DE2648607A1

DE2648607A1 - Messonde zur bestimmung der konzentration eines gases in einem stroemungsmittel

Info

Publication number: DE2648607A1
Application number: DE19762648607
Authority: DE
Inventors: Albert Alfred Diggens
Original assignee: George Kent Ltd
Current assignee: Elster Metering Holdings Ltd
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1976-10-27
Publication date: 1977-05-12
Also published as: GB1517034A; NL7611849A; FR2347681A1; JPS5257885A; FR2347681B3

Description

Meßsonde zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Strömungsmittel

Die Erfindung "betrifft Meßsonden zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Strömungsmittel.

Einige solcher Meßsonden erzeugen als Ausgangssignal einen elektrischen Strom, welcher dem Partialdruck des Gases im Strömungsmittel entspricht. Bevor jedoch dieses Ausgangssignal gemessen oder angezeigt werden kann, muß man die Meßsonde an ein Spezial-Meßinstrument anschließen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Meßsonde der einleitend genannten Art, welche jedoch ein Ausgangssignal erzeugt, welches unmittelbar geeignet ist, ein genormtes Anzeigeinstrument zu speisen. Im allgemeinen wird es sich bei diesem Meßinstrument um ein pH-Meßgerät handeln, wie es zur Grundausstattung der meisten Laboratorien gehört.

Eine erfindungsgemäße Meßsonde zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Strömungsmittel besteht aus einem Sondengehäuse, an welchem ein elektrochemischer Sensor befestigt ist,

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welcher im Betriet) von dem zu untersuchenden Medium "beaufschlagt werden kann und ein elektrisches Stromsignal erzeugt, aus welchem man die Konzentration des G-ases ableiten kann, wobei innerhalb des Sondengehäuses eine elektrische Schaltung untergebracht ist, deren - Eingang mit dem elektrochemischen Sensor verbunden ist, um dessen Ausgangssignal zu empfangen, und deren Ausgang für den Anschluß eines äußeren Stromkreises von hoher Eingangsimpedanz geeignet ist, da die Schaltung die elektrischen Signale des elektrochemischen Sensors so umwandelt, daß sich die erwähnte äußere Schaltung anschließen läßt.

Zweckmäßigerweise ist die im Sondengehäuse angeordnete elektrische Schaltung so ausgebildet, daß die elektrischen Stromsignale des elektroeh^emischen Sensors in ein elektrisches Spannungssignal umgewandelt werden, mit dem man ein StandardpH-Meßgerät speisen kann.

Sofern der elektrochemische Sensor eine für Gas durchlässige Membrane enthält, signalisiert der elektrische Ausgangsstrom des Sensors den Partial-G-asdruck in dem zu untersuchenden Medium, doch ist in diesem Ausgangssignal auch noch eine Komponente enthalten, die durch nicht-lineare temperaturabhängige Schwankungen der Membran-Permeabilität bedingt ist. Hier kann jetzt die Bedienungsperson der Meßsonde Korrekturfaktor-Tabellen benutzen, um die Einflüsse der Permeabilitätinderungen zu kompensieren; dies ist jedoch äußerst unbe.quem.

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Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung ist für den Fall, daß der elektrochemische Sensor eine gasdurchlässige Membrane enthält, die eingebaute elektrische Schaltung mit einem temperaturabhängig arbeitenden Kompensator versehen, welcher mindestens zum Teil temperaturbedingte Schwankungen der Membran-Permeabilität für das Gas kompensiert, damit am Ausgang der elektrischen Schaltung innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereiches ein elektrisches Signal entsteht, welches dem Partialdruck des Gases in dem untersuchten Strömungsmittel proportional ist.

Wenn die Gaskonzentration in einem größeren Temperaturbereich proportional gemessen werden soll, ist es erforderlich, auch die temperaturabhängigen Änderungen der Löslichkeit des Gases in dem zu untersuchenden Strömungsmittel zu berücksichtigen. Aus diesem Grunde wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der temperaturabhängig arbeitende Kompensator so ausgebildet, daß er mindestens zum Teil auch die temperaturbedingten Änderungen der Löslichkeit des Gases im Strömungsmittel kompensiert, damit am Ausgang der eingebauten elektrischen Schaltung ein elektrisches Signal entsteht, welches innerhalb des genannten Temperaturbereiches der Gaskonzentration proportional ist₀

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform

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der Erfindung "beispielsweise veranschaulicht ist. In den Zeichnungen zeigen:

. 1 eine teilweise geschnittene, auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßsonde,

Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht zu Ji¹Ig. 1 und

3?ig. 3 ein Prinzipschalfbild der in der Sonde der 3?ig. 1 angeordneten elektrischen Schaltung.

