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Diese
Erfindung wurde gemäß Vertrag
Nr. DE-AC04-94AL85000 mit staatlicher Unterstützung ausgeführt, welche
durch das US-Ministerium für
Energie gewährt
wurde. Die Regierung besitzt daher gewisse Rechte an dieser Erfindung.
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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein Sensoren für chemische
Kampfstoffe und insbesondere einen Stauluft-Probenehmer für einen Sensor
für chemische
Kampfstoffe.
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Stand der Technik
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Punktförmig wirkende
Sensoren für
chemische Kampfstoffe wie beispielsweise Sensoren für Oberflächenschallwellen
und Ionenbeweglichkeits-Spektrometer
sind einfach zu schwer und zu groß für den Einsatz auf vielen der
kleinen unbemannten Luftfahrzeuge (ULF). Dies liegt daran, dass beim
gegenwärtigen
Entwicklungsstand all diese Sensoren eine Pumpvorrichtung wie beispielsweise ein
Zentrifugal- oder Drehkolbengebläse
bzw. -ventilator erfordern, um Luftproben zur Untersuchung auf Kampfstoffe
zu nehmen. Das Gebläse
bzw. der Ventilator stellen bei weitem das schwerste und größte Teil
des Nachweisgerätes
dar.
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Folglich
kommt bei den derzeitigen chemischen Sensoren ein aktives Pumpen
zur Anwendung, um zu bewirken, dass das Gas über das Sensorelement strömt. Dieses
Pumpen ist bei diesen Geräten
der größte Energieverbraucher.
Wenn man auf die Herangehensweise mit Stauluft zurück greift,
ist es möglich,
einen Probenstrom zu zwingen, dass er über einen Voranreicherer und
die Sensorvorrichtung strömt,
wobei lediglich der statische Druck genutzt wird, welcher durch
die Relativbewegung eines Luftstromes in Bezug zum Sensorkörper entsteht.
Dieses System kann in kleinen unbemannten Luftfahrzeugen benutzt
werden, wo ein niedriger Energieverbrauch verlangt wird, oder bei
anderen Anwendungen, bei welchen die Luft über ein Fahrzeug oder durch
eine Leitung strömt.
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Das
US-Patent 5.717.147 offenbart z. B. einen mehrere Filter aufnehmenden
Träger,
welcher gemeinsam mit den Filtern in einen Luftprobenehmer eingesetzt
ist, in welchem eine Speichervorrichtung die vom Luftprobenehmer
gelieferten Probenahmedaten speichert.
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Was
nun benötigt
wird, ist ein Stauluft-Probenehmer, der an einem Sensor für chemische
Kampfstoffe angebracht werden kann und der den Impuls der Vorwärtsbewegung
des ULF dazu nutzt, die Luft in einen solchen Zustand zu zwingen,
dass von ihr Proben genommen und diese durch den Sensormodul untersucht
werden können.
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Darstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stauluft-Probenehmer für einen
chemischen Kampfstoffsensor, welcher ein Gehäuse umfasst, das für die operativen
Belange so ausgebildet ist, dass es oben auf dem Sensor angebracht
werden kann, wobei dieses Gehäuse
einen mehrstufigen Kanal mit einem Einlass und einem Auslass enthält, wobei
dieser Kanal aufweist: eine erste Stufe mit einer ersten Höhe und Breite
unmittelbar am Einlass, eine zweite Stufe mit einer geringeren zweiten
Höhe und
Breite unmittelbar am in Mikroausführung hergestellten Probenvoranreicherer,
eine dritte Stufe mit einer noch geringeren dritten Höhe und Breite
unmittelbar am Detektor für
das Feld der Oberflächenschallwellen
und eine vierte Stufe mit einer vierten Höhe und Breite unmittelbar am
Auslass, wobei die vierte Höhe
und Breite dem Wesen nach die gleichen wie die erste Höhe und Breite
sind.
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Die
allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
leichtgewichtigen effektiven Stauluft-Probenehmer für einen
Sensor für
chemische Kampfstoffe oder für
Sprengstoffe bereit zu stellen, welcher für die operativen Belange so
ausgebildet ist, dass er an einem sich bewegenden Gegenstand oder
Fahrzeug angebracht werden kann, bei welchem die Notwendigkeit eines
Gebläses
oder eines Ventilators für
das aktive Pumpen der Luft über den
Sensor in Wegfall gerät.
