DE69722926T2

DE69722926T2 - Vorrichtung und verfahren zur feststellung eines fluids

Info

Publication number: DE69722926T2
Application number: DE69722926T
Authority: DE
Inventors: Jonathan Mirfield CLEMENTS; Robert Otley CHANDLER
Original assignee: BLOOD HOUND SENSORS Ltd
Current assignee: Roboscientific Ltd
Priority date: 1996-04-27
Filing date: 1997-04-28
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2017-04-29
Also published as: ATE243318T1; WO1997041430A1; GB9608774D0; EP0895595B1; EP0895595A1; DE69722926D1; AU2645397A; US6317696B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Feststellung bzw: zum Erfassen von Fluiden und betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen von Fluiden durch Überwachung der Änderung im elektrischen Verhalten eines Sensors bei Anwesenheit solcher Fluide. Mit „Fluiden" sind Samples bzw. Proben von Flüssigkeit und/oder Gas und/oder Dampf und Kombinationen und/oder Mischungen derselben gemeint.
Es sind viele Materialen bekannt, die bei Anwesenheit von Gasen, primär als Resultat von Oberflächenphänomenen an der Fluid/Material-Grenzfläche, Änderungen im elektrischen Verhalten erfahren, die zur Bereitstellung charakteristischer Information zum Identifizieren des die elektrische Änderung verursachenden Gases verwendet werden können.
Aus dem UK-Patent GB 2203553 geht ein Gassensor hervor, bei dem eine Schicht aus halbleitendem organischen Polymer wie beispielsweise Polypyrrol einem alternierenden elektrischen Signal im Frequenzbereich von 1 MHz bis 500 MHz unterworfen wird, dessen Frequenz dann variiert wird, wobei die Variation in Impedanzcharakteristiken der organischen Polymerschicht bei Anwesenheit eines zu detektierenden bzw, erfassenden Gases als eine Funktion der Frequenz erhalten wird. Diese Variation im elektrischen Verhalten als eine Funktion der Frequenz kann dann zum Identifizieren der Anwesenheit eines speziellen Gases verwendet werden.
Die obige Anordnung leidet an einer Zahl von Nachteilen, darunter, dass die involvierte Frequenzabtasttechnik zeitraubend und die notwendige Hardware teuer ist. Außerdem wird, obgleich der zu den Änderungen im elektrischen Verhalten des Sensors führende exakte Mechanismus nicht voll verstanden ist, angenommen, dass sie aus vielen komplexen und interre lierten Faktoren resultieren, die während des Verlaufs des Frequenzabtastprozesses variieren können und somit die Reproduzierbarkeit von Messungen begrenzen, und die wiederum die Genauigkeit, mit denen Gase erfasst werden können, begrenzen können.
Aus Sensors and Actuators B, 8 (1992), 187–189 geht ein Gasabtastverfahren hervor. An den Heizapparat eines Gassensors wird ein Wechselstrom- bzw. AC-Signal sehr niedriger Frequenz (F: 0,02 Hz) angelegt. Wenn die Temperatur des Gassensors ansteigt, werden typischerweise über eine Periode von 50 Sekunden wiederholt Messungen des Gleichstrom – bzw. DC-Wiederstandes des Gassensors gemacht. Von diesen DC-Messungen wird eine Fourier-Transformation genommen, von der das in Kontakt mit dem Gassensor stehende Gas identifiziert wird.
Aus dem US-Patent 4 399 684 geht ein ähnliches Gas-Identifikationsverfahren hervor. Ein Gassensor wird in Anwesenheit des Gases thermisch zyklisiert. Von der Leitfähigkeit des Sensors während der thermischen Zyklisierung werden DC-Messungen gemacht und das Gas von der resultierenden Leitfähigkeit-gegen-Zeit-Kurve identifiziert.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung suchen die obigen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines oder mehrerer Fluide bereitgestellt, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Sensoreinrichtung mit elektrischen Eigenschaften, die von der Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Fluide abhängen, eine elektrische Anregungseinrichtung zum Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Anregungsimpulse an die Sensoreinrichtung, wobei jeder Impuls eine Dauer von im Wesentlichen 1 μs bis 1 ms aufweist, eine Detektoreinrichtung zum Detektieren bzw. Erfassen des elektrischen Verhaltens der Sensoreinrichtung als Reaktion auf die elektrische Anregungseinrichtung, und eine Transformationseinrichtung zum Transformieren eines Ausgangssignals der Detektoreinrichtung aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, um die elektrischen Eigenschaften der Sensoreinrichtung als eine Funktion der Frequenz über einem bzw. einen vorgegebenen Frequenzbereich zustimmen.
