CN103163384A - 整体塑料电导率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式电导率传感器，包括电绝缘塑料本体和多个电极。所述多个导电电极本体设置在塑料本体中。每个电极由塑料构造并且与电绝缘塑料本体熔接。提供制造电导率传感器的方法，以及采用该传感器的一次性生物反应器。

Description

整体塑料电导率传感器

技术领域

液体电导率测量系统用于测量其中需要液体的离子含量的指示的环境、医疗、工业和其他应用中的水以及水溶液或非水溶液的电导率。

背景技术

在各种情况下测量液体电导率以提供可能与体积离子浓度(bulkionic concentration)相关的参数。在存在单个类型的离子的情况下，电导率实际上可能与具体离子浓度相关。即使在存在多个不同离子化合物的情况下，液体体积电导率的测量仍然可以提供非常有用的信息。因此，已经通过工业广泛采用和利用电导率测量，用于各种不同目的。

通常情况下，接触式电导率测量系统包括传导单元(conductivitycell)和相关的电导率计(conductivity meter)。图1图示了这种系统。电导率计产生施加到传导单元的电极的交流电压。电导率计然后检测传导单元的电极之间的总电流。这个电流通常是传导单元所暴露到的液体的电导率的函数。

在电极之间的流动的电流的量不仅取决于溶液的电导率，而且取决于传感器电极的长度、表面积和几何形状。由于传感器的尺寸和几何形状，探头常数(probe constant)(也叫传感器常数或电极常数)是传感器对导电溶液的电流响应的测量值。

接触式电导率传感器一般由在绝缘传感器本体中间隔分开的至少两对金属电极制成。电极之间的距离和电极的表面区域被限定。在操作过程中，电极直接接触标本溶液。标本溶液的电导率可以通过使用双电极或四电极方法测量。

传统制造方法依靠薄膜/厚膜形式的金属，或作为电极的杆，和作为传感器本体材料的塑料或陶瓷/玻璃。传统的制造方法已经产生问题，包括成本以及密封件和传感器本体材料之间的泄漏。

提供一种接触式电导率传感器，其不仅成本比以前接触式电导率传感器低，而且更耐泄漏，这代表接触式电导率传感器的重大进步。

发明内容

一种接触式电导率传感器，包括电绝缘塑料本体和多个电极。所述多个电导率电极设置在塑料本体中。每个电极由塑料构成并且与电绝缘塑料本体熔接。提供制造电导率传感器的方法，以及采用该传感器的一次性生物反应器。

附图说明

图1是本发明的实施例特别用于的接触式电导率测量系统的示意视图。

图2和3是根据本发明实施例的单片式塑料电导率传感器的透视图和顶视图。

图4是用于在图2和3中显示的电导率传感器的制造过程的示意图。

图5是根据本发明的实施例的固体塑料电导率传感器的示意图，固体塑料电导率传感器用于测量一次性生物反应器内的溶液的电导率。

图6是根据本发明的实施例的塑料电导率传感器的横截面示意图，该塑料电导率传感器安装到一次性生物反应器的塑料壁的一部分。

具体实施方式

图2和3是根据本发明的实施例的整体式塑料电导率传感器10的透视图和顶视图。如在此处使用的，“塑料”意图表示人工合成的有机聚合物，其在软的时候可以被模制成形，并且然后固着成刚性或略有弹性的形式。传感器10包括设置在绝缘传感器本体20内的至少两个并且优选地四个导电电极12、14、16、18。图示传感器本体具有一对相对面21、23和在其间延伸的侧壁25。导电电极12、14、16、18中的每一个从第一面21延伸通过传感器本体20到达第二面23。在使用中，面21、23将与标本溶液直接接触以确定标本溶液的电导率。如图3所示，当使用四个电极时，它们优选是彼此共线的。

整个电导率传感器10被认为是整体的，在于整个传感器由塑料构成，其中没有密封件或材料界面。相反，整个传感器10是单个塑料件，它的一部分(电极12、14、16、18)是导电的。每个电极12、14、16、18和传感器本体20优选由热塑性复合物形成，其中添加剂或其他合适的材料设置在电极12、14、16、18的区域中以提供电导率。

