DE4105211C2 - Gaspartialdrucksensor mit Membran - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Derartige Sensoren werden insbesondere zur pO₂-Bestimmung in Wasser eingesetzt. Ferner können mit Sensoren dieser Art andere Gase bestimmt werden, wie beispielsweise NH₃, CO₂ oder H₂S. Wichtig für störungsfreien Betrieb ist eine gute Abdichtung des Elektrolytraumes, insbesondere am Rand der Membran. Ferner ist eine genaue Einhaltung des Spannungszustandes der Membran er­ forderlich, damit diese der Meßfläche mit konstanter Spannung anliegt, damit also die Geometrie der Elektrolytschicht zwischen Meßfläche und Membran konstant bleibt.

Ein Sensor der eingangs genannten Art ist aus der DE 39 22 148 A1 bekannt. Bei dieser Konstruktion ist die Membran jenseits des Randes der Öffnung über eine Kante bis auf eine zylindrische Außenfläche des Sensors gespannt und dort mit einem Spannring unter radialer Vorspannung gehalten. Die Membran läßt sich leicht auswechseln, so daß der Sensor kostengünstig wieder aufbereitet werden kann.

Diese Konstruktion hat aber den Nachteil, daß die Membran zwischen dem Rand der Öffnung, über den sie definiert anliegend gespannt ist, und dem Abdichtungs- und Haltebereich auf der Zylinderfläche, der durch den Dichtring definiert ist, aus der Öffnungsfläche in die Zylinderfläche umgebogen wird, wodurch sich zwischen dem Rand und dem Dichtring automatisch Falten ergeben, in denen unvermeidlich bei der Anbringung der Membran auch Luftblasen eingeschlossen werden.

Sonden der eingangs genannten Art werden im Wasser eingesetzt und sind dabei unterschiedlichen Umgebungsdrücken ausgesetzt. Da der Elektrolyt im Elektrolytraum inkompressibel ist, ergeben sich an sich keine Verschiebungen der Membran. Diese treten aber dann auf, wenn unter den Membranfalten auf der zylindrischen Außen­ fläche des Sensors Luftblasen sitzen. Da Luft kompressibel ist, er­ geben sich Zugbewegungen in der Membran. Diese führen zu einer Veränderung der Membranspannung, so daß sich die Anlagever­ hältnisse der Membran über der Kathode ändern, wodurch sich die Meßparameter der Sonde ändern. Außerdem führt bei häufigem Druckwechsel die dauernde Hin- und Herbewegung der Membran zu einem Pumpeffekt, der Elektrolyt unter dem Dichtring hinweg nach draußen oder Umgebungswasser nach innen in den Elektrolyt­ raum pumpen kann. Auch dies führt zu Verfälschungen des Meß­ ergebnisses. Elektrolytbrücken unter der Dichtung hindurch führen zu Fremdströmen, die die Meßwerte verfälschen.

Durch Randverklebung der Membran ließen sich diese Probleme zwar lösen, die Membran wäre dann aber nicht mehr so kostengünstig auswechselbar wie bei der gattungsgemäßen Konstruk­ tionsweise.

Weiterhin ist aus der DE 28 45 751 B2 ein Sensor bekannt, bei dem eine ebene plattenförmige Membran aus porösem Material von einem Flansch senkrecht zur Öffnungsfläche eines mit Ionenaustau­ scherflüssigkeit gefüllten Raumes gegen einen Dichtring und über diesen gegen eine mit der Öffnungsfläche fluchtende Stirnfläche ab­ dichtend gehalten ist. Die Membran liegt bei dieser Konstruktion nur im Bereich des Dichtringes an und nicht, wie bei der gat­ tungsgemäßen Konstruktion, zusätzlich noch im Bereich des Randes der Öffnung, so daß Probleme mit Luftblasen im Zwischenbereich hier nicht auftreten können. Dadurch bedingt, läßt sich bei dieser Konstruktion die Membran nicht unter Flächenspannung spannen, was hier allerdings auch nicht erforderlich ist, da diese Konstruk­ tion keine Meßfläche aufweist, der die Membran unter Spannung anliegen muß.

Ferner ist aus der DE 28 05 088 C2 ein Sensor bekannt, bei dem der Elektrolytraum nicht von einer Membran, sondern von einem als dicker Körper ausgebildeten ionenselektiven Organ verschlossen ist. Eine Spannung dieses Körpers ist weder vorgesehen noch möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Flä­ chenspannung der Membran unabhängig vom Außendruck gewähr­ leistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß liegt die Dichtfläche mit der Öffnungsfläche, über die die Membran gespannt ist, im wesentlichen in einer Ebene. Die Membran reicht also im wesentlichen frei von Falten bis zur Dichtungsstelle am Dichtring. Luftein­ schlüsse innerhalb des Dichtringes können daher ausge­ schlossen werden. Die Membran bleibt unabhängig von Druck­ schwankungen stabil, und es finden keine Elektrolyt­ pumpvorgänge im Bereich der Dichtung statt.

Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Ein vorspringender Öffnungsrand ergibt eine genaue Defini­ tion des Spannrandes der Dichtung und ist daher vorzuzie­ hen. Außerhalb des vorspringenden Randes ergibt sich gegen­ über der Dichtfläche aber eine Hohlrinne, unter der bei ge­ spannter Dichtung Blasen liegen könnten. Da der Dichtring im gepreßten Zustand den gesamten Dichtungsbereich außer­ halb des Randes ausfüllt, werden Blasen und insbesondere Luftblasen unter der Membran vermieden, so daß diese wie­ derum druckstabil wird.

Vorteilhaft ist dabei der Dichtring plastisch verformbar ausgebildet, was seine Fließeigenschaften zum Füllen des Dichtbereiches verbessert.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Sensor nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Membrandichtung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine Membrandichtung nach einer zweiten Ausfüh­ rungsform der Erfindung,

Fig. 4 die unverpreßte Membran mit Dichtring gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Membran der Fig. 4 in an­ derem Maßstab.

Fig. 1 zeigt einen gattungsgemäßen Sensor bekannter Art zur pO₂-Bestimmung in Wasser, mit einem stabförmigen dicken Isolator 1, der beispielsweise aus Glas besteht und in sei­ ner Achse eine dünne drahtförmige Kathode 2 aufweist, die stirnseitig in der Mitte einer kugelförmig geschliffenen rauhen Meßfläche 3 endet. Der Isolator ist stirnseitig auf einem Innenkörper 4 befestigt, welcher einen zentralen Ka­ nal 5 aufweist, durch den die Kathodenanschlußleitung 6 isoliert nach außen geführt ist.

Mit einem Gewinde 7 ist ein Gehäuse 8 unter Einspannen eines elastischen O-Ringes 12 auf den Innenkörper 4 ge­ schraubt. Der Gehäuse umgibt oberhalb des O-Ringes 12 den Isolator 1 im Abstand. Über die vordere Öffnung des Gehäu­ ses 8 ist eine für Gaspartialdrucksensoren geeignete Mem­ bran 9 gespannt und ist auf der als Dichtfläche dienenden zylindrischen Außenfläche des Gehäuses mit einem elasti­ schen Spannring 14 abgedichtet gehalten. Dabei liegt die Membran 9 im Umgebungsbereich der Kathode 2 der kugelförmi­ gen Meßfläche 3 flächig an.

Der Raum zwischen Membran 9, Isolator 1 und Gehäuse 8 ist als Elektrolytraum 11 mit einem für die vorliegenden Zwecke geeigneten Elektrolytmaterial gefüllt. Er ist nach außen abgedichtet durch den O-Ring 12 und den die Membran abge­ dichtet haltenden Spannring 14.

Wie in Fig. 1 dargestellt, lädt sich bei dieser Konstruk­ tion die Membran über die Öffnung des Elektrolytraumes glatt spannen. Sie liegt auch noch der etwas verrundet dar­ gestellten ringförmigen Stirnfläche 15 des Gehäuses 8 glatt an. Nach dem Umbiegen nach unten auf die zylindrische Außenfläche unter den Spannring 14 ergeben sich aber notwendigerweise Falten in der Membran, wie sie auf der rechten Seite mit einer Falte 13 dargestellt sind.

Unter diesen Falten befindet sich unvermeidlich auch Luft. Wird der Sensor unterschiedlichen Außendrücken ausgesetzt, so wird die Luft unter der Falte 13 komprimiert. Dies führt zu Zug- und Gleitbewegungen der Membran 9. Dadurch verän­ dert sich die Anlage auf der Meßfläche 3, was zu veränder­ ten Meßparametern und somit zu Meßwertverfälschungen führt.

Bei laufenden Druckschwankungen, wenn eine Sonde beispiels­ weise mehrfach bis in eine bestimmte Wassertiefe abgelassen und wieder an die Wasseroberfläche hochgeholt wird, ergeben sich Hin- und Herverschie­ bungen der Membran, so daß unter der Membran Elektrolyt hin- und hergepumpt wird. Dabei kann auch Elektrolyt, Luft oder Wasser unter dem Spannring 14 hindurch transportiert werden, was wiederum zu Veränderun­ gen der Meßeigenschaften führt und eine Elektrolytbrücke unter dem Spannring 14 hindurch ergeben kann, durch welche Fremdströme fliegen können, die wiederum die Meßwerte ver­ ändern.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die im Grundaufbau der Konstruktion der Fig. 1 entspricht.

