DE3831879A1 - Potentiostatischer sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen potentiostatischen Sensor mit einer Arbeitselektrode und mindestens einer weiteren Elektrode, die in einem mit Elektrolyt gefüllten Elektro­ lytraum in einem mit einer Öffnung versehenen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Öffnung durch eine Membrane verschlossen ist, auf der die Arbeitselektrode angeord­ net ist.

Ein solcher Sensor ist aus EP-A-2 20 369 bekannt.

Die durch den Elektrolytraum mit den Elektroden gebil­ dete elektrochemische Zelle steht mit der Umgebung durch die Membrane in Verbindung. Die Membrane verhindert einerseits ein Ausfließen des Elektrolyts aus dem Elek­ trolytraum bzw. ein Eindringen von unerwünschten Sub­ stanzen in die elektrochemische Zelle, ist andererseits aber durchlässig für die nachzuweisende Substanz. Nur die nachzuweisende Substanz kann durch die Membrane wandern und an der Arbeitselektrode elektrochemisch umgesetzt werden.

Für eine genaue Messung ist es wichtig, daß die Arbeits­ elektrode eine definierte Lage zur Membrane einnimmt, die auch durch mechanische Schwingungen, die praktisch in jeder Strömung auftreten, nicht beeinflußt werden kann. Weiterhin darf die Membrane keine Falten auf­ weisen, da sonst die zu messende Substanz nicht an allen Stellen den gleichen Durchtrittswiderstand vorfindet. Ebenso sollte die Membrane überall die gleiche Dicke aufweisen, also nicht durch Recken oder Stauchen an einigen Stellen verdickt oder verdünnt sein. Andererseits muß die Membrane den Elektrolytraum zuverlässig abdich­ ten, d.h. am gesamten Öffnungsrand dichtend auf dem Gehäuse aufliegen.

Bei den bisher bekannten Sensoren (z.B. EP-A-2 20 369) wird die Membrane mit Hilfe einer Schraubverbindung auf die Öffnung des Elektrolytraums gepreßt. Beim Drehen der Schraube läßt es sich aber praktisch nicht verhin­ dern, daß, insbesondere in der Endphase des Verschrau­ bens, durch Reibung eine gewisse Kraft auf die Membrane übertragen wird, die diese auf ihrer Auflage, d.h. auf dem Rand der Öffnung, verschiebt, was zu Faltenbildung in der Membrane führen kann.

Andere Sensoren (z.B. DE-OS 27 53 698) verwenden Spann­ vorrichtungen, mit denen die Membrane über die Öffnung gezogen wird. Diese Spannvorrichtungen haben den Nach­ teil, daß sie die Membrane unter Umständen recken können. Durch das Recken können verdünnte Stellen entstehen. Damit liefert die Membrane nur noch ungenaue Messungen. Diese Ungenauigkeit kann zwar durch eine Kalibrierung kompensiert werden, jedoch ist für jede neue Membrane eine erneute Kalibrierung notwendig, da die verdünnten Stellen der Membrane nicht reproduzierbar gefertigt werden können.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen potentiostatischen Sensor anzugeben, der leicht herstellbar ist und geringe Toleranzen in den Membran­ abmessungen aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem potentiostatischen Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Mem­ brane mit dem Gehäuse durch Kleben verbunden ist.

Der Sensor kann also im wesentlichen hergestellt werden wie bisher, nur daß am Ende des Fertigungsvorgangs die Membrane nicht mehr durch eine Schraub- oder Spannvor­ richtung aufgespannt werden muß, sondern einfach über die Öffnung des Elektrolytraums gelegt und mit dem Rand dieser Öffnung verklebt werden kann. Unter Kleben wird dabei jede Verbindung verstanden, durch die die Membrane am Gehäuse haftet, sei es durch Klebstoff oder durch Anlösen der Membrane oder des Gehäuses durch Lö­ sungsmittel oder Wärme.

