[发明专利]电位传感器设备

说明书

技术领域

本发明涉及电位传感器设备，尤其是用于记录液体被测介质的测量变量的传感器设备。这种测量变量可以例如是被测介质的pH值或溶解在被测介质中的某些化学物质——例如某些离子的浓度。这种传感器设备例如应用在实验室应用、过程测量技术或环境分析中。

背景技术

电位传感器包括测量半电池和参比半电池。测量半电池包括敏感元件，根据测量变量该敏感元件通常实施为测量膜，在测量膜上产生电势。例如，本身已知的第二类型的参比电极，例如，银/氯化银参比电极可以用作参比半电池，其提供独立于测量变量的稳定参比电势。测量变量的确定基于记录在与被测介质接触的测量半电池和参比半电池之间出现的电势差来进行。这种电位传感器的示例是所谓的离子选择性电极（ISE）。

用于确定液体的pH值的离子选择性电极的特定情形是用于pH测量的玻璃电极。玻璃电极包括壳体，在壳体中形成测量半电池腔室，其在端部由pH敏感玻璃膜密封。内电解质容纳在测量半电池腔室中，内电解质通常包含pH缓冲系统。玻璃膜因此使内电解质与面向测量半电池腔室的其内表面接触。为了进行pH测量，使玻璃膜的背离测量半电池腔室的外表面与被测介质接触。与水介质接触，玻璃膜形成凝胶层。在该情形中，在膜玻璃和水介质之间的界面发生离解，在这种情形下，玻璃的碱离子由来自水介质的质子取代，使得在凝胶层中形成大量羟基。在电极的测量操作中，这在接触内电解质的内表面以及也在接触被测介质的膜的外表面上发生。根据被测介质的pH值，H⁺离子从凝胶层扩散出或扩散到凝胶层内。因为内电解质具有恒定的pH值，所以根据被测介质的pH值在膜两端产生电势差。为了在玻璃表面上实现稳定电势且为了确保快速响应，即在测量膜浸没于被测介质和达到膜电势值仅在预定误差/容差范围内波动之间的短时长，必须完全形成凝胶层。在凝胶层干透或其它破坏之后，该响应时间可明显加长，直到甚至为了达到恒定测量值可能需要很多小时。

第二类型的参比电极，比如银/氯化银电极，包括形成在壳体中的容纳有限电解质溶液的参比半电池腔室。为了能进行测量，该内电解质必须接触被测介质。这种接触经由液体连接部发生，液体连接部可以通过穿过壳体壁的通道、多孔隔膜或缝隙产生。电势感测元件延伸到内电解质内。参比电极的电势由参比电解质和电势感测元件限定。在银/氯化银电极的情形中，例如，内电解质为高氯化物浓度的水溶液，通常是3摩尔或饱和KCl溶液，且电势感测元件为氯化银线。

因为参比半电池的电势基本上与pH值无关且可以假定随时间恒定，所以在延伸到测量半电池的内电解质中的电势感测元件和参比半电池的电势感测元件之间借助于测量电路可记录的电势差是依赖于被测介质的pH值的测量膜的内表面和测量膜的外表面之间的电势差的检测，且因此是被测液体的pH值的检测。

这种电位传感器可以实施为具有用于测量半电池和参比半电池的两个分离的（在每一种情形中）杆状壳体的测量链。然而，通常，两个半电池组合成单个杆测量链，或组合电极，其具有单个壳体，其中形成两个相互分离的腔室，其中一个腔室用作测量半电池腔室，且另一个腔室用作参比半电池腔室。

两个半电池应不仅在测量操作期间而且也在储存期间位于液体中，例如位于缓冲溶液中或盐溶液中。在传感器的干燥储存情形中，可能是，一方面，参比半电池的内电解质可能经液体连接部泄漏或干透，而另一方面，测量半电池的凝胶层可干透。为了能够在操作中取回干燥储存的电位pH传感器，必须将测量半电池在含水缓冲溶液或电解质溶液中放置至少12小时，以便重新建立被形成得足以确保快速响应的凝胶层。在其它离子选择性电极中也发生类似结果，在此情形中，玻璃用作敏感材料（例如，因此，在Na选择性玻璃的情形中）。

制药过程、化学过程、生物过程、生物化学过程或生物技术过程日益增加地在用作处理容器（这些容器称为“一次性用品”或“一次性生物反应器”）的一次性容器中执行。这种一次性容器可以包括，例如柔性容器，比如，袋子、软管或发酵罐或生物反应器。生物反应器或发酵罐通常具有能够实施为例如软管或柔性管的供应和排放管线。也可以在供应和排放管线中插入刚性管状部件或管子。在终止过程之后，一次性容器可以被丢弃。这样，避免了复杂的清洁和消毒程序。尤其是，通过使用一次性容器，避免了交叉感染的危险，且随之增加了过程安全性。