DE102007016174A1

DE102007016174A1 - Mehrelektroden-Messzelle

Info

Publication number: DE102007016174A1
Application number: DE200710016174
Authority: DE
Inventors: Gerhard Reis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2008-10-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrelektroden-Messzelle, die einen Schaft mit einem Außengewinde und eingebettete Elektroden, deren freie Enden an der Stirnseite des Schaftes frei liegen, und eine Kappe mit einem Innengewinde aufweist, die unter Ausbilden eines Hohlraumes für einen Elektrolyten und eine Bezugselektrode auf den Schaft aufschraubbar ist. Es wird vorgeschlagen, in dem Schaft mehrere Einzelmesszellen, bestehend aus Arbeitselektroden und Gegenelektroden, vorzusehen und im Bereich des Außengewindes des Schaftes und des Innengewindes der Kappe, ausgehend von der Stirnseite, eine kapillarartige Vertiefung in Form einer Aussparung vorzusehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrelektroden-Messzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Anwendungsgebiete von Mehrelektroden-Messzellen sind vielfältig. Hierbei ist man bestrebt, Mehrelektroden-Messzellen zu schaffen, die hohen Temperaturen und hohen Drücken aussetzbar sind. Dabei kommen unterschiedliche Elektrodenmaterialien zur Anwendung.
Aus der DE 10 2004 032 135 A1 (Reiss – 2004) ist eine Dreielektroden-Messzelle bekannt, bei der ein Stopfen im Messkopf eine Kapillare aufweist, die eine Verbindung zwischen einer Bezugselektrode und dem flüssigen Medium herstellt.
Aus der DE 31 28 307 A1 (Göddeka – 1981) ist eine Korrosionsmesszelle bekannt, die eine gebogene Haber-Luggin-Kapillare aufweist.
In der Promotionsschrift „Elektrodenkinetische Untersuchungen an den Systemen Chlorit/Chlordioxid, Hypochlorit/Chlorid und Chlor/Chlorid" von Ostwin Schwarzer vom 20.12.1966 wird eine Messzelle beschrieben, bei der auch eine Goldelektrode verwendet wurde.
Dem Buch „Elektrochemische Bauelemente" von Bogenschütz, Krusemark, Verlag Chemie 1976 ist auf Seite 150 ein Hinweis auf verschiedene Elektrodenmaterialien bei einer Sauerstoffmesszelle zu entnehmen. Im einzelnen wird ausgeführt, für saure Elektrolyte sind Gold und Platinmetalle geeignet. Für alkalische Elektrolyte sind ebenso Kohle (Graphit) und Silber geeignet.
Der DE 37 15 260 C2 (Licentia Patent-Verwaltungs GmbH – 1987) ist für das Zwei- oder Drei-Elektrodensystem einer Messzelle der Hinweis auf eine Meßelektrode (Arbeitselektrode) zu entnehmen, die aus porösem Gold oder einer Goldlegierung besteht.
Aus der DE 41 09 909 A1 (Kajanni – 1991) ist ein Elektrodensystem mit Arbeitselektroden, einer ringförmigen Gegenelektrode und einer Bezugselektrode bekannt, bei der die Arbeitselektroden aus Glaskohlenstoff besteht, während die Gegenelektrode und die Bezugselektrode aus Platin, Gold, Silber, Titan usw. bestehen.
Der Patentschrift DE 41 35 824 C2 (Horiba – 1991) ist eine Sauerstoffmeßelektrode zu entnehmen, bei der die Anode aus Platin, Gold, Silber und dergleichen bestehen kann.
Die DE 42 40 068 (Prominet – 1992) beschreibt einen elektrochemischen Sensor mit einer Elektrodenanordnung (4), bei der die Arbeitselektrode beispielsweise aus Gold besteht.
Der Zeitschrift Laborpraxis Mai 1998, Seite 66 ist ein Aufsatz „Amperometrische Detektion anorganischer Anionen in der Ionenchromatographie" zu entnehmen. Dort wird zu Detektion von Nitrit und Chlorit in Trinkwasser auf Elektroden aus Kohlepaste, Silber und Gold verwiesen.
