CN102656446B - 电导率传感器组件 - Google Patents

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Abstract

一种流过式电导率传感器组件包括壳体(4)，壳体(4)具有带有入口端和出口端的流动通路。在入口端和出口端之间的流动通路延伸部的至少一区段的横截面被分成电导率测量通道(2)和平行的旁通通道(3)，旁通通道(3)比测量通道(2)有更大横截面面积。

Description

电导率传感器组件
技术领域
本发明涉及测量电导率，并且更具体而言，涉及用于测量流动液体的电导率的传感器组件。
背景技术
电导率或电解电导率定义为物质传导电流的能力。电导率与电阻率成倒数，并且其基本单位是西门子/米(S/m)。对于液体，电导率是存在于液体中的所有离子的作用的总和。
测量液体的电导率通常在所谓的电导率池(conductivitycell)中执行。电导率池可根据它们与样本相互作用的技术且还通过池设计的几何结构来分类。所使用的两个操作技术是接触技术和感应或环形技术。在这两种情况下，AC电输入信号被施加给电导率池，并且测量池产生的AC电输出信号(DC电信号将使电解质变化)。
使用接触技术测量电导率的池使它们的电极直接接触待测试的液体，而使用环形技术的池包括不接触液体的两个环形线圈。
交流电流频率典型地范围介于50Hz和50kHz之间，这取决于液体的电解质浓度，测量频率随着液体中的离子浓度的增大而增大，以便避免由于在电极处的极化效应引起的干涉电容效应。
接触类型的基本电导率池具有例如由铂制成的两个平行的电极板。当跨过板而施加AC电压时，AC电流将流过液体，这与电极中间的电阻率成反比，并且因此与池中的液体的电导率成比例。
池的电阻R与电极之间的距离d和电极的横截面面积A成比例。比率d/A通常称为“池常数”Θ，即Θ=d/A。
为了测量液体流，电导率池通常是流过型，并且与液体流导管顺列地联接。在这个类型的电导率池中，电极典型地包括两个或更多个环形电极，它们沿着液体流动流间隔开。在这个情况下，池常数将由电极之间的距离和电极之间的导管区段的横截面面积的比率限定。
池常数指示池可测量的电导率的大致范围。一般而言，应当使用具有低池常数的池来测量低电导率，而需要高池常数来进行更高电导率的测量。
US3,424,975公开了一种用于测量流动液体的电导率的电导率池，其中电路径的长度且因此电导率池的电阻可改变，以适应池的任何特定使用。在一个实施例中，为液体提供了两个平行的流径。一个流径通过串联的三个导管，它们由导电材料形成。电绝缘材料制成的导管从中心传导导管延伸到外部传导导管中，以在中心传导导管和外部传导导管之间提供伸长的电路径。在第二流径中提供阀，以容许相对地调节通过两个路径的流。
US5,441,049公开了一种具有液体流过其中的通路的电导率池，在通路中具有收缩部，以调节流量以及提供用于测量电导率的预先确定的横截面面积。优选为圆柱形的、使其纵向轴线与通路平行的电极位于收缩部的各个侧。对于具有给定长度和外直径的这种电导率池，在从一到一百的范围中的池常数可通过改变池参数来获得，池参数包括在收缩部处的内直径、在端部处的内直径、在电极处的内直径，以及电极的中心-中心间隔。
在许多工艺流系统(例如交叉流过滤系统)中，高度期望有低滞留容积(hold-upvolume)。但是，当将针对具有某些池因子的实验室应用设计的电导率池类型放大至用于工艺流中使用的管路直径时，保持相同的池因子将较大地增大电导率池的长度，并且导致有不合需要的大滞留容积。上面提到的现有技术类型的电导率池未为这个问题提供任何解决方案。
因此，本发明的目的是，提供用于较大直径管路应用(例如生物过程流)的、克服了增大的池长度和滞留容积的上面提到的问题的电导率池。
发明内容
根据本发明，提供了一种新的电导率传感器池设计，其可与工艺系统大小的管路直径相关联地使用，同时保持与较小版本的电导率池相同的池因子，或甚至增大池因子，而不对系统增加滞留容积。
限定在权利要求1中的这个电导率池或电导率传感器组件基于使流体流的一部分传送通过其中进行电导率测量的平行的流动通道的概念。因此减小了池的横截面面积以及长度，这因而减小了电导率池安装在其中的流系统或管路系统的滞留容积。
