DE4230602A1 - Elektrochemischer Sensor mit modularem Aufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Sensor für fluide Medien mit mindestens zwei Elektroden, die über einen Elektrolyten miteinander in Kontakt stehen und in einem Gehäuse aufgenommen sind.

Elektrochemische Sensoren werden für verschiedenartige Meßaufgaben wie Leckdetektion, MAK- und Prozeßüberwachung eingesetzt, wobei eine Vielzahl von Gasen und Dämpfen sowie unterschiedliche Konzentrationsbereiche abgedeckt werden müssen. Darüberhinaus werden die Sensoren sowohl in tragbare als auch in stationäre Geräte integriert. Dies bedeutet, daß mehrere Sensorlinien mit unterschiedlichen Geometrien benötigt werden und innerhalb einer Linie ein breites Spektrum an Einzelsensoren für unterschiedliche Spezies und unterschiedliche Konzentrationsbereiche bereit gestellt werden muß.

Die Komponenten derartiger Sensoren werden üblicherweise in ein linienspezifisches Gehäuse eingebaut (z. B. US-PS 4 474 648). Dies führt zu hohem Aufwand bei Konstruktion, Fertigung und Lagerhaltung. Soll ein neuer Sensor mit z. B. einer anderen Elektrodenanordnung oder einem anderen Elektrolytvolumen realisiert werden, ist die Neukonstruktion eines dafür geeigneten Gehäuses erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, der in seiner Ausführung den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden kann, ohne daß ein speziell abgestimmtes Gehäuse konstruiert bzw. gefertigt werden muß.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gehäuse aus einer Mehrzahl von aneinandergesetzten, als Hohlkörper ausgebildeten und miteinander verbundenen Modulen aufgebaut ist, an jedem Modul mindestens zwei Seitenflächen zur Verbindung mit weiteren Modulen geeignet sind und mindestens zwei der Module jeweils eine Elektrode aufnehmen, wobei der von den Modulen umschlossene Hohlraum zur Umgebung hin einerseits durch die zwei Elektroden und andererseits durch je einen Teilbereich der Innenwandung der Module begrenzt ist und zur Aufnahme des Elektrolyten vorgesehen ist.

Vorteil der Erfindung ist, daß durch wenige standardisierte Module ein Gehäuse für jeden gewünschten Sensor realisiert werden kann. Der Aufwand für Konstruktion, Fertigung und Lagerhaltung sinkt beträchtlich gegenüber einer Ausführung mit jeweils speziell abgestimmten Gehäusen, da die je nach Erfordernis zusammengestellten Module jetzt das Gehäuse selbst bilden. Es werden vorzugsweise Module verwandt, die in ihrer geometrischen Form übereinstimmen. Das heißt mindestens, daß sie an den Stellen, an denen zwei Module verbunden werden (ihre Verbindungsstellen) gleichartig bzw. zusammenbaubar ausgebildet sind. Im übrigen können Form und Größe der Module voneinander abweichen. Um aber den Vorteil, mit wenigen Standardbauteilen verschiedene Sensoren aufbauen zu können, voll auszunutzen, wird man nur zwei oder drei verschiedene Module miteinander kombinieren. Diese Module werden dann vorzugsweise alle z. B. zylindrisch ausgebildet sein und an den Flächen, an denen sie miteinander verbunden werden, alle identisch gestaltet sein.

Durch die Verwendung von mehr als zwei Modulen können z. B. Sensoren mit drei Elektroden und/oder Sensoren mit vergrößertem Elektrolytvorrat verwirklicht werden. Der Elektrolytvorrat läßt sich noch weiter vergrößern, wenn Module mit vergrößertem Volumen mit den normalen Modulen kombiniert werden. Die Verbindungsstellen aller Module sind dabei gleich ausgebildet, so daß die beliebige Kombinierbarkeit der Module gewährleistet ist.

Es können auch Module verwandt werden, die z. B. an einer Stirnfläche zwei oder drei nebeneinander liegende Verbindungsstellen zu anderen Modulen aufweisen. Auf die Art lassen sich Sensoren mit vielen Elektroden (z. B. ein Multigassensor) realisieren.

Weiterhin kann ein Modul oder auch mehrere Module eines Sensor ein Tetraeder, Würfel, Quader oder ein sonstiges Polyeder sein. Mehrere oder auch alle Seitenflächen können für die Verbindung mit anderen Modulen vorgesehen sein. So kann z. B. ein Sensor aus einem würfelförmigen Modul als Elektrolytvorrat und bis zu sechs daran befestigten (zylindrischen) Modulen mit eingebauten Elektroden aufgebaut sein.