Der DE 199 25 825 (AMT – 1999) ist ein Mikrosensor zur Bestimmung von Ozon in Flüssigkeiten und Gasen zu entnehmen, bei dem Elektrodenkombinationen zur Anwendung kommen, die für die Arbeitselektrode Gold und für die Gegenelektode und Bezugselektrode Blei/Bleisulfat verwenden.
Der DE 102 40 043 (Prominent – 2002) ist ein Chloritsensor zu entnehmen, bei dem Arbeitselektroden aus Glaskohlenstoff, Platin und Gold in unterschiedlichen Testausführungen zur Anwendung kommen (2). Bei den Versuchen erbrachte die Arbeitselektrode aus Glaskohlenstoff die besseren Messwerte gegenüber einer Arbeitselektrode aus Platin oder Gold.
Es wird angestrebt, gegenüber den bekannten Mehrelektroden-Messzellen die Temperatur- und Druckbelastbarkeit zu verbessern.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Mehrelektroden-Messzelle zu schaffen, die bei höherer Temperatur- und Druckbelastbarkeit in weiten Einsatzbereichen Anwendung finden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind in dem Schaft mehrere Einzelmesszellen aus Arbeitselektroden und Gegenelektroden ausgebildet und in dem Gewindebereich des Schaftes bzw. der Kappe ist ausgehend von der Stirnseite des Schaftes eine kapillarförmige Vertiefung in Form einer Aussparung vorgesehen.
Erfindungsgemäß wirkt die sackförmige, kapillarartige Vertiefung ähnlich einer Haber-Luggin-Kapillare, die mit dem verbleibenden Gewinderest eine elektrische Verbindung zwischen dem Medium, der Arbeitselektrode und der Bezugselektrode bildet.
Die Unteransprüche kennzeichnen Weiterbildungen der Erfindung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: einen Längsschnitt längs einer Achse x durch den Kopf einer Mehrelektroden-Messzelle mit drei Elektroden nach der Erfindung;
2: eine vergrößerte Draufsicht auf die Stirnseite einer Mehrelektroden-Messzelle nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt einen Schnitt längs einer Achse x durch den Kopf einer Mehrelektroden-Messzelle. Die Messzelle weist einen runden Schaft 1 mit einem Außengewinde 8 und einer planen Stirnseite 17 auf. Auf das Gewinde 8 des Schaftes 1 ist eine Kappe 2 mit einem Innenge winde 9 aufschraubbar. Die Kappe 2 umschließt den Schaft 1 und spannt einen Hohlraum 3 auf, in dem je nach Anwendungsfall ein geeigneter Elektrolyt eingefüllt ist.
Der Schaft 1 enthält Bohrungen, in die eine Arbeitselektrode 4 mit einem Anschluß 5 und eine Gegenelektrode 6 mit einem Anschluß 7 temperatur- und druckbelastbar befestigt sind. Die freien Enden der Arbeitselektrode 4 und der Gegenelektrode 6 bilden mit der Vorderseite der Kappe 2 der Messzelle, die in ein flüssiges Medium, zum Beispiel Trinkwasser eingetaucht werden. Im Inneren des Schaftes 1 sind die Arbeitselektrode 4 und die Gegenelektrode 6 über die Anschlüsse 5, 7 an eine Auswerteschaltung angeschlossen.
In dem Hohlraum 3, der mit dem Elektrolyten aufgefüllt ist, befindet sich als dritte Elektrode ein Bezugselektrode 10, die wiederum über einen Anschluss 11 an die Auswerteschaltung angeschlossen ist.
Soweit beschrieben, handelt es sich bei der Ausführungsform nach 1 um eine bekannte Drei-Elektroden-Messzelle. Jedoch wesentlich ist, dass das Gewinde 8 des Schaftes 1 und/oder das Gewinde 9 der Kappe 2 eine Aussparung 16 aufweisen, die die elektrisch wirksame Strecke zwischen dem flüssigen Medium an der Stirnseite der Messzelle und der Bezugselektrode 10 verkürzt. D. h., die Aussparung 16 ist im Bereich der Gewinde 8, 9 angeordnet. Durch die Aussparung 16 werden die sich überschneidenden Gewindebereiche der Gewinde 8, 9 verkürzt.
