DE19927484C2 - Anordnung zur Messung des pH-Wertes oder einer anderen mit Farbstoffindikatoren anzeigbaren chemischen Eigenschaft einer Lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Messung des pH-Wertes oder einer anderen mit Farbstoffindikatoren anzeigbaren chemischen Eigenschaft einer Lösung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist bereits aus DE 23 32 760 B2 bekannt, die ein mit der zu messenden Lösung in Kontakt bringbares Substrat aufweist, auf dessen Oberfläche ein Farbstofffilm angebracht ist, der seine Farbe wechselt, wenn sich eine chemische Eigenschaft der Lösung ändert, wobei auf dem Farbstofffilm eine aus wenigstens einer Schicht bestehende, Ionen durchlassende, Licht rückwärts reflektierende Struktur angebracht ist, und ein Farbenwechsel des Farbstofffilms als Lichtreflexionsmessung gemessen werden kann.

Aus AT 381 592 B ist bereits ein Sensorelement zur fluoreszenzoptischen pH-Messung bekannt.

Bei der pH-Messung von Lösungen werden allgemein zum Beispiel Streifen aus Lackmuspapier verwendet, die in die zu messende Lösung eingetaucht werden, wobei das Papier seine Farbe nach dem pH-Wert der Lösung, wechselt.

Das oben beschriebene Grundverfahren fungiert im Prinzip wenigstens in einigen Situationen, zum Beispiel in Laborverhältnissen. Ein Problem bilden jedoch die Beschwerlichkeit und die Langsamkeit der Messung. Außerdem ist es schwierig, das Verfahren beispielsweise in gewissen industriellen Verhältnissen zu verwenden. In der Industrie werden daher heutzutage vor allem auf elektrochemischen Erscheinungen beruhende Glasmembransensoren bei der pH-Messung verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, durch die die Nachteile des vorbekannten Standes der Technik eliminiert werden können, und insbesondere eine Anordnung bereitzustellen, die eine genauere Messung ermöglicht und gleichzeitig mechanisch beständig und von langer Lebensdauer ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Vorteil der Erfindung ist vor allem ihre Einfachheit. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist der Umstand, dass die Messung auch auf eine vorteilhafte Weise automatisiert werden kann und die Messung außerdem auch zum Beispiel direkt an einem Prozessrohr ausgeführt werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Anordnung gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 2 eine zweite Anordnung gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 3 eine dritte Anordnung gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 4 das Grundprinzip einer Ausführung gemäß der Erfindung.

Wie die Figuren allgemein zeigen, ist eine Glasplatte 1 oder ein entsprechendes Substrat mit einem Farbstofffilm 2 überzogen, der seine Farbe in an sich bekannter Weise wechselt, wenn sich eine chemische Eigenschaft der Lösung, beispielsweise der pH- Wert, ändert. Der Farbstoff des Farbstofffilms 2 kann zum Beispiel zwei Zustandsformen haben, d. h., einen Säurezustand und einen Basenzustand, deren Farben und Stärken verschieden sind. Es soll jedoch beachtet werden, dass die pH-Messung nicht der einzige Anwendungsbereich ist, sondern dass auch zum Beispiel die Messung der Konzentration verschiedener Metallionen der Lösung erfolgen kann.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel, dass nicht die vorliegende Erfindung beschreibt, aber zum besseren Verständnis derselben dient. Durch eine Glasplatte 1 wird Licht 4 auf einen Farbstofffilm 2 gesteuert. Das Licht kann ein Lichtstrahl oder diffuses Licht sein. Die Reflexion findet von der Grenzfläche des Farbstofffilms 2 und einer zu messenden Lösung 5, zum Beispiel einer Prozessflüssigkeit statt. Die Reflexion kann eine partielle Reflexion oder eine Totalreflexion sein. Eine chemische Eigenschaft der zu messenden Lösung wird also durch Lichtreflexionsmessung gemessen, wobei nur ein optisches Fenster gegen die Lösung nötig ist.

