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Anwendungsgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen von Stoffkonzentrationen
in wässrigen Lösungen auf Basis eines Hydrogelsensors.
Bevorzugte Anwendung findet die Erfindung bei der Kontrolle von
Prozesslösungen der wässrigen Reinigung oder der
Beschichtung von Oberflächen. Solche Prozesslösungen
bestehen beispielsweise aus in Wasser gelösten Metallen
und deren Salzen, Säuren und Basen sowie organischen Zusatzstoffen
wie Alkohole und Amine sowie Tenside. Weitere Anwendungen sind Stoff-
und Rezepturentwicklungen, chemische Experimente oder Qualitätskontrollen
in Laboren.
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Stand
der Technik
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Als übliches
Verfahren zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen in Lösungen
ist beispielsweise die Titration in Laboren zur Qualitätskontrolle
etabliert. Zur Durchführung dieses Experimentierverfahrens
werden Titrierlösungen als Verbrauchsmaterial verwandt
(
DE 100 49 300 C1 ,
DE 10 2006 009 816 A1 ).
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Ein
anderes Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Komponentenlösungen
beruht auf der Messung der Kapazität oder Impedanz einer durch
Umkehrosmose im festen Verhältnis veränderten
Probe (
DE 10 2007
045 203 A1 ).
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In
der
DE 199 11 447
C2 wird ein weiterer Verfahrensweg zum analytischen Ermitteln
der Konzentration von Zusatzstoffen in galvanischen Metallabscheidebädern
beschrieben. Zur Ermittlung der Menge des auf einer Arbeitselektrode
abgeschiedenen Metalls wird ein mit einer geeigneten Schwingungserregerschaltung
gekoppelter Schwingquarz mit einer Elektrodenfläche als
Arbeitselektrode verwendet, wobei die Frequenzänderung
beim Abscheiden und/oder beim Auflösen des Metalls gemessen wird.
Mit einem solchen Verfahren lassen sich zwar Abscheidungsprozesse
kontrollieren, aber keine Konzentrationen gelöster Stoffe
oder Innenkonzentrationen in Flüssigkeiten unmittelbar
messen und ausgeben.
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In
der
DE 19828093 C2 wird
eine Einrichtung zum Bestimmen von Bestandteilen einer ein- oder mehrkomponentigen
Lösung angegeben, die das Quellverhalten mindestens eines
auf die Bestimmungsgröße sensiblen oder sensibilisierten
Polymernetzwerks auswertet und ausgibt. Auch in
DE 101 29 985 C2 ,
DE 101 29 986 C2 ,
DE 101 29 987 C2 ,
DE 10 2006 027 051
B4 und
DE
10 2006 037 420 B4 wird das Quellverhalten von Hydrogel-Volumenkörpern zur
Deformation von mechano-elektrischen Wandlern benutzt. Eine messtechnische
Verarbeitung der Hydrogelsensorsignale wird nicht angegeben.
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In
wässrigen Lösungen quellfähige polymere Netzwerke,
auch und im Weiteren Hydrogele genannt, besitzen die Eigenschaft,
ohne weitere Chemikalien ihre mechanischen Eigenschaften signifikant
zu verändern, wenn sich die Zusammensetzung ihres Quellmittels
schon in geringem Maße ändert.
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Die
DE 19848878 A1 beschreibt
ein Verfahren, wonach die Auswertung der physikalischen Eigenschaften
eines Hydrogels, wie Masseänderung und/oder Änderung
der Festigkeit, Steifigkeit, des Elastizitäts- oder Schubmoduls,
durch einen mechanischen Schwinger erfolgt und ein elektrisches Signal generiert
wird, welches mit einer oder mehreren physikalischen Größen
der Probeflüssigkeit korreliert. Hierzu ist beispielsweise
ein auf seiner Resonanzfrequenz über Elektroden elektrisch
angeregter Quarzresonator mit einer dünnen sensitiven Hydrogelschicht
als eigentliches messgrößenempfindliches Element
beschichtet. Vollführt diese Schicht infolge der Einwirkung
der als Messgröße fungierenden physikalischen
Größe einer ein- oder mehrkomponentigen Flüssigkeit
eine Eigenschaftsänderung, bewirkt sie eine Frequenzänderung
der Schwinganordnung, die elektronisch erfasst und verarbeitet werden
kann. Die messtechnische Verarbeitung der Sensorsignale ist ebenfalls
nicht angegeben.