Die Zeichnungen zeigen eine Meßsonde zur Bestimmung von Konzentrationen gelösten Sauerstoffes in Wasser.

Das Meßsondengehäuse 2 "besteht aus einem Eohr 4, welches am einen Ende mit Anschlußkontakten 6 versehen ist. Die Kontakte 6 dienen zum Anschließen und Befestigen des elektrochemischen Sensors 8, zu dem ein Blei/Sirber-System bekannter Ausführungsform mit einer sauerstoffdurchlassigen Membrane 10 gehörte Der Sensor 8 ist in die Kontaktanordnung eingeschraubt und gegenüber dieser mit einer kompressiblen Ringdichtung 11 abgedichtete Im eingesetzten Zustand des Sensors sorgen die Anschlußkontakte 6 für die erforderlichen elektrischen Anschlußverbindungen zum Sensor. An dem vom

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Sensor 8 abgelegenen Ende befindet sich am Rohr 4 ein Ansatz 9 von halbkreisförmigem Querschnitt, dessen Durchmesser dem Rohrdurchmesser entspricht. In diesem Ansatz 9 ist ein rechteckiger Schlitz 13 vorgesehen. Der Ansatz 9 wird überdeckt von einem dort mit einer Schraube 22 befestigten Batterieträger 12. Zur weiteren Ausrichtung des Batterieträgers 12 gegenüber dem Rohr 4 dient ein Stopfenteil 14, der in das offene Ende des Rohres eingreift. Zusätzlich sind am Batterieträger 12 Vorsprünge 15 vorgesehen, die mit den gegenüberliegenden Enden des rechteckigen Schlitzes 13 zusammenwirken. Eine senkrecht stehende Seitenwand 17 des im wesentlichen mit U-förmigen Querschnitt ausgebildeten Batterieträgers 12 ist mit Schlitzen 19 versehen, durch die die Seitenwand 17 in vier federnde Finger 21 unterteilt wird. Die einzelnen Batteriezellen 16 liegen jeweils eingespannt zwischen diesen Fingern 21 und der gegenüberliegenden Seitenwand 23 des Batterieträgers. Ein guter elektrischer Kontakt zwischen den vier Batteriezellen, von denen in den !Figuren 1 und 2 nur zwei dargestellt sind, wird sichergestellt durch die Batteriefeder 18. Ein an der gegenüberliegenden Seite des Batterieträgers 12 angeordneter Auswerfer 20 dient zum Herausziehen der Batteriezellen und auch zum Festsetzen der Batteriefeder 18 mittels einer Schraube 22. Dieser Batteriezellen-Auswerfer 20 ist eine federnde Platte 24 mit vier nach oben ragenden Fingern 26 , die mit

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entsprechenden Öffnungen 28 des Batterieträgers zusammenwirken. Wenn die Batteriezellen 16 zu einem späteren Zeitpunkt vom Batterieträger entfernt werden sollen, kann man den Batteriezellen-Auswerfer 20 gegenüber der in Figur 2 dargestellten Ruhestellung nach innen durchbiegen, so daß jeder Finger 26 durch die entsprechende Öffnung 28 hindurchragt und die zugehörige Batteriezelle 16 auswirft.

An der vom Rohr 4 abgelegenen Seite befindet sich am Batterieträger 12 ein einteilig hergestelltes hohles, zylindrisches Endstück 30, in welchem sich ein Potentiometer 32 befindet. Eine mit festem Sitz innerhalb des Endstückes 30 angeordnete Lagerbuchse 34 ist mit einer Mutter 38 und einer Unterlegscheibe 40 auf den Gewindehals des Potentiometers 32 aufgeschraubt, um das Potentiometer in seiner Lage zu sichern. Ein mit Rändelung versehener zylindrischer Knopf 42 ist mit der Drehachse 46 des Potentiometers verbunden und wird im offenen Ende des Endstückes 30 mit einem koaxialen Ansatz 44 geführt und gehalten. Ein Q-Ring 48 in einer Umfangsrinne 50 des Ansatzes 44 sorgt für eine Abdichtung zwischen dem Knopf und dem Sondengehäuse. Die Ausgangsleitung 60 der Sonde ist in das Sondengehäuse 2 über einen mit Innengewinde versehenen Anschluß 62 eingeführt. Der Anschluß 62 ist

