CN110646491A - 探测流体中离子的传感器和以其探测流体中离子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于一种用于探测流体(22)中的离子(12，14，16)的传感器(10)，包括一个或多个电极(24至42)，电压可施加到电极上且在电极(24至42)之间能够测量电流。在此提出，一个或多个电极(24至42)分别具有孔结构(54)，所述孔结构与在流体(22)中要确定的离子(12，14，16)相互作用。本发明也涉及一种使用这样的传感器(10)的方法，其中流体(22)经受电场，在不同的电极(24至42)之间施加电压；对所出现的一个或多个电流进行检测；将所检测到的一个或多个电流与在存储器中存储的分配给确定的离子(12，14，16)的电流值和/或电流变化过程模式进行比较；存储和/或输出借助电流值和/或电流变化过程模式求取的离子(12，14，16)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于探测流体中的离子的传感器，该传感器具有一个或多个如下的电极：电压可以施加到所述电极上并且在所述电极之间可以测量电流。本发明也涉及一种用于尤其借助这样的传感器来探测流体中的离子的方法，其中，流体经受电场。
背景技术
以WO 2016/145415 A1已知可以探测分子的一种方法和一种装置。为此提出，通过具有纳米孔的膜片来划分工作空间、施加电压并且使分子运动通过膜片。由此在通过膜片时产生可测量的变化。该方法可以直接应用于较大的分子，并且说明用于对于较小分子的间接测量方法的程序。对此不利的是复杂的结构以及受限地应用于分子。
发明内容
具有根据本发明的特征的根据本发明的传感器的特征在于，一个或多个电极分别具有如下的孔结构：所述孔结构与流体中要确定的离子发生相互作用。
“孔结构”理解为如下的结构：该结构在电极的表面上具有开口，其中，开口可以延伸到电极的本体中或可以延伸穿通到电极的本体中。孔可以具有圆形的、非圆形的、球形的、通道状的或类似的构型。
表述“发生相互作用”理解如下：要探测的离子积聚到孔中或孔上并且可测量地影响孔的区域中的电场和/或电流流动(Stromfluss)。
本发明基于如下认识：不同的离子类型与具有定义的孔结构和孔尺寸的多孔材料发生不同的、特定的相互作用。这些相互作用以通过在电解质-碳边界面上形成电化学双层的静电电荷存储为依据。电化学双层由经充电的碳壁和在该碳壁上吸收的具有相反的电荷的离子组成。电容量——和因此与时间有关的电流流动——在此与孔尺寸/离子半径的比例强烈地有关。附加地，不同的离子示出不同的动力学特性，该动力学特性同样受碳的孔尺寸强烈地影响。因此可以探测各个离子类型，并且当使用多个电极时也区分各个离子类型。
通过以下特征能够实现根据本发明的传感器的有利的扩展方案。因此，传感器可以具有如下的存储器：在该存储器中存储有在实验室中测量的、离子特定的电流值和/或电流模式。然后测量结果与所存储的电流值或电流模式的比较允许推断出所测量的离子类型。
有利地，孔结构的孔具有纳米范围中的平均直径。在此，“平均直径”应理解如下：对可能导致直径变化的制造引起的公差求平均。在非圆形的孔的情况下，“平均直径”理解为如下的直径：该直径可以与要探测的离子发生相互作用。“纳米范围”可以理解为一纳米或几纳米的范围中的尺寸。
在一种优选的实施例中，平均直径处在0.2与50nm之间，从而确保除了非常小的离子外较大的离子也可以发生相互作用。如果可以考虑同类型的不过分大的离子或者要仅探测小的离子，那么0.3与20nm之间的范围已经证实为有效的。
如果不同电极设有不同的孔结构，那么可以同时或依次地探测不同离子或也可以确定不同离子的浓度。
作为用于孔结构的材料，活性炭或CDC(英语carbid derived carbon：碳化物衍生碳)已经证实为非常有利的。
为了同时探测多个不同的离子，具有不同孔结构的电极可以彼此并联连接。电极也可以单独地或以电极的组来彼此串联连接。最后，对电流值和/或电流变化过程模式(Stromverlaufsmuster)进行测量并且分析处理。
