DE102016225395A1

DE102016225395A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102016225395A1
Application number: DE102016225395.6A
Authority: DE
Inventors: Anton Dukart
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-12-19
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit. Hierbei wird eine die gesuchte Flüssigkeitsqualität charakterisierende Durchschlagspannung ermittelt und die Bakterienkonzentration auf dieser Basis bestimmt.

Description

Stand der Technik
Hygienisch einwandfreie Flüssigkeiten wie sauberes Trinkwasser oder Nahrungsmittel sind für eine Vielzahl von menschlichen Anwendungen unerlässlich, jedoch in einem Großteil der Welt nicht sicher zu bekommen. Heutige Methoden zur Begutachtung einer Flüssigkeitsqualität beruhen auf einer Probenentnahme und Probenuntersuchung im Analyselabor.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit. Dabei liegt die Flüssigkeit in einem Bestimmungsraum vor, wobei der Bestimmungsraum mindestens zwei Elektroden umfasst. Kennzeichnend sind folgende Schritte:

a. Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden,
b. Verändern, insbesondere Erhöhen, der Spannung, beginnend bei einem Spannungsstartwert,
c. Erfassen einer Durchschlagspannung, die im Moment eines elektrischen Durchschlags zwischen den Elektroden anliegt,
d. Bestimmen der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung.

Mit diesem Verfahren kann eine Flüssigkeitsqualität, insbesondere an einem Ort einer Entnahme aus einem Versorgungsnetz (Leitungsnetz) und/oder an einem Ort einer Nutzung, untersucht und bewertet werden. Ein Nutzer wird dabei im Moment einer Entnahme und/oder einer Nutzung der Flüssigkeit darüber informiert, ob die Flüssigkeit hygienisch einwandfrei ist. Durch die unmittelbare Zurverfügungstellung dieser Information wird die Sicherheit der Flüssigkeitsversorgung deutlich erhöht.
Bakterien können die Qualität von Ernährungs- oder Reinigungflüssigkeiten beeinträchtigen und Krankheiten verursachen. Unter einer Bakterienkonzentration wird hier eine Anzahl Bakterien pro Volumeneinheit Flüssigkeit verstanden. Eine Bakterienkonzentration zu bestimmen bedeutet demnach eine Anzahl Bakterien pro Volumeneinheit Flüssigkeit zu ermitteln, beispielsweise zu berechnen. Unter einer Flüssigkeit wird hier insbesondere eine Flüssigkeit für Ernährungs- oder Reinigungsanwendungen verstanden, insbesondere Wasser, Trinkwasser, Getränke, Flüssignahrung, Spülwasser, Waschwasser, Waschlauge. Ein Bestimmungsraum bedeutet hier einen Raum oder Teil eines Raumes mit einer für die Flüssigkeit zumindest teilweise durchlässigen und/oder zumindest teilweise geschlossenen Systemgrenze, in den die Flüssigkeit eingebracht werden kann, deren Bakterienkonzentration bestimmt werden soll. Eine Elektrode bedeutet hier ein Bauteil, das ausgebildet ist, elektrische Ladungen aufzunehmen und zu leiten. Ein Elektrodenpaar umfasst eine Elektrode und eine Gegenelektrode, also zwei Elektroden, die in fester räumlicher Zuordnung zueinander stehen und bei Anlegen einer elektrischen Spannung mit elektrischen Ladungen beladen werden und ein elektrisches Feld zwischen sich ausbilden. Alternativ kann auch nur eine Elektrode elektrisch geladen sein, während die andere Elektrode mit einem Nullleiter verbunden ist. Unter Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden wird hier mindestens ein elektrisch leitendes Verbinden der Elektroden mit einer Spannungsquelle verstanden. Eine elektrische Spannung kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein. Eine Spannungsquelle kann eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle sein, insbesondere ein Spannungsgenerator, eine Batterie, ein Akkumulator, ein Kondensator, ein Transformator, ein Netzgerät, ein Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz. Unter einem Spannungsstartwert wird hier ein Wert einer elektrischen Spannung verstanden, mit dem ein zeitlicher Zyklus einer Veränderung einer Spannung beginnt. Ein solcher Zyklus beginnt zu einem Startzeitpunkt mit dem Spannungsstartwert und endet zu einem Endzeitpunkt. Der Spannungsstartwert kann den Wert null, also 0 V (Volt), oder einen Wert verschieden von null, beispielsweise 50 V, oder aus einem Bereich zwischen 0 V und 100 V haben. Insbesondere sollte der Spannungsstartwert kleiner als eine erwartete Durchschlagspannung gewählt werden. Unter einem elektrischen Durchschlag wird hier ein Entladungsvorgang in Form eines Überschlags von elektrischen Ladungen zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit verstanden, dies kann in Form einer kurzen FunkenEntladung oder in Form einer zumindest zeitweise stabilen Lichtbogen-Entladung erfolgen. Der Durchschlag erfolgt oder beginnt in dem Moment des Spannungsänderungszyklus, wenn die an den Elektroden anliegende Spannung größer oder gleich der Durchschlagspannung (ein anderer Begriff hierfür ist die Durchschlagsfestigkeit) der Flüssigkeit ist. Die im Moment des insbesondere beginnenden Durchschlags an den Elektroden anliegende Spannung wird insbesondere messtechnisch erfasst und gleich dem gesuchten Wert der Durchschlagspannung gesetzt. Mit einem Beginn des Durchschlags ist das im Spannungsänderungszyklus zeitlich erste Auftreten des Durchschlags gemeint, das ist gleichbedeutend mit dem niedrigsten Spannungswert, bei dem ein Durchschlag auftritt. Wird die Spannung nach Beginn des Durchschlagens weiter erhöht, besteht auch der Durchschlag fort.
