DE102018133297A1 - Reference electrode and potentiometric sensor - Google Patents
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Abstract
Eine Bezugselektrode als Bezug für die Messung von relativen Potentialen anderer Elektroden, insbesondere für einen potentiometrischen Sensor (10), umfassend ein schaftförmiges Gehäuse (12) mit einer Längsachse (a), welches zumindest bereichsweise einen Innenraum (13) begrenzt, wobei innerhalb des Innenraums (13) ein Elektrolyt (5) und eine elektrische Ableitung (4) angeordnet ist und wobei das schaftförmige Gehäuse (12) eine erste Flüssigüberführung (6) aufweist, wobei die erste Flüssigüberführung (6) zumindest eine Öffnung (15) umfasst, welche einen ersten leitfähigen Übergang (2) aufweist wobei der leitfähige Übergang (2) sich von einer Oberfläche welche ausgebildet ist zum Kontakt mit dem Messmedium über den Rand der Öffnung (15) bis in den Innenraum (13) erstreckt, wobei der leitfähige Übergang (2) sich ausgehend vom Rand der Öffnung (15) über eine Strecke von zumindest 1 cm parallel zur Längsachse (A) entlang der Innenseite des schaftförmigen Gehäuses (12) erstreckt,sowie ein potentiometrischer Sensor (10).A reference electrode as a reference for the measurement of relative potentials of other electrodes, in particular for a potentiometric sensor (10), comprising a shaft-shaped housing (12) with a longitudinal axis (a), which delimits an interior (13) at least in some areas, and within the interior (13) an electrolyte (5) and an electrical discharge line (4) are arranged and wherein the shaft-shaped housing (12) has a first liquid transfer (6), the first liquid transfer (6) comprising at least one opening (15), which has a having a first conductive transition (2), the conductive transition (2) extending from a surface which is designed for contact with the measurement medium over the edge of the opening (15) into the interior (13), the conductive transition (2) extends from the edge of the opening (15) over a distance of at least 1 cm parallel to the longitudinal axis (A) along the inside of the shaft-shaped housing (12), and a pot entiometric sensor (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bezugselektrode und einen potentiometrischen Sensor, insbesondere in der Ausbildung als pH-Elektrode.The present invention relates to a reference electrode and a potentiometric sensor, in particular in the form of a pH electrode.
Als wichtigstes Instrument zur elektrochemischen Messung und Regelung von pH-Werten findet ein potentiometrischer Sensor, insbesondere in der Ausgestaltung als sog. Glaselektrode, in vielen Bereichen der Chemie, Umweltanalytik, Medizin, Industrie und Wasserwirtschaft eine breite Anwendung. Glaselektroden für die unterschiedlichsten Anwendungen werden von der Anmelderin angeboten und vertrieben. Die für potentiometrische Messungen benutzten Glaselektroden weisen üblicherweise Referenzhalbzellen auf, die in hohem Maße konstante Potentiale ausbilden. In der Regel werden Silber/ Silberchlorid- oder Kalomelelektroden verwendet.As the most important instrument for the electrochemical measurement and control of pH values, a potentiometric sensor, in particular in the form of a so-called glass electrode, is widely used in many areas of chemistry, environmental analysis, medicine, industry and water management. The applicant offers and sells glass electrodes for a wide variety of applications. The glass electrodes used for potentiometric measurements usually have reference half cells, which form highly constant potentials. Usually silver / silver chloride or calomel electrodes are used.
Der Kontakt von dem Referenzelement zur Messlösung wird über den Brückenelektrolyten hergestellt, welcher flüssig oder verfestigt sein kann und bestimmte Voraussetzungen erfüllt: Einerseits soll er das Potential des Referenzelements wenig beeinflussen; andererseits soll er mit dem Messmedium ein möglichst kleines Diffusionspotential bilden.The contact from the reference element to the measurement solution is made via the bridge electrolyte, which can be liquid or solidified and meets certain requirements: On the one hand, it should have little influence on the potential of the reference element; on the other hand, it should form the smallest possible diffusion potential with the measuring medium.
Zur Konzentrationsbestimmung verschiedener Ionen wird häufig die Differenz des elektrochemischen Potentials zwischen zwei Elektroden herangezogen. Dabei reagiert die Indikatorelektrode sensitiv auf das zu bestimmende Ion, während eine zweite Bezugselektrode ein definiertes und konstantes Potential als Vergleichsgröße liefert. Die Indikatorelektrode steht im direkten Kontakt mit dem Messmedium. Die elektrochemische Kette wird zwischen Indikatorelektrode/Messmedium und Bezugselektrode in den meisten Anwendungen mittels einer Flüssigüberführung aus Diaphragma und Elektrolyt geschlossen. Auf die Eigenschaften der Messkette hat der Übergang vom Elektrolyten zum Messmedium einen erheblichen Einfluss. Das Prinzip der Messung des pH-Wertes in einer Messlösung mit Hilfe einer potentiometrischen Messkette ist beispielsweise in ‚Abwasser-Mess- und Regeltechnik‘, Hrsg. Endress+Hauser Holding AG, 1. Auflage, 2. Ausgabe, S.83 ff. und in dem Buch: ‚pH-Messung: Grundlagen, Methoden, Anwendungen, Geräte‘, Helmut Galster, Weinheim: VCH, 1990, Kapitel 1.6, S.20 ff. ausführlich beschrieben. The difference in the electrochemical potential between two electrodes is often used to determine the concentration of different ions. The indicator electrode reacts sensitively to the ion to be determined, while a second reference electrode supplies a defined and constant potential as a reference variable. The indicator electrode is in direct contact with the measuring medium. The electrochemical chain is closed between the indicator electrode / measuring medium and the reference electrode in most applications by means of a liquid transfer from diaphragm and electrolyte. The transition from the electrolyte to the measuring medium has a significant influence on the properties of the measuring chain. The principle of measuring the pH value in a measuring solution using a potentiometric measuring chain is described, for example, in 'Wastewater Measurement and Control Technology', published by Endress + Hauser Holding AG, 1st edition, 2nd edition, p.83 ff. And described in detail in the book: 'pH measurement: fundamentals, methods, applications, devices', Helmut Galster, Weinheim: VCH, 1990, chapter 1.6, p.20 ff.