Dies wird durch einen Stauluft Probenehmer gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Diese
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden durch Lektüre
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung unter
Beachtung des Zeichnungssatzes und der Ansprüche für jene ohne Weiteres offensichtlich,
die allgemeine Sachkenntnis auf diesem Gebiet besitzen.
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Kurze Beschreibung des
Zeichnungssatzes
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1 ist
eine Draufsicht auf einen typischen Sensor, an welchen das erfindungsgemäße Gerät angebaut
ist;
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2 ist
eine Seitenansicht des in 1 gezeigten
Gerätes
ganz allgemein längs
der Linie 2-2 von 1;
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3 ist
eine Draufsicht auf die Oberseite des in 1 gezeigten
Sensors (auf der linken Seite) und eine Unteransicht des erfindungsgemäßen Gerätes (auf
der rechten Seite), welches vom Sensor abgenommen und auf seine
Oberseite umgekippt wurde;
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4 ist
eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Gerätes ganz allgemein längs der
Linie 4-4 von 3;
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5 ist
eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten
typischen Sensors, bei welchem das Gerät der vorliegenden Erfindung
entfernt wurde;
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6 ist
eine Ansicht ähnlich
der von 5 ist, aber mit dem Gerät der vorliegenden
Erfindung, an Ort und Stelle oben auf dem Sensor;
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7 ist
eine graphische Darstellung, welche die geschätzte Strömung durch den Stauluft-Strömungskanal
der Erfindung als Funktion der Luftgeschwindigkeit veranschaulicht;
und
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8 ist
eine graphische Darstellung des gemessenen Oberflächenschallwellensignals (OSW-Signal)
für drei
Sammlungszeiten des Voranreicherers.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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In
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
und in den angefügten
Ansprüchen
sind die nachfolgend angeführten
Begriffe wie folgt definiert:
ULF. Unbemanntes Luftfahrzeug.
Wie der Name zum Ausdruck bringt, handelt es sich dabei um Fahrzeuge,
welche unbemannt fliegen. Beispiele dafür sind, ohne auf diese beschränkt zu sein:
Predator, DarkStar, GlobalHawk. Sie werden gewöhnlich dazu verwendet, um Aufgaben
auf den Gebieten der nachrichtendienstlichen Erkennung, der Überwachung und
der militärischen
Aufklärung
auszuführen.
Es sollte jedoch bedacht werden, dass, wenn auch das ULF eine Möglichkeit
der Anwendung der vorliegenden Erfindung darstellt, dieses aber
nicht die einzige Möglichkeit
darstellt, da die vorliegende Erfindung an einer großen Vielfalt
an sich bewegenden Objekten wie beispielsweise Flugzeugen, Hubschraubern,
Raketenflugkörpern,
Landfahrzeugen, Schiffen, also praktisch an jedem beliebigen sich
bewegenden Objekt angebracht und wirkungsvoll eingesetzt werden kann.
OSW:
Oberflächenschallwelle.
Schallwellengeräte werden
seit über
60 Jahren kommerziell genutzt. Obwohl die Telekommunikationsindustrie
der größte Nutzer
von Schallwellengeräten
ist, werden diese auch für
den Nachweis von Chemikaliendämpfen verwendet.
Sensoren für
Oberflächenschallwellen werden
so bezeichnet, weil sie eine mechanische Welle oder Schallwelle
als Aufspürmechanismus
verwenden. Wenn sich eine Schallwelle durch ein Material hindurch
oder auf der Oberfläche
des Materials ausbreitet, haben jegliche Veränderungen der Eigenschaften
des Ausbreitungsweges Einfluss auf die Geschwindigkeit und/oder
die Amplitude dieser Welle. Änderungen
der Ausbreitungsgeschwindigkeit können durch Messung der Frequenz-
oder der Phaseneigenschaften des Sensors festgestellt werden und
können
dann zur entsprechenden physikalischen Größe in Beziehung gebracht werden,
die gemessen wird. Praktisch wird bei allen Schallwellengeräten und
-sensoren ein piezoelektrischer Kristall benutzt, um die Schallwelle
zu erzeugen. Die Wirkungsweise der meisten chemischen OSW-Sensoren
beruht auf der Massenempfindlichkeit des Sensors in Verbindung mit
einer chemisch selektiven Beschichtung, welche die interessierenden
Dämpfe
absorbiert, was zu einer erhöhten
Massenbelegung des OSW-Sensors führt.
