DE19901041B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit Download PDF

Info

Publication number
DE19901041B4
DE19901041B4 DE1999101041 DE19901041A DE19901041B4 DE 19901041 B4 DE19901041 B4 DE 19901041B4 DE 1999101041 DE1999101041 DE 1999101041 DE 19901041 A DE19901041 A DE 19901041A DE 19901041 B4 DE19901041 B4 DE 19901041B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
generator
liquid
chemically sensitive
channel
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE1999101041
Other languages
English (en)
Other versions
DE19901041A1 (de
Inventor
Arshak Dr. Poghossian
Michael Josef Dr. Schöning
Peter Schroth
Joachim Walter Prof. Dr. Schultze
Hans Prof. Dr. Lüth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE1999101041 priority Critical patent/DE19901041B4/de
Publication of DE19901041A1 publication Critical patent/DE19901041A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE19901041B4 publication Critical patent/DE19901041B4/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/7046—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using electrical loaded particles as tracer, e.g. ions or electrons
    • G01F1/7048—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter using electrical loaded particles as tracer, e.g. ions or electrons the concentration of electrical loaded particles giving an indication of the flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708—Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/227—Sensors changing capacitance upon adsorption or absorption of fluid components, e.g. electrolyte-insulator-semiconductor sensors, MOS capacitors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/333—Ion-selective electrodes or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS

Abstract

Vorrichtung zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit
– mit einem Generator (1),
– mit mindestens einem chemisch-sensitiven Detektor (2) und
– mit einem die Flüssigkeit aufnehmenden Kanal (3),
– wobei der Generator (1) und der mindestens eine chemisch-sensitive Detektor (2) zumindest teilweise in einen Innenraum des Kanals (3) hineinragen und mit einem vorgegebenen Abstand (S) zueinander angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet,
– daß der Generator (1) derart ausgebildet ist, eine chemische Spezies zu erzeugen und
– daß der chemisch-sensitive Detektor (2) derart ausgebildet ist, die Konzentration der von dem Generator erzeugten chemischen Spezies in der Flüssigkeit zeitaufgelöst zu messen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen physikalischer Meßgrößen in einer Flüssigkeit.
  • Es sind Meßanordnungen für strömende Flüssigkeiten bekannt, die z.B. in der industriellen Prozeßkontrolle, im Fahrzeugbau, in der Medizintechnik, in der Mikrosystemtechnik, in der chemischen Analytik sowie im Umweltschutz eingesetzt werden können. Mit dieser Anordnung lassen sich charakteristische physikalische Kenngrößen in strömenden Medien, wie Fließgeschwindigkeit und ihre Verteilung, Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung, Flußrichtung und -winkel, Flußrate, Leitfähigkeit sowie chemische Kenngrößen, wie Ionenkonzentration und -zusammensetzung sowie gasförmige Substanzen einzeln und/oder simultan nachweisen.
  • Die exakte Bestimmung der Durchflußgeschwindigkeit bzw. der Flußrate ist insbesondere dann von entscheidender Bedeutung, wenn es darum geht, Kalibrier- und Meßlösungen genau zu dosieren, beispielsweise für den Einsatz von Mikropumpen.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Prinzipien und Anordnungen beschrieben, um unterschiedliche chemische und physikalische Kenngrößen simultan zu detektieren. Dabei werden gerade in der Medizintechnik komplette Mikrosysteme, sogenannte Mikroanalysesysteme oder micro-total-analysis-systems verstärkt eingesetzt. Mit diesen Anordnungen lassen sich beispielsweise unterschiedliche Parameter in Flüssigkeiten bestimmen. Typische Parameter stellen dabei physikalische Größen, z.B. Druck, Flußrate, Temperatur, und Leitfähigkeit, und chemische Größen, wie pH, O2- und CO2-Gehalt, dar. Üblicherweise werden hierzu abwechselnd Kalibrierlösungen und Meßlösungen durch die Meßanordnung gepumpt und überwacht. Eine externe Flußkontrolle ist somit in der Regel unumgänglich. Den Stand der Technik siehe beispielhaft in P. Norlin, O. Öhmann, B. Ekström, L. Forssen, "A chemical micro analysis system for the measurement of pressure, flow rate, temperature, conductivity, UV-absorption and fluorescence" in Sensors and Actuators B 49 (1998)f 34-39.
  • Um all diese Parameter simultan erfassen zu können, benötigt man bisher eine große Anzahl von verschiedenen Sensoren und Sensortypen auf der Basis unterschiedlich sensitiver Materialien unter dem Einsatz verschiedener Technologien. Diese machen die verwendeten Systeme einerseits sehr teuer, und setzen andererseits die Zuverlässigkeit stark herab. Übliche Nachweisprinzipien sind im folgenden aufgelistet:
    • – O2 wird mittels einer Clark-Elektrode nachgewiesen,
    • – CO2 sowie Ionen und Metabolite lassen sich mit ionenselektiven Elektroden oder ISFETs bestimmen,
  • Abstand zwischen dem Strahlungsemittenten-Emitter und den Detektoren ist. Als nicht strahlende Meßstoffe werden große Farbstoffmoleküle, polycyklische Aromate und Moleküle koloidaler Größe, wie sie bspw. die ionschen Polymeren darstellen, genannt.
  • Aus der Textstelle Profos, Paul, Pfeifer, Tilo im "Handbuch der industriellen Meßtechnik", R. Oldenbourg Verlag München Wien 1992, Seite 728 bis 729 ist ein Impfverfahren mit Chemikalien und radioaktiven Substanzen bekannt, bei dem einer strömenden Flüssigkeit ein kleiner, leicht zu messender Fremdstrom zugesetzt wird. Der Durchfluß kann dann entweder aus der Laufzeit oder aus der Konzentrationsänderung bestimmt werden. Das Impfverfahren wird so durchgeführt, daß an einer vorgebenen Stelle entlang eines die strömende Flüssigkeit führenden Kanals die Chemikalie oder die radioaktive Substanz eingespritzt wird und das an verschiedenen Meßquerschnitten die Konzentration der eingespritzten Substanz zeitaufgelöst gemessen wird.
