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Meßelektrode Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßelektrode
zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Flüssigkeiten. Solche Bestimmungen sind
insbesondere in der Wasser- und Abwassertechnik von Bedeutung. Sehr wichtig ist
z. B. die kontinuierliche Sauerstoffmessung im Belebtbecken einer biologischen Kläranlage.
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Grundsätzlich stehen zur Sauerstoffbestimmung chemische Methoden,
das Phasenaustauschverfahren und elektrochemische Meßverfahren zur Verfügung. PUr
die Praxis sind insbesondere in Abwasserkläranlagen die elektrochemischen Verfahren
von Interesse, spezielle solche, die mit Membranelektroden arbeiten, sofern diese
betriebssicher ausgestaltet werden können.
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Die Membranelektroden besitzen ein Paar in einem bestimmten Abstand
voneinander konzentrisch angeordnete Elektroden, die aus einem edleren und einem
unedleren Metall bzw. Kohle bestehen ; häufig werden z. B. die Paare Blei/Silber
oder Silber/Kohle verwendet.
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Das Prinzip der elektrochemischen Sauerstoffmessung beruht darauf,
daß die Stromdichte solcher Elektroden unter bestimmten Versuchsbedingungen als
Maß fUr den im Elektrolyten gelosten Sauerstoff verwendet werden kann. Die Stromlieferung
galvanischer Elemente ist fUr quantitative Sauerstoffbestimmungen verwendbar, wenn
durch entsprechende Wahl der Versuchsbedingungen der einzige Strom liefernde Vorgang
die Reduktion des gelösten Sauerstoffe an der edleren Elektrode ist. Eine solche
kathodische Sauerstoffreduktion wird als Depolarisation bezeichnet. Die Elektroden
werden mit einem Mikroamparemeter verbunden. Als Elektrolyten werden Salze oder
Hydroxyde, z. B. Kaliumhydroxyd (in) verwendet.
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Als Trennwand zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit, in der
der Sauerstoff gemessen werdne soll, wird eine normalerweise aus < Kunststoff,
z. B. aus Polyathylen oder Polytetrafluoräthylen, bestehende Membran eingesetzt.
Diese Membran ist durchlassig für den gasförmigen Sauerstoff, aber undurchlässig
für Flüssigkeiten, Salze und Ionen. Die Membran muß der Oberfläche der Elektroden
dicht anliegen. Es dürfen sich z. B. keine Luftblasen dazwischen bilden. Die Membran
schaltet eine Beeinflussung der Meßelektrode durch Aenderungen im pH-Wert der Losung
oder der Salzkonzentration aus.
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Die bekannten Vorrichtungen zur Messung des Sauerstoffgehalts in
Fliissigkeiten haben nun den erheblichen Nachteil, daß das von Zeit zu Zeit unbedingt
erforderliehe Auswechseln oder Nachspannen der Membran zu ungenauen Meßergebnissen
führt und jeweils nach einem solchen Vorgang eine neue Eichung erforderlich wird.
Der zu messende Sauerstoff muß ja durch die Membran hindurchdiffundieren, bevor
er an der Kathode durch Elektronen reduziert wird. Um nun reproduzierbare Ergebnisse
zu erhalten, muß die Diffusionsstrecke stets unverändert bleiben. Die Membran einer
bestimmten Dicke (z. B. 20 oder 50 a) muB also immer in gleicher Weise gespannt
werden. Beim Spannen mit der Hand gelingt das höchstens, wenn die zu bespannende
Elektrodenoberfläche sehr klein ist. Auf der anderen Seite sollte die Elektrodenoberfläche
aber einigermaßen groß sein, weil die Stromdichte ihr direkt proportional ist und
sonst ein Verstärker erforderlich wird.
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Dar2berhinaus ist es zur Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse erforderlich,
daß eine vollständig unveränderte Anordnung der Elektroden erreicht wird, daß winch
insbesondere ihr Abstand voneinandernichtverändert.AndernfallsmußnachjedemAuswechseln.
der Membran jeweils eine noue Eichkurve erstellt werden.
