DE3543324C2 - - Google Patents
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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 (7)
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.
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1988
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