Elektrochemische Halbzelle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Halbzelle zur Messung der Ionenkonzentration einer durch eine Leitung strömenden Flüssigkeit. Die erfindungsgemässe Halbzelle ist besonders zur Verwendung in schleimigen oder beladenen Strömen und in schleimigen Massen bestimmt, die eine Neigung haben, einen Überzug auf den Wänden der Leitungen abzusetzen und kleine Öffnungen darin zu verstopfen.
Die Messung von Ionenkonzentrationen, wie z. B. pH, pNa etc. wird normalerweise mittels einer Messkette durchgeführt, bestehend aus einer Halbzelle aus Glas, oder Glaselektrode, wie sie normalerweise genannt wird, und einer Bezugselektrode, die beide in die zu untersuchende Messflüssigkeit getaucht sind.
Normalerweise besteht die Messelektrode aus einer kugelförmigen Glasmembran am Ende eines Glasstiels, wobei der Stiel aus einem nicht-Ionen-empfindlichen Glas von hoher Impedanz hergestellt ist. Das Innere der Kugel und normalerweise das untere Ende des Stiels sind mit einer gepufferten Lösung gefüllt, wobei diese Lösung in Berührung mit einer inneren Elektrode steht, welche eine Silber-Silberchlorid- Elektrode oder eine Kalomelektrode ist, in den meisten Fällen von ähnlicher Art wie die Elektrode, welche als Bezugselektrode dient, wobei letztere in Berührung mit einer Salzlösung (fast stets eine Kaliumchloridlösung) steht, welche ihrerseits mit der Messflüssigkeit über eine sogenannte Flüssigkeitsbrücke in Verbindung steht.
Wenn Ionenpotentiale in Flüssigkeitsströmen gemessen werden, welche eine grosse Menge Niederschlag tragen, neigt letztere dazu, sich zusammenzuballen, besonders an der stromabwärts gerichteten Seite der kugeligen Membran, wodurch die Arbeit des Messystems behindert wird.
Die Erfindung überwindet erfolgreich die Nachteile bekannter Messysteme, wie sie bei Einsatz unter solchen ungünstigen Umständen beobachtet werden, und liefert ein System, welches einen minimalen Widerstand gegenüber dem Durchfluss zeigt und in geeigneter Weise die Ablagerung eines Niederschlags oder anderer Überzüge auf der empfindlichen Fläche der elektrochemischen Halbzelle auf ein Minimum herab drückt.
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung mit einem koaxial in die Leitung einzufügenden Rohr, welches aus nicht ionenempfindlichem Glas und einem Abschnitt aus ionenempfindlichem Glas besteht, und mit einer drehbaren Bürste, welche auf einer koaxial in der Zelle angeordneten Welle sitzt und den Abschnitt aus ionenempfindlichem Glas berührt. Die erfindungsgemässe Halbzelle ist gekennzeichnet durch mit der Bürste verbundene Mittel für deren Drehantrieb, welche zur Ausnützung der kine tischen Energie der durch die Leitung strömenden Flüssigkeit bestimmt sind.
Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes. Die Figuren zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 einen Schnitt einer anderen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 1 zeigt eine Strömungszelle 10, welche zwischen zwei Längen 11, 12 einer Flüssigkeitsleitung eingebaut ist, mit herkömmlichen Flanschkupplungen 13, resp. 14. Die Strömungszelle besitzt eine Durchflussleitung, bestehend aus einem Ionen-empfindlichen Abschnitt 16, welcher zwischen isolierenden Abschnitten 17, 18 befestigt ist. In typischer Ausführung kann der Ionen-empfindliche Abschnitt eine röhrenförmige Membran aus Ionen-empfindlichem Glas sein, welche mit den Abschnitten 17, 18 über Dichtungen 19 resp. 20 verbunden sind, wobei die Abschnitte 17, 18 aus Glas mit einem relativ hohen elektrischen Widerstand bestehen. Das Glas, welches zur Herstellung des Ionen-empfindlichen Abschnittes 16 benutzt wird, kann jedes für diesen Zweck geeig nete Glas sein, wie z.
