DE2748191B2

DE2748191B2 - Auswechselbarer Träger für einen Meßweitaufnehmer zur polarographischen Messung von Gasen in Flüssigkeiten, sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2748191B2
Application number: DE2748191A
Authority: DE
Inventors: Friis Knudsen Hoeruphav Ole (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-10-27
Filing date: 1977-10-27
Publication date: 1980-03-13
Also published as: GB2006965A; US4233143A; DE2748191A1; DK147774B; DK447578A; JPS5498699A; SE7811132L; DK147774C; JPS608743B2; DE2748191C3; GB2006965B; SE443658B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen auswechselbaren Träger für einen Meßwertaufnehmer zur polarographischen Messung von Gasen, insbesondere Sauerstoff, in Flüssigkeiten, der an einen Grundkörper des Meßwertaufnehmers befestigbar ist, mit einer an seiner Stirnseite auf einer Stützfläche angeordneten Kathode, einem mit einem Elektrolyten gefüllten Raum, sowie einer eine Stützfläche und den Elektrolytraum überdeckenden,

μ eine Gasdiffusion erlaubenden Membran, in dessen Inneren eine Anode in den Elektrolyten taucht und an dessen Rückseite sich ein Kathoden-Anschlußkontakt befindet, wobei der Elektrolytraum eine die Stützfläche umgebende Ringnut aufweist und die Stützfläche über

*"> den Rest der Stirnfläche vorsteht, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines eines Trägers.

Bei derartigen Meßwertaufnehmern bildet die Kathode eine polarisierte Elektrode. Wenn die Flüssigkeit, welcher die Membran Eiusgesetzt ist, ein Gas enthält, das

⁴⁽⁾ durch die Membran diffundieren kann, wird eine Depolarisierung der Elektrode erzeugt, die zu einem StromfluÖ führt, welcher eine Funktion des Partikaldruckes des Gases in der Flüssigkeit ist.

Bei einem bekannten Meßwertaufnehmer dieser Art

^4Γ> (US-PS 38 26 730) wird die Anode vom Grundkörper getragen. Sie ist exzentrisch angeordnet und ragt in eine rückseitige und vom Grundkörper verschlossene Ringnut des Trägers. Diese erste Ringnut ist über Kanäle mit einer stirnseitigen Ringnut verbunden. Beide

^r>» Ringnuten bilden den Elektrolytraum, der nur teilweise mit einem Elektrolyten gefüllt ist. Zum Austausch der Membran und der Kathode kann der Träger gegen einen gleichartigen neuen Träger ausgewechselt werden. Dabei ist jedoch sehr sorgfältig zu verfahren, damit

v> die frei aus dem Grundkörper herausragende Anode nicht verbogen wird. Außerdem ist dieser Meßwertaufnehmer gegen Druckschwankungen sehr empfindlich. Denn bei höheren Drücken der Flüssigkeit wird, weil das Luftpolster über dem Elektrolyten stark kompression bei ist, die Membran weit in den Elektrolytraum hineingedrückt. Es tritt eine Überdehnung auf, die eine rasche Alterung der Membran bewirkt. Bei einem Nachlassen des Drucks ist die Membran schlaff, so daß sich zwischen Stützfläche und Membran Gasblasen

h^r> ansammeln können. Insgesamt kann sich der Abstand zwischen Membran und der Kathode, der zur Erzielung genauer Meßergebnisse möglichst konstant bleiben soll,

Des weiteren ist ein Meßwertaufnehmer bekannt (DE-PS 22 08 281), bei dem die Membran zwischen der Schulter einer äußeren und der Stirnfläche einer inneren Hülse festgespannt ist, der Elektrolytraum zwischen der inneren Hülse und einem Schaft gebildet wird, der Schaft die Stützfläche trägt sowie innen die Kathode und außen die Anode aufweist und der Elektrolytraum nur teilweise mit einem Elektrolyten gefüllt ist Auch hierbei besteht die Gefahr, daß sich die Membran bei äußeren Druckerhöhungen überdehnt ι ο

