DE69901701T2

DE69901701T2 - Vorrichtung zur bestimmung der wasserqualität mit einem sensorwafer, der zwischen o-ringen gehalten wird

Info

Publication number: DE69901701T2
Application number: DE69901701T
Authority: DE
Inventors: John William Proctor; David Robert Vincent; Stuart Ward
Original assignee: Siemens PLC
Current assignee: Censar Technologies Inc
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2019-03-12
Also published as: GB9905472D0; GB2335277A; DE69901701D1; WO1999046587A1; US6523426B1; EP1070245A1; GB2335277B; EP1070245B1; GB9805014D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wasserqualität. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte mechanische Aordnung für eine Vorrichtung zur Messung der Wasserqualität.
Die Verwendung mehrerer auf einem einzelnen Wafer aufgebrachter elektrochemischer Sensoren zur Messung einer Vielzahl von Parametern einer Flüssigkeitsprobe ist wohlbekannt. Die US-A-5,120,421 offenbart einen elektrochemischen Sensor, der mehrere auf einem Substrat ausgebildete Anordnungen aus einer Vielzahl von Elementen umfaßt, wobei der Sensor in eine Lösung eingetaucht wird, um in einer solchen Lösung vorhandene elektroaktive Elemente oder Verbindungen zu erfassen.
Der Hauptvorteil dieser Art von Sensor besteht darin, daß er eine Vielzahl von Parametern einer Flüssigkeitsprobe messen kann. Außerdem ist er klein, kostengünstig herzustellen und einmal verwendbar. Ein Hauptverwendungszweck solcher Sensoren sind On-line-Messungen, die in einem Wasserleitungsrohr vorgenommen werden, so daß es nicht mehr notwendig ist, eine Probe zu nehmen und zur Analyse ins Labor zu schicken, was kostspielig und zeitraubend ist und oft zu beachtlichen Fehlern in der Meßgenauigkeit führt.
Um On-line-Messungen, d. h. In-situ-Messungen, durchführen zu können, muß der Sensor mit dem Wasser in dem Rohr in Berührung kommen. Dies wird durch ein bekanntes Verfahren erzielt, bei dem eine speziell ausgelegte mechanische Vorrichtung an dem Wasserrohr angebracht wird. Dank dieser Vorrichtung kann der Sensor so in das Rohr eingesetzt werden, daß der Erfassungsbereich des Wafers mit dem Wasser in Berührung kommt.
Diese bekannte Anordnung hat jedoch mehrere Nachteile. Erstens ist der Wafer oft von Haus aus dünn und kann Schaden leiden oder sogar brechen, wenn er unterschiedlichen Druckhöhen ausgesetzt ist. Wenn zum Beispiel auf der einen Seite des Wafers Wasserleitungsdruck herrscht und auf der anderen Seite Atmosphärendruck, kann der Unterschied zwischen den beiden Drücken dazu führen, daß der Wafer bricht. Zweitens kann jedes Entweichen von Wasser von dem Sensorbereich zu den elektrischen Anschlüssen dazu führen, daß der Sensor ausfällt.
Weitere Meßvorrichtungen mit Wafers sind aus EP 801 150 oder DE 3500 088 bekannt.
