DE102022111391A1

DE102022111391A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102022111391A1
Application number: DE102022111391.4A
Authority: DE
Inventors: Matthäus Speck; Hartmut Prinz; Moritz Woischke; Christian Fanselow
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-11-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensoranordnung (1), umfassend:- eine Lagerkammer (2), umfassend:- einen Innenraum (2a) zum Aufnehmen einer Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit mit einer Öffnung (6),- eine Bezugsableitung (4) zum Kontaktieren der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit, wobei die Bezugsableitung (4) mit einer übergeordneten Einheit verbindbar ist; und- einen Sensorkörper (7), umfassend:- einen sensitiven Bereich (8) zur Erfassung einer Messgröße eines Messmediums (11),- eine Messableitung (9), wobei der sensitive Bereich (8) über die Messableitung (9) elektrisch mit der übergeordneten Einheit verbindbar ist, und- ein überführungsbildendes Element (10) zum Bilden einer Flüssigüberführung zwischen der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und des Messmediums, wobei das überführungsbildende Element (10) mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmigen, elektrischen Leiter (27), insbesondere in Form eines Drahtes, umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung.
Pharmazeutische, biologische, biochemische oder biotechnologische Prozesse werden in zunehmendem Maße mittels sogenannter Einwegprozesslösungen, z.B. in Prozessanlagen in Single-Use-Technologie durchgeführt. Solche Prozessanlagen umfassen Rohrleitungen oder Reaktoren, die als Einwegbehälter (englischer Fachbegriff auch: disposables bzw. disposable bioreactors oder single-use bioreactor bzw. single-use component) ausgestaltet sind. Diese Einwegbehälter können beispielsweise flexible Behälter, z.B. Beutel, Schläuche oder Fermenter sein. Bioreaktoren oder Fermenter besitzen häufig Zu- und Ableitungen, die beispielsweise als Schläuche ausgestaltet sein können. In die Zu- und Ableitungen können auch feste Rohrstücke eingesetzt sein. Nach Beendigung eines Prozesses können die Einwegbehälter entsorgt werden. Auf diese Weise werden aufwändige Reinigungs- und Sterilisationsverfahren vermieden. Insbesondere wird durch den Einsatz von Einwegbehältern das Risiko von Kreuzkontaminationen verhindert und damit die Prozesssicherheit erhöht.
Um die Prozesse zu überwachen oder zu kontrollieren, kann es notwendig sein, physikalische oder chemische Messgrößen der in den Einweg-Prozessbehältern enthaltenen Medien zu messen. Hierbei kommen optische, aber auch elektrochemische, insbesondere potentiometrische oder amperometrische Sensoren oder Leitfähigkeitssensoren, zum Einsatz.
Die in den Einwegbehältern durchgeführten Prozesse laufen in einem geschlossenen System, d.h. ohne Verbindung zur Umgebung außerhalb der Einwegbehälter, ab. Da häufig sterile Bedingungen erforderlich sind, müssen die Einwegbehälter vor dem Einbringen der Prozessmedien sterilisiert werden. Zu diesem Zweck kommt in biochemischen, biologischen, biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen häufig ionisierende Strahlen wie beispielsweise Gammastrahlung zum Einsatz. Auch während die Prozesse in einem Einwegbehälter, etwa einem Einwegfermenter oder Einwegreaktor, ablaufen, muss das Eindringen von Fremdsubstanzen, insbesondere von Keimen, aus der Umgebung in das Innere des Einwegbehälters vermieden werden, um den Prozessablauf nicht zu beeinträchtigen oder zu verfälschen. Dasselbe gilt auch für Zu- und Ableitungen, die in den Einwegfermenter oder Einwegreaktor münden oder aus dem Einwegfermenter oder Einwegreaktor bzw. aus dem Einwegfermenter oder Einwegreaktor herausgeführt sind.
Ein oder mehrere in den Einwegbehälter integrierte Sensoren können zusammen mit diesem sterilisiert werden. Durch das Sterilisieren und/oder für den Fall, dass zwischen der Sterilisierung und der Inbetriebnahme der Einwegbehälter und der integrierten Sensoren eine längere Zeitspanne liegt, können sich Eigenschaften der integrierten Sensoren verändern, was zu einer Veränderung der jeweiligen Sensorkennlinien, z.B. zu einer Nullpunkts-Drift, führen kann. Potentiometrische und amperometrische Sensoren umfassen häufig Membranen, die idealerweise feucht gelagert werden sollten. Die Feuchtlagerung gewährleistet, dass der Sensor sofort ab Inbetriebnahme verlässliche Messwerte ausgibt.
Bei elektrochemischen Sensoren, im Sinne der vorliegenden Schrift eine Sensoranordnung, erfolgt eine Messung der elektrischen Spannung oder des elektrischen Stromes zwischen zwei Elektroden. Im Allgemeinen spricht man bei einer Elektrode auch von einer „Ableitung“. Durch die Anlagerung, Einlagerung oder elektrochemische Umsetzung der zu messenden Ionen, Atome oder Moleküle am sensitiven Bereich entsteht ein elektrisches Potential. Für die Messung der elektrischen Spannung ist eine Bezugselektrode, welche einen festen Potentialbezugspunkt liefert, notwendig. Die Bezugselektrode besteht aus der Kombination eines Metalls mit einem schwerlöslichen Salz diese Metalls und einem Elektrolyten mit fester Konzentration des Anions des Salzes und soll für die Messung eine gute elektrische Anbindung an das Messmedium, d.h. eine hohe Ionenleitfähigkeit haben. Da die lonenzusammensetzung der Bezugselektrode das Bezugspotential bestimmt, darf sich die lonenkonzentration in der Bezugselektrode nicht ändern. Die Anbindung der Bezugselektrode an das Messmedium erfolgt über eine teildurchlässige Verbindung, im Allgemeinen eine Überführung, zum Beispiel ein Diaphragma, welche den Ionenaustausch verlangsamt und somit ein über eine längere Zeit stabiles Bezugspotential ermöglicht.
Überführungen, insbesondere Diaphragmen werden aus den unterschiedlichsten Materialien, wie porösen Keramiken, Kunststoffen, Spalten oder auch Mikrokanalplatten hergestellt. Material und Größe werden dabei der jeweiligen Anwendung angepasst, so werden großflächige und grobporige Diaphragmen bei stark verschmutzten Messmedien verwendet, um eine Blockierung des Diaphragmas zu verhindern. Kleine und feinporige Diaphragmen verlangsamen andererseits stärker ein Eindringen von Fremdionen als auch das Ausdiffundieren der in der Bezugselektrode vorhandenen Ionen und erhöhen die Lebensdauer der Bezugselektrode.
Erfolgt eine Lagerung an Luft, verdunstet der Bezugselektrolyt aus dem Diaphragma und es bildet sich eine Salzkruste, die Verwendung eines gelförmigen Elektrolyten und / oder Abdeckung des Diaphragmas kann zwar die Bildung der Salzschicht vermindern, aber nicht komplett verhindern. Bei der Inbetriebnahme muss die Salzschicht aufgelöst und das Diaphragma wieder komplett durchfeuchtet werden, bevor eine verlässliche Messung möglich ist. Alternativ erfolgt die Lagerung von elektrochemischen Flüssigkeitssensoren in einem Elektrolyten, welcher die gleiche Zusammensetzung wie der Bezugselektrolyt hat.
