EP1567854A2 - Sensorsteckkopf insbesondere für einen potentiometrischen sensor und potentiometrischer sensor mit sensorsteckkopf - Google Patents

Sensorsteckkopf insbesondere für einen potentiometrischen sensor und potentiometrischer sensor mit sensorsteckkopf

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Publication number
EP1567854A2
EP1567854A2 EP03795845A EP03795845A EP1567854A2 EP 1567854 A2 EP1567854 A2 EP 1567854A2 EP 03795845 A EP03795845 A EP 03795845A EP 03795845 A EP03795845 A EP 03795845A EP 1567854 A2 EP1567854 A2 EP 1567854A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
plug head
electrolyte
potentiometric
connection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03795845A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Babel
Detlev Wittmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG, Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG filed Critical Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Publication of EP1567854A2 publication Critical patent/EP1567854A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/4035—Combination of a single ion-sensing electrode and a single reference electrode

Definitions

  • the present invention relates to sensors which require a liquid substance as a reference or as a calibration solution.
  • sensors include, for example, potentiometric sensors, in particular pH sensors or redox sensors, the example of which is used to explain the invention below, without being restricted thereto.
  • the present invention relates to a sensor head for a potentiometric sensor.
  • Potentiometric sensors usually measure the potential difference between a working electrode and a reference electrode, the working electrode being arranged in a buffer solution which is separated from the medium to be examined by a glass membrane.
  • the reference electrode is arranged in a reference electrolyte, in the case of a pH sensor, for example a 3.5 molar KCL solution.
  • the reference electrolyte In order to ensure a constant quality of the measurement, the reference electrolyte must be replaced at the appropriate time.
  • pH or redox sensors usually have a refill opening on their outer surface. Refilling the reference electrolyte proves to be cumbersome, inasmuch as operating personnel have to visit each sensor individually in order to fill through the refill opening.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a redox sensor or its components which requires less effort to refill the reference electrolyte.
  • the object is achieved according to the invention by the plug head in accordance with independent patent claim 1 and in accordance with the sensor arrangement in accordance with independent patent claim 8.
  • the sensor plug head according to the invention for connection to a sensor with an output for outputting a measurement signal, and with a liquid container which can be filled with a reference liquid or a calibration liquid, comprises at least one input for receiving the measurement signal, the sensor plug head also having a supply connection for connection to the Contains liquid containers.
  • the supply connection according to the invention serves to supply the liquid container with the electrolyte.
  • the sensor plug head according to the invention for connection to a potentiometric sensor for outputting a potential-dependent signal
  • the potentiometric sensor having a reference container which can be filled with an electrolyte, at least one input for receiving the potential-dependent signal and a supply connection for connection the reference container.
  • the supply connection according to the invention serves to supply the reference container with the electrolyte.
  • the supply connection preferably comprises a first connection element and the reference container comprises a second connection element, the first connection element being complementary to the second connection element, i.e. this creates a flow connection between the supply connection and the reference container, via which the reference container can be supplied with the electrolyte.
  • the supply connection or the first connection element preferably comprises an electrolyte line and the reference container or the second connection element comprises an opening, the electrolyte line being connectable to the opening in order to supply the reference container with electrolyte.
  • the input for receiving a potential-dependent signal can, on the one hand, have galvanic contacts for tapping the working potential and the reference potential.
  • embodiments are currently preferred in which there is galvanic isolation between the output of the pH sensor and the input of the plug head.
  • the sensor plug head and the pH sensor preferably each have complementary inductive interfaces via which the data exchange between the sensor plug head and the pH sensor and the energy supply of the pH sensor take place. Details of the design of inductive interfaces are disclosed, for example, in European Patent Application No. 011124304 by the same applicant.
  • the advantage of a non-galvanic signal and energy transmission is, among other things, that all surfaces of the plug head and the complementary cable connection body of the pH sensor can have a corrosion-resistant material.
  • the electrolyte line is routed in close proximity to the inductive couplers. This is harmless insofar as the plug head and the cable connection body only have corrosion-resistant surfaces which are insensitive to the reference electrolyte.
  • the electrolyte line can be routed in the immediate vicinity of the electrical contacts, but this requires greater care when fitting and removing a plug head in order to avoid contamination of the contacts with the electrolyte.
  • barriers can be provided on the plug head or the cable connection between the opening and the Si ⁇ nalaus ⁇ an ⁇ , which ensure that Contamination by the electrolyte remains limited to the area around the opening.
  • the invention includes an embodiment in which the plug head has a bayonet lock by means of which it can be attached to the sensor.