在优选实施例中，pH值流动池集成到电导率传感器组件中，这将进一步降低液体流系统的滞留容积。
在从属权利要求中阐述了额外的优选实施例。
在下文中，仅以实例的方式，将关于本发明的非限制性实施例来更详细地描述本发明，对附图进行了参照。
附图说明
图1是根据本发明的电导率池的实施例的横截面图。
图2是图1中的电导率池实施例的端视平面图。
图3是图1和2中的电导率池实施例的分解等距透视图。
图4是待安装在工艺流系统中且包括图1至3中显示的电导率池实施例的组合式电导率和pH值传感器组件的分解(部分透明)等距透视图。
图5是呈组装好的状态的图4中的组件的等距视图。
图6是图4和5中的组件的另一个(部分地透明)等距视图。
图7是设有用于接纳pH值传感器的电导率池的另一个实施例的中线剖面等距透视图。
图8是对应于图7中的透视图的横截面图。
图9是与图8中的视图对应的视图，但是在其上组装了部分地显示的pH值传感器。
图10是图8中显示的电导率池的俯视平面图。
图11是图8中显示的电导率池的端视平面图。
图12是图8中显示的电导率池的仰视平面图。
图13是图8中显示的电导率池的另一个侧视平面图。
图14是图7和8中显示的电导率池的通过其电极的横截面图。
具体实施方式
如上面提到的那样，本发明涉及用于测量液体流的电导率的流过型电导率传感器，这在下面通常称为电导率池。液体流具体而言是工艺流，例如色谱柱工艺流或交叉流过滤工艺流，其中，使用了相对较大尺寸的管路，并且最大程度地减小滞留容积是重要的。
本发明的电导率池是这样的类型：其中，电导率通过在与液体接触的间隔开的电极之间施加AC电流来测量。电极优选是圆形或环形的，其包围液体路径。在这种池中，“池因子”(对于给定的池，其为恒定的)为“电极之间的距离”除以“电流的横截面面积”(即液体流的横截面面积。
假设这个类型的某些电导率池具有10cm的长度和1cm的内直径。如果这种池尺寸设置成通过将内直径增大到例如5cm来顺列地联接在工艺流管路系统中，将必须将长度增大到2.5m，以保持相同的池因子。容易看到，这个将引入显著增大的滞留容积，在许多工艺应用中，例如在交叉流过滤系统中，这将是非常不合需要的。
根据本发明，通过引入其中进行电导率测量的小的平行流，能够保持相同池因子，或甚至增大池因子，以便从而减小关键的横截面面积，并且因而还减小池的长度。照这样，不会对电导率池顺列地安装在其中的流系统增加滞留容积。
现在将参照图1至图4描述根据本发明的电导率传感器池的一个实施例。
在下文中，诸如“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”等的用语仅参照图中显示的本发明的实施例的几何结构来使用，而不意图以任何方式限制本发明。
示出的电导率池包括圆柱形本体1，其内部被分成不同的横截面面积的两个平行的通路或通道，即小面积通道2和大面积通道3，通道3占据本体1的内部横截面的其余部分。可以说电导率池的这个实施例包括第一管状部件1a，第一管状部件1a具有通过连接部分1c(图2)附连到其内部壁上的、具有较小直径的第二管状部件1b。
小面积通道2用作测量通道，并且具有第一圆形或环形电极4，其意图用作位于通道2的中部且具有与通道2相同的内直径的信号或测量电极。分别意图用作接地电极的第二环形电极5和第三环形电极和6通过O形环7、8在圆柱形本体1的各个端处安装在相应的阶梯式凹部9、10中。
具体参照图3，本体1在这里由三个单独的主要部件组装而成，即两个端部部件11和12，以及中心部件13，中心部件13夹持在端部部件11和12之间且将环形电极4的中心支承在其部分13a中的圆形孔口或膛孔14中，从而形成测量通道2的一部分。
环形电极4的端部通过O形环17、18分别接纳在形成测量通道2的本体部件11和12的部分11a和12a中的对应的凹部15、16中。如图1中看到的那样，本体部件12的径向膛孔19接纳连接到信号电极4上的导体线材或杆。
在本体部件12上的导引销21分别接纳在本体部件13和11中的对应的膛孔22和23中。
本体部件11-13或至少其形成流动通道2和3的部分由电绝缘材料制成，优选塑料。取决于所意图的用途，可需要该材料来经受住高温，例如130°的蒸汽。在这种情况下，该材料可选自还具有低的吸水性的聚烯(聚烯烃)，例如聚乙烯或聚丙烯。