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DE 101 25 124 A1 offenbart
ein integriertes miniaturisiertes chemisches Labor mit hydrogelbeschichteten
piezoelektrischen Schwingquarzen für den Nachweis gasförmiger
oder flüssiger Reaktionsprodukte. Die messtechnische Verarbeitung
der Sensorsignale ist auch hier nicht angegeben.
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Aus
DE 10 2004 041 595
A1 ist eine Messzelle mit einem Schwingquarz bekannt, auf
dem ein Ligant immobilisiert ist, der einen Analyten eines Prüfmediums
spezifisch binden kann. Ein Hydrogel wird nicht verwendet.
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Technisches Problem
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Die
Messung, Überwachung und Beeinflussung der Stoffkonzentration
von Lösungen setzt die Kenntnis einer physikalischen Führungsgröße
wie der Konzentration voraus. Die bekannten Hydrogel-Sensoren sind
zwar geeignet, ein elektrisches Signal zur Verfügung zu
stellen, dies allein ist allerdings nicht hinreichend für
eine prozessnahe Messung und direkte Ausgabe einer Ionen- oder Stoffkonzentration.
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Auch
sind aus dem Stand der Technik keine kompakten, alle neben einem
oder mehreren Hydrogelsensoren notwendigen Komponenten enthaltende,
einfach zu bedienende Messeinrichtungen zum direkten Messen und
Ausgeben der Konzentration, insbesondere zur online/inline-Messung
als z. B. Anlagenkomponente bekannt.
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Aufgabe der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die technische Aufgabe zu Grunde, Sensoren auf der
Basis hydrogelbeschichteter piezoelektrischer Schwingquarze technisch
weiterzuentwickeln und so in einer Messeinrichtung zu integrieren
und ihre elektrischen Signale rechentechnisch auszuwerten, dass
eine kompakte, autark arbeitende, einfach zu handhabende Messeinrichtung
entsteht, die für das direkte Messen der Stoffkonzentrationen
von wässrigen Lösungen mobil oder als feste Komponente
einer industriellen prozesslösungstechnischen Anlage eingesetzt
werden kann. Dabei soll die Messeinrichtung besonders zuverlässig
und wartungsarm sein sowie dazu geeignet, auch unterschiedliche
wässrige Lösungen auszumessen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Ausprägungen geben die begleitenden Unteransprüche
an.
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Erfindungsgemäß wird
danach eine baulich kompakte, autarke Messeinrichtung geschaffen,
welche Signale eines oder mehrerer an sich bekannter Hydrogelsensoren
mittels zuvor erstellter applikationsspezifischer Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
so verknüpft, dass die Stoffkonzentrationen wässriger
Lösungen durch das Gerät direkt als Wert ausgegeben
werden. Dazu enthalten die Sensorköpfe jeweils einen elektronischen
Speicher, der den Zusammenhang zwischen dem Hydrogelsensorsignal
und einer Probenkonzentration als Kennlinie oder Tabelle enthält.
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Mit
der erfindungsgemäßen Messeinrichtung lässt
sich die Konzentration von in Wasser gelösten Prozesschemikalien
direkt messen, d. h. als Konzentrationswert ausgeben. Die Messeinrichtung
enthält in ihrem Gehäuse eine Elektronik zur Ansteuerung mindestens
eines Hydrogelsensors, zum Programmablauf, wie Kalibrierung, Messung
und Reinigung, zur Auswertung der Hydrogelsensorsignale, zur Speicherung
und zur Ausgabe der Messwerte nebst der erforderlichen Stromversorgung.
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Für
eine Kommunikation mit einem übergeordneten Leitsystem
oder mit einem PC sind eine oder mehrere Schnittstellen vorhanden,
die eine Steuerung der Messeinrichtung und das Übertragen von
Messwerten ermöglichen. Beispiele hierfür sind USB,
RS232, RS484, Ethernet, Profibus usw.. Auch die direkte Ansteuerung
von Lösungsbehandlungseinrichtungen, Temperiereinrichtungen
oder Lichtsignalanzeigen ist möglich.
