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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein zusätzliches Merkmal zur Verwendung
in einem Messsensor für
die spektroskopische Analyse von Medien, wobei der Messsensor umfasst:
eine Probenkammer für
ein zu analysierendes Gasgemisch, wobei die Kammer mit Flussverbindungen
für den
Durchfluss des Gasgemisches sowie mit wenigstens zwei Fenstern,
die für
eine angewandte Strahlung durchlässig sind,
ausgestattet ist, wobei die Innenflächen der Fenster dazwischen
eine Messabsorptionslänge
definieren; eine Strahlungsquelle zum Emittieren von Strahlung,
die durch das erste Fenster, die Absorptionslänge der Probenkammer und weiter
durch das zweite Fenster verläuft;
ein oder eine Vielzahl von Detektoren der/die optisch in Richtung
dieses zweiten Fensters gerichtet ist sind; wenigstens ein Filter, der
für ein
bestimmtes Wellenlängenband
durchlässig
ist, oder eine Strahlungsstreuung produzierende Einrichtung zwischen
der Strahlungsquelle und jedem Detektor; sowie eine erste Länge zwischen
der Innenfläche
des ersten Probenkammerfensters und der Strahlungsquelle und/oder
eine zweite Länge zwischen
der Innenfläche
des zweiten Fensters und dem Detektor bzw. den Detektoren, wobei
die Längen
insgesamt wenigstens ungefähr
20% der Absorptionslänge
bilden. Die Erfindung betrifft ebenso ein ähnliches zusätzliches
Merkmal in einem Messsensor, der zwei oder mehr Filter-Detektor-Paare
einsetzt. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Herstellen
eines solchen zusätzlichen
Merkmals für einen
Lichtleiter, der ein Gehäuse
umfasst, das aus einem steifen Material gemacht ist und strahlungsdurchlässige Enden
und ein inneres Volumen sowie eine strahlungsbegrenzende Innenfläche umfasst und
eine Länge
hat, die wenigstens ungefähr
eineinhalbmal über
seinem mittleren Durchmesser liegt.
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Der
obige Typ des Messsensors für
die spektroskopische Analyse von Medien wurde offenbart z. B. in
den Patenten FI-95322, US-5254858, US-3745349, US-4468561 und in
der Veröffentlichung
HEWLETT-PACKARD JOURNAL: R.J. Solomon – "A Reliable, Accurate CO2 Analyzer
for Medical Use",
September 1981. 6 der vorliegenden Anmeldung
illustriert ein Basisprinzip für
ein solches Gerät,
das auf Infrarot-Absorption basiert und zur Analyse von Gasgemischen
verwendet wird, das primär
dem Aufbau entspricht, der in der Publikation FI-95322 beschrieben
ist. Dieser Analysierer umfasst die folgenden Basiskomponenten:
eine Strahlungsquelle 1, einen möglichen Spiegel 10 und
eine Probenkammer 2 sowie ein oder mehrere Infrarot-Detektoren 9 und
in diesem Fall ein optisches Bandpass-Filter 8 zwischen
diesen Detektoren und der Strahlungsquelle. Dies bildet ein nicht-streuendes Messsystem
zum Messen einer Strahlung R, die durch die Probenkammer 2 verläuft, auf
eine von einer gegebenen Gaskomponente verursachten Absorption.
In dem Fall der 6 umfasst der Raum zwischen
der Probenkammer 2 und dem Filter 8 und dem Detektor 9 so
wie im Patent FI-95322 eine Wellenröhre A, wobei die Röhre eine
Länge L3
hat und einen ungefähr
parallelen Strahl R zu dem Filter 8 schickt, der in diesem
Fall ein Interferenz-Filter ist. Es ist ebenso bekannt, zwischen
der Strahlungsquelle 1 und der Probenkammer 2 und/oder
zwischen der Probenkammer 2 und der Filter-Detektor-Anordnung 8, 9 verschiedene
optische Komponenten einzusetzen wie z. B. Linsen, Konzentratoren
und dergleichen. Das nicht-streuende Messsystem, das mittels eines
Filters oder mittels Filtern erhalten wird, kann durch ein Gitter
ersetzt werden, das die Strahlung in verschiedene Wellenlängen aufteilt,
um ein streuendes Messsystem bereitzustellen. Das nicht-streuende
Messsystem kann nicht nur mit einer Vielzahl von parallel-verbundenen
Filter-Detektor-Anordnungen bereitgestellt werden, sondern auch
mit einem einzelnen Detektor und ersetzbaren Filtern. Jedoch ist ein
Nachteil aller dieser oben genannten Publikationen, dass an einem
bestimmten Punkt zwischen der Strahlungsquelle 1 und der
Probenkammer 2 und/oder zwischen der Probenkammer 2 und
dem Detektor 9 ein wesentlicher Raum existiert, der für die Außenatmosphäre mehr
oder weniger frei zugänglich ist.
Daraus resultiert, dass die Zusammensetzung der äußeren Atmosphäre einen
Einfluss auf das Messergebnis haben kann. Dies kann sogar ein großer Einfluss
sein, insbesondere wenn eine Gaskomponente gemessen wird, die auch
in der umgebenden Atmosphäre
vorliegt. Somit umfasst in der Technologie des Standes der Technik,
der z. B. in 6 gezeigt ist, eine Wellenröhre A ein
Inneres B, das aufgrund seiner Länge
eine wesentliche Absorption der Strahlung R bewirken kann, die durch
sie hindurch verläuft.
Dieses Problem wird in dem Patent FI-95322 tatsächlich angesprochen, und um
es zu korrigieren, wurde vorgeschlagen, dass das Innere B der Wellenröhre mit
einem Vakuum oder mit einem Gas gefüllt wird, das nicht in den
Wellenlängen
absorbierend ist, die bei einer Messung verwendet werden. Eine weitere
vorgeschlagene Alternative ist, dass das Innere der Wellenröhre mit
einem geeigneten Absorber ausgestattet wird, wie z. B. Silicagel,
Zeolit, aktivierter Kohlenstoff oder Calciumhydroxid. Jedoch erfordert eine
solche Lösung,
dass die fragliche Wellenröhre absolut
hermetisch abgedichtet ist, was sich in der Praxis als sehr schwer
im Hinblick auf Erreichen eines absolut zuverlässigen Ergebnisses herausgestellt
hat. Die Menge und falls notwendig auch das Ersetzen des Absorbers
erfordert auch eine kompliziertere Struktur und Operation. Dieses
Problem, d. h. fälschliche
Absorption in dem von der Probenkammer fort gerichteten Strahlungspfad,
wird in den anderen oben genannten Publikationen in keiner Weise angesprochen.
Jedoch existiert diese Möglichkeit
einer fälschlichen
Absorption in allen Konstruktionen, die in den zitierten Publikationen
aufgezeigt werden. Des weiteren umfasst der Strahlungspfad bei tatsächlicher,
lebensnaher Messausrüstung
neben der oben genannten optischen Wellenröhre verschiedene Orte, an denen
diese fehlerhafte Absorption auftreten kann.
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Die
oben beschriebene fehlerhafte Absorption, die durch die umgebende
Atmosphäre
bewirkt wird, kann über
jedem solchen Abschnitt eines optischen Pfades auftreten, der sich
von einer Strahlenquelle zu einem Detektor erstreckt, der diesem
externen Gas ausgesetzt ist. In dem in 6 gezeigten Stand
der Technik kann somit eine fälschliche
Absorption entlang einer Länge
L3 zwischen dem von der Strahlungsquelle fort gewandten Probenkammerfenster
und dem Detektor auftreten, in diesem Fall entlang einer Länge L2a
zwischen der ungekapselten Strahlungsquelle und dem ihr zugewandeten
Probenkammerfenster, sowie entlang einer Doppellänge L2b, die sich von der Strahlenquelle über einen
Spiegel 10 zurück
zu dem Probenkammerfenster erstreckt.
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Die
Patentanmeldung FI-942547 beschreibt einen Messsensor, der aus einem
Messstab besteht, wobei der Strahlungspfad teilweise durch Verwendung
z. B. eines Saphirstabs mit einer totalreflektierenden Außenfläche oder
einem Bündel
von Fasern ausgebildet ist, so lange wie er eine Röhre umfasst, die
durchlässig
ist, um die angewandte Wellenlänge nach
Innen zu reflektieren. Jedoch verschwendet diese Publikation keine
Aufmerksamkeit auf die oben beschriebene Möglichkeit der fehlerhaften
Absorption, weil die Publikation auch eine intern reflexive Röhre als
eine gleichwertige Alternative zu dem obigen Stab oder der Fiberoptik
erwähnt,
die exakt derjenigen entspricht, die in 6 den Stand
der Technik zeigt. In der Tat ist der einzige Zweck einer solchen
stabförmigen,
röhrenförmigen oder
Faseroptik, wie in der genannten Publikation erklärt die Unterbringung
einer Messlücke
innerhalb eines Kanals mit großem
Durchmesser durch eine Öffnung
in der Wand zu ermöglichen,
sowie zu ermöglichen,
dass die Flächen
der Messlücke
warm bleiben und auch zu verhindern, dass Feuchtigkeit, die sich
möglicherweise
in dem großen
Flusskanal befindet, auf den Flächen
der Messlücke
kondensiert. Der in der Publikation beschriebene Aufbau ist nur
für eine
Messung der Konzentration einer einzelnen Gaskomponente geeignet,
da der Kanal nur mit einem Messstab mit einer sehr kleinen Querschnittsfläche bestückt werden
kann. Da bei dem beschriebenen Aufbau die Messlücke eine sehr kleine maximale
Länge hat,
ist dieses Ergebnis ein limitierender Faktor bei der Auswahl der
Absorptionslänge
des Messens. Es sollte auch berücksichtigt
werden, dass falls die Struktur ein Bündel von Fasern umfasst, das,
wie in dieser Publikation vorgeschlagen, in einer bekannten Weise die
unveränderte
Verteilung der dadurch verlaufenden Strahlung beibehält, es zusätzlich dazu
wünschenswert
ist, eine andere optische Komponente zum Ablenken der Strahlung
oder zum Eliminieren möglicher
Inhomogenitäten
einzusetzen, wobei es notwendig wird, Komponenten außerhalb
des Bündels
aus Fasern einzusetzen. Diese externen Komponenten und der von ihnen
benötigte
Abstand resultieren wieder in Längen
und Abständen,
die der äußeren Atmosphäre ausgesetzt
sind und deshalb einer eventuellen fehlerhaften Absorption.
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Zu
der oben erwähnten
fehlerhaften Absorption können
die folgenden detaillierteren Kommentare gemacht werden. Erstens,
ein Messfehler, der durch fehlerhafte Absorption bewirkt wird, ist
umso größer, je
stärker
die Absorption ist, die in den freien Abschnitten eines Strahlungspfades,
d. h., innerhalb von Abschnitten, die für die umgebenden Atmosphäre frei
oder offen sind, in Relation zu der Absorption auftritt, die in
einem Gasgemisch, das sich in der Probenkammer befindet, auftritt.
Eine solche fehlerhafte Absorption tritt z. B. immer dann auf, wenn
die freien oder offenen Abschnitte eines Strahlungspfads von Störgasen betroffen
sind, die Strahlung in der Messwellenlänge eines Analysierers absorbieren.