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Es wurde nun gefunden, daß durch eine spezielle Ausgestaltung solcher
Meßelektroden besondere Vorteile erzielt werden können. Man erhält eine besonders
einfach su handhabende und betriebssichere
Elektrode, wenn man die
Elektroden durch Einbettung in einen dielektrischen Kunststoff im Gießverfahren
in einem zylinderförmigen Elektrodenkopf fixiert, die Elektroden in diesem Elektrodenkopf
convex gestaltet und die auf einem Doppelring vorgespannte Membran abnehmbar an
diesem Elektrodenkopf befestigt, wobei die endgültige Befestigung mit eines aufschraubbaren
Nachspannringes erfolgt.
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Besonderes günstig ist es, , die Zuführungsdrähte der Elektroden
mit in den zum Gießen des Elektrddenkopfes verwendeten ICunststoff cinzuarbeiten,
so d man insgesamt einen zylinderförmigen Elektrodenkörper 1 erhält. Vorzugsweise
weist der eigentliche Elektrodenkopf 8 einen etwas geringeren Durchmesser auf als
der Elektrodenkörper 1, wobei das Verhältnis dieser beiden Durchmesser vorzugsweise
etwa 7 : 5 beträgt. Es empfiehlt sich, den zylinderförmigen Elektrodenkörper i mindestens
an seinen beiden Enden, gegebenenfalls jedoch über seine ganze Hohe, mit einem Gewinde
5 zu versehen, so daß die Kappe 2 und der gleichzeitig als Nachspannring dienende
Aufsatz 3 aufgeschraubt werden können.
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Nach einer besonderen Ausfiihrungsform der Erfindung ist der die
Membran tragende ring als Vorbespannungsring ausgebildet, der aus zwei Ringscheiben
gleichen äußeren Durchmessers, aber verschiedener preite gebildet wird, wobei die
schmalere der beiden Ringscheiben auf der inneren Kante einen zylinderförmigen Aufsatz
enthält, der mit der Außenfläche eng in die innere Flache der anderen Ringscheibe
eingreift und mit der InnenflUche eng auf dem Elektrodenkopf 8 aufzusitzen vermag.
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Der als Nachspannring dienende Aufsatz 3, der auf den Elektrodenkörper
1 über dem Elektrodenkopf 8 aufgeschraubt wird, besitzt im Inneren unterhalb des
Gewindes einen umlaufenden Vorsprung, der den Vorbespannungsring nach dem Aufschrauben
fest an den Elektrodfenkörper 1 andrückt, wobei die Tiefe dieses Vorsprunges der
Dicke (Difforenz des inneren und äußeren Durchmessers) des Vorbespannungs-Doppelringes
angeglichen ist.
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In den Zeichnungen ist eine besondere Ausführungsform der Meßelektrode
nach der Erfindung dargestellt : Figur I zeigt eine Gesamtansicht der betriebsfertigen
Meßelektrode. l ist die eigentliche Meßelektrode, die in betriebsfertigem Zustand
einen kappenartigen abnehmbaren Aufsatz 2 fUr die Zuführung der Mefidrdhte sowie
einen Kammeraufsatz 3 besitzt, der sowohl die empfindliche Membran vor mechanischer
Beschädigung schützt als auch gleichzeitig als Nachspannring für die endgültige
Spannung der Membran 11 über dem Elektrodenkopf 8 sorgt. Der Kammeraufsatz 3 ist
zweckmäßig so gestaltet, daß die zu prüfende Flüssigkeit ungehindert hindurchfließen
und so an die Membran und an die Elektroden gelangen kann. Das wird nach der vorliegenden
Ausführungsform durch mehrere Durchbohrungen 4 erreicht.
