DE4021556A1 - Vorrichtung zur messung der konzentration von gas- und/oder dampffoermigen komponenten eines gasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von gas- und/oder dampfförmigen Komponenten eines Gasgemisches unter Verwendung von optisch wahrnehmbaren Reaktionszonen in Prüfröhrchen, mit einer mit einem Fluid eine Farbreaktion eingehenden Substanz, die in geformten Kanälen auf einem Träger mit einer Abdeckplatte aufgebracht ist, wobei die Veränderung der Reaktionszone durch direkte Betrachtung und/oder durch opto-elektronische Abtastung feststellbar ist.

Eine derartige Vorrichtung nach der DE-PS 39 02 402 enthält ein vom nachzuweisenden Gas durchströmtes Mehrfachprüfröhrchen und eine opto-elektronische Abtastvorrichtung. Das Mehrfachprüfröhrchen hat in verschiedensten geometrischen Ausbildungen mehrere mit Nachweissubstanzen gefüllte Kanäle auf einem gemeinsamen Träger, welche an der Oberseite mit einer Abdeckplatte abgedeckt sind. Mit einer Ansaugpumpe wird das zu untersuchende Gasgemisch durch einen oder mehrere Meßkanäle hindurchgesaugt, wobei die Verfärbung der Nachweissubstanz in Abhängigkeit von der Gaskonzentration durch den jeweiligen Meßkanal hindurchwandert. Die Länge der verfärbten Zone ist ein Maß für die Menge des eingeströmten Gasbestandteils, auf den die Nachweissubstanz spezifisch anspricht. Die Auswertung geschieht mit einer opto-elektronischen Abtastvorrichtung, welche eine Längenabtastung der in den einzelnen Kanälen verfärbten Schicht ermöglicht. Die opto-elektronische Abtastvorrichtung läßt sich beispielsweise nach der DE-OS 15 98 021 oder DE-OS 26 28 790 aufbauen.

Aus der DE-PS 36 05 047 ist eine Gasmeß- und Warnvorrichtung bekannt, mit einem von dem nachzuweisenden Gas durchströmten Prüfröhrchen und einer opto-elektronischen Abtastvorrichtung, welche eine Abbildungsoptik enthält, durch die das Prüfröhrchen auf die lichtempfindliche Zeile von Sensorelementen abgebildet wird. Zur Verbesserung der Qualität der Abbildung der Nachweissubstanz auf den Sensorelementen ist ein Interferenzfilter in den Strahlengang eingeschaltet, um eine Kontrasterhöhung zwischen dem verfärbten und dem nicht verfärbten Teil des Prüfröhrchens zu erzielen.

Bei den bekannten Vorrichtungen ist es von Nachteil, daß das Einzelprüfröhrchen oder die einzelnen Meßkanäle des Mehrfachprüfröhrchens nur mit der von der Abtastvorrichtung gelieferten Wellenlänge ausgewertet werden können. Für die opto-elektronische Auswertung ist jedoch eine auf die Nachweissubstanz abgestimmte Wellenlänge notwendig. Soll die Wellenlänge für die Abtastung geändert werden, muß ein anderes optisches Filter in die Abtastvorrichtung eingesetzt werden. Dies ist zeitaufwendig, und es besteht zudem die Gefahr, daß beim Einsatz eines anderen Prüfröhrchens oder Mehrfachprüfröhrchens vergessen wird, das Filter zu wechseln.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art so zu verbessern, daß die opto-elektronische Auswertung vereinfacht wird und eine selektive Auswertung mit einer auf die Nachweissubstanz abgestimmten Wellenlänge möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Abdeckplatte des Mehrfachprüfröhrchens als optisches Filterelement ausgebildet ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt im wesentlichen darin, daß das Filterelement als Abdeckplatte dem Mehrfachprüfröhrchen fest zugeordnet ist und somit automatisch mit dem Mehrfachprüfröhrchen gewechselt wird. Ein Filterwechsel an der opto-elektronischen Abtastvorrichtung ist nicht mehr notwendig. Als Filterelemente am Mehrfachprüfröhrchen können Absorptionsfilter oder Interferenzfilter eingesetzt werden. Geeignete Bauformen von Absorptionsfiltern sind beispielsweise Flüssigkeitsfilter, Farbgläser, Gelatinefilter oder bedampfte Platten. Für ein Mehrfachprüfröhrchen mit zehn Meßkanälen auf einem Träger ist die bevorzugte Abmessung für das Filterelement 50×75 Millimeter mit einer Dicke von kleiner einem Millimeter. Die Wellenlänge des Filterelementes ist in der Regel auf die Komplementärfarbe der Verfärbung der Nachweissubstanz abgestimmt. Wird beispielsweise zum Nachweis von Ammoniak Bromphenolblau als Nachweissubstanz verwendet, erfolgt die Auswertung mit einem gelben Filterelement der Wellenlänge 580 nm.