  • the electrolyte line or the supply connection is guided coaxially with the axis of rotation of the bayonet catch.
  • the supply connection or the electrolyte line is guided in the edge region of the plug head.
  • the electrolyte line is provided with a flexible connection end which can be connected to a refill opening on the outer surface of a conventional pH electrode.
  • the supply connection or the electrolyte line can be connected to a reservoir and, if appropriate, suitable dosing means in order to enable the reference container to be filled over a distance.
  • the filling can preferably take place automatically, both periodic and condition-dependent filling being possible.
  • the electrolyte line can also be designed as a double line, one wire of the electrolyte line being used to fill the reference container and a second wire to equalize the pressure or to empty the reference container.
  • the emptying of the reference container enables a complete exchange of the electrolyte, for which purpose the reference container can be blown out, for example, by introducing a gas into the reference container through the first wire of the electrolyte line.
  • the exchange of the electrolyte is all the more complete the further the second wire of the electrolyte line extends down into the reference container.
  • either the second wire itself can be made sufficiently long, or it can be connected to the upper opening of a capillary tube, which is arranged in the reference container and extends to the lower end.
  • the electrolyte line should preferably consist of a corrosion-resistant material, or at least have a corrosion-resistant coating on the surfaces which come into contact with the electrolyte.
  • a corrosion-resistant material or at least have a corrosion-resistant coating on the surfaces which come into contact with the electrolyte.
  • polymeric materials and glass come into consideration as materials, these materials being combinable.
  • the supply line which is provided for supplying the reference container with electrolytes can either be routed separately from the lines for data exchange or for energy supply to the sensor, or it can be integrated with the latter in a jointly bundled line.
  • the integrated wiring harness offers the advantage that the effort required to lay the lines required for a sensor is considerably reduced.
  • 1 shows a longitudinal section through a first exemplary embodiment of a plug head according to the invention and a pH electrode according to the invention with galvanic contacts and an opening on the end face side of the reference container;
  • 2 shows a longitudinal section through a second exemplary embodiment of a plug head according to the invention in a pH electrode with a container opening on the lateral surface of the electrode;
  • FIG 3 shows a detailed view of a longitudinal section through a further exemplary embodiment of a plug head according to the invention and a pH electrode according to the invention with inductive signal transmission between the plug head and the pH electrode.
  • a pH electrode 1 usually has two coaxial glass tubes, namely the outer jacket 2 and the inner jacket 3, the outer jacket 2 tapering at its lower end and being tightly connected to the inner jacket 3, so that an outer jacket between the outer jacket and the inner jacket Container for an electrolyte 12 is formed.
  • a mostly spherical glass membrane with a wall thickness of less than one to a few micrometers is arranged.
  • the inner container, which is delimited by the inner jacket 3 and the glass membrane 4, is filled with a buffer solution 11.
  • a diaphragm 5 is also arranged in the outer jacket, via which an electrolyte bridge to the medium to be analyzed is produced.
  • the working electrode 6 is arranged, which extends from the interior of the space surrounded by the membrane 4 to the cable connection body 13; 23, 26 extends.
  • a reference electrode is arranged in the outer container or reference container and extends from a lower section of the reference container, for example from the height of the diaphragm 5, to the cable connection body 13; 23; 26 extends.
  • a plug head 17; 24; 27 can be connected, which on the one hand has an input for reading out the potentials of the working electrode and the reference electrode or a corresponding signal, and which, according to the invention, additionally has a Electrolyte line has to supply the reference container with an electrolyte through a suitable opening.
  • the cable connecting body 13 has an essentially section-wise cylindrical structure and is made of a polymeric material.
  • a reference connector 14 and a working connector 15 are arranged, which are conductively connected to the reference electrode 7 and the working electrode 6, respectively.
  • a bore 16 extends through the end face of the cable connection body 13 and serves as a refill opening for the electrolyte and is aligned with the outer container between the inner jacket 3 and the outer jacket 2.
  • the plug head 17 has a structure which is complementary to the cable connection body 13, ie it comprises a reference line 18 and a working opening 19, the connections of which with the reference connection 14 and the work connection 15 come into galvanic contact when the plug head 17 is plugged onto the cable connection body 13 is.
  • the plug head 17 has an electrolyte line 20 which is flush with the refill opening 16 and extends through this into the reference container when the plug head 17 is plugged onto the cable connection body 13.
  • the electrolyte line (as shown in FIG. 1) can have sealing elements on its outer surface, which come into engagement with complementary recesses in the refill opening 16 and thus seal the opening 16.
  • a venting capillary 8 is provided in the embodiment shown in FIG. 1, which enables pressure equalization between the electrolyte chamber and the environment.
  • a two-wire electrolyte line 20 can also be provided, the first wire being used for filling the reference container and the second wire for pressure equalization or for emptying the reference container, as previously discussed.
  • sealant can be used between the Electrolyte line 20 and the refill opening 16 are dispensed with and the diameter of the electrolyte line 20 can be matched to the diameter of the refill opening 16 in such a way that a gap remains between the electrolyte line and the refill opening through which the pressure equalization can take place.
  • Another aspect of the invention relates to the corrosion protection of the electrical connections.
  • the electrolyte supply now takes place in the immediate vicinity of the metallic contacts, there is an increased risk of corrosion since the contacts are exposed to a certain risk of contamination when the plug head 17 is placed on and when it is removed.
  • a barrier 9 is also provided, which is arranged on the end face of the cable connection body 13 between the refill opening 16 and the cutouts for the connections 14 and 15 in order to reduce the likelihood of contamination.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 differs from the example from FIG. 1 apart from the already discussed design of the Connections in that the electrolyte line 25 of the plug head 24 is not aligned with the end face of the complementary cable connection body 23, but is guided in the axial direction radially outwards past the end face of the cable connection body 23.
  • the sensor-side end of the electrolyte line 25 is preferably flexible and elastic, so that it can be connected to the refill opening 10 in the outer surface of the outer jacket 2.
  • Measures for pressure equalization between the reference containers and the environment are preferably provided, as have been discussed in connection with the exemplary embodiment from FIG. 1 and do not require any further discussion here.
  • FIG. 2 has the advantage that an appropriately designed plug head 24 with pH electrodes according to the prior art can be used in order to enable its maintenance over larger distances.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment in which any galvanic contacts at the interface between the cable connection body 26 and the plug head 27 have been dispensed with.
  • the pH electrode in its cable connection body 26 has a first transducer 28, to the sensor-side input of which the working electrode 6 and the reference electrode 7 are connected.
  • the input or output of the first converter 28 on the plug head side is connected to an induction coil 30 in the induction plug 29.
  • the induction plug 29 engages in a complementary induction socket 32 in the plug head 27 when the plug head is plugged onto the cable connection body 26.
  • the induction socket 32 is surrounded by an induction coil 33, which is embedded in the plug head 27 and connected to the coil-side output of a second converter 31, which is connected, for example, via a two-wire line 34, 35 (4 ... 20 milliamperes).
  • the energy supply of the first converter 28 of the pH electrode takes place via an alternating current or AC signal, which is generated by the converter 31 in the plug head 27 and is coupled out via the induction coil 33.
  • To transfer the pH-dependent Measurement signal is a load modulation of the AC signal by the converter 28.
  • the converter 28 contains a memory element on which, for example, calibration data of the pH electrode or the filling data for the reference container are stored. The memory is also written and read out via modulation or load modulation of the AC signal, the data being exchanged between the plug head 27 and a higher-level station, for example by means of the Hart protocol or one of the other common standards in laboratory technology or process automation technology.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 3 is certainly the most complex, but the inductive coupling or decoupling of data completely eliminates any corrosion problems with the associated device failure and the inaccuracy of the measurement data.
  • the plug heads according to the invention are not only suitable for conventional potentiometric sensors but also for more modern potentiometric sensors based on ion-sensitive field effect transistors, so-called ISFETS or ChemFETs.

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Abstract

Zur einfachen Versorgung von potentiometrischen Sensoren 1 mit Referenzelektrolyten 12, stellt die Erfindung einen Sensorsteckkopf 17 zum Anschluß an den Kabelanschlußkörper 13 eines potentiometrischen Sensors 1 bereit, wobei der Sensorsteckkopf 17 neben den üblichen elektrischen Anschlüssen 18, 19 einen Versorgungsanschluß zum Anschluß an einen Referenzbehälter des potentiometrischen Sensors 1 umfaßt. Der Versorgungsanschluß 20 umfaßt vorzugsweise eine Elektrolytleitung 20 und der Referenzbehälter eine Öffnung 16, wobei die Elektrolytleitung an die Öffnung anschließbar ist, um den Referenzbehälter mit Elektrolyt zu versorgen.