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Um
aus den Hydrogelsensorsignalen Konzentrationsmesswerte zu berechnen,
nutzt die Messeinrichtung einen in die Sensorköpfe integrierten Speicher,
der die applikationsspezifischen Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
enthält. Dabei ist der Speicherinhalt variabel, d. h. die
Kennlinien sind jederzeit modifizierbar.
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Die
Messeinrichtung ist mit mindestens einem Sensorkopf versehen, der
jeweils mindestens einen Hydrogelsensor enthält. Der Sensorkopf
kann fest an der Messeinrichtung in stalliert, lösbar in
Form beispielsweise einer Steck- oder Schraubverbindung sowie optional
jeweils mit einer Zuleitung ausgeführt sein. Die lösbare
Ausführung erlaubt einen einfachen Austausch des Sensorkopfes.
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Jeder
dieser Hydrogelsensoren ist mit einem hydrogelbeschichteten Schwingquarz
ausgestattet und besteht im Weiteren aus einem Halter, Abdichtungen,
elektrischer Kontaktierung des Schwingquarzes und einer Leiterplatte.
Die Leiterplatte trägt Bauelemente zur elektrischen Anpassung
des Schwingquarzes an den Oszillator, einen Speicher für
die applikationsspezifischen Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
sowie einen Temperaturfühler. Vorteilhaft ist ein Halter
für einen Schwingquarz, der eine lösbare elektrische
Verbindung z. B. durch Anpressen eines Kontaktelementes realisiert.
Der Halter ist einfach zu öffnen, z. B. durch eine Schraub-
oder Snap-Verbindung.
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Der
Halter ist so ausgeführt, dass der Schwingquarz sehr nah
an der Oberfläche des Halters liegt, um Bereiche zu minimieren,
die nicht optimal von der Prozesslösung erreicht werden.
Dazu ist die Abdichtung zwischen dem hydrogelbeschichteten Schwingquarz
und dem Halter von minimaler Dicke und die umfassende Wandstärke
des Halters im Bereich der Öffnung minimal. Vorzugsweise
wird der Schwingquarz in der Prozesslösung vertikal ausgerichtet
benutzt, um das Ablagern von Gasblasen oder Sinkstoffen zu reduzieren.
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Die
Messeinrichtung hat typischerweise ein industriegeeignetes Design,
gekennzeichnet durch ein robustes Gehäuse und einen hohen
IP-Schutzgrad sowie entsprechende optionale Befestigungselemente
wie Laschen oder (Gewinde-)Bohrungen.
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Für
die flexible Nutzung der Messeinrichtung ist ein Design in Form
eines Handmessgerätes mit Bedienungselementen und einem
Display als Nutzerschnittstellen vorteilhaft.
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Weiterhin
kann der Halter durch eine Abdeckung erweitert werden, die mindestens
einen Anschluss für den Zufluss und optional einen Anschluss für
den Abfluss von Prozesslösung besitzt. Selbstverständlich
kann der Halter selbst auch geschlossen ausgeführt sein
und mindestens einen Anschluss für den Zufluss und optional
einen Anschluss für den Abfluss von Prozesslösung
besitzen.
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Durch
den auf der Leiterplatte intergrierten Speicher ist der Sensorkopf
einfach wechselbar. Durch weitere hierin gespeicherte Parameter
ist auch eine automatische Erkennung des Hydrogelsensortyps oder
der Hydrogelsensornummer durch das Messgerät möglich,
womit eine spezifische Verarbeitung der Hydrogelsensorsignale durch
die Messeinrichtung erfolgen kann. Die Kennung kann auch mechanisch,
elektrisch oder elektronisch realisiert werden.
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Die
Schwingquarze sind mit einem Hydrogel beschichtet, welches vorzugsweise
als sehr dünne Schicht im Bereich einer Trockenschichtdicke
von ca. 100 nm...200 nm ausgeführt ist. Dadurch werden eine
hohe Güte des Schwingsys tems, eine hohe Empfindlichkeit
der Hydrogelsensoren sowie kurze Ansprechzeiten realisiert. Langwieriges
Spülen oder andere Maßnahmen zum Einstellen eines
Gleichgewichts im Hydrogel können damit entfallen.
