DE2659898C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Gases - Google Patents

Description

Die LiImkIuiiü betiifl't eine Vorrichtung tier im C )bei begriff von Patentanspruch I genannten Cialt ιιιιμ.

Hei den In. kannten Vorrichtungen /Ui Messung dei Kon/eι.'ration on Ciäsen durch Strahlungsabsi.rption bei uir da-.^f i;ist:h. 'aklei islischeii Absoiptioiishanden .»i'd ι.'s zn iiiaksu < ende (las in eine Melikainuier gebracht. Diese wird von Strahlungen der spezifischen Wellenlänge durchsetzt. Der in die Meßkammer eintretende Strahlungsfluß sei Φ_η. Dieser Fluß wird durch die Gasnioleküle mit der spezifischen Ahsorptionswellenlänge geschwächt und verläßt die Meßkammer als Strahlungsfliiß Φ,,.

Der Zusammenhang wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben:
Φ = Φ,, '"'■

Hierin ist in eine Materialkonstaute, / die Länge des Strahlungsweges in dem absorbierenden Medium und f die Konzentration des absorbierenden Gases in der Meßkammer. Möchte man sehr kleine Konzentc.tionen messen, so ist dies bei einer definierten Schwächling, die durch das Verhältnis Φ'Φ» gegeben ist und durch die Auflösung der Detektoren und nachgeschalteter Verstärker begrenzt ist, nur durch Vergrößerung der Wegläuge der Strahlung / möglich.

In bekannten Vorrichtungen der Gasanalyse mit Hilfe von Spektral-Photometern werden Meßkammern verwendet, in denen der Strahlengang über ein optisches System gefaltet wird. Beispielsweise erlaubt ein von White gegebenes Prinzip, Weglängen bis zu 10 m darzustellen. Die Aperturen sind jedoch gering, und das Volumen der Kammer beträgt mehr als 6 I. Zur Messung der Konzentration von Alkoholmoleküli;n in Atemluft muß jedoch die Meßkammer ein extrem kleines Volumen haben, um sicherzustellen, daß nur alveolare Atemluft die Meßkammer füllt. Ails diesem Grunde darf ein Kammervolumeii von etwa 100 ecm nicht überschritten werden.

Eine Vorrichtung ist bekannt, bei der eine Kugel mit hochreflektierenden Innenwänden die Meßkammer (.larsteilt. Diese Anordnung ist aber gerade zur Messung der Alkoholkonzentration in Atemluft ungeeignet, da eine Kugel bei kleinster äußerer Abmessung das größte Volumen hat. Gerade der umgekehrte !•all ist aber erwünscht. Zum zwei'fn ist durch die Mehrfachreflexion der Kugel keine definierte Weglänge gegeben. Es kommt zu einer Faltung mehrerer durch ilen Alkoholgehalt mehr oder weniger stark geschwächter Komponenten (US-PS 3310071).

Bekannt ist weiter eine die Form eines Hohlzyjinders aufweisende Meßkammer. Die durch eine Öffnung in einer Stirnseite eingespiegelte Abbildung einer Strahlungsquelle wird an beiden Stirnseiten gespiegelt. Damit ergibt sich ein die Länge ties Zylinders übersteigender Strahlungsweg. Diese bekannte Meßkammer hut jedoch ein verhältnismäßig großes Volumen (US-PS 2212211). In einer Vorrichtung zum Messen der Alkoholkonzentration in Atemluft läßt sich eine solche großvolumigc Meßkammer nicht verwenden. Bei einer solchen Meßkammer wird nicht sichergestellt, daß sie ausschließlich oder überwiegend mit alvcolarer Luft, das heißt unmittelbar aus ilen Lungenbläschen stammender Luft, gefüllt wird.

Bekannt siiul weiter Infrarot-Strar.lungselemenlc mit parabelföriiiigen oiler elliptischen Reflektorprofilen /um Schmelzen. Sehweißen, Trocknen usw. Bei elliptischer I oiingeluinu eines Reflektors ergibt sieh im Abstand \o\\ Ui mm eine Brenulinie. Bei Vergoldung des Relleklors wird eine IR-Strahlung in dieser !kennlinie konzentriert (C i-l-T Faeh/citschrift für das Laboratorium. 13. Ig. H. 4 I¹Jd¹J. S. 353).

