DE4216176A1 - Integratable conductivity measurement arrangement for liquids - has current source and current-coupling capacitors for feeding rectangular wave to liq., and voltage measuring circuit consisting of coupling capacitors, operational amplifier and capacitor-switch circuit. - Google Patents

Integratable conductivity measurement arrangement for liquids - has current source and current-coupling capacitors for feeding rectangular wave to liq., and voltage measuring circuit consisting of coupling capacitors, operational amplifier and capacitor-switch circuit.

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DE4216176A1 DE19924216176 DE4216176A DE4216176A1 DE 4216176 A1 DE4216176 A1 DE 4216176A1 DE 19924216176 DE19924216176 DE 19924216176 DE 4216176 A DE4216176 A DE 4216176A DE 4216176 A1 DE4216176 A1 DE 4216176A1
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Abstract

A current source (SQ) is connectable to two current conductors, via which the rectangular wave current is fed into the liquid. A measurement circuit (CM,CR,S5-S11) measures the voltage drop in the liquid between two voltage measurement elements, which depends on the liquid's conductivity. The measurement circuit is a switching capacitor circuit with a measurement capacitor connected to and separated from the voltage measurement elements via switches according to the current variations. The current delivery elements are in the form of current coupling capacitors (CK1,CK4). ADVANTAGE - No polarisation effects are experienced, no galvanic connection is made to measurement liquid and enables simple conductivity measurement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierbare Leit­ fähigkeitsmeßvorrichtung zur Messung der elektrischen Leit­ fähigkeit von Flüssigkeiten mit einer Stromquellenvorrich­ tung, die an zwei Stromzufuhrelemente angeschlossen ist, über die ein Strom in die Flüssigkeit einspeisbar ist, und mit einer an zwei Spannungsmeßelementen angeschlossenen Meß­ schaltung zum Bestimmen des Spannungsabfalles zwischen den beiden Spannungsmeßelementen, welcher von der elektrischen Leitfähigkeit der untersuchten Flüssigkeit abhängt, wobei die Meßschaltung eine Schalter-Kondensator-Schaltung ist, die einen Meßkondensator aufweist, der mit den Spannungsmeß­ elementen über eine Schaltereinrichtung in zeitlicher Abhän­ gigkeit von dem Verlauf des im wesentlichen rechteckförmigen Stromes koppelbar und trennbar ist, nach der Deutschen Patentanmeldung P4113033.2-52 (Hauptanmeldung).The present invention relates to an integrable guide ability measuring device for measuring the electrical conductivity ability of liquids with a power source device device that is connected to two power supply elements, through which a current can be fed into the liquid, and with a measurement connected to two voltage measuring elements circuit for determining the voltage drop between the two voltage measuring elements, which of the electrical Conductivity of the fluid being tested depends on the measuring circuit is a switch-capacitor circuit, which has a measuring capacitor which with the voltage measurement elements via a switch device depending on the time of the course of the substantially rectangular Electricity can be coupled and separated, according to the German Patent application P4113033.2-52 (main application).

Es ist allgemein bekannt, zum Zwecke der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit in diese einen Strom einzuprägen und den Spannungsabfall innerhalb der Flüssigkeit, welcher umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit der Flüssigkeit ist, zu messen.It is well known for the purpose of determining the electrical conductivity of a liquid in this one Impress current and the voltage drop within the Liquid which is inversely proportional to conductivity the liquid is to be measured.

Im einfachsten Fall werden hierzu lediglich zwei Elektroden benutzt. Über diese zwei Elektroden wird der Strom in die Flüssigkeit eingeprägt und gleichzeitig der Spannungsabfall über dieselben Elektroden gemessen. Hierbei treten sogenann­ te Polarisationseffekte auf, die das eigentliche Meßsignal verfälschen. Diese Effekte treten immer dann auf, wenn ein Strom über eine Grenzschicht zwischen einer Elektrode und einem Elektrolyt fließt. Da in einem Elektrolyten ein Strom­ fluß mit der Wanderung von Ionen verbunden ist, bilden sich an der Grenzschicht zwischen dem Elektrolyten und der Elek­ trode Ansammlungen von Ionen eines Ladungstypes, die das ur­ sprüngliche Feld schwächen und das Meßsignal vermindern.In the simplest case, only two electrodes are used for this used. The current is fed into the Liquid imprinted and at the same time the voltage drop measured over the same electrodes. Here occur so-called te polarization effects on the actual measurement signal  distort. These effects always occur when a Current over an interface between an electrode and an electrolyte flows. There is a current in an electrolyte flow associated with the migration of ions form at the interface between the electrolyte and the electr trode accumulations of ions of a charge type, which the ur weaken the original field and reduce the measurement signal.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden Leitfähigkeitsmeß­ vorrichtungen mit sogenannten Vier-Elektroden-Anordnungen verwendet, bei denen eine Stromquelle mit zwei Stromelektro­ den zur Einprägung eines Meßstromes vorgesehen ist. Zwei weitere Elektroden, die als Spannungselektroden bezeichnet werden können, dienen zur Messung der über die Flüssigkeit abfallenden Spannung. Der Spannungsabfall, der durch die Spannungselektroden abgegriffen wird, wird durch einen den Spannungselektroden nachgeschalteten hochohmigen Verstärker verstärkt. Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz der Verstär­ ker kann der über die Spannungselektroden fließende Strom gering gehalten werden, so daß bei dieser Meßmethode die Po­ larisationseffekte reduziert werden, woraus sich eine ver­ besserte Meßgenauigkeit gegenüber der Leitfähigkeitsmessung mit lediglich zwei Elektroden ergibt. Jedoch führt auch bei der Vier-Elektroden-Anordnung der über die Spannungselektro­ den fließende Meßstrom zu einer Polarisation und somit zu einer Verfälschung des Meßsignales.In order to avoid this disadvantage, conductivity measurements devices with so-called four-electrode arrangements used where a power source with two power electro which is provided for impressing a measuring current. Two other electrodes called voltage electrodes can be used to measure the over the liquid falling voltage. The voltage drop caused by the Voltage electrodes is tapped by a High-impedance amplifier connected to voltage electrodes reinforced. Due to the high input impedance of the amplifier The current flowing over the voltage electrodes can be less be kept low, so that the Po larization effects are reduced, resulting in a ver better measurement accuracy compared to conductivity measurement with only two electrodes. However, also leads to the four-electrode arrangement of the over the voltage electro the flowing measuring current to polarization and thus to a falsification of the measurement signal.

Gleichfalls ist es bekannt, bei Leitfähigkeitsmeßvorrichtun­ gen der soeben geschilderten Art den eingeprägten Strom als sinusförmigen Wechselstrom zu erzeugen, um durch diese Maß­ nahme Zersetzungsvorgänge in der Flüssigkeit zu vermeiden, die im Falle einer Messung mit eingeprägtem Gleichstrom auf­ treten würden.It is also known to be used in conductivity measuring devices against the type just described, the impressed current as to generate sinusoidal alternating current by this measure to avoid decomposition processes in the liquid, in the case of a measurement with impressed direct current would kick.

Um diese Probleme der bekannten integrierbaren Leitfähig­ keitsmeßvorrichtungen, die mit zwei Spannungselektroden und zwei Stromelektroden ausgeführt sind, auszuräumen, schlägt die Hauptanmeldung P4113033.2-52 vor, daß die Stromquellen­ vorrichtung einen rechteckförmigen Strom erzeugt, der den beiden Stromelektroden zugeführt wird, und daß die Meßschal­ tung als Schalter-Kondensator-Schaltung ausgeführt ist, die einen Meßkondensator aufweist, der mit den Spannungselektro­ den über eine Schaltereinrichtung in zeitlicher Abhängigkeit von dem Verlauf des im wesentlichen rechteckförmigen Stromes koppelbar und trennbar ist.To address these problems of known integrable conductive keitsmeßvorrichtungen using two voltage electrodes and two current electrodes are designed to clear out beats the main application P4113033.2-52 proposes that the power sources  device generates a rectangular current that the is supplied to both current electrodes, and that the measuring scarf device is designed as a switch-capacitor circuit, the has a measuring capacitor with the voltage electro that via a switch device as a function of time on the course of the substantially rectangular current can be coupled and separated.

