FI102570B - Menetelmä ja laite alkoholipitoisuuden määrittämiseksi kaasuseoksesta - Google Patents

Description

102570

Menetelmä ja laite alkoholipitoisuuden määrittämiseksi kaasuseoksesta - För-farande och anordning för bestämning av alkoholhalten i en gasblandning

Keksintö koskee säteilyabsorptioon perustuvaa menetelmää alkoholin pitoisuuden 5 määrittämiseksi kaasuseoksesta, joka voi sisältää useita sellaisia häiriökomponentteja, joilla on oleellista absorptiota sillä aallonpituuskaistalla, jonka alueella kyseisen alkoholin pitoisuusmittaus toteutetaan, jossa menetelmässä: kaasuseos johdetaan näyte-kammion kautta; tämän näytekammiossa olevan kaasuseoksen läpi lähetetään säteily-lähteestä eri aallonpituuksia sisältävä valonsäde, jotka aallonpituudet ovat määritettä-10 vän alkoholin absorptiojuovan alueella; kaasuseoksen läpäisseen säteilyn annetaan kulkea optisen interferenssisuodattimen läpi, jolla on kapea säteilyn läpäisykaista ja joka on kallistettavissa säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suhteen, jolloin suodattimen läpäisykaistan aallonpituusalue muuttuu; mitataan mainitun interferenssisuodattimen läpäisseen säteilyn intensiteetti suodattimen enemmän kuin kahdella eri kallis-15 tuksella; näiden eri aallonpituuksilla mitattujen läpäisyarvojen avulla pienennetään häiriökomponenttien vaikutusta mittaustulokseen ja lasketaan määritettävän alkoholin pitoisuus kaasuseoksessa. Keksintö koskee myös laitetta, jolla tätä menetelmää sovelletaan.

Erityisesti keksintö kohdistuu menetelmään ja laitteeseen, jolla infrapunasäteilyn ab-20 sorptiota käyttävällä menetelmällä voidaan esimerkiksi potilaan hengitysilmasta mitata sen alkoholipitoisuutta siten, että mittaustuloksen perusteella voidaan tarvittaessa laskea veren alkoholipitoisuus. Laite koostuu säteilylähteestä, näytekammiosta, jonne _ [ tutkittava hengitysilma syötetään, optisesta suodattimesta, jonka läpi säteily kulkee ja * * säteilyn ilmaisimesta.

: V: 25 Potilaan veren alkoholipitoisuutta voidaan mitata monella eri menetelmällä. Kenttä- :*·*: käytössä olevat seulontatyyppiset mittarit perustuvat useimmiten sähkökemiallisessa kennossa tai metallioksidi-puolijohteessa tapahtuviin muutoksiin. Nämä mittarit ovat pieniä ja kädessä pidettäviä, mutta eivät välttämättä kovin tarkkoja. Todistuskelpoi-*·;·* nen ("evidential category") mittaus tehdään normaalisti laboratoriossa ja tulos voi- 30 daan nykyisin saada paitsi tietysti verinäytteestä myös hengitysilmanäytteestä sillä ·;··· oletuksella, että ilmanäytteessä on noin 2100 kertaa vähemmän alkoholia/litra kuin verinäytteessä. Kertoimen tarkka arvo on käytännössä usein maakohtainen riippuen siitä mitä kulloinkin on sovittu. Tässä hengitysilmaan perustuvassa menettelyssä laitteena on yleensä kaasukromatografi, polttokenno tai infrapunafotometri. Viimek-35 si mainitun laitteen toiminta perustuu alkoholin infrapuna-absorptioon. Etyylialko- 2 102570 holilla on kaksi voimakkaampaa absorptiojuovaa, 3,4 μιη:η juova ja 9,4 μιη:η juova, joita on käytetty alkoholin pitoisuuden mittaamiseen yksinkertaisella ei-dispersiivi-sella menetelmällä. Julkaisussa US-3 792 272 ehdotetaan käytettäväksi edellistä lä-hi-infrapuna-aluetta ja julkaisussa US-3 562 524 jälkimmäistä pitkäaaltoista infra-5 puna-aluetta. Vaikka julkaisussa US-3 792 272 mainitaan muita mitattavia kaasuja, kuten metaani ja ketoni, niin tarkoituksena on aina mitata vain yksi kaasu kerrallaan. Jos esimerkiksi hengitysilmassa on alkoholin lisäksi ketonia, laite näyttäisi väärin, koska alkoholilla ja ketonilla on päällekkäistä absorptiota 3,4 pm:n alueella eikä laite pysty erottamaan näitä kaasuja toisistaan. Julkaisussa nimenomaan edellyte-10 tään, ettei mitattavan hengitysilman muilla kuin mitattavalla komponentilla ole oleellista absorptiota mittausaallonpituudella, mikä oletus ei käytännössä toteudu. Samanlaisia vaikeuksia on 9,4 μτη:η alueella, jos mittausanturi on julkaisun US-3 562 524 mukainen, jossa käytetään yhtä referenssiaallonpituutta. Tällä referenssillä kompensoidaan tunnetusti mittausjärjestelyssä ilmeneviä häiriöitä, kuten säteilyä 15 läpäisevien ikkunoiden likaantumista. Kuvatulla järjestelyllä ei voida eliminoida hengitysilmassa mahdollisesti esiintyvien kaasujen, kuten metyylialkoholin, vaikutusta, joilla on myös absorptiota kyseisen juovan alueella.