Auch der sensitive Bereich wird bei Nichtbenutzung des Sensors bevorzugt in einer Flüssigkeit gelagert. In Flüssigkeit gelagerte elektrochemische Sensoren sind schneller einsatzbereit als trocken gelagerte. Vor der Messung muss aber immer eine Kalibrierung in einer Flüssigkeit mit definierter Konzentration der zu messenden Ionen, Atome oder Moleküle erfolgen.
Unabhängig von der Lagerung ist speziell bei sterilen oder inerten Messbedingungen der Transfer des elektrochemischen Sensors vom Lagermedium in das Kalibriermedium und anschließend in das Messmedium aufwendig. Dies erfordert entweder das Einbringen von Kalibrierlösung in das Messsystem oder einen Transfer der Kalibrierlösung in oder aus zusätzlichen Kalibrierungskammern, wobei eine Verschleppung des Kalibrierelektrolyten in das Messmedium nur mit hohem technischem Aufwand ausgeschlossen werden kann. Trockengelagerte Sensoren müssen vor dem Einbringen in einen Prozess in einer sterilen Flüssigkeit nachgelagert werden, wodurch sich eine hohe Ansprechzeit ergibt. Die genannten Prozeduren sind zeitaufwendig, fehleranfällig und mit hohen Kosten verbunden.
Die DE 10 2016 101 715 A1 offenbart eine Sensoranordnung umfassend ein mit einem Prozessbehälter verbindbares Gehäuse, in dem ein Führungskanal gebildet ist, und einen in dem Führungskanal in axialer Richtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verfahrbaren Sensorkörper mit einem aus dem Gehäuse ausfahrbaren, der Erfassung einer Messgröße eines Messmediums dienenden Sensorelement, wobei ein Endabschnitt des Sensorkörpers eine stirnseitige Grundfläche und eine Umfangsfläche aufweist, wobei das Sensorelement einen Teil der Umfangsfläche bildet. Der Messzellenkörper umfasst eine Messhalbzelle und eine Bezugshalbzelle, wobei der Körper zwischen den beiden Positionen beweglich ist.
Die US 2020/0217817 A1 offenbart einen Sensor mit einem Sensorelement, das in einem mit einem Lagermedium gefüllten Lagerraum gehalten wird, wobei das Lagermedium auch als Kalibriermedium verwendet werden kann. Das Sensorelement kann eine Sensorfläche aufweisen, die vom distalen Ende des Sensorelements entfernt ist, so dass ein inaktiver Abschnitt des Sensorelements mit einem Dichtungselement wie einem O-Ring zusammenwirken kann, um einen Teil der Dichtung zu bilden, die das Lagermedium/ Kalibrierungsmedium hält. Das Sensorelement kann aus dem Lagerraum ausgefahren und zurückgezogen werden, um die Sensorfläche einem Messmedium auszusetzen, während das Lagermedium im Lagerraum für die Validierung nach der Messung aufbewahrt wird. Der Sensor umfasst auch ein Referenz-Halbzellenelement mit einem Flüssigkeitsübergang, wobei das Referenz-Halbzellenelement so ausgestaltet ist, dass es sich zusammen mit dem Sensorelement bewegt, so dass, wenn die Sensorfläche dem Lagermedium/Kalibrierungsmedium ausgesetzt ist, dies auch für den Flüssigkeitsübergang gilt. Wenn die Sensorfläche einem Messmedium ausgesetzt ist, wird auch die Flüssigkeitsverbindung dem Messmedium ausgesetzt.
Ein unkompliziertes Verwenden des Sensors in sterilen Anwendungen ist so aber nicht möglich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Prozess zur Inbetriebnahme von Sensoren in sterilen Anwendungsgebieten zu vereinfachen.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternativ Lösung für die Flüssigüberführung zwischen der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und dem Messmedium bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung, die umfasst:

- eine Lagerkammer, umfassend:
- einen Innenraum zum Aufnehmen einer Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit mit einer Öffnung,
- eine Bezugsableitung zum Kontaktieren der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit,

- einen Sensorkörper, umfassend:
- - einen sensitiven Bereich zur Erfassung einer Messgröße eines Messmediums,
- - eine Messableitung,
wobei der sensitive Bereich über die Messableitung elektrisch mit der übergeordneten Einheit verbindbar ist, und
- - ein überführungsbildendes Element zum Bilden einer Flüssigüberführung zwischen der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und des Messmediums,
wobei das überführungsbildende Element mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmig ausgebildeten, elektrischen Leiter, bevorzugt in Form eines Drahtes, umfasst.

Unter dem Begriff helixförmig ist im Sinne der Anmeldung eine Kurve zu verstehen, die sich zumindest abschnittsweise mit konstanter Steigung um eine gedachte Längsachse windet. Alternative Begriffe sind wendelartig, spiralförmig, schraublinienförmig oder schraubenfederförmig. Dabei kann sich die Form durch das Anordnen des elektrischen Leiters, insbesondere des Drahtes um den Sensorkörper und/oder durch das Winden des elektrischen Leiters, insbesondere des Drahtes um eine gedachte eigene Längsachse ergeben, die von der Längsachse des Sensorkörpers abweicht.
Der elektrische Leiter, insbesondere der Draht kann ein Metall, insbesondere Silber, Kupfer, Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Titan umfassen. Der elektrische Leiter, insbesondere der Draht kann aber auch ein nicht metallisches elektrisch leitfähiges Material, wie Graphit, Kohlefaser oder ein elektrisch leitfähiges Polymer umfassen.
Als Draht im Sinne der Anmeldung ist ein dünn und lang geformter, biegsamer elektrischer Leiter zu verstehen. Ein Draht weist üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es sind jedoch auch alternative Querschnitte bekannt, z.B. bei Flach-, Vierkant- oder Profildrähte. Der Draht kann in Schraubenform oder um einen Mantel eines Zylinders - z.B. eines weiteren Drahtes - gewickelt sein.
Der mindestens eine elektrische Leiter, insbesondere der Draht ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass dieser ein Kanaldiaphragma bildet, der als Flüssigüberführung zwischen dem Messmedium und der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit dient.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das überführungsbildende Element, insbesondere der elektrische Leiter auf oder an dem Sensorkörper angeordnet ist.
Das überführungsbildende Element kann stoff-, form- und/oder kraftschlüssig an einer Außenwandung des Sensorkörper angeordnet sein. Weiterhin kann das überführungsbildende Element zusätzlich zum elektrischen Leiter, insbesondere zum Draht ein Befestigungsmittel umfassen, welches an der Außenwandung des Sensorkörpers angebracht ist und dafür sorgt, dass der elektrische Leiter, insbesondere der Draht an der Außenwandung ortsfest angeordnet ist. Bei dem Befestigungsmittel kann es sich vorzugsweise um eine elektrisch isolierende Beschichtung handeln, welche den elektrischen Leiter, insbesondere den Draht zumindest abschnittsweise umschließt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das der elektrische Leiter zumindest abschnittsweise vollständig durch den Sensorkörper umschlossen ist.
