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Dokumentenidentifikation DE4439285A1 15.05.1996
Titel Meßzelle
Anmelder Reiß, Gerhard, Dr., 69469 Weinheim, DE
Erfinder Reiß, Gerhard, Dr., 69469 Weinheim, DE
Vertreter Treudler, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 65719 Hofheim
DE-Anmeldedatum 07.11.1994
DE-Aktenzeichen 4439285
Offenlegungstag 15.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse G01N 27/404
Zusammenfassung Meßzellen mit einer Druckausgleichseinrichtung sind bekannt. Es wird vorgeschlagen, die Druckausgleichseinrichtung im Bereich des Elektrodenkopfes anzuordnen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Meßzellen oder Meßelektroden mit einer Druckausgleichseinrichtung sind beispielsweise von der Firma Syland Scientific bekannt. Ebenso zeigt die DE OS 3724040 A1 eine Meßzelle.

Es wird allgemein angestrebt, die Anwendungsmöglichkeiten derartiger Meßzellen zu verbessern.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Meßzelle zu schaffen, deren Anwendungsmöglichkeiten weiter verbessert sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß ist die Druckausgleichseinrichtung für den Elektrolyten abweichend vom Stand der Technik nicht am Elektrodenschaft einer Meßzelle, sondern am Elektrodenkopf möglichst nahe im Bereich der Elektrodenspitze einer Meßelektrode beziehungsweise einer Membrane anzuordnen, die der Elektrodenspitze vorgelagert ist und die das Meßmedium von dem Elektrolyten abtrennt.

Es hat sich gezeigt, daß erst aufgrund der erfinderischen Anordnung die Anwendungsmöglichkeiten der Meßzelle wesentlich gesteigert werden. Beispielsweise kann die Meßzelle nunmehr zur Messung von Peressigsäure Anwendung finden, was früher nicht möglich war. Mittels der Meßzelle nach der Erfindung kann der Peressigsäure-Gehalt direkt im Wasser bestimmt werden.

Die Meßzelle nach der Erfindung besitzt die Eigenschaft, wesentlich besser Druckdifferenzen zwischen dem Elektrolytraum und dem Meßmedium auszugleichen, als dies beim Stand der Technik möglich ist. Ebenso werden Volumenänderungen, die durch Temperaturveränderungen hervorgerufen werden, durch die Meßzelle nach der Erfindung kompensiert.

Nach einer ersten Ausführungsform besteht die Druckausgleichseinrichtung aus einer Druckausgleichsbohrung, die in dem Elektrodenkopf ausgebildet ist und in dem Elektrolytraum mündet. Außen ist die Druckausgleichsbohrung durch eine Druckausgleichsmembrane abgedeckt. Wird der Elektrolytraum der Meßzelle mit einem Elektrolyten aufgefüllt, wölbt sich die Druckausgleichsmembrane beim Zusammenschrauben der Meßzelle ballig nach außen. Treten Elektrolytvolumenänderungen auf, werden diese durch die Druckausgleichsmembrane und deren federelastischen Eigenschaften ausgeglichen zum Beispiel bei einer Verminderung des Elektrolytvolumens verhindert die Druckausgleichsmembrane einen Unterdruck im Elektrolytraum, so daß bei Verwendung von mikroporösen Membranen die Gefahr vermieden wird, daß das Meßmedium in den Elektrolytraum eingezogen wird, was die Meßelektrode vergiften würde. Es hat sich gezeigt, daß die Meßelektrode nach der Erfindung mit der beschriebenen ersten Ausführungsform den Druckausgleich gegenüber bekannten Meßzellen wesentlich besser auszugleichen vermag. Dies gilt in gleicher Weise für eine Erhöhung des Elektrolytvolumens, was zum Beispiel aufgrund des osmotischen Effektes auftreten kann.

Aufgrund der großen Beweglichkeit der Druckausgleichsmembrane, die sich auch konkav nach innen wölben kann, können in vorteilhafter Weise Volumenänderungen bis zu 0,3 ml toleriert werden. Aufgrund der Druckausgleichsmembrane ist gleichfalls ein Einsatz der Meßzelle nach der Erfindung auch bei erhöhtem Meßwasserdruck ohne weiteres möglich.