Bei einem bekannten Meßwertaufnehmer (DE-OS 24 43 863) ist die Membran als dünne Schicht unmittelbar auf die Stirnfläche eines porösen, starren Körpers aufgebracht die darunter zumindest die Kathode und gegebenenfalls auch die Anode trägt

Die Poren dieses Körpers, der z. B. aus Sinterglas bestehen kann, und der dahinter liegende Raum sind vollständig mit dem Elektrolyten gefüll^f Hierbei ist zwar die Membran wegen der durchgehenden Abstützung weitgehend gegen Druckverformungen geschützt Eine Temperaturausdehnung des Elektrolyten kann jedoch zu einer Zerstörung bzw. zu einem Abheben der Membran führen. Diese Konstruktion erfordert aber ein kompliziertes Herstellungsverfahren, da auf dem porösen Körper zunächst eine Elektrode aus Metall niedergeschlagen werden muß und anschließend die Membran durch eine Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billig herstellbaren Meßwertaufnehmer der eingangs 6e- -'o schriebenen Art anzugeben, der gegen Druckschwankungen weitgehend unempfindlich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Menge des Elektrolyten so bemessen ist, daß der Elektrolytraum vollständig gefüllt, die Membran jedoch ss noch nicht von der Stützfläche abgehoben ist, und daß der Träger auch die Anode trägt und an seiner Rückseite einen Anoden-Anschlußkontakt aufweist.

Bei dieser Konstruktion dient der Elektrolyt der Abstützung der Membran, wenn diese durch einen stärkeren Druck beaufschlagt wird. Diese Aufgabe vermag der Elektrolyt zu übernehmen, da er weitgehend inkompressibel ist und den Elektrolytraum vollständig ausfüllt. Da der Träger einschließlich der Elektrolytfüllung auswechselbar ist, besteht auch keine Gefahr, daß bei der Auswechslung am Einbauort versehentlich die falsche Elektrolytmenge eingefüllt wird und daher die Meßgenauigkeit leidet. Der Benutzer braucht sich daher weder um den Elektrolyten, noch um die genaue Mengenbemessung noch um das Reinigen und sorgfälti- so ge Behandeln der Anode zu kümmern.

Besonders günstig ist es, wenn die Menge des Elektrolyten Ho bemessen ist, daß sich die Membran im Bereich des 'ilektrolytraumes etwas nach innen wölbt. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, daß auch eine w Temperaturaüsdehnung des Elektrolyten noch nicht dazu führt, daß die Membran von der Stützfläche abgehoben Wird. Der Abstand der Membran von der Kathode ist dahf nicht nur weitgehend druckunabhängig, sondern Auch weitgehend temperaturunabhängig. ho

Günstig ist es ferner, wenn die über den Rest der Stirnfläche Vorsehende Stützfläche eine scharfe Umfangskante iuifw^ist. Bei Druck- oder Temperaturänderungen veiforrrH sich lediglich der zwischen der scharfen Umfangskante und den befestigten Rand ω befindliche Mrtft'branenteil; der über der Stützfläche liegende Membfanenteil behält seine Lage praktisch unverändert bei.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Träger aus zwei Teilen, die dea Elektrolytraum begrenzen und beim Zusammenfügen verkleinern, und ferner ist ein verschließbarer Auslaß für den beim Verkleinern aus dem Elektrolytraum austretenden Elektrolytüberschuß vorgesehen. Man kann dann den Elektrolytraum vor dem Zusammenfügen der beiden Trägerteile mit dem Elektrolyten füllen. Beim Zusammenfügen wird dann automatisch der Elektrolytüberschuß aus dem Elektrolytraum herausgedrückt

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß der im wesentlichen rotationssymmetrische Träger aus einem ringförmigen Außenteil, an dem vorn die Membran befestigt ist und das hinten ein Innengewinde hat und einem Innenteil, das an einem Kopf vorn die Stützfläche aufweist und hinten an einer Platte ein Außengewinde trägt, besteht Zum Zusammenfügen werden Außenteil und Innenteil einfach ineinandergeschraubt

Hierbei kann das Außenteil im Anschluß an das Innengewinde eine Stufe aufweisen, gegen die die Platte des Innenteils anliegt Damit ist ein Elektrolytraum definierter Größe vorgegeben.

