JPH10510917A - 多目的イオン選択性センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 提案された多目的イオン選択性センサは、過酷な環境下でいかなる空間位置でも使用できるように設計され、ハウジング管（１）を組み入れており、そのハウジング管（１）内には、いくつもの部材が固定されかつ測定伝送器に電気的に接続されている。またこれら部材としては、被分析液と接触する固体膜を具備する固体指示システム（33）を利用する取外し可能な指示電極（３）、ならびに電位生成セミエレメント（21）、接続部材（22）、および電解質（29）中に空間構造体（30）を形成する固体分散物質で満たされた電解質（29）を収納する中空本体（20）を有する取外し可能な参照電極（４）があり、該構造体は、参照電極（４）の本体（20）の内面（31）、電位生成セミエレメント（21）および接続部材（22）としっかり結合している。

Description

【発明の詳細な説明】 多目的イオン選択性センサ 利用分野 本発明は、工程流体、天然水および下水のイオン組成およびレドックス電位を 監視する装置、具体的に述べれば多目的イオン選択性センサに関する。 発明の背景 各種の工程流体の水素イオンを監視するよう設計された多くのイオン選択性セ ンサは広く知られている。 このようなセンサの例としては、特に、スイス−B902 ウンドルフの Ingold Messtechnik AGの研究論文集“Practice and Theory of pH Measurement”15頁 、1989年に P.Meier，A.LohrumおよびJ.Gareess(編集者)が記載しているイオン 選択性センサがある。この複合センサ(combined sensor)は、ガラス製指示電極 および液体電解質を満たした参照電極を組み込んだガラス管本体で構成されてい る。 もう一つの公知のイオン選択性センサ（スイス−8902 ウンドルフの Ingold Messtechnik AGが1990年に発行したIngold社のパンフレット“pH／Redox Measur ement in Biotechnology，pH-Electrodes，Industrial Probes，Sensors”、10 頁）は類似の構造であるがその参照電極にはゲルタイプの電解質が満たされてい る。 上記の両センサは、モノリシックガラスの構造を有しているのでその参照電極 は再充填する必要がある。これらのセンサは、予め規定された空間位置にしか適 しておらず、しかも過酷な条件（高温と ０℃より低い温度、高圧、無重力状態などの条件）では作動できない。 レドックス電位を監視するのを目的とするセンサ類は現在広く利用されている 。例えば、ゲル電解質を満たした参照電極および白金もしくは金の検出素子を有 する指示電極を備えたセンサが、スイス−8904 ウルドルフの Ingold Messtech nik AG社が1990年に発行した標題が“pH／Redox Measurement in Chemical Proc esses，pH-Electrodes，Industrial Probes，Sensors”、のパンフレット16頁に 記載されている。 上記のイオン選択性センサと同様に、このレドックス電位監視用センサは、一 体のモノリシックガラスの構造であり、予め規定された空間位置でしか使用でき ずしかも過酷な条件下での使用を目的としたものではない。 他の公知のイオン選択性センサ（米国マサチューセッツ州 02035-2099 フォ ックスボロの Foxboro Companyのブックレット“pH／ORP／ISE Sensors B71 pH Series”、1993年、１頁）はフッ素イオンと水素イオンのイオン活量を監視する よう設計されているのでレドックス電位を監視する用途に適している。 このセンサは、プラスチック製ハウジングを取り入れ、その中に、取り外し可 能な指示電極が参照電極に加えてしっかりと固定され、その参照電極はその内側 で自由に移動できる空間構造体を形成する、固体分散物質を含有する液体または ゲルの電解質で満たされた中空本体を備えている。液体電解質を満たした指示電 極が、固体イオン選択性センサとともに、イオン活量を監視するためハウジング 管中に取り付けられ、そして白金検出素子を有する指示電極がレドックス電位を 監視するためハウジング管内に挿入されている。 先に述べたセンサ類に比べて、上記の装置は、用途に対して非常 に順応性があるので広い用途がある。 しかし上記欠点はすべて、後者のセンサに当てはまる。その諸欠点は、参照電 極中に存在する液体またはゲルタイプの電解質および指示電極内の液体電解質が 原因であると考えられる。上記のことから、参照電極の電解質はしばしば再充填 する必要があり、センサの作動について空間的な制限があり、かつ過酷な環境で の使用が制限される。 特定の実施態様の詳細な説明 本発明は、電極内での電解質の移動および被分析液中への電解質の漏洩を排除 して、いかなる空間位置と危険な作動環境でもおよびいかなるイオン組成とレド ックス電位下でも機能する、一態様の多目的イオン選択性センサを設計すること を中心として行ったものである。 