DE2604381A1 - Vorrichtung zum nachweis eines gasbestandteiles in einer gasprobe - Google Patents
Vorrichtung zum nachweis eines gasbestandteiles in einer gasprobeInfo
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Description
Int.Az.: Case 927 23. Januar 1976
Hewlett-Packard Company
VORRICHTUNG ZUM NACHWEIS EINES GASBESTANDTEILES IN EINER GASPROBE
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis eines Gasbestandteiles in einer Gasprobe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Insbesondere handelt es sich um einen Gasanalysator, mit
welchem transkutane Messungen der CO3-Konzentration im Blut
vorgenommen werden können.
Die Verwendung von Infrarot-Gasanalysatoren wird in verschiedenen
technischen Gebieten zunehmend wichtiger. Beispielsweise können' auf medizinischem Gebiet Infrarot-Gasanalysatoren
dazu verwendet werden, um die Konzentration von Gasen im Blut oder in der Atemluft zu messen. Essgleichen
können Infrarot-Gasanalysatoren zur Überwachung der Luft bezüglich Verunreinigungen eingesetzt werden.
Ein besonderes Verfahren zur Überwachung von CO„ im Blut
kann transkutan an der Oberfläche der Haut ausgeführt werden. Typischerweise wird die äußerste Schicht eines kleinen Bereichs
der Haut eines Patienten entfernt, beispielsweise indem wiederholt ein Klebestreifen aufgebracht wird. Dann
kann eine kleine Einrichtung in der Größe einer Pillenschachtel dichtend auf die Haut aufgesetzt werden, so daß
sich zwischen der Luft in der Schachtel und den Gasen in der Haut ein stationäres Druckgleichgewicht einstellt. Die
Konzentration von CO» in der Meßeinrichtung kann durch einen Infrarot-Gasanalysator gemessen werden, der vorzugsweise in
der Meßeinrichtung eingeschlossen ist.
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ORIGINAL INSPECTED
Eine wirksame transkutane CO^-Messung der beschriebenen Art
macht es erforderlich, daß der Gasanalysator sehr schnell anspricht, während nur ein kleines Probegasvolumen zur Verfügung
steht. Auch sollte das Ausgangssignal des Detektors
unempfindlich gegenüber Störeinflüssen wie der schwankenden Intensität der verwendeten Lichtquellen, der Detektorvorspannung
und Alterungseffekten sein. Zusätzlich wird der Detektor bei medizinischen Anwendungen verschiedenen Sterilisationsmedien
sowie den in den Körpergasen enthaltenen Verunreinigungen ausgesetzt. Der Detektorausgang sollte daher
unempfindlich gegenüber Verunreinigungen von diesen Quellen sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die
Konzentration eines ausgewählten Gasbestandteiles eines Gasgemisches weitgehend frei von den vorgenannten Störungen
meßbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung
gemäß Anspruch 1.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform kann ein Infrarot-Analysator
verwendet werden, der insbesondere für eine Vorrichtung zur transkutanen Messung des CO„-Gehaltes
geeignet ist. Der Analysator verwendet eine einzige Infrarotquelle und einen einzigen Detektor, der durch ein einziges
Interferenzfilter beleuchtet wird. In dem optischen Strahlengang zwischen der Strahlenquelle und dem Detektor
befindet sich ein drehbar gelagertes Rad mit zwei Referenzzellen und einer Probenzelle. Die beiden Referenzzellen sind
jeweils von einem Paar Fensterflächen umgeben. Eine der Referenzzellen ist gefüllt mit einem Gas, welches eine Standardmenge
an CO_ enthält und mit einem inerten Gas gefüllt sein
kann. Die andere Referenzzelle enthält kein CO3. Vorzugsweise
wird das Probengas in einem Bereich zirkuliert, der das sich drehende Rad umgibt. Die Probenzelle ist eine "offene" Zelle,
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die dem zirkulierenden Probengas direkt zugänglich ist. Diese spezielle Probenzelle kann eine zellenartige öffnung
des gleichen Volumens wie die Referenzzellen aufweisen, wobei zwei aus Sapphir bestehende Fenster auf nur einer
Seite der Zelle dicht aneinander anliegend angeordnet sind. Das in den Bereich um das sich drehende Rad eintretende
Probengas strömt auch in den Bereich der Probenzelle.
Im Betrieb wird das Rad gedreht, um die beiden Referenzzellen
und die Probenzelle nacheinander in den Strahlengang zwischen der Infrarotquelle und dem Detektor zu
bringen. Dadurch werden drei Ausgangssignale erzeugt. Die Signale während der Zeitintervalle, in denen sich die beiden
Referenzzellen in dem Strahlengang befinden,ergeben zwei Standardablesungen, beispielsweise O und vollen
Skalenausschlag. Während des Intervalles, wenn sich die Probenzelle in dem Strahlengang befindet, absorbiert das
COp-Gas in dem Probengas einen Teil der Strahlung, so daß
die Signalamplitude eine Funktion des Partialdruckes des
CO2-Gases in der Probe ist. Diese drei Signale können dazu
verwendet werden, um ein zugeordnetes Ausgangssignal
zu erzeugen, welches den Partialdruck des CO_-Gases in
der Probe anzeigt und welches im wesentlichen unabhängig von Schwankungen der Intensität der Strahlungsquelle, der
Detektorverstärkung oder der Verunreinigung der optischen Fenster durch Verunreinigungen in der Probe ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein Gasanalysator
vorgesehen, bei welchem sich die Probenzelle in einer eingeschlossenen Zelle isoliert von den sich drehenden Referenzzellen
befindet. Diese Ausführungsform der Erfindung
ist insbesondere geeignet für Anwendungen, bei denen es sehr wahrscheinlich ist, daß sich verunreinigende Strömungsmittel
in dem Gas befinden, beispielsweise bei Messungen von CO„ in der Atemluft. Die isolierte Probenzelle kann
leicht gereinigt oder ersetzt werden.
