DE2336985A1 - Oxygen in liquid determination by semiconductor - this being separated from liquid by membrane only permeable to gas - Google Patents
Oxygen in liquid determination by semiconductor - this being separated from liquid by membrane only permeable to gasInfo
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Abstract
Description
BROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFTBROWN, BOVERI & CIE · AKTIENGESELLSCHAFT
MANNHEIM BROVM BOVERlMANNHEIM BROVM BOVERl
Mp.-Nr. 585/73 Mannheim, den 5. Juli 1973 I Mp.no. 585/73 Mannheim, July 5, 1973 I.
PAT-Ka/BtPAT-Ka / Bt
Meßaufnehmer zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüs s igkeiten. Sensor for measuring the partial pressure of oxygen in liquids.
Die Erfindung betrifft einen Meßaufnehmer zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten mit einem Halbleiterelement, dessen Leitfähigkeit sich durch den Partialdruck der umgebenden Gase ändert und über eine Meßeinrichtung den Meßwert liefert.The invention relates to a measuring transducer for measuring the oxygen partial pressure in liquids with a Semiconductor element whose conductivity changes due to the partial pressure of the surrounding gases and via a measuring device delivers the measured value.
Für derartige.Meßauf nehmer gibt es in der Meßtechnik einen breiten Anwendungsbereich. Eine besondere Bedeutung kommt diesen Meßaufnehmern in der Wassermeßtechnik zu. In allen Phasen der iFor such.Meßauf taker there is one in measurement technology wide scope. These sensors are of particular importance in water measurement technology. In all phases of the i
Abwasserreinigung hängt nämlich das biochemische Geschehen mit ; dem Vorhandensein gelöster 02-Anteile im Abwasser zusammen. Sei es im Vorfluter, wo vorwiegend natürliche aerobe Einwirkungen die Abwasserbelastung abbauen, sei es in der Kläranlage, wo analoge Vorgänge im Belüftungsbecken ablaufen, - man muß über den Sauerstoffgehalt Kenntnis haben, sofern man Abwasser und Vorfluter überwachen oder beeinflussen will.Wastewater treatment depends on the biochemical process; the presence of dissolved O 2 components in the wastewater. Be it in the receiving water, where predominantly natural aerobic effects reduce the wastewater pollution, be it in the sewage treatment plant, where similar processes take place in the aeration basin - you have to know about the oxygen content if you want to monitor or influence wastewater and receiving water.
Die Forderungen der Abwasserpraxis sind von der Aufgabenstellung her gegeben: O2-Meßgeräte und Anordnungen sollen sich für die rauhe Betriebspraxis eignen, sie müssen übersichtlich und einfach zu handhaben sein, ohne besondere Vorkenntnisse des Bedienungspersonals vorauszusetzen, sie müssen den Verhältnissen der Abwassertechnik angepaßt sein und vor allem jenes Maß an Zuverlässigkeit und Genauigkeit mitbringen, das schlechterdings für Überwachungsaufgaben notwendig ist.The requirements of wastewater practice are given by the task: O 2 measuring devices and arrangements should be suitable for rough operational practice, they must be clear and easy to use, without the need for special prior knowledge of the operating personnel, they must be adapted to the conditions of wastewater technology and Above all, bring the level of reliability and accuracy that is absolutely necessary for monitoring tasks.
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P il * ' '2 ''■ .(K)-1KE)P il * '' 2 '' ■ . (K) - 1 KE)
585/73585/73
Um diese Aufgabe zu erfüllen, sind seit längerer Zeit besonders zwei Meßverfahren mit entsprechenden Meßaufnehmern in Gebrauch. Es handelt sich dabei einmal um die elektro-chemische (galvanische) Methode, wie sie z.B. durch das US-Patent 3 218 24-2 bekannt würde, und zum anderen um die membranpolarographische Methode gemäß der US-Patentschrift 2 913 386.In order to accomplish this task, two measuring methods with appropriate measuring sensors have been in use for a long time. One of these is the electrochemical (galvanic) method, as known, for example, from US Pat. No. 3,21824-2 and the membrane polarographic method according to US Pat. No. 2,913,386.
Beide Methoden beinhalten aber eine Schwäche, wodurch sie den j oben gestellten Anforderungen nicht ganz gerecht werden können.However, both methods have a weakness, which means that they cannot fully meet the requirements set out above.