Die vorliegende Erfindung bietet wesentliche Verbesserungen gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen waferartige Sensoren in den bei dieser Art von Wasserüberwachungsvorrichtung verwendeten mechanischen Vorrichtungen festgehalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Meßvorrichtung mit einem zwischen einem ersten und einem zweiten O-Ring befindlichen Wafer bereitgestellt, wobei der erste O-Ring auf einer ersten Seite des Wafers angeordnet ist und der zweite O-Ring auf einer zweiten Seite des Wafers angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite entgegengesetzt ist und der erste und der zweite O- Ring so angeordnet sind, daß im Gebrauch ein mittlerer Abschnitt der ersten Seite des Wafers und ein mittlerer Abschnitt der zweiten Seite des Wafers, der im wesentlichen denselben Durchmesser hat und dem mittleren Abschnitt der ersten Seite entgegengesetzt ist, im wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt sind und die außerhalb der mittleren Abschnitte liegenden übrigen Abschnitte der ersten und der zweiten Seite im wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt sind, wobei die Meßvorrichtung ferner eine mechanische Vorrichtung umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie den Wafer im Bereich eines distalen Endes desselben durch den ersten O-Ring und den zweiten O-Ring festhält, wobei der erste und der zweite O-Ring lösbar an einer ersten bzw. einer zweiten O-Ring-Halteeinrichtung befestigt sind, wobei die erste O-Ring-Halteeinrichtung im wesentlichen an dem distalen Ende der mechanischen Vorrichtung befestigt ist und die zweite O-Ring- Halteeinrichtung im wesentlichen an einer abnehmbaren Blockeinrichtung befestigt ist, wobei die abnehmbare Blockeinrichtung so angeordnet ist, daß sie so am distalen Ende der mechanischen Vorrichtung festgehalten wird, daß der Wafer im Bereich des distalen Endes der mechanischen Vorrichtung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die erste O-Ring-Halteeinrichtung ferner mehrere Stifte umfaßt, die in einem kreisrunden Bereich angeordnet sind, der durch den ersten O- Ring begrenzt wird und der im wesentlichen dem mittleren Abschnitt der ersten Seite des Wafers entspricht, wobei die mehreren Stifte so angeordnet sind, daß sie den elektrischen Kontakt zwischen mehreren elektrischen Kontaktpunkten, die auf der ersten Seite des Wafers angeordnet sind und sich in dem mittleren Abschnitt der ersten Seite des Wafers befinden, und weiteren in der mechanischen Vorrichtung angeordneten elektrischen Kontakten erleichtern.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfaßt die erste O-Ring- Halteeinrichtung eine Nut, in die der erste O-Ring im wesentlichen paßt.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfaßt die zweite O-Ring- Halteeinrichtung eine Nut, in die der zweite O-Ring im wesentlichen paßt.
Die mehreren Stifte können federbelastete Stifte sein.
Wie für einen Fachmann klar ist, können die mehreren Stifte auch andere als federbelastete Stifte sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wafer im wesentlichen flach.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wafer im wesentlichen quadratisch.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfaßt der Wafer mehrere Erfassungsvorrichtungen, die auf der ersten Seite des Wafers angeordnet sind.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die mehreren Sensoren sowohl auf der ersten Seite als auch auf der zweiten Seite des Wafers angeordnet.
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die mittleren Abschnitte des Wafers gleichen Beträgen von Atmosphärendruck ausgesetzt, und die übrigen Abschnitte des Wafers sind gleichen Beträgen von Wasserdruck ausgesetzt.
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können die mittleren Abschnitte des Wafers nicht mit Wasser in Berührung kommen.
Indem jede Seite des Wafers im wesentlichen der gleichen Druckhöhe ausgesetzt ist, ist es weniger wahrscheinlich, daß der Wafer infolge der Auswirkungen ungleicher Druckhöhen bricht. Wenn zum Beispiel der mittlere Abschnitt einer Seite des Wafers Atmosphärendruck ausgesetzt ist und der mittlere Abschnitt der entgegengesetzten Seite Wasserdruck ausgesetzt ist, wird der Wafer infolge des auf ihn ausgeübten ungleichen Druckes wahrscheinlich eher brechen, als wenn beide Seiten gleichen Beträgen von Wasser- oder Atmosphärendruck ausgesetzt sind.
Bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhafterweise möglich, daß der Wafer dünner hergestellt wird, wobei er immer noch bei Anwendungen eingesetzt werden kann, bei denen der Wafer höheren Drücken ausgesetzt ist. Ferner ist es bei der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise möglich, daß Sensorvorrichtungen auf beiden Seiten des Wafers angeordnet werden.
Die grundsätzliche Anwendung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zwar die Anwendung als Vorrichtung zur Messung der Wasserqualität, wie für den Fachmann klar ist, doch kann auch eine Messung anderer Arten von Analyten, wie zum Beispiel Feststoffe, Gase und andere Flüssigkeiten als Wasser, vorgenommen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Hauptvorteile und -merkmale der vorliegenden Erfindung wurden zwar oben beschrieben, doch läßt sich anhand der folgenden Zeichnungen und der lediglich beispielhaft dargelegten ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ein besseres Verständnis und eine höhere Wertschätzung der Erfindung gewinnen. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Darstellung eines waferartigen Sensors gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 eine schematische Darstellung der entgegengesetzten Seite des in Fig. 1 gezeigten Wafers;
- Fig. 3 eine schematische Darstellung der zum Einsetzen des Wafers in Wasserrohre verwendeten mechanischen Vorrichtung,
- Fig. 4 eine Seitenansicht des durch die O-Ringe festgehaltenen Wafers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
-Fig. 5 eine schematische Darstellung des Sondenkopfabschnitts der in Fig. 3 gezeigten mechanischen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine typische Anordnung eines Wafers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 1 ist ein quadratischer Wafer 10 mit mehreren auf der Oberfläche angeordneten Sensoren 12 dargestellt. Jeder Sensor 12 ist durch eine Leitung 14 mit mehreren entsprechenden elektrischen Kontaktpunkten 16 verbunden. Wie in der Technik wohlbekannt ist, kann die Messung verschiedener elektrochemischer Eigenschaften in einer Flüssigkeitsprobe erreicht werden, wenn eine Flüssigkeitsprobe mit den Sensoren 12 in Kontakt kommt. Bekannte Sensoren werden derzeit zum Messen verschiedener Eigenschaften einer Flüssigkeitsprobe verwendet, zum Beispiel zum Messen des gelösten Sauerstoffs, des pH-Werts, der Temperatur sowie des Chlor- und Ammoniakgehalts. Die Funktionsweise dieser Art von Sensoren ist in der Technik wohlbekannt, wie dies in den erteilten Britischen Patenten GB2283572 und GB2290617 offenbart ist, die hierdurch als Vorveröffentlichungen mit einbezogen werden.
Die mehreren elektrischen Kontaktpunkte 16 befinden sich in einem mittleren Abschnitt 18 des Wafers 10. Die mehreren Sensorvorrichtungen 12, Leitungen 14 und elektrischen Kontaktpunkte 16 werden mit Hilfe von Verfahren aufgebracht, die in der Technik wohlbekannt sind, zum Beispiel mit Dünn- und Dickschichtabscheidungsverfahren. Der Wafer 10 bleibt im wesentlichen flach, trotz des Vorhandenseins der Sensoren 12, Leitungen 14 und Kontaktpunkte 16. Der mittlere Abschnitt 18 ist der Bereich des Wafers, der von einem ersten O-Ring umschlossen wird, wenn der Wafer in der mechanischen Vorrichtung festgehalten wird.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Wafer 10 im wesentlichen quadratisch. Eine Ecke 17 des Wafers 10 ist von dem Wafer weggenommen. Dies ermöglicht eine einfachere Ausrichtung des Wafers in der mechanischen Vorrichtung. Wie für den Fachmann klar ist, kann der Wafer 10 auch andere Formen haben, zum Beispiel kreisrund oder rechteckig.
Fig. 2, in der die auch in Fig. 1 erscheinenden Stellen identische Bezugszeichen tragen, zeigt die entgegengesetzte Seite des in Fig. 1 gezeigten Wafers 10. In Fig. 2 sind keine Sensoren auf dieser Oberfläche angeordnet, doch wie für einen Fachmann klar ist, könnten auf dieser Oberfläche mehrere Sensoren angeordnet sein. Der mittlere Abschnitt 19 des in Fig. 2 gezeigten Wafers ist dem mittleren Abschnitt 18 des in Fig. 1 gezeigten Wafers im wesentlichen entgegengesetzt. Der mittlere Abschnitt 19 wird durch einen zweiten O-Ring umschlossen, wenn der Wafer in der mechanischen Vorrichtung festgehalten wird. Das Anbringen des ersten und des zweiten O-Rings auf entgegengesetzten Seiten des Wafers bewirkt, daß die mittleren Abschnitte 18 und 19 gleichen Druckhöhen ausgesetzt sind. Ferner sind die Bereiche außerhalb des mittleren Abschnitts des Wafers ebenfalls gleichen Druckhöhen ausgesetzt. Der Ausgleich des Drucks auf beiden Seiten des Wafers bewirkt, daß es weniger wahrscheinlich ist, daß der Wafer während des Betriebs bricht.
Fig. 3, in der die auch in Fig. 1 und 2 erscheinenden Teile identische Bezugszeichen tragen, zeigt eine mechanische Vorrichtung 20, die an einem Rohr 22 befestigt ist, damit der Wafer 10 mit dem durch das Rohr 22 fließenden Wasser 24 in Berührung kommen kann. Das Rohr kann ein Wasserleitungsrohr sein. Die mechanische Vorrichtung 20 umfaßt einen Sondenkopf 26 und ein mittig angeordnetes hohles bewegliches Rohr 25. Der Sondenkopf 26 ist am distalen Ende des hohlen Rohres 25 angeordnet, das in ein Gehäuse 27 eingesetzt ist. Die mechanische Vorrichtung 20 ist am Sondenkopfende an dem Rohr 22 befestigt und wird zum Beispiel durch eine Klemm- oder Schraubeinrichtung (nicht dargestellt) festgehalten, die beide in der Technik wohlbekannt sind. Der Wafer 10 ist an dem Sondenkopf 26 befestigt. Durch das hohle Rohr können verschiedene elektrische Verbindungen, wie zum Beispiel ein Stromanschluß, mit dem Wafer hergestellt werden.