Description

Sensorsteckkopf insbesondere für einen potentiometrischen Sensor und potentiometrischer Sensor mit Sensorsteckkopf
Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren, die eine flüssige Substanz als Referenz- oder als Kalibrierlösung benötigen. Zu diesen Sensoren gehören beispielsweise potentiometrische Sensoren, insbesondere pH-Sensoren oder Redox-Sensoren, an deren Beispiel die Erfindung nachfolgend erläutert wird, ohne darauf beschränkt zu sein.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Sensorkopf für einen potentiometrischen Sensor. Potentiometrische Sensoren messen gewöhnlich die Potentialdifferenz zwischen einer Arbeitselektrode und einer Referenzelektrode, wobei die Arbeitselektrode in einer Pufferlösung angeordnet ist, welche durch eine Glasmembran von dem zu untersuchenden Medium getrennt ist. Die Referenzelektrode ist in einem Referenzelektrolyten, bei einem pH-Sensor beispielsweise einer 3,5 molaren KCL-Lösung angeordnet.
Um eine gleichbleibende Qualität der Messung zu gewährleisten, ist zu gegebener Zeit der Referenzelektrolyt zu erneuern. Zu diesem Zweck weisen pH- bzw. Redox-Sensoren gewöhnlich auf ihrer Mantelfläche eine Nachfüllöffnung auf. Das Nachfüllen des Referenzelektrolyten erweist sich als umständlich, insofern als Bedienpersonal jeden Sensor individuell aufsuchen muß, um eine Befüllung durch die Nachfüllöffnung vorzunehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Redox- Sensor bzw. dessen Komponenten bereitzustellen, der einen verminderten Aufwand zum Nachfüllen des Referenzelektrolyten erfordert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Steckkopf gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 1 und gemäß der Sensoranordnung gemäß des unabhängigen Patentanspruchs 8. Der erfindungsgemäße Sensorsteckkopf zum Anschluß an einen Sensor mit einem Ausgang zur Ausgabe eine Meßsignals, und mit einem Flüssigkeitsbehälter, welcher mit einer Referenzflüssigkeit oder einer Kalibrierflüssigkeit befüllbar ist, umfaßt mindestens einen Eingang zum Empfang des Meßsignals, wobei der Sensorsteckkopf ferner einen Versorgungsanschluß zum Anschluß an den Flüssigkeitsbehälter umfaßt.
Der erfindungsgemäße Versorgungsanschluß dient zur Versorgung des Flüssigkeitsbehälters mit dem Elektrolyten.
Im Kontext der potentiometrischen Sensorik umfaßt der erfindungsgemäße Sensorsteckkopf zum Anschluß an einen potentiometrischen Sensor zur Ausgabe eines potentialabhängigen Signals, wobei der potentiometrische Sensor einen Referenzbehälter aufweist, welcher mit einem Elektrolyten befüllbar ist, mindestens einen Eingang zum Empfang des potentialabhängigen Signals und einen Versorgungsanschluß zum Anschluß an den Referenzbehälter. Der erfindungsgemäße Versorgungsanschluß dient zur Versorgung des Referenzbehälters mit dem Elektrolyten.
Der Versorgungsanschluß umfaßt vorzugsweise ein erstes Anschlußelement, und der Referenzbehälter umfaßt ein zweites Anschlußelement, wobei das erste Anschlußelement zu dem zweiten Anschlußelement komplementär ist, d.h. mit diesem eine Fließverbindung zwischen dem Versorgungsanschluß und dem Referenzbehälter herstellt, über welche der Referenzbehälter mit dem Elektrolyten versorgt werden kann.
Vorzugsweise umfaßt der Versorgungsanschluß bzw. das erste Anschlußelement eine Elektrolytleitung und der Referenzbehälter bzw. das zweite Anschlußelement eine Öffnung, wobei die Elektrolytleitung an die Öffnung anschließbar ist, um den Referenzbehälter mit Elektrolyt zu versorgen. Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel von pH-Sensoren und Steckköpfen für pH-Sensoren erläutert, dabei gelten die Ausführungen sinngemäß auch für andere potentiometrische Sensoren und deren Steckköpfe.
Der Eingang zum Empfang eines potentialabhängigen Signals kann einerseits galvanische Kontakte zum Abgreifen des Arbeitspotentials und des Referenzpotentials aufweisen. Derzeit bevorzugt sind jedoch Ausführungsformen, bei denen eine galvanische Trennung zwischen dem Ausgang des pH-Sensors und dem Eingang des Steckkopfs vorliegt. Bevorzugt weisen der Sensorsteckkopf und der pH-Sensor hierzu jeweils zueinander komplementäre induktive Schnittstellen auf, über welche der Datenaustausch zwischen Sensorsteckkopf und pH-Sensor und die Energieversorgung des pH-Sensors erfolgen. Einzelheiten zur Gestaltung von induktiven Schnittstellen sind beispielsweise in der Europäischen Patentanmeldung mit der Nr. 011124304 derselben Anmelderin offenbart. Der Vorteil einer nicht-galvanischen Signal- und Energieübertragung besteht unter anderem darin, daß alle Oberflächen des Steckkopfes und des komplementären Kabelanschlusskörpers des pH-Sensors ein korrosionsbeständiges Material aufweisen können. In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform mit einer induktiven Schnittstelle wird die Elektrolytleitung in unmittelbarer Nähe zu den induktiven Kopplern geführt. Dies ist insofern unbedenklich, als der Steckkopf und der Kabelanschlußkörper ausschließlich korrosionsbeständige Oberflächen aufweisen, die unempfindlich gegenüber dem Referenzelektrolyten sind.
