DE3408800C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sonde der im Oberbegriff des
Anspruches 1 genannten Art.
Derartige Sonden werden als Clark-Sonden bezeichnet und
erlauben die Gaspartialdruckbestimmung. Sie werden hauptsächlich
zur pO₂-Bestimmung verwendet. Dabei wird eine
sauerstoffdurchlässige Membran verwendet, unter der sich
der Sauerstoffpartialdruck des umgebenden Mediums, z. B.
Wasser, im Elektrolytraum einstellt und dort an der Kathode
bestimmt wird. Die Kathode ist dabei vorzugsweise sehr dünn
ausgebildet und mündet mit geringem Querschnitt von z. B.
wenigen µ Durchmesser in der Meßfläche, damit der Sauerstoffverbrauch
gering ist und die Anzeige nicht verfälscht.
Beim Meßvorgang stellt sich an der Kathodenoberfläche ein
Gleichgewicht zwischen verbrauchtem Gas und nachdiffundierendem
Gas ein. Der vom Gasdruck im umgebenden Medium abhängige,
den Anzeigewert bestimmende Kathodenstrom hängt
von der Diffusionsgeometrie ab, also von den geometrischen
Verhältnissen, durch die Sauerstoff durch Membran und
Elektrolytraum der sauerstoffverbrauchenden Kathodenoberfläche
zuströmt. Eine reproduzierbare Meßgenauigkeit setzt
konstante Verhältnisse der Diffusionsgeometrie voraus.
Die Membran muß möglichst dünn sein, um die Diffusionswege
vom zu bestimmenden Medium außerhalb der Membran zur
Kathode kurz zu halten und damit ein schnelles Ansprechen
der Sonde auf Gasdruckänderungen zu ermöglichen. Eine derartige
Membran schwimmt auf dem Elektrolyt und ist daher
druckempfindlich. Bei Berührung oder bei Druckänderung
bzw. Druckstößen im Medium, beispielsweise beim Absenken
einer Sonde in große Wassertiefen oder bei Wellenbewegung
des Wassers kann sich die Membran daher verformen. Dadurch
ändern sich die geometrischen Verhältnisse zwischen Membran
und Kathode, und es kommt zu Änderungen der Diffusionsgeometrie
und somit zu Anzeigeverfälschungen der Sonde, die
die Meßwerte unbrauchbar machen können.
Aus der DE 27 53 698 A1 bekannte Sonden der eingangs genannten Art verwenden
Membranfolien konstanter Dicke, die im Sinne des erwähnten
Effektes äußerst empfindlich auf Berührung und
Druckschwankungen sind und daher beispielsweise in der
Meeresforschung nur begrenzt einsetzbar sind. Die Membran
muß häufig neu gespannt bzw. die Sonde zum Ausgleich von
Membranverschiebungen neu geeicht werden.
Wird die Membran sehr dick und somit steif ausgebildet,
so verschwindet die Druck- und Berührungsempfindlichkeit,
da die Membran steif und somit druckunempfindlich
ist. Derart dicke Membranen weisen aber aufgrund der
langen Diffusionswege sehr geringe Meßgeschwindigkeiten
auf und sind daher zur raschen Anzeige und zur Verfolgung
schneller Gasdruckschwankungen nicht geeignet.
Es ist im Stand der Technik bereits versucht worden, Membranen
berührungsunempfindlich und gleichzeitig dünn auszubilden,
beispielsweise durch Verstärken einer dünnen Membran
mit einem Armierungsgewebe. Hierbei ergeben sich aber
nicht beherrschbare Probleme, die diese Konstruktion unbrauchbar
machen.
