DE8814743U1 - Meßelektrode in der analytischen Chemie - Google Patents

Description

Firma Conducta Gesellschaft für Meß- und Regeltechnik mbH a Co., 7016 Gerungen

Meßelektrode in der analytischen Chemie Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Meßelektrode in der analytischen Chemie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Meßeirktroden in der analytischen Chemie, und zwar angenommen für einen einfachen Fall . einer pH-Eloktrode mit zugeordneter Referenzelektrode, etwa in Form einer Einstabmeßkette, ist es üblich und bekannt,, das extrem hocchmlge (Ri 2 50 »Cha oder mehr) Ausgangeslgnal häufig in Form einer abgeschirmten Leitung zu einem entfernt stehenden Auewertegerät zu übertragen, wobei das Potential der Abschirmung dem Potential der Referenzhalbzelle entsprechen kann. Auf eine solche Einstab-pH-Meßkette wird deshalb genauer eingegangen, weil es sich hier auch um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung handelt, auf welches die Erfindung natürlich nicht eingeschränkt ist.

Erst im Bereich des entfernt stehenden AuewertegerMte erfolgt dann eine Impedanzwandlung des sehr hochohmigen

Meßelektrodensignale von den beispielsweise hier in nums-

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riechen Werten angegebenen 50 Megohm d<ur Meßelektrode herunter auf beispielsweise £ 1 kChnt oder weniger, wobei es üblich ist, dem Auswertegerät von einem gesonderten Temperatursensor auch das Temperatursignal der Meßlösung zuzuführen, damit ein temperaturkompensiertes, also entsprechend korrigiertes Ausgangssignal schließlich gewonnen werden kann. Hierzu ist es zu« Teil noch üblich, Im Bereich des Auswertegeräte einen manuell zu betätigenden, beispielweise mit einem Potentiometer verbundenen Stellknopf anzuordnen und in Temperaturgraden zu eichen. Die Bedienungsperson stellt dann das Temperaturpotentiometer auf den vom Temperatursensor erfaßten Wert ein, wodurch sich dann auch eine entsprechende Temperaturkompensation des in seiner Impedanz ebenfalls gewandelten Meßelektroden-Ausgangssignale ergibt.

Problematisch bei diesen bisherigen Meßverfahren ist, daß bei den ohnehin nur relativ geringen, im mV-Jereich liegenden Ausgangsspannungen der lialbzellen die Verbindung zum Auewertegerät über die Steckverbindung an der Meßelektrode zum Auewertegerät hochohmig verläuft, eo daß sich schon hier eine Vielzahl von Fehlern lh dae Meßeignal einschleichen können. Die Temperaturkompensation muß dann am entfernten Stellplatz üblicherweise durch manual- im oomoT riUQGBmxiBcne ncmpensBucn am Auewertegexat vorgencnnen war&mdash; den, wobtfi dae Temperatureignal ebenfalle bie zum Stellplatz gefUhrt warden muß, mi? utir weiteren Möglichkeit einer Fehleranhäufung.

Beeondere problematisch let hier ferne«* noch der Urnetand, dae die Schirmung der Fernleitung üblicherweise auf dem Halbzellenpotential der Referenzelektrode liegt und

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beispielsweise durch FeuchtigkeitseinflUsse ein Nebenschluß auftreten kann, wodurch die Halbzelle belastet wird, so daß die ganze Meßanordnung nicht mehr symmetrisch ist und sich Heßfehler bis zu mehreren pH-Werten ergeben können. Diese feuchtigkeitsbedingte Nebenschlußwirkung hat ferner noch den schwerwiegenden Nachteil, daß die AgCl-HaIbzelle der Referenzelektrode reduziert wird.

Eine ähnliche Wirkung wie ein feuchtigkeitsbedingter Nebenschluß ergibt sich aber auch dann bei einer solchen Binstabmeßkette, wenn über die Auswertegeräte und deren jeweilige Erdverbindungen ein galvanisch durchgehender Nebenschluß zum Gefäß mit der Meßlosung hergestellt wird, wodurch wieder das Halbzellenpotential der Referenzelektrode, da mit der Meßlösung in galvanischer Verbindung stehend, belastet wird. Dieser durch die durchgehenden galvanischen Verbindungen geschaffene Nebenschluß ist im praktischen Ausführungsbeispiel nur schwer zu vermeiden und kommt zu einem eventuellen feuchtigkeitsbedingten Nebenschluß noch hinzu.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einer insbesondere mit einem zusätzlichen Temperatursensor ausgerüsteten Meßelektrode, speziell für die pH-Messung, dafür zu sorgen, daß sich direkt an der Steckverbindung des Elektrodensteckkopfs ein niederohmiges und gleichzeitig auch tjenperaturkonpensiertes ELektrodenausgangssignal ergibt.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daB durch die niederohmige Impedanzwandlung unmittel-

