FI74353C

FI74353C - FOERFARANDE FOER ELIMINERING AV FUKTENS INVERKAN I GASANALYS.

Info

Publication number: FI74353C
Application number: FI861290A
Authority: FI
Inventors: Matti Hakala; Antti Lahti
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1986-03-26
Filing date: 1986-03-26
Publication date: 1988-01-11
Also published as: FI74353B; FI861290A0

Description

1 743531 74353

Menetelmä kosteuden vaikutuksen eliminoimiseksi kaasu-analyysissä. - Förfarande för eliminering av fuktens inverkan i gasanalys.A method for eliminating the effect of moisture in a gas analysis. - For the elimination of inverted and gas analysis.

Keksinnön kohteena on menetelmä näytekaasun sisältämän vesihöyryn aiheuttaman mittausvirheen eliminoimiseksi infrapunasäteilyn absorptioon perustuvassa kaasuanaly-saattorissa johtamalla näyte mittauskammioon erityisestä vesihöyryä läpäisevästä materiaalista valmistetun letkun kautta, jolloin sen vesihöyryosapaine vakioituu samaksi, kuin ympäröivässä ilmassa, ja johtamalla mittaukseen liittyvään vertailukammioon ympäristöilmaa, jolloin siellä siis vallitsee sama kosteus kuin mittauskammiossa.The invention relates to a method for eliminating a measurement error caused by water vapor contained in a sample gas in a gas analyzer based on infrared absorption by introducing a sample into a measuring chamber through a hose made of a special water vapor permeable material than in the measuring chamber.

Infrapuna-absorptiotekniikalla toimivien kaasuanalysaat-toreiden toiminta perustuu siihen fysikaaliseen ilmiöön, että kaasujen absorptiospektrit infrapuna-alueella poikkeavat toisistaan, jolloin on yleensä löydettävissä aallonpituus, jolla tietty mitattava kaasu absorboi säteilyä, kun taas muut mitattavassa seoksessa todennäköisesti esiintyvät kaasut eivät absorboi. Tällöin on mahdo-lista rakentaa laite, joka reagoi yksinomaan haluttuun kaasuun, mutta ei muihin.The operation of gas analyzers using infrared absorption technology is based on the physical phenomenon that the absorption spectra of gases in the infrared range differ, usually finding the wavelength at which a particular gas to be measured absorbs radiation, while other gases likely to be present in the mixture to be measured do not. In this case, it is possible to build a device that reacts exclusively to the desired gas, but not to others.

Toisaalta on vanhastaan tunnettua, että aina ei löydetä aallonpituutta, jolla ainoastaan haluttu kaasu absorboisi säteilyä, vaan tietyt muut seoksessa esiintyvät kaasut aiheuttavat virhettä, ts. ei voida päätellä aiheuttaako absorption mittauskammiossa mittauksen kohteena oleva komponentti, vai joku muu.On the other hand, it has long been known that it is not always possible to find the wavelength at which only the desired gas absorbs radiation, but certain other gases in the mixture cause an error, i.e. it cannot be inferred whether

Mainitunlainen häiriövaikutus on nähtävissä mitattaessa orgaanisia kaasuja 3.3 ym aallonpituudella. Absorptio tällä aallonpituudella johtuu kaasumolekyylissä olevan hiili-vety-sidoksen värähtelystä, joten se on yhteinen kaikille orgaanisille kaasuille, eikä niitä niin ollen pystytä tällä menetelmällä erottamaan toisistaan. Tällä 7 Λ 3 5 3 seikalla ei useimmissa sovellutuksissa ole merkitystä, sillä mittauksessa on usein kysymys vain seoksen sisältämien hiilivetyjen kokonaismäärästä, esimerkkinä autojen pakokaasuanalyysi, tai sitten tiedetään, että kaasunäytteessä suurella todennäköisyydelä on vain yksi sellainen komponentti, joka absorboi tällä aallonpituudella, kuten on laita esimerkiksi mitattaessa anestesia-kaasuja potilaan hengittämästä kaasuseoksesta. Toisaalta tämä aallonpituus on ainoa käyttökelpoinen, kun halutaan välttää yli viiden mikrometrin aallonpituuksia, jotka vaatisivat kalliiden ja vaikeasti saatavien ikkunamateri-aalien ja erikoiskomponenttien käyttöä.Such an interference effect can be seen when measuring organic gases at a wavelength of 3.3 μm. The absorption at this wavelength is due to the vibration of the carbon-hydrogen bond in the gas molecule, so it is common to all organic gases and therefore cannot be distinguished by this method. This 7 Λ 3 5 3 factor is irrelevant in most applications, as the measurement is often only the total amount of hydrocarbons in the mixture, such as car exhaust gas analysis, or it is known that a gas sample has only one component that absorbs at this wavelength, as is the case. for example, when measuring anesthetic gases from a gas mixture inhaled by a patient. On the other hand, this wavelength is the only one useful when it is desired to avoid wavelengths of more than five micrometers, which would require the use of expensive and difficult-to-obtain window materials and special components.

