DE3213311A1

DE3213311A1 - Sensorkopf eines elektro-chemischen sensors

Info

Publication number: DE3213311A1
Application number: DE19823213311
Authority: DE
Inventors: Johannes 8126 Hohenpeißenberg Herrnsdorf; Peter Dr. 8084 Inning Schuler; Peter 8120 Weilheim Tralmer
Original assignee: WTW Wissenschaftlich Technische Werkstatten GmbH
Current assignee: Xylem Analytics Germany GmbH
Priority date: 1982-04-08
Filing date: 1982-04-08
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE3213311C2

Description

Sensorkopf eines elektro-chemischen
Sensors Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf eines elektro-chemischen Sensors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die beim Meßvorgang eines elektro-chemischen Sensors auftretenden chemischen Reaktionen sowie die durch die Sensormembran u.U. eindiffundierenden Verunreinigungen verändern mit der Zeit den Chemismus der Zelle, so daß ein Austausch des Elektrolyten und der Membran erforderlich ist. Ein Austausch kann auch aufgrund von Alterung oder mechanischer Beschädigung notwendig werden.
Da der Austausch gewöhnlich vom Benutzer des elektro-chemischen Sensors durchzuführen ist, muß dafür Sorge getragen werden, daß er problemlos und rasch vonstatten geht und möglichst keine Verfälschung der Meßwertcharakteristik zur Folge hat.
Ein rascher und problemloser Austausch der Membran und des Elektrolyten sind durch die Ausbildung des Sensorkopfs gemäß dem DE-Gebrauchsmuster 76 18 914 gewährleistet. Die Membranhalterung besteht dort aus einem Hülsenkörper und aus einem diesen Hülsenkörper konzentrisch umgebenden Ringelement, zwischen denen der freie Rand der über die Stirnfläche des Hülsenkörpers gespannten Membran durch Klemmreibung festgehalten ist. Diese aus Hülsenkörper, Ringelement und eingespannter Membran bestehende Einheit wird durch den Ringbund einer Kappe mittels eines Bajonettverschlusses an die Stirnfläche des Sensorkörpers angedockt, Der Hülsenkörper legt sich dabei gegen einen elastischen O-Ring in einer Ringnut der Stirnfläche des Sensorkörpers, wodurch eine wirksame Abdichtung des Elektrolytraums geschaffen ist. Indem der Hülsenkörper durch die Kappe satt gegen die Stirnfläche des Sensorkörpers gedrückt ist, ist ein gleichbleibender Abstand der Membran vom Sensorkörper sichergestellt, so daß die fingerartig axial aus der Stirnfläche des Sensorkörpers vorstehende Meßelektrode mit gleichbleibendem, leichtem Druck gegen die Membran anliegt.
Nachteilig ist an dieser bekannten Ausbildung des Sensorkopfes folgendes: Beim Ansetzen des Sensorkopfes an den Sensorkörper legt sich zunächst der Hülsenkörper gegen den elastischen O-Ring, wodurch der Elektrolytraum bereits abgedichtet ist, bevor die axiale Endlage des Sensorkopfs bezüglich des Sensorkörpers erreicht ist. Beim weiteren Andrücken des Sensorkopfes,bis der Hülsenkörper mit der Stirnfläche des Sensorkörpers in Anlage kommt, verkleinert sich der Elektrolytraum und da kein Elektrolyt mehr entweichen kann, hat dies einen Druckanstieg im Elektrolyten zur Folge, was zum Überdehnen der Membran und zum Abheben der Membran von der Kathode führen kann.
Weiterhin ist an dieser bekannten Ausbildung des Sensorkopfs nachteilig, daß er sich aus einer Vielzahl von Einzelteilen wie Hülsenkörper, Ringelement und Kappe zusammensetzt, die im Elektrolytraum zusätzliche Spalten und Kanten verursachen, an denen sich Luftbläschen festsetzen können, die das Sensorsignal verfälschen. Die Vielzahl der Einzelteile erhöht auch die Fertigungskosten und sie macht die Handhabung beim Wechsel von Membran und Elektrolyt schwieriger.
Zudem erhöht die Vielzahl der Einzelteile die Baugröße des Sensorkopfes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Sensorkopf eines elektro-chemischen Sensors so auszubilden, daß eine hohe Reproduzierbarkeit des Sensorsignals beim Wechsel des Sensorkopfs und eine wiederholte Verwendbarkeit bei Fehlfüllungen gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sensorkopf gelöst, wie er durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Zur Abdichtung des Elektrolytraums zwischen Sensorkopf und Sensorkörper ist an einer Ringbundfläche des zweckmäßig als Schraubkappe ausgebildeten Sensorkopfs eine im Querschnitt keilförmige Dichtlippe ausgebildet. Diese Dichtlippe wirkt mit einer im Querschnitt ebenfalls keilförmigen Ringnut in der Stirnfläche des Sensorkörpers zusammen, wobei die Dichtlippe im Querschnitt einen'größeren Keilwinkel besitzt als die Ringnut. Durch das Zusammenwirken von Dichtlippe und Ringnut ist gleichzeitig die axiale