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bar im elektrodenseitigen Teil der weiterführenden Steckverbindung, also im am Elektrodenschaft befestigten Steckkopf in Verbindung mit der an dieser Stelle ebenfalls stattfindenden Temperaturkompensation und/oder galvanischen Trennung am Ausgang der Meßelektrode sofort ein auf einen vergleichsweise sehr niederohmigen Innen«· widerstand gewandeltes Ausgangssignal anliegt, welches durch den anderen Steckkopfteil der weiterführenden Leitung abgenommen und einem entsprechenden Auswertegerät zugeführt werden kann. Dieses Auswertegerät kann im Aufbau vereinfacht sein, da keine Temperaturkompensation oder Impedanzwandlung mehr erforderlich ist; es brauchen auch keine Vorkehrungen getroffen zu werden, um auf eventuell entstehende Nebenschlüsse durch Erdverbindungen zu achten und sich hierdurch ergebende Belastungen im Referenzelektrodenbereich zu vermeiden.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß nach außen, etwa im Leitungebereich, keine hoohohmigen Verbindungen auftreten; das am elektrodenseitigen Steckkopfteil abgenommene Auegangssignal ist niederohmig, vorzugsweise schon galvanisch getrennt und vorzugsweise schon temperaturkompensiert und zwar durch Schaltungen, die mit eigener Stromversorgung im elektrodenseitigen Steckkopf in geeigneter Form und Heise und entsprechend miniaturisiert mit eigener Stromversorgung angeordnet sind.

Die Verbindungsleitungen von den meßaktiven Elementen, also den beiden Halbzellen der pH-Elektrode und der Referenzelektrode sowie vom temperaturempfindlichen Element im Bereich der Elektroden,und vorzugsweise eines einheitlich im gleichen Elektroden(glas)schaft angeordneten Temperatursensars,werden also bei vorliegender Erfindung lediglich bis in den Endbereich des Elektro-

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denechaftes geführt und werden unmittelbar angrenzend sofort mit entsprechenden Anschlüssen von Im elektroden se it Igen Steckkopfteil angeordneten Schaltungen verbunden. Diese Schaltungen können beispielsweise auf kleinen Print- oder Trägertafeln montiert sein, vorzugsweise in hoohintegrierter Form, und weisen entweder eine eigene Stromversorgung durch eine entsprechende Anzahl von Langlebensdauerbatterien auf oder die zur Verfügung stehende Steckverbindung ist so ausgelegt, daß sie neben dem MeBsignal (und einer Erdleitung) mindestens noch eine weitere freie Leitungsverbindung aufnehmen kann - söge** nannter Triaxialsteekkopf; siehe DB-PS 33 24 297 bzw. DE-GM 83 19 463.0). Ober diese dritte zur Verfügung stehende und über die Steckverbindung zur Meßelektrode gelangende Leitung kann dann eine externe Stromversorgung zugeführt werden.

Hierdurch ergibt sich der entscheidende Vorteil, daß vor Ort, also sofort an der MsBslektrode bzw. der Sin-' stabmeßkette die erforderliche Meßwertaufbereitung vorgenommen wird und das Meßausgangssignal dann In im Grunde auch beliebiger Weise, nämlich als Gleichstrom, gegebenenfalls aber auch, je nach Auslegung der aufbereiteten Schaltung und Impedanzwandlung, nach Frequenz oder Amplitude codiert oder in beliebiger Heise pulscodemoduliert am elektrodenseitigen Steckkopfteil ansteht und durch die Steckverbindung dann zur Auswertung in diesem Fall auch beliebig weit entfernten Meßwerten zugeführt werden kann.

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die heutigen Miniaturisierungetechniken machen eine solche Integrierung der aufbereitenden Schaltungen im Bereich des Steekkopfes problemlos möglich/ zusammen mit der auf Batterien beruhenden Stromversorgung oder mit einer zusätzlichen Versorgungsschaltung, wenn eine entsprechende Versorgungsspannung von aufien über die {Steckverbindung zugeführt wird.

