FI101749B - Kaasukomponentin pitoisuuden tarkka mittaaminen kaasuseoksessa, jossa muut komponentit vaikuttavat pitoisuusmääritykseen - Google Patents

Description

101749

Kaasukomponentin pitoisuuden tarkka mittaaminen kaasuseoksessa, jossa muut komponentit vaikuttavat pitoisuusmääritykseen - Noggrann mätning av koncentra-tion for en gaskomponent i en gasblandning, i vilken andra komponenter paverkar koncentrationsbestämningen 5

Mitattaessa kaasupitoisuutta infrapunatekniikalla käytetään useimmiten ei-disper-siivistä menetebnää eli mitataan absorptiota sopivasti valitun optisen kaistanpäästö-suodattimen läpi. Mitattu vaimentunut kaasukerroksen läpäissyt säteily on tällöin tämän kaistan eri aallonpituuksilla vallitsevien läpäisyjen integroitu arvo. Tällaisia 10 laitteita on kuvattu esimerkiksi julkaisuissa US-3 745 349 ja HEWLETT

PACKARD JOURNAL, September 1981, s. 3-5: R.J. Solomon - "A Reliable, Accurate CO2 Analyzer for Medical Use". Ensin mainitussa julkaisussa käytetään kahta infrapunasäteilylähdettä, jotka emittoivat näytekaasun läpi, mutta ensimmäisestä säteilylähteestä tulevasta säteilystä poistetaan esim. optisella kaasusuodattimel-15 la mitattavan absorboivan kaasun aallonpituuksia. Tarkoituksena on saada aikaan re-ferenssilähde, jonka antamaan ja detektorilla ilmaistuun säteilyintensiteettiin tutkittava kaasuseos ei vaikuttaisi. Toisen säteilylähteen säteily sen sijaan vaimenee tutkittavan kaasuseoksen vaikutuksesta voimakkaasti, jolloin suhteellisista signaalin muutoksista voidaan määrittää tutkittavan kaasukomponentin pitoisuus. Menetelmä 20 myös korjaa suhteellisen tehokkaasti mittauskammioon kerääntyvän lian vaikutusta ja myös muita haitallisia vaikutuksia, jos säteilylähteet suhteessa detektoriin on järjestetty täsmälleen samalle optiselle reitille. Jälkimmäisessä julkaisussa käsitellään hiilidioksidimäärityksen ongelmia vielä yksityiskohtaisemmin ottaen huomioon mm. muita tutkittavan kaasukomponentin kanssa interferoivia kaasuja. Julkaisun ratkai-25 sussa käytetään pyörivää kiekkoa, joka sisältää erilaisia suodattimia referenssiarvon saamiseksi. Yllä olevissa julkaisuissa tarkasteltavan yhden kaasukomponentin pitoisuuden mittaus infrapunatekniikalla tavallaan herkistetään halutulle kaasukompo-nentille käyttäen erityisiä, ts. lähinnä kaasutäytteisiä, optisia suodattimia ja usein myös kaasutäytteisiä esim. paineen ilmaisuun perustuvia detektoreita, joissa molem-.! 30 missä täytekaasuna on tarkasteltavaa kaasukomponenttia. Tarkastelemme tältä poh jalta olemassa olevan tekniikan tasoa hieman tarkemmin.

Infrapunamittauksen herkistämiseen tietylle kaasukomponentille tai mittauksen se-lektiivisyyden lisäämiseen on useita keinoja. Käytettäessä infrapunasäteilyn ilmaisuun pneumaattisia, akustisia tai kapasitiivisia kaasutäytteisiä detektoreita mittaus 35 ikään kuin herkistyy itsestään sille kaasukomponentille, jolla detektori on täytetty, koska vain tämän kaasukomponenttin absorptiojuovien ja niiden absorptioviivojen 2 101749 kohdalla tapahtuu säteilyn absorptiota ja siis signaalin muodostumista. Jos kyseessä on laajakaistainen detektori, kuten ns. thermopile, puolijohdedetektori tai termistön, tapahtuu mittauksen herkistäminen yleensä kapeakaistaisella optisella suodattimella, jonka päästökaista on sopivasti valittu siltä alueelta, jossa kyseinen tutkittava kaasu 5 absorboi. Toisena vaihtoehtona on käyttää detektorin edessä kaasutäytteistä kammiota, joka poistaa kyseisen komponentin absorptioviivojen kohdalta säteilyä, tai molempia suodattimia voidaan käyttää yhdessä. Esim. US-julkaisussa 5 036 198 kuvataan laite, jossa yhdistetään kahden pyörivän suodatinkiekon käyttö; toisessa suo-datinkiekossa on kaasulla täytettyjä mittausta herkistäviä optisia suodattimia ja toi-10 sessa kapeakaistaisia sopivasti edellisiä täydentäviä optisia kaistanpäästösuodatti-mia. Käytettäessä useita erilaisia kammioita ja optisia kaistanpäästösuodattimia voidaan toteuttaa usean kaasukomponentin mittaus yhtäaikaa. Tällä tavalla räätälöidyllä monimutkaisella mittausjärjestelyllä on myös selvät heikkoudet. Mittaus on tarkka vain niille kaasuille, jotka on mittauksessa otettu huomioon. Mikä tahansa optisten 15 suodattimien läpäisykaistojen alueella absorboiva tuntematon kaasukomponentti romahduttaa mittaustarkkuuden ja itse asiassa virhettä aiheuttaakseen tuntemattoman kaasukomponentin ei tarvitse olla edes optisesti aktiivinen, koska kaasut vaikuttavat toisiinsa myös törmäyslevenemän kautta.

Julkaisussa US-5 055 688 esitetään, millä tavalla kaasutäytteisiä pneumaattisia de-20 tektoreita voidaan käyttää mittauksen herkistämiseen tietylle tai usealle kaasukom-ponentille. Julkaisun laitteessa käytetään kahta kaasutäytteistä detektoria, joissa molemmissa on vielä kaksi erillistä kaasukammiota. Lisäksi detektorien väliin on asetettu kaistanpäästösuodatin, joka lopullisesti herkistää detektorit eri kaasukompo-nenteille, kuten CO ja CO2. Kaistanpäästösuodattimella pyritään valitsemaan tutkit-25 tavien kaasujen absorptiojuovista sellaiset, jotka ovat erillään toisistaan ja jotka muodostavat detektorien jälkeiselle vahvistinasteelle samaa suuruusluokkaa olevan signaalin, vaikka mittauksen kohteena olevat keskimääräiset kaasupitoisuudet olisivatkin hyvin erilaisia. Yleensä sellaisissa mittausmenetelmissä, joissa käytetään kaasutäytteisiä optisia suodattimia tai detektoreita, tulee ongelmaksi se, että siinä detek-30 torissa, jonka edessä on tutkittavaa kaasukomponenttia sisältävä optinen voimakkaasti vaimentava suodatin, signaali on hyvin pieni verrattuna ns. referenssidetekto-rin signaaliin, jossa ei ole ylimääräistä vaimennusta. Tämä ongelma syntyy, koska mittauksen herkistäminen tietylle kaasulle vaatii suurta selektiivisyyttä eli suurta säteilyn vaimentamista niillä aallonpituuksilla, joilla niitattava kaasukomponentti 35 absorboi. Tämä vaikeus on erityisen korostunut niissä mittausjärjestelyissä, joissa pyritään mittaamaan saman molekyylin, tai itse asiassa sen tietyn atomin, eri isotooppeja. US-julkaisussa 5 486 699 esitetään eri hiili-isotooppien mittauksessa rat- 3 101749 kaisuksi varsin monimutkaista kammiorakennetta ja elektroniikkaa, joka säätää detektorien antaman signaalin vahvistusta ja nollatasoa erikoisella tavalla.

Edellä kuvattu tekniikan taso käsittelee sellaisia mittausjärjestelyjä, joissa käytetään kaasutäytteisiä optisia suodattimia tai detektoreita tai optisia kaistanpäästösuodatti-5 mia sellaisella tavalla, että tutkittavan kaasun absorptiojuovan läheisyydessä absorboivan mittausta häiritsevän kaasun vaikutus poistuu tai vähenee merkittävästi, tai että infrapunamittaukselle luodaan referenssimittaus, jolla mekaanisia tai esim. likaantumisen vaikutuksia vähennetään, tai että mittaus tehdään usealle eri optisesti aktiiviselle kaasukomponentille. Edellä esitetyssä tekniikan tasossa ei käsitellä kaa-10 sumolekyylin yhden absorptiojuovan sisällä tapahtuvia muutoksia eli käytännössä törmäyslevenemän aiheuttamia muutoksia absorptiojuovan hienorakenteeseen ja siitä seuraavaa virhettä tietyn kaasukomponentin pitoisuusmäärityksessä.

Molekyylimuodossa olevan kaasun absorptiospektri koostuu normaalisti molekyyli-vibraatioiden aiheuttamista absorptiojuovista ja niiden sisällä rotaatiosiirtymistä joh-15 tuvasta hienorakenteesta. Riittävällä erotuskyvyllä mitattuna kaasun absorptiospektri siis koostuu suuresta määrästä hyvin kapeita absorptioviivoja. Hiilidioksidilla on esimerkiksi vibraatioabsorptiojuova, jonka keskiaallonpituus on 4260 nm. Tarkempi analyysi osoittaa, että alue koostuu yli 80 kapeasta rotaatiosiirtymien aiheuttamasta absorptioviivasta. Näiden viivojen puoliarvoleveys ja suhteellinen korkeus on riip-. 20 puvainen monesta tekijästä kuten lämpötilasta, paineesta ja vieläpä muiden kaasu-seoksessa olevien molekyylien törmäyksistä. Lämpötila ja paine voidaan yleensä ottaa huomioon yksinkertaisesti mittaamalla nämä ja kolaamalla mittasignaalia tällä tuloksella. Sen sijaan muiden kaasukomponenttien törmäyksistä johtuva muutos, •' joka vaikuttaa pitoisuusmääritykseen epäsuorasti, pitää erityisellä tavalla ottaa huo- 25 mioon. Julkaisussa APPLIED OPTICS, Vol.25, No. 14, s. 2434-2439, 1986: C.Cousin et ai. - "Air broadened linewidths, intensities, and spectral line shapes for CO2 at 4.3 pm in the region of the AMTS instrument" kuvataan muutoksia hiilidioksidin puoliarvoleveyteen typpi-ja happiseoksessa. Normaalipaineessa olevan kaa-suseoksen hiilidioksidiviivan (järjestysnumeroltaan 67) puoliarvoleveys on happi-30 seoksessa 0,055 cm"! (0,10 nm) ja typpiseoksessa 0,060 cm'* (0,11 nm) konsent-raatiolle 5 % CO2. Hiilidioksidin itselleen aiheuttaman levenemän osuus näissä luvuissa on vain noin 0,003 cm'*.

Polaariset kaasut kuten ilokaasu eli typpioksiduuli (N2O) vaikuttavat vielä paljon enemmän puoliarvoleveyteen. Tämän takia tehdään potilaan hengityskaasujen hiili-35 dioksidimäärän mittauksessa ilokaasukorjaus esimerkiksi mittaamalla N20-pitoisuus kuten US-julkaisussa 4 423 739 on kuvattu. Myöskin hapen vaikutus verrattuna typ- 4 101749 peen korjataan usein, joskin virhe on pienempi. Tämän tyyppinen korjausmenetelmä ei ole kovin hyvä tai edes luotettava, vaan menetelmä itseasiassa vaatii, että kaikkien mittakammiossa olevien kaasukomponenttien pitoisuudet ja kaasukomponenttien vaikutukset hiilidioksidin törmäyslevenemään on tiedettävä etukäteen, jotta korjaus 5 voitaisiin suorittaa. Vaikutukset eivät ole edes yksikäsitteisiä, koska kaasuseoksessa jonkin kaasun vaikutus mittaukseen voi olla erilainen kuin tämän kaasun vaikutus yksinään. Korjauslaskelmia varten tarvitaan erittäin mittava kokeellinen aineisto. Edellä olevassa julkaisussa kuvattu menettelytapa voi antaa täysin virheellisen tuloksen, jos analysoitavaan kaasuseokseen kohdistuu ennalta tuntematon tekijä. Kaik-10 kien kaasujen mittaaminen esim. kliinisessä potilasvalvontatilanteessa tulee tällaisen menettelyn takia yleensä myös erittäin kalliiksi, jos näiden kaasukomponenttien mittaukseen ei ole muuta erityistä tarvetta.

Julkaisun US-3 745 349 ja muiden edellä mainittujen julkaisujen kuvaamilla menettelytavoilla ei edellä kuvattua ongelmaa voida ratkaista ilman ilmiön syvällistä ym-15 märtämistä, eikä julkaisuissa ole ongelmaa edes käsitelty eikä siihen ole haettu ratkaisuja. Mainituissa menetelmissä, joilla siis pyritään mittausten herkistämiseen tietylle kaasukomponentille, käytetään voimakkaasti absorboivaa kaasutäytteistä kais-tanestosuodatinta, jolloin törmäyslevenemää ja sen vaikutusta ei voida mitata. Lisäksi koska kaasusuodatinkammio on suljettuja kiinteä sekä se, että siellä on erilainen 20 kaasukoostumus ja mahdollisesti erilainen paine ja lämpötila kuin mittakammiossa, absorptioviivojen törmäyslevenemän vaikutus ilman erityistä mittakammion ja suo-datinkammion mitoitusta on hankala huomioida. Virhettä tulee tarkkoihin mittaustuloksiin, koska mittausjäijestelyt sellaisenaan siis eivät salli kaasuseoksen pitoisuus-mittauksen yhteydessä törmäyslevenemän samanaikaista mittausta tai korjausta.

25 Julkaisussa US-4 110 619 on ongelmaa yritetty lähestyä siten, että törmäyslevenemän vaikutus on pyritty kokonaan eliminoimaan. Julkaisussa kuvataan sekä ns.

"dual beam” -rakenne, jossa mittauskammio ja referenssikammio ja näitä seuraavat detektorit ovat rinnakkain, sekä ns. "single beam" -rakenne, jossa detektori on yhteinen molemmille signaaleille ja mittaus- ja referenssikammion signaali erotetaan oh-30 jäämällä säteilyä esim. katkojan avulla pulssitettuna kammioiden läpi. Detektorissa itsessään on kaksi erillistä, mutta toisiinsa kytkettyä, kaasutäytteistä kammiota, joissa absorboitunut säteily aiheuttaa painemuutoksia, joita mitataan esim. herkällä mikrofonilla. Törmäyslevenemän eliminointi perustuu siihen, että detektorikammioiden kaasutäyte, sen määrä tai kammioiden pituus, asetetaan sellaiseksi, että kaasuseok-35 sen koostumus eli törmäyslevenemävaikutukset eivät muuttaisi varsinaista mittasig-naalia. Kuten julkaisun tekijä aivan oikein huomauttaa, toimii periaate riittävässä 5 101749 määrin vain ns. "single beam" -rakenteessa, mutta tässäkin kaasutäyte pitää asettaa sellaiseksi, että samanaikaisesti mittauksen herkkyys kyseiselle mitattavalle kaasulle heikkenee, nollapisteen stabiilius kärsii ja herkkyys mittausta häiritseville muille kaasuille lisääntyy. Lisäksi koska ns. "single beam" -rakenne itse asiassa käsittää 5 kolme peräkkäistä säteilyä absorboivaa kammiota (mittauskammio ja kaksi detekto-rikammiota), jotka on samanaikaisesti saatava vaadittuun tasapainoon absorption suhteen, onnistuu törmäyslevenemän vaikutuksen kompensointi vain yhdelle tietylle mitattavan kaasun pitoisuudelle. Julkaisun esimerkissä, jossa selostetaan menetelmän kalibrointimenettely, tämä pitoisuus on 10 % CO2. Muilla pitoisuuksilla tör-10 mäyslevenemän kompensointi ei enää ole tyydyttävä ja törmäyslevenemän aiheuttama ongelma siis säilyy. Yllä esitetty ilmiö johtuu siitä, että myös mittauskammion kaasuseos muuttaa detektoriin osuvan säteilyn spektristä muotoa absorptioviivan kohdalla. Koska detektorikammioiden kaasumäärän sovitus perustuu juuri tähän absorptioviivan huippujen ja sivujen keskinäiseen tasapainoon, johon siis vaikuttaa 15 myös mittauskammion kaasu, syntyy virhettä, kun ns. kalibrointipitoisuudesta poiketaan. Tällainen kompensointimenettely ei siis voi olla yleisessä mielessä tyydyttävä ratkaisu törmäyslevenemän virheen poistamiseksi. Pneumaattisten, isokokoisten ja jokseenkin epäherkkien ja tässä tapauksessa myös hyvin erikoisrakenteisten detektorien käyttö jo sinänsä on nykyaikaan soveltumatonta.