Nachteilig an den Methoden ist der Verbrauch des Elektrolyten. Der Elektrolyt muß von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden, was zwangsläufig eine Unterbrechung der Messungen bewirkt und geschulte Fachkräfte zur Wartung erforderlich macht.The disadvantage of the methods is the consumption of the electrolyte. The electrolyte needs to be replaced from time to time, what inevitably causes an interruption of the measurements and requires trained specialists for maintenance.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Meßaufnehmer zu schaffen, der den vorab erwähnten Nachteil beseitigt und somit eine hohe Lebensdauer bei geringer Wartung mit ungeschultem Personal und 1 ohne Elektrolytverbrauch erreicht.The object of the invention is to provide a transducer which eliminates the aforementioned disadvantage and thus 1 reaches a high service life and low maintenance with untrained personnel and without electrolyte consumption.
Zur Erreichung dieses Zieles macht sich die Erfindung die Erkenntnisse der sogenannten Chemisorption zu Nutze. Besonders bei randschichtleitenden Systemen (Halbleiter mit Randschichtbildung) treten besondere Sauerstoffdruckabhängigkeiten der leitfähigkeit auf. Der Absolutwert der Gesamtleitfähigkeit, der sich aus den Leitfähigkeiten der Randschicht und der Innenphase im Verhältnis der auf Randschicht und Innenphase entfallenden Anteile des Stromweges zusammensetzt, wird sowohl im Falle eines Elektronenüberschußleiters als auch eines Elektronen-To achieve this goal, the invention makes the knowledge the so-called chemisorption to use. Especially with systems that conduct the surface layer (semiconductors with surface layer formation) special oxygen pressure dependencies of the conductivity occur. The absolute value of the total conductivity, the from the conductivities of the surface layer and the inner phase in relation to that of the surface layer and inner phase Composed of parts of the current path, both in the case of an excess electron conductor and an electron
defektleiters mit schlechtleitender Verarmungsrandschicht praktisch allein durch die Leitfähigkeit der Randschicht ge-defective conductor with poorly conducting impoverishment edge layer practically solely due to the conductivity of the surface layer
-3- I-3- I.
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PaI 4 F IfIi-? 11S"f-KE·PaI 4 F IfIi - ? 11S "f-KE ·
5.85/73.5.85 / 73.
geben. Im Falle der Ausbildung von gut leitenden Anreicherungs-Randschichten können allerdings auch umgekehrte Verhältnisse auftreten. Im ersteren Falle wird dann die Sauerstoffdruckabhängigkeit der Gesamtleitfähigkeit allein durch die Säuerstoff- ; druckabhängigkeit der Randschichtleitfähigkeit bedingt sein, j da die Innenphase erstens erheblich besser leitend ist und zum I anderen ja der Einfluß des Sauerstoffes auf die leitfähigkeit ' der Randschicht beschränkt bleibt. Die Gesamtleitfähigkeit \f _-give. In the case of the formation of highly conductive enrichment edge layers however, the opposite can also occur. In the former case, it becomes the oxygen pressure dependency the total conductivity due to the oxygen ; pressure dependency of the surface layer conductivity, j because the inner phase is firstly much better conductive and for Other than that, the influence of oxygen on the conductivity of the surface layer remains limited. The total conductivity \ f _-
I . · ei.I. · Egg.
j eines polykristallinen Oxides, wie es für einen Meßaufnehmer ! der erfindungsgemäßen Art verwendet wird, sieht nach Engell und Hauffe wie folgt aus:j of a polycrystalline oxide, as it is for a measuring transducer ! of the type according to the invention is used, looks according to Engell and Hauffe as follows:
! . 1 a - 2.1 /1._. . 2_1 c . 1! . 1 a - 2.1 /1._. . 2_1 c . 1
wobei 1 die länge der Kristallpastille, a die mittlere Kantenlänge eines Kristallite, c eine Materialkonstante,^5 ' die ; Leitfähigkeit der Innenphase der Pastille und pQ den die Pastille umgebenden Sauerstoffpartialdruck darstellen. In c sind alle konstanten Glieder zusammengefaßt. Eine Auftragung von « where 1 is the length of the crystal lozenge, a is the mean edge length of a crystallite, c is a material constant, ^ 5 'the; The conductivity of the inner phase of the lozenge and p Q represent the partial pressure of oxygen surrounding the lozenge. In c all constant terms are combined. An application of «
i Λ lip i Λ lip Λ' p-p-pΛ 'p-p-p
; gegen Pq --' bzw. pQ sollte von Fall zu Fall also eine I Gerade ergeben.; against Pq - 'or p Q should result in an I straight line from case to case.
1 In Fig. 1 ist zur Yeranschaulichung der Verlauf der Sauerstoffdruckabhängigkeit der leitfähigkeit von ZnO bei 25°C dargestellt.1 In FIG. 1, the course of the oxygen pressure dependency is shown for illustration the conductivity of ZnO at 25 ° C.