Mit dem Gegenstand der Hauptanmeldung werden die im Stand der Technik auftretenden Meßfehler aufgrund von Polarisa­ tionseffekten vollständig vermieden.With the subject of the main application, those in the stand measurement errors due to Polarisa completely avoided.

Das Einprägen des Stromes in die Flüssigkeit (den Elektro­ lyten) sowie die Spannungsmessung erfolgen über einen direk­ ten galvanischen Kontakt zwischen der Leitfähigkeitsmeß­ vorrichtung und dem Elektrolyten. Dazu werden Elektroden benutzt, welche aus Edelmetallen, Stahl oder Kohle bestehen und als sog. "Kohlrausch"-Zellen bezeichnet werden. Der galvanische Kontakt führt jedoch zu unerwünschten elektro­ chemischen Effekten an der Grenzschicht zwischen den Elek­ troden und dem Elektrolyten. Zu diesen Effekten zählen:Imprinting the current in the liquid (the electro lyte) and the voltage measurement are carried out via a direct galvanic contact between the conductivity measurement device and the electrolyte. These are electrodes used, which consist of precious metals, steel or coal and are referred to as so-called "Kohlrausch" cells. The However, galvanic contact leads to undesirable electro chemical effects at the interface between the elec tread and the electrolyte. These effects include:

Zusätzliche Spannungsabfälle, vor allem bei Stromfluß, die meßtechnisch wieder kompensiert werden müssen.Additional voltage drops, especially when the current flows must be compensated for by measurement.

Elektrolysevorgänge, d. h. Entladungen und Abscheidungen von Ionen an den Elektroden.Electrolysis processes, d. H. Discharges and Depositions from Ions on the electrodes.

Absorption von Ionen und Verschmutzung der Elektroden, welche zu Driftfehlern führen können.Absorption of ions and contamination of the electrodes, which can lead to drift errors.

Im Falle eines Fehlers besteht ein Gleichstrompfad durch den Elektrolyten, welcher zu dessen Elektrolyse führen kann. Bei bestimmten Anwendungen, wie beispielsweise in der invasiven medizinischen Diagnostik, muß ein solcher Fall durch zusätz­ liche schaltungstechnische Maßnahmen abgefangen werden. In the event of an error, there is a direct current path through the Electrolytes, which can lead to its electrolysis. At certain applications, such as in invasive medical diagnostics, such a case must be supplemented by circuitry measures are intercepted.  

Durch die galvanische Kopplung wird der Elektrolyt auf ein festes Potential gelegt, was bei bestimmten Anwendungen nicht erwünscht ist.Due to the galvanic coupling, the electrolyte is on fixed potential, what in certain applications is not desired.

Die Anwesenheit eines Metalles oder eines anderen leit­ fähigen Stoffes kann zu unerwünschten chemischen Reaktionen führen, zu denen beispielsweise die katalytische Wirkung von Platin zählt.The presence of a metal or other conductive capable substance can lead to undesired chemical reactions lead to, for example, the catalytic effect of Platinum counts.

Zur Vermeidung der soeben genannten Effekte wurden bereits kontaktlose Meßverfahren zur Bestimmung der Leitfähigkeit von Flüssigkeiten entwickelt, bei denen zwei Prinzipien zu unterscheiden sind: während bei der einen Methode mit einer induktiven Kopplung zwischen einer Meßschaltung und dem Elektrolyten gearbeitet wird, verwendet die andere Methode eine kapazitive Kopplung.To avoid the effects just mentioned, have already been non-contact measuring method for determining the conductivity Developed by liquids that have two principles are different: while in one method with one inductive coupling between a measuring circuit and the When electrolytes are used, the other method is used a capacitive coupling.

Bei der induktiven Methode übernimmt beispielsweise der in eine geschlossene Röhre eingebrachte Elektrolyt die Kopplung von ansonsten getrennten Wicklungen eines Transformators. An eine Primärwicklung wird eine Wechselspannung angelegt, die im Elektrolyten einen Stromfluß zur Folge hat. Dieser Strom­ fluß bewirkt in einer Sekundärwicklung eine Spannung, deren Höhe von der Leitfähigkeit des Elektrolyten abhängt. Der apparative Aufwand bei dieser Methode ist jedoch sehr groß.With the inductive method, for example, in a closed tube introduced electrolyte coupling of otherwise separate windings of a transformer. At an alternating voltage is applied to a primary winding current flow in the electrolyte. This stream flux causes a voltage in a secondary winding Height depends on the conductivity of the electrolyte. The However, this method requires a great deal of equipment.

Eine kapazitive Ankopplung gemäß der anderen, genannten Meß­ methode wird dadurch erreicht, daß die Wände des den Elek­ trolyten enthaltenden Gefäßes zum Teil als Kondensatoren ausgebildet werden. Dabei wird ein Teil eines solchen Kon­ densators durch eine Metallschicht gebildet, welche von einer dünnen Glasschicht überzogen ist. Die Gegenelektrode bildet jeweils der Elektrolyt. Das elektrische Ersatzschalt­ bild einer solchen Anordnung besteht aus zwei derartigen Kondensatoren mit dem Ohm′schen Elektrolyt-Widerstand dazwischen. Bei den bekannten kapazitiven Meßmethoden werden diese Elemente in einen Hf-Schwingkreis eingebracht, in dem der Elektrolyt-Widerstand beispielsweise das Dämpfungsver­ halten bestimmt, welches dann ausgewertet wird. Ebenso wie bei der induktiven Methode ist auch hier der apparative Aufwand groß. Zusätzlich ist hier infolge der nur kleinen erreichbaren Kapazitäten eine hohe Meßfrequenz erforderlich. Ferner ist kein einfacher linearer Zusammenhang zwischen der Leitfähigkeit und der Meßgröße gegeben.A capacitive coupling according to the other measurement method is achieved in that the walls of the elec vessel containing trolytes partly as capacitors be formed. Part of such a Kon formed by a metal layer which of is covered with a thin layer of glass. The counter electrode the electrolyte forms. The electrical equivalent circuit Such an arrangement consists of two such Capacitors with ohmic electrolyte resistance between. In the known capacitive measuring methods these elements are placed in an RF resonant circuit in which the electrolyte resistance, for example, the damping ver  hold determines which is then evaluated. As well as with the inductive method, the apparatus is also here Big effort. In addition, here is due to the only small achievable capacities require a high measuring frequency. Furthermore, there is no simple linear relationship between the Given conductivity and the measured variable.

Ausgehend von dem oben geschilderten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine inte­ grierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung anzugeben, bei der keine Polarisationseffekte auftreten, bei der eine galva­ nische Verbindung zu der bezüglich ihrer Leitfähigkeit zu messenden Flüssigkeit vermieden wird und die eine einfache Erfassung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit ermöglicht.Based on the prior art described above the present invention has for its object an inte specify gratable conductivity measuring device in which no polarization effects occur in which a galva African connection to the regarding their conductivity measuring liquid is avoided and its a simple one Allows detection of the conductivity of the liquid.

Diese Aufgabe wird durch eine integrierbare Leitfähigkeits­ meßvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This task is accomplished through an integrable conductivity Measuring device according to claim 1 solved.