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gegenüber der Achse des Bndstückes 30 schräg angestellt. Die Leitung 30 ist gegenüber dem Sondengehäuse abgedichtet mittels einer in den Anschluß 62 eingeschraubten Stopfbuchse 64 und einer kompressiblen Kabeldichtung 66. Ein O-Ring 68 innerhalb der Anschlußbuchse 62 sorgt zusätzlich für eine wirkungsvolle Abdichtung.

Sine abnehmbare Hülse 70 liegt zwischen dem zylindrischen Endstück 30 und dem Rohr 4 zur Vervollständigung des Sondengehäuses 2. Diese Hülse 70 ist geringfügig konisch ausgebildet und konvergiert von dem mit größerem Durchmesser ausgebildeten Endstück 30 in Richtung auf den kleineren Durchmesser des Rohres 4. Diese Hülse 70 ist, wie Fig. 1 zeigt, axial verschieblich, um einen Zugang zu den Batteriezellen 16 zu erhalten. O-Ringe 72 in entsprechenden Rinnen sorgen für eine Abdichtung zwischen der Hülse 70 und einerseits dem Rohr 4 und andererseits dem Endstück 30. Ein radial nach innen gerichteter Ringbund 76 am einen Ende der Hülse 70 arbeitet mit einem Ringflansch 78 am entsprechenden Ende des Rohres 4 zusammen, um zu verhindern, daß die Hülse 70 über die in 3?igur 2 dargestellte Lage hinaus axial verschoben wird.

Innerhalb des Rodhres 4 befindet sich eine gedruckte Schaltungsplatine 80, deren flexible Anschlußzungen 128 einerseits zur Kontaktanordnung 6 und andererseits zu einem

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Thermistor 82 führen, welch Letzterer in einer entsprechend geformten Ausnehmung 84 des Rohres 4 neben der Kontaktanordnung 6 angeordnet ist. Ähnliche flexible Anschlußzungeη 130 ragen am Hinterende des Rohres 4 vor und sind dort mit den Batteriezellen 16, dem Potentiometer 32 und der Leitung 60 verbunden.

In der Fig. 3 ist ein Prinzipschalfbild dargestellt, in dem mit einer gestrichelten Linie die Schaltelemente umgrenzt sind, die sich auf der gedruckten Schaltungsplatine befinden. Die räumliche Anordnung der übrigen Schaltungsteile wurde vorstehend erläutert.

Ein Differential-Operationsverstärker 102 liegt mit seinem positiven Eingang über einen Widerstand 106 an einer neutralen Sammelleitung 104. Der zugehörige negative Eingang ist über einen Widerstand 108 mit einem der Ausgänge des Sensors 8 verbunden. Der andere Ausgang des Sensors ist unmittelbar mit der neutralen Sammelleitung 104 verbunden. Die für den Sensor erforderliche geringe Eingangsimpedanz entsteht durch die virtuelle Er d.charakteristik des Einganges eines Operationsverstärkers. Ein zwischen Verstärker 102 und neutraler Sammelleitung 104 liegender Widerstand 110 bestimmt

die Volt-Ausgang je Mikroampere-Eingang gemessene Empfindlichkeit des Verstärkers.

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Die Speiseanschlüße des Verstärkers 102 sind mit den positiven und negativen Sammelleitungen 112 und 114 verbunden. Drei Batteriezellen 16 liegen in Reihe zwischen der neutralen Sammelleitung 104 und der negativen Sammelleitung 114, während die vierte Zelle 16 zwischen der neutralen Sammelleitung 104 und der positiven Sammelleitung 112 liegt. Der Ausgang des Verstärkers ist über den !Thermistor 82 in einem Rückkopplungskreis mit der negativen Eingangsklemme des V_erstärkers 102 verbunden,. Eine weitere Verbindung vom Ausgang des Verstärkers führt über das Potentiometer und einen Widerstand 116 zur neutralen Sammelleitung 104. Der Abgriff des Potentiometers 32 ist mit der Ausgangsklemme 118 über die beiden in Reihe geschalteten Widerstände 120 und 122 verbunden. Eine zweite Ausgangsklemme 124 führt zur neutralen Sammelleitung 104, die zusätzlich auch über einen Kondensator 126 mit dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände 120 und 122 verbunden ist.

Die Verwendung einer flexiblen gedruckten Platine 80 erleichtert den Zusammenbau der Sonde. Wie am besten aus der Figur 2 zu ersehen, ist die zum Thermistor 82 und zur Kontaktanordnung 6 führende Anschlußzunge 128 so lang ausgebildet, daß man die Platine 80 auch nach dem Anlöten der Zunge an den Thermistor und die Kontaktanordnung herausziehen kann, um die Platine ein einfacher Weise an die

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Batteriezellen 16, das Potentiometer 32 und die Ausgangsleitung 60 anschließen zu können.

Im Betrieb wird die Sonde in Wasser eingetaucht, so daß der in dieser Wasserprobe gelöste Sauerstoff durch die Membran 10 des Sensors 8 hindurch diffundieren kann. Das vom Sensor erzeugte Stromsignal liegt in der Größe von wenigen Mikroampere und bestimmt sich aus dem Partialdruck des Sauerstoffes in der Wasserprobe und aus der Permeabilität der Membrane. Die in ppm gemessene Sauerstoffkonzentration in der Probe hängt verständlicherweise sowohl vom Partialdruck als auch von der Löslichkeit des Sauerstoffs ab. Die Sauerstoff-Permeabilität der Membran 10 und die Sauerstofflöslichkeit in Wasser sind temperaturabhängige Paktoren, doch wurde der Thermistor 82 so ausgewählt, daß er in einem beachtlichen Umfang den kombinierten Effekt dieser Paktoren kompensiert, so daß ein Ausgangs-Spannungssignal entsteht, welches in einem bestimmten Temperaturbereich der Sauerstoffkonzentration in ppm proportional wird.

Das Potentiometer 32 gibt die Möglichkeit, die Ausgangsspannung in üblicher Weise zu eichen, was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß man die Sonde in eine Wassercharge eint_aucht, welche vollständig mit Sauerstoff gesättigt ist und somit eine bekannte Sauerstoffkonzentration hat. Die Sonde läßt sich so eichen, dassi ppm Sauerstoff

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eine brauchbare Ausgangsspannung in Millivolt erzeugt. Wenn man die Sonde in Verbindung mit der mV-Skala eines handelsüblichen pH-Meßinstrumentes verwendet, erscheint eine Ausgangsspannung von 100 mV jei>pm Sauerstoff am günstigsten.

Bei bestimmten Arten von pH-Meßgeräten wird es möglich sein, die Sonde in Verbindung mit der pH-Skala zu verwenden. In diesem Falle müßte das Potentiometer 32 so eingestellt v/erden, daß eine Spannung von etwa 59 mV und nicht 100 mV 1 ppm Sauerstoff entspricht. Wenn man das Meßgerät so auf null stellen kann, daß 0 mV Eingang eine Ablesung von 0 ppi entspricht, ist eine Ablesung von 1 pH- äquivalent zu einer Ablesung 1 ppm Sauerstoff. Wenn man ein pH-Meßgerät normalerweise verwendet, benötigt man einen Eingang von etwa 4-10 mV für eine Ablesung von 0 pH. Die vorerwähnte Spannung ist der Ausgang eines normalen pH-Bezugsspannungspaares bei einem pH-Wert 0.

Vergleichsweise ist die Ausgangsspannung der beschriebenen Sonde bei 0 ppm Sauerstoff etwa null. Wenn aber die pH-Skalar so benutzt wird, daß sie ppm anzeigen soll, muß eine Spannung von etwa 400 mV gepuffert werden. Hierzu bedarf es jedoch besonderer Puffereinreglungen oder EichSteuerungen, die jedoch nur für wenige der handelsüblichen pH-Meßgeräte zur Verfugung stehen»

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Der ganz besondere Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Meßsonden liegt darin, daß diese Sonden mit Standard-pH-Meßgeräten verwendet werden können, die in fast allen Laboratorien vorhanden sind. Somit braucht beim Kauf einer erfindungsgemäßen Meßsonde nicht auch zugleich ein zugehöriges Meßgerät gekauft werden, wie es bisher der Pail war. Die vorliegende Erfindung betrifft nicht nur das Gebiet der Meßsonden für gelösten Sauerstoff und pH-Meßgeräte. Die Vorteile der Erfindung kommen auch bei anderen elektrochemischen Sonden zum Tragen, bei denen man durch eine innerhalb der Sonde angeordnete Schaltung dafür sorgt, daß sie der Eingangscharakteristik eines bestimmten Meßgerätes entsprechen.