Bislang bekannt sind unterschiedliche Ausprägungen von Flüssigüberführungen, insbesondere als Diaphragmen z.B. aus Keramik oder Teflon, als Spaltdiaphragma, als Singlepore-Diaphragma und/oder aus Platinfasern.So far, different forms of liquid transfers have been known, in particular as diaphragms e.g. made of ceramic or Teflon, as a gap diaphragm, as a single-pore diaphragm and / or from platinum fibers.
Singlepore Referenzsysteme können allerdings beispielsweise nur mit Festelektrolyt genutzt werden, da die Poren zu groß sind und der Elektrolyt auslaufen würde. In diesen Festelektrolyten treten im Allgemeinen durch Diffusion und/oder Ladungstrennung beträchtliche Diffusionspotentiale auf, beispielsweise bei Wechsel des Messmediums in Abhängigkeit vom Medium bis zu 10 mV.However, single-pore reference systems can only be used with solid electrolyte, for example, because the pores are too large and the electrolyte would leak. Considerable diffusion potentials generally occur in these solid electrolytes due to diffusion and / or charge separation, for example when changing the measuring medium depending on the medium up to 10 mV.
In Teflondiaphragmen dauert es geraume Zeit bis die alte Messlösung durch Diffusion gegen die neue Messlösung ausgetauscht wird. Dieser langsame Austausch verursacht Diffusionspotentiale. In Keramikdiaphragmen besitzen die Poren eine sehr raue Oberfläche, auf welcher sich zusätzlich noch Ladungen befinden. Diese beiden Effekte verursachen Diffusionspotentiale bei Lösungswechsel in Abhängigkeit vom Messmedium bis zu 10 mV.In Teflon diaphragms, it takes a long time before the old measurement solution is replaced by the new measurement solution by diffusion. This slow exchange causes diffusion potentials. In ceramic diaphragms, the pores have a very rough surface, on which there are additional charges. These two effects cause diffusion potentials when changing the solution depending on the measuring medium up to 10 mV.
Faserdiaphragmen mit Platindraht haben eine glatte Oberfläche des Überganges und durch die Leitfähigkeit des Platindrahtes sind die Diaphragmenwiderstände klein, aber sie sind wiederum anfällig für Redoxpotentiale und deshalb nur in einigen speziellen Anwendungen einsetzbar. Diese Nachteile der Platindiaphragmen werden in
Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Bezugselektrode mit einer Flüssigüberführung bereitzustellen, welche deutlich geringeren Messfehlern unterliegt, als bei vorgenannten herkömmlichen Übergängen z.B. mit Keramikdiaphragma.Starting from the aforementioned prior art, it is the object of the present invention to provide a reference electrode with a liquid transfer which is subject to significantly lower measurement errors than in the aforementioned conventional transitions e.g. with ceramic diaphragm.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das Bereitstellen einer Bezugselektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The present invention achieves this object by providing a reference electrode with the features of
Eine erfindungsgemäße Bezugselektrode dient bekannterweise als Bezug für die Messung von relativen Potentialen anderer Elektroden, insbesondere einer Indikatorelektrode, insbesondere für einen potentiometrischen Sensor.A reference electrode according to the invention is known to serve as a reference for the measurement of relative potentials of other electrodes, in particular an indicator electrode, in particular for a potentiometric sensor.
Die Indikatorelektrode kann vorzugsweise eine endständige Glasmembran aufweisen.The indicator electrode can preferably have a terminal glass membrane.
Die Bezugselektrode umfasst ein schaftförmiges Gehäuse mit einer Längsachse-Das schaftförmige Gehäuse begrenzt zumindest bereichsweise einen Innenraum. Es kann insbesondere die Außenwandung des Innenraumes sein, welche entlang einer Außenseite in Kontakt mit dem Messmedium steht. Innerhalb des Innenraums ist ein Elektrolyt, der sogenannte Bezugselektrolyt, angeordnet.The reference electrode comprises a shaft-shaped housing with a longitudinal axis. The shaft-shaped housing delimits an interior, at least in some areas. In particular, it can be the outer wall of the interior, which is in contact with the measuring medium along an outer side stands. An electrolyte, the so-called reference electrolyte, is arranged inside the interior.
Weiterhin ist im Innenraum eine elektrische Ableitung, die sogenannte Außenableitung, angeordnet. wobei das schaftförmige Gehäuse eine erste Flüssigüberführung aufweist.Furthermore, an electrical lead, the so-called external lead, is arranged in the interior. wherein the shaft-shaped housing has a first liquid transfer.
