DE102017124938A1

DE102017124938A1 - Sensor zur Messung einer Konzentration eines Ions

Info

Publication number: DE102017124938A1
Application number: DE102017124938.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Vettermann; Stephan Jugert; Erik Hennings
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-25
Filing date: 2017-10-25
Publication date: 2019-04-25
Also published as: US20190120786A1; CN109709190A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer Konzentration eines in einer Messlösung gelösten Ions, umfassend, mehrere ionenselektive Elektroden (3) mit jeweils einer sensitiven Oberfläche zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei die Elektroden (3) verbrauchte und unverbrauchte Elektroden umfassen, eine Bezugselektrode (7) zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei ein Messwert einer elektrischen Spannung zwischen einer der unverbrauchten Elektroden und der Bezugselektrode ein Maß für die Konzentration des in der Messlösung gelösten Ions ist, einen Messumformer zum Bestimmen des Messwerts der Spannung und zum Umwandeln des Messwerts in eine Konzentration des Ions, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer eine Schalteinheit zum Aktivieren einer unverbrauchten Elektrode und zum Deaktivieren aller anderen Elektroden aufweist, und dass die sensitive Oberfläche von unverbrauchten Elektroden jeweils eine Abdeckung aufweisen, welche die sensitive Oberfläche gegen die Messlösung mediumsdicht abdecken.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Messung einer Konzentration eines in einer Messlösung gelösten Ions, mittels ionenselektiver Elektroden.
Ionenselektive Elektroden werden häufig in der Prozessindustrie, beispielsweise in der Wasserwirtschaft eingesetzt und messen z. B. im Wasser gelöste Ionen, wie beispielsweise Ammonium, Kalium, Nitrat und Chlorid. Über die Verwendungsdauer einer ionenselektiven Elektrode hinweg sinkt jedoch die Performance, stetig bis hin zum Ende der Betriebsfähigkeit der Elektrode. Dies resultiert aus Undichtigkeiten oder auch nicht ausreichende Beständigkeit gegenüber Tensiden oder anderen Störstoffen. Somit wird teilweise, je nach Einsatzbedingung, nur eine kurze Lebenszeit solch eines Sensors erreicht. Die Elektrode wird unbrauchbar und muss frühzeitig ausgetauscht werden. Dazu kann je nach Hersteller entweder der ganze Sensor, eine Membrankappe oder eine ganze Kartusche ausgetauscht werden. Dies ist sehr aufwändig und erzeugt auch Abfall. Wünschenswert ist eine Verlängerung der Einsatzdauer von Sensoren mit ionenselektiven Elektroden.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Sensor zur Messung einer Konzentration eines in einer Messlösung gelösten Ions bereitzustellen, dessen Elektroden vereinfacht und mit wenig Abfall ausgetauscht werden können.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Erfindung gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Sensor zur Messung einer Konzentration eines in einer Messlösung gelösten Ions, umfassend,
mehrere ionenselektive Elektroden mit jeweils einer sensitiven Oberfläche zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei die Elektroden verbrauchte und unverbrauchte Elektroden umfassen,
eine Bezugselektrode zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei ein Messwert einer elektrischen Spannung zwischen einer der Elektroden und der Bezugselektrode ein Maß für die Konzentration des in der Messlösung gelösten Ions ist,
einen Messumformer zum Bestimmen des Messwerts der Spannung und zum Umwandeln des Messwerts in eine Konzentration des Ions, dadurch gekennzeichnet,
dass der Messumformer eine Schalteinheit zum Aktivieren einer unverbrauchten Elektrode und zum Deaktivieren aller anderen Elektroden aufweist, und
dass die sensitive Oberfläche von unverbrauchten Elektroden jeweils eine Abdeckung aufweisen, welche die Oberfläche gegen die Messlösung mediumsdicht abdecken.