Ein weiteres Problem bei bekannten Membranen besteht darin,
daß unkontrollierbare Dickeänderungen der Membran aufgrund
radialer Spannungen vermieden werden müssen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin,
eine Sonde der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei
hoher Meßgeschwindigkeit unempfindlich gegen Berührung und
Druckschwankungen des zu bestimmenden Mediums ist und die
spannungsfrei montierbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Kennzeichnungsteils des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Membran ist über dem Meßbereich, also
in dem Bereich, in dem die wesentliche Gasdiffusion zur Kathode
hin stattfindet, dünn und ermöglicht hohe
Meßgeschwindigkeit. Die Randbereiche der Membran, die für
die Diffusion unwesentlich sind, sind verdickt und sichern
der Membran hohe Stabilität. Sie halten insbesondere den
dünnen, mittleren Membranbereich fest und sichern ihm eine
stabile Lage. Eine derartige Sonde ist weitgehend unempfindlich
gegen Druckschwankungen im Medium und weitgehend
berührungsunempfindlich. Die Stabilität der Membran wird
weiterhin erhöht durch ihre Abstützung auf der gewölbten
Meßfläche, auf der sie anliegt, wobei der Elektrolytraum
beispielsweise in der Rauhtiefe der aufgerauhten Meßfläche
angeordnet ist. Sie ist gegen die Meßfläche axial gespannt,
um die stabile Anlage zu gewährleisten, dabei werden aber
radiale Spannungen, die zu unkontrollierbaren Membraneigenschaften
führen können, vermieden. Die - gesehen vom Stand
der Technik her - widersprüchlichen Forderungen der vorliegenden
Aufgabe können somit durch eine relativ einfache
Membrankonstruktion sämtlich gelöst werden.
Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Sonde durch die Merkmale
des Anspruches 2 gekennzeichnet. Eine derartige Membranform
ist besonders einfach herstellbar.
Alternativ ist die erfindungsgemäße Sonde durch die Merkmale
des Anspruches 3 gekennzeichnet. Diese Konstruktion
zeichnet sich durch besondere Stabilität aus. Der mittlere
dünnere Bereich der Membran kann als relativ kleinflächige
Ausnehmung in einer dicken stabilen Membran vorgesehen
sein, beispielsweise als topfförmige bzw. halbkugelförmige
Ausnehmung von der äußeren Membranseite her gegenüber einer
inneren ebenen Membranfläche.
Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Sonde durch
die Merkmale des Anspruches 4 gekennzeichnet. Bei dieser
Ausbildung vereinfacht sich der Zusammenbau der Sonde, da
die seitliche Ausrichtung des dünnen Membranbereiches gegenüber
der Kathode unkritisch ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Membran ergibt sich aus Anspruch 5. Erfindungsgemäße
Membranformen können beispielsweise durch
Gießen in einer Form bzw. thermoplastische Verformung
hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet
sich demgegenüber durch größere Einfachheit,
Reproduzierbarkeit und Güte der Oberflächengestaltung
aus. Flüssiges oder für den Herstellungsvorgang erweichtes
Membranmaterial wird um die Membranachse, in der später die
Kathode liegt, rotiert. Dadurch stellt sich die Flüssigkeitsoberfläche
parabelförmig ein mit verdicktem Rand und
dünnem Mittenbereich. Die sich ergebende Oberfläche ist
dabei ideal ausgeformt, was bei Formwerkzeugen nur schwer
erreichbar ist.
Vorteilhaft ist dieses Verfahren durch die Merkmale des
Anspruches 6 gekennzeichnet. Die Hilfsmembran kann trennbar
von der Membran ausgebildet sein und später entfernt
werden oder bei entsprechender Materialwahl als Teil der
nun zweischichtigen Membran verwendet werden.
In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und
schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sonde
und
Fig. 2 bis 5 Schnitte gemäß Fig. 1 durch unterschiedlich
geformte Membranen.
In Fig. 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Sonde
dargestellt. In einem topfförmigen Gehäuse 1 sind eine ringförmige
Anode 2 und ein Isolator 3 befestigt. Im Isolator
3 ist die Kathode 4 angeordnet, beispielsweise in
Form eines Platindrahtes, der in einen Glasisolator eingeschmolzen
ist. Die Anode 2 besteht üblicherweise aus Silber.