Einschraubtiefe der Schraubkappe festgelegt, so daß also die Abdichtung des Elektrolytraums im wesentlichen gleichzeitig mit Erreichen der axialen Endlage der Schraubkappe erfolgt. Damit ist sichergestellt, daß im Elektrolyten kein Überdruck entsteht, der zu einer Überdehnung der Membran und zum Abheben der Membran von der Kathode führen könnte, und daß sich die von der Stirnfläche des Sensorkörpers vorstehende Meßelektrode mit der gewünschten Spannung gegen die Membran legt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung integriert der Sensorkopf die Membraneinspannung in die Schraubkappe, wodurch ein zusätzlicher Hülsenkörper und ein Ringelement zur Membraneinspannung wie im Falle des deutschen Gebrauchsmusters 76 18 914 entfallen können. Die Membraneinspannung wird mittels eines Dichtrings bewerkstelligt, der den Umfangsrand der Membran in eine ringförmige Aufnahmenut des Dichtrings in der Stirnfläche der Schraubkappe zieht und festspannt. Der Dichtring ist zweckmäßig ein formbeständiger Kunststoff-O-Ring, der im wesentlichen bündig zur Stirnfläche der Schraubkappe abschließend in die Aufnahmenut eingetaucht ist. Die Aufnahmenut hat vorzugsweise schwalbenschwanzförmigen Querschnitt, so daß der O-Ring hinreichend gegen ungewolltes Austreten aus der Aufnahmenut gesichert ist. Ein die Aufnahmenut konzentrisch umgebender, axial über die Membranebene vorstehender, mit Ausbrechungen versehener Schutzring schützt die Membran vor mechanischen Beschädigungen.
Die Schraubkappe samt Dicht lippe und Schutzring ist einstückig aus üblichen Kunststoffmaterialien gefertigt. Aufgrund dieser einstückigen Ausbildung ist die Fertigung erleichtert, die Handhabung bequem und die Baugröße gering.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt des Sensorkopfs und Fig. 2 in vergrößertem Maßstab das Zusammenwirken der Dichtlippe am Sensorkopf mit der Ringnut am Sensorkörper.
Der Sensorkopf ist eine einstückige Schraubkappe 1 aus einem geeigneten Kunststoffmaterial. Mit Hilfe eines Feingewindes 2 ist die Schraubkappe 1 am (nicht dargestellten) Sensorkörper zu befestigen.
Die Befestigung könnte auch auf andere Weise, beispielsweise mittels eines Bajonettverschlusses bewerkstelligt werden.
Die Schraubkappe 1 umschließt den Elektrolytraum 3, in den die von der Stirnfläche des Sensorkörpers fingerartig vorstehende (nicht dargestellte) Meßelektrode eindringt.
Stirnseitig ist der Elektrolytraum durch eine semi-permeable Membran 4 bekannter Art, evtl. unterlegt durch ein Abstandsgitter 5 abgeschlossen. Zum Einspannen der Membran 4 und des Gitters 5 ist in der Stirnfläche 6 der Schraub-kappe 1 eine ringförmige Aufnahmenut 7 ausgebildet. In diese, im Querschnitt zweckmäßig schwalbenschwanzförmige Aufnahmenut 7 ist ein im wesentlichen formstabiler O-Ring 8 einsetzbar, der beim Einsetzen unter geringfügiger Spreizung der Aufnahmenut den Umfangsrand der Membran 4 und des Gitters 5 in die Aufnahmenut mit hineinzieht und damit Membran und Gitter festspannt. Die radial innere Umfangswand der Aufnahmenut 7 sollte aber in etwa senkrecht zur Stirnfläche 6 verlaufen, um übermäßiges Abknicken des Membran-Umfangsrandes und damit mögliche Faltenbildung gering zu halten. Aus dem gleichen Grund sollte auch der Umfangsrand der eingespannten Membran oberhalb des Nutgrundes enden. Ein die Aufnahmenut 7 umgebender, mit Ausbrechungen 9 versehener Schutzring 10 schützt Membran und Gitter vor mechanischen Beschädigungen.
An einer der Stirnfläche des Sensorkörpers zugewandten Ringbundfläche 11 hat die Schraubkappe 1 eine ringförmige Dichtlippe 12 mit keilförmigem Querschnitt ausgebildet. Diese Dichtlippe 12 wirkt gemäß Fig. 2 mit einer im Querschnitt ebenfalls keilförmigen Ring- nut 13 in der Stirnfläche des Sensorkörpers 14 zusammen. Indem der Keilwinkel der Dichtlippe 12 grösser ist als der Keilwinkel der Ringnut 13 ergibt sich beim Anziehen der Schraubkappe 1 an den Sensorkörper eine dichte 2-Linien-Anlage, wodurch der Elektrolytraum 3 wirksam abgedichtet ist und im wesentlichen gleichzeitig die axiale Lage der Schraubkappe 1 und damit der Membran 4 bezüglich des Sensorkörpers festgelegt ist.
Da der erfindungsgemäße Sensorkopf einstückig ist, ist ein Wechsel des Elektrolyten auch von ungeübten Benutzern rasch und problemlos zu bewerkstelligen, wobei ein Überdehnen der Membran oder Abheben der Membran von der Meßelektrode durch die Doppelfunktion der Dicht lippe 12 einerseits als Dichtungsglied und andererseits als Anschlagsglied ausgeschlossen ist.
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Claims

