DE10113646A1 - Vorrichtung zum Untersuchen von Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Untersuchen von Flüssigkeiten (100). Eine genaue Untersuchung von Flüssigkeiten (100) ist bis jetzt nur dort möglich, wo sich fest installierte Auswerteeinrichtungen befinden. Diese Nachteile lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) umgehen. Sie ist mit einem Sensor (2) ausgerüstet, der eine Messvorrichtung (25) aufweist, mit der jede Flüssigkeit (100) untersucht werden kann. Die Messsignale der Messvorrichtung (25) werden über ein Schnittstellenmodul (3) in einem Datenspeicher (61) eines Palm Computers (4) gespeichert. Anschließend werden die Daten in dem Palm Computer (4) ausgewertet und auf dessen Anzeigevorrichtung (63) angezeigt. Der Sensor (2), das Schnittstellenmodul (3) und der Palm Computer (4) können auf einfache Weise zusammengesteckt und dabei elektrisch und mechanisch verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Untersuchen von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine solche Vorrichtung kommt beispielsweise bei der Überwachung von Flüssigkeiten in Kläranlagen zur Anwendung.

Zum Überprüfen von Flüssigkeiten werden bis jetzt beispielsweise kolorimetrische Testvorrichtungen angewendet. Sie bestehen aus einer Testküvette, einer genau ab­ gewogenen und in der Zusammensetzung auf die Meßaufgabe hin optimal ausge­ wählten Mischung von chemischen Reagenzien in fester oder flüssiger Form und ei­ nem Auswerte- und Anzeigegerät. Zur Durchführung des Tests wird eine kleine Menge der zu untersuchenden Flüssigkeit in die Küvette gefüllt, mit den Reagenzien ge­ mischt, geschüttelt oder gegebenenfalls zusätzlich erwärmt. Dabei entwickelt sich eine Farbreaktion, deren Stärke charakteristisch für die nachzuweisende Komponente in der Flüssigkeit ist. Die Farbintensität wird mit dem Auswerte- und Anzeigegerät ermit­ telt und in eine Konzentration des gesuchten Stoffes umgerechnet. Nachteil dieser Art von Flüssigkeitsuntersuchung ist das relativ komplizierte Vorgehen bei der Messung, die vom Anwender labortechnische Kenntnisse erfordert, ebenso der hohe Preis für das Auswerte- und Anzeigegerät.

Ferner sind Teststreifen auf Papier- oder Kunststoffbasis bekannt. Bei diesen sind an einem Ende auf das Papier bestimmte, für die nachzuweisende Substanz spezifische chemische Reagenzien aufgebracht. Die Teststreifen werden in die zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht. Wenn die gesuchte Substanz in einer nicht zu vernachläs­ sigbaren Konzentration in der Flüssigkeit enthalten ist, entwickelt sie mit den Rea­ genzien auf dem Papier eine Farbreaktion, deren Intensität ein Maß für die Konzentration der gesuchten Substanz in der Flüssigkeit ist. Es muß keine Probe genommen werden, der Teststreifen kann direkt in die zu untersuchende Flüssigkeit getaucht werden. Ein bekanntes Beispiel für diese Art der Flüssigkeitsuntersuchung sind die pH-Teststäbchen. Nachteil der Teststäbchen ist, dass nur einfache ionenselektive Re­ aktionen realisiert werden können. Biologische Parameter wie der biologische Sauer­ stoffbedarf oder komplexere chemische Parameter wie der chemische Sauerstoffbe­ darf einer Flüssigkeit können damit nicht bestimmt werden.

Desweiteren sind kleine kompakte Analysensysteme mit einem Volumen von etwa 50 cm³ bekannt. Die zu untersuchende Flüssigkeit wird mittels einer Pipette eingefüllt. Dann wird das Analysensystem in einem separaten externen Auswerte- und Anzeige­ gerät angeordnet. Dieses Gerät enthält Vorrichtungen in Form von mechanischen und/oder elektroosmotischen Pumpen, mit deren Hilfe die Flüssigkeitsproben durch Kanäle in dem Analysensystem bewegt werden können. Das Gerät stellt außerdem die Hilfsenergie zur Detektion der gesuchten Komponenten zur Verfügung. Bei der Auswertung werden elektrochemische und/oder optische Detektionsmethoden durch­ geführt. Hierfür wird erhebliche Hilfsenergie benötigt. Der Nachteil dieser Art der Flüs­ sigkeitsuntersuchung ist, dass ein teures und kompliziertes externes Auswerte- und Anzeigegerät benötigt wird.