Bekannt ist weiter ein mit Infrarot-Strahlung arbeitender Gasaualvsalor. Dieser enthält einen Alinder mit einem Im inul einem Auslaß für das /u analysie reudc C ias. Aiu'inem Γ udc ist der Aliiulcr durch eine

für Infrarotstrahlung durchlässige Scheibe verschlossen. Durch diese Scheibe wird die von einer Strahlungsquelle ausgehende Strahlung in den Zylinder geleitet, an dessen Innenwänden reflektiert und durch ebenfalls außerhalb des Zylinders liegende Spiegel auf Meßeinrichtungen geworfen. Der Zylinder hat ein verhältnismäßig großes Volumen. Maßnahmen zur Verkleinerung des Zylindervolumens sind nicht vorgesehen und auch nicht beabsichtigt, da das zu analysierende Gas in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht (US-PS 2703K44).

Bekannt ist weiter noch eine in der Spektroskopie verwendete sogenannte Absorptionszelle. Auch sie hat eine im wesentlichen zylinderförmige Gestalt. Auf ilen Innenseiten der Innen- und Oberseite des Zylinders sind Hohlspiegel angeordnet. Diese werfen eine an einem Ende eingeleitete Strahlung mehrfach hin und her, bis sie nach mehrfachem Durchtritt durch den Zylinder diesen wieder verläßt. Maßnahmen, um da» Zylindervolumen klein zu halten, sind nicht vorgesehen (J. Opt. Soc. Am. vol. 51 11 'J611, S. ^i-1(12).

Hiervon ausgehend liegt der Erfindungdie Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer Meßkammer zu schaffen, die bei definiertem und langem Weg und großer Apertur ein äußerst kleines Volumen aufweist. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen.

Eine rohrförmige Meßkammer hat im Unterschied zu einer kugelförmigen Meßkammer im Vergleich zu der Weglänge für ein mehrfach durch sie durchtretendes Strahlenbündel ein geringes Volumen. Damit läßt sich eine auch schon in kleinen Gasvolumina auftretende Absorption ausreichend genau rneßtechnisch erfassen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von mehr als einer Meßkammer wird diese Genauigkeit noch weiter gesteigert. Damit wird das Ziel erreicht, die Konzentration von Alkoholmoleküleii in der in nur geringen Mengen verfügbaren alveolareu Atemluft genau messen zu können.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun weiter besch/iehen. In der Zeichnut.g ist

F-"ig.! ein schematisierter Schnitt durch eine sich verjüngende Mcßkammer,

Fig. 2 ein Schnitt durch eine Meßkammer mit parallelen Wanden zwecks Darstellung der Öffnungen und Ventiie zum Ein- und Ausströmen der zu untersuchenden Case und

Fig. 3 ein schematisierter Schnitt durch die aus zwei nebeneinander angeordneter Mcßkamniern bestehende Ausführungsiorm.

Fig. I zeigt die in einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegel 2 ungeordnete Strahlungsquelle 1. Der \on ihr ausgesaugte Strahlungsfluß wird im /weiten Brennpunkt 3 vereinigt. Dort befindet sich der Strahluiigseingang einer Meßkammer 4. Das am abgelegenen Ende der Meßkainiiier angeordnete optische Element 5 bildet den /weiten Brennpunkt des Ellipsoidspiegels 2 über einen Hinlenkenden Planspiegel 6 auf dem seitlich ungeordneten zweiten optisch abbildenden Element 7 üb. Die strahlende Fläche des ersten optischen Elementes wird durch das /wvilc optische Element durch eine Öffnung H auf den Detektor9 abgebildet. Damit hat die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung die Meßkammer 4 etwas mehr als zweimal durchlaufen.

Der Planspiegel 6 dient nur dazu, die Strahlung über das zweite optisch abbildende Element 7 aus der Meßkammer 4 heraus auf den Detektor ¹J /u werten. Damit läßt sich dieser in räumlichem Absland von der Strahlungsquelle 1 anordnen.

Fig. 2 zeigt das die Meßkammer bildende Kohl 4 mit einem Einblasstutzen 17, der über ein Schlauchstiick 18 mit einer Speichelfalle 19 verbunden ist. Der Einblasstutzen 17 ist zum schmaleren Ende des Rohres hin versetzt. In der Nähe der Enden befindet sich je eine Ausblasöffnung 20. Diese werden von Federhlcchcn 21 abgedeckt. Diese sind etwa ().()5 mm stark und werden von je einer Schraube mit einer Anpreßscheibe gehalten. Sie wirken wie Überströmventile. Beim Einblasen von Atemluft über du.· Speichelfnlle 19 hebt der Innendruck die Fedcrbleche 21 an. Überschüssige Luft kann aus der Meßkammer 4 entweichen.