Die erste Flüssigüberführung weist zumindest eine Öffnung auf, welche einen ersten leitfähigen Übergang aufweist.The first liquid transfer has at least one opening which has a first conductive transition.
Der leitfähige Übergang kann sich von einer Oberfläche, welche ausgebildet ist zum Kontakt mit dem Messmedium über den Rand der Öffnung bis in den Innenraum der Bezugselektrode erstrecken.The conductive transition can extend from a surface which is designed for contact with the measurement medium over the edge of the opening into the interior of the reference electrode.
Der leitfähige Übergang erstreckt sich dabei ausgehend vom Rand der Öffnung über eine Strecke von zumindest 1 cm im Wesentlichen parallel zur Längsachse des schaftförmigen Gehäuses. Dabei kann es sich beim leitfähigen Übergang beispielsweise um eine Beschichtung handeln, die auf der Innenseite des Gehäuses angeordnet ist oder aber um einen Draht, welcher parallel zur Längsachse des Gehäuses verläuft. Im Wesentlichen parallel schließt dabei nicht aus, dass der Draht kleinere Biegungen aufweisen kann.The conductive transition extends from the edge of the opening over a distance of at least 1 cm essentially parallel to the longitudinal axis of the shaft-shaped housing. The conductive transition can be, for example, a coating that is arranged on the inside of the housing or a wire that runs parallel to the longitudinal axis of the housing. Essentially parallel does not rule out that the wire can have smaller bends.
Der leitfähige Übergang verhindert den Aufbau von Diffusionspotentialen im Bereich des Flüssigübergangs wodurch instabile Messwerte bei niedrigen Leitfähigkeiten verhindert werden. Dabei hat es sich gezeigt, dass sich der Übergang zumindest zu einem Teil von 1 cm parallel zur Längsachse in den Innenraum erstrecken sollte um eine stabile Messung über eine längere Zeit gerade auch bei Messmedien mit geringen Leitfähigkeiten von kleiner als 50 µS/cm zu erreichen.The conductive transition prevents the build-up of diffusion potentials in the area of the liquid transition, which prevents unstable measured values at low conductivities. It has been shown that the transition to the interior should extend at least to a part of 1 cm parallel to the longitudinal axis in order to achieve stable measurement over a longer period, especially with measuring media with low conductivities of less than 50 µS / cm.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Für eine möglichst kurze Distanz zwischen der Ableitung und dem leitfähigen Übergang, sollten sich zumindest auf einer Ebene senkrecht zur Längsachse liegen bzw. sich gegenüberstehen.For the shortest possible distance between the derivation and the conductive transition, they should lie at least on one plane perpendicular to the longitudinal axis or face each other.
Noch bessere Ergebnisse werden erzielt sofern der leitfähige Übergang sich ausgehend vom Rand der Öffnung über eine Strecke von zumindest 2 cm parallel zur Längsachse entlang der Innenseite des schaftförmigen Gehäuses erstreckt. Ideal ist es, wenn der leitfähige Übergang sich ausgehend vom Rand der Öffnung bis zu einer zweiten Flüssigüberführung, z.B. bei einer double junction, oder bis zu einem Sensorkopf entlang der Innenseite des schaftförmigen Gehäuses erstreckt.Even better results are achieved if the conductive transition extends from the edge of the opening over a distance of at least 2 cm parallel to the longitudinal axis along the inside of the shaft-shaped housing. It is ideal if the conductive transition starts from the edge of the opening up to a second liquid transfer, e.g. with a double junction, or extends up to a sensor head along the inside of the shaft-shaped housing.
Die Oberfläche, welche ausgebildet ist zum Kontakt mit dem Messmedium, kann vorteilhaft Teil einer mediumsberührenden Außenfläche des schaftförmigen Gehäuses sein, an welcher der leitfähige Übergang festgelegt ist.The surface which is designed for contact with the measurement medium can advantageously be part of an outer surface of the shaft-shaped housing which is in contact with the medium and on which the conductive transition is fixed.
Die Distanz zwischen der Ableitung und dem leitfähigen Übergang sollte vorteilhaft kleiner als 8 mm, vorzugsweise kleiner als 5 mm, sein, um einen möglichst vorteilhaften Messeffekt mit dem leitfähigen Übergang zu erzielen.The distance between the derivative and the conductive transition should advantageously be less than 8 mm, preferably less than 5 mm, in order to achieve the most advantageous measuring effect with the conductive transition.
Bei dem leitfähigen Übergang kann es sich insbesondere um ein elektronen- und/oder ionen- leitfähiges Material handeln.The conductive transition can in particular be an electron- and / or ion-conductive material.
Wie schon zuvor erwähnt ist der leitfähige Übergang bevorzugt als Beschichtung und/oder als Draht ausgebildet, wobei eine Beschichtung vorteilhaft zur Ausbildung eines definierten Abstands zur Ableitung ist, allerdings der Draht einfacher zu montieren ist. Die vorgenannte Ausführungsvariante umfasst auch beschichteten Draht.As already mentioned above, the conductive transition is preferably designed as a coating and / or as a wire, a coating being advantageous for forming a defined distance from the conductor, but the wire is easier to assemble. The aforementioned variant also includes coated wire.
