DE2640480C2

DE2640480C2 - Meßfühler für ein Alkohol-Meßgerät

Info

Publication number: DE2640480C2
Application number: DE19762640480
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr.-Ing. 8000 München Kirmaier
Original assignee: Sachs Systemtechnik 8720 Schweinfurt De GmbH; Sachs Systemtechnik 8720 Schweinfurt GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1976-09-08
Filing date: 1976-09-08
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE2640480A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßfühler, bestehend aus einem bei Beaufschlagen mit reduzierenden Gasen seine elektrische Leitfähigkeit ändernden Material, insbesondere aus einem wenigstens ein Metalloxid enthaltenden Material, für ein die Konzentration von Alkoholdampf in die Atemluft durch Messen des elektrischen Widerstands des Materials ermittelndes Meßgerät.

Ein nach diesem Prinzip arbeitender Meßfühler ist aus der Zeitschrift »Elektronik« 1972, Heft 5, Seiten 155 und 156, bekannt. Der Meßfühler besteht aus einem Material, das bei Kontakt mit reduzierenden Gasen oder Dämpfen seinen spezifischen elektrischen Widerstand verändert. Er kann z. B. einen in der Hauptsache aus Zinnoxid·, Zinkoxid- und Eisen-lll-Oxidteilchen zusammengesinterten Körper aufweisen. In den Körper sind zwei voneinander beabstandete Elektroden eingebettet, die die Messung des elektrischen Widerstands emv »glichen. Der Widerstandswert wird durch eine an der Oberfläche des Körpers stattfindende elektrochemische Reaktion bestimmt, bei der ein elektrischer Ladungsausgleich zwischen dem Material des Körpers und den an der Oberfläche des Materials adsorbierten Molekülen stattfindet. Speziell von Bedeutung ist der an der Oberfläche adsorbierte Sauerstoff der Luft, der aus dem Halbleitermaterial des Körpers Elektronen aufnimmt und dadurch als negative Ladung adsorbiert wird. Als Folge der Adsorption nimmt jedoch die Dichte der im Halbleitermaterial frei beweglichen Leiiungselektronen ab und es entsteht eine Raumladungszone mit verminderter Leitfähigkeit.

Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, der bei konstantem Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre sowie konstanter Temperatur des Körpers (mittels eines eingebauten Heizdrahtes) zu konstanter Leitfähigkeit des Halbleitermaterials führt.

Im Gegensatz zum Sauerstoff der Luft geben reduzierende Substanzen Elektronen an das Halbleitermaterial ab. Gelangen reduzierende Gasmoleküle auf die Oberfläche des Körpers, so werden sie als positive Ladungen adsorbiert und verschieben das die elektrische Leitfähigkeit bestimmende Gleichgewicht, indem sie eine Raumladungszone höherer Elektronendichte

Ό schaffen und auf diese Weise die Leitfähigkeit erhöhen. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein, wobei die elektrische Leitfähigkeit und damit der elektrische Widerstand des Materials ein Maß für die Konzentration des reduzierenden Gases ist.

is Der bekannte Meßfühler läßt sich vorteilhaft bei der Bestimmung der Alkoholkonzentration des Bluts durch Messen der Alkoholkonzen'ration der Atemluft verwenden, wenn sichergestellt ist, daß die Alkoholkonzentration der tiefen Lungenluft gemessen wird. Ein hierfür geeignetes Meßgerät ist aus der DE-OS 24 28 352 bekannt. Da jedoch der Meßfühler nicht nur allein auf reduzierenden Alkoholdampf der Atemluft anspricht, sondern auch auf andere reduzierende Gase oder Dämpfe, können diese Gase bzw. Dämpfe das Meßergebnis verfälschen. Störend können sich z. B. die bei Diabetikern auftretenden Ketone, insbesondere Aceton, auswirken. Gleichermaßen kann das bei Mundfäulnis auftretende Methan oder Kohlenmonoxid aus Zigarettenrauch sowie Aromate nach dem Genuß von Fruchtsäften und dergleichen das Meßergebnis verfälschen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Meßfehler eines die Alkoholkonzentration in der Atemluft messenden Meßgeräts, welcher durch reduzierende Gase oder Dämpfe, die neben Alkohol in der Atemluft auftreten, hervorgerufen wird, zu vermindern bzw. zu eliminieren. Ausgehend von dem eingangs näher erläuterten Meßfühler wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Meßfühlers mit

