JPH0325348A - 気体成分測定用のセンサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光学的に気体或分を測定するセンサ装置、そ
れも、発信器と、受信装置と、加熱可能の測定クベツ１
・の保持部と、発信器からクベットを通り受信装置へ至
る光路を確定する複数光学装置とを収容したケーシング
から或る形式のものに関する。

従来の技術 この種のセンサ装置は、ＤＥ−ＯＳ２４　４２？８９に
開示されている。

この公知のセンサ装置は、呼吸気中のＣＯ２含量を測定
するのに用いられるものである。この場合、呼吸気は、
赤外線光束が導通される測定クベット内を透過させられ
る。光線は、脈動する赤外線源から発せられ、レンズ・
システムによう光束にされ、クベット内を平行光線とし
て通過する。クベットを通過後、赤外線光束は、赤外線
検出器のところに焦点を結ぶ。呼吸気内にどの位のＣＯ
■が含有されているかに応じて、赤外線は多少の差はあ
れ弱められる。感度をよシ良くするため、干渉フィルタ
を用いて、赤外線のなかから、ＣＯ２分子が感応する特
徴をもつ波長が濾波される。通例、そのために選ばれる
のは、約４．３マイクロメータの波長である。公知装置
で試料気体として利用される呼吸気は、かな少の水蒸気
成分が含まれていて、それがクベット内壁に付藩するこ
とがある。他の試料気・体の組成を検出する場合も、気
体組成に水蒸気が含１れていることを前提として差支え
ない。

したがつ′て、それらのケースでは、クベット内壁に、
特に、光線を透過させる区域に、水蒸気その他の汚れが
付着すれば、光路にあたるクベットの透過性が低下する
ことを予想しなければならない。水蒸気の凝縮を防止す
るために、公知形式の場合、クベット保持部全体が、凝
縮を防止する温度に加熱され、その温度が維持される。

加熱されたクベット保持部は、光束の透過のために空け
てネ・かねばならない区域を除いて、クベットを取囲む
ように．される。

この公知形式は、このため、次のような欠点を有してい
る。すなわち、光束がクベットに出入するさいに通る正
にその区域が、間接的にしか加熱されず、光線の通過に
とって重要でない部分が、１ず第一に加熱されるという
欠点である。この結果、著１〜い熱量が必要とされ、こ
の熱量を、相応の加熱出力によって調達し、維持しなけ
ればならない。更に、この熱は、加熱されるクベット区
域から、熱伝導によ９、クベット自体内部を、光線の通
過するクベット区域璽で伝えられねばならない。

更に、別の公知の装置（ＡＴ−ＰＳ３８４４８８）の場
合には、亀気式の加熱素子が直接にクベット又はクベッ
トの窓に取付けられている。

たとえば、クリーニングや消毒もしくは滅菌の目的でク
ベットを取外すことができるようにする場合には、セン
サへの加熱素子の接続が、プラグ接点を介して行なわれ
る。この装置の場合の欠点は、接点の頻繁な差込みによ
る機械的な故障が生じやすいことと、洗浄及び滅菌過程
によ９クベットの亀気的な素子に腐食が生じやすいこと
である。加えて、特定の使用分野、たとえば医学分野で
の使用の場合には、外都から接触可能な電気接点を無く
す必要がある。

発明が解決しようとする課題 本発明の根底をなす課題は、冒頭に述べた形式のセンサ
装置を次のように改良することにある。すなわち、クベ
ット壁の加熱を、光路に当たる区域に限定し、光学装置
によって生じうる光線の通過区域が、加熱装置によって
狭められることがないようにし、更に筐た、加熱素子を
クベット自体に取付けたり、外部から接近可能な接点を
センサのところに設けることがないようにすることにあ
る。

課題を解決するための手段 この課題は、次のようにすることにょＤ解決された。す
なわち、クベット保持部が、光路内に測定光線を透過す
る窓を有し、この窓が、クベットを装着した場合に、ク
ベットに密接するようにし、かつまた、クベットに向い
た窓面の向う側に、光路が中を通る加熱装置を配置する
ようにしたのである。

本発明の利点は、実質的には、次の点にある。

すなわち、加熱装置が、加熱を要する窓の面に限定して
加熱を行なうため、クベット保持部ないしセンサの側か
ら加熱が行なわれるとはいえ、光線の通るクベット区域
に効率のよい熱伝導が可能になる点である。測定クベッ
トの全体積に対して僅かの加熱区域を４０℃に維持する
だけであるから、相応に加熱出力を小さく選定すること
ができる。必要な加熱出力が小さいため、加熱装置は、
スノξツタリングされるか蒸着されるかした帯状材料で
あることができ、そのさい、この帯状材料は、クベット
とは反対側のサファイア製窓ガラス表面に取付け、光路
の・外に位置するようにする。もう一つの解決策は、加
熱装置を、メアンダー状又は千鳥状の、蒸着された細い
帯状導体として構成することである。この帯状導体は、
窓の全面に設けておくが、光束が通過するのに十分な中
間スペースは空けておく。

更に１た、相応の窓面に、関連するスペクトル域を透過
する導電性フィルムを蒸着することも可能である。ある
いは又、加熱装置を、窓内に埋込み、直接に、クベット
側の窓面のところ近くまで、加熱装置を近づけるように
することもできる。いずれの場合も、加熱装置の導電性
構成部品が、クベット側の窓面から突出することがない
ようにする。加熱装置を、クベット側の窓面の向うに配
置することにょシ、窓は、クベット保持部ないしはセン
サのケーシング自体内に、ガス密にはめ込むことができ
、それによって、気体を案内する構造部分と電気的な導
体とを気密に分離することができる。このことは、竹に
、被験気体が爆発性の混合気の場合に重要となる。その
種の気密なシールが可能でなければ、混合気の検出のた
めに、特別な安全措置を則る必要があるだろう。この付
加的な安全措置が、本発明の場合には不用である。窓と
クベットとを密接させる場合、双方の間に約２００マイ
クロメータ程度の空気ギャップがあってもよい。この程
度のギャップであれば、著しい光学的な損失なしに、良
好な熱伝導が維持できる。

本発明は、クベットに直接透過方式によシ光線が通され
るセンサ装置にも、光束が、いちどクベットを通過した
のち反射される形式のセンサ装置にも、使用できる。透
過方式のセンサ装置の場合は、光路内に、向い合う２つ
の被加熱窓を設けておく。反身９方式のセンサ装置の場
合には、１つの被加熱窓と、同じように加熱される第２
のガラスとを、クベット保持部ないしセンサ●ケーシン
グ内に設けておく。そのさい、この第２のガラスは、ク
ベットのミラ一部分に密着させておくが、必しも透明で
ある必要はない。以下では、本発明を透過方式のセンサ
装置に用いた場合について説明する。

本発明の別の利点は、双方の窓が、別個に加熱され、所
望温度にサーモスタットにょシ調整される点にある。こ
れにょう、熱的な不均衡が補償できる。こうした不均衡
は、たとえば、単一の赤外線光源のために、双方の窓ガ
ラスが異なる温度に加熱されるような場合に生じる。加
熱装置をＰＴＣ帯状導体にょシ形成しておくことによっ
て、簡単に温度調整が可能である。

センサ装置のうちで最も温度に敏感で、温度変動に明確
に反応する構戒グループは、温度に敏感な検出器や光フ
ィルタを有する受信装置であるが、測定に、赤外線光源
が発信器として用いられる場合には、一層、この種の受
信装置は温度の影響を受ける。光束に直接に隣接する位
置に加熱装置を配置することにょシ、その近辺及び受信
装置への影響区域は、検出器や光フィルタの温度安定化
の点で大きな利益を得ることになる。加熱される窓面ば
、その場合、受信モジュールとして構成される受信装置
に対する接触面と見ることができ、そのさい、このモジ
ュールは、センサ・ケーシングに装入可能であシ、加熱
可能の窓面と密接に熱接触するようにすることができ、
かつ、光軸と整線させることができる。モジュール状の
構成形式によサ、一方では、加熱装置と受信装置との間
の最適熱接触が得られ、他方では、受信モジュール内に
組付けられた光学構成要素や検出器を相互に整列させ、
熱接触面を同時に光学的な調節ストツパとして利用する
ことができる。これによう、組立てが簡単化され、故障
した受信モジュールは、付加的な光学的な調節を必要と
することなく交換可能となる。加えて、モジュールは、
熱伝導性の高い材料で造シ、熱伝導性の低い材料（たと
えばプラスチック）製のケーシングに装入するようにす
ることができる。

加熱を窓面に限定することによシ、同じように発信器を
モジュール式にするのが好都合となる。そのさい、発信
器モジュールには、発信器自体、たとえば赤外線光源と
、発信器から発する光線を反射する放物線形ミラーとを
備えるようにする。このモジュールも、同じようにケー
シング内へ、光軸に整線させて装入可能である。

発信器としては、ほとんど点状のタングステン●ランプ
を用いてもよい。このランプは、約１．５ｍ１１の短い
焦点距離を有する放物線形ミラーの焦点に配置しておく
。タングステン・ランプと放物線形ミラーは、ユニット
構成にし、モジュールと一緒に交換可能である。

２つのモジュールには、光線を導くのに必要なすべての
光学素子が含まれることになる。クベット保持部は、そ
れに配属された加熱可能なガラスと独立のユニットを形
成し，ているからである。このため、光学的な調節の手
間が著しく簡単になる。

光束が透過されるクベット面の汚れを測定技術面で補償
するには、２つの検出器を用い、その一方が、測定気体
に影響される波長を感受し、他方が同気体の影響を受け
ない波長を感受するようにするのがよい。光束を、所望
の２つの波長に分割するには、２つの検出器前方の光束
内に２色性のビーム●スプリツタを間そうしてかくのが
、もつともよい。このビーム・スプリッタによタ、利用
可能の光線スペクトルのなかから、スゾリツタのスペク
トル反動・伝達特性によシ予め特定された波長が濾波さ
れ、それらが、相応の検出器へ導かれる。検出器の前方
には、更に波長を限定するために、それぞれ１つの光フ
ィルタを付加配置して釦くことができる。このようにし
て、異なる波長を感受するように調整された検出器を得
ることができる。また、そのためには、受信装置に、ク
ベットを通過する光束に焦点を結ばせるレンズ、２色性
ビーム・スブリツタ、２つの光フィルタ、２つの検出器
を装備するようにするのが有利である。検出器、光フィ
ルタ、ビーム・スプリッタの温度の安定化は、受信装置
を加熱装置に適切に熱接続することによって可能となる
。この対称光路の場合、精密な測定信号を得るには、温
度の安定化は不可欠である。双方の検出器は、測定信号
の、温度に起因する変動を防止するためには、出来るか
ぎシ等しい、精確な作業温度に維持されるようにしてお
かねばならない。２つの検出器の前方の光路を対称的に
することによシ、たとえばクベットのガラスの汚れによ
る測定誤差が防止される。

受信装置の熱安定性を更に改善するためには、高い熱伝
導性を有する材料製の受信装置を中空ブロックとして構
成し、そのブロックの一方の端面内にレンズを受容し、
その孔又は凹所内には、検出器、光フィルタ、ビーム・
スゾリツタを収容してかくようにする。受信装置の構成
要素は、こうすることによシ、熱伝導性材料によシ取囲
まれ、熱伝導性の低い材料（たとえばプラスチック）製
のケーシングに対し熱絶縁される。

受信装置の熱安定のためには、受信装置内に温度フイー
ラを配置しておくことができる。このフイーラは、有利
には受信モジュールのブロック内に埋込んでフ・＜。フ
イーラの別の有利な配置場所は、受信装置と加熱される
ガラスとの間の接触面である。このようにすると、加熱
可能の窓も受信装置も、同一の温度フイーラで所望目標
温度に調整することができる。

受信装置内で光学的な構成要素を軸対称に調節可能にす
るには、中空ブロックを円筒形に構成するのが有利であ
る。このように構成されたモジュールは、優先旋回角を
要求することなく、ケーシングに装入でき、加熱される
ガラスの接触面に近づけることができる。これと等しい
構成形式は、発信器モジュールにも適用できる。

実施例 次に本発明の１実施例を添付図面につき説明する。

図示の本発明によるセンサ装置を用いて、たどえば、麻
酔中の患者の呼吸気中に含まれてい？ＣＯ■量を検出す
ることができる。以下では、赤外線を用いたＣｏ２含量
測定の例を用いて説明する。

断面して示したセンサ装置には、ケーシング１内に、赤
外線光源として構成されている発信器２を有している。

発信器２の光線は、光源２とユニットを形成する放物線
形ミラーで反豹される。発信器２は、ミラー３の焦点に
位置しているので、放射される赤外線は、ほぼ平行の光
束になる。発信器２とミラー３とは、ケーシング１に装
入される円筒形の発信モジュール５に収納されている。

受信モジュール６には、測定検出器７と基準検出器８が
配置された小室が設けられている。これらの検出器７．
８は、測定に必要な光線を２色ビーム・スゾリツタ９か
ら受取る。ビーム●スブリツタ９は、たとえば３．７マ
イクロメータの範囲の波長を優先的に透過して基準検出
器８へ伝える一方、４．３マイクロメータの範囲の波長
を優先的に反射して測定検出器７へ導くのに役立ってい
る。ビーム・スゾ？ツタ９は、このように光束を分ける
ことのできる材料製である。測定波長域と基準波長域と
を、更に精確に確定するために、検出器の前方には、干
渉フィルタ２５．２６が配置されている。検出されるＣ
Ｏ２は、約４、３マイクロメータの測定波長に感応する
ので、その吸収率がＣＯ■濃度の尺度となる。３．７マ
イクロメータの基準波長の光線は、ＣＯ■に影響されな
い。赤外線の光束を検出器７，８に焦点を結ばせるため
べぱ、受信モジュール６内に受信レンズ１０が組付けて
ある。ケーシング１内には、光路に、それも送信モジュ
ール５と受信モジュール６との間に、クベット保持部１
１が配置されている。この保持部内には、プラスチック
製クベット１２が装入されている。赤外線は、２枚のク
ベット・ガラス１３を介してクベットを通過する。クベ
ット・ガラス１３の両側には、クベット保持部１１内に
窓１４がガラスと整列させて設けられている。これらの
窓１４は、赤外線を透過し、／８テ渣たはエラストマー
製リングでシールされている。クベットと反対側の窓面
には、それぞれ１つのリング状の帯状加熱導体１５が、
厚膜技術もしくは薄膜技術で、窓１４の加熱装置として
取付けられている。帯状加熱導体１５は、リング状に配
着され、ミラー３とレンズ１０とのための開口を有して
いる。窓１４は、サファイアなどの熱伝導性の高い材料
製とする。クベットを装着した場合に、クベットのガラ
ス１３に窓１４が密接するようにすることによって、加
熱導体１５からクベットのガラス１３への＆好な熱伝達
が可能になる。これによって、水蒸気がガラス１３の内
面に凝縮するのが防止される。

水蒸気の凝縮は、湿気を含んだ呼気によシクベット１２
内で生じることがある。呼気は、図示されていない入口
を経て流入し、同じく図示されていない出口へ導かれる
。この入口と出口とは、図平面に対し直角の軸線上の互
いに正反対の位置に設けられている。ケーシング１内へ
装入された円筒形モジュール５，６は、ケーシング１に
密接せしめられ、窓ｌ４に密接せしめら？る。円筒状の
案内２４は、モジュール５．６を光路の光軸と精確に整
線させるのに役立っている。モジュール５．６を固定的
に密接させるために役立っているのが、それぞれ１つの
ねじリング１８であＤ１このねじリング１８は、ケーシ
ング１にねじ込１れ、モジュール５．６をガラス１４と
クベット保持部１１に対し押付けている。ねじリング１
８は、光源２と検出器７．８に給電するための穴を有し
ている。受信モジュール６の、受信レンズ１０を有する
端壁内へは、温度調整用のＮＴＣ温度フイーラ２３が埋
込まれている。検出器７．８が受信した測定信号と基準
信号は、図示されていない分析評価ユニットへ送られる
。このユニットは、比率回路素子を有し、検出器７．８
の２つの信号から商を出すことによシ標準化した信号を
発生させ、この信号が、クベット１２に含ｌれているＣ
Ｏ■の尺度となる。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明によるセンサ装置の縦断面図である。 １・・・ケーシング、２・・・発信器、３・・・放物線
形ミラー　５・・・発信モジュール、６・・・受信モジ
ュール、７・・・測定検出器、８・・基準検出器、９・
・・ビーム・スゾリツタ、１０・・・受信レンズ、１１
・・・クベット保持部、１２・・・プラスチック製クベ
ット、１３・・・クベットのガラス、１４・・窓、１５
・・・帯状加熱導体、１８・・・ねじリング、２３・・
・ＮＴＣ温度フィーラ、２４・・・円筒形案内、２５．
２６・・・干渉フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学的に気体成分を測定するセンサ装置であつて、
   発信器と、受信装置と、加熱可能の測定クベットの保持
   部と、発信器から測定クベットを通り受信器へ至る光路
   を確定する複数光学装置とを収容したケーシングを有す
   る形式のものにおいて、クベットの保持部（１１）が、
   光路内に測定光線を透過する窓（１４）を有し、この窓
   が、クベット（１２）を装入した場合、クベット（１２
   ）に密接するようにし、かつまた、クベット（１２）に
   向いた窓面の向う側には、光路が中を通る加熱装置（１
   ５）が配置されていることを特徴とするセンサ装置。 ２、受信モジュール（６）として構成された受信装置を
   ケーシング（１）内へ装入し、加熱装置（１５）を有す
   る窓面に接近させて熱接触させ、光軸に整線させること
   が可能であることを特徴とする請求項１記載のセンサ装
   置。 ３、発信器（２）と、発信器（２）から出る光線を反射
   して１つの光束に集束する放物線形ミラー（３）とが、
   発信器モジュール（５）内に収容されており、このモジ
   ュール（５）は、ケーシング（１）内に装入でき、光軸
   と整線可能であることを特徴とする請求項１又は２記載
   のセンサ装置。 ４、受信装置（６）が、クベット（１２）を透過する光
   束に焦点を結ばせるレンズ（１０）と、２色性ビーム・
   スプリッタ（９）と、異なる波長を把握するよう調整さ
   れた測定検出器（７）と、基準検出器（８）とを含んで
   いることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記
   載のセンサ装置。 ５、受信装置が、熱の良導材料製であつて、中空ブロッ
   ク（６）として構成されており、その一方の端面内には
   受信用レンズ（１０）が受容され、そのブロック壁内に
   は検出器（７、８）が、配置されていることを特徴とす
   る請求項１から４のいずれか１項記載のセンサ装置。 ６、受信装置（６）内には温度フイーラ（２３）が受容
   されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか
   １項記載のセンサ装置。 ７、中空ブロック（６）として構成された受信装置が円
   筒形状を有することを特徴とする請求項１から６のいず
   れか１項記載のセンサ装置。