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Vorzugsweise wird das sich drehende Rad angetrieben durch die Wechselwirkung einer Anzahl von Permanentmagneten,
die in dem Rad angeordnet sind, während elektromagnetische Spulen in dem feststehenden Gehäuse angeordnet sind. Die
elektromagnetischen Spulen werden nacheinander entsprechend
opto-elektronischen Signalen gespeist, die von einer Anzahl optischer Zeitmarken erzeugt werden, welche um die
Peripherie des Rades herum angeordnet sind. Dadurch wird eine sehr genaue Rotationsfrequenz aufrechterhalten. Die
Zeitmarken können auch zur Steuerung der externen Signalverarbeitung verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar:
Figur 1 einen Detektor, in welchem das Probengas in der Probenzelle ein Teil des Probengases ist, welches
in einem auch zwei Referenzzellen umgebenden Hohlraum zirkuliert;
Figur 2 eine Vorderansicht eines Rades mit zwei Referenzzellen und einer Probenzelle;
Figur 3 graphisch aufeinanderfolgende Ausgangssignale,
welche auf die beiden Probenzellen und die Referenzzelle bezogen sind;
Figur 4 eine Teilansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher eine Probenzelle isoliert von dem die Referenzzelle umgebenden Bereich gebildet wird;
Figur 5 einen Meßwertumformer mit einer Einrichtung zur Temperaturmessung und -steuerung;
Figur 6 eine Teilansicht einer Anordnung von Permanentmagneten auf einem Rad, welche durch eine Anzahl von Elektromagneten
angetrieben werden und das Rad dadurch drehen;
Figur 7A und 7B verschiedene Positionen des sich drehenden Rades bezüglich der Elektromagneten;
Figur 8 eine Betätigungsfolge für die die Drehung des Rades
bewirkenden Elektromagneten;
Figur 9 eine Schaltung mit einem Schrittimpulsgenerator, der die Elektromagenten antreibt;
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Figur 10 eine Ausführungsform des Schrittimpulsgenerators
nach Figur 9.
In Figur 1 ist ein Meßwertumformergehäuse 11 dargestellt,
welches beispielsweise aus Aluminium bestehen kann und Abmessungen von 2,5 cm χ 2,5 cm χ 2,5 cm hat. Am Boden des
Gehäuses 11 befindet sich eine Ausnehmung 13 mit einer
Öffnung 15 zu einer inneren Kammer 17. Ein Schirm oder Gitter 19 in der Ausnehmung 13 stabilisiert die
Grenzfläche zwischen dem Gas und der Haut und ergibt einen Gasdurchgang von der Haut zur Öffnung 15. In bekannter
Weise kann ein kleiner Bereich der Außenschicht der Haut eines Patienten abgeschürft oder in anderer Weise entfernt
werden, wonach das Gitter 19 in engen Kontakt mit dem abgeschürften Bereich gebracht werden kann. Die Gase
und Dämpfe im Blut und im Körpergewebe diffundieren dann in die Kammer 17, bis ein Gleichgewicht zwischen der Gaszusammensetzung
in der Kammer und derjenigen im Körper erreicht ist. Bei einigen Anwendungen ist es zweckmäßig,
eine dünne poröse Membrane 21 in der Ausnehmung 13 zu verwenden, um zu verhindern, daß Strömungsmittel vom
Körper in die Kammer 17 eintreten, während Gase, einschließlich dem zu messenden CO„-Gas zwischen der Kammer
17 und dem Körper einen Gleichgewichtszustand ausbilden können. Um die Kammer gegenüber der Umgebung abzudichten,
muß auch das Gehäuse gegenüber der Haut abgedichtet werden. Beispielsweise kann hierzu ein doppelseitig klebendes Band
14 an dem Gehäuse 11 befestigt werden.
Innerhalb des Gehäuses 11 befindet sich eine Strahlungsquelle
23 für infrarote Strahlung. Diese gibt eine Strahlung ab, welche die bekannte Absorptionswellenlänge von 4,26 μ
für CO3-GaS umfaßt. Gegenüber der Strahlungsquelle 23 befindet
sich ein Detektor 25 für Infrarotstrahlung. Zwischen der Strahlungsquelle 23 und dem Detektor 25 befindet sich
ein optisches Filter 27 mit einem schmalen Durchlaßbereich, in welchem die Wellenlänge von 4,26 μ für CO„-Gas liegt.
