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Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Äthylalkoholgehaltes
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von Luft.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Athylalkoholgehaltes
von Luft, insbesondere von Atemluft, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Messung des Alkoholgehaltes von Atemluft erfolgt derzeit insbesondere
im Polizeieinsatz mit "Drägerröhrchenn, bei denen die Gegenwart von Athylalkohol
durch einen Farbumschlag von Dichromatschwefelsäure von gelb nach grün angezeigt
wird, wenn die Luft über kleine Kügelchen aus diesem Material streicht.
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Dieses Meßprinzip hat große Nachteile, da einmal der Farbumschlag
erst ab einem minimalen Alkoholgehalt von etwa 100 ppm auftritt. Weiterhin bleibt
die Verfärbungsgrenze nicht stabil, so daß keine unmittelbare Registrierung der
Messung erfolgen kann. Weiterhin kann Jedes PrUfröhrchen nur einmal verwendet werden,
so daß der Materialaufwand und damit die Kosten hoch sind.
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Als Systeme für quantitative Messungen ist der Breatherlyzer (Med.Sci.Law
2, 1961, Seite 13 ff.) bekannt, bei dem ebenfalls die Reaktion von Dichromatschwefelsäure
ausgenutzt wird, und bei dem der Farbumschlag fotometrisch ausgemessen wird. Ein
weiteres System für quantitative Messungen ist das "Alcolyzer-Intoximeter" (Blutalkohol,
Bd.9, 1t372, Seite 392 ff.), bei dem
der Alkoholgehalt durch Gaschromatografie
bestimmt wird. Die Kosten für diese Geräte sind ebenfalls hoch.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
zur DurchfUhrung dieses Verfahrens anzugeben, bei dem die Bestimmung des Alkoholgehaltes
durch die Messung einer elektrischen Größe erfolgt und das somit für eine genaue
Anzeige und eine Registrierung geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einem wie im Oberbegriff des Patentanspruches
1 angegebenen Verfahren erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches
1 angegebenen Weise gelöst.
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Gemäß der Erfindung wird vorgesehen, für den Nachweis von Alkohol
einen Halbleiter-Gassensor zu verwenden. Derartige Halbleiter-Gassensoren sind an
sich bekannt, beispielsweise aus "Analyt. Chem." 38, 1966, Seite 1069 ff., aus der
US-Patentschrift 3 903 543 sowie aus der DT-OS 2 407 110. Bevorzugt erfolgt die
Messung des Alkoholgehaltes durch Messung der Anderung des elektrischen Widerstandes
einer dünnen Schicht eines Oxidhalbleiters, insbesondere einer Schicht aus SnO2,
die bei Einwirken des Alkohols auf die Oberfläche dieser Halbleiterschicht auftritt.
Grundsätzlich kommen Jedoch auch andere nalbleiter-Gassensoren in Frage, z.B. der
"Adsorptionsfeldeffekttransistor" (vergl. US-Patentschrift 3 903 543 sowie die deutsche
Offenlegungsschrift 2 407 110), wenn bei derartigen Halbleitersensoren für die den
Feldeffekt hervorrufende Adsorptionsschicht ein Oxidhalbleiter, insbesondere SnO2,
vorgesehen wird.
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Gemäß der Erfindung wird bevorzugt als Sensorelement eine dünne Schicht
aus SnO2 verwendet, die sich auf einem thermisch gut leitenden, elektrisch isolierenden
Träger befindet. Zum Nachweis von Alkohol in der Luft wird die Widerstandsänderung
die ser dünnen Schicht festgestellt. Der von der Erfindung vorgesehene Halbleitersensor
befindet sich in einer meßkammer, die
mit einem Einlaßventil und
einem Auslaßventil sowie mit einer Pumpe zum Spülen des Kammervolumens versehen
ist. Während der Messung wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Träger, auf dem sich die Halbleiterschicht aus SnO2 befindet, auf
erhöhter Temperatur gehalten, damit eine ausreichende Regeneration der Oberfläche
der SnO2-Schicht stattfinden kann. Die Messung des Widerstandes der Halbleiterschicht
erfolgt vorzugsweise mit Wechselstrom, da eine Gleichstrommessung durch das Auftreten
von Polarisationspotentialen an den Grenzflächen verfälscht werden kann. Da bei
höheren Frequenzen, etwa ab 400 Hz, die Leitfähigkeit und damit der Grundstrom der
Halbleiterschicht stark ansteigt, wird die Widerstandsmessung der Halbleiterschicht
bevorzugt bei niedrigen Frequenzen ausgeführt. Damit die Messung nicht durch Interferenzen,
die von der Netzfrequenz, ganzzahligen Vielfachen der Netzfrequenz oder auch mit
einfachen Teilen der Netzfrequenz mit der Meßfrequenz auftreten können, verfälscht
wird und damit keine Instabilität der Anzeige auftritt, wird als Meßfrequenz ein
weder ganz- noch halbsahliges Vielfaches der Netzfrequenz, beispielsweise eine Frequenz
von 35 Hz, für die Meß'frequenz gewählt.
