DE3538182A1 - Potentiometrische messelektrodenvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine potentiometrische Meßelektrodenvorrichtung zur umsetzungslosen Konzentrationsmessung eines molekularen Gases, besonders in fluiden Stoffgemischen, mit einem Gehäuse zur Aufnahme einer leitfähigen gasspezifischen Pufferlösung sowie einer jeweils in Ansprache auf den Partialdruck des Gases ein bestimmtes Potential annehmenden Meßelektrode und einer Bezugselektrode zum Anschluß an eine die zwischen den Elektroden bestehende Potentialdifferenz anzeigende Vorrichtung.

Bei herkömmlichen potentiometrischen Verfahren zur Konzentrationsmessung von Gasen werden eine Meßelektrode (ionenselektive oder Redoxelektrode) und eine Bezugselektrode elektrolytisch mit dem zu messenden Gas direkt in Verbindung gebracht. Die Meßelektrode steht dabei meist mit einem edelmetallbeschichteten oder aus Edelmetall bestehenden Teil in den Gasstrom vor, die Bezugselektrode ist mit diesem über eine möglichst verlustlose Elektrolytbrücke gekoppelt.

Meß- und Bezugselektrode sind über eine leitfähige gasspezifische Pufferlösung leitfähig verbunden, in der Ionen des zu messenden Gases in bestimmter Konzentration vorhanden sind.

Während die Bezugselektrode ein konstantes Potential liefert, nimmt die Meßelektrode ein Potential an, das dem Konzentrationsverhältnis von nichtionisierten Gasmolekülen zu Ionen des zu messenden Gases entspricht, bei der Chlormessung also dem Konzentrationsverhältnis von Chlormolekülen zu Chloridionen. Die zwischen der Meß- und der Bezugselektrode bestehende und meßbare Potentialdifferenz ist über die Nernst'sche Gleichung mit der Konzentration des molekularen Gases verbunden und ändert sich in Ansprache auf den Partialdruck des molekularen Gases an der Meßelektrode.

Zur Konzentrationsbestimmung eines in einem fluiden Stoffgemisch enthaltenen molekularen Gases ist eine solche potentiometrische Meßelektrodenvorrichtung nur bedingt geeignet, da dabei die Meß- und die Bezugselektrode einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Einflüssen ausgesetzt werden, die zur Verunreinigung und Vergiftung der Elektroden und damit zur Beeinträchtigung der Messung führen. Bisher ist die potentiometrische Messung daher zur Konzentrationsbestimmung einzelner Komponenten in Stoffgemischströmen, besonders in der industriellen Prozeßregelung und -überwachung, nur wenig geeignet. Dabei ist es wünschenswert, die potentiometrische Konzentrationsmessung gerade für solche Anwendungen einsetzbar zu machen, da die bisher verwendeten, mit Stoffumsatzmessungen arbeitenden Verfahren aufwendige spezielle Meßgeräte bedingen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine potentiometrische Meßelektrodenvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei verbesserter Selektivität und geringerer Störanfälligkeit mit vermindertem Aufwand herzustellen und anzuwenden ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ausgestattet.

Ein wesentlicher Vorteil der Meßelektrodenvorrichtung liegt darin, daß sie als potentiometrisch arbeitende Meßkette an jeden beliebigen Meßverstärker angeschlossen werden kann, der für die Messung mit ionensensitiven Elektroden geeignet ist; die Verwendung eines spezifisch auf die jeweilige Elektrode zugeschnittenen Meßgerätes entfällt. Das zu messende Gas diffundiert durch die Membran mit verbesserter Selektivität und unter Fernhalten verschmutzender Substanzen zur Meßelektrode. Die Membran ist an der untersten, in das Stoffgemisch hineinragenden Meßspitze der Elektrodenvorrichtung von einer Einspannvorrichtung lösbar festgelegt und kann so im Beschädigungs- oder Verschmutzungsfall leicht ersetzt oder gereinigt werden. Die Meßelektrode ist vollständig in der Meßelektrodenvorrichtung aufgenommen, kommt so mit dem Stoffgemisch nicht in direkten Kontakt und unterliegt daher nicht dessen verunreinigenden und abtragenden Einwirkungen. Die Edelmetallfläche der Meßelektrode liegt direkt hinter der Membran und gewährleistet so trotz der Trennung der Meßelektrode vom Stoffgemisch durch die Membran eine schnelle und zuverlässige Konzentrationsmessung.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 beschrieben.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der potentiometrischen Meßelektrodenvorrichtung anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert.

Die in dieser gezeigte Meßelektrodenvorrichtung 1 umfaßt ein Gehäuse 2 mit zwei durch ein Diaphragma 9 getrennten Innenräumen 4 und 10. Im unteren Endabschnitt, der im Betrieb dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, indem er zum Beispiel in eine ein Stoffgemisch führende Leitung hineinragt, weist das Gehäuse 2 eine Öffnung 8 auf, die von einer Einspannvorrichtung 6 umschlossen ist. Die Einspannvorrichtung 6 ist im wesentlichen ringförmig und auf einen Ansatz am Ende des Gehäuses 2 dichtend aufsteck- oder aufschraubbar. Sie weist eine zentrische Öffnung auf, die der Öffnung 8 des Gehäuses 2 im wesentlichen entspricht und ihr in angebrachten Zustand der Einspannvorrichtung 6 gegenüberliegt. Zwischen der Einspannvorrichtung 6 und der axialen Endfläche des Gehäuses 2 ist eine die Öffnung 8 abschließende und für das zu messende Gas durchlässige Membran 5 vorgesehen, die aus gesintertem Polytetrafluoräthylen (PTFE) besteht. Für nicht gasförmige Gemischbestandteile ist die Membran 5 undurchlässig. Durch geeignete Wahl ihrer Porengröße kann sie auch für alle Gase undurchlässig gewählt werden, deren Moleküldurchmesser den des zu messenden Gases übersteigt.

In dem die Öffnung 8 aufweisenden Innenraum 4 des Gehäuses 2 ist eine Meßelektrode 3 vollständig aufgenommen, die sich bis zur Öffnung 8 erstreckt und dort eine der einwärtigen Fläche der Membran 5 im wesentlichen über den gesamten Bereich der Öffnung 8 eng anliegende Platin- oder Goldfläche 7 aufweist. Der zwischen der Innenwand des Gehäuses 2 und der Meßelektrode 3 liegende Innenraum 4 dient zur Aufnahme einer leitfähigen gasspezifischen Pufferlösung, im Falle der Chlormessung zum Beispiel einer HCl- oder KCl-Lösung geeigneter Normalität. Der zweite Innenraum 10 des Gehäuses 2 steht mit dem ersten Innenraum 4 über das Diaphragma 9 in Leitverbindung ohne Stoffaustausch und dient zur Aufnahme einer Bezugselektrode 11, im Falle der Chlormessung zum Beispiel einer Ag/AgCl-Elektrode. Der Innenraum 10 des Gehäuses 2 nimmt eine geeignete Elektrolyt-, z. B. KCl-Lösung auf, die die Leitverbindung mit der im Innenraum 4 enthaltenen Pufferlösung über das Diaphragma 9 gewährleistet.

Meßanschlüsse 12 bzw. 13 dienen zum Anschluß der Bezugselektrode 11 bzw. der Meßelektrode 3 an einen nicht gezeigten Meßverstärker, der die zwischen den Elektroden bestehende Potentialdifferenz direkt anzeigt.

Zum Versorgen der Innenräume 4 und 10 des Gehäuses 2 mit den jeweiligen Puffer- bzw. Elektrolytlösungen dienen seitliche Einfüllöffnungen 14 a,b im oberen Bereich des Gehäuses 2.

Im Betrieb ist der untere Bereich des Gehäuses 2 dem zu messenden Gas ausgesetzt, das durch die Membran 5 und die Öffnung 8 diffundieren kann. Zwischen der einseitigen Fläche der Membran 5 und der Platin- oder Goldfläche 7 der Meßelektrode 3 liegt ein nur wenige Moleküldurchmesser starker Flüssigkeitsfilm der Pufferlösung, durch den die eindiffundierenden Gasmoleküle an die Edelmetallfläche 7 der Meßelektrode 3 gelangen. Da es innerhalb dieses Flüssigkeitsfilms zu keiner nennenswerten Umsetzung kommt, ist die Ionenkonzentration etwa konstant; außerdem dient die demgegenüber sehr große Menge an Pufferlösung im Innenraum 4 zur Konstanthaltung der Ionenkonzentration über längere Zeiträume. Damit ist die Potentialdifferenz zwischen der Meßelektrode 3 und der Bezugselektrode 11 nur abhängig von dem jeweiligen Partialdruck des zu messenden Gases im Flüssigkeitsfilm zwischen der Edelmetallfläche 7 und der Membran 5, der sich sehr schnell und zuverlässig entsprechend dem die auswärtige Fläche der Membran 5 beaufschlagenden Stoffgemisch einstellt. Die Elektrodenfunktion hängt damit von der Aktivität des Chlors wie folgt ab:

In Abwandlung der beschriebenen Ausführungsform kann die Meßelektrodenvorrichtung auch als Einstabmeßkette ohne Diaphragma und Überführung gebaut werden, indem die Bezugselektrode direkt im in diesem Fall keinen seitlichen Ansatz aufweisenden Elektrodenschaft integriert wird und mit der Meßelektrode direkt über die Pufferlösung in Leitverbindung steht.

Mit geeigneten Pufferlösungen ist die erfindungsgemäße Meßelektrodenvorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Vielzahl von Gasen geeignet.

Claims (5)

1) Potentiometrische Meßelektrodenvorrichtung zur umsetzungslosen Konzentrationsmessung eines molekularen Gases, besonders in fluiden Stoffgemischen, mit einem Gehäuse zur Aufnahme einer leitfähigen gasspezifischen Pufferlösung sowie einer jeweils in Ansprache auf den Partialdruck des Gases ein bestimmtes Potential annehmenden Meßelektrode und einer Bezugselektrode zum Anschluß an eine die zwischen den Elektroden bestehende Potentialdifferenz anzeigende Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß
a) das Gehäuse (2) in einem dem zu messenden Gas auszusetzenden Bereich eine Öffnung (8) sowie eine diese umschließende Einspannvorrichtung (6) aufweist,
b) eine von der Einspannvorrichtung (6) lösbar festgelegte, die Öffnung (8) abschließende und für das zu messende Gas durchlässige Membran (5) vorgesehen ist,
c) die Meßelektrode (3) vollständig im Innenraum des Gehäuses (2) aufgenommen ist und
d) eine der einwärtigen Fläche der Membran (5) im wesentlichen im Bereich der Öffnung (8) anliegende Edelmetallfläche (7) aufweist.

2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) aus gesintertem Polytetrafluoräthylen (PTFE) besteht und nur für Gase durchlässig ist.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallfläche (7) der Meßelektrode (3) aus Platin oder Gold besteht.

4) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Meßelektrode (3) von dem die Bezugselektrode (11) aufnehmenden Innenraum (10) des Gehäuses (2) durch ein Diaphragma (9) getrennt ist.

5) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (3) und die Bezugselektrode (11) ohne elektrolytische Trennung in einem gemeinsamen Gehäuse (2) als Einstab-Meßkette aufgenommen sind.