DE102018121787A1

DE102018121787A1 - Elektrodenbaugruppe, amperometrischer Sensor, dessen Herstellung und Verwendung

Info

Publication number: DE102018121787A1
Application number: DE102018121787.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Fanselow; Erik Hennings; Jens Vettermann
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2018-09-06
Publication date: 2020-03-12

Abstract

Die Erfindung offenbart eine Elektrodenbaugruppe (8) für einen amperometrischen Sensor (1), zumindest umfassend: eine erste Elektrode (29); eine zweite Elektrode (33); und einen Elektrodenkörper (7), wobei der Elektrodenkörper (7) um die erste Elektrode (29) herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht wird, und wobei die zweite Elektrode (33) auf dem Elektrodenkörper (7) angebracht ist. Die Erfindung offenbart weiter einen amperometrischen Sensor (1) umfassend eine solche Elektrodenbaugruppe (8) und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenbaugruppe. Die Erfindung betrifft weiter einen amperometrischen Sensor umfassend eine solche. Die Erfindung betrifft weiter die Herstellung und Verwendung eines amperometrischen Sensors.
Amperometrische Sensoren bestehen aus einer Arbeits- und einer Gegenelektrode. In der Regel wird die Arbeitselektrode aus einem Edelmetall, meist Gold oder Platin, gebildet. Das Gold wird oft durch verschiedene Verfahren in einem Kunststoffträger fixiert.
Amperometrische Sensoren werden häufig für die Analyse von gasförmigen Medien wie beispielsweise Sauerstoff oder verschiedene Desinfektionsmedien eingesetzt. Dazu umgibt die beiden Elektroden eine Elektrolytkappe oder ein Hülsenkörper mit einer für den Analyten durchlässigen Membran. Innerhalb dieser Kappe befindet sich ein Elektrolyt welcher einen Stromfluss durch eine angelegte Polarisationsspannung ermöglicht. Dieser ist proportional zur umgesetzten Stoffmenge und damit zur Konzentration.
Die Einbettung der Arbeitselektrode und/oder der Gegenelektrode in einen Träger ist gerade bei sehr hohen Konzentrationen des zu messenden Analyten problematisch, da es zu Beständigkeitsproblemen bzw. Quellungen kommen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Träger für eine oder mehrere Elektroden bereitzustellen, der sich einfach fertigen lässt und auch hohe Konzentrationen des Analyten aushält.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrodenbaugruppe für einen amperometrischen Sensor, zumindest umfassend: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und einen Elektrodenkörper, wobei der Elektrodenkörper um die erste Elektrode herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht wird, und wobei die zweite Elektrode auf dem Elektrodenkörper angebracht ist.
Durch die beanspruchte Elektrodenbaugruppe entsteht eine einstückige Verbindung der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. Dadurch ergibt sich eine einfach zu fertigende Komponente, die widerstandsfähig gegenüber dem zu messenden Medium ausgestaltet ist und die zudem dicht ausgestaltet ist.
In einer Ausgestaltung besteht die erste Elektrode aus Gold oder Platin.
In einer Ausgestaltung besteht der Elektrodenkörper aus einem Thermoplast, insbesondere Polyetheretherketon, oder einem Duroplast.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Elektrode eine Elektrode zweiter Art, insbesondere handelt es sich um eine Silber-Silberchlorid-Elektrode.
In einer Ausgestaltung entsteht die zweite Elektrode durch Aktivieren der Oberfläche des Elektrodenkörpers.
In einer Ausgestaltung ist die Elektrodenbaugruppe als Moulded Interconnect Device ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung wird die zweite Elektrode durch ein Abscheideverfahren, insbesondere durch Physikalische oder Chemische Gasphasenabscheidung, hergestellt.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Elektrode als um den Elektrodenkörper angebrachter leitfähiger Draht ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Elektrode als um den Elektrodenkörper geschobene Hülse in Form eines Festkörpers ausgestaltet.