诸如用于电极12、14、16、18的导电塑料混合料(thermoplasticcompounds)是已知的并且容易得到。一些示例性的混合料由明尼苏达州的Winona(威诺纳)的RTP公司出售。从RTP公司获得的导电热塑性塑料混合料一般包括已经用导电添加剂改性的树脂，导电添加剂包括碳基(粉末和纤维)、金属基(固体和涂料)和全部聚合物。已经基于聚乙烯、丙烯和聚苯乙烯开发了混合料。一般来说，这种材料用于具有调节能力的静电放电(ESD)控制，并且力学性能类似于基质树脂，并且易于加工。从RTP可获得的其全部聚合物是以商标名称Permastat

销售的。Permastat产品不会脱蚀(non-sloughing)、是可着色的并且可以用于宽范围的聚合物阵列。

许多不同的塑料有机聚合物可以与导电填料复合以使它们导电。这种聚合物包括缩醛(POM)、丙烯酸树脂(PMMA)、氟塑料(PTFE、PVDF、PFA)、聚碳酸酯(PC)、聚醚醚酮(PEEK)、聚烯烃(聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯)、聚砜(PSU)、聚醚砜(PEC)、聚氨酯弹性体(TPU)和苯乙烯(聚苯乙烯、ABS)。优选地，用于传感器本体20和电极区域两者的聚合体复合物是热塑性塑料。然而，可以使用任何合适的聚合物。然而，热塑性塑料提供重要的优势在于，传感器本体和电极可以单独被提供、组装在一起，并且被加热到热塑性塑料的熔点，所有材料界面在熔点处熔接在一起，以形成单一整体。因此，传感器本体20优选地是盘或杆，所述盘或杆被钻孔或开孔以产生可以接收将形成电极12、14、16、18的杆的孔。在杆放置在合适的孔内的情况下，整个组件被简单地加热到传感器本体和电极的热塑性塑料熔点，以形成单个塑料整体。整个组件然后可以被切割，以提供单独的整体式塑料电导率传感器10。

图4是用于电导率传感器10(显示在图2和3中)的制造过程的示意视图。设置电绝缘塑料制成的杆22，其具有多个孔24、26、28和30。能够以任何合适的方式产生杆22中的孔24、26、28和30，包括钻孔。然而，孔24、26、28和30也可以在铸造或挤压成形类工艺中预成型在本体22中。

导电塑料32、34、36、38被注射或以其他方式传送到各个孔24、26、28、30中。通过在塑料处于其玻璃化转变温度以上的温度处的同时将塑料32、34、36和38注射到各个孔中，塑料将流过通过每个孔以填充其中的轮廓。一旦冷却，形成单个塑料整体。在一个实施例中，本体22和塑料部分32、34、36、38由相同的塑料复合物形成，诸如丙烯酸、ABS、碳酸盐或其它类似物。本体22和杆32、34、36、38的材料之间的唯一区别在于在杆32、34、36、38的形成过程中提供的导电添加剂使这种杆是导电的。

在任何情况下，在塑料32、34、36、38已经被注入各个孔并且冷却以后，制造整体是塑料的整体物体。单独的电导率传感器可以通过例如沿着切割线40、42、44等等切割该物件而形成。

虽然以上参照图4提出的制造过程图示为关于将多个导电杆插入绝缘塑料本体，并且加热本体到至少杆或塑料本体的玻璃化转变温度，但本发明的实施例也可以使用其他制造方法实现。例如，可以实现其中整个组件被简单地设置为单个合成挤压件。在这样的挤压件中，导电塑料被送入此后将成为电极的区域，以产生作为挤压成形工艺的结果的熔接组件。然后，单独的塑料电导率传感器可以从被挤压的整体中单独地切割而成。

虽然参照图4描述的实施例将塑料注射到绝缘本体22的孔中，但本发明的实施例也可以实现为其中绝缘本体22围绕多个导电塑料杆注射，同时这种杆保持或维持在模具或其他合适结构中。

图5是根据本发明实施例的固体塑料电导率传感器的示意视图，该固体塑料电导率传感器被用于测量在一次性生物反应器或容器内的溶液的电导率。如在此所使用的那样，一次性生物反应器或容器50意图是任何塑料容器，其具有如此低的成本，从而基本上是一次性的，用于诸如生物反应之类的工艺。电导率传感器10安装在一次性生物反应器50内，并且传感器的电极10接触放置在一次性生物反应器50内的标本52。传感器10通过两线式或四线式连接连接到电导率分析仪54，电导率分析仪54提供适合的激励信号到传感器10。分析仪54使用传感器10测量标本52的电导率，并且提供标本52的电导率的读出或其他合适的指示。