Siehe Bill Drafts: "Sensoren
der Schallwellentechnologie",
Microsensor Systems, Inc., eine Sawtek-Firma.
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Die
vorliegende Erfindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform
für die
Anwendung auf eine Vielfalt von Sensoren für chemische Kampfstoffe, biologische
Kampfstoffe und Sprengstoffe geeignet. In einer bevorzugten Ausführungsform
hat jedoch die Erfindung den größten Nutzen
bei Ionenmobilitäts- und
Oberflächenschallwellen-Sensoren
(OSW-Sensoren). OSW-Sensoren stellen wahrscheinlich die führende Mikrosensor-Technologie
für die
Feststellung von chemischem Kampfstoff dar, teils weil sie sehr
flexibel bei der Anpassung der chemischen Selektivität der einzelnen
Sensoren sind und auch wegen der tiefen Kenntnis ihres Reaktionsmechanismus.
Die vorliegende Erfindung soll nun in einer bevorzugten Ausführungsform
in Verbindung mit einem OSW-Sensor dargestellt und beschrieben werden, wobei
aber hervorgehoben werden muss, dass die Erfindung auch in Verbindung
mit weiteren Typen von Sensoren nützlich ist und dass diese Anwendungen als
im Rahmens der angefügten
Ansprüche
befindlich angesehen werden müssen.
Eine Beschreibung der allgemeinen Theorie und der Wirkungsweise
der Ionenbeweglichkeits- und
OSW-Sensoren erfolgt anschließend:
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Ionenbeweglichkeits-Spektrometrie
(IBS)
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Die
Ionenbeweglichkeits-Spektrometrie (IBS) wurde zwischen 1965 und
1970 aus mit Massenspektrometern durchgeführten Studien zur Ionen-Molkül-Chemie
bei atmosphärischem
oder erhöhtem
Druck und aus Untersuchungen mit Ionisationsdetektoren zur Überwachung
von in der Luft enthaltenen Dämpfen
entwickelt. Ein herkömMliches
Ionenbeweglichkeits-Spektrometer besteht aus zwei Hauptbereichen:
dem Reaktionsbereich und dem Driftbereich. Im Reaktionsbereich wird
ein unter atmosphärischem
Druck stehendes Trägergas
(saubere und trockene Luft) durch den Zusammenstoß von Beta-Teilchen
aus einer schwachen Nickel-63-Quelle mit Stickstoff und Sauerstoff
ionisiert. Diese reaktionsfreudigen Ionen gehen dann Ion-Molekül-Reaktionen mit dem
Molekül
des Sprengstoffs bzw. des chemischen Kampfstoffs ein. Die Moleküle des Sprengstoffs
bzw. chemischen Kampfstoffs gehen auch weitere Ionen bildende Reaktionen
wie beispielsweise Reaktionen der Adduktbildung und der Dissoziation
ein.
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Unter
dem Einfluss eines elektrischen Feldes erreicht das Gemisch aus
reaktionsfreudigen und erzeugten Ionen ein Sperrgitter, welches
den Reaktionsbereich vom Driftbereich abtrennt. Dieses Sperrgitter
besteht aus Anordnungen aus dünnem Drahtgeflecht
mit einer Vorspannung zwischen ihnen. Mit der angelegten Vorspannung
werden die Ionen vom Steuergitter angezogen und verlieren ihre Ladung.
Dann wird die Vorspannung kurzzeitig abgeschaltet, und die Ionen
werden in den Driftbereich der Zelle befördert. Danach werden die Ionen
durch ein elektrisches Feld (typischerweise 1.000 bis 3.000 Volt)
längs des
Driftbereiches (typischerweise 8 Zentimeter) fokussiert und beschleunigt,
damit sie die Kollektorelektrode erreichen (typischerweise in einer Zeit
von 10 bis 20 Millisekunden). Die kleineren und kompakten Ionen
weisen eine größere Beweglichkeit als
die schwereren Ionen auf, und folglich durchlaufen sie in einer
kürzeren
Zeitspanne den Bereich und prallen auf die Kollektorplatte. Der
Kollektorstrom wird dann verstärkt;
seine Stärke
als Funktion der Zeit ist proportional der Anzahl der Ionen, welche zum
jeweiligen Zeitpunkt ankommen.