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Mit
der Messeinrichtung sind optional ein oder mehrere Sensoren für
weitere Messgrößen, wie z. B. ein Temperaturfühler,
verbunden. Auch diese können fest am Gerät installiert,
lösbar in Form einer Steck- oder Schraubverbindung sowie
optional jeweils mit einer Zuleitung ausgeführt sein. Die
lösbare Ausführung erlaubt einen einfachen Austausch
des jeweiligen Sensors.
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Sensoren
für weitere Messgrößen können auch
jeweils in die Sensorköpfe integriert sein. So kann ein
Temperaturfühler aus dem Gehäuse des Sensorkopfes
herausragen oder im Inneren des Sensorkopfes an einer dünnen
Gehäuseinnenwand montiert sein.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen
zeigen:
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1 ein
Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
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2 ein
Handmessgerät,
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3 einen
Sensorkopf,
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4 Varianten
eines Sensorkopfes,
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5 einen
hydrogelbeschichteten Schwingquarz,
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6 ein
Blockschaltbild zur Elektronik und
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7 eine
Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinie für ein Hydrogel
PVA/PAS und eine Prozesslösung NaCl.
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Der
in 1 gezeigte prinzipielle Aufbau einer Messeinrichtung
zeigt ein Gehäuse 1, an welchem ein Sensorkopf 2 fest
oder lösbar angeschlossen ist. Weiterhin ist ein stabförmiger
Temperaturfühler 3 an das Gehäuse 1 angeschlossen.
Der Anschluss sonstiger Messgrößenaufnehmer ist
optional. Innerhalb des Gehäuses 1 ist eine Verarbeitungs-
und Speicherelektronik 4 für eine programmgesteuerte
Messsignalverarbeitung sowie eine Oszillatorschaltung 5 und
ein Display 6 für eine direkte Messwertausgabe
der zu messenden und ggf. zu pflegenden Konzentration einer Lösung
in zum Beispiel Prozent (Vol- oder Masse-%) untergebracht. In einem
Programmspeicher der Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 sind
Verarbeitungsalgorithmen implementiert. Ferner können in
einem Datenspeicher der Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 die Messdaten
sowie die Messung oder die Messeinrichtung betreffende Parameter
gespeichert werden. Mit den Messdaten des Temperaturfühlers 3 kann
die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 die Messdaten
der Hydrogelsensoren auf eine Bezugstemperatur kompensieren, bevor
sie über eine Kommunikationsschnittstelle wie das Display 6 oder
die Schnittstelle 8 ausgegeben oder im Datenspeicher der
Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 gespeichert werden.
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Die
Messeinrichtung wird ferner von einer Stromversorgung 7 gespeist.
Die Stromversorgung 7 kann an eine externe Stromzufuhr
angeschlossen sein oder aus einem integrierten Energiespeicher gespeist
werden, welcher eine Batterie oder ein wiederaufladbarer Akkumulator
sein kann. Die Messeinrichtung enthält weiterhin eine Schnittstelle 8 zu
einem PC oder einer SPS und hier nicht näher spezifizierte Bedienungselemente 12.
Die Schnittstelle 8 kann als USB, RS232, RS484, Ethernet,
Profibus usw. ausgeführt sein.
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Der
Sensorkopf 2 besitzt eine feste oder lösbare mechanische
und elektrische Verbindung 9 zum Gehäuse 1 der
Messeinrichtung. Im Sensorkopf 2 sind ein oder mehrere
(4) wechselbare Hydrogelsensoren 10 untergebracht.
Die Schraub-, Steck-, Schnapp- oder Bajonettverbindung 9 zwischen
dem Gehäuse 1 der Messeinrichtung und dem Sensorkopf 2 ist
entweder direkt und damit starr oder flexibel mittels einer entsprechenden
Zuleitung 11 (4) zum Gehäuse 1.