Über den Elektrolytraum 11 innerhalb des Gehäuses 8 ist wiederum die Membran 9 gespannt. Ein Dichtring 10 liegt der Stirnfläche 15 an. Die Preßkraft wird von einem Innen­ flansch 16 eines Schraubringes 17 aufgebracht, der mit einem Gewinde bis zu einem Anschlag 18 auf die mit entspre­ chendem Gewinde 19 versehene zylindrische Außenfläche des Gehäuses 8 geschraubt ist.

Bei dieser Konstruktion liegt die Membran bis hin zum Dichtring 10 im wesentlichen in einer Ebene, liegt also der Stirnfläche 15 des Gehäuses 8 völlig faltenfrei an. Stören­ de Lufteinschlüsse unter der Membran im Bereich radial innerhalb des Dichtringes 10 sind also ausgeschlossen. Es können sich keine Kompressionseffekte und somit Membranbe­ wegungen ergeben.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform, die im wesentli­ chen der der Fig. 2 entspricht. Auf das Gehäuse 8 ist wie­ derum ein Schraubring 17 mit Innenflansch 16 aufgeschraubt. Die die Dichtfläche bildende Stirnfläche 15′ des Gehäuses 8 ist hier jedoch im wesentlichen eben ausgebildet und weist einen vorspringenden Rand 20 der Öffnung auf. Dies hat den Vorteil, daß die Membran 9 über einen genau definierten Rand, nämlich den vorspringenden Rand 20, gespannt ist.

Radial außerhalb des vorspringenden Randes 20 im Übergang zur ebenen Stirnfläche 15′ ergibt sich aber eine Hohlrille 21, in der unter der Membran 9 Gasblasen eingesperrt werden könnten. Um dies zu vermeiden, ist der Dichtring 22, 23 volumenverformbar, vorzugsweise plastisch verformbar ausge­ bildet derart, daß er unter der Preßkraft des Innenflan­ sches 16 gegenüber der Stirnfläche 15′ den Dichtungsbereich vollständig ausfüllt, also den Dichtungsbereich unterhalb des Innenflansches 16, oberhalb der Stirnfläche 15′ und außerhalb des vorspringenden Randes 20. Die Dichtung wird dabei derart verformt, daß sie in alle Ecken flieht und den ganzen Dichtungsbereich vollständig, und zwar insbesondere luftfrei ausfüllt.

Fig. 4 zeigt die unverformte Dichtung, die, wie die Fig. 4 zeigt, fertig vorbereitet am Rand der Membran angeordnet sein kann. Die Membran kann also vorgefertigt angeliefert werden, so, wie sie in Fig. 5 in Draufsicht in im wesentli­ chen natürlicher Größe dargestellt ist.

Dabei besteht der Dichtring aus einem Teil 22 oberhalb der Membran 9 und aus einem Teil 23 unterhalb der Membran 9. Diese beiden Teile der Dichtung können unterschiedliche Verformungseigenschaften, Gleiteigenschaften und derglei­ chen aufweisen, wodurch die Spanneigenschaften optimiert werden können.

Claims (3)

1. Sensor zur Gaspartialdruckbestimmung in Wasser, mit einem Elektrolytraum, der eine von einem Rand umschlossene Öff­ nung aufweist und in dem ein Isolator mit einer in einer auf­ gerauhten konvexen Meßfläche punktförmig freiliegenden Kathode angeordnet ist, wobei die Meßfläche im Bereich der freiliegenden Kathode den Rand der Öffnung überragt, und mit einer Membran, die über die Meßfläche und den Rand unter Flächenspannung gespannt ist und die außerhalb des Randes mit einem Dichtring gegen eine Dichtfläche abge­ dichtet in Spannlage gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche als im wesentlichen mit der durch den Rand definierten Öffnungsfläche fluchtende Stirnfläche (15, 15′) ausgebildet ist und daß der Dichtring (10; 22, 23) von einem Flansch (16) im wesentlichen senkrecht zur Öffnungs­ fläche angepaßt ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (20) der Öffnung gegenüber der Dichtfläche (15′) vorspringt und der Dichtring (22, 23) unter Preßkraft derart formveränderlich ausgebildet ist, daß im Preßzustand der außerhalb des Randes (20) liegende Raum zwischen der Dichtfläche (15′) und dem Flansch (16) vom Dichtring (22, 23) ausgefüllt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (22, 23) unter der Preßkraft plastisch verformbar ausgebildet ist.