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In
einem IBS-Erfassungssystem für
Sprengstoffe bzw. chemische Kampfstoffe sind die Zeiten, die erforderlich
sind, dass die Ionen von spezifischen Sprengstoffen längs der
IBS-Röhre
driften, genau bekannt und werden in den Mikroprozessor des Systems
einprogrammiert. Dieser Mikroprozessor überwacht das Signal der Kollektorelektrode
zu den programmierten Driftzeiten, um die Anwesenheit von Ionen
von Molekülen
des Sprengstoffs bzw. chemischen Kampfstoffs festzustellen. Typische
Analysenzyklen erfordern 5 bis 8 Sekunden vom Einbringen der Probe
bis zur Auslösung
des Alarms.
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Einige
Systeme kombinieren die IBS mit einer Vorlauf-Gaschromatographie,
um die Selektivität zu
optimieren.
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Mehrere
Hersteller bieten gegenwärtig
den Drogennachweis als ein Standard- oder optionales Merkmal ihrer IBS-Detektoren
an. Man muss sich darüber
im Klaren sein, dass in vielen Fällen
die Vorrichtung vorübergehend
herunter gefahren werden muss, um zwischen den Nachweismodi für Drogen und
Sprengstoffe umschalten zu können.
Die Trends bei der IBS-Technologie bestehen darin, die Miniaturisierung
der Nachweisgeräte
fortzusetzen und nichtradioaktive Quellen einzubeziehen.
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Gaschromatographie/Oberflächen-Schallwellen (GC/OSW)
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Bei
einer weiteren Art von Technologie, welche für die Feststellung von Sprengstoffen
und chemischen Kampfstoffen eingesetzt wird, verwendet man einen
tragbaren Gaschromatographen (GC), welcher mit einem Detektor für Oberflächenschallwellen
ausgestattet ist. In einem GC-System auf der Grundlage von OSW wird
der OSW-Resonatorkristall dem Gas einer GC-Kapillarsäule ausgesetzt,
welches aus dieser durch eine sorgfältig angeordnete und temperaturgesteuerte
Düse ausströmt. Wenn kondensierbare
Dämpfe,
welche im GC-Trägergas mitgeführt werden,
auf die aktive Fläche
zwischen den Resonatorelektroden aufprallen, tritt eine Frequenzverschiebung
auf, die proportional zur Masse des auf der Oberfläche des
Kristalls kondensierten Materials ist. Diese Frequenzverschiebung
ist abhängig
von den Eigenschaften (der Masse und den Elastizitätskonstanten)
des abgeschiedenen Materials, von der Temperatur des OSW-Kristalls
und von der chemischen Beschaffenheit der Kristalloberfläche.
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Ein
thermoelektrischer Kühler
hält die
für die OSW
bestimmte Oberfläche
auf ausreichend niedrigen Temperaturen, damit ein guter Auffangwirkungsgrad
für die
Sprengstoffdämpfe
gewährleistet
wird. Dieser Kühler
kann in umgekehrter Richtung betrieben und zum Aufheizen des Kristalls
verwendet werden, damit die wirksame Oberfläche gereinigt wird (Auskochen
der adsorbierten Dämpfe).
Die Temperatur des OSW-Kristalls wirkt als eine Steuerung über die
Spezifizität
des Sensors auf der Grundlage des Dampfdrucks der Substanzarten,
die aufgefangen worden sind. Dieser Wesenszug ist nützlich bei
der Unterscheidung zwischen relativ flüchtigen Materialien und klebrigen
Sprengstoffen.
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Während der
Abfolge einer Probenahme werden Dampfproben aus einem Voranreicherer durch
den Einlass des GC hindurch gezogen und dann durch eine Kältefalle
gepumpt. Diese Kältefalle ist
ein metallisches Kapillarrohr, welches auf einer Temperatur gehalten
wird, die niedrig genug ist, dass Sprengstoffdämpfe abgefangen werden können, während Gasen
mit einer höheren
Flüchtigkeit
das Hindurchströmen
ermöglicht
wird. Nach dem Hindurchströmen
durch eine zweite Kältefalle
wird die Probe in die GC-Säule
injiziert, wo dann durch ganz normalen Säulenbetrieb in zeitlicher Abfolge
die Trennung zur Identifizierung der Art der Bestandteile erfolgt.
