DE9100207U1

DE9100207U1 - Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder des Potentiales eines Fluids

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Publication number: DE9100207U1
Application number: DE9100207U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-01-09
Filing date: 1991-01-09
Publication date: 1991-03-28
Anticipated expiration: 2001-01-10

Description

Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids mit einer pH-Wert oder Potential-Meßelektrode und einer der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode nachgeschalteten Verstärkerschaltung mit einem nicht-invertierenden Verstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Üblicherweise bedient man sich zur Messung des pH-Wertes oder des Potentiales eines Fluids mittels Einstabmeßketten einer Sensoranordnung mit einer pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode, die räumlich getrennt von der Verstärkerschaltung, die den nicht-invertierenden Verstärker umfaßt, am Meßort angeordnet ist und mit der Verstärkerschaltung über ein spezielles Kabel mit hohem Isolationswiderstand verbunden ist. Die Elektrode wird in feuchter, oftmals agressiver Umgebung eingesetzt und ist häufig auch Spritzwasser ausgesetzt. Die Verstärkerschaltung ist üblicherweise in einem gemeinsamen Gehäuse mit einer nachgeschalteten Auswertungsschaltung angeordnet. Der innerhalb der Verstärkungsschaltung vorgesehene nicht-invertierende Verstärker ist üblicherweise als Operationsverstärker mit hochohmigen Feldeffekteingangstransistoren in nicht-invertierender Schaltungsanordnung implementiert. Gemäß DIN wird für die pH-Wert-Messung mittels Einstabmeßketten aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes ein Mindesteingangswiderstand des nicht-invertierenden Verstärkers von 5 &khgr; &Igr;&Ogr;¹¹ Ohm gefordert. Entsprechend hoch muß der Isolationswiderstand des verwendeten Kabels zwischen der verwendeten pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode und der Verstärkerschaltung sein. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz der Verstärkerschaltung bietet

das Kabel zwischen der Meßelektrode und der Verstärkerschaltung eine hohe Empfindlichkeit für elektromagnetische Störungen. Eine weitere Störquelle wird durch Kapazitätsänderungen des Kabels verursacht, die bei auftretenden Kabelverformungen bei einer Kabelbewegung auftreten. Diese Kapazitätsänderungen aufgrund von Kabelbewegungen führen aufgrund des hohen Impedanzniveaus der Elektrode und der Verstärkerschaltung zu Störspannungen. Weiterhin können durch die Bewegung des Kabels zwischen der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode und der Verstärkerschaltung triboelektrische und piezoelektrische Effekte auftreten, die zu Störungen der Messung führen können. Jedoch hat diese bekannte Anordnung den Vorteil, daß für einen Kabelanschluß vorgesehene pH-Wert oder Potential-Meßelektroden von hohem Innenwiderstand, hoher Meßgenauigkeit und langer Lebensdauer käuflich verfügbar sind. Derartige hochwertige pH-Wert oder Potential-Meßelektroden haben bei entsprechend schonender Handhabung, zu der beispielsweise eine Aufbewahrung der pH-Wert oder Potential-Meßelektroden in destilliertem Wasser nach Abschluß der Messung zählt, eine Lebensdauer von zwei bis fünf Jahren.

Für den Bereich niedriger Meßgenauigkeiten ist seit einiger Zeit eine weitere Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids erhältlich, die im wesentlichen aus einem als nicht-invertierenden Verstärker betriebenen Operationsverstärker des Typs ICL 7612 mit einem Eingangswiderstand von 10¹² Ohm besteht, welcher zusammen mit Knopfzellen zu seiner Spannungsversorgung mit der Elektrode vergossen ist. Ausgangsseitig arbeitet der nicht-invertierende Verstärker zwar auf einem relativ niedrigen Impedanzniveau, so daß keine nennenswerten Störungen durch elektromagnetische Felder auf das Kabel zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang der räumlich von diesem getrennten Auswerteschaltung einwirken können. Jedoch hat diese integriert ausgeführte Sensoranordnung eine Reihe von Nachteilen, die sie für den Gebrauch im Laborbereich untauglich macht. Die Lebensdauer der Gesamtanordnung wird durch

