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Die
Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor mit einer Stapelanordnung
aus parallel angeordneten Elektroden und Vlieslagen.
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Elektrochemische
Gassensoren werden auf vielfältige
Weise in der analytischen qualitativen und quantitativen Gasmessung
eingesetzt. An einer selektiv mit dem nachzuweisenden Gas reagierenden Messelektrode
kommt es zu einer Umsetzung des Analyten, die aufgrund ihrer Selektivität und ihrer
Zugänglichkeit über eindeutig
messbare elektrische Größen für qualitative
und quantitative Aussagen herangezogen werden kann. Übliche elektrochemische Gassensoren
weisen mehrere Elektroden auf, die über einen Elektrolyten miteinander
kommunizieren.
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In
einer Minimalkonfiguration weist ein elektrochemischer Gassensor
eine Messelektrode und eine Gegenelektrode auf. In einer erweiterten,
oft als Dreielektroden-Sensor bezeichneten Version kommt zu dieser
Konfiguration eine Referenzelektrode hinzu. Die Elektroden werden
häufig
vollständig
von einem Elektrolyten umschlossen, wobei der Elektrolyt beziehungsweise
der ihn aufnehmende Raum im Sensorgehäuse wesentlich die Gesamtgröße des elektrochemischen
Sensors bestimmt. In dem Bestreben, zu einer Verkleinerung der Bauform
zu gelangen, sind verschiedene Varianten bekannt geworden, in denen
Stapelanordnungen aus Elektroden und Vlieslagen eingesetzt werden,
wobei die Kommunikation der Elektroden über in den Vlieslagen eingeschlossene
Elektrolytvolumina erfolgt. Um ausreichende Standzeiten beziehungsweise
Unempfindlichkeit gegenüber
Umgebungsfeuchteschwankungen zu erzielen, werden in solchen Sensoren
in der Regel gesonderte Elektrolytvolumina eingesetzt, mit denen
die einzelnen Vlieslagen über
saugfähige
Ver bindungen in Kontakt stehen. Die Elektroden-Vliespakete sind
dabei in der Regel hinter als Vorratsraum dienenden Elektrolytkammern
angeordnet, weshalb die sich ergebende Bauhöhe derartiger Gassensoren durch
die Höhe
dieser Elektrolykammern und der Dicke der Stapelanordnung bestimmt
wird.
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Um
beim Einsatz elektrochemischer Gassensoren zuverlässige und
reproduzierbare Messwerte zu erzielen, sind eine Reihe von Randbedingungen
zu berücksichtigen.
Hierzu zählt
die Fähigkeit
des Sensors, sein Inneres über
einen wirksamen Druckausgleich mit der Umgebung zu entlasten und unerwünschte Kriechprozesses
des Elektrolyten möglichst
zu vermeiden.
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Eine
weitere wichtige Randbedingungen ist die ständige und konstante Benetzung
der aktiven Elektrodenbereiche mit Elektrolyt, da es ansonsten zu
erheblichen Verfälschungen
des Messsignals kommen kann. Allgemeine Anforderungen an einen elektrochemischen
Gassensor sind des Weiteren eine relative Stoß- und Schlagunempfindlichkeit, eine geringe
Lagesensitivität
sowie allgemeine technologische Anforderungen wie preiswerte Herstellbarkeit beziehungsweise
einfache Applizierbarkeit.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen elektrochemischen Gassensor
anzugeben, der die vorgenannten Anforderungen in optimaler Weise erfüllt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch einen elektrochemischen Gassensor mit den Merkmalen
von Anspruch 1.
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Die
Ansprüche
2 bis 25 geben vorteilhafte Ausgestaltungsformen eines erfindungsgemäßen Gassensors
an.
