DE4105211C2 - Gaspartialdrucksensor mit Membran - Google Patents
Gaspartialdrucksensor mit MembranInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor der im Oberbegriff des
Anspruches 1 genannten Art.
Derartige Sensoren werden insbesondere zur pO2-Bestimmung in
Wasser eingesetzt. Ferner können mit Sensoren dieser Art andere
Gase bestimmt werden, wie beispielsweise NH3, CO2 oder H2S.
Wichtig für störungsfreien Betrieb ist eine gute Abdichtung des
Elektrolytraumes, insbesondere am Rand der Membran. Ferner ist
eine genaue Einhaltung des Spannungszustandes der Membran er
forderlich, damit diese der Meßfläche mit konstanter Spannung
anliegt, damit also die Geometrie der Elektrolytschicht zwischen
Meßfläche und Membran konstant bleibt.
Ein Sensor der eingangs genannten Art ist aus der DE 39 22 148 A1
bekannt. Bei dieser Konstruktion ist die Membran jenseits des
Randes der Öffnung über eine Kante bis auf eine zylindrische
Außenfläche des Sensors gespannt und dort mit einem Spannring
unter radialer Vorspannung gehalten. Die Membran läßt sich leicht
auswechseln, so daß der Sensor kostengünstig wieder aufbereitet
werden kann.
Diese Konstruktion hat aber den Nachteil, daß die Membran
zwischen dem Rand der Öffnung, über den sie definiert anliegend
gespannt ist, und dem Abdichtungs- und Haltebereich auf der
Zylinderfläche, der durch den Dichtring definiert ist, aus der
Öffnungsfläche in die Zylinderfläche umgebogen wird, wodurch
sich zwischen dem Rand und dem Dichtring automatisch Falten
ergeben, in denen unvermeidlich bei der Anbringung der Membran
auch Luftblasen eingeschlossen werden.
Sonden der eingangs genannten Art werden im Wasser eingesetzt
und sind dabei unterschiedlichen Umgebungsdrücken ausgesetzt. Da
der Elektrolyt im Elektrolytraum inkompressibel ist, ergeben sich
an sich keine Verschiebungen der Membran. Diese treten aber dann
auf, wenn unter den Membranfalten auf der zylindrischen Außen
fläche des Sensors Luftblasen sitzen. Da Luft kompressibel ist, er
geben sich Zugbewegungen in der Membran. Diese führen zu einer
Veränderung der Membranspannung, so daß sich die Anlagever
hältnisse der Membran über der Kathode ändern, wodurch sich die
Meßparameter der Sonde ändern. Außerdem führt bei häufigem
Druckwechsel die dauernde Hin- und Herbewegung der Membran
zu einem Pumpeffekt, der Elektrolyt unter dem Dichtring hinweg
nach draußen oder Umgebungswasser nach innen in den Elektrolyt
raum pumpen kann. Auch dies führt zu Verfälschungen des Meß
ergebnisses. Elektrolytbrücken unter der Dichtung hindurch führen
zu Fremdströmen, die die Meßwerte verfälschen.
Durch Randverklebung der Membran ließen sich diese Probleme
zwar lösen, die Membran wäre dann aber nicht mehr so
kostengünstig auswechselbar wie bei der gattungsgemäßen Konstruk
tionsweise.
Weiterhin ist aus der DE 28 45 751 B2 ein Sensor bekannt, bei dem
eine ebene plattenförmige Membran aus porösem Material von einem
Flansch senkrecht zur Öffnungsfläche eines mit Ionenaustau
scherflüssigkeit gefüllten Raumes gegen einen Dichtring und über
diesen gegen eine mit der Öffnungsfläche fluchtende Stirnfläche ab
dichtend gehalten ist. Die Membran liegt bei dieser Konstruktion
nur im Bereich des Dichtringes an und nicht, wie bei der gat
tungsgemäßen Konstruktion, zusätzlich noch im Bereich des Randes
der Öffnung, so daß Probleme mit Luftblasen im Zwischenbereich
hier nicht auftreten können. Dadurch bedingt, läßt sich bei dieser
Konstruktion die Membran nicht unter Flächenspannung spannen,
was hier allerdings auch nicht erforderlich ist, da diese Konstruk
tion keine Meßfläche aufweist, der die Membran unter Spannung
anliegen muß.
Ferner ist aus der DE 28 05 088 C2 ein Sensor bekannt, bei dem
der Elektrolytraum nicht von einer Membran, sondern von einem
als dicker Körper ausgebildeten ionenselektiven Organ verschlossen
ist. Eine Spannung dieses Körpers ist weder vorgesehen noch
möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Flä
chenspannung der Membran unabhängig vom Außendruck gewähr
leistet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des
Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.