In Stufe oder Platte kann eine Ringnut mit einem elastischen O-Ring angeordnet sein. Dieser O-Ring dient als Verschluß, der wirksam wird, wenn der Elektrolytraum seine endgültige Größe erreicht.

In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn beim Zusammenfügen der beiden Trägerteile die Membran von außen in den Elektrolytraum gedrückt wird. Auf diese Weise ist es zulässig, daß der Verschluß, ζ. B. der O-Ring, schon wirksam wird, kurz bevor die beiden Teile ihre Endlage erreicht haben. Beim weiteren Zusammenfügen der beiden Teile kann dann kein Elektrolyt mehr austreten; diese Elektrolytmenge wird aber durch eine entsprechende Verformung der vorgespannten Membran aufgenommen, ohne daß diese sich von der Stützfläche abhebt. Das Einwärtsdrücken der Membran bringt ferner die Wölbung hervor, die zum Ausgleich einer Temperaturdehnung erwünscht ist Als Vorspannmittel kann man eine elastische Unterlage, z. B. ein Schaumgummistück oder dergleichen, verwenden, durch die die Membran in den Elektrolytraum gedrückt wird.

Das Gewinde kann außen mit Kitt abgedichtet werden. Dies kann zusätzlich zu der O-Ring-Dichtung erfolgen oder die Abdichtung allein bewirken. Außerdem führt der Kitt zu einer sicheren Festlegung der beiden Teile gegeneinander.

Die Kathode kann als, vorzugsweise vergoldete, Niete in den Kopf eingesetzt sein. Die Anode kann durch einen Draht, vorzugsweise aus Silber, gebildet sein, der um einen Platte und Kopf verbindenden Hals gewickelt ist. Auf diese Weise werden die beiden Elektroden auf vergleichsweise kleinem Raum, trotzdem aber gut isoliert voneinander untergebracht.

An der Rückseite des Innenteils können die Anoden- und Kathoden-Anschlußkontakte und an der Rückseite des Außenteils eine weitere O-Ring-Dichtung angeordnet sein. Letztere wird wirksam, wenn der Träger gegen eine Stützfläche des Grundkörpers gepreßt wird. Dies kann beispielsweise mittels einer Oberwurfmutter geschehen. Bei dieser Konstruktion sind die elektrischen Elenente auf das Innenteil und die Dichtungselemcnte auf das Außen teil konzentriert.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Trägers ist im Anspruch 13 angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargesteiiten Ausführunfisbeispiels näher

erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Meßwertaufnehmer mit auseinandergezogenen Teilen und

F i g. 2 eine vergrößerte Darstellung des Trägers.

Der in F i g. 1 veranschaulichte Meßfühler weist einen Grundkörper 1, einen Träger 2 und eine Überwurfmutter 3 auf. Wenn diese mit Hilfe ihres Innengewindes 4 auf ein Außengewindes des Grundkörpers 1 geschraubt wird, wird der Träger 2 zwischen der Stufe 6 der Überwurfmutter 3 und der Stirnfläche 7 des Grundkörpers 1 festgehalten.

Der Grundkörper 1 besteht aus einem Hauptteil 8 mit einem Gewindekopf 9, der mit einer flüssigkeitsdichten Durchführung 10 für ein Kabel 11 versehen ist, und einem über ein Gewinde 12 damit verbundenen Einsatz 13, der elektrische Anschlu3vorrichtungen 14 zum Anschließen mehrerer Leitungen 15 und im Bereich der Stirnfläche 7 zwei Kontaktfedern 16 aufweist, die mit zugehörigen Anschlußvorrichtungen 14 verbunden sind. Der hohle Innenraum 17 ist ferner mit einem Stopfen 18 verschlossen. Die weiteren Leitungen 15 können beispielsweise als Zu- und Ableitung zu einem oder mehreren Thermistoren dienen, welche mit den Kontakten 16 in thermischem Kontakt stehen, damit in der zugehörigen Auswerteschaltung der Einfluß der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann.

