DE1192856B - Detektorvorrichtung fuer polarographische gasanalytische Geraete, insbesondere zur Sauerstoff-Analyse - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

GOIn

Deutsche KL: 421-4/16

1192 856
B71386IXb/421
2. April 1963
13. Mai 1965

Das USA.-Patent 2 913 386 beschreibt eine polarographische Zelle, welche den Zwecken der Partialdruckbestimmung von Sauerstoff in gasförmigen Medien dient. Gemäß dem genannten Patent ist eine knopfförmige Kathode aus einem geeigneten Material S wie Platin oder Gold in Verbindung mit einer aus einem Film bestehenden Anode vorgesehen, wobei die Anode aus Silber-Silberchlorid bestehen kann und beide Elektroden durch eine für Sauerstoff durchlässige Membran von dem zu untersuchenden Medium getrennt sind. Die Kathode und die Anode sind elektrolytisch durch einen geeigneten Elektrolyten, wie beispielsweise Kaliumchlorid, getrennt, und es wird eine polarisierende Spannung geeigneter Größe zwischen ihnen erzeugt. Wenn Sauerstoff die Membran durchsetzt, findet eine elektrische Reduktion an der Kathode statt, und diese Reaktion bewirkt einen Stromfluß zwischen den Elektroden, der direkt proportional dem Partialdruck des Sauerstoffes in dem zu untersuchenden Gas ist.

Eine derartige Anordnung hat vielfache Anwendung gefunden, insbesondere wenn es sich darum handelt, den Partialdruck von Sauerstoff in einer künstlichen Atmosphäre aufrechtzuerhalten. Ein Beispiel einer solchen Anwendung besteht in einer Sauerstoffunterdruck-Warnvorrichtung in der Gesichtsmaske eines Flugzeugpiloten oder in der unter Druck gehaltenen Kabine eines Flugzeuges. Die in dem genannten USA.-Patent beschriebene polarographische Zelle ist für viele Anwendungszwecke durchaus befriedigend, sie ist jedoch in Anbetracht ihrer konstruktiven Ausgestaltung in gewissen Fällen, beispielsweise in der Gesichtsmaske eines Piloten, nicht gut anwendungsfähig.

Theoretisch wäre es wünschenswert, wenn sich über eine lange Zeitspanne keine Notwendigkeit der Erneuerung des Elektrolyten ergeben würde, unter praktischen Verhältnissen wird jedoch die Membran häufig durchlöchert, so daß der Elektrolyt durch das zu untersuchende Medium verdorben wird oder infolge von Verdampfung trocken wird. Die Elektrolytverdampfung erfolgt auch unter normalen Benutzungsverhältnissen der Vorrichtung, was zur Folge hat, daß die Vorrichtung nach einer gewissen Zeit der Benutzung unzuverlässig wird. Wenn jedoch die Zuverlässigkeit außerordentlich wichtig ist wie in der Gesichtsmaske eines Piloten, so ist es zweckmäßiger, die Vorrichtung öfter zu ersetzen, damit unter allen Umständen die korrekte Arbeitsweise sichergestellt ist. Bei den bisher üblichen Anordnungen erfolgte die Erneuerung des Elektrolyten dadurch, daß die Membran entfernt wurde und die Anordnung vertikal ge-Detektorvorrichtung für polarographische
gasanalytische Geräte, insbesondere
zur Sauerstoff-Analyse

Anmelder:

Beckman Instruments, Inc.,

Fullerton, CaHf. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,
München-Solln, Franz-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:

Hideo Watanabe, Fullerton, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 4. April 1962 (185 105) --

halten wurde und neuer Elektrolyt in den den Elektrolyten enthaltenden Hohlraum eingefüllt wurde, worauf die aus Polytetrafluoräthylen bestehende Membran fest gegen die Kathode und über den Hohlraum gespannt wurde und durch einen elastischen O-Ring in der richtigen Lage gehalten wurde. Ein solches Auswechseln erfordert nicht unbeträchtliche Geschicklichkeit und ist auch für eine mit der Operation vertraute Person verhältnismäßig zeitraubend. Ferner ergibt es sich durch die exponierte Lage der Membran, daß dieselbe Beschädigungen erleidet. Die Erfindung betrifft eine polarographische Sauerstoff-Detektorvorrichtung, die hinreichend klein und robust ist und die leicht wieder in ihren höchstempfindlichen Zustand gebracht werden kann, so daß die Detektorvorrichtung sich besonders für Warnvorrichtungen eignet, die eine Warnung bei Sauerstoffunterdruck abgeben sollen. Bei der erfindungsgemäßen Detektorvorrichtung ist der Vorrichtungsteil, welcher die Elektroden und die Elektrodenkammer und die Membran umfaßt, in einfacher Weise von der übrigen Vorrichtung lösbar und leicht auswechselbar. Die genannten Vorrichtungsteile sind verhältnismäßig billig und können nach einmaliger oder zweimaliger Benutzung fortgeworfen werden, so daß dadurch die Spitzenempfindlichkeit der Vorrichtung leicht aufrechterhalten werden kann. Das Auswechseln ist so einfach, daß es leicht von ungelernten Personen durchgeführt werden kann.

