DE102005026306B4 - Gassensor - Google Patents

Abstract

Gassensor mit
– einem Sensorgehäuse (2, 3),
– einer Arbeitselektrode (4) und einer Gegenelektrode (6) im Sensorgehäuse (2, 3),
– einem Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode (4) und der Gegenelektrode (6),
– einer längserstreckten Kapillaranordnung (11) im Sensorgehäuse (2, 3) zum diffusionsbegrenzten Gaszutritt zur Arbeitselektrode (4), welche zumindest abschnittsweise als parallel zur Arbeitselektrode (4) verlaufend ausgebildet ist und mit
– einem porösen, hydrophoben Filter (8, 9), durch welches die Kapillare (11) zur Gasatmosphäre hin verschlossen ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Gassensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• Bei amperometrischen Sauerstoffsensoren, die im Grenzstrombetrieb arbeiten, muss die Sauerstoffzufuhr zur Arbeitselektrode durch geeignete Maßnahmen reduziert werden, da Sauerstoff naturgegeben in relativ hohen Konzentrationen vorliegt. Die Reduktion kann mit Hilfe von Kapillaren, Kanalstrukturen oder porösem Material vorgenommen werden. Die Reduzierung des Sauerstofftransportes ist besonders bei tragbaren Geräten von Bedeutung, da Sauerstoff permanent anwesend ist und zu einem dauerhaften Stromfluss im Messgerät führt, der die Gebrauchszeit der mitgeführten Stromversorgung verkürzt.
• Ein Sauerstoffsensor der genannten Art ist aus der US 4,132,616 bekannt geworden. Der bekannte Sauerstoffsensor enthält eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, die in einem mit einem Elektrolyten gefüllten Sensorgehäuse aufgenommen sind. Der Gaszutritt zur Arbeitselektrode erfolgt über eine Kapillare, die die Messgaszufuhr zur Arbeitselektrode reduziert. Zur Messgasatmosphäre hin ist die Kapillare mit einer porösen PTFE-Membran verschlossen. Die Kapillare verläuft senkrecht zur Ebene der Arbeitselektrode und ist in einer Endkappe aufgenommen, die auf das Sensorgehäuse im Bereich der Arbeitselektrode aufgesetzt wird. Die Kapillare besitzt eine Länge von einigen Millimetern.
• Bei Gassensoren mit rundem Sensorgehäuse lässt sich die Kapillare meistens ohne größere Probleme integrieren. Allerdings ist die Länge der Kapillare häufig begrenzt, da bestimmte Einbauabmessungen nicht überschritten werden dürfen und es sind oft nur eingeschränkte Möglichkeiten vorhanden, das Durchmesser- Länge-Verhältnis zu variieren.
• Es sind aber auch flache, folienartig aufgebaute Gassensoren bekannt, bei denen die Arbeitselektrode über eine Öffnung in der Folie unmittelbar der Messgasatmosphäre ausgesetzt ist.
• Ein derartiger Gassensor geht beispielhaft aus der DE 195 47 150 C2 hervor. Konstruktionsbedingt lässt sich hier eine Diffusionsbegrenzung nur mit porösen Folien realisieren, wobei nur eingeschränkte Möglichkeiten vorhanden sind, die Porosität und den Stofftransport zur Arbeitselektrode hin zu beeinflussen. Das wirkt sich nachteilig auf die Höhe und die Qualität des Messsignals aus.
• Aus der WO 2005/0175 16 A1 geht ein elektrochemischer Sauerstoffsensor mit Polymerelektrolyt und diffusionsbegrenztem Gaszutritt zur Arbeitselektrode hervor. Die Diffusionsstrecke verläuft senkrecht zur Arbeitselektrode.
• Die US 4,440,726 bezieht sich auf eine Apparatur für coulometrische Titration und elektrochemische Auswertung. Es liegt ein aktiver Durchfluss von Elektrolyt und Gas durch die Kanäle der Messapparatur vor.
• Aus der WO 2003/044 511 A2 und WO 2003/032 411 A2 gehen Durchflusszellen für flüssige Analyte hervor. Die Strömungskanäle dienen ausschließlich dem Elektrolyttransport.