20 Yksinkertaistettuna on kaasun kokonaisabsorptio verrannollinen kaasumolekyylien määrään mittaustilavuudessa. Näin on varsinkin, jos näytekammio ja erityisesti sen pituus infrapunasäteilyn suunnassa on pieni. Tällöin kaasun oma absorptio ei oleellisesti muuta kuhunkin molekyyliin kohdistuvan säteilyn tehoa. Molekyyliin kohdistuva säteily voi muuttua kaasuseoksen mitattavan kaasun itseabsorption tai muiden 25 samalla säteilykaistalla olevien absorboivien komponenttien takia. Muiden komponenttien suora vaikutus analysoitavaan kaasuun eliminoidaan yleensä siten, että tarkasteltava säteilyn spektrikaista rajoitetaan aallonpituusalueelle, jossa vain analysoitava kaasu absorboi. Ongelmaksi jää, että muut kaasukomponentit, kuten edellä jo kerrottiin, vaikuttavat mitattavan kaasun absorptioon myös "kaukovaikutuksena", 30 ts. törmäyslevenemän kautta, jolloin mittauskaistan rajoittamisesta ei ole apua. Tör-• · mäyksissä molekyylin energiajakautuma on hieman muuttunut aiheuttaen absorptio- viivan leviämisen. Viivan yli integroitu molekyylin absorbanssiarvo kuitenkin säilyy käytännöllisesti katsoen muuttumattomana. Ei-dispersiivisellä infrapunatekniikalla ei valitettavasti pystytä suoraan mittaamaan absorbanssia, vaan mitataan infrapuna-35 säteilyn läpäisyä valitulla koko aallonpituuskaistalla. Infrapunasäteilyn läpäisy sellaisenaan onkin yleensä parempi suure kuvaamaan absorptiota käytännön mittausjärjestelyissä, joissa käytetään kohtuullisen levyistä aallonpituuskaistaa, kuin itse 6 101749 absorbanssi, joka sopii paremmin tapauksiin, joissa mitataan erittäin kapealla aallon-pituuskaistalla ja joissa vielä näytetilavuus on edullisesti pieni.

Kun niitataan ei-dispersiivisesti tietyllä aallonpituuden kaistanleveydellä, tulee kokonaisläpäisy Tm olemaan integraali suodattimen spektrialueen λΐ - λ2 yli: 5 λ2

Tm = ί Ε(λ) · Τ(λ) dλ λΐ jossa F(X) on suodattimen läpäisyfunktio ja Τ(λ) kaasunäytteen aallonpituudesta riippuvainen transmissio. Tavallisesti läpäisy Tm ei enää noudata Lambert-Beerin 10 lakia, vaikka yhdellä aallonpituudella Τ(λ) näin tekeekin.

Tilanteessa, jossa säteily etenee pitkässä kaasutäytteisessä kanavassa, F(X) kuvaa sitä tulevan säteilyn aallonpituusjakaumaa, joka osuu tarkastelun kohteena olevaan kanavan osaan. Tämän takia sekä Ρ(λ) että Τ(λ) ovat myös paikan funktioita. Transmissiota on siis tarkkailtava myös paikallisesti, jotta koko mittauskanavan yli mitattu 15 signaali Tm voidaan ymmärtää.

Tarkastellaan ensin, miten säteilyn aallonpituusjakauma vaikuttaa törmäyslevenemi-sestä aiheutuvan virheen suuruuteen. Itse asiassa Tm.n virheen suuruus riippuu suodattimen kaistanleveydestä eli juuri F(X):n ominaisuuksista. Mitattuna sopivan kapealla aallonpituuskaistalla, joka on samaa suuruusluokkaa kuin yksittäisen absorp-20 tioviivan leveys, törmäyslevenemän korjaustarve on hyvin pieni tai olematon. Asia ilmenee esimerkiksi EP-julkaisusta 0 405 841, jossa hiilidioksidia mitataan käyttäen kapeakaistaista hiilidioksidisäteilylähdettä. Tämä vastaa optista suodatinta, jossa on useita hiilidioksidin absorptioviivoja vastaavia läpäisykaistoja. Jos optisen suodattimen läpäisykaista taas on kapeampi kuin mitattavan absorptioviivan leveys, niin tör-25 mäyslevenemä aiheuttaa absorption pienenemistä, koska absoptioviivan huippu madaltuu. Tällaisesta tapauksesta kerrotaan WO-julkaisussa 94/24528, jossa hapen yhtä absorptioviivaa mitataan hyvin kapeakaistaisella laserdiodilla. Tällöin Lambert-. Beerin laki pätee laserin aallonpituudelle, ja pyyhkäisemällä aallonpituutta (mikä - voi tapahtua esimerkiksi laserdiodin lämpötilaa muuttamalla) koko absorptioviivan 30 yli päästään laskemaan absorbanssi koko aallonpituusalueessa, joten törmäysleve-nemä ei enää vaikuta oleellisesti lopputulokseen.

Jos suodattimen läpäisykaista ulottuu useamman absorptiohuipun yli, kuten asia yleensä on hiilidioksidia mitattaessa, korjauksen tarvetta on, koska kokonaisabsorp- 7 101749 tio kasvaa törmäyslevenemän kasvaessa. Tämä on yleinen tilanne käytännön mittauksissa.

Kuten jo aiemmin mainittiin, pitoisuusmääritykseen vaikuttaa myös mittauskanavan pituus. Lyhyellä kanavalla korjaustarve on pienempi, kun taas pitemmällä kanavalla, 5 jossa niitattavan kaasun absorptio on pienentänyt transmissiota oleellisesti enemmän, korjaustarve voi olla tuntuva. Potilaan hengityskaasujen hiilidioksidimittauk-sessa, jossa esimerkiksi anestesian aikana huomattava osa kaasuseoksesta voi olla typpioksiduulia (ilokaasua, N2O), laskettu CC>2-kaasupitoisuus voi olla jopa 15 % liian korkea johtuen yllä selitetystä transmissiointegraalin aiheuttamasta virheestä.

10 Jos mittausjärjestelmässä lisäksi mitataan useita erilaisia kaasukomponentteja yhdessä ja samassa mittakammiossa, on kammion pituuden mitoitus aina kompromissi, jossa kärsii voimakkaimmin absorboiva kaasukomponentti, jolle kammio on siis liian pitkä. Törmäyslevenemän korjaustarve on tällaisessa tilanteessa erittäin merkittävä, varsinkin jos kaasupitoisuuksien summa on pakotettu laskennallisesti tietylle 15 tasolle esim. 100 %:iin, jolloin yhden kaasukomponentin väärä pitoisuusmääritys vaikuttaa myös muiden kaasujen määrityksiin.

Tämän keksinnön tavoitteena on ensinnäkin saada aikaan menetelmä ja anturilaite edellä kuvatun absorptioviivojen törmäyslevenemän vaikutusten tarkaksi määrittämiseksi. Toiseksi keksinnön tavoitteena on halutun kaasukomponentin pitoisuuden 20 tarkka mittaaminen ei-dispersiivisessä säteilyn absorptioon perustuvassa mittaussysteemissä, jossa ei ole käytettävissä muuta mittaustietoa analysoitavan kaasuseoksen kokoonpanosta tai muusta luonteesta. Kolmantena tavoitteena on saada aikaan menetelmä ja anturilaite, joka toimii laajalla mitattavan kaasunkomponentin pitoisuus-alueella riippumatta seoskaasun luonteesta. Neljäntenä tavoitteena on menetelmä ja 25 anturilaite, joka toimii sekä ns. "single beam"- että "dual beam" -rakenteissa. Viidentenä tavoitteena on myös saada aikaan menettely infrapuna-absorptiomittauksis-sa käytetyn kaasutäytteisen optisen suodattimen ja mittauskammion mitoittamiseksi sellaiseksi, että törmäyslevenemäkorjaus voidaan laskea yksikäsitteisesti. Kuudentena tavoitteena on myös saada aikaan menettely infrapuna-absorptiomittauksissa käy-. 30 tetyn kaasutäytteisen optisen suodattimen ja mittauskammion mitoittamiseksi sellai seksi, että halutun kaasukomponentin pitoisuus voidaan laskea tarkasti. Seitsemäntenä tavoitteena on menetelmä ja anturilaite, jossa paineen ja/tai lämpötilan vaikutuksesta syntyvät virheet ovat mahdollisimman pieniä ja helposti korjattavissa. Kahdeksantena tavoitteena on menetelmä ja anturilaite, joka soveltuu kaasuseoksessa 35 usean eri kaasukomponentin mittaukseen ja samanaikaisesti erityisesti yhdellä tai mahdollisesti useammalla kaasukomponentilla tehtyyn törmäyslevenemän mittauk- 8 101749 seen, jonka tuloksella korjataan kaasupitoisuusmääritystä. Yhdeksäntenä tavoitteena on menetelmä ja anturilaite, jolla voi mitata tarkasti useita kaasukomponentteja yhtäaikaa samalla mittauskammiolla riippumatta kaasukomponenttien erilaisista absorptiotasoista ja siitä, että voimakkaimmin absorboivalle komponentille törmäys-5 levenemän kompensointi olisi erittäin huomattava. Edelleen tavoitteena on menetelmä anturilaite, joka on yksinkertainen, luotettava ja halpa. Vielä tavoitteena on menetelmä ja anturilaite, joka soveltuu hengityskaasujen analysointiin potilasvalvonta-tilanteessa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin kuvioihin viittaamalla.

10 Kuvio IA esittää hiilidioksidin erään absorptiospektrijuovan yhden absorptioviivan suhteellista absorptiotehokkuutta logaritmisella asteikolla, ts. absorbanssia, aallonpituuden funktiona. Absorptioviivan ei-levinnyt muoto (AL) on esitetty ehjällä viivalla ja seoskaasun aiheuttaman törmäyslevenemän vaikutuksesta levinnyt muoto katkoviivalla. Absorptioviivojen pinta-ala on sama ja ne ovat ns. Lorenzin muotoa.

15 Kuvio IB esittää hiilidioksidin kuviossa IA näytetyn absorptioviivan käyttäytymistä transmissiomuodossa, jolloin pystyakselilla on läpäisyjä vaaka-akselilla aallonpituus. Absorptioviivan ei-levinnyt muoto on esitetty ehjällä viivalla ja seoskaasun aiheuttaman törmäyslevenemän vaikutuksesta levinnyt muoto katkoviivalla (TB).

Kuvio 2A esittää kaavamaisesti erään esimerkkimolekyylin infrapuna-alueella ole-20 vaa absorptiojuovaa ja sen hienorakennetta, joka muodostuu useista eri suuruisista ja eri etäisyydellä toisistaan olevista absorptioviivoista.

Kuviot 2B ja 2C esittävät kaavamaisesti kuvion 2A absorptiojuovaa vastaavaa säteilyn läpäisyä, jossa on nähtävissä useita kapeita säteilyn estokaistoja, jotka vastaavat kuvion 2A absorptioviivoja. Kuviossa 2B on kuvattu tyypillistä keksinnön mu-25 kaista kaasutäytteistä optista kaistanestosuodinta, joka poistaa tulevasta säteilystä keskimäärin n. 20 % eli suodattimen läpäisy on keskimäärin n. 80 % ja jonka avulla voidaan selvittää törmäyslevenemää. Kuviossa 2C taas on esitetty tyypillisen tietylle : kaasukomponentille mitoitetun ja aikaisemmin kuvatun tyyppisen herkistävän kaa- sutäytteisen kaistanestosuodattimen läpäisy, joka tässä tapauksessa on keskimäärin 30 vain n. 45 %.

Kuviot 3A-5B esittävät erään yksinkertaisen mallin mukaan laskettuja törmäysleve-nemän vaikutuksia. Kuvioissa 3A-5A on esitetty läpäisyn muutos absorptioviivan ; leveyden funktiona kun kuvion IB signaalia mitataan pelkästään kapean läpäisykais-

tan omaavan optisen kaistanpäästösuodattimen läpi. Vastaavasti kuvioissa 3B-5B

9 101749 mitataan kuvion IB signaalia kapeakaistaisen optisen kaistanestosuodattimen läpi. Kaikissa näissä kuvioissa on läpäisy normeerattu ykköseksi ei-levinneelle absorptio-viivalle. Kuvioissa 3A-3B säteilyn kokonaisläpäisy oletetussa mittauskammiossa on 78 %, kuvioissa 4A-4B 68 % ja kuvioissa 5A-5B 55 %. Vaaka-akseleilla on absorp-5 tioviivan suhteellinen puoliarvoleveys, joka on normeerattu ykköseksi leventymättö-mälle absorptioviivalle.

Kuvio 6A esittää kaasutäytteisen kaistanestosuotimen tai pitkän mittauskammion läpäisseen säteilyn intensiteetin jakautuman yhden absorptioviivan kohdalla säteilyn edetessä kaistanestosuodattimessa tai mittauskammiossa, jolloin pystyakselilla on 10 suhteellinen läpäisy, vaaka-akselilla on suhteellinen aallonpituus välillä -10...+10 normeerattuna ei-levinneen absorptioviivan puoliarvoleveyteen, joksi on valittu arvo = 1. Kuvaajassa käyrien vieressä on säteilyn etenemismatkaa LC = 1, 2, 4 ja 8 kuvaava luku, joka on todellisen etenemismatkan ja kaasupitoisuuden tulo, jolloin etäisyydellä LC=1 koko tarkastellulla aallonpituusvälillä säteilystä on absorboitunut 1/3 ei-15 levinneellä absorptioviivalla.

Kuvio 6B esittää kuvion 6A läpäisykäyriä kahdella eri etäisyydellä, ts. LC=2 ja LC=8, siinä tapauksessa, että absorptioviiva ei ole levinnyt (esitetty jatkuvalla viivalla, jolle absorptioviivan suhteellinen leveys = 1) ja silloin kun viiva on leventynyt (esitetty katkoviivalla, jolle absorptioviivan suhteellinen leveys = 1,3).

20 Kuvio 7 esittää läpäisseen säteilyn integroitua voimakkuutta tarkastellulla aallonpituusalueella etäisyyden funktiona kolmelle erilaiselle kaasupitoisuudelle ja kahdelle absorptioviivan leveydelle, ei-levinneelle absorptioviivalle (esitetty jatkuvalla viivalla, suhteellinen leveys = 1) ja selvästi levinneelle absorptioviivalle (esitetty katkoviivalla, suhteellinen leveys = 1,3).

25 Kuvio 8A esittää erästä tapaa muodostaa kaksi signaalia Sija S2, jotka on mitattu mittakammion kahdella erilaisella etäisyydellä - tässä tapauksessa normeeratuilla etäisyyksillä S2=2 ja S 1=0.5. Vaaka-akselilla on signaali S2 ja pystyakselilla mainitun kahden signaalin suhde S1/S2 prosentteina tai yksinään signaali SI normeerattuna kuten edellä olevissa kuvioissa. Kuviossa vasemmalla olevalle ensimmäiselle 30 pistejoukolle, jossa signaali S2 on välillä 70-90, hiilidioksidipitoisuus on suuri, vastaten absorptioltaan noin 10 %:n pitoisuutta n. 5 mm:n pituisessa kammiossa. Seu-raavalle keskimmäiselle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 100-120, hiilidioksidipitoisuus on puolet, ts. 5 %, ensimmäisen joukon pitoisuudesta ja kolmannelle oikeanpuoleiselle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 130-140, hiilidioksidipitoisuus on nel-35 jäsosa, ts. 2,5 %, ensimmäisen pistejoukon pitoisuudesta. Kullekin pitoisuudelle on 10 101749 esitetty signaalit S1 ja S1/S2 pisteinä mainitussa koordinaatistossa neljälle erilaiselle suhteelliselle viivanleveysparametrille 1; 1,1; 1,2 ja 1,3. Vinoneliöt ovat signaalille SI siten, että leventymätöntä viivaa (absorptioviivan leveys = 1) kuvaa aina joukon ylin piste (suurin läpäisy) ja seuraavat pisteet suuruusjäijestyksessä signaalin muut-5 tumista absorptioviivan leveyden kasvaessa, jolloin alin piste vastaa voimakkaasti levinnyttä absorptioviivaa. Neliöt ovat signaalille S1/S2, jossa päinvastaisesti ylin piste vastaa voimakkaimmin levinnyttä absorptioviivaa eli pisteet, joissa on sama S2-arvo, muodostavat aina yhden tietyn tilanteen pisteparin SI ja S1/S2.

Kuvio 8B esittää toista tapaa muodostaa kaksi signaalia Sija S2, jotka on mitattu 10 mittakammion kahdella erilaisella etäisyydellä - tässä tapauksessa normeeratuilla etäisyyksillä S2=4 ja S 1=2. Vaaka-akselilla on signaali S2 ja pystyakselilla mainitun kahden signaalin suhde S1/S2 (prosentteina) tai yksinään signaali SI normeerattuna kuten edellä olevissa kuvioissa. Kuviossa vasemmalla olevalle ensimmäiselle pistejoukolle, jossa signaali S2 on välillä 40-60, hiilidioksidipitoisuus on suuri, vastaten 15 absorptioltaan noin 10 %:n pitoisuutta n. 5 mm pituisessa kammiossa. Seuraavalle keskimmäiselle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 70-90, hiilidioksidipitoisuus, on puolet, ts. 5 %, edellisen joukon pitoisuudesta ja oikealla olevalle kolmannelle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 100-120, se on neljäsosa, ts. 2,5 %, ensimmäisen pistejoukon pitoisuudesta. Kullekin pitoisuudelle on esitetty signaalit S1 ja S1/S2 pistei-20 nä mainitussa koordinaatistossa neljälle erilaiselle suhteelliselle viivanleveysparametrille 1; 1,1; 1,2 ja 1,3. Vinoneliöt ovat jälleen signaalille SI siten, että leventymätöntä viivaa (absorptioviivan leveys = 1) kuvaa aina joukon ylin piste (suurin läpäisy) ja seuraavat pisteet suuruusjärjestyksessä signaalin muuttumista absorptio-viivan leveyden kasvaessa, jolloin alin piste vastaa voimakkaasti levinnyttä absorp-25 tioviivaa. Neliöt ovat signaalille S1/S2, jossa päinvastaisesti ylin piste vastaa voimakkaimmin levinnyttä absorptioviivaa eli pisteet, joissa on sama S2-arvo, muodostavat aina yhden tietyn tilanteen pisteparin SI ja S1/S2.