Der oben erwähnte Farbstofffilm kann aus einer Lösung hergestellt werden, die mit einem "Sol-Gel-Verfahren" synthetisiert ist, das zum Beispiel in C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel Science, The Physics and Chemistry of Sol-Gel processing, Academic Press, Inc., Boston u. a., 1990, näher beschrieben ist. Eine "Sol-Gel-Lösung", d. h. ein Sol, ist eine Lösung, die beim Trocknen auf der Glasoberfläche ein anorganisches Polymer, Glas, bildet. Die Glasplatte wird zum Beispiel durch Eintauchen in das Sol überzogen. Die Dicke des Films wird mittels der Viskosität des Sols und der Eintauchgeschwindigkeit in das Sol kontrolliert. Die Viskosität wird so verändert, dass die Menge der verwendeten Lösung vermehrt oder vermindert wird und die Syntheseverhältnisse zum Beispiel mittels eines Katalysators und einer Wassermenge verändert werden. Die Eintauchgeschwindigkeit wirkt sich je nach der Struktur des Sols so aus, dass ein langsameres Eintauchen einen dünneren Film erzeugt, wenn das Sol eine polymere Struktur hat. Hat das Sol eine partikelförmige Struktur, wird der Film beim Zunehmen der Eintauchgeschwindigkeit dünner. Auf die Brechzahl des Filmes kann durch die Wahl eines Präkursors des Sols, eines mit anderen Reagenzien in Metalloxid zu modifizierenden Ausgangsstoffs, und durch Trocken- und Filmbildungsverhältnissen eingewirkt werden. Aus dem Präkursor entsteht ein Oxid, dessen Brechzahl von der Struktur und dem Metallatom der Verbindung abhängig ist. Zum Beispiel beträgt die Brechzahl des Titanoxids etwa 2, während die Brechzahl des Siliziumoxids etwa 1,5 beträgt. Die Steigerung der Trockentemperatur und die Verdünnung des Films erhöhen die Brechzahl.

Bei der "Sol-Gel-Synthese" werden als Präkursor meistens Metalloxide verwendet, die in Gegenwart eines geeigneten Katalysators oder eines Gelatinierungsreagenzes und von Wasser leicht miteinander reagieren. Als Katalysator kann Salz-, Salpeter- oder Schwefelsäure verwendet werden. Ammoniak ist auch ein viel verwendeter Katalysator. Als Gelatinierungsreagenzien können wiederum Karbonsäuren verwendet werden, für die Essigsäure als Beispiel angeführt werden kann. Wasser kann während der Synthese hinzugefügt werden, man kann es aus einer Reaktion von Karbonsäure und von Alkohol entstehen lassen oder es kann auch aus der Luftfeuchtigkeit stammen, wobei das Wasser in der Filmbildungsphase mit dem Sol reagiert. Durch Wahl des Katalysators kann auf die Polymerisierung und die Struktur des Sols eingewirkt werden. Basekatalysatoren bewirken ein partikelförmiges Sol, während Säurekatalysatoren das Sol polymer machen. Die Wassermenge wirkt auch auf die Struktur, wenn Wasser im molaren Verhältnis 2 : 1 zum Alkoxymol verwendet wird und als Katalysator eine Säure ist, wird ein polymeres Sol erhalten.

Glas ist in der Optik das meist verwendete Material in verschiedenen optischen Komponenten. Glas ist oft ein festeres Material als viele Kunststoffe, die auch heutzutage ziemlich viel in der Optik verwendet werden. Im Vergleich zu Kunststoffen ist die thermische Festigkeit von Glas hervorragend. In den Beispielen der Figuren wird Glas verwendet, aber es soll beachtet werden, dass auch geeignete Kunststoffe auf eine ähnliche Weise verwendet werden können.