Der Sensorkörper kann beispielsweise eine aus Glas gebildet Sensorkörperwandung aufweisen. In dem Fall ist der elektrische Leiter, insbesondere der helixförmig gewickelte Draht zumindest teilweise in der Sensorkörperwandung eingeschmolzen. Auf eine weitere elektrisch isolierende Beschichtung kann verzichtet werden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das überführungsbildende Element, insbesondere der elektrische Leiter mindestens zwei zusammengedrehte Drähte umfasst.
Dabei können die mindestens zwei Drähte verzwirnt sein bzw. einen Zwirn bilden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der elektrische Leiter mindestens ein Drahtgelege umfasst.
Unter Drahtgelege im Sinne der Anmeldung ist beispielsweise ein Drahtgitter, Drahtgeflecht oder ein Drahtgewebe zu verstehen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das überführungsbildende Element eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere eine Glas- oder Emaille-Beschichtung umfasst, wobei die elektrisch isolierende Schicht zumindest abschnittsweise den elektrischen Leiter, insbesondere den Draht bedeckt.
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 Emaille-Beschichtungen sind beispielsweise ein oder mehrere der Oxide Siliziumoxid, Natriumoxid, Kaliumoxid, Calciumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumoxid.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensorkörper zumindest in einem ersten Abschnitt Glas umfasst,
wobei das überführungsbildende Element im ersten Abschnitt angeordnet ist und durch das Glas umschlossen ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung mindestens zwei, insbesondere relativ zu einer Längsachse des Sensorkörpers rotationssymmetrisch angeordnete überführungsbildende Elemente umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensorkörper in der Öffnung der Lagerkammer beweglich angeordnet ist, und von einer ersten Position in eine zweite Position, insbesondere einmalig, bewegbar ist,
wobei der sensitive Bereich am/im Sensorkörper so angeordnet ist, dass er sich in der ersten Position im Innenraum der Lagerkammer und in der zweiten Position außerhalb der Lagerkammer befindet,
wobei die Lagerkammer, die Öffnung und der Sensorkörper so ausgestaltet sind, dass in der ersten Position ein Austreten der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus dem Innenraum verhindert wird,
wobei die Lagerkammer, die Öffnung und der Sensorkörper so ausgestaltet sind, dass sich in der zweiten Position die Flüssigüberführung mittels des überführungsbildenden Elements bildet.
In der ersten Position wird ein Austreten der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus dem Innenraum verhindert, somit ist der sensitive Bereich feucht gelagert. In einer Ausgestaltung umfasst die Öffnung dazu eine oder mehrere Dichtungen. In einer Ausgestaltung ist der Außendurchmesser des Sensorkörpers an den Durchmesser der Öffnung angepasst.
In der ersten Position kann eine Kalibrierung erfolgen.
In der zweiten Position bildet sich durch das mindestens eine überführungsbildende Element, insbesondere den metallischen Leiter bzw. den helixförmigen Draht eine Flüssigüberführung. Die Flüssigüberführung bildet einen Fluidkanal vom Innenraum der Lagerkammer nach außen, also an ein an die Sensoranordnung angeschlossenes Behältnis. In einer Ausgestaltung ist dies eine Messzelle, siehe unten. Durch die Flüssigüberführung ergibt sich dann eine Messtrecke über das sensitive Element bzw. die Messableitung.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das überführungsbildende Element eine Mantelfläche aufweist, welche in der zweiten Position einen ersten Abschnitt aufweist, der in Kontakt mit dem Messmedium steht und einen zweiten Abschnitt aufweist, der in Kontakt mit dem Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit steht.
Das überführungsbildende Element ist so, insbesondere am Sensorkörper angeordnet, dass in der ersten Position des Sensorkörpers das überführungsbildende Element in der Lagerkammer angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst:

- eine Messzelle zur Aufnahme des Messmediums, wobei die Messzelle über die Öffnung mit der Lagerkammer verbunden ist und wobei sich der sensitive Bereich in der zweiten Position in der Messzelle befindet.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das überführungsbildende Element ringförmig in der Öffnung angeordnet ist, und der Sensorkörper an einem Endbereich eine Tellerdichtung umfasst, welche das überführungsbildende Element, insbesondere den elektrischen Leiter bzw. den Draht radial umschließt und die Lagerkammer in der ersten Position abdichtet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messzelle eine zweite Öffnung umfasst und das überführungsbildende Element in der zweiten Öffnung angeordnet ist, und der Sensorkörper an einem Endbereich eine Tellerdichtung umfasst, welche das überführungsbildende Element, insbesondere den Draht radial umschließt und die Lagerkammer in der ersten Position abdichtet.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung als potentiometrische Sensoranordnung mit dem Sensorkörper als Messhalbzelle und der Lagerkammer als Bezugshalbzelle ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lagerkammer koaxial um den Sensorkörper angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Messzelle und die Lagerkammer einstückig ausgestaltet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in der Öffnung eine Dichtung, insbesondere ein O-Ring, welche die Lagerkammer in der ersten Position abdichtet, angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Lagerkammer ein oder mehrere Einfüllöffnungen für Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit umfasst.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass es sich bei der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit um eine Flüssigkeit mit einem definierten Anionen-Gehalt (z.B. 3 Mol/l Chlorid-Ionen) handelt, um eine stabile Referenzelektrode zu bilden.
Der pH-Wert wird für die Kalibrierung durch einen vorzugsweise anorganischen pH-Puffer eingestellt. Die Flüssigkeit verhindert ein Auslaugen der Quellschicht während der Lagerung, in einer Ausgestaltung durch Li- oder Na-Ionen. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit um einen Innenpuffer einer normalen pH-Elektrode.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung einen Temperatursensor umfasst, wobei der Temperatursensor in einem Inneren des Sensorkörpers angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Sensoranordnung umfasst: ein Gehäuse, das in mechanischem Kontakt mit dem Sensorkörper ist und eine Bewegung des Gehäuses eine Bewegung des Sensorkörpers bewirkt.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse hülsenartig ausgebildet ist und zumindest in einem Querschnitt der Lagerkammer um diese angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der sensitive Bereich als ionenselektive Membran, insbesondere als pH-sensitive Membran ausgestaltet ist. Die ionenselektive Membran ist dazu ausgestaltet, die Konzentration bzw. Aktivität einer bestimmten lonenart zu bestimmen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Membran als Glasmembran, insbesondere als Kuppe, ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Membran als Emaille-Beschichtung ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuse einen Steckkopf umfasst, wobei die Messableitung und die Bezugsableitung mit dem Steckkopf verbunden sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus einer wässrigen Elektrolytlösung gebildet wird.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektrolytlösung einen mit der Messgröße korrelierenden Analyten in vorgegebener Aktivität oder Konzentration enthält.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Elektrolytlösung das Potential der Bezugsableitung bildende Ionen, vorzugsweise Chlorid-Ionen, enthält.