Selbstverständlich kann auch bei einem Steckkopf mit galvanischer Kopplung die Elektrolytleitung in unmittelbarer Nähe zu den elektrischen Kontakten geführt werden, jedoch ist hierzu beim Aufsetzen und beim Entfernen eines Steckkopfes größere Sorgfalt erforderlich, um einen Kontaminierung der Kontakte mit dem Elektrolyten zu vermeiden. Zudem können an dem Steckkopf bzw. dem Kabelanschluß zwischen der Öffnung und dem Siαnalausαanα Barrieren vorαesehen sein, welche gewährleisten, daß Kontaminierungen durch den Elektrolyten auf die Umgebung der Öffnung begrenzt bleiben.
Sowohl für die Varianten mit galvanisch getrennter Übertragung als auch für jene mit galvanischer Kopplung umfaßt die Erfindung eine Ausführungsform, bei welcher der Steckkopf einen einen Bajonettverschluß aufweist, mittels dessen er auf dem Sensor befestigt werden kann. Für diese Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn die Elektrolytleitung bzw. der Versorgungsanschluß koaxial mit der Rotationsachse des Bajonettverschlußes geführt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Versorgungsanschluß bzw. die Elektrolytleitung im Randbereich des Steckkopfes geführt. In diesem Fall ist die Elektrolytleitung mit einem flexiblen Anschlußende versehen, welches an eine Nachfüllöffnung an der Mantelfläche einer konventionellen pH-Elektrode anschließbar ist.
Der Versorgungsanschluß bzw. die Elektrolytleitung ist mit einem Reservoir und ggfs. geeigneten Dosiermitteln verbindbar, um eine Befüllung des Referenzbehälters über eine Distanz zu ermöglichen. Vorzugsweise kann die Befüllung automatisch erfolgen, wobei sowohl periodische als auch zustandsabhängige Befüllungen möglich sind.
Die Elektrolytleitung kann auch als Doppelleitung ausgelegt sein, wobei eine Ader der Elektrolytleitung zum Befüllen des Referenzbehälters und eine zweite Ader zum Druckausgleich oder zum Entleeren des Referenzbehälters dient. Die Entleerung des Referenzbehälters ermöglicht einen vollständigen Austausch des Elektrolyten, wozu beispielsweise der Referenzbehälter ausgeblasen werden kann, indem ein Gas durch die erste Ader der Elektrolytleitung in den Referenzbehälter eingeleitet wird. Der Austausch des Elektrolyten ist umso vollständiger, je weiter die zweite Ader der Elektrolytleitung nach unten in den Referenzbehälter hineinragt. Hierzu kann entweder die zweite Ader selbst hinreichend lang gestaltet sein, oder sie kann an die obere Öffnung eines Kapillarrohrs angeschlossen werden, welches in dem Referenzbehälter angeordnet ist und sich bis zum unteren Ende erstreckt.
Selbstverständlich ist auch ein kontinuierlicher Austausch des Elektrolyten denkbar, bei dem periodisch geringe Mengen Elektrolyt hinzugesetzt werden, wobei ein Teil des vorhandenen Elektrolyten über die zweite Ader der Elektrolytleitung verdrängt wird.
Die Elektrolytleitung sollte vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Material bestehen, oder zumindest an den Oberflächen, welche mit dem Elektrolyten in Kontakt kommen, eine korrosionsbeständige Beschichtung aufweisen. Als Materialien kommen insbesondere polymerische Werkstoffe und Glas in Frage, wobei diese Materialien kombinierbar sind.
Die Versorgungsleitung welche zur Versorgung des Referenzbehälters mit Elektrolyten vorgesehen ist kann entweder separat von den Leitungen zum Datenaustausch oder zur Energieversorgung des Sensors geführt werden, oder sie kann mit letzteren in einem gemeinsam gebündelten Leitungsstrang integriert sein. Der integrierte Leitungsstrang bietet u.a. den Vorteil, daß der Aufwand zum Verlegen der für einen Sensor erforderlichen Leitungen erheblich reduziert ist.