Vom Gegenstand der Hauptanmeldung P4113033.2-52 hebt sich die integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach der vorliegenden Zusatzanmeldung kurz gesagt dadurch ab, daß zumindest die bei der Hauptanmeldung als Stromelektroden ausgeführte Stromzufuhr-Elemente im Sinne der vorliegenden Erfindung als Stromeinkoppel-Kondensatoren ausgebildet sind. Gemäß einem wesentlichen Erfindungsaspekt sind auch die Spannungsmeßelemente als Spannungsauskoppel-Kondensatoren ausgebildet, so daß eine vollständige galvanische Trennung zwischen der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung und der bezüglich ihrer Leitfähigkeit zu messenden Flüssigkeit erreicht wird.The subject of the main application P4113033.2-52 stands out the integrable conductivity measuring device according to the in short, this additional application in that at least those at the main filing as current electrodes executed power supply elements in the sense of the present Invention are designed as current coupling capacitors. According to an essential aspect of the invention Voltage measuring elements as voltage decoupling capacitors trained so that a complete electrical isolation between the conductivity measuring device and the regarding their conductivity to be measured liquid is reached.

Die erfindungsgemäße Leitfähigkeitsmeßvorrichtung basiert auf einer rein kapazitiven Kopplung zwischen der Leitfähig­ keitsmeßvorrichtung und der Flüssigkeit bzw. dem Elektroly­ ten, wobei die Koppelkapazitäten vorzugsweise in integrier­ ter Technik hergestellte Elemente sein können, bei denen sich über einer leitenden Schicht eine dünne Isolierschicht befindet. Die Gegenelektrode wird jeweils durch die Flüssig­ keit bzw. den Elektrolyten gebildet. Die so entstehenden Kondensatoren sind in einer ausreichenden Größe herstellbar, die es erlaubt, für eine gewisse Zeitdauer einen konstanten Strom über zwei als Stromzuführelemente dienende Kapazitäten fließen zu lassen. Der resultierende Spannungsabfall in der Flüssigkeit ist für diese Zeitdauer ebenfalls konstant und läßt sich mit Hilfe zweier Spannungsmeßelemente, die als Spannungsauskoppelkondensatoren ausgeführt sind, und die vorzugsweise zwischen den beiden Stromeinkoppel-Kondensa­ toren angeordnet sind, detektieren und weiterverarbeiten.The conductivity measuring device according to the invention is based on a purely capacitive coupling between the conductive keitsmeßvorrichtung and the liquid or the electroly ten, the coupling capacities preferably integrated Technically manufactured elements can be in which a thin insulating layer over a conductive layer located. The counter electrode is replaced by the liquid speed or the electrolyte formed. The resulting  Capacitors can be manufactured in a sufficient size which allows a constant for a certain period of time Power over two capacities serving as power supply elements to let flow. The resulting voltage drop in the Liquid is also constant for this period of time can be measured with the help of two voltage measuring elements Voltage decoupling capacitors are executed, and the preferably between the two current coupling condensers gates are arranged, detect and process.

Durch die galvanische Trennung ist es bei der erfindungsge­ mäßen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung möglich, die Bildung eines Gleichstrompfades durch den Elektrolyten bzw. die Flüssigkeit zu verhindern. Ferner wird verhindert, daß die Flüssigkeit auf ein festes Potential gelegt wird. Dies er­ möglicht die Anwendung der erfindungsgemäßen Leitfähigkeits­ vorrichtung in Bereichen mit hohen Sicherheitsanforderungen.Due to the galvanic isolation, it is in the Invention moderate conductivity measuring device possible, the formation a direct current path through the electrolyte or To prevent fluid. It also prevents the Liquid is placed at a fixed potential. This he enables the application of the conductivity according to the invention device in areas with high security requirements.

Die Meßschaltung ist monolithisch mit allen Komponenten auf einem Halbleitersubstrat integrierbar. Die geringe Größe der integrierbaren, erfindungsgemäßen Leitfähigkeitsmeßvorrich­ tung läßt den Einsatz bei kleinen Probenvolumina oder an schwer zugänglichen Stellen zu.The measuring circuit is monolithic with all components integrable into a semiconductor substrate. The small size of the integrable conductivity measuring device according to the invention tion leaves use with small sample volumes or on hard to reach places.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der integrierbaren Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach der Hauptanmeldung sowie nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Below are exemplary embodiments of the integrable Conductivity measuring device after the main application as well according to the present invention with reference to the accompanying drawings explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach der Hauptanmeldung; Fig. 1 is a circuit diagram of the conductivity measuring device according to the parent application;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Strömen bzw. Spannungen, wie sie in der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung gemäß Fig. 1 auftreten; FIG. 2 shows a time diagram of currents or voltages as they occur in the conductivity measuring device according to FIG. 1;

Fig. 3a eine Querschnittdarstellung einer Koppelkapazität der erfindungsgemäßen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung; FIG. 3a shows a cross-sectional view of a coupling capacitance of the conductivity measuring device according to the invention;

Fig. 3b eine Draufsicht auf die Koppelkapazität gemäß Fig. 3a; FIG. 3b is a plan view of the coupling capacitance shown in FIG. 3a;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung; Fig. 4 is a circuit diagram of an embodiment of the inventive conductivity measuring device;

Fig. 5a eine Draufsicht auf die Anordnung der Koppelkapa­ zitäten der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung gemäß Fig. 4; FIG. 5a is a top view of the arrangement of the Koppelkapa capacities of the conductivity measuring device according to Fig. 4;

Fig. 5b das elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung der Koppelkapazitäten gemäß Fig. 5a; Fig. 5b shows the electrical equivalent circuit of the arrangement of the coupling capacitors according to Fig. 5a;

Fig. 6a das wirksame elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung der Koppelkapazitäten bei dem Einprägen des Meßstromes; FIG. 6a, the effective electrical equivalent circuit diagram of the arrangement of the coupling capacitors in the impressing the measuring current;

Fig. 6b Spannungsabfälle an den Elementen des Ersatzschalt­ bildes; Fig. 6b voltage drops on the elements of the equivalent circuit picture;

Fig. 6c Spannungen an Punkten innerhalb des Ersatzschalt­ bildes; Fig. 6c voltages at points within the equivalent circuit picture;

Fig. 7a das wirksame elektrische Ersatzschaltbild der Anordnung der Koppelkapazitäten gemäß Fig. 5a bei dem Messen der Signalspannung; und Figure 7a shows the effective electrical equivalent circuit diagram of the arrangement of the coupling capacitors as shown in FIG 5a in measuring the signal voltage..; and

Fig. 7b die zeitlichen Verläufe der Spannungen an dem Meßkondensator der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung gemäß Fig. 4. Fig. 7b shows the waveforms of the voltages at the measuring capacitor of the conductivity measuring device in accordance with Fig. 4.

Das in Fig. 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsbeispiel der integrierbaren Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach der Haupt­ anmeldung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt eine Stromquelle SQ zur Erzeugung eines eingeprägten Gleichstromes, welche über einen ersten bis vierten Schalter S1, S2, S3, S4 in Abhängigkeit von deren Schaltzustand in einer ersten Polung oder in einer zu der ersten Polung entgegengesetzten Polung mit zwei Strom­ elektroden E1, E4 verbindbar ist.The preferred embodiment shown in Fig. 1 of the integrable conductivity measuring device after the main application, which is designated in its entirety by the reference numeral 1 , comprises a current source SQ for generating an impressed direct current, which via a first to fourth switch S1, S2, S3, S4 can be connected to two current electrodes E1, E4 in a first polarity or in a polarity opposite to the first polarity, depending on the switching state thereof.

Die Stromelektroden erzeugen in einem Elektrolyt EL einen rechteckförmigen Strom ohne Gleichanteil.The current electrodes produce one in an electrolyte EL rectangular current without DC component.