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Im folgenden wird die Erfindung beschrieben und anhand der in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung der zur Messung verwendeten
Vorrichtung, Fig.2 zeigt schematisch die zur Messung des Widerstandes des Halbleitersensors
verwendete Schaltung, Fig.3 zeigt schematisch die Schaltung, mit der der Halbleitersensor
beheizt wird, Fig.4 zeigt ein Schaltbild für einen die Meßfrequenz erzeugenden Generator,
Fig.5 zeigt die Schaltung des Meßkreises, mit dem der Widerstand der Halbleiterschicht
bestimmt wird, Fig.6 zeigt für ein Ausführungsbeispiel die Abhängigkeit des Widerstandes
der Halbleiterschicht von dem Alkoholgehalt
der in der Meßkammer
befindlichen Luft, Fig.7 zeigt für ein Ausführungsbeispiel die Abhängigkeit des
Widerstandes der Halbleiterschicht von der zur Erwärmung des Sensors aufgewendeten
Heizleistung W.
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In Fig.1 ist die verwendete Apparatur schematisch dargestellt.
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Sie besteht aus einer Meßkammer 1, die mit einem Einlaßventil 2 und
einem Auslaßventil 3 versehen ist. Diese Ventile sind beispielsweise Kugelventile,
die bei einem Oberdruck von etwa 10 cm Wassersäule öffnen. An die Meßkammer 1 ist
weiter eine Pumpe 4 angeschlossen, beispielsweise eine Membranvakuum-Pumpe, mit
der die Meßkammer 1 gespült werden kann. Das Volumen der Meßkammer 1 beträgt etwa
1/2 1. In der Meßkammer befindet sich der Halbleitersensor 5. Dieser Sensor besteht
aus einem Keramikröhrchen 6, insbesondere einem Al203-Röhrchen, das beispielsweise
einen Außendurchmesser von 2 mm, einen Innendurchmesser von 1 mm und eine Länge
von 1 cm besitzt. Auf der Außenseite dieses Keramikröhrchens ist eine SnO2-Schicht
7 mit einer Dicke von etwa 0,2/um abgeschieden. Diese SnO2-Halbleiterschicht ist
an beiden Enden mit einer Platinschicht 8 zum Zweck der Kontaktierung versehen.
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Durch das Innere des geramikröhrchens führt eine Heizwendel 9, beispielsweise
aus CrNi-Draht. Die kontaktierte Halbleiterschicht hat bei einer Temperatur von
beispielsweise 3000 einen Widerstand von etwa 100 Mg so daß bei Anlegen einer Spannung
von 1 Volt ein Grundstrom von etwa 10 nA fließt. Wird im Innern der Meßkammer die
Alkoholkonzentration auf etwa 100 ppm eingestellt, so vermindert sich der elektrische
Widerstand der Halbleitersehicht aus SnO2 auf35 des ursprünglichen Wertes, so daß
also der Strom durch die dünne SnO2-Schicht hindurch auf das 30ig-fache des Grundstromes
ansteigt. Diese Stromerhöhung ist ein Maß für den an der Sensoroberfläche vorherrshenden
Alkoholpartialdruck in der Meßkammer. Die Schicht aus SnO2 ist beispielsweise mit
Zn mit einer Konzentration von 102cm 3 dotiert.
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Die Fig.6 zeigt die Abhängigkeit des Stromverhältnisses r (mit 0
I
= Maximalwert des Stromes 10 = Grundwert des Stromes), also die relative Anderung
des Widerstandswertes der SnO2-Schicht in Abhängigkeit vom Alkoholpartialdruck P
für einen Sensor mit einer Zn-dotierten, amorphen dünnen Schicht aus Sn02. Näherungsweise
gilt für diesen Sensor die Gleichung
Bei sehr hohen Konzentrationen, ab etwa 500 ppm, können Sättigungserscheinungen
auftreten. Zur Messung des Widerstandes der SnO2-Schicht wird der in der Fig.5 dargestellte
Meßkreis verwendet. Die zur Messung verwendete Stromquelle 51 hat eine Frequenz
von etwa 35 Hz. Eine Schaltung für einen entsprechend ausgebildeten Oszillator zeigt
die Fig.4. Dieser Oszillator liefert am Ausgang A einen Wechselstrom mit einer Frequenz
von etwa 35 Hz. Die Heizung des Sensors mit Hilfe der Heisspirale aus einem CrNi-Draht
9 (Fig.1) erfolgt vorzugsweise mit Gleichstrom, damit keine Störfelder vorliegen,
die in der sehr hochohmigen SnO2-Schicht eine Induktion und damit Störspannungen
hervorrufen können. Die Einstellung des Heizstromes erfolgt beispielsweise mittels
eines regelbaren, in den Stromkreis geschalteten Serienwiderstandes (11).
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Der eigentliche Meßkreis zur Bestimmung des Widerstandes der SnO2-Schicht
enthält eine niederfrequente Sinusspannungsquelle 51, beispielsweise einen RC-Oszillator.
Als Schwingkreis wird eine verstimmte Wien-Robinson-FilterbrUcke verwendet (Fig.4).
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Das Ausgangssignal wird mit einem Operationsverstärker 41 verstärke.
Zur Amplitudenstabilisierung dient ein gesteuerter Widerstand, z.B. ein Feldeffekttransistor
42, der in Serie mit einem der Widerstände der Wien-Robinson-Brücke geschaltet ist.
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Damit dieser Feldeffekttransistor 42 präzise angesteuert werden kann,
wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers gleichgerichtet und einem Regelverstärker
43 zugeführt, der als PID-Regler geschaltet ist. Als Referenzspannung wird eine
Spannungsquelle
mit gegengekoppeltem Umkehrverstärker 44 verwendet,
der selbst wieder eine Referenzspannung benötigt. Diese Referenzspannung wird mit
nilfe von Zenerdioden 45 hergestellt. Das Regelsignal am Ausgang des PID-Reglers
wird dem Gate des Feldeffekttransistors 42 zugeführt. Die Frequenz und die Symmetrie
der Ausgangsspannung des Ossillators können mittels der RC- und C-Werte der Wien-Robinson-Brücke
eingestellt werden.
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Der Oszillator 51 (Fig.5) wird mit einem Potentiometer 52 abgeschlossen,
dessen Widerstandswert klein gegen den Sensorwiderstand ist. Damit wird verhindert,
daß sich Änderungen des Sensorwiderstandes auf die Amplitude des Oszillators auswirken
können. Die gewünschte Oszillatorspannung wird am Potentiometer 52 abgegriffen und
an den in Serie zu einem Widerstand 50 liegenden Sensor 5 gelegt. Der Spannungsabfall
am Serienwiderstand wird einem Präzisions-Niederfrequenz-Verstärker 53, beispielsweise
einem Elektrometerverstärker, zugeführt. Der Verstärkungsfaktor wird beispielsweise
zu 500 gewählt. Das verstärkte Signal wird einem Präzisions-Vollweg-Gleichrichter
54 zugeleitet. Zur Umschaltung des Meßbereiches können beispielsweise zu dem Anzeigeinstrument
55 Nebenwiderstände 56 zu- bzw. weggeschaltet werden. Diese Möglichkeit wird bevorzugt
angewendet, da das Anzeigeinstrument 55 durch diese Nebenwiderstände zusätzlich
gedämpft wird.
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Zur Messung wird die Meßkammer 1 zunächst mittels der Pumpe huber
das Einlaßventil 2 mit Frischluft gespült. Der Nullwert des Sensors 5 wird eingestellt.
Nach Abschalten der Pumpe 4 wird die Atemluft Uber das Einlaßventil 2 in die Meßkammer
1 eingeblasen. Mit dem Einlaßventil 2 kann der Störmungswiderstand, gegen den das
Einblasen der Atemluft erfolgen muß, eingestellt werden. Ein solcher Strömungswiderstand
ist notwendig, damit nicht nur die in der Mundhöhle befindliche Atemluft, sondern
auch Luft aus der Lunge eingeblasen wird. Bei Erreichen des vorgesehenen Uberdruckes
in der Meßkammer 1 öffnet sich das Auslaßventil 3, damit die vorher in der Meßkammer
vorhandene
Luft durch die neu nachgeführte Atemluft ersetzt werden
kann.
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Läßt der Druck der eingeblasenen Luft nach, so schließen die beiden
Ventile. Nach dem Schließen der Ventile befindet sich der Sensor 5 in einem stationären
Luft-Alkohol-Dampfgemisch und zeigt die Alkoholkonzentration an. Nach Ablesen des
Me3wertes wird die Pumpe 4 eingeschaltet, die Frischluft durch die Meßksmmer saugt
und damit die Regeneration des Sensorausgangszustandes herbeiführt. Naeh der Regeneration
kann die nächste Messung erfolgen.
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12 Patentansprüche 7 Figuren