In einer Ausgestaltung umfasst die Elektrodenbaugruppe einen Temperatursensor, wobei der Elektrodenkörper um den Temperatursensor herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht wird. In einer Ausgestaltung wird der Temperatursensor durch das gleiche Spritzgussverfahren aufgebracht.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch einen amperometrischen Sensor umfassend eine Elektrodenbaugruppe wie oben beschrieben, und eine Kappe mit einer Membran, welcher um die Elektrodenbaugruppe herum anbringbar ist, insbesondere durch eine Schraub- oder Steckverbindung, wodurch sich ein mit Elektrolyt füllbarer Innenraum bildet.
In einer Ausgestaltung umfasst der amperometrische Sensor eine weitere, dritte Elektrode, die als Referenzelektrode ausgestaltet ist. Die Referenzelektrode ist im Innenraum angeordnet.
In einer Ausgestaltung umfasst der amperometrische Sensor eine Messschaltung, die dazu ausgestaltet ist, eine Spannung zwischen der Messelektrode und der zweiten Elektrode anzulegen, einen durch den Elektrolyten fließenden Strom zu erfassen und ein auf der erfassten Stromstärke basierendes Messsignal zu erzeugen und auszugeben.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch Verfahren zur Herstellung eines amperometrischen Sensors wie oben beschrieben. Das Verfahren umfasst zumindest die Schritte: Bereitstellen einer ersten Elektrode; Umspritzen zumindest der ersten Elektrode und dadurch Erstellen eines Elektrodenkörpers; Erstellen der zweiten Elektrode; und Anbringen einer Kappe, insbesondere durch eine Schraub- oder Steckverbindung, um die erste und zweite Elektrode.
In einer Ausgestaltung wird ein Temperatursensor mit umspritzt.
In einer Ausgestaltung wird vor Umspritzen der Elektrode und gegebenenfalls des Temperatursensors diese aufgeraut, insbesondere mittels Sandstrahlen oder Saccostrahlen. Dadurch wird die Haftung verbessert.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch die Verwendung des amperometrischen Sensors wie oben beschrieben zur Messung von Sauerstoff, Chlor, Chlordioxid, Brom, Wasserstoffperoxid, Peroxyessigsäure oder Ozon.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1a/b zeigt einen Querschnitt des vorderen Teils des beanspruchten amperometrischen Sensors mit zwei Ausgestaltungen der zweiten Elektrode.
2 zeigt die erste und zweite Elektrode sowie den Elektrodenkörper.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der beanspruchte Sensor in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
In 1a/b ist schematisch in einem Querschnitt ein vorderer, zum Eintauchen in ein Messmedium bestimmter Abschnitt eines amperometrischen Sensors 1 dargestellt. Der Sensor 1 umfasst ein Gehäuse 3, welches aus einem ersten Gehäuseteil 5 und einem zweiten Gehäuseteil 7 gebildet ist, die mittels einer Schraubverbindung lösbar miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 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. 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 Innenraum 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 Innenraum 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 Innenraum 23 ab. Der Innenraum 23 ist mit einem flüssigen Elektrolyten gefüllt.
Das zweite Gehäuseteil 7 umfasst weiter einen zylindrischen Schaft 25, von dem in 1 nur ein vorderer Abschnitt dargestellt ist. An seinem vorderen, d.h. dem ersten Gehäuseteil 5 zugewandten, Ende weist der Schaft 25 einen in den Innenraum 23 hineinragenden zylindrischen Elektrodenkörper 27 auf, dessen Querschnitt gegenüber dem Querschnitt des Schafts 25 reduziert ist. Der Schaft 25 und der Elektrodenkörper können einstückig ausgestaltet sein oder aus zwei Teilen bestehen, die beispielsweise zusammengeklebt sind.