Die Durchschlagspannung ist eine für die Flüssigkeit und den Messaufbau charakteristische Größe und hängt unter anderem von der Zusammensetzung der Flüssigkeit und der Geometrie der Elektrodenanordnung ab (bei gepulsten elektrischen Felder auch von einer Pulsdauer eines den Durchschlag verursachenden elektrischen Feldpulses). Unter Bestimmen der Bakterienkonzentration wird hier ein Ermitteln der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung verstanden. Mit der Bakterienkonzentration ändert sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit sowie insbesondere die Durchschlagspannung. Ein Erklärungsversuch dieser Korrelation geht dahin, dass das Cytoplasma der Bakterienzellen ein leitfähiges Elektrolyt aufweist. Die Bakterienzellen sind demnach Keimzellen für durch die Flüssigkeit führende Entladungskanäle eines elektrischen Durchschlags.
Das Verfahren erreicht so eine Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit durch Ermitteln der für die Flüssigkeit charakteristischen Durchschlagspannung. Dieses Verfahren kann in situ am Ort der Entnahme und/oder der Nutzung sowie im Moment der Entnahme und/oder der Nutzung angewendet werden und benötigt keine eigene Probenentnahme und Probenanalyse ex situ unter Laborbedingungen mehr.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Anlegen einer elektrischen Spannung ein Einstellen der Spannung auf eine Vorspannung und ein zeitweises Halten auf dieser Vorspannung umfasst. Dabei ist die Vorspannung ein Spannungswert verschieden von null und kleiner als eine zu erwartende Durchschlagspannung, insbesondere kleiner als die niedrigste zu erwartende Durchschlagspannung. Der Wert der Vorspannung ist vorteilhafterweise eine Konstante. Beispielsweise kann die Vorspannung einen Wert aus einem Bereich zwischen 0 V und 50 V annehmen und kann die Haltedauer der Vorspannung einen Wert aus einem Bereich zwischen 0 s und 60 ms (Millisekunden) annehmen. Das Einstellen der Spannung auf die Vorspannung bewirkt eine Bakterienanlagerung an den Elektroden, was sich vorteilhaft auf das Verfahren auswirkt. Insbesondere wird dadurch die charakteristische Durchschlagspannung abgesenkt, was zu Energieeinsparung im Verfahrensablauf führt, wodurch die Anwendung des Verfahrens wirtschaftlicher wird.
Der folgende Schritt Verändern, insbesondere Erhöhen, der Spannung, beginnend bei einem Spannungsstartwert, erfolgt vorteilhafterweise direkt von der Vorspannung aus. Dabei kann der Spannungsstartwert gleich der Vorspannung oder verschieden von der Vorspannung sein.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Verändern der Spannung ein geregeltes Verändern, insbesondere ein zeitlich geregeltes Erhöhen der Spannung umfasst. Beispielsweise beginnt ein solcher Spannungsänderungszyklus mit dem Spannungsstartwert und setzt sich dann mit einer vorgebbaren, insbesondere gemittelten, Spannungsänderungsrate zeitlich fort, beispielsweise einer Spannungsänderungsrate aus einem Bereich zwischen 1 V/ms und 10 V/ms (Volt pro Millisekunde). Die Spannung verändert sich beispielsweise nach einem vorgebbaren Funktionszusammenhang über der Zeit, zum Beispiel erhöht sich die Spannung kontinuierlich-linear über der Zeit, oder die Spannung erhöht sich entsprechend eines kontinuierlich-stufigen Verlaufs, oder die Spannung ändert sich entsprechend eines kontinuierlichwellenförmig ansteigenden Verlaufs, oder die Spannung erhöht sich entsprechend eines von Pausen unterbrochenen stufigen Verlaufs, oder die Spannung erhöht sich entsprechend eines von Pausen unterbrochenen linearen Verlaufs in Form von diskreten Spannungspulsen. Jede Spannung-Zeit-Funktion kann ihre Vorzüge bei verschiedenen Flüssigkeiten und/oder Messaufbauten haben.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Erfassen der Durchschlagspannung ein Beobachten der Spannung und/oder einer Stromstärke eines zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit fließenden Stromes umfasst. Dabei umfasst das Beobachten insbesondere ein Messen und/oder Speichern mindestens eines Wertes und/oder eines Wertepaares und/oder eines Werteverlaufs über der Zeit. Der gemessene und/oder gespeicherte Wert und/oder das Wertepaar und/oder der Werteverlauf kann ein durch einen Extremwert und/oder Grenzwert beschriebener Wert und/oder ein mit dem Extremwert und/oder Grenzwert korrelierender Wert, und/oder ein Wertepaar und/oder ein Werteverlauf in der zeitlichen Nähe des Extremwerts und/oder Grenzwerts sein, der den Durchschlag identifiziert. Ein Wertepaar kann beispielsweise ein Spannung-Zeit-Wertepaar oder ein Strom-Zeit-Wertepaar sein. Ein Werteverlauf kann beispielsweise ein Spannungsverlauf über der Zeit oder ein Stromverlauf über der Zeit sein.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachten ein Registrieren eines beginnenden elektrischen Durchschlags zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit umfasst, wobei das Registrieren des elektrischen Durchschlags insbesondere ein Registrieren einer sprunghaften Änderung der Spannung und/oder einer sprunghaften Änderung der Stromstärke umfasst.
Beispielsweise handelt es sich bei dem beobachteten Wert um den Zeitpunkt, an dem die Spannung und/oder die Stromstärke in Folge des Durchschlags sich zumindest zeitweise sprunghaft ändern, und/oder um den diesem Zeitpunkt zugeordneten Spannungswert oder Stromstärkenwert. Auch kann aufgrund des geregelten Veränderns der Spannung aus dem vorgenannten Zeitpunkt die Durchschlagspannung berechnet werden, wenn der Funktionszusammenhang der Spannungsänderung über der Zeit bekannt ist. Diese Werte und/oder Wertepaare und/oder Werteverläufe werden messtechnisch registriert, das heißt gemessen, hinsichtlich ihres Zusammenhangs mit dem elektrischen Durchschlag identifiziert und/oder gespeichert.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch den Schritt Verringern der Spannung auf den Spannungsstartwert oder auf die Vorspannung oder auf einen Wert null. Insbesondere erfolgt dieser Schritt nach dem Schritt Erfassen der Durchschlagspannung. Mindestens dient dieser Schritt einer Energieeinsparung und macht somit die Anwendung des Verfahrens wirtschaftlicher.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt Bestimmen der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung ein Berechnen und/oder Vergleichen und/oder Ablesen und/oder Interpolieren und/oder Extrapolieren auf Basis von vorgebbaren, insbesondere in Formeln und/oder in Wertetabellen hinterlegten Korrelationen umfasst. Diese Korrelationen von verschiedenen Bakterienkonzentrationen und zugeordneten Durchschlagspannungen können beispielsweise auf der Grundlage eines theoretischen Modells und/oder auf der Grundlage von praktischen Messungen, insbesondere Labormessungen, berechnet und/oder formelmäßig und/oder tabellarisch fixiert werden und der Bestimmung der Bakterienkonzentration zugrundegelegt werden.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit der bestimmten Bakterienkonzentration eine Information erzeugt und einem Nutzer übermittelt wird, insbesondere in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Ergebniswerts oder Signals. Die Information gibt dem Nutzer unmittelbar Aufschluss über die Flüssigkeitsqualität. Dies kann beispielsweise erfolgen entweder in Form von absoluten Zahlenwerten der Bakterienkonzentration beispielsweise in Milligramm pro Liter (mg/l), oder in Form von relativen Werten der Bakterienkonzentration beispielsweise auf einer Skala zwischen 0 und 1, oder in Form von Klartextbegriffen wie beispielsweise „sehr gut“, „ausreichend“ und „mangelhaft“, oder in Form von Farbinformationen wie grün, gelb und rot, oder in Form von Lichtsignalen wie beispielsweise Dauerlicht (oder kein Licht), langsames Blinken und schnelles Blinken, oder in Form von Tonsignalen wie beispielsweise Dauerton (oder kein Ton), langsames Piepen und schnelles Piepen oder Brummen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei durch den Bestimmungsraum hindurchströmender Flüssigkeit und/oder in wiederkehrender Abfolge ausgeführt wird. Damit ist erreicht, dass beispielsweise ein aus einer Zapfvorrichtung austretender Zapfflüssigkeitsstrom (insbesondere Zapfwasserstrom) während des Zapfens, insbesondere durchgängig oder in vorgebbarer Frequenz wiederkehrend über eine Zapfdauer, auf seine Bakterienkonzentration hin untersucht und bewertet wird.