• Die DE 94 21 451 U1 bezieht sich auf eine Durchflusszelle, in welche die Elektrode in Form eines Quecksilbertropfens in den Strömungskanal hineinragt. Es erfolgt ausschließlich ein aktiver Flüssigkeitstransport an der Elektrode vorbei.
• Aus der WO 2005/015 195 A1 ist ein Mehrgassensor bekannt, dessen Diffusionsbegrenzungen alle senkrecht zu den Arbeitselektroden verlaufen. Hinter den Diffusionsbegrenzungen erfolgt der Gastransport teilweise per Diffusion durch poröse Membranen, die das Gas gleichmäßig an den Arbeitselektroden verteilen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor der genannten Art derart zu verbessern, dass die Messgasdiffusion zur Arbeitselektrode hinsichtlich eines guten Signal- und Stromverhältnisses angepasst werden kann.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass mit der über einen gewissen Abschnitt parallel zur Arbeitselektrode geführten Kapillaranordnung eine größere Bandbreite von Länge zu Durchmesserverhältnissen realisiert werden kann. Damit lässt sich ein optimales Signal-Grundstromverhältnis einstellen, ohne dass die Ansprechzeit des Gassensors verschlechtert wird. Besonders bei planaren Gassensoren, bei denen die Arbeits- und die Gegenelektrode in einer Ebene angeordnet sind, lässt sich die in derselben Ebene angebrachte Kapillare problemlos befestigen, da die äußeren Abmessungen des Elektrodenträgers unverändert bleiben und die gesamte Länge des Elektrodenträgers für die Kapillare zur Verfügung steht. Es lassen sich so viele Kombinationen von Kapillarlängen und Durchmessern realisieren, ohne dass auf bauliche Gegebenheiten Rücksicht genommen werden muss.
• Die erfindungsgemäße Kapillaranordnung lässt sich aber auch bei gebräuchlichen Gassensoren mit rundem Sensorgehäuse realisieren, wobei hier die gesamte Gehäuselänge für die Kapillare ausgenutzt werden kann. Die Kapillare kann zweckmäßigerweise aus Glas oder Metall, vorzugsweise aber aus Kunststoff hergestellt werden. Die Kapillare muss nicht längserstreckt des Gehäuses verlaufen, sondern sie kann auch als eine Spirale ausgeführt sein, was besonders vorteilhaft für runde Gehäusebauformen ist. Durch die erfindungsgemäß angegebene Kapillaranordnung kann der Stromverbrauch des Gassensors gegenüber derzeitigen Sauerstoffsensoren auf ca. 10 % reduziert werden.
• In zweckmäßiger Weise ist die Kapillaranordnung bei einem in Planarbauweise ausgeführten Sensorgehäuse zwischen zwei Gehäusehälften aufgenommen. Die Kapillaranordnung befindet sich zweckmäßigerweise in einer Ebene mit der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode und ist entweder eingeschweißt, einlaminiert oder zwischen die Gehäusehälften eingelegt. Zur Abdichtung der Kapillaranordnung innerhalb des Sensorgehäuses ist es zweckmäßig, in einer Gehäusehälfte in dem Bereich, wo die Kapillare verläuft, eine Öffnung vorzusehen und mittels einer eingefüllten Dichtmasse die Kapillaranordnung mit dem Sensorgehäuse zu verkleben.
• In zweckmäßiger Weise ist im Mündungsbereich der Kapillaranordnung im Bereich der Arbeitselektrode ein Gas-Verteilungsraum vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass sich das eindiffundierte Messgas gleichmäßig über die Fläche der Arbeitselektrode verteilen kann.
• Zur Gasatmosphäre hin ist die Kapillaranordnung mit einem porösen, hydrophoben Filter verschlossen.