Erfindungsgemäß liegt die Dichtfläche mit der Öffnungsfläche,
über die die Membran gespannt ist, im wesentlichen in
einer Ebene. Die Membran reicht also im wesentlichen frei
von Falten bis zur Dichtungsstelle am Dichtring. Luftein
schlüsse innerhalb des Dichtringes können daher ausge
schlossen werden. Die Membran bleibt unabhängig von Druck
schwankungen stabil, und es finden keine Elektrolyt
pumpvorgänge im Bereich der Dichtung statt.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen.
Ein vorspringender Öffnungsrand ergibt eine genaue Defini
tion des Spannrandes der Dichtung und ist daher vorzuzie
hen. Außerhalb des vorspringenden Randes ergibt sich gegen
über der Dichtfläche aber eine Hohlrinne, unter der bei ge
spannter Dichtung Blasen liegen könnten. Da der Dichtring
im gepreßten Zustand den gesamten Dichtungsbereich außer
halb des Randes ausfüllt, werden Blasen und insbesondere
Luftblasen unter der Membran vermieden, so daß diese wie
derum druckstabil wird.
Vorteilhaft ist dabei der Dichtring plastisch verformbar
ausgebildet, was seine Fließeigenschaften zum Füllen des
Dichtbereiches verbessert.
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und
schematisch dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen Sensor nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Membrandichtung einer ersten Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 3 eine Membrandichtung nach einer zweiten Ausfüh
rungsform der Erfindung,
Fig. 4 die unverpreßte Membran mit Dichtring gemäß Fig.
3 und
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Membran der Fig. 4 in an
derem Maßstab.
Fig. 1 zeigt einen gattungsgemäßen Sensor bekannter Art zur
pO2-Bestimmung in Wasser, mit einem stabförmigen dicken
Isolator 1, der beispielsweise aus Glas besteht und in sei
ner Achse eine dünne drahtförmige Kathode 2 aufweist, die
stirnseitig in der Mitte einer kugelförmig geschliffenen
rauhen Meßfläche 3 endet. Der Isolator ist stirnseitig auf
einem Innenkörper 4 befestigt, welcher einen zentralen Ka
nal 5 aufweist, durch den die Kathodenanschlußleitung 6
isoliert nach außen geführt ist.
Mit einem Gewinde 7 ist ein Gehäuse 8 unter Einspannen
eines elastischen O-Ringes 12 auf den Innenkörper 4 ge
schraubt. Der Gehäuse umgibt oberhalb des O-Ringes 12 den
Isolator 1 im Abstand. Über die vordere Öffnung des Gehäu
ses 8 ist eine für Gaspartialdrucksensoren geeignete Mem
bran 9 gespannt und ist auf der als Dichtfläche dienenden
zylindrischen Außenfläche des Gehäuses mit einem elasti
schen Spannring 14 abgedichtet gehalten. Dabei liegt die
Membran 9 im Umgebungsbereich der Kathode 2 der kugelförmi
gen Meßfläche 3 flächig an.
Der Raum zwischen Membran 9, Isolator 1 und Gehäuse 8 ist
als Elektrolytraum 11 mit einem für die vorliegenden Zwecke
geeigneten Elektrolytmaterial gefüllt. Er ist nach außen
abgedichtet durch den O-Ring 12 und den die Membran abge
dichtet haltenden Spannring 14.
Wie in Fig. 1 dargestellt, lädt sich bei dieser Konstruk
tion die Membran über die Öffnung des Elektrolytraumes
glatt spannen. Sie liegt auch noch der etwas verrundet dar
gestellten ringförmigen Stirnfläche 15 des Gehäuses 8 glatt
an. Nach dem Umbiegen nach unten auf die zylindrische
Außenfläche unter den Spannring 14 ergeben sich aber
notwendigerweise Falten in der Membran, wie sie auf der
rechten Seite mit einer Falte 13 dargestellt sind.
Unter diesen Falten befindet sich unvermeidlich auch Luft.
Wird der Sensor unterschiedlichen Außendrücken ausgesetzt,
so wird die Luft unter der Falte 13 komprimiert. Dies führt
zu Zug- und Gleitbewegungen der Membran 9. Dadurch verän
dert sich die Anlage auf der Meßfläche 3, was zu veränder
ten Meßparametern und somit zu Meßwertverfälschungen führt.
Bei laufenden Druckschwankungen, wenn eine Sonde beispiels
weise mehrfach bis in eine bestimmte Wassertiefe abgelassen
und wieder an die Wasseroberfläche hochgeholt wird, ergeben
sich Hin- und Herverschie
bungen der Membran, so daß unter
der Membran Elektrolyt hin- und hergepumpt wird. Dabei kann
auch Elektrolyt, Luft oder Wasser unter dem Spannring 14
hindurch transportiert werden, was wiederum zu Veränderun
gen der Meßeigenschaften führt und eine Elektrolytbrücke
unter dem Spannring 14 hindurch ergeben kann, durch welche
Fremdströme fliegen können, die wiederum die Meßwerte ver
ändern.