Julkaisun US-4 914 719 mukaan voitaisiin käyttää useita erillisiä kapeakaistaisia interferenssisuodattimia häiritsevien kaasukomponenttien vaikutusten eliminoimi-20 seksi. Käytännössä osoittautuu kuitenkin, että yllä mainittujen häiriökomponenttien mittaaminen erillisillä suodattimilla on paitsi erittäin kallista myös mahdotonta. Etyylialkoholin absorptiohuipun 9,4 jun välitöntä ympäristöä ei voida käyttää, koska optisten suodattimien läpäisykaistat olisivat niin lähellä toisiaan, että tilanne olisi valmistusteknisesti kannattamaton. Mainittujen häiriökomponenttien muilla absorp-v · 25 tioalueilla taas muut kuin mainitut häiritsevät kaasut interferoivat sillä seurauksella, että pitäisi käyttää vielä useampia suodattimia kaiken häiriön huomioimiseksi.

• · *.*. Julkaisussa US-5 070 245 on esitetty 3,4 μιη aluetta käyttävä ratkaisu, jonka toimin- \ ta perustuu kääntyvän optisen interferenssisuodattimen läpäisykaistan siirtymiseen :V: eri aallonpituuksille tämän käännön seurauksena. Käytännössä suodattimen absorp- 30 tiohuipun maksimisiirtymä tämäntyyppiselle suodattimelle on noin 5 % sen läpäisy-kaistan keskiaallonpituudesta. Tämä on julkaisun käyttämällä aallonpituusalueella • '. vähemmän kuin 200 nm, mikä kuitenkin on täysin riittävä määrä erilaisten spektri- huippujen erottamiseen. Edellytyksenä on, että suodattimen läpäisykaistan leveys on tarpeeksi pieni, käytännössä julkaisun mukaan 0,4 % - 1,5 % käytetystä aallonpituu-35 desta. Tässä julkaisussa kuvatulla järjestelyllä kyetään kylläkin erottamaan kaikki häiriökomponentit siten, että esim. hengitysilman alkoholipitoisuudelle saadaan niis- 3 102570 tä riittävän riippumaton arvo. Ongelmana on kuitenkin se, että laitteen detektori saa erittäin pienen intensiteettiosuuden säteilylähteen emittoimasta säteilystä, mikä johtuu toisaalta suodattimen läpäisykaistan kapeudesta ja toisaalta tällaisten suodattimien maksimiläpäisevyyden pienuudesta. Lisäksi tällaiset interferenssisuodattimet 5 ovat vaikeita valmistaa ja siten suhteellisen kalliita.

Kansainvälisessä standardiehdotuksessa "Third preliminary draft of an International Recommendation relating to Evidential Breath Analyzers", OIML, April 1992, määritellään todistuskelpoisille analysaattoreille tiukat rajat interferenssien eli häiriöiden suhteen, joita erilaiset elimistöstä, korvikeaineista, pakokaasuista, suuvesistä, lääk-10 keistä ym. lähteistä tulevat aineet voivat alkoholimittaukseen aiheuttaa. Melkein kaikille näille aineille on yhtenäistä että ne absorboivat 3,4 μιη:η alueella, koska ne ovat CH-sidoksia sisältäviä orgaanisia yhdisteitä. Siten käytännössä kaikki käytössä olevat nykyiset laitteet, jotka toimivat tällä aallonpituusalueella, eivät täytä uusia määräyksiä. Näistä standardiehdotuksessa mainituista yli kahdestakymmenestä in-15 terferoivasta aineesta neljä absorboi merkittävästi myös alkoholin toisella 9,4 pm:n absorptioalueella, joten tätä aluetta mahdollisesti käyttävät ei-dispersiiviseen inffa-puna-absorptioon perustuvat nykyiset laitteet eivät myöskään täytä uusia määräyksiä.

Keksinnön tavoitteena on siten aikaansaada säteilyabsorptioon perustuva laite ja 20 menetelmä, jolla saadaan riittävän tarkka alkoholin pitoisuusarvo kaasuseoksesta, joka sisältää useampia sellaisia häiriökomponentteja, jolla on absorptiota sillä aal-lonpituuskaistalla, jonka alueella kyseisen alkoholin pitoisuusmittaus toteutetaan. Tarkoituksena on siis saada sellaisia kaasuseoksen läpäisseen säteilyn intensiteetti-. . . arvoja, joiden avulla voidaan riittävän suuressa määrin eliminoida häiriökomponent- 25 tien vaikutus alkoholin mittaustulokseen. Keksinnön toisena tavoitteena on saada ai-. . kaan mentelmä ja laite, jolla saadaan hengitysilmasta alkoholipitoisuuden luotettava pitoisuusmittausarvo riippumatta kaikista edellä mainitussa standardiehdotuksessa esiintyvistä häiriöaineista. Keksinnön kolmantena tavoitteena on saada aikaan edellä :V: kuvatun tyyppinen menetelmä ja laite, jossa säteilydetektorille saadaan mahdolli- 30 simman hyvällä hyötysuhteella säteilyä säteilylähteestä. Tavoitteena on siten saada ··· aikaan pienikokoinen, yksinkertainen ja edullinen mittauslaite, joka toimii kuitenkin luotettavasti.

