DE3724040A1 - Membrane body for membrane-covered electrodes - Google Patents

Membrane body for membrane-covered electrodes

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Abstract

In a membrane body for membrane-covered measuring electrodes for the polarographic determination of concentration, in particular by the Clark method, the active area of the membrane for the passage of the particles to be measured is limited by the use of an apertured diaphragm, the aperture lying above the measuring electrode.

Description

Die Erfindung betrifft einen Membrankörper für membranbe­ deckte Meßelektroden.The invention relates to a membrane body for membrane covered measuring electrodes.

Membranbedeckte Meßelektroden werden zur Messung der Konzen­ tration von Gasen, wie O2, Cl2, CO2, H2S und SO2 benutzt.Membrane-covered measuring electrodes are used to measure the concentration of gases such as O 2 , Cl 2 , CO 2 , H 2 S and SO 2 .

Am häufigsten wird die polarographische Sauerstoffelektrode nach Clark (U.S. Patent 29 13 386) verwendet. An diesem Beispiel soll das Meßprinzip erläutert und der Stand der Technik beschrieben werden.The most common is the polarographic oxygen electrode according to Clark (U.S. Patent 29 13 386). At this Example is to explain the measuring principle and the state of the Technology are described.

Bei einer solchen Einrichtung ist eine Membrane über einer als Meßelektrode dienenden Kathode und einem zugehörigen Kathodenkörper lokalisiert und an einem Membrankörper befestigt.With such a device, a membrane is over one serving as the measuring electrode and an associated cathode Localized cathode body and on a membrane body attached.

Ein dadurch zwischen Membrane, Membran- und Kathodenkörper gebildeter Elektrolytraum wird mit einem Sensorelektrolyten gefüllt. Dieser breitet sich als Elektrolytfilm auch in einem Teil des Elektrolytraums aus, der als Meßraum bezeichnet wird und der sich zwischen Membrane und Kathode sowie Kathodenkörperoberfläche befindet.One between membrane, membrane and cathode body Electrolyte space is formed with a sensor electrolyte filled. This also spreads as an electrolyte film part of the electrolyte space, which is called the measuring space is called and which is between the membrane and cathode as well as the cathode body surface.

Ein an die Meßelektrode und eine als Bezugs- und Gegen­ elektrode dienende Anode angeschlossenes Meßgerät erzeugt eine Polarisationsspannung, mißt einen zwischen Anode und Kathode entstehenden Stromfluß und wandelt diesen in das gewünschte Meßsignal um. Bei der Sauerstoffmessung wird der Stromfluß durch die kathodische Reduktion des in den Meßraum diffundierenden Sauerstoffs erzeugt.One to the measuring electrode and one as a reference and counter electrode serving anode connected measuring device a polarization voltage, measures one between anode and Current flow arising cathode and converts this into the desired measurement signal. When measuring oxygen, the Current flow through the cathodic reduction in the measuring room diffusing oxygen.

Das Meßsignal herkömmlicher O2-Elektroden wird in erster Linie von der Konzentration des gelösten O2 im Meßmedium bestimmt, weiterhin von der Größe der aktiven Kathodenober­ fläche, von der spezifischen O2-Durchlässigkeit der Membrane und deren Dicke sowie von der angelegten Polarisationsspan­ nung. Den geschwindigkeitsbestimmenden und damit charakte­ ristischen Vorgang dieser pO2-Elektroden stellt die O2 -Diffusion durch die Membrane dar. Die Reduktion des Sauerstoffs an der Kathodenoberfläche erfolgt vergleichs­ weise schnell, so daß an der Membraninnenseite im Bereich der Kathode die Sauerstoffkonzentration jederzeit praktisch Null ist, wenn die Dicke des Elektrolytfilms hinreichend klein ist. Die Größe des Reduktionsstromes ist dann durch den Diffusionsgrenzstrom des Sauerstoffs durch die Membrane gegeben und ist das Maß für die Sauerstoffkonzentration an der Membranaußenseite. Die Membrane dient neben der Begren­ zung der Diffusionsvorgänge zur Trennung von Meßmedium und Sensorelektrolyt und trägt wesentlich zur O2-Selektivität gegenüber Fremdgasen bei. Als Membranmaterialien werden für die O2-Messung meist Fluorkunststoffolien mit Schichtdicken zwischen 5 und 100 µm eingesetzt, aber auch Silikonmembranen mit z.T. anderen Schichtdicken finden Verwendung.The measurement signal of conventional O 2 electrodes is primarily determined by the concentration of the dissolved O 2 in the measuring medium, further by the size of the active cathode surface, by the specific O 2 permeability of the membrane and its thickness, and by the applied polarization voltage. The rate-determining and thus characteristic process of these pO 2 electrodes is represented by the O 2 diffusion through the membrane. The reduction of oxygen on the cathode surface is comparatively quick, so that the oxygen concentration on the inside of the membrane in the area of the cathode is practically zero at all times when the thickness of the electrolyte film is sufficiently small. The size of the reduction current is then given by the diffusion limit flow of oxygen through the membrane and is the measure of the oxygen concentration on the outside of the membrane. In addition to limiting the diffusion processes, the membrane serves to separate the measuring medium and sensor electrolyte and contributes significantly to the O 2 selectivity towards foreign gases. Fluoroplastic foils with layer thicknesses between 5 and 100 µm are mostly used as membrane materials for O 2 measurement, but silicone membranes with partly other layer thicknesses are also used.