Rein schematisch ist in 1 dargestellt, dass mit dem
Gehäuse 1 in einer Variante der Messeinrichtung
mehrere Sensorköpfe 2 verbunden werden oder sein
können, insbesondere Sensorköpfe 2 mit
jeweils einem für die Messung einer vorbestimmten Lösungskomponente
in einer Lösung ertüchtigten Hydrogelsensor 10 oder
mit mehreren Hydrogelsensoren 10 in einem Sensorkopf 2 (4)
für die Messung mehrerer Lösungskomponenten. Dabei verarbeitet
die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 mit einem prozesslösungsspezifischen
Modell die Messdaten verschiedener Hydrogelsensoren 10 derart
kombiniert, dass auch in Mehrkomponentenlösungen oder Rezepturen
die Konzentration der einzelnen Lösungsbestandteile eindeutig
ermittelt werden kann. Die dazu erforderlichen prozesslösungsspezifischen
Modelle können in einem Speicher der Verarbeitungs- und
Speicherelektronik 4 oder im Speicher der Leiterplatte 21 (3)
der Hydrogelsensoren 10 hinterlegt werden.
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Die
Verbindungen 9 zwischen dem Gehäuse 1 und
lösbaren Sensorköpfen 2 sind so hergerichtet, dass
mechanisch, elektrisch oder elektronisch automatisch von der Messeinrichtung
erkannt wird, was für ein Sensorkopf 2 und damit
Hydrogelsensortyp an das Gehäuse 1 angeschlossen
ist. Entsprechend verarbeitet die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 innerhalb
des Gehäuses 2 die vom Hydrogelsensor 10 eingehenden
Messsignale. Die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 ist
auch in der Lage, Betriebsparameter der Hydrogelsensoren zu überwachen
und bei Abweichungen von vorgegebenen Sollparametern eine Information über
das Display 6 oder die Schnittstelle 8 auszugeben.
Die Messeinrichtung arbeitet dadurch besonders zuverlässig.
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Die
Messeinrichtung kann beispielsweise im Online- oder Offline-Betrieb
ein industrielles Prozessbad überwachen, wobei die Badlösung über
einen Bypass zugeführt wird oder sich einfach in einem
Gefäß 13 befindet.
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Alternativ
kann ein Sensorkopf 2 gegen eine Öffnung einer
Wandung eines Prozessbehälters gerichtet montiert sein
oder in einem Prozessmedium eingetaucht sein.
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2 zeigt
eine Ausführung der Messeinrichtung als Handmessgerät,
z. B. für einen Laboreinsatz. Funktionsgleiche Bauteile
sind mit zu 1 identischen Bezugszeichen
versehen. Das Gehäuse 1 der Messeinrichtung ist
so kompakt, dass sie mit einer Hand zu halten und zu bedienen ist.
Alternativ kann eine Stativhalterung verwendet werden. Zur Bedienung
sind Bedienelemente 12 vorgesehen, im Beispiel Drucktasten.
Mit ihnen wird die Messeinrichtung EIN und AUS geschaltet, es lassen
sich Einstellungen für Mess-, Kalibrier- und Reinigungsmodi
vornehmen und der Datenspeicher der internen Verarbeitungs- und
Speicherelektronik 4 (6) verwalten sowie
allgemeine Geräteeinstellungen wie die des Displaykontrastes
u. ä. vornehmen.
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Zwecks
Messung einer in dem Gefäß 13 befindlichen
Prozesslösung werden der Sensorkopf 2 mit dem
integrierten, hier nicht näher dargestellten Temperaturfühler 3 bei
einge schalteter Messeinrichtung für einige Sekunden in
die Prozesslösung getaucht. Die Messvorrichtung „weiß"
aufgrund der Kennung des angeschlossenen Hydrogelsensortyps, was
gemessen werden soll und gibt die Konzentration auf dem Display 6 direkt
als Wert aus. Im Anschluss wird der Sensorkopf 2 in ein
Wasserbad getaucht und kurz gespült, worauf er sofort wieder
verwendet werden kann. Dazu kann ein Reinigungsmodus z. B. vorgeben,
den Sensorkopf 2 in eine Spülflüssigkeit
zu tauchen, eine bestimmte Zeit abzuwarten oder eine Drift zu ermitteln
und anschließend das Reinigungsergebnis ausgeben. Der Sensorkopf 2 kann
aber auch ungespült andere Konzentrationen derselben Lösung
messen.
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Obwohl
der hydrogelbeschichtete Schwingquarz 14 eine hohe Lebensdauer
besitzt, lässt er sich bei Bedarf leicht gegen einen neuen
Schwingquarz 14 auswechseln. Dies kann auch dann erfolgen, wenn
die Konzentration einer Lösung mit anderen Bestandteilen
gemessen werden soll und nur ein Sensorkopf 2 zur Verfügung
steht.