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Die Erfindung betrifft demgemäß eine gas- bildet, und der ebenfalls zweckmäßigerweise aus analytische Detektorvorrichtung, insbesondere zur Epoxyharz bestehende Bodenteil ist in geeigneter Feststellung von Sauerstoff, bei der zwei im Abstand Weise mit der Anode 18 verbunden. Die zylindrische voneinander angeordnete Elektroden und ein Elek- Wand ist koaxial zur Kathode und Anode angeordnet trolyt in einem Gehäuse so angeordnet sind, daß sie 5 und bildet zusammen mit der Anode und dem Bodenvon dem zu untersuchenden Medium durch eine Mem- teil den Elektrolytenraum 28. Es kann gegebenenfalls bran getrennt sind, welche für das festzustellende Gas die Anode 18 Vorsprünge haben, so daß der Becherdurchlässig ist, jedoch für den Elektrolyten nicht teil 26 in seiner richtigen Lage gehalten wird; zweckdurchlässig ist, wobei die Kathode in unmittelbarer mäßigerweise können ein oder mehrere Löcher 30, in Nähe der Membran angeordnet ist. Eine erfindungs- io welche das Harz eindringen kann, vorgesehen sein, gemäße Detektorvorrichtung der genannten Art damit sich eine innige Verbindung der Anode 18 und kennzeichnet sich dadurch, daß in einer aus Isolier- des becherförmigen Teiles 26 ergibt. Letzteres ist insstoff bestehenden becherförmigen Kapsel die Anode besondere aus F i g. 1A zu erkennen. Es können dann und die Kathode so angeordnet sind, daß sie an der der rohrförmige Teil 24 und der becherförmige Teil Bodenfläche der Kapsel herausgeführt sind, und an 15 26 im Verlauf eines gemeinsamen Gießvorganges herdem Bodenteil der Kapsel ein Schraubnippel vorge- gestellt werden. Die Elektrolytkammer 28 ist mit dem sehen ist, während das offene, dem Nippel abgewen- Elektrolyten 32 gefüllt, der beispielsweise aus einem dete Ende der Kapsel durch die Membran verschließ- Kaliumchloridgel bestehen kann. Der Elektrolyt wird bar ist; der Nippel bildet den elektrischen Anschluß- zweckmäßigerweise so gewählt, daß er ein Anion entteil, der zum Anschluß der Anode und der Kathode ao hält, welches mit dem Kathodenmetall eine nur wenig an den Meßkreis dient, und die Anordnung ist so aus- lösliche Verbindung bildet. Wenn die Kathode Silber gebildet, daß die Kapsel ohne Anwendung eines ist, bildet sich Silberchlorid durch die Wechselwir-Werkzeuges aus ihrer Fassung herausgeschraubt kung der Kathode mit dem Kaliumchlorid, wodurch werden kann. sich ein verhältnismäßig konstantes Potential zwi-

Weitere Merkmale und Zwecke der Erfindung er- 25 sehen dem Elektrolyten und der Kathode ergibt, so

geben sich aus der nachstehenden Beschreibung im daß die Spannung an der Anode und der sich da-

Zusamenhang mit den Figuren, welche Ausführungs- durch ergebende Depolarisationsstrom keinen be-

beispiele der Erfindung wiedergeben. Von den trächtlichen Schwankungen unterliegt.