Wie oben schon angeführt wurde, wird die Reflexionsmessung benutzt. Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der Reflexionsmessung, die Fig. 2 und 3 stellen weitere Möglichkeiten dar. In den Beispielen der Fig. 2 und 3 weist ein Farbstofffilm 2 eine darauf angeordnete, diffus reflektierende Oberfläche auf. Im Falle der Fig. 2 ist die diffus reflektierende Oberfläche ein mit Pigmenten vermischter Überzug 3, wobei Licht von Pigmentpartikeln reflektiert wird. Im Falle der Fig. 3 ist die diffus reflektierende Oberfläche eine raue Oberfläche 6. Die Struktur weist zudem einen Deckfilm 7 oder mehrere Filme auf der rauen Oberfläche auf. Die raue Oberfläche 6 kann die raue Oberfläche des Farbstofffilms sein, wie Fig. 3 zeigt, oder die Oberfläche des Farbstofffilms kann glatt sein, aber zum Beispiel die Grenzfläche der zwei folgenden Filme ist rau usw. Das Licht 4 wird von der groben Grenzfläche diffus reflektiert. Die Schichten an sich sind nicht diffus.

Das obige Pigment kann entweder ein separat hinzugefügter Stoff oder ein in der Synthese im Herstellungsprozess entstandenes Pigment sein. Statt der Partikel kommen auch kleine Bläschen in Frage, die in derselben Weise wie Partikel Licht streuen.

Fig. 4 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, in der auf einem Farbstofffilm 2 ein dielektrischer Spiegel 8 angeordnet ist, der eine oder mehrere Schichten 8a, 8b, 8c . . . aufweisen kann. Der dielektrische Spiegel kann zum Beispiel aus zwei Materialien hergestellt werden, deren Brechzahlunterschied groß ist. Die Filmstruktur, d. h. der Filmpack, kann vorzugsweise mehrschichtig gebildet werden, wobei der Filmpack mindestens drei Schichten aufweisen sollte. Es ist besonders vorteilhaft, den Filmpack so zu bilden, dass er abwechselnd eine Schicht mit einer hohen Brechzahl und eine Schicht mit einer niedrigen Brechzahl aufweist. Eine einzige Titanoxidschicht allein reflektiert schon etwa 20% von dem ankommenden Licht, aber die Reflexion wird wesentlich besser, wenn die Schichten vermehrt werden. Durch einen Filmpack mit fünf Schichten wird schon eine Reflexion von 70% zustande gebracht.

Durch die Dicke der obigen Schichten kann darauf eingewirkt werden, in welchen Wellenlängenbereichen der Film reflektiert. Der Filmpack kann für die Reflexion einer Wellenlänge oder mehrerer Wellenlängen gebildet werden. Werden bei der Messung zwei Lichtstrahlen so verwendet, dass der Unterschied zwischen den Wellenlängen der verwendeten Lichtstrahlen, d. h. der Messstrahlen, groß ist, können sogar zwei Filmpacks aufeinander gebildet werden, die separat für die beiden Wellenlängen gebildet worden sind.

Im Beispiel der Fig. 4 liegt auf dem Farbstofffilm 2 ein mehrschichtiger Filmpack, d. h. ein aus Schichten 8a, 8b und 8c . . . gebildeter dielektrischer Spiegel 8. Die Schichten 8a, 8b, 8c . . . sind so angeordnet, dass nächst dem Farbstofffilm 2 ein Material mit einer hohen Brechzahl (Schicht 8a) danach ein Material mit einer niedrigen Brechzahl (Schicht 8b) und danach wieder ein Material mit einer hohen Brechzahl liegt usw. Reflexion findet natürlich auch in der Laufrichtung eines Strahls gesehen auf den Grenzflächen des Glases zwischen Luft und Glasplatte und zwischen Glasplatte und Farbstofffilm statt. Die Grenzflächenreflexion zwischen der Glasplatte 1 und dem Farbstofffilm 2 kann dadurch vermindert werden, dass der Farbstofffilm 2 so hergestellt wird, dass dessen Brechzahl dieselbe ist wie die Brechzahl des verwendeten Glases. Die Reflexion der Luft- Glasplatte-Grenzfläche kann dadurch vermindert werden, dass die Glasplatte 1 auf dieser Seite mit einem Material überzogen wird, dessen Brechzahl kleiner ist als die Brechzahl des Glases.

