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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Sensor, insbesondere einen amperometrischen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines Messmediums.
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Elektrochemische Sensoren werden vielfach zur Bestimmung von Konzentrationen bestimmter Substanzen, auch als Analyt bezeichnet, in einem Messmedium sowohl in der Labormesstechnik als auch in der Prozessmesstechnik in vielen Bereichen der Chemie, der Umweltanalytik, der Biochemie, der Biotechnologie, der Pharmazie, der Lebensmitteltechnologie und der Wasserwirtschaft verwendet. Gattungsgemäße elektrochemische Sensoren können beispielsweise potentiometrische oder amperometrische Sensoren sein. Potentiometrische Sensoren umfassen in der Regel eine Messhalbzelle, die in Kontakt mit dem Messmedium ein von der Konzentration des Analyten im Messmedium abhängiges Potential ausbildet, eine Referenzhalbzelle, die im Kontakt mit dem Messmedium ein von der zu bestimmenden Analytkonzentration unabhängiges Potential ausgibt, sowie eine Messschaltung, welche ein die Potentialdifferenz zwischen der Messhalbzelle und der Referenzhalbzelle repräsentierendes Messsignal erzeugt und gegebenenfalls an eine mit dem Sensor verbundene übergeordnete Einheit, beispielsweise einen Messumformer, ausgibt.
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Amperometrische Sensoren bestehen aus mehreren Teilen. Die wichtigsten sind dabei die Kathode, die Anode, der Elektrolyt und die sensorisch aktive Membran. Als Kathode kommt in der Regel Gold oder Platin zum Einsatz. Bei der Anode handelt es sich in der Regel um eine chloridisierte Silberhülse, als Ag/AgCl Elektrode. Diese werden in einem Elektrolytraum von dem Elektrolyten umgeben. Der Elektrolyt ist hier spezifisch für den jeweiligen Analyten.
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Durch die bei Anlegen einer Gleichspannung zwischen Anode und Kathode im Sensor stattfindenden Reaktionen wie beispielsweise für hypochlorige Säuren bei der amperometrischen Bestimmung von feinem Chlor in wässrigen Proben:
HOCI + H+ + 2 e- → Cl- + H2O (an der Kathode)
Cl- + Ag → AgCl + e- (an der Anode) wird zum einen Elektrolyt, und zum anderen auch Silber verbraucht. Der Elektrolyt muss daher, in Abhängigkeit der vorliegenden zu messenden Cl2-Konzentration nach gewissen Zeitintervallen ausgetauscht werden. Dies kann vor Ort mit Service-Kits erfolgen. Dabei können die ätzenden Elektrolyte auslaufen. In größeren Zeitintervallen muss auch die Silberchlorid-Schicht erneuert werden (Neuchloridisierung), was zu einem längeren Ausfall des Sensors führt.
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Die Membran wird größtenteils durch Formschluss geklemmt oder geklebt und mit einer Kappe angeschraubt. In dieser Kappe befindet sich dann auch der Elektrolyt. Zur Vermeidung von Überdruck enthält die Kappe bzw. die Elektrolytkammer ein Überdruckventil um diesen abzubauen.
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Beim Wechsel des Elektrolyten muss im Idealfall auch die Membrankappe mit gewechselt werden, da die Membran durch die Anspannung gedehnt wird. Dies bedeutet, dass hier ein sensibler sensorischer Teil ausgetauscht werden muss, wo es durch den Einschluss von Luftblasen in der Elektrolytkammer zu Problemen bei der Messung kommen kann. Eine Luftblase direkt im Inneren der Kammer vor der Kathode führt zu einem verminderten Sensorstrom. Außerdem muss das Stützgitter, welches den Abstand Membran-Kathode einstellt, perfekt sitzen, da es ansonsten zu Messwertabweichungen kommt, die nur mittels einer Kalibration korrigierbar sind.
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Bei einem Problem mit der Messung oder nach dem angezeigten Verbrauch des Elektrolyten (Beispielsweise durch einen Indikatorring) werden alle medienberührenden Teile komplett ausgetauscht und entsorgt. Dies führt zu einem wartungsreichen Sensor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen wartungsarmen elektrochemischen Sensor, insbesondere einen amperometrischen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines Messmediums bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Sensor, insbesondere ein amperometrischer Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines Messmediums, umfassend ein Gehäuse mit einer Kammer, die einen Elektrolyten enthält, eine Membran, die an einer Stirnfläche des Gehäuses angeordnet ist, so dass der Elektrolyt mit dem das Gehäuse umgebenden Messmedium elektrolytisch kontaktierbar ist, eine als Kathode wirkende erste Elektrode, die mit dem Elektrolyten kontaktiert ist, eine als Anode wirkende zweite Elektrode, die während der Messung mit dem Elektrolyten in Kontakt steht, und eine Messschaltung, die mit der ersten und zweiten Elektrode zusammenwirkt und dazu ausgestaltet ist, ein die Messgröße repräsentierendes Messsignal zu erzeugen, wobei die erste und zweite Elektrode und das Gehäuse dermaßen miteinander verbunden sind, dass eine Einheit aus erster und zweiter Elektrode und das Gehäuse als Ganzes von dem Sensor austauschbar ist.