Der Erfindung liegt ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der Flüssigkeiten sehr genau, einfach und kostengünstig auch in einer sehr großen Entfernung von fest installierten Auswerteeinrichtungen überprüft werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher er­ läutert.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine Vorrichtung 1, die einen Sen­ sor 2, ein Schnittstellenmodul 3 und einen Palm Computer 4 umfasst. Der Sensor 2 ist als flächiges Bauelement ausgebildet und aus Kunststoff, Keramik oder Silizium gefer­ tigt. Die Dicke des Sensors 2 beträgt etwa fünf Millimeter. Seine Oberfläche 25 hat bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Größe von 5 × 8 cm². Bei Bedarf können seine Abmessungen jedoch auch anders gewählt werden. Der Sensor 2 ist mit einer Einlassöffnung 20 versehen. Über diese Einlassöffnung 20 kann eine definierte Menge einer Flüssigkeit 100 in einen Probenaufnahmekanal 21 eingeleitet werden, der sich unmittelbar an die Einlassöffnung 20 anschließt. In den Probenaufnahmeka­ nal 21 ist eine mechanisch Pumpe 22 integriert. Sie wird durch eine Ausnehmung in der Oberfläche 25 und eine darüber gespannte Folie (hier nicht dargestellt) gebildet. Von dem Probenaufnahmekanal 21 zweigt ein Messkanal 24 ab, der zu einer Mess­ vorrichtung 25 gehört. Diese weist zwei Elektroden 25A und 25B auf, welche innerhalb des Messkanals 24 angeordnet sind. Jeder der beiden Elektroden 25A und 25B ist mit einer elektrisch Leiterbahn 26 verbunden. Jedes freie Ende einer jeden Leitbahn 26 ist mit einer Steckverbindung 27 versehen. Zu den Elektroden 25A und 25B ist ein Strommessgerät 28 parallel geschaltet. An seinen Signalausgang ist eine Signallei­ tung 29 angeschlossen, deren freies Ende ebenfalls mit einer Steckverbindung 30 verbunden ist. Der Messkanal 24 ist an seinem zweiten Ende mit einer Auslassöffnung 31 versehen, aus welcher die Flüssigkeit 100 wieder austreten kann. Damit der Mess­ kanal 24 und die sich darin befindliche Flüssigkeit 100 auf einer vorgebbaren Tempe­ ratur gehalten werden können, ist in den Sensor 2 ein Heizelement 32 integriert, das mit einer elektrischen Versorgungsleitung 33 verbunden ist, deren freies Ende mit ei­ ner Steckverbindung 34 versehen ist. Ferner ist ein Temperaturfühler 35 vorgesehen. Sein Signalausgang ist mit einer Signalleitung 36 verbunden, deren freies Ende ebenfalls mit einer Steckverbindung 37 versehen ist. Zudem ist eine Kodiereinrichtung 38 vorgesehen, deren Signalausgänge ebenfalls Steckverbindungen 39 aufweisen. Die Oberfläche 25 des Sensors 2 ist mit Ausnehmungen (hier nicht dargestellt) verse­ hen, in welche das Strommessgerät 28, das Heizelement 32, der Temperaturfühler 35, die Kodiereinrichtung 38 sowie die elektrischen Leiterbahnen 26, 29, 33 und 36 einge­ bettet sind. Der Probenaufnahmekanal 21, die Pumpe 22 und der Messkanal 24 wer­ den ebenfalls durch Ausnehmungen (hier nicht dargestellt) gebildet. Zur Begrenzung des Sensors 2 nach außen ist eine Folie (hier nicht dargestellt) vorgesehen, welche die Oberfläche 25 überspannt, und mit deren Rändern fest verbunden ist. Lediglich die Einlassöffnung 20 und die Auslassöffnung 31 sowie die Steckverbindungen 27, 30, 34, 37 und 39 bleiben frei zugänglich. Die Steckverbindungen 27, 30, 34, 37 und 39 des Sensors 2 und des Schnittstellenmoduls 3 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Die Steckverbindungen 27, 30, 34, 37 und 39 des Sensors 2 können elektrisch und mechanisch mit den Steckverbindungen 27, 30, 34, 37 und 39 des Schnittstellenmoduls 3 verbunden werden, in dem sie in einen Einschub 40 am ersten Ende des Schnittstellenmoduls 3 gesteckt werden, innerhalb dessen die Steckverbin­ dungen 27, 30, 34, 37 und 39 des Schnittstellenmoduls 3 angeordnet sind.