In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt,
die im Grundaufbau der Konstruktion der Fig. 1
entspricht.
Über den Elektrolytraum 11 innerhalb des Gehäuses 8 ist
wiederum die Membran 9 gespannt. Ein Dichtring 10 liegt der
Stirnfläche 15 an. Die Preßkraft wird von einem Innen
flansch 16 eines Schraubringes 17 aufgebracht, der mit
einem Gewinde bis zu einem Anschlag 18 auf die mit entspre
chendem Gewinde 19 versehene zylindrische Außenfläche des
Gehäuses 8 geschraubt ist.
Bei dieser Konstruktion liegt die Membran bis hin zum
Dichtring 10 im wesentlichen in einer Ebene, liegt also der
Stirnfläche 15 des Gehäuses 8 völlig faltenfrei an. Stören
de Lufteinschlüsse unter der Membran im Bereich radial
innerhalb des Dichtringes 10 sind also ausgeschlossen. Es
können sich keine Kompressionseffekte und somit Membranbe
wegungen ergeben.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform, die im wesentli
chen der der Fig. 2 entspricht. Auf das Gehäuse 8 ist wie
derum ein Schraubring 17 mit Innenflansch 16 aufgeschraubt.
Die die Dichtfläche bildende Stirnfläche 15′ des Gehäuses 8
ist hier jedoch im wesentlichen eben ausgebildet und weist
einen vorspringenden Rand 20 der Öffnung auf. Dies hat den
Vorteil, daß die Membran 9 über einen genau definierten
Rand, nämlich den vorspringenden Rand 20, gespannt ist.
Radial außerhalb des vorspringenden Randes 20 im Übergang
zur ebenen Stirnfläche 15′ ergibt sich aber eine Hohlrille
21, in der unter der Membran 9 Gasblasen eingesperrt werden
könnten. Um dies zu vermeiden, ist der Dichtring 22, 23
volumenverformbar, vorzugsweise plastisch verformbar ausge
bildet derart, daß er unter der Preßkraft des Innenflan
sches 16 gegenüber der Stirnfläche 15′ den Dichtungsbereich
vollständig ausfüllt, also den Dichtungsbereich unterhalb
des Innenflansches 16, oberhalb der Stirnfläche 15′ und
außerhalb des vorspringenden Randes 20. Die Dichtung wird
dabei derart verformt, daß sie in alle Ecken flieht und den
ganzen Dichtungsbereich vollständig, und zwar insbesondere
luftfrei ausfüllt.
Fig. 4 zeigt die unverformte Dichtung, die, wie die Fig. 4
zeigt, fertig vorbereitet am Rand der Membran angeordnet
sein kann. Die Membran kann also vorgefertigt angeliefert
werden, so, wie sie in Fig. 5 in Draufsicht in im wesentli
chen natürlicher Größe dargestellt ist.
Dabei besteht der Dichtring aus einem Teil 22 oberhalb der
Membran 9 und aus einem Teil 23 unterhalb der Membran 9.
Diese beiden Teile der Dichtung können unterschiedliche
Verformungseigenschaften, Gleiteigenschaften und derglei
chen aufweisen, wodurch die Spanneigenschaften optimiert
werden können.
Claims (3)
1. Sensor zur Gaspartialdruckbestimmung in Wasser, mit einem
Elektrolytraum, der eine von einem Rand umschlossene Öff
nung aufweist und in dem ein Isolator mit einer in einer auf
gerauhten konvexen Meßfläche punktförmig freiliegenden
Kathode angeordnet ist, wobei die Meßfläche im Bereich der
freiliegenden Kathode den Rand der Öffnung überragt, und
mit einer Membran, die über die Meßfläche und den Rand
unter Flächenspannung gespannt ist und die außerhalb des
Randes mit einem Dichtring gegen eine Dichtfläche abge
dichtet in Spannlage gehalten ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichtfläche als im wesentlichen mit der durch den
Rand definierten Öffnungsfläche fluchtende Stirnfläche (15,
15′) ausgebildet ist und daß der Dichtring (10; 22, 23) von
einem Flansch (16) im wesentlichen senkrecht zur Öffnungs
fläche angepaßt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Rand (20) der Öffnung gegenüber der Dichtfläche (15′)
vorspringt und der Dichtring (22, 23) unter Preßkraft derart
formveränderlich ausgebildet ist, daß im Preßzustand der
außerhalb des Randes (20) liegende Raum zwischen der
Dichtfläche (15′) und dem Flansch (16) vom Dichtring (22,
23) ausgefüllt ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dichtring (22, 23) unter der Preßkraft plastisch verformbar
ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
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JPS5910610Y2 (ja) * | 1977-10-20 | 1984-04-03 | オリンパス光学工業株式会社 | 液膜式イオン選択電極 |
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