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Ein zylindrisches Rad 29 ist drehbar in der Kammer 17 gelagert. Das Rad kann beispielsweise durch nicht dargestellte Kugellager
gelagert sein.
Gemäß Figur 2 enthält das Rad 29 drei Zellen. Diese drei Zellen 31, 33 und 35 dienen als zwei getrennte Referenzzellen bzw.
eine Probenzelle. Die beiden Referenzzellen 31 und 33 haben jeweils
ein Paar Fenster 37 und 39, welche transparent für Infrarotstrahlung
im Wellenlängenbereich der CO -Absorption sind. Hierfür ist beispielsweise Sapphir geeignet. Die Zellen 31 und
33 können als "Einrasf'-Zellen ausgebildet sein, welche in einfacher
Weise in das Rad 29 eingesetzt oder von diesem entfernt werden können. Die Zelle 35 ist als "inverse" Zelle ausgebildet
was bedeutet, daß das zu untersuchende Gas nicht in einem Volumen zwischen einem Paar Fenstern eingeschlossen ist,wie es
der Fall bei den Referenzzellen ist. Stattdessen sind die
Fenster 41 Seite an Seite beispielsweise im Mittelpunkt der Probenzelle angeordnet. Vorzugsweise sind die Fenster 41 gleich
dick wie die Fenster 39 und 37 und bestehen aus dem gleichen Material wie die Fenster 41, so daß sich die gleiche optische
Abschwächung ergibt. Die Probenzelle 35 ist offen und direkt mit dem Bereich 17 verbunden, in welchen das Probengas von
dem Körper eingelassen wird. Das Probengas umgibt vollständig alle drei Zellen, so daß irgendwelche Verunreinigungen in
der Probe die Fenster der drei Zellen in gleichem Ausmaß verunreinigen. Folglich hatten irgendwelche Änderungen in der
Transparenz der Fenster keinen Einfluß auf den gemessenen Wert der Konzentration des C0„-Gases. Die Fenster 41 der Probenzelle
35 können auch gegenüber dem geometrischen Mittelpunkt der Probenzelle verschoben werden, ohne den Betrieb zu ändern.
Beispielsweise können die beiden Fenster auf einer Seite des Probenvolumens angeordnet werden. Andererseits ist es möglich
nur eine oder gar keine Fensterwand in der Probenzelle vorzusehen, In diesem Fall führt die erhöhte Transparenz der Probenzelle
lediglich zu einer Verschiebung der Ausgangssignale, welche
bei der Signalverarbeitung kompensiert werden können.
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Der Betrieb der Vorrichtung wird unter Bezugnahme auf Figur 3 erläutert. Eine der Referenzzellen, beispielsweise
die Zelle 31, ist mit einer bekannte Menge eines
inerten Gases gefüllt, bzw. enthält kein CO2 -GaS. Wenn
diese Zelle sich in dem Strahlengang zwischen der Strahlenquelle 23 und dem Detektor 25 befindet, ist die
Absorption der Infrarotstrahlung minimal und die Signalamplitude maximal. In Figur 3 wird dieser Spitzenwert
durch den Buchstaben "Z" angedeutet. Die andere Referenzzelle 33 ist mit einer Standardmenge von CO2 -GaS gefüllt,
welche beispielsweise zu einer Anzeige des vollen Skalenbereichs der Anzeigevorrichtung führt. Das CO2 -GaS kann
auch mit einem inerten Gas gemischt sein. Wenn die Referenzzelle 33 sich im Strahlengang befindet, ist die Absorption
der Infrarotstrahlung maximal, so daß die Signalamplitude minimal ist. In Figur 3 ist diese Referenzamplitude
mit "F" bezeichnet. Die - räumlich offene - Probenzelle 35 enthält ein Volumen des Probengases in Verbindung
mit dem Gas in der Kammer 17, und die geometrische Länge durch die Probenzelle ist gleich derjenigen jeder der beiden
Referenzzellen. Wenn die Probenzelle 35 sich im Strahlengang befindet, wird ein Teil des Infrarotlichtes absorbiert
entsprechend dem Partialdruck des C02~Gases in
-dem Probengas. Die Amplitude des Ausgangssignales wird während diesem Intervall kleiner,wie durch Amplitude "S"
in Figur 3 angedeutet ist. Wenn sich im Betrieb kein CO3-Gas
in der Probe befindet, ist das Probensignal "S" gleich dem Referenzsignal "Z". Wenn sich in der Probe ein Betrag
an C0„-Gas befindet, welcher der Standardmenge von C0„-Gas
in der Referenzzelle 33 entspricht, ist das Signal "S" gleich dem Signal "F". Dieses gilt, obgleich das Probengas
in der Kammer 17 sich in jedem Fall im Strahlengang befindet.
Um die Wirkungen des Detektorrauschens und lokale Unregelmäßigkeiten
der Fenster zu vermindern, können die Ausgangssignale über eine Anzahl von Winkelintervallen integriert
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werden, wenn jede Zelle sich im Strahlengang befindet. Hierzu können die bekannten Verfahren der Spannung/Frequenzumsetzung
ebenso wie analoge Integrationsverfahren verw..".det werden. Zur Vereinfachung soll angenommen werden,
daß die Symbole "Z", "S" und "F" die integrierten Signale von den beiden Referenzzellen bzw. der Probenzelle
darstellen. Um den Partialdruck von CO9 in der
S-Z Probe zu bestimmen, wird ein Wert A = ■ ermittelt.