Der leitfähige Übergang kann wahlweise als Draht, Beschichtung oder beschichteter Draht folgende Materialien aufweisen oder aus folgenden Materialien bestehen:
- a) aus einem Metall, vorzugsweise einem Edelmetall, insbesondere aus Gold, Platin und/oder Silber,
- b) aus einen Halbleiter, vorzugsweise aus Indium-Zinnoxid
- c) aus einem leitfähigem Polymer, vorzugsweise aus einem PEDOT-PSS (Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrensulfonat)
- d) aus leitfähigen Fasern, vorzugsweise leitfähigen Kohlenstoffasern, insbesondere CNT-Faser (CNT= carbon nanotubes), wie N/CNT und/oder SW-CNT, ggf. eingebunden in einer Kunststoffmatrix
- e) aus einer redoxaktiven fixierbaren Komponente, vorzugsweise einem Polymer mit Ferroceneinheiten
- f) aus einem Anionen oder Kationenleiter, insbesondere einem Protonen- oder Hydroxid- Ionenleiter
- g) und/oder Kombination der vorgenannten Materialien.
- a) from a metal, preferably a noble metal, in particular from gold, platinum and / or silver,
- b) from a semiconductor, preferably from indium tin oxide
- c) from a conductive polymer, preferably from a PEDOT-PSS (poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate)
- d) made of conductive fibers, preferably conductive carbon fibers, in particular CNT fiber (CNT = carbon nanotubes), such as N / CNT and / or SW-CNT, optionally integrated in a plastic matrix
- e) from a redox-active fixable component, preferably a polymer with ferrocene units
- f) from an anion or cation conductor, in particular a proton or hydroxide ion conductor
- g) and / or combination of the aforementioned materials.
Die Öffnung der Flüssigüberführung kann vorteilhaft einen Durchmesser von 0,1-2 mm, vorzugsweise 0,3-1 mm, aufweisen.The opening of the liquid transfer can advantageously have a diameter of 0.1-2 mm, preferably 0.3-1 mm.
Beim Elektrolyten kann es sich um eine Ammonium- und/oder Alkali-Salzlösung handeln und vorzugsweise um einen Elektrolyten als Lösung aus Kaliumnitrat, Kaliumchlorid, Lithiumazetat und/oder Ammoniumchlorid.The electrolyte can be an ammonium and / or alkali salt solution and preferably an electrolyte as a solution Potassium nitrate, potassium chloride, lithium acetate and / or ammonium chloride.
Beim Elektrolyten kann es sich um eine Lösung mit einem Massenanteil eines organischen Lösungsmittel von grösser 50 Gew.% und einem Wasseranteil von kleiner als 30 Gew.% handeln.The electrolyte can be a solution with a mass fraction of an organic solvent of more than 50% by weight and a water fraction of less than 30% by weight.
Die Salzkonzentration des Elektrolyten kann vorteilhaft zwischen 0,01M und 10M liegen.The salt concentration of the electrolyte can advantageously be between 0.01M and 10M.
Der Elektrolyt kann zudem einen Salzdispenser enthalten, welcher nach und nach Salz in der Elektrolytlösung freisetzt, derart dass die Salzkonzentration im Wesentlichen konstant ist.The electrolyte can also contain a salt dispenser, which gradually releases salt in the electrolyte solution such that the salt concentration is essentially constant.
Die Bezugselektrode kann zudem eine zweite Flüssigüberführung, eine sogenannte double junction, aufweisen.The reference electrode can also have a second liquid transfer, a so-called double junction.
Die Bezugselektrode kann einen zweiten leitfähigen Übergang aufweisen, wobei sich dieser Übergang von einer Oberfläche, welche ausgebildet ist zum Kontakt mit dem Messmedium, über den Rand der Öffnung der ersten Flüssigüberführung bis in den Innenraum erstreckt, wobei der leitfähige Übergang sich ausgehend vom Rand der Öffnung parallel zur Längsachse entlang der Innenseite des schaftförmigen Gehäuses erstreckt.The reference electrode can have a second conductive transition, this transition extending from a surface which is designed for contact with the measurement medium, over the edge of the opening of the first liquid transfer into the interior, the conductive transition starting from the edge of the opening extends parallel to the longitudinal axis along the inside of the shaft-shaped housing.
Vorteilhafterweise kann der Widerstand des ersten leitfähigen Übergangs kleiner als 5 kOhm seinThe resistance of the first conductive transition can advantageously be less than 5 kOhm
Weiterhin erfindungsgemäß ist ein potentiometrischer Sensor, insbesondere in der Ausgestaltung als pH-Elektrode und besonders bevorzugt in der Ausgestaltung als Glaselektrode.A potentiometric sensor is also according to the invention, in particular in the form of a pH electrode and particularly preferably in the form of a glass electrode.