Die Klebeverbindung bietet den Vorteil, daß die Membrane keinerlei Spannungen ausgesetzt ist. Dadurch behält die Membrane ihre ursprüngliche gleichförmige Dicke auch nach der Fertigstellung des Sensors. Auch besteht keine Gefahr, daß die Membrane beim Aufbringen Falten wirft. Die Membrane kann sehr genau auf das Gehäuse ausgerichtet werden. Die Form des Gehäuses ist nicht mehr auf zylinderförmige Gehäuse beschränkt, die als Basis für ein rundes Gewinde dienen können, vielmehr können jetzt alle beliebigen Formen gewählt werden. Auch muß die Auflagefläche der Membrane, d.h. der Rand der Öffnung des Elektrolytraums, nicht mehr in einer Ebene liegen, sondern kann beliebige Formen annehmen. Die Fertigung des Sensors wird wesentlich vereinfacht, da keine Schrauben, Muttern oder Spannvorrichtungen vorgesehen werden müssen, die in der Regel die Herstel­ lung eines Gewindes am Gehäuse erfordern. Die Klebver­ bindung dichtet den gesamten Rand der Elektrolytraumöff­ nung mit der Membrane gegen die Umgebung ab, so daß keine Gefahr eines Elektrolytverlustes besteht. Zudem besteht keine Gefahr, daß sich die Klebeverbindung durch Erschütterungen löst, wie das bei Schraubverbindungen der Fall sein kann.

Mit besonderem Vorteil ist die Membrane mit dem Rand der Öffnung verklebt. Dies bewirkt eine sichere Abdich­ tung des Elektrolytraumes und verhindert, daß die Mem­ brane Falten bekommt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Klebe­ verbindung durch einen elektrisch nichtleitenden Kleb­ stoff, der so angeordnet ist, daß der Elektrolyt elek­ trisch vollständig von der Umgebung isoliert ist. Der Klebstoff stellt also nicht nur mechanische Verbindung zwischen Membrane und Gehäuse sicher, er bildet gleich­ sam einen Teil der Begrenzungswand des Elektrolytraums. Der Elektrolyt kann also weder mechanisch entweichen, noch können durch eindringende Ströme die Meßergebnisse verfälscht werden.

Es ist bevorzugt, daß die wirksame Fläche der Arbeits­ elektrode durch die Größe der Öffnung bestimmt ist. Die wirksame Fläche der Arbeitselektrode ist dabei die Berührfläche der Elektrode mit dem Elektrolyt, also die Fläche, die zur Reaktion und somit zur Erzeugung der Meßsignale zur Verfügung steht. Man muß also nicht mehr darauf achten, wie groß die auf die Membrane aufge­ brachte Elektrode ist. Es reicht aus, wenn die Elektrode mindestens die Größe der Öffnung hat. Sollte die gesamte Membrane mit der Elektrode beschichtet sein, so muß man beim Aufbringen der Elektrode lediglich dafür Sorge tragen, daß der nichtleitende Klebstoff auch auf den Rand der Membrane, d.h. auf den Rand der Elektrode, aufgetragen wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die wirksame Fläche der Arbeitselektrode durch den nicht­ leitenden Klebstoff begrenzt. Damit kann die wirksame Fläche der Arbeitselektrode auch kleiner sein und eine andere Form haben als die Öffnung. Die Begrenzung wird durch den nichtleitenden Klebstoff vorgenommen, der verhindert, daß der Elektrolyt mit der Elektrode in Verbindung steht.

Als vorteilhafte Werkstoffe für die Membrane haben sich Glasfrittenmaterial, Keramikfrittenmaterial, PTFE, Poly­ sulfon, Polyethylen, Polyester, Polypropylen, Polykarbo­ nat oder Siliconkautschuk erwiesen.

Die Arbeitselektrode wird mit Vorteil durch eine auf die Membrane aufgebrachte dünne Metallschicht, insbeson­ dere aus Gold, Platin oder Palladium gebildet, die durch Sputtern, Aufdampfen, ionenstrahlunterstütztes Aufdamp­ fen, Plasmaspritzen oder Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht ist. Diese Verbindungsarten gestatten eine innige Verbindung zwischen Membrane und Arbeitselektro­ de, so daß die durch die Membrane dringende zu messende Substanz direkt nach dem Durchdringen der Membrane mit der Elektrode reagieren kann. Es besteht keine Gefahr, daß sich die Arbeitselektrode von der Membrane ablöst. Darüber hinaus ist immer ein definierter Abstand zwi­ schen Membrane und Arbeitselektrode eingehalten.