die Lebensdauer der Knopfzellen oder der Elektrode begrenzt, da die einzelnen Komponenten unlösbar miteinander verbunden sind. Während der Lebensdauer kann es aufgrund der Abnahme der Ausgangsspannungen der Knopfzellen zu Meßfehlern kommen. Da die Ausgangsspannungen der Knopfzellen nicht von außen erfaßt werden können, ist keine Aussage über die noch verbleibende Lebensdauer der Gesamtanordnung möglich. Diese integrierte Sensoranordnung arbeitet mit einer relativ niedrigqualitativen pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode, die eine vergleichsweise kurze Lebensdauer hat. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Eingangsimpedanz des verwendeten Operationsverstärkers wird die pH-Wert- oder Potential- oder Potential-Meßelektrode belastet, wodurch ihre erzielbare Lebensdauer weiter verkürzt wird. Nach Ablauf der Lebensdauer der gesamten Sensoranordung stellt diese aufgrund des Schwermetallgehaltes der Knopfzellen, die fest mit der Sensoranordnung vergossen sind, einen nur schwierig zu entsorgenden Sondermüll dar. Aufgrund dieser Nachteile beschränkt sich das Einsatzgebiet der soeben geschilderten Sensoranordnung auf solche Meßgebiete, bei denen lediglich eine geringe bis mittlere Genauigkeit gefordert ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids zu schaffen, welche bei hoher Meßgenauigkeit und Überprüfbarkeit ihrer Funktionsfähigkeit eine lange Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird duch eine Sensoranordnung gemäß Patentanspruch l gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine weitere Lebensdauersteigerung hochqualitativer pH-Wert-Meßelektroden durch eine Eingangsimpedanz des nicht-invertierenden Verstärkers von oberhalb von 5 &khgr; 10¹² Ohm erzielbar ist, wobei dieses hohe Eingangsimpedanzniveau bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung nicht zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, piezoelektri-

sehen Effekten, triboelektrischen Effekten und Kapazitätsänderungen führt, da die Verstärkerschaltung in einem Steckverbinderteil angeordnet ist, das direkt an eine ein weiteres Steckverbinderteil aufweisende pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode fluiddicht ankoppelbar ist. Die Erfindung löst sich von der im Stand der Technik verbreiteten Vorstellung, daß es bei Anordnung der Verstärkerschaltung an der Meßelektrode erforderlich sei, diese Teile miteinander zu vergießen, da man im Stand der Technik davon ausgegangen ist, daß nur durch Vergießen das benötigte hohe Impedanzniveau zwischen der an der Elektrode angeordneten Verstärkerschaltung einerseits und der Elektrode andererseits gewahrt werden kann. Im Gegensatz hierzu lehrt die Erfindung, auch bei dem geforderten Impedanzniveau von mehr als 5 &khgr; 10¹² Ohm trotz der feuchten Einsatzatmosphäre der erfindungsgemäßen Sensoranordnung die Verstärkerschaltung in einem Gehäuseteil des Steckverbinderteiles anzuordnen, welches fluiddicht mit dem Steckverbinderteil der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode verkoppelbar ist.

Eine Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Strahlungen wird dadurch erreicht, daß das erste Steckverbinderteil eine Metallkapselung für die Verstärkerschaltung aufweist.

Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung werden die benötigten Versorgungspotentiale der Verstärkerschaltung über zwei Versorgungsleitungen innerhalb ihres Anschlußkabels zu der nachgeschalteten Auswertungsschaltung zugeführt.

Eine besonders hohe Meßgenauigkeit wird bei dieser Art der Spannungsversorgung dadurch erreicht, daß die Verstärkerschaltung eine erste und zweite Spannungsstabilisierungsschaltung aufweist, die an die Versorgungsleitungen angeschlossen sind, wobei jeweils wenigstens zwei Kondensatoren an die Leitungen zwischen den Ausgängen der Spannungsstabilisierungsschaltungen und den Versorgungsspannungseingangen des nicht-invertierenden Verstärkers einerseits und Masse

andererseits geschaltet sind. Durch die Spannungsstabilisierungsschaltungen werden die über die Versorgungsleitungen zugeführten Versorgungspotentiale geglättet und stabilisiert, woraufhin die nachgeschalteten Kondensatoren eine breitbandige Tiefpaßfilterung bewirken, durch die eventuell verbleibende elektromagnetische Störungen von den Versorgungsspannungseingängen des nicht-invertierenden Verstärkers abgehalten werden.

Eine potentialfreie Messung wird dadurch ermöglicht, daß die Versorgungsleitungen auf der Seite der Auswertungsschaltung an einen Isolationsverstärker angeschlossen sind.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Verstärkerschaltung bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung; und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines ersten Steckverbinderteiles, in dem die Verstärkerschaltung angeordnet ist, sowie eines zweiten Steckverbinderteiles, welches am Ende der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode vorgesehen ist.

