DE19703744C2 - Sonde zum Messen von flüchtigen Bestandteilen in einer wässrigen Lösung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Sonde zum Messen von flüchtigen Bestandteilen in einer wäßrigen Lösung, wie der Bestimmung der Alkoholkonzentration einer wäßrigen Lösung, mit einem Sondenkörper und hierin angeordneter Membran und Gassensor, der auf die durch die Membran permeierenden Gase anspricht, wobei zwischen Membran und Sensor eine mit Luft gefüllte Meßkammer gebildet ist.

Eine Sonde zur Entnahme von flüchtigen Komponenten aus Flüssigkeiten oder Gasen, beispielsweise zwecks Kon­ zentrationsbestimmung, die mit einer Permeationsmembran sowie einem Sensor arbeitet, ist beispielsweise aus der EP-A 0174 417 und der EP-A 0054 537 bekannt geworden. Bei diesen bekannten Sonden werden Permeationsmembrane auf Basis eines schlauchförmigen Silikonkörpers eingesetzt, durch welche die zu messenden flüchtigen Komponenten in den Flüssigkeiten entsprechend ihrer Konzentration mit un­ terschiedlichen Geschwindigkeiten permeieren und dann auf den Sensor treffen, welcher auf Grund seiner elektri­ schen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konzentration der zu messenden Komponenten seinen Widerstand ändert und entsprechende Meßsignale abgibt. Halbleitersensoren zur Anwendung in derartigen Sonden sind bekannt und han­ delsüblich erhältlich.

Bei den bekannten Sonden erweist es sich als nachteilig, daß durch Anwendung der schlauchförmigen Silikonmem­ branen, die keine stoffspezifische Trennwirkungen erzeu­ gen, nicht nur der gewünschte zu messende Stoff/Gas aus der Flüssigkeit abgetrennt und gemessen wird, sondern auch weitere Gase und Stoffe das Meßergebnis in bezug auf die­ sen einen gewünschten Stoff verfälschen.

Darüber hinaus zeigen die bekannten Silikonmembranen recht begrenzte Diffusionsgeschwindigkeiten insbesondere auch in bezug auf Alkohol, so daß sich die Notwendigkeit ergibt, eine sehr große Membranfläche zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grunde sind bei den bekannten Sonden­ vorrichtungen die Membranen schlauchförmig ausgebildet, um so eine große Membranfläche für den Austausch zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus werden bei den be­ kannten Anordnungen durch die Vergrößerung der Mem­ bran als Mantelfläche auf einem in die zu messende Flüssig­ keit hineinragenden Finger für die Abführung des permeie­ renden Gases, in diesem Fall Alkohol, eine Spülung mit ei­ nem Trägergas durchgeführt werden, das dann dem Gassen­ sor zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sonde zur Bestimmung insbesondere von flüchtigen Bestandteilen in einer wäßrigen Lösung, bevorzugt der Alkoholkonzentra­ tion einer wäßrigen Lösung, zu schaffen, die eine höhere Meßgenauigkeit ermöglicht und zugleich den Bau einer ver­ einfachten Meßvorrichtung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Sonde gemäß Gattungsbegriff erreicht, die dadurch gekennzeich­ net ist, daß der Sondenkörper ein von der vorderen Stirnseite durchgehendes Lumen aufweist, und nahe der vorderen Stirnseite eine flache quer zum Lumen verlaufend angeord­ nete Pervaporationsmembran das Lumen nach außen hin ab­ trennt und innerhalb des Lumens benachbart der Membran unter Ausbildung der Meßkammer der Sensor angeordnet ist und auf der der Membran abgewandten Seite des Sensors ein innerer Körper in das Lumen von der rückwärtigen Stirnseite des Sondenkörpers eingeführt ist, der zumindest den Sensor positioniert und der eine Durchgangsbohrung mit bezüglich der Größe definierter Auslaßöffnung für den Austausch der in der Meßkammer enthaltenen Luft und Gase mit der Atmosphäre aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehm­ bar.

Erfindungsgemäß wird nicht mehr eine Permeationsmem­ bran auf Basis von Silikon, wie bisher üblich, eingesetzt, sondern eine sogenannte Pervaporationsmembran.

Unter Pervaporation ist eine Kombination von Verdamp­ fen und Membranpermeation zu verstehen. Hierbei handelt es sich um eine Membrantrenntechnik, bei der die eine Seite einer porenlosen Polymermembran - Pervaporationsmem­ bran - mit einer flüssigen Mischung verschiedener Kompo­ nenten in Kontakt ist, während auf der anderen Membran­ seite das Permeat in der Dampfphase entfernt wird. Der transmembrane Fluß wird durch einen Partialdruckgradien­ ten über die Membran verursacht. Dieser kann durch Anle­ gen eines Vakuums auf der Produktseite erreicht werden oder durch Vorbeiführen eines Trägerstromes. Der Partial­ druckgradient kann auch durch eine Temperaturdifferenz über beide Membranseiten erzeugt werden. Erfindungsge­ mäß wird eine für die Pervaporation geeignete Membran für die Messung der Alkoholkonzentration in einer wäßrigen Lösung benutzt.