电极4-6典型地由金属(例如钛或铂)制成，但是可还由导电塑料或碳制成。
由测量通道2以及电极4和5、6形成的电导率池的池因子由测量通道2的直径(或者相反，横截面面积)和在信号电极4和各个接地电极5、6之间的轴向距离限定。
测量通道2的横截面面积优选显著小于较宽的旁通通道3的横截面面积。虽然测量通道的横截面面积与旁通通道的横截面面积的比率可在较宽的极限内改变，但是典型地小于大约1:2，并且优选小于大约1:4，例如在大约1:5至大约1:30的范围中。
虽然电导率池特别适合于用于例如交叉流过滤中的大小的工艺流管道直径结合起来使用，但是实际上它可修改成用于较小的流管道直径，优选不小于大约10mm。
在图1至4中，在测量通道2外部提供圆形接地电极5、6，并且它们具有对应于较宽的流动通道3的直径的直径。备选地，接地电极可具有与信号电极4相同的直径，并且置于测量通道内(优选在其端部处或靠近其端部)。
虽然基本上，单个接地电极5或6可为足够的(一个电极在测量通道的各个端处或各个端附近)，但是提供两个接地电极(在测量电极的各个侧有一个)确保不从管路系统的一些部件获得地电势，从管路系统的一些部件获得地电势将导致有错误的测量值。对于双接地电极，电导率池在管路系统中定位所沿的方向也不是关键的。
在上面描述的电导率池实施例中，测量通道2设置在大面积通道3的内部周缘的附近。为了简单，如上面所提到的那样，这个可看作具有附连到其内壁上的小直径管或导管的大直径管或导管。但是，测量通道(即小直径导管)可置于大直径导管的横截面中的任何位置处，例如在其中在中心处。
虽然在上面描述的电导率池实施例以及下文将描述的实施例具有两个流径或通道，但是还可行的是具有三个或甚至更多个通道，通道中的一个为测量通道(即设有信号电极)，而其它通道用作旁通通道。
在另一个这种多流动通道实施例中，可提供不同的直径或横截面面积的通道，它们各自具有信号电极。对于这种电导率池，池因子可通过选择通道用作测量池(通过将其信号电极联接到所使用的监测电路上)来改变。
假设某些压力变化时可接受的，则电导率池的流动通路直径可以可选地至少略微小于电导率池被安装到其上的管路系统。
电导率池中的液体流可为层流或紊流。
为了测量电导率，跨过电极施加AC电压，并且测量通过液体的电流(I)，以确定电导率(I/V)。在当前情况下，跨过信号电极4和接地电极5、6施加AC电压，这将使电流从电极4沿平行路径流到电极5和6。通过将适当的仪表(未显示)置于电路中，可确定流过测量通道(和大直径通道3)的液体的电导率。但是，典型地，电导率池通过电缆连接到发送器上，发送器将接收到信号转换成测量值或将它们发送给计算机系统。
当测量电导率时，为了最大程度地降低电容效应(在电极处的极化所导致的所谓的“双层”电容)的影响，通常作法是在待测量的液体的离子浓度增大的情况下提高所施加的AC电压的频率。为此，可获得依赖于盐浓度而自动地在许多(通常三个或四个)不同的固定测量频率之间切换的仪器。
在US5,504,430(其整个公开通过引用而结合在本文中)中公开这个测量技术的改进，其使得能够针对各个可能情形(例如不同的电解质浓度、温度变化等)选择最佳频率，并且本发明的电导率池有利地与其相关联地使用。在这个方法中，在电导率池上施加AC电压，并且响应于根据池的输出计算的电导率值，产生期望频率的AC电压。AC电压然后设定成计算值。重复上面的步骤，直到确定的两个电导率仅相差预先确定的绝对值。这个值然后作为被测试的液体的真实电导率进行显示和记录。
在其中对相同的部件使用与图1至3中相同的参考标号的图4至6中，显示了其中结合了pH值流动池的电导率池组件。这个组件包括壳体30，壳体30具有适于容纳图1至3中显示的电导率池的内部腔体31。
在各个端处，腔体31分别部分地被略微截头圆锥形状的端部部件32和33封闭，端部部件32和33各自具有至少基本对应于电导率池的大面积通道3的直径的圆形开口34(图6)。端部部件附连到壳体30上，例如通过接纳在端部部件中的膛孔(未显示)中或接纳在壳体30的端部边缘中的带螺纹膛孔(未显示)中的螺栓或螺钉。各个端部部件32、33分别具有一体式凸缘部分35和36，以将电导率池联接到管路系统上，例如工艺流系统(未显示)。
