DE69122009T2

DE69122009T2 - Elektrochemischer Kraftsensor

Info

Publication number: DE69122009T2
Application number: DE69122009T
Authority: DE
Inventors: Henri J R Maget
Original assignee: Baxter International Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1990-08-06
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-07-27
Also published as: US5334304A; EP0470744A2; EP0470744B1; US5417822A; DE69122009D1; JP3079156B2; EP0715158A3; EP0470744A3; EP0715158A2; JPH04232826A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung umfaßt allgemein Vorrichtungen zum Fühlen und Bewirken von kraft und Druck und umfaßt genauer einen Druckwandler, der mechanische Kraft oder Druck mit Hilfe eines elektrochemischen Prozesses reversibel in eine elektrische Spannung umwandelt.

Beschreibung des verwandten Fachgebiets

Mehrere Verfahren zum Messen von Kraft und Druck sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bis auf Gravitationssäulenmessungen verwenden solche Verfahren im allgemeinen einen Druckwandler, um angelegten Druck in eine elektrische Spannung umzuwandeln. Druckwandler stützen sich im allgemeinen auf eine durch den angelegten Druck induzierte, intermediäre physikalische Verschiebung, um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Die Wandlungsprinzipien oder Mittel zum Transformieren einer Veränderung einer physikalischen Verschiebung in eine Änderung einer elektrischen Spannung oder eines Stromverlaufs sind so verschiedenartig wie die vielen, in der modernen Wissenschaft bekannten physikalischen Beziehungen. Jedoch sind die Wandlungstechniken im allgemeinen Gebrauch auf relativ wenige begrenzt. Dies sind im wesentlichen diejenigen, die Veränderungen in Widerstand, Induktion und Reluktanz umfassen. Nützliche Daten werden erhalten, indem man solchen Wandlern eine Eingangsspannung zuführt und eine Ausgangsspannung als eine Funktion der Veränderungen in der Verschiebung entwickelt, die als ein intermediäres Ergebnis des Anlegens des zu messenden Drucks oder der zu messenden Kraft erzeugt wird.
Von den verbleibenden Wandlungsprinzipien werden die piezoelektrischen Typen und die Schwingdraht-Typen am häufigsten verwendet. Der piezoelektrische Wandler verwendet ein kristallines Material, das eine Ausgangsspannung erzeugt, die zu der Änderungsrate der Verformung über der Zeit proportional ist. Da die Ausgangsspannung nur unter dynamischen Bedingungen erzeugt wird, kann die piezoelektrische Vorrichtung nicht für statische oder stationäre Druck- oder Kraftmessungen verwendet werden. Sie wird normalerweise als ein Miniaturinstrument verwendet, das zum Messen von Schwingung oder dynamischem Druck bestimmt ist.
Der Schwingdraht-Wandler umfaßt einen feinen Draht, der derart gehalten ist, daß sich seine Spannung und Dehnung gemäß dem angelegten Druck oder der angelegten Kraft verändern. Wenn dieser Draht zwischen den Polen eines Permanentmagneten liegt, schwingt er nach Anlegen einer oszillierenden Spannung mit seiner Eigenfrequenz. Die Ausgangsgröße des Schwingdraht-Wandlers ist eine oszillierende Spannung, die sich in der Frequenz gemäß durch den angelegten Druck oder die angelegte Kraft induzierten Veränderungen in der Drahtspannung verändert.
Jedes dieser Wandlungsprinzipien erfordert eine Verschiebung, um eine Spannungsausgabe von dem Sensor zu erzeugen. Druckmessungen werden durch Summieren eines angelegten Drucks über einem flexiblen Material erreicht, dem dann wieder eine begrenzte Bewegung gestattet ist. Das flexible Teil kann ein Diaphragma, eine Kapsel, ein Faltenbalg oder eine von mehreren Variationen an Federrohren sein. Jedes von diesen sieht eine begrenzte Verschiebung unter angelegtem Druck vor. Absolute Drücke werden im allgemeinen durch Abdichten entweder des Kapsel- oder Faltenbalgaufbaus oder der Instrumentenkammer bei einem gewöhnlich dicht bei Null liegenden Referenzdruck bestimmt. Manometerdruck (relativ zu Umgebungsluftdruck) wird im allgemeinen durch Verbinden der Referenzseite des Instruments mit der Umgebungsbedingung gemessen. Differentialdruck kann gemessen werden, indem den beiden fraglichen Drücken ein Zugang zu gegenüberliegenden Seiten des fühlenden Bauteils gestattet wird.