本发明也涉及一种用于借助传感器来探测流体中的离子的方法，其中，流体经受电场。根据本发明的方法的特征在于：在不同的电极之间施加电压；对所出现的一个或多个电流进行检测；将所检测到的一个或多个电流与在存储器中所存储的、分配给确定的离子的电流值和/或电流变化过程模式进行比较；并且存储和/或输出借助电流值和/或电流变化过程模式而求取的离子。以这种方式可以一次性地或连续地确定和分析处理流体的质量或负荷。
如果在探测期间改变电压，那么测量的质量得到改善。然后也能够确定流体中确定的离子的浓度。在此可以直接分析处理电压变化或分析处理时间上错位的分配的电流变化。
如果电压斜坡状地——即由低值到高值或反之地——变化，那么可以进一步提高探测的质量。连续的、重复的斜坡的类型可以通过施加正弦形的电压来产生。借助脉冲式的电压可以进行在时间上分离的确定。原则上也能够实现基于脉冲式的电压来完成频率分析并且由此探测离子类型。
附图说明
在附图中示出根据本发明的传感器以及方法的实施例并且在以下说明书中进一步阐述。附图示出：
图1示出在多个扩展阶段中的根据本发明的传感器；
图2示出根据本发明的方法的流程图；并且
图3示出可能的孔结构。
具体实施方式
在图1中示出用于探测离子12、14、16的传感器10。传感器10布置在线路18中，其中，在图1中仅示意性地且过大地示出传感器10。通常传感器10相比于线路18显著更小，从而所述传感器尽可能少地干扰流体22的流动(通过箭头20说明)。
在该实施例中，传感器10具有一行第一电极24至30，第一对电极32与这些第一电极相对置。此外，传感器10在该实施例中具有一行第二电极34至40，第二对电极42与这些第二电极相对置。
电极24至42是电路44的部分。电路44具有电压源46，该电压源经由线路48、50与电极24至42连接。在此，第一电极24至30相对于第一对电极32处在不同的电压电位。第二电极34至40相对于第二对电极42同样处在不同的电压电位。
在该实施例中，第一电极24至30和第二对电极42处在负的电位，而第一对电极32和第二电极34至40处在正的电位。
在流体22(例如水)中存在以解离的形式的含盐物质(即作为离子)。在流体22中可以不仅存在正离子12、16(例如钠离子(Na+)、镁离子(Mg++)或钙离子(Ca++))而且存在负离子14(例如氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO4 2-)或碳酸根离子(CO3 2-))。在此，离子可以由原子组成地出现而且也可以由分子组成地出现。
在通过电极24至42展开的电场中，离子相应于所述离子的电荷向相应地相反充电的电极运动。如果流体22——如通过箭头20所说明的那样——流动，那么离子以弯曲的轨迹52进行运动。如果离子到达电极，那么可以确定电流流动。
第一电极24至30以及第二电极34至40具有如在图3中示例性地示出的那样的孔结构54。在图3中，孔结构54的各个孔56示出为具有六边形的横截面60的通道58。这些孔60与离子12至16发生相互作用。为此离子积聚在孔结构54上。孔结构54如此构造，使得该孔结构恰好与要确定的离子类型最佳地发生相互作用。
通过积累(einlagern)或积聚到孔结构54上的离子而触发的电流由控制单元62进行检测。这种电流、该电流的值或该电流的电流变化过程模式对于确定的离子类型是特有的。因此，以这种方式可以证实流体中的离子类型。
为了明确地进行证实，控制单元62具有存储器64，在该存储器中存储有多个电流值和/或电流变化过程模式。通过将所检测到的电流或电流变化过程模式与在存储器64中所存储的电流或电流变化过程模式进行比较实现确定与孔结构54发生相互作用的离子。在存储器中所存储的电流值和/或电流变化过程模式在准备阶段在实验室条件下根据经验来求取并且存储在存储器中。
为了求取最佳的孔结构54而且求取电流值和/或电流变化过程模式，在系列试验中准备具有不同孔结构54的电极。在此，孔结构54具有具有不同尺寸和不同横截面的孔56。将这些孔结构引入流动的流体22中并且将定义的、优选进行变化的电压施加到电极和对电极上。优选地，流体22具有随后进行测量的单个高浓度离子类型。对于每个电极记录电流值或电流变化过程模式，并且在存储器64中存储对于该离子类型特有的电流变化过程模式。这借助具有不同离子类型的流体22来实施，从而在存储器64中存在多个电流值和/或电流变化过程模式。