Vorzugsweise geht die Aussparung 16 als sackförmige Aussparung von der Stirnseite des Schaftes 1 aus. Die Achse der Aussparung 16 verläuft vorzugsweise parallel zu der Achse x des Schaftes (1). Je nach Anwendungsfall, insbesondere wenn es sich bei dem flüssi gen Medium um verschmutztes Brauchwasser handelt, kann die Aussparung 16 die Strecke des überlappenden Gewindebereichs von dem Hohlraum 3 aus verkürzen. In diesem Fall tritt Elektrolyt in die Aussparung 16 ein.
Wenn die Kappe 2 mit einem Feingewinde auf den Schaft 1 aufgeschraubt wird, bildet die Aussparung 16 je nach Anwendungsfall eine kapillarartige Vertiefung im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm. Vorzugsweise ist die Aussparung 16 im Bereich der Arbeitselektrode 4 angeordnet. In 1 ist die Aussparung 16 nicht maßstabsgerecht, sondern vergrößert dargestellt.
Bezogen auf die Arbeitselektrode 4, die Gegenelektrode 6 und die Bezugselektrode 10 wirkt die Aussparung 16 ähnlich einer Haber-Luggin-Kapillare, an die sich die Gewindegänge anschließen. Da sich die sackförmige Aussparung 16 ausgehend von der Stirnseite der Messzelle nicht über die gesamte Gewindelänge in Richtung der Achse x bis zum Hohlraum 3 erstreckt, kann die Messzelle mit wesentlich höheren Drücken und Temperaturen belastet werden, ohne dass die Funktionsweise der Messzelle beeinträchtigt wird.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Gegenelektrode z. B. um eine Gold-, Platin- oder Palladium-Elektrode. Die Bezugselektrode 10 besteht aus bekanntem Material (z. B. Silber) und entsprechenden Überzügen. Bei dem Material der Arbeitselektrode 4 kann es sich – wie allgemein bekannt – je nach Anwendungsfall um Glaskohlenstoff, Gold, Platin usw. handeln.
2 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf die Stirnseite einer weiteren Ausführungsform einer Mehrelektroden-Messzelle bei der nur der Schaft 1 dargestellt ist. Die Kappe 2 wurde in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Bezugselektrode 10 und ihre Position zu der Aussparung 16 ist in 2 gestrichelt angedeutet.
Abweichend von 1 weist der Schaft 1 in 2 zwei Arbeitselektroden 12, 14 und zwei Gegenelektroden 13, 15 auf. Ebenso bilden die Arbeitselektrode 14 und die Gegenelektrode 15 ein Elektrodenpaar. Alle Elektroden sind bezogen auf die Aussparung 16 symmetrisch zu einer Achse y angeordnet, auf der die Bezugselektrode 10 und die Aussparung 16 liegen. Die Arbeitselektrode 12 und die Gegenelektrode 13 bilden ein Elektrodenpaar und liegen vorzugsweise auf gemeinsamen Achse z1 und z2, die sich parallel zu der Achse y erstrecken.
Die Arbeitselektroden 12, 14 liegen näher an der Bezugselektrode 10 bzw. der Aussparung 16 als die Gegenelektroden 13, 15. Die erste Arbeitselektrode 12 und die erste Gegenelektrode 13 bilden zusammen mit der Bezugselektrode 10 eine erste Einzelmesszelle. Ebenso bildet die zweite Arbeitselektrode 14 und die zweite Gegenelektrode 15 zusammen mit der Bezugselektrode 10 eine zweite Einzelmesszelle. Beide Messzellen sind so baulich in einem stabförmigen Gehäuse (nicht dargestellt) untergebracht.
Die erste Messzelle und die zweite Messzelle verwenden eine einzige Bezugselektrode 10 gemeinschaftlich, die elektrisch einen einheitlichen Bezugspunkt bildet. Die beiden Messzellen nach 2 sind somit elektrisch nicht verkoppelt und liefern völlig unabhängig voneinander wechselwirkungsfreie Messsignale.
Die beiden Messzellen nach 2 liegen im Millimeterbereich räumlich eng beieinander und erfassen so im wesentlichen ein flüs siges Medium an einer Stelle. Durch eine entsprechende Auswertung lassen sich elektrische Summen- oder Subtraktionssignale von den beiden Messzellen ableiten.
Alle Elektroden können je nach Anwendungsfall aus den unterschiedlichsten Elektrodenmaterialien bestehen. Insbesondere kann die eine Arbeitselektrode 14 zum Beispiel aus Gold und die zweite Arbeitselektrode 14 aus Platin bestehen. In 2 ist die Aussparung 16 als keilförmige Aussparung eingebracht.
Die Mehrfach-Messzellen eignen sich insbesondere zur Bestimmung unterschiedlichster Stoffe und deren Konzentrationen im Trinkwasser. Ebenso ist der Einsatz der Mehrfach-Messzelle in Brauchwasser oder sonstigen wässerigen Lösungen möglich. Wegen der hohen Temperatur- und Druckbelastbarkeit der Bauform der Messezelle sind zahlreiche andere Anwendungsgebiete gegeben. Mit den Mehrfach-Messzellen lassen sich zum Beispiel Chlordioxid, Chlorit, Chlor, Chlorat, Ozon, Brom usw. im Trinkwasser bestimmen.
In anderen Ausführungsformen können im Schaft 1 weitere Paare von Arbeitselektroden und Gegenelektroden ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein drittes Elektrodenpaar vorgesehen sein, das die elektrische Leitfähigkeit des Mediums bestimmt.
Aufgrund der kompakten Bauweise lassen sich mehrere Messzellen in einem stabförmigen Gehäuse mit Temperaturen bis zu 70°C und bis zu 8 bar Druck betreiben. Die Aussparung 16 verbessert zusätzlich die elektrischen Eigenschaften ohne die Temperatur- und Druckbelastbarkeit zu verringern.

1: Schaft
2: Kappe
3: Hohlraum
4: Arbeitselektrode
5: Anschluß
6: Gegenelektrode
7: Anschluß
8: Außengewinde (Schaft)
9: Innengewinde (Kappe)
10: Bezugselektrode
11: Anschluß
12: erste Arbeitselektrode
13: erste Gegenelektrode
14: zweite Arbeitselektrode
15: zweite Gegenelektrode
16: Aussparung
17: plane Stirnseite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004032135 A1 [0003]
- DE 3128307 A1 [0004]
- DE 3715260 C2 [0007]
- DE 4109909 A1 [0008]
- DE 4135824 C2 [0009]
- DE 4240068 [0010]
- DE 19925825 [0012]
- DE 10240043 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Elektrochemische Bauelemente" von Bogenschütz, Krusemark, Verlag Chemie 1976 ist auf Seite 150 [0006]
- Der Zeitschrift Laborpraxis Mai 1998, Seite 66 ist ein Aufsatz „Amperometrische Detektion anorganischer Anionen in der Ionenchromatographie" [0011]

Claims

Mehrelektroden-Messzelle, die einen Schaft mit einem Außengewinde und eingebettete Elektroden, deren freie Enden an der Stirnseite des Schaftes frei liegen, und eine Kappe mit einem Innengewinde aufweist, die unter Ausbilden eines Hohlraumes für einen Elektrolyten und eine Bezugselektrode auf den Schaft aufschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schaft (1) mehrere Einzelmesszellen bestehend aus Arbeitselektroden (12, 14) und Gegenelektroden (13, 15) ausgebildet sind, und daß im Bereich des Außengewindes (8) des Schaftes (1) und des Innengewindes (9) der Kappe (2) eine kapillarartige Vertiefung in Form einer Aussparung (16) vorgesehen ist.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillarartige Aussparung (16) eine sackförmige Aussparung ist, die von der Stirnseite des Schaftes (1) ausgeht.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Achse der Aussparung (16) parallel zu der Achse x des Schaftes (1) erstreckt.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugselektrode (10) und die Aussparung (16) in der Draufsicht auf die Stirnseite des Schaftes (1) auf einer gemeinsamen Achse y liegen, dass zwei Einzelmesszellen (12, 13 und 14, 15) vorgesehen sind, die symmetrisch mit Abstand zu der Achse y liegen, und dass die Arbeitselektroden (12, 14) nähere an der Aussparung (16) als die Gegenelektroden (13, 15) liegen.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektroden (12, 14) aus Gold bestehen.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitselektroden (12, 14) aus unterschiedlichen Elektrodenmaterialien bestehen.
Mehrelektroden-Messzelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitselektrode (12) aus Gold und die andere Arbeitselektrode (14) aus Platin besteht.