Gemäß des Lambert-Beer-Gesetzes hängt die
Stärke
einer fehlerhaften Absorption von der Konzentration eines Störgases und
der Länge
der offenen Abschnitte eines Strahlungspfades ab. Eine Fluktuation
in der Konzentration von Störgasen
erzeugt einen unbekannten Messfehler von variabler Größe, der
deshalb nicht einfach kompensiert werden kann. Zusätzlich hängt die
Größe oder
Größenordnung
eines Fehlers nicht nur von der Konzentration einer Störgaskomponente
ab, sondern auch von der Temperatur und dem Druck von Störgasen,
selbst wenn andere beteiligte Faktoren unverändert bleiben sollten. Als
Beispiel kann angeführt
werden, dass in der Luft befindliches Kohlendioxid und Wasserdampf
in vielen Fällen
zu signifikanten Messfehlern führen
kann. Auf der Basis einer vorbekannten Technologie kann der Effekt
von fehlerhafter Absorption, die an den freiliegenden Abschnitten
eines Strahlungspfades auftritt, durch jedes der folgenden Mittel
reduziert werden. Zunächst
kann der Analysierer mit einer 2-Strahl-Optik
ausgestattet werden, bei der die Infrarotstrahlung zu einem Detektor
alternierend durch eine Probenkammer und eine Referenzgaskammer
geleitet wird, und bei der die Konzentration auf der Basis der Relation
zwischen Proben- und Referenzsignalen gemessen wird. Diese Art der
Struktur ist z. B. in der oben genannten Publikation HEWLETT-PACKARD
JOURNAL, September 1981 offenbart. Jedoch erfordert dies die Verwendung
von beweglichen mechanischen Teilen, die die Größe und den Preis eines Analysierers
erhöhen
und seine Zuverlässigkeit
reduzieren. Auch wird der Sensor selbst sperrig und empfindlich
für Vibration
und andere äußere Einflüsse. Eine
zweite Option ist es, die Infrarotstrahlung-absorbierenden Störgase aus dem
Innern des Analysierers zu entfernen und die gesamte Apparatur hermetisch
abzudichten. Dies ist praktisch schwierig, reduziert die Anzahl
von mechanischen strukturellen Alternativen für einen Analysierer und erhöht seinen
Preis. Wie oben im Zusammenhang mit kleineren Komponenten aufgezeigt,
ist die hermetische Abdichtung des weiteren problematisch und die
Abdichtung eines vollständigen
Analysierers ist somit grundsätzlich
nicht möglich.
Eine dritte Option ist, dass der Analysierer fast hermetisch abgedichtet
wird und Materialien darin eingebracht werden, die Störgase binden.
Selbst eine solche nahezu hermetische Abdichtung ist schwierig umzusetzen und
erhöht
den Preis eines Analysierers. Um eine ausreichend lange Betriebsdauer
der Störgas-bindenden
Materialien zu erreichen, müssen
solche Materialien innerhalb des Analysieres einen großen Raum
einnehmen, was zu großen
Analysierern führt, und
der Bediener muss darüber
hinaus die zeitlich festgelegten Ersetzungen dieser Materialien überwachen.
Eine vierte Option ist es, die Länge
der freien Abschnitte des Strahlungspfades in der Richtung eines
Messstrahls in Bezug zu der Länge
einer Probenkammer zu reduzieren. Dies wird jedoch die strukturellen
Alternativen eines Analysierers und z. B. die Anzahl von analysierbaren
Gasen reduzieren. In vielen Fällen
ist die Anzahl von zu analysierenden Gasen praktisch auf eines und
theoretisch vielleicht auf zwei beschränkt, sofern nicht die Bemühungen, elektronische
Komponenten zu entwickeln, zu zukünftigen Strahlungsquellen und
Detektoren führen, die
wesentlich kleiner als bisher sind. Eine fünfte Option ist es, in das
Innere eines Analysierers ein schützendes Gas einzubringen, das
keine Störgase
enthält.
Dies erfordert jedoch eine Zufuhranordnung für ein schützendes Gas und möglicherweise
auch einen austauschbaren Behälter
für das
schützende
Gas und die Vorrichtung wird somit sehr sperrig und schwierig zu
benutzen sein.
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Die
Verteilung von Strahlung auf eine Anzahl von Detektoren kann in
einer vorbekannten Weise unter Verwendung von Faseroptiken erreicht
werden, so wie es in der Veröffentlichung
US-5, 254, 858 offenbart ist, wobei ein Abschnitt der freien Länge eines Strahlungspfades
aus diesen optischen Fasern aufgebaut sein kann. Dennoch erfordert
selbst diese Ausführungsform
wenigstens zwischen einer Probenkammer und der Faseroptik einen
Konzentrator oder eine ähnliche
Komponente und möglicherweise einen
entsprechenden Lichtleiter zwischen einer Strahlungsquelle und der
Probenkammer, um eine Strahlungsverteilung so homogen wie möglich zu
erzeugen. Eine ähnliche
Verteilung von Strahlung auf einer Anzahl von Detektoren ist im
Patent FI-95322 unter
Verwendung einer verzweigten Wellenröhrenstruktur umgesetzt. In
diesen beiden Fällen
ergeben sich im Strahlungspfad, der zum Messen verwendet wird, jedoch
wesentliche freie Abschnitte, die Störgasen ausgesetzt sind, insbesondere
Konzentratoren bei der früheren
Publikation und insbesondere Wellenröhren bei der späteren Publikation.
Auch offenbart die Publikation DE-32 43 776 eine zusätzliche Konstruktion
in einem Gerät
zum Ermitteln der Bestandteile eines Atmungsgases mittels optischer
Absorption, bei der das Licht einer Lichtquelle wenigstens in einen
Teil einer Atmungsgasröhre
eindringt und auf einen Detektor fällt, der für eine ermittelte Wellenlänge empfindlich
ist, wobei die Lichtquelle einerseits und der Detektor andererseits über ein
Lichtkabel in das Mundstück
für einen
Patienten optisch eingreifen. Zu diesem Zweck sind zwei Lichtkoppler einander
gegenüberliegend
in der zylinderförmigen Wand
des Mundstücks
für den
Patienten angebracht und mit den Lichtkabeln verbunden. Die anderen
Enden der Lichtkabel sind durch zwei weitere Lichtkoppler jeweils
an die Messeinheit und Lichtquelle eines Analysiergeräts 9 angeschlossen.
Die Lichtkonzentratoren, so wie z. B. in der oben erwähnten US-5,254,858
offenbart, oder andere optische strahlenbildende Mittel werden in
dieser DE-Publikation nicht gezeigt.
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Die
Publikation FR-2 592 165 offenbart ein Gerät zum Steuern des Verhältnisses
von Treibstoffvolumen zu Luftvolumen in Abgasen einer Verdichtungsmaschine.
Die Publikation offenbart eine elektromagnetische, z. B. ultraviolette,
Strahlungsquelle mit einem vor ihr angeordneten Kollimator und einen elektromagnetischen
Strahlungssensor mit einer vor ihm angeordenten Fokuslinse. Die
Detektionsanordnung des Geräts
ist eingerichtet, um aus einem Teil der Abgase wenigstens einen
Parameter zu ermitteln, der direkt die Qualität der Verdichtung des Luft/Treibstoff-Gemischs
betrifft, wobei einer der Parameter z. B. mit der speziellen Eigenschaft
der Absorption ultravioletter Strahlung durch die Tracer in Zusammenhang
steht, wie z. B. aromatische Verbindungen (Toluol-Benzol), die in
dem Treibstoff existieren oder in ihn eingebracht werden. Das/die
optische(n) System(e) der Detektionsanordnung ist/sind mit wenigstens
einem Lichtleiter ausgestattet. Der Lichtleiter ist insbesondere
ein Stab aus Kieselglas, das einer hohen Temperatur widersteht und
eine gute Durchlässigkeit
für z.B.
UV-Strahlung besitzt. Die beiden Flächen der Lichtleiter in dem
Gasfluss haben hohe Temperaturen, weshalb diese beiden Flächen einem
selbstreinigenden Prozess ausgesetzt sind, der durch eine Pyrolyse
bewirkt wird, die auf diese Weise das ganze komplizierte System
des Reinigens der Flächen überflüssig macht.
Des weiteren ist wenigstens eine der Flächen des Lichtleiters abseits
des Gasflusses mit einer Verbindung aus "Luminophoren" beschichtet, die die von der Strahlungsquelle kommenden
Wellenlängen
in das langwellige Band des Spektrums konvertieren.
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Ein
Hauptziel dieser Erfindung ist deshalb, ein solches zusätzliches
Merkmal bereitzustellen, das zur Verwendung in optischen Messsensoren
für die
spektroskopische Analyse von Medien geeignet ist, wenn die Distanz
zwischen einer Probenkammer, die ein zu vermessendes Gasgemisch
umfasst, und einer Strahlungsquelle und/oder die Distanz zwischen
der Probenkammer und einem Detektor beide oder jede einzeln so lang
sein können,
wie es andernfalls das Messsystem erfordert, um dadurch die oben
beschriebene, durch Störgase
bewirkte, fehlerhafte Absorption so gründlich wie möglich zu
vermeiden. Ein zweites Ziel der Erfindung ist es, den obigen Typ
des zusätzlichen
Merkmals bereitzustellen, das dadurch eine erwünschte optische Behandlung
von Strahlung, die in die Probenkammer eintritt und/oder aus der
Probenkammer austritt, ermöglicht,
wie z. B. deren Ausrichtung oder Verteilung oder Ausgleich, ohne
optische Einschränkungen
und im Hinblick auf eine gegebene erwünschte Anzahl von Detektoren. Ein
drittes Ziel der Erfindung ist dieser Typ des zusätzlichen
Merkmals, das an keinem Teil der Vorrichtung eine gasdichte Struktur
entlang des Pfads der Messstrahlung erfordert, außer natürlich an
der möglichen
Probenkammer. Ein viertes Ziel der Erfindung ist es, dass die Absorptionslänge einer
Messung und die Querschnittsfläche
der Strahlung durch ein zu untersuchendes Gasgemisch soweit wie
möglich
ausgewählt
werden kann, um für
einen gegebenen Zweck geeignet zu sein. Es sollte somit möglich sein, die
Absorptionslänge
im Hinblick auf eine zu messende Gaskomponente und deren auftretende
Konzentrationen und der Querschnittsfläche auszuwählen, um Fehler zu vermeiden,
die durch Verunreinigung etc. auftreten, sowie, falls nötig, um
die Messung verschiedener Gaskomponenten auch nicht-streuend zu ermöglichen.
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Die
obigen Nachteile können
vermieden werden und die oben definierten Ziele können erreicht werden
mittels eines zusätzlichen
Merkmals der Erfindung, das gekennzeichnet ist durch den Kennzeichenteil
des Anspruchs 1. Ein Verfahren der Erfindung zum Herstellen solch
eines zusätzlichen
Merkmals ist gekennzeichnet durch den Kennzeichenteil des Anspruchs
12.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass es bei Verwendung eines durch sie
bereitgestellten zusätzlichen
Merkmals möglich
ist, einen Analysierer ohne bewegliche Teile bereitzustellen, während der
Effekt von Störgasen,
die möglicherweise
in der umgebenden Atmosphäre
oder dergleichen enthalten sind, auf die Messergebnisse entweder
vollständig
oder wenigstens in einem solchen Umfang eliminiert werden kann,
dass sie im Zusammenhang mit Messergebnissen keine Signifikanz aufweisen.
