-
Die Erfindung betrifft eine, insbesondere amperometrische, Messsonde und ein Verfahren zum, insbesondere im Wesentlichen gasblasenfreien, Befüllen eines Sondeninnenraums einer Messsonde.
-
Zur Bestimmung einer von einer Konzentration eines Analyten abhängigen Messgröße, z.B. der Konzentration oder Aktivität des Analyten oder eines Parameters, insbesondere eines Summenparameters, in den die Konzentration oder Aktivität des Analyten eingeht, können amperometrische Sensoren eingesetzt werden. Bei dem Messmedium kann es sich um ein Messfluid, z.B. eine Messflüssigkeit oder ein Messgas, handeln. Typische Analyte, deren Konzentration oder Aktivität bzw. davon abhängige Messgrößen mittels amperometrischer Sensoren überwacht werden können, sind beispielsweise Gase wie Sauerstoff, Chlor, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Ammonium oder Stickoxide.
-
Solche Sensoren weisen häufig eine amperometrische Messsonde auf, die zur Messung mit dem Messmedium, beispielsweise durch Eintauchen in das Messmedium, in Kontakt gebracht wird. Die Messsonde kann eine Messschaltung, insbesondere eine Vor-Ort-Elektronik, umfassen, die zur Bildung eines von der Messgröße abhängigen Messsignals dient und dazu ausgestaltet ist, das Messsignal oder ein daraus durch eine erste Verarbeitung abgeleitetes Signal über eine Schnittstelle an eine übergeordnete Datenverarbeitungseinrichtung auszugeben. Die Messsonde mit der Messschaltung kann drahtlos oder über eine Leitung mit einem abgesetzten Messumformer verbunden sein, der das Messsignal der Messsonde weiter verarbeitet und über eine Benutzerschnittstelle oder an eine mit dem Messumformer zur drahtlosen oder drahtgebundenen Kommunikation verbundene übergeordnete Einheit, z.B. einen Prozesscontroller oder eine speicherprogrammierbare Steuerung, ausgibt.
-
Amperometrische Messsonden weisen häufig einen durch eine Sensormembran von dem Messmedium getrennten Sondeninnenraum, im Folgenden auch als Elektrolytkammer bezeichnet, sowie mindestens zwei, häufig auch drei, innerhalb des Sondeninnenraums angeordnete Elektroden auf. Die Elektroden sind elektrisch leitend mit der Messschaltung verbunden.
-
Eine der Elektroden dient als Mess- oder Arbeitselektrode, eine weitere als Gegenelektrode. Die Sensormembran umfasst in der Regel mindestens eine als Diffusionsbarriere wirkende Funktionsschicht, durch die der Analyt vom Messmedium in die Elektrolytkammer diffundiert. Basierend auf einem zwischen der Mess- und der Gegenelektrode durch den Elektrolyten fließenden Strom erzeugt die Messschaltung das die Messgröße, z.B. die Analytkonzentration, repräsentierende Messsignal. In vielen amperometrischen Anwendungen wird das Potential der Messselektrode oder der Stromfluss zwischen der Mess- und der Gegenelektrode durch den Elektrolyten mittels einer dritten, nicht stromdurchflossenen Referenzelektrode geregelt.
-
Eine amperometrische Messsonde ist beispielsweise in
DE 10 2008 039465 A1 beschrieben. In der durch die Sensormembran abgeschlossenen Elektrolytkammer der Messsonde ist ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen, mit dem zwei oder drei Elektroden in Kontakt stehen. Eine dieser Elektroden dient als Messelektrode. Sie ist in einen stabförmigen Elektrodenkörper integriert, der die Messelektrode mit Ausnahme ihrer Stirnfläche gegenüber dem Elektrolyten isoliert. Der Elektrodenkörper ragt in die Elektrolytkammer hinein, wobei die Stirnfläche der Messelektrode gegen die Sensormembran anliegt. Zwischen der Sensormembran und der, zu diesem Zweck gegebenenfalls aufgerauten oder strukturierten Stirnfläche der Messelektrode bildet sich auf diese Weise ein dünner Elektrolytfilm aus. Der so gebildete elektrolytgefüllte Zwischenraum zwischen der Stirnfläche der Messelektrode und der Membran wird hier und im Folgenden auch als Messraum bezeichnet.
-
Die Messsonde weist ein in Form einer Kappe ausgestaltetes erstes Gehäuseteil und ein einen Sondenschaft bildendes zweites Gehäuseteil auf. Das erste Gehäuseteil umfasst die Sensormembran und wird auch als Membranmodul oder als Membrankappe bezeichnet. Das erste und das zweite Gehäuseteil sind über eine Schraubverbindung lösbar miteinander verbunden. Die lösbare Verbindung erlaubt den Austausch des ersten Gehäuseteils gegen ein identisch ausgestaltetes Gehäuseteil, und somit einen Austausch der Sensormembran.
-
Sind in dem flüssigen Elektrolyten, der in dem Sondeninneraum enthalten ist, Gasblasen vorhanden, besteht die Gefahr, dass diese in den zwischen der Stirnfläche des Elektrodenkörpers und der Sensormembran gebildeten Messraum gelangen. Dies führt im Betrieb der Messsonde zu einer Beeinflussung des durch die Messelektrode fließenden Stroms und damit des Messsignals der Messsonde. Dies kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen oder sogar eine Messung mit der Messsonde unmöglich machen.
-
Es ist daher bei der Befüllung der Membrankappe während der Fertigung der Messsonde oder bei einem eventuell im Zuge einer Wartung der Messsonde erfolgenden Austausch des die Sensormembran umfassenden Gehäuseteils darauf zu achten, dass ein Einschluss von Gasblasen in dem Sondeninnenraum vermieden wird. Aus dem Stand der Technik bekannte amperometrische Messsonden weisen zu diesem Zweck ein den Sondeninnenraum verschließendes Überdruckventil auf. Die Membrankappe wird vor dem Verbinden mit dem Sondenschaft mit Elektrolyt befüllt, wobei das in die Membrankappe eingefüllte Elektrolytvolumen größer ist als das Volumen des nach dem Verbinden der Membrankappe mit dem Sondenschaft gebildeten Sondeninnenraums. Beim Verbinden der Membrankappe mit dem den Sondenschaft bildenden zweiten Gehäuseteil verschließt das zweite Gehäuseteil die Membrankappe unter Bildung des Sondeninnenraums, wobei Elektrolyt aus der Elektrolytkammer über das Überdruckventil austritt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Sondeninnenraum vollständig vom flüssigen Elektrolyt ausgefüllt ist, so dass keine Gasblasen im Sondeninnenraum vorliegen. Bei einer Fehlfunktion des Überdruckventils, z.B. aufgrund einer Beschädigung oder Alterung des Ventils, kann jedoch nicht sichergestellt werden, dass der Sondeninnenraum zuverlässig gegenüber dem Messmedium abgedichtet ist und ein Eindringen von Messmedium in den Sondeninnenraum bzw. ein Austritt von Elektrolyt aus dem Sondeninnenraum in das Messmedium zuverlässig verhindert.
-
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Messsonde und ein Verfahren zum Befüllen des Sondeninnenraums der Messsonde mit Elektrolyt anzugeben, die diese Nachteile vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messsonde gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die Messsonde zur Messung einer eine Konzentration eines Analyten in einem Messmedium repräsentierenden Messgröße umfasst:
- - ein Sondengehäuse, welches mindestens ein erstes Gehäuseteil und ein zweites Gehäuseteil aufweist, wobei das erste Gehäuseteil in Form einer, insbesondere zylindrischen, Kappe ausgestaltet ist, welche an einem vorderseitigen Ende durch eine Sensormembran verschlossen ist und an einem dem vorderseitigen Ende gegenüberliegenden rückseitigen Ende lösbar, insbesondere durch eine Schraub- oder Steckverbindung, mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden ist, so dass das zweite Gehäuseteil die Kappe an ihrem rückseitigen Ende verschließt und das erste und das zweite Gehäuseteil einen von der Sensormembran abgeschlossenen Sondeninnenraum einschließen;
- - einen in dem Sondeninnenraum enthaltenen fließfähigen, insbesondere flüssigen, Elektrolyt;
- - mindestens einen in den Sondeninnenraum mündenden Überlaufkanal; und
- - eine Dichtung, welche an einer Wand des ersten Gehäuseteils und an einer Wand des zweiten Gehäuseteils den Sondeninnenraum gegenüber der Umgebung der Messsonde abdichtend anliegt und gleichzeitig den Überlaufkanal verschließt.
-
Indem ein in den Sondeninnenraum mündender Überlaufkanal vorgesehen ist, kann beim Zusammenbau des ersten und zweiten Gehäuseteils bei der Herstellung der Messsonde bzw. bei einem Austausch des ersten Gehäuseteils zum Zweck der Erneuerung der Sensormembran das kappenförmige erste Gehäuseteil mit einem Volumen des flüssigen Elektrolyten befüllt werden, das größer ist als das Volumen des Sondeninnenraums, der von den miteinander verbundenen ersten und zweiten Gehäuseteilen eingeschlossen wird. Beim Verbinden der beiden Gehäuseteile wird das überschüssige Elektrolytvolumen über den Überlaufkanal aus dem Sondeninnenraum verdrängt. Auf diese Weise wird vermieden, dass Gasblasen in dem elektrolytgefüllten Sondeninnenraum eingeschlossen werden. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Messsonden kann auf ein zwischen dem Sondeninnenraum und dem Messmedium kommunizierendes Überdruckventil verzichtet werden, indem der Überlaufkanal durch eine Dichtung verschlossen wird, welche gleichzeitig zum Abdichten des von den miteinander verbundenen ersten und zweiten Gehäuseteilen eingeschlossenen Sondeninnenraums dient. Auf diese Weise kann einerseits das Einschließen von Gasblasen im Sondeninnenraum bei der Herstellung bzw. Wartung der Messsonde vermieden werden, andererseits ist sichergestellt, dass der Sondeninnenraum mittels der Dichtung gegenüber dem Messmedium im Betrieb der Messsonde dicht verschlossen ist, so dass der Elektrolyt nicht in das Messmedium austreten kann. Der fließfähige Elektrolyt kann ein flüssiger Elektrolyt oder ein Gelelektrolyt sein.
-
Im Betrieb einer amperometrischen Messsonde kann es zur Ausbildung eines Über- oder Unterdrucks im Sondeninnenraum bezogen auf den im Messmedium herrschenden Druck kommen. Dieser kann beispielsweise bei Temperaturschwankungen oder durch Stoffaustausch zwischen dem Elektrolyten und dem Messmedium aufgrund von Osmose auftreten. Ein Druckausgleich zwischen dem Sondeninnenraum und dem Messmedium kann bei den oben beschriebenen Messsonden nach dem Stand der Technik über das Überdruckventil erfolgen. Dabei muss jedoch in Kauf genommen werden, dass Elektrolyt aus dem Sondeninnenraum in das Messmedium gelangt, was nicht in allen Anwendungen amperometrischer Messsonden günstig ist. Bei einer Fehlfunktion des Überdruckventils, die dazu führt, dass sich ein zu hoher Überdruck im Sondeninnenraum ausbildet, kann es überdies zum Zerreißen oder Ablösen der empfindlichen Sensormembran kommen.
-
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messsonde sieht daher vor, dass die Messsonde weiter mindestens ein, insbesondere gasgefülltes oder evakuiertes, Kompensationsvolumen umfasst, welches mit dem Sondeninnenraum derart gekoppelt ist, dass eine Veränderung des im Sondeninnenraum herrschenden Drucks eine Volumenänderung des Kompensationsvolumens bewirkt. Vorzugsweise findet dabei kein Stoffaustausch zwischen dem Kompensationsvolumen und dem Sondeninnenraum statt. Bildet sich im Sondeninnenraum ein Über- oder Unterdruck, so kann eine Veränderung des Kompensationsvolumens dazu dienen, die sich aufgrund des im Sondeninnenraum herrschenden Über- oder Unterdrucks ergebende mechanische Belastung der empfindlichen Sensormembran zu reduzieren.
-
Das mindestens eine Kompensationsvolumen kann von dem Sondeninnenraum durch eine nachgiebige, insbesondere elastische, Wand getrennt sein. Das Kompensationsvolumen kann beispielsweise durch eine in dem ersten oder zweiten Gehäuseteil angeordnete gasgefüllte oder evakuierte Kammer gebildet sein, die von dem Sondeninnenraum durch die nachgiebige, insbesondere elastische, Wand, z.B. eine aus einem Elastomer gebildete Membran, getrennt ist. In dieser Ausgestaltung kann die nachgiebige, insbesondere elastische, Wand vorteilhaft eine höhere Elastizität aufweisen als die Sensormembran.
-
Das Kompensationsvolumen kann von dem Sondeninnenraum durch eine nachgiebige Wand getrennt sein, die aufgrund ihrer Gestaltung nachgiebig ist, z.B. indem die Wandstärke sehr dünn gewählt wird, so dass die Wand einem Überdruck nachgeben kann.
-
In einer weiteren Ausgestaltung kann das mindestens eine Kompensationsvolumen durch eine, insbesondere zur Umgebung der Messsonde bzw. des Sondengehäuses hin offene, innerhalb des Sondengehäuses gebildete Kammer gebildet sein. Die Kammer kann als Sack- oder Durchgangsbohrung innerhalb des zweiten Gehäuseteils gebildet sein.
-
In einer alternativen Ausgestaltung kann das mindestens eine Kompensationsvolumen in einem innerhalb des Sondeninneraums angeordneten elastischen Kunststoffschaum gebildet sein. Der Kunststoffschaum kann als Kunststoffkörper aus einem Elastomer gebildet sein, der eine Vielzahl von Kompensationsvolumina in Form von gasgefüllten Poren einschließt.
-
Das erste und das zweite Gehäuseteil können dazu ausgebildet sein, mechanisch in wieder lösbarer Weise miteinander verbunden zu werden. Für eine derartige lösbare Verbindung kommt beispielsweise eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung in Frage, z.B. eine Steck-, Klemm- oder Schraubverbindung. Eine solche Verbindung kann beispielsweise mittels zweier Kupplungskomponenten gebildet sein, wobei eine mit dem ersten Gehäuseteil verbundene erste Kupplungskomponente mit einer mit dem zweiten Gehäuseteil verbundenen zweiten Kupplungskomponente verbunden ist. Im Fall einer Schraubverbindung wird die erste Kupplungskomponente beispielsweise durch einen mit einem Gewinde versehenen Abschnitt des ersten Gehäuseteils und die zweite Kupplungskomponente durch einen mit einem zu dem Gewinde des ersten Gehäuseteils komplementären Gewinde versehenen Abschnitt des zweiten Gehäuseteils gebildet. Der mindestens eine Überlaufkanal kann zum Beispiel mittels einer Rinne gebildet sein, die zwischen einer Oberfläche der ersten Kupplungskomponente und einer an der Oberfläche der ersten Kupplungskomponente anliegenden Oberfläche der zweiten Kupplungskomponente verläuft, wenn die erste und die zweite Kupplungskomponente verbunden sind.