Die Funktion des reflektierenden Filmpacks beruht auf Interferenz. Zwei elektromagnetische Wellen können eine konstruktive oder eine destruktive Interferenz je nach der Phase der Wellen im Verhältnis zueinander aufweisen. Bei Herstellung einer reflektierenden Filmstruktur wird versucht, die Dicken und Brechzahlen so zu wählen, dass die Interferenz konstruktiv wird, wobei die reflektierten Wellen in derselben Phase sind und die Reflexion stark ist. Will man die Reflexion vermindern, werden die Dicken und Brechzahlen so gewählt, dass die Interferenz destruktiv wird, wobei die Wellen in entgegengesetzter Phase sind.

Die auf dem eigentlichen Farbstofffilm angebrachten Schichten können neben den Reflexionseigenschaften auch die mechanische Beständigkeit dadurch verbessern, dass sie den Film vor Anrissen und Brüchen schützen. Darüber hinaus können sie die chemische Lebensdauer des Films dadurch verlängern, dass sie eine Diffusion von Farbstoffmolekühlen in die zu messende Flüssigkeit vermindern. Die obigen Schichten können auch mit einem Farbstoff vermischt sein. Was die Porosität der Schichten angeht, soll festgestellt werden, dass die Schichten solche sein müssen, dass beispielsweise die zu messenden Ionen durch den Film in Berührung mit dem Farbstoff des Farbstofffilms 2 kommen und auf diese Weise damit reagieren können.

Obwohl im Zusammenhang mit den Beispielen der Figuren von einer Glasplatte gesprochen wird, ist es klar, dass außer Glas auch entsprechende Kunststoffe verwendet werden können; die Glasplatte kann beispielsweise ein Prisma sein. Der Messstrahl oder die Messstrahlen können mittels jeder beliebigen geeigneten Lichtquelle erzeugt werden. Im Farbstofffilm kann natürlich jede beliebige geeignete Indikatorfarbe verwendet werden. Die Schichten auf dem Farbstofffilm können im Rahmen der Grundidee der Erfindung auf jede beliebige geeignete Weise gebildet werden; wesentlich ist nur der Umstand, dass die auf dem Farbstofffilm angebrachten Schichten die OH- und H-Ionen der zu messenden Lösung durchlassen und dass der Film gleichzeitig als reflektierende Oberfläche fungiert, wie oben angeführt wurde. Eine diffus reflektierende Oberfläche kann beispielsweise mittels verschiedener Pigmentstoffe gebildet werden. Diese Stoffe können auch pulverförmige Zusatzstoffe sein, sie können aus einer Reaktion entstehen, wie oben angeführt wurde.

Claims (4)

1. Anordnung zur Messung des pH-Wertes oder einer anderen mit Farbstoffindikatoren anzeigbaren chemischen Eigenschaft einer Lösung mit einer in die Lösung einzutau­ chenden Glasplatte oder einem entsprechenden Substrat, auf dessen Oberfläche ein Farbstofffilm angebracht ist, der seine Farbe wechselt, wenn sich eine chemische Eigen­ schaft der Lösung ändert, und mit Mitteln zum Steuern von Licht durch die Glasplatte oder das Substrat auf den Farbstofffilm, wobei auf dem Farbstofffilm auf der der Glasplatte oder dem Substrat abgewandten Seite eine Ionen durchlassende, Licht re­ flektierende Struktur angebracht ist, und ein Farbenwechsel des Farbstofffilms durch Lichtreflexionsmessung gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur einen dielektrischen Spiegel (8) aufweist, der aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten (8a, 8b, 8c, . . .) gebildet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8a, 8b, 8c, . . .) aus zwei verschiedenen Materialien gebildet sind, deren Brechzahlunterschied groß ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8a, 8b, 8c, . . .) ausgehend von dem Farbstofffilm (2) ein Material mit einer hohen Brechzahl (Schicht 8a), danach ein Material mit einer niedrigen Brechzahl (Schicht 8b) und so weiter aufweisen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (8a, 8b, 8c, . . .) für die Reflexion von mehreren Wellenlängen ausgebildet sind.