Mit einem Gewinde 5 ist ein Membranring 6 auf das Gehäuse
1 aufgeschraubt. Im Membranring 6 ist eine Membran 7 vorgesehen,
die mit ihrem Rand am Membranring befestigt,
z. B. angeklebt oder auf andere Weise gehalten, z. B. mit
geeigneten Mitteln eingespannt ist.
Die dargestellte Anordnung ist rotationssymmetrisch zur
Kathode 4 ausgebildet.
Die Kathode 4 mündet mit kleinem Querschnitt in die Meßfläche
8 des Isolators 3. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist diese Meßfläche 8 gewölbt ausgebildet.
Die dargestellte Membran 7 besitzt eine ebene Außenfläche
und eine gewölbt ausgebildete Innenfläche, mit der sie
in Spaltabstand der Meßfläche 8 des Isolators 3 anliegt.
Zwischen Membran 7 und Meßfläche 8 sowie Anode 2 ist ein
Elektrolytraum 9 ausgebildet, der mit einem für diese
Zwecke geeigneten Elektrolyten gefüllt ist. Seitlich des
Isolators 3 im Bereich der Anode 2 bildet der Elektrolytraum
einen größeren Vorratsraum. Im Bereich zwischen Meßfläche
8 und Membran 7 ist der Elektrolytraum spaltförmig
dünn als Elektrolytfilm ausgebildet.
Anode 2 und Kathode 4 sind mit Kontaktstiften 10 kontaktiert,
die das Gehäuse 1 durchlaufen und an ihrer Außenseite
beispielsweise an ein Verbindungskabel angeschlossen
werden, das zu einem geeigneten Meßverstärker läuft. Die
dargestellte Anordnung kann druckdicht ausgebildet sein,
z. B. zum Messen des Sauerstoffpartialdruckes in großen
Wassertiefen.
Zur Einhaltung reproduzierbarer Meßgenauigkeit der Sonde
ist die Diffusionsgeometrie wichtig, also die geometrische
Anordnung von Elektrolytfilm und Membran im Bereich der
Mündung der Kathode 4 in die Meßfläche 8. Andererseits
muß die Membran in diesem Bereich dünn sein, um mit
kurzen Diffusionswegen hohe Meßgeschwindigkeit der Sonde
zu ermöglichen. Zur Verringerung des Sauerstoffverbrauches
an der Kathode und daher zur Verringerung der Sauerstoffdiffusion
und auch des Elektrolytverbrauches ist die
Kathode 4 sehr dünn ausgebildet, beispielsweise im
Durchmesserbereich von wenigen µ.
Die erfindungsgemäße Membran 7 ist in ihrem mittleren,
vor der Kathode 4 liegenden Bereich sehr dünn ausgebildet.
Ihre Dicke nimmt zum Rand, als zum Membranring 6 hin
jedoch zu. Dadurch ergibt sich eine hohe mechanische
Stabilität der Membran. Insbesondere wird der mittlere
Bereich in konstantem Abstand zur Meßfläche 8 gehalten.
Bei Berührung der Außenfläche der Membran oder bei Druckschwankungen
vor der Membran bleibt die Membranform konstant.
Insbesondere ändert sich nicht die geometrische
Form des Elektrolytfilmes zwischen 7 und Meß
fläche 8.
In vorteilhafter Weise ist die Membran 7 mit mechanischer
Vorspannung gegen die Meßfläche 8 gespannt. Beispielsweise
kann die Membran 7 im entspannten Zustand die in Fig. 2
dargestellte Form aufweisen. Beim Aufschrauben des Membranringes
6 auf das Gehäuse 1 mittels des Gewindes 5
nimmt sie die in Fig. 1 dargestellte Form an, wird also
nach oben ausgewölbt und dadurch mit erheblicher Spannkraft
gegen die Meßfläche 8 gedrückt. Es verbleibt nur
ein restlicher sehr dünner Elektrolytfilm zwischen
Membran 7 und Meßfläche 8, der jedoch für die vorliegenden
Zwecke ausreicht. Es ergibt sich eine äußerst stabile
Lage der Membran, die von äußeren Druckschwankungen und
Berührungen weitgehend unabhängig ist. Insbesondere bei
Messungen im Flachwasser mit Wellenbewegung, also laufenden
Druckschwankungen bleibt eine derartige Membran
stabil und sichert langfristig reproduzierbare Meßwerte.
