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Elektrodenanordnung zur Partialdruckmessung von Gasen in Flüssigkeiten und Verfahren zur Herstellung derselben
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur Partialdruckmessung von Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zur Messung des CO2 - bzw. O2 -Partialdruckes bei der Blutgasanalyse, mit einer an ihrem messempfindlichen Ende mit einer flüssigkeitsdichten und gasdurchlässigen Membrane überzogenen Elektrode und einer im Abstand vom messempfindlichen Ende angeordneten Bezugselektrode, die über eine Elektrolytschicht mit dem messempfindlichen Ende der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist.
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Elektrolytschicht, welche für die elektrisch leitende Verbindung zwischen der messempfindlichen Fläche der Elektrode und der Bezugselektrode sorgt, verhältnismässig grosse Schwierigkeiten.
Derartige Elektroden wurden bisher am messempfindlichen Ende mit freier Hand mit einer als Elektrolytträger dienenden Zwischenschicht versehen und sodann mit der Membrane überzogen. Beim Einbau in die Messapparatur werden diese Elektroden üblicherweise mit dem überzogenen Teil so gegen eine Dichtfläche gedrückt, dass der messempfindliche Teil in die Messkammer hineinragt.
Die Erfahrung mit den bekannten Elektrodenanordnungen hat gezeigt, dass eine Reproduzierbarkeit der Messwerte über einen längeren Zeitraum bzw. die Austauschbarkeit von Elektroden meist langwierige Abstimmarbeiten voraussetzt, die nur von geschultem Personal durchgeführt werden können. Wenn hiebei nicht mit grösster Sorgfalt vorgegangen wird, ergeben sich Messungenauigkeiten in einer Grössenordnung, welche die Brauchbarkeit dieser Analysiermethode überhaupt in Frage stellt.
Eine der Hauptschwierigkeiten bei den bekannten Elektrodenanordnungen ergibt sich durch die Forderung einer gleichmässigen Anpressung der Membrane an die als Elektrolytträger fungierende Zwischenschicht. Nur in diesem Falle sind bei mehreren Elektroden übereinstimmende Messeigenschaften zu erwarten, welche einen Austausch der Elektroden untereinander ermöglichen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Elektrodenanordnung besteht darin, dass es beim Einbau der Elektroden in die Messapparatur durch das Andrücken der Membrane an eine Dichtfläche, zufolge der zusätzlichen Pressung der Membrane, auch zu einer Dickenänderung der Elektrolytschicht kommt. Dies hat zur Folge, dass die Elektrode beim Einbau ihre Messeigenschaften verändert. Dies macht bei jeder Montage der Elektrode oder bei einer sonstigen Änderung des Einbaudruckes eine neuerliche Abstimmung erforderlich. Schliesslich ist durch die zusätzliche mechanische Beanspruchung der Membrane deren Lebensdauer stark herabgesetzt. Die Elektroden müssen daher in verhältnismässig kurzen Zeitabständen neu bezogen werden.
Bei den bekannten Elektrodenausführungen ist auch wegen mangelnder Dichtheit des die Elektrolytflüssigkeit enthaltenden Raumes ein häufiges Nachfüllen bzw. Erneuern des Elektrolyts erforderlich. Um die Elektroden in messbereitem Zustand zu erhalten, ist somit eine ständige Wartung und Überwachung notwendig, und wenn diese Wartung nicht mit der nötigen Sorgfalt erfolgt, werden
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die Elektroden durch Eintrocknung unbrauchbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenanordnung zu schaffen, welche über einen langen Zeitraum gleichmässig gute Messeigenschaften aufweist, und die sich besonders für eine serienmässige Fertigung eignet. Diese Elektroden sollen auch untereinander gleiche Messeigenschaften aufweisen, so dass ihr Austausch ohne langwierige Abstimmarbeiten durchgeführt werden kann. Der Einbau der Elektroden soll ferner so einfach sein, dass auch jeder Nicht-Fachmann das Auswechseln der Elektroden besorgen kann. Schliesslich sollen die Elektroden so beschaffen sein, dass sie auch bei öfterem Auswechseln weder beschädigt, noch in ihren Messeigenschaften verändert werden.