Die in Fig. 1 gezeigte und in ihrer Gesamtheit mit den Bezugszeichen 1 bezeichnete Verstärkerschaltung umfaßt einen nicht-invertierenden Verstärker V, der mit seinem nicht-invertierenden Eingangsanschluß über einen ersten Widerstand Rl an einen Elektrodeneingang E angeschlossen ist. Der Ausgangsanschluß A des nicht-invertierenden Verstärkers V steht, wie noch erläutert wird, über ein Kabel K mit einer (nicht gezeigten) Auswertungsschaltung in Verbindung, die der Verstärkerschaltung 1 nachgeschaltet ist. Ein dritter

Widerstand R3 liegt zwischen dem Ausgang A des Verstärkers V und dessen invertierenden Eingang, welcher seinerseits über einen zweiten Widerstand R2 mit Masse verbunden ist. Das Spannungsteilerverhältnis dieser Widerstände R2, R3 bestimmt den Verstärkungsgrad des Verstärkers.

Zwei Spannungsversorgungsleitungen Ll, L2, welche gleichfalls in dem Kabel K enthalten sind, sind auf der Seite der Auswertungsschaltung (nicht dargestellt) an einen Isolationsverstärker (gleichfalls nicht dargestellt) angeschlossen und stehen auf Seiten der Verstärkerschaltung 1 mit den Eingängen einer ersten und zweiten Spannungsstabilisierungsschaltung Sl, S2 in Verbindung. Die Ausgänge der Spannungsstabilisierungsschaltungen Sl, S2 sind über Leitungen L3, L4 mit einem ersten und zweiten Versorgungseingang des Verstärkers V verbunden. Erste, zweite und dritte Kondensatoren Cl, C2, C3 liegen in Parallelschaltung jeweils zwischen einer Leitung L3 und Masse, während vierte, fünfte und sechste Kondensatoren C4, C5, C6 in Parallelschaltung zwischen der anderen Leitung L4 und Masse geschaltet sind. Die Kapazitätswerte des ersten und vierten Kondensators betragen 100 Mikrofarad, diejenige des zweiten und fünften Kondensators C2, C5 je 100 Nanofarad und diejenige des dritten und sechsten Kondensators C3, C6 jeweils 1 Nanofarad, wodurch eine breitbandige Abblockung der Versorgungseingänge des Verstärkers gegenüber eventuellen Störungen erreicht wird, die auf die Spannungsversorgungsleitungen Ll, L2 einwirken könnten.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt die pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode 2 an ihrem dem Meßbereich abgewandten Ende einen Metallgewindeabschnitt 3, der von einem O-Ring 4 umschlossen ist. Der Metallgewindeabschnitt 3 weist eine Bohrung 5 auf, in die ein Teflonisolatorring 6 eingepaßt ist, welcher einen Stiftkontakt 7 trägt. Der Metallgewindeabschnitt 3 bildet zusammen mit dem Stiftkontakt 7 ein Steckverbinderteil 8 in Form eines BNC-Steckers.

Ein weiteres Steckverbinderteil, das in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet ist, umfaßt ein Kunststoffgehäuse 10 mit einem Innengewinde 11, welches mit dem Metallgewindeabschnitt 3 des anderen Steckverbinderteiles 8 zusammenpaßt. Eine zentrische Bohrung 12 ist mit einem weiteren Innengewinde 13 ausgestaltet, in das eine Sicherungsmutter 14 eingedreht ist, welche ein Buchsenkontaktteil 15 hält. Das Buchsenkontaktteil 15 umfaßt seinerseits einen Metallhülsenkörper 16, der an seinem der Steckverbindung zugewandten Ende einen Tefloneinsatzring 17 als Isolatorhalterung für eine Kontaktbuchse 18 aufweist. An seinem entgegengesetzten Ende liegt der Metallhülsenkörper 16 an eine Gummitülle 19 an, welche sich durch einen Dichtring 20 und eine Durchgangsbohrung 21 in dem Kunststoffgehäuse 10 bis in eine Metallkapselung 22 erstreckt, die von dem Kunststoffgehäuse 10 umschlossen ist. Im Inneren der Metallkapselung ist eine Platine 23 angeordnet, welche die Verstärkerschaltung 1 gemäß Fig. 1 trägt. Ein Massekontakt der Platine 23 ist an den Metallhülsenkörper 16 angeschlossen, während ein Elektrodeneingang E auf der Platine 23 mit der Kontaktbuchse 18 in Verbindung steht.