Molemmissa edellämainituissa tapauksissa on kuitenkin häiriölähteenä vesihöyry, joka absorboi infrapunasäteilyä juuri mainitulla aallonpituudella. Vesihöyryä on pakokaasuissa palamisen ja potilaan uloshengitysilmassa aineenvaihdunnan tuloksena, jälkimmäisessä tapauksessa käytetään lisäksi keinotekoista kostutusta potilaan keuhkojen kuivumisen estämiseksi.In both of the above cases, however, the source of interference is water vapor, which absorbs infrared radiation at the wavelength just mentioned. Water vapor is present in the exhaust gases as a result of combustion and metabolism in the patient's exhaled air, in the latter case artificial humidification is also used to prevent the patient's lungs from drying out.

Tämän häiriövaikutuksen kompensoimiseksi on aiemmin esitetty menetelmä (US 3 790 797), joka perustuu siihen, että vesihöyryn pitoisuus kaasuseoksessa mitataan käyttämällä toista aallonpituutta, joka on valittu siten, että muut seoksessa olevat komponentit eivät arb-sorboi säteilyä sillä, ja näin saatu vesihöyrypitoisuut-ta edustava signaali vähennetään varsinaisesta mittaussignaalista siten skaalattuna, että häiriövaikutus kumoutuu. Tämä menetelmä on sinänsä täysin käyttökelpoinen, mutta sen haittana on, että vesihöyryn mittausta varten tarvitaan osittain kaksinkertaiset mittausvälineet, mikä nostaa huomattavsti laitteen hintaa.To compensate for this interference effect, a method has previously been proposed (US 3,790,797) based on measuring the water vapor concentration in a gas mixture using a second wavelength selected so that other components in the mixture do not orbsorb radiation with it, and the water vapor content thus obtained the representative signal is subtracted from the actual measurement signal so scaled so that the interference effect is canceled out. This method is perfectly useful in itself, but has the disadvantage that partially double measuring devices are required for measuring water vapor, which considerably increases the cost of the device.

Veden poistamiseksi mitattavasta kaasusta on kehitetty erilaisia vedenerotuslaitteita, jollainen on esitetty esimerkiksi suomalaisessa patenttijulkaisussa 60600.Various water separation devices have been developed to remove water from the gas to be measured, as described, for example, in Finnish patent publication 60600.

3 Nämä laitteet pystyvät kuitenkin erottamaan kaasusta vain nestemäisen, siis yleensä näytteenottoletkussa tiivistyneen veden, jolloin mittaukseen menevän kaasun kosteus vaihtelee riippuen mm. lämpötilasta.. temperature.

Käytettävissä olleet menetelmät kaasun kuivaamiseksi eivät ole olleet käyttökelpoisia, koska ne yleensä edellyttävät kaasun jäähdyttämistä, mikä vaatisi kohtuuttomasti tehoa, tai sitten kaasun johtamista vettä absorboivan materiaalin läpi, mikä taas on mahdotonta ainakin lääketieteellisissä mittauksissa siksi, että se lisää huomattavasti näytekanavan kuollutta tilavuutta ja siten pidentää mittauksen vasteaikaa; lisäksi ko. materiaalit vaativat ajoittaista kuivausta, mikä on usein kohtuuttoman vaikea järjestää.The available methods for drying the gas have not been useful because they usually require cooling the gas, which would require unreasonable power, or passing the gas through a water-absorbing material, which is impossible, at least in medical measurements, because it significantly increases the dead volume of the sample channel. measurement response time; in addition, the materials require intermittent drying, which is often unreasonably difficult to arrange.