Edellä kuvatut ongelmat saadaan eliminoitua ja edellä määritellyt tavoitteet saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on määri-35 telty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa ja keksinnön mukaisella laitteella, jolle on tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 8 tunnusmerkki- 4 102570 osassa. Keksinnön laitteessa ja menetelmässä käytetään hyväksi kapean läpäisykais-tan omaavan optisen mterferenssisuodattimen läpäisykaistan kulmariippuvuutta aal-lonpituusvälillä 7,5 pm - 12,5 pm ja tällä välillä pitoisuusmittauskohteena olevan alkoholin absorptiojuovan ja sen lähiympäristön tutkimiseen. Käytetyn interferenssi-5 suodattimen läpäisykaistan leveys on yli 1,5 % mitattavan alkoholin pitoisuusmit-taukseen käytetyn absorptiojuovan keskiaallonpituudesta. Välittömästi alkoholin absorptiojuovan huipun kohdalta ja sen lähiympäristöstä saatavaa mittaustietoa käytetään hyväksi häiritsevien aineiden vaikutusten kompensointiin laskennallisesti.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin kuvioihin viittaamalla.

10 Kuvio 1 esittää etyylialkoholin ja neljän sitä häiritsevän aineen infrapuna-absorp-tiospektrejä 9,4 pm:n alueella.

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaista alkoholin tarkkaan mittaamiseen soveltuvan laitteen ensimmäistä toteutusmuotoa säteilyn kulkusuuntaisena leikkauksena kaavio-maisesti.

15 Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista alkoholin tarkkaan mittaamiseen soveltuvan laitteen toista toteutusmuotoa säteilyn kulkusuuntaisena leikkauksena kaaviomaisesti samassa kuvannossa kuin kuviossa 2.

Seuraavassa on keksintöä selostettu etyylialkoholin 9,4 pm.n absorptiojuovan alueella, ts. välillä 8,7 pm - 10,2 pm, mutta keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta 20 voidaan soveltaa etyylialkoholin muidenkin pitkäaaltoisella infrapuna-alueella olevien absorptiojuovien, kuten 8,1 pm ja 11,3 pm, alueilla, joita vastaavat aallonpi-... tuusvälit 7,7 pm - 8,4 pm ja 10,7 pm - 12,0 pm. Sovellettavalla aallonpituusvälillä 7.5 pm - 12,5 pm voidaan keksinnön menetelmää ja laitetta käyttää muidenkin alko- . holien pitoisuuden määrittämiseen valitsemalla käytettävän mterferenssisuodattimen 25 läpäisykaistan kohta sopivasti ja järjestämällä mterferenssisuodattimen ne kallistuk-*·] ' set tai kääntöasennot, joissa säteilyn läpäisylukemat otetaan tarkoitukseen sopivasti.

:Y: On selvää, että laskennassa käytettävät algoritmit on määriteltävä ennalta laitteeseen käytettyä suodatinta, aallonpituusaluetta ja mitattavaa alkoholia vastaavasti. Siten • · · seuraava selostus tulee käsittää koskemaan kaikkia näitä vaihtoehtoja. Tässä hake-30 muksessa käsitteitä säteilyjä valo käytetään identtisessä merkityksessä, ts. riippumatta siitä, onko säteily näkyvällä alueella vai ei.

Kuviossa 1 on esitetty etyylialkoholin Et ja neljän voimakkaimman häiriötä aiheuttavan aineen absorbanssispektrit spektrialueella, jonka aallonpituus λ on välillä 8.5 pm - 10,5 pm. Eri absorbanssiarvot A vastaavat likimain erään edellä mainitun j 102570 standardiehdotuksen mukaisia häiriöaineiden maksimipitoisuuksia etyylialkoholi-pitoisuuden ollessa 35 pg/100 ml ilmaa ja mittauskammion pituuden ollessa 100 mm. Kyseinen ilman alkoholipitoisuus vastaa veren alkoholipitoisuutena noin 0,7 promillea. Kuviossa 1 näkyvät häiriökomponentit ovat metyylialkoholi Me, iso-5 propyylialkoholi Is, etyyliasetaatti Ac sekä dietyylieetteri Di. Kuten spektreistä huomataan, ovat absorptiojuovien leveydet yli 200 nm, mikä on tyypillistä kyseiselle spektrialueelle. Etyylialkoholin absorptiohuipun alueella 9 pm - 10 pm pahimmat häiriöt ovat metyylialkoholi Me ja etyyliasetaatti Ac, kun taas isopropyylialkoholin Is osuus on suhteellisen pieni ja dietyylieetterin Di suurin vaikutus on kyseisen alu-10 een ulkopuolella. Kaikkien muiden häiritsevien aineiden absorbanssit ovat pienempiä eivätkä yllä standardiehdotuksessa mainittuun suurimpaan sallittuun virherajaan asti. Näitä kaasumuodossa olevia aineita ovat esimerkiksi hiilidioksidi, vesi, asetoni, ksyleeni, pentaani, fenoli ja mentoli. Lisäksi kuviosta voidaan havaita, että kaikkien komponenttien absorbanssiarvot ovat hyvin pieniä. Etyylialkoholin absorption mak-15 simiarvo on vain noin 0,0065, mikä transmissiona vastaa arvoa 98,5 %. Hyvän signaalin ja tarkan mittausarvon saamiseksi on siis tärkeää, että säteilyä on riittävästi, että detektori on riittävän herkkä ja että mittauskammio on tarpeeksi pitkä.