Zusammengefasst offenbart die vorliegende Schrift eine Sensoranordnung mit einer Lagerkammer, einem Sensorkörper, bspw. in Form eines Sensorrohrs, und einer Messzelle. Der Sensorkörper ist so angeordnet, dass er durch einen Bediener in einen Prozess eingebracht werden kann. Die Lagerkammer umfasst eine Bezugsableitung und ist mit einer Flüssigkeit befüllt, welche als Referenzflüssigkeit und durch definierte Zugabe der zu messenden Ionen, Atomen oder Molekülen auch als Kalibrierelektrolyt genutzt werden kann. Die Befüllung der Lagerkammer kann über entsprechende Öffnungen realisiert werden. Die Lagerkammer umfasst eine Öffnung für die Aufnahme des Sensorkörpers. Zur Vermeidung einer Leckage bzw. gegen Austreten der Flüssigkeit aus der Lagerkammer können ein oder mehrere Dichtelement(e) eingesetzt werden. Der Sensorkörper besitzt einen sensitiven Bereich, an dem eine Ableitung angeschlossen ist. Die für den Kontakt zwischen Messmedium und Bezugsableitung benötigte Überführung in Form eines elektrischen Leiters, insbesondere eines helixförmigen Drahtes kann in dem Sensorkörper integriert sein oder auf einer Sensorkörpermantelfläche angeordnet sein.
Basierend auf dieser Sensor-Struktur ergibt sich vorteilhafterweise eine Einweg-Lösung mit einer zuverlässige Referenzmessung für sterile Anwendungen sichergestellt ist. Dafür befindet sich in der ersten Position der sensitive Bereich des Sensorkörpers vollständig in der Lagerkammer. Zwischen Bezugsableitung und sensitivem Bereich besteht ein geschlossener Stromkreis und die Spannung kann gemessen, bzw. für eine Strommessung geregelt werden. Da eine definierte Konzentration der zu messenden Ionen, Atome oder Moleküle im Referenzelektrolyten vorliegt, kann eine Kalibrierung der Messgröße durchgeführt werden. Durch eine Verschiebung um einen definierten Weg des Sensorkörpers aus der Lagerkammer in die Messzelle wird der sensitive Bereich in das Messmedium eingebracht und das überführungsbildende Element so platziert, dass es den Kontakt von Referenzelektrolyt zu Messmedium über die abgedichtete Öffnung ermöglicht (zweite Position). Das Messmedium kann durch Ein- und Auslasskanäle durch die Messzelle an den sensitiven Bereich geleitet werden oder der Sensorkörper taucht direkt in eine das Messmedium enthaltende Kammer ein. Sämtliche Schlauchanschlüsse an der Sensoranordnung können vor einer Sterilisation versiegelt werden. Die Sterilverbindung kann so während der gesamten Prozessimplementierung und im Prozess bestehen bleiben. Durch die kombinierte Verwendung der Lagerkammer zur Lagerung und zur Kalibrierung des Messrohrs, sowie eine, z.B. am Sensorkörper angebrachte, Überführung, werden keine zusätzlichen Elektrolyte zur Kalibrierung benötigt. Eine Salzbildung an der Überführung sowie das Austrocknen des sensitiven Bereichs werden durch die permanente Feuchtlagerung unter Ausschluss von Sauerstoff verhindert. Die beanspruchte Sensoranordnung kann durch den geschlossenen Aufbau durch ionisierende Strahlung wie beispielsweise Elektronenstrahlen, Gamma-Strahlung oder Röntgen-Strahlung sterilisiert, gelagert und unter Erhalt der Sterilität in Anlagen eingebaut werden.
Dies wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert.

1a/b zeigen die beanspruchte Sensoranordnung in einer ersten bzw. zweiten Position.
2 a/b zeigen Querschnitte der beanspruchten Sensoranordnung in einer ersten bzw. zweiten Position.
3a-d zeigen die beanspruchte Sensoranordnung in einer Ausgestaltung in einer ersten bzw. zweiten Position mit Detailansicht.
4a/b zeigen die beanspruchte Sensoranordnung in einer weiteren Ausgestaltung in einer ersten bzw. zweiten Position.
5 zeigt eine Ausgestaltung eines freiliegenden gezwirnten Drahtes, eines zumindest teilweise durch eine Emaille-Beschichtung bedeckten Drahtes und einen Querschnitt durch einen gezwirnten Draht.
6 zeigt jeweils einen Querschnitt durch drei Ausgestaltungen mit unterschiedlich vielen elektrischen Leitern, insbesondere Drähten.
7 zeigt drei Anordnungsmöglichkeiten des elektrischen Leiters, insbesondere des Drahtes.

In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die beanspruchte Sensoranordnung in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1a in einer ersten Position dargestellt.
In 1a und 1b ist ein erstes Beispiel einer Sensoranordnung 1 dargestellt, beispielsweise mit einem aus einem Kunststoff mit Hygienezulassung gebildeten Gehäuse 13. Die Sensoranordnung 1 ist mit einem Prozessbehälter, insbesondere einem Prozessbehälter in Einweg-Technologie, z.B. einem Fermenter, „Bag“, Tasche, Beutel, Kammer, Behältnis, einer Schlauch- oder Rohrleitung mit einer starren oder flexiblen Wandung aus einem Kunststoff mit Hygienezulassung oder ähnliches, verbindbar. Dargestellt ist eine Ausgestaltung zum Verbinden mit einer Schlauch- oder Rohrleitung. Im Folgenden wird der Prozessbehälter als „Messzelle 5“ bezeichnet. Die Messzelle 5 umfasst einen Einlass 14 und einen Auslass 15. Bei der Ausgestaltung für ein anderes Behältnis weist die Sensoranordnung 1 dann eine Verbindungsleiste (nicht dargestellt; als eine Art Flansch) auf, die mit der Wandung des Prozessbehälters verklebt oder verschweißt werden kann. Entsprechend umfasst die Sensoranordnung 1 dann nicht einen Einlass 14 und Auslass 15, sondern die Sensoranordnung 1 ist an das anzuschließende Behältnis angepasst.
Als Material für die Messzelle 5 kommt beispielsweise ein Kunststoff in Betracht, etwa PE, PPSU, PVDF oder PEEK.
Die Sensoranordnung 1 umfasst eine Lagerkammer 2 mit einem Innenraum 2a, der zur Aufnahme einer Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit ausgestaltet ist und einer Bezugsableitung 4, die mit einer übergeordneten Einheit (nicht dargestellt) verbindbar ist. Die Lagerkammer 2 weist beispielweise eine kreiszylindrische Form auf. In einer Ausgestaltung hat die Lagerkammer 2 eine elliptische oder mehreckige Grundfläche, ist etwa vier- oder fünfeckig ausgestaltet. Die Lagerkammer 2 umfasst ein oder mehrere Einfüllöffnungen 22 für Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit.