•»ο einer Substanz beschichtet ist, die Alkohol leichter löst oder in Alkohol leichter löslich ist als in der Atemluft auftretende, das Meßergebnis verfälschende. Gase oder Dämpfe reduzierender Substanzen, insbesondere Ketone, Aceton, Methan, Kohlenmonoxid, Aromate.

Die Schicht kann hierbei so beschaffen sein, daß sie durch Alkohol gequollen, d. h. aufgeweicht wird; sie kann aber auch mit Alkohol in der Weise reagieren, daß bei der Reaktion abgegebene oder aufgenommene Elektronen die Raumladungsdichte im Material des Meßfühlers beeinflussen. Da Alkohol in jedem Fall bessere Löslichkeitseigenschaften aufweist als die in der Atemluft auftretenden Störgase bzw. Dämpfe, wird das Raumladungsgleichgewicht des Meßfühlers im wesentlichen nur noch durch den Alkoholdampf der Atemluft beeinflußt.

Als günstig hat es sich auch erwiesen, wenn die Schicht aus einer wasserlöslichen, insbesondere hygroskopischen Substanz besteht. Der in der Atemluft angereicherte Wasserdampf erleichtert die Bildung einer Lösung zwischen dem Alkohol und der Schicht.
Geeignete Substanzen sind:

/?-Alanimin,

Antrachinonsulfonsäure,
Anthranilsäure-N-benzoat,

Benzoessäure-benzylester,
Benzol-azo-naphthylamin(-2),
L-3,4-Dihydroxyphenylalanin,

e-Hydroxy-chinolincarbonsäure-iS),

Aluminiumchlorid,

Kaliumdicyanoaurat,

Bariumoxid,

Eisen-(Il)-sulfat,

Magnesiumsulfat.

Besonders gute Ergebnisse konnten mit Aluminiumchlorid, d. h. AlCI₃ · (6 H₂O) erzielt werden.

Die beigefügte Figur zeigt einen schema -ischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßfühlers. Dieser weist einen Sinterkörper 1 auf. in den zwei voneinander beabstandete Elektroden 3,5 zu:n Messen der elektrischen Leitfähigkeit des Sin-erkörpers 1 eingebettet sind. Der Sinterkörper 1 ist im wesentlichen aus Zinnoxid-, Zinkoxid- und Eisen-III-Oxidieilchen zusammengesintert. Dieses Material hat halbleitende Eigenschaften, wobei seine Leitfähigkeit durch an seiner Oberfläche adsorbierte oxidierende bzw. reduzieiv-nde Gase und Dämpfe beeinflußt wird. Oxidierende Substanzen verringern die Leitfähigkeit, da sie dem Sinterkörper 1 freie Leitungselektronen entziehen; reduzierende Substanzen erhöhen die Leitfähigkeit. Es stellt sich ein vom Panialdruck der Gase sowii von der Temperatur abhängiges Gleichgewicht ein. Durch eine weiterhin in den Sinterkörper 1 eingebettete Heizspirale 7 kann das Gleichgewicht verschoben werden, etwa indem nach einer Messung die Temperatur des geheizten Sinterkörper«, erhöht und adsorbierte reduzierende Gase dadurch wieder schneller desorbiert werden. Gegebenenfalls können die Elektroden 3, 5 als Heizspiralen ausgebildet sein.