Tämän keksinnön mittausanturi on suunniteltu käyttäen hyväksi yllä mainittuja havaintoja. Tässä keksinnössä käytetyllä aallonpituusalueella interferenssisuodattimen 20 absorptiohuipun ja siten koko absorptiokaistan siirtymä, joka saadaan aikaan suodattimen kallistuksella, voi olla noin 450 nm, vaikkakin pienempiäkin siirtymiä voidaan hyödyntää. Pienimmillään tulee interferenssisuodattimen kallistuksen aiheuttaman absorptiohuipun siirtymän olla 210 nm, mutta edullisesti se on vähintään noin : 300 nm ja tyypillisesti ainakin noin 400 nm. Kuten kuviosta 1 on todettavissa, ovat : 25 kaasuseoksen komponenttien absorptiojuovat yli 200 nm leveitä, mikä tarkoittaa, että erillisiä juovia on mahdotonta erottaa edes kapealla suodattimella. Kapean läpäi-:V: sykaistan omaava suodatin läpäisee vain paljon vähemmän säteilyä lisäämättä kui- tenkaan erotuskykyä. Käytännössä pienin ajateltavissa oleva interferenssisuodatti-men läpäisykaistan leveys, täsmällisesti määriteltynä läpäisyn puoliarvoleveys, on *;];* 30 yli 1,5 % mittauksessa käytetystä keskiaallonpituudesta ja se olisi edullisimmin yli *·♦·’ 1,6 % ja tyypillisesti 2 % - 3 % käytetystä keskiaallonpituudesta. Esimerkkinä voi- daan todeta, että jos mittauksen kohteena on esim. etyylialkoholi ja mittausalueen keskiaallonpituus on 9,4 pm ja interferenssisuodattimen läpäisykaistan puoliarvole veys on 2 % tästä keskiaallonpituudesta, ts. 188 nm, on suodattimen absorptiokais-35 tan siirtymä noin 400 nm aallonpituudesta 9,2 pm aallonpituuteen 9,6 pm. Kuten kuviosta 1 edelleen havaitaan, on etyylialkoholin absorptiohuipun leveys sen absor-banssin puoliarvojen välillä yli 500 nm. Näin ollen ei ole mahdollista pyyhkäistä 6 102570 koko absorptiojuovan yli, vaan on tyydyttävä pienempään spektrialueeseen huipun välittömässä ympäristössä. Mitattavan alkoholin absorptiojuovan huippu voi sisältyä ja usein sisältyykin suodattimen kallistuksella saatavaan aallonpituuskaistaan, mutta se ei ole välttämätöntä. Esimerkiksi etyylialkoholin pitoisuusmitttaus voidaan toteut-5 taa interferenssisuodattimen läpäisykaistan siirtymävälillä 9,5 pm - 10 pm. Saatava mittaustieto on kuitenkin riittävä kyseessä olevan muutaman häiriöaineen vaikutuksen eliminoimiseen sinänsä tunnetuilla laskenta-algoritmeilla, joita ei siten tässä hakemuksessa selosteta.

Häiriökomponenttien vaikutuksen laskennallista eliminointia varten mitataan näyte-10 kammion ja interferenssisuodattimen läpäissyt säteily useilla suodattimen kallistus-kulmilla, jotka ainakin osittain ovat kulmavälillä 10° - 60°. Tämä mainittu kallistus-tai kääntökulma on se kulma, jonka interferenssisuodattimen taso muodostaa siihen tasoon nähden, joka on kohtisuorassa näytekammion läpi kulkevan säteilyn pääasiallista suuntaa vastaan. Suodattimen eri kallistuskulmilla otetaan vähintään yhtä 15 monta lukemaa kuin mikä on mittauksessa huomioitavien kaasukomponenttien kokonaislukumäärä. Siten jos alkoholin, kuten etyylialkoholin, lisäksi on tarpeen huomioida neljä häiriökomponenttia niiden vaikutuksen pienentämiseksi riittävässä määrin, ts. niiden vaikutuksen eliminoimiseksi, tulee läpäisymittausarvoja ottaa suodattimen viidellä eri kallistuskulmalla, joista ainakin osa on mainitulla kallistusvälillä 20 10 ° - 60°. Jos tiedetään, että kaasuseos voi sisältää esim. vain kaksi häiriökompo nenttia, riittää mittausarvojen saaminen suodattimen kolmella eri kallistuskulmalla, joista ainakin osa on mainitulla kallistusvälillä 10° - 60°. Vähintään siis käytettävien kallistuskulmien lukumäärä on yhtä suuri kuin mitattavan alkoholin ja huomioitavien häiriökomponenttien lukumäärä N yhteensä, ts. N+l. Mikään ei kuitenkaan estä otta-v · 25 masta laskentaa varten mittausarvoja suodattimen useammallakin kallistuksella, ku ten N+2, N+3 jne.

• · • · · • * ·

Edellä kuvattu keksinnön mukainen menetelmä soveltuu periaatteessa minkä tahansa *\ * alkoholin pitoisuuden mittaamiseen mistä tahansa kaasuseoksesta. Edullisimmillaan menetelmä on kuitenkin alkoholin pitoisuuden määrittämisessä hengitysilmasta ja 30 erityisesti tällöin uloshengitysilmasta, jonka alkoholipitoisuus riippuu veren alkoho-lipitoisuudesta, kuten edellä on kuvattu. Tätä varten edellä kuvatut keksinnön mukai- • « * set mittausarvot otetaan uloshengityksen siinä vaiheessa, jossa uloshengitysilma tulee syvältä keuhkoista, jolloin se on ns. alveolaarista uloshengitysilmaa.