Bevorzugt sind die Schaltungen im Elektrodeneteckkopf so ausgebildet, daB sich ein auf die übliche Bezugstemperatur von 25*C kompensiertes Signal ergibt bei gleichzeitiger Impedanzwandlung des ElektrodenmeBsignals, wenn keine Auslegung auf Sondersignalformen, die auch möglich sind, vorgesehen ist.

Verwendet man beispielsweise Lithiumbatterien für die Stromversorgung der Aufbereitungsschaltungen im Steckkopf, dann kann mit einer Lebensdauer der Batterie gerechnet werden_f die der Elektrodenlebsnsdausr entspricht. Dabei ist es in allen Fällen und entsprechend den jeweiligen Ausführungsformen vorteilhaft, daB bei grundsätzlich impedanzgewandelter Form des Ausgangssignals dieses galvanisch getrennt und/oder temperaturkompensiert am AuegangskontaktanschluB des elektrodenseitigen Steckkopfteils anliegt und durch die vorgesehene weiterführende (Norm)Steckverbindung, also dem anderen Steckkopfteil, abgenommen und weitergeführt werden kann.

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Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 als Mögliche Ausfuhrungsfora der Erfindung eine Einstabneßkette mit Elektrodenschaft und Steckkopfteil und

Fig. 2 in detaillierter Darstellung die einzelnen MeB-systeae alt ihrer elektrischen Verschaltung und gegensei t igen Zuordnung.

Beschreibung der Ausfuhrungebeispiele

In Pig. 1 ist als bevorzugte Realiaierungaforn eine Binstabaeßkette 10 dargestellt, bestehend aus Elektrodenschaft 11 und einen ait diesea feet verbundenen Steckkopfteil 12 als der eine Teil einer dl« MeBelektrode alt einer weiterfuhrenden Leitung verbindenden Steckverbindung; in dea Elektrodenschaft 13, beispielsweise 01aaröhrchen, befinden eich drei verschiedene Meßayateae, naalich die Halbteile 14 für die pH-Meßelektrode, die Halbselle 15 für die Referenzelektrode ait Diaphragaa 15a und ein Teaperatursensor 16. Die Anordnung der drei Syateee in elnea Blektrodenschaft ist bevorzugt, aber für die Realisierung der Erfindung nicht notwendig; daher sind in der Darstellung der Flg. 2 die hier vorgesehenen drei Neßsysteae auch getrennt voneinander in die Meßlöeung eintauchend gezeigt, wobei die Halbzelle 15 der Referenzelektrode 15' den Masseanschluß bilden kann und mit dem Referenzeingangsanschluß 18a eines

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Impedanzwandlers 18 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß der pH-Elektrode 14* liegt am Meßeingang 18b des Impedanzwandlers 18, während ein weiterer Steuereingang des Impedanzwandlers 18 gebildet ist von einem Rückkopplungsglied zwischen dem Ausgang 18c des Impedanzwandlers ·8 und dem Meßeingang 18b, um hier eine mögliche einfache Ausführungsform von vielen zu zeigen, wie es mit Hilfe des Impedanzwandlers 18 gelingt» gleichzeitig eine Temperaturkompensation des Eingangsmeßsignals an Eingang 18b zu realisieren. Über dem Rückkopplungszweig liegt, dargestellt als veränderlicher Widerstand 16' der Temperatursensor 16, wobei es sich versteht, daß der Impedanzwandler 18 in seinen Daten und Anschlüssen sowie in der Mahl des Temperatursensor 16 so ausgelegt ist, daß sich am Ausgang 18c des Impedanzwandler ein entsprechend temperaturkompensiertes Ausgangesignal des am Meßeingang 18b anliegenden Meßelektrodensignals ergibt. Hier sind eine Vielzahl weiterer Lösungen möglich, die im einzelnen nicht aufgeführt zu werden brauchen, da sie dem Fachmann geläufig sind. Der grundsätzliche Aufbau der Impedanzwandlerechaltung 18 ist jedenfalls so getroffen, daß in Verbindung mit dieser oder, falls gewünscht, natürlich auch getrennt. Mittel zur Temperaturkompensation des Meßelektroden-Ausgangssignala vorgesehen sind, die das Ausgangssignal eines Temperatursensor 16 auswerten und die Temperaturkompensation in einer für sich gesehen üblichen Mais* vornehmen. Als Temperatursensor können NTC-Wideratände, PTC-Elemente oder auch bekannte Temperatursensor auf der Basis Platin- oder !ftckelwiderstände verwendet werden.