B. eines der Gläser, welche in den üblichen verschiedenen lonenpotential-Messelek- troden Verwendung finden. Das besondere Ionen-empfindliche Glas wird je nach der auszuführenden besonderen Messung ausgewählt werden. Der röhrenförmige Abschnitt, der die empfindliche Membran trägt, kann eine leicht gequetschte Form aufweisen, wie in Fig. 1 gezeigt, um die Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Stelle zu erhöhen und die Neigung, Material an der inneren Wand dort abzusetzen, zu vermindern.
Ein Gehäuse für einen Elektrolyten ist um den Teil der Durchflussleitung, welcher die Ionen-empfindliche Membran trägt, vorgesehen und eine bevorzugte Form der Gehäusestruktur ist in Fig. 1 gezeigt. Eine Glasröhre 23 ist um die Leitung angeordnet und am unteren Ende mit einem ringförmigen Dichtungsring 24, welcher auf einer Glocke 25 ruht, abgedichtet. Die Glocke 25 kann auf der Röhre 17 z. B. durch Verbindung ineinandergreifender Gewin- deteile an der Glocke und an der Röhre befestigt sein. O-Ringdichtungen 26, 27 sind am oberen Ende der Röhre 23 vorgesehen, wobei die Dichtungen vorzugsweise in umlaufenden Rillen, welche in der Röhre 18 gebildet sind, ruhen.
Diese Art der Abdichtung am oberen Ende des Elektrolytgehäuses erlaubt eine relative Bewegung des Gehäuses gegenüber der Durchflussleitung, welche infolge unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten auftreten kann.
Der Raum zwischen der Gehäuseröhre 23 und der Durchflussleitung ist mit einem Elektrolyten beschickt, um den Ionen-empfindlichen Abschnitt 16 zu bedecken, und eine herkömmliche Elektrode 27 ist zur Kupplung mit dem Elektrolyten vorgesehen. Die Elektrode kann direkt in der Wand der Röhre 23 zwecks Berührung mit dem Elektrolyten befestigt sein, aber eine bevorzugte Befestigung ist in Fig. 1 gezeigt.
Ein Ansatz 30 an der Röhre 23 und ein zugehörender Flansch 31 liefern eine kugelförmige Hülse für eine Kugel 32 am Ende einer Leitung 33, welche die Elektrode 27 trägt. Eine Durchflussöffnung ist durch den Ansatz 30 und die Kugel 32 vorgesehen, wodurch der Flüssigkeitsdurchfluss zwischen dem Elektrolytraum und der Elektrode ermöglicht wird.
Ein elektrisches Kabel 34 liefert eine Verbindung von der Elektrode zu einem herkömmlichen Spannungsverstärker.
Ein perforierter oder gewobener Drahtschirm 35 kann um das Gehäuse und den Ionen-empfindlichen Abschnitt gelegt sein, um der Struktur mechanischen Schutz und elektrische Abschirmung zu geben. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Schirm röhrenförmig und liegt in einer Rille 36 in der Glocke 25 und einer ähnlichen Rille 37 in einer anderen Glocke 38. Ein vergrösserter Abschnitt 39 kann in dem Schirm gebildet sein, um Raum für die Elektrodenkupplung zu geben. Die Glocke 38 ist vorzugsweise im Gleitsitz auf der Röhre 18 befestigt, um Unterschiede im Temperaturausdehnungskoeffizienten auszugleichen. Ein Leiter 40 kann eine Verbindung zwischen dem Schirm 35 und der Stromkreiserdung oder einem anderen geeigneten Punkt schaffen.
Innerhalb der Strömungszelle können Vorrichtungen vorgesehen sein, um die innere Oberfläche der empfindlichen Membran ständig zu reinigen und so Ablagerungen oder Überzüge darauf zu vermeiden, welche die Arbeit der Zelle ungünstig beeinflussen würden. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist eine Welle 43 in einer Buchse 44, welche in einer Spinne gehalten wird, die zwischen einem Paar ringförmiger Schultern in der Röhre 17 getragen wird, achsengelagert, sowie in einer anderen Buchse 45, die in einer Spinne gehalten wird, die über einer Schulter in der Röhre 18 getragen wird.