Als besonders geeignet für eine Trennwirkung, die sich ausdrücklich auf Ethanol bezieht, hat sich eine Pervaporati­ onsmembran erwiesen, die auf Basis von Polyetherimid her­ gestellt ist und eine selektive Schicht auf Basis von Polyoc­ talmethylsiloktan mit einer selektiven Schichtdicke von ca. 16 µm aufweist.

Die für die Erfindung einsetzbaren Halbleitergassensoren sind ebenfalls handelsüblich erhältlich, wie auch die ein­ gangs der Beschreibung erwähnten europäischen Offenle­ gungsschriften beschreiben. Beispielsweise können für die Erfindung Halbleitergassensoren der Unitronic GmbH mit der Handelsbezeichnung TGS 822 eingesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Sonde zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus mit einem äußeren Sonden­ körper mit einem durchgehenden Lumen und einem von ei­ ner Seite in das Lumen des Sondenkörpers einsetzbaren zweiten sogenannten inneren Körper. Bevorzugt sind so­ wohl der Sondenkörper als auch der innere Körper zylin­ drisch ausgebildet, ebenso die Lumen und Bohrungen. Da­ mit wird es möglich, in sehr einfacher Weise die Sonde durch Ineinanderstecken aufzubauen, wobei die Pervapora­ tionsmembran nicht mehr wie im Stand der Technik schlauchförmig, sondern nur noch als flache Scheibe ausge­ bildet ist und das Lumen an der Stirnseite des Sondenkör­ pers quer überspannend im Inneren des Sondenkörpers eine von der äußeren Atmosphäre und Umgebung abgetrennte Meßkammer bildet. Diese Meßkammer wird dann auf der anderen Seite von dem Sensor begrenzt, so daß von der äu­ ßeren Umgebung durch die Pervaporationsmembran ein­ dringende Gase über die Meßkammer zu dem Sensor gelan­ gen und entsprechend durch Widerstandsveränderung des­ selben ein Signal auslösen, das über Meßleitungen einer ent­ sprechenden Auswerteelektronik, beispielsweise mit Mikro­ prozessor und Anzeigeeinheit zu geführt wird.

Um eine genaue Positionierung und auch eine leichte Rei­ nigungsmöglichkeit der Sonde zu ermöglichen, wird bevor­ zugt der äußere Sondenkörper zweiteilig ausgebildet, indem nämlich im vorderen Stirnbereich eine Stirnkappe oder Schraubkappe vorgesehen wird, die die Pervaporations­ membran aufnimmt und die dann auf den eigentlichen Son­ denkörper stirnseitig aufgeschraubt oder mittels Bajonett­ verschluß aufgesetzt wird.

Dann ist die Pervaporationsmembran zwischen Stirnseite und Schraubkappe fixiert, während der Sensor innerhalb des Sondenkörpers im Lumen in einer bestimmten Position ein­ gesetzt und gehaltert ist. Die Abfuhr der Luft aus Meßkam­ mer erfolgt dann durch den inneren Sondenkörper, der mit einem durchgängigen Kanal und einer definierten Auslaß­ öffnung vergehen ist. Auf diese Weise sind stets die ge­ wünschten definierten Volumenverhältnisse herstellbar, die ein genaues Messen der Alkoholkonzentration in einer wäß­ rigen Flüssigkeit mittels durch die Pervaporationsmembran permeierenden Alkohols, der dann mit dem Sensor gemes­ sen wird, ermöglichen.

Die Erfindung wird nachfolgend in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Sonde zum Messen der Alkoholkonzentration mit einem einteiligen äußeren Sondenkörper in der schema­ tischen Darstellung im Längsschnitt und

Fig. 2 eine Sonde zum Messen der Alkoholkonzentration, bei der der äußere Sondenkörper zweiteilig mit einer Stirn­ kappe ausgebildet ist, ebenfalls im schematischen Längs­ schnitt.

