的電極支持器6。在端面?zhèn)?上，在中心形成陰極8，在其端面?zhèn)汝帢O抵住滲透膜5的內(nèi)側(cè)。環(huán)狀保護(hù)電極9同心環(huán)繞陰極8。陽極10和參考電極11橫向設(shè)置在傳感器體2內(nèi)部的電極支持器6上。
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如集成到圖1中的電路圖清楚的所示，陽極10和參考電極11分別通過線12、13 分別與恒電位器14相連，以便恒定極化電壓Upol位于陰極8和參考電極11之間。通過線15將陰極8依次連接到用于陽極電壓Ura極的電壓源23的負(fù)極，在線15中設(shè)置有測量單元16。流過測量單元16的測量傳感器電流I3 是工藝流體4中氧氣分壓的測量值。為測試傳感器裝備的功能，提供測試電壓源17，其可以在陰極8和保護(hù)電極9之間切換，以便其正極通過電源線18與保護(hù)電極9相連。在此情況下，在支線18. 1,18. 2中提供到電壓源17或到陰極8的線15的具有兩個交替打開和關(guān)閉開關(guān)20、21的變換裝置19。 圖1示出了測量情況，其中因?yàn)榇蜷_的切換開關(guān)20并且關(guān)閉的切換開關(guān)21，所以測試電壓源17未被連接，而保護(hù)電極9通過阻抗變換器22與陰極8連接。這表示正常測量狀態(tài)。為了測試傳感器的功能，變換切換裝置19被激活以便兩個開關(guān)20、21改變其切換位置(通過圖1中的虛線示出)并且在保護(hù)電極9和陰極8之間施加測試電壓U3jmij這導(dǎo)致從水成電解質(zhì)3產(chǎn)生氧氣，其在切斷電壓Uwi之后在陰極8處被還原。這導(dǎo)致傳感器電流1| 的增加?？梢酝ㄟ^例如在未示出的測量裝置中集成的測量單元16檢測測量傳感器電流的路徑并因此進(jìn)行評估。在圖3的關(guān)于此示出了進(jìn)行對應(yīng)的測試程序時該方法的順序。在框101示出了在正常氧氣測量操作的基礎(chǔ)上，通過初始化步驟102開始傳感器1的功能測試。在步驟103 中，測量傳感器電流18 的最終值存儲在未示出的存儲器中。隨后，在步驟104中，在陰極 8和保護(hù)電極9之間施加測試電壓U3jmij測試電壓的值和電勢增加的持續(xù)時間在此情況下針對具體的傳感器而不同。在下面的步驟105中，切斷測試電壓之后，用測量單元16測試確定傳感器電流I· 量，并且如框106所示-對于傳感器1的功能分析，評估測量傳感器電流1是否通過附加的氧氣輸入而增加。從傳感器電流的逐漸消失的隨時間變化和與在正常狀態(tài)中測量傳感器電流的最后存儲值的比較，計(jì)算再次激活測量操作的時間點(diǎn)。如果測試傳感器電流與測量傳感器電流1 的存儲值偏離特定閾值，則進(jìn)行再次激活。偏離的范圍可以是例如在0%和2%之間。在測量操作的再次激活的由此檢測的時間點(diǎn)，結(jié)束傳感器監(jiān)視-步驟107-激活關(guān)于傳感器的功能測試是否導(dǎo)致其功能性的詢問108。如果沒有，發(fā)出傳感器故障的報警和/ 或消息109。就裝置安全性而言(SIL規(guī)則)，在功能錯誤的檢測之后，工藝設(shè)備被關(guān)閉。如果建立了無錯誤功能，繼續(xù)進(jìn)行氧氣測量-步驟110。用于產(chǎn)生氧氣的測試電壓的施加可以在前述測量器件中不同地實(shí)現(xiàn)，未詳細(xì)描述，通過簡單的電路測量，同樣憑借在測量器件本身中，以簡單的方式，在氧氣產(chǎn)生和隨后的測量之間提供時間分配。
權(quán)利要求
1.一種用于測量工藝流體中的氧氣分壓的電化學(xué)傳感器，所述傳感器包括電解質(zhì)填充的傳感器體O)，在被工藝流體(4)填充的一側(cè)上由氧氣可滲透的膜(5)覆至 ΓΤΠ，陰極(8)，在所述膜(5)上，環(huán)狀保護(hù)電極(9)，環(huán)繞所述陰極(8)，在測量操作中與所述陰極(8)的電勢相同， 陽極(10)，被所述傳感器體O)中的所述電解質(zhì)C3)填充，以及參考電極(11)，被在所述傳感器體O)中的所述電解質(zhì)C3)填充，其中在所述陽極 (10)和所述陰極⑶之間施加電壓(23)，所述電壓在所述陰極⑶和所述參考電極(11)之間被控制在恒定極化電壓(UpJ，并且其中在測量操作中在所述陰極(8)和所述陽極(10) 之間流動的測量傳感器電流(I測量)是在所述工藝流體⑷中的氧氣分壓的測量值， 其特征在于，測試電壓源(17)，在測試模式中，所述測試電壓源(17)被切換在所述陰極(8)和所述保護(hù)電極(9)之間以在所述電解質(zhì)(3)中和/或在所述陰極⑶和所述保護(hù)電極(9)之間的所述工藝流體中產(chǎn)生測試氧氣以用于測試所述傳感器的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的傳感器，其特征為，所述測試電壓源(17)的正極連接到所述保護(hù)電極(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的傳感器，其特征為，所述保護(hù)電極(9)通過變換開關(guān)裝置(19)交替在測試模式中切換到所述測試電壓源(17)或經(jīng)由阻抗變換器02)切換到所述陰極 ⑶。
