DD256920A1 - Vorrichtung zur messung kleinster gasmengen - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung kleinster Gasmengen weist als Messvolumen einen Stroemungskanal auf, der von einem fiberoptischen Lichtwellenleiter durchzogen ist, der einen vom Mantel befreiten Kern als sensitiven Bereich aufweist und von einer homogenen Fluessigkeit mit wenig niedrigerem Brechungsindex als dem des Kerns umgeben ist. Dem Lichtwellenleiter sind lichtaustrittsseitig ein fotoelektrischer Empfaenger und Mittel zur Impulsmessung nachgeordnet.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung kleinster Gasmengen, vorzugsweise zur Durchflußmessung geringer Gasströme, das in der Prozeßmeßtechnik, insbesondere in der Biotechnologie, der Mikroelektronik-Industrie und in der Medizintechnik Anwendung findet.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Volumen- bzw. Massebestimmung von Gasen werden üblicherweise Durchflußmeßeinrichtungen mit oder ohne elektrischem Ausgangssignal verwendet.

Erstere sind unmittelbare Volumenzähler mit beweglichen Meßkammerwänden wie Balgen-, Trommel- und Drehkolbengaszähler oder mittelbare Volumengaszähler mit Meßflügeln wie Turbinen-, Flügelrad- und Schraubenradgaszähler.

Ferner sind Mengenstrommeßeinrichtungen nach dem Prinzip des Wirkdruckgebers (Normblende, Normdüse) mit angeschlossenem Wirkdruckmeßgerät, dem Prinzip des Staudruckgebers (Staurohr, Stauscheibe) mit angeschlossenem Differenzdruckmeßgerät sowie solche mit Schwebekörper bekannt. Der Na.chteil dieser Geräte besteht vor allem in deren großen Volumen und einem teilweise nur langsamen Messen. Für geringe Gasströme sind sie nur unzureichend geeignet. Ein Teil dieser technischen Lösungen ist mit' Einrichtungen zur Ausgabe eines elektrischen Analogsignals koppelbar.

Zu Doppelflußmeßeinrichtungen, die unmittelbar ein elektrisches Ausgangssignal in analoger oder digitaler Form liefern, zählen Geräte zurthermoelektrischen Mengenstrommessung, bei denen der Abkühleffekt elektrisch beheizter Drähte, Halbleiter oder Folien zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit benutzt wird und die sich besonders zum Messen kleinerund unmittelbarer Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen eignen. Eine lineare Anzeige der Meßwerte kann durch elektronische Linearisierungsmaßnahmen erreicht werden.

Nachteilig ist, daß die Geber unter Betriebsbedingungen kalibriert werden müssen, da die Eigenschaften des Meßmediums (Gaszusammensetzung, Temperatur, Druck, Feuchte) in die Messung eingehen.

Für die Messung kleiner Gasströme eignen sich elektronische Gasströmungsmesser, bei denen der Gasstrom kontinuierlich und ohne Druckverlust durch ein Meßrohr bestimmten Volumens fließt und dabei eine in dem Rohrinneren aufgespannte Seifenhaut mitnimmt, die das Meßvolumen mit der gleichen Geschwindigkeit passiert wie das Gas. Aus der Durchgangszeit der Seifenhaut durch zwei Lichtschranken und dem Volumen der Meßstrecke wird die durchflossene Gasmenge pro Zeiteinheit errechnet.

Von Nachteil ist es, daß auch diese technische Lösung nicht für kleinste Gasströme verwendbar ist, da das Meßvolumen für bestimmte Anwendungszwecke nicht hinreichend genug verkleinert werden kann. Für den kontinuierlichen Einsatz solcher Geräte sind zusätzliche Mittel zur Erzeugung und Kontrolle der zur Messung dienenden Seifenhaut notwendig.

Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung von Kleinstgasdurchsätzen (DD-WP 235727), bei der in einem Ringkanal mit unmittelbar nebeneinanderliegenden Ein- und Auslaßöffnungen durch das Meßgas ein Quecksilbertropfen bewegt wird, der nach jedem Tropfenumlauf in einem im Ringkanal angeordneten U-Rohr-Sperrsystem neu gebildet wird. Die Messung des Strömungsdurchsatzes erfolgt durch Abfühlen des Umlaufes des bewegten Tropfens z. B. mittels einer Lichtschranke.

Nachteilig an dieser technischen Lösung ist neben der toxischen Wirkung des Quecksilbers, die u.a. auch biologische Systeme beeinflußt, deren Gaserzeugung gemessen werden soll, daß zur Verdrängung des Quecksilbertropfens eine hinreichend große Kraft vorhanden sein muß, die die Meßbarkeitsgrenze bestimmt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei Gasmessungen, die mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit sowie geringer Störanfälligkeit durchführbar sein sollen, die Meßbarkeitsgrenze mit geringem technischen Aufwand herabzusetzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe besteht darin, den Einfluß der Herabsetzung der Meßbarkeitsgrenze entgegenwirkenden Mittel, wie einer Begrenzung der Meßvolumenverkleinerung und eines massebehafteten Verdrängungskörpers, erheblich zu verringern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Messung kleinster Gasmengen gelöst, die ein vom Gas durchströmtes Meßvolumen aufweist, das, als Strömungskanal ausgebildet, von einem fiberoptischen Lichtwellenleiter durchzogen ist, der einen vom Mantel befreiten Kern als sensitiven Bereich aufweist und von einer homogenen Flüssigkeit mit wenig niedrigerem Brechungsindex als der des Kerns umgeben ist. Dem Lichtwellenleiter sind lichtaustrittsseitig ein fotoelektrischer Empfänger und Mittel zur Impulsmessung nachgeordnet.

Unter diesen Bedingungen wird am Lichtwellenleiter eingangsseitig eingekoppeltes Licht auf Grund der Totalreflexion bis auf einen im sogenannten evaneszenten Feld geführten Anteil dem Fotoempfänger zugeführt. Der im evaneszenten Feld geführte Lichtanteil ist um so größer, je geringer die Brechzahldifferenz zwischen dem Kern und der umgebenden Flüssigkeit ist. Wird in den Strömungskanal das nachzuweisende Gas in Form kleiner Bläschen zugeführt, ändert sich im sensitiven Bereich drastisch die Brechzahldifferenz zwischen Kern und umgebenden Medium, da die Brechzahldifferenzen aller Gase zu denen der einsetzbaren Trägerflüssigkeiten groß sind. Dadurch verringert sich der im evaneszenten Feld geführte Anteil, wodurch ein Anwachsen des Fotostroms bzw. der Fotospannung am Fotodetektor auftritt. Die am sensitiven Bereich vorbeigeführten Gasblasen erzeugen somit ein impulsförmiges elektrisches Ausgangssignal, wobei jeder Gasblase ein Impuls zuzuordnen ist, dessen Impulsdauer von Volumen der Gasblase abhängt.

Vorteilhaft ist es, geometrische Mittel am Gaseinlaß in den Strömungskanal vorzusehen, so daß die am sensitiven Bereich anliegenden Gasblasen den Querschnitt des Strömungskanals vollständig ausfüllen. Das elektrische Ausgangssignal am Fotodetektor weist dann stets eine gleiche Impulshöhe auf.

Vorteilhaft ist ferner die Verwendung zweier Strömungskanäle mit je einem Lichtwellenleiter, einer Lichtquelle und einem Fotodetektor, wobei die erste Strömungskanal- Lichtwellenleiter- Kombination als Meßzweig und die zweite als Referenzzweig dienen. Dabei werden beide Strömungskanäle von ein und derselben Trägerflüssigkeit gespeist, so daß Meßfehler, die auf Temperaturfluktuationen und damit verbundenen Brechungsindexänderungen der Trägerflüssigkeit beruhen, eliminiert werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Die Figur zeigt eine Vorrichtung zur Gasmengenmessung.