Mit Vorteil weist das Gehäuse einen Leiter auf, der mit der Arbeitselektrode über einen elektrisch leitfähi­ gen Klebstoff elektrisch verbunden ist. Im Gegensatz zu einem lediglich durch Klemmen realisierten Kontakt läßt sich durch die Klebung der Kontaktwiderstand zwi­ schen Arbeitselektrode und Leiter relativ genau bestim­ men. Der Kontakt zwischen Arbeitselektrode und Leiter erfolgt dabei mehr oder weniger punktweise, d.h. ledig­ lich über die Querschnittsfläche des Leiters. Durch den leitfähigen Kleber wird einerseits eine mechanische Verbindung hergestellt und andererseits die elektrische Verbindung sichergestellt.

Besonders bevorzugt ist mindestens einer der beiden Klebstoffe durch Siebdruck aufgetragen. Siebdruck ist eine hochpräzise Auftragungsmöglichkeit. Der Bereich der Metallschicht, der als Arbeitsleketrode frei bleiben soll, läßt sich damit sehr genau bestimmen. Durch das Druckverfahren kann praktisch jede beliebige Form der Arbeitselektrode gewählt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Membrane mindestens eine aufgedruckte Leiterbahn auf, die mit der Arbeitselektrode verbunden ist und zu der Stelle führt, an der der Leiter die Membrane berührt. Die Arbeitselektrode kann sich zwar, muß sich aber nicht bis zu der Stelle erstrecken, an der Leiter die Membrane berührt. Wenn die Arbeitselektrode aus Materialersparnisgründen nur eine geringere Ausdehnung hat, kann die aufgedruckte Leiterbahn die elektrische Verbindung zwischen Leiterbahn und Arbeitselektrode sicherstellen. Dabei kann die Leiterbahn bis auf die Verbindungsstelle zwischen Leiter und Leiterbahn durch den nichtleitenden Klebstoff abgedeckt sein, so daß keine Gefahr besteht, daß der Eletrolyt mit der Leiter­ bahn in Verbindung kommt und reagiert, um das Meßergebnis zu verfälschen.

Mit besonderem Vorteil ist das Gehäuse zweiteilig ausge­ bildet, wobei der erste Teil als Kappe im wesentlichen in der Form eines Hohlzylinders mit Öffnungen in beiden Stirnseiten ausgebildet ist, dessen eine Stirnseiten­ öffnung durch die Membrane verschlossen ist, und der zweite Teil je mindestens eine weitere Elektrode trägt und die andere Stirnseitenöffnung verschließt. Diese Ausführungsform erleichtert die Fertigung wesentlich. Der zweite Teil, der die mindestens eine weitere Elektro­ de trägt, kann gleichzeitig die Elektronik (Verstärker etc.) aufnehmen. Bei der Fertigung der Kappe muß man nicht auf die teilweise empfindlichen elektronischen Bauteile Rücksicht nehmen, so daß auch aggressive Kleb­ stoffe oder Lösungsmittel zum Kleben verwendet werden können. Die Kappe bildet ein selbstständiges mechani­ sches Teil, das unabhängig von dem zweiten Teil gefer­ tigt werden kann.

Mit Vorteil ist das Gehäuse am die Membrane tragenden Ende um einen Winkel zwischen etwa 30° und 60° gegenüber seiner Längsachse abgeschrägt. Wenn der Sensor zur Fest­ stellung einer bestimmten Substanz in Flüssigkeiten verwendet wird, wird er üblicherweise senkrecht in die Flüssigkeit eingetaucht. Dabei können sich Luftblasen unter der Membrane ansammeln, die den Übergang der zu messenden Substanz aus der Flüssigkeit in die Membrane verhindern. Durch die Abschrägung können die Luftblasen sich nicht mehr unter der Membrane sammeln. Wegen der Hangauftriebskräfte werden sie zur Seite verdrängt und können dann neben dem Sensor weiter nach oben aufsteigen. Hierbei erweist sich der besondere Vorteil des Klebens. Bei einer kreisförmigen Sensorspitze entsteht nämlich durch das Abschrägen eine Ellipse mit ellipsenförmiger Elektrolytraumöffnung, auf der eine Membrane mit herkömm­ lichen Befestigungsmitteln praktisch nicht zu befestigen war. Darüber hinaus steht bei gleicher Sensorquer­ schnittsfläche eine größere Meßfläche, d.h. eine größere Fläche für die Meßelektrode zur Verfügung.