Wesentlich ist, daß die Schaltung(en) zur Xmpedanzwand-

lung und Temperaturkompensation innerhalb des elektrodenseitigen Steckkopfteils 12 angeordnet sind, sie können

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beispielsweise auf einer kleinen Printplatte 17 montiert sein, wie sie bei 17· in Fig. 1 im Steckkopfbereich angeordnet ist. Dort erkennt man auch angedeutet zwei oder mehr wahlweise vorhandene Batterien 19a, 19b, die der Stromversorgung der im Steckkopftc.il integrierten Schaltung dienen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, die kleine Schalt- oder Trägerplatte 17 im Steckkopfteil in üblicher Heise zu vergießen, also gegenüber sonstigen Umwelteinflüssen, auch Feuchtigkeit u.dgl. durch vollständiges Eintauchen und Überziehen mit einer geeigneten Kunstharzschicht zu immunisieren. Der Auegangsanschluß des Impedanzwandler 18 ist dann jedenfalls direkt mit dem Auegangs-Kontaktstiftanschluß 12a des elektrodenseitigen Steckkopftei\a 12 verbunden.

Ist eine Temperaturkompensation nicht erforderlich oder aus sonstigen Gründen nicht erwünscht, dann kann diese gegebenenfalls weggelassen, vorzugsweise aber in Verbindung mit einer weiteren Ausgestaltung vorliegender Erfindung verwendet werden, die darin besteht, daß ferner noch ein galvanisches Trennglied 20 vorgesehen sein kann, welches, mit dem Ausgang des Impedanzwandler 18 verbunden und diesem daher nachgeschaltet, so ausgebildet ist, daß es auf beliebige, für sich gesehen bekannte Heise eine galvanische Trennung zwischen dem ihm eingangsseitig zugeführten Neßelektrodensignal und dem eigentlichen, am Auagangskontaktstift 12a anliegenden Auegangssignal des Meßsystems herstellt.

Das galvanische Trennglied 20 kann ein Optokoppler,

ein Miniaturlibertrager oder ein sonstiges, für die Realisierung einer galvanischen Trennung geeignetes Schaltungselement sein, dem das impedanzgewandelte Meß-

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elektrodensignal sowie (in Form einer Masseverbindung gezeichnet) das Referenzelektrodensignal zugeführt sind und welches ausgangsseitig an den Anschlüssen 20a, 20b ein potentialfreies Heßsignal liefert, welches durch den vorgeschalteten Impedanzwandler hinreichend niederohmig (Ri < 1 Kiloohm oder weniger) gestaltet ist und welches optional temperaturkompensiert sein kann, in einer bevorzugten Ausführungsform dann auch ist.

Es versteht sich, daß der Ausgang der Referenzelektrode als Bezugssignal für das Meße?ektrodensignal der pH-Elektrode nicht notwendigerweise auf Nasse oder auf ein sonstiges festes Potential bezogen zu sein braucht; es ist auch Möglich, die beiden Ausgangseignale der Referenzelektrode und der pH-Elektrode alt den beiden Eingängen des Impedanzwandler erdfrei zu verbinden, eo daß sich an dessen Ausgang das Differenzsignal der beiden Eingangssignal, gegebenenfalls temperaturkompensiert anbietet, welches dann noch, falls erwünscht. Über das galvanische Trennglied zum Ausgang, nämlich sum Anschluß an den mittleren Kontaktzapfen 12a des elektrodenseitigen Steckkopfteils 12 geführt ist. Das Becugspoten*ial ist dann an den äußeren Ringkontakt 12b des elektrodenaeitlgen Steckkopfteils angeschlossen; es spielt dann keine Rolle, ob dieser Leitungeanschluß dann auf Nasse gelegt ist odev in Bereich des Auswertegerät in der einen oder anderen Weise geerdet wird.