Die Diffusionswege des Sauerstoffes in Membrane und Elektro­ lytraum zwischen Kathodenkörper mit Kathode und Membrane sind von entscheidender Bedeutung für Signalstabilität und -größe und für die Reproduzierbarkeit der Meßwerte.The diffusion paths of oxygen in membrane and electro lytraum between cathode body with cathode and membrane are critical to signal stability and -size and for the reproducibility of the measured values.

Bei Messungen mit herkömmlichen Meßelektroden kann der Meßfehler groß sein - bedingt durch eine Querdiffusion im Meßraum. Diese wirkt sich insbesondere dann negativ auf die Meßgenauigkeit aus, wenn wechselnde Temperatur- oder Druck­ beanspruchung zu Änderungen der Geometrie des Meßraumes führen. When measuring with conventional measuring electrodes, the Measurement errors must be large - due to cross diffusion in the Measuring room. This has a particularly negative effect on the Measurement accuracy off when changing temperature or pressure stress on changes in the geometry of the measuring room to lead.  

Nach dem Stand der Technik wird zur Verminderung der genannten Störeinflüsse der Meßraum zwischen Kathodenkörper und Membran verbreitert (DE-PS 19 63 525) und (Gnaiger + Forstner, S. 27-30).According to the prior art, the mentioned interference the measuring space between the cathode body and membrane widened (DE-PS 19 63 525) and (Gnaiger + Forstner, pp. 27-30).

Eine leichte Verbesserung erbringt die Konstanthaltung der Geometrie durch die Stabilisierung der Membran mit einem Edelstahlnetz, wobei die Nachteile der Querdiffusion grund­ sätzlich weiterhin bestehen. Zu deren Verminderung soll eine Meßelektrode (Kathode) mit großer Oberfläche beitragen (E. Gnaiger und H. Forstner: "Polarographic oxygen Sensors", Springer Verlag 1983, S. 18-30). Da aber die diffusionsak­ tive Membranoberfläche konstruktionsbedingt immer um ein Vielfaches größer ist als die Kathodenoberfläche (DE-PS 31 11 190 A1), gelingt es trotz unterschiedlicher Verbesse­ rungen (z.B. Schutzring-Kathode; SU-Patent 10 62 589-A; E. Gnaiger und H. Forstner S. 26 -29) nicht, den Einfluß der Querdiffusion auszuschalten.A slight improvement results in keeping the Geometry by stabilizing the membrane with a Stainless steel mesh, whereby the disadvantages of cross diffusion are basic continue to exist. To reduce them, a Measuring electrode (cathode) with a large surface area contribute (E. Gnaiger and H. Forstner: "Polarographic oxygen sensors", Springer Verlag 1983, pp. 18-30). But since the diffusion tive membrane surface always by one due to the design Is many times larger than the cathode surface (DE-PS 31 11 190 A1), it succeeds despite various improvements stanchions (e.g. guard ring cathode; SU patent 10 62 589-A; E. Gnaiger and H. Forstner pp. 26-29) not the influence of Switch off cross diffusion.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Nachteile und Störungen bei membranbedeckten Meßelektroden zu beheben, so daß die Meßgenauigkeit erhöht ist, die Elektrodenfunk­ tion, insbesondere auch bei wechselnden Temperaturen und Drucken, hinreichend stabil ist und über lange Zeit zuverlässige Meßwerte angezeigt werden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages and to correct faults in membrane-covered measuring electrodes, so that the measuring accuracy is increased, the electrode radio tion, especially with changing temperatures and Printing, is stable enough and for a long time reliable measured values are displayed.