Als vorteilhaft hat sich dabei ein Winkel von etwa 45° herausgestellt. Bei diesem Winkel ist einerseits gewähr­ leistet, daß die anströmende Flüssigkeit mit einer ge­ nügend großen Normalkomponente auf die Membrane trifft, andererseits können die Luftblasen leicht zur Seite abgedrängt werden. Darüber hinaus können bei diesem Winkel auch noch Schrägstellungen des Sensors nach beiden Seiten toleriert werden, da in jedem Fall noch genügend Hangauftriebskräfte für die Luftblasen zur Verfügung stehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kappe in den zweiten Teil dichtend einsteckbar. Dadurch kann ein einfacher Zusammenbau realisiert werden. Nach dem Einstecken der Kappe ist der Elektrolytraum dicht und der Elektrolyt vollständig von der Umgebung getrennt.

Besonders bevorzugt wird dabei, daß die Kappe am zweiten Teil einrastbar ist. Damit ergibt sich eine einfache Sicherung gegen Herausfallen, z.B. wenn der Druck inner­ halb der Elektrolytraums geringfügig ansteigt oder der Sensor Erschütterungen ausgesetzt ist.

Vorteilhafterweise weist die Kappe im Umfang mindestens einen ausgeprägten Abschnitt auf, der mit einem jeweili­ gen Abschnitt am zweiten Teil zusammenwirkt, so daß Kappe und zweiter Teil nur in eine Lage zusammensteckbar sind. Dieser ausgeprägte Abschnitt kann beispielsweise eine Nase sein, die in eine Öffnung im zweiten Teil eingreift, es kann sich um Nut und Feder handeln oder Kappe und zweiter Teil weisen eine einseitige Abflachung auf. Dies ergibt in vorteilhafter Weise eine einfache Möglichkeit, um Kappe und zweiten Teil richtungsorien­ tiert zusammenzupassen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform durchsetzt der Leiter die Hohlzylinderwand der Kappe vom membran­ seitigen Ende zum entgegengesetzten Ende. Damit liegt der Leiter geschützt in der Kappe, muß also nicht irgend­ wie außen um die Kappe herumgeführt werden. Alle elek­ trischen Anschlüsse lassen sich im zweiten Teil unter­ bringen. Die Verbindung zur Arbeitselektrode kann dann über den die Kappe durchsetzenden Leiter hergestellt werden.

Es wird bevorzugt, daß der Leiter durch einen elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet ist. Elektrisch leit­ fähige Kunststoffe sind leicht und können gegossen wer­ den, so daß im Gehäuse bzw. in der Kappe lediglich eine Bohrung vorgesehen werden muß, die mit dem elektrisch leitfähigen Kunststoff gefüllt wird, um den Leiter zu realisieren.

Mit Vorteil weist der Leiter ein Kontaktelement auf, das mit einem entsprechenden Gegenstand im zweiten Teil zusammenwirkt. Dadurch kann auf einfache Art und Weise beim Zusammenstecken von Kappe und zweitem Teil die elektrische Verbindung zwischen der Auswerteelektronik im zweiten Teil und der Arbeitselektrode sichergestellt werden. Das Kontaktelement und das Gegenstück können z.B. durch zwei Federn gebildet werden, die beim Zusam­ menstecken von Kappe und zweitem Teil unter Vorspannung aneinanderliegen.

Es ist besonders bevorzugt, daß die Kappe als Wegwerf­ teil ausgebildet ist. Die Kappe ist nämlich aufgrund der Aufbringung der Membrane durch Kleben so billig herzustellen, daß eine relativ große Serie gefertigt werden kann. Da sich Elektrolyt und Arbeitselektrode mit der Zeit abnutzen können, war es auch bisher schon notwendig, den Elektrolytraum von Zeit zu Zeit zu öff­ nen, um den Elektrolyten auszutauschen. Auch bisher mußte die Arbeitselektrode von Zeit zu Zeit erneuert oder regeneriert werden. Erfindungsgemäß vereinfacht sich dieser Vorgang dadurch, daß lediglich die Kappe abgezogen und weggeworfen werden muß, bevor eine neue Kappe mit Elektrolyt gefüllt und auf den zweiten Teil aufgesteckt werden muß.