Jede der obengenannten Wandlungstechniken ist mehreren Beschränkungen unterworfen. Mit Ausnahme des piezoelektrischen Wandlers erfordern sämtliche derartige Verfahren eine separate Spannungsquelle. Der piezoelektrische Wandler erfordert keine separate Spannungsquelle, jedoch ist er für statische Druckmessungen nicht brauchbar. Wieder mit Ausnahme des piezoelektrischen Wandlers ist keine der obigen Wandlungstechniken einer selbsttätigen Kalibrierung zugänglich. Obwohl ein piezoelektrischer Wandler mit Hilfe des Reziprozitätsprinzips selbst-kalibriert werden kann, ist dieses Verfahren nur für dynamische (sinusförmig variierende) Drücke brauchbar. Ein einfacher, selbst kalibrierender Drucksensor, der kalibriert werden kann, um den absoluten Wert eines statischen Drucks ohne Bezugnahme auf einen Kalibrierungsstandard genau zu fühlen, ist im Stand der Technik unbekannt.
Zusätzlich zu der einfachen Messung von Kraft oder Druck existieren im Stand der Technik zwei weitere verwandte Fühlerfordernisse. Zuerst besteht oftmals ein Erfordernis für eine Messung des Partialdrucks eines Gases in einem Gemisch aus Gasen. Bspw. ist in den Fachgebieten Medizin, Biologie, Kraftfahrzeugtechnik, Chemie, Erdöltechnologie u.a. das direkte Fühlen des Partialdrucks von Sauerstoff (O&sub2;) erforderlich. Zweitens besteht in dem aufstrebenden Fachgebiet der Robotertechnik ein wohlbekanntes Bedürfnis für einen Wandler, der das Leistungsvermögen, Kraft oder Druck zu fühlen, mit dem Leistungsvermögen kombiniert, eine gewünschte Kraft oder einen gewünschten Druck zu bewirken. Eine solche Vorrichtung kann als ein Kraft- oder Drucksensor/-effektor betrachtet werden und ist für Robotermanipulatoren brauchbar. Die obengenannten Kraftwandlungstechniken können keines dieser wichtigen Erfordernisse erfüllen, da das Wandlungsphänomen entweder nichtreversibel ist oder (im Fall des piezoelektrischen Wandlers) das Wandlungsphänomen unter statischen Bedingungen nicht existiert.
Ein weiteres Verfahren zum Messen des Partialdrucks von Sauerstoff wurde, wie in Richter, R., "Measuring Absolute Oxygen Pressure," NASA Tech Brief 8, No. 3, Item #97 berichtet, im Jahre 1984 durch R. Richter am Jet Propulsion Laboratory demonstriert. Richter tat seine Arbeit mit einer Hochtemperatur-(> 1.000ºC)- Zirkonerde-Elektrolyt-Brennstoffzelle, wobei er diese zum Messen des Partialdrucks von Sauerstoff verwendet. Das Verfahren von Richter ist zum Messen des Partialdrucks von Sauerstoff nicht brauchbar. Das Verfahren von Richter ist zum Messen des Partialdrucks von anderen elektrochemisch aktiven Gasen (z.B. H², Cl² u.a.) bei Raumtemperatur nicht brauchbar.
Eine elektrochemische Zelle ist typischerweise durch Anordnen einer elektrolytischen Membran zwischen eine und in Kontakt mit einer Kathode und Anode gebildet. Obwohl eine solche Zelle (wie eine Brennstoffzelle) entweder Elektrizität erzeugen oder (wie ein Motor) mechanische Arbeit leisten kann, ist sie vordem nicht als ein Wandler für das Fühlen oder Bewirken von Kraft und Druck verwendet worden. Wenn die Zelle wie eine Brennstoffzelle konfiguriert ist, um Elektrizität zu erzeugen, wird, wie durch Wentworth in dem US-Patent 3,418,168 offenbart, ein Brenngas wie bspw. Wasserstoff zu der Anode geführt und ein gasförmiges Oxidationsmittel wie bspw. Sauerstoff zu der Kathode geführt. Wenn die Zelle wie ein Motor konfiguriert ist, um mechanische Energie zu erzeugen, wird, wie in dem US-Patent 4,402,817 durch Maget offenbart, über die Anode und Kathode eine elektrische Spannung angelegt und ein elektrochemisch aktives Gas, das in eine Oxidations-/Reduktionsreaktion eintreten kann, zu der Anode geführt. Keines dieser Patente lehrt oder schlägt vor die Verwendung einer elektrochemischen Zelle als ein Kraft- oder Drucksensor. Eine solche Verwendung ist durch den Erfinder in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung 07,563,050 kurz offenbart, die "Efficient Electrochemical Motor" betitelt und gleichzeitig hiermit eingereicht ist.
