DE2805972C3

DE2805972C3 - Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Gases

Info

Publication number: DE2805972C3
Application number: DE2805972A
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. Waterloo Ontario Adrian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1987-05-07
Also published as: US4228352A; FR2417097B1; GB2015189B; DE2805972B2; FR2417097A1; CA1114641A; DE2805972A1; GB2015189A

Claims

Patentansprüche:

&igr;. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Gases anhand der Absorption optischer Strahlung mit

a) einer das zu messende Gas aufnehmenden Kammer in Form eines abgewinkelten Rohres, welches aufweist:

1. eine Strahlungseintrittsöffnung an seinem einen uitg<«ine Strahlungsaustrittsöffnung an seinem anderen Ende,

2. eine Gaseinlaß- und eine Gasauslaßöffnung,

3. eine Strahlungsreflektierende Innenwand,

4. jeweils einen Spiegel an jeder Knickstelle,

b) einer optischen Strahlungsquelle vor der Strahlungseintrittsöffnung,

c) einem Detektor hinter der Strahlungsaustrittsöffnung,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) das Rohr (3) mäanderförmig abgewinkelt ist,

e) die Spiegel (10) aus Vollspiegeln bestehen und jeweils unter 45° gegen die optische Achse geneigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Mäanderabschnitte des Rohres (3) in verschiedenen, vorzugsweise einen Winkel von 90° einschließenden Ebenen liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der den Scheitel der Mäanderabschnitte bildenden Rohrstücke (13) kürzer ist als die Länge der die Flanken bildenden Rohrstücke (12).

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßöffnung in der Mitte eines der Rohrstücke (11) angeordnet und zwecks Ausbildung als Einblasöffnung mit einer Speichelfalle (6) versehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 genannten Gattung.

Bei den bekannten Vorrichtungen zur Messung der Konzentration von Gasen durch Strahlungsabsorption bei für das Gas charakteristischen Absorptionsbanden wird das zu analysierende Gas in eine Meßkammer gebracht. Diese wird von den Strahlungen der spezifischen Wellenlänge durchsetzt. Der in die Meßkammer eintretende Strahlungsfluß sei 0_O. Dieser Fluß wird durch die Gasmoleküle mit der spezifischen Absorptionswellenlänge geschwächt und verläßt die Meßkammer als Strahlungsfluß 0.

Der Zusammenhang wird durch das Lambert-Beer'sche Gesetz beschrieben:
0= 0 ₀<r^mk

Hierin ist m eine Materialkonstante, / die Länge des Strahlungsweges in dem absorbierenden Medium und c die Konzentration des absorbierenden Gases in der Meßkammer. Möchte man sehr kleine Konzentrationen messen, so ist dies bei einer definierten ' Schwächung, die durch das Verhältnis 0/Q₀ gegeben ist und durch die Auflösung der Detektoren und nachgeschalteter Verstärker begrenzt ist, nur durch Vergrößerung der Weglänge der Strahlung 1 möglich.

In bekannten Vorrichtungen zur Gasanalyse mit Hilfe von Spektral-Photometern werden Meßkammern verwendet, in denen der Strahlengang über ein

&iacgr;&ogr; optisches System gefaltet wird. Beispielsweise erlaubt ein von White gegebenes Prinzip, Weglängen bis zu H) m darzustellen. Die Aperturen sind jedoch gering, und das Volumen der Kammer beträgt mehr als 6 I. Zur Messung der Konzentration von Alkoholmolekülen in Atemluft muß jedoch die Meßkammer ein extrem kleines Volumen haben, um sicherzustellen, daß nur alveolare Atemluft die Meßkammer füllt. Aus diesem Grunde darf ein Kammervolumen von etwa 100 ecm nicht überschritten werden.

Eine Vorrichtung ist bekannt, bei der eine Kugel mit hochreflektierenden Innenwänden die Meßkammer darstellt. 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 Fall ist aber erwünscht. Zum zweiten ist durch die Mehrfachreflexion der Kugel keine definierte Weglänge gegeben. Es kommt zu einer Faltung mehrerer durch den Alkohlgehalt mehr oder weniger stark geschwächter Komponenten (US-PS 3319071).

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

Bekannt sind weiter Infrarot-Strahlungselemente mit parabelförmigen oder elliptischen Reflektorprofilen zum Schmelzen, Schweißen, Trocknen usw. Bei elliptischer Formgebung eines Reflektors ergibt sich im Abstand von 16 mm eine Brennlinie. Bei Vergoldung des Reflektors wird eine IR-Strahlung in dieser Brennlinie konzentriert ^ I-T Fachzeitschrift für das Laboratorium, 13. Jg. H. 4 1969, S. 353).