ίο Um zu erreichen, daß der Meßfühler quasi spezifisch auf Alkoholdämpfe anspricht, ist er mit einer dünnen, ijegebenenfalls porösen Schicht 9 aus Aluminiumchiorid AlCl₃.6 H₂O) 'überzogen. Die Schicht 9 hat die Eigenschaft, daß sie mit Alkohol zusammen leichter Lösungen bildet als mit anderen reduzierenden Gasen der Atemluft, wie z. B. Ketonen, insbesondere Aceton, sowie Methan, Kohlenmonoxid, und Aromaten.

In der Atemluft von Diabetikern kann das Verhältnis Aceton zu Äthanol etwa 1 :5 betragen. Die Ansprechempfindlichkeit des Meßfühlers läßt sich für Aceton ohne weiteres auf 'A₀ des beim unbeschichteten Sinterkörper sich ergebenden Werts senken, so daß insgesamt gesehen der durch Aceton verursachte Meßfehler vernachlässigt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Ergänzungsblatt zur Patentschrift 26 40

Int. Cl.: G 01 N 33/4«

Veröffentlichungstag: 2.9.82

Neuer Beschreibungsteil
(einzufügen in Sp. 2, nach Z. 31 der PS)

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Aus der DE-OS 24 07 110 ist ein Halbleilersensor vom Fcldeffekt-Typ Tür gasförmige und/oder flüssige Substanzen bekannt. Der Sensor umfaßt einen Halbleiterkörper, welcher im Abstand voneinander Drain- und Sourceelektroden aus einem Halbleitermaterial vom entgegengesetzten Leitfä'higkeilstyp trägt. Der Feldeflektkanal zwischen den Elektroden ist von einer reaktiven Adsorptionsschicht aus organischem Material bedeckt, die die zu messenden Gase adsorbiert. Reaktionen in der reaktiven Adsorptionsschicht bewirken Potentialänderungen in dem FeldefTektkanal und steuern den Drainstrom. Der reaktiven Adsorptionsschicht kann zur Erhöhung der Selektivität ein Membranfilter vorgeschaltet sein. In der DE-OS 24 07 110 ist jedoch nicht das Problem angesprochen, einen Sensor vom Metalloxid-Typ, dessen elektrische Leitfähigkeit durch reduzierende Gase oder Dämpfe geändert wird, für Atemalkoholdampf selektiv zu gestalten.

Schließlich ist aus der DE-OS 23 36 985 ein Meßaufnehmer zur Messung des Sauerstoffpartialdruckes in Flüssigkeiten bekannt, dessen Meßoberfläche durch eine Kunststoffmembran geschützt ist, die lediglich für die zu messenden Gase, nicht jedoch für Wasserdurchlässig ist.

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Claims

1 Patentansprüche:

1. Meßfühler, bestehend aus einem bei Beaufschlagen mil reduzierenden Gasen seine elektrische Leitfähigkeil ändernden Material, insbesondere aus einem wenigstens ein Metalloxid enthaltenden Material, für ein die Konzentration von Alkoholdampf in der Atemluft durch Messen des elektrischen Widerstands des Materials ermittelndes Meßgerät, dadurch gekennzeichnet, daß seine Oberfläche mit einer Substanz beschichtet ist, die Alkohol leichter löst oder in Alkohol leichter löslich ist als in der Atemluft auftretende, das Meßergebnis verfälschende, Gase oder Dämpfe reduzierender Substanzen, insbesondere Ketone, Aceton, Methan, Kohlenmonoxid, Aromate.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz wasserlöslich ist.

3. MelMühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz hygroskopisch ist.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) aus jS-Alanimin und/oder Antrachinonsulfonsäure und/ oder Anthranilsäure-N-benzoat und/oder Benzoessäure-benzylester und/oder Benzol-azonaphthylamin(-2) und/oder L-3,4- Dihydroxyphenylalanin und/ oder 8-Hydroxy-chinolincarbonsäure-(5) und/oder Kaliumdicyanoaurat und/oder Bariumoxid und/oder Eisen-(ll)-sulfat und/oder Magnesiumsulfat und/ oder vorzugsweise Aluminiumchlorid besteht.