Ein zweiter Vorteil der Erfindung ist, dass dieses Ergebnis erreicht wird,
während
gleichzeitig die Längen
eines Strahlungspfades von einer Probenkammer zu einer Strahlungsquelle
und jeweils zu einem Detektor oder Detektoren so lang sein kann,
wie es andererseits das Messsystem erfordert, und gleichzeitig kann
der Messstrahl an der Messkammer eine so große Querschnittsfläche haben,
wie es das Messsystem andererseits erfordert. Tatsächlich ist
es oft vorteilhaft, den Messstrahl mit einer Querschnittsfläche bereitzustellen,
die einen Durchmesser von mehr als ungefähr 5 mm oder sogar mehr als
ungefähr
10 mm hat. Es ist also möglich,
entweder so viele Filter-Detektor-Pfade wie notwendig nicht-streuend anzuordnen,
oder, alternativ, eine streuende Anordnung bereitzustellen und damit
ist es möglich,
falls notwendig, eine, zwei oder eine Vielzahl von Gaskomponenten
zuverlässig und
in einer optimalen Weise zu messen, selbst wenn die umgebende Atmosphäre alle
diese Störkomponenten
enthalten sollte. Ein vierter Vorteil der Erfindung ist, dass der
Analysierer selbst oder ein beliebiges Teil von ihm – natürlich mit
der Ausnahme der eigentlichen Probenkammer – nicht gasdicht abgedichtet
sein muss und es keine Notwendigkeit gibt, Behälter oder Ausstattungen vorzusehen,
die schützende
Gase betreffen. Ein fünfter
Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Absorptionslänge einer
Probenkammer ausgewählt
werden kann, um im Hinblick auf jede gegebene Messung optimal zu
sein. Ein sechster Vorteil der Erfindung ist, falls erwünscht, dass
die kennzeichnenden Aspekte eines von ihr bereitgestellten Merkmals
für das
Leiten und/oder Ausrichten und/oder Verteilen von Licht wie gewünscht verwendet
werden können,
um dadurch den Bedarf an möglichen
anderen zusätzlichen
Komponenten in einem Messsensor zu eliminieren. Ein siebter Vorteil
der Erfindung ist, dass unter Verwendung eines durch sie bereitgestellten
zusätzlichen
Merkmals der Effekt der Störgase
insbesondere im infraroten Bereich eines elektromagnetischen Spektrums
eliminiert werden kann, selbst falls die Messung nur eine Gaskomponente
oder sogar verschiedene Gaskomponenten mit sehr engen Wellenlängenbändern oder
breiteren Wellenlängenbändern einschließen sollte.
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Die
Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben:
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines nicht-streuenden Messsensors, der ein zusätzliches Merkmal der Erfindung
zum Messen der Konzentration einer einzelnen Gaskomponente in einem längsgerichteten
Abschnitt in Richtung der sich fortbewegenden Strahlung umfasst;
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
für einen
nicht-streuenden Messsensor, die ein zusätzliches Messmerkmal der Erfindung
zum Messen der Konzentration einer einzelnen Gaskomponente umfasst,
in einer mit 1 identischen Ansicht;
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
für einen
nicht-streuenden Mess sensor, die ein zusätzliches Merkmal der Erfindung
zum Messen der Konzentrationen von gegebenen erwünschten Gaskomponenten umfasst,
in einer mit den 1 – 2 identischen
Ansicht;
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4 zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines nicht-streuenden Messsensors, die ein zusätzliches Merkmal der Erfindung
zum Messen der Konzentration von zwei Gaskomponenten umfasst, in
einer mit den 1 – 3 identischen
Ansicht;
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5 zeigt
einen verschiedenen Typ einer fünften
Ausführungsform
für einen
nicht-streuenden Messsensor, die ein zusätzliches Merkmal der Erfindung
zum Messen von zwei Gaskomponenten umfasst, in einer mit den 1 – 4 identischen
Ansicht;
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6 zeigt
einen Messsensor des Standes der Technik, der einsetzbar ist zum
Messen der Konfrontation einer einzelnen Gaskomponente und der nicht
ein zusätzliches
Merkmal der Erfindung umfasst;
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7 zeigt
eine sechste Ausführungsform für einen
nicht-streuenden Messsensor, die ein zusätzliches Merkmal der Erfindung
zum Messen der Konzentration von zwei Gaskomponenten umfasst, in
einer mit 4 identischen Ansicht;
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8 zeigt
eine siebte Ausführungsform
für einen
nicht-streuenden Messsensor, die verschiedene Details zum Messen
der Konzentration von zwei Gaskomponenten umfasst, in einer mit 4 identischen
Ansicht;
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Die 9 und 10 zeigen
Querschnitte von nicht-homogenen Materialien, die in den Ausführungsformen
der 7 und 8 verwendet werden und einen
Zweig eines Lichtleiters füllen.
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Die 1 – 5 zeigen
einige Messsensorstrukturen, die zur spektroskopischen Analyse von
Medien und insbesondere Gasgemischen verwendet werden und die mit
einem zusätzlichen
Merkmal gemäß der Erfindung
ausgestattet sind. Zunächst
umfasst der Messsensor grundsätzlich
eine per se bekannte Probenkammer 2 für ein zu analysierendes Gasgemisch,
wobei die Probenkammer mit Flussverbindungen 5 und 6 zum
Zirkulieren des zu untersuchenden Gasgemisches durch die Probenkammer
ausgestattet ist. In diesem Fall wird das zu analysierende Gasgemisch
entweder von der Umgebung oder von einem ein Gasgemisch enthaltenden Schlauch
oder von einem es enthaltenden Tank zu der Flussverbindung gebracht.
Dieser Typ von Probenkammer-Ausführungsform
ist in den 1 – 5 und 7 illustriert.
Alternativ kann auf die Flussverbindungen und die Wände einer
Probenkammer verzichtet werden, um einen zur Umgebung offenen Probenraum 2 zu
bilden, so wie in 8 dargestellt. In diesem Fall
muss wenigstens der Probenraum 2, der auch als eine Probenkammer
angesehen werden kann, sei es auch eine ohne Wänden, in einem Raum enthalten
sein, in dem die Konzentrationen einer Gasgemischkomponente oder
von Komponenten gemessen werden. Die in dem Raum stattfindende Bewegung
eines Gasgemisches, sei sie nun stark oder schwach, stellt also
in sich selbst einen ausreichenden Turnover in der Probenkammer
bzw. dem Probenraum bereit. Die Umgebungen, in denen der obige Typ
eines Probenraums 2 eingerichtet werden kann, können Außenräume, z.
B. zum Überwachen
von Stadtluft, Innenräume
zum Detektieren giftiger oder schädlicher Komponenten, ein Gasbehälter oder
ein Flussrohr zum Detektieren von Veränderungen in einer darin enthaltenen
Gasmischung etc. sein. Die Probenkammer und der Probenraum sind mit
wenigstens zwei Fenstern 3a und 3b ausgestattet,
die für
die angewandte Strahlung durchlässig sind,
wobei die inneren Flächen
der Fenster eine Absorptionslänge
L1 zum Messen definieren. Die Fenster 3a und 3b der
Probenkammer 2 haben also innere Flächen 13a und 13b zum
Halten einer zu analysierenden Gasmischung zwischen ihnen, und die
Absorption von Strahlung durch eine zu messende Gaskomponente, die
verwendet wird, um ein Messergebnis mittels eines Detektors 9 zu
erzeugen, tritt nur in einem nachfolgend beschriebenen System oder
einer Anordnung der Erfindung entlang dieser Absorptionslänge L1 auf.
In den illustrierten Ausführungsformen
sind die Fenster 3a und 3b parallel und einander gegenüberliegend
angeordnet, können
aber auch in einem Winkel zueinander in einer Weise angeordnet sein,
die in den Figuren nicht gezeigt ist, wobei der Messstrahl von der
gegenüberliegenden,
geeignet ausgebildeten Wand der Probenkammer reflektiert wird. Andere
Ausgestaltungen der Probenkammer 2 sind auch denkbar, aber
in jedem Falle umfassen sie zwei strahlungsdurchlässige Fenster,
eines zum Hineiführen
der Messstrahlung in die Probenkammer und das andere zum Herausführen der
Strahlung aus der Probenkammer. Die Ausführungsform der 8 ist
auch mit Fenstern 3a und 3b ausgestattet, wobei das
näher bei
der Strahlungsquelle liegende Fenster 3a ein Element umfasst,
das aus einem physikalischen Material wie oben beschrieben gefertigt
ist, wie z. B. einem Abschnitt der hermetischen Ummantelung einer
Strahlungsquelle, wobei das näher
an einem Detektor liegende Fenster 3b aber ein sogenanntes
virtuelles Fenster ist. Dieses virtuelle Fenster 3b umfasst
einen Eingang für
einen dahinter positionierten Lichtleiter 4e, d. h. eine
Apertur an einem Lichtleiterende 15, das näher an der
Zugriffseite der Strahlung liegt, und umfasst in diesem Fall kein
Element aus physikalischem Material. Die Absorptionslänge L1 kann
jedoch eingerichtet sein, um an dieser Schnittstelle, d. h. dem
immateriellen zweiten Fenster, zu enden, da der Lichtleiter mit
einer bestimmten Einlass-Apertur ausgestattet ist, wobei innerhalb
des Lichtleiters 4e die Fortschreit-Charakteristik der Strahlung R von derjenigen
entlang der Absorptionslänge
unterschiedlich ist. Es ist offensichtlich, dass das näher bei
einer Strahlenquelle liegende Fenster 3a ebenso der obige
Typ von virtuellem Fenster sein kann bzw. ist, wann immer die Fragestellung
eine offene Strahlungsquelle betrifft. In diesem Fall stellt die offene
emittierende Fläche
einer Strahlungsquelle dieses virtuelle Fenster 3a bereit.
Dieser Typ von Probenkammerausgestaltung ermöglicht die Auswahl einer geeigneten
Absorptionslänge
L1 zu einer gegebenen Zeit und die Verwendung einer geeigneten Fenstergröße, wobei
die Probenkammer somit für
den Typ, die Konzentration und Anzahl von zu messenden Gasen optimiert
werden kann.
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Der
Messsensor umfasst eine Strahlenquelle 1, wobei die durch
sie emittierte Strahlung durch ein erstes Fenster 3a, eine
Absorptionslänge
L1 in einer Probenkarnmer 2 und weiter durch ein zweites
Fenster 3b verläuft.