Zur Lösung dieser Probleme ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass ein Elektrodenträger in der abgesetzten axialen Bohrung eines ihn dicht umschliessenden Gehäuses angeordnet ist, wobei das messempfmdliche Ende der Elektrode im verengten Teil der Bohrung durch ein Dichtmittel und der Schaft des Elektrodenträgers im erweiterten Teil der Bohrung durch einen O-Ring abgedichtet und der Raum zwischen den beiden Dichtstellen mit Elektrolytflüssigkeit ausgefüllt ist. Diese Ausführung gewährleistet eine höchstmögliche Schonung der bespannten Elektrode sowohl beim Einbau als auch im Messbetrieb, wobei eine absolute Abdichtung des vom Elektrolyt erfüllten Innenraumes des Gehäuses erreicht wird. Der Elektrodenträger mit seinem Gehäuse bildet dabei eine kompakte Einheit, welche gegen äussere Einflüsse weitgehend unempfindlich ist.
Die geschützte Anordnung des messempfindlichen Endes der Elektrode sorgt zugleich dafür, dass beim Einbau der Elektrodeneinheit in das Messgerät keine Änderungen der Messeigenschaften auftreten.
Unter der Voraussetzung, dass eine qualitativ gleichbleibende Bespannung der Elektroden gewährleistet ist, lässt sich somit auch ein Austausch von Elektroden in einfachster Weise mit minimaler Abstimmarbeit durchführen. Durch die schonende Behandlung der Elektrode ergibt sich auch eine weitaus grössere Lebensdauer gegenüber den bisher gebräuchlichen Ausführungen.
Gemäss einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Schaft des Elektrodenträgers einen Ringflansch auf, dessen innere Ringfläche an der Stirnfläche des Gehäuses anliegt und an dessen äusserer Ringfläche eine Druckfeder angreift, deren anderes Ende sich an der Bodenfläche einer auf das Gehäuse aufgeschraubten Überwurfmutter abstützt. Man erreicht damit, dass der Ringflansch des Elektrodenträgers stets mit derselben Kraft an der Gehäusestirnfläche anliegt und auch durch festes Anziehen der Überwurfmutter die Lage des Elektrodenträgers im Gehäuse nicht verändert wird.
Veränderungen der Messempfindlichkeit durch Verspannen der bezogenen Elektroden werden auf diese Weise ausgeschaltet.
Erfindungsgemäss kann weiters das Gehäuse an der Seite des messempfindlichen Elektrodenendes in einen verjüngten zylindrischen Ansatz auslaufen, der an seiner Mantelfläche einen Dichtring trägt. Es wird also beim Einbau der Elektrodeneinheit an Stelle der Membrane der am Gehäuseansatz vorgesehene Dichtring zur Abdichtung gegenüber der Aufnahmebohrung der Messeinrichtung benützt und dadurch jede zusätzliche Belastung der Membrane ferngehalten.
Eine andere Abdichtmöglichkeit besteht erfindungsgemäss darin, dass das Gehäuse an der Seite des messempfindlichen Elektrodenendes in einen verjüngten, konischen Ansatz ausläuft. Die Abdichtung erfolgt dabei an der konischen Mantelfläche des Ansatzes, welche in die gleichfalls konische Aufnahmeöffnung der Messapparatur genau einzupassen ist.
Die Erfindung ist weiters auf ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenanordnung gerichtet, bei dem die flüssigkeitsdichte, gasdurchlässige Membrane auf das messempfindliche Ende der Elektrode aufgezogen und zwischen dem messempfindlichen Ende und der Bezugselektrode eine Elektrolytverbindung hergestellt wird. Durch das erfindungsgemässe Verfahren soll vor allem eine gleichmässige Bespannung der Elektrodenfühlflächc und damit eine leichte Austauschbarkeit der Elektroden ohne wesentliche Änderung der Messempfindlichkeit erreicht werden.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass eine die Membrane bildende Folie auf eine mit einer Vertiefung versehene Unterlage aufgelegt, sodann die Elektrode mit dem messempfindlichen Ende im Bereich der Vertiefung der Unterlage in die Folie eingedrückt wird, so dass sich die Folie als gleichmässiger Überzug über das Elektrodenende spannt, wobei gleichzeitig ein elastischer Haltering über das bespannte Elektrodenende gezogen wird, worauf der Elektrodenträger mit der bespannten Elektrode in das Gehäuse eingesetzt, am messempfindlichen Elektrodenende und am Schaft gegen das Gehäuse abgedichtet und der Innenraum des Gehäuses zwischen den beiden Dichtstellen mit Elektrolytflüssigkeit gefüllt wird.