在图1-3中显示且在上面描述的电导率池被接纳在壳体腔体31内，电导率池在各个端处通过接地电极5、6和O形环37、38连接到壳体的与端部部件32间隔开的横向隔断壁40(图6)中的圆形开口39上。
端部部件32和隔断壁40之间的空间还与壳体30中的在带螺纹连接件42中开口的横向膛孔41连通。具有止动凸缘44的pH值仪表或探头43接纳在膛孔41中，并且由螺母元件45和O形环(未显示)固定就位。
将pH值流动池与电导率池结合在上面描述的组件中当然将进一步减小总滞留容积。
组合式电导率和pH值传感器组件的另一个实施例在图7至14中示出，其中，电导率池和pH值池限定在例如可通过注射模制制造而成的单个本体或壳体50中。
壳体50具有大体圆形横截面的流过通道51。沿着通道51的主要部分，存在具有膛孔53的向内突起52，膛孔53限定直径显著比通道51的直径更小的平行的流动通道，通道51的其余部件形成旁通通道51a。流动通道53在其中安装有三个(这里是相同的)电极元件54至56(例如由钛制成)，它们接纳在壳体中的相应的凹部57至59中。
现在参照图14，各个电极元件54-56具有用于电极元件54的通孔(在60处指示)，其与流动通道53相同直径，从而在通道53内形成环形电极。抵靠着各个凹部57-59的壁的密封通过用于电极元件54的相应的成对的O形环来实现，O形环在图8和9中由参考标号61和62指示。如上面描述的电导率池实施例中的那样，中心电极元件55提供信号或测量电极，并且在其任一侧上的电极元件54和56提供接地电极。流动通道53和电极元件54-56共同形成“电导率池”。
在示出的情况下，再次参照图14，各个电极元件54-56具有(在图中)竖向凹部63，用于接收电连接线材或电缆(未显示)。(在图中)用于止动螺钉(未显示)的带螺纹的水平膛孔64沿横向从壳体50中的外部凹部65延伸，穿过凹部63。止动螺钉使电极元件54在凹部57中固定就位，而同时将电连接电缆夹在竖向凹部63中。
在各个端处，壳体50具有凸缘部件66和67，用于将传感器组件安装到待在其中测量电导率和pH值的管路系统上。各个凸缘66、67分别具有凹槽68和69，它们用于接收O形环/垫圈(未显示)。
横向于流动通道51且与流动通道53相对，在壳体中提供膛孔70，膛孔70使通道51与壳体50的横向管状延伸部的膛孔67连接，从而形成用于pH值传感器或探头的连接件72，其顶部部件73为带螺纹的。
在图9中，pH值传感器仪表或探头80插入连接件72的膛孔71中，使得探头端部81延伸到流动通道51中，以接触在其中流动的液体。示出的探头80在管状壳体83内具有大体圆柱的形核心部分82，管状壳体83具有对应于连接件72中的膛孔71的外直径的外直径。
探头80的核心端部81传送通过通道51的壁中的膛孔70，而壳体83的底部端部抵靠着膛孔71的底部。凸缘部分84设置在壳体83上，以当pH值探头80被完全插入时基本抵靠着连接件72的顶部表面。与连接件72的螺纹接合的螺母部件85将探头锁定就位。通过在探头壳体83的底部端处的凹槽86中的O形环(未显示)来确保抵靠着膛孔71密封探头端部81。
在图7-14中示出和上面描述的实施例中，测量通道53的横截面面积与旁通通道部分51a的横截面面积的比率为大约1:22，测量通道的横截面面积与通道51的总横截面面积的比率为大约1:30。但是要理解，这些比率可在宽泛的极限内改变，以适应任何特定的应用。典型地，比率越小，电导率池安装在其中的管路系统的直径越大。例如，对于4mm的测量通道直径和25mm的被连接管道直径，测量通道的横截面面积与管道的横截面面积的比率为1:39，被连接管道直径增大到50mm将使比率为1:156。更大的管道大小将导致甚至更小的比率。
本发明不限于上面描述的优选实施例。可使用各种改变、修改和等效方案。因此，上面的实施例不应当看作限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种用于生物过程流的流过式电导率传感器组件，包括壳体(1；50)，壳体(1；50)具有带有入口端和出口端的流动通路(51)，其中，在所述入口端和所述出口端之间的流动通路延伸部的至少一区段的横截面分成电导率测量通道(2；53)和平行的旁通通道(3；51a)，所述旁通通道(3；51a)比所述测量通道有更大横截面面积，且其中，所述测量通道(2；53)置于所述旁通通道(3；51a)的横截面中的位置处，其中，在所述测量通道的相应的端部附近提供第一电极和第二电极，或者在所述测量通道(2；53)内在中心提供第一电极(4；55)，并且在所述测量通道(2；53)的一端或各个端附近提供第二电极(5，6；54，56)，且其中，所述第一电极和第二电极由钛制成。