Der Schaft 25 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Glas oder Kunststoff, wie PEEK oder PVC. Gegebenenfalls ist der Schaft auf die gleiche Weise und aus dem gleichen Material gefertigt wie der Elektrodenkörper 27, siehe unten. Der Elektrodenkörper 27 ummantelt eine elektrisch leitfähige Messelektrode 29, im Sinne dieser Anmeldung eine erste Elektrode, und isoliert diese bis auf ihre Stirnfläche 31 elektrisch gegenüber dem im Innenraum 23 enthaltenen Elektrolyten. Die Stirnfläche 31 der Messelektrode 29 und die sie umgebende Stirnfläche des Elektrodenkörpers 27 liegen zumindest teilweise gegen die Membran 9 an, so dass nur ein dünner Elektrolytfilm zwischen der Stirnfläche 31 der Messelektrode 29 und der Membran 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 Elektrode 29 kann beispielsweise aus einem Metall, insbesondere einem Edelmetall, bestehen. Die Elektrode 29 ist etwa aus Gold oder Platin. Die Elektrode 29 ist als zylinderförmiger Stift ausgestaltet.
Der Elektrodenkörper 27 wird um die erste Elektrode 29 herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht. Der Elektrodenkörper 27 ist aus Polyetheretherketon gespritzt.
Dadurch entsteht die Elektrodenbaugruppe 8, welche die erste und zweite Elektrode 29 und 33 sowie den Elektrodenkörper 27 umfasst.
Im Innenraum 23 ist eine weitere, als Gegenelektrode dienende, Elektrode 33 angeordnet. Im Sinne dieser Anmeldung ist dies die zweite Elektrode. Die zweite Elektrode 33 ist mittels der Kontaktierung 37 mit einer Messschaltung und/oder Datenverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) verbunden. Ebenso ist die erste Elektrode 29 mit Messschaltung und/oder Datenverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) verbunden.
1a zeigt eine erste Ausgestaltung. Die zweite Elektrode 33 ist direkt auf den Elektrodenkörper 27 aufgebracht.
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten. In einer Ausgestaltung ist der Elektrodenkörper 27 als Moulded Interconnect Device (deutsch: spritzgegossene Schaltungsträger) ausgestaltet. Moulded Interconnect Device sind Kunststoffteile, welche darauf aufgebrachte metallische Leiterbahnen umfassen. Die zweite Elektrode 33 wird dabei etwas durch Laserstrukturierung aktiviert, durch Heißprägen erstellt oder der Elektrodenkörper samt Elektrode 33 durch Zweikomponentenspritzguss erstellt. Die Elektrode 33 kann auch durch Maskenbelichtungsverfahren des Elektrodenkörpers 27 erstellt werden. Alle genannten Verfahren haben bezüglich der Ausgestaltung als Moulded Interconnect Device gemeinsam, dass der Elektrodenkörper 27 entsprechend ausgestaltet sein muss, und die Elektrode 33 direkt auf dem Körper 27 entsteht.
In einer Ausgestaltung ist die zweite Elektrode 33 durch ein physikalisches oder chemisches Abscheideverfahren, insbesondere ein Gasabscheideverfahren, direkt auf dem Elektrodenkörper 27 aufgebracht.
In den genannten Fällen entsteht somit ein einstückiger Körper, der sowohl die erste als auch die zweite Elektrode 29, 33 umfasst.
1a umfasst der Elektrodenkörper 27 einen Temperatursensor 35. Der Temperatursensor ist wie die erste Elektrode 29 direkt vom Kunststoff umspritzt worden und somit auch Teil des einstückigen Körpers 27.
1b zeigt eine zweite Ausgestaltung. Die zweite Elektrode 33 ist dabei als auf dem Elektrodenkörper angebrachter leitfähiger Draht ausgestaltet.
Alternativ, aber nicht abgebildet ist die zweite Elektrode 33 als um den Elektrodenkörper 27 geschobene Hülse in Form eines Festkörpers ausgestaltet.
Optional kann in dem Innenraum 23 eine dritte Elektrode, die als Referenzelektrode zur Einstellung eines Potentials der Messelektrode 29 dient, angeordnet sein (in 1 nicht dargestellt). Die Elektroden sind elektrisch leitend mit einer außerhalb des Innenraums 23, beispielsweise innerhalb des Schaftes 25 oder in einem mit dem Schaft 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. Bei dieser drei-Elektrodenanordnung erfolgt eine räumliche Trennung von zwei aktivierten Bereichen erfolgen. Die Referenzelektrode ist als Elektroden zweiter Art ausgestaltet.
2 zeigt die Elektrodenbaugruppe 8. Zu sehen ist die erste Elektrode 29, welche durch den Elektrodenkörper 27 umspritzt wurde. Die Stirnfläche 31 der ersten Elektrode 29 ist angedeutet. Die zweite Elektrode 33 ist direkt auf den Elektrodenkörper aufgebracht.
Bezugszeichenliste