Die Ausgestaltung des Filterelementes ist auch von der Art der opto-elektronischen Auswertung abhängig. So wird bei vorgegebenem Fördervolumen der Probenahme-Pumpe die Verfärbung der Nachweissubstanz über den Weg gemessen, und das Filterelement muß den gesamten Bereich der Kanäle überdecken. Wird hingegen nach der DE-OS 15 98 021 die Verfärbung am festen Ort bestimmt, ist die opto-elektronische Auswertung nur an einer bestimmten Stelle des Kanals (oder der Kanäle) notwendig und ein Filterelement braucht nur an dieser Stelle vorgesehen sein. Das Filterelement kann hier als ein dünner Streifen, senkrecht zu den Kanälen, innerhalb der Abdeckplatte ausgeführt sein.

Eine zweckmäßige Weiterbildung ist, das Filterelement so auszuführen, daß es aus streifenförmigen Bereichen in Richtung der Kanäle besteht, die jeweils einzelnen Kanälen auf dem Träger zugeordnet sind. Jeder der Bereiche ist auf die optimale Wellenlänge der entsprechenden Nachweissubstanz in dem jeweiligen Kanal abgestimmt. Möglich sind bei der opto-elektronischen Auswertung sowohl die Transmissions- als auch die Reflexionsmessung. Durch die individuelle Zuordnung der einzelnen Filterelement-Bereiche zu den mit Nachweissubstanz gefüllten Kanälen läßt sich die Auswertung noch in der Form verbessern, daß, beispielsweise durch entsprechende Wahl der Filterwellenlänge, Bereiche in der Nachweissubstanz ausgeblendet werden, in denen die Umwandlung nicht vollständig stattgefunden hat. Durch die Ausblendung von Störeinflüssen ergibt sich ein besonders rauscharmes Meßsignal.

Eine weitere Verbesserung der optischen Eigenschaften wird erzielt, wenn das Filterelement als Filterfolie ausgebildet ist. Diese Filterfolie kann beispielsweise auf das Mehrfachprüfröhrchen aufgelegt, in einem Rahmen befestigt oder aufgeschrumpft sein. Außerdem ergibt sich bei einer Folie gegenüber einem Farbglasfilter eine beträchtliche Gewichtsersparnis.

Ähnlich wie bei Einzel-Prüfröhrchen, kann auch bei den auf den Träger aufgebrachten Kanälen ein hermetischer Abschluß des Kanals bzw. der Kanäle bis zur Ingebrauchnahme zweckmäßig sein. Die Einlaß- bzw. Ausgangsöffnungen sind an zwei gegenüberliegenden Seitenflächen des Trägers angeordnet und üblicherweise mit einer Verschlußfolie verschlossen. Durch Abziehen der Verschlußfolie können die Einlaß- bzw. Ausgangsöffnungen geöffnet werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Filterfolie auch gleichzeitig als lösbare Verschlußfolie fortgesetzt sein, die vor Gebrauch abgezogen wird. Zum Lösen der Verschlußfolie können Perforationen vorgesehen sein. Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige Herstellung eines Mehrfachprüfröhrchens möglich, da separate Verschlußfolien eingespart werden.

Sind die Kanäle als separate Prüfröhrchen auf dem Träger angeordnet, so kann die Filterfolie als gemeinsame Abdeckung von Prüfröhrchen und Träger dienen und dabei gleichzeitig die Prüfröhrchen auf dem Träger fixieren. Die Filterfolie erfüllt damit die Funktion eines Filterelementes und einer Verpackung. Die Filterfolie kann in streifenförmige Bereiche für unterschiedliche spektrale Absorptionsbereiche unterteilt sein, die jeweils einem bestimmten Prüfröhrchen zugeordnet sind. Es können aber auch einzelne Prüfröhrchen mit aufgedampfter Filterschicht auf dem Träger angeordnet sein, wobei die Filterfolie an diesen Stellen optisch neutrale Durchlaßeigenschaften besitzen muß. Die Filterfolie besteht in diesem Fall aus streifenförmigen Bereichen, deren Absorptionsbereich auf die eine Gruppe der auf dem Träger befindlichen Prüfröhrchen abgestimmt ist und aus einem daran anschließenden transparenten Bereich mit optisch neutralen Durchlaßeigenschaften, der die andere Gruppe der Prüfröhrchen überdeckt. Anstelle der Filterfolie können auch Flüssigkeitsfilter, Farbgläser oder bedampfte Platten über die Prüfröhrchen gelegt sein.

Die reagierende Substanz ist in mehreren auf einem chipförmigen Träger geformten Kanälen untergebracht, 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. 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. 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 angeordnet sein.

Anstelle von geformten Kanälen können auch miniaturisierte Prüfröhrchen aus Glas mit einem Durchmesser von etwa einem Millimeter auf dem Träger angebracht sein.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, aus denen sich weitere Erfindungseinzelheiten ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Träger mit einer Mehrfachanordnung von Kanälen und einem Farbglasfilter als Abdeckplatte,

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

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

Fig. 4 ein Mehrfachprüfröhrchen mit einer Filterfolie mit streifenförmigen Bereichen,

Fig. 5 den Schnitt durch einen Träger mit einzelnen Prüfröhrchen und einer Filterfolie als Verpackung.