Eine (nicht gezeigte) Steuervorrichtung steuert den ersten bis vierten Schalter S1 bis S4 derart an, daß die Stromquel­ le SQ alternierend während einer ersten Zeitdauer T1 in der ersten Polung und während einer zweiten Zeitdauer T2 in der zweiten Polung mit den Stromelektroden E1, E4 verbunden wird. Die erste und zweite Zeitdauer T1, T2 sind gleich lang.A control device (not shown) controls the first one to fourth switches S1 to S4 so that the current source le SQ alternately during a first time period T1 in the first polarity and during a second period of time T2 in the second polarity connected to the current electrodes E1, E4 becomes. The first and second time periods T1, T2 are the same long.

Zwischen den Stromelektroden E1, E4 sind zwei Spannungselek­ troden E2, E3 in dem Elektrolyten EL angeordnet, die den durch den eingeprägten rechteckförmigen Strom zwischen den Stromelektroden E1, E4 über den Elektrolyten auftretenden Spannungsabfall V1 messen.There are two voltage electrodes between the current electrodes E1, E4 electrodes E2, E3 arranged in the electrolyte EL, which the through the impressed rectangular current between the Current electrodes E1, E4 occurring over the electrolyte Measure voltage drop V1.

Der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls V1 bezogen auf die erste und zweite Zeitdauer T1, T2 ist in den Fig. 2a bis 2c gezeigt.The time course of the voltage drop V1 in relation to the first and second time periods T1, T2 is shown in FIGS. 2a to 2c.

Die Spannungselektroden E2, E3 sind über einen fünften bis achten Schalter S5, S6, S7, S8 in einer ersten bzw. zweiten Polung mit den Elektroden eines Meßkondensators C1 verbind­ bar.The voltage electrodes E2, E3 are via a fifth to eighth switches S5, S6, S7, S8 in a first or second Connect the polarity to the electrodes of a measuring capacitor C1 bar.

Der fünfte, sechste, siebte und achte Schalter S5 bis S8 werden gleichfalls von der (nicht dargestellten) Steuervor­ richtung, die als Mikroprozessor ausgestaltet sein kann, an­ gesteuert. Die Ansteuerung erfolgt derart, daß die Span­ nungselektroden E2, E3 während einer dritten Zeitdauer T3 in der ersten Polung und während einer vierten Zeitdauer T4 in einer zweiten Polung mit dem Meßkondensator C1 verbunden werden. Wie aus den Fig. 2d, 2e in Hinblick auf die Fig. 2a, 2b ersichtlich ist, liegen die dritte Zeitdauer T3 innerhalb der ersten Zeitdauer T1 und die vierte Zeitdauer T4 inner­ halb der zweiten Zeitdauer T2.The fifth, sixth, seventh and eighth switches S5 to S8 are likewise controlled by the control device (not shown), which can be designed as a microprocessor. The control takes place in such a way that the voltage electrodes E2, E3 are connected to the measuring capacitor C1 during a third period T3 in the first polarity and during a fourth period T4 in a second polarity. As can be seen from FIGS. 2d, 2e with regard to FIGS. 2a, 2b, the third time period T3 lies within the first time period T1 and the fourth time period T4 within the second time period T2.

Ein neunter und zehnter Schalter S9, S10 liegen zwischen den beiden Elektroden des Meßkondensators C1 und dem invertie­ renden bzw. nicht-invertierenden Eingang eines Operations­ verstärkers OPV, dessen Ausgang über einen Rückkopplungskon­ densator C2 mit dessen invertierenden Eingang in Verbindung steht.A ninth and tenth switches S9, S10 lie between the two electrodes of the measuring capacitor C1 and the invertie renden or non-inverting input of an operation amplifier OPV, the output of which via a feedback con capacitor C2 in connection with its inverting input stands.

Die Steuervorrichtung (nicht dargestellt) verbindet jeweils während einer fünften Zeitdauer, die außerhalb der dritten und vierten Zeitdauer T3, T4 liegt, den Meßkondensator C1 mit den Eingängen des Operationsverstärkers OPV. Entspre­ chend des Kapazitätsverhältnisses des Rückkopplungskonden­ sators C2 und Meßkondensators C1 wird hierdurch die Spannung am Meßkondensator VC1 zu einer am Ausgang des Operationsver­ stärkers erzeugten Spannung VOUT verstärkt.The control device (not shown) connects the measuring capacitor C1 to the inputs of the operational amplifier OPV for a fifth time period that lies outside the third and fourth time periods T3, T4. Accordingly the capacitance ratio of the crystallizer Rückkopplungskonden C2 and the measuring capacitor C1 is thereby boosts the voltage at the measuring capacitor C1 to a V at the output of Operationsver stärkers generated voltage V OUT.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel schließt die (nicht dargestellte) Steuervorrichtung jeweils nach Ablauf der fünften Zeitdauer einen parallel zu dem Rückkopplungskonden­ sator C2 geschalteten elften Schalter S11, so daß die ge­ zeigte Schalter-Kondensator-Schaltung S5 bis S11, C1, C2, OPV als Verstärkerschaltung arbeitet. Es ist jedoch auch möglich, den elften Schalter S11 jeweils nach mehreren Pe­ rioden T1, T2 zu schließen, so daß die Schalter-Kondensator- Schaltung in diesem Fall als Integrationsschaltung arbeitet.In the embodiment shown, the (not shown) control device after the expiry of fifth time period parallel to the feedback condenser sator C2 switched eleventh switch S11, so that the ge showed switch capacitor circuit S5 to S11, C1, C2, OPV works as an amplifier circuit. However, it is also possible to switch the eleventh switch S11 after several pe riodes T1, T2 close so that the switch capacitor Circuit in this case works as an integration circuit.

Wie sich aus der Betrachtung des Verlaufs des Spannungsab­ falls über die Spannungselektroden E2, E3 gemäß Fig. 2c er­ gibt, sind die erste und zweite Zeitdauer jeweils ausrei­ chend lang gewählt, daß Umschalteffekte abklingen und die Spannung V1 einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Erst nach Abklingen der Umschaltvorgänge wird während der Zeitdauer T3 der Meßkondensator mit den Spannungselektroden verbunden. Hierdurch fließen Ladungsträger über die Span­ nungselektroden E2, E3 auf die Elektroden des Meßkondensa­ tors C1. Zu Beginn der Zeitdauer T3 führt dieser Stromfluß zu einer Störung des ursprünglichen Feldes zwischen den Stromelektroden E1, E4 und zu einer vorrübergehenden Polari­ sation. Mit zunehmender Aufladung des Meßkondensators C1 strebt der Meßstrom an den Spannungselektroden E2, E3 expo­ nentiell gegen Null, so daß die Spannungselektroden E2, E3 bei einer hinreichenden Länge der dritten Zeitdauer T3 stromlos werden. Bei einer vom Einzelfall abhängigen, ex­ perimentell jedoch leicht bestimmbaren hinreichenden dritten Zeitdauer T3 haben Polarisationseffekte keinen negativen Einfluß mehr auf die erzielbare Meßgenauigkeit.As can be seen from the observation of the course of the voltage drop if the voltage electrodes E2, E3 according to FIG. 2c, the first and second time periods are each selected to be sufficiently long that the switching effects subside and the voltage V1 assumes a substantially constant value. Only after the switching processes have subsided is the measuring capacitor connected to the voltage electrodes during the period T3. As a result, charge carriers flow via the voltage electrodes E2, E3 onto the electrodes of the measuring capacitor C1. At the beginning of the period T3, this current flow leads to a disturbance in the original field between the current electrodes E1, E4 and to a temporary polarization. With increasing charging of the measuring capacitor C1, the measuring current tends to zero at the voltage electrodes E2, E3 exponentially, so that the voltage electrodes E2, E3 become de-energized with a sufficient length of the third time period T3. In the case of a sufficient third time period T3, which depends on the individual case but can be determined experimentally but easily, polarization effects no longer have a negative influence on the measurement accuracy that can be achieved.