Die Sonde nach Fig. 1 umfaßt den zylindrischen Sonden­ körper 1, der rohrförmig ausgebildet ist und an seiner vorde­ ren Stirnseite 12 teilweise verschlossen und zentrale Ein­ trittsbohrung 17 aufweist. Im Inneren weist der rohrförmige zylindrische Sondenkörper 1 das Lumen 11 auf, das von der Eintrittsbohrung 17 bis zur rückwärtigen Stirnseite (13) durchgehend ausgebildet ist. Das Lumen 11 des Sondenkör­ pers 1 ist im Bereich der vorderen Stirnseite 12 durch die eingelegte Pervaporationsmembran 6 nach außen abge­ trennt. Die Pervaporationsmembran 6 liegt hier an der In­ nenseite der Stirnwand des Sondenkörpers 1 an. Unter Zwi­ schenlage eines Dichtringes 5 ist dann der Halbleitergassen­ sor 8 in dem Lumen 11 angeordnet, wobei zwischen der Membran 6 und dem Sensor 8 die mit Luft gefüllte Meß­ kammer 9 gebildet ist. Auf der der Membran abgewandten Seite des Sensors 8 schließt sich der in das Lumen von der rückwärtigen Stirnseite 13 des Sondenkörpers 1 eingesetzte innere Körper 2 an, der ebenfalls als rohrförmiger zylindri­ scher Körper ausgebildet ist und eine durchgehende Boh­ rung 20 aufweist, die am stirnseitigen rückwärtigen Ende in einer in bezug auf die Größe definierten Auslaßöffnung 23 mündet.

Die erfindungsgemäße Alkoholsonde ist so aufgebaut, daß die Pervaporationsmembran 6 mit dem Gassensor 8 kombiniert ist, wobei die Pervaporationsmembran 6 als flache Scheibe am Ende des durch das Lumen 11 offenen zy­ lindrischen Sondenkörpers 1 angeordnet ist und so einen Luft gefüllten Raum 9 als Meßkammer im Inneren des Son­ denkörpers 1 von der zu analysierenden Flüssigkeit ab­ trennt. Auf der von der Flüssigkeit F abgewandten Seite der Membran 6 befindet sich unter Zwischenbelassung der Meßkammer, d. h. des mit Luft gefüllten Raumes 9, der Gassensor 8, der über einen Widerstand 8 durch Verände­ rung des Widerstandes mit einem Signal auf die sich verän­ dernde Alkoholkonzentration in der Meßkammer 9 durch den durch die Membran 6 permeierenden Alkohol reagiert.

Der Gassensor 8 ist so in dem zylindrischen Körper 1, d. h. in dessen Lumen 11, untergebracht und wird von dem zweiten in den ersten Sondenkörper 1 in das Lumen 11 ein­ geführten Körper 2 positioniert, daß der Sensor mit der Vor­ derseite seines Gehäuses unter Zwischenlage des Dichtrin­ ges 9 die Membran 6 gegen das stirnseitige vordere Ende des Sondenkörpers 1 drückt und festlegt. Die Meßkammer 9 kann die in ihr vorhandene Luft nur durch die am hinteren Ende des inneren Körpers 2 befindliche Auslaßbohrung 23 mit definiertem Durchmesser über den Kanal 20 mit der At­ mosphäre austauschen. Innerhalb der Meßkammer 9 ent­ steht so ein Gasgemisch, dessen Alkoholgehalt in ständigem Diffusionsgleichgewicht mit der zu messenden Flüssigkeit F steht. Die Alkoholkonzentration der Meßkammeratmo­ sphäre erzeugt die Widerstandsveränderung an der Oberflä­ che 8a des Gassensors 8. Diese Widerstandsänderung kann mit Hilfe geeigneter Algorithmen in eine mathematische Beziehung mit der Alkoholkonzentration gebracht werden, d. h. das Meßsignal wird auf einen Rechner gegeben. Der Sensor 8 ist über eine hier nicht dargestellte Meßleitung mit der Steckverbindung 3 und einer Leitung 4 mit dem Rech­ ner, d. h. der Auswerteelektronik verbunden.