Die Schalteinheit weist für jede Elektrode einen Kanal auf. Der Bediener schaltet am Messumformer auf einen Kanal mit einer unverbrauchten Elektrode um, um diese Elektrode zu aktivieren. Diese Elektrode ist werkskalibriert und liefert einen korrekten Messwert mit geringer Abweichung. Durch das Umschalten auf einen anderen Kanal wird der bisher verwendete Kanal abgeschaltet. Eine Temperierung auf die Messlösung entfällt, genau wie ein Einlaufen der Referenzelektrode, da alle Elektroden bereits mit dem Medium kontaktiert sind.
Die ionenselektiven Elektroden können unter der Abdeckung bereits kalibriert und/oder im Elektrolyt gelagert sein um ein Austrocknen zu vermeiden. Damit ist die aktive Elektrode sofort einsatzbereit. Durch die Verwendung von mehreren nacheinander aktivierbaren Elektroden zur Messung der lonenkonzentration kann die Lebenszeit des Sensors um ein Vielfaches verlängert werden. Die Kammern werden solange wie nötig durch die Abdeckung von der Umgebung isoliert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Sensor eine Aufnahmeeinheit zum Aufnehmen der Elektroden auf, wobei die Elektroden jeweils in einer Kammer der Aufnahmeeinheit angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Variante verschließt mindestens eine der Abdeckungen eine Kammer mediumsdicht gegen die Messlösung. Als Abfall entsteht hierbei nur die Abdeckung in Form einer dünnen Folie. Somit ist der Wartungsaufwand sehr gering und besteht nur aus dem Entfernen der Abdeckung.
Gemäß einer vorteilhaften Variante weist der Sensor Mittel zum Durchstoßen einer inaktiven Elektrode aus der Kammer durch die Abdeckung auf. Ein solches Mittel kann hier eine mechanische Einheit sein, die axial in Richtung der Messlösung bewegt werden kann. Dies kann entweder durch das Messelement der Elektrode mittels eines Knopfes oder mittels eines Motors oder einer Lineareinheit über den Messumformer erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine der Abdeckungen eine Lasche zum Abziehen der Abdeckung auf.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens eine der Abdeckungen eine Membran, eine Kappe oder ein Deckel. Die Membran kann über den noch nicht zu aktivierten, somit zu schützenden sensitiven Oberfläche der Elektroden beispielsweise durch Ultraschallschweißen an der Aufnahmeeinheit oder an der Elektrode aufgebracht werden.
Gemäß einer günstigen Weiterbildung ist die Aufnahmeeinheit zylinderförmig ausgestaltet.
Gemäß einer günstigen Variante ist die Aufnahmeeinheit als eine Revolvertrommel ausgestaltet.
Gemäß einer günstigen Ausführungsform umfasst die Revolvertrommel eine drehbare Abdeckscheibe mit einer Öffnung, welche dermaßen drehbar um eine Längsachse der Revolvertrommel angeordnet ist, dass die Öffnung nur eine Elektrode freigibt, welche die aktive Elektrode definiert.
Die Abdeckscheibe funktioniert ähnlich einer Wählscheibe eines Telefons. Der Bediener wählt am Messumformer nach dem Verbrauch der aktiven Elektrode eine noch inaktive Elektrode aus und mittels eines Stellgliedes (Schrittmotor oder manuell drehende Wählscheibe) wird automatisch die noch inaktive Elektrode aktiv geschaltet.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung umfasst die Revolvertrommel eine Abdeckscheibe mit einer Öffnung, welche dermaßen um eine Längsachse der drehbaren Revolvertrommel angeordnet ist, dass die Öffnung nur eine Elektrode freigibt, welche die aktive Elektrode definiert. Die Abdeckscheibe funktioniert hier ähnlich eines Revolvers.
In einer weiteren Ausprägung besitzt das Messsystem eine Diagnose-Funktionalität welche automatisch die aktive Elektrode überwacht und bei entsprechendem Verbrauch selbstständig eine inaktive Elektrode auswählt und aktiviert. Es erfolgt dann eine Information an die Prozessleitstelle bzw. Messumformer über die Restlaufzeit des Sensors mit den verbleibenden inaktiven Elektroden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1: eine Seitenansicht einer als Revolvertrommel ausgestalteten Aufnahmeeinheit eines Sensors zur Messung einer Ionen-Konzentration,
2: eine Vorderansicht einer Revolvertrommel-förmigen Aufnahmeeinheit entsprechend 1,
3: eine Seitenansicht einer weiteren als Revolvertrommel ausgestalteten Aufnahmeeinheit mit einer Abdeckscheibe, und
4: eine Vorderansicht einer Revolvertrommel-förmigen Aufnahmeeinheit entsprechend 3.