-
Das erste Gehäuseteil kann beispielsweise ein erstes Gewinde und das zweite Gehäuseteil ein zu dem ersten Gewinde komplementäres zweites Gewinde aufweisen, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil durch eine Schraubverbindung des ersten Gewindes mit dem zweiten Gewinde lösbar miteinander verbunden sind. Vorteilhaft können das erste und das zweite Gehäuseteil im Wesentlichen zylindrisch, insbesondere zylindersymmetrisch ausgebildet sein. Im verbundenen Zustand sind das erste und das zweite Gehäuseteil in diesem Fall im Wesentlichen zylindersymmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Gehäuseachse.
-
Die Dichtung kann als ein auf der von dem Sondeninnenraum abgewandten Seite der Schraubverbindung angeordneter Dichtungsring ausgestaltet sein, dessen äußerer Umfang gegen eine innere Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils anliegt und dessen innerer Umfang gegen eine äußere Umfangsfläche des zweiten Gehäuseteils anliegt. Auf diese Weise dichtet der Dichtungsring das erste und das zweite Gehäuseteil radial gegeneinander ab. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Dichtungsring auch als axiale Dichtung zwischen einander zugewandten Stirn- oder Absatzflächen des ersten und des zweiten Gehäuseteils angeordnet sein.
-
Der mindestens eine Überlaufkanal kann mittels einer im Wesentlichen parallel zu einer Zylinderachse des ersten und/oder des zweiten Gehäuseteils verlaufenden Rinne gebildet sein. Sind das erste und das zweite Gehäuseteil mittels einer Schraubverbindung lösbar miteinander verbindbar, kann der mindestens eine Überlaufkanal mittels mindestens einer im Wesentlichen parallel zur Gewindeachse durch die Gewindezähne des ersten und/oder des zweiten Gewindes verlaufenden Rinne gebildet sein. Der Dichtungsring ist vorteilhaft im Bereich eines vom Sondeninnenraum abgewandten Endes der Rinne angeordnet, so dass der zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil eingepresste Dichtungsring die Rinne, und damit den Überlaufkanal, gegenüber der Umgebung der Messsonde abdichtet, wenn das erste und das zweite Gehäuseteil miteinander verbunden sind.
-
Alternativ kann der Überlaufkanal mittels einer durch die Wandung des ersten und/oder zweiten Gehäuseteils verlaufenden Bohrung gebildet sein
-
Die Sensormembran kann eine poröse Diffusionsbarriere zwischen einem Messmedium und dem Sensorinnenraum bilden, durch die mindestens der Analyt aus dem Messmedium in den Sondeninnenraum diffundieren kann.
-
In dem Sondeninnenraum können mindestens zwei Elektroden angeordnet sein, die mit einer außerhalb des Sondeninnenraums, insbesondere in oder an dem zweiten Gehäuseteil, angeordneten Messschaltung elektrisch leitend verbunden sind, und wobei die Messschaltung dazu ausgestaltet ist, zwischen den Elektroden eine vorgegebene Spannung anzulegen und/oder einzuregeln, einen dabei durch den im Sondeninnenraum aufgenommenen Elektrolyt fließenden Strom zu erfassen und ein von dem erfassten Strom abhängiges Signal als die Messgröße repräsentierendes Messsignal weiterzuverarbeiten und/oder auszugeben.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum, insbesondere gasblasenfreien, Befüllen eines Sondeninnenraums einer Messsonde zur Messung einer eine Konzentration eines Analyten in einem Messmedium repräsentierenden Messgröße mit einem flüssigen Elektrolyten, umfasst:
- - Füllen eines flüssigen Elektrolyten in ein erstes Gehäuseteil, welches in Form einer, insbesondere zylindrischen, Kappe ausgestaltet ist, die an einem vorderseitigen Ende durch eine Sensormembran verschlossen ist;
- - Herstellen einer wieder lösbaren, insbesondere als Straub- oder Steckverbindung ausgestaltete, Verbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil entlang einer (gedachten) Flächennormalen der Sensormembran aufeinander zu bewegt werden, derart dass ein Teilabschnitt des zweiten Gehäuseteils an einem der Sensormembran gegenüberliegenden rückseitigen Ende in die Kappe eingeführt wird und ein Teilvolumen des in dem ersten Gehäuseteil enthaltenen Elektrolyten verdrängt, so dass dieses Teilvolumen über einen Überlaufkanal aus dem ersten Gehäuseteil ausfließt;
- - Abdichten eines von dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil eingeschlossenen Sondeninnenraums mittels einer an einer Wand des ersten Gehäuseteils und einer Wand des zweiten Gehäuseteils anliegenden Dichtung, indem die Bewegung des ersten und des zweiten Gehäuseteils aufeinander zu so lange fortgesetzt wird, bis die Dichtung zwischen der Wand des ersten Gehäuseteils und der Wand des zweiten Gehäuseteils dichtend eingepresst ist und gleichzeitig den Überlaufkanal verschließt.
-
Dieses Verfahren kann mit der voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Messsonde in einer der beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt werden.
-
Das Verfahren kann weiter das Bereitstellen mindestens eines, insbesondere gasgefüllten oder evakuierten, Kompensationsvolumens umfassen, welches mit dem Sondeninnenraum derart gekoppelt ist, dass eine Veränderung des im Sondeninnenraum herrschenden Drucks eine Volumenänderung des Kompensationsvolumens bewirkt, insbesondere ohne dass ein Stoffaustausch zwischen dem Kompensationsvolumen und dem Sondeninneraum erfolgt.
-
Das Bereitstellen des mindestens einen Kompensationsvolumens kann das Erzeugen einer durch eine nachgiebige, insbesondere elastische Wand, verschlossenen Kammer, insbesondere in dem zweiten Gehäuseteil, umfassen, derart, dass die elastische Wand in einem Abschnitt des zweiten Gehäuseteils angeordnet ist, der beim Herstellen der wieder lösbaren Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil mit dem Sondeninnenraum in Kontakt steht.
-
Das Bereitstellen des mindestens einen Kompensationsvolumens kann das Anordnen eines elastischen Kunststoffschaums umfassen, welcher einen Kunststoffkörper aufweist, der eine Vielzahl von Kompensationsvolumina in Form von gasgefüllten Poren einschließt, in der Sondenkammer. Der Kunststoffkörper kann beispielsweise aus einem Elastomer gebildet sein.
-
Das erste Gehäuseteil kann erste Befestigungsmittel und das zweite Gehäuseteil ein zu den ersten Befestigungsmitteln komplementäre zweite Befestigungsmittel aufweisen, wobei die ersten und die zweiten Befestigungsmittel zur Bildung einer wieder lösbaren, insbesondere form- und/oder kraftschlüssigen, Verbindung des ersten Gehäuseteils mit dem zweiten Gehäuseteil dienen. Die Verbindung des ersten mit dem zweiten Gehäuseteils kann beispielsweise durch eine Klemm-, Steck- oder Schraubverbindung erfolgen.
-
Vorteilhaft kann das erste Gehäuseteil ein erstes Gewinde und das zweite Gehäuseteil ein zu dem ersten Gewinde komplementäres zweites Gewinde aufweisen, wobei das Herstellen der wieder lösbaren Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil das Bilden einer Schraubverbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Gewinde umfasst, und wobei die Dichtung als ein auf der von dem Sondeninnenraum abgewandten Seite der Schraubverbindung angeordneter Dichtungsring ausgestaltet ist, dessen innerer Umfang gegen eine äußere Umfangsfläche des zweiten Gehäuseteils anliegt und dessen äußerer Umfang gegen eine innere Umfangsfläche des ersten Gehäuseteils anliegt, und wobei der mindestens eine Überlaufkanal gebildet wird mittels mindestens einer im Wesentlichen parallel zur Gewindeachse durch die Gewindezähne des ersten und/oder des zweiten Gewindes verlaufenden Rinne.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnitt-Darstellung eines für den Kontakt mit einem Messmedium vorgesehenen Endabschnitts einer amperometrischen Messsonde nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines Gehäuseteils der in 1 dargestellten amperometrischen Messsonde;
- 3 eine schematische Schnitt-Darstellung der in 1 dargestellten Messsonde bei im Sondeninnenraum der Messsonde herrschendem Überdruck;
- 4 eine schematische Schnitt-Darstellung eines für den Kontakt mit einem Messmedium vorgesehenen Endabschnitts einer amperometrischen Messsonde nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Schnitt-Darstellung eines für den Kontakt mit einem Messmedium vorgesehenen Endabschnitts einer amperometrischen Messsonde nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
-
In 1 ist schematisch in einer Längsschnitt-Darstellung ein vorderer, zum Eintauchen in ein Messmedium bestimmter Abschnitt einer amperometrischen Messsonde 1 dargestellt. Die Messsonde 1 umfasst ein Sondengehäuse 3, welches aus einem ersten Gehäuseteil 5 und einem zweiten Gehäuseteil 7 gebildet ist, die mittels einer Schraubverbindung lösbar miteinander verbunden sind. Das Sondengehäuse 3 ist in seinem dargestellten Abschnitt im Wesentlichen zylindersymmetrisch, wobei das erste Gehäuseteil 5 und das zweite Gehäuseteil 7 im verbundenen Zustand eine gemeinsame Zylinderachse aufweisen. Die Gehäuseteile können beispielsweise aus einem Kunststoff, z.B. PVC, PTFE, PVDF, oder aus einem Metall bestehen. Im letzteren Fall ist eine elektrische Isolierung der metallischen Gehäusewandung von den weiter unten näher beschriebenen Elektroden des Sensors vorgesehen.
-
Das erste Gehäuseteil 5 ist in Form einer Kappe ausgestaltet. Es weist an seinem vorderseitigen, d.h. dem vom zweiten Gehäuseteil 7 abgewandten, Ende eine Sensormembran 9 auf, die das erste Gehäuseteil 5 an diesem Ende verschließt. Zum Schutz der Sensormembran 9 vor mechanischer Beschädigung sind am vorderen Ende des ersten Gehäuseteils 5 die Sensormembran 9 umgebende Vorsprünge 11 angeordnet. An seinem anderen Ende weist das erste Gehäuseteil 5 ein Innengewinde 13 auf, das zur Verbindung des ersten Gehäuseteils 5 mit dem zweiten Gehäuseteil 7 dient.
-
Das zweite Gehäuseteil 7 umfasst an einem vorderen, d.h. dem ersten Gehäuseteil 5 zugewandten, Endabschnitt 15 ein zu dem Innengewinde 13 komplementäres Außengewinde 17. In der hier gezeigten Darstellung sind die Gewinde 13 und 17 zu einer Schraubverbindung lösbar miteinander verbunden, so dass das zweite Gehäuseteil 7 das erste Gehäuseteil 5 rückseitig verschließt. Die beiden verbundenen Gehäuseteile 5 und 7 schließen einen Sondeninnenraum 23 ein. Der vordere Endabschnitt 15 des zweiten Gehäuseteils 7 weist eine umlaufende Nut 19 auf, in der ein Dichtungsring 21 angeordnet ist. Diese Nut 19 und der Dichtungsring 21 sind auf der von dem Sondeninnenraum 23 abgewandten Seite der Schraubverbindung angeordnet. Der Dichtungsring 21 kann aus einem Elastomer, z.B. aus einem herkömmlichen, aus dem Stand der Technik bekannten Dichtungsmaterial, wie EPDM, FKM, NBR, gebildet sein. Wenn das erste Gehäuseteil 5 und das zweite Gehäuseteil 7 miteinander verbunden sind, liegt der Dichtungsring 21 gegen die Innenwand des ersten Gehäuseteils 5 und die Außenwand des zweiten Gehäuseteils 7 an und dichtet so den von dem ersten und dem zweiten Gehäuseteil eingeschlossenen Sondeninnenraum 23 ab. Der Sondeninnenraum 23 ist mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt.
-
Das zweite Gehäuseteil 7 umfasst weiter einen zylindrischen Sondenschaft 25, von dem in 1 nur ein vorderer Abschnitt dargestellt ist. An seinem vorderen, d.h. dem ersten Gehäuseteil 5 zugewandten, Ende weist der Sondenschaft 25 einen in den Sondeninnenraum 23 hinein ragenden zylindrischen Elektrodenkörper 27 auf, dessen Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Sondenschafts 25 reduziert ist. Der Elektrodenkörper 27 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Glas oder Kunststoff, wie PEEK oder PVC. Der Elektrodenkörper 27 ummantelt eine elektrisch leitfähige Messelektrode 29 und isolierte diese bis auf ihre Stirnfläche 31 elektrisch gegenüber dem im Sondeninnenraum 23 enthaltenen Elektrolyten. Die Stirnfläche 31 der Messelektrode 29 und die sie umgebende Stirnfläche des Elektrodenkörpers 27 liegen zumindest teilweise gegen die Sensormembran 9 an, so dass nur ein dünner Elektrolytfilm zwischen der Stirnfläche 31 der Messelektrode 29 und der Sensormembran 9 vorliegt. Die Stirnfläche des Elektrodenkörpers 27 kann eine Struktur aufweisen, die erhöhte Bereiche und Vertiefungen umfasst, die derart ausgestaltet sind, dass Elektrolyt über die Vertiefungen in den Bereich zwischen die Stirnfläche 31 der Messelektrode 29 und die Sensormembran 9 gelangen kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein Stützgitter zwischen der Messelektrode 29 und der Sensormembran 9 vorgesehen sein.
-
Die Messelektrode 29 kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere einem Edelmetall, bestehen. Im Sondeninnenraum 23 ist eine weitere, als Gegenelektrode dienende, Elektrode angeordnet (in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet), die beispielsweise als auf dem Elektrodenkörper 27 aufsitzender Ring ausgestaltet sein kann. Optional kann in dem Sondeninnenraum 23 eine dritte Elektrode, die als Referenzelektrode zur Einstellung eines Potentials der Messelektrode 29 dient, angeordnet sein. Die Elektroden sind elektrisch leitend mit einer außerhalb des Sondeninnenraums 23, beispielsweise innerhalb des Sondenschaftes 25 oder in einem mit dem Sondenschaft 25 verbundenen Gehäuseteil der Messsonde angeordneten Messschaltung verbunden. Die Messschaltung ist dazu ausgestaltet, eine Spannung zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode anzulegen bzw. einzuregeln, einen dabei durch den Elektrolyten fließenden Strom zu erfassen und ein auf der erfassten Stromstärke basierendes Messsignal zu erzeugen und auszugeben. Das Messsignal kann beispielsweise an eine mit der Messschaltung verbundene Datenverarbeitungseinrichtung, z.B. einen Computer, einen Messumformer oder einen Controller, ausgegeben werden.