Das Schnittstellenmodul 3 ist als flächiges Bauelement ausgebildet, das aus Kunst­ stoff gefertigt ist. Es ist mit einem Spannungsregler 43, einem Vorverstärker 45 und einem Prozessor 47 ausgerüstet. Der Spannungsregler 43, der Vorverstärker 45 und der Prozessor 47 sind in Ausnehmungen (hier nicht dargestellt) eingebettet, die in der Oberfläche 35 des Schnittstellenmoduls 3 ausgebildet sind. Das Gleiche gilt auch für die Leiterbahnen 44 bis 56. Diese können jedoch auch auf der Oberfläche 35 geführt werden. Die Oberfläche 35 des Schnittstellenmoduls 3 ist durch eine Deckplatte (hier nicht dargestellt), die ebenfalls aus Kunststoff gefertigt ist, vollständig nach außen ver­ schlossen. Die Steckverbindungen 27 und 34 stehen über elektrische Leitbahnen 41 und 42 mit dem Spannungsregler 43 in Verbindung. Die Steckverbindung 30 ist über eine elektrische Leitbahn 44 mit dem Vorverstärker 45 verbunden, dessen Ausgang an einen ersten Signaleingang 46 des Prozessor 47 angeschlossen ist. Über elektri­ sche Leiterbahnen 48 und 49 sind die Steckverbindungen 37 und 39 mit Signalein­ gängen 50 und 51 des Prozessors 47 verbunden. Über die Steckverbindungen 27, 30, 34, 37 und 39 können somit das Heizelement 3 und die Elektroden 25A und 25B der Messvorrichtung 25 an den Spannungsregler 43 des Schnittstellenmoduls 3 ange­ schlossen werden, während das Strommessgerät 28, der Temperaturfühler 28 und die Kodiereinrichtung 38 mit dem Prozessor 47 verbindbar sind. Das in den Sensor 2 inte­ grierte Strommessgerät 28 kann auch innerhalb des Schnittstellenmoduls 3 angeord­ net werden, und zwar zwischen der Steckverbindung 29 und dem Signaleingang des Vorverstärkers. Das kann dann sinnvoll sein, wenn der Sensor 2 nur für eine Messung verwendet und dann weg geworfen wird. An den Signalausgang des Prozessors 47 ist eine Signalleitung 54 angeschossen, deren freies Ende eine Steckverbindung 55 auf­ weist. Der Eingang des Spannungsreglers 43 steht mit einer elektrischen Leiterbahn 56 in Verbindung, deren freies Ende mit einer Steckverbindung 57 versehen ist. Die Steckverbindungen 55 und 57 des Schnittstellenmoduls 3 sind am zweiten Ende des Schnittstellenmoduls 3 angeordnet und so installiert, dass sie in einen Einschub 60 des Palm Computers 4 gesteckt und mit den Steckverbindungen 55 und 57 des Palm Computers 4 verbindbar sind.

Bei dem Palm Computer 4 handelt es sich um eine allgemein genutzte Vorrichtung, deren Aufbau bereits seit längerem aus dem Stand der Technik bekannt ist. Seine Abmessungen sind geringfügig größer als die eines Mobilfunkgeräts. Er ist mit einem Datenspeicher 61, einer Spannungsversorungseinheit 62 und einer Anzeigevorrich­ tung 63 versehen. Ferner verfügt er über ein Betriebssystem und einen Prozessor (hier nicht dargestellt). Die Steckverbindung 55 des Palm Computers 4 ist mit dem Datenspeicher 61 verbunden, während die Steckverbindung 57 mit der Spannungs­ versorungseinheit 62 des Palm Computers 4 in Verbindung steht. Über die Steckver­ bindungen 55 und 57 kann der Spannungsregler 43 mit der Spannungsversorungs­ einheit 62 verbunden und der Prozessor 47 an den Datenspeicher 61 des Mobilfunk­ geräts 4 angeschlossen werden.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird nachfolgend erläutert. Soll mit dem Sensor 2 der biologische Sauerstoffbedarf der Flüssigkeit 100 ermittelt werden, die sich beispielsweise in einem Becken einer Kläranlage (hier nicht dar­ gestellt) befindet, so werden der Sensor 2, das Schnittstellenmodul 3 und der Palm Computer 4 über die Steckverbindungen 27, 30, 34, 37, 39, 55 und 57 elektrisch und mechanisch zusammengefügt. Der Sensor 2 wird dann so weit in die Flüssigkeit 100 getaucht, dass die Einlassöffnung 20 darin angeordnet ist. Mit einem Fingerdruck wird die Pumpe 22 betätigt und der Probenaufnahmekanal 21 entleert. Nach dem Loslas­ sen der Pumpe wird Flüssigkeit 100 in den Probenaufnahmekanal 21 gesaugt, die dann in den Messkanal 24 fließt. An die Elektroden 25A und 25B der Messvorrichtung 25 wird eine elektrische Spannung angelegt. Die Größe der Spannung kann mit dem Spannungsregler 43 des Schnittstellenmoduls 3 eingestellt werden. Durch die Reakti­ on der Flüssigkeit 100 mit Enzymen, Bakterien oder anderen Reaktionsmitteln, die sich in dem Messkanal 24 befinden, werden die organischen Moleküle, die sich in der Flüssigkeit 100 befinden, in kleinere Moleküle gespalten. Die angelegte Spannung bewirkt eine Oxidation dieser gespaltenen Moleküle. Die gebildeten Oxide bewirken, dass zwischen den Elektroden 25A und 25B ein Strom fließt, dessen Größe mit dem Strommessgerät 28 erfasst wird. Die Größe des Stroms ist direkt proportional zu der Menge der im Messkanal 24 enthaltenen Oxide. Das Messsignal der Messvorrichtung 25 wird über den Vorverstärker 45 dem Prozessor 47 des Schnittstellenmoduls 3 zu­ geführt und von dort zum Speichern der Daten an den Datenspeicher 61 des Palm Computers 4 weitergeleitet. Die Messwerte können in dem Palm Computer 4 ausge­ wertet und auf der Anzeigevorrichtung 63 des Palm Computers 4 angezeigt werden. An der Kodiereinrichtung 38 können Informationen über den Sensor 2 abgefragt wer­ den. Es handelt sich dabei um Angaben über den Messbereich, die Messparameter, die Anzahl der noch ausführbaren bzw. der bereits durchgeführten Messungen, die Chargennummer, das Herstellungsdatum und die Dauer der Verwendbarkeit des Sen­ sors 2.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Untersuchen von Flüssigkeiten (100), dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Sensor (2) über ein Schnittstellenmodul (3) mit einem Palm Com­ puter (4) elektrisch und mechanisch verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnitt­ stellenmodul (3) über eine oder mehrere serielle elektrische Steckverbindungen (27, 30, 34, 37, 39, 55 und 57) sowohl mit dem Sensor (2) als auch mit dem Palm Compu­ ter (4) verbindbar ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnittstellenmodul (3) mit wenigstens einem Spannungsregler (43), einem Vorverstärker (45), und einem Prozessor (47) ausgerüstet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (43) über wenigstens eine elektrische Leitbahn (56) und ei­ ne Steckverbindung (57) an die Spannungsversorgung (62) des Palm Computers (4) anschließbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessor (47) über eine serielle Datenleitung (54) und eine Steckverbindung (55) mit dem Datenspeicher (61) des Palm Computers (4) verbindbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) als Karte ausgebildet und mit wenigstens einer Messvorrichtung (25), einem Probenentnahmekanal (21), einem Heizelement (32), einem Temperatur­ fühler (35) und einer Kodierungeinrichtung (38) versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleingänge (46, 50 und 51) des Prozessors (47) mit den Signalausgängen des Vorverstärkers und (45), des Temperaturfühlers (35) und der Kodiereinrich­ tung (38) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (25A und 25B) der Messvorrichtung (25) und das Heizelement (32) über elektrische Leiterbahnen (26 und 33) und Steckverbindungen (27 und 34) an den Spannungsregler (43) anschließbar sind, und dass ein Signalausgang der Mess­ vorrichtung (25) über eine Signalleitung (29) und eine Steckverbindung (30) mit dem Eingang des Vorverstärkers (45) verbindbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (35) und die Kodierungeinrichtung (38) über Signalleitun­ gen (36, 48, 49) und Steckverbindungen (37 und 39) mit Signaleingängen (50, 51) des Prozessors (47) verbindbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Kodiereinrichtung (38) Angaben über den Messbereich, die Messpara­ meter, die Anzahl der noch ausführbaren bzw. der bereits durchgeführten Messungen, die Chargennummer, das Herstellungsdatum und die Dauer der Verwendbarkeit des Sensors (2) abfragbar sind.