1: amperometrischer Sensor
3: Gehäuse
5: erster Gehäuseteil (Kappe)
7: zweiter Gehäuseteil (Elektrodenkörper)
8: Elektrodenbaugruppe
9: Membran
13: Innengewinde von 5
15: Endabschnitt von 7
17: Außengewinde von 7
19: Nut
21: Dichtung
23: Innenraum
25: Schaft
27: Elektrodenkörper
29: erste Elektrode
31: Stirnfläche von 29
33: zweite Elektrode
35: Temperatursensor
37: Kontaktierung für die zweite Elektrode

Claims

Elektrodenbaugruppe (8) für einen amperometrischen Sensor (1), zumindest umfassend - eine erste Elektrode (29), - eine zweite Elektrode (33), und - einen Elektrodenkörper (7), wobei der Elektrodenkörper (7) um die erste Elektrode (29) herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht wird, und wobei die zweite Elektrode (33) auf dem Elektrodenkörper (7) angebracht ist.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (29) aus Gold oder Platin besteht.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Elektrodenkörper (7) aus einem Thermoplast, insbesondere Polyetheretherketon, oder einem Duroplast besteht.
Elektrodenbaugruppe (8) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (33) eine Elektrode zweiter Art ist, insbesondere handelt es sich um eine Silber-Silberchlorid-Elektrode
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 4, wobei die zweite Elektrode (33) durch Aktivieren der Oberfläche des Elektrodenkörpers (7) entsteht.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 5, wobei die Elektrodenbaugruppe als Moulded Interconnect Device ausgestaltet ist.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 5, wobei die zweite Elektrode (33) durch ein Abscheideverfahren, insbesondere durch Physikalische oder Chemische Gasphasenabscheidung, hergestellt wird.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 4, wobei die zweite Elektrode (33) als um den Elektrodenkörper (7) angebrachter leitfähiger Draht ausgestaltet ist.
Elektrodenbaugruppe (8) nach Anspruch 4, wobei die zweite Elektrode (33) als um den Elektrodenkörper (7) geschobene Hülse in Form eines Festkörpers ausgestaltet ist.
Elektrodenbaugruppe (8) nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Elektrodenbaugruppe (8) einen Temperatursensor (35) umfasst, wobei der Elektrodenkörper (7) um den Temperatursensor (35) herum durch ein Spritzgussverfahren aufgebracht wird.
Amperometrischer Sensor (1), umfassend - eine Elektrodenbaugruppe (8) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, und - eine Kappe (5) mit einer Membran (9), welcher um die Elektrodenbaugruppe (8) herum anbringbar ist, insbesondere durch eine Schraub- oder Steckverbindung, wodurch sich ein mit Elektrolyt füllbarer Innenraum (23) bildet.
Verfahren zur Herstellung eines amperometrischen Sensors (1) nach Anspruch 11, zumindest umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer ersten Elektrode (29), - Umspritzen zumindest der ersten Elektrode (29) und dadurch Erstellen eines Elektrodenkörpers (7), - Erstellen der zweiten Elektrode (33), und - Anbringen einer Kappe (5), insbesondere durch eine Schraub- oder Steckverbindung, um die erste und zweite Elektrode (29, 33).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei vor Umspritzen der Elektrode (29) diese aufgeraut wird, insbesondere mittels Sandstrahlen oder Saccostrahlen.
Verwendung des amperometrischen Sensors (1) nach Anspruch 11 zur Messung von Sauerstoff, Chlor, Chlordioxid, Brom, Wasserstoffperoxid, Peroxyessigsäure oder Ozon.