Bevorzugterweise ist der Elektrolytraum über einen Kanal mit der Umgebung verbunden, der ein zur Umgebung hin öffnendes Überdruckventil aufweist. Damit ist sicherge­ stellt, daß kein unzulässiger Druckanstieg im Elektro­ lytraum auftritt, der die Membrane beschädigen kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Sensor ein Strömungsrohr für das zu messende Fluid auf, dessen mit dem Sensor im wesentlichen koaxiale Ausströmöffnung das Gehäuse von der membranseitigen Stirnseite her zumindest teilweise umgibt. Dadurch ist sichergestellt, daß der Sensor immer einem definierten Flüssigkeitsstrom ausgesetzt ist. Diese Ausführungsform kann beispielsweise im Nebenstrom zu einer Hauptströ­ mung eingesetzt werden, um das Vorhandensein und die Konzentration einer bestimmten Substanz im Trinkwasser zu untersuchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Sensors,

Fig. 2 eine Schnittansicht des unteren Bereichs des zweiten Teils,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den unteren Teil des zweiten Teils,

Fig. 4 eine Schnittansicht der Kappe,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Kappe,

Fig. 6 eine Schnittansicht des unteren Teils des zusam­ mengebauten Sensors und

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Sensors im einge­ bauten Zustand.

Ein Sensor 1 weist einen Schaft 2 auf, auf den eine Kappe 3 aufgesteckt ist, die an ihrem anderen Ende eine Membrane 4 trägt. Am entgegengesetzten Ende weist der Schaft 2 eine Steckverbindung 5 auf, unterhalb derer ein Gewinde 5 angeordnet ist, mit dessen Hilfe der Sen­ sor in ein Meßgefäß eingeschraubt werden kann. Zum Dre­ hen des Sensors ist ein Sechskant oder eine andere An­ griffsfläche 6 für ein Einschraubwerkzeug vorgesehen. Unterhalb des Gewindes befindet sich ein Gleitring 8 und ein O-Ring 9. Der Gleitring 8 und der O-Ring 9 die­ nen dazu, das Gewinde 7 abzudichten, wenn der Sensor 1 in ein Gehäuse eingeschraubt ist. Das Gehäuse des Sensors besteht aus Schaft 2 und Kappe 3. Der Schaft 2 nimmt eine Auswerteelektronik 11 auf und trägt eine Bezugselektrode 12, die von einer Isolierung 13 umgeben ist, und eine Gegenelektrode 14. Beide Elektroden wer­ den von einem Elektrodenhalter 15 gehalten. Weiterhin ist im Elektrodenhalter 15 ein Kontaktelement 16 vor­ gesehen. Am unteren Ende des Elektrodenhalters 15 befin­ det sich ein weiterer O-Ring 17.

Zwischen dem Elektrodenhalter 15 und der Außenwand des unteren Endes des Schaftes 2 ist eine Nut vorgesehen, in die die Kappe 3 eingeschoben werden kann. Dazu weist die Außenwand auf der Innenseite, d.h. zur Nut hinge­ wandt, eine Schnapprille 19 auf, in die ein Schnappwulst 23 der Kappe 3 einrasten kann. Damit die Kappe nur in einer Dreh-Orientierung auf den Schaft 2 aufgesetzt werden kann, weist der Schaft eine Nase 18 auf, die in eine entsprechende Ausnehmung 24 der Kappe eingreifen kann.

Die Kappe ist im wesentlichen als Hohlzylinder mit zwei stirnseitigen Öffnung, z.B. aus PVC oder Plexiglas, ausgebildet. Die obere stirnseitige Öffnung wird vom Schaft 2, genauer gesagt von dem Elektrodenhalter 15 verschlossen, wenn die Kappe 3 in den Schaft 2 einge­ steckt wird. Die andere stirnseitige Öffnung der Kappe ist durch die Membrane 4 verschlossen. Der so zusammenge­ baute Sensor weist einen Elektrolytraum 25 auf, der mit Hilfe des O-Rings 17 am Elektrodenhalter 15 und eines weiteren O-Rings 22 an der Außenseite der Kappe gegenüber der Umgebung abgedichtet ist.