Das Transformieren eines Ausgangssignals der Detektoreinrichtung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich hat den Vorteil, dass die elektrischen Eigenschaften der Sensoreinrichtung über dem ganzen vorbestimmten Frequenzbereich viel schneller als im Fall des Standes der Technik bestimmt werden können. Außerdem wird, obgleich der Änderungen im Verhalten der Sensoreinrichtung verursachende exakte Mechanismus nicht voll verstanden ist, angenommen, dass die Absorptions- und Desorptionskinetik des Fluids in der Sensoreinrichtung eine zweckdienliche charakteristische Information über die Probe bereitstellt, und dass eine schnelle Abtastgeschwindigkeit zur Gewinnung dieser Information wünschenswert ist. Die vorliegende Erfindung hat deshalb den Vorteil, dass die schnellere Abtastgeschwindigkeit die Qualität der ableitbaren Information im Vergleich zum Stand der Technik steigert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung einen oder mehrere Messwertaufnehmer auf, von denen jeder ein Paar Elektroden und eine oder mehrere Schichten eines Materials mit elektrischen Eigenschaften, die von der Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Fluide abhängen, aufweist.
Die oder jede Schicht kann aufweisen: einen oder mehrere Ladungsübertragungs-Komplexe/elektrisch leitfähige Salzverbindungen, elektrisch leitfähige Polymere und Polymerverbindungen, chemo-resistive Halbleiter, diskotfsche Flüssigkristalle, Leiter und Halbleiter auf Polymerbasis, piezo-elektrische Materialien, Lipide, biologische Moleküle bzw. biologische Lipidmoleküle, Einschlussmaterialien, organometallische Materialien, metallische organische bzw. metallo-organische Verbindungen, Langmuir-Blodgett-Filme und/oder Aminosäuren.
Die Elektroden des oder jedes Messwertaufnehmers kann einen Körperabschnitt mit mehreren Vorsprüngen, die zwischen entsprechende Vorsprünge der anderen Elektrode gesetzt sind, aufweisen.
Die Bereitstellung zwischengesetzter (d. h. ineinandergreifender) Elektrodenvorsprünge hat den Vorteil, dass gleichzeitig mit einem großen aktiven Oberflächenbereich für sowohl das Elektroden/Sensor-Material als auch die Sensormaterial/Fluid-Grenzfläche eine kompakte Elektrodenpaarkonstruktion bereitgestellt ist, was wiederum erlaubt, dass die resultierende elektrische Änderung mit einem gegenüber dem Fall des Standes der Technik signifikant verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis aufgezeichnet wird.
Die zwischengesetzten Elektroden können einen gegenseitigen Abstand von im Wesentlichen 0,5 μm bis im Wesentlichen 50 μm aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dicke jeder Schicht bis zu im Wesentlichen 1 μm.
Die Bereitstellung eines oder mehrerer Impulse kurzer Dauer hat den Vorteil, dass die Anregung einer Probe über einer breiten Frequenzbandbreite ermöglicht ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform legt die Anregungseinrichtung einen oder mehrere erste elektrische Impulse an die Sensoreinrichtung an und legt danach bzw. anschließend einen oder mehrere zweite elektrische Impulse an, wobei der oder jeder zweite Impuls eine höhere Leistung und eine kürzere Dauer als jeder erste Impuls aufweist.
Dies hat den Vorteil, dass ein Teil des interessierenden Spektrums bei einer gewählten Frequenz mit einem Impuls niedrigerer Leistung und langer Dauer „vorangeregt" und dann das ganze Spektrum mittels eines Impulses höherer Leistung und kurzer Dauer überwacht werden kann.