Vermutlich ist die vorteilhafte Wirkung der Meßzelle nach der Erfindung darauf zurückzuführen, daß Druckänderungen im Bereich der Meßelektrode und der vorgelagerten Membrane wesentlich schneller durch die in räumlich enger stehende Druckausgleichsmembrane ausgeglichen werden. Zusätzlich ist die leichte Beweglichkeit und Elastizität der Druckausgleichsmembrane von Bedeutung, die so bemessen sind, daß schon kleinste Volumenänderungen kompensiert werden.

Die Druckausgleichseinrichtung im Bereich der Meßelektrode kann nach einer anderen Weiterbildung auch aus mehreren Druckausgleichsbohrungen und darüber gespannten Druckausgleichsmembranen bestehen. Bevorzugt sind die Druckausgleichsmembranen aufgeklebt oder angeschweißt, was eine ausreichende Dichtigkeit gewährleistet.

Nach einer anderen Weiterbildung weist der Elektrodenkopf eine Kappe, insbesondere auf schraubbare Kappe auf, die die Positionierung der Membrane bewirkt, die der Meßelektrode vorgelagert ist. Wird die Kappe zusammen mit der Membrane entfernt, bietet sich die Möglichkeit, den Elektrolytraum bei stehender Meßzelle von der Elektrodenspitze auf zufüllen. Hierdurch ist sichergestellt, daß der zugeführte Elektrolyt beim Auffüllen der Elektrolytkammer die empfindlichen Druckausgleichsmembranen nur wenig belastet. Würde der Elektrolytraum bei abgeschraubtem Elektrodenkopf aufgefüllt werden, bestünde die Gefahr, daß beim Aufschrauben die konvex hervortretenden Druckausgleichsmembranen beschädigt werden. Daher ist es vorteilhaft, die auf schraubbare Kappe vorzusehen und den Elektrolytraum von der Meßzellenspitze her aufzufüllen.

Es hat sich weiter gezeigt, daß insbesondere bei der Bestimmung der Peressigsäure hohe Anforderungen an die Membrane zu stellen sind, die der Elektrodenspitze der Meßelektrode gegenüberliegt. Wichtig ist, daß Falten und Mikrorisse vermieden werden. Daher wird nach der Erfindung weiter vorgeschlagen, die Membrane, die der Spitze der Meßelektrode gegenüberliegt, als randseitig versteifte Membranscheibe auszubilden, die in eine Vertiefung der Kappe einlegbar ist. Bevorzugt handelt es sich bei der randseitig verstärkten Membranscheibe um eine runde Scheibe.

Randseitig verstärkte Membranscheibe, Druckausgleichsmembranen und Druckausgleichsbohrungen bilden zusammen eine technisch funktionell wirkende Einheit, die es ermöglicht, den Gehalt an Peressigsäure im Wasser noch genauer zu bestimmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßzelle nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht einer Druckausgleichseinrichtung in Blickrichtung eines Pfeiles A in Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform von Druckausgleichsbohrungen;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform von Druckausgleichsbohrungen;

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Druckausgleichseinrichtung, und

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Druckausgleichseinrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Meßzelle mit einem Elektrodenschaft 1, einem Elektrodenkopf 12 und einer Kappe 13. Das vordere freie Ende der Kappe 13 bildet die Meßzellenspitze 31 der Meßzelle. Die Kappe 13 ist mittels Gewinden 10, 11 auf den vorzugsweise runden Elektrodenkopf 12 aufschraubbar. Ebenso ist der Elektrodenkopf 12 auf den Elektrodenschaft 1 aufschraubbar, wobei zur Abdichtung Dichtringe 3, 9 zwischen den einzelnen Teilen vorgesehen sind.

Der Elektrodenschaft 1 trägt eine konzentrisch angeordnete erste Elektrode 5, die in einen Hohlraum in den Elektrodenkopf 12 hineinragt, der einen Elektrolytraum 2 bildet. Der Elektrolytraum 2 wird mit einem Elektrolyten (nicht dargestellt) aufgefüllt.

An der Vorderseite weist der Elektrodenkopf 12 eine Bohrung 14 auf, durch die eine zweite Elektrode 6 hindurchtritt, die über eine Isolation 7 von der ersten Elektrode isoliert gelagert ist. Die zweite Elektrode 6 bildet eine Meßelektrode und weist bevorzugt eine plane Elektrodenspitze 17 auf. In einer Vertiefung 15 ist ein Dichtring 16 eingelagert, der die Elektrodenspitze 17 umgibt. Die Kappe 13 weist auf der Achse X und damit der Elektrode 6 liegend eine Bohrung 20 auf, die an der Innenseite in einer Vertiefung 19 eine Membrane 18 trägt. Bevorzugt handelt es sich bei der Membrane 18 um eine runde Membranscheibe, die randseitig verstärkt ist. Die randseitigen Verstärkungen liegen auf den Schenkeln der Wandung auf, die sich infolge der Vertiefung 19 ergeben.