Wie ersichtlich ist, führt eine Veränderung der Konzentration von CO„ von Null bis zu dem Standardwert in
der Referenzzelle 33 zu einer Änderung der Amplitude A von Null bis Eins. Zwischen diesen Extremwerten ergibt
sich ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen dem Partialdruck
von CO2 und der Amplitude A, welcher experimentell
bestimmt werden kann. Es wurde durch Experimente bestätigt, daß der Partialdruck von CO2 eine eindeutige
kontinuierliche Funktion des Wertes A ist. Falls die Amplituden der Spannungs/Frequenzumsetzung integriert
werden, können mehrere Zähler verwendet werden, welche die Eingänge für einen Rechner bilden, der direkt die
zugehörige Amplitude und die CO„-Konzentration berechnet.
Es wird nun die Unempfindlichkeit der Messung gegenüber einer großen Anzahl von Störfaktoren erläutert. Falls
beispielsweise zu jedem der Werte "S", "Z" und "F" eine Konstante addiert wird, bleibt die Amplitude A unverändert.
Die Messung wird somit irbht durch SpannungsVersetzungen,
in dem Detektor oder bei der elektronischen Signalverarbeitung beeinflußt, die in Verbindung mit dem
Detektor verwendet wird. Wenn die Ämplitudenwerte "S", "Z"
und "F" alle mit einem gemeinsamen Faktor multipliziert werden, bleibt die Gesamtamplitude "A" unverändert. Die
Messung ist somit unabhängig von Schwankungen der Strahlungsintensität,, des Detektors? des Verstärkungsfaktors
und der optischen Dämpfung des Systems. Irgendwelche Verunreinigungen vom Körper oder Stsrilisationsmittel im
Prcber.gas neigen zu Verunreinigung der Fenster von jeder
der drei Zellen in etwa dem gleichen Maß und bei den meisten Verunreinigungen wird jede der Größen "S", "Z"
und "F" durch einen gemeinsamen Faktor multipliziert. Die Messung wird daher auch gegenüber solchen Verunreinigungen
unempfindlich.
In Figur 4 ist eine Ausführungsform des Detektors dargestellt,
welche für Anwendungen geeignet ist, bei denen Verunreinigungen in der Probe zu einer Beeinträchtigung
des genauen Betriebs des rotierenden Zylinders 29 führen würden. Dieses könnte eintreten, wenn der CO«-
Analysator zur Messung des CO^-Gehaltes der Atemluft
eines sehr kranken Patienten verwendet wird. Für solche Anwendungen ist es zweckmäßig, daß der rotierende zylinder
von dem zu untersuchenden Probengas isoliert wird. Figur 4 stellt eine Anordnung mit einer eingeschlossenen Probenzelle
38 dar, die ein zu untersuchendes Probengas enthält. Bei dieser Anordnung enthält das drehbar gelagerte Rad
29 wiederum zwei Referenzzellen 31 bzw. 33, wobei sich in der einen Zelle kein CO„-Gas und in der anderen Zelle
eine Standardmenge an CO -Gas befindet. Die verbleibende Position auf dem Rad wird durch eine kompakte Masse gebildet,
um den Ausgangswert Null zu erhalten, wenn der Detektor keine direkte Strahlung erhält. Wenn die Referenzzelle
33 sich zwischen der Probe und dem Detektor befindet, kann vereinfacht davon ausgegangen werden, daß das CO„-Gas
in der Referenzzelle die gesamte Strahlung innerhalb der Absorptionsbandbreite für CO absorbiert. Schwankungen
der Konzentration an CO- in der Probe beeinträchtigen daher
die Referenzablesung nicht. Wenn die Referenzzelle
sich zwischen der Probe und dem Detektor befindet, beeinflussen Veränderungen der Konzentration an C0„-Gas die
Referenzablesung stark. Die Unterschiede zwischen diesen beiden Ablesungen und dem Anzeigewert Null (dunkel) können
zusammen mit einer ursprünglichen Nullablesung dazu verwendet werden, um die C02-Konzentration in der Probe zu
messen. Die ursprüngliche Ablesung Null kann erhalten werden, wenn sich kein C02~Gas in der Probenzelle 3 8 befindet.
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Für diese Ausführungsform kann die gleiche Optik wie für
die Aasführungsform gemäß Figur 1 verwendet werden. Durch
Verwendung einrastender Zellen im Rad 29 und durch Veränderung der Gestalt des Gehäuses 11 kann ein Detektor geschaffen
werden, der sowohl in der einen Betriebsart gemäß Figur 1 als auch in der anderen Betriebsart gemäß Figur 4
betrieben werden kann. Bei jeder dieser Betriebsarten ändern sich die beobachteten Absorptionswerte entsprechend der
Dichte des CO„-Gases in der Probe in entsprechender Weise. Darüber hinaus ändern sich die Absorptionswerte auch mit
der Temperatur, und der Rückschluß von der Dichte auf den Partialdruck erfordert eine Kenntnis der Gastemperatur. Somit
ist es zweckmäßig, die Temperatur des Meßwertumformers abzufühlen und zu steuern. Für diesel Zweck ist in Figur 5
ein Meßwertumformer dargestellt; der eine Einrichtung zum
Abfühlen und Steuern einer Temperatur enthält.