Außerdem werden durch Bereitstellen elektrischer Kurzimpuls-Signale der Sensoreinrichtung die Effekte von Oxidation, Kriechwegbildung und elektrischem Durchschlag bzw, innerer Betriebsstörung in der Sensoreinrichtung reduziert.
Die Transformationseinrichtung transformiert vom Zeitbereich in den Frequenzbereich vorzugsweise mittels einer Integraltransformation und vorzugsweise mittels einer linearen Integraltransformation.
Die Ausführung einer Integraltransformation hat den Vorteil, dass ein Mittelungsverfahren verwendet ist, das die Vorrichtung weniger empfindlich für asynchrones Systemrauschen macht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Integraltransformation eine Fourier-Transformation.
Die Transformationseinrichtung transformiert vom Zeitbereich in den Frequenzbereich vorzugsweise mittels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT).
Dies hat den Vorteil, dass ein bequemes und gut etabliertes Verfahren zur Gewinnung einer Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich verwendet werden kann, und dass Berechnungen typischerweise in weniger als einer Sekunde nach Anlegen eines einzelnen Impulssignals an die Sensoreinrichtung ausgeführt werden und auf diese Weise beträchtliche Abtastgeschwindigkeitsvorteile gegenüber dem Stand der Technik offeriert werden. Außerdem können wegen der weiten Verfügbarkeit von Einrichtungen zur Ausführung schneller Fourier-Transformations-Operationen (FFT-Operationen) die notwendigen Transformationen bequem und relativ billig ausgeführt werden.
Vorzugsweise transformiert die Transformationseinrichtung vom Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels einer diskreten Fourier-Transformation.
Die Vorrichtung weist ferner vorzugsweise eine Tiefpass-Filtereinrichtung zum Entfernen hoher Frequenzkomponenten aus der Anregungseinrichtung auf.
Dies hat den Vorteil einer Minimierung von Fehlern, die als Resultat eines Aliasings, das in der schnellen Fourier-Transformations-Operation (FFT-Operationz) auftreten kann, auftreten können.
Die Transformationseinrichtung kann auf das Ausgangssignal der Erfassung in Realzeit ein Glättungsfenster anwenden, um die spektralen Charakteristiken des Ausgangssignals zu verbessern. Das Fenster kann ein Blackman- oder Hanning- oder Hammingfenster sein.
Die Vorrichtung weist ferner vorzugsweise eine Identifikationseinrichtung zum Identifizieren einer oder mehrerer Fluidkomponenten aus dem Ausgangssignal der Transformationseinrichtung auf.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren bzw. Erfassen eines oder mehrer Fluide bereitgestellt, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Anregungsimpulse an eine Sensoreinrichtung, die jeweils eine Dauer von im Wesentlichen 1 μs bis 1 ms aufweisen, wobei die Sensoreinrichtung elektrische Eigenschaften aufweist, die von der Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Fluide abhängen, Detektieren bzw. Erfassen der elektrischen Reaktion der Sensoreinrichtung auf das Anlegen des oder jedes Impulses, und Transformieren der erfassten Reaktion aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, um die elektrischen Eigenschaften der Sensoreinrichtung als Funktion der Frequenz über einem bzw. einen vorgegebenen Frequenzbereich vorzusehen.
Das Verfahren kann ferner aufweisen: Anlegen eines oder mehrerer erster Impulse an die Sensoreinrichtung und nachfolgendes bzw. anschließendes Anlegen eines oder mehrerer zweiter Impulse, wobei jeder zweite Impuls eine höhere Leistung und eine kürzere Dauer als der oder jeder erste Impuls aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Transformationsschritt das Anwenden einer Integraltransformation auf.
Die Integraltransformation kann eine lineare Integraltransformation sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die-Integral- transformation eine Fourier-Transformation, Der Transformationsschritt wird varzugsweise mittels eines Algorithmus der schnellen Fourier-Transformation (FFT) ausgeführt.
Das Verfahren weist vorzugsweise ferner den Schritt eines Tiefpassfilterns höherer Frequenzkomponenten des Eingangs bzw. Eingangssignals der Sensoreinrichtung auf.