Erfindungsgemäß wird das Ziel dadurch erreicht, daß die aktive Oberfläche der Membrane für den Durchtritt der zu messenden Teilchen durch die Verwendung einer Lochblende begrenzt ist, wobei die Blendenöffnung über der Meßelektrode liegt und vorzugsweise einen kleineren Durchmesser hat als diese.According to the invention the goal is achieved in that the active surface of the membrane for the passage of the to measuring particles by using a pinhole is limited, the aperture opening above the measuring electrode lies and preferably has a smaller diameter than these.

Die Erfindung soll anhand einer modifizierten Clark-Elek­ trode unter Hinweis auf die Zeichnungen näher beschrieben werden, in welcher:The invention is based on a modified Clark Elek trode described with reference to the drawings in which:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist und Fig. 1 is a cross-sectional view of a device according to the invention is and

Fig. 2 ein Ausschnitt aus Fig. 1 ist, in dem der erfindungsgemäße Membrankörper herausgestellt ist. FIG. 2 is a detail from FIG. 1, in which the membrane body according to the invention is highlighted.

Fig. 1 zeigt einen von einem Elektrodenkopf 12 gehaltenen Meßelektrodenkörper 8. Dieser enthält eine Anode 6 mit einer Isolation 13 und als Meßelektrode eine von einem Kathoden­ körper 7 ummantelte Kathode 5. Wenn eine Polarisa­ tionsspannung 9 angelegt wird, fließt zwischen Anode 6 und Fig. 1 shows a Meßelektrodenkörper 8 held by an electrode head 12. This contains an anode 6 with insulation 13 and as a measuring electrode a cathode 5 encased by a cathode body 7 . When a polarization voltage 9 is applied, flows between anode 6 and

Kathode 5 ein Strom 10, dessen Größe von der Sauer­ stoffkonzentration im Meßmedium 11 abhängt. Am Meßelektro­ denkörper 8 ist außerdem ein Membrankörper 1 angebracht, in welchem die Membrane 3 mit Hilfe einer Andruckschraube 1 a befestigt ist. Der dadurch gebildete Elektrolytraum 4 b mit dem Meßraum 4 a ist vom Elektrolyten 4 ausgefüllt. Erfin­ dungsgemäß ist in den Membrankörper 1 eine Lochblende 2 mit einer Blendenöffnung 2 a eingeführt.Cathode 5 a current 10 , the size of which depends on the oxygen concentration in the measuring medium 11 . At the Meßelektro denkörper 8 a membrane body 1 is also attached, in which the membrane 3 is fastened with the aid of a pressure screw 1 a . The electrolyte space 4 b thus formed with the measuring space 4 a is filled by the electrolyte 4 . Invention according to the invention, an aperture 2 with an aperture 2 a is inserted into the membrane body 1 .

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1, nämlich den modifizierten Membrankörper 1, wobei hier zusätzlich die Diffusionswege aus dem Meßmedium 11 durch Membrane 3 und Meßraum 4 a dargestellt sind. FIG. 2 shows a detail from FIG. 1, namely the modified membrane body 1 , the diffusion paths from the measuring medium 11 through membrane 3 and measuring chamber 4 a being additionally shown here.

Eine erfindungsgemäße Konstruktion des Membrankörpers ermög­ licht die Begrenzung der Diffusion auf eine aktive Zone von der Größe der Blendenöffnung. Damit ist eine Querdiffusion ausgeschlossen und die Einflüsse einer veränderten Geometrie durch Temperatur- und Druckschwankungen sind weitgehend eliminiert.An inventive construction of the membrane body enables limits the diffusion to an active zone of the size of the aperture. This is a cross diffusion excluded and the influences of a changed geometry due to temperature and pressure fluctuations are largely eliminated.