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Figur Il zeigt einen Querschnitt durch die gesamte, in Figur I dargestellte
meßelektrode 1 mit den Aufsätzen 2 und 3. Oben und unten ist je ein Gewinde 5 zum
Auischrauben der Içappe 2 und des Aufsatzes 3 vorgesehen, da auf diese Weise am
einfachsten ein Auswechseln des Elektrodenkörpers i im rauhen Betrieb der Praxis
erfolgen kann. Unter Umstdnden kann man dieses Gevinde 5 auchüber den gesamten Elektrodenkörper
i verlaufen lassen. 6 und 7 sind die Zuleitungen zur Anode und zur Kathode. Sie
sind ebenfalls im Kunststoff-ElektrodenkUrper i fest verankert, und zwar am besten
dadurch, daß sie wie die Elektroden (9 und 10) selbst gleich mit in den ICunststoff
eingegossen werden. Im zylinderformigen Ansatz 8 sind die beiden konzentrisch angeordneten
Elektroden 9 und 10 untergebraclit und fest im ICunststoff fixiert. Dabei sollen
die Elektroden nicht plan geschliffen sein, sondern convex (in Form eines sehr stumpfen
Kegels) aus dem Elektrodenkopf 8 hePausragen. Dadurch wird ein" gleichmäßiges Anliegen
der Membran 11 nach dem Bespannen gewährleistet. 12/13 ist der Vorbespannungsdoppelring,
17 eine Papierscheibe.
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Figur III ist eine Aufsicht auf den Elektrodenkopf 8. 9 ist die Anode,
10 die Kathode, die jeweils mit den entsprechenden Zuleitungen 6 und 7 verbunden
sind. Der dazwischen liegende Raum ist durch den isolierenden Kunststoff ausgegossen,
li ist die im Vorbespannungs-Doppelring 12/13 eingespannte Membran.
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In Figur IV ist die im Doppelring 12/13 vorgespannte Membran li dargestellt.
Dieses gesamte Teil wird auf den Kopf 8 der Elektrode 1 aufgeschoben und beim Aufschrauben
des-als Nachspannring dienenden Kammeraufsatzes 3 fest an den Elektrodenkorper i
angedruckt Die Figuren V und VI zeigen den ausainandergenommenen Vorbespannungsring,
der aus den Ringscheiben 12 und 13 besteht, wobei die Ringscheibe 13 noch den zylindrischen
Aufsatz 14 trägt.
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Figur VII zeigt einen Querschnitt durch den Kammeraufsatz 3, aus
dem die besondere Ausgestaltung ersichtlich ist, die diesen Aufsatz 3 gleichzeitig
zum Nachspannring für die Membran il macht. 15 ist das im Inneren dieses. Aufsatzes
3 verlaufende, Gewinde, 16 der umlaufende Vorsprung, der mit der Flache 16a den
Vorbespannungsring 12/13 fest an den Elektrodenkopf 8 andrückt. 4 sind nochmals
die Durchbohrungen, die den ungehinderten Zutritt der zu messenden FlUssigkeit ermöglichen.
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Die Elektroden sowie ihre Zuleitungsdrähte sind in einem dielektrischen
Kunststoff fest verankert. In der Regel umgibt dabei ein Bleiring von etwa 3 bis
6 mm Bandbreite und von etwa 4 bis 6 mm Höhe als andoe einen runden silberstab von
etwa 10 - 15 mm Durchmesser und etwa der gleichen Höhe wie die Bleianode. Der Abstand
der beide Elektroden voneinander liegt in der Regel bei estiva i mm.
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Die Oberfläche der Elektroden soll nach der Erfindung nicht plan
seins sondern den Elektrodenkopf 8 konvex abschließen, Diese krümmung der Elektrodenoberfläche
(insbesondere der Kathode),z usammen mit dem VorbespAnnungs- und dem Nachspannungsring
(12/13 und
3), bedingt wesentlich die besonderen Vorteile der Meßelektrode
nach der Erfindung, da gerAde diese Voraussetzungen erheblich sind für eine betriehbssichere
und schnell auswechselbare Elektrode.
