SE468782B - Gasanalysator - Google Patents

Description

.§.

G» GC) xç] Ü) NJ 2 spektrum medan önskad våglängd filtreras fram genom ett optiskt bandpassfilter. Med hjälp av en detektor omvandlas strålningsenergin till en proportionell elektrisk signal.

Av mättekniska skäl önskar man vanligen ett intermittent Vilket erhålles genom att en slutarvinge "chopper" insättes i ljusflöde som ger en växelströmssignal från givaren, givarens strålgång. Valet av analysvåglängd för ett givet analysämne är mycket viktigt eftersom det starkt påverkar mätsystemets noggrannhet och responstid. I praktiken styrs valet av analysvåglängd av faktorer som analysämnets absorp- tion och ofta av huruvida det kommersiellt finns filter och detektorer tillgängliga för den valda våglängden.

I kliniska sammanhang är det önskvärt att övervaka kon- centrationerna av koldioxid (C02), syrgas (02), lustgas (N20) och i vissa fall halogenerade narkosmedel som Halothan, Enfluran och Isoflouran. Med det ökande marknadsintresset för gasanalys har det därför varit en naturlig utveckling mot instrument som kan mäta flera gaser. De halogenerade narkosmedlen har kemiska likheter som gör att de har flera överlappande absorptionstoppar i IR-spektrat. Tillsammans med det faktum att endast ett narkosmedel används i taget, medger detta att de vanliga narkosmedlen kan mätas med en I de fall man önskar att instrumentet automatiskt skall kunna identifiera vilket narkosmedel som och samma givare. används måste man dock mäta narkosmedlen vid åtminstone två våglängder. Syrgas uppvisar ingen märkbar IR-absorption, vilket framtvingat andra mättekniker för denna gas.

Vanligen finns ett behov av en flergasanalysator med två till fyra mätvâglängder. Vid utformningen av sådana gasanalysatorer har ett antal metoder utvecklats. Vanligast är så kallad tidsmultiplexning som bygger på att absorptionen för respek- tive våglängd mäts sekventiellt. För att åstadkomma detta kan man t ex ersätta slutarvingen med ett fílterhjul där de olika bandpassfiltren monterats. Problemen med denna metod är dock att filterhjulet måste termostateras eftersom alla 468 782 3 IR-filter är starkt temperaturkänsliga. Ett annat problem är att.filterhjulet måste vara helt symmetriskt och inte skeva, eftersom en ändring av IR-strålningens infallsvinkel också ändrar filterkarakteristiken. En annan princip för flergasgivare bygger på så kallad rumsmultiplexning. Denna princip visas av EP-A2-0 307 625, som beskriver en optisk gasanalysator där strålning som passerar en mätcell (kyvett), genom vilken provgasen passerar, därefter med en t ex tredelad spegel uppdelas i tre strålgångar, varpå var och en av dessa passerar genom var sitt filter och detekteras i var sin detektor. Den sålunda kända tekniken intas häri genom hänvisning, speciellt avseende detektorer och utnyttjade våglängder. Emellertid erhålles enligt den sålunda kända tekniken en komplicerad anordning med höga precisionskrav och med risk för mätavvikelse genom temperaturavvikelse i spegeln.

Beskrivning av uppfinningen Ett ändamål med uppfinningen är att undvika nackdelarna med kända konstruktioner och åstadkomma en analysator med enkel uppbyggnad, kort responstid och stor mätnoggrannhet. Ett ytterligare ändamål är att åstadkomma en gasanalysator med kompakt uppbyggnad utan att ge avkall på kraven på mätnog- grannhet, speciellt för gaser med låg absorbans.

Enligt uppfinningen tillhandahållas en gasanalysator för bestämning av halten av två eller flera gaser i ett gasflöde, innefattande minst en källa för avgivande av två eller fler strålgångar av strålning av detekterbar våglängd, en kyvett- anordning med ett inlopp och ett utlopp för gasflödet, filter'för genomsläppning av strålning av karakteristisk våglängd för respektive gas och en detektoranordning inne- fattande ett flertal detektorer för omvandling av strålningen till en elektrisk signal. Gasanalysatorn kännetecknas därav, att kyvettanordningen innefattar ett block med ett antal genomgående kyvetter i var och en av strålgångarna, vilka 11:-.

O*- ,..