Dieser umfasst eine Indikatorelektrode mit einer Innenableitung und einem Innenpuffer, wobei die Indikatorelektrode durch ein erstes schaftförmiges Gehäuse begrenzt wird. Weiterhin umfasst der potentiometrische Sensor eine erfindungsgemäße Bezugselektrode, wobei das Gehäuse der Bezugselektrode als zweites schaftförmige Gehäuse coaxial zum ersten schaftförmigen Gehäuse unter Ausbildung des Innenraumes angeordnet ist.This comprises an indicator electrode with an inner lead and an inner buffer, the indicator electrode being delimited by a first shaft-shaped housing. Furthermore, the potentiometric sensor comprises a reference electrode according to the invention, the housing of the reference electrode being arranged as a second shaft-shaped housing coaxial to the first shaft-shaped housing, forming the interior.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert wird. Der Fachmann wird die in den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
-
1a-1d schematisch-vereinfachte Darstellung von mehreren Ausführungsvarianten eines erfindungsgemäßen potentiometrischen Sensors mit entsprechender erfindungsgemäßer Referenzhalbzelle -
2 a, b Diagramm zur Darstellung der Potentialdifferenzen zwischen zwei Halbzellen umfassend eine erfindungsgemäße Referenzhalbzelle CPS91 Ref bei pH 4 (2a) und pH 7 (2b) gegen eine andere Referenzhalbzelle (CPS43); -
3a -3d Balkendiagramm der Potentialdifferenzänderungen bei pH-Wert 4oder 7 im gerührten oder ungerührten Zustand; -
4 Tabelle der Potentialdifferenz (CPS91 vs. Urreferenz) in 3M KCl nach Alterung in deionisiertem Wasser (3 mon., 80°C).
-
1a-1d schematic-simplified representation of several design variants of a potentiometric sensor according to the invention with a corresponding reference half-cell according to the invention -
2a, b Diagram showing the potential differences between two half cells comprising a reference half cell CPS91 Ref according to the invention at pH 4 (2a) and pH 7 (2 B) against another reference half cell (CPS43); -
3a -3d Bar chart of changes in potential difference at 4 or 7 in the stirred or unstirred state;pH -
4th Table of the potential difference (CPS91 vs. original reference) in 3M KCl after aging in deionized water (3rd mon., 80 ° C).
Die Sensoren
Weiterhin weist der Sensor
Um das erste schaftförmige Gehäuse
Das erste schaftförmige Gehäuse
Der Innenraum
Sofern sich eine Salzverarmung nicht auf die Messeigenschaften auswirkt, kann im Idealfall besonders bevorzugt ein Flüssigübergang wie eine „Single Pore“ (vernetztes Polymer), ein Schliffdiaphragma oder eine Platindiaphragma, Glasfaserdiaphragma, Holzfaserdiaphragma oder Teflondiaphragma verwendet. Hierdurch können Diffusionspotentiale am Diaphragma ausgeschlossen werden. Diese Flüssigübergänge sind zusätzlich mit dem zuvor beschriebenen leitfähigen Übergang, z.B. in Form von leitfähigen Materialien, versetzt.If salt depletion does not affect the measurement properties, ideally a liquid transition such as a "single pore" (cross-linked polymer), a ground joint or a platinum diaphragm, glass fiber diaphragm, wood fiber diaphragm or teflon diaphragm can ideally be used. In this way, diffusion potentials on the diaphragm can be excluded. These liquid transitions are in addition to the conductive transition described above, e.g. in the form of conductive materials.
Die jeweilige Flüssigüberführung
Das zweite schaftförmige Gehäuse kann vorzugsweise aus Glas gebildet sein, allerdings kommen auch eine Keramik und/oder ein polymerer Kunststoff oder Kombinationen der vorgenannten Materialien, also Glas, Keramik, Kunststoff, in Betracht.The second shaft-shaped housing can preferably be formed from glass, but a ceramic and / or a polymer plastic or combinations of the aforementioned materials, ie glass, ceramic, plastic, are also suitable.
Dabei erstreckt der leitfähige Übergang
Bei dem leitfähigen Übergang
- a) einem Metall, idealerweise einem Edelmetall (Gold, Platin, Silber,)
- b) einen Halbleiter wie zum Beispiel Indium-Zinnoxid
- c) einem leitfähigen Polymer, z.B. PEDOT-PPS
- d) aus leitfähigen Kohlestofffasern, wie z.B. CNT-Faser, N/CNT, SW-CNT ggf. eingebunden in einer Kunststoffmatrix
- e) einer redoxaktiven fixierbaren Komponente, wie z.B. einem Polymer mit Ferroceneinheiten
- f) einem Anionen und/oder Kationenleiter, insbesondere einen Protonen- und/oder Hydroxid-Ionenleiter
- g) oder Kombination der zuvor genannten Bespiele.
- a) a metal, ideally a precious metal (gold, platinum, silver,)
- b) a semiconductor such as indium tin oxide
- c) a conductive polymer, for example PEDOT-PPS
- d) made of conductive carbon fibers, such as CNT fiber, N / CNT, SW-CNT, optionally integrated in a plastic matrix
- e) a redox-active fixable component, such as a polymer with ferrocene units
- f) an anion and / or cation conductor, in particular a proton and / or hydroxide ion conductor
- g) or a combination of the aforementioned examples.
