DE3543324C2

DE3543324C2 -

Info

Publication number: DE3543324C2
Application number: DE3543324A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 2067 Reinfeld De Heim
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1985-12-07
Filing date: 1985-12-07
Publication date: 1987-12-23
Also published as: DE3543324A1; JPS62137543A; GB2183830A; FR2591340A1; GB2183830B; FR2591340B1; US4935206A; GB8629306D0; JPH058981B2; US4806491A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Verfärbungszonen eines sich auf einem Indikatorträger befindlichen Indikators mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

In der DE-OS 28 40 841 ist ein Verfahren zur Messung von flächigen Verfärbungszonen angegeben, bei dem die mittlere Konzentration eines Gases oder eines Gasbestandteils in Gasgemischen mittels der Verfärbung eines Reagenzpapierbandes durch optisch-elektrische Messung bestimmt werden soll. Hierbei wird die Verfärbung des Begasungsfeldes bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes festgestellt, und dann das Reagenzpapierband jeweils um ein Begasungsfeld weiterbewegt. Aus der Anzahl der während der Gesamtbegasungszeit verfärbten Begasungsfelder läßt sich die mittlere Konzentration des Gases ermitteln.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung nach der DE-OS 24 07 224 wird die Zeitdauer der Verfärbung bis zum Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes mit einer eingestellten Verzögerungszeit verglichen. Das Reagenzpapierband wird nach Ablauf dieser Zeitdauer weiterbewegt. Für jede Zeitdauer ist damit die mittlere Konzentration des zu bestimmenden Gases während dieser Zeitdauer feststellbar. Ein solches System liefert nur eine intensitätsverändernde, nicht aber eine in definierter Längsrichtung fortschreitende Verfärbungszone.

Einen vergleichbaren Stand der Technik beschreibt außerdem die DE-Z Drägerheft 313, Januar bis April 1979, in dem Aufsatz W. Diehl, D. Gellendin, L. Grambow, K. H. Huneke und H. Zwintzscher "Das Toxiwarn - ein tragbares Meß- und Warngerät für toxische Gase". Dieses Gerät ist so aufgebaut, daß ein von einer Vorratsrolle abgezogenes Indikatorband außenwandseitig an eine Ausnehmung einer vom zu untersuchenden Gas durchströmten Meßkammer angepreßt wird. Die diffuse Reflexion eines unbegasten und eines begasten Bandausschnittes wird durch ein System aus Lichtquelle und Photoelement abgetastet. Aus den gewonnenen Meßwerten läßt sich die Konzentration des nachzuweisenden Gases bestimmen. Um die mittlere Gaskonzentration über eine frei wählbare Zeit zu bestimmen, werden die anfallenden Meßwerte aufsummiert und gespeichert. Aus der Meßwertintegration und Zeitintegration ergibt sich dann die durchschnittliche Konzentration während der Meßzeit.

Bei einer in der DE-OS 28 40 867 beschriebenen Gasmeßvorrichtung wird ein Prüfröhrchen durchströmt, wobei die Wanderung der Verfärbungszone mit Hilfe von Lichtleitern einer Faseroptik in einer Abtasteinrichtung verfolgt wird. Jeweils zugeordnete Lichtleiter dienen als Sender-und Empfängereinheiten für das an der Röhrchenfüllung zu reflektierende Licht und sind quer zur Längsrichtung des als Meßkammer dienenden Prüfröhrchens angeordnet. Eine den als Sendereinheit dienenden Lichtleitern gemeinsame Strahlungsquelle sorgt für eine gleichzeitige Ausleuchtung der gesamten Meßstrecke. Die von den Empfängereinheiten aufgenommenen Signalpegel werden dabei kollektiv an eine Auswerteeinheit weitergeleitet.

Auf diese Weise ist jedoch lediglich eine über die Meßkammer integrierende Auswertung der Verfärbung möglich. Man kann daher mit dieser bekannten Vorrichtung nur das mit Fortschreiten der Verfärbung sich stetig verändernde Signal aus der Summe der Einzelsignale von den Empfängereinheiten verfolgen. Eine Lokalisierung der Verfärbungszone oder ein örtlich diskriminierendes Signal ist nicht zu erhalten.