Die Module können untereinander durch Schrauben, Kleben oder Schweißen verbunden sein. Als Montagehilfe können dabei entsprechend geformte Stirnflächen, mit denen sich die Module berühren, dienen, die die Module radial und eventuell auch axial in ihrer gegenseitigen Lage fixieren (z. B. Schnappvorrichtungen). Die Stirnflächen können direkt oder über Zwischenstücke miteinander gekoppelt werden.

Bei Verwendung einer Schnappvorrichtung, welche z. B. durch den Einsatz einer Dichtung eine flüssigkeitsdichte Verbindung der Module erlaubt, kann auf ein zusätzliches Kleben oder Schweißen verzichtet werden.

Im Innern der Module können Nasen, Kanten oder sonstige Vorsprünge angeordnet sein, die der Aufnahme von Sensorkomponenten wie Elektroden, Membranen, Platinen und Diffusionsblenden dienen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Sensor mit zwei Elektroden,

Fig. 2 einen Sensor mit drei Elektroden,

Fig. 3 verschieden große Module zu einem Gehäuse kombiniert,

Fig. 4 verschiedene Kombinationen von Modulen,

Fig. 5 verschiedene Ausführungen von Stirnflächen-Konturen der Module,

Fig. 6 einen Sensor mit zwei Elektroden und Druckausgleichsbohrung und

Fig. 7 einen Sensor mit einem würfelförmigen Modul.

Fig. 1 zeigt einen Gassensor (1a) mit einer Arbeitselektrode (2) und einer Gegenelektrode (3). Die Elektroden (2, 3) sind in je einem Modul (4a, 4b) aufgenommen. Beide Module (4a, 4b) bilden zusammen ein Gehäuse (1) für den Gassensor (1a). Die Module (4a, 4b) sind von ihrer geometrischen Form her identisch. Es sind im wesentlichen Rohrabschnitte mit zylindrischer Außenwandung (37) aus z. B. einem thermoplastischen Kunststoff, die an ihrer Innenwandung (5) einen Wulst (6) aufweisen. Die beiden Stirnseiten des Wulstes (6) bilden je eine Haltekante (7, 8) zur Aufnahme von Sensorbauteilen.

Die beiden Module (4a, 4b) sind mit je einer ihrer Stirnflächen (9) zentrisch aufeinander montiert und mittels einer Schweißnaht (10) miteinander verbunden.

Die nach außen gelegene Haltekante (7) des einen Moduls (4a) trägt eine Diffusionsblende (11), die den Zutritt von Meßgas zu dem Sensor (1a) reguliert. Die nach innen gelegene Haltekante (8) trägt die Arbeitselektrode (2). Die nach innen gelegene Haltekante (8) des anderen Moduls (4b) trägt die Gegenelektrode (3), und die nach außen gelegene Haltekante (7) trägt eine Platine (12) mit Kontaktstiften (13, 14). Die Sensorbauteile (11, 2, 3, 12) sind jeweils mit Klebstoff (15) oder einer Schweißnaht an der jeweiligen Haltekante (7, 8) befestigt.

Der Hohlraum (16) innerhalb der beiden Module (4a, 4b), der durch die beiden Elektroden (2, 3) und jeweils einen Teilbereich (17) der Innenwandung (5) der Module (4a, 4b) begrenzt ist, ist mit einem Elektrolyten (18) gefüllt.

Die Elektroden (2, 3) sind mittels Kontaktdrähten (19, 20) mit den Kontaktstiften (13, 14) verbunden. Die Kontaktdrähte (19, 20) sind durch mit Klebstoff (21) verschlossene Gehäusebohrungen (22, 23) aus dem Hohlraum (16) herausgeführt.

Der in Fig. 2 dargestellte Sensor (1b) weist zwischen den beiden Modulen (4a, 4b, Fig. 1) ein drittes Modul (4c) auf. Der übrige Aufbau ist identisch mit dem Sensor (1a) von Fig. 1. Das dritte Modul (4c) trägt eine Bezugselektrode (24), die mit einer Bohrung (25) versehen ist, durch die hindurch der Elektrolyt (18) in Kontakt mit allen Elektroden (2, 3, 24) treten kann. Ein Kontaktdraht (26) verbindet die Bezugselektrode (24) mit einem dritten Kontaktstift (27).