Die Sensoranordnung 1 umfasst in der Ausgestaltung in 1a eine Messzelle 5. Die Lagerkammer umfasst eine, insbesondere kreisförmige, Öffnung 6. Die Messzelle 5 und die Lagerkammer 2 sind beispielsweise einstückig gefertigt, wobei diese über die Öffnung 6 miteinander verbunden sind. Alternativ können die beiden aus separaten Teilen gefertigt sein und entsprechend, etwa durch Fügen, Kleben oder Schweißen, miteinander verbunden sein. Die Messzelle 5 ist zur Aufnahme von Messmedium 11 ausgestaltet, siehe oben, über den Ein- und Auslass 14, 15. Die Messzelle 5 ist beispielsweise eine Durchflusszelle, die in ein Leitungssystem eingebracht werden kann. Dies zeigen die 1a/b.
Ein beispielsweise zylinderförmiger Sensorkörper 7 ist axial beweglich in der Öffnung 6 gelagert, d.h. die Öffnung 6 bildet einen Führungskanal. Der Sensorkörper 7 ist beweglich zumindest von einer ersten Position (1a, Lagerposition) in eine zweite Position (1b, Messposition). Die Lagerkammer 2 ist somit koaxial um den Sensorkörper 7 angeordnet. In einer Ausgestaltung ist die Öffnung 6 außeraxial angeordnet, d.h. verschoben von der Hauptachse der Lagerkammer. Dies kann insbesondere bei einer elliptischen Grundform der Fall sein.
Bevorzugt ist die Sensoranordnung 1 als Single-Use Sensor ausgestaltet, d.h. der Sensorkörper 7 ist nur einmalig von der ersten in die zweite Position verschiebbar. Der Sensorkörper 7 umfasst einen sensitiven Bereich 8 zur Erfassung einer Messgröße des Messmediums 11 und einer Messableitung 9, wobei der sensitive Bereich 8 über die Messableitung 9 mit der übergeordneten Einheit (nicht dargestellt) verbindbar ist. Der sensitive Bereich 8 befindet sich in der ersten Position in der Lagerkammer 2 und in der zweiten Position in der Messzelle 5. Zu Details bezüglich der Messung siehe unten.
Die Lagerkammer 2, die Öffnung 6 und der Sensorkörper 7 sind so ausgestaltet, dass in der ersten Position ein Austreten der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus dem Innenraum 2a verhindert wird. Die Lagerkammer 2, die Öffnung 6 und der Sensorkörper 7 sind so ausgestaltet sind, dass sich in der zweiten Position eine Flüssigüberführung bildet. Dies wird im Folgenden erläutert.
Die Sensoranordnung 1 umfasst dazu etwa ein überführungsbildendes Element 10, 16, 26, das so angeordnet ist, dass in der zweiten Position des Sensorkörpers 7 eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Innenraum 2a der Lagerkammer 2 und außerhalb, also etwa mit der Messzelle 5 besteht. Das überführungsbildende Element 10, 16, 26 ist so angeordnet, dass in der zweiten Position des Sensorkörpers 7 die Flüssigüberführung als eine mit Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit gefüllte Flüssigüberführung ausgestaltet ist. Es bildet sich somit ein Fluidkanal vom Innenraum 2a nach außen. Dafür umfasst das überführungsbildende Element 10, 16, 26 einen helixförmigen elektrischen Leiter bzw. in bevorzugten Fall mindestens einen Draht. Das überführungsbildende Element 10, 16, 26 wird im Englischen häufig als „liquid junction“ bezeichnet. Das überführungsbildende Element 10, 16, 26 weist erfindungsgemäß mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmigen, elektrischen Leiter, insbesondere in Form eines Drahtes oder einer Mehrzahl an zusammengedrehten Drähten bzw. eines Drahtgeleges auf.
Das überführungsbildende Element 10, 16, 26 bzw. der mindestens eine, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmige, elektrische Leiter 27, insbesondere in Form eines Drahtes - wie bspw. in 5 abgebildet - ist in den Einweg-Lösungen gemäß 1 bis 4 so angeordnet, dass in der ersten Position des Sensorkörpers 7 das überführungsbildende Element 10 in der Lagerkammer 2 angeordnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung des mindestens einen elektrischen Leiters, insbesondere des Drahtes sind in 7 abgebildet.
Die Lagerkammer 2, die Messzelle 5 und der Sensorkörper 7 sind so ausgestaltet, dass in der ersten Position die Lagerkammer 2 gegenüber der Messzelle 5 abgedichtet ist. Die vorliegenden Spalte werden durch Dichtungselemente 12 gefüllt bzw. ausgeglichen. Durch die Dichtungselemente 12 und dem Sensorkörper 7 wird eine hermetische Abdichtung der beiden Kammern 2, 5 generiert. Während der axialen Bewegung des Sensorkörpers 7 bleibt die Abdichtung vollständig bestehen, sodass kein Austausch an Fluiden zwischen den Kammern 2, 5 erfolgt.
Die Lagerkammer 2 ist nach deren Befüllung geschlossen. In ihr enthalten ist ein Fluid, welches zur Feuchtlagerung des sensitiven Bereichs 8 und des überführungsbildenden Elements 10 dient. In der Lagerkammer 2 befindet sich wie erwähnt die Bezugsableitung 4. Durch den bekannten pH-Wert des Lagerfluides kann in der ersten Position (Lagerposition) vor der Inbetriebnahme eine Kalibrierung durchgeführt werden. In der Lagerposition (also der ersten Position) liegt ein geschlossener Messkreis vor, da sich Bezugsableitung 4 und sensitiver Bereich 8 im gleichen Medium befinden.
Bei Inbetriebnahme wird der Sensorkörper 7 so in die Messzelle 5 bewegt, dass sich der sensitive Bereich 8 vollständig in der Messzelle 5 befindet, und dass sich Bereiche des überführungsbildenden Elements 10, insbesondere des mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmigen, elektrischen Leiters, insbesondere in Form eines Drahtes sowohl in der Lagerkammer 2 als auch in der Messzelle 5 befinden. Wird Messmedium 11 durch die Messzelle 5 (über Einlass 14 und Auslass 15) geführt, kontaktiert dieses den sensitiven Bereich 8 und das überführungsbildende Element 10 auf der Seite der Messzelle 5, wobei eine Referenzlösung die Bezugsableitung 4 und das überführungsbildende Element 10 auf der Seite der Lagerkammer 2 kontaktiert. Die Lagerkammer 2 bewegt sich nicht. Die Bezugsableitung 4 verbleibt in der Lagerkammer 2 und bewegt sich nicht.
Zum Verfahren des Sensorkörpers 7 dient eine Verschiebemimik, die mit dem Sensorkörper 7 verbunden ist. Die Verschiebemimik umfasst eine Überwurfhülse 21, die starr mit dem Sensorkörper 7 verbunden ist, so dass eine axiale Bewegung der Überwurfhülse 21 zum Messmedium 11 hin, eine axiale Bewegung des Sensorkörpers 7 in Richtung zum Messmedium 11 hin bewirkt.