Normalerweise umfasst die Strahlungsquelle L1 eine a priori bekannte
oder neuartige Struktur, die infrarote Strahlung in einem breiten
oder engeren Wellenlängenbereich
emittiert. Zusätzlich umfasst
der Messsensor einen oder eine Vielzahl von Detektoren 9, 9a, 9b,
die optisch diesem zweiten Fenster zugewandt sind, d. h., so wie
in den Figuren gezeigt, direkt in Richtung des Fensters oder mittels Spiegeln
oder Linsen, was einfach zu bewerkstelligen ist. Zwischen der Strahlungsquelle 1 und
jedem Detektor 9 liegt entweder ein optisches Filter 8 oder Filter 8a, 8b die
für ein
bestimmtes Wellenlängenband
durchlässig
sind, d. h. das Absorptionsband eines beliebigen gegebenen zu messenden
Gases oder einer Gaskomponente. In der Praxis sind die Filter 8, 8a – 8b Interferenzfilter,
die in der Lage sind, eine exakte Definition des Absorptionsbandes
und deshalb des Messbandes auszubilden, wenn die Ebene dieser optischen
Bandpass-Filter im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptstrahlungsrichtung
R ist. Dies resultiert in einem nicht-streuenden Messsensor, der
entweder ein einzelnes Filter-Detektor-Paar so wie in den 1 und 2 gezeigt
umfasst, oder, wie in den 4 und 5 gezeigt,
eine Anzahl von Filter-Detektor-Paaren. Es ist offensichtlich, dass,
falls notwendig, es ebenso möglich
ist, dass die Anzahl von eingesetzten Filter-Detektor-Paaren größer als
die illustrierten beiden ist, z. B. drei oder vier, um die gewünschte Gaskomponenten zu
detektieren und deren Konzentration zu ermitteln. Es ist auch möglich, ein
Gerät 28 zu
einzusetzen, wie z. B. ein Gitter, das die Streuung von Strahlung
erzeugt, die in einer per se bekannten Art und Weise gemäß eines
Gittertyps relativ zu der Hauptstrahlungsrichtung R in einer Richtung
S manipuliert oder ausgelenkt wird, um den Detektor 9 mit
der spektralen Verteilung von Strahlung eines größeren oder breiteren Bereichs
auszustatten. Es ist auch möglich, das
Gitter oder dergleichen stationär
zu halten und den Detektor 9 relativ dazu zu manipulieren.
Das Gerät 8,
das die Verteilung von Strahlung erzeugt, kann nicht nur zwischen
der Probenkammer 2 und dem Detektor 9 wie in 3 gezeigt
angeordnet sein, sondern auch zwischen der Probenkammer 2 und
der Strahlungsquelle 1, was in den Figuren nicht gezeigt ist.
Des weiteren ist im Falle der 2, in der
die Messung über
nur einem einzelnen Wellenlängenband
ausgeführt
wird, der optische Bandpassfilter 8 zwischen der Strahlungsquelle 1 und
der Probenkammer 2 angeordnet. In dem Fall der 1 ist
es auch möglich,
diese Filterposition wie in 2 gezeigt
anzuwenden.
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In
den meisten praktischen Fällen
ist zwischen der Innenfläche 13a des
ersten Probenkammerfensters 3a und der Strahlungsquelle
eine erste Distanz oder Länge
L2 und/oder L2a und/oder L2b, und zwischen der Innenfläche 13b des
zweiten Fensters 3b und dem Detektor 9 oder einer
Anzahl von Detektoren ist eine zweite Länge L3, wobei die Längen oder
Distanzen insgesamt wenigstens 20% der Absorptionslänge L1 der
Probenkammer ausmachen. Falls die Strahlungsquelle nicht mit einer
Haube ausgestattet ist, werden diese Längen von einem Faden oder dergleichen
aus gemessen, der in der Quelle enthalten ist. Falls die Strahlungsquelle
wie eine normale Birne hermetisch innerhalb einer Haube 31 abgedichtet
ist, werden diese Längen
von der nächsten
mittleren Fläche
der Haube 31, d. h. von der Fläche, die der Probenkammer am
nächsten liegt,
gemessen, und bei einem Spiegels 10 von der Fläche, die
von der Probenkammer abgewandt ist, wobei die Distanz zwischen den
gegenüberliegenden Seiten
der Haube auf dem Rückweg
ignoriert wird, so wie es in den Figuren anhand der Längen L2a
und L2b gezeigt ist. Natürlich
kann die Strahlungsquelle von der Art sein, die mit keinem Spiegel
ausgestattet ist, wobei der Abschnitt L2b nicht existiert. Die Erfindung
bietet Vorteile, die umso signifikanter werden, je länger die
erste Länge
L2 und/oder zweite Länge
L3 im Hinblick auf die Probenkammer-Absorptionslänge L1 ist. Die Erfindung wird
also insbesondere bei Messsensoren bevorzugt, die mit den in den 1 – 5 gezeigten
Lichtleitern 4a – 4f ausgestattet
sind und insbesondere mit den in den 1 – 5 gezeigten
echten Wellenröhren 4d, 4e und 4f.
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Es
ist besonders vorteilhaft, ein festes Material der Erfindung in
einem solchen Messsensor einzusetzen, in dem wenigstens eine der
ersten Länge L2
zwischen der Innenfläche 13a des
ersten Fensters und der Strahlungsquelle und/oder der zweiten Länge L3 zwischen
der Innenfläche 13b des
zweiten Fensters und dem Detektor 9 bzw. den Detektoren 9a – 9b wenigstens
ungefähr
40% der Absorptionslänge L1
beträgt.
In den meisten praktischen Anwendungen garantiert oder wenigstens
bietet die Verwendung eines festen Materials der Erfindung einen
signifikanten Vorteil, falls wenigstens eine dieser Längen, entweder
die erste Länge
L2 oder die zweite Länge
L3, wenigstens ungefähr
das 1,5-fache der Absorptionslänge
L1 beträgt.
In der Praxis ist die Verwendung eines festen Materials 7 der
Erfindung unvermeidbar, falls wenigstens eine dieser beiden Längen, entweder
die erste Länge
L2 und/oder die zweite Länge
L3, ungefähr
das 5-fache der Absorptionslänge
L1 oder mehr beträgt.
Die obigen Werte treffen zu, wann immer die umgebende Atmosphäre ungefähr herkömmlich ist,
so dass Personen ihr in ihrer normalen Lebensumgebung und insbesondere
in einem Krankenhaus-Operationssaal ausgesetzt sind. Falls der Messsensor
in Einrichtungen und einer Umgebung verwendet wird, in der außergewöhnlich hohe
Konzentrationswerte von Störgasen
möglich sind,
d. h. hohe Konzentrationswerte von solchen Gasen, die eine Detektion
des Vorhandenseins einer zu untersuchenden Gaskomponente und ihrer
Konzentrationsmessergebnisse beeinflussen, wie z. B. eine Menge
Kohlendioxid oder Wasserdampf oder andere nachteilige Gaskomponenten,
ist die Verwendung eines festen Materials der Erfindung wichtig und
hat eine hohe Signifikanz, selbst bei eher geringen Werten der ersten
Länge L2
und/oder der zweiten Länge
L3.
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Gemäß der Erfindung
besteht die erste Länge
L2 zwischen der Innenfläche 13a des
ersten Probenkammerfensters und der Strahlungsquelle 1 und ihre
möglichen
Unterabschnitte L2a und/oder L2b aus einem festen Material 7,
das für
die angewandten Strahlungswellenlängen durchlässig ist, wobei das feste Material
im wesentlichen alle anderen Abschnitte des Strahlungspfades abdeckt,
außer
denjenigen, die möglichen
Gasfiltern, Auslösern
und/oder dergleichen zugewandt sind. Gemäß der Erfindung besteht dementsprechend
die zweite Länge
L3 zwischen der inneren Fläche 13b des
zweiten Probenkammerfensters 3b und dem Detektor 8 oder
den Detektoren 8a – 8b aus
einem festen Material 7, das für die angewandten Strahlungswellenlängen durchlässig ist,
wobei das Material im wesentlichen alle anderen Abschnitte des Strahlungspfades
bedeckt, außer
denjenigen, die möglichen
Gasfiltern 18, Auslösern,
wie z. B. ein Gitter, einem Prisma oder anderen Streuung erzeugenden
Elementen 28, einem möglichen
offenen Strahlungsverteilungsabschnitt 29 in einer Wellenröhrenkombination
und/oder dergleichen zugewandt sind. Gemäß der Erfindung ist des weiteren dieses
für die
angewandte Strahlungswellenlänge durchlässige feste
Material 7 wenigstens in der Richtung, die senkrecht zu
der Hauptstrahlungsrichtung R ist, so homogen wie möglich. Es
sollte berücksichtigt werden,
dass im Falle, dass die Strahlungsquelle in der Haube 31 so
wie in 1 und 5 gezeigt hermetisch eingeschlossen
ist, die erste Länge
L2 und die zweite Länge
L3 natürlich
mit dem festen Material 7 in denjenigen Abschnitten gefüllt ist,
die außerhalb der
Haube 31 der Strahlungsquelle 1 liegen. Mit anderen
Worten braucht die Distanz zwischen den Flächen der Haube 31 der
Strahlungsquelle 1, die in der Strahlungsrichtung R einander
gegenüber
liegen, nicht berücksichtigt
werden. Falls der Detektor 8, 8a – 8b etc.
hermetisch eingeschlossen ist, was normalerweise der Fall ist, ist
es dementsprechend nicht notwendig, sich über die Distanz zwischen dem
Detektorfenster 32 und der strahlungsempfindlichen Fläche Gedanken
zu machen, sondern die zweite Länge
L3 kann durch das Detektorfenster 32 gemessen werden. Falls
die Strahlungsquelle 1 wie in den 2 und 3 haubenlos
ist, muss die zweite Länge
L3 zunächst
als die Distanz L2a zwischen der emittierenden Fläche oder
dem Faden der Strahlungsquelle 1 und der inneren Fläche 13a des,
ersten Probenkammerfensters berücksichtig
werden, und zusätzlich
ist es notwendig, falls es einen Spiegel 10 hinter der
Strahlungsquelle 1 gibt, die Distanz zu berücksichtigen,
die von der Strahlung zu der inneren Fläche des ersten Fensters zurückgelegt
wird, d. h. die in 3 gezeigte Distanz L2b. Korrespondierende
Distanzen oder Längen
entwickeln sich auch in Verbindung mit einer mit einer Haube ausgestatteten Strahlungsquelle
und einem Spiegel 10 wie in 5, wobei
die einzige zu ignorierende Distanz diejenige ist, die, wie oben
beschrieben, zwischen den gegenüberliegenden
Flächen
der Haube liegt. In der nachfolgenden Beschreibung wird jedoch die
Bezeichnung erste Länge
L2 auch verwendet, um den kombinierten Effekt dieser beiden Teillängen L2a
und L2b, der im vorhergehenden Satz beschrieben ist, anzuzeigen,
sowie die Längen
anzuzeigen, die zu der Haube 31 von sowohl einer eingeschlossenen
als auch einer offenen Strahlungsquelle 1 gemessen werden.
Dementsprechend verwendet die nachfolgende Beschreibung den Begriff
zweite Länge
L3, um alle Distanzen zu dem Detektor 9 zu bezeichnen, unabhängig davon,
ob der Pfad Gasfilter 18, Auslöser, wie z. B. Gitter 28 und/oder
Strahlungsverteilungsabschnitte 29, in den Figuren nicht
gezeigte Spiegel umfasst, sowie zu dem Fenster 32 eines
eingeschlossenen Detektors, sowie zu der photosensitiven Oberfläche eines
nicht-eingeschlossenen Detektors.
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Da
gemäß der Erfindung
das für
die angewandten Wellenlängen
durchlässige
feste Material in der Richtung senkrecht zu der Hauptstrahlungsrichtung
R so homogen wie möglich
ist, kann die Strahlung mit einem beliebigen gegebenen optischen
Mittel genauso manipuliert werden, als ob die erste Länge L2 und
die zweite Länge
L3 aus einem Gas oder Vakuum bestehen würden, da ein solches in senkrechter
Richtung homogenes Material 7 die Strahlung nicht in sich
selbst in eine beliebige gegebene Richtung leitet. Die Leitung von
Messstrahlung kann somit wie gewünscht
relativ frei geplant werden, wobei der besonders beachtenswerte
Faktor natürlich ein
gegebener Brechungsindex des festen Materials und seine Differenz
zu den Brechungsindizes von anderen optischen Komponenten ist. Dies
erfordert jedoch nur, dass die Ausgestaltung von optischen Komponenten
gemäß der Differenz
zwischen den Brechungsindizes berechnet wird, z. B. mit ansonsten
bekannten Mitteln. Das feste Material 7 der Erfindung kann
zunächst
entweder das Material des ersten Probenkammerfensters so wie in 1 umfassen,
in der das Material dieses erste Fenster 3aa bildet und
sich vorzugsweise als ein einzelnes Element von der Innenfläche 13a des
Fensters in Richtung der Strahlungsquelle 1 und typischerweise
so nahe an sie heran wie möglich
erstreckt. Das Ergebnis auf der Seite, die näher an der Strahlungsquelle
liegt, ist ein sehr dickes Probenkammerfenster 3aa, mit
einer Dicke, die in diesem Fall mit einer Länge L4 für eine nachfolgend beschriebene
Wellenröhre übereinstimmt.
Exakt in der gleichen Weise kann das feste Material 7 das
Material des zweiten Probenkammerfensters umfassen, dass sich vorzugsweise
in einem einzelnen Element von der Innenfläche 13b des zweiten
Fensters in Richtung des Detektors 9 oder der Detektoren 9a – 9b zum
Erzeugen eines sehr dicken zweiten Fensters 3bb so wie
in 5 gezeigt erstreckt. Diese dicken Fenster 3aa und 3bb bedecken
wenigstens einen wesentlichen Abschnitt entweder der ersten Länge L2 und/oder
der zweiten Länge
L3. In dem Fall der 1 erstreckt sich das erste dicke
Fenster 3a im wesentlichen über den gesamten Weg zu der
Strahlungsquelle 1 und bedeckt die erste Länge L2 fast
vollständig,
während
in dem Fall der 5 das zweite dicke Fenster 3bb nur
einen Teil bedeckt, d. h. ungefähr
die Hälfte
der zweiten Länge
L3. Es ist offensichtlich, dass das dicke erste Fenster und/oder
das dicke zweite Fenster auch einen beliebigen anderen Abschnitt
von einer oder beider Längen
L2 und/oder L3 bedecken kann. Eine andere Alternative ist es, als
festes Material 7 ein separates Element einzusetzen, das
aus dem Material des Probenkammerfensters gefertigt ist, mit einer Gestalt,
die angepasst ist, mit jeder gegebenen benötigten Form übereinzustimmen.
Dieses Element wird z. B. zwischen einer äußeren Fläche 14a des ersten Probenkammerfensters 3a und
der Strahlungsquelle angeordnet, so wie in 5 zwischen
dem Spiegel 10 und der Strahlungsquelle 1, um
den Abschnitt L2b der ersten Länge
zu abzudecken oder auszufüllen.
In ähnlicher
Weise ist es möglich,
das gleiche Material wie das Material des Probenkammerfensters einzusetzen
und es in einer geeigneten Form und einer geeigneten Größe zwischen
einer äußeren Fläche 14b des
zweiten Probenkammerfensters 3b und dem Detektor 9 oder
den Detektoren 9a – 9b anzuordnen, wobei
es einen wesentlichen Abschnitt der zweiten Länge L3 füllt. Diese Art der Lösung ist
z. B. in 1 dargestellt, in der zwischen
der Probenkammer 2 und der Filter-Detektor-Anordnung 8, 9 ein
zylinderförmiges
Element des Materials der Erfindung als ein Lichtleiter 4e innerhalb
eines Gehäuses 20 eingepasst
ist, wobei das Element eine Länge
hat, die z.B. eine Wellenröhrenlänge L4 bildet,
sowie in 4 dargestellt, in der einer
der Zweig-Abschnitte mit einem festen Material 7 in der
gleichen Weise wie in 1 gefüllt ist, d. h. ein Zweig 36b,
der sich zu einer Filter-Detektor-Anordnung 8b, 9b eines
Lichtleiters 4e stromabwärts des Strahlverteilungsabschnitts 29 der Probenkammer 2 der
Strahlungsrichtung folgend erstreckt, wobei die Zweige in diesem
Fall nachfolgend beschriebene Wellenröhren umfassen. In dem letztgenannten
Fall wird nur ein Teil der Länge
L4 des Lichtleiters 4e mit dem Material der Erfindung gefüllt oder
bedeckt, wobei nur einer seiner Zweige berücksichtigt wird.
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Das
feste Material 7 der Erfindung kann auch einige andere
feste Materialien umfassen, die für die angewandten Strahlungswellenlängen durchlässig sind, und
die einen Umriss haben, der mit jeder gegebenen Form und Größe übereinstimmt,
wobei das Material zwischen der äußeren Fläche 14a des
ersten Fensters der Probenkammer 2 und der Strahlungsquelle 1 oder
zwischen der äußeren Fläche 14e des
zweiten Fensters 3b und dem Detektor 9 oder den
Detektoren 9a – 9b angeordnet
ist. Bei dieser Lösung
kann das feste Material 7 in direktem Kontakt mit einem
oder beiden Fenstern stehen, so wie mit Fenster 3b in 3,
oder es kann eine Lücke
zwischen selbigem und dem Fenster oder den Fenstern bestehen, so
wie anhand des Fensters 3b in den 2 und 4 gezeigt.
Jedoch ist die am meisten bevorzugte Lösung, alle Lücken, in
die die umgebende Atmosphäre
in die Strahlungsrichtung R eindringen könnte, innerhalb der Länge eines
Strahlungspfads so klein wie möglich
auszubilden. Die erste Länge
L2 zwischen der Innenfläche 13b des
ersten Fensters 3a der Probenkammer 2 und der
Strahlungsquelle 1 oder, in einem alternativen Fall, der hermetisch
abdichtenden Strahlungsquellenhaube 31 ist somit so kompakt
wie möglich
mit dem Festmaterial 7 gefüllt, das für die angewandten Strahlungswellenlänge durchlässig ist. Ähnlich ist
die zweite Länge
L3 zwischen der Innenfläche 13b des
zweiten Probenkammerfensters 3a und dem Detektor 9 bzw. den
Detektoren 9a – 9b oder,
in einem alternativen Fall, einer den Detektor hermetisch abdichtenden Haube 32,
so kompakt wie möglich
mit dem festen Material 7 gefüllt, das für die angewandten Strahlungswellenlängen durchlässig ist.
Dies ist ein geeignetes zu verfolgendes Ziel und es ist möglich, jedes Mittel
anzuwenden, das in den vorhergehenden Absätzen beschrieben ist, d. h.
durch Bereitstellen der Probenkammer mit solch einem dicken ersten
Fenster oder zweiten Fenster oder beiden Fenstern, oder durch Einsatz
des Materials der Probenkammerfenster oder einiger anderer nachfolgend
beschriebener Materialien, um strukturelle Komponenten auszubilden,
die zwischen den äußeren Flächen 14a und 14b der
Probenkammerfenster 3a, 3b und der Strahlungsquelle 1 bzw.
dem Detektor 9 so wie oben beschrieben angeordnet sind.
Hier sollte jedoch angemerkt werden, dass, falls die Konzentration
einer Störgaskomponente
in der umgebenden Atmosphäre in Bezug
auf die Konzentration der gleichen Gaskomponente in einem zu analysierenden
Gasgemisch relativ klein ist – was
z.B. der Fall ist bei Kohlendioxid, wenn die Gaskomponenten der
Aalveolarluft eines Patienten gemessen wird – es in den meisten Fällen ausreichend
ist, dass nur ein Abschnitt der ersten und/oder zweiten Länge L2,
L3 und insbesondere derjenige Abschnitt eines Strahlungspfades,
in dem die für
diese Komponente repräsentative
Strahlung verläuft,
mit dem festen Material 7 der Erfindung gefüllt ist.
In der in 4 gezeigten Ausgestaltung misst das
Filter-Detektor-Paar 8a, 9a,
eine Gaskomponente, die in der Umgebung nicht vorhanden ist, und
deshalb kann dieser Zweig 36a des Lichtleiters 4e offen sein,
ohne eine Gefahr einer fälschlichen
Absorption, die das Messergebnis verfälschen würde. In dem oben erwähnten Zweig
wird das Filter-Detektor-Paar 8a, 9a also in einem
Wellenlängenbereich
betrieben, in dem keine wesentliche Absorption als Ergebnis eines
Gasgemisches 38 auftritt, das in der Wellenröhre enthalten
ist. Andererseits misst das Filter-Detektor-Paar 8a, 9b eine
solche Gaskomponente, die im gewissen Umfang aber nicht in sehr
hohen Konzentrationen in der Umgebung vorhanden ist. In diesem Fall
ist der andere Zweig 36b des Lichtleiters 4e mit dem
festen Material 7 gefüllt,
um Fehler zu minimieren, die in dem Signal des Detektors 9b auftreten.
In der Wellenröhre 4e hat
der Strahlverteilungsabschnitt 29 eine Länge von
L4a, und deshalb ein Volumen, das im Vergleich mit der zweiten Länge L3 und
der gesamten Wellenröhrenlänge L4 so
klein ist, dass ein darin enthaltenes Störgas noch keinen negativen Einfluss
auf ein Signal hat, das durch den Detektor 9b erzeugt wird.
Typischerweise hat der Strahlverteilungsabschnitt 29 eine
Länge L4a,
die nicht mehr als ungefähr
30% der Länge
L4 eines vollständigen Lichtleiters
wie z. B. einer Wellenröhre
ausmacht, und deshalb normalerweise auch von der zweiten Länge L3.
Vorzugsweise hat die Länge
L4a einen Überlapp
mit der Länge
L4 und der zweiten Distanz L3, die nicht mehr als 25% und typischerweise
10 – 20%
ausmacht, z. B. ungefähr
15%. In dem Fall der 4 könnte der Strahlverteilungsabschnitt 29 jedoch
auch vollständig
mit dem festen Material 7 gefüllt sein, wobei im wesentlichen
der gesamte Strahlungspfad über
die Wellenröhrenlänge L4 zu
dem Detektor 9b vor äußeren Störfaktoren
geschützt
ist. Selbst in diesem Fall kann der Wellenröhrenzweig, der sich zu dem
Detektor 9a erstreckt, offen sein. Die den Detektoren zugewandte
Endfläche
eines Elements, das den Strahlverteilungsabschnitt 29 füllt, sollte
geeigneterweise entweder eine Ebene parallel zu dem zweiten Fenster 3b sein
oder eine zylinderförmige
Fläche
oder eine sphärische
Fläche
oder ein Polyeder, wobei die Flächenabschnitte,
die mit den Wellenröhrenzweigen
ausgerichtet sind, senkrecht zu der Mittellinie eines gegebenen
Zweiges sind. In dem Fall der 5 hat der
Lichtleiter, wie z. B. eine Wellenröhre 4d, wiederum beide
Zweige, wobei einer sich zu der Filter-Detektor-Paar 8a, 9a erstreckt
und der andere zu dem Filter-Detektor-Paar 8b, 9b,
das mit dem festen Material 7 der Erfindung mit Ausnahme
des Gasfilters 18 gefüllt.