Wird die Kappe 13 aufgeschraubt, preßt sich der im Durchmesser an die Vertiefung 19 und die Membranscheibe 18 angepaßte Dichtring 16 an die lose eingelegte Membranscheibe 18. Die Membranscheibe 18 trennt das Meßmedium, zum Beispiel Wasser bei dem der Peressigsäure-Gehalt bestimmt werden soll, von der Elektrodenspitze 17 der Elektrode 6. Bei der Membrane 18 kann es sich um porenfreies oder mikroporöses Material handeln. Der soweit beschriebene Aufbau ermöglicht ein leichtes Auswechseln der Membrane 18, die aufgrund der randseitigen Versteifung faltenfrei und flächig auf der Elektrodenspitze 17 aufliegt. Dieser faltenfreie Kontakt zu der Elektrode 6 ermöglicht wesentlich genauere Messungen und insbesondere das Messen von Peressigsäure in Wasser. Die randseitige Verstärkung an der Membrane 18 ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die randseitige Verstärkung bildet einen Kreisring, der die Arbeits- und Diffusionsfläche der Membrane konzentrisch umgibt.

Der Elektrodenkopf 12 kann eine Querbohrung 22 aufweisen, die einerseits in den Elektrolytraum 2 und andererseits in eine umlaufende Ringnut mündet, die in Fig. 1 als Vertiefung 24 gekennzeichnet ist. In diese Ringnut beziehungsweise Vertiefung 24 ist ein elastischer Schlauchring 23 eingelegt, der zusammen mit der Querbohrung 22 ein Überdruckventil bildet. Das Überdruckventil bewirkt, daß der Elektrolyt in dem Elektrolytraum 2 bei Volumenzunahme gegebenenfalls austreten kann.

Wie weiter aus Fig. 1 erkennbar, weist der Elektrodenkopf 12 in der dort gezeigten Ausführungsform zwei gegenüberliegende Druckausgleichsbohrungen 26 auf, die sich gleichfalls von dem Elektrolytraum 2 radial nach außen in Richtung auf das Meßmedium erstrecken. An der Außenseite sind die Druckausgleichsbohrungen 26 durch Druckausgleichsmembranen 28 abgedeckt, die nach Fig. 1 in Vertiefungen 25 eingelagert und dort randseitig verklebt oder verschweißt sind. Je nach Anwendungsfall können in Vertiefungen 8 Traggitter 27 eingelegt sein, die die Druckausgleichsmembranen 28 mechanisch abstützen. Bevorzugt sind die Traggitter 27 plan ausgeführt und bewirken, daß die empfindlichen Druckausgleichsmembranen 28 bei Unterdruck in dem Elektrolytraum 2 über ein bestimmtes Sicherheitsmaß hinaus nicht in die Druckausgleichsbohrungen 26 hineingezogen werden. Zur besseren manuellen Handhabung und zum Schutz der Druckausgleichsmembranen 28 sind diese außenseitig mit Schutzgitter 29 abgedeckt.

Der Elektrolyt kann bei aufgeschraubtem Elektrodenkopf 12 und entfernter Kappe 13 über die Bohrung 14 eingefüllt werden. Hierbei bildet das vordere Ende 4 des Schaftes 1 den hinteren und unteren Wandabschnitt des Elektrolytraums 2. Beim Auffüllen des Elektrolytraumes 2 wölben sich die Druckausgleichsmembranen 28 konvex nach außen in Richtung auf das Meßmedium. Die Druckausgleichsmembranen 28 besitzen eine hohe Beweglichkeit und federelastische Eigenschaften. Das Auffüllen über die Bohrungen 14 entlastet die Druckausgleichsmembranen und zusätzlich besteht keine Gefahr der Beschädigung beim Aufschrauben des Elektrodenkopfes 12, was erforderlich wäre, wenn der Elektrolytraum 2 bei aufgeschraubter Kappe 13 und entferntem Elektrodenschaft 1 vorgenommen würde. Neben der technischen Wirkung, dem planen Anlegen der Membrane 18 an die Membranspitze 16 dient die aufschraubbare Kappe 13 somit zusätzlich dem Schutz der Druckausgleichsmembranen 28. Daher ist es zweckmäßig den Elektrodenkopf 12 zusammen mit der Membrane 18 nicht als einstückiges Lieferteil anzubieten sondern mehrteilig zu gestalten. Hierbei lassen sich die lose eingelegten Membrane 18 bei Bedarf leicht austauschen. Zu leichteren Ab- und Anschrauben sind umfangseitige Griffrillen 21 an der Kappe 13 vorgesehen.