Der Elektrolytraum 25 ist über einen Kanal 21 mit der Umgebung verbunden. Die Austrittsöffnung des Kanals 21 zur Umgebung ist durch einen Siliconschlauchring 20 verschlossen, der ermöglicht, daß ein Druck aus dem Elektrolytraum 25 zur Umgebung hin entweicht, der aber verhindert, daß von außen irgendwelche Stoffe in den Elektrolytraum eindringen.

Die Kappe 3 weist einen Leiter 26 auf, der die Kappe 3 vom membranseitigen Ende zum entgegengesetzten Ende durchsetzt. Dieser Leiter ist aus Leitkunststoff gebil­ det, d.h. aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff. Er steht mit dem Kontaktelement 16 in Verbindung.

Die Membrane 4 ist mit einer Metallauflage 27 versehen. Die Membrane 4 besteht dabei aus Glasfrittenmaterial, Keramikfrittenmaterial, PTFE, Polysulfon, Polyethylen, Polyester, Polypropylen, Polykarbonat oder Siliconkaut­ schuk oder einem anderen geeigneten Kunststoff. Die Metallauflage, die durch eine dünne Metallschicht, ins­ besondere aus Gold, Platin oder Palladium, gebildet ist, wird durch Sputtern, Aufdampfen, ionenstrahlunter­ stütztes Ausdampfen, Plasmaspritzen oder Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Wichtig dabei ist, daß die Metallschicht, die als Arbeitselektrode 27 dient, mit der Membrane 4 eine innige Verbindung eingeht, so daß kein Abstand zwischen Membrane 4 und Arbeitselektrode 27 entstehen kann, in den sich Verunreinigungen ein­ schleichen können. Damit wird sichergestellt, daß alle Teilchen der zu messenden Substanz, die durch die Membra­ ne 4 dringen, auch mit der Arbeitselektrode 27 direkt reagieren können.

Die so beschichtete Membrane 4 ist auf die Stirnseite der Kappe 3 mit Hilfe eines nichtleitfähigen Klebstoffs 28, z.B. Tangit Anlöser der Firma Henkel oder Epoxy-Kleb­ stoff 377 der Firma Polytec, aufgeklebt. Der elektrisch nichtleitfähige Klebstoff 28 isoliert dabei den Elektro­ lytraum 25 von der Umgebung. Damit ist sichergestellt, daß erstens kein Elektrolyt entweichen und zweitens die Reaktion der Substanz mit der Arbeitselektrode nur durch die Membrane erfolgen kann, nicht aber durch ein etwaiges mechanisches oder elektrisches Leck in der Verbindung zwischen Kappe 3 und Membrane 4.

Die Arbeitselektrode 27 kann sich bis zu dem Bereich erstrecken, wo der Leiter 26 die Membrane berührt. Falls sich die Arbeitselektrode 27 nicht so weit erstreckt, kann auf der Membrane 4 eine Leiterbahn aufgedruckt sein, die von der Arbeitselektrode 27 zu dem Punkt führt, wo der Leiter 26 die Membrane 4 berührt. Die Verbindung zwischen dem Leiter 26 und der Arbeitselektrode 27 bzw. der aufgedruckten Leiterbahn wird durch einen leitfähigen Klebstoff 28, z.B. Leit-C-Kleber der Fa. Plannet oder Epoxy-Klebstoff 430 der Fa. Polytec, sichergestellt. Dieser elektrisch leitfähige Klebstoff 29 bewirkt einer­ seits eine sichere mechanische Verbindung des Leiters 26 mit der Arbeitselektrode 27 bzw. der aufgedruckten Leiterbahn und stellt andererseits auch eine sichere elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Teilen sicher.

Die Arbeitselektrode 27 kann einen größeren Durchmesser haben als die Öffnung der Kappe 3. Die wirksame Elektro­ denfläche, d.h. die Fläche, an der die Arbeitselektrode 27 mit dem Elektrolyten 25 reagieren kann, wird jedoch durch die Kappe 3 begrenzt. Falls beabsichtigt ist, die Arbeitselektrode kleiner zu machen, als die zur Verfügung stehende Öffnung in der Kappe 3, kann man den nichtleitenden Klebstoff 28 noch in einem größeren Bereich auf die Membrane 4 auftragen, so daß dieser Klebstoff die Arbeitselektrode 27 vom Elektrolyten 25 isoliert.