In Fig. 3 ist ein Gehäuse (1) eines Sensors mit zwei Elektroden (2, 3) dargestellt. Es besteht aus zwei identischen Modulen (4d, 4e) und einem zwischen diesen angeordneten größeren Modul (4f), das einen vergrößerten Hohlraum (16a) aufweist. Das Zwischenmodul (4f) weist an seinen Stirnflächen (9) Durchbrüche (28) auf, über die die Hohlräume der Module (4d, 4e, 4f) zu einem Gesamt-Hohlraum (16) verbunden sind. Die Module (4d, 4e) sind gegenüber den Modulen (4a-4c) von Fig. 1 und 2 länger ausgebildet und der Wulst (6) ist nicht mittig, sondern zum jeweils äußeren Ende (29) des Moduls hin verschoben. Diese Verschiebung und das mittlere Modul (4f) ergeben gegenüber den Ausführungen von Fig. 1 und 2 einen stark vergrößerten Hohlraum (16) für die Aufnahme des Elektrolyten (18).

Fig. 4 zeigt schematisch, wie mit nur zwei verschieden großen Modulen (4g, 4h), die an ihren Stirnseiten (9) alle miteinander kombinierbar gestaltet sind, viele verschiedene Gehäusevarianten realisiert werden können.

In Fig. 4a sind zwei kleine Module (4g) zu einem Sensor (1c) mit zwei Elektroden kombiniert (entsprechend Fig. 1). In Fig. 4b sind drei kleine Module (4g) zu einem Sensor (1d) mit drei Elektroden (entsprechend Fig. 2) kombiniert.

Fig. 4b kann aber auch einen Sensor (1d) darstellen mit zwei Elektroden und einem vergrößerten Elektrolytvorrat. In diesem Fall enthält das mittlere Modul (4g) keine Elektrode.

Fig. 4c zeigt einen Sensor (1e) mit zwei Elektroden, die in den endständigen kleinen Modulen (4g) angeordnet sind. Zwischen diesen Modulen (4g) sind zwei große Module (4h) angeordnet, die einer starken Vergrößerung des Elektrolytvorrats dienen.

Fig. 4d zeigt einen Sensor (1f) mit drei Elektroden, die in den kleinen Modulen (4g) angeordnet sind. Jeweils zwischen zwei der kleinen Module (4g) ist je ein großes Modul (4h) zur Vergrößerung des Elektrolytvorrates angeordnet.

Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungen der Stirnflächenkonturen der Module. In Fig. 5a sind zwei ineinander gesteckte Module (4i) dargestellt. Jedes Modul (4i) trägt an der einen Stirnfläche (9a) eine Positivkontur in Form eines Absatzes (31) und an der gegenüberliegenden Stirnfläche (9b) eine mit der Positivkontur (31) zusammensteckbare Negativkontur in Form einer Ausnehmung (33). Die beiden Module sind dadurch gegen radiale Verschiebungen gesichert, was ihre Montage erheblich erleichtert. So kann z. B. eine Vorrichtung, die die Module bei ihrer Verschweißung zu einem fertigen Sensor aufnimmt, einfacher gestaltet sein.

In Fig. 5b sind Module (4j) dargestellt, die an beiden Stirnflächen (9a, 9b) Negativkonturen (33) aufweisen. Die für ein Zusammenstecken erforderliche Positivkontur wird von einem Verbindungsstück in Form eines Ringes (34) gebildet.

Fig. 5c und d zeigen Module (4k, 4l) mit Schnappverbindungen, die gegen radiale und axiale Verschiebungen sichern. Damit ist die Montage von Modulen zu einem Sensor sehr leicht durchzuführen.

In Fig. 5c ist ein Modul (4k) dargestellt, der analog zu dem Modul (4i) von Fig. 5a an der einen Stirnfläche (9a) eine Positivkontur (35) und an der anderen Stirnfläche (9b) eine dazu passende Negativkontur (36) aufweist.

Im Bereich der Positivkontur (35) ist der Außendurchmesser des Moduls (4k) gegenüber dem übrigen Bereich (37) reduziert, so daß sich ein Absatz (38) ergibt. Auf diesem Absatz (38) ist ein umlaufender Kragen (39) mit trapezförmigem Querschnitt angeordnet.

Im Bereich der Negativkontur (36) ist der Innendurchmesser des Moduls (4k) gegenüber dem übrigen Bereich (5) erweitert, so daß sich eine Ausnehmung (41) ergibt. In der Ausnehmung (41) ist eine umlaufende Nut (42) mit trapezförmigem Querschnitt angeordnet.

