DE3922147C2 - Gaspartialdruck-Sensor mit von einer Membran abgedichtetem Elektrolytraum - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaspartialdruck-Sensor der im Oberbegriff des Anspruches genannten Art.

Derartige Sensoren werden zur Bestimmung des Sauerstoff­ gehaltes von Wasser eingesetzt. Auch andere Gase, wie beispielsweise NH₃, CO₂ oder H₂S sind mit Sensoren dieses Typs nachweisbar. Ein wesentliches Problem insbesondere bei längerem Gebrauch eines solchen Sensors liegt in der ausreichenden Abdichtung des Elektrolytraumes. Zum einen muß der Rand der Membran sicher abgedichtet sein. Häufig sind solche Konstruktionen auch mit mehrteilig ver­ schraubtem Sensorgehäuse ausgebildet und weisen wenigstens eine weitere Dichtung gegenüber dem umgebenden Wasser auf. Ist eine dieser Dichtungen nicht vollständig dicht, so ergibt sich hier zwischen dem Elektrolytraum und dem umgebenden Wasser eine Leitfähige Elektrolytbrücke. Solche Elektrolytbrücken können auch bei undichter Membran ent­ stehen, die beispielsweise herstellungsbedingte feinporige Löcher aufweisen kann oder altersbedingte Risse.

Treten solche Elektrolytbrücken zwischen dem Elektrolytraum und dem umge­ benden Wasser auf, so wird der Sensor empfindlich gegen im umgebenden Was­ ser herrschende Ströme, die bei realen Meßaufbauten fast unvermeidbar sind.

Solche im umgebenden Wasser auftretende Ströme können sich beispielsweise ergeben als galvanische Potentialströme zwischen unterschiedlichen Metallen auf der Außenseite der Sonde oder an sonstigen in der Umgebung der Sonde vorhan­ denen Aufbaustrukturen. Elektrische Ströme in dem den Sensor umgebenden Wasser können auch verursacht werden von anderen Sensoren, die zusammen mit dem Gaspartialdruck-Sensor an einem gemeinsamen Sondenträger zur Gewin­ nung unterschiedlicher Meßdaten montiert sind.

Die im umgebenden Wasser aus unterschiedlichen Gründen auftretenden Ströme ergeben bei einem Leck zwischen dem Wasser und dem Elektrolytraum über die dort geschaffene Elektrolytbrücke einen Stromflußanteil, der in den Elektro­ lytraum hinein zur geerdeten Anode fließt. Dieser Stromfluß wird von der Katho­ de abgegriffen und erzeugt einen Fehlstromanteil des zu messenden Kathoden­ stromes, also einen Fehlstrom, der das Meßergebnis verfälscht.

Aus der US 3,661,748 ist ein gattungsgemäßer Sensor bekannt, der Undichtigkeit der Diffusionsmembran mit einer in der umgebenden Flüssigkeit angeordneten Signalelektrode nachweist, sie mit Stromimpulsen beaufschlagt wird. Eine Ver­ gleicherschaltung zeigt an, wenn Stromimpulse, also das Leck, zu stark werden.

Bei dieser Konstruktion ist die Kathode geerdet und es ist eine sehr aufwendige Vergleicherschaltung erforderlich.

Aus der EP 0 241 601 A1 ist die Zustandsprüfung von Elektroden durch Ersetzen des Meßkreises durch einen Impedanzmeßkreis bekannt.

Aus der US 4,468,608 ist die Zustandsprüfung von ionenselektiven Elektroden durch Einfügen eines Kondensators und Bestimmung des Abklingens eines Span­ nungsimpulses, an dem sich aus der jeweiligen Elektrode in dem Kondensator ergebenden RC-Netzwerk bekannt.

Aus der DE 29 42 238 A1 ist die Zustandsprüfung ionenselektiver Elektroden bekannt, durch Vergleich in unterschiedliche Richtungen erzeugter Ströme und Bestimmung der Gesamtänderung der Spannung am Elektrodensystem.

Aus der DE 34 18 034 A1 ist die Zustandsprüfung eines membranbedeckten po­ larographischen Sensors bekannt, bei dem die Potentialdifferenz zwischen der Referenz- und der Gegenelektrode gemessen wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem Sensor der gattungsgemäßen Art Membranundichtigkeiten auf einfache Weise zu bestim­ men.

Diese Aufgabe wird mil den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion kann bei Erdung der Anode mit einer einfachen Vergleicherschaltung ein Leckstrom bestimmt werden. Tritt am Elek­ trolytraum eine Undichtigkeit auf, so fließen die Stromimpulse nicht nur im Was­ serraum um den Sensor, sondern auch durch die Undichtigkeit hindurch im Elektrolytraum, z. B. gegen die Anode, und können im Elektrolytraum mit der Hilfselektrode und geeigneten Ver­ stärkern nachgewiesen werden. Die die Hilfselektrode überwachende Vergleicherschaltung kann die bei einem Leck auftretenden Impulsanteile an ihrer Form erkennen und ein Störsignal auslösen, das die Undichtigkeit des Elektrolytraumes anzeigt. Wenn der Elektrolytraum dagegen dicht ist, so zeigt die Vergleicherschaltung nichts an als Anzeichen dafür, daß der Sensor ordnungsgemäß arbeitet. Die Erfindung schafft also eine Möglichkeit, einen Sensor laufend daraufhin zu überwachen, ob er hinsichtlich von Elektrolytlecks erzeugter Fehlströme ordnungsgemäß arbeitet.

Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Hierbei kann der ohnehin für das von der Kathode aufgenommene Meßsignal vorgesehene Meßverstärker zur Verstärkung des Fehlerstrompulssignales mit heran­ gezogen werden. Aufgrund der Impulsform kann das Fehlstrom­ signal vom Meßsignal auf einfache Weise getrennt werden, wozu die Vergleicherschaltung vorgesehen ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt.

Ein Sensor 1 zur pO₂-Bestimmung in Wasser ist mit einem Kabel 2 mit einem Meßgerät 3 verbunden. Die ganze Anordnung kann mit nicht dargestellter Stromversorgung bzw. Stromver­ sorgungsanschlußkabeln versehen an einem nicht dargestell­ ten Tragseil in Wasser gehängt werden, beispielsweise zur Untersuchung des Sauerstoffgehaltes im Meer. Die Anordnung kann auch an einem nicht dargestellten Sondenträger gemein­ sam mit anderen Sonden montiert sein. Sie ist also voll­ ständig von Wasser umgeben.

Der Sensor 1 weist im schematischen Ausführungsbeispiel der Figur einen aus einem Isolatormaterial bestehenden Körper 4 auf, der im wesentlichen topfförmig ausgebildet ist und dessen eine Öffnung von einer für O₂-Diffusionszwecke ge­ eigneten Membran 5 überspannt ist. Am Rand des topfförmigen Körpers 4 ist die Membran beispielsweise mit dem darge­ stellten Klemmring 6 abgedichtet gehalten. Das Innere des Körpers 4 bildet einen mit geeignetem Elektrolyt gefüllten Elektrolytraum 7. In diesem ist eine großflächige Anode 8 angeordnet, die beispielsweise aus Silber besteht, sowie eine kleinflächig mit dem Elektrolyten in Verbindung ste­ hende Kathode 9.

Das Kabel 2 besteht, wie dargestellt, aus einem abdichten­ den Schlauch, das zwischen dem Sensor 1 und dem Meßgerät 3 verlegte Elektroleitungen gegen das umgebende Wasser schützt und isoliert. Im Kabel 2 verlaufen eine Anodenan­ schlußleitung 10 und eine Kathodenanschlußleitung 11.