In. dem Meßwertumformer ist eine Temperaturmeßeinrichtung
34 eingebettet, welche beispielsweise ein Thermistor sein Kann. Ein Heizelement 36 ist in thermischen Kontakt mit
dem Gehäuse 11 angeordnet. Dieses Element kann beispielsweise ein herkömmlicher Leistungstransistor oder eine
elektrische Heizspirale sein. Durch eine nichtdargestellte Steuerschaltung spricht das Heizelement 36 auf die durch
einen Meßfühler 34 abgetastete Temperatur an. Dadurch wird eine genaue Steuerung der Temperatur des Meßwertumformers
erreicht.
Weiterhin ist ein Antriebsmechanismus für den Analysator vorgesehen, der das Rad mit einer konstanten Geschwindigkeit
in der hermetisch abgedichteten Kammer dreht. Die herkömmlichen Verfahren zum Antrieb eines Rotors in einer
abgedichteten Kammer mittels eines externen Motors und einer Antriebswelle durch eine Dichtung sind unbefriedigend,
da der Motor zur Überwindung der Reibungskräfte zu groß würde. Es wird ein spezielles Antriebssystem verwendet,
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260Λ381
welches nur wenig Platz beansprucht und sowohl kurzfristig als auch über längere Zeit die Drehzahl stabil hält.
Aus Figur 6 und 7 geht der Aufbau des Antriebssystemes
hervor. In Figur 6 sind schematisch das Gehäuse 11 und der Rotor 29 dargestellt. Im Rotor 29 befinden sich drei Permanentmagnete,
von denen zwei in Figur 6 dargestellt und mit 4OA und 4OB bezeichnet sind. In Figur 7Ά sind alle
drei Permanentmagnete 4OA, 4OB und 4OC dargestellt. Die Magnete sind symmetrisch angeordnet, d.h. angrenzende Magnete
sind durch eine winkelmäßige Versetzung von 120 getrennt. Die magnetischen Achsen der drei Magnete sind jeweils
parallel zur Rotorachse angeordnet, und die mit N bzw. S bezeichneten Pole sind alle im gleichen Sinn ausgerichtet.
Innerhalb des Gehäuses 11 aber außerhalb der Kammer 17 befinden sich vier Elektromagnete. In Figur 6
sind die Elektromagnete 41 und 42 dargestellt, während in Figur 7A alle vier Magnete 41, 42, 43 bzw. 44 dargestellt
sind. Figur 6 enthält auch ein elektro-optisches Taktsystem 46, welches beispielsweise eine Festkörper-Lichtquelle
und einen Detektor enthalten kann, welcher Lichtsignale von einer Reihe von reflektierenden Zeitmarken
am Umfang des Rotors 29 erfasst. Die durch dieses Zeitsteuersystem erfolgten elektrischen Signale werden
zur Steuerung der Drehzahl verwendet. Der Betrieb des Antriebs wird anhand von Figur 7A und 7B erläutert. Figur
7A stellt eine Gleichgewichtsposition des Rotors dar, bei welcher die auf die Permanentmagnete 4OA bis C durch
Elektromagnete 41 bis 44 ausgeübten Kräfte im Gleichgewicht stehen und am Rotor das Drehmoment Null ergeben.
Der Elektromagnet 43 wird derart gespeist, daß er den Magnet 4OB anzieht, während der Elektromagent 44 den Magnet
4OC anzieht. Beide Elektromagnete 41 und 42 werden erregt, um den Magnet 4OA abzustoßen und dadurch ein Drehmoment
Null zu ergeben.
Durch Umkehrung der Polarität der Elektromagnete in einer bestimmten Reihenfolge kann der Rotor um 1/12 des
C 0 Π ? 2 L / 0 7 Π 9
Umfangs im Uhrzeigersinn in die Position gemäß Figur 7B
gedreht werden. Die Polarität des Elektromagneten 44
wira .;..„5it geändert, daß dieser den Permanentmagneten
4OC ?b: ":st, während die Polarität des Elektromagneten 42
ebenfalls derart geändert wird, daß der Permanentmagnet 4OA angezogen wird. Der Rotor wird dadurch um 1/12 im
Uhrzeigersinn gedreht. Zur kontinuierlichen Drehung werden die Elektromagnete kontinuierlich paarweise geschaltet,
wobei jeder nachfolgende Schaltvorgang den Rotor um 1/12 einer Umdrehung weiterschaltet. Figur 8
dient iiur Veranschaulichung der Schaltfolge, deren erster
Abschnitt gerade beschrieben wurde. Das Zeichen "+" gibt die Polarität an, welche die Permanentmagnete anzieht,
während das Zeichen "-" eine abstoßende Polarität angibt. In Figur 8 entspricht die Positionszahl 1 der
Gleichgewichtsposition in Figur 2A, während die Position 2 derjenigen entspricht, die in Figur 7B dargestellt ist.