  • Die DE 41 17 912 A1 , von der die Erfindung ausgeht, offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit. Dabei sind zwei Elektroden in Strömungsrichtung beabstandet hintereinander angeordnet. Zwischen den Elektroden kann eine Spannung angelegt werden, was zur Erzeugung von Ionen an einer Elektrode führt. Eine derartige Erzeugung von Ionen durch Anlegen (vergleichsweise hoher) Spannungen wird auch als „Injektion" bezeichnet. Parallel zum Anlegen der Spannung erfolgt die Messung des Stromes zwischen den Elektroden als Funktion der Zeit. Aus der Zeitdifferenz zwischen Änderung der Spannung und Änderung des Stromes läßt sich die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen. Nachteilig bei einer derartigen Vorrichtung ist, daß keine direkte Konzentrationsmessung, in diesem Fall der Ionen, stattfindet. Ferner sind hohe Spannungen in der Größenordnung von 100 Volt notwendig, um Ionen durch „Injektion" zu erzeugen. Daraus resultiert ein vergleichsweise hohes elektrisches Feld zwischen den Elektroden. Dies führt in der Folge dazu, daß die Geschwindigkeit der Ionen sich zusammensetzt aus der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit sowie einem feldstärke- bzw. ionenbeweglichkeitsabhängigen Term, der von einer Reihe unterschiedlicher Faktoren wie der Art der Ionen, Eigenschaften der Flüssigkeit sowie von der Temperatur abhängt. Damit ist eine derartige Messung der Strömungsgeschwindigkeit immer mit einer Ungenauigkeit behaftet. Bei hohen Spannungen an den Elektroden kann es außerdem zu einer elektrochemischen Veränderung der Elektrodenoberfläche kommen, die bei Anwendungsfällen mit hohen Reinheitsanforderungen nicht immer hinnehmbar sind.
  • Die DE 945 662 offenbart eine Anordnung zweier Elektroden in einem Kanal, der einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Auch hier werden durch Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden Ionen durch Injektion erzeugt, und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit wird ebenfalls über den Strom zwischen den Elektroden bestimmt. Um aus der Strömungsgeschwindigkeit den Volumenstrom durch den Kanal genau bestimmten zu können, sind die Elektroden in einem Abstand von der Kanalwandung angeordnet, der dem 0,119-fachen des Durchmessers des Kanals entspricht. Diese Anordnung ist mit den gleichen Nachteilen behaftet wie die, die in der DE 41 17 912 A1 offenbart ist, da sie nach dem gleichen Prinzip arbeitet. Auch hier wird der Strom der Ionen gemessen, die an einer der beiden Elektroden aufgrund eines hohen elektrischen Feldes erzeugt und damit injiziert worden sind.
    •
  • Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen physikalischer Meßgrößen in einer Flüssigkeit derart weiterzubilden, daß bei einem einfachen Aufbau die Zuverlässigkeit und Stabilität einer solchen Vorrichtung bzw. eines solchen Verfahrens erhöht wird und gleichzeitig externe und interne Störungen weitgehend vermieden werden können.
  • Das zuvor aufgezeigte technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Weitere Merkmale der Erfindung sind in abhängigen Unteransprüchen angegeben.
  • Dem Generator liegen als Generierungsprinzip Oxidationsreaktionen bzw. Reduktionsreaktionen, die Elektrolyse von Wasser und andere ionengenerierende Prozesse zugrunde. Als Generatormaterialien können Edelmetallelektroden (z. B. Au, Pt etc.), IrO2 oder andere bekannte ionen- oder gasgenerierende Schichten oder Schichtsysteme eingesetzt werden.
  • Bei dem Detektor werden verschiedene Transducerprinzipien, wie die Potentiometrie (z. B. ionenselektive Elektroden oder Feldeffektstrukturen, auch auf der Basis von strukturierten Oberflächen), Amperometrie, Impedimetrie, Konduktometrie, gassensitive, massensensitive oder magnetische Effekte eingesetzt.
