DE2748191C3 - Auswechselbarer Träger für einen Meßwertaufnehmer zur polarographischen Messung von Gasen in Flüssigkeiten, sowie Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen auswechselbaren Träger für einen Meßwertaufnehmer zur polarographischen Messung von Gasen, insbesondere Sauerstoff, in Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs und auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Trägers.

Bei derartigen Meßwertaufnehmern bildet die Katho de eine polarisierte Elektrode. Wenn die Flüssigkeit, welcher die Membran ausgesetzt ist. ein Gas enthält, das durch die Membran diffundieren kann, wird eine Depolarisierung der Elektrode erzeugt, die zu einem Stromfluß führt, welcher eine Funktion des Partikaldruckes des Gises in der Flüssigkeit ist.

Bei einem bekannten Träger dieser Art (DE-PS 16 48 845) ist die Kathode und die zugehörige Stützfläche gewölbt. Während die Kathode über die den Außenrand der Membran haltenden Ringfläche vorsteht, ist tier Umfangsrand der Stützfläche gegenüber der Ringflächc zurückgesetzt. Schon geringfügig unterschiedliche Hinbaulagen führen zu einer unterschiedlichen Überdeckung der Kathode und damit zu unterschiedlichen Meßwerten. Auch bei Druckschwankungen von außen bzw. von innen ändert sich die Anlage der Membran an der Stützfläche und damit das Meßergebnis. Wie weit der ringförmige Elektrolytraum mit ILIektrolylflüssigkeit gefüllt ist. läßt sich der Literaturstcllc nicht entnehmen.

Bei einem anderen bekannten Meßwertaufnehmer (US-PS 38 26 730) wird die Anode vom Grundkörper getragen. Sie ist exzentrisch angeordnet und ragt in nine rückseitige und vom Grundkörper verschlossene Ringnut des Trägers. Diese erste Ringnut ist über Kanäle mit einer stirnseitige η Ringnut verbunden. Beide Ringnuten bilden den Elektrolytraum, der nur teilweise mit einem F.lektrolyten 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 die frei aus dem Grundkörper herausragende Anode nicht verbogen wird. Außerdem ist dieser Meßwertauf nchmer gegen Druckschwankungcn sehr empfindlich Denn bei höheren Drücken der Flüssigkeit wird, wei das Luftpolster Über dsm Elektrolyten stark kompressi bei ist, die Membran weit in den Elektrolytrau hineingedrückt. Es tritt eine Überdchnung auf, die ein rasche Alterung der Membran bewirkt. Bei eine Nachlassen des Drucks ist die Membran schlaff, so da sich /wischen Stützfläche und Membran Gasblase ansammeln können. Insgesamt kann sich der Abstan zwischen Membran und der Kathode, der zur flr/ielun genauer Meßergebnisse möglichst konstant bleiben sol

•echt erheblich ändern.

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.

Bei einem bekannten MeQwertaufnehmer (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 ι 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 gefüllt. Hierbei ist zwar die Membran wegen der durchgehenden Abstützung weitgehend gegen Drjckverformungen geschützt. Eine Temperaturausdehnung des Elektrolyten 'rann 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.

Bekannt ist auch ein anderer Typ eines Meßwertaufnehmers (US-PS 37 67 552), bei dem sich eine gelochte Kathode über die gesamte Stirnfläche erstreckt und als Stützfläche für die gesamte Membran dient. Der F.Iektrolytraum ist vollständig mit tlekirolytflüssigkeit gefüllt, jedoch auf der gegenüberliegenden Seite durch eine sehr weiche Expansionsmembran abgeschlossen, so daß Volumenänderungen aufgrund einer Temperaturerhöhung die Membran nicht von der Kathode abheben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billig herstellbaren Mt'ßwertaufnehmer der eingangs beschriebenen Art anzugeben, der gegen Druckschwankungen weitgehend unempfindlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgetnäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

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 Mengenbemessurig noch um das Reinigen und sorgfältige Behandeln der Anode zu kümmern.

Bei aufgrund von Temperaturänderungen auftretenden Änderungen des Innendrucks verformt sich lediglich der zwischen der scharfen Umfangskante und dem befestigten Rand befindliche Membranenteil; der über der Stützfläche liegende Membranenteil behält seine Lage praktisch unverändert bei. Die Lage der Umfangskante mit Bezug auf die Stützfläche hat darüber hinaus den Vorteil, dall auch bezüglich der Linbaulage Toleranzen zulässig sind.

Besonders günstig ist e·:, wenn die Menge des Elektrolyten so bemessen ist, daß sich die Membran im Bereich des Elektrolytraumes etwas nach innen wölbt. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, daß auch eine Temperaturausdehnung des Elektrolyten noch nicht dazu führt, daß die Membran von der Stützfläche abgehoben wird. Der Abstand der Membran von der Kathode ist daher nicht nur weitgehend druckunabhängig, sondern auch weitgehend temperaturunabhängig.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Träger aus zwei Teilen, die den 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 Membrpr befestigt ist und das hinten ein Innengewinde ha\. und einem Innenteil, das an einem Kopf vorn die Stützfläche aufweist und hinten an einer Platte ein Außengewinde trägt, besteht. Zum Zusammenfügen werden Außenteii 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.

ι 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 ι Zusammenfügen der beiden Trägerteile die Membran von außen in den Elektrolytraum gedrückt wird. Auf diese Weise ist es zulässig, daß der Verschluß, z. 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 ElektroKt mehr austreten; diese Elektrolytmenge wird aber durch eine entsprechende Verformung der vorgespannten Membran aufgenommen, ohne daß diese sich von der Stützfläche abhebt. Das Einwärtsdrücken i 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 i gedrückt wird.

Das Gewinde kann außen mit Kitt abgedichtet werden. Dies kann zusätzlich zu der O-Ring-Dichtung erfolgen "der 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 Pla.te und Kopf verbindenden Hals ii 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 Außentcils eine weite.'e O-Ring-Dichtung angeordnet sein. Letztere wird wirksam, wenn der Träger gegen eine Stützfläche des Grundkörpers gepreßt wird. Dies kann beisDielsweise mittels einer Überwurfmutter

geschehen. Bei dieser Konstruktion sind die elektrischen Elemente auf das Innenteil und die Dichtungselcmentc auf das Außenteil konzentriert.

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbcispiels näher erläutert. Es zeigt

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

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 Außengewinde 5 des Grundkörpers 1 geschraubt ι ■> wird, wird der Träger 2 zwischen der Stufe 6 der Überwurfmutter 3 und der Stirnfläche 7 des Grundkörpers 1 festgehalten.

Der Grundkörper ϊ besteht aus einem Hauptteil 8 mit einem Gewindekopf 9. der mit einer flüssigkeitsdichten :o Durchführung 10 für ein Kabel ti versehen ist, und einem über ein Gewinde 12 damit verbundenen Einsatz 13, der elektrische Anschlußvorrichtungen 14 zum Anschließen mehrerer Leitungen 15 und im Bereich der Stirnfläche 7 zwei Kontaktfedern 16 aufweist, die mit >j 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 m Kontakten 16 in thermischem Kontakt stehen, damit in der zugehörigen Auswerteschaltung der Einfluß der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann.

Der Träger 2 ist vergrößert in Fig. 2 dargestellt. Er besteht aus einem ringförmigen Außenteil 19 und einem js Innenteil 20, d:is aus einer Platte 21, einem Hals 22 und einem Kopf Z3 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 Silberdrahtwickels 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 Auflenring 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 einer Ringfläche 34 an der vorderen Stirnseite des Außenrings 19 ist eine diffusionsbestimmende Membran 35 so befestigt, die die Stützfläche 24 und damit auch die Kathode 26 überdeckt. Zwischen AuBentei! 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 5ϊ Membran 35 zwischen der Ringfläche 34 des Außenteils 19 und der scharfen Kante 25 der über diese Ringfläche 34 vorstehenden Stützfläche 24 nach innen gewölbt ist. Der so fertiggestellte Träger 2 bildet eine funktionsfähige Kapsel, die mittels der Überwurfmutter 3 an den t>o Grundkörper 1 angepreßt wird, wobei eine in einer Nut 38 angeordnete O-Ring-Dichtung 39 gegen die Stirnfläche 7 des Grundkörpers zur Anlage kommt und die Anschlüsse 28 und 29 mit der Kontaktfeder 16 in Kontakt treten. Alsdann ist der Meßwerlauinehmcr be- b5 triebsbereii.