Die Öffnung
Bei dem Außenelektrolyten
Weiter kann der Außenelektrolyt
Der Sensor
Diese Vorteile versuchen derzeitig alle großen Elektrodenhersteller zu nutzen. Bei Verwendung der herkömmlichen Diaphragmen kommt es zu deutlich verzögerten Einstellzeiten der Referenzelemente und unter ungünstigen Prozessbedingungen kann es zu einer Kontaktunterbrechung durch Elektrolytabriss kommen. Auch diese können zu einem beträchtlichen Messfehler führen, unter ungünstigen Umständen bis zu 0.5pH oder bei Kontaktunterbrechung auch zum Ausfall der Elektrode.All major electrode manufacturers are currently trying to use these advantages. When using the conventional diaphragms it happens Significantly delayed setting times of the reference elements and under unfavorable process conditions can lead to an interruption of the contact due to electrolyte tear. These can also lead to a considerable measuring error, under unfavorable circumstances up to 0.5pH or if the contact is broken, the electrode may fail.
Der Sensor
Entlang dieser Oberfläche ist der leitfähige Übergang festgelegt. Im Fall der Ausgestaltung des zweiten Gehäuses
Die Flüssigüberführung
In
Weitere nicht dargestellte Varianten zur Anordnung der Beschichtung oder einer Drahtanordnung sind Gitterstukturen, in Längsrichtung verlaufende Linien oder dergleichen.Further variants, not shown, for arranging the coating or a wire arrangement are lattice structures, lines running in the longitudinal direction or the like.
Durch die vorbeschriebene Flüssigüberführung
Bei der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise zur Bereitstellung einer definierten Öffnung z. B. auch Lochdiaphragmen, aufweisen, welche an der Porenoberfläche mit einem leitfähigen Übergang, z.B. Silberleitlack [z. B. Leitsilber 200 N von der Fa. Wolbring GmbH] überzogen ist. Dieser Silberleitlack (leitfähiger Übergang) wird an der Innenseite des Schaftes nach oben gezogen.In the present invention, preferably to provide a defined opening z. B. also have perforated diaphragms, which on the pore surface with a conductive transition, e.g. Conductive silver varnish [e.g. B. conductive silver 200 N from Wolbring GmbH] is coated. This conductive silver varnish (conductive transition) is pulled up on the inside of the shaft.
Die Wände des Lochdiaphragmas erhalten so eine glatte Oberfläche, welche Diffusionspotentiale verringert. Diese glatte Oberfläche ist leitfähig, so dass der Diaphragmenwiderstand klein gehalten wird und keine große Überführungsspannung zu erwarten ist. Deshalb eignen sich Überführungen mit einem solchen Übergang auch speziell für strömende leitfähigkeitsarme Medien, wie z.B. Reinstwasser.The walls of the perforated diaphragm are given a smooth surface, which reduces diffusion potentials. This smooth surface is conductive so that the diaphragm resistance is kept small and no large transfer voltage is to be expected. Therefore, overpasses with such a transition are also particularly suitable for flowing low-conductivity media, such as Ultrapure water.
Wenn der Silberleitlack zusätzlich an der Innenseite des Schaftrohres nach oben gezogen wird, kommt es bei Druckstößen oder Überkopfeinbau mit Abriss des Elektrolyten nicht zu Kontaktunterbrechung.If the silver conductive lacquer is also pulled upwards on the inside of the shaft tube, there is no break in the contact in the event of pressure surges or overhead installation with the electrolyte tearing off.
Der vorbeschriebene Übergang beeinflußt den Messwert nicht oder nur in geringem Maße. Eine Wartungsfreundlichkeit kann daher mit schnellem Einstellverhalten der Elektroden und außerordentlich hoher Potentialstabilität verbunden werden.The transition described above does not affect the measured value or only to a small extent. Ease of maintenance can therefore be combined with quick setting behavior of the electrodes and extremely high potential stability.
Der erfindungsgemäße Sensor kann somit präzise pH Messungen auch bei Strömung in Messmedien mit geringer Leitfähigkeit ermöglichen.The sensor according to the invention can thus enable precise pH measurements even with flow in measurement media with low conductivity.
Darüber hinaus ist die Elektrode unempfindlicher gegen Druckschwankungen und bestimmte Einbaupositionen, da insbesondere bei Einsatz von Silberleitlack auf der Innenseite des zweiten schaftförmigen Gehäuses
Folgende Anwendungsgebiete sind besonders bevorzugt:
- a) Viskose Medien welche engporige Flüssigübergänge verstopfen würden [> 1000mPas ~ Glycerin]
- b) Überkopfanwendungen (schräg oder wirklich auf dem Kopf)
- c) Wasserarme Medien (<30%, noch mehr bevorzugt <10% Wasser, Rest organisches Lösungsmittel)
- d) Niedrig leitfähige Medien z.B. Kesselspeisewasser, Leitfähigkeit < 50µS/cm << 20µS/cm
- a) Viscous media which would clog narrow-pore liquid transitions [> 1000mPas ~ glycerin]
- b) overhead applications (oblique or really upside down)
- c) Low-water media (<30%, more preferably <10% water, remainder organic solvent)
- d) Low conductive media eg boiler feed water, conductivity <50µS / cm << 20µS / cm
Als bevorzugt eingesetzte Außenelektrolyt kann, insbesondere für Anwendungen in Medien die zu einer Verstopfung von herkömmlichen Flüssigübergängen neigen, ein angedickter Elektrolyt verwendet werden. Das Andicken des Elektrolyten kann mit gängigen Polymeren wie Acrylamiden und deren Derivaten erfolgen. Dadurch wird zudem eine vorschnelle Salzverarmung verhindert, insbesondere bei Anwendungen mit größerer Strömungsgeschwindigkeit.A thickened electrolyte can be used as the preferred external electrolyte, particularly for applications in media which tend to clog conventional liquid transitions. The electrolyte can be thickened using common polymers such as acrylamides and their derivatives. This also prevents premature salt depletion, especially in applications with a higher flow rate.