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Die
Erfindung besteht in einem elektrochemischen Gassensor mit einer
Stapelanordnung aus parallel angeordneten Elektroden und Vlieslagen,
umfassend mindestens eine Messelektrode und mindestens eine Gegenelektrode,
wobei sich eine luftdurchlässige,
vorzugsweise poröse
und elektrolytdichte, Membran mit der Stapelanordnung aus parallel
angeordneten Elektroden und Vlieslagen zumindest einseitig in Kontakt
befindet, zwischen den Elektroden mindestens eine Lage eines hydrophilen
Vlieses, beispielsweise eines Glasvlieses, angeordnet ist, die luftdurchlässige poröse Membran
und das hydrophile Vlies in ein separates, zumindest teilweise elektrolytgefülltes Ausgleichsvolumen
reichen, welches zumindest teilweise in einer Ebene mit den Elektroden
liegt, in dieser Ebene die Elektrodenanordnung zumindest teilweise
umgibt und die luftdurchlässige
poröse
Membran zumindest in Teilbereichen Umgebungsdruck ausgesetzt ist.
Durch eine derartige Ausgestaltung eines Gassensors erreicht man,
dass die Bauhöhe
weiter reduziert wird, indem die Elektroden mit dem Elektrolytvolumen
zumindest teilweise in einer Ebene liegen, wodurch die Addition der
Bauhöhen
der beiden Bestandteile vermieden wird.
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Durch
die spezielle Ausgestaltung des Elektrolytvolumens in Form eines
umlaufenden Hohlraums, der teilweise mit Elektrolyt gefüllt ist,
erreicht man eine hohe Lageunabhängigkeit
des elektrochemischen Gassensors. Dadurch, dass eine luftdurchlässige Membran
teilweise in das Elektrolytvolumen beziehungsweise den zu seiner
Aufnahme bestimmten Hohlraum reicht, andererseits jedoch teilweise Umgebungsdruck
ausgesetzt ist, kommt es über
die poröse
Struktur dieser luftdurchlässigen
Membran zu einem wirkungsvollen Druckausgleich mit der Umgebung,
wodurch eine Überhöhung beziehungsweise zu
starke Absenkung des Innendrucks im Elektrolytvolumen vermieden
wird.
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Das
hydrophile Vlies zwischen den Elektroden sorgt für eine ausreichende Benetzung,
die stets gewährleistet
wird, da das hydrophile Vlies zumindest teilweise in das elektrolytgefüllte Ausgleichsvolumen
reicht. Bei Verwendung von mehr als zwei Elektroden wird gewährleistet,
dass jede Elektrode zumindest in Kontakt zu einem hydophilen Vlies
befindet. In diesem Fall ist ein erfindungsgemäß ausgestaltetes hydrophiles
Vlies an mehreren Stellen in der Stapelanordnung aus parallel angeordneten
Elektroden und Vlieslagen angeordnet. Im Folgenden wird dennoch
meist von lediglich einem hydrophilen Vlies die Rede sein. Die Verwendung
von Vlies als Elektrolytträger
bewirkt eine gute Schüttelunempfindlichkeit.
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Technologisch
besonders vorteilhaft ist es, wenn die Gegenelektrode auf der porösen luftdurchlässigen Membran
aufgebracht ist. Die Membran dient dann gleichzeitig als Mittel
zum Druckausgleich und Gegenelektrodenträger.
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Eine
besonders hohe Lageunabhängigkeit des
erfindungsgemäßen Sensors
erreicht man dann, wenn das Ausgleichsvolumen die Elektrodenanordnung
entlang einer geschlossenen Figur umgibt. In einer vorteilhaften
Ausführungsform
besteht die poröse
luftdurchlässige
Membran, die mit der Gegenelektrode in Kontakt steht, aus PTFE.