Die Herstellung des auswechselbaren Trägers 2 geht wie folgt vonstatten: Es wird das Außenteil 19 mit der daran befestigten Membran 25 fertiggestellt. Ia wird das Innenteil 20 mit Kathode 26 und Anode 27 fertiggestellt. Dann wird der Innenraum des Außcnteils 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 gedruckt, bis die Platte 21 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 Kunststoff kitt, verschlossen. Auöenteii 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 Temperaluren benutzt werden. Eine Zusammenziehung oder Ausdehnung des Elektrolyten 37 aufgrund einer solchen Tempcraturänderung 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.

Siait der Überwurfrnuiier 3 kann eins 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 glatten Bohrung verklebt und dessen die Kathode bildende Stirnfläche feingeschliffen und nachvergoldet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

1. Patentansprüche:

   !.Auswechselbarer Träger für einen Mcßwcrtaufnehtner zur polarographischen Messung von Gasen, insbesondere Sauerstoff, in Flüssigkeiten, der an ei- -■> nen Grundkörper des Meßwertaufnehmers befestigbar ist, mit einer stirnseitigen Stützfläche, einem mit einem Elektrolyten gefüllten, ringförmigen Elcktrolytraum, der die Stützfläche umgibt, einer auf der Stützfläche angeordneten Kathode, einer im Elek- m trolytraum angeordneten und vom Träger gehaltenen Anode, einem Kathoden-Anschlußkontakt und einem Anoden-Anschlußkontakt an der Trägerrückseite und einer die Stützfläche und die offene Seile des ringförmigen Elektrolytraumes überdeckenden, ι ί am Rand auf einer Ringflächc gehaltenen Membran, die eine Gasdiffusion erlaubt, wobei die Stützfläche über die Ringfläche vorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützfläche (24) eine scharfe, über die Ringfläche (34) vorstehende Um- .>" fangskante (25) aufweist und die Menge des Elektrolyten (37) so bemessen ist, daß der Elektrolytraum (36) vollständig gefüllt ist, die Membran (35) jedoch noch nicht von der Stützfläche abgehoben ist.
2. 2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge di-s Elektrolyten (37) so bemessen ist, daß sich die Membran (35) im Bereich des Elektrolytraumes (36) etwas nach innen wölbt.
3. 3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei Teilen (19, 20) be- in Steht, die den Elektrolytraum (36) begrenzen und beim Zusammenfegen ve'Jcincrn, und daß ein verschließbarer AuslaP für den beim Verkleinern aus dem Elcktrolyiraum austv :endcn Klcktrolylübcrschuß vorgesehen ist. r.
4. 4. Träger nach Anspruch 3. 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 4i> an einem Kopf (23) vorn die Stützfläche (24) aufweist und hinten an einer Platte (21) ein Außengewinde trägt, besteht.
5. 5. Träger nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Außenteil (19) im Anschluß an das η Innengewinde eine Stufe (31) aufweist, gegen die die Platte (21) des Innenteils (20) anliegt.
6. 6. Träger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (31) oder Platte (21) eine Ringnut (32) mit einem elastischen O-Ring angeordnet ist. ·«
7. 7. Träger nach einem der Ansprüche 4 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (30) außen mit Kitt abgedichtet ist.
8. 8. Träger nach einem der Ansprüche 4 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) als, v> vorzugsweise vergoldete, Niete in den Kopf (23) eingesetzt ist.
9. 9. Träger nach einem der Ansprüche 4 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (27) durch einen Draht (27), vorzugsweise aus Silber, gebildet mi ist, der um einen Platte und Kopf verbindenden Hals (22) gewickelt ist.
10. 10. Träger nach einem der Ansprüche 4 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite des Innenteils (20) die Anoden- und KathodenAn- »'> schlußkontaktc (28, 29) und an der Rückseite des Außenteils (19) eine weitere O-Ring-Dichtung (39) angeordnet ist.
11. 11. Trager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß er mittels einer Überwurfmutter (3) an eine Stützfläche (7) des Grundkörpers (1) preßbar ist
12. 12. Verfahren zur Herstellung eines Trägers nach einem der Ansprüche 3 bis 11, 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 gedruckt wird.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran beim Zusammenfügen mittels einer elastischen Unterlage abgestützt ist.