Die Patentanmeldung Nr. 2051374 aus dem Vereinigten Königreich betrifft einen Druckwandler, der zum Messen von Drücken bei hohen Temperaturen geeignet ist, und umfaßt ein festes, porenfreies, ionisch leitfähiges Bauteil, das ein erstes Material, das dem zu messenden Druck ausgesetzt ist, von einem zweiten Material separiert, das ein chemisches Element in fluider Form ist, dessen Ionen durch das leitfähige Bauteil passieren können. Das über dem Bauteil entwickelte elektrische Potential ist ein Maß für den angelegten Druck.
Die europäische Patentanmeldung Nr. 0209 644 betrifft einen durch eine elektrochemische Zelle angetriebenen Arzneimittelspender. Eine elektrochemische Pumpe ist an einen Balg gekoppelt, der zum Spenden eines Arzneimittels mit einer genauen Rate betätigt werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung ist ein einzelner Partialdruckgassensor bereitgestellt, der umfaßt:
ein gasdichtes Gehäuse mit zwei Enden und einer ersten Wand an einem ersten Ende,
eine starr gehaltene elektrolytische Membran, die zwei Seiten aufweist, die zum Bilden einer zweiten Wand an einem zweiten Ende des gasdichten Gehäuses angeordnet sind, und darin eine Speicherkammer zum Festhalten einer Zufuhr an elektrochemisch aktivem Gas definiert,
zumindest eine durchlässige, an jeder Seite und in Kontakt mit der elektrolytischen Membran angeordnete Elektrode,
wobei die zumindest eine Elektrode an der ersten Seite der elektrolytischen Membran von einer weiteren durch Zwischenräume separiert ist und wobei die zumindest eine Elektrode an der zweiten Seite der elektrolytischen Membran derart angeordnet ist, daß sie mit der zumindest einen Elektrode an der ersten Seite zumindest ein Elektrodenpaar bildet, das durch die elektrolytische Membran getrennt ist und
wobei das Gas elektrochemisch reversibel aktiv ist, so daß es an einer Seite des zumindest einen Elektrodenpaars, wo die Gasmoleküle in durch die elektrolytische Membran transportierbare Ionen umgewandelt werden, in eine anodische Raktion und an der gegenüberliegenden Seite des zumindest einen Elektrodenpaars, wo die Ionen in Gasmoleküle zurückverwandelt werden, in eine kathodische Reaktion eintritt, und
Meßmittel zur Messung der Spannung zwischen dem zumindest einen Elektrodenpaar. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie einen direkten Partialdruckgassensor für mehrere elektrochemisch aktive Gase wie bspw. Sauerstoff (O&sub2;), Wasserstoff (H&sub2;) und mehrere der Halogene bereitstellt.
Da die elektrolytische Membran nur Moleküle des elektrochemisch aktiven Gases transportiert, das in der ionischen Reaktion an der Membranoberfläche involviert ist, ist die vorliegende Erfindung in einzigartiger Weise für die Messung des Partialdrucks ausgewählter elektrochemisch aktiver Gase wie bspw. Wasserstoff, Sauerstoff und die Halogene geeignet. Genauer gesagt, wenn eine Oberfläche der elektrolytischen Membran dem Gas während einer Messung ausgesetzt ist, ist die Ausgangsspannung der elektrolytischen Membran immer direkt auf das Verhältnis von Partialdrücken über der elektrolytischen Membran und nicht auf das Verhältnis von Gasgemischdrücken bezogen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist ihre Eignung zur Miniaturisierung. Die Ausgangsspannung aus der elektrolytischen Membran hat keinen Bezug zu der Membranfläche. Daher können bspw. Membranen mit Flächen von weniger als 2 mm² effektiv als Drucksensoren zur Verwendung innerhalb von Kathetern zur Messung innerer Blut- und Gewebedrücke arbeiten. Da sich der typische, aus dem Stand der Technik bekannte Drucksensorwandler auf eine gewisse physikalische Verschiebung stützt, um das Wandlerausgangssignal zu erzeugen, umfassen diese Sensoren oft mehrere sich bewegende Teile, wodurch die praktische Anwendbarkeit der Miniaturisierung eingeschränkt ist.