Weitere Vorteile und Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steckkopfes und einer erfindungsgemäßen pH-Elektrode mit galvanischen Kontakten und einer stimflächenseitigen Öffnung des Referenzbehälters; Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steckkopfes in einer pH-Elektrode mit einer Behälteröffnung an der Mantelfläche der Elektrode;
Fig. 3 eine Detailansicht eines Längsschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steckkopfes und einer erfindungsgemäßen pH-Elektrode mit induktiver Signalübertragung zwischen dem Steckkopf und der pH-Elektrode.
Die Ausführungsbeispiele in Fig. 1-3 setzen die erfindungsgemäße Lehre mit gewöhnlichen Glaselektroden bzw. sogenannten Einstabmessketten um. Eine pH-Elektrode 1 weist gewöhnlich zwei koaxiale Glasröhren auf, nämlich den Außenmantel 2 und den Innenmantel 3, wobei sich der Außenmantel 2 an seinem unteren Ende verjüngt und dicht mit dem Innenmantel 3 verbunden ist, so daß zwischen dem Außenmantel und dem Innenmantel ein äußerer Behälter für einen Elektrolyten 12 ausgebildet ist. Am unteren Ende des Innenmantels 3 ist eine meist kugelförmige Glasmembran mit einer Wandstärke von weniger als einem bis zu wenigen Mikrometern angeordnet. Der innere Behälter, der von dem Innenmantel 3 und der Glasmembran 4 begrenzt wird, ist mit einer Pufferlösung 11 gefüllt. Im Außenmantel ist zudem ein Diaphragma 5 angeordnet, über den eine Elektrolytbrücke zum zu analysierenden Medium hergestellt wird. In dem inneren Behälter ist die Arbeitselektrode 6 angeordnet, die sich vom inneren des von der Membran 4 umgebenen Raum bis zum Kabelanschlußkörper 13; 23, 26 erstreckt. In dem äußeren Behälter bzw. Referenzbehälter ist eine Referenzelektrode angeordnet, welche sich von einem unteren Abschnitt des Referenzbehälters, beispielsweise von der Höhe des Diaphragmas 5, bis zum Kabelanschlußkörper 13; 23; 26 erstreckt.
An den Kabelanschlußkörper ist ein Steckkopf 17; 24; 27 anschließbar, welcher einerseits einen Eingang zum Auslesen der Potentiale der Arbeitselektrode und der Referenzelektrode oder eines entsprechenden Signales aufweist, und welcher erfindungsgemäß zusätzlich über eine Elektrolytleitung verfügt, um den Referenzbehälter durch eine geeignete Öffnung mit einem Elektrolyten zu versorgen.
Beim Ausführungsbeispiel in Fig. 1 weist der Kabelanschlußkörper 13 eine im wesentlichen abschnittsweise zylindrische Struktur auf, und ist aus einem polymerischen Material gefertigt. In der von der pH-Elektrode abgewandten Stirnfläche des Kabelanschlußkörpers 13 sind ein Referenzanschluß 14 und ein Arbeitsanschluß 15 angeordnet, die leitend mit der Referenzelektrode 7 bzw. der Arbeitselektrode 6 verbunden sind.
Weiterhin erstreckt sich durch die Stirnfläche des Kabelanschlußkörpers 13 eine Bohrung 16, welche als Nachfüllöffnung für den Elektrolyten dient und mit dem äußeren Behälter zwischen dem Innenmantel 3 und dem Außenmantel 2 fluchtet. Der Steckkopf 17 weist eine zu dem Kabelanschlußkörper 13 komplementäre Struktur auf, d.h., er umfaßt eine Referenzleitung 18 und eine Arbeitsöffnung 19, deren Anschlüsse mit dem Referenzanschluß 14 und dem Arbeitsanschluß 15 zu dem galvanischen Kontakt gelangen, wenn der Steckkopf 17 auf den Kabelanschlußkörper 13 aufgesteckt ist. Zudem verfügt der Steckkopf 17 über eine Elektrolytleitung 20, welche mit der Nachfüllöffnung 16 fluchtet und sich durch diese in den Referenzbehälter erstreckt, wenn der Steckkopf 17 auf den Kabelanschlußkörper 13 aufgesteckt ist.