-
Der vordere Endabschnitt 15 des zweiten Gehäuseteils 7 umgibt einen rückseitigen Abschnitt des Elektrodenkörpers 27 derart, dass eine zum Sondeninnenraum 23 hin offene, um den Elektrodenkörper 27 herum verlaufende Ringkammer 37 gebildet wird. In dieser Kammer ist ein hohlzylindrischer Schaumstoffkörper 39 aus einem Elastomer angeordnet, der eine Vielzahl gasgefüllter Poren aufweist. Der Schaumstoffkörper 39 kann beispielsweise aus einem Silikonschaum gebildet sein. Dieser Schaumstoffkörper 39 dient als Kompensationsvolumen zum Ausgleich von Druckschwankungen innerhalb des Sondeninnenraums, wie weiter unten noch erläutert werden wird.
-
In 2 ist das zweite Gehäuseteil 7 gesondert in einer schematischen Seitenansicht dargestellt. Gleiche Teile des zweiten Gehäuseteils 7 sind in 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Gewindezähne 33 des am vorderen Endabschnitt 15 angeordneten Außengewindes 17 sind von einer parallel zur Gewindeachse A des Außengewindes 17 verlaufenden Rinne 35 durchbrochen. Diese Rinne 35 dient zur Bildung eines mit dem Sondeninnenraum 23 kommunizierenden Überlaufkanals.
-
Um den Sondeninnenraum im Wesentlichen gasblasenfrei mit Elektrolyt zu befüllen, z.B. beim Herstellen der Messsonde 1 oder im Rahmen einer Wartungsmaßnahme, bei der das erste Gehäuseteil 5 gegen ein baugleiches Gehäuseteil ausgetauscht wird um die Sensormembran 31 zu ersetzen, kann bei der in 1 und 2 dargestellten Messsonde 1 in folgender Weise vorgegangen werden: Sind die beiden Gehäuseteile 5 und 7 voneinander getrennt, ist das Innenvolumen des kappenförmigen Gehäuseteils 5 größer als das Volumen des von dem ersten und zweiten Gehäuseteil 5, 7 im verbundenen Zustand eingeschlossenen Sondeninnenraums 23, da der Endabschnitt 15 und der Elektrodenkörper 27 Teile des Innenvolumens des Gehäuseteils 5 einnehmen. Wird das erste Gehäuseteil 5 daher vor dem Verbinden mit dem zweiten Gehäuseteil 7 vollständig oder nahezu vollständig mit Elektrolyt befüllt, wird beim Verbinden der Gehäuseteile Elektrolyt aus dem Sondeninnenraum 23 durch den Elektrodenkörper 27 und gegebenenfalls auch durch den mit dem Außengewinde 17 versehenen vorderen Endabschnitt 15 des zweiten Gehäuseteils 7 verdrängt. Während des Verschraubens der Gehäuseteile 5 und 7 kann Elektrolyt über den durch die Rinne 35 gebildeten, mit dem Sondeninnenraum 23 und der Umgebung des Gehäuses 3 kommunizierenden Überlaufkanal austreten. Erst wenn das zweite Gehäuseteil 7 so weit in das erste Gehäuseteil 5 eingeschraubt ist, dass der Dichtungsring 21 zwischen der Innenwandung des ersten Gehäuseteils 5 und der Außenwandung des zweiten Gehäuseteils 7 eingepresst ist und somit sowohl den Sondeninnenraum 23 als auch den Überlaufkanal dichtet, kann kein Elektrolyt mehr aus dem Sondeninnenraum 23 nach außen dringen.
-
Mit diesem Vorgehen ist sichergestellt, dass der Sondeninnenraum 23 frei von Gasblasen ist, die eine Messung mit der Messsonde 1 stören könnten.
-
Tritt beim Verschrauben der Gehäuseteile 5, 7 oder im späteren Betrieb eine Druckerhöhung oder Druckabsenkung im Sondeninnenraum 23 auf, kann der Schaumstoffkörper 39 als Kompensationsvolumen dienen, um den auf die Sensormembran 9 wirkenden Druck und die sich daraus ergebende mechanische Belastung der Sensormembran 9 zu reduzieren. Der Schaumstoffkörper 39 ist derart ausgestaltet, dass er eine höhere Elastizität aufweist als die Sensormembran 9. Eine Druckerhöhung im Sondeninnenraum 23 führt dann dazu, dass der Schaumstoffkörper 39 bzw. die im Schaumstoffkörper 39 enthaltenen gasgefüllten Poren ihr Volumen verringern, und so den Druckanstieg verringern bzw. kompensieren. Dies ist in 3 zu erkennen, die eine schematische Darstellung der in 1 dargestellten Messsonde 1 zeigt, bei der aufgrund einer Druckerhöhung im Sondeninnenraum 23 das Volumen des Schaumstoffkörpers 39 nur noch halb so groß ist wie bei der Darstellung in 1.