Wie schon zuvor erwähnt, kann auch eine sogenannte „Double Junction“ verwendet werden. In diesem Fall kann die Metallisierung einmal a) auf der ersten Flüssigüberführung, entlang der Innenseite des zweiten schaftförmigen Gehäuses
Alternativ oder zusätzlich kann bei der zweiten Flüssigüberführung
Bei einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn die Elektrolytkonzentration eine geringe Ionen Konzentration besitzt, (z.B. 0,1 M Kaliumchlorid) um beispielsweise eine Messlösung nicht zu verunreinigen oder einen geringen Ionentransfer bei niedrigen lonenarmenwasser zu erzielen. Für diesen Fall ist es besonders wichtig, dass die Potentiale der Referenzhalbzelle nicht zu hoch werden.In some applications, it may be advantageous if the electrolyte concentration has a low ion concentration (e.g. 0.1 M potassium chloride) in order not to contaminate a measurement solution, for example, or to achieve low ion transfer with low ion-poor water. In this case, it is particularly important that the potentials of the reference half-cell do not become too high.
Der erfindungsgemäße Sensor
Darüber hinaus kann mit einem erfindungsgemäßen Sensor
Die erfindungsgemäße Bezugselektrode des Sensors
In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der leitfähige Übergang
Alternativ oder zusätzlich kann durch elektrochemische Abscheidung eines Platinkomplexes reines Platin an der Innenseite des Gehäuses
Der vorbeschriebene Übergang
Alternativ kann der vorgenannte Metallring auch chemisch kovalent an das Gehäuse
In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Verästelung der Lacklinie erfolgen. Nach Möglichkeit ist auch bei Elektrolytverlust, Blasen in gelartigen Elektrolyten oder bei Unterwanderungen vom Elektrolyten, z.B. bei viskosen Referenzgelen, eine Benetzung gegeben. Eine großflächige Abdeckung der Innenseite des Innenraumes
Idealerweise kann eine Gerüststruktur aus einem leitfähigen Material wie in Beispiel 1c oder 1d dargestellt in den Schaftinnenraum eingefügt und durch die Flüssigüberführung gedrückt werden. Wichtig ist dabei insbesondere die Erstkontaktierung der Flüssigüberführung
Als erfindungsgemäßer Sensor wurde ein CPS91 mit einem zusätzlichen Silberdraht innerhalb des Innenraumes der Bezugselektrode versehen.As a sensor according to the invention, a CPS91 was provided with an additional silver wire inside the interior of the reference electrode.
Es wurden für die Messung bei niedrigen Leitfähigkeiten Verdünnungsreihen in den Verhältnissen von 1:5, 1:25, 1:125 und 1:625 von jeweils mit einem pH4-Puffer der Firma Endress + Hauser und einem pH7-Puffer der Firma Merck hergestellt und die Potentialdifferenz der umgebauten CPS91 gegen eine CPS43_ESA Referenz (3MKCI) gemessen. Beide Sensoren sind Produkte der Firma Endress + Hauser.For the measurement at low conductivities, dilution series in the ratios of 1: 5, 1:25, 1: 125 and 1: 625 were each prepared with a pH4 buffer from Endress + Hauser and a pH7 buffer from Merck and measured the potential difference of the converted CPS91 against a CPS43_ESA reference (3MKCI). Both sensors are products from Endress + Hauser.
Bei der CPS91 handelt es sich um eine pH-Elektrode mit Single Pore Flüssigüberführung mit einem Durchmesser von ca. 1mm.The CPS91 is a pH electrode with single pore liquid transfer with a diameter of approx. 1mm.
Zur Simulation einer Langzeitmessung in Flüssigkeiten mit geringer Leitfähigkeit wurden sechs CPS91 über 3 Monate in 80°C heißem entionisierten Wasser gerührt, um eine Referenzverarmung zu induzieren.To simulate a long-term measurement in liquids with low conductivity, six CPS91 were stirred for 3 months in 80 ° C hot deionized water to induce a reference depletion.
Es wurden jeweils eine pH4 Puffer Lösung von Endress + Hauser und ein pH7 Puffer von Merck 1:5, 1:25, 1:125 und 1:625, vorzugsweise mit entionisierten Wasser, verdünnt.A pH4 buffer solution from Endress + Hauser and a pH7 buffer from Merck were diluted 1: 5, 1:25, 1: 125 and 1: 625, preferably with deionized water.
Die unterste Verdünnung von 1:625 ergibt eine Leitfähigkeit von 15-30 µS/cm und ist somit im Bereich der niedrigsten Leitfähigkeiten bei der eine pH Wertmessung noch sinnvoll ist. Die Referenzen der CPS91 (ESA) Sensoren wurden daraufhin mit einem Lawsongerät gegen eine CPS43 (Referenzhalbzelle, 3M KCI) im Differenzmode gegen eine Platinelektrode in den Puffern in folgender Reihenfolge bei 25°C gemessen:
- a) Org. Puffer (gerührt 10min, ungerührt 10min),
- b) 1:5 Verdünnung (gerührt 10min, ungerührt 10min),
- c) 1:25 Verdünnung (gerührt 10min, ungerührt 10min),
- d) 1:125 Verdünnung (gerührt 10min, ungerührt 10min),
- e) 1:625 Verdünnung (gerührt 10min, ungerührt 10min),
- f) (teilweise deion. Wasser)
- g) Org. Puffer (gerührt 10min, ungerührt 10min).