Die Elektrolytleitung kann (wie in Fig. 1 gezeigt) auf Ihrer Mantelfläche Dichtungselemente aufweisen, welche mit komplementären Aussparungen in der Nachfüllöffnung 16 in Eingriff gelangen und somit die Öffnung 16 abdichtet. Für diesen Fall ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform eine Entlüftungskapillare 8 vorgesehen, welche den Druckausgleich zwischen der Elektrolytkammer und der Umgebung ermöglicht. Anstelle der Kapillare 8 kann auch eine zweiadrige Elektrolytleitung 20 vorgesehen sein, wobei die erste Ader zum Befüllen des Referenzbehälters und die zweite Ader zum Druckausgleich bzw. zur Entleerung des Referenzbehälters dient, wie zuvor erörtert wurde. Schließlich kann auf Dichtungsmittel zwischen der Elektrolytleitung 20 und der Nachfüllöffnung 16 verzichtet werden und die Durchmesser der Elektrolytleitung 20 kann so auf den Durchmesser der Nachfüllöffnung 16 abgestimmt werden, daß zwischen der Elektrolytleitung und der Nachfüllöffnung ein Spalt verbleibt, durch den der Druckausgleich erfolgen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft den Korrosionsschutz der elektrischen Anschlüsse. Insofern als die Elektrolytzufuhr nunmehr in unmittelbarer Nähe der metallischen Kontakte erfolgt, besteht eine erhöhte Korrosionsgefahr, da die Kontakte beim Aufsetzen des Steckkopfs 17 und bei dessen Entfernung einem gewissen Kontaminationsrisiko ausgesetzt sind.
Dies gilt insbesondere für den Referenzanschluß 14 und den Arbeitsanschluß 15 in Fig. 1 , da diese in Aussparungen in der Stirnfläche des Kabelanschlußkörpers 13 angeordnet sind. Diese Geometrie ist im Hinblick auf Korrosionsanfälligkeit nicht ideal, da einmal in die Aussparungen eingedrungener Elektrolyt nicht ohne weiteres entfernt werden kann. Stattdessen ist für die Ausgestaltung des Referenzanschlusses 114 und des Arbeitsanschlusses 115 aus Fig. 2 vorzuziehen, da die Ummantelung der Anschlüsse noch gegenüber der Stirnfläche des Kabelanschlußkörpers 23 nach oben hervorsteht und somit die Kontaminationswahrscheinlichkeit der Anschlüsse reduziert. Selbstverständlich kann die Geometrie der Anschlüsse aus Fig. 2 auch in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zur Anwendung kommen und umgekehrt. Gleichermaßen sind andere Geometrien denkbar, wie beispielsweise eine planare Oberfläche ohne Erhebungen oder Aussparungen. Zum Schutz der Anschlüsse 14 und 15 beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist noch eine Barriere 9 vorgesehen, welche auf der Stirnfläche des Kabelanschlußkörpers 13 zwischen der Nachfüllöffnung 16 und den Aussparungen für die Anschlüsse 14 und 15 angeordnet, um die Kontaminierungswahrscheinlichkeit herabzusetzen.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem BeisDiel aus Fiα. 1 abαesehen von der bereits diskutierten Gestaltung der Anschlüsse dadurch, daß die Elektrolytleitung 25 des Steckkopfes 24 nicht mit der Stirnfläche des komplementären Kabelanschlusskörpers 23 fluchtet, sondern in axialer Richtung radial auswärts versetzt an der Stirnfläche des Kabelanschlußkorpers 23 vorbei geführt wird. Das sensorseitige Ende der Elektrolytleitung 25 ist vorzugsweise flexibel und elastisch, so daß es an die Nachfüliöffnung 10 in der Mantelfläche des Außenmantels 2 angeschlossen werden kann. Vorzugsweise sind Maßnahmen zum Druckausgleich zwischen den Referenzbehältern und der Umgebung vorgesehen, wie sie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 diskutiert worden und hier keiner weiteren Erörterung bedürfen.
Das Ausführungsbeispiel aus Fig. 2 hat den Vorteil, daß ein entsprechend gestalteter Steckkopf 24 mit pH-Elektroden nach dem Stand der Technik eingesetzt werden kann, um dessen Wartung über größere Entfernungen zu ermöglichen.