An dem der Steckverbinderseite abgewandten Ende des Steckverbinderteiles 9 weist dies eine Durchtrittsöffnung 24 auf, durch welche sich eine weitere Gummitülle 25 erstreckt, die das Kabel K umfaßt. Wie bereits erwähnt, umfaßt das Kabel K die beiden Spannungsversorgungsleitungen Ll, L2 sowie zwei Adern 26, 27, welche an den Ausgangsanschluß A beziehungsweise an den Masseanschluß des nicht-invertierenden Verstärkers V angeschlossen sind.

Die beiden Spannungsversorgungsleitungen Ll, L2 sind zum Zwecke der Potentialtrennung an einen (nicht dargestellten) Isolationsverstärker angeschlossen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der nicht-invertierende Verstärker V ein Operationsverstärker des Types
AD 549 der Firma Analog Devices mit einer Eingangsimpedanz

von &Igr;&Ogr;¹⁵ Ohm.

Als Isolationsverstärker kommt beispielsweise der Typ AD 210 der Firma Analog Devices in Betracht.

Bei der Elektrode kann es sich um eine pH-Wert-Meßelektrode oder um eine Potential-Meßelektrode handeln, die beispielsweise zur Messung der Silberionenkonzentration in Essigsäure dient.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es möglich, nach Ablauf der Elektrodenlebensdauer die Elektrode 2 durch eine neue zu ersetzen, während der Verstärker erhalten bleibt. Aufgrund der so erzielten hohen Lebensdauer und langen Amortisationszeit des Verstärkers ist es möglich, diesen mit hochwertigen Bauteilen zu realisieren.

Bei Verwendung eines genormten Steckverbinders an dem dem Verstärker V zugeordneten Steckverbinderteil 9 ist es möglich, verschiedene Elektrodentypen an denselben Verstärker anzuschließen.

Die Gesamtabmessungen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung sind nicht größer als diejenigen einer Sensoranordnung nach dem Stand der Technik, bei der die Verstärkerschaltung von der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode beabstandet am Ort der Auswertungsschaltung angeordnet ist.

Claims

Schutzansprüche

1. Sensoranordnung für die Bestimmung des pH-Wertes oder Potentiales eines Fluids,

mit einer pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode (2) und einem der pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode (2) nachgeschalteten Verstärkerschaltung (1) mit einem nicht-invertierenden Verstärker (V),

dadurch gekennzeichnet,

daß die Verstärkerschaltung (1) in einem Gehäuseteil (10) eines ersten Steckverbinderteiles (9) angeordnet ist,

daß die pH-Wert- oder Potential-Meßelektrode (2) ein zweites Steckverbinderteil (8) aufweist, das fluiddicht mit dem ersten Steckverbinderteil (9) verbindbar ist, und

daß der nicht-invertierende Verstärker (V) eine Eingangsimpedanz aufweist, die oberhalb von 5 &khgr; &Igr;&Ogr;¹² Ohm liegt.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Steckverbinderteil (9) eine Metallkapselung (22) für die Verstärkerschaltung (1) aufweist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verstärkerschaltung (1) über zwei Versorgungsleitungen (Ll, L2) innerhalb ihres Anschlußkabels (K) zu einer nachgeschalteten Auswertungsschaltung ein erstes und ein zweites Versorgungspotential zugeführt werden.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verstärkerschaltung (1) erste und zweite Spannungsstabilisierungsschaltungen (Sl, S2) aufweist, die an die Versorgungsleitungen (Ll, L2) angeschlossen sind, und

daß jeweils wenigstes zwei Kondensatoren (Cl, C2, C3; C4, C5, C6) an die Leitungen (L3, L4) zwischen den Ausgängen der Spannungsstabilisierungsschaltungen (Sl, S2) und den Versorgungseingängen des nicht-invertierenden Verstärkers (V) einerseits und Masse andererseits geschaltet sind.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Versorgungsleitungen (Ll, L2) und der Ausgang der Verstärkerschaltung auf der Seite der Auswertungsschaltung an einen Isolationsverstärker angeschlossen sind.

6. Sensorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Steckverbinderteile (8,9) als BNC-Steckverbinder ausgeführt sind.