Kuvio 9A esittää keksinnön mukaisen laitteen ensimmäistä edullista toteutusmuotoa. Tässä toteutusmuodossa käytetään yhtä pitkää analysointikammiota, jossa kahdelle : 30 erilaiselle etäisyydelle sijoitetut detektorit mittaavat kyseisillä säteilyn etenemismat- koilla absorboituneita säteilyn määriä. Näin muodostetaan kaksi lineaarisesti riippumatonta signaalia S1 ja S2, joilla on keskinäinen yhteys ja joista määritetään keksinnön mukaisesti sekä C02-pitoisuus että törmäyslevenemää kuvaava parametri.

Kuvio 9B esittää keksinnön mukaisen laitteen toista edullista toteutusmuotoa. Tässä 35 toteutusmuodossa käytetään yhtä pitkää analysointikammiota, jossa kolmelle erilaiselle etäisyydelle sijoitetut detektorit mittaavat kyseisillä säteilyn etenemismatkoilla 11 101749 absorboituneita säteilyn määriä. Näin muodostetaan vähintään kaksi lineaarisesti riippumatonta signaalia S1 ja S2, joilla on keskinäinen yhteys, ja kolmas signaali S3 tai mitattavan kaasukomponentin konsentraation mukaan kaksi muuta lineaarisesti riippumatonta signaalia SI'ja S2', joilla on keskinäinen yhteys ja joista määritetään kek-5 sinnön mukaisesti sekä C02-pitoisuus että törmäyslevenemää kuvaava parametri.

Kuvio 10A esittää keksinnön mukaisen laitteen kolmatta edullista toteutusmuotoa. Tässä toteutusmuodossa kaksi erilaista lineaarisesti riippumatonta signaalia S1 ja S2, joilla on keskinäinen yhteys, muodostetaan kahdella erilaisella säteilyn etene-mismatkalla käyttäen yhdessä analysointikammiossa mitattavaa kaasuseosta syrjäyt-10 tävää säteilyä läpäisevää elementtiä lyhentämään ensimmäisen mittakanavan pituutta, jolloin saadaan signaali SI. Toinen signaali S2 saadaan kanavasta, jossa ei ole syrjäyttävää elementtiä. Signaaleista lasketaan keksinnön mukaisesti sekä CC>2-pi-toisuus että törmäyslevenemää kuvaava parametri.

Kuvio 10B esittää keksinnön mukaisen laitteen neljättä edullista toteutusmuotoa.

15 Tässä toteutusmuodossa muodostetaan vähintään kaksi erilaista lineaarisesti riippumatonta signaalia Sija S2, joilla on keskinäinen yhteys, ja kolmas signaali S3 tai mitattavan kaasukomponentin konsentraation mukaan kaksi muuta lineaarisesti riippumatonta signaalia S Γ ja S2', joilla on keskinäinen yhteys. Kaksi signaalia saadaan kahdella erilaisella säteilyn etenemismatkalla käyttäen yhdessä analysointikammios-20 sa mitattavaa kaasuseosta syijäyttävää säteilyä läpäisevää elementtiä lyhentämään ensimmäisen mittakanavan pituutta, jolloin saadaan signaali S1. Lisäksi tässä yhdessä analysointikammiossa käytetään toista mitattavaa kaasuseosta syrjäyttävää säteilyä läpäisevää elementtiä lyhentämään toisen mittakanavan pituutta, josta saadaan em. kolmas signaali S2 tai vastaavasti ST. Kolmas signaali S3 tai vastaavasti toinen 25 signaali S2' saadaan kanavasta, jossa ei ole syrjäyttävää elementtiä. Signaaleista lasketaan keksinnön mukaisesti sekä C02-pitoisuus että törmäyslevenemää kuvaava parametri.

Kuviot 1 IA, 1 IB ja 11C esittävät keksinnön mukaisen laitteen viidettä ja kuudetta sekä seitsemättä sekä kahdeksatta toteutusmuotoa. Näille laitteille on ominaista, että 30 säteilyn kulkemaa tehollista optista matkaa säädellään kiinteällä kaasutäytteisellä kaistanestosuotimella. Laitteen viidennessä (kuvio 1 IA ehjällä viivalla esitetyt osat), seitsemännessä (kuvio 1 IB) ja kahdeksannessa (kuvio 11C) toteutusmuodossa kais-tanestosuodin ja mittauskammio mitoitetaan keksinnön mukaisella edullisella tavalla, jolloin muodostetaan kaksi lineaarisesti riippumatonta signaalia S1 ja S2, joilla ; 35 on keskinäinen yhteys. Kuviossa 1 IA on myös kuvattu laitteen kuudes toteutusmuo to, jossa mainittujen osien lisäksi on toinen kaasutäytteinen kaistanestosuodatin, 12 101749 joka on kuvattu pisteviivalla ja jonka kautta saadaan kolmas signaali S3. Näiden avulla määritetään sekä CC>2-pitoisuus että törmäyslevenemää kuvaava parametri.

Kuvio 12 esittää keksinnön mukaisen laitteen yhdeksättä toteutusmuotoa, jossa käytetään vain yhtä detektoria ja yhtä säteilylähdettä. Säteilyn mittauskammiossa kulke-5 maa tehollista matkaa säädellään pyörivään kiekkoon sijoitetuilla optisilla kaasutäyt-teisillä kaistanestosuotimilla. Kiekon pyöriessä muodostetaan vähintään kaksi lineaarisesti riippumatonta signaalia Sija S2 jne., joilla on keskinäinen yhteys, sekä haluttaessa myös kolmas signaali S3, joista määritetään keksinnön mukaisella menetelmällä CC>2-pitoisuus ja törmäyslevenemää kuvaava parametri.

10 Jotta likimain pystyttäisiin kuvaamaan todellista kaasumittaussysteemiä optisen kaistanpäästösuodattimen eri leveyksillä, tarkastellaan vain yhtä erään absorptiojuo-van rotaatioviivan huipuista. Kuviossa IA tällainen absorptioviiva AL on esitetty aallonpituuden λ (nm) funktiona sekä pitoisuuteen verrannollisena absorbanssina a(A) sekä ai (λ) absorptio viivan kahdelle eri puoliarvoleveydelle (ehjällä viivalla 0,1 15 nm ja katkoviivalla 0,15 nm). Kuviossa IB sama absorptioviiva AL on esitetty mit taussysteemin näkemänä transmissiona Τ(λ) sekä Tl (λ) vastaaville kahdelle eri viivan puoliarvoleveydelle (ehjällä viivalla 0,1 nm ja katkoviivalla 0,15 nm). Kuten kuviosta IA näkyy, absorptiohuippu alenee kun leveys kasvaa, kuitenkin niin, että kokonaispinta-ala säilyy muuttumattomana. Vaikka kuviosta IB ei helposti näe, niin 20 mittaussysteemin näkemän absorptiokaistan TB pinta-ala kasvaa kun viiva leviää. Absorptioviiva on kuviossa IA mallinnettu Lorentz-muodolla. Kuvioissa IA ja IB oleva tilanne esittää absorbanssia ja säteilyn läpäisyä siinä tapauksessa, että absorptio on hyvin lievää eli tulevasta säteilystä on poistunut vain n. 5 % pääosin absorp-tiohuipun kohdalla.

25 Kuviot 2A-2C esittävät kaavamaisesti todellista tilannetta eräälle kaasumolekyylille. Kuviossa 2A kuvataan, miten kaasumolekyylin absorptioviivat ovat rakentuneet ab-sorptiojuovaksi, jossa absorptioviivat ovat erisuuruisia ja vaihtelevalla etäisyydellä toisistaan. Molekyylin absorptiojuova on siis kampamainen rakenne, jonka elementteinä ovat yksittäiset absorptioviivat. Absorptioviivojen muotoon ja keskinäiseen 30 suuruuteen vaikuttaa erityisesti lämpötila ja myös kaasumolekyylien törmäykset keskenään. Kuviossa 2B on esitetty, miten säteily läpäisee ohuen kaasukerroksen siinä tilanteessa, että kaasukerroksessa on kyseisiä molekyylejä. Kaasukerros toimii optisena kaistanestosuodattimena, joka poistaa säteilyä ensin pääosin aivan absorptio-huippujen kohdalta ja tämän jälkeen säteilyn edetessä kaasukerroksessa myös ab-35 sorptioviivan sivuilta. Kuviossa 2B säteilyn lopullinen kokonaisläpäisy on n. 80 %, joka lisäksi keskittyy absorptioviivojen väliin. Tämä on edullinen mitoitus kaasu- 13 101749 täytteiselle suodattimelle tämän keksinnön esittämässä mielessä. Kuviossa 2C on esitetty sellainen kaasutäytteisen optisen suodattimen mitoitus, joka on edullinen silloin, jos halutaan muodostaa tietty referenssi kaasumittaukselle tai että mittaus herkistetään tälle tietylle kaasumolekyylille. Kuviossa 2C infrapunasäteilyn läpäisy 5 on n. 45 %, jolla tasolla lähes kaikki säteily on poistettu molekyylin absorptioviivan kohdalta. Tällöin mittauskammiossa oleva sama molekyyli ei enää vaimenna suodattimen läpäisyttä säteilyä. Koska tällainen säteily ei ole enää herkkä itse molekyylin pitoisuudelle, ei se myöskään ole herkkä sen absorptioviivan leveydelle. Tör-mäyslevenemän mittauksen kannalta on siis keksinnön mukaisesti käytettävä lievästi 10 absorboivia kaasutäytteisiä optisia suodattimia.

Oletetaan, että pienentyneen transmission yhtä viivaa kuvassa IB mitataan kaistan-päästösuodattimella, jonka läpäisykaista on ideaali, toisin sanoen kaistan reunat ovat jyrkkiä ja päästökaistalla, ts. mitattavan absorptioviivan kohdalla, läpäisy on 100 % ja estokaistalla, ts. päästökaistan ulkopuolella, läpäisy on 0 %. Tämä kuvaa tilan-15 netta, jossa mittauskammiossa olevan kaasun läpäisy on muotoa IB ja jossa läpäisyä mitataan detektorilla, jonka edessä on edellä kuvatun tyyppinen ideaalinen kaistan-päästösuodin. Tilanne on esitetty kuvioissa 3A-5A. Vaihtoehtoisesti samaa kuvan IB läpäisyä voidaan mitata ideaalisen kaistanestosuotimen läpi, jossa siis estokaistalla, ts. mitattavan absorptioviivan kohdalla, läpäisy on 0 % ja päästökaistalla, ts.

20 estokaistan ulkopuolella, läpäisy on 100 %. Tilanne on esitetty kuvioissa 3B-5B. Kuviossa 3A-5B on siten esitetty odotettavissa olevat mittaussignaalit eri suodatin-leveyksille = 0,1; 1; 2 ja 4 sekä absorptioviivan eri leveyksille = 1; 1,1; 1,2 ja 1,3 silloin, kun mittauskammiossa säteilyn kokonaisläpäisy on 78 %, 68 % tai 55 %. Mittaussignaalit on esitetty suhteellisena läpäisynä Tm/Tm(l) eli normeerattuna lä-25 päisyllä, joka on mitattu levenemättömällä absorptioviivalla. Vaaka-akselilla on absorptioviivan leveyttä kuvaava suhteellinen parametri. Ei-levinneen viivan puoli-arvoleveydellä on mielivaltainen arvo 1. Hyvin kapean suodattimen päästö- tai esto-kaistanleveytenä on käytetty suhteellista arvoa 0,1 (kiinteä viiva) ja leveämpien suodattimien leveytenä arvoja 1 (kiinteä viiva), 2 ja 4 (katkoviivat). Hiilidioksidin ky-30 seessä ollen vierekkäisten absorptioviivojen keskimääräinen etäisyys toisistaan on : näissä samoissa yksiköissä 10. Käytännössä kaistanleveyttä 0,1 (vastaa todellisuu dessa aallonpituuskaistaa n. 0,01 nm) vastaavaa suodatinta ei ole mahdollista rakentaa, mutta vastaava käyttäytyminen voitaisiin toteuttaa laser-tekniikoilla. Tässä käyrän tarkoituksena on havainnollistaa säteilyn periaatteellista käyttäytymistä, jos täl-35 lainen suodin olisi olemassa.

14 101749

Kuten kuviosta 3 A-5B nähdään, signaali yleensä pienenee kun absorptioviivan leveys kasvaa. Poikkeuksena on erittäin kapea kaistanpäästösuodin, jolla ainakin käytetyn absorptiomallin tapauksessa säteilyn läpäisy kasvaa viivanleveyden kasvaessa. Kaikissa kaistanestosuodattimissa signaali pienenee. Samoin huomataan, että jos 5 mittauskammion pituus tai sen sisältämän kaasun pitoisuus kasvaa, vaikuttaa tör-mäyslevenemä voimakkaammin säteilyn läpäisyyn. Pitkälle kammiolle törmäysleve-nemäkorjaukset ovat siis aina suurempia kuin lyhyelle kammiolle. Tämä ja samoin korjauksen suuruusluokka on hyvässä yhteensopivuudessa kokeellisten havaintojen kanssa.

10 Eräs tapa absorptioviivan levenemisen aiheuttaman hiilidioksidipitoisuuden tai muun analysoitavassa kaasuseoksessa olevan kaasukomponentin määritysvirheen kompensoimiseksi voisi olla, että pyritään muodostamaan törmäyslevenemästä riippumaton signaali. Tämä onkin mahdollista yhdellä tietyllä mittauskammion kaasupi-toisuudella eli yhdellä läpäisytasolla sekä sopivasti yhdistellen siihen erilaisia suo-15 dattimia tai mitoittamalla erikoisella tavalla detektorin absorptiokammioita. Tuloksena olisi kuitenkin vain osittainen ratkaisu. Tämä on todettavissa hyvin kuvioista 3 A-5B, joista on nähtävissä, että törmäyslevenemän vaikutus eli tarvittava kompensointi on selvästi kaasun pitoisuudesta eli säteilyn läpäisystä riippuvainen.

Tässä keksinnössä perusperiaatteena on, että törmäyslevenemän aiheuttamia muu-20 toksia säteilyn läpäisyssä pidetään itse asiassa signaalina samoin kuin mitattavan kaasun pitoisuuden aiheuttamia muutoksia. Näille muutoksille määritetään empiirisin menetelmin matemaattinen yhteys, jossa on vähintään kaksi signaalia S1 ja S2 sekä kaksi tuntematonta muuttujaa, ts. kaasun pitoisuus C ja törmäyslevenemää kuvaava parametri T. Näin muodostettu yhtälöryhmä ratkaistaan lopuksi yksikäsitteis-25 esti, jolloin saadaan sekä tarkka kaasupitoisuus ja törmäyslevenemä. Tässä uudessa menetelmässä ei siis pyritä löytämään mitään kompensointia tai sellaista mittausjärjestelyä, jossa törmäyslevenemä ei vaikuttaisi signaaliin. Itse asiassa edullisinta on, että törmäyslevenemä vaikuttaisi johonkin signaaliin mahdollisimman paljon.

Kuvioista 3A-5B nähdään vielä, että kaistanestosuodattimen tapauksessa törmäys-30 levenemän vaikutus signaaliin on suurimmillaan, kun kaistanestosuotimen leveys on 1-2 yksikköä eli estokaista on samaa luokkaa kuin itse absorptioviivan leveys. Tällainen kaasutäytteinen suodin poistaa suodattuneen osuvasta säteilymäärästä tyypillisesti n. 20 %, kuten tulemme myöhemmin huomaamaan.