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Hier kann für jede Messgröße eine „All-in-On-Einheit“ bestehend aus Kathode, Anode, Membran und spezifischem Elektrolyt in der Kammer verwendet werden. Der Aufwand zur Wartung des Sensors sinkt erheblich, da lediglich die Einheit nach einem vorgegebenen Zeitraum als Ganzes ausgetauscht wird. Auch können keinerlei Fehler beim Montieren der Einheit mit dem Sensor auftreten. Hier werden Überdrücke im Inneren sowie der Einschluss von Luftblasen beim Zusammenbau ausgeschlossen bzw. vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Gehäuse dermaßen mittels eines Deckels verschlossen, dass der Elektrolyt in der Kammer eingeschlossen ist. Es laufen keine Chemikalien in Form von Elektrolyten mehr aus.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist das Gehäuse dermaßen mittels eines Septums verschlossen, dass die Kammer mittels einer Nadel mit Elektrolyt befüllbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante ist die austauschbare Einheit als Kassette ausgestaltet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die erste und zweite Elektrode und das Gehäuse einstückig metallisierten Kunststoff, wobei die erste und/oder zweite Elektrode mittels Laser-Direkt-Strukturierung erzeugt ist.
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Aufgrund der Verwendung massiver Gold-Elektroden und Silber-Anoden in bisher im Stand der Technik bekannten Sensoren werden größere Mengen Edelmetall benötigt. Dies führt zu erheblichen Kostenaufwendungen, die in Zukunft vermieden werden sollen. Um den Einweg-Prinzip fortzusetzen sind verschiedene Varianten zur Elektrodenherstellung u.a. die Laserdynamische Direktstrukturierung denkbar. Damit werden die Kosten für Edelmetalle auf ein erforderliches Minimum reduziert. Auch kann die notwendige Elektroden-Oberfläche auf die Elektrolytmenge eingestellt werden, sodass kein Vorrat an Silber vorhanden sein muss.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Messmediums vorgesehen, wobei die Messschaltung dazu ausgestaltet ist, das Messsignal in Abhängigkeit der Temperatur zu korrigieren.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist der Temperatursensor in der Einheit angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Temperatursensor in der ersten Elektrode angeordnet.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist der Temperatursensor an einer Spitze der ersten Elektrode angeordnet.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1A: einen Längsschnitt einer Einheit für einen amperometrischen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines Messmediums,
- 1B: einen vergrößerten Längsschnitt eines membranseitigen Endes einer Einheit entsprechend 1A,
- 2A: einen Längsschnitt einer Einheit entsprechend 1 mit einem Temperatursensor,
- 2B: einen vergrößerten Längsschnitt eines membranseitigen Endes einer Einheit entsprechend 2A, und
- 3: einen Längsschnitt einer Einheit entsprechend 1A, die mittels eines Septums verschlossen ist.
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1A zeigt einen Längsschnitt einer Einheit 7 für einen amperometrischen Sensor zur Messung mindestens einer Messgröße eines Messmediums. Die Einheit 7 umfasst ein Gehäuse 2 mit einer Kammer 3, die mit einem Elektrolyten (nicht dargestellt) gefüllt ist, und eine Membran 4, die eine erste Stirnfläche des Gehäuses 2 dermaßen verschließt, dass der Elektrolyt mit dem das Gehäuse 2 umgebenden Messmedium elektrolytisch kontaktierbar ist. Ferner umfasst die Einheit 7 eine als Kathode wirkende erste Elektrode 5, die mit dem Elektrolyten kontaktiert ist, und eine als Anode wirkende zweite Elektrode 6, die während der Messung mit dem Elektrolyten in Kontakt steht. Des Weiteren umfasst die Einheit 7 eine Messschaltung (nicht dargestellt), die mit der ersten und zweiten Elektrode 5, 6 zusammenwirkt und dazu ausgestaltet ist, ein die Messgröße repräsentierendes Messsignal zu erzeugen. Die Einheit 7 ist als Kassette (Cartridge) ausgestaltet und als Ganzes von dem Sensor austauschbar.