Keksinnön tarkoituksena on kehittää mitattavassa kaasussa olevan kosteuden vaiktuksen eliminoimiseksi menetelmä, joka on halpa ja helposti toteutettava, ja joka ei vaadi säännöllistä huoltoa.The object of the invention is to develop a method for eliminating the effect of moisture in the gas to be measured, which is inexpensive and easy to implement and which does not require regular maintenance.

Keksinnön tunnusnerkit, joilla tarkoitus saavutetaan, on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.The features of the invention by which the object is achieved are set out in the appended claims.

Näytekaasu on siis johdettu virtaamaan erityisestä vesihöyryä läpäisevästä materiaalista valmistetun letkun läpi. Kun letku on riittävän pitkä, sen sisällä virtaavan kaasun vesihöyryosapaine asettuu samaksi kuin ympäristössä. Tämän kaltaisia letkuja ja niihin perustuvia kaasun kuivai-mia on kaupallisestikin saatavissa. Jotta lisäksi ympäröivän ilman kosteuden vaihtelu saadaan eliminoiduksi, on mit-tauskammion vierellä olevan vertailukammion läpi järjestetty virtaamaan kaasu, jossa vesihöyryn osapaine on sama kuin mainitussa mittauskammiossa. Mainittu kaasu on edullisimmin ympäristöilmaa, jolloin molemmissa kammioissa vallitsee sama vesihöyryosapaine, ja sen vaikutus mittaukseen niin oi- 74353 4The sample gas is thus led to flow through a hose made of a special water vapor permeable material. When the hose is long enough, the water vapor partial pressure of the gas flowing inside it is the same as in the environment. Hoses of this type and gas dryers based on them are also commercially available. In addition, in order to eliminate the variation in the humidity of the ambient air, a gas in which the partial pressure of water vapor is the same as in said measuring chamber is arranged to flow through a reference chamber adjacent to the measuring chamber. Said gas is most preferably ambient air, in which case the same water vapor partial pressure prevails in both chambers, and its effect on the measurement is as follows: 74353 4

Ien kumoutuu.Ien is undone.

Keksintöä selostetaan lähemmin seuraavassa viittaamalla oheiseen piirustukseen.The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawing.

Analysoitava kaasu johdetaan mittauskammioon 2 letkun 1 läpi. Tämä letku on valmistettu polymeerimateriaalista/ joka läpäisee vesihöyryä, mutta ei muita kaasuja. Mainitunlaista letkua on kaupallisesti saatavissa. Mittauskammion rinnalla on vertailukammio 3, jonka kautta on järjestetty virtaamaan ympäristössä olevaa kaasua, normaalitapauksessa huoneilmaa, joka ei sisällä mitattavaa aineosaa. Kaasuvir-taus molempien kammioiden kautta voidaan järjestää yhteistä pumppua 7 käyttäen, jolloin kaasut sekoittuvat ennen pumppua.The gas to be analyzed is introduced into the measuring chamber 2 through hose 1. This hose is made of a polymeric material / which is permeable to water vapor but not other gases. Such a hose is commercially available. Adjacent to the measuring chamber is a reference chamber 3, through which the surrounding gas is arranged, normally room air, which does not contain the component to be measured. The gas flow through both chambers can be arranged using a common pump 7, whereby the gases are mixed before the pump.

Itse mittaus tapahtuu siten, että hehkulampulla 4 synnytetty infrapunasäteily ohjataan kulkemaan molempien mainittujen kammioiden 2 ja 3 kautta. Kammioiden jälkeen säteet kulkevat kiekkoon 5 asetettujen suodinten läpi. Kiekkoa pyörittämällä ohjataan säteiden kulkua siten, että vuoroin päästetän mittaus- ja vuoroin vertailukammion läpi kulkenut säde suodattimen läpi ilmaisimelle 6, joka muuttaa säteilyn intensiteetin sähköiseksi signaaliksi. Lisäksi toiminnassa on jakso, jolloin valon pääsy ilmaisimelle on kokonaan estetty, jolloin ilmaisimelta saadaan pimeää tilaa vastaava signaali.The measurement itself takes place in such a way that the infrared radiation generated by the incandescent lamp 4 is directed to pass through both said chambers 2 and 3. After the chambers, the rays pass through the filters placed on the disc 5. By rotating the disc, the passage of the beams is controlled so that the beam passing through the measuring chamber and alternately through the filter is passed through a filter to the detector 6, which converts the intensity of the radiation into an electrical signal. In addition, there is a period in which the entry of light into the detector is completely blocked, whereby a signal corresponding to a dark state is obtained from the detector.