Im Zusammenhang mit dem die Elektrodenanordnung zumindest teilweise
umgebenen Volumen zur Aufnahme des Elektrolyten lässt sich
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsform realisieren, wenn
das hydrophile Vlies und die poröse
luftdurchlässige
Membran im Wesentlichen jeweils einen zentralen Bereich, bespielsweise
in Form einer Kreisfläche,
einnehmen, wobei die poröse
luftdurchlässige
Membran sternförmig
angeordnete Streifen aufweist, die vom Rand des zentralen Bereiches
bis in das Ausgleichsvolumen reichen. Bei einer teilweisen Befüllung des
Elektrolytvolumens ist somit nahezu unabhängig von der Lage gewährleistet,
dass zumindest einige der sternförmig
angeordneten Streifen nicht in den Elektrolyten, sondern in eine
in dem Ausgleichsvolumen befindliche Luftblase hineinreichen und
somit für
einen wirkungsvollen Druckausgleich mit der Umgebung sorgen können.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das hydrophile Vlies ebenfalls sternförmig angeordnete
Streifen aufweist, die vom Rand eines derartigen zentralen Bereiches
ausgehen und bis in das Ausgleichsvolumen reichen, wobei das Ende
mindestens eines dieser Streifen in den Elektrolyten im Ausgleichsvolumen
eingetaucht ist. Diese Anforderung lässt sich ebenfalls vorteilhaft
mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Elektrolytvolumens realisieren, und zwar unabhängig von
der Lage des elektrochemischen Sensors. Für eine hohe Funktionssicherheit des
elektrochemischen Sensors ist es vorteilhaft, wenn das hydrophile
Vlies und die poröse
luftdurchlässige
Membran jeweils mindestens drei sternförmig angeordnete Streifen aufweisen,
die vom Rand einer Kreisfläche
bis in das Ausgleichsvolumen reichen. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn das hydrophile Vlies und die poröse luftdurchlässige Membran
jeweils vier sternförmig
angeordnete Streifen aufweisen, die vom Rand der Kreisfläche bis
in das Ausgleichsvolumen reichen. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass nahezu unabhängig
von der Ausrichtung des Sensors und nahezu unabhängig vom Befüllungsgrad
des Elektrolytvolumens stets mindestens einer der sternförmig angeordneten
Streifen der luftdurchlässigen
Membran mit einer Luftblase in Kontakt steht und mindestens einer
der sternförmig angeordneten
Streifen des hydrophilen Vlieses mit dem Elektrolyten in Kontakt
steht, was unter allen Umständen
die Funktionsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Sensors
gewährleistet.
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Um
einen unerwünschten
Gaseintritt in den Elektrolyten durch die poröse luftdurchlässige Membran
hindurch zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn ein Filter enthalten
ist, durch den Gase, die aus der den Sensor umgebenden Atmosphäre an die
poröse luftdurchlässige Membran
gelangen, gefiltert werden. Dieser Filter kann beispielsweise Absorbersubstanzen
enthalten, die ein Durchdringen unerwünschter Gase nahezu ausschließen.
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Um
den Filter atmosphärenseitig
zusätzlich zu
schützen,
ist es weiterhin vorteilhaft, eine Abdeckung vorzusehen, durch die
eine den Gaszutritt bestimmende Öffnung
führt.
Auf diese Weise ist für
einen ausreichenden Druckausgleich gesorgt und eine zu schnelle
Sättigung
des Filters wird dennoch vermieden. Diese Abdeckung des Filters
kann vorteilhafterweise ein Typenschild sein, das eine den Sensor
charakterisierende Beschriftung trägt.
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In
einer für
genauere Gasmessungen mit Vorteil einsetzbaren Sensorkonfi guration
ist eine Referenzelektrode integriert, und zwar in einer Weise, dass
die Elektrodenanordnung mindestens eine Referenzelektrode enthält, die
zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode beidseitig in
hydrophiles Vlies eingebettet ist und eine Fläche aufweist, die kleiner als
die Fläche
der Messelektrode und kleiner als die Fläche der Gegenelektrode ist.