Die Positivkontur (35) eines Moduls (4k) kann durch axialen Druck in die Negativkontur (36) eines weiteren Moduls (4k) eingeschnappt werden.

In Fig. 5d ist ein Modul (4l) dargestellt, das an beiden Stirnflächen (9a, 9b) Negativkonturen (36) aufweist. Zur Verbindung zweier Module (4l) dient ein ringförmiges Verbindungsstück (43), das zwei nebeneinanderliegende Positivkonturen (35) aufweist.

Innere Stirnflächen der Module (4k, 4l) dienen als Haltekanten (44, 45, 46) für das Anbringen von Sensorbauteilen.

Fig. 6 zeigt einen Sensor (1g), der aus zwei Modulen (4l) und einem Verbindungsstück (43) entsprechend Fig. 5d und e aufgebaut ist. Die beiden Module (4l) sind durch eine Schweißnaht (47) flüssigkeitsdicht verbunden. In die beiden innenliegenden Negativkonturen (36a, 36b) ist das Verbindungsstück (43) eingeschnappt. In die eine außenliegende Negativkontur (36c) ist eine Diffusionsblende (11) eingeschnappt. Diese weist mehrere kleine Bohrungen (48) auf, durch die beispielsweise Gas aus der Umgebung Zutritt zu dem Sensor (1g) hat. In die andere außenliegende Negativkontur (36d) ist eine Platine (12) eingeschnappt. An zwei Haltekanten (45, 46) der Module (4l) sind Elektroden (2, 3) befestigt. Die Elektroden (2, 3) sind über Kontaktdrähte (19, 20) mit Kontaktstiften (13, 14) auf der Platine (12) verbunden (wie schon zu Fig. 1 beschrieben). Im Hohlraum (16) des Sensors (1g) ist ein zylindrisches Stück Glasvlies (49) angeordnet, das sich von der Arbeitselektrode (2) bis zur Gegenelektrode (3) erstreckt und mit Elektrolyt (18) getränkt ist.

Um bei wechselnden Einsatzbedingungen des Sensors (1g) einen Druckausgleich zwischen dem Hohlraum (16) und der Umgebung sicherzustellen, ist im Bereich der Schweißnaht (47) an einer Stelle am Umfang des Sensors (1g) eine Druckausgleichsbohrung (50) in der Wandung (51) vorgesehen. Um einen Austritt des Elektrolyten (18) durch diese Bohrung (50) zu verhindern, ist das Verbindungsstück (43) so dimensioniert, daß es dichtend an den Modulen (4l) anliegt. Um einen Gasaustritt durch die Druckausgleichsbohrung (50) zu ermöglichen, ist das Verbindungsstück (43) aus porösem Kunststoff (z. B. PTFE) gefertigt.

Fig. 7 zeigt ein würfelförmiges Modul (4m), dessen sechs Seitenflächen (9) zur Verbindung mit weiteren Modulen (4) geeignet sind. Nicht benötigte Seitenflächen (9) können geschlossen ausgebildet sein oder durch einen Stopfen (52) verschlossen werden. Die Seitenflächen (9) können mit einer der in Fig. 5 dargestellten Stirnflächenkonturen versehen sein (in Fig. 7 nicht näher dargestellt). Das würfelförmige Modul (4m) dient in diesem Beispiel als Elektrolytvorrat und die angekoppelten Module (4) tragen je eine Elektrode. Auf diese Weise ist ein Sensor zur gleichzeitigen Messung mehrerer Stoffe realisierbar.

Von den dargestellten Ausführungsformen der Module (4a- 4m) wird man zweckmäßigerweise eine oder zwei auswählen. Man wird dann z. B. zwei verschieden große Module (z. B. 4g, 4h) mit einheitlichen Stirnflächenkonturen (z. B. wie in Fig. 6) versehen und damit ein Baukastensystem zur Verfügung haben, mit dem sich viele verschiedene Sensoren realisieren lassen.

