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Die Erfindung bezieht sich auf elektrochemische Sensoren zum Messen einer chemischen Größe eines Mediums.
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Für die kontinuierliche Überwachung von Prozessen, beispielsweise in chemischen, pharmazeutischen, biotechnologischen oder lebensmitteltechnischen Verfahren oder von Prozessen im Zusammenhang mit Wasserreinigung und -aufbereitung, werden häufig elektrochemische Sensoren eingesetzt. Beispiele für elektrochemische Sensoren sind beispielsweise potentiometrische Messketten zur pH-Messung oder zur Messung von lonenkonzentrationen in einem Messmedium.
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Ein potentiometrischer Sensor umfasst eine Messelektrode und eine Bezugselektrode, sowie eine Sensorschaltung. Die Messelektrode weist ein sensitives Element auf, das häufig als Messmembran ausgestaltet ist, an dem sich in Kontakt mit einem Messmedium ein von der Messgröße, z.B. einer lonenkonzentration oder dem pH-Wert, abhängiges Potential einstellt. Ein solches sensitives Element kann beispielsweise eine ionenselektive Membran oder eine pH-sensitive Glasmembran sein. Als Bezugselektrode kann beispielsweise eine Referenzelektrode zweiter Art, z.B. eine Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode verwendet werden, die ein von der Messgröße unabhängiges, stabiles Bezugspotential zur Verfügung stellt. Die Sensorschaltung ist mit der Messelektrode und der Bezugselektrode verbunden und dazu ausgestaltet, die Potentialdifferenz zwischen der Messelektrode und der Bezugselektrode zu erfassen und ein davon abhängiges Messsignal, das die Messgröße repräsentiert, auszugeben.
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Als Referenzelektroden zweiter Art ausgestaltete Bezugselektroden können ein Bezugselement umfassen, welches in einen Bezugselektrolyten eintaucht. Der Bezugselektrolyt ist in einer in einem Gehäuse der Bezugselektrode gebildeten Kammer aufgenommen. Zur Durchführung einer potentiometrischen Messung muss der Bezugselektrolyt mit dem Messmedium in elektrolytischem Kontakt stehen. Dieser Kontakt wird durch eine Überführung, die beispielsweise aus einer durch die Gehäusewand hindurchgehenden Durchgangsbohrung, einem porösen Diaphragma oder einem Spalt bestehen kann, hergestellt. Das Potential der Bezugselektrode wird durch den Bezugselektrolyt und das Bezugselement definiert. Ist die Bezugselektrode als Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode ausgestaltet, handelt es sich bei dem Bezugselektrolyten beispielsweise um eine wässrige Lösung mit hoher Chlorid-Konzentration, in der Regel eine 3 molare KCl-Lösung, und bei dem Bezugselement um einen chloridierten Silberdraht. Der Bezugselektrolyt kann durch Zugabe eines Verdickungsmittels, insbesondere eines Polymers angedickt sein.
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Potentiometrische Sensoren können eine Messkette mit zwei getrennten Gehäusen für Mess- und Bezugselektrode umfassen. Häufig sind beide Elektroden jedoch in einer Einstabmesskette zusammengefasst, die ein einziges Gehäuse aufweist, in dem zwei voneinander getrennte Kammern gebildet sind, wobei in einer Kammer die Bezugselektrode und in der anderen Kammer die Messelektrode gebildet ist.
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Durch Verschmutzung oder Zusetzung der Überführung oder durch das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten kann es zu Drift des Bezugspotentials und damit zu Fehlmessungen kommen. Eine mögliche Maßnahme zur Vermeidung des Eindringens von Messmedium in den Bezugselektrolyten und zum Freihalten der Überführung besteht darin, für einen kontinuierlichen Ausfluss des Bezugselektrolyten durch die Überführung zu sorgen. Dies kann gewährleistet werden, indem die den Bezugselektrolyten enthaltende Gehäusekammer mit Druck beaufschlagt wird, wobei ein Überdruck angestrebt wird, der mit Sicherheit höher ist als der im Messmedium herrschende Druck.
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Das sensitive Element wird mittels einer Behälter-Kappe feucht gehalten. Die Behälter-Kappe ist so ausgeführt, dass eine Formdichtung über ein Gewinde oder ein Bajonett zur Gehäusewand hin verspannt wird. Die Kammer des Gehäuses wird mit Druck (ca. 6-7 bar) beaufschlagt. Dieser baut sich über die Zeit infolge Diffusion durch das Diaphragma ab. Die Formdichtung zwischen Behälter-Kappe und Gehäusewand verhindert, dass Flüssigkeit austreten kann.
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Aufgrund des Überdrucks in der Kammer diffundiert Flüssigkeit aus der Kammer in die Behälter-Kappe. Damit steigt der Druck in der Behälter-Kappe an. Da die Reibungskraft zwischen Formdichtung und Gehäusewand nicht mehr als ca. 1 bar Überdruck zur Umgebung zulässt, kommt es zu einer axialen Verschiebung der Behälter-Kappe. Somit herrscht dauerhaft ein Druckunterschied zwischen der Kammer und dem Innenraum der Behälter-Kappe, wodurch sich die Diffusion bis zum vollständigen Druckausgleich fortsetzt. Damit ist die Lagerzeit des Sensors zeitlich eingeschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Sensor zum Messen einer chemischen Größe eines Mediums bereitzustellen, welches länger haltbar ist.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein elektrochemischer Sensor zum Messen einer chemischen Größe eines Mediums, umfassend:
- ein Gehäuse mit einer Wandung, die eine Kammer einschließt, wobei die Kammer mit einem Elektrolyt gefüllt und mit Druck beaufschlagt ist,
- wobei die Wandung an einer mit dem Medium zu kontaktierenden Fläche ein sensorisch wirksames Element zum Messen der chemischen Größe des Mediums aufweist,
- ein in den Elektrolyten eintauchendes Bezugselement,
- eine Behälter-Kappe zum luftdichten Abdecken des sensorisch wirksamen Elements,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass der Sensor ein Verbindungselement zum Fixieren der Behälter-Kappe an dem Gehäuse aufweist.