Die Leitfähigkeitsmeßschaltung eignet sich für eine Integra­ tion der Elektroden E1 bis E4, der Stromquellenschaltung SQ und der Verstärkerelektronik einschließlich der Schalter- Kondensator-Schaltung auf einem einzigen Halbleitersubstrat. Durch die monolithische Integration auf einem Halbleiter­ substrat kann die Leitfähigkeitsmeßvorrichtung stark minia­ turisiert werden, so daß Messungen in kleinen Probenvolumina oder an sonst schwer zugänglichen Stellen, wie beispielswei­ se im Bereich der invasiven medizinischen Diagnostik, mög­ lich sind.The conductivity measuring circuit is suitable for an integra tion of the electrodes E1 to E4, the current source circuit SQ and the amplifier electronics including the switch Capacitor circuit on a single semiconductor substrate. Through the monolithic integration on a semiconductor The conductivity measuring device can strongly minia substrate be turized so that measurements in small sample volumes or in places that are difficult to access, such as se in the field of invasive medical diagnostics, possible are.

Die Schaltungsbestandteile können in CMOS-Technologie ausge­ führt werden. In diesem Fall kann die Herstellung der Elek­ troden kompatibel zum CMOS-Prozeß erfolgen, da lediglich der zusätzliche Verfahrensschritt des Aufbringens einer Edelme­ tallschicht für die Elektroden erforderlich ist.The circuit components can be made in CMOS technology leads. In this case, the elec trodes compatible to the CMOS process because only the additional process step of applying a Edelme tallschicht for the electrodes is required.

Obwohl sich die Leitfähigkeitsmeßschaltung vorzugsweise für eine vollständige Integration eignet, können auch Meßschal­ tungen mit getrennt angeordneten Elektroden nach dem be­ schriebenen Konzept realisiert werden.Although the conductivity measuring circuit is preferably for a complete integration is suitable, also measuring scarf lines with separately arranged electrodes after the be concept can be realized.

Die erfindungsgemäße integrierbare Leitfähigkeitsmeßvor­ richtung hebt sich von der unter Bezugnahme auf Fig. 1 be­ schriebenen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung im wesentlichen da­ durch ab, daß die dortigen Elektroden E1 bis E4 durch Kop­ pel-Kondensatoren CK1, CK2, CK3, CK4 ersetzt sind. Im übri­ gen entspricht die Prinzipschaltung der Fig. 4 identisch derjenigen von Fig. 1, so daß eine erneute Beschreibung der Schaltungsanordnung unterbleiben kann. Lediglich der Voll­ ständigkeit halber sei erwähnt, daß hier der Meßkondensator mit dem Bezugszeichen CM bezeichnet ist, während der Rück­ kopplungs-Kondensator mit dem Bezugszeichen CR bezeichnet ist.The integrable conductivity measuring device according to the invention stands out from the conductivity measuring device described with reference to FIG. 1, essentially because the electrodes E1 to E4 there are replaced by coupling capacitors CK1, CK2, CK3, CK4. Gene in übri the basic circuit corresponds to the Fig. 4 is identical to that of FIG. 1 so that a renewed description of the circuitry can be omitted. Merely for the sake of completeness it should be mentioned that here the measuring capacitor is designated by the reference symbol CM, while the feedback capacitor is designated by the reference symbol CR.

Die Koppel-Kondensatoren können integriert zusammen mit der Leitfähigkeitsmeßvorrichtung ausgebildet sein und haben vorzugsweise die Struktur, die nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3a, 3b beschrieben wird.The coupling capacitors can be integrated with the conductivity measuring device and preferably have the structure which is described below with reference to FIGS . 3a, 3b.

Auf einem Halbleitersubstrat 30 ist oberhalb einer Oxid­ schicht 31, die im Falle eines Silizium-Substrates eine Silizium-Oxid-Schicht 31 ist, eine leitende Schicht vorzugsweise aus Polysilizium 32 angeordnet. Diese Poly­ siliziumschicht 32 bildet die eine Seite des Koppel-Konden­ sators. Auf dieser Polysiliziumschicht 32 befindet sich eine dünne Isolierschicht 33 aus Silizium-Oxid und Silizium- Nitrid, welche die Schaltung bzw. den Poly-Anschluß gal­ vanisch von dem Elektrolyten 34 trennt. Die Gegenelektrode dieses Kondensators wird von dem Elektrolyten 34 selbst gebildet, welcher in direktem Kontakt mit der Isolierschicht 33 steht. Die Oberfläche der Anordnung ist von einer Schutz­ oxidschicht 35 bedeckt, die im Bereich der Kondensatorober­ fläche 36 eine Öffnung 37 hat.On a semiconductor substrate 30 is above an oxide layer 31, which in the case of a silicon substrate, a silicon-oxide layer 31 is a conductive layer of polysilicon preferably arranged 32nd This poly silicon layer 32 forms one side of the coupling capacitor. On this polysilicon layer 32 there is a thin insulating layer 33 made of silicon oxide and silicon nitride, which galvanically separates the circuit or the poly terminal from the electrolyte 34 . The counter electrode of this capacitor is formed by the electrolyte 34 itself, which is in direct contact with the insulating layer 33 . The surface of the arrangement is covered by a protective oxide layer 35 which has an opening 37 in the area of the capacitor upper surface 36 .

Wie in Fig. 3b ferner zu sehen ist, erstreckt sich die leit­ fähige Polysiliziumschicht 32 bis zu einem Ansatzbereich 38 für den Anschluß an die restliche Schaltung.As can also be seen in FIG. 3b, the conductive polysilicon layer 32 extends to an attachment area 38 for connection to the rest of the circuit.

Der wirksame Abstand des so gebildeten Kondensators ist die Dicke der Isolierschicht 33. Das so entstandene Bauelement wirkt als Kondensator, obwohl lediglich eine seiner Seiten in herkömmlicher, fester Form vorliegt und aus einem Material besteht, in dem Elektronen für den Stromtransport verantwortlich sind. Die andere Seite hingegen ist flüssig, da sie durch den Elektrolyten 34 gebildet wird, wobei hier der Ladungstransport durch dissoziierte Ionen übernommen wird. Da für eine Wanderung sowohl von Elektronen innerhalb der Schaltung als auch von Ionen im Elektrolyten 34 letzt­ endlich die am Ladungsträger bestehende Feldstärke maßgeb­ lich ist und sich diese durch die Isolierschicht 33 fort­ setzt, ist es möglich, einen Verschiebungsstrom durch das Bauelement fließen zu lassen. Dabei sammeln sich, wie bei herkömmlichen Kondensatoren, Ladungsträger unterschiedlichen Vorzeichens auf den Kondensator-Platten an. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß sich auf der einen Seite bei­ spielsweise eine negative Ladung aus Elektronen und auf der Gegenseite eine positive Ladung aus Ionen bilden.The effective distance of the capacitor thus formed is the thickness of the insulating layer 33 . The component thus created acts as a capacitor, although only one of its sides is in a conventional, solid form and consists of a material in which electrons are responsible for the current transport. The other side, however, is liquid, since it is formed by the electrolyte 34 , with the charge transport being carried out by dissociated ions. Since for a migration of both electrons within the circuit and of ions in the electrolyte 34 , the field strength at the charge carrier is finally decisive and this continues through the insulating layer 33 , it is possible to let a displacement current flow through the component. As with conventional capacitors, charge carriers of different signs accumulate on the capacitor plates. The only difference is that, for example, a negative charge of electrons is formed on the one hand and a positive charge of ions on the other hand.