Die mechanische Vorrichtung 20 umfaßt ferner eine Ventileinrichtung 28, die in ihrer geschlossenen Stellung das untere Ende 27a gegen das obere Ende 27b des Gehäuses 27 isoliert. Das Ventil 28 kann nur geschlossen werden, wenn das hohle Rohr 25 aus dem unteren Ende 27a des Gehäuses 27 herausgezogen ist. Im Betrieb kann das hohle Rohr 25 zu Wartungszwecken oder zum Auswechseln des Wafers aus dem unteren Ende 27a des Gehäuses 27 herausgezogen werden. Wenn sich das Ventil 28 in seiner geöffneten Stellung befindet, kann das hohle Rohr 25 in das Rohr 22 geschoben werden, wo der Wafer mit Wasser in Berührung kommt und Messungen vorgenommen werden können. Fig. 3 zeigt die mechanische Vorrichtung 20 in ihrem Meßmodus, wobei der Sondenkopf 26 und der Wafer 10 in das untere Ende 27a des Gehäuses 27 eingesetzt sind und mit dem sich in dem Rohr 22 befindlichen Wasser 24 in Berührung kommen.
In Fig. 4, wo die auch in Fig. 1, 2 und 3 erscheinenden Teile identische Bezugszeichen tragen, ist eine Seitenansicht des Wafers 10 dargestellt. Auf der Oberfläche 10a des Wafers 10 sind mehrere Sensoren 12 angeordnet. Die Sensoren sind außerhalb des durch einen mittig angeordneten ersten O-Ring 34 begrenzten Bereichs angeordnet.
Der erste O-Ring 34 ist lösbar an einer ersten O-Ring-Halteeinrichtung 35 befestigt. Die erste O-Ring-Halteeinrichtung 35 kann aus Metall oder Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Die erste O-Ring- Halteeinrichtung 35 kann eine Nut (nicht dargestellt) enthalten, in die der erste O- Ring 34 paßt. Mehrere Federstifte 36 sind auf der ersten O-Ring-Halteeinrichtung 35 angeordnet und befinden sich innerhalb des Durchmessers der ersten O-Rings 34. Die mehreren Federstifte 36 sind so angeordnet, daß sie im wesentlichen senkrecht so aus der ersten O-Ring-Halteeinrichtung 35 ragen, daß der elektrische Kontakt mit den mehreren auf dem Wafer 10 befindlichen Kontaktpunkten 16 erleichtert wird.
Ein zweiter O-Ring 37 ist lösbar an einer zweiten O-Ring-Halteeinrichtung 38 befestigt, die aus Metall oder Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann. Die zweite O-Ring-Halteeinrichtung 38 kann eine Nut (nicht dargestellt) enthalten, in die der zweite O-Ring 37 paßt.
Der Wafer 10 wird durch den ersten und den zweiten O-Ring 34 und 37 so festgehalten, daß die Waferbereiche 18 und 19 im wesentlichen derselben Druckhöhe ausgesetzt sind und die Waferbereiche 43 und 44 ebenfalls im wesentlichen derselben Druckhöhe ausgesetzt sind.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Waferbereiche 18 und 19 im Betrieb Atmosphärendruck ausgesetzt, und die Waferbereiche 43 und 44 sind Wasserdruck ausgesetzt. Der Wasserdruck hängt von dem Wasserdruck in dem Wasserohr 24 ab, an dem die mechanische Vorrichtung 20 befestigt ist. Die durch die O-Ringe 34 und 37 geschaffene Abdichtung des Wafers muß stabil genug sein, um ein Entweichen von Wasser in die Waferbereiche 18 und 19 zu verhindern.
