DE102019116308A1

DE102019116308A1 - Potentiometrischer Sensor

Info

Publication number: DE102019116308A1
Application number: DE102019116308.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Hanko; Thomas Wilhelm; Matthäus Speck
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen potentiometrischen Sensor zur Messung einer eine lonenkonzentration in einem Messmedium repräsentierenden Messgröße, umfassend eine Sonde mit einer Messhalbzelle und einer Bezugshalbzelle,wobei die Messhalbzelle einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper angeordnete ionenselektive Emaille-Schicht aufweist,wobei der Grundkörper mindestens einen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Metall- oder einer Metall-Legierung, gebildeten Bereich aufweist, der sich in Längsrichtung der Sonde erstreckt, und der die Emaille-Schicht auf ihrer dem Grundkörper zugewandten Seite elektrisch kontaktiert und als Potentialableitung der Messhalbzelle dient,wobei die Bezugshalbzelle eine Kammer aufweist, die einen Bezugselektrolyten und ein den Bezugselektrolyten kontaktierendes Bezugselement enthält, und wobei ein den Bezugselektrolyten enthaltender Abschnitt der Kammer mindestens einen Abschnitt der Potentialableitung umschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen potentiometrischen Sensor zur Messung einer eine lonenkonzentration in einem Messmedium repräsentierenden Messgröße.
Elektrochemische Sensoren werden in der Labor- und Prozessmesstechnik in vielen Bereichen der Chemie, Biochemie, Pharmazie, Biotechnologie, Lebensmitteltechnologie, Wasserwirtschaft und Umweltmesstechnik zur Analyse von Messmedien, insbesondere von Messflüssigkeiten eingesetzt. Mittels elektrochemischer Verfahren lassen sich lonenkonzentrationen repräsentierende Messgrößen, wie z.B. lonenaktivitäten, lonenkonzentrationen oder der pH-Wert in Flüssigkeiten erfassen. Die Substanz, deren Aktivität oder Konzentration gemessen werden soll, wird auch als Analyt bezeichnet. Das Messmedium kann eine Messflüssigkeit, beispielsweise eine wasserhaltige Lösung, Emulsion oder Suspension, sein.
Potentiometrische Sensoren umfassen in der Regel eine Messhalbzelle und eine Bezugshalbzelle sowie eine Sensorschaltung, die der Erfassung und Verarbeitung von Messwerten dient. Die Mess- und Bezugshalbzelle können in einer in die Messflüssigkeit eintauchbaren Messsonde zusammengefasst sein. Diese Messsonde kann außerdem die Sensorschaltung oder zumindest einen Teil der Sensorschaltung umfassen. Über ein Kabel oder drahtlos kann die Messsonde mit einer übergeordneten Einheit, z.B. einem Messumformer, einem elektronischen Bediengerät, einem Computer oder einer Steuerung, zur Kommunikation verbunden sein. Die übergeordnete Einheit kann zur weiteren Verarbeitung der mittels der Sonde erfassten Messsignale oder Messwerte und zur Bedienung der Messsonde dienen.
Die Messhalbzelle bildet in Kontakt mit dem Messmedium ein von der Aktivität des Analyten im Messmedium abhängiges, elektrochemisches Potential aus, während die Bezugshalbzelle ein stabiles, von der Konzentration des Analyten weitgehend unabhängiges, elektrochemisches Bezugspotential bereitstellt. Die Sensorschaltung erzeugt ein analoges oder digitales Messsignal, das die elektrische Potentialdifferenz zwischen der Messhalbzelle und der Bezugshalbzelle und mithin die Aktivität des Analyten im Messmedium repräsentiert. Das Messsignal wird von der Sensorschaltung gegebenenfalls an die übergeordnete Einheit ausgegeben, die das Messsignal weiterverarbeitet. Ebenso ist eine teilweise oder vollständige Weiterverarbeitung des Messsignals in der Sensorschaltung in der Messsonde möglich.
Die Bezugshalbzelle ist häufig als Elektrode zweiter Art, z.B. als Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode ausgestaltet und elektrisch leitend mit der Messschaltung verbunden. Sie kann ein Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordnetes Bezugselement, z.B. einen mit Silberchlorid beschichteten Silberdraht, aufweisen, das über einen in dem Gehäuse enthaltenen Bezugselektrolyten und eine elektrochemische Überführung, z.B. ein Diaphragma, im Messbetrieb mit der Messflüssigkeit in elektrolytisch leitendem bzw. ionenleitendem Kontakt steht.
Die Messhalbzelle umfasst ein potentialbildendes Sensorelement, das je nach Art der potentiometrischen Sonde eine ionenselektive Membran oder Schicht umfassen kann. Beispiele für solche Messhalbzellen sind ionenselektive Elektroden. Eine herkömmliche ionenselektive Elektrode weist ein durch die ionenselektive Membran abgeschlossenes Gehäuse auf, in dem ein in Kontakt mit der Membran stehender Innenelektrolyt aufgenommen ist. Weiter umfasst die ionenselektive Elektrode eine Ableitung, die mit dem Innenelektrolyten in Kontakt steht. Die Ableitung ist elektrisch leitend mit der Sensorschaltung verbunden. Steht die ionenselektive Membran zur Messung mit der Messflüssigkeit in Kontakt, wechselwirkt die Membran im Wesentlichen selektiv mit einer bestimmten, in der Messflüssigkeit enthaltenen ionischen Spezies, nämlich mit dem Analyten. Dabei wird durch eine Aktivitäts- bzw. Konzentrationsänderung des Ions in der Messflüssigkeit eine relative Änderung der Gleichgewichts-Galvanispannung zwischen dem Messmedium und dem über den Innenelektrolyten mit der ionenselektiven Membran in Kontakt stehenden Ableitung bewirkt. Ein Spezialfall einer derartigen ionenselektiven Elektrode, nämlich eine die Hydronium-Ionen-Aktivität in einer Messflüssigkeit selektiv erfassenden Elektrode, ist die bekannte pH-Glaselektrode, die als potentialbildendes Sensorelement eine Glasmembran umfasst. Der hier und im Folgenden verwendete Begriff einer ionenselektiven Schicht, Membran oder Elektrode bezeichnet eine ionensensitive Schicht, Membran oder Elektrode, deren Potential vorzugsweise überwiegend von dem Analyten, z.B. einer bestimmten Ionenart bzw. dem pH-Wert, beeinflusst wird, wobei Querempfindlichkeiten der Schicht, Membran oder Elektrode für andere Ionenarten nicht ausgeschlossen, vorzugsweise aber gering, sind.
Derartige ionenselektive Glaselektroden, sowie potentiometrische Sonden mit entsprechenden Glaselektroden zeichnen sich zwar durch gute Messeigenschaften aus, im Falle einer pH-Glaselektrode betrifft dies beispielsweise die Steigung, die Langzeitstabilität, die Selektivität und die Nachweisgrenze. Jedoch wird die Wandstärke der hochimpedanten Glasmembranen typischerweise sehr dünn gewählt, sie weisen daher nur eine geringe mechanische Stabilität auf.
Eine Alternative stellen die ionenselektiven Elektroden mit Festableitung, auch als „Solid-State“-Elektroden bezeichnet, dar. Zu diesen gehören beispielsweise Emaille-Elektroden, wie sie in der Offenlegungsschrift DE 2721939 A1 oder in der Auslegeschrift DE 2133419 beschrieben sind. Diese Elektroden verfügen in der Regel über einen metallischen Grundkörper, auf dem eine ionenselektive, insbesondere pH-selektive Glasschicht, aufgebracht ist. Die ionenselektive Schicht kann eine Emaille-Beschichtung sein. Gemäß den Begriffsbestimmungen/Bezeichnungsvorschriften, RAL-Registrierung RAL-RG 529 A2 vom Juli 2007 des RAL Deutschen Instituts für Gütesicherung und Kennzeichnung e.V. wird als Emaille ein glasartiger Werkstoff bezeichnet, der durch vollständiges oder teilweises Schmelzen im Wesentlichen oxidischer Rohstoffe entsteht. Die so hergestellte anorganische Zubereitung wird mit Zusätzen in einer oder mehreren Schichten auf Werkstücke aus Metall oder Glas aufgetragen und bei Temperaturen über 480°C aufgeschmolzen. Basisbestandteile von (ionenselektiven) Emaille-Schichten sind beispielsweise ein oder mehrere der Oxide Siliziumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid. Ein auf einen metallischen Grundkörper mit einem derartigen Verfahren aufgebrachtes ionenselektives Glas, z.B. pH-Glas, wird im Folgenden daher auch als ionenselektive Emaille-Schicht oder im Fall einer speziell für Hydroniumionen selektiven Emaille-Schicht als pH-Emaille-Schicht bezeichnet, eine entsprechende Elektrode als Emaille-Elektrode.
Solche Emaille-Elektroden zeichnen sich durch eine hohe mechanische Stabilität aus und können durch Vorsehen einer alle mit dem Prozess in Berührung kommenden Teile der Sonde überdeckenden Emaille-Beschichtung gut reinigbar ausgestaltet sein. Sie sind deshalb besonders vorteilhaft in Prozessen der Lebensmittelindustrie und in chemischen Prozessen einsetzbar, in denen häufige Reinigungen durchzuführen sind.
Die in DE 2133419 beschriebene Messsonde zum Bestimmen einer lonenkonzentration in Flüssigkeiten weist eine Messhalbzelle mit einer auf einem metallischen Träger aufgebrachten ionenempfindlichen Glasemaille-Schicht auf. Als Potentialableitung für das sich an der ionenempfindlichen Schicht einstellenden Potentials kann entweder der metallische Träger selbst oder ein in einer zwischen der Deckemaille-Schicht und dem Träger angeordneten Emaille-Schicht eingebetteter und mit der Glasemaille-Schicht in Kontakt stehender elektrischer Leiter dienen. Als Bezugshalbzelle wird bei einer der in DE 2133419 beschriebenen Ausgestaltungen der Messsonde eine von der Messhalbzelle abgesetzte, herkömmliche Bezugselektrode verwendet. In einer anderen Ausgestaltung wird eine zweite Halbzelle mit einer zweiten ionenempfindlichen Glasemailschicht als Bezugshalbzelle verwendet. Die pH-Messung erfolgt in dieser Ausgestaltung also als Differenz-pH-Messung. Dabei ist die Messhalbzelle durch einen äußeren Stahlkörper mit der außenseitig aufgebrachten ersten Glasemaille-Schicht gebildet, der einen inneren Stahlkörper umgibt, so dass zwischen den Stahlkörpern ein Zwischenraum für die Aufnahme von Bezugsflüssigkeit geschaffen ist. Der innere Stahlkörper ist am unteren Ende pilzförmig ausgebildet, so dass zwischen den angrenzenden Oberflächen der beiden Stahlkörper ein Schliffdiaphragma vorgesehen werden kann, über das die Bezugsflüssigkeit mit einer Messflüssigkeit in Verbindung gebracht werden kann. In Kontakt mit der Bezugsflüssigkeit steht eine auf der Oberfläche des inneren Stahlkörpers angeordnete zweite ionenempfindliche Glasemaille-Schicht. Zur Ermittlung der lonenkonzentration wird eine Spannung zwischen den beiden Glasemailschichten gemessen, die jeweils über eine Potentialableitung kontaktiert werden.
Aus DE 27 21 939 A1 ist eine potentiometrische Messsonde zum Bestimmen der lonenkonzentration in Flüssigkeiten bekannt, die einen rohrförmigen Stahlkörper aufweist. Der Stahlkörper ist auf seiner Außenseite emailliert und trägt in diesem Bereich eine ionenselektive emaillierte Messelektrode, die die Messhalbzelle der potentiometrischen Messsonde bildet. In dem Stahlkörper ist ein von dem Stahlkörper koaxial umgebener, hohlzylindrischer Körper eingesetzt, in dem ein einen Bezugselektrolyten umfassendes Bezugselektrodensystem enthalten ist. Dieses steht über ein in dem hohlzylindrischen Körper integriertes Diaphragma mit einem Messmedium in Kontakt. Die so gebildete Bezugshalbzelle und die Messhalbzelle sind elektrisch durch eine Sensorschaltung kontaktierbar.
Die zur Messung der Spannung zwischen den beiden Halbzellen einer potentiometrischen Messsonde dienende Sensorschaltung weist üblicherweise mindestens für die Messhalbzelle einen hochohmigen Eingang auf, so dass bei der Messung nahezu kein Strom zwischen der Mess- und der Bezugshalbzelle fließt. Aufgrund der hochohmigen Verbindung zwischen der Messhalbzelle und der Sensorschaltung können in der Nähe befindliche andere Geräte oder elektrostatische Aufladungen in der Umgebung Störungen der Messung verursachen. Bei den aus DE 2133419 und DE 2721939 A1 bekannten Messsonden mit Emaille-Elektroden als Messhalbzellen weisen die Messhalbzellen keine Schirmung auf.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße potentiometrische Messsonde anzugeben, bei der die Messhalbzelle als Emaille-Elektrode ausgestaltet ist, und unempfindlich gegen Störungen durch elektromagnetische Felder aus der Umgebung ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen potentiometrischen Sensor gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße potentiometrische Sensor zur Messung einer eine lonenkonzentration in einer Messflüssigkeit repräsentierenden Messgröße umfasst eine Sonde mit einer Messhalbzelle und einer Bezugshalbzelle,
wobei die Messhalbzelle einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper angeordnete ionenselektive Emaille-Schicht aufweist,
wobei der Grundkörper mindestens einen aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. einem Metall- oder einer Metall-Legierung, gebildeten Bereich aufweist, der sich in Längsrichtung der Sonde erstreckt, und der die Emaille-Schicht auf ihrer dem Grundkörper zugewandten Seite elektrisch kontaktiert und als Potentialableitung der Messhalbzelle dient,
wobei die Bezugshalbzelle eine Kammer aufweist, die einen Bezugselektrolyten und ein den Bezugselektrolyten kontaktierendes Bezugselement enthält, und wobei ein den Bezugselektrolyten enthaltender Abschnitt der Kammer mindestens einen Abschnitt der Potentialableitung umschließt.
Indem auf diese Weise die den Bezugselektrolyten umfassende Bezugshalbzelle die Messhalbzelle umgibt, schirmt der Bezugselektrolyt die innenliegende Messhalbzelle gegenüber elektrischen Feldern ab.
Der Grundkörper und die Kammer der Bezugshalbzelle können beispielsweise im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgestaltet und koaxial bezüglich einer gemeinsamen Längsachse, insbesondere bezüglich einer gemeinsamen Zylindersymmetrieachse, angeordnet sein.
Der Grundkörper und/oder die Kammer der Bezugshalbzelle können aber auch einen asymmetrischen, beispielsweise strömungstechnisch optimierten, Querschnitt aufweisen. In diesem Fall umgibt die Bezugshalbzelle bzw. ein Gehäuse der Bezugshalbzelle die Messhalbzelle mindestens in einem entlang eines in Längsrichtung des Grundkörpers verlaufenden Abschnitt, wobei die Längsrichtung senkrecht zum Querschnitt des stabförmigen Grundkörpers verläuft.
In einer Gehäusewandung der Kammer der Bezugshalbzelle kann eine Überführung, insbesondere ein Spalt oder ein Diaphragma, angeordnet sein, das einen elektrolytischen Kontakt zwischen dem Elektrolyten und einem die Gehäusewandung kontaktierenden Medium herstellt.
Der potentiometrische Sensor kann weiter eine Sensorschaltung umfassen, die elektrisch mit der Potentialableitung der Messhalbzelle und dem Bezugselement verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, eine Spannung zwischen der Potentialableitung und dem Bezugselement als Messsignal zu erfassen. Die Sensorschaltung kann mindestens teilweise in einem Gehäuse der Sonde integriert sein. Die Sensorschaltung oder Teile der Sensorschaltung können auch von der Sonde abgesetzt und zur Übertragung von Daten, Signalen und/oder Energie mit der Sonde verbunden sein.
In einer möglichen Ausgestaltung kann der Grundkörper aus dem elektrisch leitfähigen Material, z.B. einem Metall oder einer Metall-Legierung, gebildet sein, und wobei die ionenselektive Schicht unmittelbar auf dem Grundkörper angeordnet ist, so dass der Grundkörper als Potentialableitung dient.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Potentialableitung als auf dem Grundkörper angeordnete, insbesondere durch ein isolierendes Material gegenüber dem Grundkörper elektrisch isolierte, ein- oder mehrlagige Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material, z.B. einem Metall oder einer Metall- Legierung, gebildet sein. Das isolierende Material kann beispielsweise eine Schicht aus einer elektrisch isolierenden Emaille-Beschichtung sein.
In dem Grundkörper kann ein Temperaturfühler integriert sein. Dieser kann beispielsweise in einem innerhalb des Grundkörpers gebildeten Hohlraum angeordnet sein. Der Temperaturfühler kann so die Temperatur der ionenselektiven Schicht mit kurzer Ansprechzeit erfassen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung steht der Temperaturfühler mit dem Grundkörper in wärmeleitendem Kontakt, z.B. über eine wärmeleitende Verbindungsschicht, die aus einem Wärmeleitlack, einem Wärmeleitkleber oder einem anderen Wärmeleitmedium gebildet ist. Der wärmeleitende Kontakt bzw. die wärmeleitende Verbindungsschicht kann in einem unterhalb der ionenselektiven Schicht liegenden Bereich innerhalb des in dem Grundkörper gebildeten Hohlraums angeordnet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Temperaturfühler zusätzlich unmittelbar thermisch kontaktiert an dem Bezugselement der Bezugshalbzelle angeordnet sein. In beiden Ausgestaltungen ist der Temperaturfühler vorteilhaft so angeordnet, dass sein Messsignal sowohl die Temperatur der ionenselektiven Schicht als auch die Temperatur des Bezugselements repräsentiert. Um sehr genaue Messergebnisse zu erzielen, kann der Sensor mehrere Temperaturfühler aufweisen, beispielsweise einen in thermischem Kontakt mit der ionenselektiven Schicht stehenden ersten Temperaturfühler und einen in thermischem Kontakt mit dem Bezugselement stehenden zweiten Temperaturfühler.
Der Sensor kann, wie erwähnt, eine Sensorschaltung zur Erfassung von Messsignalen umfassen. Diese kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dazu eingerichtet sein, aus einer zwischen der Potentialableitung der Messhalbzelle und dem Bezugselement als Messsignal erfassten Spannung einen Rohmesswert der Messgröße, z.B. einer lonenkonzentration oder des pH-Werts, zu ermitteln und basierend auf einem Temperaturmesssignal des einen oder der mehreren Temperaturfühler eine Temperaturkompensation des Rohmesswerts auszuführen. Die Temperaturkompensation des Rohmesswerts dient zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Steilheit der aus der Mess- und der Bezugshalbzelle gebildeten potentiometrischen Messkette.
Die Sensorschaltung kann dazu eingerichtet sein, analoge Messsignale, z.B. eine analoge zwischen Mess- und Bezugshalbzelle erfasste Spannung oder ein analoges Signal des Temperaturfühlers, in digitale Messsignale zu wandeln. Weiter kann die Sensorschaltung eine elektronische Schaltung mit einem oder mehreren Mikroprozessoren umfassen, die dazu eingerichtet ist, die digitalisierten Messsignale zu verarbeiten.
Zur Durchführung der Temperaturkompensation kann die Sensorschaltung dazu eingerichtet sein, ein in einem Speicher der Sensorschaltung gespeichertes Computerprogram auszuführen, das zur Ermittlung von temperaturkompensierten Messwerten dient. Dieses Computerprogramm kann einen Basisalgorithmus zur Temperaturkompensation von potentiometrischen Rohmesswerten aufweisen. Zusätzlich kann das Computerprogramm einen Zusatzalgorithmus umfassen, der aus den vom Temperaturfühler zur Verfügung gestellten, digitalisierten Temperaturmesssignalen Eingabewerte für den Basisalgorithmus berechnet. Diese modulare Struktur des Computerprogramms ermöglicht es, die Temperaturkompensation mittels eines universell in unterschiedlichen Typen von potentiometrischen Sensoren einsetzbaren Basisverfahrens, z.B. basierend auf der Nernst-Gleichung, auszuführen, und gleichzeitig, durch Anpassen der Eingabewerte, spezielle Temperaturabhängigkeiten der Steilheit verschiedener Sensortypen bei der Temperaturkompensation zu berücksichtigen. Eine spezielle Temperaturabhängigkeit eines Sensortyps kann sich aus apparativen Besonderheiten ergeben. So weisen potentiometrische Messketten mit einer Halbzelle, die eine Festableitung umfasst, wie die hier beschriebenen Emaille-Messhalbzellen, beispielsweise eine stärkere Abhängigkeit der Messkettensteilheit von der Temperatur auf als potentiometrische pH-Messketten mit einer herkömmlichen Glaselektrode, die ein einem aus einem Innenelektrolyten und einer den Innenelektrolyten kontaktierenden elektrisch leitenden Potentialableitung bestehendes Ableitungssystem aufweisen.
Ist die Sensorschaltung in einen in der Sonde befindlichen Teil und einen von der Sonde abgesetzten Teil aufgeteilt, kann der in der Sonde befindliche Teil der Sensorschaltung die aus den Rohmesswerten ermittelten Eingangswerte bereitstellen, während der Basisalgorithmus in dem abgesetzten Teil durchgeführt wird. Dies erlaubt es, den von der Sonde abgesetzten Teil mit verschiedenartigen anderen Sonden zu kombinieren, ohne den Basisalgorithmus überarbeiten zu müssen.
Die Kammer der Bezugshalbzelle kann eine Ringkammer sein, die zwischen einer inneren rohrförmigen Wand und einer äußeren rohrförmigen Wand eingeschlossen ist, wobei die innere und die äußere rohrförmige Wand koaxial bezüglich einer in Längsrichtung der Sonde verlaufenden Zylindersymmetrieachse des Gehäuses angeordnet sein können (auch nicht-rotationssymmetrische Anordnungen sind möglich), und wobei mindestens ein die Potentialableitung umfassender Abschnitt der Messhalbzelle von der inneren rohrförmigen Wand umgeben ist.
Der Grundkörper der Messhalbzelle kann aus einem Material gebildet sein, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als 20 Wm^-1K^-1 und wobei ein die Kammer der der Bezugshalbzelle einschließendes Gehäuse aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,1 Wm^-1K^-1 und 3 Wm^-1K^-1 gebildet ist. Dadurch wird der Bildung von Temperaturgradienten innerhalb des Bezugselektrolyten über die Längserstreckung der Sonde, zum Beispiel auf Grund von Konvektion im Messmedium oder durch anisotropen Wärmeeintrag in eine den Sensor haltende Prozessarmatur, entgegengewirkt.
In einer weiteren Ausgestaltung kann in einem zwischen der Messhalbzelle und der Bezugshalbzelle eingeschlossenen Bereich eine Hilfselektrode angeordnet sein, wobei der Sensor eine Überwachungsschaltung umfassen kann, die dazu eingerichtet ist, eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode und der Messhalbzelle und/oder eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode und der Bezugshalbzelle zu messen. Dies ermöglicht die Überwachung des unerwünschten Eindringens von Flüssigkeit in diesen Bereich.
Die Messhalbzelle kann in einer weiteren Ausgestaltung einen mit der Sensorschaltung verbindbaren Vorverstärker und/oder Impedanzwandler umfassen. Dieser kann in einem von dem Grundkörper der Messhalbzelle umschlossenen Hohlraum angeordnet sein. Der Vorverstärker oder Impedanzwandler kann mit einem Eingang der Sensorschaltung verbunden sein. Mittels des Vorverstärkers kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Messsignals der potentiometrischen Sonde erhöht werden. Ein Eingang des Vorverstärkers oder Impedanzwandlers kann mit der Potentialableitung der Messhalbzelle verbunden sein, ein zweiter Eingang kann auf dem Potential einer Schirmung der Messhalbzelle liegen. Die elektrisch leitfähige Verbindung des Eingangs des Vorverstärkers mit der Potentialableitung kann in herkömmlicher Weise durch eine Lötverbindung aber auch durch eine leitfähige Zwischenschicht oder leitfähige Fasern, ein leitfähiges Vlies, ein leitfähiges Filz oder leitfähige wolle, z.B. aus Kohlenstoff, erfolgen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines potentiometrischen Sensors in einer ersten Ausgestaltung;
2 eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines potentiometrischen Sensors in einer zweiten Ausgestaltung; und
3 eine schematische Längsschnitt-Darstellung eines potentiometrischen Sensors in einer dritten Ausgestaltung.

In 1 ist schematisch ein potentiometrischer Sensor 1 zur Messung eines pH-Werts in einer Messflüssigkeit dargestellt. Der Sensor 1 ist aus einer Sonde 2 und einer mit der Sonde 2 zur Übertragung von Daten und Energie verbundenen übergeordneten Elektronik 3, z.B. einem Messumformer oder einem Bediengerät, z.B. einem Smartphone oder einem Tablet-PC, gebildet. Die Elektronik 3 ist im vorliegenden Beispiel über ein Kabel mit der Sonde 2 verbunden, über das sie die Sonde 2 auch mit Energie versorgt. Es ist in alternativen Ausgestaltungen aber auch möglich, dass die Sonde eine eigene Energieversorgung aufweist und nur zur Kommunikation drahtlos oder drahtgebunden mit der Elektronik verbunden ist. Die Sonde 2 ist aus einer Messhalbzelle 4, einer Bezugshalbzelle 5 und einer Sondenbasis 6 gebildet. Die Sondenbasis 6 umfasst ein Gehäuse, in dem eine Sondenschaltung 7 angeordnet ist. Die Sondenschaltung 7 ist mit der Elektronik 3 zur Kommunikation verbunden. Die Sondenschaltung 7 und die Elektronik 3 bilden zusammen eine Sensorschaltung 25 oder Sensorelektronik des potentiometrischen Sensors 1, die der Erfassung von Rohmesswerten und deren Verarbeitung und Auswertung dient. Die Erfassung der Rohmesswerte erfolgt in der Sondenschaltung 7. Eine weitere Verarbeitung der Rohmesswerte kann vollständig in der Elektronik 3 erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass ein Teil der Verarbeitung der Rohmesswerte in der Sondenschaltung 7 und eine weitergehende Verarbeitung in der Elektronik 3 erfolgt. Je nach Aufteilung der Verarbeitungsschritte auf diese beiden Komponenten der Sensorschaltung 25 umfassen die Sondenschaltung 7 und die Elektronik 3 entsprechende, zur Durchführung der Verarbeitung der Rohmesswerte, zu deren Temperaturkompensation, zur Bestimmung von Messwerten des pH-Werts und zur weiteren Verarbeitung der Messwerte dienende Computerprogramme und sind dazu eingerichtet, diese auszuführen.
Der von der Sondenbasis 6 abgewandte stirnseitige Bereich der Sonde 2 ist zum Eintauchen in eine Messflüssigkeit bestimmt und wird im Folgenden auch als Eintauchbereich bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel sind die Messhalbzelle 4 und die Bezugshalbzelle 5 koaxial bezüglich einer gedachten gemeinsamen Längsachse, die gleichzeitig eine Zylindersymmetrieachse der beiden Halbzellen bildet, angeordnet, wobei die Bezugshalbzelle 5 die Messhalbzelle 4 umgibt.
Die Messhalbzelle 4 ist im vorliegenden Beispiel als Emaille-Elektrode ausgestaltet. Sie weist einen zylindrischen Grundkörper 8 aus einem Metall oder einer Metalllegierung, z.B. Stahl, auf. In dem Grundkörper 8 ist ein Hohlraum eingeschlossen, in dem ein Temperaturfühler 9 angeordnet ist
Auf seiner Außenseite ist der Grundkörper 8 mit einer, ggfs. aus mehreren Lagen gebildeten, Emaille-Beschichtung ummantelt. Stirnseitig weist der Grundkörper 8 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine ionenselektive Emaille-Schicht 10 auf, die im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen aus pH-Glas, z.B. Mclnnes-Glas oder einem sonstigen, vorteilhafterweise Lithiumoxid enthaltenden und zur Emaillierung verwendbaren pH-Glas besteht, auf. Rückseitig wird die ionenselektive Schicht 10 von dem Grundkörper 8 elektrisch kontaktiert. Der Grundkörper 8 dient im vorliegenden Beispiel als Potentialableitung der Messhalbzelle 4 und ist elektrisch mit einem Eingang 11 der Messschaltung 7 verbunden. Der nicht von der ionenselektiven Emaille-Schicht 10 überdeckte Oberflächenbereich des Grundkörpers 8 ist mit einer elektrisch isolierenden Grundemaille-Schicht 12 bedeckt und elektrisch isoliert. Die ionenselektive Schicht 10 und/oder die Grundemaille-Schicht 12 können jeweils aus einer oder mehreren Lagen gebildet sein.
Der Temperaturfühler 9 ist über einen Wärmeleitkleber 18 gut wärmeleitend mit dem Grundkörper 8 auf seiner unterhalb der ionenselektiven Schicht 10 angeordneten und von dieser abgewandten Innenseite verbunden, so dass der Temperaturfühler 9 Temperaturänderungen des Grundkörpers 8 und mithin im Messbetrieb Temperaturänderungen der Messflüssigkeit und der ionenselektiven Schicht 10 mit kurzer Ansprechzeit erfasst. Der Temperaturfühler 9 ist mit der Sondenschaltung 7 elektrisch verbunden.
Die Bezugshalbzelle 5 weist ein Gehäuse 13 auf, dessen Wandung ein Innenrohr und ein koaxial zu dem Innenrohr verlaufendes Außenrohr umfasst, wobei zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein Hohlraum 14 eingeschlossen ist. Rückseitig ist der Hohlraum 14 durch eine Polymerdichtung, einen Stopfen, eine Verklebung oder in sonstiger Weise flüssigkeitsdicht verschlossen. Vorderseitig ist zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr ein ringförmiges, poröses Diaphragma 15, z.B. aus einer porösen Keramik oder einem porösen Kunststoff, z.B. Teflon oder PVDF, eingeklebt oder eingeklemmt. Das Gehäuse 13 kann beispielsweise aus Glas oder Kunststoff bestehen. In dem Hohlraum 14 ist ein Bezugselektrolyt aufgenommen, der über das Diaphragma 15 mit der Umgebung der Sonde 2 in Kontakt steht. Der Bezugselektrolyt wird durch ein Bezugselement 16 kontaktiert. Der Bezugselektrolyt kann eine Lösung von Kaliumchlorid umfassen, das Bezugselement 16 kann ein mit Silberchlorid beschichteter Silberdraht sein. In diesem Fall ist die Bezugshalbzelle 4 also durch eine Ag/AgCI-Referenzelektrode gebildet. Das Bezugselement 16 ist über einen weiteren Eingang 17 mit der Sondenschaltung 7 verbunden. Die ionenselektive Schicht 10 und das Diaphragma 15 sind im Eintauchbereich der Sonde 2 angeordnet.
Die Sondenschaltung 7 ist dazu eingerichtet, eine Spannung zwischen der Messhalbzelle 4 und der Bezugshalbzelle 5 zu erfassen, zu verarbeiten, insbesondere zu verstärken und zu digitalisieren, und einen von der Spannung abhängigen Rohmesswert zu erzeugen und/oder auszugeben. Der Rohmesswert repräsentiert den noch nicht temperaturkompensierten pH-Wert einer die Messhalbzelle 4 und die Bezugshalbzelle 5 im Bereich des Diaphragmas 15 und der ionenselektiven Schicht 10 kontaktierenden Messflüssigkeit.
Da die elektrolytgefüllte Bezugshalbzelle 5 die Messhalbzelle 4 im vorliegenden Beispiel umgibt und umschließt, bildet der über das Diaphragma 15 mit der Messflüssigkeit in Kontakt stehende Bezugselektrolyt somit eine elektrische Schirmung für den als Potentialableitung für die Messhalbzelle 4 dienenden, hochohmig mit dem Eingang 11 der Sondenschaltung 7 verbundenen Grundkörper 8. Eine Störung der pH-Messung durch elektromagnetische Felder von außen ist somit weitestgehend vermieden.
Die Sensorschaltung 25 ist im vorliegenden Beispiel weiter dazu eingerichtet, Messignale des Temperaturfühlers 9 zu empfangen und zu verarbeiten, z.B. zum Zweck einer Temperaturkompensation der Rohmesswerte. Die pH-Sensitivität des Sensors ist typischerweise temperaturabhängig, daher kann die Temperaturkompensation als rechnerische Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Rohmesswerte dienen. Hierzu weist die Sensorschaltung 25 eine Recheneinheit, z.B. einen Mikroprozessor, auf, die dazu eingerichtet ist, ein in einem Speicher, auf den die Recheneinheit zugreifen kann, gespeichertes Computerprogramm auszuführen, das aus den aus der Spannungsmessung zwischen Messhalbzelle 4 und Bezugshalbzelle 5 ermittelten Rohmesswerten und einem Messsignal des Temperaturfühlers 9 als Eingangswerten anhand von hinterlegten, für die Sonde 2 spezifische Algorithmen einen um eine bestimmte Temperaturabhängigkeit der pH-Sensitivität kompensierten Messwert ermittelt. Dieser temperaturkompensierte Messwert kann von der Sondenschaltung 7 noch als Wert in Einheiten der Spannung (Volt) ermittelt werden, der dann an die Elektronik 3 ausgegeben wird, um von dieser anhand einer hinterlegten Kalibrierfunktion oder -tabelle in einen pH-Messwert umgerechnet zu werden. Alternativ kann der temperaturkompensierte Messwert von der Sondenschaltung 7 bereits als temperaturkompensierter pH-Messwert ermittelt und an die Elektronik 3 ausgegeben werden.
Im vorliegenden Beispiel ist zwischen der Messhalbzelle 4 und dem Gehäuse 13 der Bezugshalbzelle 5 ein Spalt 19 gebildet, der mittels einer Dichtung 20 gegenüber der Messflüssigkeit abgedichtet ist. Über der Grundemaille-Schicht 12 ist zum Zweck der Überwachung des Spalts 19 auf eindringende Feuchtigkeit eine Hilfselektrode 21 angeordnet, die über einen dritten Eingang 22 mit der Sondenschaltung 7 verbunden ist. Die Hilfselektrode 21 ist im vorliegenden Beispiel als auf der Grundemaille-Schicht 12 aufgebrachte Metallschicht ausgestaltet. Die Sondenschaltung 7 ist dazu eingerichtet, eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode 21 und dem Bezugselement 16 und/oder eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode 21 und dem als Potentialableitung der Messhalbzelle 4 dienenden Grundkörper 8 zu messen und zu überwachen, ob die Impedanz einen vorgegebenen, in der Sondenschaltung 7 gespeicherten Grenzwert unterschreitet. Der Grenzwert ist so festgelegt, dass eine Unterschreitung des Grenzwerts ein Hinweis auf in den Spalt 19 eintretende Feuchtigkeit ist. Die Unterschreitung des Grenzwerts ist mithin ein Indiz dafür, dass die Dichtung 20 den Spalt 19 nicht mehr hinreichend abdichtet und so die korrekte Messung gefährdet ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines potentiometrischen Sensors 100 zur pH-Messung im Längsschnitt dargestellt. Der potentiometrische Sensor 100 weist wie der Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels eine Sonde 102 und eine davon abgesetzte, mit der Sonde 102 zur Kommunikation und ggfs. zur Energieversorgung verbundene Elektronik 103 auf. Die Sonde 102 umfasst eine Messhalbzelle 104 und eine Bezugshalbzelle 105, sowie eine Sondenbasis 106 mit einer darin angeordneten Sondenschaltung 107. Die Sondenschaltung 107 und die Elektronik 103 bilden zusammen eine Sensorschaltung 125 des Sensors 100. Wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, können die Funktionen zwischen der Sondenschaltung 107 und der Elektronik 103 je nach Anforderungen und je nach Rechenkapazität der beiden Schaltungsteile aufgeteilt sein.
Die Bezugshalbzelle 105 ist identisch aufgebaut wie die Bezugshalbzelle 5 des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels und weist wie diese ein Gehäuse 113 mit einem Hohlraum 114 auf, in dem ein Bezugselektrolyt enthalten ist, und der von einem Bezugselement 116 elektrisch kontaktiert wird. Der Bezugselektrolyt 116 steht über ein poröses Diaphragma 115 mit einer die Sonde 102 in ihrem Eintauchbereich kontaktierenden Messflüssigkeit in elektrolytischem Kontakt. Die Bezugshalbzelle 105 umgibt die Messhalbzelle 104 koaxial und dient mithin gleichzeitig als elektrische Schirmung für die Messhalbzelle, ganz analog wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Die Messhalbzelle 104 weist einen Grundkörper 108 aus Metall oder einer Metalllegierung, z.B. Stahl, auf. Die Messhalbzelle 105 weist eine ionenselektive Schicht 110 auf, die im vorliegenden Beispiel aber nicht von dem Grundkörper 108 elektrisch kontaktiert wird, sondern von einer metallischen Leiterbahn 126, die auf einer auf dem Grundkörper 108 aufgebrachten isolierenden ersten Grundemail-Schicht 127 aufgebracht ist. Die metallische Leiterbahn 126 dient somit als Potentialableitung der Messhalbzelle 104 und verläuft über die Länge des Grundkörpers 108 bis zu einer Kontaktstelle an dem der Sondenbasis 106 zugewandten Ende des Grundkörpers 108, die elektrisch mit einem Eingang 111 der Sondenschaltung 107 verbunden ist. Die metallische Leiterbahn 126 ist in eine aus mehreren Lagen gebildeten, elektrisch isolierenden zweiten Grundemaille-Schicht 128 eingebettet und so gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert. Die ionenselektive Schicht 110 kann eine ionenselektive Emaille-Schicht sein.
In einem in dem Grundkörper 108 gebildeten Hohlraum ist ein mit der Sondenschaltung 107 verbundener Temperaturfühler 109 angeordnet, der den Grundkörper 108 über eine wärmeleitfähige Schicht 118 thermisch kontaktiert. Der Temperaturfühler 109 steht über die Schicht 118 und die Grundemaille-Schicht 127 mit der ionenselektiven Schicht 110 in thermischem Kontakt und kann somit Temperaturänderungen der ionenselektiven Schicht 110 mit kurzer Ansprechzeit erfassen.
Wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Gehäuse 113 der Bezugshalbzelle 105 und der Messhalbzelle ein Spalt 119 angeordnet, der mit der Dichtung 120 gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Zur Detektion von Feuchtigkeit ist in dem Spalt 119 eine Hilfselektrode 121 angeordnet, die über den Eingang 122 mit der Sondenschaltung 107 verbunden ist. Die Hilfselektrode 121 ist als metallische, auf der Grundemail-Schicht 128 angeordnete Beschichtung ausgestaltet. Die Sensorschaltung 125 ist dazu eingerichtet, eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode 121 und dem Bezugselement 116 und/oder der Ableitung 126 der Messhalbzelle 104 zu überwachen.
Die Sondenschaltung 107 ist über Eingänge 111 und 117 mit der Bezugshalbzelle 104 und der Messhalbzelle 105 verbunden. Die Sensorschaltung 125 ist ganz analog wie oben anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben dazu eingerichtet, Rohmesswerte des pH-Werts zu erfassen und aus diesen anhand der Signale des Temperaturfühlers 109 temperaturkompensierte pH-Messwerte zu ermitteln.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines potentiometrischen Sensors 200 schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Sensor 200 weist eine Sonde 202 auf, die aus einer Sondenbasis 206, einer Messhalbzelle 204 und einer Bezugshalbzelle 205 gebildet ist. In der Sondenbasis 206 ist eine Sensorschaltung 225 untergebracht, die dazu eingerichtet ist, pH-Messwerte anhand einer Messung der sich in Kontakt mit einer Messflüssigkeit zwischen der Messhalbzelle 204 und der Bezugshalbzelle 205 ausbildenden Spannung zu ermitteln und an eine übergeordnete Einheit (in 3 nicht eingezeichnet) auszugeben.
Die Messhalbzelle 204 ist identisch ausgebildet wie die Messhalbzelle 104 der in 2 dargestellten Sonde 102. Sie umfasst einen Grundkörper 208 aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. Edelstahl, in dem ein den Grundkörper 208 über die wärmeleitende Schicht 218 thermisch kontaktierender Temperaturfühler 209 zur Erfassung der Temperatur einer ionenselektiven Schicht 210 angeordnet ist. Die Sensorschaltung 225 ist mit dem Temperaturfühler 209 zur Erfassung von Temperaturmesswerten verbunden.
Die Messhalbzelle 204 umfasst weiter eine ionenselektive Emaille-Schicht 210, die im vorliegenden Beispiel pH-sensitiv ist. Die Schicht ist hier als pH-Emaille-Schicht ausgestaltet. Der Grundkörper 208 ist gegenüber der ionenselektiven Schicht 210 durch eine erste elektrisch isolierende Grundemaille-Schicht 227 elektrisch isoliert. Auf der ersten Grundemail-Schicht 227 ist eine als metallische Beschichtung ausgebildete Leiterbahn 226 angeordnet, die die ionenselektive Emaille-Schicht 210 rückseitig elektrisch kontaktiert und als Festableitung der Messhalbzelle 204 dient. Die als Ableitung des Messhalbzellenpotentials dienende Leiterbahn 226 verläuft über die Länge des Grundkörpers 208 bis zu einer Kontaktstelle an dem der Sondenbasis 206 zugewandten Ende des Grundkörpers 208, die elektrisch mit einem Eingang 211 der Sensorschaltung 225 verbunden ist. Die metallische Leiterbahn 226 ist in eine aus mehreren Lagen gebildeten, elektrisch isolierenden zweiten Grundemaille-Schicht 228 eingebettet und so gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert.
Die Bezugshalbzelle 205 weist im vorliegenden Beispiel eine rohrförmige Gehäusewand 213 auf, die die im wesentlichen zylindrische Messhalbzelle 204 koaxial bezüglich einer gedachten, gemeinsamen Zylindersymmetrieachse der Bezugshalbzelle 205 und der Messhalbzelle 204 umgibt. Zwischen der rohrförmigen Gehäusewand und der vollständig von der zweiten Grundemail-Schicht 228 eingeschlossenen Umfangsfläche (Zylindermantelfläche) der Messhalbzelle 204 ist ein ringförmiger Raum 214 gebildet, der stirnseitig am zum Kontakt mit der Messflüssigkeit bestimmten Eintauchbereich der Sonde 202 durch ein poröses Diaphragma 215 aus einem Kunststoff oder Keramik abgeschlossen ist. Dieses kann zwischen dem Umfang der Messhalbzelle 204 und der Gehäusewand 213 eingeklemmt oder eingeklebt sein. In dem ringförmigen Raum 214 der Bezugshalbzelle 205 ist ein Bezugselektrolyt 214 aufgenommen, der durch ein Bezugselement 216 kontaktiert wird. Diese können ausgestaltet sein wie der Bezugselektrolyt und das Bezugselement 16 des ersten Ausführungsbeispiels (1). Das Bezugselement 216 ist über den Eingang 217 mit der Sensorschaltung 225 verbunden.
