DE3902402C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von gas- und/oder dampfförmigen Komponen­ ten eines Gasgemisches unter Verwendung von optisch wahrnehmbaren Reaktionszonen aus Gasprüfröhrchen, welche eine mit der nachzuweisenden Komponente reagierende Substanz enthalten, wobei die Veränderung der Reaktions­ zone durch direkte Betrachtung und/oder durch eine opto­ elektronische Abtastvorrichtung feststellbar ist.

Gasprüfröhrchen dienen in bekannter Weise zur Konzen­ trationsmessung gefährlicher Stoffe am Arbeitsplatz, und dabei ist das Spektrum der zu bestimmenden Gase und Dämpfe und damit die Auswahl der entsprechenden Meß­ röhrchen aufgrund früherer Messungen bzw. Vorkenntnisse über die auftretenden Stoffe weitgehend bekannt.

Gewisse Schwierigkeiten ergeben sich, wenn beispielsweise bei einer Sondermülldeponie oder bei einem Chemikalien­ unfall austretende Schadstoffe unbekannter Art und Konzen­ tration ohne aufwendige genaue Bestimmungen der Schadstoffe durch Labormessungen nachgewiesen werden sollen. In diesen Anwendungsfällen bieten Prüfröhrchen in einer kombinierten Anordnung wesentliche zeitliche Vorteile bei der Schad­ stoffbestimmung, und ihre Angaben können beispielsweise als Grundlage für rasch einzuleitende oder wegen fehlender Ge­ fährdung auszuschließende Evakuierungsmaßnahmen benutzt werden.

Da in derartigen Meßvorrichtungen meist mehrere u.U. bis zu zwanzig verschiedene Prüfröhrchen mit dem zu untersuchenden Gemisch beaufschlagt werden müssen, und weil die Meßergeb­ nisse der einzelnen Prüfröhrchen möglichst schnell und gleichzeitig, gegebenenfalls zur Weiterverwertung in elek­ tronischen Auswertegeräten, zur Verfügung stehen sollen, besteht die Aufgabenstellung, eine Mehrfachanordnung mit hoher Empfindlichkeit der einzelnen Prüfröhrchen zu ver­ wenden, welche außerdem eine rasche Austauschmöglichkeit der Gesamtheit der Prüfröhrchen ermöglicht.

Zum Stande der Technik gehört ferner ein Meßgerät nach der DE-PS 26 26 600, bei dem mit einer gemeinsamen opto- elektronischen Abtastvorrichtung mehrere Testbezirke eines auszuwertenden Teststreifens mit Selektivbeleuchtungs- und Übertragungselementen im Zeitmultiplex-Verfahren nach­ einander abgetastet werden. Derartige Teststreifen mit mehreren voneinander getrennten Reaktionszonen werden zur Untersuchung von Flüssigkeiten, insbesondere für medizi­ nische Harntests, benutzt.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, das bekannte Prinzip der Anwendung von Prüfröhrchen zur Untersuchung eines Gas- und/oder Dampfgemisches so weiterzubilden, daß gegebenenfalls eine Mehrzahl von Prüfreaktionen mit relativ geringem Aufwand an Reagenzien bei hoher Ansprechempfindlichkeit in einer raumsparenden Kompaktanordnung durchgeführt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabenstellung ist vorgesehen, daß die reagierende Substanz in mehreren in einem chipförmigen Träger geformte Kanälen untergebracht sind, der in eine opto-elektronische Abtastvorrichtung austauschbar eingesetzt ist. Die opto-elektronische Abtastvorrichtung, welche für alle oder mehrere Kanäle gemeinsam bzw. den einzelnen Kanälen zugeordnet ausgebildet sein kann, läßt sich beispielsweise nach der DE-OS 15 98 021 oder 26 28 790 aufbauen. Eine solche Kanalausbildung, dem Wesen nach ein Prüfröhrchen, bietet bei geringer Menge von Nachweissubstanz einen hochempfindlichen Nachweis des zugeordneten Schadstoffes, und zwar bereits in Konzentrationen, bei denen Prüfröhrchen mit normalen Abmessungen noch keine wahrnehmbare Verfärbungszone erkennen lassen. Der geringe Bedarf an Nachweissubstanz ruft durch den zweckmäßig als Wegwerfartikel ausgebildeten Träger mit den auf ihm angeordneten Kanälen nur eine relativ geringe Umweltbelastung hervor. Außerdem wird bei derartigen kanalförmigen Prüfröhrchen nur wenige ml/min Durchsaugvolumen pro Kanal benötigt. Dies bedeutet: sehr kleine Pumpen und dabei leistungsarmer Batteriebetrieb. Die Anordnung der Kanäle auf einem Chip macht es möglich, daß sie in besonders kleinen Strömungsquerschnitten ausgeführt werden können. Querschnitte von kleiner als 1 mm² sind erreichbar.