Niissä tunnetun tekniikan tason mukaisissa ratkaisuissa, joilla pyrittiin herkistämään 35 mittaus tietylle kaasukomponentille, vaaditaan kaasutäytteisen suodattimen täyttöas- 15 101749 teeksi edullisesti sellainen määrä, että lähes kaikki säteily tai joidenkin julkaisuiden mukaan mahdollisimman suuri osa säteilystä absorboituu suodattimessa. Näin ollen tämä keksinnön mukaisesti törmäyslevenemän mittaukseen optimoitua kaasutäytteis-tä suodatinta ei voida pitää samassa mielessä referenssinä tai mittausta herkistävänä 5 komponenttina kuin olemassa olevassa tekniikan tasossa. Tekniikan tasoa kuvaavien julkaisujen mukaan pitää estokaistalla poistaa tyypillisesti yli 50 % kaistanestosuo-timeen tulevasta säteilystä. Tämä tarkoittaa, että suodattimen tehollisen estokaistan pitää olla noin puolet vierekkäisten absorptioviivojen keskimääräisestä etäisyydestä eli edellä tässä selityksessä esitetyissä yksiköissä enemmän kuin 5. Törmäyslevene-10 män mittauksen kannalta edullisinta keksinnön mukaan on mitoittaa suodattimen estokaista 1-2 yksikön levyiseksi. Tämä tarkoittaa siis sitä, että suodattimen, kuten optisen kaasusuodattimen, estokaistan leveyden tulee olla 1-2 kertaa levenemättö-män absorptioviivan puoliarvoleveys.

Jotta uuden keksinnön perusteet selviäisivät vielä yksityiskohtaisemmin, tarkastel-15 laan uutta menetelmää toisenlaisesta näkökulmasta eli seurataan säteilyn etenemistä pitkässä mittauskaasulla täytetyssä putkessa. Säteilyn edetessä sen aallonpituus-jakauma muuttuu jatkuvasti ja eri kohdassa putkea sijaitsevat kaasumolekyylit kokevat jakaumaltaan erilaisen niitä virittävän absorptioon johtavan säteilyn. Jo aivan putken alkupäässä poistuvat sellaiset säteilyn aallonpituudet, joiden kohdalla on 20 väliainekaasun absorptioviivojen huippuja. Putken jälkipäässä on jäljellä vain sellaista säteilyä, joka on aallonpituudeltaan absorptioviivojen matalilla osuuksilla. Siten putken alkupää ja loppupää ovat aivan erilaisessa asemassa ja esimerkiksi tör-mäyslevenemä näkyy eri tavalla riippuen siitä, missä kohtaa putkea ollaan. Tätä uusiin keksinnön mukaisiin laiteratkaisuihin johtavaa käyttäytymistä havainnollistetaan 25 vielä kuvioissa 6A, 6B ja 7.

Kuvio 6A esittää optisen kaasutäytteisen kaistanestosuodattimen tai pitkän mitta-kammion läpäisseen intensiteetin jakauman yhden absorptioviivan kohdalla säteilyn edetessä kaistanestosuodattimessa tai mittauskammiossa, jolloin pystyakselilla on suhteellinen läpäisyjä vaaka-akselilla on suhteellinen aallonpituus normeerattuna 30 ei-levinneen absorptioviivan leveyteen (= 1). Käyrien vieressä on merkitty säteilyn etenemismatka LC = 1, 2,4 ja 8 normeerattuna siten, että etäisyydellä 1 koko tarkastellulla aallonpituusvälillä säteilystä on absorboitunut 1/3 ei-levinneellä absorp-tioviivalla. Kuvion 6A mukaan etenevän säteilyn estokaistan läpäisytasolla 0,5 mitatut täydet viivanleveydet ovat suhteellisissa aallonpituusyksiköissä etäisyydellä 35 LC = 1 n. 5,2, etäisyydellä LC = 2 n. 7,5 ja etäisyydellä LC - 8 n. 15 yksikköä.

Kaikki mainitut estokaistan leveydet ovat selvästi suurempia kuin yhden kaasumole- 16 101749 kyylin absorptioviivan täysi leveys eli 2 yksikköä (yksikkönä puoliarvoleveys Lorenz-käyrässä = 1). Mainittakoon vielä, että jos pitkän kanavan alkupäätä käytettäisiin uuden keksinnön mielessä edullisena kaasutäytteisenä suodattimena, pitäisi suodattimen alkupään pituus määrittää pienemmäksi kuin LC = 1.

5 Kuvio 6B havainnollistaa viivan levenemän vaikutusta kuvion 6A mukaisiin läpäisy-käyriin. Kuviossa 6B on kaksi läpäisykäyrää kahdella eri etäisyydellä (LC = 2 ja LC = 8). Käyräparin ylempi kiinteä viiva on tapaukselle, jossa absorptioviiva ei ole leventynyt (ts. suhteellinen puoliarvoleveys = 1) ja alempi katkoviiva on sellaisessa tilanteessa, että viiva on suhteellisen voimakkaasti leventynyt (suhteellinen puoliar-10 voleveys = 1,3). Kuviosta 6B nähdään jo aikaisemmin todettu asia, että törmäysle-venemä vaikuttaa kaasupitoisuusmittauksen määritystarkkuuteen enemmän pitkässä mittauskammiossa.

Kuviossa 7 on esitetty tarkastellun aallonpituusalueen yli mitattu kokonaisläpäisy putken päästä mitatun etäisyyden LC funktiona. Kuvassa on kolme käyräparia, joille 15 kaasupitoisuus on erilainen ja joille törmäyslevenemän T suhteelliset voimakkuudet ovat 1 (kiinteä viiva) ja 1,3 (katkoviiva). Kaikilla etäisyyksillä törmäyslevenemä lisää kaasun absorptiota. Absorption lisäys on lähes mitätöntä aivan putken alkupäässä, jossa absorption poistama säteily vastaa n. 20 % tulevasta säteilystä. Läpäisseen säteilyn spektri on tällöin kuitenkin jo voimakkaasti muuttunut.

20 Uuden keksinnön eräänä ajatuksena on, että käyttämällä suhteellisen pitkässä näyte-kammiossa ainakin kahta detektoria, jotka on sijoitettu mittaamaan läpäisyä kahdella eri pituudella näytekammion alkupäästä, saadaan kaksi lineaarisesti riippumatonta signaalia, joilla on kuitenkin keskinäinen yhteys ja joista voidaan yksikäsitteisesti laskea sekä kaasukomponenttipitoisuus että törmäyslevenemä. Tämä on siis mahdol-25 lista, koska eri kohdissa näytekammiota kaasukomponenttimolekyylit kokevat erilaisen säteilyn aallonpituusjakauman. Jäljempänä tässä tekstissä käsitellään hiilidioksidia eräänä esimerkkinä tällaisesta kaasumolekyylistä. On ymmärrettävä, että selostettu asia koskee myös mitä tahansa muuta optisesti aktiivista kaasumolekyyliä.

Kuviossa 8 A ja 8B esitetään kahdessa eri tapauksessa näin muodostettujen signaa-30 lien käyttäytyminen. Kuvio 8A esittää siis erästä tapaa muodostaa kaksi signaalia S1 ja S2, jotka on mitattu mittakammion kahdella erilaisella etäisyydellä - tässä tapauksessa normeeratuilla etäisyyksillä S2=2 ja S 1=0,5. Vaaka-akselilla on signaali S2 ja pystyakselilla mainitun kahden signaalin suhde S1/S2 (prosentteina) tai yksinään signaali S1 normeerattuna kuten edellä olevissa kuvioissa. Kuviossa vasemmalla 35 olevalle ensimmäiselle pistejoukolle, jossa signaali S2 on välillä 70-90, hiilidioksi- 17 101749 dipitoisuus on suuri (vastaa absorptioltaan noin 10 %:n pitoisuutta n. 5 mm:n pituisessa kammiossa). Seuraavalle keskimmäiselle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 100-120 hiilidioksidipitoisuus on puolet (5 %) ensimmäisen joukon pitoisuudesta ja kolmannelle oikealla olevalle pistejoukolle, jossa S2 on välillä 130-140, se on nel-5 jäsosa (2,5 %) ensimmäisen pistejoukon pitoisuudesta. Kullekin pitoisuudelle on esitetty signaalit S1 ja S1/S2 pisteinä mainitussa koordinaatistossa neljälle erilaiselle suhteelliselle viivanleveysparametrille 1; 1,1; 1,2 ja 1,3. Vinoneliöt ovat signaalille SI siten, että leventymätön viiva (absorptioviivan puoliarvoleveys = 1) vastaa aina ylintä joukon pistettä (suurin läpäisy) ja seuraavat pisteet suuruusjärjestyksessä sig-10 naalin muuttumista absorptioviivan leveyden kasvaessa, jolloin alin piste vastaa voimakkaasti levinnyttä absorptioviivaa. Neliöt ovat signaalille S1/S2, jossa ylin piste vastaa voimakkaimmin levinnyttä absorptioviivaa eli pisteet joissa on sama S2-arvo, muodostavat aina yhden tietyn tilanteen pisteparm S1 ja S1/S2.

Kuviosta 8 A nähdään, että kumpikin erillinen signaali S1 ja S2 muuttuu voimak-15 kaasti hiilidioksiditason muuttuessa. Lisäksi signaalien suhde S1/S2 muuttuu voimakkaasti törmäyslevenemän muuttuessa, vaikka hiilidioksiditaso pysyy vakiona. Yhdistämällä nämä kaksi signaalia saadaan yksikäsitteisesti sekä hiilidioksidipitoisuus että törmäyslevenemä. Signaalien lineaarisen riippumattomuuden voi todeta ilman pitempiä laskutoimituksia esimerkiksi siten, että hiilidioksiditasolla 10 % sig-20 naali S1 (voidaan ymmärtää primäärisenä C02-signaalina) muuttuu 5 %, kun sen sijaan "törmäyslevenemäsignaali" S1/S2 muuttuu 10 %. Lineaarinen riippumattomuus on myös selvää teoriasta, käyttäytyväthän nämä signaalit ainakin jossakin määrin kuten Lambert-Beerin laki edellyttää. Tarkastelemalla vastaavasti tilannetta kuviosta . . 8B, havaitaan, että myös mittakammion geometria vaikuttaa signaalien luonteeseen 25 ja että on olemassa tietty optimaalinen sijoittelu tietylle vaaditulle C02-mittaus-alueelle, esim. 0 % - 10 % CO2. Tällä mainitulla C02-alueella kuvion 8A sijoittelu on hieman parempi kuin kuvion 8B sijoittelu, koska kuviossa 8A molemmat signaalit S1 ja S2 ja toisaalta törmäyslevenemän aiheuttamat suhteelliset muutokset signaalien suhteessa ovat suuremmat kuin kuvassa 8B. Detektorien sijoittelulle esite-30 tään jäljempänä keksinnön mukainen menettely.

Uusi mittausmenetelmä voidaan pukea matemaattisesti seuraavan epälineaarisen yhtälöryhmän ratkaisuksi pn = j^a„(si,s2)a12(si,S2)yc ^

() [s2] ~ U2i(S1,S2)A22(S1,S2)JUtJ

18 101749 jossa S1 ja S2 ovat mainitut kaksi signaalia eri etäisyydellä mittakammion alkupäästä ja C on hiilidioksidipitoisuus ja dT törmäyslevenemää kuvaava parametri. Yhtälöryhmä on epälineaarinen, mikä näkyy siinä, että matriisin kertoimet ovat itse signaalien funktioita tai vaihtoehtoisesti C02:n ja dT:n funktioita. Mainittakoon vielä, 5 että kertoimet Ay ovat mittausgeometriasta riippuvia. Yhtälöryhmä voidaan ratkaista iteratiivisesti tai hakemalla kokeellisesti sopivat kertoimet Ay(Sl,S2), minkä jälkeen yhtälöryhmä ratkaistaan normaalisti oppikiijamenetelmin.

Tarkastelemme jatkossa uutta mittausmenetelmää ositettuna tyypillisiin menetelmä-vaiheisiin. Näistä vaiheista ennen analysointeja toteutettavia ovat: 1) mittausgeo-10 metrian valinta ja detektorien edullinen sijoittelu mittauskammioon, 2) mittauksen kalibrointivaihe käyttäen erilaisia kaasuseoksia ja erilaisia hiilidioksidipitoisuuksia, 3) kalibrointitietojen tallennusvaihe, jossa mittausgeometriaan ja valittuun epälineaarisen yhtälöryhmän matemaattiseen ratkaisumenetelmään liittyvät kertoimet tallennetaan myöhempää käyttöä varten. Sitten seuraavat 4) varsinainen mittaus, ts.

15 analysointien aikana toteutettavat vaiheet, joissa ei edellytetä enää mitään tietoa käytetystä kaasuseoksesta, ja jossa muodostetaan kaksi tai useampia mittaussignaaleja, joista on määritettävissä sekä hiilidioksidipitoisuus että törmäyslevenemää kuvaava parmetri ja 5) laskentavaihe, jossa tarkka hiilidioksidipitoisuus määritetään törmäyslevenemän korjauksen kanssa. Edellä olevista viidestä menetelmävaiheesta 20 kalibrointivaihe ja laskentavaihe ovat sidoksissa yhtälöryhmän ratkaisuun valittuun matemaattiseen menetelmään. Keksinnön mukaiseen mittausmenetelmään kuuluu siis ennakolta ennen varsinaisia analysointeja tehtäviä vaiheita, joilla mittausjärjestelyyn saadaan oikeat lähtökohdat, ja analysointien aikana tehtäviä vaiheita, joilla varsinaisesta tutkittavasta kaasuseoksesta saadaan mittaustuloksia M.

25 Mittausgeometrian valintaan vaikuttaa erityisesti se, millaiselle hiilidioksidipitoi-suusalueelle mittaus optimoidaan ja se, kuinka suuria viivanleveyskorjauksia on odotettavissa käytännön mittaukseen liittyvillä kaasuseoksilla. Yleisesti pienelle hiilidioksidipitoisuudelle (0-10 %) valitaan pitkä kammio (5-20 mm) ja suurelle pitoisuudelle (10-100 %) lyhyt kammio (0,5-5 mm). Tavallisesti, eli silloin kun halu-: 30 taan voimakas CC>2-pitoisuudesta riippuva signaali, kammion pituus määritetään edullisesti sellaiseksi, että tarkkuutta vaativan mittausalueen yläpäässä, esim. lääketieteellisissä hengityskaasun mittauksissa pitoisuudella n. 10 % CO2, kauimpana valolähteestä olevan detektorin signaali eli S2 on enintään noin 60 %, edullisesti enintään noin 40 % ja tyypillisesti 5-30 % siitä, mitä se on samassa kohtaa mittaus-35 alueen alarajalla, ts. pitoisuudella 0 % CO2. Absorptioviivan levenemisestä johtuva samalla C02-pitoisuudella, mutta kahdella eri etäisyydellä, mitattujen signaalien 101749 19 suhde on sitä suurempi mitä kauempana toisistaan detektorit ovat. Valolähdettä lähinnä oleva detektori sijoitetaan siten sellaiseen kohtaan, että tarvittava resoluutio viivanleveydelle on olemassa. Edullisesti detektori sijoitetaan siten, että CC>2-mit-tausalueen keskellä, esim. siis pitoisuudella 5 % CO2, signaali SI on pienentynyt 5 vain n. 5-50 % ja tyypillisesti 10-30 % siitä, mitä se on aivan säteilyn kulkutien alkupäässä. Tällaisella sijoittelulla signaalista SI on poistunut vain ne aallonpituudet, jotka ovat aivan absorptioviivan huipun kohdalla. Tämä mahdollistaa suurimman mahdollisen resoluution viivan levenemän mittaukseen. Edellä kuvatussa kahden detektorin mittausjärjestelyssä primäärinen C(>2-signaali S2 syntyy kauimpana 10 valolähteestä olevasta detektorista ja primäärinen viivanleveysparametri saadaan esim. detektorien signaalien suhteesta S1/S2. Mitoittamalla mittauskanava yllä esitetyllä tavalla saadaan molemmille mittasuureille, ts. C02-määrä ja viivanleveys, hyvä resoluutio. Tässä kappaleessa kuvattu järjestely soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi kuvioiden 9A ja 9B sekä 10A ja 10B mukaisissa laitteissa.

15 Edellisessä kappaleessa kuvatulle järjestelylle vaihtoehtoisena tapana voidaan keksinnön mukaan sijoittaa detektorit siten, että toisen signaalin S2 suuruus on 50-95 % tai 105-200 % ja edullisesti 70-90 % tai 110-140 % ensimmäisen signaalin SI suuruudesta. Tällä saavutetaan sama tulos kuin, mitä edellä on kuvattu. Tämä mitoitus soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi kuvioiden 1 IA-12 mukaisissa laitteissa.

20 Mittausmenetelmän toisessa vaiheessa määritetään mittauksen kalibrointitiedot, joita käytetään myöhemmin tuntemattomassa kaasuseoksessa tehtävässä C02-kaasupitoi-suuden mittauksessa. Kalibrointitieto määritetään aina suhteessa valittuun laskentamenetelmään eli kalibrointimittaukset tehdään sellaisessa mittausjärjestelyssä ja sel-:'. laisella matemaattisella käsittelyllä, jota myös käytetään varsinaisessa mittauksessa.

25 Kaikissa tapauksissa kalibrointivaiheessa tehdään mittauksia, joissa CC>2-pitoisuutta ja kaasuseosta muuttamalla etsitään signaaleille S1 ja S2 matemaattinen yhteys sekä C02-pitoisuuteen että absorptioviivan levenemiseen ilman erityistä tietoa kaasu-seoksesta. Seuraavassa kappaleessa esitetään eräs edullinen tapa selvittää signaalien SI ja S2 riippuvuudet määritettävistä suureista. Jatkossa laskentavaihe esitetään täl- 30 laisen kalibrointivaiheen mukaisesti. Uusi mittausmenetelmä ei rajoitu tässä esitettyihin kalibrointi- ja laskentavaiheisiin, vaan nämä esitetään edullisimpana esimerkkinä siitä, millaista matemaattista formalismia voidaan käyttää.