I Diese physikalischen Grundlagen führten zu der erfindungsgemäßen , Ausbildung eines Meßaufnehmers, der dadurch gekennzeichnet ist,I These physical principles led to the invention , Formation of a measuring transducer, which is characterized by
daß das Halbleiterelement mit einer nur Gase durchlassenden , Schicht versehen ist. Die Schicht besteht aus einem Kunststoff, j wie z.B. Polytetrafluoräthylen, Polyäthylen, u.s.w. jthat the semiconductor element is provided with a layer which only allows gases to pass through. The layer consists of a plastic, j such as polytetrafluoroethylene, polyethylene, etc. j
I ■ ιI ■ ι
Bisher konnte nämlich der oben theoretisch aufgezeigte Effekt : nicht zur Sauerstoffpartialdruckmessung verwendet werden, da j die leitfähigkeitsmessung z.B. in korrosiven, feuchten Gasen j und in Wasser oder in durch Säuren und Basen verunreinigtem Wasser vollkommen gestört wird. Das Sorbens (der Halbleiter) wird von diesen Stoffen zerstört. Erst die schützende SchichtSo far, the effect theoretically shown above has been possible : cannot be used to measure oxygen partial pressure, as j conductivity measurement e.g. in corrosive, humid gases j and is completely disturbed in water or in water polluted by acids and bases. The sorbent (the semiconductor) is destroyed by these substances. First the protective layer
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385/73 .._.385/73 .._.
- 4 - ί- 4 - ί
über das Halbleiterelement macht eine sauerstoffabhängige Leitfähigkeitsmessung im Wasser möglich. Dabei kann das Halbleiterelement nur von dieser Schicht überzogen oder direkt mit dieser Schicht beschichtet sein. ]Conducts an oxygen-dependent conductivity measurement via the semiconductor element possible in the water. The semiconductor element can only be covered by this layer or directly with it Layer be coated. ]
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Beschleunigung der Messung, wie zur Desorption eine Energiezufuhr in Form
einer Heizung, Bestrahlung oder Belichtung vorgesehen. Hierzu hat sich eine Lumineszenzdiode als besonders vorteilhaft erwiesen.
ιIn a further embodiment of the invention, an energy supply in the form of heating, irradiation or exposure is provided to accelerate the measurement, such as for desorption. A luminescent diode has proven to be particularly advantageous for this purpose.
ι
j Die besonderen Torteile des erfindungsgemäßen Meßaufnehmers liegen nun darin, daß die Bauteile nicht mehr gewartet, ausge- : wechselt oder erneuert werden müssen, wie z.B. bei polarographi-j The special gate parts of the sensor according to the invention lie in the fact that the components no longer have to be serviced, exchanged or renewed, as is the case with polarographic
isehen Säuerstoffelektroden der Elektrolyt, die Anode und Kathode, j die sich im Laufe der Zeit (3-6 Monate) verbrauchen. jthe electrolyte, anode and cathode are the oxygen electrodes, j that wear out over time (3-6 months). j
Besonderes Interesse findet man für einen solchen wartungsfreien Meßaufnehmer in Kläranlagen, wo eine völlig kontinuierliche I Sauerstoff messung gefordert wird. Ein weiterer Vorteil besteht ' darin, daß man den Meßaufnehmer rohrförmig ausbilden kann und sowohl die Rohrinnenwand als auch die Rohraußenwand als säuerst offdurchlässige Membran ausbilden kann. Das Sorbens (der Halbleiter) befindet sich in beiden Fällen in der Wand des Rohr-One finds particular interest in such a maintenance-free one Measuring sensor in sewage treatment plants, where a completely continuous I measurement of oxygen is required. Another benefit is there 'in that you can design the transducer tubular and both the inner wall of the pipe and the outer wall of the pipe can be designed as a membrane that is permeable to acid. The sorbent (the semiconductor) is in both cases in the wall of the pipe
i körpers. ji body. j
An drei Ausführungsbeispielen sei die Methode näher erläutert:The method is explained in more detail using three exemplary embodiments:
Fig. 2 zeigt ein Rohr 1, das am unteren Ende mit einem porösen Körper 2, der mit einer nur Gase durchlassenden Schicht 3 (Kunstj stoffmembran) überzogen wurde, versehen ist. Im Inneren des I Rohres 1 befindet sich ein Halbleiterelement 4 (Sorbens), an dem ίzwei metallische Elektroden 5, 5' getrennt angebracht sind, um mit einer Leitfähigkeitsmeßbrücke 6 die Leitfähigkeit des Sor- ! bens 4 in Abhängigkeit des aus dem Wasser durch die Kunststoffmembran 3 diffundierenden Sauerstoffs 7 zu messen. ;Fig. 2 shows a tube 1, which at the lower end with a porous body 2, which is covered with a layer 3 (Kunstj fabric membrane) was covered, is provided. Inside the I tube 1 is a semiconductor element 4 (sorbent) on which ίtwo metallic electrodes 5, 5 'are attached separately to with a conductivity measuring bridge 6 the conductivity of the Sor-! bens 4 as a function of the out of the water through the plastic membrane 3 diffusing oxygen 7 to measure. ;
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ι ι1 :? ι 'ι ι 1 :? ι '
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ίί - 5 -- 5 -
Fig. 3 zeigt ein an beiden Enden offenes Rohr 11, das im Inneren! mit dem Sorbens 14 ausgekleidet und von dem pürösen Körper 12 ganz oder teilweise abgedeckt ist. Der Körper bzw. das poröse Rohr 12 ist im Inneren mit der Kunststoffmembran 13 beschichtet.; Auf den Stirnflächen des rohrförmigen Sorbens 14 befinden sich zwei metallische Elektroden 15, 15', um analog Fig. 2 die Leitfähigkeit zu messen. Das Wasser, aus dem der Sauerstoff durch die Kunststoff membran 13 diffundieren muß, strömt durch das Rohr 11.Fig. 3 shows a tube 11 open at both ends, the inside! lined with the sorbent 14 and removed from the pure body 12 is fully or partially covered. The body or the porous tube 12 is coated on the inside with the plastic membrane 13 .; On the end faces of the tubular sorbent 14 there are two metallic electrodes 15, 15 'in order to increase the conductivity analogously to FIG to eat. The water, from which the oxygen has to diffuse through the plastic membrane 13, flows through the Tube 11.
Selbstverständlich muß man sich den Meßaufnehmer wasserdicht gekapselt vorstellen!Of course, you have to imagine the measuring transducer encapsulated in a watertight manner!
Fig. 4 zeigt ein Rohrsttick 21, das an beiden Enden offen ist. Der poröse Körper 22 sitzt jetzt außerhalb über dem Rohr 21. Zwischen dem Rohr 21 und dem pDrösen Körper 22 befindet sich das Sorbens 24, auf dessen Stirnflächen die Elektroden 25, 25' angeordnet sind. Das Wasser strömt jetzt außerhalb des Rohres an der Kunststoffmembran 23 vorbei.4 shows a tubular piece 21 which is open at both ends. The porous body 22 is now seated outside over the pipe 21. Between the pipe 21 and the pDröse body 22 is located the sorbent 24, on whose end faces the electrodes 25, 25 ' are arranged. The water now flows past the plastic membrane 23 outside the pipe.
Man kann sich auch einen doppelwandigen Meßaufnehmer gemäß Fig. 5 vorstellen, bei dem das Wasser zwischen den beiden Wänden 26 und 27 hindurchströmt. Der Wassereintritt ist mit 38, der Austritt mit 39 und der Gasweg mit 40 bezeichnet. Der sonstige Aufbau ist mit einer der vorhergegangenen Figuren identisch.One can also imagine a double-walled measuring sensor according to FIG. 5, in which the water is between the two walls 26 and 27 flows through it. The water inlet is denoted by 38, the outlet by 39 and the gas path by 40. The other one Structure is identical to one of the previous figures.
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Pat 4 F 1 (6»0 10000/KE)Pat 4 F 1 (6 »0 10000 / KE)
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732336985 DE2336985A1 (en) | 1973-07-20 | 1973-07-20 | Oxygen in liquid determination by semiconductor - this being separated from liquid by membrane only permeable to gas |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732336985 DE2336985A1 (en) | 1973-07-20 | 1973-07-20 | Oxygen in liquid determination by semiconductor - this being separated from liquid by membrane only permeable to gas |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE2336985A1 true DE2336985A1 (en) | 1975-02-06 |
Family
ID=5887547
Family Applications (1)
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DE19732336985 Pending DE2336985A1 (en) | 1973-07-20 | 1973-07-20 | Oxygen in liquid determination by semiconductor - this being separated from liquid by membrane only permeable to gas |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2336985A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1995028658A1 (en) * | 1994-04-15 | 1995-10-26 | W.L. Gore & Associates, Inc. | An underground monitoring system |
-
1973
- 1973-07-20 DE DE19732336985 patent/DE2336985A1/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1995028658A1 (en) * | 1994-04-15 | 1995-10-26 | W.L. Gore & Associates, Inc. | An underground monitoring system |
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