Claims (14)

1. Elektrochemischer Sensor für fluide Medien mit mindestens zwei Elektroden, die über einen Elektrolyten miteinander in Kontakt stehen und in einem Gehäuse aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) aus einer Mehrzahl von aneinandergesetzten, als Hohlkörper ausgebildeten und miteinander verbundenen Modulen (4a, 4b; 4c-4m) aufgebaut ist, an jedem Modul (4a-4m) mindestens zwei Seitenflächen (9) zur Verbindung mit weiteren Modulen (4a-4m) geeignet sind und mindestens zwei der Module (4a, 4b; 4c- 4m) jeweils eine Elektrode (2, 3) aufnehmen, wobei der von den Modulen (4a, 4b; 4c-4m) umschlossene Hohlraum (16) zur Umgebung hin einerseits durch die zwei Elektroden (2, 3) und andererseits durch je einen Teilbereich (17) der Innenwandung (5) der Module (4a, 4b; 4c-4m) begrenzt ist und zur Aufnahme des Elektrolyten (18) vorgesehen ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Module (4a, 4b; 4c-4m) in ihrer geometrischen Form übereinstimmend ausgebildet sind.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektroden (2, 3) tragenden Module als Endmodule (4a, 4b) ausgebildet sind, zwischen denen ein weiteres Modul als Mittelmodul (4c) angeordnet ist, das eine weitere, für den Elektrolyten (18) durchlässige Elektrode (24) trägt, und daß der von den drei Modulen (4a-4c) umschlossene Hohlraum (16), der zur Umgebung hin einerseits durch die zwei in den Endmodulen (4a, 4b) angeordneten Elektroden (2, 3) und andererseits durch je einen Teilbereich (17) der Innenwandung (5) der Module (4a-4c) begrenzt ist, zur Aufnahme des Elektrolyten (18) vorgesehen ist.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Elektroden (2, 3) tragenden Module als Endmodule (4d, 4e, 4g) ausgebildet sind, zwischen denen ein oder mehrere Zwischenmodule (4f, 4h, 4m) angeordnet sind, die im wesentlichen einen an sich geschlossenen Hohlraum (16a) bilden, der an seinen den Endmodulen (4d, 4e, 4g) zugewandten Seitenflächen (9) Durchbrüche (28) aufweist, so daß die Hohlräume der Endmodule (4d, 4e, 4g) und des Zwischenmoduls oder der Zwischenmodule (4f, 4h, 4m) einen Gesamt-Hohlraum (16) zur Aufnahme des Elektrolyten (18) bilden.

5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenmodule (4f, 4h, 4m) ein größeres Volumen als die Endmodule (4d, 4e, 4g) umschließen.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (4a-4l) ringförmig mit im wesentlichen zylindrischer Außenwandung (37) ausgebildet sind und Stirnflächen (9) aufweisen, wobei aneinanderliegende Stirnflächen (9) von jeweils zwei Modulen (4a-4l) miteinander verbunden sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (4m) tetraeder-, quader- oder polyederförmig ausgebildet sind und mindestens zwei ihrer Seitenflächen (9) zur Verbindung mit weiteren Modulen (4a-4m) geeignet sind.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwandung (5) der Module (4a-4m) eine Haltekante (7, 8) zum Halten von Sensorbauteilen (2, 3, 11, 12) vorgesehen ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (4i-4k) an ihrer einen Stirnfläche (9a) eine Positivkontur (31, 35) und an ihrer gegenüberliegenden Stirnfläche (9b) eine der Positivkontur (31, 35) entsprechende Negativkontur (33, 36) aufweisen.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (4j, 4l) an ihren beiden Stirnflächen (9a, 9b) identische Negativkonturen (33, 36) aufweisen und ein Verbindungsstück (34, 43) zur Verbindung zweier Module (4j, 4l) vorgesehen ist, das eine der Negativkontur (33, 36) der Module (4j, 4l) entsprechende Positivkontur (31, 35) aufweist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positivkontur (35) mit der Negativkontur (36) zusammen zur Bildung einer gegen radiale und axiale Verschiebungen sichernden Schnappverbindung von jeweils zwei Modulen (4k- 4m) vorgesehen ist.

12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Positivkontur (35) in Form eines auf einem Absatz (38) des Moduls (4k) angeordneten Kragens (39) und die Negativkontur (36) in Form einer zur Aufnahme des Kragens (39) geeigneten in einer Ausnehmung (41) des Moduls (4k) angeordneten Nut (42) ausgebildet ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Positivkontur (31, 35) und/oder die Negativkontur (33, 36) der Module (4i-4m) zur Aufnahme weiterer Sensorbauteile wie Anschlußplatine (12) oder Diffusionsblende (11) vorgesehen sind.

14. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (43) gasdurchlässig ausgebildet ist, und daß die Wandung (51) mindestens eines der Module (4l) in dem dem Verbindungsstück (43) benachbarten Bereich eine sich von dem mit Elektrolyt (18) gefüllten Hohlraum (16) des Gassensors (1g) zur Umgebung hin erstreckende Druckausgleichsbohrung (50) aufweist.