Wenn die Dampfkomponenten die Säule
verlassen, werden sie gesammelt und selektiv auf der Oberfläche des
OSW-Kristalls aufgefangen, wobei die Frequenzverschiebung zur Materialkonzentration in
Beziehung gesetzt werden kann.
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Die
Gesamtzeit der Analysen einschließlich der Voranreicherung der
Dämpfe
liegt typischerweise bei 10 bis 15 Sekunden. Eine Empfindlichkeit
bis in Pikogrammbereiche ist vom Hersteller des einzigen kommerziell
verfügbaren
Systems aufgezeigt worden. Dieses System ist tragbar und hat etwa
die Größe einer
großen
Aktentasche. Die Kosten sind ähnlich
denen eines Elektroneneinfang-Detektionssystems (ECD-System), und
das System ist nach zehnminütiger
Auf- und Einstellzeit Aufstellen betriebsbereit.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf irgend einen speziellen Sensor
für Oberflächenschallwellen beschränkt. Der
Sensor für
Oberflächenschallwellen kann
von einem Typ sein, wie er von der Sawtek Incorporated in Orlando,
Florida, hergestellt wird, oder von einem Typ, der dem Mikrosensor "Chemielabor auf einem
Chip" (μChemlab
TM) der Sandia National Laboratories ähnlich ist.
Diese Vorrichtung ist eine Sandia-Initiative, die darin besteht,
ein Handheld-"Chemielabor" von der Größe eines
Handflächen-Computers zu bauen.
Der Schallwellensensor ist ein Teil der Ausrüstung dieses Labors (und ein ganzes
Stück kleiner
als ein Handflächen-Computer).
Der Sensor ist tatsächlich
so klein, dass eine Anordnung von vier oder fünf Miniatursensoren, von denen
jeder etwa zwei Millimeter mal 0,5 Millimeter mal 0,5 Millimeter
misst und gegenüber
verschiedenen Chemikalien empfindlich ist, auf einem Chip von der Größe eines Hemdenknopfes
untergebracht werden kann. Ein weiterer möglicher Sensor wird in dem
Patent der Vereinigten Staaten Nr. 5.469.369 (Rose-Pehrsson et al.)
beschrieben. Schließlich
könnte der
Sensor auch von dem Typ eines Sensors für chemische oder biologische
Kampfstoffe sein, welcher in der Patentanmeldung der Vereinigten
Staaten
US 2.003.853 ,
veröffentlicht
am 08. Mai 2003 unter dem Titel "Sicherheitssystem
für Gebäude gegen ABC-Waffen", beschrieben wird.
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Die
Theorie der Funktionsweise von Sensoren für Oberflächenschallwellen ist an früherer Stelle beschrieben
worden, und eine Darstellung eines typischen Sensors für Oberflächenschallwellen 10 erscheint
in den 1 und 3. Der Sensor selbst ist in
der Zeichnung mit der Bezugszahl 13 bezeichnet – die weiteren
Bauteile im Modul (gedruckte Leiterplatte) 12 sind zugehörige elektronische
Bauteile. Wie in 2 dargestellt ist, enthält der Sensor 13 einen
Körper,
welcher auf die Leiterplatte 12 montiert ist. Der Stauluft-Probenehmer 11 ist
in beiden Abbildungen 1 und 2 dargestellt,
wie er oben auf den Sensor 13 moniert ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist der Körper
des Probenehmers aus einem keramischen Material hergestellt, welches
mit den Bestückungsverfahren
von integrierten Hybridschaltkreisen kompatibel ist, wenn der Körper des Gehäuses ebenfalls
aus Keramik besteht. Es sollte jedoch für all jene, die allgemeine
Sachkenntnis auf diesem Gebiet besitzen, klar sein, dass es möglich sein
würde,
alles dergestalt in ein Kunststoffgehäuse zu montieren, dass der
Körper
des Probenehmers der Einfachheit halber aus Kunststoff hergestellt
werden kann. Obwohl Keramik und Kunststoff die zwei am häufigsten
eingesetzten Materialien für
den Probenehmer sind, stellt Metall auch eine Möglichkeit sowohl für den Probenehmer
als für
das Gehäuse selbst
dar. In einer bevorzugen Ausführungsform kann
der Probenehmer am Sensor durch beliebige geeignete Mittel wie beispielsweise
durch Montageschrauben oder durch Klebstoff (Epoxidklebstoff) befestigt
werden. In der dargestellten Ausführungsform ist ein nicht dargestellter
Dichtungsring zwischen dem Stauluft-Probenehmer und dem Sensor angeordnet,
und eine (nicht dargestellte) erste Montageschraube führt durch
die Öffnung 20 in
dem (in 3 dargestellten) Probenehmer
und stellt über
ein Gewinde durch teilweises Einschrauben in die Bohrung 26 im
Sensorkörper
die Verbindung her, und eine (nicht dargestellte) zweite Montageschraube
führt in ähnlicher
Weise durch die Öffnung 14 des
Probenehmers und stellt über
ein Gewinde durch teilweises Einschrauben in die Bohrung 23 des
Sensorkörpers die
Verbindung her.
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3 ist
eine Draufsicht auf den Sensor mit abgenommenem und auf seine Rückseite
umgekipptem Stauluft-Probenehmer. In dieser Darstellung ist ersichtlich,
dass der Sensor 13 den in Mikrobauweise hergestellten Probenvoranreicherer 25 und
den Oberflächenschallwellen-Felddetektor 24 enthält. In dieser
Zeichnung ist dargestellt, wie der Stauluft-Probenehmer 11 vom
Sensor abgenommen und auf seine Rückseite "umgekippt" ist. Es ist ersichtlich, dass der Probenehmer 11 einen
Kanal oder Durchgang 17 enthält, durch welchen die Luftprobe
in der durch gestrichelte Pfeile angezeigten Richtung strömt. Es ist zu
sehen, dass der Kanal 17 einen ersten Abschnitt 15,
einen zweiten Abschnitt 16, einen dritten Abschnitt 18 und
einen vierten Abschnitt 19 umfasst. Der erste Abschnitt 15 befindet
sich unmittelbar am Einlass 31, und der vierte Abschnitt 19 befindet
sich unmittelbar am Auslass 30. Wie man in der Zeichnung
erkennen kann, ist der erste Abschnitt 15 breiter als der
zweite Abschnitt 16. Wie aus den 4 und 6 ersichtlich
ist, weist der erste Abschnitt 15 auch eine größere Höhe als der
zweite Abschnitt 16 auf. Mit anderen Worten ist die Querschnittsfläche des
ersten Abschnittes 15 größer als die Querschnittsfläche des
zweiten Abschnittes 16. Folglich wird die Luftprobe gezwungen,
durch einen Luftraum zu treten, dessen Volumen im Abschnitt 16 gegenüber dem
von Abschnitt 15 kleiner ist. In ähnlicher Weise ist der Abschnitt 16 breiter
als der dritte Abschnitt 18, und wie in den 4 und 6 dargestellt
ist, weist der zweite Abschnitt 16 auch eine größere Höhe als der
dritte Abschnitt 18 auf. Mit anderen Worten: die Querschnittsfläche des
zweiten Abschnittes 16 ist größer als die des dritten Abschnittes 18.
Folglich wird die Luftprobe gezwungen, durch einen Luftraum zu treten,
dessen Volumen im Abschnitt 18 gegenüber dem in Abschnitt 16 kleiner
ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Breite, die Höhe und
die Querschnittsfläche
des vierten Kanalabschnittes 19 identisch mit jenen des
ersten Abschnittes 15, obwohl der Probenehmer auch funktionieren würde, falls
der vierte Kanalabschnitt 19 Abmessungen hätte, welche
nicht mit denen des ersten Abschnittes 15 identisch sind,
so lange die Querschnittsfläche
des Abschnittes 19 größer ist
als die des dritten Abschnittes 18. In einer bevorzugten
Ausführungsform
befindet sich der zweite Abschnitt 16 des Kanals in Ausrichtung
mit dem Voranreicherer 25, und der dritte Abschnitt 18 befindet
sich in Ausrichtung mit dem OSW-Detektor 24. Unter der
Bezeichnung "in
Ausrichtung" verstehen
wir, dass sich jene besonderen Abschnitte des Kanals dergestalt mit
dem Voranreicherer bzw. dem Detektor in einer Linie befinden, dass
sich die Luft in jenem besonderen zweiten und dritten Kanalabschnitt
in direkter Verbindung mit dem Voranreicherer bzw. Detektor befindet.
Beim Betrieb ist die Baugruppe aus Detektor und Probenehmer auf
ein sich bewegendes Objekt wie beispielsweise ein Fahrzeug dergestalt
montiert, dass der Einlass 31 direkt in die Fahrtrichtung
zeigt, wodurch die Luft gezwungen wird, in den Einlass des Kanals
einzudringen.