1 zeigt eine Seitenansicht einer als Revolvertrommel ausgestalteten Aufnahmeeinheit 1 eines Sensors zur Messung einer Ionen-Konzentration, hier eines Ammonium-Ions. Die Aufnahmeeinheit 1 umfasst fünf Kammern 2, deren Längsachsen parallel zu einer Längsachse der Aufnahmeeinheit 1 um diese herum angeordnet sind. Die Kammern 2 weisen an einer Stirnfläche der Aufnahmeeinheit 1 jeweils eine Öffnung auf.
Innerhalb jeder Kammer 2 ist eine ionenselektive Elektrode 3 angeordnet. Von den fünf Kammern 2 weisen vier eine Abdeckung 6 auf, welche die Kammern 2 mediumsdicht abschließen. Die Abdeckungen 6 weisen jeweils eine Lasche 8 zum Abziehen der Abdeckung 6 auf. Eine Kammer 2 ist abdeckungsfrei. Die Elektroden 3, die innerhalb einer Kammer 2 mit einer Abdeckung 6 angeordnet sind, hatten noch keinen Kontakt mit der Messlösung. Die Abdeckung 6 fungiert hier als Schutzfolie, so dass die abgedeckten Elektroden 3 unverbraucht sind. Eine sensitive Oberfläche der abdeckungsfreien Elektrode 3 ist direkt mit der Messlösung kontaktierbar. Daher ist die abdeckungsfreie Elektrode 3 die derzeit aktive Elektrode 4. Alle anderen Elektroden 3 sind inaktive Elektroden 5.
Mittig zur Längsachse der Aufnahmeeinheit 1 ist eine Bezugselektrode 7 zum Kontaktieren mit der Messlösung angeordnet. Die Bezugselektrode 7 wird mittig verbaut, damit sie nicht von der Abdeckung und dem Wählvorgang beeinflusst wird.
Ein Messwert einer elektrischen Spannung zwischen der aktiven Elektrode 4 und der Bezugselektrode 2 ist ein Maß für die Konzentration des in der Messlösung gelösten Ions. Ein Messumformer (nicht dargestellt) bestimmt den Messwert der Spannung und wandelt den Messwert in eine Konzentration des Ions um. Der Messumformer weist eine Schalteinheit (nicht dargestellt) auf, dazu eingerichtet ist, um die elektrische Spannung zwischen der aktiven abdeckungsfreien Elektrode 4 und der Bezugselektrode 7 zu messen.
Ist die aktive Elektrode 4 verbraucht, dann wird die Abdeckung 6 einer der unverbrauchten Elektroden mittels seiner Lasche 8 abgezogen und die dazugehörige Elektrode mittels der Schalteinheit des Messumformers aktiviert. Die ursprünglich aktive Elektrode 4 wird zu einer inaktiven verbrauchten Elektrode 5. Die folgenden Messungen werden mit der Bezugselektrode 7 und der aktiven Elektrode durchgeführt.
2 zeigt eine Vorderansicht einer Revolvertrommel-förmigen Aufnahmeeinheit 1 entsprechend 1.
3 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren als Revolvertrommel ausgestalteten Aufnahmeeinheit 1 mit einer Abdeckscheibe 9. Im Gegensatz zu der Aufnahmeeinheit entsprechend 1 sind die Kammern 2 nicht mittels Abdeckungen abgedeckt. Dafür weist die Aufnahmeeinheit 1 die Abdeckscheibe 9 mit einer Öffnung 10 auf. Die Abdeckscheibe 9 ist drehbar gelagert und dreht sich um die Längsachse der Aufnahmeeinheit 1. Die Abdeckscheibe 9 ist dermaßen auf der Stirnfläche der Aufnahmeeinheit 1 angeordnet, dass die Öffnung 10 eine Kammer 2 freigibt und alle anderen Kammern 2 mediumsdicht verschließt. Die freigegebene Kammer 2 ist die Kammer 2 mit der aktiven Elektrode 4 und die anderen abgedeckten Kammern 2 sind die Kammern 2 mit den inaktiven Elektroden 5.
Alternativ kann die Abdeckscheibe 9 fest gelagert und die Revolvertrommelförmige Aufnahmeeinheit 1 drehbar gelagert sein.
4 zeigt eine Vorderansicht einer Revolvertrommel-förmigen Aufnahmeeinheit entsprechend 3.
Bezugszeichenliste