Fig. 3 zeigt schließlich in Abgrenzung zu Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf jegliche galvanischen Kontakte an der Schnittstelle zwischen dem Kabelanschlußkörper 26 und dem Steckkopf 27 verzichtet wurde. Hierzu weist die pH-Elektrode in ihrem Kabelanschlußkörper 26 einen ersten Wandler 28 auf, an dessen sensorseitigem Eingang die Arbeitselektrode 6 und die Referenzelektrode 7 angeschlossen sind. Der steckkopfseitige Eingang bzw. Ausgang des ersten Wandlers 28 ist mit einer Induktionsspule 30 im Induktionsstecker 29 verbunden. Der Induktionsstecker 29 greift in eine komplementäre Induktionsbuchse 32 im Steckkopf 27 ein, wenn der Steckkopf auf den Kabelanschlußkörper 26 aufgesteckt ist. Die Induktionsbuchse 32 ist von einer Induktionsspule 33 umgeben, welche in den Steckkopf 27 eingebettet und mit dem spulenseitigen Ausgang eines zweiten Wandlers 31 verbunden ist, welcher beispielsweise über eine Zweidrahtleitung 34, 35 (4...20 Milliampere) angeschlossen ist. Die Energieversorgung des ersten Wandlers 28 der pH-Elektrode erfolgt über ein Wechselstrom- bzw. AC-Signal, welches von dem Wandler 31 im Steckkopf 27 erzeugt und über die Induktionsspule 33 ausgekoppelt ist. Zur Übertragung des pH-abhängigen Messsignals erfolgt eine Lastmodulation des AC-Signals durch den Wandler 28. Optional enthält der Wandler 28 ein Speicherelement, auf dem beispielsweise Kalibrierdaten der pH-Elektrode oder die Fülldaten für den Referenzbehälter abgelegt sind. Das Beschreiben und Auslesen des Speichers erfolgt ebenfalls über Modulation bzw. Lastmodulation des AC- Signals, wobei die Daten beispielsweise mittels des Hart-Protokolls oder einem der anderen gängigen Standards in der Labortechnik bzw. Prozeßautomatisierungstechnik zwischen dem Steckkopf 27 und einer übergeordneten Station ausgetauscht werden.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist sicherlich das aufwendigste, jedoch sind durch die induktive Einkopplung bzw. Auskopplung von Daten jegliche Korrosionsprobleme mit einhergehendem Geräteausfall und der Ungenauigkeit der Messdaten vollständig eliminiert.
Die erfindungsgemäßen Steckköpfe sind nicht nur für konventionelle potentiometrische Sensoren sondern gleichermaßen für modernere potentiometrische Sensoren auf Basis von ionensensitiven Feldeffekt- Transistorn, sogenannten ISFETS bzw. ChemFETs geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorsteckkopf (17; 24; 27) zum Anschluß an einen Sensor (1 ), wobei der Sensor mindestens einem Ausgang (14, 15; 114; 115; 28, 29, 30) zur Ausgabe eines Meßsignals und einen Flüssigkeitsbehälter aufweist, welcher mit einer Referenz- oder einer Kalibrierflüssigkeit (12) befüllbar ist, und
wobei der Sensorsteckkopf (17; 24; 27) mindestens einen Eingang (18, 19; 118, 119; 31 , 32, 33) zum Empfang des potentialabhängigen
Signals und ferner einen Versorgungsanschluß (20; 25 ; 36) zum Anschluß an den Flüssigkeitsbehälter umfaßt.
2. Sensorsteckkopf nach Anspruch 1 , wobei der Sensor ein potentiometrischer Sensor mit einem Ausgang zur Ausgabe eines potentialabhängigen Signals und der Flüssigkeitsbehälter ein Referenzbehälter ist.
3. Sensorsteckkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Versorgungsanschluß (20; 25; 36) ein erstes Anschlußelement, und der
Sensor ein zweites Anschlußelement (10; 16) umfaßt, und wobei das erste Anschlußelement zu dem zweiten Anschlußelement komplementär ist.
4. Sensorsteckkopf nach Anspruch 3, wobei das erste Anschlußelement (20; 25; 36) eine Elektrolytleitung und das zweite Anschlußelement eine Öffnung (16; 10) umfaßt, wobei ferner die Elektrolytleitung an die Öffnung anschließbar ist, um den Referenzbehälter mit Elektrolyt zu versorgen.
Sensorsteckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ausgang (14, 15; 114,115) und der mindestens eine Eingang (18, 19; 118:119) galvanische Kontakte umfassen.
6. Sensorsteckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der mindestens eine Ausgang (28, 29, 30) und der mindestens eine Eingang (31 , 32, 33) jeweils eine induktive Schnittstelle umfassen.
7. Sensorsteckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der potentiometrische Sensor ein pH-Sensor oder ein Redox-Sensor ist.
8. Sensorsteckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der potentiometrische Sensor einen ionensensitiven Feldeffekttransistor umfaßt.
9. Sensoranordnung, umfassend: einen Sensor mit mindestens einem Ausgang zur Ausgabe mindestens eines Signals, wobei der Sensor einen Flüssigkeitsbehälter aufweist, welcher mit einer Referenz- oder
Kalibrierflüssigkeit befüllbar ist, und einen Sensorsteckkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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