Das Verfahren weist ferner vorzugsweise den Schritt des Identifizierens einer oder mehrerer Fluidkomponenten aus der in den Frequenzbereich transformierten Reaktion der Sensoreinrichtung auf.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft und nicht in irgendeiner einschränkenden Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 einen die vorliegende Erfindung verkörpernden Gassensor zeigt;
2 eine detaillierte Darstellung eines Messwertaufnehmers der Vorrichtung nach 1 ist;
3 eine elektrische Ersatzschaltung zum Messwertaufnehmer nach 2 ist;
4 ein durch Verwendung der Vorrichtung nach 1 erhaltenes Frequenzspektrum zeigt; und
5 eine grafische Darstellung einer unter Verwendung der Vorrichtung nach 1 erhaltenen Konzentrationsabhängigkeit ist.
Unter detaillierter Bezugnahme auf die 1 weist ein Gassensor 1 eine Sample- bzw. Probenkammer 2 auf, die ein (in 1 nicht gezeigtes) Array von Messwertaufnehmern enthält, von denen ein einzelner Messwertaufnehmer 3 in 2 detailliert gezeigt ist und bei denen jeweilige Eingänge mit einem Signalgenerator 4 verbunden sind. Mit der Probenkammer 2 ist ein Gaseinlass 5 zum Zuführen einer zu identifizierenden Gasprobe sowie eines oder mehrerer Testgase zum Kalibrieren der Vorrichtung 1 verbunden.
Das Array aus Messwertaufnehmern 3 ist mit einem Eingang eines Hochgeschwindigkeits-Speicheroszilloskops 6 verbunden, welches das elektrische Ausgangssignal des Arrays aus Messwertaufnehmern 3 im Zeitbereich detektiert bzw. erfasst. Jeder der Messwertaufnehmer 3 kann so aufgebaut sein, dass er auf die Anwesenheit eines anderen Gases anspricht bzw. reagiert. Das Ausgangssignal des Oszilloskops 6 wird in einen Computer 7 eingegeben, der das Ausgangssignal des Oszilloskops mittels eines Algorithmus der schnellen Fourier-Trans formation (FFT) vom Zeitbereich in den Frequenzbereich transformiert und auf diese Weise bei einer geeigneten Anzeigeeinheit 8 ein Ausgangssignal bereitstellt, das die elektrischen Charakteristiken der Messwertaufnehmer 3 als eine Funktion der Frequenz über einem vorbestimmten Frequenzbereich anzeigt.
Auf die 2 bezugnehmend weist jeder Messwertaufnehmer 3 ein Paar Elektroden 9 mit ineinandergreifenden aktiven Elementen 10 auf, die einen Abstand von generell 4 μm aufweisen und durch geeignete Verfahren wie beispielsweise Lösungsbzw. Foliengießen mit einem dünnen Film einer Dicke von generell 5,0 μm eines Materials, dessen elektrisches Verhalten (d. h. Impedanz) bei der Anwesenheit eines oder mehrerer zu erfassender Gase ändert, beschichtet sind. Das Material bei der vorliegenden Ausführungsform ist der diskotische Flüssigkristall 1-Nitro 2, 3, 6, 7, 10, 11 -Hexa(Hexyloxy)-Triphenylen (HAT 6-NO₂) mit der folgenden chemischen Formel:
Der diskotische Flüssigkristall HAT 6-NO₂ ist bei Raumtemperatur in seiner flüssigkristallinen Phase.
Der 2 ist zu entnehmen, dass die elektrischen Charakteristiken des Messwertaufnehmers 3 sowohl resistive als auch kapazitive Merkmale bzw. Eigenschaften aufweist, die zur Impedanz des Gassensors 1 als Ganzes beitragen und die beide sich ändern, wenn die als ein Dialektrikum wirkende HAT 6-NO2-Schicht einem zu erfassenden Gas ausgesetzt wird. Jedoch wird in der Desorptionsstufe auch angenommen, dass Moleküle mit unterschiedlichen Raten desorbieren und resorbieren, was induktive Eigenschaften hervorruft. Demgemäss kann der Mess- wertaufnehmer 3 nach 2 durch die in 3 gezeigte elektrische Ersatzschaltung dargestellt werden. Absorption und Desorption eines Gases im Sensormaterial beeinflusst sowohl die resistiven als auch reaktiven (das heißt kapazitiven und induktiven) Komponenten der gesamten Impedanzcharakteristik des Sensors, die sich in einem elektrischen Impedanzresultat in einer charakteristischen Signatur eines sowohl im Zeit- als auch Frequenzbereich zu erfassenden besonderen Gases ändert. Überdies ermöglichen der große aktive Bereich des Sensors und der relativ hohe Widerstand des Abtastmaterials, dass die Vorrichtung bei Frequenzen unter 1 MHz betrieben und abgefragt wird, was die Anwendung eines Standardkomponenten aufweisenden und Niedrigfrequenztechniken verwendenden elektronischen Abtast- bzw. Sampling- bzw. Probensystems erlaubt.