Gegenüber der vorstehend beschriebenen Ausführungsform lassen sich zahlreiche Abwandlungen an der Meßsonde vornehmen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch andere temperaturabhängig arbeitende Kompensationsvorrichtungen verwendet werden. Verständlicherweise kann auch der Kompensator zum Portfall kommen, wenn die Sonde bei konstanter Temperatur zu verwenden ist, oder wenn überhaupt keine Korrekturtabellen zu berücksichtigen sinjd. Abgewandelte Aus führung s forme η der temperaturabhängig arbeitenden Kompensationsvorrichtungen sind beispielsweise temperaturabhängige Transistoren, die man in ähnlicher Weise einsetzt wie den beschriebenen Thermistor. Wenn besonders große Genauigkeiten gefordert werden, kann man auch einen

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vorprogrammierten Mikroprozessor einsetzen, der die erforderlichen Korrektur faktor en "bei den verschiedenen Temperaturen berücksichtigt. Sin solcher Mikroprozessor läßt sich dann mit einer Temperaturmeßvorrichtung verbinden. Auch der Mikroprozessor läßt sich auf der gedruckten Schaltungsplatine 80 unterbringen. Die entsprechende Temperaturmeßvorrichtung, bei der es sich um einen Thermistor oder um ein ITickel-Wider stand sthermometer handeln kann, läßt sich in einer Ausnehmung 89 des Rohres 4 neben der Kontaktanordnung 6 unterbringen.

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L'e e rs e i t e

Claims

Patentansprüche

j 1 .i Meßsonde zur Bestimmung der Konzentration eines Gases in einem Strömungsmittel mit in einem Sondengehäuse angeordneten elektrochemischen Sensor, welcher im Betrieb von dem zu untersuchenden Medium beaufschlagt v/erden kann und ein elektrisches Stromsignal erzeugt, aus welchem man die Konzentration des Gases ableiten kann, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Sondengehäuses (2) eine mit dem elektrochemischen Sensor (8) verbundene und dessen Ausgangssignal empfangende elektrische Schaltung (80) untergebracht ist, welche die elektrischen Ausgangssignale des elektrochemischen Sensors (8) so umwandelt, daß sich ein äußerer Stromkreis von hoher Eingangsimpedanz anschließen läßt.
2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die im Sondengehäuse (2) angeordnete elektrische Schaltung (80) so ausgebildet ist, daß die elektrischen Stromsignale des elektrochemischen Sensors (8) in elektrische Spannungssignale umgewandelt werden, mit denen man ein Standard-pH-Meßgerät speisen kann.
3. Meßsonde nach Anspruch 1 und 2, bei der der elektro-

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cheraische Sensor eine gasdurchlässige i-Iembrane enthält und der elektrische Ausgangsstrom des Lensor3 eine Funktion des Partial-Gasdruckes in dem zu untersuchenden liediupis ist, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebaute elektrische Schaltung (80) mit einen temperaturabhängig arbeitenden Kompensator (82) versehen ist, welcher temperaturbedingte Änderungen der Hembran-Permeabilität für das Gas kompensiert, damit am Ausgang der elektrischen Schaltung: (80) innerhalb eines vorbestimmten Sempeisburbereiches ein elektrisches Signal entsteht, welches dem Partialdruck des Gases in dem untersuchten Kedium proportional ist.
4. Keßsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängig arbeitende Kompensator (ü2) so ausgebildet ist, daß er mindestens zum i'eil auch die temperaturbedingten Änderungen der Löslichkeit des Gases im untersuchten Kedium kompensiert, damit am Ausgang der eingebauten elektrischen Schaltung (80) ein elektrisches Signal entsteht, welches innerhalb des vorbestimmten Eemperaturbereiches der Gaskonzentration proportional ist.
5. Meßsonde nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung (80) einen Operations-

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verstärker (102) enthält, -welcher die elektrischen Stromsignale des Sensors (8) in ein elektrisches Spannungssignal umwandelt und daß der Operationsverstärker (102) aus Batteriezellen (16) gespeist wird.
6. Meßsonde nach Anspruch 1 "bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Strömungsmittel ausgebildet ist.

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