第一对电极32和第二对电极42具有以下孔结构54：该孔结构如此实现，使得尽可能多的离子类型与该孔结构发生相互作用。由此产生经平均的电流变化过程，该经平均的电流变化过程尽可能少地影响在特定的第一和第二电极上产生的电流变化过程。也能够提供没有孔结构的对电极32和42。
第一电极24至30和第二电极34至40具有孔结构54，该孔结构具有具有纳米范围中的平均直径66的孔56。也就是说，平均直径处在0.2nm与50nm之间。由此可以探测到流体22中大部分的常见离子。如果据此仅仅探测到小的离子(例如金属离子)，那么选择具有具有0.2nm与20nm之间的平均直径66的孔的孔结构54。
在图3中示出对于六边形的孔结构54的平均直径66。
在该实施例中分别设有四个第一电极24至30和四个第二电极34至40，其中，电极配备有不同的孔结构54。每个电极针对一个或两个离子类型。以这种方式可以探测至少八种不同的离子。然而也能够设置更多或更少的电极。在图1中以点划线68示出第一传感器类型，在该第一传感器类型的情况下仅仅一个对电极32与四个特定的电极24至30相对置。在此，分别仅测量正离子或仅测量负离子，因为在测量期间使电压转换极性。以点划线70示出一种传感器类型，在该传感器类型的情况下不需要这样的转换极性。在此，存在用于负的电压分量的对电极32和用于正的电压分量的对电极42。与所述对电极相对置的分别是特定的单个电极24至30或34至40。
在该实施例中，通过所谓的CDC(碳化物衍生碳)提供孔结构。借助这种在此期间也可大规模制造的碳结构可以产生不同的孔横截面和孔尺寸。在该实施例中，电极的表面由CDC构成，而核芯包含金属板。由此确保一定的坚固性。自然也能够提供完全由CDC构成的电极。尤其对于对电极而且对于用于确定的离子的电极，活性炭也可以用作原材料。
电极24至30经由线路50彼此并联连接。对电极32与所述电极相对置，该对电极连接到线路48。电极34至40也彼此并联连接并且与对电极42相对置。通过这种并联连接将各个电流份额
置于线路48或50上并且因此可以通过控制单元62进行分析处理。
电极原则上也可以串联连接。然后为此例如经由电极24至30实施线路50。然后电极24至30的组可以与对电极42并联连接或与对电极42同样串联连接。
根据使用目的，传感器也可以配备有蓄电池并且因此可以自主地工作或移动地使用。
在图2中示出用于探测流体22中的离子12至16的方法80。在该实施例中，在该方法80的情况下使用根据第一实施例的传感器10。在此，流体22经受在图1中通过场线82说明的电场。为此，在第一步骤84中在不同的电极(一侧)24至30和42以及(另一侧)32至40之间施加电压。这基于控制单元62来实现，该控制单元经由线路或总线系统86作用于电压源46。
通过电场将在流体22中存在的离子12至16相应于所述离子的电荷移动到电极上。离子12至16到达电极的表面并且与所述电极发生相互作用。由于该电极的预先确定的不同的孔结构54，离子积聚在如下的电极上：所述电极的孔结构54有利于相互作用。优选地，在此在每个电极上仅积聚一个特别的离子类型。但是这具有公差并且不会一直可靠地遵循。
由于离子12至16的积聚，在电路44中产生电流流动，该电流流动在步骤88中由控制单元62检测到并且然后进行分析处理。根据何种离子以何种浓度积聚在对于所述离子预先确定的电极上，产生特有的电流值或特有的电流变化过程模式。在步骤90中，将所检测到的电流与在存储器64中所存储的、分配给确定的离子的电流值或电流变化过程模式进行比较。然后在步骤92中存储所识别出的离子，并且在实施例中在步骤94中经由未示出的线路或总线系统来输出所识别出的离子。自然也能够无线地实现这种输出。
在图1中示出：控制单元62可以经由线路96作用于开关98。然后借助该开关98可以接通或分离电极30。该开关98例如标记用于电极30，然而可以扩展到所有电极上。通过该组装件能够分别分开地分析处理各个电极。如果涉及探测特别的离子类型，那么这可能是重要的。然后将会对于各个离子类型分开地执行完方法80。