Kalibrointivaiheessa tarvittavat toimenpiteet tulevat parhaiten esiin, jos mittasignaa-lit SI ja S2 kirjoitetaan ensin muotoon: 35 20 101749 (sn = rB„(c,T)B,2(c, τ)γ<η ( ’ U2J 1¾.(c, T)JUJ’ jossa matriisin kertoimet Bjj on nyt esitetty C02-pitoisuuden (merkitty kiijaimella C) ja viivanleveyden (T) funktiona. Kirjoitetaan signaaleille S1 ja S2 Taylorin kehitelmä eräällä tunnetulla C02-pitoisuudella CO ja eräässä kaasuseoksessa (esim.

5 typessä), jossa viivanleveysmuutos saavuttaa nimellisarvonsa TO = 0 (huomattakoon, että T on tällöin viivanleveyden muutos dT suhteessa tähän kaasuseokseen, ja se voi olla muissa kaasuseoksissa sekä positiivinen että negatiivinen): (as,(C0,T0) ös,(Co,to> ^ (Ari \ fSl WSl(CO,TO=on dc ui Hn H'2 H'3 Ί ΙΛΓΛΤ (m) {SI j (S2(C0,T0=0)J 0S2(CO,TO) SS2(C0,T0) idT J Λ H2, H22 H23 J , ( ( { dc m ) ^dT‘ )

Taylorin kehitelmässä ensimmäisenä terminä on signaalien SI ja S2 arvot täsmäl-10 leen valitussa CC>2-pitoisuudessa CO ja kaasuseoksessa TO = 0; toinen termi kuvaa ensimmäisessä kertaluvussa sitä, miten signaalit S1 ja S2 muuttuvat, jos pitoisuutta C tai kaasuseoksen koostumusta eli viivanleveyttä T muutetaan vähän eli määrän dC ja dT. Ensimmäisen kertaluvun korjausten kerroinmatriisia nimitetään Jacobian-mat-riisiksi J. Kolmantena terminä on muutosten aiheuttama korjaus toisessa kertaluvus-15 sa, jne. Toisessa kertaluvussa esiintyvä kerroinmatriisi H sisältää signaalien SI ja S2 toiset derivaatat, jne. Yleensä jo ensimmäisessä kertaluvussa saavutetaan riittävä määritystarkkuus ja myöskään matemaattisten menetelmien kannalta ei ole tarpeen käsitellä toisen kertaluvun muutoksia. Signaalien derivaattoja kuvaavaa matriisia J käytetään yleisesti iteratiivisissa laskentamenetelmissä. Uuden mittausmenetelmän 20 kalibrointivaihe voidaan perustaa tämän Jacobian-matriisin määrittämiseen, koska viivan levenemisen aiheuttama korjaus C02-pitoisuuteen on aina riittävän pieni (N20-seoksessakin tyypillisesti alle 10 % korjaamattomasta C02-pitoisuudesta).

Jacobian matriisin määritys ja koko kalibrointivaihe tehdään seuraavasti: 1) Mitataan signaalit S1 ja S2 hiilidioksidin, tai yleisesti näytekaasun Gt, koko 25 mittausalueella eli 0-10 % käyttäen valittua nimellistä kaasuseosta (esim. CO2 typpikaasussa). Näin saamme SI = S1(C,T = 0) ja S2 = S2(C,T = 0).

2) Lasketaan näistä käyristä signaalien derivaatat

^S,(C,T0) gS2(C,T0) dC cC

C02-pitoisuuden suhteen. Derivaatat lasketaan pisteessä (C,T0).

21 101749 3) Valitaan koko CC>2-pitoisuusalueesta edullisesti 3-5 pitoisuustasoa (C1), joilla taustakaasuseosta muuttamalla muutetaan törmäyslevenemää määrällä dT. Nämä tasot voivat olla esim. 2,5 %, 5 %, 7,5 % ja 10 % CO2. Erilaiset törmäyslevenemä-arvot saadaan sekoittamalla taustakaasuun (N2) esim. typpioksiduulia (N2O). Huo- 5 mautettakoon tässä yhteydessä, että sekoituskaasun valinnalla ei ole merkitystä, koska mittausjärjestely on valittu sellaiseksi, että kaasu vaikuttaa mittaussignaaliin vain törmäyslevenemän kautta ja uusi keksinnön mukainen mittausmenetelmä ei välitä siitä, millä tavalla C02-molekyylin absorptioviivan leveneminen on itse asiassa saatu aikaan. Varsinaisessa pitoisuusmittauksessa ei siis tarvita myöskään tietoa 10 siitä, mikä viivanlevenemisen on aiheuttanut.

4) Määritetään edellisen vaiheen (3) mittauksista derivaatat

gS,(Cl,T) <3S2(C1,T) dV JT

Nämä lasketaan siis pisteissä (Cl,TO).

5) Haluttaessa maksimaalista määritystarkkuutta voidaan käyttää useampia CO2- 15 tasoja tai tasojen väliset arvot voidaan interpoloida muihin kuin kalibroinnissa käy tettyihin C02-pitoisuuksiin.

Havainnollistamme vielä kalibrointimenettelyä kuvion 7 avulla. Tässä oleva kuvaaja, jonka vaaka-akselilla on normeerattu etäisyys eli etäisyys valolähteestä tietyllä C02-pitoisuudella, on sama kuin signaalin Sj vaimeneminen pitoisuuden C funktio-20 na, kun detektorin paikka (i = 1,2) pidetään vakiona. Kuvaajan derivaatasta saadaan siis kalibrointivaiheessa 2 tarvittavat derivaatat. Toisaalta tarkastelemalla, miten signaali muuttuu (vastaten transmissioakselin suuntaa) silloin, kun normeerattu etäisyys ja C02*pitoisuus on vakio Cl (LC = vakio) ja viivanleveys T muuttuu, saadaan kalibrointivaiheessa 4 tarvittavat derivaatat. Kalibroinnissa siis mitataan kuvion 7 25 informaatio kahdelle eri etäisyydelle LC asetetulle detektorille ja näistä lasketaan tarvittava Jacobian-matriisi CC>2-pitoisuuden funktiona nimelliselle kaasuseokselle, jossa on normeerattu T=0.

Edellä mainittiin, että on edullista käyttää S1 signaalin sijasta signaalien S2 ja S1 suhdetta S1/S2. Kalibrointimenettely on tälle valinnalle samanlainen ja käsittää vai-30 heet 1-5 sillä erotuksella, että SI on korvattu signaalilla S1/S2 (Taylorin kehitelmä tehdään siis tässä tapauksessa signaalille S2 ja suhteelle S1/S2). Tämän valinnan Jacobian-matriisi voidaan määrittää esim. kuvioiden 8A ja 8B tapaisten kokeellisten mittaustietojen perusteella.

22 101749

Seuraavassa uuden mittausmenetelmän mukaisessa vaiheessa (= kalibrointitietojen tallennus) tallennetaan saatu kalibrointitieto esim. muistivälineeseen, josta se on siirrettävissä mittalaitteeseen käytettäväksi mittausmenetelmän laskentavaiheessa. Tallennusvälineessä oleva kalibrointitieto voi edullisessa tapauksessa sisältää esim.

5 signaalien S2 ja S1/S2 käyttäytymisen nimellisessä kaasuseoksessa (jossa on nor-meerattu T=0) C02-pitoisuuden C funktiona ja lisäksi kalibrointiin liittyvän Jacobian-matriisin J tai edullisimmin J:n käänteismatriisin J1. Tallennusvälineessä voi olla myös muuta mittaukseen liittyvää kalibrointi- ja muuta tietoa kuten lämpötilan tai ulkoisen paineen muutosten aiheuttamia korjauksia, anturin tunnistustietoa 10 jne.

Uuden menetelmän mittausvaiheessa, ts. kalibroinnin jälkeisen varsinaisen mittauksen tai analysoinnin aikana, johdetaan ensin tuntematon kaasuseos mittakammioon kammion tuloputkesta esim. jatkuvan pumppauksen avulla, jolloin kaasuseos poistuu jatkuvana virtauksena ulostuloputken kautta. Mittakammion läpi valaistaan va-15 lolähteellä, ja detektoreilla mitataan signaalit SI ja S2. Signaalien nollatasot eli signaalit siinä tapauksessa, että mittakammioon johdetaan ilmaa tai muuta neutraalia kaasuseosta, voidaan määrittää omana mittausvaiheena. Varsinaiset mittausvaiheen aikaiset signaalit normeerataan nollasignaaleihin. Nollaus voidaan tehdä tietyn säännöllisen mikroprosessorin ohjaaman ajoituksen mukaan. Mittaustapahtumaa kuva-20 taan yksityiskohtaisemmin myöhemmin, jolloin esitellään keksinnön edullisia suoritusmuotoja.

Viimeisenä vaiheena uudessa keksinnössä on laskentavaihe, jossa tehdään varsinainen CC>2-pitoisuuden C ja törmäyslevenemän T määritys valitulla matemaattisella menetelmällä. Kuten edellä esitettiin, matemaattisen menetelmän valinta on sidok-25 sissa valittuun kalibrointitapaan. Tässä yhteydessä esitetään edullisena ratkaisuna kaksi matemaattista menetelmää, jotka käyttävät edellä kuvattua Jacobian-matriisia J. Myös muita matemaattisia menetelmiä voidaan käyttää. Edullisessa uuden menetelmän mukaisessa laskentavaiheessa matemaattisia menetelmiä sovelletaan signaaleille S2 ja S1/S2 pitoisuusmittaustuloksen M saamiseksi.

30 Jos odotettavissa oleva törmäyslevenemän aiheuttama korjaus on pieni (esim. mitataan hiilidioksidia typen ja hapen seoksessa), voidaan signaalien Taylorin kehitelmästä yksinkertaisesti ratkaista hiilidioksidipitoisuuteen tarvittava korjaus dC (C=C0+dC) ja törmäyslevenemä dT (T=T0+dT=dT). Kehitelmästä (I) saadaan ensimmäisessä kertaluvussa: 23 101749 (CO JO) <25, (CO JO) V' (IV) fdC) = <5C 3! f S,-S,(CO,TO))

* l,dTj <%2(COJO) <2SJCOJO) [s,-S2(COJO)J

\ 6C dl J ’ jossa ^ J on Jacobian-matriisin käänteismatriisi määritettynä kaasuseoksessa, jossa T = 0 ja C = CO ja CO on laskettu esim. signaalista SI, jolloin SI = S1(C0,T=0) ja S2(C0,T=0) on määritetty kalibrointitietojen perusteella nimellisessä 5 kaasuseoksessa. S1 ja S2 ovat mitattuja signaaleja tuntemattomassa kaasuseoksessa. Tämä menetelmä on yksinkertaisin ja se siis määrittää ensin yksin signaalista S1 tai S2 lasketun arvion CC>2-pitoisuudesta ja korjaa sitten tätä tulosta toisen signaalin S2 tai Sija Jacobian matriisin avulla.

Jos törmäyslevenemä on suuri, ei edellä esitetty yksinkertainen laskenta anna riittä-10 vän tarkkaa tulosta. Tällöin voidaan käyttää iteratiivisia menetelmiä esim. ns. New-tonin menetelmää, jonka yksityiskohtainen kuvaus löytyy matemaattisten menetelmien oppikirjoista. Newtonin menetelmä on lyhyesti ja yksinkertaisesti esitettynä edellisen (Taylorin sarjakehitelmä) menetelmän jatkamista siten, että korjauksia dC ja dT tarkennetaan jatkuvasti toistamalla iteratiivisesti edellä esitettyä prosessia.

15 Saaduilla kierroksen 1 alustavilla korjauksilla dC(l) ja dT(l) lasketaan uudet argu mentit eli C(2)=C0+dC(l), T(2)=dT(l). Näillä argumenttien arvoilla määritetään uudet arviot signaalille Sl(n=2)=Sl(C(2), T(2) ) ja S2(n=2)=S2( C(2),T(2)), edelleen määritetään poikkeamat SI-SI(n=2) ja S2-S2(n=2), joista lasketaan uudet korjaukset dC(3) ja dT(3), jne. Menetelmässä n symboloi iteraatiokierroksia. Näin jat-20 ketään kunnes saavutetaan riittävä ennalta määrätty tarkkuus ja lopullinen kaasu-komponentin, kuten hiilidioksidin pitoisuus Cf pitoisuusmittaustuloksena M.

Edellä kuvatun törmäyslevenemän mittauksen lisäksi voidaan mitata myös lisäsignaali, ts. kolmas signaali S3 edellä kuvatun ja sinänsä tunnetun kaistanestosuodatti-men läpi. Tämä kolmas signaali siis saadaan säteestä, joka on kulkenut mittauskam-25 mion ja optisen kaistanpäästösuodattimen sekä optisen kaistanestosuodattimen, kuten kaasusuodattimen, läpi. Tässä tapauksessa kaistanestosuodattimen läpäisy on oleellisesti pienempi kuin edellä kuvatun toisen signaalin S2 saamiseksi tarkoitetun suodattimen läpäisy. Muutoin suodattimet ovat samaa tyyppiä, ts. ne sisältävät sitä kaasukomponenttia tai sen kaasukomponentin seosta, jonka pitoisuutta on varsinai-30 sen mittauksen aikana tarkoitus määrittää. Signaalia S3 varten mittauspituus LC on suurempi tai kaasukomponentin konsentraatio on suurempi. Tässä tapauksessa mit- 24 101749 tausmenetelmä voidaan pukea matemaattisesti seuraavan epälineaarisen yhtälöryhmän ratkaisuksi.

'SH /'A„(Sl,S2,S3)AIJ(Sl,S2,S3)Yc (V) S2 = A:,(S1,S2,S3)Ab(S1,S2,S3) Γ ,S3 J UllfSl,S2,S3)Ai,(Sl,S2,S3)J' ; Tämä yhtälöryhmä ratkaistaan analogisesti edellä kuvatun yksinkertaisemman mat-5 riisin ratkaisun kanssa. Koska yhtälöryhmä on symmetrinen kaikkien muuttujien suhteen, on itse asiassa aivan sama, mitä mittauskammion läpi mennyttä sädettä, joka on antanut jonkin signaalin, pidetään minäkin signaalit SI tai S2 tai vastavasti signaalit SI tai S2 tai S3 tuottavana säteenä. Selkeyden vuoksi tässä hakemuksessa kuitenkin signaalia SI käytetään kuvaamaan pienintä absorptiota vastaavana ja sig-10 naalia S2 suurempaa absorptiota vastaavana ja signaalia S3 suurinta absorptiota vastaavana.

Erityisesti edellä kuvatun kolmen signaalin SI, S2, S3 tapauksessa on etuna se, että tarvittaessa mittausanturia, josta nämä signaalit saadaan, voidaan käyttää esimerkiksi laajalla mitattavan kaasukomponentin, kuten C02:n, pitoisuuden alueella ottamal-15 la laskentaan mukaan ainoastaan kaksi näistä kolmesta signaalista. Jos esim. hiilidioksidin konsentraatio on suuri, käytetään lähinnä säteilylähdettä saatavia signaaleja S1 ja S2 ja mahdollisesti edellä olevan mukaisesti tarvittaessa signaalia S3 poistamaan muista häiriötekijöistä kuin törmäyslevenemästä aiheutuvia virheitä. Tällöin absorptiopituus LC saadaan ainakin lähelle optimia, kuten edellä on kuvattu. Jos 20 taas esim. hiilidioksidin pitoisuus on pieni, voidaan käyttää kauimpana säteilylähteestä saatavia signaaleita S2 ja S3 edellä laskennan yhteydessä kuvattuja signaaleita vastaavina signaaleina SI’ja S2\ Tällöin myös absorptiopituus LC saadaan ainakin lähelle optimia, kuten edellä on kuvattu.

Olemme edellä kuvanneet keksinnön mukaisen uuden menetelmän. Anturisovellu-25 tukset, jotka liittyvät uuden keksinnön piiriin, eivät rajoitu vain yhden pitkän ana-lyysikammion käyttöön tai yhteen rinnakkaiset kanavat sisältävään analyysikam-mioon, vaikkakin ne ovat edullisia. Tarkastelemme seuraavaksi keksinnön periaatteiden mukaisia erilaisia anturirakenteita. Näiden yhteydessä on huomioitava, että niistä käytetty määrittely "absorptiopituus" LI, L2, L3 tarkoittaa fyysistä eli mekaa-30 nista pituutta, joka on eri asia kuin edellä tässä selityksessä käytetty etäisyys LC, joka on mekaanisen absorptiopituuden ja konsentraation tulo.