Wie in Fig. 4a verdeutlicht ist, umfaßt die erfindungsgemäße Leitfähigkeitsmeßanordnung insgesamt vier derartiger Koppel­ kondensatoren CK1, CK2, CK3, CK4, die planar auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat 30 angeordnet sind.As is shown in Fig. 4a, the conductivity measuring arrangement according to the invention comprises a total of four such coupling capacitors C K1 , C K2 , C K3 , C K4 , which are arranged planar on a common semiconductor substrate 30 .

Im Gegensatz zu den bei der Ausführungsform von Fig. 1 verwendeten Elektroden E1 bis E4, bei denen eine leitende Schicht direkten Kontakt zum Elektrolyten hat, kann hier kein Ladungsübertritt zwischen der Schaltung und der Flüs­ sigkeit stattfinden. Im Gegensatz zu Meßzellen mit galvani­ schem Kontakt, bei denen immer ein Gleichstrompfad durch den Elektrolyten besteht, der im Fehlerfall zu dessen Elektro­ lyse führen kann, wird hier dieser nachteilige Effekt durch die Verwendung galvanisch getrennter Zellen vermieden.In contrast to the electrodes E1 to E4 used in the embodiment of FIG. 1, in which a conductive layer has direct contact with the electrolyte, no charge transfer between the circuit and the liquid can take place here. In contrast to measuring cells with galvanic contact, in which there is always a direct current path through the electrolyte, which can lead to its electrolysis in the event of a fault, this disadvantageous effect is avoided here by using galvanically separated cells.

Fig. 5b zeigt das Ersatzschaltbild der Anordnung der Koppel­ kapazitäten gemäß Fig. 5a. Wie dort ersichtlich ist, liegen Ohm′sche Teilwiderstände REL1, REL2, REL3 zwischen den Koppelkapazitäten CK1 bis CK4. Die CMOS-Schalter S5 und S6 werden (in dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 7a) durch ihren Einschaltwiderstand RON ersetzt. Der Einschaltwiderstand dieser Schalter S5, S6 ist nur während der Taktphase T3, in der der Meßkondensator CM aufgeladen wird, von Bedeutung. Fig. 5b shows the equivalent circuit diagram of the arrangement of the coupling capacities according to Fig. 5a. As can be seen there, ohmic resistors R EL1 , R EL2 , R EL3 lie between the coupling capacitances C K1 to C K4 . The CMOS switches S 5 and S 6 are replaced (in the equivalent circuit diagram according to FIG. 7a) by their on-resistance R ON . The on-resistance of these switches S 5 , S 6 is only of importance during the clock phase T 3 , in which the measuring capacitor C M is charged.

Allgemein wird bei der nachfolgenden Betrachtung ein recht­ eckförmiger Strom vorausgesetzt, der für jeweils gleiche Zeitdauer die Anordnungen von A nach D oder umgekehrt durch­ fließt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird der Strom durch eine Gleichstromquelle SQ erzeugt, deren Polarität mit Hilfe von gesteuerten Schaltern S1 bis S4 periodisch umgekehrt wird.In general, in the following consideration, a fairly angular current is assumed, which flows through the arrangements from A to D or vice versa for the same amount of time. As shown in Fig. 3, the current is generated by a direct current source SQ, the polarity of which is periodically reversed with the aid of controlled switches S1 to S4.

Das beschriebene Verfahren wird zur Erläuterung in zwei Teilvorgänge zerlegt, nämlich einerseits in die Erläuterung der Vorgänge im Zusammenhang mit der Einprägung des Meß­ stromes und andererseits die Messung einer dem spezifischen Widerstand des Elektrolyten proportionalen Spannung.The method described is used for explanation in two Sub-processes broken down, namely on the one hand into the explanation the processes in connection with the imprint of the measurement current and on the other hand the measurement of a specific Resistance of the electrolyte proportional voltage.

Fig. 6a zeigt das wirksame elektrische Ersatzschaltbild für das Einprägen des Meßstromes. Zur einfacheren Darstellung wird hier lediglich der Stromfluß in der Richtung von A nach D (Taktphase T1) betrachtet, da sich bei umgekehrter Strom­ richtung (Taktphase T2) lediglich die Vorzeichen ändern. Der Punkt D wird für die betrachtete Dauer als auf Masse liegend angenommen. Der konstante Strom führt dann am Kondensator CK4 zu einem linearen Anstieg der Spannung gemäß folgendem Zusammenhang: FIG. 6a shows the effective electrical equivalent circuit diagram for the impressing of the test current. To simplify the illustration, only the current flow in the direction from A to D (clock phase T 1 ) is considered, since only the signs change when the current is reversed (clock phase T 2 ). Point D is assumed to be on the ground for the duration under consideration. The constant current then leads to a linear rise in voltage across the capacitor C K4 in accordance with the following relationship:

Das dem vierten Koppelkondensator CK4 folgende Element des elektrischen Ersatzschaltbildes, nämlich der dritte Ohm′sche Elektrolyt-Widerstand REl3, verursacht einen konstanten Spannungsabfall infolge des Meßstromes gemäß folgendem Zu­ sammenhang:The element of the electrical equivalent circuit diagram following the fourth coupling capacitor C K4 , namely the third ohmic electrolytic resistor R El3 , causes a constant voltage drop due to the measuring current in accordance with the following context:

VREl3 = I₀REl3 (2)V REl3 = I₀R El3 (2)

Ebenso führen die beiden anderen Ohm′schen Teilwiderstände REl2, REl1 zu folgenden Spannungsabfällen:Likewise, the other two ohmic resistors R El2 , R El1 lead to the following voltage drops :

VREl2 = I₀REl2 (3)V REl2 = I₀R El2 (3)

VREl1 = I₀REl1 (4)V REl1 = I₀R El1 (4)

Die Spannung am Punkt C ergibt sich folgendermaßen als Summe der Spannungen an dem vierten Koppelkondensator CK4 und dem dritten Elektrolyt-Widerstand REl3:The voltage at point C results as follows as the sum of the voltages across the fourth coupling capacitor C K4 and the third electrolytic resistor R El3 :

Entsprechend ergibt sich für die Spannung am Punkt B folgender Zusammenhang:Correspondingly, the voltage at point B results the following relationship:

Der obere Kondensator CK1 ist von gleicher Größe und Be­ schaffenheit wie der Kondensator CK4 und verursacht einen ebensogroßen Spannungsabfall wie dieser, der folgendem Zusammenhang genügt:The upper capacitor C K1 is of the same size and configuration as the capacitor C K4 and causes an equally large voltage drop as this, which satisfies the following relationship:

Entscheidend für die weitere Auswertung ist nun, daß die Spannung an den Punkten B und C zwar absolut rampenförmig verlaufen, ihre Differenz jedoch konstant ist und nur von dem Meßstrom und dem Elektrolyt-Widerstand abhängen. Daher gilt:It is crucial for the further evaluation that the Voltage at points B and C is absolutely ramp-shaped run, but their difference is constant and only from depend on the measuring current and the electrolyte resistance. Therefore applies:

VB - VC = I₀REl2 (8)V B - V C = I₀R El2 (8)

Um diese Differenzspannung zu erfassen, werden zwei weitere Koppelkondensatoren CK2 und CK4 benutzt, die zwischen den oben beschriebenen Kondensatoren CK1 und CK4 angeordnet sind. Diese werden während einer Zeit T3 nach dem Polari­ tätswechsel des Meßstromes, also nachdem sich bezüglich des Ohm′schen Spannungsabfalles am Elektrolyten stationäre Zustände eingestellt haben, über die Schalter S5 und S6 mit dem Meßkondensator CM verbunden. Analog dazu ist der Vorgang bei umgekehrtem Stromfluß. Dann werden innerhalb der Zeit­ dauer von T2 während der Zeitdauer T4 entsprechend die Schalter S7 und S8 benutzt.In order to detect this differential voltage, two further coupling capacitors C K2 and C K4 are used, which are arranged between the capacitors C K1 and C K4 described above. These are connected to the measuring capacitor C M during a time T 3 after the polarity change of the measuring current, that is, after steady-state conditions have occurred with respect to the ohmic voltage drop across the electrolyte, via the switches S 5 and S 6 . The procedure is the same for reverse current flow. Then the switches S 7 and S 8 are used within the time period of T 2 during the period T 4 accordingly.