Der Spannungsänderungszyklus, also der zeitliche Zyklus einer Veränderung der Spannung, beschreibt die insbesondere wiederkehrende Abfolge des Verfahrens. Im engeren Sinn beginnt der Spannungsänderungszyklus beim Start einer Spannungserhöhung, beginnend mit dem Spannungsstartwert, und endet der Spannungsänderungszyklus zum Zeitpunkt der Erfassung der Durchschlagspannung. Im weiteren Sinn umfasst der Spannungsänderungszyklus den Beginnzeitpunkt des Anlegens und das Halten einer Vorspannung, das anschließende, insbesondere geregelte Erhöhen der Spannung gemäß einer vorgebbaren Spannung-Zeit-Funktion, den Zeitpunkt der Erfassung der Durchschlagspannung mit Bestimmung der Bakterienkonzentration und Ausgabe der entsprechenden Information an den Nutzer, den Zeitpunkt oder die Zeitdauer des Verringerns der Spannung auf den Spannungsstartwert oder auf den Wert der Vorspannung oder auf einen Wert null, sowie eine optionale Wartedauer, insbesondere bei dem Spannungswert der Vorspannung, dem Spannungsstartwert oder dem Spannungswert null. Unter Wartedauer wird hier eine absichtlich eingeführte Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt der Erfassung der Durchschlagspannung und vor einem neuen Zyklusbeginn verstanden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit. Kennzeichnend sind:

a. zwei Elektroden, die dazu eingerichtet sind, ein auf die Flüssigkeit einwirkendes elektrisches Feld zu erzeugen,
b. ein Spannungsgenerator, der dazu eingerichtet ist, eine regelbare Spannung zu erzeugen und an die Elektroden anzulegen,
c. eine Erfassungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Durchschlagspannung eines elektrischen Durchschlags durch die Flüssigkeit zu erfassen,
d. eine Bestimmungseinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung zu bestimmen.

Die Vorrichtung dient der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Elektroden können als Stabelektroden mit stirnseitig einander zugewandten Endabschnitten ausgebildet sein, dabei können die Endabschnitte insbesondere zum Ende hin im Wesentlichen konisch spitz auslaufen. Eine andere Ausgestaltung der Elektroden umfasst eine erste Elektrode, die schalenförmig, insbesondere hohlzylindrisch ausgebildet ist, und eine zweite stabförmige Elektrode, die in einem von der ersten Elektrode gebildeten Innenraum angeordnet ist. Eine solche Anordnung kann vorzugsweise koaxial sein, bei der die Längsachsen der Elektroden im Wesentlichen geometrisch zusammenfallen. Zwischen den Elektroden bildet sich ein spaltförmiger freier Querschnitt, in dem die Flüssigkeit angeordnet sein kann. Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Elektroden auf einem Halbleiterchip angeordnet. Dabei weist jede Elektrode zwei oder mehrere, elektrisch parallel geschaltete Elektrodenabschnitte auf, die wie Zinken zweier Kämme aussehen, und die ohne sich zu berühren ineinandergreifen. Ein Abstand der Elektroden kann beispielsweise im Bereich zwischen einem einstelligen und einem dreistelligen Mikrometerbereich, insbesondere zwischen 10 und 100 Mikrometer, liegen. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Elektroden sind der deutschen Patentanmeldung DE 102016216397.3 zu entnehmen. Unter Spannungsgenerator wird eine Vorrichtung verstanden, die eine elektrische Gleichspannung oder Wechselspannung, insbesondere eine regelbare Gleichspannung oder Wechselspannung erzeugen und verändern kann. Insbesondere kann der Spannungsgenerator eine geregelte oder gesteuerte Spannung-Zeit-Funktion realisieren. Insbesondere kann der Spannungsgenerator eine Batterie, einen Akkumulator, einen Kondensator, einen Transformator, ein Netzgerät oder einen Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz umfassen. Unter einer Erfassungsvorrichtung wird hier eine Vorrichtung verstanden, die den elektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden durch die Flüssigkeit registriert und die Durchschlagspannung erfasst. Insbesondere kann die Erfassungsvorrichtung messtechnische, analysierende, bewertende und/oder speichernde Komponenten für Werte der Spannung, Stromstärke und/oder Zeit umfassen. Ferner kann die Erfassungsvorrichtung mit dem Spannungsgenerator kommunizierend gekoppelt sein, insbesondere kann ein Austausch von Spannungs-, Stromstärke- und Zeitdaten vorgesehen sein. Unter Bestimmungseinheit wird hier eine Vorrichtung verstanden, die die Bakterienkonzentration in der Flüssigkeit auf Basis der Durchschlagspannung bestimmt, insbesondere ermittelt, beispielsweise auf Basis von vorgebbaren, insbesondere in Formeln und/oder in Wertetabellen hinterlegten Korrelationen. Insbesondere kann die Erfassungsvorrichtung Rechen-, Vergleichs-, Interpolations-, Extrapolations- und/oder Speicherkomponenten für das Speichern und/oder Anwenden und/oder Auswerten von Formeln und/oder Wertetabellen umfassen. Die Bestimmungseinheit kann mit der Erfassungsvorrichtung kommunizierend gekoppelt sein. Die Bestimmungseinheit kann ferner ein Informationserzeugungsmodul zum Erzeugen einer Information über die bestimmte Bakterienkonzentration umfassen.