Kuviossa 2 on esitetty eräs alkoholin tarkkaan mittaamiseen soveltuva laiteratkaisu. 35 Infrapunalähteen 1 lähettämä säteily 2 pyritään maksimoimaan sopivilla optisilla komponenteilla, kuten esim. peilillä 3, koska useiden säteilylähteiden säteilytehok- 7 102570 kuus on käytetyllä 9,4 μπι:η alueella suhteellisen huono. Säteily 2 johdetaan näyte-kammioon 4, jossa on kaasuliitännät 5 hengityskaasunäytteen 6 ottamista varten. Näytekammio 4 on pitkänomainen, edullisesti yli 100 mm pitkä, alkoholin riittävän absorbanssiarvon saavuttamiseksi. Kammion molemmissa päissä on käytettyä sätei-5 lyä läpäisevät ikkunat 7a ja 7b. Hyödyksi tuleva säteily 2 on pääasiassa yhdensuuntainen näytekammion kanssa tai eroaa tästä edullisesti vähemmän kuin 10°. Säteilyn 2 pääasiallinen suunta on siten oleellisesti yhdensuuntaista näytekammion pituuden suuntaisen säteen 2a kanssa. Säteilylähde 1 ja siihen kuuluva optiikka 3 pitäisi siis edullisimmin suunnitella niin, että mahdollisimman paljon lähteen lähettämästä sä-10 teilystä olisi hyödyksi tulevaa. Tällaiset näytekammion läpäisseet säteet voivat kulkea suoraan koskematta näytekammion 4 sisäseinämään 8 kuten säde 2a tai ne voivat heijastua näytekammion pituudesta riippuen kerran tai kaksi kammion sisäseinämäs-tä 8 kuten säde 2b, jolloin niidenkin yhteenlaskettu keskimääräinen suunta on näyte-kammion pituuden suuntainen. Näytekammion 4 sisäseinämä 8 voi siis edullisesti 15 olla heijastavaa materiaalia kuten metallia, mutta koska säteiden heijastuskulma on hyvin suuri, niin heijastuskertoimen ei välttämättä tarvitse olla kovin suuri, jotta riittävä heijastus saataisiin aikaan. Korroosion ja lämmitettävyyden takia ruostumaton teräs on edullinen materiaali, mutta jokin muukin materiaali, kuten sopiva muovimateriaali, kävisi melkein yhtä hyvin, ja se voisi edullisten valmistuskustannusten 20 takia olla hyvä valinta, varsinkin jos näytekammiolta vaadittu käyttöikä on lyhyt. Näytekammioon viedään normaalisti näyte suoraan potilaan hengitysilmasta ilman esisuodatusta ja kosteuden vähentämistä. Tämän takia näytekammion 4 lämpötilan on oltava riittävän korkea kondensoitumisen estämiseksi. Näytekammio 4 voidaan lämmittää esimerkiksi kuvion 1 osoittamalla tavalla kytkemällä siihen termisesti ' 25 lämmityselin 9, tyypillisesti lämmitysvastus. Lämmitystehon kulutuksen minimoi- ’·* ’ miseksi näytekammiota tai koko anturia on edullista eristää termisesti ympäristöstä.

Kapean läpäisykaistan omaavana optisena suodattimena 10 käytetään edullisimmin :*·; suurta kulmariippuvuutta omaavaa interferenssisuodatinta, jonka kaistanleveys on yli 1,5 % ja mielellään yli 2 % suodattimen läpäisykaistan keskiaallonpituudesta « « « 30 riittävän signaalitason saavuttamiseksi. Interferenssisuodatinta kallistetaan suunnas- • · *···* sa P käyttökulman a aikaansaamiseksi, joka on suodattimen 10 tason ja säteilyn 2 pääasiallista suuntaa vastaan kohtisuoran tason V välinen kulma. Suodattimen käyt-; · tökulma a on käytännössä pääasiassa välillä 10° - 60°, ja mitataan suodattimen lä päissyt säteily ainakin yhtä monessa (N+l) eri kulmassa a kuin on yhteensä alkoholi 35 ja sen mittaamiseen oleellisesti vaikuttavat häiriökomponentit. Useampia mittaus-arvoja kuin N+l voidaan lukea tarkkuuden parantamiseksi niin kauan kuin mittaus-aika pysyy kohtuullisissa rajoissa. Otettiinpa mittausarvoja kuinka monta tahansa, 8 102570 niin vähintään yhden niistä on keksinnön mukaan oltava otettu suodattimen ollessa edellä mainitulla kulmavälillä 10° - 60°. Mittausarvoja voidaan ottaa suodattimen käyttökulman a ollessa myös mainitun kulmavälin ulkopuolella, mutta tavallisesti tällaisia mittausarvoja on vain yksi tai kaksi. Suodattimen 10 kulmaa a tarkkaillaan 5 detektorilla 11. Edullinen tapa kääntää suodatinta 10 suunnassa P, joka kuvioissa on yhdensuuntainen kuvatason kanssa, on esimerkiksi käyttää kuvioissa ei-esitettyä as-kelmoottoria, joka kääntyy edestakaisin tarvittavan kulma-alueen sisällä.