Dadurch werden zwischen Messelektrode und Gegenelektrode ablaufende
Diffusionsprozesse nicht derart gestört, dass eine Unterbindung
der für
die Messzwecke erforderlichen elektrochemischen Reaktionen bzw. Stromflüsse stattfindet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode
eine diffusionshemmende Membran angeordnet ist. Diese verhindert,
dass Substanzen, die an der Gegenelektrode entstehen können oder
in der Nähe
der Gegenelektrode in den Sensor eindringen können, durch Diffusion in Richtung
Messelektrode das Messergebnis verfälschen. Das erlangt besonders
dann Bedeutung, wenn eine elektrochemische Nachweisreaktion derart
organisiert ist, dass ein Analyt an der Messelektrode abgebaut beziehungsweise
umgesetzt wird, an der Gegenelektrode dagegen erneut gebildet wird,
wie das bei einigen Typen von Sauerstoffsensoren der Fall ist. Die
Ionendiffusion durch den Elektrolyten hindurch darf jedoch nicht
unterbunden werden, weshalb eine derartige diffusionshemmende Membran
entweder nur einen Teil des Sensorquerschnitts abdecken darf oder
in einer vorteilhaften Ausgestaltung als diffusionshemmende Membran
ausgeführt ist,
die gegenüber
Ionen eine geringere Barrierewirkung aufweist als gegenüber neutralen
Spezies. Derartige Membranen sind unter dem Begriff Nafion bereits
aus anderen Anwendungen bekannt. Vorteilhafterweise deckt eine unselektive
diffusionshemmende Membran 50–95%
des Sensorquerschnittes ab und weist eine Sauerstoffpermeabilität auf, die
geringer als 5·10–16kg
m·m–2s–1Pa–1,
vorzugsweise 1·10–16kg m·m–2s–1Pa–1,
ist.
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Eine
einfache Herstellbarkeit eines erfindungsgemäßen Sensors ergibt sich, wenn
der Sensor von einem zweiteiligen Gehäuse umgeben ist, dessen Teile
durch eine Schnappverbindung miteinander verbunden sind, wobei die
Gehäuseteile
so geformt sind, dass die Anordnung aus parallelen Elektroden, Vlies
und luftdurchlässiger
Membran kraftschlüssig
fixiert wird. Durch die bei dieser Fixierung auftretenden Kräfte kommt
es außerdem
zu einem guten Kontakt zwischen elektrolytführenden Vliesstrukturen und
Elektroden, wodurch ebenfalls eine Erhöhung der Funktionssicherheit
des Sensors bewirkt wird.
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Um
ein Austreten des Elektrolyten aus dem Vorratsvolumen auch bei mehrteiligem
Sensorgehäuse
zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der Kontaktbereich zwischen
den Gehäuseteilen
eine elektrolytdichte Flüssigdichtung
aufweist. Vorteilhafterweise besteht die Referenzelektrode aus einem
gesinterten Gemisch von Metall und seinem Metalloxid, vorzugsweise
aus der Platingruppe, der Iridiumgruppe oder Gold.
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In
einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Referenzelektrode
aus dotiertem Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff, wodurch eine
hohe Unabhängigkeit
gegenüber
Schwankungen des pH-Werts beziehungsweise des p02-Werts im Elektrolyten
erzielt wird.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn der Sensor auslesbare Mittel zur Speicherung
sensorspezifischer Daten umfasst. Diese auslesbaren Mittel zur Speicherung
sensorspezifischer Daten können
beispielsweise einen EE-PROM oder einen Transponder umfassen und
so ausgelegt sein, dass eine Speicherung von Typ-Informationen und/oder Informationen über die
Empfindlichkeit des Sensors über
eine erfolgte Eichung, Kalibrierung und/oder über weitere zulassungsrelevante
Informationen erfolgen kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Messelektrode aus mehreren elektrisch
voneinander getrennten Sektoren aus unterschiedlichem Elektrodenmaterial
besteht. Durch die Selektivität
der elektrochemischen Reaktion, die in der Regel zum Nachweis eines
Analyten geeignet ist, kann auf diese Weise der gleichzeitige Nachweis
mehrerer zu bestimmender Gase unternommen werden.