Die Sensoranordnung 1 umfasst wie erwähnt ein Gehäuse 13, wobei das Gehäuse 13 die Überwurfhülse 21 umfasst. Eine axiale Bewegung des Gehäuses 13 bewirkt somit eine Bewegung des Sensorkörpers 7. Als Material für das Gehäuse 13 kommt beispielsweise ein Kunststoff in Betracht, etwa PC, COC, PE, PPSU, PVDF oder PEEK.
Der Sensorkörper 7 ragt auch am oberen Ende (also der Verschiebemimik zugewandt) der Lagerkammer 2 in der ersten Position aus dieser hinaus. Damit keine Flüssigkeit ausläuft, umfasst die Lagerkammer 2 ein oder mehrere entsprechende Dichtungen 25.
Die beiden durch Verfahren des Sensorkörpers 7 erreichbaren Endpositionen sind in 1 a und 1 b dargestellt. In 1 a ist der Sensorkörper 7 in der ersten Position vollständig in die Lagerkammer 2 eingefahren, so dass lediglich seine stirnseitige Grundfläche noch Kontakt zur Umgebung hat. In 1b ist in der zweiten Position ein Abschnitt des Sensorkörpers 7, vor allem der sensitive Bereich 8 aus der Lagerkammer 2 ausgefahren. Beide Endpositionen können durch in der Verschiebemimik, dem Gehäuse 2, der Überwurfhülse 21 und/oder dem Sensorkörper 7 gebildete Anschläge in an sich bekannter Weise vorgegeben sein. Es kann auch eine Endlagenrastung oder Endlagenfixierung in dem Fachmann geläufiger Weise vorgesehen sein.
2a bzw. 2b zeigen einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Sensoranordnung 1, insbesondere durch die Lagerkammer 2, den Sensorkörper 7 und die Messzelle 5. Die Lagerkammer 2 umfasst einen Innenraum 2a zum Aufnehmen einer Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit mit einer Öffnung 6. Der einen Sensorkörper 7 umfasst einen sensitiven Bereich 8 zur Erfassung einer Messgröße eines Messmediums 11 und eine Messableitung 9. Dabei ist der sensitive Bereich 8 über die Messableitung 9 elektrisch mit der übergeordneten Einheit verbindbar bzw. verbunden. Ein überführungsbildendes Element 10 zum Bilden einer Flüssigüberführung zwischen der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und des Messmediums ist an/auf einer Mantelfläche des Sensorkörpers angeordnet und umfasst mindestens zwei Drähte. Diese sind gegenüberliegend angeordnet und somit rotationssymmetrisch zu einer Längsachse des Sensorkörpers. Alternativ kann das überführungsbildendes Element 10 auch ausschließlich einen Draht oder mehr als zwei Drähte umfassen. Die Drähte können jeweils einen entsprechend anderen Draht umwickeln oder mit diesen verzwirnt sein.
Der elektrische Leiter 27 ist zumindest abschnittsweise mittels einer elektrisch isolierenden Schicht, in dem Fall mittels einer Emaille-Beschichtung bedeckt. Alternativ kann der elektrische Leiter 27 auch mit einer Glas- oder Keramik-Beschichtung bedeckt sein.
Der Sensorkörper 7 ist in der Öffnung 6 der Lagerkammer 2 beweglich angeordnet und somit von einer ersten Position in eine zweite Position, insbesondere einmalig, bewegbar. Der sensitive Bereich 8 ist an einer Mantelfläche des Sensorkörpers 7 so angeordnet, dass er sich in der ersten Position im Innenraum 2a der Lagerkammer 2 und in der zweiten Position außerhalb der Lagerkammer 2 befindet. Der Sensorkörper 7 ist derart in der Öffnung 6 angeordnet, dass in der ersten Position ein Austreten der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus dem Innenraum 2a verhindert wird. In der zweiten Position des Sensorkörpers bildet das überführungsbildende Elements 10, insbesondere die zwei Drähten die Flüssigüberführung. In der zweiten Position steht ein erster Abschnitt des überführungsbildende Elements 10 bzw. des jeweiligen Drahtes in Kontakt mit dem Messmedium und ein zweiter Abschnitt des überführungsbildende Elements 10 bzw. des jeweiligen Drahtes steht in Kontakt mit dem Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit.
Das Messmedium befindet sich in einer Messzelle 5. Diese ist über die Öffnung 6 mit der Lagerkammer 2 verbunden. In der ersten Position befindet sich weder der sensitive Bereich 8 im Inneren der Messzelle 5 noch berührt das überführungsbildende Element 10, insbesondere die zwei Drähte nicht das Messmedium. In der zweiten Position befindet sich der sensitive Bereich 8 in der Messzelle 5.
Bei Verwendung eines metallischen Sensorkörpers oder einer Sensorkörpers mit einer metallischen Beschichtung ist sicherzugehen, dass der elektrische Leiter 27, insbesondere der Draht, die Drähte oder das Drahtgelege nicht in Kontakt mit der metallischen Oberfläche steht.
3a bzw. 3b zeigen eine Ausgestaltung der Sensoranordnung in der ersten bzw. zweiten Position. Dabei ist das überführungsbildende Element 26 ringförmig in der Öffnung 6 angeordnet, und der Sensorkörper 7 umfasst am messzellenseitigen Ende eine Tellerdichtung 17 mit einem axial oder radial angeordnetem Dichtelement 17a, 17b (3c und 3d zeigt beide Ausgestaltungen, wobei auch nur ein Dichtelement 17a, 17b verwendet werden kann), wobei die Tellerdichtung 17 das überführungsbildende Element 26 radial umschließt und die Lagerkammer 2 gegenüber der Messzelle 5 in der ersten Position abdichtet und in der zweiten Position das Diaphragma zum Messmedium freigibt. Die 3c und 3d zeigen dies im Detail.
Das ringförmige überführungsbildende Element 26 umfasst zudem mindestens einen elektrischen Leiter 27, welcher sich von einer ersten Frontfläche des überführungsbildenden Elements 26 bis zu einer zweiten Frontfläche des überführungsbildenden Elements 26 erstreckt und einen Isolierkörper 23. Als elektrischer Leiter 27 ist ein Draht gemäß 5 eingesetzt. Dabei ist der Draht entweder komplett in dem Isolierkörper 23 eingebettet oder derart positioniert, dass eine erste Frontfläche in Kontakt mit dem Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und eine zweite Frontfläche in Kontakt mit dem Messmedium steht, die Mantelflächen jedoch überwiegend durch den Isolierkörper 23 bedeckt sind. Der Isolierkörper 23 dient zum Abdichten des Innenraumes der Lagerkammer von dem Innenraum der Messzelle und zum elektrischen Isolieren der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit von dem Messmedium.
4a bzw. 4b zeigen eine Ausgestaltung der Sensoranordnung in der ersten bzw. zweiten Position. Dabei umfasst die Messzelle 5 eine zweite Öffnung 18 und das überführungsbildende Element 16 ist in der zweiten Öffnung angeordnet. Der Sensorkörper 7 umfasst am messzellenseitigen Ende eine Tellerdichtung 17, welche das überführungsbildende Element 16 radial umschließt und die Lagerkammer 2 gegenüber der Messzelle 5 in der ersten Position abdichtet.