In Fig. 3 ist eine weitere Membranform dargestellt. Diese
Membran 17 ist im kraftfreien Zustand an der Innenseite
flach und an der Außenseite konkav eingewölbt. Sie kann,
wie auch die Membran 7, durch Spannen gegen die Meßfläche
8 des Isolators 3 in die Form gebracht werden, die
die Membran 7 in Fig. 1 annimmt, wobei die Innenfläche
konkav ausgewölbt wird und die Außenfläche eben wird.
Bei diesem Spannvorgang ergibt sich wiederum eine erhebliche
Vorspannung, die zusammen mit der Stabilisierung
durch die dicken Randbereiche der Membran für hohe Stabilität
sorgt.
Membranen der Ruheform gemäß Fig. 1, 2 oder 3 können
beispielsweise durch Gießen in einer geschlossenen Form
oder durch plastische Verformung mit die beiden Membranflächen
formenden Werkzeugen hergestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Herstellung wird anhand der
Fig. 3 erläutert. Dabei wird in den Membranring 6 von
unten eine Unterlage 18 in Form eines Stempels mit ebener Oberfläche dichtend eingeführt.
Auf diesen Stempel wird flüssiges Membranmaterial
gegeben. Die gesamte Anordnung wird dann um die Rotationsachse
des Membranringes 6 rotiert. Das flüssige Membranmaterial
bildet dabei seine Oberfläche in einer Rotationsparabel
aus. Das Membranmaterial wird dann erhärtet und
der Stempel entfernt. Man erhält auf diese Weise mit
einem sehr einfachen und hohe Oberflächengüte sichernden
Verfahren die in Fig. 3 dargestellte Membranform.
Das Membranmaterial kann dabei flüssig eingegeben und
während der Rotation polymerisiert werden oder beispielsweise
während der Rotation thermoplastisch verformt und
abgekühlt werden. In ähnlicher Weise kann auch die Membranform
der Fig. 2 erhalten werden.
Eine erfindungsgemäße Membran mit einer ebenen Fläche und
einer gekrümmten Fläche kann auch mit dem beschriebenen
rotierenden Verfahren auf einer eben gespannten Hilfsmembran
hergestellt werden, die beispielsweise anstelle der
Unterlage 18 gemäß Fig. 3 unter der Membran 17 im Membranring
6 gespannt ist. Diese Hilfsmembran kann anschließend
entfernt werden oder bei geeigneter Materialwahl als Teil
der in diesem Falle zweischichtigen Membran für die Sonde
verwendet werden.
Weitere Membranformen sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt.
Die Membranform der Fig. 4, die über einem Isolator
23 dargestellt ist, wobei der Elektrolytfilm sowie die
übrigen Sondenteile der zeichnerischen Vereinfachung wegen
weggelassen sind, weist einen mittleren dünnen Bereich
gleichmäßiger Dicke über dem Isolator 23 auf, der an den
Rändern unstetig, also mit einem Knick in sich zum Membranrand
hin verdickende Randbereiche übergeht. Eine derartige
Membran 27 kann für bestimmte Anwendungen vorteilhaft
sein. Insbesondere vereinfacht sich dadurch die Zentrierung
über der Kathode 24, die bei gleichmäßiger Dicke
des mittleren Membranbereiches weitgehend unkritisch ist.
Die Membran 30 der Fig. 5 weist eine ebene Innenfläche
31 auf, die zum Elektrolytraum hin angeordnet wird.