Ferner wird in der älteren Anmeldung gemäß DE-OS 2650 350 eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Gattung beschrieben, die bei definiertem und langem Weg und großer Apertur ein äußerst kleines Volumen aufweist. Bei dieser Vorrichtung verlaufen die einzelnen Rohrabschnitte im spitzen Winkel zueinander, wobei im Scheitel dieser Winkel jeweils ein halbdurchlässiger Spiegel vorgesehen sein kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines Gases anhand der Absorption optischer Strahlung so auszugestalten, daß bei kleinem Kammervolumen große wirksame Weglängen bei gutem Wirkungsgrad erreicht werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des

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Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen wird die Erfindung nun weiter beschrieben. In der Zeichnung ist

Fig. 1 die schematische perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 die schematische perspektivische Darstellung der mäanderförmig gewundenen Meßkammer gemäß Fig. 1 mit in der Mitte eines Rohrabschnittes angeordneten Einblasstutzen,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 2 mit unterschiedlicher Ausführung der einzelnen Rohrabschnitte, und

Fig. 4 die schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform mit in verschiedenen Ebenen liegenden Mäanderabschnitten.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich eine Strahlungsquelle 1 im Brennpunkt eines Ellipsoidspiegel 2. Der Eingang der Meßkammer 3 ist trompetenförmig erweitert und nimmt damit auch Streustrahlung von der Strahlungsquelle 1 auf. Die Meßkammer 3 hat entweder eine hochglanz-verspiegelte Innenfläche, die bei der verwendeten Arbeitswellenlänge wirksam ist, oder sie ist mit einem Material in mehreren Schichten bedampft, das eine Brechzahl &eegr; hat, bei der auch spitzwinklig auftreffende Strahlung total reflektiert wird. Durch einen Stutzen 4 in der Nähe des Strahlungsausganges der Meßkammer 3 wird das zu messende Gas über einen Schlauch 5 und eine Speichelfalle 6 eingeblasen. Am Strahlungsausgang ist die Meßkammer 3 durch eine Sammellinse 7 verschlossen. Mit dieser Anordnung werden die in der Meßkammer 3 befindlichen Gase bei Einblasen von Atemluft in die Speichelfalle 6 ausgetrieben. Sie verlassen die Meßkammer 3 an dem offenen trompetenförmig erweiterten Ende am Strahlungseingang. Infolge des geringen Volumens ist die Meßkammer 3 schon nach kurzer Zeit mit der zu mes-

s senden Atemluft gefüllt. Der eingestrahlte Strahlungsfluß trifft auf die Sammellinse 7 auf. Diese konzentriert ihn auf die Oberfläche des Detektors 8.

Zusätzlich kann eine bei der verwendeten Wellenlänge transparente Linse 9 vorgesehen sein, die die

&iacgr;&ogr; Strahlung auf der Oberfläche des Detektors 8 abbildet.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform hat die Kammer die Form eines Mäanders. In den Ecken der einzelnen aufeinanderfolgenden Abschnitte der Meßkammer sind Spiegelflächen 10 angeordnet. Diese lenken die auf sie auftreffende Strahlung um 90° um in den nächsten Rohrabschnitt hinein.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform leitet sich aus der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ab. Ihre Besonderheit liegt darin, daß die Speichelfalle 6 mit dem Einblasstutzen in der Mitte eines Abschnittes 11 angeordnet ist.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform leitet sich aus der Ausführungsform nach Fig. 2 ab. Die Eigenart dieser Ausführungsform liegt darin, daß die einzelnen Rohrabschnitte verschieden sind. Die Meßkammer 3 besteht aus parallel zueinander verlaufenden längeren Rohrstücken 12 und zwischen je zwei Rohrstücken 12 befindlichen kürzeren Umlenkabschnitten

13. Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform leitet sich ebenfalls aus der nach Fig. 2 ab. Die einzelnen Abschnitte 11 liegen in verschiedenen Ebenen. Diese Ebenen schließen miteinander Winkel von 90° ein. Die Einblasstutzen mit den Speichelfallen können bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 auch am Ende der Meßkammer angeordnet sein, wie bei Fig. 1.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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ZEICHNUNGEN BLATT 1

Int Cl ⁴ G 01 N 21/59

Veröffentlichungstag 7 Mai 1987

FIG. 1

FIG. 2

ZEICHNUNGEN BLATT 2

Int. Cl.⁴: G 01 N 21/59

Veröffentlichungstag: 7. Mai 1987

FIG. 3

FIG.