In der Fig. 2 ist eine Abwandlung der Sonde nach Fig. 1 dargestellt, bei der der Sondenkörper 1 insoweit zweiteilig ausgebildet ist, als an seinem vorderen stirnseitigen Ende 13 eine Schraubkappe 7 ausgebildet ist, die über das stirnseitige Ende aufgesetzt und beispielsweise mittels eines Schraubge­ windes fixiert wird. Bei dieser Anordnung ist in dem durch­ gehenden Lumen 11 des Sondenkörpers 1 ebenfalls der Sen­ sor 8 mit seinem Sensorstecker 8b untergebracht und zum rückwärtigen stirnseitigen Ende 13 des Sondenkörpers hin durch den eingesteckten inneren Körper 2 in seiner Position fixiert. Hierbei ist das vordere stirnseitige Ende 12 des Son­ denkörpers 1 ebenfalls durch die Stirnwand teilweise ver­ schlossen und läßt nur die Eintrittsbohrung 17 frei, die einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser des durchgän­ gigen Lumens 11 aufweist. An der inneren Seite des stirnsei­ tigen Endes 12 des Sondenkörpers 1 liegt der Sensor 8 unter Zwischenlage eine Dichtringes 5 an und wird durch den in­ neren Körper 2 in dieser Position fixiert. Der innere Körper 2 kann wiederum durch eine Überwurfmutter 15, die auf das hintere Ende des Sondenkörpers 1 aufgeschraubt wird, fi­ xiert werden. Die Pervaporationsmembran 6 hingegen ist auf der vorderen Außenseite der Stirnseite 12 des Sonden­ körpers 1 aufgelegt und wird mittels der darübergesetzten Stirnkappe 7 fixiert. Die Stirnkappe 7 wiederum weist zen­ tral die Austrittsöffnung 71 auf, die mit der zu messenden Flüssigkeit F kontaktiert. So kann die Flüssigkeit F durch die Bohrung 71 direkt die Membran 6 erreichen und von hier durch Permeation in die zwischen der Membran 6 und dem Sensor 8 im Bereich der Eintrittsbohrung 17 und des Lumens 11 gebildete Meßkammer 9 gelangen und von hier zu dem Widerstand 8a des Sensors, um ein entsprechendes Meßsignal auszulösen. Der Luftaustausch mit der Meßkam­ mer erfolgt dann wiederum über den Kanal 20, der durch den Stecker 8b des Sensors und den inneren Körper 2 nach außen führt. Auch hier sind definierte Austrittsgrößen und Volumina gegeben, so daß eine hohe Meßgenauigkeit er­ reichbar ist. Bei der Gestaltung der Alkoholsonde nach Fig. 2 ist die Membran 6 unabhängig von dem Sensor 8 fixierbar und auch beim Auseinandernehmen der Sonde sind diese Teile einzeln austauschbar.

Claims (6)

1. Sonde zum Messen von flüchtigen Bestandteilen in einer wäßrigen Lösung, wie der Bestimmung der Alko­ holkonzentration einer wäßrigen Lösung, mit einem Sondenkörper und hierin angeordneter Membran und Gassensor, der auf die durch die Membran permeieren­ den Gase anspricht, wobei zwischen Membran und Sensor eine mit Luft gefüllte Meßkammer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) ein von der vorderen Stirnseite durchgehendes Lumen aufweist, und nahe der vorderen Stirnseite eine flache quer zum Lumen (11) verlaufend angeordnete Pervapo­ rationsmembran das Lumen nach außen hin abtrennt und innerhalb des Lumens benachbart der Membran unter Ausbildung der Meßkammer (9) der Sensor (8) angeordnet ist und auf der der Membran abgewandten Seite des Sensors (8) ein innerer Körper (2) in das Lu­ men (11) von der rückwärtigen Stirnseite des Sonden­ körpers (1) eingeführt ist, der zumindest den Sensor (8) positioniert und der eine Durchgangsbohrung (20) mit bezüglich der Größe definierter Auslaßöffnung (23) für den Austausch der in der Meßkammer enthaltenen Luft und Gase mit der Atmosphäre aufweist.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) an seinem vorderen stirnsei­ tigen Ende (12) durch Ausbildung einer Stirnwand eine gegenüber dem Lumen (11) verkleinerte Eintrittsboh­ rung (17) aufweist und die Pervaporationsmembran auf der Innenseite der Stirnwand gegebenenfalls unter Zwischenlage eines Dichtringes die Eintrittsbohrung (17) abdeckend angeordnet ist.

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Pervaporationsmembran (6) und Sensor (8) ein Dichtring (5) angeordnet ist.

4. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) und der in­ nere Körper (2) als Zylinderkörper ausgebildet sind.

5. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sondenkörper (1) zweiteilig ausgebildet ist, dergestalt, daß der die vordere Stirn­ seite umfassende Bereich als auf den Sondenkörper (1) aufsetzbare und fixierbare Stirnkappe (7) ausgebildet ist und die Pervaporationsmembran (6) auf der vorde­ ren Stirnseite (12) des Sondenkörpers (1) außen ange­ ordnet und mittels der Schraubkappe (7) gegebenen­ falls unter Zwischenlage eines Dichtringes fixiert ist und der Sensor (8) innerhalb des Sondenkörpers (1) an­ geordnet ist.

6. Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Pervaporationsmembran eine Membran auf Basis von Polyetherimid mit einer selek­ tiven Schicht auf Basis von Polyoctalmethylsiloctan eingesetzt ist, deren stoffspezifische Trennwirkung in bezug Ethanol ausgelegt ist.