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Zur
Absicherung des Sensors gegenüber möglicherweise
auftretenden Druckschwankungen der Umgebung kann es vorteilhaft
sein, wenn das Sensorgehäuse
eine Gaseintrittsöffnung
für den
Eintritt des zu messenden Gases aufweist, die mit der Sensorumgebung über ein
pneumatisches Dämpfungselement
kommuniziert. Auf diese Weise werden Druckschwankungen abgefangen,
die zu einer Schädigung
des Sensors beziehungsweise zu einer zeitweiligen Verfälschung
des Messsignals führen
könnten.
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Die
Kontaktierung der Elektroden und/oder der auslesbaren Mittel zur
Speicherung sensorspezifischer Daten erfolgt in einem erfindungsgemäßen. Sensor
vorteilhafterweise über
in das Sensorgehäuse
einsteckbare Kontaktstifte, die in eingestecktem Zustand in festem
Kontakt zu Leitfähigen
Verbindungsmitteln stehen, die zu den Elektroden und/oder den auslesbaren
Mitteln zur Speicherung sensorspezifischer Daten führen und
mit diesen elektrisch verbunden sind. Diese Verbindungsmittel können vorteilhafterweise
Drähte
umfassen, die zumindest teilweise durch mit Flüssigdichtungen versehene Bereiche
führen.
Auf diese Weise wird ein Austreten von Elektrolyten entlang der
Drähte
wirkungsvoll verhindert.
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Erfindungsgemäße Sensoren
lassen sich durch Auswahl einer geeigneten Kombination von Elektrolyt
und Elektrodenmaterial problemlos an unterschiedliche Messanforderungen
anpassen, ohne dass am Gehäuse
besondere konstruktive Massnahmen erforderlich werden.
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An
Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
erläutert.
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Die
zugehörigen
Figuren zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors,
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2 eine
zugehörige
Gegenelektrode, die sich auf einer porösen luftdurchlässigen Membran befindet,
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3 die
Form eines vorteilhaft ausgestalteten hydrophilen Vlieses, wie es
zwischen einzelnen Elektroden zum Einsatz kommen kann,
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4 eine
Ansicht der Rückseite
eines erfindungsgemäßen Sensors
mit einer als Typenschild ausgeführten
Abdeckung,
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5 den
Bereich des Sensorgehäuses,
in den einzelne Kontaktstifte eingesteckt werden können,
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6 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Sensors
in einer Ausgestaltung als Sauerstoffsensor mit einem pneumatischen
Dämpfungselement,
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7 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors
in einer Ausführung
mit in zwei Sektoren unterteilter Messelektrode.
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8 eine
vereinfachte Draufsicht eines erfindungsgemäßen Sensors mit fünf Kontaktstiften und
einer zweiteiligen Messelektrode
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors,
der als Dreielektrodensensor ausgebildet ist, in horizontaler Ausrichtung.
Der Sensor umfasst ein zweiteiliges Gehäuse, welches aus einem vorderen
Gehäuseteil 1 und
einem hinteren Gehäuseteil 2 besteht. Das
Gehäuse
ist aus einem elastisch verformbaren Kunststoffmaterial gefertigt.
Beide Gehäuseteile 1, 2 weisen
eine Randgestaltung auf, durch die sie nach Art einer Schnappverbindung
formschlüssig
verbindbar sind. Die verbundenen Gehäuseteile fixieren im zentralen
Bereich des Sensors eine Stapelanordnung aus parallel angeordneten
Elektroden und Vlieslagen, wobei die einzelnen Bestandteile der
Stapelanordnung in funktional vorteilhafter Weise gegeneinander
gepresst werden. Die Stapelanordnung aus parallel angeordneten Elektroden
und Vlieslagen umfasst eine Messelektrode 3, eine Referenzelektrode 4,
eine Gegenelektrode 5, eine hydrophile Vlieslage 6 zwischen
der Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 4,
eine hydrophile Vlieslage 7 zwischen der Referenzelektrode 4 und
der Gegenelektrode 5 und eine luftdurchlässige poröse Membran 8 aus
PTFE, die sich zwischen der Gegenelektrode 5 und dem hinteren
Gehäuseteil 2 befindet.
