DE2805972A1

DE2805972A1 - Vorrichtung zum messen der konzentration von gasen

Info

Publication number: DE2805972A1
Application number: DE19782805972
Authority: DE
Inventors: Werner Prof Dr Ing Adrian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2015189B; DE2805972C3; FR2417097B1; CA1114641A; DE2805972B2; US4228352A; FR2417097A1; GB2015189A

Description

Köln, den 9. Februar 1978 vA.

Anmelder: Professor Dr.-Ing. Werner Adrian

Mein Zexchen: A 104/17

Vorrichtung zum Messen der Konzentration von Gasen

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

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

Der Zusammenhang wird durch das Lambert-Beer'sche Gesetz beschrieben:

0 = 0_oe-^mlc

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

In bekannten Vorrichtungen der Gasanalyse mit Hilfe von Spektral-Photometern werden Meßkammern verwendet, in denen der Strahlengang über ein optisches System gefaltet wird. Beispielsweise erlaubt ein von White gegebenes Prinzip, Weglängen bis zu 10 m dar-

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zustellen. Die Aperturen sind jedoch gering, und das Volumen der Kammer beträgt mehr als 6 1. Zur Messung der Konzentration von Alkoholmolekülen in Atemluft muß jedoch die Meßkammer ein extrem kleines Volumen haben, um sicherzustellen, daß nur alveolare Atemluft die Meßkammer füllt. Aus diesem Grunde darf ein Kammervolumen von etwa 100 ecm nicht überschritten werden.

Eine Vorrichtung ist bekannt, bei der eine Kugel mit hochreflektierenden Innenwänden die Meßkammer darstellt. Diese Anordnung ist aber gerade zur Messung der Alkoholkonzentration in Atemluft ungeeignet, da eine Kugel bei kleinster äußerer Abmessung das größte Volumen hat. Gerade der umgekehrte Fall ist aber erwünscht. Zum zweiten ist durch die Mehrfachreflexion der Kugel keine definierte Weglänge gegeben. Es kommt zu einer Faltung mehrerer durch den Alkoholgehalt mehr oder weniger stark geschwächter Komponenten (US-PS 3 319 071).

Bekannt ist weiter eine die Form eines Hohlzylinders aufweisende Meßkammer. Die durch eine Öffnung in einer Stirnseite eingespiegelte Abbildung einer Strahlungsquelle wird an beiden Stirnseiten gespiegelt. Damit ergibt sich ein die Länge des Zylinders übersteigender Strahlungsweg. Diese bekannte Meßkammer hat jedoch ein verhältnismäßig großes Volumen (US-PS 2 212 211). In einer Vorrichtung zum Messen der Alkoholkonzentration in Atemluft läßt sich eine solche großvolumige Meßkammer nicht verwenden. Bei einer solchen Meßkammer wird nicht sichergestellt, daß sie ausschließlich oder überwiegend mit alveolarer Luft, das heißt unmittelbar aus den Lungenbläschen stammender Luft, gefüllt wird.

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

Hiervon ausgehend ergab sich für die Hauptpatentanmeldung die

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Aufgabe, eine Vorrichtung mit einer Meßkammer zu schaffen, die bei definiertem und langem Weg und großer Apertur ein äußerst kleines Volumen aufweist. Die durch die Erfindung der Hauptpatentanmeldung hierfür gegebene Lösung ergab sich durch eine Meßkammer aus einem mindestens einfach schraubenförmig gewundenen Rohr. Durch die vielfachen Reflexionen an den optisch wirksamen Innenflächen wurde der Strahlungsweg in der Meßkammer, das heißt die Pfadlänge in dem zu messenden Medium verlängert. Die wirksame Pfadlänge lag damit um ein Vielfaches über der geometrischen Längenabmessung der Meßkammer.

Als Strahlungsquelle dient eine handelsübliche, goldbedampfte Ellipsoidlampe, die eine Quarz-Halogen-Lichtquelle besitzt. Im zweiten Brennpunkt des Ellipsoids werden die Strahlen vereinigt. Durch die Ausdehnung der Wendel und Ungenauigkeiten in der Oberfläche des Ellipsoidspiegels ergibt sich eine Brennfläche von etwa 6 mm Durchmesser. Für die gedachten Zwecke ist dies ausreichend punktförmig. Diese Brennfläche wird am Strahlungseingang der Meßkammer abgebildet. Die von diesem ausgehende Strahlung tritt in das Rohr ein und gelangt nach Reflexion an den optisch wirksamen Oberflächen der Innenwände zum Strahlungsausgang. Von dort trifft sie auf den Detektor auf.

In der Praxis lassen sich mit einem Kammervolumen von weniger als 60 ecm und einem Rohr von 8 mm Innendurchmesser, das zu einem Kreis von etwa 30 cm Durchmesser gebogen wird, und nur eine Gesamtlänge von 95 cm hat, durch Vielfachreflexionen an Innenwänden eine effektive Weglänge von über 2,5 m erhalten.

Für die Meßkammer wird ein auf seiner Innenwand besonders hochglanz-verspiegeltes R.ohr verwendet, das ein- oder mehrfach gewunden ist. An seiner Innenwand tritt je nach der Auskleidung mit verschiedenen möglichen Materialien spiegelnde oder Totalreflexion auf. Der am Strahlungseintritt eingestrahlte Strahlungsfluß verläßt das Rohr nach vielen Reflexionen an dessen Innenwand am Strahlungsaustritt. Dort kann sich eine bei der verwendeten Wellenlänge transparente Sammellinse befinden, die die Strahlung auf der Detektoroberfläche vereinigt. Auf diese Weise sind bei klei-

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η em. i'ammervoluinen /vrof3e wirksame V'Sgläiitven bei gutem '.irkungsgrad zu erreichen. Der in 'hm Kerr eingestrahlte .itrahlun^sfluß v/ird nur durch die geringen Verluste bei -1er Reflexion geschwächt.

Γ.ξ hat sich nun gezeigt, daß die in der HRuptpatentanmeldung gf— nannte Aufgabe auch dann gelöst v/ird, v/enn die Heßkammer andern ρ1.·3 ein mindestens einfach schraubenförmig gewundenes Rohr ausgebildet ist. Eine Lösung ergibt sich n?ch vorliegender? Erfindung auch dann, v/enn die rohrförmig weOkanimer beliebig gewunden ist und ihre wirksame T-'eglänge damit zu einem Vielfachen ihrer üaulänge wird.

Eins zweckmäßige Ausgestaltung für diese i-iaßnahme ergibt sich dann, wenn die Meßkainmer schraubenförmig oder auch schlangenförmi/: ^evnmden ist. Ebenso kann sie spiralförmig oder auch mäanderförmig gevunden sein.

Bei derjenigen Ausführungsform, bei der sich die einzelnen Abschnitte der Meßkarnraer mäanderförmig aneinanderreihen, sind in ri.en dabei gebildeten Ecken vorzi-igsweise Spiegelflächen unter einem Winkel von 45° zur Richtung der Strahlung angeordnet. Diese .Jpiegel lenken die Strahlung in die tiichtung der Heßkammerfortsetzung um bzw. in den nächsten Abschnitt hinein.

Im allgemeinen werden die einzelnen Abschnitte einer mäanderförmig gewundenen Mei3kammer in einer Ebene liegen. Ebenso können die einzelnen Abschnitte gemäß der Erfindung aber auch in verschiedenen Ebenen liegen, die vorzugsweise einen Winkel von je 90° miteinander einschließen.

im allgemeinen sind die einzelnen Abschnitte der mäanderförmig gewundenen r-Ießkammer einander gleich. Ebenso kann sich diese heukammer jedoch auch aus Rohrstücken und zwischen je zwei itohrstükken liegenden kürzeren ümlenkabschnitten zusammensetzen.

Eine weitere erfindungsgemäi3e Ausgestaltung sieht vor, daß sich der Einblasstutzen mit der Speichelfalle in der Mitte eines Rohrabschnittes befindet, bei dieser Ausführungsform entfällt ein Ab-

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Schluß an einem Ende der Mftßkammer.

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

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform, bei der die Meßkammer kreisförmig gewunden ist,

Fig. 2 ein Schnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Meßkammer schlangenförmig gewunden ist,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungseform, bei der die Meßkammer schraubenförmig gew wunden ist,

Fig. 4 die schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform, bei der die Meßkammer mäanderförmig gewunden ist,

Fig. 5 die schematische perspektivische Darstellung der mäanderförmig gewundenen Meßkammer gemäß Fig. 4 mit in der Mitte eines Rohrabschnittes angeordnetem Einblasstutzen,

Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach Fig. 5 mit unterschiedlicher Ausführung der einzelnen Rohrabschnitte und

Fig. 7 die schematische perspektivische Darstellung einer aus Fig. 5 abgewandelten Ausführungsform mit in verschiedenen Ebenen liegenden Rohrabschnitten.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform befindet sich eine Strahlungsquelle 1 im Brennpunkt eines Ellipsoidspiegels 2. Der Eingang der Meßkammer 3 ist trompetenförmig erweitert und nimmt damit auch Streustrahlung von der Strahlungsquelle 1 auf. Die Maßkammer 3 ist mit nahezu konstantem Krümmungsradius einmal schrauben- oder kreisförmig gewunden. Die Meßkammer 3 hat entweder eine hochglanz-verspiegelte Innenfläche, die bei der verwen-

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deten Arbeitswellenlänge wirksam ist, oder es ist mit einem Material in mehreren Schichten bedampft, das eine Brechzahl η hat, bei der auch spitzwinklig auftreffende Strahlung total reflekttiert wird. Durch einen Stutzen 4 in der Nähe des Strahlungsausganges der Meßkammer 3 wird das zu messende Gas über einen Schlauch 5 und eine Speichelfalle 6 eingeblasen. Am Strahlungsausgang ist die Meßkammer 3 durch eine Sammellinse 7 verschlossen. Mit dieser Anordnung werden die in der Meßkammer 3 befindlichen Gase bei Einblasen von Atemluft in die Speichelfalle 6 ausgetrieben. Sie verlassen die Meßkammer 3 an dem offenen trompetenförmig erweiterten Ende am Strahlungseingang. Infolge des geringen Volumens ist die Meßkammer 3 schon nach kurzer Zeit mit der zu messenden Atemluft gefüllt. Der eingestrahlte Strahlungsfluß trifft auf die Sammellinse 7 auf. Diese konzentriert ihn auf die Oberfläche des Detektors 8.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Meßkammer mehrfach schlangenförmig gewunden. Die optische Ausgestaltung ist wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1. Zusätzlich ist eine bei der verwendeten Wellenlänge transparente Linse 9 vorgesehen, die die Strahlung auf der Oberfläche des Detektors 8 abbildet.

Die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen sind der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform im allgemeinen Aufbau ähnlich. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die Meßkaramer 3 wie eine Schraube mehrfach gewunden. Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform hat sie die Form eines Mäanders. In den Ecken der einzelnen aufeinanderfolgenden Abschnitte der Meßkammer sind Spiegelflächen 10 angeordnet. Diese lenken die auf sie auftreffende Strahlung um 90° um in den nächsten Rohrabschnitt hinein.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform.leitet sich aus der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ab. Ihre Besonderheit liegt darin, daß die Speichelfalle 6 mit dem Einblasstutzen in der Mitte eines Abschnittes 11 angeordnet ist.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausführungsform leitet sich aus der Ausführungsform nach Fig. 5 ab. Die Eigenart dieser Ausführungsform

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liegt darin, daß die einzelnen Abschnitte verschieden sind. Die Meßkammer 3 besteht aus parallel zueinander verlaufenden längeren Rohrstücken 12 und zwischen je zwei Rohrstücken 12 befindlichen kürzeren Umlenkabschnitten 13. Die in Fig. 7 gezeigte ausführungsform leitet sich ebenfalls aus der nach Fig. 5 3b. Die einzelnen Abschnitte 11 liegen in verschiedenen Ebenen. Diese Ebenen schließen miteinander Winkel von 90° ein.

Die in den verschiedenen Figuren und insbesondere in den Figuren 4 bis 7 gezeigten Ausführungsformen können in vielfacher Weise miteinander vermischt werden. Zum Beispiel können die Einblasstutzen mit den Speichelfallen bei den Ausführungsformen nach Fig. 6 und 7 auch am Ende der Meßkammer angeordnet sein, wie bei Fig. 4.

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Claims

L·. A Köln, den 9. j?'ebruar V^>i vA. Anmelder: Vrof. Dr.-Ing. '.,erner Adrian i-;ein Zeichen: a 1<j4/17 P A T ß rl T A M 3 P R U g Ii a

1. Vorrichtung zum Messen, der Konzentration von Gasen durch Strehlung3?.1jsorr)tion mit einer aus einem sin- oder mehrfach gewundenen liohr beet eh enden Kammer, mit einer öffnung für den otrahlungseintritt an einem Ende und einer IR-Strahlungsquel-Ie vor dieser öffnung, mit einer öffnung für den Strahlungsaustritt an einer anderen stelle der Kammer, mit einer Eil hoch-rsflektierenden Ausbildung der Innenwände der Uainmer, mit einem Detektor hinter dem Strahlungsaustritt und mit öffnungen in der £auirner zum Kin- und Ausströmen der zu l.ur-.ersiichenrien Gase nach Patentanmeldung i 26 26 6'i2.2-52, dadurch gekennzeichnet, dr'9 die wirksame '„'erlange der Mef3karn;ner· (3) ein Vielfocihes der üaulän^e beträgt.

?.. Vorrichtunj, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (3) schraubenförmig gewunden, ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Meßkammer (3) schlangenförmig gewunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (3) spiralförmig gewunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Weßkammer (3) mäanderförrnig gewunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ecken der Meßkammer (3) Spiegelflächen (10) unter einem

A 104/17 "Jinkel von 45° zur Richtung der Strahlung angeordnet sind.

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7. Vorrichtung; nach .'»riiwruch 5, dadurch ^ekonnzaichriet, daß die einzelnen Abschnitte (11) der Heßkenmer (3) in verschiedenen, vorzugsweise einen Y ink el von 00° zueinander einnehmenden ebenen liefen.

iJ. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßkammer (3) aus Rohrstücken (12) und zwischen je zwei Rohrstücken (12) liegenden kürzeren Umlenkabschnitten (13) zusammensetzt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, άε.3 der Einblasstutzen mit der Sneichelfalle (9) in der Mitte eines Rohrabschnittes angeordnet ist.

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