25 101749

Kuviot 9A ja 9B esittävät tyypillisintä ja edullisinta keksinnön mukaista anturilaite-ratkaisua. Tässä rakenteessa mitattava kaasuseos tuodaan pitkään analysointikam-mioon 13a näytekaasun tuloputkesta 6 ja johdetaan ulos lähtöputkesta 7. Mittausjärjestelyssä on kaksi detektoria 10 ja 14, jotka muodostavat sähköisen signaalin Sija 5 S2 kahteen erilliseen mittakanavaan 1 ja 2, joista toinen mittaa säteilylähteen 4 signaalia pitkältä etäisyydeltä analyysikammion 13a päästä, ja ensimmäinen kammioon sisälle asetetun ja osittain säteilyä 15 sivulle poikkeuttavan elementin esim. puoliläpäisevän peilin 56 kautta. Poikkeuttava elementti 56 on asetettu siten, että säteily kulkee eri pituisen matkan näytekaasuseoksessa ennen saapumista detektoreille 10 ja 10 14 sopivan optisen kaistanpäästösuotimen 9 läpi. Siten detektorille 10 johtavan mit- tauskammion mekaaninen absorptiopituus LI on pienempi kuin analyysikammion 13a loppuosan absorptiopituuden L2 aiheuttama tehollinen kokonaisabsorptiopituus L1+L2 toiselle detektorille. Molemmissa absorptiopituuksissa LI ja L2 on samaa kaasuseosta GG, joka on sitä kaasuseosta, josta halutaan tietyn kaasukomponentin 15 Gm pitoisuus mitata. Edullisesti poikkeuttava elementti sijoitetaan menetelmäosassa kuvatulla tavalla, jolloin näytekammio 5 signaalille S2 muodostuu analyysikammion säteilylähteestä 4 poispäin olevan pään 8 ja poikkeuttavan elementin 56 väliin. Poikkeuttavan elementin 56 ja analyysikammion säteilylähteen 4 puoleisen pään 8 välinen absorptiopituus LI muodostaa signaalille S2 optisen kaasusuodattimen 11, 20 jolla on keksinnön mukaiset ominaisuudet. Optisten kaistanpäästösuodattimien 9a ja 9b läpäisykaistat sijaitsevat mitattavan kaasun absorptiojuovan kohdalla siten, että muut kaasuseoksen kaasut eivät tällä alueella absorboi ainakaan haitallisessa määrin.

Jos kyseessä on hiilidioksidi, tämän alueen keskikohta on aallonpituudessa 4,26 mm ja puoliarvoleveys noin 100 nm. Tälle alueelle mahtuu, kuten edellä selitettiin, n. 80 25 kapeaa absorptioviivaa. Kammion molempiin päihin 8 ja detektorin 10 optiselle reitille kammion seinämään on kiinnitetty säteilyä läpäisevät ikkunat. Säteilylähde 4 on yhteinen molemmille mittauskanaville Sija S2, jotta vaihtelut säteilyssä olisivat samat molemmissa kanavissa.

Kuvion 9B anturiratkaisussa on lisäksi toinen poikkeuttava elementti 57, joka poik-30 keuttaa ensimmäisen absorptiopituuden LI perässä olevan mekaanisen toisen absorptiopituuden L2 jälkeen säteen 15 osan sivulle detektoriin 14 toisen signaalin S2 saamiseksi. Toisen poikkeuttavan elementin 57 perässä analysointikammiossa 13a on vielä mekaaninen kolmas absorptiopituus L3 ja sen perässä detektori 16, johon säde osuu optisen kaistanpäästösuodattimen 9c kautta. Tämä kolmas absorptiopituus 35 muodostaa näytekammion 5 signaalille S3 ja toisaalta toinen absorptiopituus L2 muodostaa toisen optisen kaasusuodattimen 21, joka on sarjassa ensimmäisen optisen kaasusuodattimen 11 kanssa. Toisella kaasusuodattimella 21 voi olla edellä 26 101749 kuvatut keksinnön mukaiset ominaisuudet ja/tai sinänsä tunnetun kaistanestosuodat-timen ominaisuudet tai jotain tältä väliltä. Käytetty kaistanpäästösuodatin 9c on aallonpituuden läpäisyjakautumaltaan samaa tyyppiä kuin edellä selostetut suodattimet 9a ja 9b. Detektori 16 on kytketty kolmanteen kanavaan 3 ja siitä saadaan kolmas 5 signaali S3. Molemmat tässä kuvatut poikkeuttavat elementit 56 ja/tai 57 voivat olla puoliläpäiseviä peilejä, jolloin osa niihin tulevasta säteestä 15 heijastuu ulos analy-sointikammiosta ja osa jatkaa matkaansa analysointikammiossa. Voidaan myös käyttää heijastavalta pinta-alaltaan niin pieniä peilejä, että osa säteestä ohittaa peilipinnan. Tämä voidaan tehdä esim. juovallisesti pellitetyillä pinnoilla, jolloin elemen-10 teissä 56 ja 57 juovat voivat olla ristikkäisiä ja esim. kohtisuorassa toistensa suh teen. Peilipinnan alustan on tietenkin oltava käytettyä säteilyä läpäisevää. Kuvioiden 9A ja 9B anturiratkaisuissa mittauskammio 5, ensimmäinen optinen kaasusuodatin 11 ja mahdollinen toinen optinen kaasusuodatin 21 ovat virtausyhteydessä keskenään, jolloin sama analysoitava kaasuseos GG virtaa niissä kaikissa.

15 Kuvion 9A ja 9B anturiratkaisussa detektoreille osuvan säteilyn optiset reitit ja niiden pituudet mitoitetaan aikaisemmin tässä selityksessä kuvatulla keksinnön menetelmän mukaisella tavalla. Jos mittakammion sisältämä C02-pitoisuus on pieni, mitataan primäärinen C02-signaali S2 pitkää optista reittiä pitkin eli detektorilla 14. Kun CC>2-pitoisuus on suuri eli lähellä koko mitta-alueen suurinta arvoa, voidaan 20 primäärisenä mittasignaalina S1 käyttää detektorin 10 mittaamaa säteilyä. Toista signaalia S1 ja vastaavasti S2 käytetään törmäyslevenemää kuvaavan suureen muodostamiseen, kuten on esitetty keksinnön menetelmäosassa. Siinä tapauksessa, että anturissa on kuvion 9B mukaisesti kolme detektoria 10, 14 ja 16, voidaan kaasu-komponentin pitoisuusmäärityksessä käyttää näitä kaikkia, jolloin käytettävissä on 25 kolme erilaista signaalia S1, S2 ja S3. Kolmannella signaalilla voidaan korjata muita virhelähteitä kuin törmäyslevenemästä johtuvia. Riippuen mitattavan kaasukompo-nentin, kuten hiilidioksidin, pitoisuudesta suhteessa analysointikammion kokoon ja kalibrointipitoisuuksiin voidaan myös käyttää mitä tahansa kahta signaalia näistä kolmesta. Jos esim. CC>2-pitoisuus on pieni, voidaan primäärisenä signaalina pitää 30 detektorista 14 saatua signaalia S2 (=S 1') ja törmäyslevenemä laskea esim. detektorista 16 saadulla signaalilla S3 (=S2'), kuten on selostettu. Kun CC>2-pitoisuus on suuri eli lähellä koko mitta-alueen suurinta arvoa, voidaan primäärisenä mittasignaalina SI käyttää detektorin 10 mittaamaa säteilyä ja törmäyslevenemä määrittää detektorista 14 saadusta toisesta signaalista S2. Äärimmäisen pienellä C02-pitoi-35 suudella voidaan taas käyttää detektorista 16 saatua signaalia S3 primäärisenä signaalina SI'. Mikä tahansa muukin yhdistelmä saattaa olla käyttökelpoinen.

27 101749

Kuviossa 10A esitetään toinen periaatteellinen tapa muodostaa kaksi eripituista optista reittiä yhteen yhtenäiseen analysointikammioon 13b. Tässä tapauksessa kanavan 1 (SI) mekaaniseksi absorptiopituudeksi on muodostettu pituus LI lyhentämällä kammion pituutta Lx syrjäyttävällä elimellä 54, joka on asetettu mittakammioon 5 tähän kanavaan osuvan säteilyn tielle. Syijäyttävä elin on materiaalia, joka läpäisee käytettyjä aallonpituuksia mahdollisimman hyvin ja mieluummin ilman vaikutuksia säteilyspektrin intensiteettijakautumaan. Tämä elin voi olla esim. safiiri- tai CaF2-tanko tai muu sellainen materiaali, joka läpäisee säteilyä hyvin, hiilidioksidin tapauksessa 4,3 pm alueella. Optista reittiä lyhentävä elin voi olla myös esim. ilmalla 10 täytetty kammio, jossa on optisesti läpäisevät ikkunat. Syrjäyttävä elin 54 saa siten aikaan analysointikammioon absorptiopituuden LI ja mittauskammion 5. Tässä tapauksessa syrjäyttävän elimen pituutta vastaava analysointikammion osapituus L2 saa aikaan yhdessä mittauskammion pituuden kanssa toisen absorptiopituuden L1+L2. Ensimmäisen absorptiopituuden LI mittainen osuus kanavalle 2 muodostaa 15 optisen kaasusuodattimen 11 signaalille S2. Mittauskammion 5 ja syrjäytyselimen 54 läpäissyt säde 15 kulkee vielä optisen kaistanpäästösuodattimen 9a läpi ja edelleen detektorille 10 ja kaasusuodattimen 11 läpäissyt säde 15 kulkee vielä optisen kaistanpäästösuodattimen 9b läpi ja edelleen detektorille 14. Ensimmäiseltä detektorilta 10 saadaan ensimmäinen signaali SI ja toiselta detektorilta 14 toinen signaali 20 S2. Analysointikammion pituus Lx ja syijäytyselimen pituus LI on järjestetty sellai siksi, että kaasusuodattimella 11 on keksinnön mukaiset ominaisuudet. Tässä tapauksessa optinen kaistanpäästösuodatin voi myös koostua paitsi kahdesta erillisestä samanlaisesta suodattimesta, kuten kuviossa, myös yhdestä suodattimesta, joka läpi molempiin kanaviin 1 ja 2 kuuluvat säteet kulkevat. Edullisesti optisen kaistanpääs-25 tösuodattimen läpäisykaista on täsmälleen sama molemmissa optisissa reiteissä ja « lisäksi sen kaista on valittu siten, että mittausta häiritsevät muut kaasut eivät suoraan vaikuta kaasukomponentin, kuten hiilidioksidin, mittaukseen.

Kuviossa 10B on kuvattu muunnos kuvion 10A toteutusmuodosta. Tässä ratkaisussa analysointikammio 13b sisältää myös toisen syrjäytyselimen 55, jonka avulla kam-30 mioon on saatu myös kolmas absorptiopituus L1+L2+L3 pienentämällä koko kammion pituutta Lx toista syrjäytyselintä vastaavalla pituudella L3. Tämän kolmannen absorptiopituuden läpäissyttä säteilyä 15, joka vielä menee kolmannen optisen kaistanpäästösuodattimen 9c läpi, otetaan vastaan kolmannella detektorilla 16, jolloin kolmanteen kanavaan 3 saadaan kolmas signaali S3. Tämä kolmas absorptiopituus 35 muodostaa mittauskammion 5 ja toinen absorptiopituus L2 optisen kaasusuodattimen 21 ja ensimmäinen absorptiopituus LI optisen kaasusuodattimen 11 signaalille S3. Kaasusuodattimilla 11 ja 21 on edellä kuvatut keksinnön mukaiset ominaisuudet 28 101749 ja/tai sinänsä tunnetun kaistanestosuodattimen ominaisuudet. Käytetty kaistanpääs-tösuodatin 9c on aallonpituuden läpäisyjakautumaltaan samaa tyyppiä kuin edellä selostetut suodattimet 9a ja 9b ja voi olla saman suodattimen jokin kohta, kuten kuvion 10A kohdalta on selostettu.

5 Kuvioiden 9B ja 10B tapauksissa ovat myöskin mittauskammio 5, ensimmäinen optinen kaasusuodatin 11 ja mahdollinen toinen optinen kaasusuodatin 21 virtaus-yhteydessä keskenään, jolloin sama analysoitava kaasuseos GG virtaa niissä kaikissa. Mitattava kaasukomponentti tulee analysointikammioon 13b virtausyhteen 6 kautta ja poistuu virtausyhteen 7 kautta. Näissäkin toteutusmuodoissa voidaan mitat-10 tavan kaasukomponentin, kuten CC>2:n, pitoisuuden mukaan käyttää kaikkia kolmea signaalia SI, S2, S3 tai mitä tahansa kahta niistä aivan, kuten kuvioiden 9A ja 10A toteutusmuotojen kohdalla on selostettu. Näistä voidaan muodostaa vastaavat signaalit SI'ja S2'. Tämä mahdollisuus johtaa kuvioiden 9B ja 10B toteutusmuotojen kohdalta siihen, että aikaisemmin todetut signaalien suhteet pätevät käytettiinpä 15 sitten mitä signaaleista tahansa, ts. pitoisuuden yläpäässä kauimpana valolähteestä olevan detektorin signaali S2 tai S3 on enintään noin 60 %, edullisesti enintään noin 40 % ja tyypillisesti 5 % - 30 % siitä, mitä se on samassa paikassa pitoisuusalueen alarajalla ja samalla säteilylähdettä lähinnä oleva detektori on paikassa, jossa pitoisuusalueen keskellä signaali SI on 95 % - 50 % ja tyypillisesti 90 % - 70 % siitä, 20 mitä se on aivan säteilyreitin alkupäässä lähellä säteilylähdettä 4.

Kuvioiden 9A-10B esittämille anturiratkaisuille on siis ominaista, että molemmat detektorit 10 ja 14 tai kaikki detektorit 10, 14, 16 mittaavat saman näytekaasuseok-sen läpi eri etäisyyksiltä. Tässä yhteydessä esitettiin kaksi erilaista tapaa muuttaa säteilyn näytekaasuseoksessa kulkemaa matkaa. Keksintö ei tätäkään periaatetta 25 soveltaen ole rajoitettu näihin ratkaisuihin, vaan pitää sisällään myös muita tapoja, joilla päästään kahteen tai useampaan erilaiseen absorptiopituuteen. Eräs tällainen tapa olisi ohjata säteily kulkemaan analyysikammion läpi peilipintojen avulla useita kertoja, jolloin saadaan esim. signaali S2, ja siten, että säteily kulkee esim. vain kerran analyysikammion läpi, jolloin saadaan signaali SI. Muu suurempi lukumäärä 30 kulkukertoja analyysikammion läpi voisi sitten saada aikaan signaalin S3. Säteilyn kulkukertojen lukumäärä analyysikammion läpi signaaleita S2 ja S3 varten voisi olla kahdesta viiteen kertaan ja esim. likipitäen samaa optista reittiä. Näillä toteutusmuodoilla, joissa eri signaalit S1, S2 ja mahdollisesti S3 otetaan säteestä, joka on kulkenut eri absorptiopituudet ja siten myös eri etäisyydet LC nimenomaan näytekaasussa 35 GG (jolloin siis optiset kaasusuodattimet 11 ja 21 ovat tutkittavan kaasuseoksen täyttämiä), on erityisenä etuna se, että kaikki kaasut, joiden läpi mittauksessa käyte- 29 101749 tyt säteet 15 kulkevat, ovat tarkasti samassa lämpötilassa ja paineessa. Tällöin vältetään mittausvirheitä, jotka muutoin olisi oikaistava eri toimenpiteillä.