In Fig. 5, wo die auch in Fig. 1-4 erscheinenden Stellen identische Bezugszeichen tragen, ist eine detailliertere Ansicht des Sondenkopfes 26 zu sehen. Der Sondenkopf 26 hat an einem Ende eine Öffnung 50. Der Wafer 10 ist so in die Öffnung 50 eingesetzt, daß die mehreren elektrischen Kontaktpunkte 16 mit den mehreren Federstiften 36 in elektrischen Kontakt kommen. Dann wird die zweite O-Ring-Halteeinrichtung 38 in die Sondenöffnung 50 eingesetzt. Die zweite O- Ring-Halteeinrichtung 38 wird in dem Sondenkopf 26 über eine Bajonett- oder Gewindeeinrichtung so festgehalten, daß der zweite O-Ring 37 mit dem Wafer in Kontakt kommt. Die zweite O-Ring-Halteeinrichtung 38 ist so ausgelegt, daß zu analysierendes Wasser über Öffnungen 50 in den Sondenkopf eindringen und mit den auf dem Wafer 10 angeordneten mehreren Sensoren 12 in Kontakt kommen kann. Federstifte 36 ragen in den Sondenkopf 26 und stellen mit verschiedenen Elementen einer außerhalb der mechanischen Vorrichtung befindlichen Leistungs- und Steuerelektronik einen weiteren elektrischen Kontakt her.
Wie für den Fachmann klar ist, können an der zuvor beschriebenen Ausführungsform verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Meßvorrichtung mit einem Wafer (10) zwischen einem ersten (34) und einem zweiten (37) O-Ring, wobei der erste O-Ring auf einer ersten Seite des Wafers angeordnet ist und der zweite O-Ring auf einer zweiten Seite des Wafers angeordnet ist, wobei die zweite Seite der ersten Seite entgegengesetzt ist und der erste und der zweite O-Ring so angeordnet sind, daß im Gebrauch ein mittlerer Abschnitt (18) der ersten Seite des Wafers und ein mittlerer Abschnitt (19) der zweiten Seite des Wafers, der im wesentlichen denselben Durchmesser hat und dem mittleren Abschnitt der ersten Seite entgegengesetzt ist, im wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt sind und die außerhalb der mittleren Abschnitte liegenden übrigen Abschnitte der ersten und der zweiten Seite im wesentlichen dem gleichen Druck ausgesetzt sind, wobei die Meßvorrichtung ferner eine mechanische Vorrichtung (20) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie den Wafer im Bereich eines distalen Endes derselben durch den ersten O-Ring und den zweiten O- Ring festhält, wobei der erste und der zweite O-Ring lösbar an einer ersten (35) bzw. einer zweiten (38) O-Ring-Halteeinrichtung befestigt sind, wobei die erste O-Ring-Halteeinrichtung im wesentlichen an dem distalen Ende der mechanischen Vorrichtung befestigt ist und die zweite O-Ring-Halteeinrichtung im wesentlichen an einer abnehmbaren Blockeinrichtung befestigt ist, wobei die abnehmbare Blockeinrichtung so angeordnet ist, daß sie so am distalen Ende der mechanischen Vorrichtung festgehalten wird, daß der Wafer im Bereich des distalen Endes der mechanischen Vorrichtung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß

die erste O-Ring-Halteeinrichtung ferner mehrere Stifte (36) umfaßt, die in einem kreisrunden Bereich angeordnet sind, der durch den ersten O-Ring begrenzt wird und der im wesentlichen dem mittleren Abschnitt der ersten Seite des Wafers entspricht, wobei die mehreren Stifte so angeordnet sind, daß sie den elektrischen Kontakt zwischen mehreren elektrischen Kontaktpunkten (16), die auf der ersten Seite des Wafers angeordnet sind und sich in dem mittleren Abschnitt der ersten Seite des Wafers befinden, und weiteren in der mechanischen Vorrichtung angeordneten elektrischen Kontakten erleichtern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste O-Ring-Halteeinrichtung eine Nut umfaßt, in die der erste O-Ring im wesentlichen paßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die zweite O-Ring- Halteeinrichtung eine Nut umfaßt, in die der zweite O-Ring im wesentlichen paßt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mehreren Stifte federbelastete Stifte sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wafer im wesentlichen flach ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wafer im wesentlichen quadratisch ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wafer mehrere auf der ersten Seite des Wafers angeordnete Sensoren (12) umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mehreren Sensoren sowohl auf der ersten als auch auf der zweiten Seite des Wafers angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mittleren Abschnitte des Wafers gleichen Beträgen von Atmosphärendruck ausgesetzt sind und die übrigen Abschnitte des Wafers gleichen Beträgen von Wasserdruck ausgesetzt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die mittleren Abschnitte des Wafers nicht mit Wasser in Berührung kommen können.