Seuraavassa tarkastellaan analysaattorin toimintaa teoreettisesti .In the following, the operation of the analyzer is considered theoretically.

Mittauskammion läpi kulkeneen säteen intensiteetti on Beer-Lambertin lain mukaan, kun kammiossa on sekä vesihöyryä, että mitattavaa kaasuaAccording to Beer-Lambert's law, the intensity of the beam passing through the measuring chamber is when there is both water vapor and the gas to be measured in the chamber.

Im = Imo exp(-AwxP^/kT) exp(-AaXPa/kT)» 5 7*753 missä Im = kammion läpi kulkeneen säteen intensiteetti,Im = Imo exp (-AwxP ^ / kT) exp (-AaXPa / kT) »5 7 * 753 where Im = intensity of the beam passing through the chamber,

Imo - säteen intensiteetti ennen kammion läpäisyä,Imo - intensity of the beam before passing through the chamber,

Aw = absorptiokerroin vesihöyryssä, x = säteen kamiossa kulkema matka,Aw = absorption coefficient in water vapor, x = distance traveled by the beam in the chamber,

Pw = vesihöyryn osapaine kammiossa, k - Boltxmannin vakio, T = absoluuttinen lämpötila,Pw = partial pressure of water vapor in the chamber, k - Boltxmann constant, T = absolute temperature,

Aa = absorptiokerroin mitattavassa kaasussa ja Pa = mitattavan kaasun osapaine kammiossa, exp tarkoittaa eksponenttifunktiotaAa = absorption coefficient in the gas to be measured and Pa = partial pressure of the gas to be measured in the chamber, exp means the exponential function

Vastaavasti on vertailukammiossa, jossa ei ole mitattavaa kaasua, kun oletetaan, että kammion optinen pituus on sama kuin mittauskammion, ja samoin vesihöyryn osapaine on sama molemmissa kammioissaCorrespondingly, there is a reference chamber with no gas to be measured, assuming that the optical length of the chamber is the same as that of the measuring chamber, and likewise the partial pressure of water vapor is the same in both chambers.

Ir ~ !ro exp(-AwxPw/kT), missä Ir = säteilyn intensiteetti kammion jälkeen jaIr ~! Ro exp (-AwxPw / kT), where Ir = radiation intensity after the chamber and

Iro = säteilyn intensiteetti ennen kammiota, muut merkinnät samat kuin edellä.Iro = radiation intensity before the chamber, other markings same as above.

Mittausta suoritettaessa määritetään mittaus- ja vertailu-kammioiden läpi kulkeneiden säteiden intensiteettien suhde:When performing the measurement, determine the ratio of the intensities of the rays passing through the measurement and reference chambers:

Im/^r e *mo/*ro exp(-AwxPw/kT-AaxPa/kT+AwxPx/kT) = imo/1ro exp(-AaxPa/kT).Im / ^ r e * mo / * ro exp (-AwxPw / kT-AaxPa / kT + AwxPx / kT) = imo / 1ro exp (-AaxPa / kT).

Käytännössä suhteen määritys tapahtuu sähköisille signaaleille elektroniikan avulla.In practice, the ratio is determined for electronic signals by means of electronics.

Kuten edelläolevasta kaavasta nähdään, vesihöyryn vaikutus mittaukseen kumoutuu, kun molemmissa kammioissa vallitsee sama vesihöyryn osapaine, ja kun kammiot ovat muuten samanlaiset.As can be seen from the above formula, the effect of water vapor on the measurement is canceled when both chambers have the same partial pressure of water vapor, and when the chambers are otherwise similar.

Claims

74353

A method for eliminating the effect of water vapor contained in a sample gas in an infrared gas analyzer comprising a lamp for generating infrared radiation, a measuring chamber into which the gas to be measured is introduced, a reference chamber with a pure gas and wherein the sample gas is arranged to flow through a hose made of a special water vapor permeable material, the pressure of the water vapor part being the same as in the environment, characterized in that a gas is arranged to flow through said reference chamber in a water vapor partial pressure.

Method according to Claim 1, characterized in that the gas flowing through the reference chamber is ambient air.

Method according to Claim 1, characterized in that the gases to be measured are organic gases or vapors.

Method according to Claim 1, characterized in that the gases to be measured are anesthetic gases or vapors.