Bei Anwendung der Ätztechnik in Silizium sind Querschnitte kleiner als 10 µm² erzielbar.

Die Kanäle können auf dem Träger in der verschiedensten geometrischen Ausbildung ein- oder mehrfach, spiral- oder zickzackförmig mit derselben Nachweissubstanz oder mit mehreren verschiedenen Nachweissubstanzen an­ geordnet sein. Es lassen sich damit sowohl durchströmte als auch Diffusionsprüfröhrchen nachbilden. Im Falle der Diffusionsprüfröhrchen kann wegen des geringen Kanalquerschnittes auf die Vorschaltung einer Beruhigungsstrecke zur Erlangung einer ungestörten Diffusion verzichtet werden; ebenso ersetzt die durch den geringen Querschnitt bedingte Drosselwirkung des Kanals bei durchströmten Prüfröhrchen eine zusätzliche die Strömungsgeschwindigkeit begrenzende Drossel.

Auf dem Träger können vorteilhaft auch mehrere strömungsmäßig parallelgeschaltete oder getrennt anschließbare Kanäle angeordnet sein, wobei diese Kanäle oder ein einzelner Kanal durch lineare oder gekrümmte Umwegführungen verlängert sein können.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform können die Kanäle auf dem chipförmigen Träger geätzt sein. Eine andere gegebenenfalls vorteilhafte Herstellungsmöglichkeit kann darin bestehen, daß die Kanäle in dem Träger durch Preßformung erzeugt sind. Sie können ferner zweckmäßig auf einem plattenförmigen Träger eingeschliffen sein. Der chipförmige Träger kann bevorzugt aus Glas oder Keramik aber auch aus Kunststoff oder Metall bestehen. Grundsätzlich eignen sich alle Herstellungsmethoden, mit denen sich Linienführungen von Ausnehmungen mit geringer Tiefe in metallenen oder nichtmetallenen Werkstoffen herstellen lassen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführung können die Kanäle zwischen dem Träger und einer Oberflächenbeschichtung ausgebildet sein. Eine andere zweckmäßige Möglichkeit bildet die Kanalanordnung zwischen dem Träger und einer Abdeckplatte, die vorzugsweise aus gleichem Material bestehen kann. Die einzelnen Kanäle können in verschiedener Weise in der bei Prüfröhrchen bekannten zusätzlichen Ausbildung mit Vorschicht, Absperrung und dergleichen ausgebildet sein.

Es kann ferner zweckmäßig sein, mehrere Kanäle mit einer opto-elektronischen Abtastvorrichtung zu verbinden bzw. nacheinander in den Meßbereich dieser Abtastvorrichtung zu bringen und die durch Abtastung der einzelnen Kanäle festgestellten Ausgangssignale einem Mikroprozessor zur Auswertung zuzuführen. Dabei lassen sich zweckmäßig nur Schwellenwerte wie Farbsättigung und/oder Ort der Längenverfärbung als digitale Meßgrößen auswerten. Eine Schwellenwertfestsetzung für eine Farbsättigung setzt voraus, daß mit derartigen Mikroprüfröhrchen auch Farbsättigungsmessungen im Gegensatz zu Farblängenmessungen durchgeführt werden können. Tat­ sächlich eignen sich diese Kanalanordnungen sowohl für Farblängen- als auch für Farbsättigungsmessungen, wenn entsprechende vorbekannte opto-elektronische Abtast­ vorrichtungen benutzt werden. Die so entstehenden Di­ gitalmuster der Kanäle erhalten über eine ROM-Tabelle die Zuordnung zur Liste der beteiligten Stoffgruppen und liefern gegebenenfalls auch Hinweise für weitere Messungen. Die durch Abtastung der einzelnen Kanäle festgestellten und in den Mikroprozessor eingespeisten Ausgangssignale lassen sich bei Gas- bzw. Dampfgemischen unbekannter Zusammensetzung auch durch ein eingespeicher­ tes Plausibilitätsmodell analysieren, so daß wenigstens Hinweise auf die Art der vorliegenden Schadstoffe gege­ ben werden können.

In sogenannten "Arrays" sind Mehrfachanordnungen von Kanälen entsprechend einzelnen Prüfröhrchen zusammenge­ fäßt, wobei auch nichtspezifische Kanäle, z.B. für Säure, ähnlich bekannten Mehrstoffprüfröhrchen, eingefügt sein können. Ein spezieller Schadstoff bringt jeweils eine gewisse Kanalkombination aus dem Array zum Ansprechen, und die Anzeigen werden dem Mikroprozessor eingegeben. Er nennt dann gegebenenfalls anhand des Plausibilitäts­ modells den bzw. die vermutlich vorliegenden Schadstoffe bzw. Schadstoffgruppen.