- a) Org. buffer (stirred 10min, unstirred 10min),
- b) 1: 5 dilution (stirred 10min, unstirred 10min),
- c) 1:25 dilution (stirred 10min, unstirred 10min),
- d) 1: 125 dilution (stirred 10min, unstirred 10min),
- e) 1: 625 dilution (stirred 10min, unstirred 10min),
- f) (partially deionized water)
- g) Org. buffer (stirred 10min, unstirred 10min).
Der pH7 Merck Puffer und der pH4 Puffer von Endress + Hauser wurde aufgrund der in etwa vergleichbaren Leitfähigkeit verwendet. Die Ergebnisse hierzu sind in
Eine weitere Messung erfolgte mit einem Knick-Messumformer nach Beendigung der vorgenannten Versuche a) - g). Dabei wurde eine Messung der Referenz gegen die Urreferenz durchgeführt. Die Ergebnisse spiegeln sich in
Die Messung erfolgte für ausgelaugte CPS91 vs. Urreferenz (Produkt von Endress+Hauser). in 3M KCl nach Alterung in deionisiertem Wasser (3 mon., 80°C).Damit wurde der Endzustand der Salzverarmung bzw. Elektrolytverarmung der CPS91 überprüft.The measurement was carried out for leached CPS91 vs. Original reference (product from Endress + Hauser). in 3M KCl after aging in deionized water (3 months, 80 ° C). This was used to check the final state of salt depletion or electrolyte depletion of the CPS91.
Die dicken dunkelgrauen Verlaufskurven der
Es stellte sich heraus, dass die Silberdrähte, welche bis weit in die Referenzhalbzelle hineinreichten sehr stabile Messwerte anzeigten. Die CPS91 Halbzellen ohne Draht zeigten teilweise sehr instabiles Messverhalten bei den stark verdünnten Puffern, was sich durch plötzlich auftretende Potentialänderungen bemerkbar macht. (siehe
Es stellte sich weiterhin heraus, dass die durch die erfindungsgemäße Anordnung des Silberdrahts (
Zudem wurden bei den verwendeten CPS91 mit Silberdrähten sehr geringe Potentialdifferenzänderungen der verdünnten Puffer zur unverdünnten Originalpufferlösung festgestellt. (siehe
Dies spricht für eine langzeitstabile Messung bei niedrigen Leitfähigkeiten. Die Potentialänderung der CPS91 Ref wurden nach Versuchsende gegen eine 3MKCI Referenz in 3M Kaliumchlorid gemessen um die Auslaugung der Referenz zu kontrollieren. Die Single Pore Elektroden erfuhren wie erwartet eine stärkere Salzverarmung, welche sich eher nachteilhaft auf die Messwertstabilität auswirkt, wenn kein leitfähiger Übergang, wie z.B. ein Silberdraht, wie in
Weiterhin wurden die Potentialunterschiede von gerührten und ungerührten verdünnten Puffern zum Originalpuffer berechnet. Die in
Diese sind in
Dabei sind die weißen Balken die mitgemessene Referenz (
Die Erfindung ist einsetzbar in allen pH-Elektroden und auch in anderen potentiometrische Sensoren. Die Referenzhalbzelle kann dabei auch räumlich getrennt von der Messhalbzelle ausgebildet sein.The invention can be used in all pH electrodes and also in other potentiometric sensors. The reference half-cell can also be spatially separated from the measuring half-cell.
BezugszeichenlisteReference list
- 1.1.
- SensorkopfSensor head
- 2.2nd
- Leitfähige ÜbergangConductive transition
- 3.3rd
- InnenableitungInternal drainage
- 4.4th
- AußenableitungExternal derivative
- 5.5.
- Elektrolytelectrolyte
- 6.6.
- FlüssigüberführungLiquid transfer
- 7.7.
- lonensensitive Membranion sensitive membrane
- 8.8th.
- IndikatorelektrodeIndicator electrode
- 9.9.
- Schaftförmiges GehäuseShank-shaped housing
- 10.10th
- Pot SensorPot sensor
- 11.11.
- InnenpufferInner buffer
- 12.12th
- Schaftförmiges GehäuseShank-shaped housing
- 13.13.
- Innenrauminner space
- 14.14.
- Zweite FlüssigüberführungSecond liquid transfer
- 15.15.
- Öffnung opening
- AA
- Längsachse (erstes, zweites schaftförmiges Gehäuse und Sensor) Longitudinal axis (first, second shaft-shaped housing and sensor)
- 100100
- Messung (CPS91 ohne Ag-Draht)Measurement (CPS91 without Ag wire)
- 200200
- Messung (CPS91 ohne Ag-Draht) Measurement (CPS91 without Ag wire)
- 300300
- Messung (CPS91 mit Ag-Draht)Measurement (CPS91 with Ag wire)
- 400400
- Messung (CPS91 mit Ag-Draht) Measurement (CPS91 with Ag wire)
- 500500
- ReferenzmessungReference measurement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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