Eine Bürste, die hier als schraubenförmige Borstenbürste 46 gezeigt ist, wird von der Welle 43 getragen und berührt die innere Fläche des Abschnittes 16, wenn sich die Welle dreht. Flügel 47, 48 sind auf der Welle befestigt, so dass eine Axialturbine gebildet wird und diese drehen die Welle, wenn die Messflüssigkeit durch die Zelle fliesst, wobei die Energie der fliessenden Messflüssigkeit benutzt wird, um die Bürstenwirkung zu erzeugen.
Eine andere Konstruktion zur Drehung der Bürstenwelle ist in Fig. 2 gezeigt. Der Rotor 50 eines elektrischen Motors ist an die Welle 43 innerhalb der Röhre 18 befestigt. Der Stator 51 des Motors befindet sich um die Röhre 18 herum in Ausrichtung mit dem Rotor. Eine Kupplung 52 liefert die Verbindung von einer Kraftquelle zu dem Motor zum Antrieb der Welle 43.
Die Zellenstruktur besitzt auch Vorrichtungen, um die Bezugselektrode mit dem fliessenden Strom der Messflüssigkeit zu koppeln. Die Bezugselektrode kann direkt in die strömende Messflüssigkeit eingetaucht werden, aber vorzugsweise befindet sie sich abseits von der strömenden Messflüssigkeit, um die Wirkung von Druck, Strömungswellen, Reibungsabnutzung und mechanischer Erschütterung, wie sie von dem fliessenden Strom erzeugt werden, herabzusetzen. In der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist eine Ablassröhre 53 an die Röhre 17 angesetzt, und die Bezugselektrode 54 wird von der Ablassröhre getragen. Die Ablassröhre kann an der Durchflussleitung in der gleichen Art befestigt sein, wie die Röhre 33, welche die Elektrode 27 trägt, nämlich mit einem Ansatz 55 an der Röhre 17, einem dazu passenden Flansch 56 und einer Kugel 57 am Einlassende der Ablassröhre.
Das Auslassende der Ablassröhre geht zu einem geeigneten Ausguss, wie z. B. einem Behälter unter Atmosphärendruck. Ein Teil der Messflüssigkeit, welche durch die Zelle fliesst, fliesst kontinuierlich durch die Ablassröhre aus und liefert damit eine kontinuierliche Kupplung zwischen der Messflüssigkeit und der Elektrode 54.
Die Durchflussgeschwindigkeit der Messflüssigkeit durch die Ablassröhre kann gesteuert werden durch Schwenken der Ablassröhre, wobei die Kugel 57 und der Ansatz 55 als Strömungskontrollventil fungieren.
In einer typischen Ausbildung der beschriebenen Strömungszelle kann die empfindliche Membran aus einem Wasserstoffionen-empfindlichen Glas bestehen, wie es in den herkömmlichen pH-Glaselektroden verwendet wird, der Elektrolyt in dem Elektrolytraum aus einer in bezug auf pH und Silberchlorid gut gepufferten Lösung und jede der Elektroden 27 und 54 aus einem Silberdraht mit einem Silberchlo rid-tÇberzug darauf.
Die beschriebene Strömungszelle kann direkt in eine Durchflussleitung eingesetzt werden zur Messung des Innenpotentials in dem Strom. Die direkt einführbare Zelle verursacht einen minimalen Widerstand gegenüber dem Fluss in der Leitung und vermeidet Absonderungen im Strom. Die Zellenkonstruktur verursacht keine stehenden Zonen in der Messflüssigkeit, erlaubt kontinuierliche Messungen der unmittelbaren Bedingungen in der Mesströmung und bringt eine kontinuierliche Reinigung der Ionenempfindlichen Flächen mit sich.