Ähnlich wie bei Gasprüfröhrchen kann auch ein hermeti­ scher Abschluß des Kanals bzw. der Kanäle bis zur Inge­ brauchnahme zweckmäßig sein. Hierzu lassen sich in be­ kannter Weise abbrechbare Spitzen oder mit Folie ver­ schlossene Endöffnungen verwenden, die durch Abziehen oder Perforierung geöffnet werden können.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung schematisch dargestellt, aus denen sich weitere Erfindungseinzelheiten ergeben; es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Träger mit einer Mehrfachanordnung von Kanälen,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht eines Trägers nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine alternative Ausbildung eines Trägers mit Umwegfüh­ rung der Kanäle,

Fig. 5 die Erläuterung des Pumpenanschlusses in der Querschnittsdarstellung des Trägers in Einzelschritten,

Fig. 6 ein Blockdiagramm für eine Meßvorrich­ tung zur Verwendung in Verbindung mit einem Träger nach Fig. 1 bis 5.

Fig. 1-3 zeigt einen plattenförmigen Träger 2, in dem eine Mehrfachanordnung von Kanälen 1 vorgesehen ist. Die Einlaß- bzw. Ansaugöffnungen der Kanäle 1 sind mit einer abziehbaren bzw. durchtrennbaren Verschlußfolie 4 vor In­ gebrauchnahme verschlossen. In den Kanälen 1 befinden sich entsprechende Reagenzien für die nachzuweisenden Gaskomponenten.

Den einzelnen Kanälen 1 ist auf der Einströmseite eine Vorschicht 5 z.B. zur Feuchtigkeitsabscheidung vorgeschal­ tet. Die Kanäle 1 sind auf der Trägeroberseite mit einer Abdeckplatte 3 abgedeckt.

In der gezeigten Ausbildung ist vorgesehen, daß die einzelnen Kanäle 1 nacheinander in den Wirkungsbereich der in Fig. 6 erläuterten opto-elektronischen Abtast­ vorrichtung gebracht werden. Zu der hierzu erforderlichen Verschiebebewegung des Trägers 2 dient ein Paar gummi­ elastischer Transportwalzen 7,8, welche ein Transport­ element für den Träger 2 darstellen.

Bei der Trägerausbildung nach Fig. 4 ist eine zickzack­ förmige Umwegführung der einzelnen Kanäle 1 vorgesehen. Die Ansaugöffnungen der Kanäle münden in dieser Ausfüh­ rungsform an der Oberseite des Trägers 2 und sind eben­ so wie die Einlaßöffnungen der Kanäle mit der lösbaren Verschlußfolie 4 abgedeckt.

Fig. 5 erläutert den Vorgang beim Anschluß einer Ansaug­ pumpe 9, welche das zu untersuchende Gasgemisch je­ weils durch den von der Abtastvorrichtung überwachten Kanal 1 hindurchsaugt. Mit der Ansaugpumpe 9 ist ein verschiebbarer Durchstechanschluß 10 verbunden, der um­ fangsseitig durch eine elastische Ringdichtung 6 abge­ dichtet ist. Beim Vorschieben des Durchstechanschlusses 10 wird die Verschlußfolie 4 durchstochen und eine durch die elastische Ringdichtung 6 abgedichtete Verbindung mit der Ansaugpumpe 9 hergestellt.

In dem Blockdiagramm nach Fig. 6 ist eine opto-elektro­ nische Abtastvorrichtung 11 dargestellt, welche eine Längenabtastung der in den einzelnen Kanälen verfärbten Schicht ermöglicht.

Derartige Abtastvorrichtungen sind in verschiedener Ausführung bekannt und können beispielsweise mit einem LED-Array nach der DE-PS 26 28 790 ausgebildet sein.

Die opto-elektronische Abtastvorrichtung erfaßt über einen Bar-Code-Leser einen am plattenförmigen Träger 2 den Kanälen 1 zugeordneten Bar-Code, in dem die Art und die Anzahl der aufgenommenen Kanäle codiert sind. Außer­ dem kann zweckmäßig in der opto-elektronischen Abtast­ vorrichtung ein Lagemelder integriert sein, durch den sichergestellt wird, daß sich der jeweils zu messende Kanal bzw. eine Mehrzahl gleichzeitig abgetasteter Kanäle in ordnungsgemäßer Positionierung zur Abtastvorrichtung befinden.

Das Signal der opto-elektronischen Abtastvorrichtung 11 wird über einen Vorverstärker 12 in eine Fehlererkennung 13 weitergeleitet, welche die eingelesene Information auf Richtigkeit überprüft, d.h. das Signal als möglichen Meßwert definiert.

Die von der Fehlererkennung 13 weitergeleiteten Signale werden in einem Mikroprozessor 14 als Meßwerte verarbeitet, d.h. evtl. mit einem vorgegebenen Schwellenwertgeber ver­ glichen und in einem RAM (Random-Access Memory)-Speicher 15 abgelegt. Ein Taktgeber 16 steuert den RAM-Speicher 15 und den Mikroprozessor 14.

Der Mikroprozessor 14 steuert ferner die Absaugpumpe 9 sowie einen Schrittmotor 17 nach der Vorgabe des Bar-Codes auf dem Träger. Dabei wird die Absaugpumpe 9 mit dem zu untersuchenden Kanal verbunden und jeweils kurzzeitig zur Erzeugung der gewünschten Gasströmung in dem Ka­ nal 1 eingeschaltet. Nach Beendigung der Messung eines Kanals oder mehrerer gleichzeitig gemessener Kanäle wird der Schrittmotor 17 eingeschaltet und dadurch der plattenförmige Träger 2, beispielsweise durch die in Fig. 2 gezeigten elastischen Transportwalzen 7, 8, in die nächstfolgende Meßposition gebracht. Ist diese Meßposition ordnungsgemäß erreicht, wird erneut der Pum­ penanschluß hergestellt und die Ansaugpumpe 9 einge­ schaltet. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis sämtliche Kanäle des Trägers durchgemessen sind. Das Meßergebnis wird dann in einer Anzeigevorrichtung 18 als Digitalan­ zeige ausgegeben.

Zweckmäßig kann mit dem Mikroprozessor noch ein in der Zeich­ nung nicht dargestellter ROM (Read-only-memory)-Speicher ver­ bunden sein, in welchem ein Plausibilitätsmodell abgelegt ist, welches mit den gespeicherten Meßwerten verglichen wird. Da­ bei kann z.B. für unbekannte Gasgemischzusammensetzungen aufgrund der Angaben auf dem Träger bzw. auf seinem ein­ lesbaren Bar-Code unterschieden werden, ob bestimmte Ka­ nalkombinationen beispielsweise die Kanäle zwei und drei verfärbt werden. In diesem Fall erfolgt die Anzeige, daß starke Säuren im Gasgemisch vorhanden sein müssen, wenn die Kanäle zwei und drei spezifisch auf starke Säuren unabhängig von deren Zusammensetzung allgemein empfind­ lich sind.

Claims (18)

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration von gas- und/oder dampfförmigen Komponenten eines Gasgemisches unter Verwendung von optisch wahrnehmbaren Reaktionszonen aus Gasprüfröhrchen, welche eine mit der nachzuweisenden Komponente reagierende Substanz enthalten, wobei die Veränderung der Reaktionszone durch direkte Betrachtung und/oder durch eine opto-elektronische Abtastvorrichtung feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle (1) auf einem chipförmigen, in eine opto-elektronische Abtastvorrichtung (11) austauschbar einsetzbaren Träger (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (2) mehrere strömungsmäßig parallel geschaltete Kanäle (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Träger (2) mehrere getrennt anschließbare Kanäle (1) nebeneinanderliegend angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) durch Umwegführungen verlängert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) auf dem chipförmigen Träger (2) geätzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) in dem chipförmigen Träger (2) durch Preßformung erzeugt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) auf dem chipförmigen Träger (2) eingeschliffen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der chipförmige Träger (2) aus Glas besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der chipförmige Träger (2) aus Keramik besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) zwischen dem chipförmigen Träger (2) und einer Oberflächenbeschichtung ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) zwischen dem chipförmigen Träger (2) und einer Abdeckplatte (3) ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kanälen (1) in Strömungsrichtung vor der Reaktionszone eine Vorschicht (5) vorgeschaltet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle (1) mit der opto-elektronischen Abtastvorrichtung (11) verbunden sind und daß die durch Abtastung der einzelnen Kanäle (1) festgestellten Ausgangssignale einem Mikroprozessor (14) zur Auswertung zugeführt werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) durch ein Transportelement (7, 8) derart bewegbar angeordnet ist, daß die einzelnen Kanäle (1) nacheinander in den Meßbereich der opto-elektronischen Abtastvorrichtung (11) geführt werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung im Mikroprozessor (14) unter Verwendung eines eingespeicherten Plausibilitätsmodells durchgeführt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßergebnisse der einzelnen Kanäle (1) als Schwellenwerte von Farbsättigung oder Ort der Farbgrenze in jedem einzelnen Kanal (1) festgestellt werden und daß diese digitalisierten Meßwerte dem Mikroprozessor (14) zur Auswertung zugeführt werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Träger (2) geformten Kanäle (1) bis zum Gebrauch mit lösbaren Verschlußelementen (4) abgeschlossen sind.

18. Träger zur Verwendung in einer Meßvorrrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) mit den in mehreren Kanälen befindlichen reagierenden Substanzen als Wegwerfteil ausgebildet ist.