• Die Kapillaranordnung kann aus einer Einzelkapillaren oder einem Bündel von Einzelkapillaren bestehen. Zweckmäßigerweise liegt die Länge einer Einzelkapillare in einem Bereich zwischen 0,5 cm und 2 cm und der Durchmesser liegt in einem Bereich zwischen 20 Mikrometer und 150 Mikrometer.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
• Die einzige Figur veranschaulicht schematisch eine in Planartechnik ausgeführte elektrochemische Messzelle mit einem aus zwei Gehäusehälften 2, 3 bestehenden Sensorgehäuse. An der linken Gehäusehälfte 2 sind eine Arbeitselektrode 4 und eine Bezugselektrode 5 und auf der rechten Gehäusehälfte 3 eine Gegenelektrode 6 angeordnet. Zwischen den Elektroden 4, 5, 6 befindet sich ein mit Elektrolyt getränktes Vliesmaterial 7. Das zu untersuchende Messgas gelangt über poröse Filter 8, 9 in einen Sammelraum 10 und durch eine Kapillare 11, die zwischen den Gehäusehälften 2, 3 in der durch die Arbeitselektrode 4 und die Bezugselektrode 5 gebildete Ebene verläuft, in einen Gasverteilungsraum 12 vor der Arbeitselektrode 4. Die Kapillare 11 besteht aus Kunststoff und hat eine Länge von 1,5 cm und einen Durchmesser von 50 Mikrometer. Die elektrochemische Messzelle 1 ist zum Nachweis von Sauerstoff konzipiert und arbeitet nach dem Prinzip einer sogenannten „Sauerstoffpumpe". Hierbei diffundiert das Messgas über die Filter 8, 9 und die Kapillare 11 zur Arbeitselektrode 4 und der Sauerstoffanteil wird dort elektrochemisch umgesetzt. Der an der Gegenelektrode 6 produzierte Sauerstoff wird über eine Öffnung 13 an die Umgebung abgegeben. Bei der Montage der elektrochemischen Messzelle 1 wird die Kapillare 11 zunächst nur grob zwischen den Gehäusehälften 2, 3 fixiert, so dass sie eine Bohrung 14, die durch die Wandung der linken Gehäusehälfte 2 verläuft, kreuzt. Anschließend wird die Bohrung 14 mit Epoxidharz verfüllt. Die Kapillare 11 ist damit dichtend mit den Gehäusehälften 2, 3 verbunden.
• Die Kapillare 11 ragt in den Sammelraum 10 hinein und es kann durch Biegen die Öffnungsrichtung bestimmt werden. Durch Kürzen der Kapillaren 11 kann der Sauerstofftransport zur Arbeitselektrode 4 hin optimiert werden.

Claims (8)

1. Gassensor mit – einem Sensorgehäuse (2, 3), – einer Arbeitselektrode (4) und einer Gegenelektrode (6) im Sensorgehäuse (2, 3), – einem Elektrolyten zwischen der Arbeitselektrode (4) und der Gegenelektrode (6), – einer längserstreckten Kapillaranordnung (11) im Sensorgehäuse (2, 3) zum diffusionsbegrenzten Gaszutritt zur Arbeitselektrode (4), welche zumindest abschnittsweise als parallel zur Arbeitselektrode (4) verlaufend ausgebildet ist und mit – einem porösen, hydrophoben Filter (8, 9), durch welches die Kapillare (11) zur Gasatmosphäre hin verschlossen ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaranordnung (11) als längs des Sensorgehäuses (2, 3) verlaufend ausgeführt ist.
3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorgehäuse (2, 3) in Planarbauweise ausgeführt und die Kapillaranordnung (11) zwischen zwei Gehäusehälften (2, 3) aufgenommen ist.
4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaranordnung (11) in einer Ebene mit der Arbeitselektrode (4) eingeschweißt, einlaminiert oder eingelegt ist.
5. Gassensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarordnung (11) über eine Öffnung (14) im Sensorgehäuse (2, 3) mittels Dichtmasse mit dem Sensorgehäuse (2, 3) verbunden ist.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Mündungsbereich der Kapillaranordnung (11) im Bereich der Arbeitselektrode (4) ein Gas-Verteilungsraum (12) vorgesehen ist.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillaranordnung (11) aus einer Einzelkapillaren oder einem Bündel von Einzelkapillaren besteht.
8. Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelkapillare (11) eine Länge zwischen 0,5 cm und 2 cm besitzt und einen Durchmesser zwischen 20 Mikrometer und 150 Mikrometer aufweist.