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Bestimmungsraum, der dazu eingerichtet ist, die Flüssigkeit aufzunehmen. Ein Bestimmungsraum bedeutet hier einen Raum oder Teil eines Raumes mit einer für die Flüssigkeit zumindest teilweise durchlässigen und/oder zumindest teilweise geschlossenen Systemgrenze, in den die Flüssigkeit eingebracht werden kann, deren Bakterienkonzentration bestimmt werden soll, und in dem das von den spannungsbeaufschlagten Elektroden hervorgebrachte elektrische Feld wirkt. Damit ist der Bestimmungsraum der Bereich zwischen den Elektroden und um die Elektroden herum, insbesondere ist es auch der Bereich, in dem sich der elektrische Durchschlag einstellen wird. Die Systemgrenze umfasst jenen Raum, der die Flüssigkeit aufnimmt, deren Bakterienkonzentration bestimmt wird. Die Elektroden sind im und/oder am Bestimmungsraum angeordnet. Die Systemgrenze kann eine feste geschlossene Wand umfassen und/oder durch offene Übergänge zu angrenzenden Flüssigkeitsbereichen definiert sein, Übergänge, die sich im Wesentlichen als Randbereiche eines sich hier abschwächenden elektrischen Feldes beschreiben lassen. Der Bestimmungsraum kann flüssigkeitsdurchströmbar ausgebildet sein, beispielsweise als Abschnitt einer Flüssigkeitszapfvorrichtung, insbesondere einer Wasserarmatur einer Wasserzapfstelle, wobei der Abschnitt eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung für die Flüssigkeit umfasst. Alternativ kann der Bestimmungsraum als ein die Elektroden umgebender Bereich ausgebildet sein, wenn die Elektroden in einen flüssigkeitsgefüllten Behälter eingetaucht sind.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Ausgabevorrichtung, die dazu vorgesehen ist, eine Information über die bestimmte Bakterienkonzentration auszugeben, insbesondere in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Ergebniswerts oder Signals. Beispielsweise umfasst die Ausgabevorrichtung mindestens ein Leuchtmittel, ein Display und/oder einen Lautsprecher. Die Ausgabevorrichtung kann mit der Bestimmungseinheit, insbesondere mit dem Informationserzeugungsmodul kommunizierend gekoppelt sein.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Energiebereitstellungseinheit, die dazu eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von Spannungsgenerator, Erfassungsvorrichtung, Bestimmungseinheit und/oder Ausgabevorrichtung bereitzustellen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, einen Transformator, einen Stromrichter und/oder ein Netzgerät handeln.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Strombegrenzungseinheit, die dazu vorgesehen ist, die Stromstärke, insbesondere die Stromstärke eines elektrischen Durchschlags, zu begrenzen. Dies dient der Schonung der Elektroden sowie der an der Energieversorgung der Elektroden beteiligten Komponenten.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, in einer Flüssigkeitsleitung, insbesondere in einer Zapfvorrichtung einer Flüssigkeitsleitung, als stationäre Einheit die Bakterienkonzentration zu bestimmen. Damit kann bei laufender Flüssigkeitszapfung die Flüssigkeitsqualität, insbesondere die Bakterienkonzentration, überwacht und angezeigt werden. Ferner kann die Vorrichtung an beliebigen Stellen einer Flüssigkeitsverteilleitung angeordnet sein, beispielsweise an Hausanschlussstationen, Speicherbehältern, Sammelstellen oder Verteilstellen.
ine Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, in einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere in einem Speicherbehälter oder in einem Nutzungsbehälter, als mobile Einheit die Bakterienkonzentration zu bestimmen. Damit kann die Flüssigkeitsqualität, insbesondere die Bakterienkonzentration, in bevorrateten und/oder für den Konsum bestimmten Flüssigkeiten am Ort der Bevorratung und/oder des Konsums überwacht und angezeigt werden.