Eine völlige Stabilisierung der Geometrie des Elektrolyt­ raums läßt sich erreichen, indem die Membrane mit der Lochblende verklebt oder verschweißt wird. Die Fertigung von Membrankörper und Membrane aus einem einzigen Stück bringt denselben Effekt. Infolge der Verhinderung der Querdiffusion durch Einsatz einer innen oder außen liegenden Lochblende wird, verstärkt durch die gleichzeitige Stabili­ sierung der Membrane, die Meßgenauigkeit der Elektrode erheblich verbessert.A complete stabilization of the geometry of the electrolyte can be achieved by using the membrane with the Pinhole is glued or welded. The manufacture of Membrane body and membrane from a single piece  brings the same effect. As a result of preventing the Cross diffusion by using an inside or outside Pinhole is reinforced by the simultaneous stabilization sation of the membrane, the measuring accuracy of the electrode significantly improved.

Diese größere Genauigkeit bleibt sogar unter wechselnden Druck- und Temperaturverhältnissen sowie nach Beanspruchung, z.B. durch Heißdampfsterilisation, weitestgehend erhalten. Besonders günstig ist in diesem Zusammenhang die Anfertigung des Membrankörpers aus einem harten, temperaturbeständigen Material, z.B. einem speziellen Kunststoff oder einem Metall, welches die Membrane aufnimmt und mechanisch stabilisiert.This greater accuracy remains even under changing Pressure and temperature conditions as well as after stress, e.g. largely preserved by steam sterilization. In this context, production is particularly cheap of the membrane body from a hard, temperature-resistant Material, e.g. a special plastic or a Metal, which holds the membrane and mechanically stabilized.

Claims (12)

1. Membrankörper für eine membranbedeckte Meßelektrode, zur polarographischen Konzentrationsbestimmung, insbesondere nach Clark, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Fläche der Membrane (3) für den Durchtritt der zu messenden Teilchen durch die Verwendung einer Lochblende (2) begrenzt ist, wobei die Blendenöffnung (2 a) über der Meßelektrode (5) liegt. 1. Membrane body for a membrane-covered measuring electrode, for polarographic concentration determination, in particular according to Clark, characterized in that the active area of the membrane ( 3 ) for the passage of the particles to be measured is limited by the use of a pinhole ( 2 ), the aperture ( 2 a ) lies above the measuring electrode ( 5 ). 2. Membrankörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Blendenöffnung (2 a) kleiner als 1 mm ist und die Kathodenoberfläche größer als die Blenden­ öffnung.2. Membrane body according to claim 1, characterized in that the diameter of the aperture ( 2 a ) is less than 1 mm and the cathode surface is larger than the aperture. 3. Membrankörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blendenöffnung (2 a) kreisförmig ist.3. Membrane body according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm opening ( 2 a ) is circular. 4. Membrankörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blendenöffnung (2 a) eine Ellipse ist.4. Membrane body according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm opening ( 2 a ) is an ellipse. 5. Membrankörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blendenöffnung (2 a) die Form eines geschlossenen Polygonzuges aufweist.5. Membrane body according to claim 1 or 2, characterized in that the diaphragm opening ( 2 a ) has the shape of a closed polygon. 6. Membrankörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus Metall- oder Kunststoffmate­ rial besteht, wobei die Blendenöffnung (2 a) fensterförmig in diesem Material ausgebildet ist.6. Membrane body according to one of claims 1 to 5, characterized in that it consists of metal or plastic material, the diaphragm opening ( 2 a ) is window-shaped in this material. 7. Membrankörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Membrane (3) und Lochblende (2) fest miteinander verbunden sind.7. Membrane body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the membrane ( 3 ) and perforated diaphragm ( 2 ) are firmly connected. 8. Membrankörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Verklebung ist.8. Membrane body according to claim 7, characterized in that the connection is a glue. 9. Membrankörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung eine Verschweißung ist.9. Membrane body according to claim 7, characterized in that the connection is a weld. 10. Membrankörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Membrane (3) und Lochblende (2) aus einem Teil bestehen. 10. Membrane body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the membrane ( 3 ) and pinhole ( 2 ) consist of one part. 11. Membrankörper nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrankörper (1) und die Membrane (3) aus einem temperaturbeständigen Material bestehen.11. Membrane body according to one of claims 1 to 10, characterized in that the membrane body ( 1 ) and the membrane ( 3 ) consist of a temperature-resistant material. 12. Verwendung eines Membrankörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einer membranbedeckten Meßelektrode zur Messung der Konzentration von Gasen und Ionen.12. Use of a membrane body according to one of the Claims 1 to 11 in a membrane-covered measuring electrode for measuring the concentration of gases and ions.
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