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Das Gehäuse 2 ist hohlzylinderförmig ausgestaltet. Eine zweite Stirnfläche des Gehäuses 2 ist mittels eines Deckels 8 dicht verschlossen. Die erste Elektrode 5 ist senkrecht zu dem Deckel 8 angeordnet, so dass die erste Elektrode 5 von der zweiten Stirnfläche innerhalb des Gehäuses 2 in Richtung der ersten Stirnfläche ragt. Die erste Elektrode 5 ist stabförmig und einstückig mit dem Deckel 8 ausgestaltet. Die erste Elektrode 5 umfasst metallisierten Kunststoff, und ist mittels Laser-Direkt-Strukturierung erzeugt. Die zweite Elektrode 6 ist als eine Metallschicht ausgestaltet und an einer Innenseite des Gehäuses 2 angeordnet.
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1B zeigt einen vergrößerten Längsschnitt eines membranseitigen Endes der Einheit 7 entsprechend 1. Eine Spitze der ersten Elektrode 5 ragt über die erste Stirnfläche des Gehäuses 2 hinaus und setzt die Membran 4 unter konstante mechanische Spannung.
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2A zeigt einen Längsschnitt einer Einheit 7 entsprechend 1 mit einem Temperatursensor 15. Die erste Elektrode 5 weist einen Hohlraum auf, in dem der Temperatursensor 15 eingebettet ist. Der Temperatursensor 15 befindet sich an einem membranseitigen Ende der ersten Elektrode 5, damit der Temperatursensor 15 die Temperatur des von dem Sensor umgebenden Messmediums misst. Von dem Temperatursensor 15 führen zwei Temperatursensordrähte 14 in Richtung des Deckels 8. Der Deckel 8 weist vier Metallstifte 9 auf, von denen zwei Metallstifte 9 mit den zwei Temperatursensordrähten 14 kontaktiert sind. Mittels der Metallstifte 9 kann der Temperatursensor 15 mit der Messschaltung kontaktiert werden. Die Messschaltung misst die Temperatur als Funktion der Zeit. Falls größere Temperaturschwankungen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls stattfinden, werden die Temperaturschwankungen bei der Bestimmung der Messwerte berücksichtigt.
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3 zeigt einen Längsschnitt einer Einheit 7 entsprechend 1, die mittels einer Nadel 18 mit Elektrolyt befüllbar ist. Hierzu weist der Deckel 8 eine Bohrung 17 zum Durchführen einer Nadel 18 auf. Innerhalb der Kammer 3 ist ein Septum 19 unmittelbar neben dem Deckel 8 angeordnet. Die Nadel 18 wird durch die Bohrung durchgeführt und durch das Septum 19 durchgesteckt. Anschließend kann die Kammer 3 über die Nadel 18 mit Elektrolyt gefüllt werden.
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Die Einheit 7 kann als Bestandteil einer amperometrischen Messanordnung verwendet werden. Die Messanordnung umfasst eine Arbeitselektrode (erste Elektrode 5) und eine Gegenelektrode (zweite Elektrode 6) sowie eine Bezugselektrode (nicht dargestellt), wobei die Gegenelektrode, die Arbeitselektrode und die Bezugselektrode mit einer Messschaltung (nicht dargestellt) elektrisch leitend verbunden sind. Zur Messung werden Bezugselektrode, Arbeitselektrode und Gegenelektrode in Kontakt mit dem Messmedium gebracht. Die Messschaltung kann in der amperometrischen Messanordnung eine potentiostatische Regelschaltung umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, zwischen der Arbeitselektrode und der nicht-stromdurchflossenen Bezugselektrode eine Sollspannung vorzugeben und die Stromstärke des bei der Einstellung der Sollspannung durch das Messmedium fließenden Stroms zu erfassen und ein davon abhängiges Messsignal zu erzeugen und auszugeben. Aus dem Messsignal kann die Messgröße des Messmediums hergeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Gehäuse
- 3
- Kammer
- 4
- Membran
- 5
- erste Elektrode
- 6
- zweite Elektrode
- 7
- Einheit aus erster und zweiter Elektrode und Gehäuse
- 8
- Deckel
- 9
- Metallstift
- 10
- Verdickung
- 11
- Anschluss
- 12
- Öffnung
- 13
- O-Ring
- 14
- Temperatursensordrähte
- 15
- Temperatursensor
- 17
- Bohrung
- 18
- Nadel
- 19
- Septum