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In 3 ist
ein einzelner Sensorkopf 2 schematisch und beispielhaft
dargestellt. Kernstück des Hydrogelsensors 10 im
Sensorkopf 2 ist der dünne kreisrunde Schwingquarz 14,
der von der Oszillatorschaltung 5 (1) angeregt
und ausgewertet wird. Auf jeder Oberflächenseite des Schwingquarzes 14 ist
eine Goldelektrode 15, 16 (5) aufgedampft. Eine
der Elektroden 15 nimmt eine Oberfläche des Schwingquarzes 14 ein
und ist mit einer extrem dünnen Hydrogelschicht 17 (5)
von 100 nm...200 nm Trockenschichtdicke belegt. Von Vorteil für
die Temperaturstabilität des Schwingquarzes 14 ist
es, wenn der Schwingquarz ein AT- geschnittener Quarz ist. Auf der
Hydrogelseite spannt ein einfacher O-Ring 18 und auf der
anderen Seite ein seg mentierter Leitgummiring 19 den hydrogelbeschichteten
Schwingquarz 14. Über den Leitgummiring 19 kontaktieren
die Elektroden 15, 16 (5) die Leiterbahnen
einer Leiterplatte 21. Auf der Leiterplatte 21 ist
eine Schaltung realisiert, die dazu dient, eine elektrische Anpassung des
Schwingquarzes 14 an die Oszillatorschaltung 5 vorzunehmen.
Beispielsweise kann dies eine elektrische Induktivität
sein. Weiterhin sind auf der Leiterplatte 21 der Temperaturfühler 3 sowie
ein nicht näher bezeichneter Speicher angeordnet, der die Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
und allgemeine Sensordaten wie Sensornummer, Einsatzdauer o. ä.
enthält. Von der Leiterplatte 21 führt
eine flexible elektrische Zuleitung 11 zur Verbindung 9,
mit der der Sensorkopf 2 an das Gehäuse 1 anschließt.
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Vorteilhaft
ist der hydrogelbeschichtete Schwingquarz 14 senkrecht
orientiert, wodurch eventuell anhaftende Luftbläschen und
mögliche Schwebeteilchen sich nicht anlagern, sondern durch
Auftrieb ablösen.
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Aufgrund
der geringen Dicke der Hydrogelschicht 17 spricht der Hydrogelsensor 10 rasch
an.
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Jeder
Hydrogelsensor 10 wird auslieferseitig für die
Messung einer ganz bestimmten in Wasser gelösten Substanz
eingestellt. Dazu wird ein bestimmtes Hydrogel, welches auf einen
bestimmten Lösungsbestandteil sensibel ist oder sensibilisiert wurde,
auf den Schwingquarz 14 aufgebracht. So ist z. B. das bekannte
Hydrogel Polyvenylalkohol/Polyacrylsäure (PVA/PAS) auf
Salzkonzentrationen sensibel.
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4 zeigt
schematisch zwei verschiedene Ausprägungen von Sensorköpfen 2,
die direkt zum einen über eine Verbindung 9 und
zum anderen über die Zuleitung 11 und eine Verbindung 9 an
das Gehäuse 1 der Messeinrichtung angeschlossen
werden können. Jeder dieser Sensorköpfe 2 kann
einen oder mehrere Hydrogelsensoren 10 tragen.
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5 zeigt
den beschichteten Schwingquarz 14 detailliert. Um die Kontaktierung
des Schwingquarzes 14 von nur einer Seite aus vornehmen
zu können, ist die Elektrode 15 bis auf die Gegenseite
herumgeführt, die mit der Elektrode 16 versehen
ist. Die Elektrode 15 trägt die Hydrogelschicht 17.
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6 zeigt
ein Blockschaltbild der Messeinrichtung, die aus den Teilen Gehäuse 1 und
Sensorkopf 2 besteht.
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Die
Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 sorgt für
eine programmgesteuerte Messsignalverarbeitung, für die
Steuerung und Auswertung der Oszillatorschaltung 5, für
die direkte Ausgabe von Messwerten der zu messenden und ggf. zu
pflegenden Konzentration einer Lösung in zum Beispiel Prozent (Volumen-
oder Masse-%) und sonstiger Ausgaben über das Display 6.
