SE522062C2 - CO2-sensor - Google Patents

Description

»niin 522 062 2 . n one s.

Instrument och givare för mätning av COQ-koncentration i luft finns beskrivna i patentlitteraturen och även i form av kommersiellt tillgängliga produkter på marknaden.

Flertalet av dessa baseras på COg-molekylens absorptionsspektrum för elektromagnetisk strålning i det infraröda våglängdsområdet. Sådana spektra kan detekteras och analyseras med spektralanalysatorer enligt känd teknik. Genom mätning vid specifika våglängder där absorptionen för C02 avviker från övriga i luft ingående gaser, kan en utsignal fås med erforderlig sensitivitet och specificitet. Ett problem med denna mätprincip är dock känslighet för nedsmutsning av damm, vätskedroppar, rökpartiklar etc, vilket ställer särskilda konstruktionskrav eller krav på täta underhållsintervaller, förutom höga krav på mekanisk precision. Som en följd därav har dessa instrument hög tillverkningskostnad men ändå begränsad tillförlitlighet. De utnyttjas därför endast i begränsad omfattning i de ovarmämnda tillämpningsområdena.

Föreliggande uppfinning löser dessa och relaterade problem. Uppfinningen baseras på indirekt mätning av molekylviktens medelvärde, vars variation i luft i vissa fall kan antagas vara dominerad av variationer i COZ-koncentration, via mätning av ljudhastigheten, vilken i första approximationen ges av c = WRTY/M) ............. .. (1) där c är ljudhastigheten, R allmänna gaskonstanten = 8.314 J/mol K, T absoluta temperaturen, y förhållandet mellan specifikt värme vid konstant tryck resp volym, och M är molekylviktens medelvärde. Sambandet förutsätter bl a att gasblandningen, i detta fall luft, kan betraktas som en ideal gas enligt kända fysikaliska principer.

Ekvation (1) har utnyttj ats i mätgivare och instrument för att bestämma koncentrations- förhållanden i binära gasblandningar, dvs blandningar med två komponenter med avvikande molekylvikt. Hålls temperaturen konstant kan koncentrationsförhållandet mellan de två komponenterna bestämmas genom mätning av ljudhastigheten och användning av ekvation (1).

Föreliggande uppfinning baseras på att molekylvikten för C02 (MC02=44 atomära enheter) är avsevärt högre än medelvärdet för luft (Mlufi =28.9). Vid förhöjd COQ-koncentration kommer luftmedelvärdet att öka och ljudhastigheten att minska. Motsvarande förändringar fås för övrigt för alla molekylära gasinblandningar med avvikande molekylvikt. Exempelvis ger ökad halt av vattenånga, H20 (MHQQ =18), upphov till en nettominskning av medelvikten, med andra ord en signal av motsatt tecken. Nedanstående ekvation anger sambandet mellan små variationer av temperatur samt koncentration av koldioxid XCOQ resp vattenånga XHQO och deras inverkan på ljudhastigheten (variationema hos respektive variabler anges med A): AC/°0=AT/2T0-(Mco2-M1uf0/2M1ufi *Xco2+(M1ufi-MH2o)/2M1ufi *Xnzo -- (2) Ekvation (2) ger en illustration till att det existerar både önskade och oönskade funktionella samband. En observerad variation av ljudhastigheten behöver inte orsakas av en variation av koldioxidkoncentrationen utan kan bero på en variation av temperatur eller luftfuktighet. Av ekvation (2) framgår också att dessa oönskade samband har riivåskiftaiide karaktär, dvs i den linjära approximationen påverkas utsignalens nivå. Däremot är påverkan på kalibrerfaktom, dvs den multiplikativa koefficienten framför XCOQ enligt denna approximation försumbar. annu; 522 062 3 n nu: :I I föreliggande uppfinning sker en automatisk korrektion av eventuella oönskade nivåvariationer hos sensoms utsignal, oberoende av om de orsakas av variationer i temperatur, luftfuktighet eller något annat. Utgångspunkten för denna automatik är dels att förekommande oönskade nivåvariationer är betydligt långsammare än de förlopp man önskar mäta dels att sensorsignalens förlopp i tiden inkluderar tidpunkter då ett sant signalvärde på säkra grunder kan antagas. Ett sådant antagande är realistiskt i tillämpningar som inte kräver en absolutmätning, utan där det är tillräckligt att relatera utsignalen till t ex den ovannämnda bakgrundsnivån hos frisk luft. Om sensom under en viss tid någon gång exponeras för frisk luft, representeras mätvärdet vid denna tidpunkt av ett extremvärde, eftersom C02-koncentrationen aldrig understiger bakgrundsnivån för frisk luft. I de tillämpningsområden som ovan nämnts råder just detta förhållande. I tomma ventilerade lokaler återgår COz-koncentrationen till friskluftnivån, och den då uppkommande signalnivån representerar ett extremvärde vars nivå kan utnyttjas som grund för automatisk nivå-återställning. Motsvarande gäller också de medicinska användningsområdena, även om tidsskalan i detta fall är betydligt kortare. I andra tillämpningar kan signalens medelvärde under längre tid utnyttjas som nivåreferens. Generellt kan statistiskt framräknade parametrar baserade på ackumulerade mätvärden under viss tid läggas till grund för nivå-återställningen.