-
In 4 ist schematisch als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Messsonde 42 dargestellt, die im Wesentlichen identisch ausgestaltet ist wie die anhand der 1 bis 3 beschriebenen Messsonde 1, die jedoch anstelle eines Schaumstoffkörpers ein in Form einer gasgefüllten Kammer ausgestaltetes Kompensationsvolumen aufweist. Teile der Messsonde 42, die identisch ausgestaltet sind wie die entsprechenden Teile der Messsonde 1 gemäß 1 bis 3 sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Wie die Messsonde 1 verfügt die Messsonde 42 über ein kappenförmiges erstes Gehäuseteil 5, das hier identisch ausgestaltet ist wie das entsprechende erste Gehäuseteil der Messsonde 1. Mit dem ersten Gehäuseteil 5 ist ein zweites Gehäuseteil 43 wieder lösbar mittels einer Schraubverbindung zwischen einem Innengewinde 13 des ersten Gehäuseteils 5 und einem Außengewinde 17 des zweiten Gehäuseteils 43 verbunden und schließt zusammen mit dem ersten Gehäuseteil 5 einen Sondeninnenraum 23 ein. In dem Sondeninnenraum 23 ist ein flüssiger Elektrolyt aufgenommen. An seinem vorderen, dem ersten Gehäuseteil 5 zugewandten Endabschnitt weist das zweite Gehäuseteil 43 einen zylindrischen Elektrodenkörper 27 auf, der eine Messelektrode 29 bis auf ihre Stirnfläche 31 gegenüber dem Elektrolyten elektrisch isoliert.
-
Die Messsonde 42 umfasst wie die Messsonde 1 einen durch die Schraubverbindung der beiden Gehäuseteile 5, 43 verlaufenden Überlaufkanal, der mittels einer durch die Gewindezähne des Außengewindes 17 des zweiten Gehäuseteils 43 verlaufenden Rinne 35 gebildet ist. Es versteht sich von selbst, dass anstelle einer Schraubverbindung auch andere wieder lösbare Verbindungstechniken zur Verbindung des ersten Gehäuseteils 5 mit dem zweiten Gehäuseteil 43 geeignet sind. In diesem Fall kann der Überlaufkanal ebenfalls mittels einer in dem ersten oder zweiten Gehäuseteil verlaufende Rinne gebildet sein. Ganz analog wie anhand des in den 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben kann auch der Sondeninnenraum 23 der in 4 dargestellten Messsonde 42 in der Weise gasblasenfrei mit Elektrolyt gefüllt werden, indem das erste Gehäuseteil 5 zunächst mit einem Elektrolytvolumen befüllt wird, das größer ist als das Volumen des von dem ersten Gehäuseteil 5 und dem zweiten Gehäuseteil 43 in verbundenem Zustand eingeschlossenen Sondeninnenraums 23, so dass beim Verbinden der Gehäuseteile 5 und 43 Elektrolyt über den Überlaufkanal aus dem Gehäuse verdrängt wird, bis der Dichtungsring 21 den Überlaufkanal und den Sondeninnenraum 23 dicht verschließt.
-
Im zweiten Gehäuseteil 43 der Messsonde 42 ist als Kompensationsvolumen eine gasgefüllte Kammer 45 in Form einer Sackbohrung vorgesehen, die vom Sondeninnenraum durch eine flexible, insbesondere elastische, Wandung 47 getrennt ist. Die Wandung 47 kann durch eine elastische Membran gebildet sein. Um zu gewährleisten, dass die Wandung 47 eine höhere Elastizität aufweist als die Sensormembran 9, kann sie aus einem weicheren Polymermaterial, insbesondere einem Elastomer, gebildet sein und/oder eine geringere Dicke aufweisen als die Sensormembran 9. Die Wandung 47 kann beispielsweise als Kunststoffmembran, z.B. aus PTFE, PVDF, PES oder PET ausgebildet sein. Bei einer Druckänderung im Sondeninnenraum 23 kann sich das in der Kammer 45 enthaltene Gas ausdehnen oder komprimiert werden, und so zur Kompensation der Druckänderung dienen. Damit wird die mechanische Belastung der Sensormembran 9 aufgrund der in dem Sondeninnenraum 23 auftretenden Druckänderung vermindert und so die Gefahr einer Beschädigung oder Ablösung der Sensormembran 9 verringert.
-
In 5 ist schematisch als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Messsonde 54 dargestellt. Die Messsonde 54 ist im Wesentlichen identisch ausgestaltet wie die in 5 dargestellte Messsonde 42. Identisch ausgestaltete Teile der in den Figuren gezeigten Messsonden 54, 42 und 1 sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Der einzige Unterschied der in 4 dargestellten Messsonde 42 und der in 5 dargestellten Messsonde 54 besteht in der Ausgestaltung des Kompensationsvolumens. In der Messsonde 54 ist das Kompensationsvolumen durch einen Entgasungskanal 55 gebildet, der an seinem dem Sondeninnenraum 23 zugewandten Ende durch eine elastische Wandung 47 verschlossen ist und an seinem anderen Ende zur Umgebung der Messsonde 54 hin offen ist. Die elastische Wandung 47 weist eine höhere Elastizität auf als die Sensormembran 9, so dass sie, wie oben anhand von 4 bereits beschrieben, die Belastung der Sensormembran 9 durch eine Druckänderung im Sondeninnenraum 23 verringert. Dabei wird sie entweder ins Innere des Entgasungskanal 55 eingezogen oder wölbt sich in den Sondeninnenraum 23 hinein. Dadurch erhöht oder verringert sich das Gasvolumen innerhalb des Entgasungskanals 55 und wirkt so als Kompensationsvolumen.
-
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 102008039465 A1 [0006]