  • Der Erfindung liegt die Erkentnnis zugrunde, daß mit jeweils einem einzigen chemischen Sensortyp, z.B. einem chemischen Sensor auf der Basis einer ionenselektiven Elektrode oder einem ionensensitiven Feldeffekttransistor (ISFET) oder einer EIS- (Electrolyte-Insulator-Semiconductor) Struktur oder einer ähnlichen Anordnung, die unterschiedlichen, oben beschriebenen unterschiedlichen physikalischen und chemischen Kenngrößen erfaßt werden können.
  • Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung einfach miniaturisierbar, z.B. in Form von halbleiterbasierten Sensoren. Aufgrund der Kompatibilität zur Halbleitertechnologie läßt sich die Erfindung kostengünstig und als Massenprodukt herstellen. Eine direkte Ankopplung oder Integration an Mikrosysteme ist möglich. Die Meßanordnung ermöglicht weiterhin eine direkte Anbindung, d.h. Integration der Mikroelektronik in unmittelbarer Nähe zu der Meß- bzw. Sensorstruktur, beispielsweise in Form einer Hybridanordnung. Aufgrund der Miniaturisierbarkeit kann die Erfindung vorteilhaft kleine Signale und Signaländerungen qualitativ und quantitativ bei einer gleichzeitig schnellen Ansprechzeit detektieren. Die Erfindung kann nutzbringend auf einem einzigen Transducerprinzip, z.B. der ionenselektiven Potentiometrie, der Amperometrie oder dem in Halbleiterbauelementen auftretenden Feldeffekt basieren.
    •
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften der Erfindung werden durch eine detailierte Darstellung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
  • 1a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung und b) den zeitlichen Verlauf des Generatorsignals und des Detektorsignals in einer schematischen graphischen Darstellung,
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
  • 3 eine Differenzschaltung zur Auswertung der Meßsignale des zweiten Ausführungsbeispiels in einer schematischen Darstellung,
  • 4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung und
  • 5a) ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung und b) ein Ersatzschaltbild für das vierte Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen physikalischer Meßgrößen in einer Flüssigkeit. Die Vorrichtung weist einen Generator 1, der chemische Substanzen A generiert, und einen chemisch-sensitiven Detektor 2 für die jeweils generierte chemische Substanz auf. Der Generator 1 und der Detektor 2 sind in einem Kanal 3 in einer Distanz S voneinander angebracht, wobei der Kanal 3 die zu analysierende Flüssigkeit enthält. Das Funktionsprinzip dieser Meßanordnung kann wie folgt dargestellt werden:
    Zum Zeitpunkt t1 tritt der Generator 1 in Funktion und generiert bestimmte chemische Substanzen A, wie Ionen (z.B. H+, OH–, etc.) oder Gase (z.B. O2, H2, etc.) oder ähnliches. Daraus resultiert als Ergebnis eine lokale Konzentrationsänderung dieser chemischen Spezies in unmittelbarer Nähe des Generators 1. Diese Konzentrationsänderung breitet sich innerhalb des Kanals 3 aus und der Detektor 2 mißt die Konzentration der chemischen Spezies zeitaufgelöst.
  • Wenn nun die Flüssigkeit durch den Kanal 3 fließt, transportiert sie diese an der Elektrode des Generators 1 gene rierte chemische Substanz aufgrund der Strömung. Die Substanz erreicht den in Fließrichtung angeordneten Detektor 2 zu einem Zeitpunkt t2 und wird dort von dem chemisch-sensitiven Detektor 2 erfaßt. Als Ergebnis ändert sich folglicherweise das Ausgangssignal des Detektors, wobei der Zeitpunkt t2 dann definiert wird, wenn das Ausgangssignal einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Die Zeitdifferenz Δt = t2 – t1, die benötigt wird um den Detektor zu erreichen, hängt dabei von der Fließgeschwindigkeit ab. Dies bedeutet, daß die Fließgeschwindigkeit anhand der Messung von Δt ermittelt werden kann. Als Einflußgröße geht hierbei der Abstand S ein. Die Flußrate lägt sich direkt aus der Fließgeschwindigkeit bei bekanntem Querschnitt des Kanals 3 berechnen.