Wie es von Fachleuten verstanden wird, kann zur Umwandlung von im Zeitbereich gesammelten Daten in den Frequenzbereich im Prinzip jede von mehreren Integraltransformationen für eine nachfolgende Analyse verwendet werden. Beispiele solcher Integraltransformationen sind Laplace-Transformationen, Fourier-Transformationen, Hankel-Transformationen, Mellin-Transformationen, Hartley-Transformationen, Abel-Transformationen, Hilbert-Transformationen, Hardamard-Transformationen und Z-Transformationen, Es kann zur Messung einer Systemübertragungsfunktion jede beliebige Zeitbereichanregung verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Anregung angewendet und die Reaktion über einer ausreichend langen Zeit aufgezeichnet wird, um die Transformationen über dem gewünschten Frequenzband zu vollenden. Infolgedessen können generell alle Potential- und Stromstufen und -impulse wie beispielsweise Rechteckwelle, Sägezahnwelle, Dreieckwelle und verschiedene Rauschanregungen verwendet werden. Bei der Gewinnung der Übertragungsfunktion als eine Funktion der Frequenz aus der Reaktion des Systems zu einer beliebigen Zeitbereichperturbation werden zwei Datenmanipulationsstufen involviert, das heißt die Eingabe- und Reaktionsfunktion muss in einem interessierenden Zeitintervall abgetastet und aufgezeichnet wer den, und dann müssen die jeweilige Transformation berechnet und das Komplexverhältnis kalkuliert werden.
Es ist auch für den Fachmann zu erkennen, dass elektrische Impulse die generelle Eigenschaft aufweisen, dass, obgleich sie von einem Oszillator bei einer einzelnen speziellen Frequenz betrieben werden können, sie Anregungen über einem Bereich von Frequenzen erzeugen, deren Bandbreite umgekehrt proportional zur Impulsdauer ist. Die Übertragungsfunktion des Sensors 1 bei Anwesenheit eines zu erfassenden Gases kann auf diese Weise unter Verwendung einer Zeitbereichstechnik, gefolgt von der Anwendung einer lineare Integraltransformations-Korrelationsanalyse, mittels des Computers 7 schnell bestimmt werden. Bei der gezeigten Ausführungsform wird dies mittels schneller Fourier-Transformationen (FFT) ausgeführt, da diese ein bequemes und gut etabliertes Verfahren zur Gewinnung einer Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich sind und typischerweise in weniger als einer Sekunde nach einem an den Gassensor angelegten einzelnen Impulssignal berechnet werden können. Überdies erlaubt die Verwendung von linearen Integraltransformationen, dass viele Elemente eines Systems addiert und im Frequenzbereich gleichzeitig analysiert werden, was umgekehrt erlaubt, dass eine Zusammensetzung von einem oder mehreren Sensormaterialien, die auf unterschiedliche Gase reagieren, zusammen mit einer oder mehreren Elektroden verbunden werden, um ein elektronisches Analysesystem zu bilden. Die von verschiedenen Referenzfluiden und Sensoren resultierende eindeutige Übertragungsfunktion kann dann im Computer 7 zum Vergleich mit anderen Referenzproben oder unbekannten Proben gespeichert und digital aufgezeichnet werden. Es wird nun die Operation der in den 1 und 2 gezeigten Vorrichtung beschrieben.