.J ”Q :l Ö PO 4 kyvetter är sinsemellan förbundna med kanaler som sammanbinder ändar av kyvetterna, till bildning av en obruten ledning för gasflödet från inloppet till utloppet, och att till blocket är anordnat ett första och ett andra kyvettfönster, vilka är transparenta för den strålning som skall detekteras, över vardera änden av kyvettanordningen i strålgångarna från källan, är placerade. intill vilket andra kyvettfönster detektorerna Anordningen enligt uppfinningen kan ingå i ett övervaknings- instrument beskrivet i svenska patentansökningen 9103636-8, vars innehåll intas häri genom hänvisning.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är de förbindande kanalerna upptagna rakt eller kurvformigt i kyvettblockets yta och sålunda väsentligen vinkelrätt mot strålgångens riktning. Det är även möjligt att utföra kanalerna som borrhål förbindande kyvetternas ändar längs rymddiagonaler. Kanalerna är emellertid företrädesvis, av tillverkningstekniska skäl liksom för att underlätta gas- strömningen, upptagna, t ex frästa, som spår i kyvettblockets yta, och kanalerna begränsas därutöver i sidled av kyvett- fönstret, som sålunda utgör en av kanalernas väggar.

Det är vidare föredraget att kyvetterna är anordnade runt en central axel i kyvettblocket, vilken axel är parallell varvid företrädesvis den centrala axeln är koaxiell med rotationsaxeln hos en slutarvinge som intermittent bryter strålgången. Kyvetterna, med strålgångens riktning, och därmed samtliga element hörande till respektive strålgång, är därvid med fördel placerade symmetriskt runt denna centrala axel. Vid t ex en öppningsvinkel på 90° vid fyra symmetriskt placerade kyvetter, erhållas från två kyvetter, och mätvärden från de två övriga erhålles fasförskjutet synkrona därmed. hos slutarvingen kan, mätvärden samtidigt 468 782 5 Antalet kyvetter kan anpassas till antalet gaser som skall analyseras och/eller det antal analysvåglängder som erfordras.

På motsvarande sätt kan antalet detektorer väljas. Emellertid kan vid behov av färre gaser/analysvåglängder än antalet kyvetter i en tillgänglig anordning enligt uppfinningen, en eller flera kyvetter lämnas outnyttjade. På motsvarande sätt kan en eller flera detektorer utgå eller lämnas out- nyttjade. Sålunda är antalet kyvetter företrädesvis fyra eller en multipel därav.

Enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen utgöres detektorerna av pyroelektriska detektorer.

Detektoranordningen innefattar företrädesvis en temperatur- reglerad platta på vilken detektorerna är fästade.

Det är vidare föredraget att filtren för genomsläppning av strålning av karakteristisk våglängd är fästade mot respektive detektor.

Företrädesvis har gasanalysatorn enligt uppfinningen en signalbehandlingsanordning där signalerna filtreras av programvara och filtreringen sker adaptivt baserat på mätsignalens utseende.

Uppfinningen beskrives närmare med hänvisning till bifogade ritningar där, Fig. 1 är en schematisk sprängskiss av en gasanalysator enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, och Fig. 2 visar en kyvettanordning ingående i gasanalysatorn enligt Fig. 1.

Materialangivelser för olika delar nedan avser material som valts såsom särskilt lämpliga, men andra material kan väljas av fackmannen. f» w* ' CO I ritningarna betecknas ett kyvettblock med 1. Detta är i det- valda utförandet formen av ett rätvinkligt aluminiumblock med kvadratiskt tvärsnitt tvärs riktningen av en strålgång 2.

Strålgången utgår från en i ritningen dold källa 3, infrarött ljus, av sammanlagt fyra sådana källor monterade för på ett kretskort 4. Från var och en av källorna utgår en med strâlgången 2 parallell, icke visad strålgång som kan passera genom likadana nedan nämnda delar och ha sin ände i en likadan detektor som strålgången 2. Dessa strålgångar ligger i hörnen av en kvadrat.

På kortet 4 är även placerat en elektrisk motor 5 för rotation av en slutarvinge 6 som har två diagonalt motsatta vingelement av fosforbrons med 90° centrumvinkel. Slutarvingen öppnar i det visade läget för strålgången 2 och för den diagonalt motsatta strålgången, medan den bryter de två andra strål- gångarna. Före slutarvingen passerar strålgången ett fokuse- ringsblock 7 utformat som ett aluminiumblock med uppborrade hål 8 för de fyra strålgångarna.

En distansplatta 9 av plastmaterial (DELRIN) ger en tempera- turbarriär mellan för- och efterplacerade organ, och är en kvadratisk skiva med en cirkulär öppning 10 där slutarvingen 6 kan rotera.

Kyvettblocket 1 har i var och en av sina kvadratiska ytor ett cirkulärt urtag 10, 11 vari vardera ett första 12 och ett andra 13 kyvettfönster av kalciumflorid CaF2 kan placeras, till tätande anliggning mot bottenytan i respektive urtag.

I kyvettblocket är upptaget fyra kyvetter 14a, 14b, 14c, 14d placerade i respektive strålgång, och utförda såsom genomgående borrhål med sina axlar väsentligen i respektive strålgång. Borrhålens ändar förseglas av kyvettfönstren. I bottnen av urtaget 10 är utfräst två kanaler 15 och 16, vilka förbinder kyvetten 14a med 14b respektive 14c med 14d. Likaså är i bottnen av urtaget 11 utfräst en kanal 17 m: 468 782 7 förbindande kyvetten 14b med 14c. En rörformig tilloppsledning 18 mynnar i kyvetten 14a nära dess mot fönstret 13 vända ände, och nära mot samma fönster vända ände av kyvetten 14d utgår en rörformig utloppsledning 19.

Kyvettfönstren 12 respektive 13 förseglar de öppna sidorna av kanalerna 15 och 16 respektive 17. Sålunda bildas en sluten ledning via elementen 18, 14a, 15, 14b, 17, 14c, 16, 14d och 19.

I en exempelvis angiven utföringsform är in och utlopps- ledningarnas innerdiameter 1 mm, kyvetternas diameter 2 mm kanalernas bredd parallellt med respektive kyvettglas 1 mm och deras djup 0,5 mm. Kyvetternas längd är 4,8 mm.

Ett i aluminium utfört distansblock 20 är placerat omedelbart efter kyvettblocket. Detta har fyra hål mitt för de fyra strålgångarna. I hålen passar fyra detektorhållare 21a, 21b, 21c, 21d placerade på ett värmeblock försett med en icke visad anordning för hållande av därpå fästade detektorer vid en konstant förhöjd temperatur. På hållaren 21a är en detektor 22a för infrarött ljus fästad täckt av ett filter 23a genomsläppande en våglängd som kan användas för halt- bestämning av en gas i ett provgasflöde som införes genom tillflödesledningen 18. Motsvarande detektorer 22b, 22c, 22d, men för andra våglängder finns på hållarna 21b, 21c och 21d.

Värmeblocket kan med fördel vara placerat platt mot ett kretskort försett med anslutningar för detektorerna.

Slutligen är en temperatur-isolerande ram 24 av polymerskum utformad att i anordningens sammansatta läge omge värme- blocket, distansblocket och kyvettblocket. Detta har urtag 25, 26 för ledningarna 18, 19. Fyra skruvar 27 är anordnade att genom motsvarande hål sammanhålla gasanalysatorn. Som exempel på analysatorns yttre dimensioner anges, att sidan _[.“>.

CB CO ~a co ha 8 i dess kvadratiska tvärsnitt kan vara 37 mm och längden i strålgångens riktning 32,5 mm, ej räknad. motorn 5 till slutarvingen Enligt den föredragna utföringsformen av uppfinningen kan upp till fyra olika analysvåglängder hanteras. Det speciella kyvettblocket, som innehåller fyra separata kyvetter med förbindande kanaler, gör att gasanalysatorn har kunnat krympas till mindre än hälften av motsvarande förut kända konstruktioner. Det kompakta utförandet innebär att ljus- spridningen mellan ljuskälla och detektor reducerats till ett minimum, medan en tillräcklig längd på kyvetterna bibehållits för uppnående av erforderlig absorbans. Gasana- lysatorn kan genom sin ringa storlek och effektförbrukning monteras direkt på det kretskort som sköter önskad mätning, styrning och reglering.

Traditionellt har IR-mätning av narkosgaser krävt lång optisk våglängd i mätkyvetten. Detta beror på att narkosgaser uppvisar relativt svag absorption inom det våglängdsområde som tillgängliga detektorer medger. På senare år har dock pyroelektriska detektorer, som har ett större aktivt spektrum blivit allt billigare. De pyroelektriska detektorerna har dock ett högre egenbrus än traditionella blyseleniddetektorer.

De brusproblem som detektorn ger kan hanteras genom filtrering av mätsignalen. Med kraftig filtrering riskerar man dock att viktig kurvinformation går förlorad, vilket inte är acceptabelt ur klinisk synvinkel. Gasanalysatorer har, att lösa detta problem, för försetts med ett adaptivt digitalt Det adaptiva filtret "tittar" på mätsignalen och väljer filtreringsgrad beroende på kurvans derivata - då mätsignalen är konstant väljs ett kraftigare filter realiserat i programvara. filter än om mätsignalen varierar. Den valda algoritmen kan innehålla ett flertal t ex fem olika så kallade finit impulsrespons-(FIR)-filter eller infinit impulsrespons- (IIR)-filter som mikroprocessorn väljer baserat på mätsig- Pr QH 468 782 9 nalens utseende. Adaptiva filter i programvara är välkända för en fackman på området datoriserad mätteknik, och beskrives t ex av Alan V. Oppenheim och Roland W. Shafer i Digital Signal Processing (Prentice Hall International, London 1975) och av Sven Eriksson och Lars Wanhammar: Tidsdiskreta filter del 1-3, Linköpings Tekniska Högskola 1978.

Den mätsignal som erhålles från detektorerna kan närmast beskrivas som en triangelvåg vars derivata är proportionell mot den genom mätkyvetten transmitterade strålningsenergin som betecknas I. För att kunna beräkna denna derivata måste mikroprocessorn synkront med mätsignalen gå in och analogt- till-digital-omvandla denna. Det så erhållna mätvärdet måste sedan ställas i relation till transmitterad strål- ningsenergi genom mätkyvetten utan den mätta gasen som betecknas IQ. Enligt Lambert-Beer's lag gäller då: A = log(I0/I) a cl där l = optisk våglängd i mätkyvetten och c = gasens koncentration. (Tecknet a betecknar "är proportionell mot".) I0 är frånsett temperaturdrift m m konstant för gasanalysatorn och beräknas genom att mikro- processorn då och då kopplar om pneumatiken i instrumentet så att en referensgas leds in i mätkyvetten. Efter logarit- mering enligt Lambert-Beer's lag erhålles ett mätvärde proportionellt mot gasens koncentration. För att få ett riktigt kalibrerat mätvärde måste sedan programmet även innehålla rutiner för kalibrering, tryckkompensering och andra korrektioner.

Claims (10)

CI\\ CO -n Es 10 P A T E N T K R A V

1. Gasanalysator för bestämning av halten av två eller flera gaser i ett gasflöde, innefattande minst en källa (3) för avgivande av två eller fler strålgångar (2) av strålning av detekterbar våglängd, en kyvettanordning med ett inlopp (18) och ett utlopp (19) för gasflödet, filter (23) för genomsläppning av strålning av karakteristisk våglängd för respektive gas och en detektoranordning innefattande ett flertal detektorer (22) för omvandling av strålningen till en elektrisk signal, kännetecknad därav, att kyvettanordningen innefattar ett block (1) med ett antal genomgående kyvetter (14) i var och en av strålgångarna, vilka kyvetter är sinsemellan förbundna med kanaler (15,16,17) som sammanbinder ändar av kyvetterna, till bildning av en obruten ledning för gasflödet från inloppet till utloppet, och att till blocket är anordnat ett första (12) och ett andra (13) kyvettfönster, vilka är transparenta för den strålning som skall detekteras, strålgångarna från källan, intill vilket andra kyvettfönster detektorerna är placerade. över vardera änden av kyvettanordningen i

2. Gasanalysator enligt patentkrav 1, kännetecknad därav, att de förbindande kanalerna (15,16,17) är väsentligen vinkelräta mot strålgångens riktning.

3. Gasanalysator enligt patentkrav 2, kännetecknad därav, att kanalerna är upptagna som spår i kyvettblockets yta, och att varje kanal i sidled därutöver begränsas av ett av kyvettfönstren.

4. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att kyvetterna är anordnade runt en central axel i kyvettblocket, vilken axel är parallell med strålgångens riktning; V) I! 469 79.? 11

5. Gasanalysator enligt patentkrav 4, kännetecknad därav, att den centrala axeln är koaxiell med rotationsaxeln hos en slutarvinge som intermittent bryter strålgången.

6. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att antalet kyvetter är fyra eller en multipel därav.

7. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att detektorerna utgöres av pyroelektriska detektorer.

8. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att detektoranordningen innefattar en temperaturreglerad platta på vilken detektorerna är fästade.

9. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad därav, att filtren för genomsläppning av strålning av karakteristisk våglängd är fästade mot respektive detektor.

10. Gasanalysator enligt ett eller flera av föregående patentkrav, kännetecknad av en signalbehandlingsanordning där signalerna filtreras av prøgramvara och filtreringen sker adaptivt baserat på mätsignalens utseende.