  • Das gleiche Funktionsprinzip läßt sich außerdem für die Bestimmung der Drehgeschwindigkeit mittels eines Drehgeschwindigkeitssensors in strömenden und sich drehenden Medien einsetzen. Dadurch läßt sich bspw. die Ausbildung von Turbulenzen an Strömungsrichtungsänderungen überwachen oder die Stärke der Drehung einer von einem Rührer angetriebenen Flüssigkeit kann gemessen und somit überwacht werden.
  • Wird dagegen die in 1 dargestellte Vorrichtung bei einer innerhalb des Kanals 3 ruhenden Flüssigkeit verwendet, so kann aus der Zeitdifferenz Δt = t2 – t1 die Größe der Diffusion der vom Generator 1 erzeugten chemischen Substanz innerhalb der Flüssigkeit bestimmt werden.
  • Als Generierungsprinzip lassen sich beispielsweise Oxidations- bzw. Reduktionsreaktionen, die Elektrolyse von Wasser und andere ionengenerierende Prozesse nutzen. Als Generatormaterialien können Edelmetallelektroden (z.B. Au, Pt, etc.), IrO2 oder andere bekannte ionen- oder gasgenerierende Schichten oder Schichtsysteme eingesetzt werden. Reaktionsmechanismen hierzu sind exemplarisch:
    • – anodische Elektrolyse: 2 H2O → 4 H+ + 4 e– + O2
    • – kathodische Elektrolyse: 2 H2O + 2 e– → 2 OH– + H2
  • Als Detektor können verschiedene Transducerprinzipien, wie die Potentiometrie (z.B. ionenselektive Elektroden oder Feldeffektstrukturen, auch auf der Basis von strukturierten oder porösen Oberflächen), Amperometrie, Impedimetrie, Konduktometrie, gassensitive, massensensitive oder magnetische Effekte eingesetzt werden.
  • 2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel in schematischer Form. Es handelt sich um die Meßanordnung eines Fließrichtungssensors zur gleichzeitigen Messung der Fließgeschwindigkeit und der Fließrichtung. Die Vorrichtung weist einen Generator 1 für eine chemische Substanz A wie im ersten Ausführungsbeispiel und zwei chemisch-sensitive Detektoren 2 und 4 für die generierte Spezies A auf. Die Detektoren 2 und 4 sind in einem Kanal 3 in einer Distanz S1 und S2, vorzugsweise S1 = S2 = S voneinander von dem Generator 1 angebracht. In Abhängigkeit von der mit dem Pfeil dargestellten Flußrichtung wird nun die generierte chemische Substanz A von dem in 2 rechtsseitig angeordneten Detektor 2 erfaßt, wogegen der Detektor 4 lediglich aufgrund von Diffusion innerhalb der Flüssigkeit erhöhte Konzentration der chemischen Substanz A nachweist. Somit können Fließgeschwindigkeit und Fließrichtung gleichzeitig ermittelt werden. Für die meßtechnische Erfassung kann dazu eine Differenzschaltung verwendet werden, wie sie in 3 dargestellt ist.
  • Diese Differenzanordnung erlaubt weiterhin die Drift der Detektoren, äußere und innere Temperatureinflüsse und den Einfluß von störenden Diffusionsprozessen auf die Parameter der Meßanordnung zu minimieren oder im wesentlichen vollständig zu kompensieren, um damit den Meßbereich zu vergrößern und/oder die Meßgenauigkeit zu verbessern.
  • 4 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das einem Fließgeschwindigkeitsverteilungssensor entspricht. Die Vorrichtung weist ein Array aus Fließgeschwindigkeitssensoren, aufgebaut aus Generatoren G1 bis Gn für eine oder mehrere chemische Spezies A, und einen chemisch-sensitiven Array aus Detektoren D1 bis Dn für die jeweils generierte Spezies bzw. Substanzen. Sowohl die Generatoren G1 bis Gn als auch die Detektoren D1 bis Dn befinden sich räumlich verteilt in y- oder z-Richtung in einer Distanz S voneinander entfernt in dem Kanal 3. Die Ausbildung von einzelnen Generatoren G1 bis Gn ist nicht zwingend erforderlich, ein Generator 1 mit einer entsprechend ausgedehnten Oberfläche erfüllt ebenfalls die Anforderungen eines Fließgeschwindigkeitsverteilungssensors. Dieses gilt ebenso für einen großflächigen Sensor 2, auf dessen Oberfläche ortsaufgelöste Meßsignal aufgenommen werden können.
  • Im Falle eines laminaren Flusses ist das Geschwindigkeitsprofil parabolisch. Strömungsanteile mit derselben y- oder z-Koordinate mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten transportieren die jeweils generierte chemische Substanz mit unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten. Dadurch läßt sich die Fließgeschwindigkeitsverteilung anhand der Zeitdifferenzen Δt = Δt1 .... Δtn, die benötigt werden, damit die generierten chemischen Spezies die jeweiligen Detektoren bzw. das Array von Detektoren erreichen, berechnen.
  • Aber auch für nicht laminare Strömungen kann der Fließgeschwindigkeitsverteilungssensor verwendet werden. In diesem Fall kann auch ein Generator G1 oder ein Generator 1 mit kleiner Fläche verwendet werden, um eine annähernd punktförmige Quelle für chemische Substanzen A zu bilden, deren räumliche Verteilung aufgrund von Turbulenzen mit dem Array D1 ... Dn oder dem großflächigen Sensor 2 nachzuweisen.
  • 5a zeigt schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das einem Leitfähigkeitssensor entspricht, während 5B das vereinfachte Ersatzschaltbild dieses Leitfähigkeitssensors darstellt. Der Leitfähigkeitssensor kann in die Meßanordnungen entsprechend der ersten drei Ausführungsbeispiele integriert sein. Der Leitfähigkeitssensor weist zwei identische Sensoren T1 und T2 auf, beispielsweise zwei EIS- (Electrolyte-Insulator-Semiconductor) Sensoren, die planar, strukturiert oder porös ausgebildet sein können oder aus vergleichbaren Feldeffektstrukturanordnungen, wie z.B. Feldeffekttransistoren. Die Sensoren T1 und T2 entsprechen den Bauteilen des Generators 1 und des Detektors 2 oder zweier Detektoren 2 und 4, wie sie zuvor beschrieben worden sind, und sind in einem Abstand P voneinander angeordnet. Im Falle der strukturierten oder porösen EIS-Sensoren läßt sich aufgrund der vergrößerten Oberfläche bspw. die Kapazität und damit das Meßsignal erhöhen, was vorteilhaft eine kleinere Sensorgröße und/oder eine bessere Auflösung des Meßsignals zur Folge hat.
  • Die Sensoren T1 und T2 sind außerhalb des Kanals 3 über eine Spannungsversorgung 5 und vorzugsweise ein Strommeßgerät 6 elektrisch miteinander verbunden.
  • Im Ersatzschaltbild in 5b ist Zf die Faraday-Impedanz, Cdl die Doppelschichtkapazität, Rel der Widerstand der Lösung, Ci die Kapazität der Isolatorschicht oder -schichten, Cd die Raumladungskapazität im Halbleiter und Rs der Bulkwiderstand des Halbleiters.
  • Aus 5a wird das Meßprinzip der Meßanordnung in der Lösung deutlich: Die Gesamtimpedanz dieses Leitfähigkeitssensors wird wechselspannungs- oder wechselstrommäßig bei vorgegebener Frequenz und Amplitude gemessen und der resultierende Wechselstrom- oder Wechselspannungsanteil läßt sich der Leitfähigkeit der zu untersuchenden Meßlösung κel zuord nen. Abhängig von der verwendeten Meßfrequenz und dem Meßbereich von Rel und vom verwendeten Halbleitermaterial und den Isolatorzusammensetzungen sowie der Sensorgeometrie lassen sich die parasitären Komponenten im Ersatzschaltbild vernachlässigen bzw. als konstant ansetzen. Insbesondere für Ci >> Cdl, Rs << Rel, ωCiRel >> 1 und im Falle der Anreicherung, d.h. für Ci >> Cd, gilt in guter Näherung für die Impedanz des Leitfähigkeitssensors Zcell: Zcell = Rel = K/κel, mit K = αP/A.
  • K beschreibt die Zellkonstante des Leitfähigkeitssensors, A ist die Oberfläche des Leitfähigkeitssensors und α ist ein Korrekturfaktor für die inhomogene Feldverteilung zwischen den beiden Einzelsensoren T1 und T2 in 5(a). κel entspricht dann der Leitfähigkeit der Flüssigkeit im Kanal 3. Für den theoretischen Hintergrund siehe P. Jacobs, A. varian, W. Sansen, "Design optimisation of planar electrolytic conductivity sensors", Medical & Biological Engineering & Computing, 1995, 802-810.
  • Ein fünftes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel entspricht in seiner prinzipiellen Anordnung den Ausführungsbeispielen 1 bis 4, mit dem Zusatz, daß neben der Bestimmung der beschriebenen physikalischen Parameter mittels gleichartiger chemisch-sensitiver Detektoren zusätzlich, insbesondere simultan chemische Parameter, wie die Ionen- oder Gaskonzentrationen ermittelt werden können.