Koska ainakin ajoittain tarvitaan myös mittaussysteemin pimeätason säätöä varten säteilyn täydellistä estämistä, voidaan säteilyn tielle kytkeä suljin 12. Tällainen sul-10 jin voi olla erillinen mutta voidaan myös kytkeä edellä mainittuun askelmoottoriin, joka esimerkiksi kulman a arvolla noin 90° estäisi säteilyn etenemistä. Olisi myös mahdollista pyörittää suodatinta 10 jatkuvasti moottorilla, joskin silloin kuluisi turhaan ylimääräistä aikaa ei-käytössä olevien kulmien ohittamiseen.

Näytekammion 4 ja suodattimen 10 läpäissyt säteily ilmaistaan detektorilla 13. Kos-15 ka interferenssisuodattimen 10 oikea toiminta vaatii likimain yhdensuuntaista valoa, käytetään esimerkiksi optista systeemiä 14 tietyn kulmajakautuman fokusoimiseksi detektorin 13 pintaan. Laite toimisi myös ilman tätä optista systeemiä, koska näyte-kammion 4 pitää olla suhteellisen pitkä ja suodattimen 10 läpäisykaista on suhteellisen leveä näytekammion kautta tulevien säteiden kulmaeroon verrattuna. Mahdolli-20 simman hyvän signaalin saavuttamiseksi detektorista optiikka 14 on kuitenkin käytännössä tarpeellinen. Optinen systeemi voi edullisesti koostua mitattavaa säteilyä läpäisevästä linssistä 14, joka on sijoitettu interferenssisuodattimen 10 ja detektorin 13 väliin, mutta se voisi yhtä hyvin olla sopivan muotoinen kovera peili 15, kuten ; ;kuviossa 3. Optisen systeemin 14 polttoväli ja säteilyä ilmaisevan detektorin 13 ko-25 ko määräävät, minkä kulmajakautuman sisälle ilmaistava säteily joutuu. Jos esimer-kiksi polttoväli on 10 mm ja detektorin pystysivu H on 0,7 mm, niin säteilyn kulmat • · · 1/. ovat ± 2°:n sisällä, kun suodatinta käännetään P kuvatason suuntaisessa tasossa. Se *, takaa hyvin riittävän erotuskyvyn vielä suurillakin kulmilla a käytetyllä suodattimel- • «

:.v la 10. Detektori 13 saa olla vaakasuunnassa, ts. suodattimen 10 kääntymistasoa P

: 30 vastaan kohtisuorassa suunnassa (kuvatasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa), le- veämpi, koska säteilyn kulmajakautuma muuttuu hyvin vähän siinä suunnassa, kun • · · suodatinta käännetään. Esimerkkitapauksessa se saisi olla vaikka 3 mm ilman suu rempia vaikutuksia erotuskykyyn. Signaalitaso saadaan näin paremmaksi. Niiden säteiden, jotka sitten muodostavat detektoriin 13 tulevan intensiteetin, tulokulmat 35 interferenssisuodattimeen 10 saavat poiketa toisistaan enintään noin + 10° riittävän erotuskyvyn saamiseksi, edullisesti sädekimpun tulokulmat eroavat enintään + 4° ja 9 102570 tyypillisesti edellä mainitut ± 2°. Tämä siis tarkoittaa sitä, että saman sädekimpun säteet poikkevat toisistaan enintään edellä mainittujen tulokulmaerojen verran. Kyse on siis täysin eri kulmasta, kuin mitä tässä hakemuksessa tarkoitetaan suodattimen kallistuskulmalla, joka saa aikaan myös keskimääräisen tulokulman (tulokulmahan 5 on yleisen käytännön mukaan pinnan normaalin ja säteen välinen kulma) muuttumisen keksinnön erään piirteen mukaan ainakin välillä 10° - 60°. Aivan yleisesti voi suodattimen kallistuskulma ja siten keskimääräinen tulokulma vaihdella alueella 0° -90°. On ymmärrettävä, että todellisuudessa voi interferenssisuodattimeen osua sätei-lykimppuja suuremmillakin tulokulmaeroilla kuin edellä mainitut rajat, mutta näitä 10 ei päästetä detektorille 13. On selvää, että isopintainen detektori voidaan rajoittaa samanmittaiseksi kuvioissa ei-esitetyllä kaihtimen raolla, mutta sellainen ratkaisu ei ole yhtä edullinen signaalin kohinan suhteen.

Jotta detektorista 13 saatavat mittaussignaalit olisivat käyttökelpoisia, pitää joka tilanteessa tietää pimeän eli täydellisen absorption aiheuttama signaali kuten myös 15 signaali ilman näytteen aiheuttamaa absorptiota. Pimeän aiheuttama signaali saadaan käyttämällä edellä mainittua suljinta 12 ja se on kaikille suodattimen 10 kulmille a sama, jos systeemi on suunniteltu niin, ettei mahdollinen hajavalo pääse häiritsemään. Jos signaalin ilmaisuun käytetään esimerkiksi termistä detektoria kuten termoparia, niin kyseinen pimeäsignaali on käytännössä oleellisesti nolla. Sätei-20 lyn aiheuttamaa signaalia ilman näytekaasun absorptiota ei voida arvioida ilman erillistä nollakaasun mittaamista. Tällainen nollakaasu tai referenssikaasu on esimerkiksi ympäristöstä otettu ilmanäyte, joka ei absorboi säteilyä mittauskaistalla. Käytännössä nollakaasun imeminen näytekammioon 4 ja mittaaminen ennen näytekaasun analysoimista ei tuota ongelmia, ja edellä mainitun standardiehdotuksen mukai-: 25 nen alkoholin mittaus pitääkin suorittaa juuri sillä tavalla riippumatta analyysimene telmästä.