Die Zeichnung offenbart verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und zeigt in

1 eine erste Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration,
2 eine zweite Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration,
3 eine dritte Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration,
4 eine vierte Vorrichtung zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration,
5 eine schematische Schrittabfolge des Verfahrens,
6 einen schematischen Spannungsverlauf während des Verfahrens,
7 verschiedene Spannung-Zeit-Funktionen.

1 zeigt eine erste Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer strömenden Flüssigkeit 2 für den stationären Betrieb. In einem Rohrleitungsabschnitt einer Flüssigkeitsleitung 3 sind zwei Elektroden 4, 5 angeordnet, um die herum sich ein Bestimmungsraum 6 ausbildet (gestrichelte Linie). Ein Spannungsgenerator 7 versorgt die Elektroden 4, 5 mit Spannung. Sobald es zu einem elektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden 4, 5 durch die durch den Rohrleitungsabschnitt 3, insbesondere durch den Bestimmungsraum 6 hindurchströmende Flüssigkeit 2 kommt, erfasst eine Erfassungsvorrichtung 8 eine Durchschlagspannung. Eine Bestimmungseinheit 9 ermittelt auf Basis der Durchschlagspannung die Bakterienkonzentration in der Flüssigkeit 2. Eine Ausgabevorrichtung 10 gibt eine Information über die bestimmte Bakterienkonzentration aus. Eine Energiebereitstellungseinheit 11 versorgt den Spannungsgenerator 7, die Erfassungsvorrichtung 8, die Bestimmungseinheit 9 und/oder die Ausgabevorrichtung 10 mit Energie. Eine Strombegrenzungseinheit 12 begrenzt die maximale Stromstärke, die durch den Spannungsgenerator 7 und die Elektroden 4, 5 fließt. Die Elektroden 4, 5 sind als Stabelektroden mit stirnseitig einander zugewandten Endabschnitten ausgebildet, dabei laufen die Endabschnitte insbesondere zum Ende hin im Wesentlichen konisch spitz aus. Mit dieser Vorrichtung 1 kann die Bakterienkonzentration der Flüssigkeit 2 in einem beliebigen Rohrleitungsabschnitt 3 geprüft und ein Ergebnis dem Nutzer mitgeteilt werden.
2 zeigt eine zweite Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer strömenden Flüssigkeit 2 für den stationären Betrieb. In einer Flüssigkeitszapfvorrichtung 13 stromaufwärts eines Austritts der Flüssigkeit 2 in eine Umgebung, beispielsweise zu Zwecken eines Flüssigkeitskonsums, ist die Vorrichtung 1 angeordnet, die dem Prinzip nach wie die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 aufgebaut sein kann. Mit dieser Vorrichtung 1 kann die Bakterienkonzentration der Flüssigkeit 2 vor Austritt aus der Zapfvorrichtung 13 geprüft und ein Ergebnis dem Nutzer mitgeteilt werden. Die Einbindung der Komponenten Spannungsgenerator 7, Erfassungsvorrichtung 8, Bestimmungseinheit 9, Ausgabevorrichtung 10, Energiebereitstellungseinheit 11 und/oder Strombegrenzungseinheit 12 ist hier nicht dargestellt, verhält sich aber grundsätzlich wie in 1 mit Figurenbeschreibung erläutert.
3 zeigt eine dritte Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer strömenden Flüssigkeit 2 für den stationären Betrieb. In einer Flüssigkeitszapfvorrichtung 13 stromaufwärts eines Austritts der Flüssigkeit 2 in eine Umgebung, beispielsweise zu Zwecken eines Flüssigkeitskonsums, ist die Vorrichtung 1 angeordnet, die dem Prinzip nach wie die in 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 1 aufgebaut sein kann. Die Elektroden 4 ist als Stabelektrode im Inneren der schalenförmig, insbesondere hohlzylindrisch ausgebildeten Elektrode 5 angeordnet. Insbesondere sind die Elektroden koaxial mit geometrisch zusammenfallenden Längsachsen angeordnet. Die Stabelektrode 4 wird mittels eines Halteelements 14 gehalten. Zwischen den Elektroden 4, 5 bildet sich der Bestimmungsraum als spaltförmiger freier Querschnitt, in dem die Flüssigkeit 2 angeordnet ist. Mit dieser Vorrichtung 1 kann die Bakterienkonzentration der Flüssigkeit 2 vor Austritt aus der Zapfvorrichtung 13 geprüft und ein Ergebnis dem Nutzer mitgeteilt werden. Die Einbindung der Komponenten Spannungsgenerator 7, Erfassungsvorrichtung 8, Bestimmungseinheit 9, Ausgabevorrichtung 10, Energiebereitstellungseinheit 11 und/oder Strombegrenzungseinheit 12 ist hier nicht dargestellt, verhält sich aber grundsätzlich wie in 1 mit Figurenbeschreibung erläutert.
4 zeigt eine vierte Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer ruhenden Flüssigkeit 2 für den mobilen Betrieb. Beispielsweise kann die vierte Vorrichtung 1 gemäß 4a in einem Flüssigkeitsbehälter 15, insbesondere in einem Speicherbehälter (Kanister) oder in einem Nutzungsbehälter (Flasche, Trinkbecher, Teller), zur Untersuchung einer darin befindlichen Flüssigkeit 2 angewendet werden. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 16 zur Aufnahme eines Spannungsgenerators 7, einer Erfassungsvorrichtung 8, einer Bestimmungseinheit 9, einer Ausgabevorrichtung 10, einer Energiebereitstellungseinheit 11 und/oder Strombegrenzungseinheit 12 (nur teilweise dargestellt). Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Messspitze 17, wobei die Messspitze 17 die beiden Elektroden 4, 5 umfasst, zwischen denen sich der Bestimmungsraum 6 ausbildet. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Auslöseeinheit 18 zum Einschalten und/oder Ausschalten der Vorrichtung 1 und/oder Auslösen eines Spannungsänderungszyklus'. Durch Betätigung der Auslöseeinheit 18 wird das erfindungsgemäße Verfahren gestartet. Eine solche Auslöseeinheit 18 kann auch zu den in den 1, 2 und 3 mit zugehöriger Figurenbeschreibung vorgestellten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 für den stationären Betrieb gehören. 4b zeigt eine erste Ausführung einer Messspitze 17 in einer Seitenansicht und einem Querschnitt (Schnittlinie A-A). Zu erkennen ist die koaxiale Anordnung der stiftförmigen Elektrode 4 und der schalenförmigen Elektrode 5, sowie der Bestimmungsraum 6, der sich zwischen den Elektroden 4, 5 ausbildet. 4c zeigt eine zweite Ausführung einer Messspitze 17 in einer Seitenansicht. Zu erkennen ist die Anordnung zweier stiftförmiger Elektroden 4, 5, wobei Elektrode 5 abgewinkelt ist. Der Bestimmungsraum 6 bildet sich zwischen den Elektroden 4, 5 aus.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit, vorliegend umfassend die Schritte (a) Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden, gegebenenfalls Einstellen und Halten einer Vorspannung, (b) Verändern, insbesondere geregeltes Erhöhen, der Spannung, beginnend bei einem Spannungsstartwert, nach einer vorgebbaren Spannung-Zeit-Funktion, (c) Erfassen einer Durchschlagspannung, die im Moment eines elektrischen Durchschlags durch die Flüssigkeit zwischen den Elektroden anliegt, (d) Bestimmen der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung, (f) Erzeugen und Übermitteln einer die bestimmte Bakterienkonzentration repräsentierenden Information an einen Nutzer. Der Schritt (e) Verringern der Spannung auf den Spannungsstartwert oder auf die Vorspannung oder auf einen Wert null kann auf den Schritt (c) oder auf den Schritt (d) folgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird Schritt (e) gefolgt von Schritt (g), einer Wartedauer, insbesondere bei dem Spannungswert der Vorspannung, dem Spannungsstartwert oder dem Spannungswert null. Nach dieser Wartedauer beginnt der Zyklus wieder von vorn bei Schritt (a).
6 zeigt den beispielhaften schematischen Spannungsverlauf während eines die Schritte (a) bis (g) umfassenden Spannungsänderungszyklus'. Der Spannungsstartwert, mit dem Schritt (b) beginnt, ist gleich der Vorspannung V aus Schritt (a). Die Spannungserhöhung aus Schritt (b) endet mit dem elektrischen Durchschlag, bei dessen Auftreten die Durchschlagspannung D erfasst wird (Schritt c). Gleichzeitig wird die Spannung auf den Wert null verringert (Schritt e) und für eine Wartedauer (Schritt g) gehalten. In Schritt (d) wird die Bakterienkonzentration bestimmt, in Schritt (f) eine die Bakterienkonzentration repräsentierende Information erzeugt und an einen Nutzer übermittelt.
7 zeigt verschiedene Spannung-Zeit-Funktionen. Die oberste Spannung-Zeit-Funktion verläuft kontinuierlich-linear ansteigend. Die zweitoberste Funktion verläuft kontinuierlich-stufig. Die dritte Funktion weist einen kontinuierlichwellenförmigen Verlauf auf. Die vierte Funktion erhöht sich entsprechend eines von Pausen unterbrochenen stufigen Verlaufs. Die fünfte Funktion verläuft entsprechend eines von Pausen unterbrochenen linearen Verlaufs in Form von diskreten Spannungspulsen. Alle hier gezeigten Funktionen weisen die gleiche gemittelte Spannungsänderungsrate auf, wie aus der gemittelten Steigung U über t hervorgeht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016216397 [0019]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit (2), wobei die Flüssigkeit (2) in einem Bestimmungsraum (6) vorliegt, wobei der Bestimmungsraum (6) mindestens zwei Elektroden (4, 5) umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte a. Anlegen einer elektrischen Spannung U an die Elektroden (4, 5), b. Verändern, insbesondere Erhöhen, der Spannung U, beginnend bei einem Spannungsstartwert, c. Erfassen einer Durchschlagspannung D, die im Moment eines elektrischen Durchschlags durch die Flüssigkeit (2) anliegt, d. Bestimmen der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung D.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Anlegen einer elektrischen Spannung U ein Einstellen der Spannung auf eine Vorspannung V und ein zeitweises Halten auf dieser Vorspannung V umfasst, wobei die Vorspannung V ein Spannungswert verschieden von null und kleiner als eine erwartete Durchschlagspannung D ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Verändern der Spannung U ein geregeltes Verändern, insbesondere ein zeitlich geregeltes Erhöhen der Spannung U umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Erfassen der Durchschlagspannung D ein Beobachten der Spannung U und/oder einer Stromstärke eines zwischen den Elektroden (4, 5) durch die Flüssigkeit (2) fließenden Stromes umfasst, wobei das Beobachten insbesondere ein Messen und/oder Speichern mindestens eines Wertes und/oder eines Wertepaares und/oder eines Werteverlaufs über der Zeit umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beobachten ein Registrieren eines elektrischen Durchschlags zwischen den Elektroden (4, 5) durch die Flüssigkeit (2) umfasst, wobei das Registrieren des elektrischen Durchschlags insbesondere ein Registrieren einer sprunghaften Änderung der Spannung (U) und/oder einer sprunghaften Änderung der Stromstärke umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt e. Verringern der Spannung U auf den Spannungsstartwert oder auf die Vorspannung V oder auf einen Wert null, insbesondere erfolgt dieser Schritt nach dem Schritt Erfassen der Durchschlagspannung D.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt Bestimmen der Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung D ein Berechnen und/oder Vergleichen und/oder Ablesen und/oder Interpolieren und/oder Extrapolieren auf Basis von vorgebbaren, insbesondere in Formeln und/oder in Wertetabellen hinterlegten Korrelationen umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt f. Erzeugen und Übermittlung einer die bestimmte Bakterienkonzentration repräsentierenden Information an einen Nutzer, insbesondere eine Information in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Ergebniswerts oder Signals.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei durch den Bestimmungsraum hindurchströmender Flüssigkeit (2) und/oder in wiederkehrender Abfolge ausgeführt wird.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Bakterienkonzentration in einer Flüssigkeit (2), gekennzeichnet durch a. zwei Elektroden (4, 5), die dazu eingerichtet sind, ein auf die Flüssigkeit (2) einwirkendes elektrisches Feld zu erzeugen, b. einen Spannungsgenerator (7), der dazu eingerichtet ist, eine regelbare Spannung U zu erzeugen und an die Elektroden (4, 5) anzulegen, c. eine Erfassungsvorrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, eine Durchschlagspannung D eines elektrischen Durchschlags durch die Flüssigkeit (2) zu erfassen, d. eine Bestimmungseinheit (9), die dazu eingerichtet ist, eine Bakterienkonzentration auf Basis der Durchschlagspannung D zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch e. einen Bestimmungsraum (6), der dazu eingerichtet ist, die Flüssigkeit (2) aufzunehmen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch f. eine Ausgabevorrichtung (10), die dazu vorgesehen ist, eine Information über die bestimmte Bakterienkonzentration auszugeben, insbesondere in Form eines optisch und/oder akustisch wahrnehmbaren Ergebniswerts oder Signals.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch g. eine Energiebereitstellungseinheit (11), die dazu eingerichtet ist, elektrische Energie für den Betrieb von Spannungsgenerator (7), Erfassungsvorrichtung (8), Bestimmungseinheit (9) und/oder Ausgabevorrichtung (10) bereitzustellen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch h. eine Strombegrenzungseinheit (12), die dazu vorgesehen ist, die Stromstärke, insbesondere die Stromstärke eines elektrischen Durchschlags, zu begrenzen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, in einer Flüssigkeitsleitung (3), insbesondere in einer Zapfvorrichtung (13) einer Flüssigkeitsleitung (3), als stationäre Einheit die Bakterienkonzentration zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) dazu eingerichtet ist, in einem Flüssigkeitsbehälter (15), insbesondere in einem Speicherbehälter oder in einem Nutzungsbehälter, als mobile Einheit die Bakterienkonzentration zu bestimmen.