Im Meßgerät, dessen elektrischer Aufbau in der Figur nur in seinen wesentlichen Baugruppen angedeutet ist, ist die Anodenanschlußleitung 10 geerdet. Die Kathodenanschlußlei­ tung 11 ist mit einer hochohmigen Spannungsquelle 12 verbunden, die die zum polarografischen Nachweis des Sauerstoffs im Elektrolytraum 7 geeignete polarografische Spannung erzeugt. Ferner ist die Kathodenanschlußleitung 11 mit einem niederohmigen Strommeßverstärker 13 verbunden, der den äußerst geringen auf der Kathode 9 fließenden Strom verstärkt und zur Anzeige auf einem Anzeigegerät 14 bringt, das in der Regel als geeignetes Datenaufzeichnungsgerät ausgebildet ist.

Die insoweit beschriebene, zum Stand der Technik gehörende Sensoranordnung mißt so lange genau - von anderen Fehler­ möglichkeiten abgesehen - wie der Elektrolytraum 7 ausrei­ chend gegen das umgebende Wasser abgedichtet ist. Kleinere Undichtigkeiten würden auch dann nicht stören, wenn der um­ gebende Wasserraum frei von elektrischen Stromflüssen ist.

Treten bei Undichtigkeiten des Elektrolytraumes aber Ströme im umgebenden Wasserraum auf, so ergeben diese durch die Elektrolytbrücke an einer Undichtigkeitsstelle einen Strom­ fluß in den Elektrolytraum hinein zur Kathode 8 hin, die zur Erzeugung eines stabilen Meßsignales in der Regel gegen das umgebende Wasser geerdet werden muß. In der Darstellung der Figur ist zu diesem Zweck das Gehäuse des Meßgerätes 3, das im umgebenden Wasser liegt, bei 15 geerdet. Bei auftre­ tender Undichtigkeit des Elektrolytraumes fließt also ein Strom zur Anode 8 hin sowie durch die gegenüber der Anode 8 äußerst niederohmig angeschlossene Kathode 9, was in dem zu messenden Kathodenstrom einen Fehlstrom ergibt.

Solche Undichtigkeiten des Elektrolytraumes können auftre­ ten durch fehlerhafte Abdichtung. Im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel ist eine Dichtung gegeben am Rand der Membran 5, die mit dem Klemmring 6 auf dem Körper 4 abgedichtet ge­ halten ist. Fehler in dieser Dichtung können eine Elektro­ lytverbindung nach draußen ergeben. Handelsübliche Sensoren weisen zumeist auch noch andere Dichtungen auf, die den Elektrolytraum 11 nach außen abdichten müssen und die Feh­ ler aufweisen können. Solche zu Undichtigkeiten führenden Fehler können schon bei der Montage auftreten oder nach längerem Gebrauch beispielsweise in Form von Rissen in der Membran 5.

Erfindungsgemäß ist eine Überwachungsmöglichkeit für solche Leckstellen gegeben.

Dazu ist außen auf dem Körper 4 in Kontakt mit dem umgeben­ den Wasser eine ringförmige Signalelektrode 16 vorgesehen, die beispielsweise aus Silber besteht. Diese ist über eine Elektrodenanschlußleitung 17 durch das Kabel 2 zum Meßgerät 3 angeschlossen. In diesem ist ein Impulsgenerator 18 vor­ gesehen, der Impulse erzeugt, welche über einen Verstärker 19 die Elektrodenanschlußleitung 17 beaufschlagen. Von der Signalelektrode 16 fließen daher Stromimpulse durchs Wasser zum Gehäuse des Meßgerätes 3, das mit der Erde des Verstär­ kers 19 verbunden ist.

Wenn der Elektrolytraum 7 des Sensors 1 nach außen voll­ ständig abgedichtet ist, so fließen diese Ströme nur außer­ halb des Elektrolytraumes 7. Ist der Elektrolytraum jedoch irgendwo undicht, so bildet sich eine leitfähige Elektro­ lytbrücke nach draußen, und die Stromimpulse fließen auch in den Elektrolytraum hinein und ergeben Impulsanteile im Stromsignal der Kathode 9. Diese werden im Strommeßverstär­ ker 13 mitverstärkt und von einer Leitung 20 abgegriffen und einer Vergleicherschaltung 21 zugeführt. Auf einer an­ deren Leitung 22 erhält die Vergleicherschaltung 21 die vom Impulsgenerator 18 erzeugten Impulse. Sie kann also das Ausgangssignal des Strommeßverstärkers 13 daraufhin überwa­ chen, ob in dem Meßsignal den vom Impulsgenerator 18 er­ zeugten Impulsen entsprechende Impulsanteile auftreten. Die Vergleicherschaltung 21 ist derart ausgebildet, daß sie bei Auftreten solcher Impulsanteile auf einer Ausgangsleitung 23 ein Störsignal abgibt, das beispielsweise die darge­ stellte Lampe 24 aufleuchten läßt als Anzeige dafür, daß eine Störung vorliegt. In der Regel wird die Ausgangslei­ tung 23 in geeigneter Weise einem das Meßsignal aufzeich­ nenden Aufzeichnungsgerät zugeführt, um die aufgezeichneten Meßsignale als gestört zu kennzeichnen.

Auf diese Weise kann der Sensor 1 laufend, beispielsweise automatisch, daraufhin überwacht werden, ob sein Ausgangs­ signal frei von Störungen durch Leckstellen des Elektrolyt­ raumes 7 ist.

Die Signalelektrode 16 kann, wie dargestellt, unmittelbar am Sensor 1 angeordnet sein. Sie kann auch getrennt von diesem in seiner Umgebung vorgesehen sein. Beispielsweise kann irgendein in der Nähe liegendes Konstruktionsteil als Signalelektrode verwendet werden, beispielsweise auch das Tragkabel.

Die Impulse des Impulsgenerators 18 können mit einer ge­ eigneten Impulsform versehen sein oder geeignet kodiert sein, um mit der Vergleicherschaltung 21 gut aus dem Aus­ gangssignal des Stromverstärkers 13 erkannt werden zu kön­ nen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei Undichtigkeit im Elektrolytraum auftretende Fehlstromim­ pulse über die Kathode 9 abgegriffen. Die Fehlstromimpulse können im Elektrolytraum aber auch an irgendeiner anderen geeigneten Elektrode nachgewiesen weden, beispielsweise an der Anode 8, die an einen entsprechenden Verstärker mit Impulserkennungseinrichtung anzuschließen ist. Es kann auch eine gesonderte Hilfselektrode vorgesehen sein unabhängig von Anode oder Kathode, die separat an einen Verstärker und an die Vergleicherschaltung 21 angeschlossen ist. Der dargestellte Aufbau, bei dem die Fehlstromimpulse über die Kathode 9 nachgewiesen werden, hat den Vorteil, daß der ohnehin zur Signalverstärkung vorgesehene Meßverstärker auch für die Fehlstromsignale mitverwendet wird.

Claims (2)

1. Sensor zur Gaspartialdruckbestimmung in Wasser, mit einem von einer Diffusionsmembran gegen umgebendes Wasser abgedichteten Elektrolytraum, der mit einer Kathode und einer gegen das Wasser geerdeten Anode in Verbindung steht, welche an einen Strommeßverstärker angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem umgebenden Wasser eine Signalelektrode (16) angeordnet ist, die gegenüber der Erde (15) mit Stromimpulsen beaufschlagt wird, wobei eine Vergleicherschaltung (21) vorgesehen ist, die das Stromsignal einer im Elektrolytraum vorgesehenen Hilfselektrode (9) auf den Stromimpulsen (18) entsprechende Impulsanteile überwacht und bei deren Auftreten ein Störsignal (23) abgibt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Hilfselektrode die Kathode (9) vorgesehen ist.