Der Träger 2 ist vergrößert in F i g. 2 dargestellt. Er besteht aus einem ringförmigen Außenteil 19 und einem Innenteil 20, das aus einer Platte 21, einem Hals 22 und einem Kopf 23 besteht. Letzterer bildet an seiner Stirnseite eine Stützfläche 24, die durch eine scharfe Kante 25 begrenzt ist und in der Mitte eine Kathode 26 in der Form einer vergoldeten Niete trägt. Die Anode 27 in Form eines Silberdrahtwickeis ist um den Hals 22 gelegt An der Rückseite der Platte 21 gibt es einen Kathoden-Anschlußkontakt 28 und einen Anoden-Anschlußkontakt 29. Die Platte 21 ist über ein Gewinde 30 mit dem Außenring 19 verbunden und so weit eingeschraubt, bis sie an einer Stufe 31 zur Anlage kommt. In dieser Stufe ist eine Ringnut 32 vorgesehen, in der sich eine O-Ring-Dichtung 33 befindet. An der vorderen Stirnseite 34 des Außenrings 19 ist eine diffusionsbestimmende Membran 35 befestigt, die die Stützfläche 24 und damit auch die Kathode 26 überdeckt Zwischen Außenteil 19, Innenteil 20 und Membran 35 befindet sich ein Elektrolytraum 36, der vollständig mit einem Elektrolyten 37 gefüllt ist. Die Menge dieses Elektrolyten ist so bestimmt, daß die Membran 35 zwischen der Stirnfläche 34 des Außenteils 19 und der scharfen Kante 25 der über diese Stirnfläche 34 vorstehenden Stützfläche 24 nach innen gewölbt ist. Der so fertiggestellte Träger 2 bildet eine funktionsfähige Kapsel, die mittels der Überwurfmutter 3 an den Grundkörper 1 angepreßt wird, wobei eine in einer Nu 38 angeordnete O-Ring-Dichtung 39 gegen die Stirnflä ehe 7 des Grundkörpers zur Anlage kommt und dit Anschlüsse 28 und 29 mit der Kontaktfeder 16 ir Kontakt treten. Alsdann ist der Meßwertaufnehmei betriebsbereit

Die Herstellung des auswechselbaren Trägers 2 gehl wie folgt vonstatten: Es wird das Außenteil 19 mit der daran befestigten Membran 25 fertiggestellt. Es wird

ίο das Innenteil 20 mit Kathode 26 und Anode 27 fertiggestellt. Dann wird der Innenraum des Außenteils 19 mit einem Elektrolyten 37 gefüllt. Alsdann wird das Innenteil 20 eingeschraubt, wobei die Membran 35 durch eine elastische Unterlage, z. B. aus Schaumgummi, abgestützt ist. Während des Einschraubens wird überschüssiger Elektrolyt über das Gewinde 30 nach außen gedrückt, bis die Platte 2! die O-Ring-Dichtung 33 genügend stark zusammendrückt um eine Abdichtung zu erzielen. Dies geschieht jedoch erst kurz vor Erreichen der Endlage, die durch den Anschlag an der Stufe 31 definiert ist Während dieser kurzen Bewegung kann kein Elektrolyt mehr entweichen; vielmehr erfolgt eine Verlagerung der Membran 35, die aber aufgrund der mittels der elastischen Unterlage aufgebrachten Vorspannung immer noch eine Wölbung nach innen aufweisen kann. Abschließend wird das Gewinde 30 mit Kitt z. B. einem Kunststoffkitt verschlossen. Außenteil 19 und Innenteil 20 bestehen aus einem Isolierstoff, der gespritzt werden kann.

Der fertiggestellte Meßwertaufnehmer kann in den unterschiedlichsten Wassertiefen benutzt werden. Der steigende Druck führt nicht zu einer unzulässigen Verformung der Membran 35, da diese in dem freien Bereich oberhalb des Elektrolytraums 36 durch den inkompressiblen Elektrolyten 37 abgestützt ist. Des weiteren kann der Meßwertaufnehmer bei sehr unterschiedlichen Temperaturen benutzt werden. Eine Zusammenziehung oder Ausdehnung des Elektrolyten 37 aufgrund einer solchen Temperaturänderung führt lediglich zu einer mehr oder weniger starken Wölbung der Membran 35. Die Verhältnisse innerhalb der scharfen Kante 25 bleiben dagegen praktisch unverändert Insbesondere bleibt der Abstand zwischen Membran und Kathode 26 weitgehend konstant