Figuren zeigt Das becherförmige Gefäß 26 hat ein kleines Loch

F i g. 1 einen Querschnitt eines als abnehmbare 30 34, welches als Auslaß dient, wenn Druckschwan-Einheit ausgebildeten Detektors für polarographische kungen oder Temperaturschwankungen eine Expangasanalytische Vorrichtungen, wobei Fig. IA einen sion des Elektrolyten zur Folge haben.
Querschnitt der Anode in der gleichen Schnittebene, Es wurde in der USA.-Patentschrift 2 913 386 bewie F i g. 1 darstellt, wiedergibt, reits erwähnt, daß die Anode und die Kathode und

F i g. 2 einen Querschnitt durch die Fassung, in 35 der Elektrolyt von dem zu untersuchenden Medium

welche die in F i g. 1 dargestellte Detektorvorrichtung durch eine Membran getrennt sind, welche für die

einsetzbar ist, festzustellende Komponente durchlässig ist. Die

F i g. 3 einen Schnitt entsprechend der Schnitt- durchlässige Membran wird so gegen die Kathode

linie 3-3 der F i g. 1. gepreßt, daß sich zwischen der Membran und der

Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung bildet 40 Kathode ein schmaler Elektrolytfilm bildet,

einen polarographischen Sauerstoffdetektor, der aus Bei der dargestellten Ausführungsform eignet sich

einem auswechselbaren Teil 12 und einer mit 14 be- beispielsweise Polytetrafluoräthylen für die Membran

zeichneten Fassung dafür besteht. Der auswechsel- 36, und die Membran wird mittels der Kappe 38 in

bare Teil 12 umfaßt die reaktionsempfindlichen Teile bezug auf die Kathode und die Anode und die Elek-

der Detektorvorrichtung, während die Fassung 14 45 trolytkammer 28 in der gewünschten Lage gehalten,

eine Temperaturkompensationsvorrichtung sowie die Die Kappe 38 hat in der Mitte eine Öffnung 40, durch

Anschlußmittel zur Verbindung mit einem geeigneten welche das zu untersuchende Medium mit der Mem-

elektrischen Stromkreis enthält. bran oberhalb der Kathode 16 in Verbindung tritt.

In den F i g. 1 und 3 des auswechselbaren Teiles 12 Es kann die Kappe 38 eine Abschrägung 42 haben,

ist die Kathode mit 16 bezeichnet, sie hat eine etwas 50 die den Zutritt des Mediums in die Öffnung 40 und

abgerundete reaktionsfähige Fläche und wird koaxial aus derselben heraus erleichtert. Am inneren Ende

von der zylindrischen Anode 18 umgeben. Die der Öffnung 40 hat die Membran 38 einen schulter-

Kathode kann aus einem geeigneten Material be- förmigen Absatz 44, in welchem ein O-Ring 46 aus

stehen, zweckmäßigerweise ist es ein Draht aus Gold. geeignetem elastischem Material eingesetzt ist. Wenn

Die Anode kann ebenfalls aus verschiedenen Mate- 55 die Kappe 38 auf das obere Ende des becherförmigen

rialien bestehen, zweckmäßig ist die Verwendung von Teiles 26 aufgesetzt ist, so drückt der O-Ring 46 die

Silber. Die Anode 18 hat an ihrem Ende einen Wulst Membran fest über die Kathode 16, so daß ein

20 von vergrößertem Durchmesser, der ein Schrau- dünner Elektrolytfilm sich zwischen der Membran

bengewinde 22 hat und so einen Schraubnippel und der Kathode bildet,

bildet. 60 Die Kappe 38 wird in den becherförmigen Innen-

Die Kathode 16 und die Anode 18 werden von raum 28 so weit eingedrückt, bis der Flansch 48 der

einem zylindrischen Körper 24 aus einem geeigneten Kappe auf dem Rand der ringförmigen Wand des

Epoxyharz voneinander getrennt gehalten. Das vor- becherförmigen Teiles 26 ruht und so die Membran

dere Ende des rohrförmigen Teiles 24 ist in gleicher fest in ihrer Lage gehalten wird. Um eine dichte Ver-

Weise gekrümmt wie die Kathode 16, so daß die 65 bindung der Kapselwand 26 mit der Kappe 38 sicher-

Oberfläche der Kathode mit der Oberfläche des rohr- zustellen, kann die Wand 26 von einem beispielsweise

förmigen Teiles 24 abschneidet. Durch den becher- aus Silber bestehenden Verstärkungsring 50 um-

förmigen Teil 26 wird eine zylindrische Wand ge- schlossen sein, welcher die aus Kunstharz bestehende

Wand der becherförmigen Kapsel verstärkt und eine Verformung verhindert. Auf diese Weise ist die Membran gegen Beschädigungen geschützt und es wird das Verdampfen des Elektrolyten verhindert, wobei nur die minimal erforderliche Fläche der Membran dem zu untersuchenden Medium ausgesetzt ist.

Zwischen dem Wulstteil 20 der Anode 18 und der unteren Bodenfläche des becherförmigen Teiles 26 ist eine Ringnut 52 vorgesehen, in die ein elastischer O-Ring 54 eingesetzt ist. Der O-Ring 54 bildet eine Dichtung, wenn der auswechselbare Teil 12 und die Fassung 14 des Detektors zusammengesetzt sind. Ein Fortsatz 56 des die Kathode bildenden Drahtes ragt über die den Nippel bildende Anode 18 und den rohrförmigen Teil 24 hinaus.

Die in F i g. 2 dargestellte Fassung der Detektorvorrichtung umfaßt einen ebenfalls aus Epoxyharz bestehenden Gehäuseteil 60. Der Gehäuseteil 60 hat in der Mitte eine Öffnung 62, die durch eine Schulter 64 begrenzt wird. An der Schulter 64 ist eine Metallbuchse 66, die aus Messing bestehen kann, vorgesehen; die Buchse hat ein Innengewinde 68, in welches das Gewinde 22 des auswechselbaren Teiles 12 einschraubbar ist, und es könnte statt der Schraubkupplung jedoch auch irgendeine andere Kupplung benutzt werden. Die Buchse 66 und der Gehäuseteil 60 sind bei 70 abgeschrägt, so daß für den elastischen O-Ring 54 eine gute Sitzfläche geboten wird, wenn die beiden Teile 12 und 14 zusammengeschraubt sind. Ein Leiter 72, beispielsweise ein Kupferdraht, ist in den Gehäuseteil 60 eingepreßt und elektrisch mit der Messingbuchse verbunden, beispielsweise mit ihr verlötet. Wenn das Gewinde 22 in das Gewinde der Buchse eingeschraubt ist, so bewirkt der Draht 72 die Verbindung der Anode mit dem Außenstromkreis.

Ein einsetzbarer Isolierkörper 74, der zweckmäßigerweise aus Polytetrafluoräthylen besteht, ist in den nicht erweiterten Teil der Bohrung 62 eingesetzt. Der Einsatzkörper hat eine mittlere Bohrung 76, in die eine zweckmäßigerweise ebenfalls aus Messing bestehende Hülse 78 eingesetzt ist. Die Hülse 78 dient zur Aufnahme des hervorstehenden Kontaktstiftes 56 der Kathode 16. Zu diesem Zweck hat die Hülse an ihrem hinteren abgerundeten Ende 80 einen Vorsprung 82, der sich leicht mit einem zum Außen-Stromkreis führenden Draht verlöten läßt. Der Einsatzkörper 76 und die Hülse 78 sollten aus Metallen bestehen, welche härter sind als die Metalle, die für die Anode 18 und die Kathode 16 benutzt werden, da ein häufiges Auswechseln der auswechselbaren Teile möglich sein soll. Der Isolierkörper 74 kann einen Absatz 84 haben, der in Form einer Schulter 86 so mit dem Gehäuseteil 60 zusammenwirkt, daß der Einsatzkörper 72 gegen Schub des Kathodenstiftes 56 gesichert ist, wenn beide Teile der Detektorvorrichtung zusammengesetzt werden. Wenn in dieser Weise der Einsatzkörper 74 ausgebildet ist, muß die Bohrung 62 so gewählt sein, daß sie die gewünschte Formgebung hat.

Die beschriebene polarographische Detektorvorrichtung hängt von Schwankungen der Temperatur ab, und eine Temperaturkompensation kann durch einen Thermistor oder eine ähnliche Vorrichtung 88 bewirkt werden, die in den Gehäuseteil 60 der Detektorfassung eingepreßt ist und über die Leitungen 90 und 92 mit dem Außenstromkreis in Verbindung steht. Der Thermistor ist in der Figur an dem Ende der Fassung der Detektorvorrichtung dargestellt, welche der Detektorvorrichtung zugewendet ist, so daß beide Apparateteile den gleichen Schwankungen der Umgebung unterworfen sind. Ein Zuführungsdraht 94 ist mit dem Vorsprung 82 verlötet und bewirkt den Anschluß der Kathode an den Außenstromkreis, wenn der Kathodenstift 56 in die Hülse 78 eingesteckt ist. Die Drähte 72, 90, 92 und 94 können von geeigneten Isoliermänteln umgeben sein und sind zu einem Kabel 96 zusammengefaßt, welches zu dem in geeigneter Entfernung vorgesehenen Außenstromkreis führt. Eine aus einem geeigneten Material bestehende Kappe 98 umschließt die Leiter und das Kabel und ist mit dem unteren Teil der Fassung 14 in der Weise verbunden, daß sie auf einen Absatz 100 des Gehäuseteiles 60 aufsteckbar ist. Es kann die Kappe 98 mittels eines geeigneten Materials, beispielsweise mit Epoxyharz, ausgegossen sein, so daß die Drähte und das Kabel in gewünschter Weise festgelegt werden.

Es ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, daß im Gegensatz zu den bisher gebräuchlichen Anordnungen die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung zur polarographischen Sauerstoffbestimmung schnell und einfach ausgewechselt werden kann und billig herstellbar ist, so daß die Spitzenempfindlichkeit der Meßvorrichtung ständig aufrechterhalten werden kann. Es ist nicht erforderlich, daß die Person, die die Detektorvorrichtung auswechselt, besondere Geschicklichkeit hat, da der Detektorteil fortgeworfen wird; es besteht keine Notwendigkeit, den Elektrolyten und die Membran auszuwechseln. Es ist ferner nicht erforderlich, wenn der Elektrolyt verdampft ist oder die Membran beschädigt ist, die genannte Detektorvorrichtung zu ersetzen. Die Herstellungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so einfach, daß die für das Auswechseln bestimmten Teile billig sind, so daß dieser Umstand und die damit verbundene Bequemlichkeit es aufwiegen, daß die der Reaktion unterworfenen Teile der Detektorvorrichtung fortgeworfen werden. Es ist indessen auch möglich, diese Teile zu sammeln und dann zu einem späteren Zeitpunkt durch geübtes Personal wieder zu erneuern.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Detektorvorrichtung für polarographische gasanalytische Geräte, insbesondere zur Sauerstoff-Analyse, bei der zwei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden und ein Elektrolyt in einer Kapsel vorgesehen sind, welche mit dem zu untersuchenden Medium durch eine Membran in Verbindung steht, die für das zu untersuchende Gas durchlässig, indessen für den Elektrolyten undurchlässig ist, wobei die Kathode in unmittelbarer Nähe der Membran angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel aus einem becherförmigen, aus Isolierstoff bestehenden Gehäuseteil besteht, in. welchem die Kathode und die Anode in solcher Weise angeordnet sind, daß Fortsätze der Anode und der Kathode die Bodenfläche des becherförmigen Gehäuseteiles durchsetzen, und daß eine Fassung vorgesehen ist, in die der vorgenannte Detektorteil einsetzbar ist, und daß das offene Ende des becherförmigen Teiles, welches dem Einsatzende in der Fassung gegenüberliegt, durch die Membran abgeschlossen wird und an dem Fassungsteil elektrische Kontakte vorgesehen sind, welche

den Anschluß der Anode und der Kathode mit dem Außenstromkreis bewirken, wobei die genannte Kapsel aus der Fassung ohne Anwendung von Werkzeug herausnehmbar und in dieselbe einsetzbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kappe auf das obere Ende des becherförmigen Teiles aufsteckbar ist und die Kappe zum Andrücken der Membran dient, so daß die Membran in Berührung mit der Kathode gehalten wird, wobei die Kappe eine Bohrung aufweist, so daß der in Berührung mit der Kathode stehende Teil der Membran in Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Fassung der Detektorvorrichtung eine temperaturabhängige Vorrichtung vorgesehen ist, welche an den Außenstrom-

kreis angeschlossen ist und den Einfluß von Temperaturschwankungen kompensiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das am Boden des becherförmigen Teiles der Kapsel hervorstehende Ende der Anode ein Gewinde trägt, welches in ein entsprechendes Innengewinde des Fassungsteiles einschraubar ist, und daß die Anode zylindrisch ist und die Kathode umgibt, wobei die Kathode an beiden Enden des zylindrischen, aus Isoliermaterial bestehenden Teiles hervorsteht und das hervorstehende stiftförmige Ende der Kathode in eine entsprechende, in der Fassung vorgesehene Hülse einsteckbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der becherförmige Teil der Kapsel eine kleine Öffnung in der Wandung zum Druckausgleich des Elektrolyten hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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