Claims (19)

  1. Vorrichtung zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit – mit einem Generator (1), – mit mindestens einem chemisch-sensitiven Detektor (2) und – mit einem die Flüssigkeit aufnehmenden Kanal (3), – wobei der Generator (1) und der mindestens eine chemisch-sensitive Detektor (2) zumindest teilweise in einen Innenraum des Kanals (3) hineinragen und mit einem vorgegebenen Abstand (S) zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, – daß der Generator (1) derart ausgebildet ist, eine chemische Spezies zu erzeugen und – daß der chemisch-sensitive Detektor (2) derart ausgebildet ist, die Konzentration der von dem Generator erzeugten chemischen Spezies in der Flüssigkeit zeitaufgelöst zu messen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator Edelmetallelektroden, vorzugsweise aus Gold oder Platin, aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator Elektroden aus IrO2 aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ionen- oder gasgenerierende Schichten oder Schichtsysteme aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch-sensitive Detektor ionenselektive Elektroden oder Feldeffektstrukturen aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (3) eine strömende Flüssigkeit führt und daß der Generator (1) strömungsaufwärts vom chemisch-sensitiven Detektor (2) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei chemisch-sensitive Detektoren (2,4) vorgesehen sind, wobei mindestens ein Detektor (4) strömungsaufwärts des Generators (1) mit einem Abstand (S1) und mindestens ein Detektor (2) strömungsabwärts des Generators (1) in einem Abstand (S2) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) eine die chemische Substanz (A) erzeugende Oberfläche aufweist, die sich über den Querschnitt des Kanals (3) quer zur Strömungsrichtung erstreckt, und daß der chemisch-sensitive Detektor (2) eine Mehrzahl von entlang des Querschnittes des Kanals (3) quer zur Strömungsrichtung verteilt angeordneten Detektoren (D1, ..., Dn) oder eine großflächige Oberfläche mit ortssensitiver Auflösung aufweist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) eine Mehrzahl von entlang des Querschnitts des Kanals (3) verteilt angeordneten Generatoren (G1, ..., Gn) aufweist,
  10. Verfahren zum Messen physikalischer Meßgrößen in einer Flüssigkeit, insbesondere mit Hilfe einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – bei dem von einem Generator in der Flüssigkeit zu einem Zeitpunkt t1 eine chemische Spezies erzeugt wird, – bei dem von einem chemisch-sensitiven Detektor die Konzentration der chemischen Spezies zeitaufgelöst gemessen wird, – bei dem ein Zeitpunkt t2 bei Erreichen einer von dem chemisch-sensitiven Detektor nachgewiesenen Konzentration der chemischen Spezies oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes bestimmt wird und – bei dem die Zeitdifferenz Δt = t2 – t1 bestimmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die chemische Spezies mittels Oxidationsreaktionen, Reduktionsreaktionen, der Elektrolyse von Wasser oder anderen ionengenerierenden Prozessen erzeugt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die chemische Spezies von dem chemisch-sensitiven Detektor mittels Potentiometrie, Amperometrie, Impedimetrie, Konduktometrie, gassensitiven, massensensitiven oder magnetische Effekten nachgewiesen wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem für eine strömende Flüssigkeit aus der gemessenen Zeitdifferenz Δt = t2 – t1 und dem Abstand (S) zwischen Generator und chemisch-sensitivem Detektor die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit berechnet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem aus dem bekannten Querschnitt des die strömende Flüssigkeit, führenden Kanals und aus der Fließgeschwindigkeit die Flußrate berechnet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem für eine im wesentlichen ruhende Flüssigkeit aus der gemessenen Zeitdifferenz Δt = t2 – t1 und dem Abstand (S) zwischen Generator und chemisch-sensitivem Detektor die Diffusionsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit berechnet wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem mit Hilfe zweier zu beiden Seiten in Fließrichtung beabstandet zum Generator angeordneten chemisch-sensitiven Detektoren die vom Generator erzeugte chemische Substanz gemessen wird und bei dem aus der zeitlichen Reihenfolge der an dem Detektor erzeugten Meßsignale die Fließrichtung bestimmt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Differenz der Meßsignale der beiden chemisch-sensitiven Detektoren gebildet wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem mit Hilfe eines großflächigen Generators (G) oder einer Mehrzahl von innerhalb des Kanals räumlich verteilt angeordneten Generatoren (G1, ..., Gn) die chemische Substanz erzeugt wird und bei dem mit Hilfe einer Mehrzahl von von innerhalb des Kanals quer zur Strömungsrichtung räumlich verteilt angeordneten Detektoren (D1, ..., Dn) die räumlich Verteilung der Zeitdifferenzen (Δt1, ..., Δtn) gemessen und das Fließgeschwindigkeitsprofil berechnet wird.
  19. Verfahren nach einem Anspruch 10 bis 18, bei dem mit Hilfe mindestens eines der Detektoren eine chemische Meßgröße gemessen wird.
DE1999101041 1999-01-14 1999-01-14 Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit Expired - Fee Related DE19901041B4 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1999101041 DE19901041B4 (de) 1999-01-14 1999-01-14 Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE1999101041 DE19901041B4 (de) 1999-01-14 1999-01-14 Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19901041A1 DE19901041A1 (de) 2000-07-27
DE19901041B4 true DE19901041B4 (de) 2004-05-27