Patentansprüche l.,Sensorkopf eines elektro-chemischen Sensors mit einer Kathoden-Anodenanordnung, einem Elektrolytraum und mit einer den Elektrolytraum zu dem zu messenden Medium abschließenden semipermeablen Membran, wobei der Elektrolytraum einerseits durch abdichtende Einspannung der Membran und andererseits zwischen Sensorkopf und Sensorkörper abgedichtet ist, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Abdichtung des Elektrolytraums (3) zwischen Sensorkopf (1) und Sensorkörper (14) von einem Dichtelement (12) gebildet ist, das gleichzeitig Anschlagsglied zur axialen Festlegung des Sensorkopfs bezüglich des Sensorkörpers ist.
2. Sensorkopf nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Dichtelement eine einstückig mit dem einen Teil (Sensorkopf 1) ausgebildete Dichtlippe (12) ist, die mit einer Gegenfläche (Ringnut 13) des anderen Teils (Sensorkörper 14) zusammenwirkt.
3. Sensorkopf nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Dichtlippe, im Querschnitt keilförmig, an einer Ringbundfläche (11) des Sensorkopfs (1) ausgebildet ist, und daß die Gegenfläche eine im Querschnitt ebenfalls keilförmige Ringnut (13) in der Stirnfläche des Sensorkörpers (14) ist, wobei die Dichtlippe einen größeren Keilwinkel als die Ringnut besitzt.
4. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membraneinspannung mittels eines Dichtrings (8) bewerkstelligt ist, der den Umfangsrand der Membran (4) in eine ringförmige Aufnahmenut (7) des Dichtrings in der Stirnfläche (6) des Sensorkopfs (1) zieht und festspannt.
5. Sensorkopf nach Anspruch 4, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Dichtring(8) aus einem im wesentlichen formstabilen Kunststoff besteht und er unter geringfügiger Spreizung der Aufnahmenut (7) in dieser eingepreßt ist.
6. Sensorkopf nach Anspruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Dichtring ein O-Ring (8) ist.
7. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die ringförmige Aufnahmenut (7) des Dichtrings (8) schwalbenschwanzförmig im Querschnitt ist.
8. Sensorkopf nach Anspruch 7, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die radial innere Umfangswand der Aufnahmenut (7) im wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche (6) des Sensorkopfs verläuft, und daß der Umfangsrand der eingespannten Membran oberhalb des Nutgrundes endet.
9. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 4 bis 8, g e k e n n z e i c h n e t durch einen die Aufnahmenut (7) konzentrisch umgebenden,axial über die Membranebene vorstehenden, mit Ausbrechungen (9) versehenen Schutzring (10).