« · • · · • · ·

Detektorista 13 saatavat signaalit linearisoidaan ja analysoidaan jollakin kirjallisuu- • · · desta sinänsä hyvin tunnetulla monikaasuanalyysimenetelmällä. Tulokseksi riittää • · yleensä alkoholin luotettava pitoisuuslukema, vaikkakin mahdollisista häiriökaasuis- • · · ·,,,· 30 ta voitaisiin hälyttää. Hälytys voi myös esimerkiksi sellaisessa tapauksessa olla hyö- dyllinen, kun jokin ennalta tuntematon häiriö on läsnä analyysiin käytetyllä aallon-] _ ]: pituusalueella. Tällainen häiriö ilmenisi pitoisuuslaskennassa lähinnä huonona sopi vuutena laskenta-algoritmiin. Kuten kuvasta 1 havaitaan, on metyylialkoholilla Me ja etyyliasetaatilla Ac noin 9,4 pm:n kohdalla melkein samannäköinen absorp-35 tiohuippu, joten laskennassa näitä ei ehkä pystytä erottamaan toisistaan. Tällä asialla ei kuitenkaan ole mitään merkitystä, koska vaikutus etyylialkoholin Et lukemaan jää 10 102570 hyvin pieneksi. Ainoa oikein tunnistettava ja oikein mitatuksi tuleva kaasu on siis alkoholi. Mikään ei tietenkään estä tarvittaessa tunnistamasta tai pyrkimästä tunnistamaan, mitä aineita häiriökomponentit ovat.

Edellä on esitetty vain muutama esimerkki siitä, miten alkoholin absorptiohuipun 5 välitöntä ympäristöä voidaan käyttää tarkkaan pitoisuuslaskentaan kääntämällä kapeakaistaista optista interferenssisuodatinta. Laite voidaan tietenkin muotoilla huomattavastikin erityyppiseksi. Valonsäde voidaan järjestää esim. peileillä kulkemaan useita kertoja mitattavaa kaasuseosta sisältävän näytekammion läpi, jolloin absorboivaa matkaa voidaan kasvattaa lisäämättä laitteen ulkomittoja. Valonsäde voidaan 10 myös järjestää kulkemaan näytekammioon ja sieltä ulos yhden ikkunan kautta, joko ikkunan samasta tai eri kohdasta. Muitakin rakennevaihtoehtoja on nähtävissä.

• · · · • · · • · · • « • · · • · ·

Claims (12)

1. Säteilyabsorptioon perustuva menetelmä alkoholin pitoisuuden määrittämiseksi kaasuseoksesta, joka voi sisältää useita sellaisia häiriökomponentteja, joilla on oleellista absorptiota sillä aallonpituuskaistalla, jonka alueella kyseisen alkoholin pitoi- 5 suusmittaus toteutetaan, jossa menetelmässä: - kaasuseos johdetaan näytekammion kautta; -tämän näytekammiossa olevan kaasuseoksen läpi lähetetään säteilylähteestä eri aallonpituuksia sisältävä valonsäde, jotka aallonpituudet ovat määritettävän alkoholin absorptiojuovan alueella; 10. kaasuseoksen läpäisseen säteilyn annetaan kulkea optisen interferenssisuodattimen läpi, jolla on kapea säteilyn läpäisykaista ja joka on kallistettavissa säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suhteen, jolloin suodattimen läpäisykaistan aallonpituusalue muuttuu; - mitataan mainitun interferenssisuodattimen läpäisseen säteilyn intensiteetti suodat-15 timen enemmän kuin kahdella eri kallistuksella; - näiden eri aallonpituuksilla mitattujen läpäisyarvojen avulla pienennetään häiriö-komponenttien vaikutusta mittaustulokseen ja lasketaan määritettävän alkoholin pitoisuus kaasuseoksessa, tunnettu siitä, että mittaus tehdään valonsäteen aallonpituusvälillä 7,5-12,5 pm, jo-20 ka sisältää määritettävän alkoholin absorptiojuovan tai absorptiojuovia, että optisen interferenssisuodattimen läpäisykaistan leveys on yli 1,5 % mittauksessa käytetystä keskiaallonpituudesta ja että häiriökomponenttien mainittua vaikutuksen pienentämistä varten mitataan interferenssisuodattimen läpäissyt säteily vähintään yhtä monella suodattimen kallistuskulmalla kuin mikä on määritettävän alkoholin ja niiden v : 25 huomioitavien häiriökomponenttien, joilla on toisiinsa nähden oleellisesti erilaiset absorptiospektrit, lukumäärä yhteensä. • · « • · ·

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että optisen interferenssisuodattimen läpäisykaistan leveys on yli 1,6 % mittauksessa käytetystä kes- \v kiaallonpituudesta, edullisesti vähintään 2 % ja tyypillisesti 2-3 % käytetystä keski- • ·» 30 aallonpituudesta. • · • · ·

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuja lä-päisymittausarvoja otetaan ainakin suodattimen kallistuskulman, mitattuna säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa vastaan kohtisuoraan tasoon nähden, ollessa välillä 10-60°. 12 102570