Kuvioissa 1 IA, 1 IB ja 11C on kolme erilaista keksinnön piiriin kuuluvaa anturilai-teratkaisua. Sinänsä tavanomaiseen tapaan menee säteilylähteestä 4 säteilyä 15 mit-5 tauskammion 5 läpi ja edelleen optisen kaistanpäästösuodattimen 9a kautta detektorille 10, josta saadaan ensimmäinen signaali SI. Tutkittava kaasuseos tulee virtaus-yhteen 6 kautta pelkästään mittauskammioon 5 ja poistuu sieltä virtausyhteen 7 läpi. Näissä mittausjärjestelyissä on lisäksi suljettu, ts. muuttumaton optinen kaasusuoda-tin 11, jossa mitattavan kaasukomponentin Gm määrä on ennalta asetettu keksinnön 10 mukaiseksi joko sen paineella P2 ja/tai absorptiopituudella L2 tai vaihtoehtoisesti kaasukomponentin seoksella Gmj ja sen paineella P2 ja/tai absorptiopituudella L2 ja/tai konsentraatiolla C2. Tämä kammio asetetaan vain toiselle säteilyn optiselle toisen kaistanpäästösuodattimen 9b kautta kulkevalle reitille, josta detektorilla 14 muodostetaan toinen signaali S2. Kammion kaasun paine voi tarpeen mukaan olla 15 muu kuin normaalipaine ja kaasu voi myös olla mitattavaa kaasutyyppiä sisältävä seoskaasu. Kaasusäiliö 11 toimii optisena suodattimena, joka suodattaa säiliössä olevan kaasun absorptioviivojen huippujen kohdalta säteilyä keksinnön mukaisen määrän. Kuvioiden 1 IA-12 toteutusmuodoille on ominaista, että toisen signaalin S2 suuruudeksi määritetään 50 % - 95 % ja edullisesti 70 % - 90 % ensimmäisestä 20 signaalista S ltai vaihtoehtoisesti ensimmäisen signaalin S1 suuruudeksi määritetään 200 % - 105 % ja edullisesti 140 % - 110 % toisesta signaalista S2. Kaasusuodatti-men 11 läpäisee absorptioviivojen huippujen vieressä oleva säteily, joka pääsee lähes esteettä detektorille 14. Detektori 14 ei siis pysty ilmaisemaan tai ilmaisee huonommin näytekammiossa 5 olevaa samantyyppistä kaasua, koska säteily kysei-25 sen kaasun absorptiohuippujen kohdalla on suodatettu ainakin osittain säiliössä 11. Tällainen optiselle tielle lisätty säiliö lisää siis säteilyn tehollista optista matkaa näytekaasuseoksessa tavalla, josta voidaan keksinnön mukaisen menetelmän avulla laskea tarkennettu kaasupitoisuus riippumatta seoskaasusta. Sen toiminta voidaan ymmärtää samalla tavalla kuin kuvioiden 9A-10B ratkaisuissa, joissa erona kuvioi-30 den 11A-11C rakenteisiin on vain se, että mitään erillistä ennalta suljettua säiliötä ei • ole, vaan itse näytekaasu toimii esi- tai jälkisuodattavana elementtinä. Jos nyt kuvi oiden 1 IA-11C toteutusmuodoissa kaasusuodattimen 11 kaasu Gm tai sen seoksen Gmi koostumus ja/tai muut em. suureet valitaan sopivasti esimerkiksi siten, että säiliön läpäisseen säteilyn absorptioviivojen leveys on lähellä mitattavan kaasukom-35 ponentin absorptioviivojen leveyttä ei-törmäyslevenneessä tilassa, niin signaali S2 ilmaisee tehokkaasti myös näytekammiossa 5 olevan mittattavan kaasun törmäys-levenemää. Detektorin 14 signaali S2 yhdessä detektorin 10 signaalin SI kanssa 30 101749 sisältää siis informaatiota sekä mitattavan kaasun törmäyslevenemästä että sen pitoisuudesta samalla tavalla kuin edellä keksinnön mukaisen menetelmän yhteydessä on kuvattu.

Kuviossa 1 IA on edellä kuvattu rakenne esitetty ehjillä viivoilla samoin kuin kuvi-5 oissa 1 IB ja 11C. Lisäksi kuviossa 1 IA on näytetty pisteviivoilla suljetun kammion muodostama toinen optinen kaasusuodatin 23, joka myös sisältää tutkittavaa kaasu-komponenttia Gm tai sen seosta Gm2- Osa säteilystä 15 kulkee tämän kaasusuodat-timen läpi ja edelleen optisen kaistanpäästösuodattimen 9c kautta kolmanteen detektoriin 16, josta saadaan kolmanteen kanavaan 3 kolmas signaali S3. Tässä kaasusuo-10 dattimessa on erilainen absorptiopituus ja/tai paine ja/tai kaasukomponentin kon- sentraatio kuin ensimmäisessä kaasusuodattimessa 11. Toinen kaasusuodatin voi olla samaa tyyppiä kuin sinänsä tunnetut voimakkaat kaistanestosuodattimet, kuten edellä on kuvattu. Signaaleita SI, S2, S3 voidaan käyttää kuten aikaisemmin tässä selityksessä on kuvattu.

15 Kuviot 11B ja 11C esittävät periaatteeltaan samanlaista ratkaisua kuin kuviossa 1 IA

on esitetty. Kuviosta 1 IA poiketen, jossa käytetään kahta detektoria ja yhtä säteily-lähdettä, kuvioiden 1 IB ja 11C ratkaisuissa käytetään yhtä optista kaistanpäästösuo-datinta 9d ja yhtä detektoria 20 sekä kahta säteilylähdettä 4. Kuvion 1 IB rakenteessa eri säteilylähteiden signaalit yhdistetään optiset reitit yhdistävällä peilijärjestelyl-20 lä 26. Kuvion 11C rakenteessa säteilylähteet ovat peräkkäin siten, että kaasutäyttei-nen kaistanestosuodatin 11 on lähteiden välissä. Tällä sijoittelulla saavutetaan merkittävä etu, koska mittakammion 5 läpäisemä optinen reitti on täsmälleen sama ja siten yhteinen molemmille kanaville. Tällöin esimerkiksi näytekammion ikkunoihin kerääntyvä lika ei haittaa hiilidioksidipitoisuuden määrittämistä. Koska käytössä on 25 vain yksi detektori 20, pitää mittauskanavien 1 ja 2 signaalit S1 ja S2 aikamultiplek-soida siten, että hetkellä tj pidetään yllä vain yhtä säteilylähteistä 4, ja tämä on kytketty pois hetkellä t2, jolloin toisaalta pidetään yllä vain toista säteilylähteistä 4.

Siten mittaus suoritetaan pulssittamalla säteilylähteitä vuoronperään, jolloin syntyy kaksi eri mittausaikajaksoa 28 ja 29, joista toinen 28 ensimmäistä signaalia S1 var-30 ten ja toinen 29 toista signaalia S2 varten.

Kuviossa 12 on vielä anturiratkaisu, jossa käytetään vain yhtä detektoria 20 ja yhtä säteilylähdettä 4. Tämä on mahdollista, koska säteilyn tehollista optista matkaa säädellään akselilinjan 32 ympäri pyörivään R kiekkoon 31 kiinnitettyjen optisten kaa-sutäytteisten kaistanestosuodattimien 11, 23, 35, 37, 38 avulla. Kiekossa 31 pitää 35 olla vähintään kaksi erilaista kaasutäytteistä kaistanestosuodatinta. Näistä toinen, esim. suodatin 35, voi olla ei-absorboiva ja siten pelkkä aukko tai ilmalla täytetty 31 101749 säiliö. Toinen näistä taas on edellä kuvatun keksinnön mukainen optinen kaasusuo-datin 11, joka tässä tapauksessa muodostuu suljetusta säiliöstä kuten kuvioiden 11A-11C toteutusmuodoissakin. Kaasusuodattimessa 11 on siten joko kaasukomponenttia Gm tai sen ensimmäistä seosta Gm}. Lisäksi on kaasusuodattimen absorptiopituus 5 ja/tai sisäinen paine ja/tai kaasukomponentin konsentraatio valittu keksinnön mukaisesti. Kiekon pyöriessä saadaan mittausaikajaksot 28 ja 29 ja niille ensimmäinen signaali S1 ja toinen signaali S2. Lisäksi pyörivään kiekkoon voidaan kiinnittää toinen optinen kaasusuodatin 23, joka myös on suljettu kammio ja sisältää kaasukomponenttia Gm tai sen toista seosta Gm2 kolmannen signaalin S3 saamiseksi. Tämä 10 kolmas signaali S muodostaa kolmannen aikajakson 27. Pyörivään kiekkoon 31 voidaan järjestää myös muita optisia kaistanesto- tai kaistanpäästösuodattimia, jotka voivat parantaa hiilidioksidin määritystarkkuutta toimimalla samalla spektrikaistalla kuin suodatin 11, mutta ne voivat myös toimia erilaisella spektrikaistalla, jolloin ne on tarkoitettu lähinnä muiden kaasuseoksessa olevien kaasukomponenttien pitoisuu-15 den määrittämiseen.

Tämän keksinnön hengen mukaista on myös se, että kaistanestosuodattimen 11 spektrinen läpäisy tunnetaan tarkkaan ja että sen sisältämä informaatio on tallennettu esimerkiksi muistielementtiin 58. Tällaista spektristä informaatiota voi olla esimerkiksi C02-pitoisuuden funktiona laskennallisesti määritetty kaistanestosuodatti-20 men tehollinen pituus kullekin mittakammion kaasupitoisuudelle. Tällöin voidaan laskennallisesti käyttää samaa analyysia kuin mitä on edellä keksinnön mukaisen menetelmän kuvauksessa esitetty. Kuvioiden 11A-11C ja 12 mittausjärjestelyt on tällöin tehollisesti palautettu siihen, että käytetään kahta edullista mittauspituutta . oleellisesti yhdessä pitkässä kammiossa.

25 Asiantuntijalle on selvää, että tähän mennessä esitetyt mittausjärjestelyt eivät ole ainoat mahdolliset, joihin selitettyä keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa. Säteilylähteiden ja detektorien lukumäärää voidaan vaihdella, samoin kaasu-täytteiset kaistanestosuodattimet voidaan sijoittaa joko mittakammion etu- tai takapuolelle, mittauskanavien lukumäärä voi olla enemmän kuin kaksi tai kolme, jotka 30 tapaukset on edellä kuvattu, jne. Kolmea kanavaa 1, 2 ja 3 ja kolmea signaalia SI, S2 ja S3 tarvitaan tilanteessa, jossa vaaditaan tarkka C02-mittaus myös anturin likaantuessa tai jossa mittaus voi häiriintyä esim. ylimääräisen kosteuden takia tms.

Mitattaessa useita kaasukomponentteja voidaan keksinnön mukaisesti käyttää mittausjärjestelyä, jossa sinänsä tavalliseen monikomponenttikaasuanalysaattoriin on :. 35 järjestetty vain yhdelle mitattavalle kaasukomponentille, kuten esim. hiilidioksidille, tämän keksinnön menetelmän mukainen törmäyslevenemän mittauskanava. Tällä 32 101749 erityisellä kanavalla tehdyllä törmäyslevenemän mittauksella voidaan kompensoida törmäyslevenemän vaikutus myös kaikkien muidenkin kaasukomponenttien mittaustuloksille eli monikomponenttianalyysi voidaan tehdä huomattavasti tarkemmaksi toteuttamalla ainoastaan yhdellä kanavalla törmäyslevenemän mittaus. Luonnollises-5 ti törmäyslevenemän mittaus voidaan tehdä useammallekin kaasukomponentille.

Tässä keksinnössä esitettyä menetelmää voidaan myös käyttää lämpötilan ja paineen aiheuttamien absorptiomuutosten korjaukseen. Lämpötilan muutos muuttaa eri ab-sorptioviivojen painotusta ja siirtää siten absorptiojuovan spektristä vastetta. Mittausjärjestelyt, jotka on esitetty kuvioissa 9A, 9B ja 10A, 10B, käyttävät hyväksi 10 pelkästään kahta erillistä mittauspituutta, jolloin molemmissa kanavissa on täsmälleen saman lämpötila ja paine. Tämä pienentää paineen ja lämpötilan häiritseviä vaikutuksia. Näissä menetelmissä myös eliminoidaan erillisten kaistanpäästösuodatti-mien 9a-9c lämpötilaherkkyyttä.

Claims (20)

33 101749

1. Menetelmä kaasuseosten ei-dispersiivistä analysointia varten niissä olevan jonkin sellaisen kaasukomponentin (Gm) pitoisuuden määrittämiseksi, jonka absorbans-siin muut kaasuseoksessa (GG) olevat komponentit saattavat törmäyslevenemän 5 kautta vaikuttaa, menetelmän koostuessa seuraavista vaiheista: (a) järjestetään säteilylähde, joka emittoi analysoitavan kaasuseoksen läpi säteilyä aallonpituusalueella, jolla mainitun kaasukomponentin pitoisuusmäärityksessä käytettävä absorptiospektrijuova sijaitsee; (b) järjestetään tämän säteilyn reitille optinen ensimmäinen kaistanpäästösuodatin, 10 jonka läpäisykaista on mainitun spektrijuovan kohdalla, ja käytetään detektoria ilmaisemaan analysoitavan kaasuseoksen ja optisen kaistanpäästösuodattimen läpi kulkenutta säteilyä, jolloin tämä ensimmäinen intensiteetti synnyttää detektorissa ensimmäisen signaalin (SI); (c) aikaansaadaan säteilylähteen ja detektorin väliin lisäksi sijoitetun mainitun 15 kaasukomponentin (Gm) tai sen ensimmäisen seoksen (Gmi) avulla detektoriin vähintään yksi erilainen intensiteetti säteilyllä, joka myös on kulkenut analysoitavan kaasuseoksen ja sellaisen toisen kaistanpäästösuodattimen läpi, jonka läpäisykaista sijaitsee oleellisesti samalla aallonpituusalueella kuin ensimmäinen kaistanpäästösuodatin, jolloin tämä toinen intensiteetti synnyttää detektorissa toisen signaalin 20 (S2); ja (d) muodostetaan laskennallisesti pitoisuusmittaustulos (M) saatujen eri mittaussignaalien avulla, tunnettu siitä, että: (e) asetetaan etukäteen ennen analysointeja toisen signaalin aikaansaavan lisäkaa-25 sukomponentin (Gm) määräksi sen paineella (P2) ja/tai absorptiopituudella (L2) tai vaihtoehtoisesti ensimmäisessä kaasuseoksessa (Gmj) kaasukomponentin teholliseksi määräksi joko sen kiinteällä konsentraatiolla (C2) ja/tai seoksen paineella (P2) ja/tai absorptiopituudella (L2) sellainen arvo, että: - toinen signaali (S2) ja ensimmäinen signaali (SI) ovat toisistaan lineaarisesti riip-30 pumattomia, - toisella signaalilla (S2) ja ensimmäisellä signaalilla (SI) on keskinäinen yhteys, jossa muuttuvina suureina ovat ainakin törmäyslevenemä (dT) ja kaasukomponentin pitoisuus (C) ja jossa kertoimet ovat ennen analysointeja kokeellisesti määritettyjä, törmäyslevenemän vaikutuksen tarkaksi määrittämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että toisen signaa lin (S2) ja ensimmäisen signaalin (S 1) ja mahdollisen kolmannen signaalin (S3) 34 101749 mainittu yhteys on kuvattavissa yhtälöryhmänä (I tai II ja vast. V): - jossa muuttujien kertoimet (Ay, By) on määritetty etukäteen ennen analysointeja käyttäen testikaasuja, joiden koostumus ja/tai kaasukomponenttien keskinäiset tör-mäyslevenemävaikutukset tunnetaan, ja 5. jonka avulla kaasuseosten (GG) analysointien aikana ratkaistaan laskennallisesti muuttuvien suureiden arvoista ainakin mitattavan kaasukomponentin (Gm) pitoisuus (Cf) mittaustuloksena (M) saaduista signaaleista (Sija S2 ja mahdollisesti S3) lähtien - tallennetaan näiden vaiheiden aikana saatu tieto käytettäväksi analysointien aikana.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, jossa ensimmäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) aikaansaavat säteilyreitit on kytketty rinnan ja/tai vuo-rotteleviksi mittausaikajaksoiksi, tunnettu siitä, että mainitun lisäkaasukomponentin (Gm) määräksi tai ensimmäisessä kaasuseoksessa (Gm^) lisäkaasukomponentin kiinteäksi määräksi asetetaan ennen analysointeja sellainen arvo, että toisen signaa-15 Iin (S2) suuruus on 50 % - 95 % tai 105 % - 200 % ensimmäisestä signaalista (SI) analysoitavan kaasuseoksen pitoisuusalueella ja tyypillisesti pitoisuusalueen keskiosissa, ja että edullisesti toisen signaalin suuruus on (S2) 70 % - 90 % tai 110 % -140 % ensimmäisestä signaalista (SI) analysoitavan kaasuseoksen pitoisuusalueen keskiosissa.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ensim mäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) aikaansaavat säteilyreitit on kytketty sarjaan tai rinnan, jolloin ensimmäinen kaasuseos (Gmj) muodostuu analysoitavasta kaasuseoksesta (GG), ja että ennen analysointeja asetetaan: - ensimmäisen kaasuseoksen absorptiopituudeksi (L2) sellainen mitta, että kun ana-25 lysoitavassa kaasuseoksessa (GG) kaasukomponentin (Gm) pitoisuus (C) muuttuu ennalta määritellyn pitoisuusalueen alarajalta (Ca) ylärajalle (Cb), alenee mainitun toisen signaalin (S2) aikaansaava säteilyintensiteetti pelkästään analysoitavan kaasu-seoksen ja lisäkaasun aiheuttaman absorption vaikutuksesta arvoon, joka on enintään noin 60 %, edullisesti enintään noin 40 % ja tyypillisesti 30 % - 5 % alarajaa 30 vastaavasta arvosta, ja - analysoitavan kaasuseoksen absorptiopituudeksi (LI) sellainen mitta, että kun kaasukomponentin (Gm) pitoisuus analysoitavassa kaasuseoksessa (GG) on ennalta määritellyn konsentraatioalueen keskellä, on ensimmäisen signaalin (SI) aikaansaava säteilyintensiteetti 95 % - 50 % ja tyypillisesti 70 % - 90 % tulevasta intensi- 35 teetistä. 35 101749

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää ennen analysointeja vaiheet, joissa: - aikaansaadaan säteilylähteen ja detektorin väliin lisäksi sijoitetun kaasukompo-nentin (Gm) tai sen toisen seoksen (Gm2) avulla detektoriin kolmas erilainen inten-5 siteetti säteilyllä, joka myös on kulkenut analysoitavan kaasuseoksen (GG) ja sellaisen kolmannen kaistanpäästösuodattimen läpi, jonka läpäisykaista sijaitsee oleellisesti samalla aallonpituusalueella kuin ensimmäinen ja toinen kaistanpäästösuoda-tin, jolloin tämä kolmas intensiteetti synnyttää detektorissa kolmannen signaalin (S3); sekä 10 - asetetaan: - kolmannen signaalin aikaansaavan lisäkaasukomponentin (Gm) määräksi sen paineella ja/tai absorptiopituudella tai vaihtoehtoisesti toisessa seoksessa (Gm2) lisäkaasukomponentin kiinteäksi määräksi tai vaihtoehtoisesti - kolmannen signaalin aikaansaavan lisäkaasukomponentin absorptiopituudeksi 15 (LI ja/tai L2 ja/tai L3) sellainen arvo, että kolmannen signaalin (S3) suuruus on joko oleellisesti riippumaton tutkittavan kaasukomponentin (Gm) pitoisuudesta analysoitavassa kaasuseoksessa (GG) tai oleellisesti erisuuruinen kuin ensimmäinen ja toinen signaali (SI tai S2), ja että tämä signaali huomioidaan pitoisuusmittaustulosta 20 (M) muodostettaessa, lisätarkkuuden saamiseksi mitattavaan pitoisuuteen.

