DE2659898C3

DE2659898C3 - Device for determining the concentration of a gas

Info

Publication number: DE2659898C3
Application number: DE19762659898
Authority: DE
Inventors: Werner Prof. Dr.-Ing. 7505 Ettlingen Adrian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-06-14
Filing date: 1976-06-14
Publication date: 1981-02-05
Also published as: DE2659898A1; DE2659898B2

Description

Die LiImkIuiiü betiifl't eine Vorrichtung tier im C )bei begriff von Patentanspruch I genannten Cialt ιιιιμ.The LiImkIuiiü operates a device animal in the C) for term of claim I mentioned Cialt ιιιιμ.

Hei den In. kannten Vorrichtungen /Ui Messung dei Kon/eι.'ration on Ciäsen durch Strahlungsabsi.rption bei uir da-.^f i;ist:h. 'aklei islischeii Absoiptioiishanden .»i'd ι.'s zn iiiaksu < ende (las in eine Melikainuier gebracht. Diese wird von Strahlungen der spezifischen Wellenlänge durchsetzt. Der in die Meßkammer eintretende Strahlungsfluß sei Φ_η. Dieser Fluß wird durch die Gasnioleküle mit der spezifischen Ahsorptionswellenlänge geschwächt und verläßt die Meßkammer als Strahlungsfliiß Φ,,.Hei den In. Known devices / Ui measurement of the con / eι.'ration of Ciäsen by radiation absorption at uir. ^f i; is: h. 'aklei islischeii Absoiptioiishanden. »i'd ι.'s zn iiiaksu < ende (read brought into a melikainuier. This is penetrated by radiation of the specific wavelength. The radiation _{flow entering the measuring chamber is Φ η} . This flow is carried by the gas molecules the specific absorption wavelength is weakened and leaves the measuring chamber as a radiation flux Φ ,,.

Der Zusammenhang wird durch das Lambert-Beersche Gesetz beschrieben:
Φ = Φ,, '"'■The relationship is described by the Lambert-Beer law:
Φ = Φ ,, '"' ■

Hierin ist in eine Materialkonstaute, / die Länge des Strahlungsweges in dem absorbierenden Medium und f die Konzentration des absorbierenden Gases in der Meßkammer. Möchte man sehr kleine Konzentc.tionen messen, so ist dies bei einer definierten Schwächling, die durch das Verhältnis Φ'Φ» gegeben ist und durch die Auflösung der Detektoren und nachgeschalteter Verstärker begrenzt ist, nur durch Vergrößerung der Wegläuge der Strahlung / möglich.Here, in a material build-up, / is the length of the radiation path in the absorbing medium and f is the concentration of the absorbing gas in the measuring chamber. If you want to measure very small concentrations, this is only possible with a defined weakling, which is given by the ratio Φ'Φ » and is limited by the resolution of the detectors and downstream amplifiers, by increasing the path length of the radiation /.

In bekannten Vorrichtungen der Gasanalyse mit Hilfe von Spektral-Photometern werden Meßkammern verwendet, in denen der Strahlengang über ein optisches System gefaltet wird. Beispielsweise erlaubt ein von White gegebenes Prinzip, Weglängen bis zu 10 m darzustellen. Die Aperturen sind jedoch gering, und das Volumen der Kammer beträgt mehr als 6 I. Zur Messung der Konzentration von Alkoholmoleküli;n in Atemluft muß jedoch die Meßkammer ein extrem kleines Volumen haben, um sicherzustellen, daß nur alveolare Atemluft die Meßkammer füllt. Ails diesem Grunde darf ein Kammervolumeii von etwa 100 ecm nicht überschritten werden.In known devices for gas analysis with the aid of spectral photometers, measuring chambers are used used, in which the beam path is folded over an optical system. For example, allowed a principle given by White to represent path lengths of up to 10 m. However, the apertures are small, and the volume of the chamber is more than 6 I. To measure the concentration of alcohol molecules; n in breathing air, however, the measuring chamber must have an extremely small volume in order to ensure that only alveolar breathing air fills the measuring chamber. For this reason, a chamber volume of about 100 ecm must not be exceeded.

Eine Vorrichtung ist bekannt, bei der eine Kugel mit hochreflektierenden Innenwänden die Meßkammer (.larsteilt. Diese Anordnung ist aber gerade zur Messung der Alkoholkonzentration in Atemluft ungeeignet, da eine Kugel bei kleinster äußerer Abmessung das größte Volumen hat. Gerade der umgekehrte !•all ist aber erwünscht. Zum zwei'fn ist durch die Mehrfachreflexion der Kugel keine definierte Weglänge gegeben. Es kommt zu einer Faltung mehrerer durch ilen Alkoholgehalt mehr oder weniger stark geschwächter Komponenten (US-PS 3310071).A device is known in which a ball with highly reflective inner walls forms the measuring chamber (Clearly. However, this arrangement is particularly unsuitable for measuring the alcohol concentration in the air we breathe. because a sphere has the largest volume with the smallest external dimension. Just the opposite ! • but everything is welcome. Zum Zwei'fn is through the Multiple reflections of the sphere are not given a defined path length. Several folds occur due to the alcohol content of more or less strongly weakened components (US-PS 3310071).

Bekannt ist weiter eine die Form eines Hohlzyjinders aufweisende Meßkammer. Die durch eine Öffnung in einer Stirnseite eingespiegelte Abbildung einer Strahlungsquelle wird an beiden Stirnseiten gespiegelt. Damit ergibt sich ein die Länge ties Zylinders übersteigender Strahlungsweg. Diese bekannte Meßkammer hut jedoch ein verhältnismäßig großes Volumen (US-PS 2212211). In einer Vorrichtung zum Messen der Alkoholkonzentration in Atemluft läßt sich eine solche großvolumigc Meßkammer nicht verwenden. Bei einer solchen Meßkammer wird nicht sichergestellt, daß sie ausschließlich oder überwiegend mit alvcolarer Luft, das heißt unmittelbar aus ilen Lungenbläschen stammender Luft, gefüllt wird.Also known is the shape of a hollow cylinder having measuring chamber. The image of a mirrored in through an opening in one end face The radiation source is reflected on both ends. This gives the length of the cylinder exceeding radiation path. However, this known measuring chamber has a relatively large one Volume (U.S. Patent 2212211). In one device Such a large-volume measuring chamber cannot be used to measure the alcohol concentration in breathing air use. With such a measuring chamber it is not ensured that they are exclusively or predominantly with alvcolar air, that is, directly from ilen Alveoli from air, is filled.

Bekannt siiul weiter Infrarot-Strar.lungselemenlc mit parabelföriiiigen oiler elliptischen Reflektorprofilen /um Schmelzen. Sehweißen, Trocknen usw. Bei elliptischer I oiingeluinu eines Reflektors ergibt sieh im Abstand \o\\ Ui mm eine Brenulinie. Bei Vergoldung des Relleklors wird eine IR-Strahlung in dieser !kennlinie konzentriert (C i-l-T Faeh/citschrift für das Laboratorium. 13. Ig. H. 4 I¹Jd¹J. S. 353).Known are further infrared Strar.lungselemenlc with parabolic oiler elliptical reflector profiles / around melting. See whitening, drying, etc. If a reflector is elliptical in shape, there is a line at a distance of \ o \\ Ui mm. When the Relleklor is gold-plated, IR radiation is concentrated in this characteristic curve (C ilT Faeh / citschrift für das Laboratorium. 13. Ig. H. 4 I ¹ Jd ¹ JS 353).

Bekannt ist weiter ein mit Infrarot-Strahlung arbeitender Gasaualvsalor. Dieser enthält einen Alinder mit einem Im inul einem Auslaß für das /u analysie reudc C ias. Aiu'inem Γ udc ist der Aliiulcr durch eineAlso known is a gas alarm alarm that works with infrared radiation. This contains an Alinder with an Im inul an outlet for the / u analysie reudc C ias. Aiu'inem Γ udc is the aliulcr by one

für Infrarotstrahlung durchlässige Scheibe verschlossen. Durch diese Scheibe wird die von einer Strahlungsquelle ausgehende Strahlung in den Zylinder geleitet, an dessen Innenwänden reflektiert und durch ebenfalls außerhalb des Zylinders liegende Spiegel auf Meßeinrichtungen geworfen. Der Zylinder hat ein verhältnismäßig großes Volumen. Maßnahmen zur Verkleinerung des Zylindervolumens sind nicht vorgesehen und auch nicht beabsichtigt, da das zu analysierende Gas in ausreichenden Mengen zur Verfügung steht (US-PS 2703K44).window transparent to infrared radiation closed. The radiation emitted by a radiation source is guided through this disk into the cylinder, reflected on its inner walls and through mirrors also located outside the cylinder Measuring devices thrown. The cylinder has a relatively large volume. Measures for Reduction of the cylinder volume is not intended and also not intended, as this is to be analyzed Gas is available in sufficient quantities (US Patent 2703K44).

Bekannt ist weiter noch eine in der Spektroskopie verwendete sogenannte Absorptionszelle. Auch sie hat eine im wesentlichen zylinderförmige Gestalt. Auf ilen Innenseiten der Innen- und Oberseite des Zylinders sind Hohlspiegel angeordnet. Diese werfen eine an einem Ende eingeleitete Strahlung mehrfach hin und her, bis sie nach mehrfachem Durchtritt durch den Zylinder diesen wieder verläßt. Maßnahmen, um da» Zylindervolumen klein zu halten, sind nicht vorgesehen (J. Opt. Soc. Am. vol. 51 11 'J611, S. ^i-1(12).A so-called absorption cell used in spectroscopy is also known. You too has a substantially cylindrical shape. on Concave mirrors are arranged on the inner sides of the inner and upper side of the cylinder. These throw a radiation introduced at one end several times back and forth until it passes through several times the cylinder leaves this again. Measures to keep the cylinder volume small are not provided (J. Opt. Soc. Am. Vol. 51 11 'J611, pp. ^ I-1 (12).

Hiervon ausgehend liegt der Erfindungdie Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer Meßkammer zu schaffen, die bei definiertem und langem Weg und großer Apertur ein äußerst kleines Volumen aufweist. Die Lösung für diese Aufgabe ergibt sich bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung mit den im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen.Proceeding from this, the invention is based on the object of providing a device with a measuring chamber create which has an extremely small volume with a defined and long path and large aperture. The solution to this problem arises with a device of the type mentioned in the introduction Invention with the features listed in the characterizing part of claim 1.

Eine rohrförmige Meßkammer hat im Unterschied zu einer kugelförmigen Meßkammer im Vergleich zu der Weglänge für ein mehrfach durch sie durchtretendes Strahlenbündel ein geringes Volumen. Damit läßt sich eine auch schon in kleinen Gasvolumina auftretende Absorption ausreichend genau rneßtechnisch erfassen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von mehr als einer Meßkammer wird diese Genauigkeit noch weiter gesteigert. Damit wird das Ziel erreicht, die Konzentration von Alkoholmoleküleii in der in nur geringen Mengen verfügbaren alveolareu Atemluft genau messen zu können.In contrast to a spherical measuring chamber, a tubular measuring chamber has in comparison to the path length for a bundle of rays passing through it several times has a small volume. So lets absorption, which occurs even in small gas volumes, can be measured with sufficient accuracy capture. By using more than one measuring chamber according to the invention, this accuracy increased even further. This achieves the goal of increasing the concentration of alcohol molecules in to be able to precisely measure the alveolar breathing air, which is only available in small quantities.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Further developments of the invention are the subject of the subclaims.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nun weiter besch/iehen. In der Zeichnut.g istThe invention will now be described further on the basis of the drawings. In the drawing groove.g is

F-"ig.! ein schematisierter Schnitt durch eine sich verjüngende Mcßkammer,F- "ig.! A schematic section through a rejuvenating chamber,

Fig. 2 ein Schnitt durch eine Meßkammer mit parallelen Wanden zwecks Darstellung der Öffnungen und Ventiie zum Ein- und Ausströmen der zu untersuchenden Case undFig. 2 is a section through a measuring chamber with parallel walls for the purpose of showing the openings and valves for the inflow and outflow of the substances to be examined Case and

Fig. 3 ein schematisierter Schnitt durch die aus zwei nebeneinander angeordneter Mcßkamniern bestehende Ausführungsiorm.Fig. 3 is a schematic section through the consisting of two juxtaposed Mcßkamniern Execution orm.

Fig. I zeigt die in einem Brennpunkt des Ellipsoidspiegel 2 ungeordnete Strahlungsquelle 1. Der \on ihr ausgesaugte Strahlungsfluß wird im /weiten Brennpunkt 3 vereinigt. Dort befindet sich der Strahluiigseingang einer Meßkammer 4. Das am abgelegenen Ende der Meßkainiiier angeordnete optische Element 5 bildet den /weiten Brennpunkt des Ellipsoidspiegels 2 über einen Hinlenkenden Planspiegel 6 auf dem seitlich ungeordneten zweiten optisch abbildenden Element 7 üb. Die strahlende Fläche des ersten optischen Elementes wird durch das /wvilc optische Element durch eine Öffnung H auf den Detektor9 abgebildet. Damit hat die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung die Meßkammer 4 etwas mehr als zweimal durchlaufen.1 shows the radiation source 1, which is disordered in a focal point of the ellipsoidal mirror 2. The radiation flux sucked out from it is combined in the wide focal point 3. There is the Strahluiigseingang a measuring chamber 4. The arranged at the remote end of the Meßkainiiier optical element 5 forms the / wide focal point of the ellipsoidal mirror 2 via a deflecting plane mirror 6 on the laterally disordered second optically imaging element 7 u. The radiating surface of the first optical element is imaged by the / wvilc optical element through an opening H onto the detector 9. The radiation emanating from the radiation source 1 has thus passed through the measuring chamber 4 a little more than twice.

Der Planspiegel 6 dient nur dazu, die Strahlung über das zweite optisch abbildende Element 7 aus der Meßkammer 4 heraus auf den Detektor ¹J /u werten. Damit läßt sich dieser in räumlichem Absland von der Strahlungsquelle 1 anordnen.The plane mirror 6 only serves to evaluate the radiation via the second optically imaging element 7 from the measuring chamber 4 to the detector ¹ J / u. This can thus be arranged in a spatial distance from the radiation source 1.

Fig. 2 zeigt das die Meßkammer bildende Kohl 4 mit einem Einblasstutzen 17, der über ein Schlauchstiick 18 mit einer Speichelfalle 19 verbunden ist. Der Einblasstutzen 17 ist zum schmaleren Ende des Rohres hin versetzt. In der Nähe der Enden befindet sich je eine Ausblasöffnung 20. Diese werden von Federhlcchcn 21 abgedeckt. Diese sind etwa ().()5 mm stark und werden von je einer Schraube mit einer Anpreßscheibe gehalten. Sie wirken wie Überströmventile. Beim Einblasen von Atemluft über du.· Speichelfnlle 19 hebt der Innendruck die Fedcrbleche 21 an. Überschüssige Luft kann aus der Meßkammer 4 entweichen. FIG. 2 shows the cabbage 4, which forms the measuring chamber, with an injection nozzle 17 which extends over a piece of hose 18 is connected to a saliva trap 19. The injection nozzle 17 is towards the narrower end of the pipe moved there. There is a blow-out opening 20 near each of the ends 21 covered. These are approximately (). () 5 mm thick and are each secured by a screw with a pressure washer held. They act like overflow valves. When blowing air over you. · Saliva 19 the internal pressure lifts the spring plates 21. Excess Air can escape from the measuring chamber 4.

Fig. 3 zeigt die Gesamtanordnung, bei der das beschriebene Prinzip zweimal angewendet wird. Die von der Strahlungsquelle 1 austretende Strahlung gelangt in der beschriebenen Weise zum optisch abbildenden Element 5 und von dort zu einem ersten Planspiegel 11, der die Strahlung durch einen um ¹H)" zu seiner Ebene angeordneten zweiten Planspiegel 12 in die zweite Meßkammer 10 leitet. Die Trennwand /wischen den beiden Meßkammern ist notwendig, um die durch die Wandreflexionen entstehenden Slrahlungsanleile mitverwerten zu können. In der zweiten Meßkammer 10 wird das bereits bei der Einfachmeßkummer beschriebene Prinzip wiederholt. Das Bild der /weiten Brennebene wird von dem optisch abbildenden Element 13 nach Umlenkung durch den Planspiegel auf dem seitlich angeordneten optisch abbildenden Elen· .'nt 7 abgebildet, das wiederum die Strahlung auf dem Detektor 9 vereinigt. Wesentlich ist. dall die Strahlung jede Meßkammer in beiden Klehtuuuen einmal durchläuft, wodurch die wirksame Wculange vergrößert und der Strahlungsfluß schließlich aal einen von der Strahlungsquelle abgelegenen Or! \oieinigt wird.Fig. 3 shows the overall arrangement in which the principle described is applied twice. The radiation emerging from the radiation source 1 reaches the optically imaging element 5 in the manner described and from there to a first plane mirror 11, which ^{guides the radiation through a second plane mirror 12 arranged at 1} H) " to its plane into the second measuring chamber 10. The dividing wall / between the two measuring chambers is necessary in order to be able to use the parts of the radiation created by the wall reflections. In the second measuring chamber 10, the principle already described for the single measurement is repeated Deflection by the plane mirror on the laterally arranged optically imaging element 7, which in turn combines the radiation on the detector 9. It is essential that the radiation passes through each measuring chamber in both cells once, thereby increasing the effective length and the radiation flux finally aal a remote from the radiation source n Or! \ o is agreed.

Die optisch abbildenden Elemente können sowohl als Hohlspiegel als auch als Planspiegel mit vorgesetzter Sammellinse ausgeführt werden. Ebenso liilit sieh die räumliche Lage der Strahlungsquelle und des Detektors vertauschen.The optically imaging elements can both be designed as a concave mirror as well as a plane mirror with a superposed converging lens. Likewise liilit see swap the spatial position of the radiation source and the detector.

In Ahwandlung der in Fig. I gezeigten Ausiiihruiigslorm kann der Planspiegel 6 auch in Gcgcnuhrzeigerrichtuiig verdreht angeordnet we'den I >ie Strahlung trifft dann ohne Zwischenschaltung de·, optisch abbildenden Elementes 7 nach Bündelung ilinch eine Sammellinse auf den Detektor 9 aiii, Gleuhes gilt für die Ausführ .ngsforin nach Fig. V lliei wurde der Planspiegel 14 und die Sammellinse die Sli.ililiing unmitteiliur /um Detektor 9 lenken.In a modification of the form shown in FIG the plane mirror 6 can also be correct in counterclockwise direction Arranged in a twisted manner, the radiation then strikes optically without interposition imaging element 7 after bundling ilinch a converging lens on the detector 9 aiii, Gleuhes applies to the execution .ngsforin according to Fig. V lliei was the plane mirror 14 and the converging lens the Sli.ililiing Directly / around detector 9.

Ebenso kann das optisch abbildende I -lenient 13 so gedreht werden, daß es die Strahlung unmittelbar auf einen Detektor wirft. Hierzu muß ti jeilin.li als Hohlspiegel mit kiir/t.' Brennweite ausgebildet ^ in.Likewise, the optically imaging element 13 be rotated so that it throws the radiation directly onto a detector. To do this, ti jeilin.li as Concave mirror with kiir / t. ' Focal length formed ^ in.

Hierzu I Blatt ZeichnungenFor this purpose I sheet drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for determining the concentration of a gas based on the optical absorption capacity of the gas with

a) an optical radiation source.

b) a tubular measuring chamber receiving the gas with the following features:

1. an inlet and an outlet opening for the gas,

2. an inlet opening for a beam of rays emanating from the radiation source at one end of the measuring chamber,

3. one arranged in the path of the beam at the other end of the measuring chamber Reflector with image shafts,

4. an exit opening for the beam,

5. a radiation-reflecting construction of the inner wall,

c) an optical detector by way of the beam that has passed through the gas,

characterized in that

d) at least one further measuring chamber (10) of the same type filled with the gas is provided is, which is aligned parallel to the one measuring chamber (4) and is arranged to the side of this, and its inlet opening the outlet opening of a measuring chamber (4) is opposite, and

e) each at one end of the .4eßkammem (4, 10) plane mirror (11, 12, 14) are arranged such that the beam over the Reflector (5) and the outlet opening of one measuring chamber (4) to the inlet opening the further measuring chamber (10) and from there via its reflector (13) to its outlet opening (8) is steered.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that between the beam to the outlet opening (8) of the further measuring chamber (10) directing plane mirror (14) and the detector (9) Another optical element (7) with mapping properties is arranged.

3. Device according to claim 2, characterized in that that the reflectors (5, 13) and the further optical element made of concave mirrors or consist of plane mirrors with convex lenses in front.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the Cross-section of the measuring chambers (4, 10) reduced by one / the other EmIe.