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaus tehdään jollakin seuraavista aallonpituusväleistä 7,7-8,4 pm tai 8,7-10,2 pm tai 10,7- 12,0 pm, edullisesti aallonpituusvälillä 8,7-10,2 pm ja että pitoisuudeltaan määritettävänä alkoholina on etyylialkoholi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että interferenssi- suodattimen mainitulla kallistuksella siirretään suodattimen absorptiokaistan paikkaa vähintään noin 210 nm, edullisesti vähintään noin 300 nm ja tyypillisesti ainakin noin 400 nm eri kaasukomponenttien spektrien erottamiseksi toisistaan.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tunnistettujen 10 muiden kaasukomponenttien kuin pitoisuudeltaan määritettävän alkoholin vaikutukset eliminoidaan laskennallisesti tämän alkoholin pitoisuusmittaustuloksesta.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittuna kaasuseoksena, josta alkoholin pitoisuus määritetään, on hengitysilma ja erityisesti uloshengitysilma ja että edullisesti mittaukset pitoisuusmääritystä varten otetaan 15 uloshengityksen siinä vaiheessa, jossa kaasuseos on alveolaarista eli tulee syvältä keuhkoista.

8. Laite alkoholin pitoisuuden määrittämiseksi kaasuseoksesta, joka voi sisältää useita sellaisia häiriökomponentteja, joilla on absorptiota sillä aallonpituuskaistalla, jonka alueella kyseisen alkoholin pitoisuusmittaus toteutetaan, säteilyabsorptioon 20 perustuvalla menetelmällä, joka laite käsittää: - säteilylähteen (1), joka emittoi ainakin määritettävän alkoholin absorptiojuovan alueella olevilla aallonpituuksilla; ·' ' - kammion (4) mitattavan kaasuseoksen (6) vastaanottamiseksi, jossa kammiossa on ainakin yksi ikkuna (7a ja/tai 7b), jonka kautta säteilylähteen antama säteily (2) kul- • · v.: 25 kee kaasuseoksen läpi; :T: - detektorin (13), joka ottaa vastaan kaasuseoksen läpi kulkeneen säteilyn ja muuttaa . v, sen sähköiseen asuun edelleenkäsittelyä varten; • · < !.! - säteilylähteen ja detektorin välissä optisen interferenssisuodattimen (10), jolla on *:** kapea säteilyn läpäisykaista ja joka on käännettävissä (P) säteilyn pääasiallisen kul- *,·,* 30 kusuunnan suhteen, jolloin suodattimen läpäisykaistan aallonpituusalue muuttuu, tunnettu siitä, että optisen interferenssisuodattimen (10) läpäisykaistan keskiaallon-pituus on välillä 7,5-12,5 pm, että tämän interferenssisuodattimen (10) läpäisykaistan puoliarvoleveys on yli 1,5 % mainitusta keskiaallonpituudesta ja että mitattavan kaasuseoksen (6) läpäisseen säteilyn detektointia varten järjestetään interferenssi-35 suodatin (10) vähintään yhtä moneen eri kääntökulmaan (a) kuin mikä on niiden 13 102570 kaasukomponenttien, sisältäen määritettävän alkoholin ja ne huomioitavat häiriö-komponentit, joilla on toisiinsa nähden oleellisesti erilaiset absorptiospektrit, lukumäärä yhteensä, jolloin detektorista (13) otetaan jokaista erillistä kääntökulmaa (a) vastaava lukema.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että optisen interferenssi- suodattimen (10) läpäisykaistan puoliarvoleveys on yli 1,6 % mainitusta keskiaal-lonpituudesta, edullisesti vähintään 2 % ja tyypillisesti 2-3 % tästä keskiaallonpituu-desta ja että interferenssisuodatin on käännettävissä (P) ainakin asentoihin (a), jotka ovat kulmavälillä 10-60° säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa (2a) vastaan kohtisuo-10 raan asentoon (V) nähden, läpäisymittauslukemien ottamiseksi.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että optisen interferenssi-suodattimen (10) läpäisykaistan keskiaallonpituus on jollakin seuraavista aallonpi-tuusväleistä 7,7-8,4 pm tai 8,7-10,2 pm tai 10,7-12,0 pm, edullisesti aallonpituus-välillä 8,7-10,2 pm etyylialkoholin pitoisuuden mittaamiseksi.

11. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu interferens sisuodatin (10) sijaitsee näytekammion (4) ja detektorin (13) välissä ja että laite edelleen käsittää optisen järjestelyn (14 ja/tai 15) interferenssisuodattimen ja detektorin välissä sellaisen sädekimpun keräämiseksi detektoriin, jonka tulokulmat inter-ferenssisuodattimeen eroavat toisistaan enintään noin +/- 10°, edullisesti enintään 20 +/- 4° ja tyypillisesti noin +/- 2°.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen laite, tunnettu siitä, että detektorin (13) sen valoherkän pinta-alan, joka on suunnattu interferenssisuodattimen kautta säteilyläh-dettä (1) kohti, leveys suodattimen kääntöä (P) vastaan kohtisuorassa suunnassa on mahdollisimman suuri, kuitenkin niin että detektorin tähän ensimmäiseen reunaan 25 tuleva säde on kohdannut interferenssisuodattimen enintään mainitussa tulokulmas- • · sa, ja korkeus (H) suodattimen käännön (P) tasossa on mahdollisimman suuri, kui-.*. tenkin niin että detektorin tähän toiseen reunaan tuleva säde on kohdannut interfe- I t I renssisuodattimen enintään mainitussa tulokulmassa. • · * · t · • · · • » » 14 102570