Aufgrund der hohen Beweglichkeit der Druckausgleichsmembranen 28 und der räumlichen Nähe zu der Membrane 18 beziehungsweise der Elektrodenspitze 17 hat sich erwiesen, daß Volumenänderungen des Elektrolyten wesentlich besser ausgeglichen und die Anwendungsmöglichkeiten erhöht werden. Insbesondere ist mit der nach Fig. 1 beschriebenen Meßzelle die Messung von Peressigsäure in Wasser möglich.

Fig. 2 zeigt einen Blick auf die Druckausgleichseinrichtung in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1, die aus der Druckausgleichsbohrung 26 und der Druckausgleichsmembrane 28 besteht. Die Druckausgleichsbohrung 26 ist in der Fig. 2 gezeigten Vorderansicht als ovale Öffnung beziehungsweise Längsloch gestaltet. Gegenüber einer Kreisbohrung besitzt die ovale Druckausgleichsöffnung 26 eine größere wirksamere Fläche. Zur besseren Darstellung der Bohrung 26 ist das Traggitter 27 im Schnitt dargestellt. Umfangseitig werden das Traggitter 27 und die Druckausgleichsbohrung 26 von der Vertiefung 25 umgeben, deren Auflagefläche für die Membrane 28 eine Klebefläche 30 bildet. Ebenso ist die Druckausgleichsmembrane 28 in Fig. 2 nur teilweise dargestellt. Die gesamte Druckausgleichseinrichtung bestehend aus der Bohrung 26 und der Membrane 28 wird durch das Schutzgitter 29 abgedeckt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Druckausgleichseinrichtung. Hierzu sind in der umlaufenden Ringnut beziehungsweise Vertiefung 24 (Fig. 1) weitere radiale Bohrungen vorgesehen, die die Druckausgleichsbohrungen 26 bilden. Die Anzahl der Druckausgleichsbohrungen 26 bestimmt sich nach der erforderlichen wirksamen Fläche. Die Druckausgleichsbohrungen 26 und die Querbohrung 22 werden gleichermaßen durch den Schlauchring 23 abgedeckt, jedoch im Gegensatz zur Querbohrung 22 sind die Bohrungen 26 mit kreisringförmigen Klebeflächen 30 versehen, an denen der Schlauchring 23 fest angeordnet ist. Die Ausführungsform nach Fig. 3 bietet den Vorteil, daß der Schlauchring 23 gleichermaßen die Funktion des Überdruckventils und des Druckausgleichs bei einfacher Herstellung bewirkt.

Fig. 4 zeigt eine Druckausgleichseinrichtung ähnlich der in Fig. 1 und 2 jedoch bilden hier die Druckausgleichsbohrungen 26 großflächige und ovale Ausparungen in dem Elektrodenkopf 12. Zusätzlich sind abweichend von Fig. 1 keine Vertiefungen 25 vorgesehen, sondern die Druckausgleichsmembranen 28 auf die Oberfläche der Wandung des Elektrodenkopfes 12 direkt aufgeklebt. Bei den Membranen 28 kann es sich um weiche Kunststoffolien handeln.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Druckausgleichseinrichtung, die aus einem Faltenbalg 32 besteht, der gleichzeitig den Elektrodenkopf 12 aus Fig. 1 bildet.

Der Faltenbalg 32 übernimmt die Funktion der Druckausgleichsmembran 28 und fängt die Volumenänderungen des Elektrolyten durch Längenänderungen in Richtung der Achse X ab.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Druckausgleichseinrichtung, bei der im Inneren des Elektrolytraums 2 ein Drucksensor 33 angeordnet ist. Der Drucksensor 33 detektiert den Innendruck, was von einer Auswerteelektronik 34 in ein Steuersignal für einen Servomotor 35 umgesetzt wird. Der Servomotor 35 treibt über eine mechanische Kopplung 36 einen in den Elektrolytraum 2 ragenden Kolben 37 an, der zur Erhöhung der Dichtigkeit von einer Dichtmembrane 38 umgeben sein kann. Zusätzlich kann ein zweiter Drucksensor 39 vorgesehen sein, der den Druck des Meßmediums bestimmt. Nimmt der Druck in dem Elektrolytraum 2 ab, weil sich dessen Volumen vermindert, wird der Kolben 37 in den Elektrolytraum 2 eingefahren. Erhöht sich der Druck in dem Elektrolytraum 2, zum Beispiel aufgrund des osmotischen Effektes über einen zulässigen Wert, wird der Kolben 37 aus dem Elektrolytraum 2 in Mikroschritten zurückgezogen.