Schließlich bietet die vorliegende Erfindung die zusätzlichen Vorteile eines hohen Wirkungsgrads, eines niedrigen Leistungsbedarfs und einer flexiblen Geometrie. All diese Vorteile haben zusammen mit der Abwesenheit von sich bewegenden Teilen niedrige Produktionskosten für die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zur Folge.
Wie in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung 07/563,050, die "Efficient Electrochemical Motor" betitelt und gleichzeitig hiermit eingereicht ist, durch den Erfinder offenbart, ist die vorliegende Erfindung ebenfalls ideal zur Verwendung als ein innerer Drucksensor in einem elektrochemischen Motor geeignet.
Das Vorhergehende wird zusammen mit anderen Merkmalen und Vorteilen der vorliegenden Erfindung in größerem Maße offenbar werden, wenn auf die folgenden Beschreibungen, Ansprüche und begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun auf die folgende detaillierte Beschreibung der in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele Bezug genommen, worin Figur 1, die die Figuren 1A und 1B umfaßt, eine schematische Darstellung zweier unterschiedlicher Ausführungen eines elektrochemischen Einkammer-Partialdrucksensors ist.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel von Interesse ist der in Fig. 1 dargestellte Partialdruckgassensor. Figur 1A zeigt einen Gassensor 26 mit einer Referenzkammer 12 und einer elektrochemischen Zelle, die eine Membran 16, Elektroden 18 und 20 und starre Halter 17 und 19 umfaßt, die dem zu messenden Gasdruck ausgesetzt sind. Die Referenzkammer 12 enthält ein elektrochemisch aktives Gas, das Sauerstoff sein kann. Wenn die Elektrode 20 einem Luftgemisch ausgesetzt ist, induziert der über der elektrochemischen Zelle auftretende Oxidations-Reduktions-Prozeß eine Spannung zwischen den Elektroden 18 und 20, die in Relation zu dem Verhältnis des Drucks des elektrochemisch aktiven Gases in der Referenzkammer 12 zu dem Druck des elektrochemisch aktiven Gases in dem Luftgemisch 28 steht. Daher ist es ersichtlich, daß das in Figur 1A dargestellte Ausführungsbeispiel zum Messen des Partialdrucks der elektrochemisch aktiven Gaskomponente des Luftgemischs 28 dient. Ob Wasserstoff, Sauerstoff oder ein ausgewähltes Hallogen, die gewünschte Komponente ist durch die chemischen Eigenschaften des in der Referenzkammer 12 eingeschlossenen elektrochemisch aktiven Gases festgesetzt.
Unter Bezugnahme auf Figur 1B ist ein ähnliches Ausführungsbeispiel eines Partialdruckgassensors dargestellt. Jedoch ist eine halb-durchlässige Membran 30 zum Abdecken des Aufbaus der elektrochemischen Zelle hinzugefügt, um die Verdampfung des Feuchtigkeitsgehalts des Ionomers 16 zu verhindern. Die Membran 30 ist derart ausgewählt, daß sie für das zu messende elektrochemische Gas durchlässig ist, während sie ebenfalls für Feuchtigkeit undurchlässig ist. In Figur 1A arbeitet der Sensor 26 als ein Sauerstoffsensor, wenn die Kammer 12 mit Sauerstoff oder Luft gefüllt ist. Zum Vermeiden einer Verschmutzung oder des Trocknens des Ionomers 16 kann der schützende Film 30, wie in Figur 1B gezeigt, über der Elektrode 20 angeordnet werden. Der Film 30 kann eine dünne Lage aus Silizium oder ein anderes, ähnlich halb-durchlässiges Material sein.
Offensichtlich werden denen, die eine übliche Fachkenntnis in den relevanten Fachgebieten besitzen, angesichts dieser Lehren ohne weiteres andere Ausführungsbeispiele und Modifikationen der vorliegenden Erfindung einfallen. Daher ist diese Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche zu beschränken, die alle derartigen offensichtlichen Ausführungsbeispiele und Modifikationen umfassen, wenn sie in Verbindung mit der obigen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen gesehen sind.