Die Stromversorgung der Steckkopf-Schaltungen, die bevorzugt so ausgelegt sein keinen, dafi sie die Eingangssignal der Elektroden im Verhältnis 1 : 1 auf den Auegang udsetzen, erfolgt dann beispielsweise entweder durch

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im Steckkopfteil 12 angeordnete Batterien, vorzugsweise Langlebensdauerbatterien auf Lithiumbasis, oder durch die Zuführung einer Oleichetromvereorgungeepannung von außen über den Steckkopf, wozu dieser dann vorzugsweise noch einen weiteren Kontaktanechluß, vorzugsweise ebenfalle in konzentrischer Form, aufweist. Solehe Kontaktverbindungen für Heßelektroden, insbesondere Binstabmeßketten sind für sich gesehen bekannt (DE-PS 33 24 297 bzw. DB-QM 63 19 463.0) und können vorzugsweise für diese Zwecke ebenfalls eingesetzt werden.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen sowie der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims (10)

1. DlPL-ING. PETER OTTE PATENTANWALT.:. ^:..^!6.&tgr;&eacgr;5&ogr; Leonberg

   Vertreter beim Europäischen Patentamt / European Patent Attorney Tiroler Straße 15

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   Sehutzanaprüche

   1. Meßelektrode in der analytischen Chemie, insbesondere pH-Elektrode mit zugeordneter Referenzelektrode (Einstabmeßkette) und mit einer (Norm)Steckverbindung zu einer weiterführenden Leitung und einem gegebenenfalls an dieser angeschlossenen entfernt stehenden Auswertegerät, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses des elektrodenseitigen Steckkopfteils (12) ein das hochohmige Elektrodenausgangssignal (Ri > 50 Megohm) auf niederohmige Herte (Ri* < 1 Kiloohm) herabsetzender Impedanzwandler (18) mit Stromversorgung entweder über ebenfalls im Gehäuse des elektrodenseitigen Steckkopfteils (12) eingebaute Batterie(n) (19a, 19b) oder durch Zuleitung über die Steckverbindung angeordnet ist, dessen Ausgang mindestens mittelbar mit dem Ausgangsanschlußkontakt (12a) des elektrodenseitigen Steckkopfteils (12) verbunden ist, dessen einer Eingang (18b) mit dem Meßelektrodenausgang verbunden ist und der mindestens einen weiteren Steuereingang aufweist, der mit dem Ausgang eines Temperatursensors (16) verbunden ist zur direkten Gewinnung einer gleichzeitig niederohmigen und temperaturkompensierten, am Ausgang des Steck-

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   kopfteils anstehenden Elektrodenausgangsspannung.
2. 2. Meßelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Impedanzwandlers mit einem nachgeschalteten, galvanischen Trennglied (20; Optokoppler, übertrager) verbunden ist zur direkten Gewinnung einer niederohmigen, temperaturkompensierten und galvanisch getrennten Elektrodenausgangsspannung am Ausgang der Steckverbindung.
3. 3. Meßelektrode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Referenzelektrode (15') mit einem zweiten Eingang (18a) des Impedanzwandlers (18) verbunden ist.
4. 4. Meßelektrode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Referenzelektrode und die deren Potential führenden Anschlüsse mit Masse verbunden (geerdet) sind.
5. 5. Meßelaktrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (16) zusammen mit der pH-Elektrode (14') und der Referenzelektrode (15·) im gleichen Meßelektrodengehäuse (durch Temperatursensor erweiterte Einstabmeßkette) angeordnet ist.
6. 6. Meßelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den temperaturkompensierenden Impedanzwandler und/oder das galvanische Trennglied bildenden Schaltungen in miniaturisierter Form auf einer Trägerplatte angeordnet sind, die innerhalb des elektrodenseitigen Steckkopfteils (12) befestigt ist.

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7. 7. Meßelektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Impedanzwandler und/oder das galvanische Trennglied tragende Schaltungsplättchen im Inneren des elektrodenseitigen Steckkopfes mit einem Kunstharz vergossen ist.
8. 8. Meßelektrode nach einem.der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodenseitige Steckkopfteil Aufnahmetaschen für die Stromversorgung der elektronisch miniaturisierten Schaltungen übernehmende Batterien aufweist.
9. 9. Meßelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodenseitige Steckkopfteil und sein komplementäres, die Steckverbindung vervollständigende leitungsseitige Steckkopfteil drei Kontaktanschlüsse aufweisen (Triaxial-Steckkopf) und daß eine der Kontaktverbindungen der Zuführung einer externen Versorgungsspannung zu den Schaltungen innerhalb des elektrodenseitigen Steckkopfteils dient.
10. 10. Meßelektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Triaxial-Steckkopf aus konzentrisch zueinander angeordneten Kontaktflächen und -zapfen besteht.