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5 stellt
eine Teilansicht der Leiterplatte 12 dar, wobei dargestellt
ist, wie der Sensor 13 auf der Platte angebracht ist. Diese
Ansicht zeigt auch die Nut 29 im Körper des Sensors, wobei sich
diese Nut in Ausrichtung mit dem Kanal 17 befindet, wenn sich
der Probenehmer an Ort und Stelle befindet und sie zusammen den
Einlass 31 bilden, wie dies am besten in 6 dargestellt
ist (6 stellt eine Seitenansicht dar, welche den Probenehmer
an Ort und Stelle oben auf dem Sensor zeigt).
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Theorie der Funktionsweise
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Das
Grundgerät 11 der
Erfindung ist eine Gasauffangvorrichtung, welche in verschiedenen
Abbildungen des Zeichnungssatzes dargestellt ist. Der breite erste
Einlassabschnitt 15 (unterer Teil der Abbildung) ist auf
eine entgegenkommende Strömung gerichtet,
und der als Ausgang fungierende vierte Abschnitt 19 der
Vorrichtung (oberer Teil der Abbildung) ist mit einem Bereich niedrigen
Druckes in der Strömung
um den Sensor 13 herum verbunden. Die Druckdifferenz zwischen
dem Einlass und dem Ausgang (Auslass) der Auffangvorrichtung befördert das Gas über den
Voranreicherer und den Oberflächenschallwellen-Sensor
für chemische
Kampfstoffe.
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Der
maximale Druck, der sich zwischen dem Einlass und dem Ausgang entwickeln
kann, liegt in der Größenordnung
von ½ρV2, wobei ρ die
Dichte der Luft und V die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Sensorgehäuse und
der umgebenden Luft sind. Bei einer Luftgeschwindigkeit von 30 Knoten
beträgt die
Druckdifferenz etwa 0,02 psi (150 Pa).
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Wegen
dieses niedrigen Antriebsdruckes ist es notwendig, den Strömungskanal
so zu gestalten, dass er möglichst
wenig Behinderungen aufweist. Diese Forderung wird ausgeglichen
durch die Notwendigkeit, die Diffusionsentfernungen in der Strömung über den
Voranreicherer und den OSW-Detektor zu minimieren. In dem in den
Zeichnungen dargestellten Stauluft-Strömungskanal ist über dem
Voranreicherer und dem OSW-Detektor die Querschnittsfläche verringert
und erweitert sich dann wieder am Ausgang (am vierten Abschnitt).
In einer bevorzugten Ausführungsform
mit 1,3 mm Breite × 0,1
mm Höhe × 2,3 mm
Länge stellt
der Kanal über
dem OSW-Detektor die stärkste
Beschränkung
bezüglich
der Abmessungen dar. Die Druckunterschiede über jeden Abschnitt können gemäß der Beziehung
abgeschätzt werden, wobei μ die Viskosität der Luft ist.
Wenn man den Druckabfall durch das System gleich dem vorhandenen
statischen Druck setzt, kann eine Abschätzung des potentiellen Volumenstroms
durch den Sensor vorgenommen werden. Die
7 zeigt
den geschätzten
Volumenstrom durch den Sensor als Funktion der Luftgeschwindigkeit.
Die in
8 dargestellten Messergebnisse veranschaulichen,
dass die Durchflussmengen durch den Sensor ausreichend sind, damit
chemische Analysen am Luftstrom durchgeführt werden können. Um
Ergebnisse zu erhalten, wurde ermöglicht, dass im Luftstrom am
Voranreicherer Analysensubstanzen über spezifische Zeiten von
7 s, 15 s und 30 s gesammelt wurden. Der Voranreicherer wurde dann
thermisch gepulst, damit die Analysensubstanz desorbieren kann,
und die konzentrierte Analysensubstanz wurde durch die Luftströmung über den
OSW-Detektor geleitet. Bei einer 15 Sekunden dauernden Probenahmezeit
und einer Luftgeschwindigkeit von 20 Knoten ist diese Kombination
aus einem OSW-Detektor, einem Voranreicherer und einem über Stauluft
erfolgenden Pumpen in der Lage, Konzentrationen der Analysensubstanz
wie beispielsweise Senfgas und Nervengifte in der Größenordnung
von 1 ppm nachzuweisen.