Die luftdurchlässige
poröse
Membran 8 und die Gegenelektrode 5 sind so miteinander
verbunden, dass die Gegenelektrode 5 einen erhabenen Bereich
auf der luftdurchlässigen
porösen
Membran 8 bildet, der sich in festem Kontakt zur hydrophilen
Vlieslage 7 befindet. Die Stapelanordnung aus parallel
angeordneten Elektroden und Vlieslagen wird von einem teilweise elektrolytgefüllten Ausgleichsvolumen 9 umgeben. Durch
die besondere Ausgestaltung des vorderen Gehäuseteiles 1 sind die
Stapelanordnung aus parallel angeordneten Elektroden und Vlieslagen
und das teilweise elektrolytgefülltes
Ausgleichsvolumen 9 weitgehend voneinander getrennt. Lediglich
Verlängerungen
der hydrophilen Vlieslage 7 und der luftdurchlässigen porösen Membran 8 reichen
durch Ausnehmungen im separierenden Gehäuseteil bis in das teilweise
elektrolygefüllte
Ausgleichsvolumen 9. Durch das vordere Gehäuseteil 1 führt eine
Gaszutrittsöffnung 10 bis
an die Messelektrode 3. Das vordere Gehäuseteil 1 weist eine
mit einer umlaufenden Nut 11 versehene Haltestruktur auf,
welche die Anbringung verschiedener Adapter vor der Gaszutrittsöffnung ermöglicht.
Derartige Adapter können
beispielsweise den Gaszutritt begrenzende Öffnungen aufweisen und somit
einer Anpassung des Sensors an stark voneinander abweichende Analytkonzentrationen
dienen. Die Abstützung
der Messelektrode 3 erfolgt durch eine in das vordere Gehäuseteil
integrierte Steganordnung 12. Dadurch wird gewährleistet,
dass durch die Gaszutrittsöffnung 10 eintretendes
Gas vollflächig
mit der Messelektrode 3 in Kontakt kommen kann. Das hintere
Gehäuseteil 2 weist in
der Mitte eine Druckausgleichsöffnung 13 auf, über welche
die poröse
luftdurchlässige
Membran 8 mit der Sensorumgebung in Kontakt steht. Umgebungsseitig
befindet sich ein Filter 14 vor der Druckausgleichsöffnung 13.
Der äußere Abschluß des hinteren Gehäuseteiles
wird durch ein Typenschild 15 gebildet, das eine zentrale
Bohrung 16 aufweist. Ein kleiner Durchmesser dieser Bohrung
sorgt einerseits für die
Möglichkeit
eines ausreichenden Druckausgleichs mit der Sensorumgebung, behindert
andererseits den Gasaustausch mit der Umgebung in einer Weise, die
zu einer effektiven Verlängerung
der Lebensdauer des Filters 14 führt.
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In
horizontaler Sensorposition herrscht im gesamten Ausgleichsvolumen 9 ein
gleichmäßiger Elektrolytfüllstand.
Die Funktionsfähigkeit
des Sensors ist gewährleistet,
wenn Teile der hydrophilen Vlieslage 7 in den Elektrolyten
reichen und sich Teile der luftdurchlässigen porösen Membran 8 in luftgefüllten Bereichen
des Ausgleichsvolumens 9 befinden. Ändert sich die Ausrichtung
des Sensors, wird sich in einzelnen Bereichen des Ausgleichsvolumens 9 ein
höherer Elektrolytstand
einstellen, aus anderen Bereichen kann der Elektrolyt abfließen. Durch
eine sternförmige
Anordnung streifenförmiger
Verlängerungen
des hydrophilen Vlieses 7 und der porösen luftdurchlässigen Membran 8 wird
jedoch stets mindestens jeweils eine streifenförmige Verlängerung in den Elektrolyten
reichen und eine andere in einem luftgefüllten Bereich des Ausgleichsvolumens 9 enden.