この難問題は、取外し可能に固定されかつ測定伝送器に電気的に接続されそし て被分析液中に浸漬される検出部材を有する指示システムを備えた指示電極、な らびに電解質中に空間構造体を形成する固体分散物質で満たされた電解質、電位 生成セミエレメントおよび被分析液に接触する接続部材が入っている中空本体を 備えた参照電極が入っているハウジング管を組み入れた多目的イオン選択性セン サで克服されたのである。提案された配置によれば、指示システムとその検出プ ローブは固態の構造を有し、参照電極は内面を有し、その空間構造体は電極の内 面と接続部材にしっかりと結合されている。 このように、提案されたイオン選択性センサは、重力にほとんど影響されずか ついかなる空間位置でも正常に作動できる電極を採用している。この設計によっ て、高温（約 200℃）高圧（約５MPa）、 無重力状態および約−60℃という低温でも電極は損傷することがないので極限条 件でも十分な作動が保証される。さらに、この設計によって、参照電極からの電 解質の漏洩がなくなるので本発明のセンサの利用可能な有効寿命が著しく延長さ れる。このセンサの構造によって、センサの空間位置や作動環境に関係なしに、 被分析液のレドックス電位を測定するのに利用することが可能になる。 一室および二室の構造を、参照電極に利用できる。これら両実施態様の場合、 参照電極の各室における電解質による空間構造体は、前記室の内壁、電位生成部 材、各接続部材および内室の外壁にしっかりと結合されている。 一室の参照電極の実施態様の場合、空間構造体の前記しっかりとした結合は、 参照電極電解質の固体分散物質が、その濃度を５〜30重量％とするのに十分な量 であり、前記物質がアクリルアミドとNN′−メチレンビスアクリルアミドのモノ マーを、NN′−メチレンビスアクリルアミドの１重量部当り５〜35重量部のアク リルアミドの比率で含有しかつモノマー重合開始剤を含有することによって達成 され、二室の参照電極の実施態様の場合、第二の固体分散物質が内部電解質中に 、濃度を 0.1〜５重量％とするのに適切な量でかつ参照電極本体に入っている電 解質の固体分散物質と同じ組成で存在している。 このようにして、各種構造の固体電解質の指示電極をセンサハウジング管内に 取り付けることができ、前記電極は個々の被分析液に対して最も適切なものでな ければならずそして最も重要なのは、その指示システムと検出部材を固態の配置 形態にすることができることである。 例えば、指示電極は、中空ガラス本体で形成することができ、その中空ガラス 本体の一方の末端部に感受性ガラス製の封入体で構成 された指示システムを組み入れ、その封入体の内面に固体電解質が配置されその 固体電解質が電線によって測定伝送器に接続されている。前記感受性ガラスはイ オン選択性グレードのものまたはレドックスプロセスを起こす電子移動に感受性 のものである。 指示電極は、分析される個々の液体用のものを取り付けることが可能で、被分 析液体の特定のイオンに対して感受性であるか、または任意に、レドックス電位 を監視するのに適切であればよい。 例えば、指示電極は、不活性材料製の本体を備えてなり、その本体の一方の末 端にその指示システムを具備し、前記システムは内面上に固体電解質を有するイ オン選択性膜を具備し、その膜は電線で測定伝送器に接続されるか；あるいは指 示電極は、不活性材料製の本体で形成され、そしてその指示システムが該本体の 一方の末端部に設置され、前記システムが貴金属の感受性膜を備えその膜が電線 によって測定伝送器に接続されていてもよい。 密封センサハウジング管の構造と信頼性の改善ならびに電極取替えのためのセ ンサの保守、組立ておよび分解の容易さは、諸電極をハウジング管内に取外し可 能に固定できるようにする第一センサ密封部材によって達成される。そしてその 第一密封部材は、各電極の側壁の外面に配置された弾性Ｏ−リング製の少なくと も一つの密封部材を収納することができ；センサハウジング管は中空にしてその 中に取出し可能な不活性材料製フィラーを入れ、第二密封部材によってハウジン グ内に固定することができ；後者の場合、該フィラー中に、ハウジング管の縦軸 線にほゞ平行な通孔を作製し、これら通孔に諸電極をしっかりと固定し、各フィ ラーは、センサハウジング管の内面に嵌合する外面を有するシリンダ部材で構成 され、一方、少なくとも一つの密封部材を有する第二密封部材が、フィラーの側 壁の外面に固定して配置される弾性Ｏ−リングで構成されている。 小容積の被分析液を監視する実験室での測定は、センサハウジング管が任意に 、互いに絶縁された第一と第二の同軸方向に固定された取外し可能な部材を備え てなり、参照電極がハウジング管の第一部分内にしっかりと配置され、そして少 なくとも一つの指示電極がハウジング管の第二部分内にしっかりと固定されてい る一実施態様によって容易に行うことができる。 本発明のセンサの保守は、一方の末端が取外し可能な接触ソケットによって関 連電極の電線に接続されそして他方の末端が測定伝送器のケーブルコネクタに接 続されている電流端子電線によって、電極が測定伝送器に接続されていることに よって容易に行うことができる。 測定の正確さを改善するため、センサには測定伝送器に電気的に接続された R TDを取り付けてもよく、その RTDは、センサの外側で電極領域の近くにまたはセ ンサの内側に配置することができる。 