Diese Methode, die auf die Erfordernisse einer rationellen Serienfertigung abgestimmt ist, vermeidet vor allem individuelle Einflüsse beim Bespannen des messempfindlichen Elektrodenendes und das Auftreten irgendwelcher zusätzlicher Montagespannungen beim endgültigen Zusammenbau der Elektrodeneinheit. Um allfälligen Änderungen der Messempfindlichkeit zufolge Temperaturschwan-
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kungen vorzubeugen, empfiehlt sich hiebei, die Einfüllöffnung des Elektrodengehäuses nach Einbringen der Elektrolytflüssigkeit mit einem elastischen Dichtelement zu verschliessen, welches einen Druckausgleich der Elektrolytflüssigkeit ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausführungsweise des erfindungsgemässen Verfahrens sieht schliesslich vor, dass die die Membrane bildende Folie im Bereich um die Vertiefung der Unterlage durch Auflegen eines Gewichtes, eines federbelasteten Spannringes od. dgl. mit gleichmässigem Flächendruck belastet wird.
Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt einer Elektrodeneinheit nach der Erfindung, Fig. 2 und 3 je einen teilweisen Axialschnitt abgewandelter Ausführungsformen der erfindungsgemässen Elektrodenanordnung, Fig. 4 und 5 je ein Einbaubeispiel einer Elektrodenanordnung nach der Erfindung, gleichfalls im Axialschnitt, Fig. 6 einen Axialschnitt eines unbespannten Elektrodenträgers, Fig. 7 und 8 zwei aufeinanderfolgende Phasen des erfindungsgemässen Verfahrens und Fig. 9 eine nach dem erfindungsgemässen Verfahren bespannte Elektrode, gleichfalls im Axialschnitt.
Die aus Fig. l ersichtliche, fertig montierte Elektrodeneinheit nach der Erfindung weist einen Elektrodenträger --1-- auf, der einen im wesentlichen zylindrischen Schaft--2-mit einem Ringflansch --3-- besitzt und eine stabförmige Elektrode --4-- trägt, auf die eine hülsenförmige Bezugselektrode--5--aufgezogen ist, und deren abgerundetes äusseres Ende die messempfindliche Fläche --6-- der Elektrode bildet.
Die Elektrode --4-- ist mit einer flüssigkeitsdichten und gasdurchlässigen Membrane--7-- bespannt, welche durch einen Gummiring --8-- gehalten wird. Vom gegenüberliegenden Ende des Elektrodenträgers --1-- führt ein Anschlusskabel--9--zu einer nicht dargestellten elektrischen Messeinrichtung.
Der Elektrodenträger--l--ist in eine abgesetzte axiale Bohrung--11--eines Gehäuses --10-- eingesetzt, wobei die bespannte Elektrode--4--durch den verengten Teil--12--der Gehäusebohrung --1-- etwas über die Gehäusestirnkante vorragt. Ein in die Bohrung--12-eingebrachtes Dichtmittel sorgt für eine einwandfreie Abdichtung der bespannten Membrane--4--an dieser Stelle des Gehäuses--10--. Ein in eine Ringnut--14--des Gehäuses--10--eingelegter O-Ring--13--dichtet den Schaft --2-- des Elektrodenträgers --1-- nach der gegenüberliegenden Gehäusestirnseite hin ab.
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Elektrodenträgers-l-liegtStrrnfläche --15-- des Gehäuses --10-- an.
An seiner äusseren Ringfläche greift eine Druckfeder --16-- an, deren anderes Ende sich an der Bodenfläche einer auf ein Aussergewinde --19-- des Gehäuses--10--aufgeschraubten Überwurfmutter--18--abstützt. Ein Bund--20--des Gehäuses bildet dabei einen Anschlag beim Festziehen der Überwurfmutter--18--.
Durch die Zwischenschaltung der Druckfeder --16-- erzielt man einen gleichmässigen Auflagedruck des Ringflansches--3--an der Gehäusestirnfläche --15--, so dass auch ein festes Anziehen der überwurfmutter keinen Einfluss auf die Lage des Elektrodenträgers im Gehäuse hat.
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Das Gehäuse--10--läuft an der Seite des messempfindlichen Elektrodenendes in einen verjüngten zylindrischen Ansatz --23-- aus, welcher an seiner Mantelfläche einen Dichtring--24-trägt. Dieser Dichtring --24-- dient dazu, die Elektrodenanordnung in der Aufnahmeöffnung der Messapparatur, in der die Gasanalyse durchgeführt wird, abzudichten.