Dadurch wird unabhängig
von der Lage des Sensors ein effektiver Druckausgleich mit der Umgebung
und eine konstante Durchtränkung
der Vlieslagen erreicht. Dadurch sind selbst unter trockenen Umgebungsbedingungen
die Elektroden immer benetzt. Im vorliegenden Beispiel weist die
Referenzelektrode 4 eine deutlich kleinere Fläche als
die anderen Elektroden auf. Dadurch können sich die hydrophilen Vlieslagen 6, 7 in
ausreichend großen
Flächenbereichen
berühren,
um einen effektiven Elektrolytaustausch zu gewährleisten. In diesem Fall ist es
für eine
erfindungsgemäße Funktionsweise
des Sensors ausreichend, wenn eine der hydrophilen Vlieslagen 6, 7,
vorliegend die Vlieslage 7 zwischen Gegenelektrode 5 und
Referenzelektrode 4, Verlängerungen aufweist, die bis
in den Elektrolyten reichen. Alternativ können jedoch mehrere Vlieslagen verwendet
werden, die derartige Verlängerungen aufweisen.
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Im
Randbereich des vorderen Gehäuseteiles befinden
sich Aussparungen, in denen eine kraftschlüssige Befestigung von Kontaktstiften 17 erfolgen,
kann, die für
den Anschluss des Sensor an entsprechende Adapter vorgesehen sind.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Gegenelektrode 5,
die sich auf einer porösen
luftdurchlässigen
Membran 8 befindet. Die poröse luftdurchlässige Membran 8 besteht
im Wesentlichen aus einem kreisförmigen
zentralen Bereich, von dessen Rand vier sternförmig angeordnete Streifen ausgehen,
die im fertig montierten Sensor vom Rand des zentralen Bereiches
bis in das Ausgleichsvolumen reichen.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäß ausgeformte
Lage eines hydrophilen Vlieses 7, die ebenfalls aus einem
kreisförmigen
zentralen Bereich besteht, von dessen Rand vier sternförmig angeordnete Streifen
ausgehen, die im fertig montierten Sensor vom Rand des zentralen
Bereiches bis in das Ausgleichsvolumen reichen und durch Kontakt
zum Elektrolyten für
eine gleichmäßige Durchtränkung des Vlieses 7 sorgen.
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4 zeigt
eine Ansicht der Rückseite
eines erfindungsgemäßen Sensors
mit einer als Typenschild 15 ausgeführten Abdeckung. Das Typenschild 15 weist
eine den Gaszutritt begrenzende zentrale Bohrung 16 auf
und ist mit einer den Sensor charakterisierenden Gravur 18 versehen.
Von den Elektroden (nicht sichtbar) führen Kontaktdrähte 19, 19', 19'' zu Kontaktstiften 17, 17',17'', die in den Randbereich des vorderen
Gehäuseteiles 1 eingesteckt
sind.
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5 zeigt
den Randbereich des Sensorgehäuses,
in den einzelne Kontaktstifte 17 eingesteckt werden können. Die
Kontaktierung der Elektroden erfolgt über dünne Metalldrähte 19.
Diese bestehen vorzugsweise aus Pt, Pd, Au oder Ta. Diese Drähte 19 werden
nicht mit den Kontaktstiften 17 verlötet, sondern beim Einstecken
der Kontaktstifte 17 zwischen den Kontaktstiften 17 und
der Gehäusewand eingeklemmt.
Das ermöglicht
eine einfache, schnelle und sichere Fertigung. Es besteht keine
Gefahr des Auftretens von kalten Lötstellen. Außerdem entfällt die
Gefahr einer starken thermischen Belastung des Sensors während der
Fertigung. Die Drähte 19 werden
im vorliegenden Beispiel durch den Verbindungsbereich zwischen beiden
Gehäuseteilen
geführt.
Zur Versiegelung der Durchführung
kann dabei eine Flüssigdichtung
verwendet werden.
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6 zeigt
einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Sensors in einer Ausgestaltung
als Sauerstoffsensor mit einem pneumatische Dämpfungselement. Der Sauerstoffsensor
arbeitet nach einem Prinzip, bei an der Gegenelektrode 5 Sauerstoff entsteht.