Claims

1. Ein Einkammer-Partialdruckgassensor (10) umfaßt:

ein gasdichtes Gehäuse mit zwei Enden und einer ersten Wand an einem ersten Ende,

eine starr gehaltene elektrolytische Membran (16), die zwei Seiten aufweist, die zum Bilden einer zweiten Wand an einem zweiten Ende des gasdichten Gehäuses angeordnet sind, und darin eine Speicherkammer (12) zum Festhalten einer Zufuhr an elektrochemisch aktivem Gas definiert,

zumindest eine durchlässige, an jeder Seite und in Kontakt mit der elektrolytischen Membran (16) angeordnete Elektrode (18, 20),

wobei jede Elektrode (18) an der ersten Seite der elektrolytischen Membran (16) von jeder weiteren Elektrode an der ersten Seite durch Zwischenräume separiert ist und wobei die zumindest eine Elektrode (20) an der zweiten Seite der elektrolytischen Membran (16) derart angeordnet ist, daß sie mit der zumindest einen Elektrode (18) an der ersten Seite zumindest ein Elektrodenpaar (18, 20) bildet, das durch die elektrolytische Membran (16) getrennt ist und

wobei das Gas elektrochemisch reversibel aktiv ist, so daß es an einer Seite des zumindest einen Elektrodenpaars (18, 20), wo die Gasmoleküle in durch die elektrolytische Membran (16) transportierbare Ionen umgewandelt werden, in eine anodische Reaktion und an der gegenüberliegenden Seite des zumindest einen Elektrodenpaars (18, 20), wo die Ionen in Gasmoleküle zurückverwandelt werden, in eine kathodische Reaktion eintritt, und

Meßmittel (24) zur Messung der Spannung zwischen dem zumindest einen Elektrodenpaar (18, 20).

2. Der Einkammer-Partialdruckgassensor (10) nach Anspruch 1, weiter umfassend eine halb-durchlässige Abdeckung (30) über dem Teilstück der elektrolytischen Membran (16), das außerhalb des gasdichten Gehäuses angeordnet ist, wobei die halb-durchlässige Abdeckung (30) für Wasserdampf undurchlässig und für das elektrochemisch aktive Gas durchlässig ist.

3. Der Einkammer-Partialdruckgassensor (10) nach Anspruch 2, worin das elektrochemisch aktive Gas Sauerstoff (O&sub2;) ist.

4. Der Einkammer-Partialdruckgassensor (10) nach Anspruch 2, worin das elektrochemisch aktive Gas Wasserstoff (H&sub2;) ist.