Fig. 1-3 zeigen 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 Ingebrauchnahme 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 vorgeschaltet. Die Kanäle (1) sind auf der Trägeroberseite mit einem Farbglasfilter (3) abgedeckt, das eine Dicke von 0,8 mm hat. In der Darstellung in Fig. 1 ist das Farbglasfilter (3) halbseitig aufgeschnitten, so daß die Kanäle (1) teilweise sichtbar sind.

In der gezeigten Ausbildung ist vorgesehen, daß die einzelnen Kanäle (1) nacheinander in den Wirkungsbereich einer nicht dargestellten opto-elektronischen Abtastvorrichtung gebracht werden. Zu der hierzu erforderlichen Verschiebebewegung des Trägers (2) dient ein Paar gummielastischer Transportwalzen (7, 8), welche ein Transportelement für den Träger (2) darstellen.

Opto-elektronische 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, wie in Fig. 3 gezeigt, in welchem die Art und die Anzahl der aufgenommenen Kanäle und die Wellenlänge des Farbglasfilters (3) und die Pumpzyklen codiert sind. Außerdem kann zweckmäßig in der opto-elektronischen Abtastvorrichtung 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.

Die Farbe des Farbglasfilters (3) ist auf die spektrale Absorption der Nachweissubstanz abgestimmt. Wird beispielsweise zum Nachweis von Ammoniak Bromphenolblau als Nachweissubstanz verwendet, erfolgt die Auswertung mit einem Filter der Wellenlänge 580 nm. Durch Variation der Filterwellenlänge kann der Kontrast beim Farbumschlag erhöht werden, indem Bereiche ausgeblendet werden, in denen die Umsetzung nicht vollständig stattgefunden hat. Durch die Ausblendung ergibt sich ein besonders rauscharmes Meßsignal.

Bei der Trägerausbildung nach Fig. 4 ist eine zickzackförmige Umwegführung der einzelnen Kanäle (1) vorgesehen. Die Ansaugöffnungen (9) der Kanäle (1) münden in dieser Ausführungsform an der Oberseite des Trägers (2) und sind ebenso wie die Einlaßöffnungen (10) der Kanäle (1) mit der lösbaren Verschlußfolie (4) dichtgesetzt. Die Kanäle (1) sind mit einer Filterfolie (11) abgedeckt, die in streifenförmige Bereiche (12) unterteilt ist, wobei jede Schraffur ein bestimmtes Absorptionsverhalten kennzeichnet. In der Darstellung nach Fig. 4 ist die Filterfolie (11) halbseitig aufgeschnitten, so daß die Kanäle (1) teilweise sichtbar sind. Jeder der Bereiche (12) ist einem bestimmten Kanal (1) zugeordnet. Auf diese Weise kann die für die Auswertung notwendige Wellenlänge auf die in den Kanälen (1) befindliche Nachweissubstanz abgestimmt werden.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform, ist die Filterfolie (11) über die Ansaugöffnungen (9) und Einlaßöffnungen (10) gelegt und dient damit auch als lösbare Verschlußfolie für die Kanäle (1). Zum Lösen der Verschlußfolie können beispielsweise Perforationen vorgesehen werden.

In der Schnittdarstellung nach Fig. 5 sind auf einem Träger (2) einzelne mit Nachweissubstanz gefüllte Prüfröhrchen (13) angeordnet. Die Prüfröhrchen (13) sind mit einer Filterfolie (11) auf dem Träger (2) fixiert. Der spektrale Durchlaßbereich der Filterfolie (11) ist auf die Nachweissubstanz in den Prüfröhrchen (13) abgestimmt. Die Filterfolie (11) ist auf die Oberseite des Trägers (2) aufgeschweißt. Als Filterfolie (11) ist besonders ein Gelatinefilter geeignet. Durch die Verwendung der Filterfolie (11) zum Fixieren der Prüfröhrchen, wird eine separate Verpackungsfolie eingespart. Auch diese Anordnung ist mit einer opto-elektronischen Abtastvorrichtung auswertbar.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung der Konzentration von gas- und dampfförmigen Komponenten eines Gasgemisches unter Verwendung von optisch wahrnehmbaren Reaktionszonen in Prüfröhrchen, mit einer mit einem Fluid eine Farbreaktion eingehenden Substanz, die in geformten Kanälen auf einem Träger mit einer Abdeckplatte aufgebracht ist, wobei die Veränderung der Reaktionszone durch direkte Betrachtung und/oder durch opto-elektronische Abtastung feststellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte mindestens teilweise als optisches Filterelement (3) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (3) aus streifenförmigen Bereichen (12) besteht, die jeweils einzelnen Kanälen (1) zugeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement als Filterfolie (11) ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfolie (11) gleichzeitig als lösbare Verschlußfolie für die Kanäle (1) dient.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Prüfröhrchen (13) von dem Träger (2) aufgenommen sind und durch die Filterfolie (11) in ihrer Position festgehalten sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) auf einem chipförmigen, in eine opto-elektronische Abtastvorrichtung austauschbar einsetzbaren Träger (2) angeordnet sind.