In Figur 9 ist schematisch eine einfache Schaltung zum Erzeugen der Ströme für die Spulen 41 bis 44 dargestellt,
um die vorgenannte Schaltreihenfolge zu erhalten. Die Spulen 41 und 43 sind in Reihe geschaltet mit einem herkömmlichen
D-Flipflop. Die Spulen sind mit umgekehrten Polaritäten verbunden, um den synchronisierten Schaltbec,r„eb
gemäß Figur 3 zu erreichen. In ähnlicher Weise sind
■Sie Spulen 42 und 44 in Reihe mit einem D-Flipflop 49 geschaltet,
Zwischen den Flipflcps und den Spulen sind zwei ~c£.::~:-:LcriS~erstärker 47 und 51 angeordnet,, um eine Plus/
-iiiius-Stromänäerung statt ein Einschwingen von Null auf
?lus zu erhalten,- welches sich sonst am Ausgang der FiipflDcs
srgäbe. IZine negative Spannung -"1Jn ergibt die ge-"•rliacr.ie
Spannungsverschiebung. Die Flipflops ä5 und 49
sine, zu ainer Schrittschaltung irdt vier Zuständen verknüpf,,
die durch einen Impulsgenerator 53 gespeist wird. Sa versteht sich für den Fachmann, daß auch andere Logikzjhalbungen
^ur Erzeugung der Scäai-ifolge gase'S Figur 8 verwendet
warden können.
Um den für manche Anwendungen erforderlichen sehr genauen Gleichlauf des Rotors 29 sicherzustellen, müssen verschiedene
Probleme gelöst werden. Während eine: einzige Quelle für periodische Schrittimpulse ausreicht, um den
Motor mit einer konstanten Frequenz mit gleichmäßiger Drehzahl 1 auferyzfassen, muß die Impulsfrequenz beim Anlassen
des Motors allmählich erhöht werden. Ein anderes Problem besteht darin, daß die Laufruhe des Rotors durch
die relativ geringe Reibungsdämpfung beeinträchtigt wird. Beide Probleme werden gelöst durch die Verwendung eines
Schrittimpulsgenerators (53 in Figur 9, wie er in Figur 10 dargestellt ist.) Der Impulsgenerator gibt eine Folge
von zeitlich präzise definierten Impulse ab, deren Frequenz sich zum automatischen Anlassen und wiederholten
Anlassen im Falle einer Betriebsstörung ändert. Zusätzlich wird ein allmählicher Übergang zwischen dem Anlassbetrieb
und dem Dauerbetrieb sowie eine kritische Dämpfung des Rotors zur Vermeidung von Instabilitäten
sichergestellt.
Gemäß Figur 10 ist ein Univibrator 55 vorgesehen, welcher eine Impulsfolge mit einer Breite von jeweils 40 us erzeugt.
Diese Impulse werden gleichzeitig den Löscheingängen von zwei JK-Flipflops 57 und 59 zugeführt. Die
Frequenz der durch den Univibrator 55 erzeugten Impulse wird zu jedem Zeitpunkt durch eine von zwei Impulsquellen
gesteuert: Wenn das Rad eine positive Beschleunigung erfährt, sprechen die Impulse auf ein Signal vom Rad über
das Flipflop 57 an. Wenn der Rotor mit einer konstanten Geschwindigkeit läuft, sprechen die Impulse auf ein Signal
von einem voreingestellten Zeitglied über das Flipflop 59 an. Der Univibrator 55 gibt einen Impuls nur dann
ab, wenn er an beiden Klemmen A und B gesetzt wird, wobei diese beiden Signale die Ausgangssignale der Flipflops
bzw. 57 sind. Wenn somit zwei auslösende Impulsflanken an den Klemmen A und B nacheinander auftreten, wird der Univibrator
55 getriggert durch die zuletzt eintreffende Im-
609834/0709
puls flanke, ob diese vorn. Flipflop 5" oder vom Flipflop
Ξ9 .:t3rnr.t:. Das Flipflop 57 wird selbst durch eine Serie
Oi. Impulsen getriggert, die durch das Rad durch das
optische System 45 erzeugt wird, welches vorstehend beschrieben wurde (Figur 6). Die Frequenz dieser Impulse
vom Flipflop 57 ist daher abhängig von der RotorgeschwindigKeit.
Das Flipflop 59 wird durch ein Zeitglied 61 getriggert, welches Impulse mit einer gewünschten
Periods abgibt. Die Impulsbreite des Zeitgliedes sollte vorzugsweise einem Zwölftel der erforderlichen Periode
einer einzelnen Rotordrehung entsprecher.. Während der Beschleunigungsperiode des Rotors ist die Dauer zwischen
diesen Impulsen des Zeitgliedes stets kürzer als das Intervall zv/ischen Impulsen von dem optischen System 63.
Deshalb wird das Flipflop 59 getriggert, bevor das Flipflor 5 7 und der Univibrator 55 durch die später empfangenen
Impulse vom Flipfiop 5 7 gecriggsrt werden, welches wiederum
auf die von dem sich drehender. Εξ. f. stairsienden Signale anspricht.
