DE2640480C2 - Meßfühler für ein Alkohol-Meßgerät - Google Patents
Meßfühler für ein Alkohol-MeßgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Meßfühler, bestehend aus
einem bei Beaufschlagen mit reduzierenden Gasen seine elektrische Leitfähigkeit ändernden Material, insbesondere
aus einem wenigstens ein Metalloxid enthaltenden Material, für ein die Konzentration von Alkoholdampf
in die Atemluft durch Messen des elektrischen Widerstands des Materials ermittelndes Meßgerät.
Ein nach diesem Prinzip arbeitender Meßfühler ist aus der Zeitschrift »Elektronik« 1972, Heft 5, Seiten 155 und
156, bekannt. Der Meßfühler besteht aus einem Material, das bei Kontakt mit reduzierenden Gasen
oder Dämpfen seinen spezifischen elektrischen Widerstand verändert. Er kann z. B. einen in der Hauptsache
aus Zinnoxid·, Zinkoxid- und Eisen-lll-Oxidteilchen zusammengesinterten Körper aufweisen. In den Körper
sind zwei voneinander beabstandete Elektroden eingebettet, die die Messung des elektrischen Widerstands
emv »glichen. Der Widerstandswert wird durch eine an der Oberfläche des Körpers stattfindende elektrochemische
Reaktion bestimmt, bei der ein elektrischer Ladungsausgleich zwischen dem Material des Körpers
und den an der Oberfläche des Materials adsorbierten Molekülen stattfindet. Speziell von Bedeutung ist der an
der Oberfläche adsorbierte Sauerstoff der Luft, der aus
dem Halbleitermaterial des Körpers Elektronen aufnimmt und dadurch als negative Ladung adsorbiert wird.
Als Folge der Adsorption nimmt jedoch die Dichte der im Halbleitermaterial frei beweglichen Leiiungselektronen
ab und es entsteht eine Raumladungszone mit verminderter Leitfähigkeit.
Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der bei konstantem Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre
sowie konstanter Temperatur des Körpers (mittels eines eingebauten Heizdrahtes) zu konstanter Leitfähigkeit
des Halbleitermaterials führt.
Im Gegensatz zum Sauerstoff der Luft geben reduzierende Substanzen Elektronen an das Halbleitermaterial
ab. Gelangen reduzierende Gasmoleküle auf die Oberfläche des Körpers, so werden sie als positive
Ladungen adsorbiert und verschieben das die elektrische Leitfähigkeit bestimmende Gleichgewicht, indem
sie eine Raumladungszone höherer Elektronendichte
Ό schaffen und auf diese Weise die Leitfähigkeit erhöhen.
Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, wobei die elektrische Leitfähigkeit und damit der elektrische
Widerstand des Materials ein Maß für die Konzentration des reduzierenden Gases ist.
is Der bekannte Meßfühler läßt sich vorteilhaft bei der
Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messen der Alkoholkonzen'ration der Atemluft verwenden,
wenn sichergestellt ist, daß die Alkoholkonzentration der tiefen Lungenluft gemessen wird. Ein hierfür
geeignetes Meßgerät ist aus der DE-OS 24 28 352 bekannt. Da jedoch der Meßfühler nicht nur allein auf
reduzierenden Alkoholdampf der Atemluft anspricht, sondern auch auf andere reduzierende Gase oder
Dämpfe, können diese Gase bzw. Dämpfe das Meßergebnis verfälschen. Störend können sich z. B. die
bei Diabetikern auftretenden Ketone, insbesondere Aceton, auswirken. Gleichermaßen kann das bei
Mundfäulnis auftretende Methan oder Kohlenmonoxid aus Zigarettenrauch sowie Aromate nach dem Genuß
von Fruchtsäften und dergleichen das Meßergebnis verfälschen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Meßfehler eines die Alkoholkonzentration in der Atemluft messenden
Meßgeräts, welcher durch reduzierende Gase oder Dämpfe, die neben Alkohol in der Atemluft auftreten,
hervorgerufen wird, zu vermindern bzw. zu eliminieren. Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten
Meßfühler wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Meßfühlers mit
•»ο einer Substanz beschichtet ist, die Alkohol leichter löst
oder in Alkohol leichter löslich ist als in der Atemluft auftretende, das Meßergebnis verfälschende. Gase oder
Dämpfe reduzierender Substanzen, insbesondere Ketone, Aceton, Methan, Kohlenmonoxid, Aromate.
Die Schicht kann hierbei so beschaffen sein, daß sie durch Alkohol gequollen, d. h. aufgeweicht wird; sie
kann aber auch mit Alkohol in der Weise reagieren, daß bei der Reaktion abgegebene oder aufgenommene
Elektronen die Raumladungsdichte im Material des Meßfühlers beeinflussen. Da Alkohol in jedem Fall
bessere Löslichkeitseigenschaften aufweist als die in der Atemluft auftretenden Störgase bzw. Dämpfe, wird das
Raumladungsgleichgewicht des Meßfühlers im wesentlichen nur noch durch den Alkoholdampf der Atemluft
beeinflußt.
Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn die Schicht aus einer wasserlöslichen, insbesondere hygroskopischen
Substanz besteht. Der in der Atemluft angereicherte Wasserdampf erleichtert die Bildung
einer Lösung zwischen dem Alkohol und der Schicht.
Geeignete Substanzen sind:
Geeignete Substanzen sind:
/?-Alanimin,
Antrachinonsulfonsäure,
Anthranilsäure-N-benzoat,
Anthranilsäure-N-benzoat,
Benzoessäure-benzylester,
Benzol-azo-naphthylamin(-2),
L-3,4-Dihydroxyphenylalanin,
Benzol-azo-naphthylamin(-2),
L-3,4-Dihydroxyphenylalanin,
e-Hydroxy-chinolincarbonsäure-iS),
Aluminiumchlorid,
Kaliumdicyanoaurat,
Bariumoxid,
Eisen-(Il)-sulfat,
Magnesiumsulfat.
Besonders gute Ergebnisse konnten mit Aluminiumchlorid, d. h. AlCI3 · (6 H2O) erzielt werden.
Die beigefügte Figur zeigt einen schema -ischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Meßfühlers. Dieser weist einen Sinterkörper 1 auf. in den zwei voneinander beabstandete
Elektroden 3,5 zu:n Messen der elektrischen Leitfähigkeit
des Sin-erkörpers 1 eingebettet sind. Der Sinterkörper 1 ist im wesentlichen aus Zinnoxid-,
Zinkoxid- und Eisen-III-Oxidieilchen zusammengesintert.
Dieses Material hat halbleitende Eigenschaften, wobei seine Leitfähigkeit durch an seiner Oberfläche
adsorbierte oxidierende bzw. reduzieiv-nde Gase und Dämpfe beeinflußt wird. Oxidierende Substanzen
verringern die Leitfähigkeit, da sie dem Sinterkörper 1 freie Leitungselektronen entziehen; reduzierende Substanzen
erhöhen die Leitfähigkeit. Es stellt sich ein vom Panialdruck der Gase sowii von der Temperatur
abhängiges Gleichgewicht ein. Durch eine weiterhin in den Sinterkörper 1 eingebettete Heizspirale 7 kann das
Gleichgewicht verschoben werden, etwa indem nach einer Messung die Temperatur des geheizten Sinterkörper«,
erhöht und adsorbierte reduzierende Gase dadurch wieder schneller desorbiert werden. Gegebenenfalls
können die Elektroden 3, 5 als Heizspiralen ausgebildet sein.
ίο Um zu erreichen, daß der Meßfühler quasi spezifisch
auf Alkoholdämpfe anspricht, ist er mit einer dünnen, ijegebenenfalls porösen Schicht 9 aus Aluminiumchiorid
AlCl3.6 H2O) 'überzogen. Die Schicht 9 hat die
Eigenschaft, daß sie mit Alkohol zusammen leichter Lösungen bildet als mit anderen reduzierenden Gasen
der Atemluft, wie z. B. Ketonen, insbesondere Aceton, sowie Methan, Kohlenmonoxid, und Aromaten.
In der Atemluft von Diabetikern kann das Verhältnis Aceton zu Äthanol etwa 1 :5 betragen. Die Ansprechempfindlichkeit
des Meßfühlers läßt sich für Aceton ohne weiteres auf 'A0 des beim unbeschichteten
Sinterkörper sich ergebenden Werts senken, so daß insgesamt gesehen der durch Aceton verursachte
Meßfehler vernachlässigt werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Ergänzungsblatt zur Patentschrift 26 40
Int. Cl.: G 01 N 33/4«
Veröffentlichungstag: 2.9.82
Neuer Beschreibungsteil
(einzufügen in Sp. 2, nach Z. 31 der PS)
(einzufügen in Sp. 2, nach Z. 31 der PS)
15
Aus der DE-OS 24 07 110 ist ein Halbleilersensor vom Fcldeffekt-Typ Tür gasförmige und/oder flüssige
Substanzen bekannt. Der Sensor umfaßt einen Halbleiterkörper, welcher im Abstand voneinander Drain-
und Sourceelektroden aus einem Halbleitermaterial vom entgegengesetzten Leitfä'higkeilstyp trägt. Der
Feldeflektkanal zwischen den Elektroden ist von einer reaktiven Adsorptionsschicht aus organischem Material
bedeckt, die die zu messenden Gase adsorbiert. Reaktionen in der reaktiven Adsorptionsschicht bewirken
Potentialänderungen in dem FeldefTektkanal und steuern den Drainstrom. Der reaktiven Adsorptionsschicht kann zur Erhöhung der Selektivität ein Membranfilter
vorgeschaltet sein. In der DE-OS 24 07 110 ist jedoch nicht das Problem angesprochen, einen Sensor
vom Metalloxid-Typ, dessen elektrische Leitfähigkeit durch reduzierende Gase oder Dämpfe geändert
wird, für Atemalkoholdampf selektiv zu gestalten.
Schließlich ist aus der DE-OS 23 36 985 ein Meßaufnehmer
zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten bekannt, dessen Meßoberfläche durch
eine Kunststoffmembran geschützt ist, die lediglich für
die zu messenden Gase, nicht jedoch für Wasserdurchlässig
ist.
50
55
6(1
Claims (4)
1. Meßfühler, bestehend aus einem bei Beaufschlagen mil reduzierenden Gasen seine elektrische
Leitfähigkeil ändernden Material, insbesondere aus einem wenigstens ein Metalloxid enthaltenden
Material, für ein die Konzentration von Alkoholdampf in der Atemluft durch Messen des elektrischen
Widerstands des Materials ermittelndes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß
seine Oberfläche mit einer Substanz beschichtet ist, die Alkohol leichter löst oder in Alkohol leichter
löslich ist als in der Atemluft auftretende, das Meßergebnis verfälschende, Gase oder Dämpfe
reduzierender Substanzen, insbesondere Ketone, Aceton, Methan, Kohlenmonoxid, Aromate.
2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz wasserlöslich ist.
3. MelMühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz hygroskopisch ist.
4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus
jS-Alanimin und/oder Antrachinonsulfonsäure und/ oder Anthranilsäure-N-benzoat und/oder Benzoessäure-benzylester
und/oder Benzol-azonaphthylamin(-2) und/oder L-3,4- Dihydroxyphenylalanin und/ oder 8-Hydroxy-chinolincarbonsäure-(5) und/oder
Kaliumdicyanoaurat und/oder Bariumoxid und/oder Eisen-(ll)-sulfat und/oder Magnesiumsulfat und/
oder vorzugsweise Aluminiumchlorid besteht.
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1976
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