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että järjestetään kahden tai vastaavasti kolmen kaistanpäästösuodattimen läpäisykaistojen leveys suuremmaksi kuin yksi tai useampi käytettävään absorptiospektrijuovaan kuuluvan absorptioviivan leveys ja oleellisesti samanlaisiksi tai keskenään identtisiksi, mutta 25 kapeammaksi kuin käytetyn absorptiospektrijuovan kokonaisleveys, ja että mainitut kaksi tai kolme optista kaistanpäästösuodatinta on muodostettu kaikki yhdestä suo-datinyksilöstä tai kahdesta suodatinyksilöstä, jolloin eri signaalit (SI, S2 ja mahd. S3) aikaansaavista säteistä ainakin jotkin kulkevat kaistanpäästösuodattimen saman kohdan tai eri kohtien läpi, tai kolmesta suodatinyksilöstä, jolloin eri signaalit (SI,

30 S2 ja mahd. S3) aikaansaavat säteet kulkevat eri kaistanpäästösuodattimien läpi.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analysointien aikana toteutetaan seuraavia vaiheita: (1) mitataan kaksi tai kolme lineaarisesti riippumatonta signaalia (S 1, S2 ja mahdollisesti S3); 36 101749 (2) määritetään ensin pääasiassa ensimmäisen signaalin (SI) tai toisen signaalin (S2) ja mahdollisen kolmannen signaalin (S3) avulla tutkittavan kaasukomponentin (Gm) likimääräinen pitoisuus (Cl) analysoitavassa kaasuseoksessa (GG); (3) valitaan pitoisuusmittaustuloksen (M) laskennan alkuarvoiksi törmäyslevene-5 män suhteen sen testikaasuseoksen tai niiden testikaasuseosten avulla määritetyt Jacobian-matriisin (J) tai sen käänteismatriisin kertoimet, jotka koostumukseltaan lähinnä vastaavat saatua likimääräistä pitoisuutta (Cl); (4) otetaan laskentaan mukaan saatu toinen signaali (S2) tai vastaavasti ensimmäinen signaali (SI) tai vastaavasti kolmas signaali (S3) vähintään törmäyslevenemän 10 vaikutuksen määrittämiseksi, jolloin (5) lopullisen pitoisuuden (Cf) laskenta suoritetaan interpoloiden mainituista läheisistä arvoista tai iteroiden mainitusta läheisestä arvosta tai suorittaen molempia näitä laskutoimituksia.

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisäksi analy-15 sointien aikana muut häiriötekijät eliminoidaan joko toisen signaalin (S2) tai edullisesti kolmannen signaalin (S3) avulla ja että mainittu lopullisen pitoisuuden laskenta toteutetaan ratkaisemalla sama yhtälöryhmä (I, II tai V), jonka kertoimet (Ajj, By) on määritetty etukäteen ennen analysointeja testikaasuseosten (Gt) avulla.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että: 20. toisen signaalin (S2) aikaansaavana ensimmäisenä kaasuseoksena (Gm \) on ennen analysointeja kulloinenkin testikaasuseos (Gt) tai sen alimäärä ja analysointien aikana kulloinenkin analysoitava kaasuseos (GG) tai sen alimäärä, ja että - kolmannen signaalin (S3) aikaansaavana toisena seoksena (Gm2) on ennen analysointeja kaasukomponentin (Gm) ennalta aseteltu seos tai puhdas kaasukomponentti 25 (Gm) tai vaihtoehtoisesti testikaasuseos (Gt) tai sen alimäärä ja analysointien aikana sama kaasukomponentin ennalta aseteltu seos tai puhdas kaasukomponentti (Gm) tai vaihtoehtoisesti analysoitava kaasuseos (GG) tai sen alimäärä.

10. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analysoitavassa kaasuseoksessa (GG) olevan kaasukomponentin (Gm) pitoisuusmittaustuloksen 30 (M) laskennassa käytetään sen pitoisuudesta riippuen vain joitakin kahta signaalia (SI, S2 tai SI, S3 tai S2, S3) kolmesta käytettävissä olevasta signaalista tehollisena ensimmäisenä signaalina (SI, SI') ja vastaavasti tehollisena toisena signaalina (S2, S2') ja että tyypillisesti käytetään säteilylähdettä lähempänä olevien detektorien signaaleja (SI ja S2) kun kaasukomponentin pitoisuus (Gm) on suuri ja säteilylähteestä :. 35 kauempana olevien detektorien signaaleja (S 1-S2 ja S2-S3) kun kaasukomponen tin pitoisuus (Gm) on pieni. 37 101749

11. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaasukompo-nenttina (Gm), jonka pitoisuutta mitataan, samoin kuin lisäkaasukomponenttina (Gm) on hiilidioksidi (CO2).

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että analysointien 5 aikana mitataan useamman kuin yhden kaasukomponentin pitoisuutta kaasuseokses- sa (GG), että mainittua toista signaalia (S2) otetaan ainoastaan yksi, jonka toisen signaalin avulla lasketaan kaikkien tai tarvittavien pitoisuudeltaan määritettävien kaasukomponenttien törmäyslevenemät (dT) ja muodostetaan kaikkien pitoisuudeltaan määritettävien kaasukomponenttien pitoisuusmittaustulokset (M).

13. Anturilaite kaasuseosten analysoimiseksi ei-dispersiivisesti niissä olevan jon kin sellaisen kaasukomponentin (Gm) pitoisuuden määrittämiseksi, jonka absorbans-siin muut kaasuseoksessa (GG) olevat komponentit saattavat törmäyslevenemän kautta vaikuttaa, laitteen käsittäessä: (a) mittauskammion (5), joka sisältää analysoitavaa kaasuseosta (GG), sekä sätei- 15 lylähteen (4), joka emittoi mittauskammion läpi säteilyä (15) aallonpituusalueella, jolla mainitun kaasukomponentin pitoisuusmäärityksessä käytettävä absorptiospekt-rijuova sijaitsee; (b) vähintään yksi detektori (10 tai 14), jotka on sijoitettu vastaanottamaan mittauskammion läpäissyttä säteilyä, sekä detektorien ja säteilylähteen väliin sijoitetut 20 optiset kaistanpäästösuodattimet (9a, 9b); (c) erilliset mittauskanavat (1, 2 ja mahd 3), joihin detektorit on kytketty; (d) optisen kaasusuodattimen (11), joka koostuu mainittua kaasukomponenttia (Gm) tai sen ensimmäistä seosta (Gmj) sisältävästä suodatinkammiosta, joka optinen kaasusuodatin sijaitsee yhdessä mittauskanavassa toisen detektorin (14) ja sätei- 25 lylähteen (4) välissä, jolloin ensimmäisestä mittauskanavasta (1) saadaan mittaus-kammion läpäisseeseen säteilyyn perustuva ensimmäinen signaali (SI) ja toisesta mittauskanavasta (2) saadaan mittauskammion ja optisen kaasusuodattimen läpäisseeseen säteilyyn perustuva toinen signaali (S2), tunnettu siitä, että 30 (e) mittauskammio (5) ja optinen kaasusuodatin (11) ovat keskenään virtausyh- teydessä; (f) mittauskammio (5) ja optinen kaasusuodatin (11) sijaitsevat säteilyn kulkusuuntaan nähden joko: - peräkkäin, jolloin ensimmäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) aikaansaavat 35 säteet kulkevat näissä erisuuruiset absorptiopituudet (LI ja vast. L1+L2) muodostaen sarjaan kytkennän; tai vaihtoehtoisesti 38 101749 - vierekkäin, jolloin niillä on erisuuruiset absorptiopituudet (LI ja L1+L2) ja ensimmäisen signaalin (SI) ja toisen signaalin (S2) aikaansaavat säteet kulkevat näiden kummankin läpi muodostaen rinnankytkennän; ja että (g) optisen kaasusuodattimen (11) sisältämän lisäkaasukomponentin (Gm) teholli-5 seksi analysointien aikana odotettavissa olevaksi muuttuvaksi määräksi ensimmäisessä seoksessa (Gmj) on ennen analysointeja asetettu sen absorptiopituudella (L2) sellainen arvo, että: - toinen signaali (S2) ja ensimmäinen signaali (SI) ovat toisistaan lineaarisesti riippumattomia, 10. toisella signaalilla (S2) ja ensimmäisellä signaalilla (SI) on keskinäinen yhteys, jossa muuttuvina suureina ovat ainakin törmäyslevenemä (dT) ja kaasukomponentin pitoisuus (C) ja jossa kertoimet ovat ennen analysointeja kokeellisesti määritettyjä.

14. Patenttivaatimuksen 13 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että laite käsittää yhden analysointikammion (13a), jossa on virtausyhteet (6, 7) sen kaasuseoksen 15 (GG) virtausta varten, jonka jonkin kaasukomponentin (Gm) pitoisuutta analysoinnin aikana on tarkoitus määrittää, että tämän analysointikammion säteilysuuntaisen mitan jollakin pituudella (LI) on puoliläpäisevä tai säteilykimppua pienempi peili (56) säteilyn osan poikkeuttamiseksi ulos tästä kammiosta ja että tätä mittauskam-miosta (5) poikkeutettua säteilyä vastaanottaa ensimmäinen detektori (10), joka an-20 taa ensimmäisen signaalin (SI), sekä peilin ja analysointikammion loppupituuden (L2) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa toinen detektori (14), joka antaa toisen signaalin (S2).

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että analysointi-kammiossa on sen säteilysuuntaisen mitan jollakin toisella pituudella (L1+L2) toi- 25 nen puoliläpäisevä tai säteilykimppua pienempi peili (57) säteilyn osan poikkeuttamiseksi ulos tästä kammiosta ja tätä poikkeutettua säteilyä vastaanottaa mainittu toinen detektori (14), joka antaa toisen signaalin (S2), ja että tämän toisen peilin ja analysointikammion loppupituuden (L3) sekä kolmannen optisen kaistanpäästösuo-dattimen (9c) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa kolmas detektori (16), joka antaa 30 kolmannen signaalin (S3).

16. Patenttivaatimuksen 13 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että laite käsittää yhden analysointikammion (13b), jossa on virtausyhteet (6, 7) sen kaasuseoksen (GG) virtausta varten, jonka jonkin kaasukomponentin (Gm) pitoisuutta analysoinnin aikana on tarkoitus määrittää sekä lisäksi syrjäytyselimen (54), joka läpäisee 35 käytettyä säteilyä ilman oleellista absorptiota käytetyllä aallonpituuskaistalla ja joka on sijoitettu analysointikammioon säteilykimpun (15) poikkipinnan osan alueelle 39 101749 lyhentämään mittauskaxnmion absorptiopituutta (Lx), jolloin mittauskammion (5) ja tämän syijäytyselimen (54) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa ensimmäinen detektori (10), joka antaa ensimmäisen signaalin (SI), sekä analysointikammion koko pituuden (L1+L2) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa toinen detektori (14), joka antaa toisen 5 signaalin (S2).

17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että laite lisäksi käsittää toisen syijäytyselimen (55), joka läpäisee käytettyä säteilyä ilman oleellista absorptiota käytetyllä aallonpituuskaistalla ja joka on sijoitettu analysointikammi-oon säteilykimpun (15) poikkipinnan osan alueelle lyhentämään mittauskammion 10 absorptiopituutta (Lx), jolloin mittauskammion (5) ja tämän syrjäytyselimen (55) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa toinen detektori (14), joka antaa toisen signaalin (S2), sekä analysointikammion koko pituuden (L1+L2+L3) sekä kolmannen optisen kais-tanpäästösuodattimen (9c) läpäissyttä säteilyä vastaanottaa kolmas detektori (16), joka antaa kolmannen signaalin (S3).

18. Anturilaite kaasuseosten analysoimiseksi ei-dispersiivisesti niissä olevan jon kin sellaisen kaasukomponentin (Gm) pitoisuuden määrittämiseksi, jonka absorbans-siin muut kaasuseoksessa (GG) olevat komponentit saattavat törmäyslevenemän kautta vaikuttaa, laitteen käsittäessä: (a) mittauskammion (5), joka sisältää analysoitavaa kaasuseosta (GG), sekä sätei-20 lylähteen (4), joka emittoi mittauskammion läpi säteilyä (15) aallonpituusalueella, jolla mainitun kaasukomponentin pitoisuusmäärityksessä käytettävä absorptiospekt-rijuova sijaitsee; (b) vähintään yhden detektorin (10, 14; 20), joka on sijoitettu vastaanottamaan mittauskammion läpäissyttä säteilyä, sekä detektorin tai vastaavasti detektorien ja 25 säteilylähteen väliin sijoitetut optiset kaistanpäästösuodattimet (9a, 9b; 9d); (c) erilliset mittausaikajaksot (28, 29 ja mahd. 27) tai mittauskanavat (1, 2 ja mahd. 3), joihin detektorit on kytketty; (d) optisen kaasusuodattimen (11), joka koostuu mainittua kaasukomponenttia (Gm) tai sen ensimmäistä seosta (Gm]) sisältävästä suodatinkammiosta, joka opti- 30 nen kaasusuodatin sijaitsee joko yhdessä mittauskanavassa toisen detektorin (14) tai yhden mittausjakson aikana detektorin (20) ja säteilylähteen (4) välissä, jolloin: - ensimmäisestä mittauskanavasta (1) tai mittausaikajaksosta (28) saadaan mittaus-kammion läpäisseeseen säteilyyn perustuva ensimmäinen signaali (SI), ja - toisesta mittauskanavasta (2) tai mittausaikajaksosta (29) saadaan mittauskammion 35 ja optisen kaasusuodattimen läpäisseeseen säteilyyn perustuva toinen signaali (S2), > tunnettu siitä, että 40 101749 (e) optinen kaasusuodatin (11) on suljettu kammio, joka sisältää mainittua kaasu-komponenttia (Gm) tai sen ensimmäistä seosta (Gmi) paineen (P2) ja/tai absorptio-pituuden (L2) ja/tai konsentraation (C2) avulla sellaisen ennalta asetetun kiinteän tehollisen määrän, että: 5. toinen signaali (S2) ja ensimmäinen signaali (SI) ovat toisistaan lineaarisesti riip pumattomia, - toisella signaalilla (S2) ja ensimmäisellä signaalilla (SI) on keskinäinen yhteys, jossa muuttuvina suureina ovat ainakin törmäyslevenemä (dT) ja kaasukomponentin pitoisuus (C) ja jossa kertoimet ovat ennen analysointeja kokeellisesti määritettyjä.

19. Patenttivaatimuksen 18 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että laite lisäksi käsittää toisen optisen kaasusuodattimen (23), joka koostuu mainittua kaasukompo-nenttia (Gm) tai sen toista seosta (Gm2) sisältävästä suodatinkammiosta, että toinen kaasusuodatin sijaitsee joko: yhdessä mittauskanavassa (3) kolmannnen optisen kaistanpäästösuodattimen (9c) ja kolmannen detektorin (16); tai yhden mittausjak-15 son (27) aikana detektorin (20) ja optisen kaistanpäästösuodattimen (9d), ja säteily- lähteen (4) välissä, jolloin kolmannesta mittauskanavasta tai mittausaikajaksosta saadaan mittauskammion (5) ja toisen kaasusuodattimen läpäisseeseen säteilyyn perustuva kolmas signaali (S3).

20. Patenttivaatimuksen 13 tai 18 mukainen anturilaite, tunnettu siitä, että detek-20 torien (10, 14; 16; 20) ja säteilylähteen (4; 24) välissä olevat kaistanpäästösuodat-timet (9a, 9b; 9c; 9d) ovat keskenään mahdollisimman tarkoin identtiset tai muodostuvat yhden suodattimen eri kohdista tai samasta kohdasta ja että kaistanpäästösuo-dattimien läpäisykaistojen leveys on suurempi kuin yksi tai useampi käytettävään absorptiospektrijuovaan kuuluvan absorptioviivan leveys, mutta kapeampi kuin 25 käytetyn absorptiospektrijuovan äärimmäisten reunojen välimatka. 101749 41