In dem Fall der 5 erstreckt sich der Strahlverteilungsabschnitt über den Bereich
eines Auslassendes 16 des Konzentrators 4c und
eines Einlassendes 15 der Wellenröhrenanordnung 4d und
ist deshalb im wesentlich mit dem festen Material 7 gefüllt.
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Das
feste Material 7 der Erfindung sollte auch in der Hauptstrahlungsrichtung
R geeigneterweise so homogen wie möglich ausgestaltet sein, da das
die einfachste Weise ist, den Verlauf der Strahlung zu berechnen
und zu steuern. Andere Oberflächen
des festen Materials 7, ausgenommen derjenigen, die für einen
tatsächlichen
Messstrahl durchlässig
sind, und einschließlich
z. B. seitliche Flächen 17a, 17b (in
der Wellenröhre 4d), 17d, 17e,
die parallel zu der Hauptstrahlungsrichtung R sind, oder seitliche
Flächen 17b (in
der Wellenröhre 4e),
die sich sanft gegen die Hauptstrahlungsrichtung neigen, oder seitliche
Flächen 27,
die sich sanft von der Hauptstrahlungsrichtung fort neigen, oder
laterale Flächen 17c,
die sich stark gegen die Hauptstrahlungsrichtung oder von ihr fort
neigen, können
in einer Vielzahl von Arten im Hinblick auf das Benötigte behandelt
werden. Diese lateralen Flächen
können glänzend sein,
so wie die Flächen 17a, 17b, 17e und 27 in 5,
um eine Reflektion für
die durchlaufende Messstrahlung zu erzeugen. Diese Reflektivität kann erzeugt
werden, durch Ausstatten des Festmaterials 7 selbst mit
einer glänzenden
Oberfläche,
so wie Flächen 17a in
den 1 und 4, oder diese Helligkeit oder
der Glanz kann ein Resultat des Glanzes der inneren Fläche 17b und 17e einer
umgebenden Scheide 20 so wie in den 2 und 4 sein,
oder die Fläche 27 des
festen Materials 7 kann mit einem glänzenden Finish mittels geeigneter
Mittel beschichtet sein, z. B. durch Finishen der polierten Oberfläche durch
Vaporisation oder eine andere herkömmliche oder neue Spiegel-Finish-Technik oder durch
Beschichten mit einem Interferenzspiegel-Finish. Das feste Material 7 der
Erfindung kann auch mit diffus strahlungsreflektierenden Flächen 17 ausgestattet sein,
so wie bei den Konzentratoren 4b und 4c in 5,
wobei die Flächen
matt sind und falls notwendig mit einem geeigneten diffus reflektierenden
Finish beschichtet werden. Dieser diffus reflektierende Finish kann
direkt auf der eigentlichen Fläche
des festen Materials 7 angebracht sein, oder mittels der
inneren Fläche
der Scheide 20, die es umgibt. Es ist auch möglich, diese
Flächen
aus dem festen Material so wenig reflektierend wie möglich zu
machen, z. B. durch Mattieren und durch Schwärzen, so wie die seitliche
Fläche 17d eines
Lichtleiters 4a, die in 5 mit einem
Spiegel verbunden ist. Gemäß seiner
Ausgestaltung kann ein einzelner Messsensor Gegenstand eines oder
mehrerer dieser Finsh-Verfahren für das feste Material 7 der
Erfindung sein, abhängig
von der Ausbreitungscharakteristik von Messstrahlung, die für einen
bestimmten Bereich eingestellt ist. Es ist offensichtlich, dass
jedes gegebene Element des Materials 7, das für die angewandten Wellenlängen durchlässig ist,
und die entsprechende Wellenröhrenscheide 20 mit
strahlungsübertragenden
Enden 15 und 16 ausgestattet sind. Grundsätzlich sind
diese Enden hell und entweder gerade oder als eine Linsenfläche ausgebildet.
Ebenso sind die Wellenröhren,
die nicht mit einem Material der Erfindung ausgestattet sind, so
wie die Zweige, die sich zu dem Filter-Detektor-Paar 8a, 9a in 4 erstrecken, mit ähnlichen
aber grundsätzlich
offenen Enden 15, 16 ausgestattet.
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Das
feste Material 7 der Erfindung kann jedes Material umfassen,
das für
die angewandte Wellenlänge
durchlässig
ist, ob es ein amorphes festes und kompaktes Material ist, wie z.
B. Infrarotstrahlung übertragendes
Glas oder andere Silikate. Das feste Material der Erfindung kann
auch ein kristallines Material umfassen, das für die angewandten Wellenlängen durchlässig ist,
wie z. B. ein Salz eines Metalls, z. B. Calciumfluorid oder ein
Fluorid eines anderen Metalls. Ein solches festes Material 7,
das für
die angewandten Strahlungswellenlängen durchlässig ist, kann somit nützlicherweise
aus einem Verbund eines geeigneten Metalls bestehen, d. h. etwa
dem Salz eines Metalls, wie z. B. Arsenid, Fluorid, Bromid, Chlorid,
Jodid, Selenid, Tellurid oder Sulfid oder einem Gemisch daraus oder
einem Kombinationssalz davon. Das Kombinationssalz bezeichnet einen
Verbund aus einem der obigen Nicht-Metalle mit zwei verschiedenen Metallen
bzw. einen Verbund aus einem Metall mit verschiedenen der obigen
Nicht-Metalle, wie z. B. Tallium-Bromid-Chlorid. Der Verbund kann auch Oxide
verschiedener Metalle, Oxidkombinationen, Silicon oder Germanium,
entweder in einer monokristallinen oder polykristallinen Form, wie
z. B. Aluminiumoxid oder Saphir in einer im wesentlichen farblosen
Form und ein vorher erwähntes
geeignetes Silicat, wie z. B. Glas oder Quarz, in einer geeigneten Form
umfassen. Diese Materialien können
auch mit einem anderen geeigneten Zusatz oder Zusätzen entweder
absichtlich verbunden werden oder diese können als Verunreinigung vorhanden
sein. Diese verschiedenen Verbunde oder puren Materialien oder Gemische
können
auf per se bekannte Weisen zum Erzeugen fester Elemente mit mehreren
verschiedenen Verfahren verwendet werden. Zunächst kann ein Element durch
Verwenden der geschmolzenen Phase eines Materials erzeugt werden,
was entweder in einem amorphen oder einem kristallinen festen Material
resultiert, und das gewünschte
Element kann ausgebildet werden nachdem die Schmelze zu einem festen
Zustand erstarrt ist.
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Falls
der Messsensor mit einer Scheide 20 eines geeigneten Materials
ausgestattet ist, kann die Schmelze direkt in diesen Lichtleiter
gegossen werden, falls das erwünscht
ist. Eine andere Möglichkeit ist
es, mit einem dieser oben erwähnten
Materialien in einer pulverisierten oder Pulverform zu beginnen und
es in eine erwünschte
Endform zu pressen, wobei das Ergebnis normalerweise ein kristallines
festes Material ist. Z. B. kann Kaliumbromid einfach in eine erwünschte Form
gepresst werden. Auch in diesem Fall kann das Pressen entweder in
einem separaten Gerät
durchgeführt
werden und das mit einem Finish versehene Element zu einem zugeordneten Messsensor übertragen
werden, oder es kann, falls der Messsensor eine Scheide 20 aus
einem geeigneten Material umfasst, das pulverisierte Material oder Pulver
direkt in einen Wellenleiter gepresst werden, um in diesen Messsensor
integriert zu werden. In diesem Fall umfasst die Scheide 20 vorzugsweise
eine zylinderförmige
gerade Länge
L5 z. B. in der Hauptstrahlungsrichtung R, so wie es 5 in
Bezug auf die Lichtleiter 4b und 4c zeigt. Dieser
gerade zylinderförmige
Abschnitt oder Länge
L5, der vorzugsweise in seinem Durchschnitt kreisförmig ist,
ermöglicht die
Verwendung eines Materialkomprimierkolbens direkt in einem Innenraum 11 der
Scheide oder in ein Gehäuse 20 hinein,
ohne separate Gussvorgänge verwenden
zu müssen.
In 5 hat der zylinderförmige Abschnitt L5 des Lichtleiters 4c eine
solche Länge,
dass nach dem Komprimieren des festen Materials 7 ein Teil
des zylinderförmigen
Abschnitts L5 die Probenkammer 2 und ihre Absorptionslänge L1 bildet.
Somit wird in diesem Fall zunächst
in den Innenraum 11 innerhalb der Scheide 20 des
Lichtleiters 4c das feste Material 7 gepresst,
welches zur gleichen Zeit das zweite Fenster 3bb für die Messkammer 2 bildet,
während
der verbleibende Anteil die Absorptionslänge L1 der Messkammer bildet,
gefolgt von dem Anbringen des ersten Fensters 3a der Messkammer 2 an
der Scheide 20. Wenn die Presstechnik angewandt wird, ist
es zusätzlich
möglich,
einen Sinter-Prozess nach dem Pressen durchzuführen, oder das gepresste Material
kann als solches verwendet werden.
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Zusätzlich zu
dem obigen kann das Element aus festem Material 7 aus einer
Gasphase oder einer Lösung
durch ein geeignetes bekanntes Verfahren ausgefällt werden, wobei das Ergebnis
normalerweise ein kristallines Material ist. Besonders in diesem Fall,
aber auch in allen obigen Fällen,
die die Herstellungstechnik, d. h. mittels einer geschmolzenen Phase
oder mittels Pressen von Pulver, betreffen, ist es möglich, beträchtliche
feste Materialelemente außerhalb
des Messsensors auszugestalten oder zu formen, und diese mechanisch
für Komponenten
einer gewünschten
Größe und Form
umzuarbeiten, um in verschiedenen Teilen des Messsensors verwendet zu
werden. Wenn monokristalline Elemente erwünscht sind, müssen diese
abhängig
von dem Material durch Ausfällen
entweder aus einer Gasphase oder einer Wasserdampfphase oder aus
einer Schmelze mittels sehr langsamen Abkühlens oder durch zusätzliches
Verwenden von Zonenschmelzen hergestellt werden. Welche Herstellungstechnik
zu einem gegebenen Zeitpunkt angebracht ist, hängt von der Größe und Form
eines benötigten
Elements aus festem Material 7 sowie von dem gewünschten Material
selbst ab. Z. B. wird in 1 das Material 7 der
vollständig" reflektierenden
Wellenröhre 4e und in 4 das
Material 7 des korrespondierenden Wellenröhrenzweigs
wahrscheinlich besonders bevorzugt außerhalb des Messsensors aus
einem großen kristallinen
oder amorphen Element maschinell gefertigt, das durch eine der oben
beschriebenen geeigneten Techniken hergestellt wird, da in diesem
Fall das feste Material 7 der Erfindung mit einer bestimmten
freien oder klaren reflektierenden Außenfläche 17a und einer
bestimmten klaren äußeren Dimension D
ausgestattet ist, obwohl die Wellenröhre ein Teil des Innenraums 11 der
Scheide 20 bildet. In dem Fall der 2, in der
das feste Material 7 der Erfindung eine komplizierte Form
hat, ist es wahrscheinlich angebracht, entweder das Pressen von
Pulver oder das Gießen
von Schmelze direkt in den Innenraum 11 der Scheide 20 vorzunehmen,
da in diesen Fällen
die Wandfläche
der Scheide 20 auch ein Faktor beim Ermitteln der optischen
Eigenschaften der Fläche 17b ist.
Wie bei den Lichtleitern 4b und 4c der 5 wurde
die Herstellungstechnik, die auf dem Pressen von Pulver basiert,
bereits diskutiert. Jedoch kann das feste Material 7 dieser
Lichtleiter 4b, 4c genauso gut auch durch Gießen von
Schmelze hergestellt wird. Bei dem Lichtleiter 4a der 5 und
dem Lichtleiter 4e der 3 ist es
wahrscheinlich angebracht, diese aus einem amorphen kristallinen
Materialelement herzustellen, da diese Leiter mit Finishs 27 und 17d versehen
sind, die in dieser Spezifikation bereits diskutiert wurden. Der
Lichtleiter der 1, wie z. B. eine Wellenröhre 4f,
kann durch eines der beschriebenen Verfahren hergestellt werden
und das gleiche gilt für
den Lichtleiter der 5, wie z. B. die Wellenröhre 4d.
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Prinzipiell
ist es des weiteren möglich,
dass das feste Material 7 der Erfindung aus einem Gel oder
einer äquivalenten
Materialkombination, die aufgrund ihrer Form permanent als festes
Material betrachtet werden kann, oder aus einem geeigneten Kunststoff
besteht. Das flüssige
und ein gelartiges Mittel können
deshalb direkt in die Scheide 20 gegossen werden. Der Kunststoff
kann entweder aus einem existierenden festen Block gefertigt werden
oder er kann als eine Flüssigkeit
in die Scheide 20 gegossen werden, um innerhalb der Scheide
in ein festes Material auszuhärten,
d.h. zu polymerisieren, welches für die angewandten Wellenlängen durchlässig ist.
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Die
Verwendung eines festen Materials 7 der Erfindung, das
für die
angewandten Wellenlängen durchlässig ist,
ist besonders bevorzugt wann immer der Messsensor mit Lichtleitern 4b – 4f mit
einer Länge
L4 ausgestattet ist, die wenigstens ungefähr das Eineinhalbfache, vorzugsweise
wenigsten das Dreifache und typischerweise wenigstens das Fünffache seines
mittleren Durchmessers D oder DD beträgt. Falls gewünscht, gilt
diese Einschränkung
für alle
beschriebenen Ausführungsformen.
Die Lichtleiter sind entweder mit einer Scheide oder einem Gehäuse 20 aus
einem starren Material so wie in den 2 – 4 ausgestattet,
oder der Stab, der einen eigentlichen Lichtleiter bildet, besteht
aus einem festen Material 7 der Erfindung, so wie z.B.
der Lichtleiter 4e in 1. Die in
den Figuren gezeigten Lichtleiter sind genau diese Arten von Lichtleitern.
In 1 liegt zwischen der Strahlungsquelle 1 und
der Messkammer 2 ein Lichtleiter 4f, der in Bezug
auf seine Länge 4f ungefähr das Vierfache
des Durchmessers D beträgt, wobei
letzterer über
die gesamte Länge
des Lichtleiters 4f konstant bleibt. In 1 liegt
zwischen der Messkammer 2 und dem Filter 8 und
dem Detektor 9 ein Lichtleiter 4e mit einer Länge, die
ungefähr
das Vierfache seines Durchmessers D beträgt, wobei letztere auch über die
gesamte Länge
des Lichtleiters 4e konstant bleibt. Bei dieser in 1 gezeigten Struktur
ist anzumerken, dass die obige Definition der Länge jedoch auf die Länge einer
Kombination zutrifft, die aus diesen beiden Lichtleitern besteht,
d. h. die Lichtleiter 4f und 4e müssen in
diesem Fall eine Gesamtlänge
haben, die wenigstens ungefähr
das Eineinhalbfache, vorzugsweise wenigstens das Dreifache und typischerweise
wenigstens das Fünffache ihres
mittleren Durchmessers D oder DD beträgt. 2 illustriert
einen zu der Probenkammer 2 benachbarten Lichtleiter 4e mit
einem Durchmesser D1, der ein wenig länger ist, als der Durchmesser
D2 an dem Ende des Filters 8 und des Detektors 9.
Auch in diesem Fall ist der mittlere Durchmesser wesentlich geringer
als ein Fünftel
der gesamten Lichtleiterlänge L4.
Andererseits illustriert 3 einen zu der Probenkammer 2 benachbarten
Lichtleiter 4e mit einem Durchmesser D1, der kürzer ist
als ein Durchmesser D2 an dem Ende, das näher an dem Streuung erzeugenden
Gerät 28 und
dem Detektor 9 liegt. Selbst in diesem Fall ist der mittlere
Durchmesser D jedoch wesentlich kleiner als ein Fünftel der
Gesamtlichtleiterlänge
L4. 4 illustriert auch Lichtleiter 4e zwischen
der Messkammer 2 und einer Vielzahl von Filter-Detektor-Paaren 8a und 9a, 8b und 8b.
Der Betrieb dieses Lichtleiters ist andererseits ähnlich zu demjenigen
des Lichtleiters 4e der 1, außer dass er über dem
Abschnitt 29 einen Teil der Strahlung verteilt, die durch
die Probenkammer 2 zu einer Filter-Detektor-Anordnung und
teilweise zu einer weiteren Filter-Detektor-Anordnung verläuft, wobei
die reflektierende Fläche in
einem Zweig 36b hauptsächlich
durch die äußere Fläche 17a eines
festen Materials und in dem anderen Zweig 36a durch die
innere Fläche 17e der
Scheide 20 gebildet wird. Die Lichtleiter 4f und 4e und 4d und
insbesondere ihre möglichen
oben beschriebenen Zweige, die die oben definierten Dimensionierungsbedingungen
erfüllen,
sind alle sogenannte Wellenröhren,
die die Hauptrichtung R von Strahlung, die durch die Probenkammer 2 verläuft oder
in die Probenkammer 2 eintritt, so einstellen, dass sie
auf das Filter 8, 8a – 8b oder auf das Streuung
erzeugende Gerät 28 mit
einem Einfallswinkel auftreffen, der im Verhältnis zu der Halbierenden des
Filters 8 und 8a und 8b weniger als ± 10° ist. Mit
anderen Worten erzeugt die Wellenröhre 4d – 4f einen
nahezu parallelen Strahl aus Einzelstrahlen, wobei die Einzelstrahlen
nicht um mehr als z. B. ± 10° von der
Hauptstrahlungsrichtung R, die parallel zu der längsgerichteten Medianlinie
der Wellenröhre
ist, abweichen oder abgelenkt werden, wobei der Teil der Strahlung,
der von der Strahlungsquelle mit einem anderen Winkel emittiert
wird, in der Wellenröhre
als ein Ergebnis von mehreren Reflektionen gedämpft wird. Diese Art von Ausgestaltungen
sind in den 1 und 3 – 5 gezeigt.
Alternativ kann es auch möglich
sein, einen Strahl aus gestreuten Einzelstrahlen auf das Filter 8 fallen
zu lassen, wobei das Filter auch Strahlung emittiert, die in einem
unkorrekten Winkel durch ihn hindurch verläuft, diese falsche Strahlung
aber mittels einer Wellenröhre 4b eliminiert
wird, die zwischen dem Filter und dem Detektor 9 angeordnet
ist, so wie es in 2 gezeigt ist. In der Lösung der 2 wird
aufgrund der Wellenröhre
der Detektor nur von demjenigen Anteil der in das Filter eindringenden
Strahlung getroffen, der wie oben beschrieben auf das Filter mit
einem Einfallswinkel von weniger als ± 10° trifft, während die Strahlung, die in
einem größeren Einfallswinkel
auf das Filter fällt,
in der Wellenröhre
als ein Ergebnis von mehreren Reflektionen gedämpft wird, um kein ein Ergebnis
beeinflussendes, falsches Signal in dem Detektor zu erzeugen. Das
beschriebene System oder die Anordnung stellt sicher, dass ein korrektes
Signal von dem Detektor 9, 9a, 9b erhalten
wird, da die Filter 8, 8a, 8b grundsätzlich Interferenzfilter
sind, wobei eine wesentliche Abweichung in der Strahlungsrichtung nicht
auftreten sollte oder eine solche wesentlich abweichende Strahlung
wenigstens nicht den Detektor erreichen darf, damit ein zuverlässiges Messergebnis
erzeugt wird. Das gleiche trifft auch auf das Streuung erzeugende
Gerät 28 zu,
das auch unzuverlässige
Ergebnisse erzeugt, falls es Strahlung aus anderen als der geplanten
Richtung empfängt.
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Bei
dem Vorgenannten bezeichnet der Innenraum 11 des Lichtleiters 4a – 4f einen
Raum, der den Strahl der angewandten Strahlung definiert, unabhängig davon,
ob er durch eine Innenfläche 37, 17b, 17c, 17e der
Scheide 20 oder durch eine Außenfläche 17a, 17b, 17c, 17d, 27 des
festen Materials 7 der Erfindung oder durch eine Beschichtung 27, 17d des
festen Materials 7 gebildet wird. Es kann festgestellt
werden, dass die Innenfläche
der Scheide 20 und die Außenfläche des festen Materials 7 herkömmliche
Grenzflächen
sein können
und ebenso die Außenfläche und
die Beschichtung des festen Materials 7 eine herkömmliche
Grenzfläche
sein kann. Die Wellenröhre 4e der 1 kann
somit durch die innere Scheidenfläche 37 gebildet sein,
falls die äußere Fläche 17a des
festen Materials 7 Strahlung sowohl nach Außen als
auch nach Innen hindurchlässt.
Alternativ kann die Wellenröhre 4e der 1 durch
die äußere feste
Materialfläche 17a gebildet sein,
wenn letztere entweder totalreflektierend ist oder es Strahlung,
die ihren Weg zwischen den Flächen 17a und 37 gefunden
hat, nicht möglich
ist , in das feste Material zurückzukehren.
In dem erstgenannten Fall ist der Innenraum 11 nur teilweise
mit dem festen Material 7 gefüllt, weil es eine kleine Lücke von
der Außenfläche 17a zu
der Innenfläche 37 der
Scheide 20 gibt. Deshalb ist es dem festen Material der
Erfindung, das in der Richtung senkrecht zu der Strahlungsrichtung
homogen ist, möglich,
Strahlung selbst durch seine äußere Fläche parallel
zu dem Lichtleiter oder der Wellenröhre zu leiten, so lange die
Innenfläche 37 der
strahlungsundurchlässigen Scheide 20 in
einem ausreichend kleinen Abstand entfernt liegt. In diesem Zusammenhang
kann sich das Material der Erfindung ohne Probleme von optischen
Fasern unterscheiden, die nicht homogen in der Richtung senkrecht
zu der Strahlungsrichtung sind, die aus einem optischen Kern und
einer optischen Ummantelung bestehen. Bei Konstruktionen der Erfindung
hat eine kleine Lücke
im Hinblick auf falsche Absorption zwischen den Flächen 17a und 37 keine
Signifikanz, da die Lücke
zunächst
besonders klein ist, wobei sie nicht mehr als 15% des mittleren Durchmessers
eines Wellenleiters und vorzugsweise nicht mehr als 10% oder 5%
oder weniger dieses mittleren Durchmessers D, DD beträgt, und
da die Strahlung in dieser Lücke
relativ zu der Länge
L4 eines Lichtleiters und insbesondere der Wellenröhre 4d, 4e, 4f eine
sehr geringe Distanz zurücklegt.
Die in diesem Text erwähnte
Scheide 20 kann in ihrer Wanddicke so robust sein, dass
sie eine belastbare Struktur für
den Lichtleiter bildet, was typischerweise der Fall ist, falls das
feste Material aus Pulvern gepresst oder als eine Schmelze in die
Scheide 20 gegossen wird. Die Scheide 20 kann
jedoch auch sehr dünn
sein, indem sie z. B. eher als eine Beschichtung des festen Materials
ausgebildet ist. Somit kann in 5 die Beschichtung 17d als
eine Scheide betrachtet werden und ähnlich kann in 3 die
Beschichtung 27 in sich selbst eine Scheide bilden, vorausgesetzt,
dass das feste Material 7 der Wellenröhre 4e von einer solchen
Qualität
ist, dass sie sich selbst trägt
und die auf sie wirkenden Kräfte
aushält. Das
wesentlichste Merkmal der Scheide ist somit, dass sie für die angewandten
Wellenlängen
undurchlässig
ist, d. h. die Scheide isoliert den Innenraum 11 eines
Lichtleiters gegenüber
möglicher
störender
externer Strahlung. Zusätzlich
zu dieser grundsätzlichen
Qualität
kann die Scheide 20 als eine mechanische Abschirmung, ein
Befestiger für
das feste Material 7 der Erfindung und eine belastbare
Komponente dienen.
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5 illustriert
auch Lichtleiter 4b und 4c mit einer Länge L4,
die wenigstens ungefähr
1,5 mal über
dem mittleren Durchmesser DD liegt. In diesem Fall dreht sich die
Frage jedoch nicht um Wellenröhren,
die eine im wesentlichen parallele Strahlung bereitstellen würden, sondern
stattdessen um per se bekannte Konzentratoren, die Licht homogen
in die Probenkammer 2 leiten und von ihr eine Strahlung
so homogen wie möglich
sammeln, um weitergeleitet zu werden. Des weiteren ist in 5 die
Lücke zwischen
einer reflektierenden Fläche 35 eines
Spiegels, der hinter der Strahlungsquelle 1 angeordnet ist,
und einer hermetischen Haube 31 der Strahlungsquelle auch
mit einem Material 7 gemäß der Erfindung zum Erzeugen
eines Lichtleiters 4a gefüllt. Der Grund des Füllens dieses
Raums 11 zwischen einem Spiegel 10 und der Strahlungsquelle 1 ist,
dass die korrekte Ausrichtung von Strahlung erfordert, dass der
Spiegel 10 in einer bestimmten Distanz zu der Strahlungsquelle
angeordnet ist, und somit eine Lücke
existiert, aus der die umgebende Atmosphäre eliminiert werden muss.
Zusätzlich
dazu illustriert 5 eine Wellenröhrenanordnung 4d hinter
dem Konzentrator 4c, die in Strahlungsrichtung R stromabwärts der
Probenkammer 2 angeordnet ist, wobei die Anordnung in diesem
Fall aus zwei Innenräumen 11 besteht,
die in diesem Falle beide mit einem strahlungsdurchlässigen Material 7 der
Erfindung gefüllt
sind, um auch so wie oben beschrieben Wellenröhren zu bilden.
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Unabhängig von
der Art des Materials 7, das für die angewandten Wellenlängen durchlässig ist, und
unabhängig
von seinem Herstellungsverfahren, ist es in allen diesen Fällen angebracht,
das Material zu pressen oder zu gießen oder anderweitig herzustellen,
ungeachtet der Form in der es verwendet wird, um die erste Länge L2 und/oder
zweite Länge L3
oder einen Abschnitt davon und somit insbesondere die Innenräume 11 der
Lichtleiter 4a – 4f so
unporös
wie möglich
zu füllen,
d. h. mit einem Füllgrad, der
so hoch wie möglich
ist. Somit umfasst der Strahlungspfad von der Strahlenquelle 1 zu
der Probenkammer 2 und über
Lichtleiter zu dem Filter 8, 8a, 8b oder
zu dem Streuung erzeugenden Gerät 28 und weiter
zu dem Detektor 9 oder den Detektoren 9a oder 9b oder
einer anderen Art von z. B. dem oben beschriebenen Messstrahlungsweg,
so wenig Abschnitte wie möglich,
die der umgebenden Atmosphäre
ausgesetzt sind. Es sollte berücksichtigt
werden, dass winzige Lücken
zwischen verschiedenen Komponenten keinen signifikanten Störeinfluss
haben. Es sollte auch berücksichtigt
werden, dass das oben erwähnte
lückenlose
Füllen
eines Strahlungspfades im Verhältnis
zu der Genauigkeit der durchzuführenden
Messungen und zu der Konzentration eines zu messenden Gases in einem
zu analysierenden Gasgemisch und in einer Gasatmosphäre, die den
Messsensor umgibt, stehen muss. Somit können bestimmte freigelegte
Abschnitte, die in dem Text erwähnt
sind, in einem Messsensor der Erfindung enthalten sein, während die
Merkmale der Erfindung erfüllt
werden.
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Die 7 und 8 illustrieren
etwas unterschiedliche Ausführungsformen.
Hier umfasst der Wellenleiter 4e in derselben Weise wie
in 4 zwei Zweige 36a und 36b, die
sich von der Fläche
oder von der Nähe
der Fläche
des zweiten Fensters 3e der Probenkammer 2 zu
den Filter-Detektor-Paaren 8a und 9a erstrecken.
In diesen Ausführungsformen
ist der Innenraum 11 eines Zweigs 36b mit einer
einzelnen, eher dicken optischen Faser 47 so wie in 9 gezeigt
gefüllt,
oder mit einem Bündel
von Fasern 47, die aus einer Anzahl von optischen Fasern
so wie in 10 gezeigt bestehen. Die optische
Faser und die individuellen Fasern, die in einem Bündel von
Fasern enthalten sind, bestehen in einer per se bekannten Weise
aus einem Material, das ein Kernelement 40 bildet, und
aus einer Oberflächenschicht,
die das Kernelement umschließt.
Natürlich
muss das Material des Kernelements 40 aus einer Substanz
bestehen, die für
die angewandten Wellenlängen
durchlässig
ist, mit einem Brechungsindex, der über dem angewandten Wellenlängenbereich über denjenigen des
Materials der Oberflächenschicht 41 hinausreicht,
wobei die Strahlung innerhalb des Kernelements aus einer Faser als
ein Ergebnis einer Totalreflektion fortschreitet, die von einer
Grenzfläche 44 zwischen
dem Kernelement und der Oberflächenschicht
erzeugt wird. Eine korrespondierende Totalreflektion entwickelt
sich auch in einer Art von Faser, in der sich der Brechungsindex
in einer schrittweisen oder stufenlosen Weise verringert, wenn man
von einem Faserzentrum 42 in Richtung seiner äußeren Fläche 43 fortschreitet,
wobei es nur in diesem Fall keine bestimmt erkennbare Grenzfläche gibt,
sondern in gewisser Weise erstreckt sich die Grenzfläche über einen
bestimmten Umfang in der radialen Richtung der Faser. Somit wird
die optische Faser unweigerlich nicht-homogen in der Richtung senkrecht
zu der Strahlungsrichtung sein. Eine solche optische Faser oder
ein Bündel
von Fasern verhindert das Eindringen einer externen Gasatmosphäre zwischen
einem Detektor und einer Probenkammer in der gleichen Weise, wie
das oben diskutierte homogene feste Material. Wie oben diskutiert
hat jedoch die Strahlung, die durch die Faser und ein Bündel von Fasern 47 verlaufen
ist, optische Eigenschaften, die unterschiedlich zu denjenigen der
Strahlung sind, die durch das feste Material 7 verlaufen
ist, wobei es möglicherweise
notwendig ist, andere Arten von Elementen einzusetzen, die den Weg
der Strahlung leiten. Es ist auch offensichtlich, das verschiedene
Typen von Sensoren oder verschiedene Abschnitte des Sensors verschiedene
Qualitätsanforderungen
für den
Weg einer Strahlung vorgeben und deshalb die Lösung, Fasern einzusetzen, für ein bestimmtes
Gerät oder
einen bestimmten Abschnitt eines Gerätes bevorzugt sein kann, während das
homogene Material in einem anderen Abschnitt eines Geräts bevorzugter
ist. In der Ausführungsform
der 7 ist der Innenraum 11 eines Zweigs 36a mit
dem oben beschriebenen festen Material 7 zum Erzeugen einer Wellenröhre gefüllt, so
wie es in dem Text bereits beschrieben wurde. Andererseits ist in
dem Fall der 8 der Innenraum des Zweigs 36a mit
einem Gasgemisch 38 gefüllt,
das von der umgebenden Gasatmosphäre stammt, d. h. es ist mit
Luft gefüllt,
um auch eine Wellenröhre
zu erzeugen, wie in dem Text bereits beschrieben wurde. Tatsächlich ist
diese Lösung
dann anwendbar, wenn das Faser-Detektor-Paar 8a, 9a zum
Messen einer Gaskomponente verwendet wird, die in der Umgebung nicht
in einem störenden
Umfang vorhanden ist. Im Falle von optischen Fasern und Bündeln von
Fasern besitzt das Verhältnis
zwischen deren Durchmesser und deren Länge im Gegensatz zu Wellenröhren keine Signifikanz
im Hinblick auf die Ausrichtung von Strahlen, vorausgesetzt, dass
die Fasern eine bestimmte minimale Länge überschreiben.
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Die
Strahlung, die aus der Messkammer 2 mittels des zweiten
Fensters 3b austritt, wird für zwei oder mehr Filter-Detektor-Paare über einem
Strahlverteilungsabschnitt 29 verteilt, dessen Prinzip
bereits diskutiert wurde. In 7 umfasst
der Strahlverteilungsabschnitt ein Materialelement 39,
das vorzugsweise aus einem der oben erwähnten festen Materialien 7 der
Erfindung besteht. In 8 umfasst der Strahlverteilungsabschnitt
einen luftgefüllten Freiraum.
In dem Fall der 7 kann das zweite Fenster 3b selbstverständlich angeordnet
sein, um ein Materialelement 39 zu umfassen, das den Strahlverteilungsabschnitt 29 bildet.
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Ein
zusätzliches
Merkmal der Erfindung, d. h. ein Anordnen eines festen Materials über einem
Abschnitt, der so viel wie möglich
der Länge
eines Messstrahlungspfades abdeckt, ist besonders bevorzugt, wenn
die Messung in dem infraroten Bereich der Strahlung durchgeführt wird,
was typisch ist, wenn Alveolarluft in verschiedenen Situationen
gemessen wird. In diesem Fall ist im Grunde zumindest Kohlendioxyd
ein herkömmliches
und leicht schädigendes
Störgas,
aber auch andere verschiedene Gaskomponenten, wie z. B. diejenigen,
die in der Anästhesie
und Alkoholkonzentrationsmessungen auftreten, können als Störgase vorhanden sein, deren möglicher
Effekt eliminiert werden muss. Diese Spezifikation beschreibt oben
z. B. feste Materialien, die für
den infraroten Bereich geeignet sind. Jedoch gibt es nichts, das
der Verwendung eines zusätzlichen Merkmals
der Erfindung auch über
einem sichtbaren Wellenlängenbereich
oder einem ultravioletten Bereich entgegensteht, so lange ein festes
Material der Erfindung ausgewählt
wird, um für
das angewandte Wellenlängenband
oder die Wellenlängenbänder durchlässig zu
sein.