便宜上および操作を簡単にするため、センサハウジング管に、センサを被分析 液領域中に固定するためのホルダーを取り付けてもよい。この場合、センサハウ ジングのホルダー取付け部分に特定の溝を作製しなければならず、また前記溝は 弾性Ｏ−リングを備えていなければならずそして該ホルダーはねじ付き接続部に よってハウジングと接続されかつ上記弾性部材によって密封されていなければな らない。その上センサには、センサハウジングとホルダー間を密封する少なくと も一つの中間部材を取り付けてもよい。 したがって、本発明の構造によれば、いかなる空間位置や極限条件でも作動可 能な同じ装置によって、水素イオンを含む各種化学元素のイオン活量やレドック ス電位を監視する多目的センサを製造することができる。また前記装置は参照電 極に電解質を再充填することを必要としないのでセンサの使用可能な有効寿命を 著しく延長す ることができそして必要な場合、センサハウジング管に取り付けられた電極を迅 速かつ容易に取り替えることができる。 図面の簡単な説明 本発明の原理を一層よく理解するため、個々の用途の実施例を、添付図面を参 照して以下に説明する。 図１は本発明にしたがって製造された多目的イオン選択性センサの縦断面図で ある。 図２は本発明にしたがって製造された参照電極の縦断面図である。 図３は本発明にしたがって製造された多目的イオン選択性センサの他の実施態 様の一部切欠き縦断面図である。 図４は図３のIV−IV線断面図である。 図５は図３のＶ−Ｖ線断面図である。 図６は本発明にしたがって製造した多目的イオン選択性センサの他の実施態様 の縦断面図である。 発明の最良の実施態様 本発明にしたがって製造された多機能イオン選択性センサは、二つの通孔（２ ）を有する金属製シリンダを備えてなるハウジング管（図１）を組み入れており 、その通孔は、前記シリンダの縦軸線にほゞ平行であり、指示電極（３）と参照 電極（４）を収納している。上記ハウジング管には、指示電極を配置するため１ 個、２個および３個以上の通孔を任意に作ってもよい。指示電極の数は、被分析 液体の組成、すなわち提案されたセンサによって同時に監視できる、活量を有す る各種イオンのアベイラビリティーによって決まる。 電極（３）と（４）は、断面積を関連する通孔（２）の断面積よ り小さくして、必要なとき、ハウジング管（１）から迅速に取り出すことができ るようにしてある。これら電極（３，４）は、例えばゴムリングのような弾性Ｏ −リング（５）製で、これら電極（３，４）の外側壁面（６，６′）上に配置さ れた密封部材によってハウジング（１）内に密封されている。各電極は、センサ ハウジング管（１）内にしっかりと固定され（プレスされ）ているカラーを備え たレストリクター（７）によって、縦方向に移動しないようにハウジング管（１ ）内に固定されている。 各電極（３，４）は、ワイヤ（８，８′）によって測定伝送器（図示せず）に 電気的に接続されている。この電気的接続部は、一方の末端が取外し可能な接触 ソケット（10，10′）によって関連電極（３，４）の電線（８，８′）に接続さ れそしてもう一つの末端が測定伝送器のケーブルコネクタのソケット（11）に接 続されている電流端子線（９，９′）を備えている。 センサは、それを被分析液体の領域に配置する中空ホルダー（12）を備えてい る。管状中間部材（13）が、ハウジング（１）を延長するためハウジング管（１ ）とホルダー（12）の間に取り付けられ、そして前記部材（13）はハウジング管 （１）とホルダー（12）にしっかりと固定され、またホルダー（12）は取付けナ ット（14）を具備している。環状溝（15）がハウジング管（１）と中間部材（13 ）の外面に形成され、これらの溝は弾性Ｏ−リング（16）とねじ付コネクタ（17 ）を備えている。被分析液体用プロセス容器の大きさとセンサ取付け位置（図示 せず）によって、センサは、長さが異なる中間部材（13）を二つ、三つまたは四 つ以上任意に備えていてもよくまたはこのような部材を全く備えていなくてもよ い。このように、センサハウジング管（１）、ホルダー（12）および中間部材（ 13）は、外部条件のいかんにかかわらず、内部に被分析液体が入ら ないようになっている、被包された組立て式の組立て体を構成している。 センサは、被分析液体の温度を測定するのに用いるRTD(18)とともにパッケー ジされ、RTDは、前記の被包された組立て式組立て体の内側に配置され、センサ ハウジング管（１）の内面に接触しかつ導体（17）によって測定伝送器に接続さ れている。RTD(18)は、任意に、電極（３，４）領域に近接してセンサの外面に 取り付けることができる（図示せず）。 上記のように、これら電極（３，４）は、ハウジング管（１）内に引込み可能 に取り付けられ、必要な場合、迅速に取り替えることができる。 図１は、電線（８）で接続されたAg／AgCl電位生成セミエレメント（21）を有 する中空ガラス本体（20）で構成された参照電極（４）を示し、そして接続部材 （22）は被分析液体と接触させるために利用される。