2.根据权利要求1所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道(2；53)的横截面至少为基本圆形的。
3.根据权利要求1或2所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道设置在所述流动通路的内周缘附近。
4.根据权利要求1所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述第二电极或多个第二电极(5，6)设置在所述流动通路的被分流区段的外部。
5.根据权利要求1所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述第二电极或多个第二电极(54，56)设置在所述测量通道(53)内。
6.根据权利要求1或2所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述电极(5，6；54-56)为环形。
7.根据权利要求1或2所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道(2；53)的横截面面积与所述旁通通道(3；51a)的横截面面积的比率小于1:2。
8.根据权利要求7所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道(2；53)的横截面面积与所述旁通通道(3；51a)的横截面面积的比率小于1:4。
9.根据权利要求8所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道(2；53)的横截面面积与所述旁通通道(3；51a)的横截面面积的比率小于1:10。
10.根据权利要求9所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述测量通道(2；53)的横截面面积与所述旁通通道(3；51a)的横截面面积的比率小于1:30。
11.根据权利要求1或2所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述旁通通道分成至少两个单独的流径。
12.根据权利要求1或2所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述电导率传感器组件进一步包括暴露于在所述流动通路(51)中流动的流体的pH值探头(43；80)。
13.根据权利要求12所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述pH值探头(80)延伸到所述旁通通道(51a)中。
14.根据权利要求12所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述壳体的所述入口端和所述出口端之间的所述流动通路包括按顺序布置的电导率测量区段和pH值测量区段。
15.根据权利要求12所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述壳体(50)是单件式单元。
16.根据权利要求15所述的电导率传感器组件，其特征在于，至少测量电极由电极元件(55)提供，所述电极元件(55)安装在横向于所述测量通道(53)而延伸通过所述壳体(50)的凹部(58)中。
17.根据权利要求14所述的电导率传感器组件，其特征在于，所述电导率测量通道(2)由安装在所述壳体(30)内的电导率池插件(11，12，13)提供。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的电导率传感器组件在过滤系统或色谱系统中的使用。
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