4.一種用于檢測用于測量工藝流體中的氧氣分壓的電化學(xué)傳感器的功能的方法，所述傳感器包括電解質(zhì)填充的傳感器體O)，在被工藝流體C3)填充的一側(cè)上由氧氣可滲透的膜(5)覆至 ΓΤΠ，陰極(8)，在所述膜(5)上，環(huán)狀保護(hù)電極(9)，環(huán)繞所述陰極(8)，在測量操作中與所述陰極(8)的電勢相同， 陽極(10)，被所述傳感器體O)中的所述電解質(zhì)C3)填充，以及參考電極(11)，被在所述傳感器體O)中的所述電解質(zhì)C3)填充，其中在所述陽極 (10)和所述陰極⑶之間施加電壓(23)，所述電壓在所述陰極⑶和所述參考電極(11)之間被控制在恒定極化電壓(UpJ，并且其中在測量操作中在所述陰極(8)和所述陽極(10) 之間流動的測量傳感器電流(I3w)是在所述工藝流體⑷中的氧氣分壓的測量值， 特征在于包括下列方法步驟在測試模式中，在所述陰極⑶和所述保護(hù)電極(9)之間施加測試電壓(U31im)以用于在所述電解質(zhì)(3)中和/或在在所述陰極(8)和所述保護(hù)電極(9)之間的所述工藝流體 (4)中產(chǎn)生測試氧氣，切斷所述測試電壓(U31im),評估通過所述測試氧氣產(chǎn)生的所述測試傳感器電流(I3w)以用于所述傳感器(1)的功能分析。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征為，在所述測試模式中檢測所述測試傳感器電流(I 測量)的時間序列。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征為，在激活所述測試模式前保存所述測量傳感器電流(I ι )的值并且通過所述測試傳感器電流(Ijm)與所述測量傳感器電流(I ι )的保存值的比較而控制所述測量操作的再次激活。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征為，如果所述測試傳感器電流(I3tt)與所述測量傳感器電流(I3w)的保存值偏離特定閾值量，則再次激活所述測量操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求4到7中的一項(xiàng)的方法，其特征為，在所述測試傳感器電流(I3tt)與特定特性偏離的情況下發(fā)出警報。
9.根據(jù)權(quán)利要求4到8中的一項(xiàng)的方法，其特征為，在所述測試傳感器電流(I3tt)與特定特征偏離的情況下，防止所述傳感器(1)的所述測量操作的再次激活。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測量工藝流體中的氧氣分壓的電化學(xué)傳感器，該傳感器包括充滿電解質(zhì)的傳感器體(2)，其在接觸工藝流體(4)一側(cè)由氧氣可滲透的膜(5)覆蓋；在膜(5)上的陰極(8)；環(huán)形保護(hù)電極(9)，環(huán)繞陰極(8)并且在測量模式下具有與陰極(8)相同的電勢；在傳感器體(2)中的與電解質(zhì)(3)接觸的陽極(10)；在傳感器體(2)中與電解質(zhì)(3)接觸的參考電極(11)，其中在陽極(10)和陰極(8)之間施加電壓(23)，該電壓在陰極(8)和參考電極(11)之間被調(diào)節(jié)到恒定極化電壓(UPOL)并且在測量模式下，在陰極(8)和陽極(10)之間流動的測量傳感器電流(I測量)是在工藝流體(4)中的氧氣分壓的測量值；以及測試電壓源(17)，其在測試模式中，被切換在陰極(8)和保護(hù)電極(11)之間以在電解質(zhì)(3)中和/或在陰極(8)和保護(hù)電極(9)之間過程流體(4)中產(chǎn)生測試氧氣以用于測試傳感器的功能。
文檔編號G01N27/416GK102472723SQ201080034424
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月4日
發(fā)明者H·沃爾拉布, R·奧柏林 申請人:科尼克電子測量儀器有限及兩合公司