Im Programmspeicher der Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 sind
dazu die erforderlichen Ablauf- und Verarbeitungsalgorithmen implementiert.
Die Messeinrichtung wird ferner von der Stromversorgung 7 gespeist
und kommuniziert über die Schnittstelle 8 zu einem
PC oder einer SPS und wird über die hier nicht näher
spezifizierte Bedienungselemente 12 bedient. Die Schnittstelle 8 kann als
USB, RS232, RS484, Ethernet, Profibus usw. ausgeführt sein.
Bestandteil der Oszillatorschaltung 5 ist der beschichtete
Schwingquarz 14. Für eine elektrische Anpassung
des Schwingquarzes 14 befinden sich auf der zwischen Oszillator 5 und Schwingquarz 14 wirkenden
Leiterplatte 21 Bauelemente wie beispielsweise eine elektrische
Induktivität.
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Weiterhin
sind auf der Leiterplatte 21 ein Temperaturfühler 3 sowie
der nicht näher bezeichnete Speicher angeordnet, aus dem
die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 die Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
und allgemeine Sensordaten wie Sensornummer, Einsatzdauer o. ä.
ausliest und ggf. ändert.
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Schließlich
ist beispielhaft in 7 eine typische Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinie
für das Hydrogel PVA/PAS und eine Prozesslösung NaCl
dargestellt. Mit zunehmender Salzkonzentration c quillt die Hydrogelschicht 17 (5)
weniger und steigt die Schwingfrequenz f des Schwingquarzes 14 (5).
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Die
Kalibrierung der Sensoren erfolgt beispielsweise durch Ermitteln
von Stützstellen der Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien.
Dies kann auch der Programmablauf der Messeinrichtung bewerkstelligen.
Z. B. kann die Messeinrichtung einen Algorithmus vorgeben, nach
dem eine erforderliche Anzahl von Referenzproben angefordert wird,
in die der Sensorkopf 2 zu tauchen ist. Mit diesen Stützstellen
kann eine Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinie ermittelt werden
und im Speicher der Leiterplatte 21 der Sensorköpfe 2 abgelegt
werden.
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Für
die Messeinrichtung werden für alle relevanten – anwenderseitig
gewünschten – Messaufgaben nicht nur die betreffenden
Hydrogelsensoren 10 bereitgestellt, sondern es sind in
der Hydrogelsensorelektronik die betreffenden Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien
hinterlegt oder lassen sich nachträglich implementieren.
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Zum
Messen einer Konzentration einer wässrigen Lösung
verknüpft die Verarbeitungs- und Speicherelektronik 4 (6)
mittels eines Frequenzmessers (frequency counter) die Signale aus
dem Hydrogelsensor 10 (3) mit den
Schwingfrequenz-Konzentrations-Kennlinien aus dem Speicher der Leiterplatte 21 zur
Ausgabe der Konzentrationswerte in zum Beispiel Prozent auf dem
Display 6 (6).
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Sensorkopf
- 3
- Temperaturfühler
- 4
- Verarbeitungs-
und Speicherelektronik
- 5
- Oszillatorschaltung
- 6
- Display
- 7
- Stromversorgung
- 8
- Schnittstelle
zu einem PC oder einer SPS
- 9
- Verbindung
- 10
- Hydrogelsensor
- 11
- Zuleitung
- 12
- Bedienelemente
- 13
- Gefäß mit
Prozesslösung
- 14
- Schwingquarz
- 15
- Elektrode
- 16
- Elektrode
- 17
- Hydrogelschicht
- 18
- O-Ring
- 19
- Leitgummiring
- 20
- Halter
- 21
- Leiterplatte
- 22
- Befestigungselement
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10049300
C1 [0003]
- - DE 102006009816 A1 [0003]
- - DE 102007045203 A1 [0004]
- - DE 19911447 C2 [0005]
- - DE 19828093 C2 [0006]
- - DE 10129985 C2 [0006]
- - DE 10129986 C2 [0006]
- - DE 10129987 C2 [0006]
- - DE 102006027051 B4 [0006]
- - DE 102006037420 B4 [0006]
- - DE 19848878 A1 [0008]
- - DE 10125124 A1 [0009]
- - DE 102004041595 A1 [0010]