この配置形態では、接続部 材（22）は、ハウジング（１）から突出する参照電極（４）の末端部（23）に形 成された通孔で構成され、前記末端部には多孔質のセラミック膜（24）が組み込 まれている。その外の可能な接続部材の配置形態では、その膜は多孔質のガラス コードまたは石綿コード製でもよい。 ゴムプラグ（26）とキャップ（27）は、電気導体（８）を固定するため、参照 電極（４）の突出末端（23）に対して反対側の末端（25）の近傍の参照電極（４ ）の本体（20）にしっかりと取り付けられており、参照電極（４）の本体（20） の空間（28）を隔離している。前記空間（28）には電解質（29）が満たされてい るが、これはその中に空間構造体（30）を形成する固体分散物質（solid disper sed material）を含有している。この構造体は、参照電極（４）の本体（20）の 内面（31）、電位生成セミエレメント（21）および接 続部材（22）としっかりと結合されている。前記電解質は、任意に、飽和塩化カ リウム溶液に基づいたものであってもよい。 この固体分散電解質は、アクリルアミドとNN′−メチレンビスアクリルアミド のモノマーを、NN′−メチレンビスアクリルアミド１重量部当りアクリルアミド ５〜35重量部の比率で含有し、さらにリボフラビンのような公知のモノマー重合 開始剤を含有している。 上記固体分散物質は、その濃度が５〜30重量％になるのに十分な量で電解質（ 29）中に存在している。 提案された組成と濃度範囲の固体分散物質を電解質（29）に用いると、内面（ 31）、電位生成セミエレメント（21）および接続部材（22）としっかり結合して いることを特徴とする弾性ポリマー空間構造体を電解質（29）内に形成し易くな る。その電解質（29）は、極限条件での環境の衝撃に耐えることができかつセン サのいかなる空間配置でも参照電極（４）の本体（20）の内部（26）に固定した 位置を保持することができるゴム状物質で構成されている。上記モノマーの比率 によって、空間構造体（30）内の上記参照電極（４）の部材との機械的結合の強 度が保証される。 このシステムに、35：１の比率を超えてアクリルアミドが存在していると、固 体分散物質は、上記空間構造体（30）を形成できないようであり、むしろ不規則 に相互に結合した長い繊維を形成する。 ５：１の比率より低い比率でアクリルアミドが存在していると、この場合電解 質（29）の不均質な空間構造体になるようであり、これはもろい機械特性を有し かつ本体壁（20）および接続部材（22）との結合が弱い。 電解質（29）中に存在する固体分散物質が５重量％より少ないと、空間構造体 （30）とコネクタ部材（22）の強固な接続が、極限条件下、環境の衝撃で影響を 受けることがある。 固体分散物質が電解質（29）中に30重量％を超えて存在していると、塩の溶解 度が低くなって測定の正確さを損うであろう。 提案したセンサの指示電極（３）は、固体電解質を含有する固態のイオン選択 性膜を特徴とするあらゆる公知の指示電極の構造、またはレドックスのプロセス を起こす電子の移動に感受性の固体部材を有するあらゆる公知の指示電極を利用 できる。 図１は中空のガラス本体（32）を有する指示電極（３）を明確に示している。 この本体（32）によって、指示システム（33）が配置され、本体（32）の一端か ら延出している。また前記システムは、例えば、水素イオン、ナトリウムイオン または他の元素のイオンに対して選択的に感受性のグレードのイオン選択性ガラ ス製の球形封入体（33′）の形態の検出部材を備えている。 前記封入体（33′）は、その内面に固体電解質（34）が配置され、この電解質 （34）は電線（８）によって測定伝送器に接続されている。 レドックスプロセスを起こす電子の移動に感受性のガラス封入体の形態の検出 部材を有する指示電極にも類似の構造があてはまる。 指示電極のこれら実施態様では、センサは、封入体（33′）が機械的な損傷を 受けないよう保護する器具（35）を用い、その器具は、封入体（33′）の領域で ねじ付きコネクタ（36）によってセンサのハウジング管（１）に固定された溝付 きカラーで構成されていてもよい。 本発明の指示電極には、類似の用途に適合する他の公知の実施態様があるが、 本発明の指示システムと検出部材が固態の構造であることが重要である。 例えば、一つの配置形態で、指示電極（図示せず）は、ポリアリーレート(pol yarylate)のような不活性材料製で、その一端に指示 システムを有する本体を備えていてもよく、そして前記システムの検出部材は、 内面を有する固体のイオン選択性膜およびその上に配置され電線によって測定伝 送器に接続されている固体電解質で構成されているか、または指示電極は、ガラ スのような不活性材料製本体で構成されていて、その一方の末端部分にその指示 システムが取り付けられ、そのシステムは貴金属製でかつ、電線で測定伝送器に 接続された感受性膜で構成されていてもよい。 図２は他の参照電極（37）の実施態様を示し、この実施態様では、中空ガラス 本体（38）が、電位生成セミエレメント（21）およびその中に空間構造体（41） を形成する固体分散物質を有する内部電解質（40）を取り入れている固体中空ガ ラス封入体（39）を備えている。本体（38）の接続部材（22）の近傍の一方の末 端部に、封入体（39）が、本体（38）の参照電極（37）内の電解質（29）と接触 する接続部材（42）を有している。そしてその接続部材（42）は、本体（38）の 接続部材（22）と同様に製造することができ、また他方の末端に、封入体（38） の領域（44）を密封するゴム製またはエポキシ樹脂製のプラグ（43）がある。 空間構造体（41）は、封入体（39）の内面および電位生成セミエレメント（21 ）と接続部材（42）にしっかりと結合し、一方、封入体（39）の外面は、参照電 極（37）の本体（38）の内部（45）に存在している電解質（29）の空間構造体（ 30）としっかりと結合している。また前記内部（45）は、参照電極（37）本体（ 38）の内面（31′）と接続部材（22）にしっかり結合している。 内部電解質（40）内の固体分散物質は、0.1〜５重量％の濃度にするのに十分 な量で存在し、そして参照電極（37）の本体（38）内に存在する電解質（29）中 の固体分散物質と類似の組成を有している。固体分散物質の上記濃度は、前記封 入体（39）の部材としっか り結合する空間構造体（41）を形成するのに十分な濃度である。内部電解質（40 ）と被分析液体が接触しなければ、内部電解質（40）は環境の衝撃によって影響 を受けないので、固体分散物質の濃度を必要な測定の正確さを得るのに適当な濃 度にすることができる。 電解質（40）内の固体分散物質の濃度が 0.1重量％より低いと、空間構造体（ 41）は全く形成することができず、そしてその濃度が５重量％のレベルを超える と、測定の正確さが損われる。 図３〜５は、耐熱性プラスチックのような不活性材料製の挿入体（46）を収納 する中空金属製ハウジング管（45）を具備するセンサを示す。挿入体（46）中に 、ハウジング管（45）の縦軸線にほゞ平行に通孔が形成され、その中に諸電極（ 47，３，48）が収納され、例えばシリコーンの密封接着剤またはエポキシ樹脂を 満たすことによってしっかりと固定される。 上記センサは、図２に示したのと類似の１本の参照電極（48）および２本の指 示電極（３）と（47）を有している。一方の指示電極（３）は図１に示した指示 電極と類似の構造を有し、水素イオンを監視するのを目的としており、そしても う一つの指示電極（47）はレドックス反応を起こす電子の移動に感受性の球形ガ ラス検出部材（49）を有することを特徴とし、その検出部材（49）はその上に固 体電解質（50）を有し、この電解質（50）は電線（８）によって測定伝送器に接 続されている。 挿入体（46）は、外面がハウジング管（45）の内面に適合している円筒部材で 構成され、前記挿入体（46）はハウジング（45）から容易に取り出せるように設 計されている。挿入体（46）は、ゴムのような弾性材料製でかつ挿入体（46）の 外側面に作られた環状溝（52）内に配置されたＯ−リング（51）からなる密封装 置によってハウジング管（45）内に固定されている。これらの溝（52）とＯ−リ ング（51）の数は、被分析液の攻撃性とセンサの作動に対して予想される極限条 件によって決まる。 作動条件と測定の正確さの必要条件によって、このセンサの参照電極（48）は 、任意に、１室（図１）または２室（図２）の構造でもよい。 挿入体（46）は、電極（３，47，48）用の通孔にほゞ平行のもう一つの開口を 有し、その開口は熱伝導体（53）を収納し、その熱伝導体の一方の末端はハウジ ング管（45）から突出して被分析液と接触し、もう一つの末端は RTD装置（54） と接触している。 図６は、そのハウジング管（55）がポリスチレンのような不活性物質製で、互 いに同軸方向に固定されかつ迅速に分離することができる二つの部分（56）と（ 57）を備えてなるセンサの配置形態を示し、これら二つの部分は接続部材によっ て互いに絶縁されている（図６参照）。センサハウジング管（55）の第一の部分 （56）内に、参照電極（59）がしっかりと固定され、その２室構造は図２に示す 参照電極（37）に類似しているが、前者（図６に示すセンサ）の本体は不活性材 料製でありかつセンサハウジング管（55）の第一部分（56）を備えている。また 接続部材（22）は被分析液と接触し、そして第二部分（57）と接続する近くの、 ハウジング（55）の第一部分（56）の側面上に配置されている。センサハウジン グ管（55）の第二部分（57）は、しっかりと固定された指示電極（60）を収納し 、その指示電極（60）は、その本体が不活性材料の場合、上記の指示電極と同様 に任意に製造することができる。一つの変形で、二つ、三つまたは四つ以上の指 示電極（60）をハウジング（55）のこの部分（57）にしっかりと固定することが できる。 センサハウジング管（55）の二つの部分（56）と（57）の間の接続部材には、 プラスチックのような不活性材料製の成形カラー（61 ）が取り付けられ、第一部分（56）内に押し込まれて有効にその内部を隔離する 。カラー（61）に、関連電線（63）を有する指示電極（60）部分を収納する凹部 （62）、ならびに接続ソケット（10）、および参照電極（59）の本体（56）内の 電解質から凹部（62）と開口を隔離するためのプラグ（64）に用いる通孔を作製 する。接続部材（59）のカラー（61）は、ハウジング管（55）の第一部分（56） から突出する部分に、雄ねじ（65）と任意にゴムのＯ−リングで構成された密封 部材を備えており、一方、ハウジング（55）の第二部分（57）は前記ねじ（65） によってカラー（61）にしっかり固定され、かつゴム製Ｏ−リングによって第一 部分（56）に対し相対的に密封される。指示電極（60）の電線（63）は、接続ソ ケット（10）に接続され、測定伝送ケーブルにスイッチされる。参照電極（59） はゴムとプラスチックのＯ−リング（67，67′および67）を有し、そのＯ−リン グを、指示電極（60）と参照電極（59）の電流端子電線（68）と（68′）が通過 して、電極（60）と（59）の電線（63）と（８）を測定伝送ケーブルソケット（ 11）に接続する。 以下の表１は参照電極の電解質組成物の五つの実施例を示す。 上記五つの実施例から、本発明によって製造した各センサは極限条件で作動可 能であることが分かる。 本発明の多目的イオン選択性センサの作動原理は次のとおりである。 提案されたセンサの、指示システム（33）、指示電極（３，47，60）の検出部 材および参照電極（４，37，48および59）の接続部材が取り付けられている部分 を被分析液体中に浸漬する。得られた固態指示電極（３，47および60）の電位は 、被分析イオンの活量の対数値に比例している。参照電極（４，37，48および59 ）は電位を生成するがこの電位は被分析液体の組成には依存していない。塩で飽 和されている参照電極（４，37，48および59）の電解質（29，40）からその塩の イオンが移動すると、被分析液体を通過する電気回路が閉じて、その電位降下は 被分析イオンの活量の対数値に比例する。指示電極（32，47，60）の機能を変更 する必要がある場合は既存の指示電極を他の指示電極と取り替える。こうすると 、他のパラメータ、例えば水素または他のあらゆる化学種のイオン活量を測定で きるようになる。センサの電極（３，47，60，４，37，48または59）が故障した 場合、故障した電極を新しいものと容易にかつ簡単に取り替えた後、センサの操 作を再開することができる。 他の実施態様（実施例６）では、図１に示す互換性の固体電解質指示電極と参 照電極を用いて完全な多目的イオン選択性センサを製造することができる。図１ に示す指示電極のような固体電解質ガラス電極を用いると、その電極は熱水と蒸 気による滅菌処理に耐える。pH測定用指示電極の指示システムは、外径が６mmの ガラス管に溶接された直径９mmの球体で構成されている。その指示電極の全長は ピンプラグを含めて92mmである。参照電極は、直径が５mmで長さがピンプラグを 含めて82mmのガラス本体で構成されている。その参照 電極の下部末端部分には、多孔質のセラミック材料製の接続部材が溶接されてい る。Ag／AgCl電位生成セミエレメントは、塩化カリウムの飽和溶液およびアクリ ルアミドとNN′−メチレンビスアクリルアミドを10：１の比率にて全濃度30重量 ％で含有する固体分散ポリマーに基づいた耐熱性電解質中に浸漬されている。ガ ラス本体に設けたピンプラグ端子は永久作用接着剤で密封する。 本発明にしたがって製造したセンサを 100Ｌ容積の発酵槽に、その底部の反対 側の位置にある25mm直径のウェルドインソケット（weld-in socket）によって取 り付け次いでキャプティブナットで固定する。カント角が15°の別のソケットを 、滅菌複合pH電極465-5-S7を取り付けた浸漬センサInFit764に使用する（上記電 極とセンサはともにスイスのIngold社から入手した）。類似のIngold社製センサ を水平ウェルドインソケットに設置する。 上記３種のセンサは、発酵槽内で、直接、栄養培地中で滅菌した後、ペニシリ ウム・クリソゲナム(Penicillium chrysogenum)を増殖させなければならない。 複合栄養培地を使用する。pHの自動監視には、関連する測定伝送器に接続された 上記すべてのセンサを使用する。培養培地の試料を発酵槽から定期的に採取して 、卓上pHメータでpHを測定する。分析試験室の試験結果を、Ingold社センサの読 取り値および本発明のセンサの読取り値と比較する。 Ingold社のセンサは、水平に設置されているので、指示電極の電解質が、この 状態で、その指示システムの内面と電位生成セミエレメントを電気的に接触させ ることができず、かつ参照電極内で、電位生成セミエレメントと接続部位の間の 電解質による接触が失われると、発酵槽プロセスのpH測定ができなくなる。本発 明のセンサと15°のカント角で設置されたセンサは両者ともに、実験室の電極の 表示との密接な相関関係を証明する読取り値を示す。 試験結果を要約して表２に示す。 反対側の位置に設置された本発明のセンサが長期間の発酵プロセス中に示した pH測定値が、カント角15°で設置された市販のIngold社のセンサおよびRADIOMET ER実験室用電極の読取り値とよく一致していることが見出されたことが上記実施 例から分かる。読取り値の最大偏差はpH0.05以内である。しかしIngold社のセン サは、水平に設置されると作動しないようである。 本発明のセンサの測定の正確さの評価を、多重滅菌を行った後、Ingold社のセ ンサとともに、上記pH監視実験に類似の取付け法で実施した。本発明のセンサは 発酵槽内の反対側の位置に取り付け、一方、Ingold社のセンサは15°のカント角 で取り付ける。その発酵槽は、132℃の温度で１時間滅菌する。センサを発酵槽 中に浸漬しかつ滅菌サイクルの後に各センサの読取り値の補正を行わずに、連続 滅菌を５回繰り返した。発酵槽から定期的にサンプリングを行い、RADIOMETER実 験室用測定器を用いてpHを測定した。試験結果を要約 して表３に示す。 本発明のセンサは、多重滅菌を行った後もその校正性能を維持し、かつRADIOM ETER実験室用電極によって得た試験結果と読取り値がよい相関性を有することが これらの実施例から分かる。Ingold社のセンサのpH読取り値は、一般に、各滅菌 サイクル毎にずれているので、その読取り値を補正しないとpH値が 0.5高い誤ま りをおかすことになる。したがって、本発明のセンサは、多重滅菌を行った後で も一層安定した読取り値を示すことが報告されたのである。すなわちあゆらる空 間位置で作動性を維持しかつ緩衝溶液を用いて行う追加の調整時に再取り付けを 行う必要がないので、保守の面で大きな利点がある。 個々のイオンまたはレドックス電位の活量測定を行うため特別に電極を作製す るなど機能を変える際または電極（指示電極または参照電極）の故障時の指示電 極と参照電極の取替えは簡単に行える。本発明の指示電極の固体電解質および参 照電極の特定の電解質は、０℃より低い温度と無重力状態のみならず高温・高圧 下、あらゆる 配置で正常な電極作動を維持する。 産業用途 本発明は以下の産業に利用することができる。すなわち生物工学：発酵槽のpH とレドックス電位の監視；化学および医薬の産業：クロラムフェニコールのよう な抗生物質の処方および他の合成製剤を作るのに用いる誘導体の化学合成を行う 際のpHとレドックス電位の監視；熱工学および電力工学：火力発電所での水処理 装置の監視；地質と環境の、連続的な高深度のpH、レドックス電位の監視；およ び地下水の組成の測定に用いられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 27/30 ３７１Ｅ 27/46 ３４１Ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．取外し可能に固定されかつ測定伝送器に電気的に接続されそして被分析液 体中に浸漬される検出部材を有する指示システム（33）を備えた指示電極（３， 47，60）、ならびに電解質（29）中に空間構造体（30）を形成する固体分散物質 で満たされた電解質（29）、電位生成セミエレメント（21）および被分析液に接 触する接続部材（21）が入っている中空本体（20，38，56）を備えた参照電極（ ４，37，48，59）が入っているハウジング管（１，45，55）を備えてなる多目的 イオン選択性センサであって； 固体指示システムが固体検出膜を備え、参照電極（４，37，48）の本体（20， 38）が内面（30，31′）を有し、空間構造体（30）が、その内面（30，31′）と 接続部材（22）にしっかりと結合されていることを特徴とする多目的イオン選択 性センサ。 ２．電解質（29）の固体分散物質が参照電極（４，37）の本体（20，38）内に 、その濃度を５〜30重量％とするのに十分な量で存在し、その物質が、アクリル アミドとNN′−メチレンビスアクリルアミドのモノマーを、NN′−メチレンビス アクリルアミドの１重量部当り５〜35重量部のアクリルアミドの比率で含有しか つモノマー重合開始剤を含有することを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イ オン選択性センサ。 ３．空間構造体（30）が電位生成セミエレメント（21）としっかり結合し、そ の電位生成セミエレメント（21）が本体（20）の空間（28）内に配置されかつ電 線（８）で測定伝送器に接続されていることを特徴とする請求の範囲２記載の多 目的イオン選択性センサ。 ４．参照電極（37）の中空本体（39）が電位生成セミエレメント（21）を取り 入れ、第二固体分散物質を含有する内部電解質（40） が第二空間構造体（41）を形成しかつ第二接続部材（42）が参照電極（37）の本 体（38）の内側に存在する電解質（29）と接続し、中空本体（39）は、参照電解 質（37）の空間構造体（30）がしっかり結合している外面および第二空間構造体 （41）がしっかり結合している内面を備え、その第二空間構造体（41）が電位生 成セミエレメント（21）と第二接続部材（42）と接続していることを特徴とする 請求の範囲２記載の多目的イオン選択性センサ。 ５．第二固体分散物質が、内部電解質（40）中に、0.1〜５重量％の濃度とす るのに十分な量で存在し、そして電解質（29）中に存在する固体分散物質と類似 の組成を有しかつ参照電極（37）の本体（38）内に被包されていることを特徴と する請求の範囲４記載の多目的イオン選択性センサ。 ６．中空ガラス本体（32）を有する指示電極（３）を備え、その指示電極の一 方の末端部に、感受性ガラス製の中空封入体（33′）を具備し、その封入体の内 面上に固体電解質（34）を有し、その固体電解質（34）が電線（８′）で測定伝 送器に接続されていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性 センサ。 ７．感受性ガラスがイオン感受性ガラスで構成されていることを特徴とする請 求の範囲６記載の多目的イオン選択性センサ。 ８．感受性ガラスが、レドックス反応を起こす電子移動に鋭敏なガラスで構成 されていることを特徴とする請求の範囲６記載の多目的イオン選択性センサ。 ９．封入体（33）の領域のハウジング管（１）に取外し可能に固定された、封 入体（33′）の機械的損傷保護部材（35）がセンサに取り付けられていることを 特徴とする請求の範囲６〜８のいずれか一つに記載の多目的イオン選択性センサ 。 10．不活性材料製本体を有する指示電極を備え、その指示電極の 一方の末端部分に、イオン選択性膜とその膜の内面上に固体電解質を有する指示 システムが設けられ、その固体電解質が電線によって測定伝送器に接続されてい ることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性センサ。 11．不活性材料製本体を有する指示電極を備え、その指示システムが、一方の 端縁に取り付けられかつ貴金属製の感受性膜を備え、その感受性膜が電線によっ て測定伝送器に接続されていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオ ン選択性センサ。 12．電極（３，４）をハウジング管（１）に取外し可能に接続するのに用いる 第一密封装置を有するセンサを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択 性センサ。 13．第一密封装置が、弾性材料製の少なくとも一つの密封Ｏ−リング部材（５ ）を組み入れ、かつ各電極（３，４）の側壁（６，７）の外面に配置されている ことを特徴とする請求の範囲12記載の多目的イオン選択性センサ。 14．不活性材料製の取外し可能な挿入体（46）を有する中空センサハウジング 管（45）を備え、その挿入体（46）は、第二密封部材によってハウジング管（48 ）に固定されそしてハウジング管（45）の縦軸線にほゞ平行な通孔を有し、これ らの通孔に電極（３，47，48）が密封されていることを特徴とする請求の範囲１ 記載の多目的イオン選択性センサ。 15．センサのハウジング管（45）の内面に嵌合する外面を有するシリンダ部材 で構成された挿入体（46）を特徴とする請求の範囲14記載の多目的イオン選択性 センサ。 16．弾性材料製でかつ挿入体（46）の側面の外面に固定されている少なくとも 一つの密封Ｏ−リング（51）を組み入れた第二密封部材を特徴とする請求の範囲 14記載の多目的イオン選択性センサ。 17．センサハウジング管（55）が、一列に並べて固定された第一と第二の接続 式部材（56，57）で構成され、これらの部材が互いに絶縁され、そして参照電極 （59）がハウジング管（55）の第一部分（56）にしっかり固定され、かつ少なく とも一つの指示電極（60）がハウジング管（55）の第二部分（57）にしっかりと 固定されていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性センサ 。 18．電極（３，４）と測定伝送器の電気的接続部を備え、その接続部が電流端 子電線（９，９′）を具備し、その電流端子電線（９，９′）は一方の末端が取 外し可能な接触ソケット（10，10′）によって関連電極（３，４）の導線（８， ８′）に接続され、他方の末端が測定伝送器のケーブルコネクタのソケット（11 ）に接続されていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性セ ンサ。 19． RTDすなわち測温抵抗体（18）を備え、その RTDが測定伝送器に電気的 に接続されていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性セン サ。 20．RTD(18)がセンサの外側で電極（３，４）の位置の近くに配置されている ことを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン選択性センサ。 21．RTD(18)がセンサの内側に取り付けられていることを特徴とする請求の範 囲19記載の多目的イオン選択性センサ。 22．センサハウジング管が、それを被分析液領域中に挿入して固定するための ホルダー（12）を備えていることを特徴とする請求の範囲１記載の多目的イオン 選択性センサ。 23．センサのハウジング管（１）の、ホルダー（12）と接続する部分に溝（15 ）が設けられ、これらの溝には弾性Ｏ−リング（16） が入っており、ホルダー（12）が、ねじ付きコネクタ（17）によってハウジング 管（１）と接続されかつこれら弾性部材（16）によってコネクタ（17）に密封さ れることを特徴とする請求の範囲22記載の多目的イオン選択性センサ。 24．センサが、センサハウジング管（１）とホルダー（12）の間にしっかりと 固定された少なくとも一つの中間部材（13）を備えていることを特徴とする請求 の範囲１記載の多目的イオン選択性センサ。