Zur Analyse des Vorganges wird der Ohm′sche Spannungsabfall an dem Teilelektrolyt-Widerstand REl2 in Bild 4 als Span­ nungsquelle dargestellt. Dies ist zulässig, obwohl durch die Aufladung des Zweiges mit dem Meßkondensator CM die ur­ sprüngliche Stromverteilung gestört wird, da dieser Zweig nach kurzer Zeit wieder stromlos wird, so daß daraufhin die gleichen Verhältnisse vorliegen wie ohne den Meßkondensator CM.To analyze the process, the ohmic voltage drop across the partial electrolyte resistor R El2 is shown in Figure 4 as a voltage source. This is permissible, although the original current distribution is disturbed by the charging of the branch with the measuring capacitor C M , since this branch becomes currentless again after a short time, so that the same conditions then exist as without the measuring capacitor C M.

Für den Ladevorgang von CM gelten folgende Randbedingungen:The following boundary conditions apply to the loading process of C M :

Die Aufladung erfolgt exponentiell, da nur Widerstände und Kapazitäten in dem betreffenden Kreis liegen.Charging takes place exponentially, since only resistors and Capacities are in the relevant circle.

Die Zeitkonstante ist definiert durch den doppelt vorhande­ nen Einschaltwiderstand der CMOS-Schalter sowie durch die Reihenschaltung der Koppelkapazitäten CK2, CK3 und der Meßkapazität CM. Hierbei ist CK2 gleich CK3. Für die Aufla­ dezeitkonstante tM gilt folgender Zusammenhang:The time constant is defined by the double on-state on resistance of the CMOS switch and by the series connection of the coupling capacitances C K2 , C K3 and the measuring capacitance C M. Here, C K2 is equal to C K3 . The following relationship applies to the charging time constant t M :

Die bei der realisierten Schaltung erreichte Zeitkonstante tM liegt im Bereich von einigen 10 ns, so daß eine Aufladung der Meßkapazität CM innerhalb einer sehr kurzen Zeit ver­ glichen mit der Dauer der Spannungsrampe von einigen 10 µs gewährleistet ist. Den Endwert der Spannung an der Meßkapa­ zität CM erhält man aus dem kapazitiven Teilungsverhältnis der bestehenden Kondensatoren gemäß folgendem Zusammenhang: The time constant t M achieved in the implemented circuit is in the range of a few 10 ns, so that a charging of the measuring capacitance C M is ensured within a very short time compared to the duration of the voltage ramp of a few 10 μs. The final value of the voltage at the measuring capacity C M is obtained from the capacitive division ratio of the existing capacitors according to the following relationship:

Mit dieser Spannung VCMEnd steht nun ein dem Elektrolyt- Widerstand REl2 proportionales Meßsignal zur Verfügung. Durch die vorgegebenen geometrischen Verhältnisse der Meßanordnung ist der zweite Elektrolytteil-Widerstand REl2 über eine Konstante mit dem spezifischen Widerstand bzw. durch Kehrwertbildung mit dem spezifischen Leitwert des Elektrolyten verknüpft. Diese Konstante läßt sich quasi als eine "Zellenkonstante" der Anordnung auffassen.With this voltage V CMEnd , a measurement signal proportional to the electrolyte resistance R El2 is now available. Due to the predetermined geometric relationships of the measuring arrangement, the second electrolyte part resistance R El2 is linked via a constant to the specific resistance or by means of reciprocal formation with the specific conductance of the electrolyte. This constant can be understood as a "cell constant" of the arrangement.

Die zeitlichen Verläufe der Spannung am Meßkondensator CM sind in Fig. 7b dargestellt.The time profiles of the voltage across the measuring capacitor C M are shown in FIG. 7b.

Nachdem das Meßsignal auf die Meßkapazität CM übertragen worden ist, werden die Schalter S5 und S6 wieder geöffnet, wobei die Ladung auf der Meßkapazität CM erhalten bleibt (vergleiche Fig. 7a). Zur Weiterverarbeitung wird sie mittels weiterer Schalter S9 und S10 in die Schalter-Kon­ densator-Schaltung gemäß Fig. 3 eingebracht und verstärkt. Dabei gelangt die auf dem Meßkondensator CM gespeicherte Ladung auf den Rückkoppel-Kondensator CR, wobei das Kapazi­ tätsverhältnis von CM zu CR den Verstärkungsfaktor definiert. Die Ausgangsspannung VOUT steht nach jedem Ladevorgang als Ausgangswert zur Verfügung. Bei Beschaltung des Operationsverstärkers OPV als Integrator, bei dem die Spannung über den Rückkopplungskondensator CR erst nach mehreren Takten durch den elften Schalter S11 zurückgesetzt wird, kann das Ausgangssignal weiter verstärkt werden.After the measurement signal has been transmitted to the measurement capacitance C M , the switches S 5 and S 6 are opened again, the charge on the measurement capacitance C M being retained (cf. FIG. 7a). For further processing, it is introduced and amplified by means of further switches S 9 and S 10 in the switch capacitor circuit according to FIG. 3. The charge stored on the measuring capacitor C M is fed to the feedback capacitor C R , the capacitance ratio of C M to C R defining the gain factor. The output voltage V OUT is available as an output value after each charging process. When the operational amplifier OPV is connected as an integrator, in which the voltage across the feedback capacitor C R is only reset after a number of cycles by the eleventh switch S 11 , the output signal can be further amplified.

Bei der erfindungsgemäßen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung sind Polarisationseffekte ausgeschlossen, können keine Elektro­ lysevorgänge im Elektrolyten auftreten, sind Driftfehler aufgrund einer Absorption von Ionen oder einer Verschmutzung im Bereich der Meßelemente gleichfalls ausgeschlossen bzw. stark vermindert. Der Elektrolyt ist nicht auf ein festes Potential gelegt, wodurch der Anwendungsbereich der erfin­ dungsgemäßen Leitfähigkeitsmeßvorrichtung weiter vergrößert wird. Da der Elektrolyt nicht in Kontakt mit Metallen stehen muß, werden unerwünschte chemische Reaktionen, wie bei­ spielsweise katalytische Reaktionen, vermieden.In the conductivity measuring device according to the invention Polarization effects excluded, can not be electrical lysis processes occurring in the electrolyte are drift errors due to absorption of ions or pollution likewise excluded or in the area of the measuring elements greatly reduced. The electrolyte is not on a solid  Potential, which makes the scope of the inventions The inventive conductivity measuring device is further enlarged becomes. Because the electrolyte is not in contact with metals must, undesirable chemical reactions, such as for example, catalytic reactions avoided.