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Als dielektrischer Kunststoff sollte am zweckmäßigsten ein gießbarer
ICunststoff verwendet werden, vorzugsweise Polymethacrhlsäureester.
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Es kann selbstverstandlich aber auch jeder andere gießbare Kunststoff,
der in seinen mechanischen und elektrischen Eigenschaften für diesen Anwendungszweck
geeignet ist, verwendet werden. Es muß jedoch eine gute Beständigkeit gegenüber
dem verwendeten Elektrolyten, z. B. Kalilauge, gewahrleistet sein. Die Zuleitungen
6 und 7 sind in der Regel Kupferdrähte. Damit beim Gießen des Kunststoffes keine
Blasenbildung auftritt, ist es zweckmäßig, diese Kupferdrähte vor der Einarbeitung
in den Kunststoff zu verzinnen.
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Eine nach der Erfindung durch Gießen hergestellte Elektrode 1 hat
zweckmäßig eine zylindrische Gestalt, wobei sich der Durchmesser dieses Zylinders
nach dem Durchmesser der Bleielektrode richtet und letzteren mindestens um 4 mm
Ubertrifft. Besonders bewährt hat sich z. B. ein Elektrodenkorper i. der einen Durchmesser
von estiva, 35-50, vorzugsweise etwa 42 mm, und eine Gesamthöhe von estiva 60-150,
vorzugsweise etwa 105 mm, aufweist. Der Elektrodenkopf 8 hat einen etwas kleineren
Durchmesser, z. B. etwa 15-40, vorzugsweise etwa 30 mm, und eine HUhe von etwa 8-18,
vorzugsweise 22 mm.
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Der Durchmesser des kleineren Zylinders 8 sowie seine In'oh und die
Differenz der Durchmesser von 8 und i sind so abgestimmt, daß die Ringe 13 und i4
eng anliegend auf den Elektrodenkopf 8 aufgesetzt werden können und daß der Elektrodenkopf
8 mit dem aufgesetzten Doppelring 12/13 etwa den gleichen Durchmesser hat wie der
Elektrodenkorper 1. Die endgültige Befestigung des Doppelringes 12/13 auf der Elektrode
i erfolgt durch Festschrauben des Kammeraufsatzes 3, der. durch den im Inneren vorgesehenen
Vorsprung 16 den Doppelring 12/13 fest an den Elektrodenkopt 8 andrückt.
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Das Gewinde 5 am entgegengesetzten Ende des zylinders 1 dient zum
aufschrauben der Kappe 2 mit den zuf2hrungsleitungen zu 6 und 7, die bei der eigentlichen
Messung mit dem Hikroamperemeter verbunden werden.
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Der auf den Znsatz 8 aufzusetzende Doppelring 12/13 trägt die Membran
il. Die Ringscheibe 13 mit dem zylinderformigen Aufsatz i4 @ ist so bemessen, daß
der innere Durchmesser von 14 eng auf den Elektrodenkopf 8 paßt. die Ringscheibe
12 hinwiederum ist so gestaltet, daß der innerve Durchmesser eng auf den äuBeren
Umfang des Aufsatzes 14 paßt. Die Differenz in den inneren Durchmessern von 12 und
13 entspricht der Wandstärke des Aufsatzes 14. Die Hohe des zylinderförmgien Aufsatzesd
14 sollte zweckmäßig die Breite der zweiten Ringscheibe 12 un etwa 0,5 bis 2 mm
übertreffen. Das Verhältnis der Braite des den Aufsatz 14 tragenden Ringes 13 zur
Breite der zweiten Ringscheibe 12 sollte vorteillmft etwa 1 : 2 sein.