-»5 Statt der Überwurfmutter 3 kann eine Kappe verwendet werden, die auf den Einsatz 13 aufgeschnappt wird. Es ist auch möglich, den Anschlußkontakt 28 durch den Kopf eines durchgehenden massiven Niets oder Bolzens zu bilden, dessen Schaft in einer

so glatten Bohrung verklebt und dessen die Kathode bildende Stirnfläche feingeschliffen und nachvergoldet ist

Kierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Auswechselbarer Träger für einen Meßwertaufnehmer zur pornographischen Messung von Gasen, insbesondere Sauerstoff, in Flüssigkeiten, der an einen Gnindkörper des Meßwertaufnehmers befestigbar ist, mit einer an seiner Stirnseite auf einer Stützfläche angeordneten Kathode, einem mit einem Elektrolyten gefüllten Raum, sowie einer eine Stützfläche und den Elektrolytraum überdeckenden, eine Gasdiffusion erlaubenden Membran, in dessen Inneren eine Anode in den Elektrolyten taucht und an dessen Rückseite sich ein Kathoden-Anschlußkontakt befindet, wobei der Elektrolytraum eine die Stützfläche umgebende Ringnut aufweist und die Stützfläche über den Rest der Stirnfläche vorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Elektrolyten (37) so bemessen ist, daß der Elektrolytraum (36) vollständig gefüllt ist, die Membran jedoch noch nicht von der Stützfläche (34) abgehoben ist, und daß der Träger auch die Anode (27) trägt und an seiner Rückseite einen Anoden-Anschlußkontakt (29) aufweist.

2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Elektrolyten (37) so bemessen ist, daß sich die Membran (35) im Bereich des Elektrolytraumes (36) etwas nach innen wölbt.

3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die über den Rest (34) der Stirnfläche vorstehende Stützfläche (24) eine scharfe Umfangskante (25) aufweist.

4. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Teilen (19, 20) besteht, die den Elektrolytraum (36) begrenzen und beim Zusammenfügen verkleinern, und daß ein verschließbarer Auslaß für den beim Verkleinern aus dem Elektrolytraum austretenden Elektrolytüberschuß vorgesehen ist.

5. Träger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen rotationssymmetrisch ist und aus einem ringförmigen Außenteil (19), an dem vorn die Membran (35) befestigt ist und das hinten ein Innengewinde hat, und einem Innenteil (20), das an einem Kopf (23) vorn die Stützfläche (24) aufweist und hinten an einer Platte (21) ein Außengewinde trägt, besteht.

6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenteil (19) im Anschluß an das Innengewinde eine Stufe (31) aufweist, gegen die die Platte (21) des Innenteils (20) anliegt.

7. Träger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (31) oder Platte (21) eine Ringnut (32) mit einem elastischen O-Ring angeordnet ist.

8. Träger nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (30) außen mit Kitt abgedichtet ist.

9. Träger nach einem der Ansprüche 5 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) als, vorzugsweise vergoldete, Niete in den Kopf (23) eingesetzt ist.

10. Träger nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (27) durch einen Draht (27), vorzugsweise aus Silber, gebildet ist, der um einen Platte und Kopf verbindenden Hals (22) gewickelt ist.

11. Träger nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite des Innenteils ί20ί Hie Anoden- und Kathoden-Anschlußkontakte (28, 29) und an der Rückseite des Außenteils (19) eine weitere Q-Ring-Dichtung (39) angeordnet ist

12. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels einer

Überwurfmutter (3) an eine Stützfläche (7) des Grundkörpers (1) preßbar ist

13. Verfahren zur Herstellung eines Trägers nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet daß der Elektrolytraum vor dem Zusammenfügen der beiden Trägerteile mit dem Elektrolyten gefüllt und die Membran beim Zusammenfügen von außen in den Elektrolytraum gedrückt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran beim Zusammenfügen mittels einer elastischen Unterlage abgestützt ist