Claims (13)

1. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten,
mit einer Stromquellenvorrichtung (SQ, S1, S2, S3, S4), die an zwei Stromzufuhrelemente anschließbar ist, über die ein im wesentlichen rechteckförmiger Strom in die Flüssigkeit einspeisbar ist, und
mit einer an zwei Spannungsmeßelementen angeschlossenen Meßschaltung (OPV, S5 - S11, CM, CR) zum Bestimmen des Spannungsabfalles in der Flüssigkeit zwischen den Spannungsmeßelementen, welcher von der elektrischen Leitfähigkeit der untersuchten Flüssigkeit abhängt,
wobei die Meßschaltung eine Schalter-Kondensator- Schaltung ist, die einen Meßkondensator CM aufweist, der mit den Spannungsmeßelementen über eine Schalterein­ richtung S5, S6, S7, S8 in zeitlicher Abhängigkeit von dem Verlauf des im wesentlichen rechteckförmigen Stromes koppelbar und trennbar ist, nach der Deutschen Patent­ anmeldung P4113033.2-52,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromzufuhrelemente als Stromeinkoppelkonden­ satoren (CK1, CK4) ausgebildet sind.
1. Integrable conductivity measuring device for measuring the electrical conductivity of liquids,
with a current source device (SQ, S1, S2, S3, S4) which can be connected to two current supply elements, via which an essentially rectangular current can be fed into the liquid, and
with a measuring circuit (OPV, S5 - S11, CM, CR) connected to two voltage measuring elements for determining the voltage drop in the liquid between the voltage measuring elements, which depends on the electrical conductivity of the liquid under investigation,
wherein the measuring circuit is a switch-capacitor circuit having a measuring capacitor CM, which can be coupled and separated with the voltage measuring elements via a switch device S5, S6, S7, S8 depending on the course of the substantially rectangular current, after which German patent application P4113033.2-52,
characterized,
that the power supply elements as Stromeinkoppelkonden capacitors (C K1 , C K4 ) are formed.
2. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßelemente als Spannungsauskoppel­ kondensatoren (CK2, CK3) ausgebildet sind. 2. Integrable conductivity measuring device according to claim 1, characterized in that the voltage measuring elements are designed as voltage decoupling capacitors (C K2 , C K3 ). 3. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Koppel-Kondensator (CK1, CK2, CK3, CK4) als leitende Schicht (32) auf einer isolierenden Zwischen­ schicht (31), die ihrerseits auf einem Halbleiter­ substrat (30) liegt, ausgebildet ist und von einer isolierenden Oberflächenschicht (33) bedeckt ist.3. Integrable conductivity measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that each coupling capacitor (C K1 , C K2 , C K3 , C K4 ) as a conductive layer ( 32 ) on an insulating intermediate layer ( 31 ), which in turn on a Semiconductor substrate ( 30 ) lies, is formed and is covered by an insulating surface layer ( 33 ). 4. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die isolierende Oberflächenschicht (33) aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid besteht,
daß die leitende Schicht (32) aus Polysilizium besteht, und
daß die isolierende Zwischenschicht (33) aus Siliziumoxid besteht.
4. Integrable conductivity measuring device according to claim 3, characterized in that
that the insulating surface layer ( 33 ) consists of silicon oxide and silicon nitride,
that the conductive layer ( 32 ) consists of polysilicon, and
that the insulating intermediate layer ( 33 ) consists of silicon oxide.
5. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelleneinrichtung eine Gleichstromquelle (SQ) aufweist, die über einen ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) mit den Stromein­ koppelkondensatoren (CK1, CK4) in einer ersten und einer zweiten Polung verbindbar ist.5. Integrable conductivity measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the current source device has a direct current source (SQ) via a first, second, third and fourth switch (S1, S2, S3, S4) with the Stromein coupling capacitors ( C K1 , C K4 ) can be connected in a first and a second polarity. 6. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die den er­ sten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) derart ansteuert, daß sie die Stromquelle (SQ) al­ ternierend während einer ersten Zeitdauer (T1) in der ersten Polung und während einer zweiten Zeitdauer (T2) in der zweiten Polung mit den Stromeinkoppelkondensa­ toren (CK1, CK2) verbinden.6. Integrable conductivity measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a control device is provided which controls the most, second, third and fourth switches (S1, S2, S3, S4) in such a way that they control the current source (SQ ) connect alternately with the current coupling capacitors (C K1 , C K2 ) for a first time period (T1) in the first polarity and for a second time period (T2) in the second polarity. 7. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltereinrichtung (S1, S2, S3, S4) einen fünf­ ten, sechsten, siebten und achten Schalter (S5, S6, S7, S8) aufweist,
daß die Steuervorrichtung den fünften bis achten Schal­ ter (S5, S6, S7, S8) derart ansteuert, daß sie die Span­ nungauskoppelkondensatoren (CK2, CK3) während einer dritten Zeitdauer (T3) in einer ersten Polung und während einer vierten Zeitdauer (T4) in einer zweiten Polung mit dem Meßkondensator (C1) verbinden, und
daß die dritte Zeitdauer (T3) innerhalb der ersten Zeit­ dauer (T1) und die vierte Zeitdauer (T4) innerhalb der zweiten Zeitdauer (T2) liegen.
7. Integrable conductivity measuring device according to claim 6, characterized in that
that the switch device (S1, S2, S3, S4) has a fifth, sixth, seventh and eighth switch (S5, S6, S7, S8),
that the control device controls the fifth to eighth switches (S5, S6, S7, S8) in such a way that they disconnect the voltage coupling capacitors (C K2 , C K3 ) during a third period (T3) in a first polarity and for a fourth period ( Connect T4) in a second polarity to the measuring capacitor (C1), and
that the third period (T3) within the first period (T1) and the fourth period (T4) within the second period (T2).
8. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Zeitdauer (T1, T2) gleich lang sind, so daß der rechteckförmige Strom im zeitlichen Mittel keinen Gleichanteil aufweist.8. Integrable conductivity measuring device according to claim 6, characterized, that the first and second periods (T1, T2) are of equal length are so that the rectangular current in time Medium has no DC component. 9. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung eine Verstärkerschaltung (OPV, CR) aufweist, die mit dem Meßkondensator (CM) über einen neunten und zehnten Schalter (S9, S10) verbindbar ist.9. Integrable conductivity measuring device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the measuring circuit is an amplifier circuit (OPV, CR) has that with the measuring capacitor (CM) via a ninth and tenth switches (S9, S10) can be connected. 10. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung den neunten und zehnten Schal­ ter (S9, S10) derart ansteuert, daß sie die Verstärker­ schaltung (OPV, CR) während einer fünften Zeitdauer (T5), die außerhalb der dritten und vierten Zeitdauer (T3, T4) liegt, mit dem Meßkondensator (CM) verbinden.10. Integrable conductivity measuring device according to claim 3, characterized,  that the control device the ninth and tenth scarf ter (S9, S10) drives such that they the amplifier circuit (OPV, CR) for a fifth period (T5) outside of the third and fourth periods (T3, T4) is connected to the measuring capacitor (CM). 11. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung einen Rückkopplungskondensator (CR) im Rückkopplungszweig der Verstärkerschaltung (OPV, CR) aufweist.11. Integrable conductivity measuring device according to claim 9 or 10, characterized in that the measuring circuit has a feedback capacitor (CR) in the feedback branch of the amplifier circuit (OPV, CR) having. 12. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein elfter Schalter (S11) parallel zu dem Rückkopp­ lungskondensator (CR) liegt, und
daß die Steuervorrichtung den elften Schalter (S11) der­ art ansteuert, daß der Rückkopplungskondensator (CR) nach jeder fünften Zeitdauer (T5) entladen wird.
12. Integrable conductivity measuring device according to claim 11, characterized in that
that an eleventh switch (S11) lies in parallel with the feedback capacitor (CR), and
that the control device controls the eleventh switch (S11) such that the feedback capacitor (CR) is discharged after every fifth period (T5).
13. Integrierbare Leitfähigkeitsmeßvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein elfter Schalter (S11) parallel zu dem Rückkopp­ lungskondensator (CR) liegt, und
daß die Steuervorrichtung den elften Schalter (S11) der­ art ansteuert, daß der Rückkopplungskondensator (CR) nach jeweils einer Mehrzahl von Perioden (T1, T2) ent­ laden wird.
13. Integrable conductivity measuring device according to claim 11, characterized in that
that an eleventh switch (S11) lies in parallel with the feedback capacitor (CR), and
that the control device controls the eleventh switch (S11) in such a way that the feedback capacitor (CR) is discharged after each of a plurality of periods (T1, T2).
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