Während der Eeschlsunigungspericde wird daher
die Frequenz der Schrittimpulse nur entsprechend der Er-
:iöhu:;g der Winkelgeschwindigkeit, erhöht. Wenn der Motor
jngskahrt auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt,
als durch das Zeitglied eingestellt ist, werden die Impulse eist Zeitgliedes verzögert gegenüber den Impulsen
vorn optischen System 63, so daß das Flipflop 57 zuerst
und das Flipflop 59 später getriggert werden. Der Univibrator 55 gibt daher erst dann einen Schrittimpuls ab,
wenn er den späteren Impuls vom Flipflop 59 erhält. Diese
Verzögerung des Schrittimpulses verhindert eine weitere Beschleunigung. Der Rotor läuft dann synchron, gesteuert
durch dacj Zeitglied 61. Um einen weichen Übergang zwischen
dem Beschleunigungsbetrieb und dem synchronen Betrieb zu erreiche^wird das Zeitglied 61 von dem Schrittimpuls
selbst zurückgesetzt, so daß die Phase zwischen dem Zeitglied und dem Motor vor dem Übergang verriegelt wird.
Das zustäzliciie Problem der mangelnden mechanischen
Dämpfung des Rotors, welcher möglicherweise eine Instabi-
609834/0709
lität hervorruft, wird durch ein Rückkopplungssignal vom
Flipflop 57 über das Netzwerk 65 (beispielsweise eine RC-Rückkopplung) gelöst, um ein Gegenkopplungssignal an den
Steuereingang des Zeitgliedes 61 abzugeben. Das Flipflop 57 gibt eine Rechteckwelle mit der Frequenz der Schrittimpulse
und einem Tastverhältnis ab, das proportional der Phase zwischen den Impulsen des Zeitgliedes und denen von
dem sich drehenden Rad ist. Das Filternetzwerk 65 läßt die Anteile dieses Signales hindurch, welche der Frequenz der
Phaseninstabilität (typischerweise einige Hz) entsprechen, während der gleichförmige Anteil und die Frequenzen der
Schrittimpulse zurückgehalten werden. Wenn ein Phasensprung auftritt, falls beispielsweise der Meßwertumformer plötzlich
aus Versehen gedreht wird, wird die Impulsfrequenz des Zeitgliedes 61 momentan durch das Rückkopplungssignal
geändert, um den Phasenfehler zu reduzieren. Durch geeignete Wahl der Dämpfung des Bandpassfilters des Netzwerks
65 kann eine kritische Dämpfung des Rotorantriebssystemes erreicht werden.
Es ist schließlich wichtig, daß die Impulse sowohl bei dem ursprünglichen Start des Motors als auch zu jedem
anderen Zeitpunkt abgegeben werden, zu welchem der Motor zufälligerweise wegen eines Stoßes, eines zeitweiligen
Leistungsausfalls oder dgl. angehalten wird. Diese Eigenschaft wird durch einen Monovibrator 67 erreicht, der die
Impulse in einem vorgegebenen Zeitintervall von beispielsweise O,5 s erzeugt. Wenn die Schrittimpulse langer als
etwa 0,5 s ausfalle^gibt der Multivibrator 6 7 einen Impuls
ab, um das Flipflop 57 zu setzen und das Flipflop 59 in einen Kippbetrieb zu versetzen. Solange somit dem Multivibrator
67 Leistung zugeführt wird, ist sichergestellt, daß der Univibrator 55 getriggert wird und Impulse erzeugt
werden, um das System zu starten und auch erneut anzulassen,
" 0 9 Q, 3 h ! 0 7 0 9
Claims (14)
1.. Vorrichtung zum Nachweis eines Gasbestandteiles in einem
Probengas, dadurch gekennzeichnet , daß diese ein Gehäuse (11) aufweist, eine Strahlungsquelle (23)
innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und eine Strahlung mit Wellenlängen in einem ausgewählten Spektralbereich abgibt,
ein Detektor (25) in dem Gehäuse angeordnet ist und die Strahlung in dem ausgewählten Spektralbereich nachweist,
eine Anzahl von Referenzzellen (31, 33) vorgesehen ist, von denen jede ein Referenzgas enthält und deren Anteil
an dem nachzuweisenden Probengas bekannt ist, eine Probenzelle (35) eine Menge des Probengases mit dem nachzuweisenden
Gasbestandteil enthält, eine Vorschubeinrichtung (45 bis 49) in dem Gehäuse die Referenzzellen und die Probenzelle
nacheinander in den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor einführt und der Detektor
auf die einfallende Strahlung anspricht, wenn eine der Referenzzellen oder die Probenzelle sich in dem Strahlengang
befinden und eine Anzahl von DetektorausgangsSignalen
erzeugt, deren Amplitudenwerte abhängig von der Menge des Probengases sind, das sich in den Referenzzellen bzw. der
Probenzelle befindet und diese Signale zum Nachweis der CO„-Konzentration des Gasbestandteiles in dem Probengas
dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sine erste Referenzzeiie (31) ein erstes Referenzgas mit einer bekannten Menge des nachzuweisenden Gasbestandteiles
enthält und eine zweite Referenzzelle (33) ein
zweites Referenzgas mit einer zweiten bekannten Menge des nachzuweisenden Gasbestandteiles enthält und der Detektor
(35) beim Durchlaufen der drei Zellen durch den optischen Strahlengang drei Detektorsignale erzeugt. deren Amplitudenwerte
abhängig von den Mengen der Gasbestandteile sind, welche sich in den ersten oder zweiten Referenzzellen