Ein colorimetrisches Gasdosimeter nach der DE-OS 31 37 756 besitzt einen streifenförmigen Indikator, der innerhalb einer einseitig zu öffnenden Diffusionsstrecke angeordnet ist. Das nachzuweisende Gas verfärbt die Indikatoroberfläche mit Fortschreiten der Diffusion. Die Länge der Verfärbungszone gibt die während einer vorgegebenen Zeitspanne nachgewiesene Gasmenge an.

In der DE-AS 26 28 790 ist eine optische Überwachungseinheit für Prüfröhrchen angegeben, bei der das Fortschreiten der Verfärbungszone während dessen Durchströmung überwacht und bei Unter- bzw. Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes ein entsprechendes Warnsignal abgibt.

Eine weitere Überwachungsvorrichtung nach dem DE-GM 79 16 943 besitzt Mehrfach-Diffusionskammern unterschiedlicher Gestaltung derart, daß vorgegebene Gasmengen auf plakettenförmige Indikatorträger unterschiedlicher Oberflächengrößen gesammelt werden, so daß Meßkammern unterschiedlicher Empfindlichkeit erhalten werden. Die Verfärbung der Reaktionsschicht erfolgt auf Grund der Diffusion von nachzuweisenden Schadstoffen, wobei die Kammern nacheinander die Farbe wechseln, solange die Schadstoffeinwirkung andauert.

Die vorbekannten Vorrichtungen erfüllen somit noch nicht alle Anforderungen hinsichtlich der gewünschten Meßdynamik und Meßgenauigkeit.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabenstellung aus, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein besseres Auflösungsvermögen und eine höhere Nachweisempfindlichkeit erreicht wird.

Das Fortschreiten der Verfärbungszone soll mittels der Sender- und Empfängereinheiten der Länge des Indikatorträgers zugeordnet werden können, um daraus unmittelbar ein Maß für die Konzentration des nachzuweisenden Gases zu erhalten.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs.

Durch die dabei vorgesehene Führung des Meßmediums längs der empfindlichen Schicht des Indikatorträgers wird die Meßdynamik, d. h. der Unterschied zwischen dem größten und dem kleinsten abtastbaren Meßwert wesentlich gesteigert. Dabei kann zunächst die Länge der Verfärbungszone gemessen werden. Gegebenenfalls ist es zweckmäßger, eine integrale Messung über die Länge der Verfärbungszone auszuführen, bei der sowohl die Länge der Verfärbungszone, als auch der Grad der Verfärbung berücksichtigt wird, und zwar vor allem in den Fällen, in denen der Übergang von verfärbter Zone zu unverfärbter Zone graduell verläuft. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn die Wechselwirkung und damit die Reaktionszeit zwischen der nachzuweisenden Komponente und dem Reagenzsystem bei einer gegebenen Konzentration nicht zu einer vollständgen quantitativen Umsetzung des verfügbaren Indikatormaterials führt.

Die Bildung der optischen Überwachungszonen kann in verschiedener Weise und unter Verwendung bekannter optoelektrischer Bauelemente nach dem Reflexionsprinzip oder Transmissionsprinzip erfolgen. Der bewegbare Indikatorträger, welcher nicht nur in Bandform, sondern auch in anderer geometrischer Gestaltung, beispielsweise kreisscheibenförmig ausgebildet sein kann, wird durch die optischen Überwachungszonen in Prüfbereiche unterteilt. Jeder Prüfbereich wird optisch ausgewertet, und die an sich bekannte Auswerteelektronik bildet die Summe der Produkte aus linearisiertem reaktionsproportionalem Signalpegel jeder optischen Überwachungszone und aus der von der jeweiligen Überwachungszone erfaßten Teilfläche der begasten Bandzone. Diese Summe der Produkte bildet ein Maß für die zu erfassende Gaskonzentration.

In vielen Fällen besteht bei derartigen Meßverfahren das Problem einer Alterungs- oder Lagerungsabhängigkeit des Indikatorträgers, sowie der Querempfindlichkeit gegen andere Gase, z. B. gegen Wasserdampf. Eine rechnerische Eliminierung solcher Störeinflüsse durch die Auswerteelektronik kann dadurch erreicht werden, daß die Reflexions- bzw. Transmissionsmessung bei zwei oder mehreren Wellenlängen ausgeführt wird. Hierzu können in jeder optischen Überwachungszone sowohl Emitter verschiedener Wellenlängen in Verbindung mit Breitbandempfängern, als auch Breitbandemitter mit mehreren selektiv empfindlichen Empfängern verwendet werden.

In allen geschilderten Anordnungen erscheint es zweckmäßig, vor der Begasung optische Referenzwerte des bewegbaren Indikatorträgers im Ausgangszustand aufzunehmen und für die spätere Normierung der Meßwerte zu speichern.

Die optischen Sensorelemente sind in ihrer Ausbildung durch das angewendete Meßverfahren, d. h. Transmissionsmessung oder Reflexionsmessung bestimmt. Bei der Reflexionsmessung wird zweckmäßig längs der kanalförmigen Meßkammer eine Zeile von optischen Sensorelementen, jeweils bestehend aus einer Sende- und einer Empfangseinheit, angeordnet. Das Gesamtvolumen der Meßkammer soll möglichst gering sein, so daß eine flache Ausbildung mit ca 0,2 cm Höhe, 0,5 cm Breite und 3 cm Länge als günstig anzusehen ist.

Zur rechnerischen Eliminierung von Störeinflüssen können auf dem Indikatorträger verschiedene auf unterschiedliche Komponenten des Meßmediums unterschiedlich reagierende Reagenzsysteme aufgebracht sein, und in ihrer Lage zugeordnete Meßkammern angebracht sein. Die verschiedenen Reagenzsysteme können beispielsweise auf einem bandförmigen Indikatorträger nebeneinander angeordnet sein. Eine andere gegebenenfalls zweckvolle Möglichkeit besteht darin, den bandförmigen Indikatorträger auf seiner Ober- und Unterseite mit verschiedenen Reagenzsystemen zu beschichten. Im erstgenannten Fall sind die Meßkammern der eingangs beschriebenen Art nebeneinander, im zweiten Fall ober- und unterseitig gegenüberliegend, und gegebenenfalls aus konstruktiven Gründen in Transportrichtung des Indikatorträgers versetzt, anzuordnen.

Falls gewünscht, können beide Meßkammern mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden. Eine andere Ausführungsform kann vorsehen, daß jede Meßkammer für sich mit unterschiedlichen Wellenlängen betrieben wird.

Dabei können nach dem Anwendungszweck verschiedene Strömungsführungen gewählt werden, bei denen das Meßgas beide Meßkammern in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung durchströmt. Bei der Reihenschaltung ist gegebenenfalls eine Vorreaktion in der ersten Meßkammer möglich, welche die Reaktion in der zweiten Meßkammer beeinflußt.

Anstelle der endlosen Parallelanordnung der Reagenzsysteme auf dem bewegbaren bandförmigen Indikatorträger kann man alternierende Reagenzzonen anwenden, die gegebenenfalls nacheinander mit einer einzigen Meßkammer abgetastet werden.

Anstelle eines bandförmigen Indikatorträgers läßt sich u. U. auch eine drehbar gelagerte Indikatorscheibe vorteilhaft anwenden, an deren Oberseite und/oder Unterseite eine oder mehrere Meßkammern radial angeordnet sind. Unterschiedliche Reagenzsysteme können dabei wie für die bandförmigen Indikatorträger beschrieben verwendet werden.

Eine andere Ausführungsform kann vorsehen, daß an der langen Seitenwandfläche der Meßkammer eine Halterung zur Einlage von einzelnen streifenförmigen Indikator-Chips vorhanden ist.

Durch die Merkmale der Erfindung wird die Messung flächiger Verfärbungszonen eines Indikatorträgers sowohl hinsichtlich der Meßdynamik, als auch im konstruktiven Gesamtaufbau wesentlich verbessert.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Messung von Verfärbungszonen eines sich auf einem Indikatorträger befindlichen Indikators schematisch dargestellt; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Meßkammer zur Reflexionsmessung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Meßkammer nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch die in Fig. 2 dargestellten Meßkammer längs der Linie 3-3,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine keilförmige Meßkammer in einer Schnittansicht parallel zum Indikatorträger

Fig. 5 eine isometrische Ausschnittsdarstellung einer Meßkammer mit drehbarer Indikatorscheibe.

In Fig. 1 bis 3 ist eine kanalförmige Meßkammer 1 dargestellt, welche eine möglichst geringe Bauhöhe unterhalb von 1 cm aufweist.

Längs einer langen Seitenwandfläche der kanalförmigen Meßkammer 1 liegt ein ebenflächiger Indikatorträger 2, der bandförmig ausgebildet ist, und welcher durch eine Anpreßplatte 3 randdicht an die Ausnehmung der kanalförmigen Meßkammer 1 angepreßt wird.

An der kanalförmigen Meßkammer 1 sind ein Gaseinlaß 4 und ein Gasauslaß 5 vorgesehen, durch die das gasförmige Meßmedium parallel zur Oberfläche des ebenflächigen Indikatorträgers 2 in Pfeilrichtung strömt.

Die vier in Längsrichtung versetzten optischen Überwachungszonen werden jeweils durch optische Sensorelemente gebildet, die aus einer Sendereinheit 6, 8, 10, 12 und einer Empfängereinheit 7, 9, 11, 13 bestehen.

Die Reflexion von der Oberfläche des ebenflächigen Indikatorträgers 2 ist in der Fig. 3 dargestellt.

In Fig. 4 ist eine alternative Anordnung der optischen Sensorelemente (Sendereinheiten 6, 8, 10, 12 und Empfängereinheiten 7, 9, 11, 13) gezeigt, welche eine zu hohen Meßwerten hin abnehmende Empfindlichkeit ergibt. Dadurch kann eine Erweiterung des Meßbereichs erzielt werden, ohne daß die hohe Empfindlichkeit für geringe Konzentrationen wesentlich beeinträchtigt wird. Dies ergibt sich durch die keilförmige Ausbildung der Meßkammer, deren Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung parallel zur Oberfläche des Indikatorträgers divergiert. Der gegenseitige Abstand der einzelnen in Strömungsrichtung reihenweise angeordneten Sender- und Empfängereinheiten bleibt dabei jeweils konstant. Dies führt dazu, daß das gasförmige Meßmedium pro Längeneinheit des Indikatorträgers eine in Strömungsrichtung ebenfalls zunehmende Reaktionsfläche, d. h. ebenfalls eine keilförmige Reaktionsfläche überstreicht. Anstelle der Keilform kann gegebenenfalls auch eine andere divergierende Umrißform gebildet werden.

In Fig. 5 ist eine drehbare Indikatorscheibe 14 dargestellt, welche segmentförmige Reagenzsysteme 15 aufweist. Diese werden schrittweise unter die kanalförmigen Meßkammer 1 transportiert und begast, sowie elektro-optisch ausgewertet.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung von Verfärbungszonen eines sich auf einem Indikatorträger befindlichen Indikators mit

- einer kanalförmigen Meßkammer,
- einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß an den jeweiligen Enden der kanalförmigen Meßkammer,
- in Längsrichtung der kanalförmigen Meßkammer hintereinanderliegenden optischen Sensorelementen, wobei jeweils zugeordnete Sender- und Empfängereinheiten, die eine Überwachungszone festlegen, quer zur Längsrichtung angeordnet sind, und mit
- einer Auswerteschaltung,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die kanalförmige Meßkammer (1) an einer Kanalseite über die gesamte Länge eine Öffnung aufweist,
- eine Anpreßplatte (3) zum randdichten Verschließen dieser Öffnung vorgesehen ist,
- der Indikatorträger als ebenflächiger Indikatorträger (2) ausgebildet ist, auf der Anpreßplatte (3) liegt und entlang der Öffnung vorbeiführbar ist, und
- die Auswerteschaltung zur getrennten Verarbeitung der Signalpegel aus den Empfängereinheiten (7, 9, 11, 13) einer jeden Überwachungszone ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalförmige Meßkammer (1) einen in Strömungsrichtung divergierenden Querschnitt aufweist, und daß auf der Oberfläche des ebenflächigen Indikatorträgers (2) ein gleichfalls divergierender Einwirkungsbereich gebildet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sensorelemente (Sendereinheiten 6, 8, 10, 12 und Empfängereinheiten 7, 9, 11, 13) zur Reflexionsmessung ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Sensorelemente (Sendereinheiten 6, 8, 10, 12 und Empfängereinheiten 7, 9, 11, 13) zur Transmissionsmessung ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ebenflächige Indikatorträger (2) bandförmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der ebenflächige Indikatorträger (2) als drehbare Indikatorscheibe (14) ausgebildet ist, und daß die kanalförmige Meßkammer (1) in radialer Richtung zur drehbaren Indikatorscheibe (14) liegt.