Eine zu analysierende Gasprobe wird über den Gaseinlass 5 in die Probenkammer 2 eingegeben, so dass die Fluidprobe entweder im Gleichgewicht mit der Oberfläche jedes der Messwertaufnehmer 3 ist oder dynamisch über diese Oberfläche fließt. Der Signalgenerator 4 legt dann einen Rechteckimpuls von 1 μs Dauer, die einer Anregungsbandbreite von annähernd 1 MHz entspricht, an die Messwertaufnehmer 3 an. Die elektrische Reaktion des Arrays aus Messwertaufnehmern wird dann erfasst und in einem Hochgeschwindigkeits-Speicheroszilloskop 6 gespeichert und in den Computer 7 eingegeben, in welchem der schnelle Algorithmus der schnellen Fourier-Transformation (FFT) ausgeführt wird.
Die Länge des Arrays schneller Fourier-Transformationen (FFT) des Computer 7 beträgt 2ⁿ Wörter, was bei der obigen Ausführungsform gleich 4096 Wörter ist, und wird über 10 ms gesammelt. Als Resultat ist die niedrigste zugreifbare Frequenz gleich 100 Hz, und die höchste Frequenz, für die eine komplette Phasen- und Amplitudeninformation verfügbar ist,
obgleich es möglich ist, den Frequenzbereich durch Anwenden der Transformation auf sukzessive Segmente auf viel mehr Größenordnungen zu erweitern. Das Ausgangssignal des Computers 7 stellt dann die Frequenzbereichsreaktion des Sensors 1 bei der Anzeige 8 bereit.
Mittels einer dem Fachmann bekannten geeigneten Korrelationstechnik wie beispielsweise Fuzzy-Logik oder einem Algorithmus künstlicher Intelligenz kann ein vorbestimmter Korrelationsgrad zwischen dem Frequenzbereichsausgangssignal des Computers 7 und einem oder mehreren Referenzwerten erhalten werden, um die Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Gase zu identifizieren.
Die 4 zeigt ein unter Verwendung der Vorrichtung nach den 1 und 2 erhaltenes Frequenzspektrum von 50/50 Ethanol-Benzol, dem zu entnehmen ist, dass im Spektrum aufgrund der Anwesenheit des zu identifizierenden Gases zwei Resonanzen auftreten.
Wie in der 5 gezeigt hängt die Position dieser zwei Resonanzen von der Konzentration ab, und die zwei Spitzen weisen eine sehr unterschiedliche Konzentrationsabhängigkeit auf. Die Größe der in 4 gezeigten Resonanzen, die absolute Frequenzverschiebung und das Verhältnis der Änderung der Verschiebung mit der Konzentration des Gases sind alles Charakteristiken des speziellen Gases und können somit bei seiner Erfassung und Identifikation verwendet werden.
Als ein Resultat der im Vergleich zum Stand der Technik verbesserten Abtastgeschwindigkeit und reduzierten Empfindlichkeit auf Rauschen kann die Vorrichtung 1 nach den 1 und 2 als Teil eines kontinuierlichen Überwachungsprozesses als Teil einer Rückkopplungssteuerschleife beispielsweise in Nahrungsmittel- und/oder chemischen Produktionslinien verwendet werden.