Fig. 3 zeigt die Gesamtanordnung, bei der das beschriebene Prinzip zweimal angewendet wird. Die von der Strahlungsquelle 1 austretende Strahlung gelangt in der beschriebenen Weise zum optisch abbildenden Element 5 und von dort zu einem ersten Planspiegel 11, der die Strahlung durch einen um ¹H)" zu seiner Ebene angeordneten zweiten Planspiegel 12 in die zweite Meßkammer 10 leitet. Die Trennwand /wischen den beiden Meßkammern ist notwendig, um die durch die Wandreflexionen entstehenden Slrahlungsanleile mitverwerten zu können. In der zweiten Meßkammer 10 wird das bereits bei der Einfachmeßkummer beschriebene Prinzip wiederholt. Das Bild der /weiten Brennebene wird von dem optisch abbildenden Element 13 nach Umlenkung durch den Planspiegel auf dem seitlich angeordneten optisch abbildenden Elen· .'nt 7 abgebildet, das wiederum die Strahlung auf dem Detektor 9 vereinigt. Wesentlich ist. dall die Strahlung jede Meßkammer in beiden Klehtuuuen einmal durchläuft, wodurch die wirksame Wculange vergrößert und der Strahlungsfluß schließlich aal einen von der Strahlungsquelle abgelegenen Or! \oieinigt wird.

Die optisch abbildenden Elemente können sowohl als Hohlspiegel als auch als Planspiegel mit vorgesetzter Sammellinse ausgeführt werden. Ebenso liilit sieh die räumliche Lage der Strahlungsquelle und des Detektors vertauschen.

In Ahwandlung der in Fig. I gezeigten Ausiiihruiigslorm kann der Planspiegel 6 auch in Gcgcnuhrzeigerrichtuiig verdreht angeordnet we'den I >ie Strahlung trifft dann ohne Zwischenschaltung de·, optisch abbildenden Elementes 7 nach Bündelung ilinch eine Sammellinse auf den Detektor 9 aiii, Gleuhes gilt für die Ausführ .ngsforin nach Fig. V lliei wurde der Planspiegel 14 und die Sammellinse die Sli.ililiing unmitteiliur /um Detektor 9 lenken.

Ebenso kann das optisch abbildende I -lenient 13 so gedreht werden, daß es die Strahlung unmittelbar auf einen Detektor wirft. Hierzu muß ti jeilin.li als Hohlspiegel mit kiir/t.' Brennweite ausgebildet ^ in.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines Gases anhand des optischen Absorptionsvermögens des Gases mit

a) einer optischen Strahlungsquelle.

b) einer das Gas aufnehmenden rohrförmigen Meßkammer mit folgenden Merkmalen:

1. einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung für das Gas,

2. einer Eintrittsöffnung für ein von der Strahlungsquelle ausgehendes Strahlenbündel an einem Ende der Meßkammer,

3. einem im Wege des Strahlenbündels am anderen Ende der Meßkammer angeordneten Reflektor mit Abbildungse^nschaften,

4. einer Austrittsöffnung für das Strahlenbündel,

5. einer Strahlungsreflektierenden Ausbildung der Innenwand,

c) einem optischen Detektor im Wege des durch das Gas getretenen Strahlenbündels,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) mindestens eine weitere, mit dem Gas gefüllte gleichartige Meßkammer (10) vorgesehen ist, welche parallel zu der einen Meßkammer (4) ausgerichtet und seitlich von dieser angeordnet ist, und deren Eintrittsöffnung der Austrittsöffnuttg der einen Meßkammer (4) gegenüber liegt, und

e) jeweils am einen Ende der .4eßkammem (4, 10) Planspiegel (11, 12. 14) derart angeordnet sind, daß das Strahlenbündel über den Reflektor (5) und die Austrittsöffnung der einen Meßkammer (4) zur Eintrittsöffnung der weiteren Meßkammer (10) und von da über deren Reflektor (13) zu deren Austrittsöffnuiig (8) gelenkt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strahlenbündel zur Austrittsöff nting (8) der weiteren Meßkammer (10) lenkenden Planspiegel (14) und dem Detektor (9) ein weiteres optisches Element (7) mit Abbiklungseigenschaflcn angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (5, 13) und das weitere optische Element aus Hohlspiegeln oder aus Planspiegeln mit vorgesetzten Konvexlinsen bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Meßkammern (4. 10) von dem einen /um anderen EmIe verringert.