Det ovannämnda kravet att oönskade nivåvariationer skall vara långsamma kan tillgodoses genom ändamålsenlig konstruktion av sensom enligt uppfinningen. Temperaturvariationer i en luftfylld mätcell kan göras långsamma genom att utfonna mätcellen som en tennosflaska, dvs med ett inre och ett yttre hölje åtskilda av ett värmeisolerande material. Ytterligare termisk Stabilisering kan erhållas genom aktiv tennostatering av det inre hölj et enligt känd teknik.

Variationer i luftfuktighet kan göras långsamma genom att tillse att det luftflöde som skall analyseras först får passera material med hög porositet och hög ytdensitet av polära molekylgrupper. Till sådana material adsorberas andra polära molekyler, t ex vattenrnolekyler, vilket gör att fuktigheten för en förbipasserande luftström utj ämnas i tiden på önskvärt sätt.

Sensom enligt uppfinningen kommer nedan att beskrivas mer i detalj i anslutning till bifogad flgur 1, som schematiskt visar sensorns uppbyggnad och funktion i fonn av ett blockschema.

Sensorn enligt uppfinningen består av en cylindrisk mätcell eller kammare 1, visad schematiskt som ett längdsnitt i figur l. I mätcellen 1 sker kontinuerlig eller interinittent mätning av ljudhastigheten i luft. Ett luftflöde tillser att ett adekvat luftutbyte sker mellan den aktuella mätpositionen och mätcellen. Detta luftflöde kan åstadkommas genom diffusion, konvektion, tryckgradient eller annan känd passiv eller aktiv drivmekanism, varigenom luftflödet i viss utsträckning är kontrollerbart till sin storlek. Sj älva mätningen utförs genom utsändning av luftbuma akustiska vågor i mätcellen 1, varefter deras utbredningshastighet mätes.

Mätcellen 1 avgränsas av två elektroakustiska element 2, 3 och ett inre, cylindriskt hölje 4. De elektroakustiska elementen kan t ex bestå av tunna plattor av piezoelektriskt material, t ex blyzirkonat-titanat, med metallbeläggningar. Enligt känd teknik ger ett elektriskt fält i materialet upphov till mekanisk töjning, som kopplas ut i form av luftbuma akustiska vågrörelser. På detta sätt fungerar ett elektroakustiskt element som sändare av akustiska vågor. Företrädesvis utformas den piezoelektriska plattans geometri så att frekvensen för en mekanisk resonanssvängning sammanfaller med den akustiska frekvens man önskar utsända. I föreliggande uppfinning är det en fördel att arbeta med ultraljud, dvs vid frekvenser ovanför det hörbara frekvensområdet. Kommersiellt finns elektroakustiska element att tillgå i frekvensområden från 30 kHz till ca l MHz. Eftersom den piezoelektriska effekten är reversibel kan i princip samma typ av elektroakustiska element användas både som sändare och mottagare. anal» 5224 062 Man är heller inte enbart hänvisad till piezoelektriska sändare/mottagare. Även elektrostatisk/kapacitiv drivning/detektion kan i princip utnyttjas, liksom magnetostriktiva givare.

I en föredragen utförandeform utsänds kontinuerliga akustiska vågor med väsentligen konstant amplitud från ett elektroakustiskt sändarelement 3 och mottages av ett elektroakustiskt mottagarelement 2. Elementen 2 och 3 är frekvensbestämmande element i en frisvängande oscillator vars frekvens bland annat bestäms av de akustiska vågomas utbredningshastighet genom luften i kammaren 1. Elementen 2 och 3 är anslutna till en elektronisk förstärkarenhet 14, vilken enligt känd teknik innehåller erforderliga aktiva och passiva kretselement för denna oscillatorfimktion. Oscillatorfrekvensen bestäms bl a av gångtiden för de akustiska vågorna från elementet 3 till elementet 2, och eftersom avståndet är konstant är den entydigt beroende av ljudhastigheten.

I en altemativ utförandeforrn utsänds i stället för kontinuerliga vågor korta pulser, varefter tiden för dessas fortplantning genom mediet mätes. Fördelen med detta sätt är att man då i princip kan nöja sig med ett enda elektroakustiskt element riktat mot en lj udreflekterande vägg enligt den kända puls-eko-principen. Nackdelen är ett mer komplicerat detektionsförfarande.

Mätcellens inre hölje 4 är företrädesvis tillverkat i ett metalliskt material med god termisk ledningsförmåga, t ex koppar eller aluminium. Typiska dimensioner är innerdiameter 3-10 mm, längd 3-15 mm, varvid den aktiva längden företrädesvis utgör en multipel av halva lj udvåglängden vid aktuell arbetsfrekvens. Höljet 4 är försett med öppningar 7, 8 vilka medger förbindelse mellan den inre kammaren och dess omgivning. Förbindelsen medger passage av gas genom diffusion, konvektion eller tryckstyrt flöde. Normalt sker gasutbytet mellan kammarens 1 inre och dess omgivning helt passivt utan för ändamålet avsedd effekttillförsel.

Genom placering av öppningama 7, 8 mitt emot varandra över kammaren såsom ritats i figur 1 kommer den huvudsakliga gasflödesriktningen att ske vinkelrätt mot utbredningsriktningen för de akustiska vågoma mellan elementen 2 och 3. Ett kraftigt luftflöde i utbredningsriktningen för de akustiska vågoma skulle nämligen ge upphov till ett mätfel på grund av ljudhastighetens beroende av flödeshastigheten.

Till hölj et 4 är minst en temperaturgivare 1 1, t ex en termistor, och ett eller flera resistiva värmeelement 12 anbringade, med god termisk kontakt mot hölj ets 4 yta. Termistom ll och värmeelementet 12 är anslutna till en elektronisk reglerkrets 13, vilken enligt känd teknik genererar en ström genom värmeelementet 12, varvid sker en noggrant kontrollerad uppvärmning av höljet 4 och den i mätcellen 1 befintliga luftvolymen. Med ovan beskrivna anordning är det möjligt att kontrollera mätcellens temperatur med en noggrannhet bättre än 0.01°C. Ett lämpligt temperaturvärde är omedelbart ovanför givarens normala arbetsområde, t ex 40°C.

Det inre höljet 4 är omgivet av ett poröst material 6 med hög ytdensitet av polära molekylgrupper. Syftet med detta material är, såsom ovan beskrivits, att åstadkomma en utjämnande effekt på förekommande variationer av t ex fuktinnehåll hos inkommande luftflöde, innan detta når mätcellen 1. Exempel på lämpligt material är cellulosa, som har förmågan att reversibelt binda flera viktprocent vatten. Papper och bomull består huvudsakligen av cellulosa, varför ändamålsenliga former av materialet, t ex skivor, band eller trådar orienterade så att luftflödet passerar längs resp ytor lätt kan åstadkommas. Den porösa strukturen hos materialet 6 är också ändamålsenligt genom att det innebär god termisk isolation mot omgivningen, vilket är av betydelse för noggrannheten för den ovannämnda temperaturregleringen.

Claims (1)

:..':.': ::: -.' 21%: : :": 5. ; ;,- 3:-- - PATENTKRAV

1. Sensor för mätning av koldioxidkoncentration i ett luftflöde som tillförs minst en mätcell (1), vilken ansluter till minst ett elektroakustiskt element (2, 3) för sändning och mottagning av luftburna akustiska vågor i nämnda mätcell (1), kännetecknad av att minst en mätsignal genereras, vilken utgör en monoton funktion av nämnda vågors utbredningshastighet och ett indirekt mått på nämnda koldioxidkoncentration, samt minst en automatisk nivå-återställningsfunktion för kompensering av oönskade nivåvariationer hos nämnda mätsignal, samt att nämnda nivå-återställningsfunktion baseras på mätning eller beräkning av nämnda mätsignals medelvärde, extremvärden eller andra statistiska parametrar beräknade under viss tid, vilken är kortare än tidsförloppen för nämnda oönskade nivåvariationer. Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst en ackumulerande, filtrerande eller tidsfördröjande funktion för minimering av att nämnda nivåvariationers inverkan. Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av att nämnda luftflöde åstadkommes genom diffusion, konvektion, tryckgradient eller annan drivmekanism och är aktivt eller passivt kontrollerbart till sin storlek. Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknar! av att nämnda luftflöde innan det tillförs nämnda mätcell (1) passerar material med stor porositet och ytdensitet av polära molekylgrupper, samt att nämnda material, t ex cellulosa, har formerna av tunna skivor, band eller trådar, orienterade så att nämnda luftflöde passerar längs nämnda skivors, bands eller trådars ytor. Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av att nämnda mätcell (1) omgives av minst ett inre och minst ett yttre hölje (4, 5), varvid minst en temperaturgivare (11) samt minst ett resistivt värmeelement (12) har god termisk kontakt med nämnda inre hölje (4), vilken är utförd i ett material med god termisk ledningsförrnåga, att nämnda yttre hölje (5) är värmeisolerad från nämnda inre hölje (4), samt att utsignalen från nämnda temperaturgivare (11) via minst en regulator (13) utnyttjas för kontroll av effektutveckling i nämnda värmeelement (12). Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst en öppning (7, 8) till det inre av nämnda mätcell (1) vars placering är sådan att nämnda luftflöde i nämnda mätcell (1) väsentligen sker vinkelrätt mot utbredningsriktningen för nämnda akustiska vågor samt att dämpningen för nämnda akustiska vågor mellan nämnda mätcell (1) och omgivningen överstiger 60 dB. Sensor enligt patentkrav 1 kännetecknad av minst ett förstärkarelement (14) sammankopplat med nämnda elektroakustiska element (2, 3) till en frisvängande oscillatorkrets vars frekvens är en monoton funktion av ljudhastigheten i nämnda mätcell (1)- Sensor enligt patentkrav 1 kämzetecknad av minst en signalbearbetande funktion (15, 17).