Das überführungsbildende Element 16 umfasst zudem einen elektrischen Leiter 27, welcher sich von einer ersten Frontfläche des überführungsbildenden Elements 16 bis zu einer zweiten Frontfläche des überführungsbildenden Elements 16 erstreckt. Als elektrischer Leiter 27 ist ein Draht gemäß 5 eingesetzt.
Wie erwähnt stellt das überführungsbildende Element 10, 16, 26 bei der Bewegung des Sensorkörpers 7 die elektrische Verbindung zur Referenzzelle her. Nach Verschieben des Sensorkörpers 7 in die zweite Position bildet sich die Überführung, in den Worten des Anspruchs die Flüssigüberführung. Dabei ist das überführungsbildende Element 10, 16, 26 die Voraussetzung für die Funktion der Lagerkammer als Referenzzelle. Es sind verschiedene Ausgestaltungen des überführungsbildenden Elements 10, 16, 26 möglich:

• Bestandteil des beweglichen Sensorkörpers
• als Ringelement (Ausführung als Bauteil bzw. Komponente, z.B. 1a/b)
• Bestandteil der Gesamtbaugruppe (Ausführung als Komponente)
• mit Berührung des Sensorkörpers (z.B. 3a/b)
• ohne Berührung des Sensorkörpers (z.B. 4a/b)

Eine Flüssigkeit bekannter Zusammensetzung in der Lagerkammer 2 dient der Feuchtlagerung des sich darin gelagerten Sensorkörpers 7 (erste Position; insbesondere des sensitiven Bereichs 8 und des überführungsbildenden Elements 10). Dieselbe Flüssigkeit dient der Kalibrierung des Sensors vor der Inbetriebnahme und dieselbe Flüssigkeit dient während der Messung zum Referenzieren. Die Flüssigkeit verbleibt in der Lagerkammer 2, während der Sensorkörper 5 in die Messzelle 5 bewegt werden kann.
In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst die Sensoranordnung 1 einen potentiometrischen Sensor mit einer pH-Messhalbzelle und einer Bezugshalbzelle.
Die Messhalbzelle wird gebildet durch die Messzelle 5 mit dem Sensorkörper 7 in der zweiten Position. Dazu umfasst der Sensorkörper 7 den sensitiven Bereich 8. Der sensitive Bereich 8 ist in einer Ausgestaltung als ionenselektive Membran, insbesondere als pH-sensitive Membran ausgestaltet. Die Membran ist eine Glasmembran. Der sensitive Bereich 8 kann dabei auch als Kappe ausgestaltet sein.
Im Innern des Sensorkörpers 7 befindet sich die Messableitung 9, die in elektrischem Kontakt mit dem sensitiven Bereich 8 ist. Das Innere des Sensorkörpers 7 bildet die Messhalbzellenkammer, wobei darin ein flüssiger oder gelartiger Innenelektrolyt aufgenommen sein kann. Der Innenelektrolyt ist im vorliegenden Beispiel eine Pufferlösung mit einer vorgegebenen Chloridkonzentration. Die Messableitung 9 kontaktiert den Innenelektrolyten oder die elektrisch leitfähige Innenfläche der Messhalbzelle und ist elektrisch leitend mit einer Kontaktstelle außerhalb der Messhalbzellenkammer verbunden ist (nicht in den Figuren dargestellt; etwa eine übergeordnete Einheit). Die Messableitung 9 kann ein Metalldraht, z.B. ein chloridierter Silberdraht, sein.
Die Messhalbzellenkammer, also der Sensorkörper 7, ist rückseitig verschlossen, beispielsweise mittels eines Kunststoff-Vergusses oder durch Verschmelzung oder Verklebung.
In jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen kann außerhalb der Messhalbzellenkammer und der Bezugshalbzellenkammer (siehe unten) eine Messschaltung 20 in dem Gehäuse 13 angeordnet sein, welche mit der Messableitung 9 elektrisch leitend verbunden ist und die dazu ausgestaltet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Messableitung 9 und der Bezugsableitung 4 zu erfassen (nicht in den Figuren dargestellt). Die Messschaltung kann mittels einer Steckverbindung, etwa einer galvanisch trennenden, beispielsweise eine induktive Verbindung, oder kontaktbehafteter Steckverbindung, zwischen einem mit dem Gehäuse 13 verbundenen Steckkopf 19 und einem komplementären Gegenstück (nicht in den Fig. dargestellt) mit einer übergeordneten elektronischen Datenverarbeitungseinrichtung zur Übertragung von Messsignalen und/oder Daten verbindbar ausgestaltet sein.
Die Bezugshalbzelle, man spricht auch von der Referenzhalbzelle, wird gebildet durch die Lagerkammer 2 (welche die Bezugshalbzellenkammer bildet) mit der Bezugsableitung 4. In der Bezugshalbzellenkammer ist die Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit, wie zum Beispiel Kaliumchlorid oder Natriumchlorid, enthalten. Um alle Funktionen zu vereinen, muss die Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit eine definierte Anionen-Konzentration für die Referenzelektrode (z.B. 3 Mol/l Cl-), einen definierten und stabilen pH-Wert (Kalibrierung), sowie eine für den Erhalt der Quellschicht günstige Zusammensetzung (Lagerung) besitzen. In der Lagerkammer 2 ist die Bezugsableitung 4, beispielsweise ein chloridierter Silberdraht angeordnet, welcher die Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit kontaktiert und elektrisch leitend mit einer weiteren Kontaktstelle außerhalb der Bezugshalbzellenkammer verbunden ist (nicht in den Figuren dargestellt).
Die Bezugshalbzellenkammer ist rückseitig verschlossen, beispielsweise mittels eines Kunststoff-Vergusses oder durch Verschmelzung oder Verklebung.
Die Sensoranordnung 1 umfasst einen Temperatursensor 3, der beispielsweise im Sensorkörper 7 angeordnet ist. Der Temperatursensor 3 ist elektrisch mit der Messschaltung 20 verbunden.
5 zeigt eine Ausgestaltung eines freiliegenden gezwirnten Drahtes, eines zumindest teilweise durch eine Emaille-Beschichtung bedeckten Drahtes und einen Querschnitt durch einen gezwirnten Draht. Der gezwirnte Draht umfasst drei Einzeldrähte, welche miteinander verdreht sind. Die Einzeldrähte nehmen dabei jeweils einzeln betrachtet eine helixförmige Gestalt an.
Der zumindest teilweise durch die Emaille-Beschichtung bedeckte Draht weist eine Mantelfläche auf, die zumindest teilweise frei von einer Bedeckung durch die Emaille-Beschichtung ist.
Der Draht kann aus einem Metall, insbesondere Silber, Kupfer, Gold, Platin, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium oder Titan gebildet sein. Der Draht kann aber auch ein nicht metallisches elektrisch leitfähiges Material, wie Graphit, Kohlefaser oder ein elektrisch leitfähiges Polymer umfassen. Ebenfalls kann der Draht aus einem Kompositmaterial umfassend leitfähige und nicht-leitfähige Elemente gebildet sein.
6 zeigt jeweils einen Querschnitt durch drei Ausgestaltungen mit unterschiedlich vielen elektrischen Leitern, insbesondere Drähten. Die einzelnen Drähte können selbst aus einer Vielzahl an Einzeldrähten bestehen, die miteinander verzwirnt sind und somit den jeweiligen Draht bilden. In der Ausgestaltung mit genau zwei elektrischen Leitern sind diese auf einer gemeinsamen Längsebene angeordnet. In der Ausgestaltung mit genau drei elektrischen Leitern sind diese in Umfangsrichtung des zylindrischen Sensorkörpers um 120° versetzt angeordnet. In der Ausgestaltung mit genau vier elektrischen Leitern sind diese in Umfangsrichtung um 90° versetzt angeordnet.
7 zeigt drei Anordnungsmöglichkeiten des elektrischen Leiters, insbesondere des Drahtes am/um den Sensorkörper. Der Draht besteht in den abgebildeten Ausgestaltungen jeweils aus mindestens zwei miteinander verzwirnten Einzeldrähten. In der ersten Ausgestaltung ist der Draht axial zur Längsachse des Sensorkörpers angeordnet. In der zweiten Ausgestaltung ist der Draht in Umfangsrichtung des Sensorkörpers um den Sensorkörper angeordnet und bildet somit eine im Wesentlichen ringförmige Struktur. In der dritten Ausgestaltung ist der Draht helixförmig um den Sensorkörper gewunden. Eine den Draht schneidende Längsebene des Sensorkörpers und eine Längsachse des Drahtes bilden einen von Null und 90° abweichenden Steigungswinkel.
Bezugszeichenliste

1: Sensoranordnung
2: Lagerkammer
2a: Innenraum von 2
3: Temperatursensor
4: Bezugsableitung
5: Messzelle
6: Öffnung in 5 zu 2
7: Sensorkörper
8: sensitiver Bereich von 7
9: Messableitung
10,: 16, 26 überführungsbildendes Element
11: Messmedium
12: Dichtung
13: Gehäuse
14: Einlass für 5
15: Auslass für 5
17: Tellerdichtung
17a/b: Dichtelement von 17
18: Zweite Öffnung in 5
19: Steckkopf
20: Messschaltung
21: Überwurfhülse
22: Einfüllöffnung
23: Isolierkörper
24: Draht
25: Einzeldraht
27: elektrischer Leiter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102016101715 A1 [0011]
US 2020/0217817 A1 [0012]

Claims

Sensoranordnung (1), umfassend: - eine Lagerkammer (2), umfassend: - einen Innenraum (2a) zum Aufnehmen einer Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit mit einer Öffnung (6), - eine Bezugsableitung (4) zum Kontaktieren der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit, wobei die Bezugsableitung (4) mit einer übergeordneten Einheit verbindbar ist; und - einen Sensorkörper (7), umfassend: - einen sensitiven Bereich (8) zur Erfassung einer Messgröße eines Messmediums (11), - eine Messableitung (9), wobei der sensitive Bereich (8) über die Messableitung (9) elektrisch mit der übergeordneten Einheit verbindbar ist, und - ein überführungsbildendes Element (10) zum Bilden einer Flüssigüberführung zwischen der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit und des Messmediums, wobei das überführungsbildende Element (10) mindestens einen, insbesondere zumindest abschnittsweise helixförmigen, elektrischen Leiter (27), insbesondere in Form eines Drahtes, umfasst.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter (27) auf oder an dem Sensorkörper (7) angeordnet ist.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter zumindest abschnittsweise vollständig durch den Sensorkörper (7) umschlossen ist.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter (27) mindestens zwei zusammengedrehte Drähte umfasst.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter (27) mindestens ein Drahtgelege umfasst.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei das überführungsbildende Element (10) eine elektrisch isolierende Beschichtung, insbesondere eine Glas- oder Emaille-Beschichtung umfasst, wobei die elektrisch isolierende Schicht zumindest abschnittsweise den elektrischen Leiter (27), insbesondere den Draht bedeckt.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensorkörper (7) zumindest in einem ersten Abschnitt Glas umfasst, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter (27) im ersten Abschnitt angeordnet ist und durch das Glas umschlossen ist.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1) mindestens zwei, insbesondere rotationssymmetrisch angeordnete überführungsbildende Elemente (10), insbesondere elektrische Leiter (27) umfasst.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensorkörper (7) in der Öffnung (6) der Lagerkammer (2) beweglich angeordnet ist, und von einer ersten Position in eine zweite Position, insbesondere einmalig, bewegbar ist, wobei der sensitive Bereich (8) am/im Sensorkörper (7) so angeordnet ist, dass er sich in der ersten Position im Innenraum (2a) der Lagerkammer (2) und in der zweiten Position außerhalb der Lagerkammer (2) befindet, wobei die Lagerkammer (2), die Öffnung (6) und der Sensorkörper (7) so ausgestaltet sind, dass in der ersten Position ein Austreten der Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit aus dem Innenraum (2a) verhindert wird, wobei die Lagerkammer (2), die Öffnung (6) und der Sensorkörper (7) so ausgestaltet sind, dass sich in der zweiten Position die Flüssigüberführung mittels des überführungsbildenden Elements (10), insbesondere mittels des elektrischen Leiters (27) bildet.
Sensoranordnung (1) nach Anspruch 9, wobei das überführungsbildende Element (10), insbesondere der elektrische Leiter (27) eine Mantelfläche aufweist, welche in der zweiten Position einen ersten Abschnitt aufweist, der in Kontakt mit dem Messmedium steht und einen zweiten Abschnitt aufweist, der in Kontakt mit dem Referenz-/Lager-/Kalibrierflüssigkeit steht.
Sensoranordnung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, umfassend: - eine Messzelle (5) zur Aufnahme des Messmediums (11), wobei die Messzelle (5) über die Öffnung (6) mit der Lagerkammer (2) verbunden ist und wobei sich der sensitive Bereich (8) in der zweiten Position in der Messzelle (5) befindet.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das überführungsbildende Element (26) ringförmig in der Öffnung (6) angeordnet ist, und der Sensorkörper (7) an einem Endbereich eine Tellerdichtung (17) umfasst, welche das überführungsbildende Element (26), insbesondere den elektrischen Leiter (27) radial umschließt und die Lagerkammer (2) in der ersten Position abdichtet.
Sensoranordnung (1) nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Messzelle (5) eine zweite Öffnung (18) umfasst und das überführungsbildende Element (16) in der zweiten Öffnung (18) angeordnet ist, und der Sensorkörper (7) an einem Endbereich eine Tellerdichtung (17) umfasst, welche das überführungsbildende Element (16), insbesondere den elektrischen Leiter (27) radial umschließt und die Lagerkammer (2) in der ersten Position abdichtet.
Sensoranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1) als potentiometrische Sensoranordnung mit dem Sensorkörper (7) als Messhalbzelle und der Lagerkammer (2) als Bezugshalbzelle ausgestaltet ist.