1: Aufnahmeeinheit
2: Kammer
3: Ionenselektive Elektrode
4: Aktive Elektrode
5: Inaktive Elektrode
6: Abdeckung
7: Bezugselektrode
8: Lasche
9: Abdeckscheibe
10: Öffnung

Claims

Sensor zur Messung einer Konzentration eines in einer Messlösung gelösten Ions, umfassend, mehrere ionenselektive Elektroden (3) mit jeweils einer sensitiven Oberfläche zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei die Elektroden (3) verbrauchte und unverbrauchte Elektroden umfassen, eine Bezugselektrode (7) zum Kontaktieren mit der Messlösung, wobei ein Messwert einer elektrischen Spannung zwischen einer der unverbrauchten Elektroden und der Bezugselektrode ein Maß für die Konzentration des in der Messlösung gelösten Ions ist, einen Messumformer zum Bestimmen des Messwerts der Spannung und zum Umwandeln des Messwerts in eine Konzentration des Ions, dadurch gekennzeichnet, dass der Messumformer eine Schalteinheit zum Aktivieren einer unverbrauchten Elektrode und zum Deaktivieren aller anderen Elektroden aufweist, und dass die sensitive Oberfläche von unverbrauchten Elektroden jeweils eine Abdeckung aufweisen, welche die sensitive Oberfläche gegen die Messlösung mediumsdicht abdecken.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Aufnahmeeinheit (1) zum Aufnehmen der Elektroden aufweist, und wobei die Elektroden jeweils in einer Kammer der Aufnahmeeinheit (1) angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine der Abdeckungen (6) eine Kammer (2) mediumsdicht gegen die Messlösung verschließt.
Sensor nach Anspruch 3, wobei der Sensor Mittel zum Durchstoßen einer inaktiven Elektrode (5) aus der Kammer (2) durch die Abdeckung (6), aufweist.
Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine der Abdeckungen (6) eine Lasche (8) zum Abziehen der Abdeckung (6) aufweist.
Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Abdeckungen (6) eine Membran, eine Kappe oder ein Deckel ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahmeeinheit (1) zylinderförmig ausgestaltet ist.
Sensor nach Anspruch 7, wobei die Aufnahmeeinheit (1) als eine Revolvertrommel ausgestaltet ist.
Sensor nach Anspruch 8, wobei die Revolvertrommel eine drehbare Abdeckscheibe (9) mit einer Öffnung (10) umfasst, welche dermaßen drehbar um eine Längsachse der Revolvertrommel angeordnet ist, dass die Öffnung (10) nur eine Elektrode freigibt, welche die aktive Elektrode definiert.
Sensor nach Anspruch 8, wobei die Revolvertrommel eine Abdeckscheibe (9) mit einer Öffnung (10) umfasst, welche dermaßen um eine Längsachse der drehbaren Revolvertrommel angeordnet ist, dass die Öffnung (10) nur eine Elektrode freigibt, welche die aktive Elektrode definiert.