Family

ID=7894144

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE1999101041 Expired - Fee Related DE19901041B4 (de) 1999-01-14 1999-01-14 Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19901041B4 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024036354A1 (de) * 2022-08-19 2024-02-22 Avl List Gmbh Strömungsmessvorrichtung und verwendung derselben in einem brennstoffzellensystem

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1494000A1 (de) * 2003-07-02 2005-01-05 Sicpa Holding S.A. Methode zum Markieren eines Materials mit Ionen, die schon in besagtem Material enthalten sind, und Methode zur Bestätigung der Authentizizät dieses Materials
EP2030685A1 (de) * 2007-08-29 2009-03-04 Koninklijke Philips Electronics N.V. Mikrofluidische Vorrichtung auf der Basis von Aktivmatrixprinzipien
WO2015017403A1 (en) * 2013-07-29 2015-02-05 Fluonic Inc. Stroke volume displacement flow rate sensor and method for regulating flow

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE945662C (de) * 1954-03-25 1956-07-12 Siemens Ag Elektrodenanordnung fuer die elektronische Stroemungs- bzw. Durchflussmessung in Rohren oder Kanaelen
DE4117912A1 (de) * 1991-05-31 1992-12-03 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum bestimmen der stroemungsgeschwindigkeit eines gases oder einer fluessigkeit
DE19643817A1 (de) * 1996-10-30 1998-05-07 Buchholz Oeste Siegrun Verfahren zur Untersuchung des Gewässermilieus

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE945662C (de) * 1954-03-25 1956-07-12 Siemens Ag Elektrodenanordnung fuer die elektronische Stroemungs- bzw. Durchflussmessung in Rohren oder Kanaelen
DE4117912A1 (de) * 1991-05-31 1992-12-03 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zum bestimmen der stroemungsgeschwindigkeit eines gases oder einer fluessigkeit
DE19643817A1 (de) * 1996-10-30 1998-05-07 Buchholz Oeste Siegrun Verfahren zur Untersuchung des Gewässermilieus

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PROFOS, Paul, PFEIFER, Tilo: Handbuch der industriellen Meßtechnik, R. Oldenbourg Verlag München Wien 1992, S. 728-729 *
Sensors and Actuators B48 (1998) 34-39 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024036354A1 (de) * 2022-08-19 2024-02-22 Avl List Gmbh Strömungsmessvorrichtung und verwendung derselben in einem brennstoffzellensystem

Also Published As

Publication number Publication date
DE19901041A1 (de) 2000-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0065202B1 (de) Verfahren zur Messung von Ionenkonzentrationen
WO2010072510A1 (de) Ionenselektive elektrode
DE102013109105A1 (de) Messanordnung
WO1999014586A1 (de) Gassensor
DE102015101191A1 (de) Potentiometrischer Sensor
DE69735473T2 (de) Verfahren und vorrichtung zum messen eines elektrischen parameters eines fluids
EP1164186B1 (de) Verfahren zur Untersuchung von membranumschlossenen Biokompartimenten
DE19901041B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Meßgrößen in einer Flüssigkeit
DE102019002274A1 (de) Gassensor und verfahren zum steuern eines gassensors
EP0597203B1 (de) Referenzelektrode
DE102017129635A1 (de) Messsonde für elektrochemische Messungen
DE2536394C2 (de) Detektor für in einem Chromatographen getrennte Proben
EP0060533B1 (de) Elektroanalytische Messanordnung
DE19828093C2 (de) Einrichtung zum Messen physikalischer Größen von ein- oder mehrkomponentigen Flüssigkeiten
EP3788356B1 (de) Verfahren zum betreiben eines sensors zum nachweis mindestens eines anteils einer messgaskomponente mit gebundenem sauerstoff in einem messgas
EP2264445B1 (de) Coulometrischer Feuchtesensor und entsprechendes Verfahren
DE102011085747A1 (de) Verfahren zur Überprüfung und/oder Justierung eines Dünnfilm-pH-Sensors und Selbstüberwachender und/oder -justierender Dünnfilm-pH-Sensor
DE19755183C2 (de) Mikro-Spaltzelle
DE3216791A1 (de) Verfahren und anordnung zur messung von ionenkonzentrationen
DE4040332C2 (de) Mehrelektroden-Streufeldverfahren zur Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit sowie Mehrelektroden-Streufeldsensor dazu
DE19708166C2 (de) Sensoranordnung zum Nachweis von Substanzen in einem Probenanalyten
WO2020007673A1 (de) Verfahren zum betreiben eines sensors zum nachweis mindestens eines anteils einer messgaskomponente mit gebundenem sauerstoff in einem messgas
DE4442685C1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Strömungspotentials
DE102016124625A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Elektrodenbaugruppe
EP1128075A2 (de) Mikropumpe und/oder Mikromischer mit integriertem Sensor und Verfahren zu dessen Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8181 Inventor (new situation)

Free format text: POGHOSSIAN, ARSHAK, DR., 40479 DUESSELDORF, DE SCHOENING, MICHAEL JOSEF, DR., 52428 JUELICH, DE SCHROTH, PETER, 52064 AACHEN, DE SCHULTZE, JOACHIM WALTER, PROF. DR., 40221 DUESSELDORF, DE LUETH, HANS, PROF. DR., 52076 AACHEN, DE

8364 No opposition during term of opposition
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110802