Bezugszeichenliste

1 Elektrodenschaft

2 Elektrolytraum

3 Dichtring

4 vorderes Ende

5 erste Elektrode

6 zweite Elektrode

7 Isolation

8 Vertiefung

9 Dichtring

10 Gewinde

11 Gewinde

12 Elektrodenkopf

13 Kappe

14 Bohrung

15 Vertiefung

16 Dichtring

17 Elektrodenspitze

18 Membrane

19 Vertiefung

20 Bohrung

21 Griffrillen

22 Querbohrung

23 Schlauchring

24 Vertiefung

25 Vertiefung

26 Druckausgleichsbohrungen

27 Traggitter

28 Druckausgleichsmembrane

29 Schutzgitter

30 Klebefläche

31 Meßzellenspitze

32 Faltenbalg

33 Drucksensor

34 Auswerteelektronik

35 Servomotor

36 mechanische Kopplung

37 Kolben

38 Dichtmembrane

39 Drucksensor


Anspruch[de]
  1. 1. Meßzelle mit

    einem Elektrodenschaft (1);

    einem Elektrodenkopf (12), der an dem Elektrodenschaft (1) befestigt ist und einen mit einem Elektrolyten gefüllten Elektrolytraum (2) aufweist;

    einer ersten und zweiten Elektrode (5, 6), die in dem Elektrolytraum (2) angeordnet sind;

    einer Membrane (18), die der Elektrodenspitze (17) der zweiten Elektrode (6) vorgelagert den Elektrolytraum (2) zu einem Meßmedium abtrennt und die die Meßzellenspitze (31) bildet; und

    einer Druckausgleichseinrichtung für den Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Druckausgleichseinrichtung am Elektrodenkopf (12) im Bereich der Elektrodenspitze (17) der zweiten Elektrode (6) angeordnet ist.
  2. 2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung ein federelastisches Teil aufweist, das Volumenänderungen des Elektrolyten in dem Elektrolytraum (2) ausgleicht.
  3. 3. Meßzelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichseinrichtung aus einer oder mehreren Druckausgleichsbohrungen (26), die sich durch die Wandung des Elektrodenkopfes (12) zu dem Elektrolytraum (2) erstrecken, und einer Druckausgleichsmembrane (28) besteht, die die Druckausgleichsbohrungen (26) und den Elektrolytraum (2) nach außen zu dem Meßmedium abschließt.
  4. 4. Meßzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsmembrane (28) eine gummielastische Folie ist, die außen an dem Elektrodenkopf (12) über die Druckausgleichsbohrung (26) gespannt ist.
  5. 5. Meßzelle nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsmembrane (28) an dem Elektrodenkopf (12) angeklebt oder angeschweißt ist.
  6. 6. Meßzelle nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsmembrane (28) in Richtung auf den Elektrolytraum (2) mittels eines Traggitters (8) mechanisch abgestützt ist.
  7. 7. Meßzelle nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsmembrane (28) außen durch ein Schutzgitter (29) abgedeckt ist, daß mit Abstand zu der Druckausgleichsmembrane (28) angeordnet ist.
  8. 8. Meßzelle nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf (12) eine auswechselbare Kappe (13) mit einer Bohrung (20) aufweist, die die Membrane (18) vor der Elektrodenspitze (17) anordnet.
  9. 9. Meßzelle nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (18) eine randseitig verstärkte Membranscheibe bildet.
  10. 10. Meßzelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (13) eine Vertiefung (19) aufweist, in die die Membrane (18) einlegbar ist.
  11. 11. Meßzelle nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkopf (12) eine Vertiefung (15) aufweist, die die Elektrodenspitze (17) umgibt und die eine Dichtung (16) aufnimmt.
  12. 12. Meßzelle nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle eine Peressigsäure-Meßzelle ist.






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