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Die Erfindung betrifft einen Verbindungselement, welche die Gehäusewand und die Behälter-Kappe verbindet. Somit wird eine Verschiebung der Behälter-Kappe auf der Gehäusewand verhindert. Damit steigt der Druck in der Behälter-Kappe unmittelbar auf die Größe des Drucks in der Kammer an und die Diffusion ist gestoppt. Durch die Erhaltung des Innendrucks des Sensors kann die Lagerzeit der Sensoren deutlich gesteigert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante ist das Verbindungselement lösbar an dem Gehäuse und/oder der Behälter-Kappe verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weisen die Behälter-Kappe und/oder das Gehäuse einen radialen Vorsprung zur formschlüssigen Verbindung mit dem Verbindungselement auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante weisen die Behälter-Kappe und/oder das Gehäuse ein Gewinde zur formschlüssigen Verbindung mit dem Verbindungselement auf. Durch ein definiertes Anzugsmoment eines PG-Gewindes ist es möglich einen Druck in der Kammer zu erhöhen, indem durch Aufschrauben des Verbindungselements auf das Gehäuse ein Überdruck in der Behälter-Kappe erzeugt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Verbindungselement zwei Ringe auf, die starr miteinander verbunden sind, insbesondere mittels mindestens zwei, bevorzugt drei Stangen. Das Verbindungselement ist bevorzugt zylindrisch ausgestaltet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein erster Ring an dem Gehäuse und ein zweiter Ring an die Behälter-Kappe befestigbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante enthält ein Innenraum der Behälter-Kappe ein Elektrolyt oder eine Pufferlösung, wie beispielsweise KCI.
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Gemäß einer vorteilhaften Variante umfasst die Wandung des Gehäuses Glas.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine Seitenansicht eines herkömmlichen elektrochemischen Sensors, und
- 2: eine Seitenansicht eines elektrochemischen Sensors entsprechend 1 mit einem Verbindungselement.
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1 zeigt eine Seitenansicht eines herkömmlichen elektrochemischen Sensors 1 zum Messen einer chemischen Größe eines Mediums. Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 2 aus Glas mit einer Wandung 3, die eine Kammer (nicht dargestellt) einschließt. Die Kammer ist mit einem Elektrolyt gefüllt und mit Druck beaufschlagt. Die Wandung 3 weist an einer mit dem Medium zu kontaktierenden Fläche ein sensorisch wirksames Element 4 zum Messen der chemischen Größe des Mediums auf. Eine Behälter-Kappe 5 dient zum luftdichten Abdecken des sensorisch wirksamen Elements 4.
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Die Behälter-Kappe 5 ist aus Kunststoff und weist eine Schraubhülse auf, die als ein Vorsprung 7 radial nach außen ragt. An einem der Behälter-Kappe 5 gegenüberliegenden Ende weist das Gehäuse 2 ein Gewinde 11 aus Kunststoff auf. Das Gehäuse 2 ist als ein Steckkopf oder ein Prozessanschluss des elektrochemischen Sensors ausgestaltet. Der Innendruck des Gehäuses 2 beträgt 6 - 7 bar. Dies führt dazu, dass Luft und/oder Elektrolyt in die Behälter-Kappe 5 diffundieren und den Innendruck in der Behälter-Kappe 5 ansteigen lassen. Ist die Behälter-Kappe 5 nicht fest genug an dem Gehäuse 2 verschraubt, dann verschiebt sich die Behälter-Kappe 5 axial von dem Gehäuse 2 weg (siehe Pfeil).
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2 zeigt eine Seitenansicht eines elektrochemischen Sensors 1 entsprechend 1 mit einem Verbindungselement 6 zum Fixieren der Behälter-Kappe 5 an dem Gehäuse 2. Das Verbindungselement 6 ist aus Metall und lösbar an dem Gehäuse 2 und die Behälter-Kappe 5 verbunden. Hierzu weist das Verbindungselement 6 zwei Ringe 8, 10 auf, die als LochScheiben ausgestaltet sind, die mittels drei Stangen 9 miteinander befestigt sind. Eine erster Ring 8 ist an dem Vorsprung 7 der Behälter-Kappe 5 und ein zweiter Ring 10 ist mit dem PG-Gewinde 11 der Behälter-Kappe 5 verschraubt. Auf diese Weise bleibt selbst bei einem Druckanstieg innerhalb der Behälter-Kappe 5, die Behälter-Kappe 5 fest an seinem ursprünglichen Platz und deckt das sensorisch wirksame Element luftdicht ab. Durch das Anziehen des der Behälter-Kappe 5 in Richtung des Gehäuses 2 kann der Druck in Kammer weiter erhöht oder einem Druckabfall in der Kammer entgegengewirkt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Wandung
- 4
- Sensorisch wirksames Element
- 5
- Behälter-Kappe
- 6
- Verbindungselement
- 7
- Radialer Vorsprung
- 8
- Erster Ring
- 9
- Stange
- 10
- Zweiter Ring
- 11
- PG-Gewinde