Als einfache und präzise Auftragweise für die beiden Klebstoffe hat sich ein Siebdruckverfahren erwiesen. Damit lassen sich die Abmessungen der Arbeitselektrode bzw. die Flächen, auf die die Klebstoff aufgetragen werden sollen, hochgenau einhalten.

Die Kappe ist an ihrem membranseitigen Ende gegenüber der Mittelachse des Sensors um einen Winkel von etwa 45° abgeschrägt. Wenn nun der Sensor senkrecht in eine Flüssigkeit gehalten wird, können sich unterhalb der Membrane keine Luftbläschen sammeln, die einen Übertritt der zu messenden Substanz in die Membrane 4 erschweren oder unmöglich machen. Diese Luftbläschen werden auf­ grund der Hangauftriebskräfte seitlich, d.h. in der Zeichnung nach rechts, abgetrieben und können dann am Sensor vorbei aufsteigen. Damit ist gewährleistet, daß die gesamte Membranfläche permanent mit Flüssigkeit benetzt ist.

Die Kappe 3 selbst ist als Wegwerfteil ausgebildet. Sie kann leicht und billig hergestellt werden, in dem nach der Fertigung des Hohlzylinders, beispielsweise durch ein Spritzgußverfahren, in dem bereits das Loch für den Leiter 26 vorgesehen ist, der Kunststoffleiter 26 eingegossen und die Membrane 4 aufgeklebt wird. Beim Aufkleben ergibt sich dabei der besondere Vorteil, daß die Membrane 4 weder Falten bilden kann noch gereckt oder gestaucht wird, so daß sie ihre ursprüngliche Dicke über die gesamte Fläche behält. Wenn sich im Sensor der Elektrolyt oder die Arbeitselektrode erschöpft ha­ ben, läßt sich die Kappe 3 einfach abziehen, wobei lediglich der Widerstand des Schnappwulstes 23, der in die Schnapprille 19 eingreift, überwunden werden muß, und durch eine neue Kappe 3, die vorher mit einem neuen Elektrolyten 25 gefüllt worden ist, ersetzen, die auf den Schaft 2 aufgesteckt wird. Durch den Druck­ ausgleichskanal 21 kann überschüssiger Elektrolyt 25 entweichen, so daß sich relativ schnell ein ausgegliche­ nes Druckgleichgewicht innerhalb des Elektrolytraums einstellt.

Fig. 7 zeigt den Sensor in eingebautem Zustand. In einer Halterung 30, die einen Zuflußkanal 31 und einen Abfluß­ kanal 32 aufweist, ist der Sensor 1 mit Hilfe seines Gewindes 7, das in der Regel genormt ist, eingeschraubt. Dabei ragt lediglich die Steckverbindung 5 noch aus der Halterung 30 heraus, so daß eine elektrische Ver­ bindung zwischen dem Sensor und einer Auswerte- oder Speichereinrichtung hergestellt werden kann. An den Zufluß 31 wird eine Zuflußleitung angeschlossen, durch die das Medium geleitet werden soll, das die zu messende Substanz enthält. In gleicher Weise wird an dem Abfluß­ kanal 32 ein Abflußrohr für das zu messende Fluid ange­ schlossen. Das Fluid, das durch den Zufuhrkanal 31 ein­ strömt, fließt weiter durch ein Einlaßrohr 35, mit dessen Hilfe es direkt auf die membranseitige Stirnseite der Kappe 3 geleitet wird. Damit definierte Strömungsverhält­ nisse herrschen, umgibt die Auslaßöffnung 36 des Einlaß­ rohres 35 die Kappe 3 zumindest teilweise, d.h. die Wand 37 der Auslaßöffnung 36 des Einlaßrohres 35 ist kreisringförmig um die Kappe 3 herum angeordnet. Das zu messende Fluid trifft also unter einem Winkel von 45° auf die Membrane 4, so daß sich dort keine Luftbläs­ chen bilden können. Von dort strömt das Fluid weiter in einen Raum, der durch eine an der Halterung 30 be­ festigte Tasse umschlossen ist. Die Tasse ist mit Hilfe eines Gewindes 33 an der Halterung 30 befestigt. Aus dem umschlossenen Raum kann das Fluid durch den Abfluß 32 in das nichtdargestellte Abflußrohr fließen.

Claims (22)

1. Potentiostatischer Sensor mit einer Arbeitselektrode und mindestens einer weiteren Elektrode, die in einem mit Elektrolyt gefüllten Elektrolytraum in einem mit einer Öffnung versehenen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Öffnung durch eine Membrane verschlossen ist, auf der die Arbeitselektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (4) mit dem Gehäuse (3) durch Kleben verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (4) mit dem Rand der Öffnung verklebt ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeverbindung durch einen elektrisch nicht­ leitenden Klebstoff (28) erfolgt, der so angeordnet ist, daß der Elektrolyt (25) elektrisch vollständig von der Umgebung isoliert ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der Arbeits­ elektrode (27) durch die Größe der Öffnung bestimmt ist.

5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche der Arbeitselektrode (27) durch den nichtleitenden Klebstoff (28) begrenzt ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (4) aus Glasfritten­ material, Keramikfrittenmaterial, PTFE, Polysulfon, Polyethylen, Polyester, Polypropylen, Polykarbonat oder Siliconkautschuk gebildet ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitselektrode durch eine durch Sputtern, Aufdampfen, ionenstrahlunterstütztes Aufdampfen, Plasmaspritzen oder Abscheidung aus der Gasphase auf die Membrane (4) aufgebrachte dünne Metallschicht (27), insbesondere aus Gold, Platin oder Palladium, gebildet ist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) mindestens einen Leiter (26) aufweist, der mit der Arbeitselektrode (27) über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff (29) elektrisch verbunden ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Klebstoffe (28, 29) durch Siebdruck aufgetragen ist.

10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Membrane (4) mindestens eine aufgedruck­ te Leiterbahn aufweist, die mit der Arbeitselektrode (27) verbunden ist und zu der Stelle führt, an der der Leiter (26) die Membrane (4) berührt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zweiteilig ausgebil­ det ist, wobei der erste Teil als Kappe (3) im we­ sentlichen in der Form eines Hohlzylinders mit Öff­ nungen in beiden Stirnseiten ausgebildet ist, dessen eine Stirnseitenöffnung durch die Membrane (4) ver­ schlossen ist, und der zweite Teil (2) die minde­ stens eine weitere Elektrode (12, 14) trägt und die andere Stirnseitenöffnung des Hohlzylinders verschließt.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) am die Membrane (4) tragenden Ende um einen Winkel zwischen etwa 30° und 60° gegenüber seiner Längsachse abgeschrägt ist.

13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel etwa 45° beträgt.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) in den zweiten Teil (2) dichtend einsteckbar ist.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) am zweiten Teil (2) einrastbar ist.

16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kappe (3) im Umfang mindestens einen ausgeprägten Abschnitt (24) aufweist, der mit einem jeweiligen Abschnitt (18) am zweiten Teil (2) zusam­ menwirkt, so daß Kappe (3) und zweiter Teil (2) nur in einer Lage zusammensteckbar sind.

17. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (26) die Hohlzylinder­ wand der Kappe (3) vom membranseitigen Ende zum entgegengesetzten Ende durchsetzt.

18. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (26) durch einen elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet ist.

19. Sensor nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeich­ net, daß der Leiter (26) ein Kontaktelement aufweist, das mit einem entsprechenden Gegenstück (16) im zweiten Teil (2) zusammenwirkt.

20. Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (3) als Wegwerfteil ausgebildet ist.

21. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolytraum (25) über einen Kanal (21) mit der Umgebung verbunden ist, der ein zur Umgebung hin öffnendes Überdruckventil (20) aufweist.

22. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, gekenn­ zeichnet durch ein Strömungsrohr (35) für das zu messende Fluid, dessen mit dem Sensor im wesentli­ chen koaxiale Ausströmöffnung (36) das Gehäuse (3) von der membranseitigen Stirnseite her zumindest teilweise umgibt.