Der Fachmann erkennt, dass die obige Ausführungsform nur beispielhaft und nicht in irgendeiner einschränkenden Weise beschrieben worden ist und dass verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung möglich sind, ohne den durch die beigefügten Ansprüche definierten Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung Flüssigkeiten und Flüssigkeiten/Gas-Gemische ebenso wie Gase erfassen.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines oder mehrerer Fluide, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Sensoreinrichtung (1) mit elektrischen Eigenschaften, die von der Anwesenheit und/oder Kanzentrationen eines oder mehrerer Fluide abhängen, eine elektrische Anregungseinrichtung (4) zum Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Anregungsimpulse an die Sensoreinrichtung (1), wobei jeder Impuls eine Dauer von im wesentlichen 1 μs bis 1 ms aufweist, eine Detektoreinrichtung (6) zum Erfassen des elektrischen Verhaltens der Sensoreinrichtung (1) als Reaktion auf die elektrische Anregungseinrichtung (4), und eine Transformationseinrichtung (7) zum Transformieren eines Ausgangssignals der Detektoreinrichtung (6) aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, um die elektrischen Eigenschaften der Sensoreinrichtung (1) als eine Funktion der Frequenz über einen vorgegebenen Frequenzbereich zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Sensoreinrichtung (1) einen oder mehrere Messwertaufnehmer (3) aufweist, von denen jeder ein Paar Elektroden (9, 10) und eine oder mehrere Schichten eines Materials mit elektrischen Eigenschaften, die von der Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Fluide abhängen, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die oder jede Schicht aufweist: einen oder mehrere Ladungsübertragungs-Komplexe / elektrisch leitfähige Salzverbindungen, elektrisch leitfähige Polymere und Polymerverbindungen, chemo-resistive Halbleiter, diskotische Flüssigkristalle, Leiter und Halbleiter auf Polymerbasis, piezo-elektrische Materialien, biologische Lipidmoleküle, Einschlussmaterialien, Porphyrine und verwandte Verbindungen, organometallische Materialien, metallische organische Verbindungen, Langmuir-Blodgett-Filme oder Aminosäuren.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher die Elektroden des oder jedes Messwertaufnehmers (3) einen Körperabschnitt mit mehreren Vorsprüngen, die zwischen entsprechende Vorsprünge der anderen Elektrode gesetzt sind, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die zwischengesetzten Elektroden vorzugsweise einen gegenseitigen Abstand von im wesentlichen 0,5 μm bis im wesentlichen 50 μm besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welcher die Dicke jeder Schicht. bis zu im wesentlichen 1 μm beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Anregungseinrichtung (4) einen oder mehrere erste elektrische Impulse an die Sensoreinrichtung (1) anlegt und anschließend einen oder mehrere zweite elektrische Impulse anlegt, wobei der oder jeder zweite Impuls eine höhere Leistung und eine kürzere Dauer als der oder jeder erste Impuls besitzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Transformationseinrichtung (7) aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels einer Integraltransformation transformiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Transformation eine lineare Integraltransformation ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei welcher die integrale Transformation eine Fourier-Transformation ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Transformationseinrichtung (7) aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) transformiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Tiefpass-Filtereinrichtung zum Entfernen hoher Frequenzkomponenten aus der Anregungseinrichtung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Identifikationseinrichtung zum Identifizieren einer oder mehrerer Ftuidkomponenten aus dem Ausgangssignal der Transformationseinrichtung.
Verfahren zum Erfassen eines oder mehrerer Fluide, wobei das Verfahren aufweist: Anlegen eines oder mehrerer elektrischer Anregungsimpulse an eine Sensoreinrichtung (1), die jeweils eine Dauer von im wesentlichen 1 μs bis 1 ms aufweisen, wobei die Sensoreinrichtung (1) elektrische Eigenschaften besitzt, die von der Anwesenheit und/oder Konzentration eines oder mehrerer Fluide abhängen, Erfassen der elektrischen Reaktion der Sensoreinrichtung auf das Anlegen des oder jedes Impulses, und Transformieren der erfassten Reaktion aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich, um die elektrischen Eigenschaften der Sensoreinrichtung (1) als Funktion der Frequenz über einen vorgegebenen Frequenzbereich vorzusehen.
Verfahren nach Anspruch 14, mit dem Anlegen eines oder mehrerer erster Impulse an die Sensoreinrichtung (1) und dem anschließenden Anlegen eines oder mehrerer zweiter Impulse, wobei jeder zweite Impuls eine höhere Leistung und eine kürzere Dauer als der oder jeder erste Impuls aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei welchem der Transformationsschritt das Anwenden einer Integraltransformation aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem die Transformation eine lineare Integraltransformation ist.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei welchem die Integraltransformation eine Fourier-Transformation ist.
Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem der Transformationsschritt vorzugsweise mittels eines Algorithmus der schnellen Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, ferner mit dem Schritt des Tiefpassfilterns höherer Frequenzkomponenten des Eingangs der Sensoreinrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, ferner mit dem Schritt des Identifizierens einer oder mehrerer Fluidkomponenten aus der in den Frequenzbereich transformierten Reaktion der Sensoreinrichtung.