Durch eine dicht benachbarte Anordnung der Elektroden besteht die
Gefahr, dass dieser Sauerstoff an die Messelektrode gelangt und
dort zu einer Verfälschung
des Messsignals führt.
In der vorliegenden Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors
befindet sich daher zwischen der hydophilen Vlieslage 6 hinter
der Messelektrode 3 und der Referenzelektrode 4 als
diffusionshemmende Membran 20 eine ionenleitende Membran
(Nafion), die eine Sauerstoffdiffusion behindert, einen Ionentransport jedoch
kaum beeinträchtigt.
Eine weitere Anpassung an den Betrieb als Sauerstoffsensor besteht
in der Gestaltung der Gaszutrittsöffnung 10' als enge Kapillare.
Da Sensoren, bei denen der Gaszutritt über eine Kapillare limitiert
wird, empfindlich auf Druckstösse reagieren,
ist der Kapillare ein pneumatisches Dämpfungselement vorgelagert.
Dieses besteht aus einer porösen
PTFE-Membran 21,
die durch ein Halteelement 22 fixiert wird, welches in
der umlaufenden Nut 11 des vorderen Gehäuseteils 1 befestigt
wird.
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7 zeigt
eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Sensors
in einer Ausführung
mit einer in zwei Sektoren 23, 24 unterteilten
Messelektrode. Der Aufbau ähnelt
weitgehend dem Aufbau gemäß 1.
Entsprechen der als Messelektroden dienenden Sektoren 23, 24 sind
jedoch separate Gaszutrittsöffnungen 25, 26 vorhanden,
um das zu messende Gas möglichst
effektiv zu den einzelnen Sektoren 23, 24 zu leiten.
Durch die Auswahl der Kombination aus Elektrolyt und Elektrodenmaterial
und die diesen Kombinationen innewohnende Selektivität lassen
sich erfindungsgemäße Sensoren
zur selektiven Messung unterschiedlicher Gase verwenden. Typische
Vertreter derart nachzuweisender Gase sind CO, H2S,
O2, SO2, NO2, NH3, HCN, Cl2, HCl, HF, CO2,
PH3, NO und weitere. Mit einem Sensor mit
geteilter Messelektrode lassen sich bei Verwendung unterschiedlicher
Elektrodenmaterialien für
die einzelnen Sektoren 23, 24 der Messelektrode
gleichzeitig unterschiedliche Gase messen, sofern die erforderlichen
elektrochemischen Reaktionen den gleichen Elektrolyten erfordern.
Gegebenenfalls können
die einzelnen Sektoren 23, 24 der Messelektrode
mit unterschiedlichen Vorspannungen beaufschlagt werden. Es ist
auch möglich,
den Gaszutritt zu den einzelnen Sektoren 23, 24 über vollständig entkoppelte
Bereich vorzunehmen. Auf diese Weise lassen sich die geometrischen
Bedingungen vor den einzelnen Sektoren an unterschiedliche Messgaskonzentrationen
anpassen, was den Anwendungsbereich erfindungsgemäßer Sensoren
für die
Analyse unterschiedlicher Gasgemische deutlich erweitert.
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8 zeigt
eine vereinfachte Draufsicht eines erfindungsgemäßen Sensors mit fünf Kontaktstiften
und einer zweiteiligen Messelektrode. Eingebettet in ein durchsichtiges
Sensorgehäuse
sind zwei halbmondförmige
Elektrodensektoren 23', 24'. Zu diesen
führen
zwei separate Gaszutrittsöffnungen 25, 26.
Im Randbereich des Sensorgehäuses
befinden sich fünf
Kontaktstifte, wobei deren Zahl durch einfach technologische Maßnahmen
variiert werden kann. Übersteigt
die Zahl der Kontaktstifte die Zahl der zu kontaktierenden Elektroden
oder Elektrodensektoren, kann über
die überzähligen Kontaktstifte eine
Kontaktierung auslesbarer Mittel 27 zur Speicherung sensorspezifischer
Daten erfolgen, die in das Sensorgehäuse eingebettet sind.