由本发明实施例提供的一个特别优势是由于制造传感器10所需要的极低成本。成本可以下降到如此程度，即传感器10可以被认为是一次性的。因此，整个一次性生物反应器和传感器10可以在生物反应完成后丢弃。在这个意义上说，传感器10可以被认为是一次性塑料电导率传感器。

图6是根据本发明的实施例的安装到一次性生物反应器的塑料壁的一部分的塑料电导率传感器的横截面示意视图。壁58由塑料构成，可以使用热粘合或基于粘合剂的粘合在参考数字56处将该塑料粘合到一次性塑料电导率传感器10。壁58在其中限定了可密封生物反应室。孔59形成在壁58中，以允许导体60、62、64和66从中穿过。然而，粘合剂或焊缝56在传感器10和壁58之间形成液体紧密密封。虽然图6显示粘合到一次性生物反应器的壁的一次性电导率传感器10，但根据本发明的实施例，可以采用需要电导率测量的任何其他塑料容器。

在图6的实施例中，电导率分析仪54通过对应的电线或导体60、62、64、66连接到电极12、14、16、18。每个导体60、62、64、66通过连接器61与对应的电极12、14、16、18电接触。参照图6图示的实施例是四线式实施例，其中电导率分析仪54在电极12和18之间产生电流或电压，并且然后使用电极14和16以测量标本或其中溶液的电响应(electricalresponse)。这也已知为使用单对电极用于电导率测量。

虽然已经参照优选实施例描述本发明，本领域技术人员将认识到，在没有背离本发明的精神和范围的情况下，在形式和细节上可以变化。

Claims (14)

1.一种接触式电导率传感器，包括：

电绝缘塑料本体；

设置在塑料本体中的多个导电电极，其中每个电极由塑料构造并且与电绝缘塑料本体熔接。

2.根据权利要求1所述的接触式电导率传感器，其中电绝缘塑料本体和所述多个导电电极由相同类型塑料形成。

3.根据权利要求2所述的接触式电导率传感器，其中塑料从如下材料构成的组中选择：

缩醛、丙烯酸树脂、氟塑料、聚碳酸酯、聚醚醚酮、聚烯烃、聚砜、聚醚砜、聚氨酯弹性体和苯乙烯。

4.根据权利要求1所述的接触式电导率传感器，其中电绝缘塑料本体和所述多个导电电极由热固性塑料形成。

5.根据权利要求1所述的接触式电导率传感器，其中所述多个电极包括四个电极。

6.根据权利要求5所述的接触式电导率传感器，其中所述电极共线。

7.根据权利要求1所述的接触式电导率传感器，其中电绝缘塑料本体形成为具有一对相对面的盘形形状，并且其中每个电极从第一面延伸通过塑料本体到另一面。

8.根据权利要求7所述的接触式电导率传感器，其中所述相对面中的一面被配置为被暴露到标本溶液，以测量标本溶液的电导率。

9.一种形成整体式塑料电导率传感器的方法，该方法包括下述步骤：

提供绝缘塑料本体；

在塑料本体中产生多个孔；

注射导电塑料进入所述多个孔中的每一个以形成电极。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括将组件切割成多个分立的塑料电导率传感器的步骤。

11.一种由权利要求9的方法产生的塑料电导率传感器。

12.一种一次性生物反应器，具有整体塑料接触式电导率传感器，该一次性生物反应器包括：

塑料侧壁，在塑料侧壁中限定有生物反应室；

粘合到塑料侧壁的塑料接触式电导率传感器，所述传感器包括：

电绝缘塑料本体；和

设置在塑料本体中的多个导电电极，其中每个电极由塑料构造并且与电绝缘塑料本体熔接。

13.根据权利要求12所述的一次性生物反应器，还包括分析仪，分析仪通过塑料侧壁电连接到所述多个导电电极中的每一个。

14.一种形成整体式塑料电导率传感器的方法，该方法包括下述步骤：

在模具中提供多个导电塑料杆；和

将绝缘塑料本体以围绕所述多个导电塑料杆的方式注入模具中。

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