Den gleichen Zweck erfüllt auch eine Ausführung nach Fig. 2, bei der das Gehäuse --10-- an der Seite der Messstelle in einen verjüngten konischen Ansatz -- 25-- ausläuft. Der öffnungswinkel dieses konischen Ansatzes muss selbstverständlich mit dem der konischen Aufnahmeöffnung an der Messapparatur übereinstimmen, damit auch ohne Zuhilfenahme eines Dichtelementes eine einwandfreie Abdichtung an der Messstelle erzielt wird.
Einen besonders wirksamen Schutz des messempfindlichen Endes der Elektrode --4-- bietet die Ausführung nach Fig. 3, bei der die Öffnung der Gehäusebohrung an der Stelle --26-- so weit verengt ist, dass nur ein Teil der wirksamen Membranfläche freiliegt.
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Fig. 4 zeigt ein Einbaubeispiel einer Elektrodeneinheit--27--nach der Erfindung, wobei --28-- die eingezogene konische Aufnahmeöffnung im Mantel--29--eines thermostatisierten Rezipienten eines Analysierapparates für die Blutgasanalyse bezeichnet. In die Öffnung --28-- ist
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--30-- eingesetztRingflansch--31--der Elektrodeneinheit--27--an und drückt den Flansch--31--an die äussere Ringstirnfläche der Gewindehülse-30-. Dabei kommt der konische Fortsatz --25-- des Elektrodengehäuses mit der konischen Dichtfläche-33-der Aufnahmeöffnung-28- abdichtend in Berührung.
Unmittelbar vor der messempfindlichen Fläche der Elektrodeneinheit --27-- verläuft eine Kapillare--34-, welche die zu analysierende Blutprobe enthält.
Fig. 5 zeigt den Einbau einer mit einem zylindrischen Gehäusefortsatz --23-- versehenen Elektrodeneinheit--35--an der Messstelle. Der Mantel des thermostatisierten Rezipienten ist mit --29'-- und die eingezogene Aufnahmeöffnung desselben mit--28'--bezeichnet. Der in den unteren Teil der Aufnahmeöfnung --28'-- straff eingepasste Dichtring--24--bildet hier zugleich die Halterung für die Elektrodeneinheit--35--.
Das Bespannen der Elektrode--4--des in Fig. 6 im Detail dargestellten Elektrodenträgers --l-- im Sinne des erfindungsgemässen Verfahrens ist aus Fig. 7 und 8 ersichtlich. Man verwendet hiezu einen Montagesockel--36--mit einer durchgehenden Öffnung --37--, welche einen Absatz - aufweist, der dem samt einem Gleitdorn-40-in die Öffnung --37-- eingesetzten Gummiring --8-- als Stützfläche dient. Die Öffnung-37-geht mit einer Abrundung --39-- in die obere horizontale Stirnfläche des Montagesockels-36--über, auf welche eine die Membrane bildende Folie --41-- flach aufgelegt wird.
Ein auf die Folie --41-- aufgesetztes ringförmiges Gewicht --42-- belastet die Folie mit gleichmässigem Flächendruck.
Der Elektrodenträger--l--mit der nichtbespannten Elektrode--4--wird nun von der aus Fig. 7 ersichtlichen Lage nach abwärts bewegt und gemäss Fig. 8 in die Membranfolie-41-- eingedrückt, so dass sich die Folie als gleichmässiger Überzug über das Ende der Elektrode--4-spannt. Der Gleitdorn--40--wird dabei durch die Öffnung -37-- nach unten ausgeworfen und der Gummiring auf die bespannte Elektrode aufgeschoben, so dass die Membrane--7--fixiert und im gespannten Zustand gehalten wird. Die fertig bespannte Elektrode ist in Fig. 9 dargestellt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrodenanordnung zur Partialdruckmessung von Gasen in Flüssigkeiten, insbesondere zur Messung des CO2-bzw. O2- Partialdruckes bei der Blutgasanalyse, mit einer an ihrem messempfindlichen Ende mit einer flüssigkeitsdichten und gasdurchlässigen Membrane überzogenen
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(1)(11, 12) eines ihn dicht umschliessenden Gehäuses (10) angeordnet ist, wobei das messempfindliche Ende (6) der Elektrode (4) im verengten Teil (12) der Bohrung durch ein Dichtmittel und der Schaft (2) des Elektrodenträgers (1) im erweiterten Teil der Bohrung (11) durch einen O-Ring (13) abgedichtet und der Raum zwischen den beiden Dichtstellen mit Elektrolytflüssigkeit (22) ausgefüllt ist.
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