Ihre Randbereiche 32 sind von konstanter Dicke. Im mittleren,
über der Kathode liegenden Bereich weist die Membran
30 eine Ausnehmung 33 auf, in deren Mitte die Membran
sehr dünn ist. Die Ausnehmung 33 kann beispielsweise rotationssymmetrisch
in der dargestellten Halbkugelform oder
auch topfförmig mit ebenem Mittelbereich und senkrechten
Rändern ausgebildet sein. Eine derartige Membran 30 kann
sehr dicke Randbereiche 32 und einen sehr dünnen mittleren
Bereich aufweisen und sich durch hohe Meßgeschwindigkeit
und außerordentliche Stabilität auszeichnen.
Von erheblichem Vorteil für die Sondenherstellung ist die
in Fig. 1 gezeigte Schraubkonstruktion, mit der der Membranring
6 auf das Gehäuse 1 geschraubt wird. Zur
Montage wird bei abgenommenem Membranring 6 der Membranring
mit der Innenseite nach oben gehalten und mit Elektrolyt
gefüllt. Sodann wird von oben das Gehäuse 1 in den
Membranring eingeschraubt, wobei überschüssiger Elektrolyt
durch das Gewinde 5, das vorteilhaft als Grobgewinde ausgebildet
ist, ausgequetscht wird.
Claims (6)
1. Sonde zur polarographischen Gasbestimmung mit einer im
Meßbereich dünnen Diffusionsmembran, die über einer
konvex gewölbten Meßfläche eines Isolators einen dünnen
Elektrolytfilm abdeckt, der einen Elektrolytraum
bildet, welcher mit einer Anode und einer in der Meßfläche
endenden dünnen Kathode in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß die im entspannten Zustand
am Rand um ein Mehrfaches dicker als über der Meßfläche
(8) ausgebildete Membran (7, 17, 27, 30) in
Montagestellung unter elastischer Verformung mit Anpreßkraft
senkrecht zur Meßfläche über diese gespannt
ist.
2. Sonde nach Anspruch 1, mit zur Kathode rotationssymmetrischer
Anordnung der Membran, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (7, 17) linsenförmig konkav (Fig. 1,
Fig. 3) bzw. bikonkav (Fig. 2) ausgebildet ist.
3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Membran einen Randbereich (32) konstanter Dicke und
einen inneren Bereich (33) mit Stufenübergang bzw.
stetigem Übergang verringerter Dicke aufweist.
4. Sonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der dünne Membranbereich über den
Meßbereich der Kathode (24) konstante Dicke aufweist
(Fig. 4).
5. Verfahren zur Herstellung einer rotationssymmetrischen
Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Membranmaterial in
flüssiger Form auf eine Unterlage (18) gebracht und
mit dieser um eine senkrechte Achse rotierend verfestigt
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
als Unterlage eine am Gußwerkzeug (6) gespannte Hilfsmembran
verwendet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843408800 DE3408800A1 (de) | 1984-03-10 | 1984-03-10 | Sonde zur polarographischen gasbestimmung sowie verfahren zu deren herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19843408800 DE3408800A1 (de) | 1984-03-10 | 1984-03-10 | Sonde zur polarographischen gasbestimmung sowie verfahren zu deren herstellung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3408800A1 DE3408800A1 (de) | 1985-09-12 |
DE3408800C2 true DE3408800C2 (de) | 1992-01-30 |
Family
ID=6230093
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19843408800 Granted DE3408800A1 (de) | 1984-03-10 | 1984-03-10 | Sonde zur polarographischen gasbestimmung sowie verfahren zu deren herstellung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3408800A1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0302127B1 (de) * | 1987-08-03 | 1993-04-07 | PPG Hellige GmbH | Polarographisch-amperometrischer Messwertaufnehmer |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2753698C3 (de) * | 1977-12-02 | 1980-11-20 | Hellige Gmbh, 7800 Freiburg | Vorrichtung zum Bespannen eines polarographischen Messaufnehmers mit einer folienartigen Membran |
-
1984
- 1984-03-10 DE DE19843408800 patent/DE3408800A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3408800A1 (de) | 1985-09-12 |
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