bzw. der Probenzellen befinden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (11) einen Hohlraum
(17) für ein darin zirkulierendes Volumen des Gasbestandteiles aufweist und die Probenzelle (35) in offener Verbindung
mit dem Hohlraum steht und eine Menge des Probengases aufnimmt, welches ein Teil des Volumens des in dem
Hohlraum zirkulierenden Probengases ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet , daß die Vorschubeinrichtung
ein drehbar gelagertes Rad (29) aufweist, in welchem die ersten und zweiten Referenzzellen (31, 33) und die Probenzelle
(35) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Anzahl von Permanentmagneten (4OA bis C) in dem Rad (29) eingebettet sind und innerhalb des Gehäuses
(11) eine Anzahl von Elektromagneten (41 bis 44) angeordnet sind, welche die Permanentmagnete zum Antrieb des Rades in
vorbestimmter Weise anziehen und abstoßen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzahl von Zeitmarkierungen
längs des Umfangs des Rades (29) angebracht ist,, und eine
elektro-optische Einrichtung (46) optische Signale von den Zeitmarkierungen reflektiert und elektrische Signale zum
Steuern der Geschwindigkeit des Rades erzeugt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e -
609834/0709
kennzeichnet , daß eine Temperaturmeßeinrichtung (34) die Temperatur des Gases in der Probenzelle
(35) mißt und eine Temperatursteuereinrichtung (36) auf die Temperaturmeßeinrichtung anspricht und die
Temperatur in dem Gas in der Probenzelle auf einer gewünschten Temperatur hält.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung bei der Messung der Konzentration des Gasbestandteiles
in den Strömungsmedien des menschlichen Körpers, dadurch gekennzeichnet , daß
ein Schirmglied (19) in einer Ausnehmung (13) in Verbindung
mit der Probenzelle (35) angeordnet ist und die Grenzfläche zwischen der Ausnehmung und dem Bereich
der Hautoberfläche des Körpers stabilisiert, wenn die Einrichtung in engem Kontakt mit diesem Bereich gebracht
wird.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß eine Membrane (25) sich über die
Ausnehmung (13) erstreckt und den Eintritt von Gasen vom menschlichen Körper in den Hohlraum (17) in dem Gehäuse
(11) zuläßt, während der Durchgang von Körperflüssigkeit unterbunden wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß eine Klebeschicht
(14) auf einem Teil des Gehäuses (11) zur Abdichtung gegenüber der Haut aufgebracht ist.
11. Vorrichtung zum Messen der Konzentration eines Gasbestandteiles
aus dem menschlichen Körper, dadurch gekennzeichnet , daß ein Gehäuse (11) vorgesehen
ist, eine Strahlungsquelle (23) innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und in einem vorgegebenen Spektralbereich
infrarote Strahlung abgibt, ein Detektor (25) in dem Gehäuse die Strahlung innerhalb des Bereichs für
I;ifrarotstrahlung nachweist, in dem Gehäuse ein Rad (29)
6098 34/0709
drehbar angeordnet ist, mehrere Referenzzellen (31, 33) in dem Rad vorgesehen sind, die Referenzzellen nacheinander
durch das Rad in den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor gelangen und eine Probenzelle
(38) eine Gasprobe enthält, welche auch den zu untersuchenden Gasbestandteil enthält und die Probenzelle
neben dem Rad angeordnet ist zum Betrieb in Reihe mit jeder Referenzzelle im Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle
und dem Detektor.
12. Antriebsmechanismus, vorzugsweise für eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,
daß ein Gehäuse (11) vorgesehen ist, sich in dem Gehäuse ein rotierendes Glied (29) befindet, in dem rotierenden
Glied mehrere Permanentmagnete (4OA-C) vorgesehen sind,
ein Zeitglied (46) Signale über die Winkellage des Rotationsgliedes erzeugt und mehrere Elektromagnete (41 bis
44) in dem Gehäuse angeordnet sind zur nacheinander erfolgenden Anziehung und Abstoßung der Permanentmagnete
zur Drehung des Rotationsgliedes und ein Schaltkreis (54, 45, 53, 55, 57) Impulse an die Elektromagnete abgibt,
die eine konstante Impulsbreite haben, wenn das Rotatbnsglied (29) eine gewünschte konstante Drehzahl aufweist
und die Impulse entsprechend den Signalen von dem Zeitglied eine veränderte Impulsbreite haben, wenn das
Rotationsglied eine Drehbeschleunigung erfährt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Taktvorgabe der Impulse mit
konstanter Impulsbreite durch ein Zeitglied (46) bestimmt ist, das mit den Auslöseimpulsen synchronisiert
ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet
, daß eine Stabilisationseinrichtung zur Änderung der Frequenz der Impulse mit konstanter Impulsbreite
entsprechend Änderungen in der Phase zwischen den Signalen von dem Zeitglied und den Impulsen konstanter
Breite vorgesehen ist.
60833 W0709
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |