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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Bauteils eines potentiometrischen Sensors zur pH-Bestimmung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen potentiometrischen Sensor.
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Bekannter Stand der Technik ist die Bearbeitung von Weichglas-Röhrchen für die Herstellung einer Trägergeometrie für das Membrananblasen von Glas-Sensoren zur pH-Wertbestimmung mit Kugelmembranen. Bisher erfolgte die Bearbeitung mit einer Gasflamme und mittels eines Werkzeugs wobei hier Formrollen und Dorne verwendet werden. Als Trennmittel wird ein spezielles Öl genutzt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine definierte Verbindung zwischen einem inneren Schaftrohr und einem Außenrohr zu schaffen, welche mit geringem Aufwand und hoher Stückzahl fertigbar ist.
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Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das Bereitstellen eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ausbildung eines Bauteils eines potentiometrischen Sensors zur pH-Bestimmung.
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Das Bauteil umfasst ein inneres Schaftrohr und ein damit verbundenes Außenrohr wobei zumindest das Schaftrohr, und vorzugsweise auch das Außenrohr, im Wesentlichen aus Glas bestehen. Im Wesentlichen bedeutet, dass auch Teilabschnitte aus Keramik oder anderen Materialien gefertigt sein können. Dies betrifft u.a. den Bereich eines Diaphragmas, wie es standardmäßig in pH-Elektroden vorkommt. Das Außenrohr oder das innere Schaftrohr aus Glas braucht sich zudem auch nur über einen unteren Teilbereich des Sensors zu erstrecken und kann in einem oberen Teilbereich in ein Keramikrohr übergehen.
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Das Verfahren dient insbesondere der Ausbildung einer Verbindung zwischen dem inneren Schaftrohr dem Außenrohr des potentiometrischen Sensors zur pH-Bestimmung.
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Es umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellen des Außenrohres und des inneren Schaftrohres mit einer endständigen radialen Auskragung; und
- b. Einsetzen und Verbinden der radialen Auskragung des inneren Schaftrohres mit dem Außenrohr unter Bereitstellung des vorgenannten Bauteils.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass anstelle des bisherigen Einsatzes einer Gasflamme zum Bereitstellen der radialen Auskragung nunmehr eine Laserbehandlung erfolgt. Dabei wird das innere Schaftrohr während der Laserbehandlung in Rotation versetzt, so dass sich das geschmolzene Glas nach außen zu der Auskragung ausformt bzw. ausbildet.
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Die Vorteile dieser Verarbeitung liegen in einem Einsparen von Werkzeugen, in einer geringeren Verschmutzung und in einer höheren Genauigkeit der Verbindung. Insbesondere die höhere Genauigkeit der Verbindung kann auch am finalen Produkt identifiziert werden, so dass eine Produktanalyse Rückschlüsse auf das Herstellverfahren zulässt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Laserbehandlung kann vorteilhaft mit einem CO2-Laser erfolgen.
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Die Laserbehandlung kann insbesondere mit einem Laser mit einer Maximalleistung von zumindest 200 W, insbesondere zumindest 500 W, erfolgen, so dass eine punktegenaue und hohe Erwärmung des Glases möglich ist.
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Die Drehzahl der Rotation des Schaftrohres während der Laserbehandlung kann zumindest 500 U/min betragen. Dabei werden hinreichend Fliehkräfte entwickelt, welche den Glasfluss in radialer Richtung und eine Umformung ermöglichen.
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Die Steuerung der Laserbehandlung kann vorteilhaft durch Wobbeln erfolgen.
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Die Laserbehandlung und/oder Rotation kann durch ein Bildverarbeitungssystem in Abhängigkeit eines oder mehrerer aufgenommenen Bildern der radialen Auskragung während der Laserbehandlung erfolgen. Die Bildaufnahme kann insbesondere in diskreten Zeitabständen erfolgen. Je nach Kontur kann z.B. eine Leistungsregelung des Lasers und/oder eine Anpassung der Rotationsgeschwindigkeit erfolgen.
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Das Bereitstellen des inneren Schaftrohres kann durch einen Programmablauf erfolgen, welcher die folgenden Schritte umfasst:
- i. Vorwärmen des Schaftrohres durch Laserbestrahlung;
- ii. Aufschleudern des Schaftrohres unter Ausbildung der radialen Auskragung; und
- iii. Nachwärmen des Schaftrohres.
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Dieser Programmablauf vermeidet die Ausbildung von Spannungen im Material. Dabei kann je nach Glassorte und Glasdicke ein unterschiedlicher Programmverlauf mit entsprechenden Temperaturgradienten gewählt werden.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist ein potentiometrischer Sensor zur Ermittlung eines pH-Wertes, insbesondere Einstabmesskette, umfassend ein erfindungsgemäßhergestelltes Bauteil.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist in keinster Weise beschränkend für den Gegenstand der Erfindung zu verstehen. Insbesondere sind auch mehrere Einzelmerkmale der nachfolgend Ausführungsvarianten von erfindungsgemäßen potentiometrischen Sensoren im Kontext der vorliegenden Erfindung auch gesondert und losgelöst vom Ausführungsbeispiel zu verstehen. Es zeigen:
- 1 eine Schnittansicht eines Schaftrohres eines Sensors einer potentiometrischen Einstabmesskette, mit einem endständigen Übergangsbereich;
- 2 eine Schnittansicht eines Teilbereichs eines in einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils für einen Sensor; und
- 3 ein schematischer Verfahrensablauf eines Herstellungsverfahrens des Zwischenproduktes.
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Das in 2 dargestellte Zwischenprodukt dient als Bauteil eines potentiometrischen Sensors zur pH-Messung. Nachfolgend erfolgt zunächst eine Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus eines an sich bekannten potentiometrischen Sensor zur pH-Messung, der als Einstabmesskette ausgestaltet sein kann. Der Sensor umfasst typischerweise einen rohrförmigen äußeren Elektrodenschaft, nachfolgend auch Außenrohr genannt, der in einem unteren Teilbereich mit einem inneren Schaftrohr verbunden ist. Der untere Teilbereich des Elektrodenschaftes ist mit einer pHsensitiven Glasmembran verbunden.
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Das innere Schaftrohr und die Glasmembran oder das Außenrohr bilden eine erste Kammer, in der ein Innenelektrolyt, z.B. eine Pufferlösung, aufgenommen ist. In den Innenelektrolyten taucht ein Ableitelement ein, das mit einer Messschaltung elektrisch leitend verbunden ist. Zwischen dem inneren Schaftrohr und dem Elektrodenschaft ist eine Ringkammer gebildet, in der ein über ein als elektrochemische Überführung dienendes Diaphragma mit einem das vordere Ende des Sensors umgebenden Messmedium in Kontakt stehender Bezugselektrolyt enthalten ist.
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Bei dem Bezugselektrolyten kann es sich beispielsweise um eine hochkonzentrierte, z.B. 3 molare, KCI-Lösung handeln. In den Bezugselektrolyten taucht in ein Bezugselement ein, das elektrisch leitend mit der Messschaltung verbunden ist. Bezugselement und Ableitelement können im vorliegenden Beispiel als chlorierte Silberdrähte ausgestaltet sein.
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An seinem rückseitigen, dem mit der Glasmembran verbundenen Endabschnitt entgegengesetzten Ende ist der rohrförmige äußere Elektrodenschaft und das innere Schaftrohr flüssigkeitsdicht verschlossen. Die Messschaltung ist in einem auf den Elektrodenschaft rückseitig aufgesetzten Elektronikgehäuse untergebracht. Sie ist dazu ausgestaltet, eine Potentialdifferenz zwischen dem Ableitelement und dem Bezugselement zu erfassen und ein diese Potentialdifferenz repräsentierendes Messsignal zu erzeugen. Das Messsignal kann über die Kabelverbindung an eine übergeordnete Datenverarbeitungseinrichtung, z.B. einen Transmitter, einen Messumformer, einen Computer oder eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgegeben werden.
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Das innere Schaftrohr ist in einem Übergangsbereich mit der Glasmembran und/oder dem Außenrohr verbunden. Dies geschieht z.B. durch Eintauchen des Schaftrohres in eine flüssige Glasschmelze und einem anschließenden Ausformen der Glasschmelze zu einer Kugelform. In jedem Fall existiert ein Verbindungsbereich zwischen dem inneren Schaftrohr und dem Außenrohr, wobei der Verbindungsbereich auch zugleich der Übergangsbereich sein kann.
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Mehrere der vorbeschriebenen Einstab-Messketten werden als pH-Sensoren, z.B. als Memosens CPS 31D, von der Anmelderin verkauft.
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1 zeigt ein Schaftrohr 1 aus Glas zum Einsatz als inneres Schaftrohr in einer vorbeschriebenen Einstab-Messkette. Zur Herstellung eines Bauteils 13 der 2 wird das innere Schaftrohr 1 mit einer endständigen radialen Auskragung 2 ausgebildet. Diese radiale Auskragung 2 ist gegenüber einer zylindrischen Rohrfläche 3 des Schaftrohres radial nach außen gebogen. Die Auskragung weist einen Radius von 0.5 auf und ist gegenüber der Rohrfläche 3 um zumindest 45°, vorzugsweise zumindest 70° nach außen gebogen.
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In 2 ist ein Bauteil 13 einer Einstab-Messkette mit dem Schaftrohr 1 der 1 dargestellt. Dabei wird zunächst ein Außenrohr 4 mit einem Unterteil 5 ausgebildet, wobei das Unterteil 5 eine geschlossene Glasfläche 6 mit einem Kanal aufweist, in welchem ein Ableitelement 7 zum Abgriff eines Messsignals angeordnet ist. Der Kanal ist mit Innenelektrolyt befüllbar.
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Dieses Ableitelement 7 erstreckt sich durch die Glasfläche 6 bis in eine Kammer 8, welche durch eine Messmembran 9 und die Glasfläche 6 gebildet ist. Die Messmembran 9 kann als Glasmembran ausgebildet sein.
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In der Kammer 8 und im inneren Schaftrohr 1 ist typischerweise, wie zuvor beschrieben, ein Innenelektrolyt 12 angeordnet.
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Das innere Schaftrohr 1 ist innerhalb des Außenrohres 4, insbesondere coaxial dazu, angeordnet. Die Auskragung 2 ist dabei innenseitig mit dem Außenrohr 4 verbunden.
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Zwischen dem inneren Schaftrohr und dem Außenrohr 4 ist eine Ringkammer 10 gebildet, in der ein über ein als elektrochemische Überführung dienendes Diaphragma 11 mit einem das vordere Ende des Sensors umgebenden Messmedium in Kontakt stehender Bezugselektrolyt enthalten ist. In der Ringkammer ist ein im Zwischenprodukt der 2 nicht-dargestelltes Bezugselement angeordnet, welches in einen Bezugselektrolyten eintaucht. Die Anordnung und Funktion der Ringkammer 10, des Bezugselektrolyten und des Bezugselements sind, wie eingangs beschrieben, bekannt und bei einer großen Anzahl von Einstab-Messketten realisiert.
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3 zeigt ein Ablaufschema zur Ausbildung des Zwischenproduktes der 2.
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Das Bereitstellen des Außenrohres umfassend die Ausbildung des Unterteils 5 ist ein erster Verfahrensschritt 100 und kann durch Verschmelzen des Außenrohres in diesem Bereich erfolgen.
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Zeitgleich oder vor oder nach dem ersten Verfahrensschritt, kann in einem zweiten Verfahrensschritt 200 die Ausbildung der Auskragung 2 des inneren Schaftrohres 1 erfolgen.
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Die Maßhaltigkeit des inneren Schaftrohres 1 und insbesondere der geformten Auskragung 2, ist maßgeblich für die Qualität der Einstabmesskette. Bereits kleinste Abweichungen sind im späteren Verfahrensschritt des Verbindens des Schaftrohres 1 mit dem Außenrohr 4 spürbar und können auch die Messperformance beeinflussen.
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Sodann wird das innere Schaftrohr 1 in das Außenrohr 4 eingesetzt, so dass die Auskragung 2 an der Wandung des Außenrohres anliegt und anschließend wird das Schaftrohr 1 mit dem Außenrohr 4 mediumsdicht in einem dritten Verfahrensschritt 300 verbunden, insbesondere verschmolzen.
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Die Herstellung des inneren Schaftrohres in Schritt 200 und des Zwischenproduktes in Schritt 300 kann insbesondere mit einer geringeren Anzahl von Werkzeugen oder gänzlich ohne Werkzeuge erfolgen.
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Insbesondere der Schritt 200 wird nachfolgend im Detail erläutert. Die tellerförmige Auskragung 2 am inneren Schaftrohr 1 wurde bislang zumeist mit Hilfe einer Gasflamme erzeugt.
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Die Gasflamme wird in diesem Verfahrensschritt 200 erfindungsgemäß durch einen Laser, insbesondere einen CO2-Laser, ersetzt.
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Während der Laserbestrahlung 210 erfolgt eine Rotation 220 des inneren Schaftrohres, so dass geschmolzenes Glas aufgrund der Radialkräfte nach außen getragen wird. Die Rotation 220 kann durch eine rotierende Spindel einer Rotationsvorrichtung erfolgen, an welcher das Schaftrohr 1 während der Laserbestrahlung festgelegt ist.
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Die Spindel kann mit einer Spannzange zur Festlegung des Schaftrohres für die Erzeugung einer hohen Drehzahl verwendet werden, mit deren Hilfe das erwärmte Material sich durch die Radialbewegung aufschleudern lässt. Damit ist die Bearbeitung und Herstellung der Geometrie ohne zusätzliches Werkzeuge möglich.
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Durch die punktgenaue Fokussierung des Laserstrahles kann das Glas so aufgewärmt und erweicht werden, dass sich bei Drehzahlen oberhalb von 500 U/min der Rohrdurchmesser vergrößert und sich im Laufe des Prozesses die tellerförmige Auskragung 2 ausbildet.
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Bevorzugtes Glas für diese Anwendung als Material des inneren Schaftrohres 1 ist Weichglas, vorzugsweise bleifreies Glas in Form von Kalknatronglas.
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Als bevorzugter Laser kann ein CO2-Laser mit einer Wellenlänge zwischen 9,5 bis 11 pm eingesetzt werden.
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Die Maximalleistung des Lasers beträgt zumindest 200 W, vorzugsweise zumindest 500W.
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Die maximale Spindeldrehzahl der Spindel kann vorzugsweise zumindest 1500 U/min, vorzugsweise zumindest 3000 U/min betragen. Die erwärmte Rohrlänge kann weniger als 7 mm, vorzugsweise zwischen 3 - 5 mm betragen.
Bevorzugt kann die Laserbestrahlung 210 gesteuert werden. Die Lasersteuerung 210 erfolgt bevorzugt derart, dass ein sogenanntes,,Wobbeln“ erzeugt wird. Als Wobbeln wird eine frequenzartige Bewegung des Laser beschrieben.
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Zusätzlich kann in einer Steuereinheit des Lasers und der Rotationsvorrichtung durch eine Software ein Programmablauf durchgeführt werden werden, der die Bahnbewegung des Bearbeitungspunktes abbildet. Dieser Programmablauf lässt sich in einzelne Bausteine der Bearbeitung untergliedern, vorzugsweise zumindest in die Schritte:
- i Vorwärmen,
- ii Aufschleudern,
- iii Nachwärmen.
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Die Prozessregelung und Prozesskontrolle kann durch ein Bildverarbeitungssystem erfolgen, welches die Ausbildung der Glasgeometrie, also der Auskragung 2, während der Laserbehandlung 210 und Rotation 220 in Schritt 200 überwacht. Die Prozessregelung kann sodann die Drehzahl und/oder die Laserleistung nach vorherdefinierte Sollwerten für verschiedene erwünschte Auskragungsgeometrien regeln.
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Am Ende der Bearbeitung kann ein Vergleichsbild der gesamten Kontur der Auskragung 2 oder auch Teilausschnitte davon erstellt werden. Mit dieser Messung können Rückschlüsse für die Fertigung des nächsten Schaftrohres oder die nächsten Schaftrohre gezogen werden. Vorzugsweise werden die Daten der Vergleichsbilder des letzten Teils bzw. Schaftrohres verwendet, sowie die Daten über die letzten z.B. fünf Teile gemittelt. Beide Datensätze können dann für die Anpassung der Laserleistung oder die Laserposition für bestimmte Prozessschritte in Grenzen verändert werden.
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Nach der Bereitstellung des Zwischenproduktes nach Schritt 300 kann die Befüllung der jeweiligen Kammern mit Innenelektrolyt, Außenelektrolyt, und entsprechenden Elektroden, z.B. dem Bezugselektrolyten erfolgen und ein Zusammensetzen mit einer Messelektronik unter Bereitstellung des finalen Sensors bzw. der Einstabkette.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Inneres Schaftrohr
- 2
- Auskragung
- 3
- Rohrfläche
- 4
- Außenrohr
- 5
- Unterteil
- 6
- Glasfläche
- 7
- Ableitelement
- 8
- Kammer
- 9
- Messmembran
- 10
- Ringkammer
- 11
- Diaphragma
- 12
- Innenelektrolyt
- 13
- Bauteil
- 100
- Bereitstellen des Außenrohres
- 200
- Bereitstellen des inneren Schaftrohres
- 210
- Laserbestrahlung
- 220
- Rotation des Schaftrohres
- 300
- Einstecken und Verbinden