Wie weiter oben für das erste Ausführungsbeispiel beschrieben, ist die Sensorschaltung 225 dazu eingerichtet, Rohmesswerte des pH-Werts zu erfassen und aus diesen anhand der Signale des Temperaturfühlers 109 temperaturkompensierte pH-Messwerte zu ermitteln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die rohrförmige Gehäusewand 213 aus einem schlecht wärmeleitenden Kunststoff, während der Grundkörper 208 der Messhalbzelle 205 aus thermisch sehr gut leitfähigem Edelstahl gebildet ist. Bei Temperaturschwankungen der im Messbetrieb der Sonde 202 den Eintauchbereich der Sonde kontaktierenden Messflüssigkeit erreicht der Grundkörper 208 daher schnell die Temperatur des Messmediums und erwärmt oder kühlt gleichzeitig den Bezugselektrolyten. Damit wird der Bildung von über längere Zeit stabilen Temperaturgradienten innerhalb des Bezugselektrolyten entgegengewirkt. Solche Temperaturgradienten wirken sich zum einen nachteilig auf die Messgenauigkeit aus, zum anderen können sie Transportreaktionen am Bezugselement begünstigen.
Eine Vielzahl weiterer Varianten und Abwandlungen sind denkbar, die ebenfalls unter den Erfindungsgedanken fallen. Beispielsweise kann die ionenselektive Email-Schicht anstatt für Hydronium-Ionen für andere Ionen, z.B. Natriumionen, sensitiv sein. In diesem Fall erfasst der erfindungsgemäße Sensor eine Konzentration der entsprechenden Ionen, z.B. eine Natrium-Konzentration in der Messflüssigkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2721939 A1 [0008, 0011, 0012]
DE 2133419 [0008, 0010, 0012]

Claims

Potentiometrischer Sensor zur Messung einer eine lonenkonzentration in einem Messmedium repräsentierenden Messgröße, umfassend eine Sonde mit einer Messhalbzelle und einer Bezugshalbzelle, wobei die Messhalbzelle einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper angeordnete ionenselektive Emaille-Schicht aufweist, wobei der Grundkörper mindestens einen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus Metall- oder einer Metall-Legierung, gebildeten Bereich aufweist, der sich in Längsrichtung der Sonde erstreckt, und der die Emaille-Schicht auf ihrer dem Grundkörper zugewandten Seite elektrisch kontaktiert und als Potentialableitung der Messhalbzelle dient, wobei die Bezugshalbzelle eine Kammer aufweist, die einen Bezugselektrolyten und ein den Bezugselektrolyten kontaktierendes Bezugselement enthält, und wobei ein den Bezugselektrolyten enthaltender Abschnitt der Kammer mindestens einen Abschnitt der Potentialableitung umschließt.
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 1, wobei der Grundkörper und die Kammer der Bezugshalbzelle koaxial bezüglich einer gemeinsamen Längsachse, insbesondere bezüglich einer gemeinsamen Zylindersymmetrieachse, angeordnet sind.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in einer Gehäusewandung der Kammer der Bezugshalbzelle eine Überführung, insbesondere ein Spalt oder ein Diaphragma, angeordnet ist, das einen elektrolytischen Kontakt zwischen dem Elektrolyten und einem die Gehäusewand kontaktierenden Medium herstellt.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend eine Sensorschaltung, die elektrisch mit der Potentialableitung der Messhalbzelle und dem Bezugselement verbunden ist, und die dazu eingerichtet ist, eine Spannung zwischen der Potentialableitung und dem Bezugselement als Messsignal zu erfassen.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Grundkörper aus dem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall oder einer Metall-Legierung, gebildet ist, und wobei die ionenselektive Schicht unmittelbar auf dem Grundkörper angeordnet ist, so dass der Grundkörper als Potentialableitung dient.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Potentialableitung als auf dem Grundkörper angeordnete, insbesondere durch ein isolierendes Material gegenüber dem Grundkörper elektrisch isolierte, ein- oder mehrlagige Schicht aus dem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall oder einer Metall-Legierung, gebildet ist.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei in dem Grundkörper ein Temperaturfühler integriert ist.
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 7, wobei der Temperaturfühler in einem innerhalb des Grundkörpers gebildeten Hohlraum angeordnet ist, und wobei der Temperaturfühler, insbesondere über eine wärmeleitende Verbindungsschicht, in wärmeleitendem Kontakt mit dem Grundkörper steht.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, umfassend eine Sensorschaltung, die dazu eingerichtet ist, aus einer zwischen der Potentialableitung der Messhalbzelle und dem Bezugselement erfassten Spannung einen Rohmesswert der Messgröße zu ermitteln und basierend auf einem Messsignal des Temperaturfühlers eine Temperaturkompensation des Rohmesswerts auszuführen.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Kammer der Bezugshalbzelle eine Ringkammer ist, die zwischen einer inneren rohrförmigen Wand und einer äußeren rohrförmigen Wand eingeschlossen ist, wobei die innere und die äußere rohrförmige Wand koaxial bezüglich einer in Längsrichtung der Sonde verlaufenden Zylindersymmetrieachse des Gehäuses angeordnet sind, und wobei mindestens ein die Potentialableitung umfassender Abschnitt der Messhalbzelle von der inneren rohrförmigen Wand umgeben ist.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Grundkörper aus einem Material gebildet ist, dessen Wärmeleitfähigkeit größer ist als 20 Wm^-1K^-1 und wobei ein die Kammer der der Bezugshalbzelle einschließendes Gehäuse aus einem Material mit einer Wärmeeleitfähigkeit zwischen 0,1 Wm^-1 K^-1 und 3 Wm^-1 K^-1 gebildet ist.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in einem zwischen der Messhalbzelle und der Bezugshalbzelle eingeschlossenen Bereich eine Hilfselektrode angeordnet ist, und wobei die Sensorschaltung dazu eingerichtet ist, eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode und der Messhalbzelle und/oder eine Impedanz zwischen der Hilfselektrode und der Bezugshalbzelle zu messen.