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Legt man nun die @ Membran 11 auf den aufsatz 14 des Ringes 13 und
stizlpt die Ringscheibe 12 darüber, so erhält man eine stets gleichmaßige Spannung
der membran 11, die seitlich ein wenig aus dem Vorbespannungsring hervorragt. Die
Fixierung der Mebran il in diesem Ring 12/13 ist so fest, daß dieser Bespannungsring
ohne Veränderung der Membran auf den Elektrodenkopf 8 aufgesetzt werden kann und
nach dem Festschrauben des Nachspannringes 3 in stets gleichem Abstand eng auf der
konvexem Elektrodenoberfläche anliegt.
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Zweckmäßig sind dia beiden Ringscheibea 12 und 13 aus dem gleichen
Kunststoff gefertigt wie die eigentlichen Meßelektroden, also vorzugsweise ebenfall
s aus Gießharzen wie Polymethacrylsäureestern.
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Die Membran ist vorzugsweise eine Kunststoffolie aus Polyäthylen
oder Polytetrafluoräthylen von etwa 20-50 Dicke. Es"können natürlich auch amdere
geeignete Folien eingesetzt werden. Dünnere Membrane haben dem Vorteil, daß man
höhere ShromstWrken erzielen kann. Dickere Folien en dagegen sind natürlich unempfindlicher
gegen mechanische Beanspruchung.
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Zwischen die Elektrodenoberfläche und die Membran n legt man normalerweise
noch eine vorzugsweise aus Cellulose bestehende Scheibe (z. B. sogenanntes Linsenpapier)
ein. Diese Scheibe saugt den Elektrolyten auf und sorgt somit für seine gleichmäßige
Verteilung über die gesamte Elektrodenoberflache.
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Die Erfindung stellt somit ein einfach herzustellendes und einfach
und sicher zu handhabendes Gerät zur Sauerstoffmessung auch im rauhen Betrieb der
Praxis zur Verfügung. Wenn eine Beschädigung oder Verschmutzung der Membran aufgetreten
ist oder-der Elektrolyt erschöpft ist, kann auch ein Ungeübter den Elektrodenkörper
l schnell ausschrauben und gegen einen anderen ersetzen. Da die IIerstellung der
Meßelektroden nach der Erfindung im Gießverfahren besonders einfach und damit wirtschaftlich
ist, können auch eine Reihe von Elektrodenkörpern vorrätig gehalten werden, die
dann von Zeit zu Zeit zusammen im Labor bespannt und einsatzbereit gemacht werden
können. Die Despannung mit der Membran kann nach der Erfindung ebenfalls in kürzester
Zeit auch von ungelernten Arbeitskräften vorgenommen werden, was hiermit erstmalig
in sicherer und gleichmäßiger Art und Weise ermöglicht wird.-Es ist darüberhinaus
bei der Verwendung von Elektroden nach der vorliegenden Erfindung nicllt notwendig,
die Heserveelektroden jeweils vor dem Einsatz neu zu eichen. Da alle Teile genau
fixiert sind und auch die Bespannung mit der Membran immer in der gleichen Weise
und damit reproduzierbar erfolgt, genügt es, eine neu vorbereitete Elekttode zur
Kontrolle vor Inbetriebnahme in sauberes tasser einer bestimmten Temperatur nach
ausreichender Belüftung einzutauchen, wobei je nach der Starke der verzvendeten
Hembran oine ganz bestimmte StromstNrke angezeigt werden mu. Eine wirkliche Eichung
mit Hilfe einer chemischen Sauerstoffmessung, die bisher stets erforderlich war,
kann bei der Meßelektrode nach der Erfindung vollstand3. entfallen.
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Die Messung des Sauerstoffgehalts erfolgt in an sich üblicher Weise
wie mit den bisher bekannten Elektroden.
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Durch die Erfindung wird somit eine Meßelektrode zur Verfügung gestellt,
die den rauhen Anforderungen der Praxis auch in einem Abwasserklarbecken gewachsen
ist, von ungeschultem Personal ausgewechselt und ohne erneute Eichung wieder verwendet
werden kann und die darüberhinaus zuverlässige und reproduzierbare Meßergebnisse
liefert.