在步骤84中施加电压可以包含：在探测期间改变电压。为此，控制单元62相应地作用于电压源46。电压的变化可以是斜坡状的。如果斜坡连续地重复，那么产生锯齿电压。该锯齿电压可以通过正弦形的电压来代替。
如果控制单元62如此作用于电压源46，使得产生脉冲式电压，那么这些各个脉冲可能导致随后可以单独地分析处理的相应的电流值或电流变化过程模式。电压脉冲例如可以与各个电极的接通和关断同步。通过脉冲式的运行来降低能量消耗。此外，充分利用不同重的离子的不同的动力学，如此可以更明确地探测到所述不同重的离子。
为了传感器10的再生(Regeneration)，在在此未示出的方法步骤中将电压转换极性，从而将所积聚的离子从电极再次移除。在此可能的且有意义的是以更高的电压水平进行工作或也使用强脉冲式的电压。
此外，这样的传感器应用在确定工业用水中的盐含量的情况下。在那里使用离子交换器以防止钙化。借助传感器可以求取水中的离子组成，以便随后可以最佳地运行离子交换器。替代的应用用在探测液体中的金属含量(例如铁、铀等)的情况下。
电极24至42以两个并联的行串联地相继地布置。根据位置关系和流动特性，电极也可以彼此并排地反作用于流体的流动。
Claims (10)
1.一种用于探测流体(22)中的离子(12，14，16)的传感器(10)，所述传感器具有一个或多个电极(24至42)，电压能够施加到所述电极上并且在所述电极(24至42)之间能够测量电流，其特征在于，所述一个或多个电极(24至42)分别具有孔结构(54)，所述孔结构与所述流体(22)中要确定的离子(12，14，16)发生相互作用。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其特征在于，根据经验来求取所述孔结构(54)，并且所述孔结构经受预定义的电压，并且所测量的电流值和/或电流变化过程模式存储在存储器(64)中。
3.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其特征在于，所述孔结构(54)具有孔(56)，所述孔具有在纳米范围中的、尤其在0.2与50nm之间、优选在0.3与20nm之间的平均直径(66)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其特征在于具有不同孔结构(54)的不同电极(24至42)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其特征在于，所述孔结构(54)由活性炭和/或CDC(碳化物衍生碳)构成或至少包含活性炭和/或CDC。
6.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其特征在于，具有不同孔结构(54)的多个电极(24至42)彼此并联连接。
7.根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)，其特征在于，所述电极(24至42)或所述电极(24至42)的组彼此串联连接。
8.一种用于借助尤其根据以上权利要求中任一项所述的传感器(10)来探测流体(22)中的离子(12，14，16)的方法，其中，所述流体(22)经受电场，其特征在于，在不同的电极(24至42)之间施加电压；对所出现的一个或多个电流进行检测；将所检测到的一个或多个电流与在存储器中所存储的、分配给确定的离子(12，14，16)的电流值和/或电流变化过程模式进行比较；并且存储和/或输出借助所述电流值和/或电流变化过程模式而求取的离子(12，14，16)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述探测期间改变所述电压。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，斜坡状地和/或正弦形地和/或脉冲式地施加所述电压。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |