SE505308C2 - Sensor för optisk mätning av gasbeståndsdelar - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 505 308 aktuella område som måste vara fritt för genomträngning av strålknippet genom kyvetten.

Den kända anordningen är behäftad med den nackdelen att just det område, genom vilket strålknippet tränger in i kyvetten och ut ur densamma igen, endast uppvärms indirekt. Stället för detta uppvärms primärt de aktuella delarna som är av betydelse för strålgenomgången. Detta medför en stor termisk massa vilken måste höjas till konstant temperatur och bi- behållas vid denna genom en motsvarande värmeeffekt. Dessutom måste värmet från den uppvärmda kyvettzonen genom värmeöver- föring i själva kyvetten överföras till de av strålbanan genomträngda kyvettzonerna.

Vidare är en anordning känd genom AT-PS 384 488, i vilken elektriska uppvärmningselement är anbringade direkt på kyvet- ten eller på kyvettfönstret. För att kyvetten ska vara uttag- bar om så erfordras för rengöring och desinfektion eller sterilisering, är de elektriska anslutningarna till sensorns värmeelement ordnade via stickkontakter. Hos denna anordning är den mekaniska felbenägenheten ofördelaktig vid frekvent användning av stickkontakten och korrisionsbenägenheten hos det elektriska elementet på kyvetten vid rengörings- eller steriliseringsförloppen. Dessutom kan för vissa användnings- områden, t ex inom det medicinska området, erfordras att de elektriska kontakterna är skyddade mot beröring utifrån.

Uppgiften som ligger till grund för den föreliggande uppfin- ningen är således att förbättra en sensor av det kända slaget så att en uppvärmning av kyvettväggarna begränsas till de aktuella områdena, vilka ligger i strålbanan, utan att det från det optiska anordningen möjliga genomträngningsområdet avgränsas genom uppvärmningsanordningen, och utan att värme- element befinner sig på själva kyvetten eller utifrån till- gängliga elektriska kontakter befinner sig på sensorn. 10 15 20 25 30 35 505 308 3 Uppgiften löses genom att kyvetthållaren har åtminstone ett i strålbanan beläget, för mätstrålningen genomsläppligt föns- ter, vilket tätt anligger mot en införd kyvett och att på motsatta sidan av den mot kyvetten vända sidan av fönstret en uppvärmningsanordning är anbringad, som är genomsläpplig för strålbanan.

Fördelen med uppfinningen ligger huvudsakligen i att uppvärm- ningsanordningen är begränsad till ytan av fönstret som skall uppvärmas, varvid en effektiv värmeöverföring till det av den optiska strålningen i det genomträngda området av kyvetten möjliggörs, även om uppvärmningen av kyvetthållaren utgår från t ex sensorn. Uppvärmningseffekten kan anpassas för att upprätthålla en temperatur av omkring 40°C i mätkyvettens totala begränsade uppvärmda område. På grund av den låga uppvärmningseffekten som erfordras kan uppvärmningsanord- ningen utgöras av ett påsprutat eller påångat elektriskt ledande band, vilket anbringats på den från kyvetten vända översidan av en cirkelformad skiva av safir och ligger utan- för strålknippet. En andra möjlighet består i att uppvärm- ningsanordningen är utformad som smala slingrande eller sicksackformiga påångade ledningsmönster, vilka sträcker sig över hela fönsterytan och ändå lämnar tillräckligt mellanrum för att strålknippet skall kunna tränga igenom. Det är även möjligt att belägga den aktuella fönsterytan med en elekt- riskt ledande och i det aktuella spektralområdet genomskinlig film. Uppvärmningsanordningen kan också utan vidare inbäddas inuti fönstret, eller kan t o m anbringas direkt på den mot kyvetten vända fönsterytan. I varje fall bör det förhindras att uppvärmningsanordningens elektriskt ledande komponenter skjuter ut framför den mot kyvetten vända fönsterytan. Genom att uppvärmningsanordningen är anbringad på motsatta sidan av den mot kyvetten vända ytan av fönstret, kan fönstret infat- tas gastätt i kyvetthållaren resp i sensorhuset, varigenom en hermetisk avskiljning mellan gasförande byggdelar och elekt- riska ledningar är genomförbar. Detta är särskilt utslags- givande i sådana fall då gasen som skall undersökas uppträder 10 15 20 25 30 35 505 308 4 i explosiva blandningar, för vars påvisande särskilda säker- hetstekniska åtgärder måste tillgripas, där en sådan herme- tisk avtätning icke vore möjlig. Dessa extra säkerhets- åtgärder erfordras ej i föreliggande uppfinning. En nära anliggande kontakt mellan fönster och kyvett föreligger även här, då en luftspalt på ca 200 mikrometer befinner sig mellan de båda. Därigenom upprätthålls en god värmeöverföring, utan att nämnvärda optiska förluster måste tas med i beräkningen.

Uppfinningen är applicerbar på såväl sensorer hos vilka kyvetten genomlyses i genomlysningsförfarandet, som de ut- föringsformer hos vilka strålknippet reflekteras efter att först ha trängt igenom kyvetten. Vid de sensorer som arbetar med genomlysningsförfarandet, är två uppvärmda fönster anord- nade som ligger mittemot varandra i strålbanan. Hos sensorer som tillämpar reflektionsljusförfarandet är ett uppvärmt fönster liksom en andra på motsvarande sätt upphettad skiva anordnade i kyvetthållaren resp i sensorhuset, varvid dessa två skivor anligger tätt emot kyvettens spegeldel och inte nödvändigtvis behöver vara genomskinliga. Den fortsatta beskrivningen av uppfinningen utgår från att en sensor med genomlysningsförfarandet används.

En ytterligare fördel med uppfinningen består däri att de båda fönstren kan värmas upp åtskilt och termostatregleras till den önskade börtemperaturen, varigenom termiska avvikel- ser kan utjämnas vilka företrädesvis uppträder då en IR- ljuskälla utnyttjas, vilken värmer upp de båda skivorna olika. En enkel temperaturreglering möjliggörs genom att uppvärmningsanordningen utformas av PTC-ledningstråd.

Den mest temperaturkänsliga och på temperaturförändringar tydligast reagerande delen av sensorn är mottagaranordningen, vars detektorer och optiska filter är temperaturkänsliga, och till yttermera visso gäller detta för mätanordningar då en IR-strålningskälla används som sändare. 10 15 20 25 30 35 505 308 5 Genom anbringandet av uppvärmningsanordningen uteslutande i "omedelbar närhet av strålknippet är också dess närhet och därmed dess påverkningsområde för mottagaranordningen en stor fördel i syfte att uppnå en temperaturstabilisering av detek- torer och optiska filter. Den uppvärmda fönsterytan kan nu ses som kontaktyta för den som mottagarmodul utformade mot- tagaranordningen, varvid modulen är infogbar i sensorhuset, och kan föras fram till nära termisk kontakt med den uppvärm- bara fönsterytan och är inriktbar med den optiska axeln.

'Genom den modulliknande utföringsformen är å ena sidan möj- ligt att för en optimal värmekontakt mellan uppvärmnings- anordningen och mottagaranordningen sörjs och å andra sidan inriktas de i mottagarmodulen innefattade optiska komponen- terna och detektorerna med varandra medan de termiska kon- taktytorna samtidigt används som optiska justeringsanslag.

Därigenom underlättas monteringen och utbytet av en defekt mottagarmodul möjliggörs utan att extra optisk justering är nödvändig. Dessutom kan själva modulen framställas av väl värmeledande material och kan sedan skjutas in i det av dåligt värmeledande material (t ex plast) framställa huset.

Genom begränsningen av uppvärmningsanordningen till fönster- ytorna är det lämpligt att likaså anordna en sändarmodul som innehåller själva sändaren, t ex en IR-strålningskälla, och en parabolspegel som reflekterar den från sändaren utgående strålningen. Modulen är likaså infogbar i huset och inriktbar med den optiska axeln. Som sändare kan en i det närmaste punktformig volframglödlampa anordnas i parabolspegelns brännpunkt med en kort brännvid av omkring 1,5 mm. Glödlampan och parabolspegeln bildar en enhet och kan bytas ut tillsam- mans med modulen.

Båda modulerna innehåller således samtliga för strålningsböj- ning nödvändiga optiska delar, eftersom kyvetthållaren genom de med denna samordnade uppvärmbara skivorna kan bilda en självständig enhet. Därigenom underlättas väsentligt de optiska justeringsinsatserna. 10 15 20 25 30 35 505 308 s För att mättekniskt kompensera nedsmutsning av de av strål- knippet genomträngda kyvettytorna, monteras företrädesvis två detektorer, av vilka den ena är känslig för den av mätgasen påverkade våglängden och den andra för en av mätgas icke påverkad våglängd. Uppdelningen av strålknippet i de båda önskade våglängderna genomförs bäst genom att en diffusor av korderit infogas i strålknippet framför detektorerna. Denna filtrerar ut de genom sina spektrala reflektions- och över- föringsegenskaper förutbestämda våglängderna ur det strål- ningsspektrum som står till förfogande och avböjer dessa till de motsvarande detektorerna. Framför detektorerna kan ytter- ligare ett optiskt filter anordnas för ytterligare våglängds- avgränsning. På detta sätt erhåller man då detektorer som på lämpligt sätt är inställda för upptagande av de olika våg- längderna. För detta ändamål är det lämpligt att utrusta mottagaranordningen med en lins som fokuserar det genom kyvetten gående strålknippet, d v s genom diffusorn av korde- rit, samt de båda optiska filtren och de båda detektorerna.

Genom den fördelaktiga termiska anslutningen av mottagar- anordningen till uppvärmningsanordningen möjliggörs en god temperaturstabilisering av detektorerna, av strålningsfiltren och de optiska filtren, vilken är nödvändig för en exakt mätsignal vid föreliggande strålningssymetri. Båda detek- torerna måste i möjligaste mån hållas vid en jämn arbets- temperatur, för att förhindra temperaturbetingade förändrin- gar hos mätsignalen. Genom den symmetriska strålbanan framför de båda detektorerna elimineras mätfel, t ex förorsakade genom nedsmutsning av kyvettskivorna.

För ytterligare förbättring av den termiska stabiliteten hos mottagaranordningen är den av väl värmeledande material bestående mottagaranordningen utformad som ett ihåligt stycke, i vilket en kantyta av mottagarlinsen är innefattad och i vars öppningar eller urtag detektorerna, de optiska filtren och diffusorn är infällda. Mottagaranordningens komponenter omges nu av det värmeledande materialet och är 10 15 20 25 30 35 505 308 7 isolerade från omgivningen genom det av det icke värmeledande materialet (t ex plast) framställda huset.

För termostatreglering av mottagaranordningen kan en tempe- raturgivare innefattas i denna, vilken företrädesvis är inbäddad i mottagarmodulens stycke. En ytterligare föredragen anbringningsplats för temperaturgivaren är kontaktytan mellan mottagaranordningen och den uppvärmda skivan. På detta sätt möjliggörs att såväl det uppvärmbara fönstret som mottagar- anordningen kan regleras med en och samma temperaturgivare till en önskad börtemperatur.

För att möjliggöra en i axialled symmetrisk justering av de optiska delarna i mottagaranordningen, är det ihåliga stycket företrädesvis cylindriskt utformat. En sådan utformad modul kan således utan att någon föredragen rotationsvinkel krävs, infogas i huset och föras fram till den uppvärmda skivans kontaktyta. Sama utföringsform är även användbar för sändar- modulen.

En utföringsform av uppfinningen framgår av den schematiska ritningen och förtydligas närmare i det följande.

Figuren visar en sensor med vilken t ex koldioxidhalten i andningsluften hos en patient under narkos kan fastställas.

För detta ändamål beskrivs enligt uföringsformen en kol- dioxiduppmätning med hjälp av infraröd strålning.

Den i genomskärning visade sensorn innefattar en sändare (2) i ett hus (1), vilken sändare är utformad som en infraröd strålningskälla. Sändarens (2) strålning reflekteras i en parabolspegel (3), vilken bildar en enhet tillsammans med strålningskällan (2). Sändaren (2) är belägen i parabolspe- gelns (3) brännpunkt, så att den avgivna infraröda strålnin- gen antar formen av ett väsentligen parallellt strålknippe.

Sändaren (2) och parabolspegeln (3) är infattade i en i huset (1) inskjutbar cylinderformad sändarmodul (5). I mottagar- 10 15 20 25 30 35 505 308 a modulen (6) är kammare utformade i vilka en mätdetektor (7) och en referensdetektor (8) är belägna, vilka mottager den för mätning nödvändiga strålningen från en strålningsdelare (9) av korderit. Strålningsdelaren (9) består av ett sådant material att den företrädesvis släpper igenom våglängder i området av exempelvis 3,7 mikrometer och låter dessa träffa referensdetektorn (8), medan strålningsvåglängder i området av 4,3 mikrometer företrädesvis reflekteras och avböjs till mätdetektorn (7). För mer exakt fastställande av mät- och referensvåglängdsområdena befinner sig interferensfilter (25, 26) framför detektorerna. Koldioxiden som skall påvisas är känslig för en mätvåglängd av omkring 4,3 mikrometer, så att koldioxidens absorption är ett mått på dess koncentration.

Strålning med en referensvåglängd av 3,7 mikrometer påverkas inte av koldioxid. För fokusering av det infraröda strålknip- pet på detektorerna (7, 8) är en mottagarlins (10) inbyggd i mottagarmodulen (6). I huset (1) är en kyvetthållare (11) anordnad i strålbanan mellan sändarmodulen (5) och mottagar- modulen (6), i vilken en plastkyvett (12) inskjutitis. Den infraröda strålningen leds genom kyvetten via två kyvett- skivor (13). På båda sidor av kyvettskivorna (13) är fönster (14) inpassade i kyvetthållaren (11) i samma plan som denna, vilka fönster är genomsläppliga för den infraröda strålningen och är avtätade medelst kitt eller en elastomerring. På den mot kyvetten (12) vända ytan av fönstren (14) är var sitt ringformigt värmemotstånd (15) anbringat, utfört med tjock- skikts- eller tunnskiktsteknik, som uppvärmningsanordning för fönstren (14). Värmemotstånden (15) är ringformigt anordnade och lämnar genomgångsöppningen för spegeln (3) och linsen (10) fri. Fönstren (14) består av ett material med god värme- överföringsförmåga, som t ex safir. Genom att fönstren (14) anligger tätt mot kyvettskivorna (13) på en införd kyvett, möjliggörs en god värmeöverföring från värmemotstånden (15) till kyvettskivorna (13). Därigenom förhindras kondensation av vattenånga på kyvettskivornas (13) insidor, vilken vatten- ånga kan avges ur den fuktiga utandningsgasen i kyvetten (12). Utandningsgasen strömmar in via en inte visad inlopps- 10 15 20 505 308 9 öppning och leds vidare ut genom en likaså inte visad ut- loppsöppning. Inloppsöppningen och utloppsöppningen ligger diametralt mittemot varandra längs en i förhållande till ritningsplanet lodrät axel. De i huset (1) inskjutna cylin- derformiga modulerna (5, 6) anligger tätt mot huset (1) och är framskjutna till anliggning mot fönstren (14). För en noggrann inriktning av modulerna (5, 6) med strâlbanans optiska axel är cylindriska styrningar (24) anordnade. Var sin gängad ring (18) säkerställer en stadig anliggning av modulerna (5, 6), vilken ring skruvas in i huset (1) och pressar modulerna (5, 6) mot skivorna (14) och kyvetthållaren (11). De gängade ringarna (18) medger passage för den elekt- riska försörjningen till strålningskällan (2) och detekto- rerna (7, 8). I mottagarmodulens (6) framvägg, i vilken mottagarlinsen (10) är innefattad, är en NTC-temperaturgivare (23) infälld för reglering av temperaturen. De från detekto- rerna (7, 8) avgivna mätsignalerna och referenssignalerna tillförs en inte visad utvärderingsenhet, vilken innehåller en kvoteringskoppling och ur de båda signalerna från detekto- rerna (7, 8) genom kvotbildning alstrar en normerad signal, vilken är ett mått på den i kyvetten (12) inneslutna kol- dioxidmängden.

Claims (7)

10 15 20 25 30 505 308 10 Patentkrav

1. Sensor för optisk mätning av en gasbeståndsdel, vilken sensor består av ett hus som har en sändare, en mottagar- anordning, en uppvärmbar hållare för en mätkyvett och optiska anordningar för fastställande av strålbanan från sändaren genom kyvetten till mottagaranordningen, k ä n n e t e c k - n a d av att hållaren (11) har åtminstone ett i strålbanan beläget, för mätstrålningen genomsläppligt fönster (14), vilket tätt anligger mot en införd kyvett (12) och att på motsatta sidan av den mot kyvetten (12) vända sidan av fönst- ret (14) är en uppvärmningsanordning (15) anbringad, som är genomsläpplig för strâlbanan.

2. Sensor enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den som mottagarmodul (6) utformade mottagaranordningen är infog- bar i huset (1) och förskjutbar till nära termisk kontakt med den sida av fönstret (14), som försetts med uppvärmnings- anordningen (15) samt är inriktbar med den optiska axeln.

3. Sensor enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att sändaren (2) och en parabolspegel (3) är innefattade i en sändarmodul (5), varvid spegeln (3) reflekterar de från sändaren (2) utgående strålarna och samlar dessa till ett strålknippe och modulen (5) är infogbar i huset (1) och inriktbar med den optiska axeln.

4. Sensor enligt krav 1-3, k ä n n e t e c k n a d av att mottagaranordningen (6) har en lins (10), som fokuserar ett genom kyvetten (12) gående strålknippe, en strålningsdelare (9) och en för upptagandet av olika våglängder inställd mätdetektor (7) och en referensdetektor (8).

5. Sensor enligt krav 1-4, k ä n n e t e c k n a d av att mottagaranordningen består av starkt värmeledande material och är utformad som ett ihåligt stycke (6), i vilket en 10 50.5 308 11 kantyta av mottagarlinsen (10) är infattad och i vars vägg detektorerna (7, 8) är infällda.

6. Sensor enligt ett av kraven 1-5, k ä n n e t e c k n a d av att en temperaturgivare (23) är infattad i mottagaranord- ningen (6).

7. Sensor enligt ett av kraven 1-6, k ä n n e t e c k n a d av att den som ett ihåligt stycke (6) utformade mottagar- anordningen är cylindrisk.