Die Vorrichtung besteht aus zwei Lichtquellen 1,2, an die zwei als optische Fibern 3,4 ausgebildete Lichtwellenleiter angekoppelt sind. Die optischen Fibern 3,4, die sensitive Bereiche 5,6 aufweisen, in denen der Mantel vom Kern entfernt wurde, sind in je einen in eine gemeinsame Grundplatte? eingefrästen Strömungskanal 8,9 eingebettet und empfängerseitig mit Fotodetektoren 10,11 verbunden. Die Grundplatte? ist von einer, der Übersicht halber nicht dargestellten, Deckplatte bedeckt, die die Strömungskanäle 8,9 abdichtet. Ein- und ausgangsseitig sind die Strömungskanäle 8,9 mit geeignetem Dichtungsmaterial verschlossen.

In die Strömungskanäle 8,9 münden über Ventile in der Deckplatte Zuflüsse 12,13 und ein Abfluß 14 für eine Trägerflüssigkeit, ein Einlaß 15 für Meßgas und ein Auslaß 16 für ein Gemisch aus Trägerflüssigkeit und Meßgas.

Ein Sammelbehälter 17 für die Trägerflüssigkeit besitzt eine Öffnung 18 zum Entweichen des Meßgases, das, beispielsweise aus einem Bioreaktor stammend, über eine Zuleitung 19, ein Ventil 20 und eine Einlaßvorrichtung 21 in den als Meßkanai dienenden Strömungskanal 9 gelangt. Die geometrische Gehalt der Einlaßvorrichtung 21 ist so gewählt, daß sich im Strömungskanal 9 Meßgasblasen bilden, die den gesamten Querschnitt des Strömungkanals 9 ausfüllen.

An die Fotoempfänger 10,11 ist eine Auswerteelektronik 22 angeschlossen, die der Erzeugung eines elektrischen Wechselsignals dient. Diese kann z. B. aus einem Operationsverstärker und einem aus der Nachrichtentechnik bekannten System zur Abtastung von Zeitimpuls- Signalen bestehen.

Bei geschlossenem Ventil 20 liegt im Strömungskanal 8 (Referenzzweig) und im Meßzweig nur die homogene Trägerflüssigkeit vor. Die an den Fotoempfängern 10,11 entstehenden elektrischen Signale sind gleich bzw. sie können mit einfachen elektronischen Mitteln abgeglichen werden. Wird das Ventil 22 geöffnet, strömt das Meßgas durch den Meßzweig der Vorrichtung und verläßt diese durch die Öffnung 18. Auf Grund des deutlich unterschiedlichen Brechungsindex zwischen Trägerflüssigkeit und Meßgas wird das durch die Fiber 4 geführte Licht unterschiedlich zu dem durch die Fiber 3 geführte geschwächt, entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit und des Volumens der durch die Vorrichtung geleiteten Gasblasen.

Die an den Fotodetektoren 10,11 derart entstehenden Signalen werden durch Differenzbildung (oder auch Quotientenbildu ig) in der Auswerteelektronik 22 in Impulssignale überführt, deren Dauer als Maß für den Meßgasfluß dient. Aus der Gesamtdauer der Einzelimpulse wird das in einer Zeiteinheit durch die Vorrichtung geströmte Gasvolumen ermittelt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Messung kleinster Gasmengen, die ein vom Gasdurchströmtes Meßvolumen aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß das als Strömungskanal ausgebildete Meßvolumen von einem fiberoptischen Lichtwellenleiter durchzogen ist, der einen vom Mantel befreiten Kern als sensitiven Bereich aufweist und von einer homogenen Flüssigkeit mit wenig niedrigerem Brechungsindex als dem des Kerns umgeben ist, und daß dem Lichtwellenleiter lichtaustrittsseitig ein fotoelektrischer Empfänger und Mittel zur Impulsmessung nachgeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß geometrische Mittel zur Beeinflussung der Gasblasen vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine zweite, als Referenzzweig dienende Strömungskanal- Lichtwellenleiter- Kombination vorgesehen ist und beide Kombinationen die gleiche Trägerflüssigkeit beinhalten.