SE456944B - Anordning foer maetning av halten av en given gaskomponent i en gasblandning - Google Patents

Description

456 944 10 15 20 25 30 35 2 exempelvis beskrivna i de amerikanska patentskrifterna 3 l6u OOH och H 399 685. Ämnen lämpliga som substratskikt för selektiv och reversibel adsorption av många olika gas- formiga komponenter i en gasblandning är också tidigare kända.

Ett problem vid gasanalyserande anordningar av denna typ består däri, att substratmaterialets förmåga att adsor- bera den intressanta gaskomponenten ur en gasblandning är kraftigt beroende av substratmaterialets tempratur, så att vid oförändrad koncentration av den aktuella gaskomponenten i gasblandningen adsorptionen blir mindre ju högre sub- stratskiktets temperatur är. Gasanalysatorns känslighet blir sålunda på motsvarande sätt temperaturberoende och avtager med stigande temperatur hos substratskiktet. I samband med gasanalysatorer för mätning av halten av narkosgaser av typen halogenerade kolväteföreningar, såsom exempelvis halotan, enfluran, metoxifluran och isofluran, i en and- ningsgasblandning, varvid substratskiktet exempelvis kan bestå av olika typer av silikonoljor, har det visats att ovan nämnda temperaturberoende har en form, som kan uttryckas med ekvationen T-5/2 e 1/T (1) Sm där S är den ovan nämnda utgàngssignalen, som representerar kristallernas skillnadsfrekvens, och T är substratskiktets temperatur (OK). Inom ett vid denna typ av gasanalysatorer aktuellt temperaturområde av 20-HSOC kommer ändringen i analysatorns känslighet som följd av temperaturvariationer att vara av storleksordningen 150 %.

Det måste på inses, att det ovan nämnda temperaturberoendet något sätt elimineras. En möjlighet är att hålla den piezoekektriska kristallen och dess substratskikt på en konstant temperatur. Detta kan ske genom att kristallens antingen kyles eller värmes. En kylning av kristallen med- för, åtminstone vid analys av andningsgasblandningar, prob- lem med kondensation av vattenånga på kristallen, som helt omöjliggör en noggrann mätning. Vid uppvärmning av kristallen måste, åtminstone vid den nämnda tillämpningen för analys av andningsgasblandningar, temperaturen väljas upp mot 500 C, l0 15 20 25 30 35 456 944 5 vilket dels leder till en kraftigt reducerad känslighet hos analysatorn och dels till en väsentligt snabbare försämring av substratskiktets egenskaper, vilket medför en reducerad livslängd för kristallen. Båda dessa metoder för konstant- substratskiktets temperatur vilket bl.a.

En annan svårig- hållning av kristallens och kräver också en avsevärd effektförbrukning, omöjliggör batteridrift av gasanalysatorn. het i samband med en konstanthållning av kristallens och substratskiktets har en mycket liten värmekapacitet, temperatur sammanhänger med att kristallen varför dess temperatur mycket snabbt följer variationer i omgivningens temperatur, dvs. i praktiken variationer i den analyserade gasbland- ningens temperatur. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en anordning av det inledningsvis angivna slaget, vid vilken problemet med den temperaturberoende känslig- heten är eliminerat eller i fall väsentligt reducerat, varje utan att kristallen och dess substratskikt behöver hållas på en konstant temperatur.

Det mest direkta sättet att lösa det ovan nämnda proble- met vore att mäta den piezoelektriska kristallens aktuella temperatur och korrigera analysatorns utgångssignal i be- roende därav. Eftersom emellertid temperaturberoendet är komplext, såsom framgår av ovanstående uttryck (1), är en sådan direkt metod komplicerad och kräver ett avsevärt uppbåd av elektronik.

Föreliggande uppfinning baserar sig på upptäckten av en- betydligt enklare metod att kompensera för substratskiktets temperaturberoende adsorption.

Det kännetecknande för anordningen enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav, och i det följande skall upp- finningen närmare beskrivas i anslutning till bifogad rit- ning, i vilken fig. l är ett kopplingsschema, som schematiskt och såsom exempel illustrerar en utföringsform av uppfinningen; och fig. 2 är ett diagram illustrerande det resultat som uppnåtts vid en försöksanordning enligt uppfinningen. 456 944 10 15 20 30 35 U Den grundläggande principen för uppfinningen består däri, att en temperaturberoende elektrisk komponent anordnas på sådant sätt, att den utsättes för samma temperaturvaria- tioner som kristallen och dess substratskikt, varjämte den temperaturberoende utgângssignalen från den kristallen inne- hållande oscillatorkretsen tillföres en sígnalbehandlande krets, företrädesvis en förstärkningskrets, i vilken den nämnda temperaturberoende elektriska komponenten ingår på ett sådant sätt, att den signalbehandlande kretsen ger en utgångssignal, som är väsentligt kompenserad för de tempera- turberoende variationerna hos substratskiktet adsorberande egenskap.

Såsom nämnts i det föregående, kan temperaturberoendet hos oscillatorkretsens utgångssignal angivas med det ovan givna uttrycket (1). Detta uttryck kan inom temperaturom- rådet 15-50°C approximeras mycket väl med uttrycket š_l) S = S ' e~a(To T (2) O där SO är oscillatorkretsens utgångssignal vid temperaturen TO och a är en av substratskiktets uppbyggnad och den adsor- berade gaskomponenten beroende konstant.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen an- vändes som temperaturberoende elektrisk komponent en ter- mistor med negativ temperaturkoefficient (NTC), vilken anord- nas så att den påverkas av den analyserade gasens temperatur på samma sätt som den med substratskiktet försedda piezo- elektriska kristallen och därmed utsättes för samma tempera- turvariationer som substratskiktet. Vidare användes som signalbehandlande krets för oscillatorkretsens utgångssig- nal med fördel en förstärkarkrets med den i fig. l visade utformningen, till vars ingång oscillatorkretsens utgångs- signal S anslutes.

Denna förstärkarkrets innefattar en operationsförstär- kare F, vilken är resistivt återkopplad från sin utgång till sin ena ingång medelst ett motstånd Ro. Den till förstärkar- kretsens ingång anslutna utgångssignalen S från gasanalysa- 456 944 5 torns oscillatorkrets är ansluten till operationsförstärka- rens F återkopplingsingång genom ett motstånd Rl och till operationsförstärkarens F andra ingång via en resistiv spänningsdelare bestående av motstånden R2 och R3. Om mot- ståndens Ro, Rl, R2 och R3 resistansvärden väljes så att RO» R: och 122 >> RS Så kan denna förstärkningskrets förstärkningsfaktor VU/VI approximativt uttryckas som v __ Ro Q; - -- (3) R Detta ger R R . t-l l) (u) e Væ-VIR U Enligt en första utföringsform av uppfinningen kopplas termistorn in i denna förstärkarkrets, så att den utgör motstandet Rl, dvs. där RT är termistorns resistans.

Eftersom termistonns temperaturberoende resistans RT kan uttryckas som -3!I-' -sc-š- - .L R = Rm - e .- O där R N . . H .

TO ar resistansen vid temperaturen TO och b ar termis- torns karakteristiska temperatur (OK), erhålles R (b-a) (l- - l) vug- so 192 - e TO T (s) Av detta uttryck framgår, att om termistorn väljes så, att a = b så kommer förstärkningskretsens utgångssignal VU att vara -456 944 10 15 2D 25 30 6 oberoende av den piezoelektriska kristallens och substrat- skiktets aktuella temperatur T, dvs. av eventuella tempera- turvariationer hos kristallen och dess substratskikt, och proportionell mot signalen SO, dvs. oscillatorkretsens ut- gângssignal vid en viss given temperatur, vilken utgångs- signal är representativ för halten av den intressanta gas- komponenten i den substratskiktet pàverkande gasbland- ningen. _ Jämförande försök har gjorts med en gasanalysator av det beskrivna förslaget för mätning av halten av narkosgasen isofluran i en andnigsgasblandning, varvid substratskiktet innehöll en silikonolja. Temperaturberoendet hos gasanalysa- torns känslighet bestämdes därvid dels utan något som helst försök till temperaturkompensering, dels med en temperatur- kompenserande krets av det ovan beskrivna och i fig. 1 visade slaget. Resistansvärdena i förstärkníngskretsen var därvid RT =50kfl vid ZSOC, Ro = lM9, R2 = l00Kfl och R3 = SKQ och termistorns karakteristiska temperatur var b = 393H°K. I diagrammet i fig. 2 visar kurvan A analysatorns känslighet K för den aktuella narkosgasen som funktion av temperaturen T (CC) i frånvaro av temperaturkompensering, medan kurvan B visar analysatorns känslighet som funktion av temperaturen vid användning av den ovan beskrivna och i fig. l visade temperaturkompenseringskretsen. Som synes reducerades tem- peraturberoendet till ungefär en tiondel vid användning av denna.

Enligt en andra utföríngsform av uppfinningen kan den eftersträvade temperaturkompenseringen uppnås med den i fig. l visade förstärkarkretsen även genom att termistorn kopplas in till att bilda motståndet R dvs. 3! R = R (7) Därvid väljes motstândens resistansvärden så att Ro>> Rl och samtidigt och R32> R2 Ro - R2>> Rl - Ra. et, 456 944 7 Med detta val av motstândens inbördes resistansvärden kan förstärkningskretsens förstärkníngsfaktor VU/VI approxima- tivt uttryckas som V” 2:- --_-9- (a) vilket med användning av (2), (5) och (7) ger R2 Ro R -R l l _ e (b-ä) (TO ' (9) l To S o . Även i detta fall kommer utgångssignalen Vu att vara vä- sentligen oberoende av den piezoelektriska kristallens och substratskiktets aktuella temperatur T, om termistorn väljes så att

Claims (6)

1. 456 944 Patentkrav l. Anordning för mätning av halten av en given gaskomponent i en gasblandning, innefattande en piezoelektrisk kristall, vilken är försedd med ett ytskikt innehållande ett ämne med förmåga att reversibelt adsorbera nämnda komponent ur gas- blandningen och som är så anordnad att gasblandningen kan bringasqi.kontakt med nämnda ytskikt, samt en kristallen inne- hållande oscillatorkrets utformad att avge en utgångssignal (S) representerande kristallens svängningsfrekvens och därmed halten av nämnda gaskomponent i gasblandingen, k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar en temperaturberoende elektrisk komponent (RT) anordnad att utsättas för samma temperaturvariationer som kristallens nämnda ytskikt samt en signalbehandlande krets, vilken är tillförd oscillatorkretsens nämnda utgångssignal (S) och i vilken nämnda temperaturbe- roende komponent (RT) ingår på sådant sätt, att den signalbe- handlande kretsen ger en utgångssignal (VU), som är väsentligt kompenserad för temperaturberoende variationer hos det nämnda gaskomponent adsorberande ämnets adsorberande egenskap.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den signalbehandlande kretsen utgöres av en den temperatur- beroende elektriska komponenten (RT) innehållande förstärk- ningskrets med en av den temperaturberoende komponentens värde beroende förstärkníngsgrad.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att den temperaturberoende elektriska komponenten (RT) ut- göres av en termistor. H.

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den signalbehandlande kretsen innefattar en operationsför- stärkare (F), vars utgång är återkopplad till den ena in- gången genom en resistans (RO), varvid oscillatorkretsens ut- gångssignal (S) är ansluten till operationsförstärkarens nämnda ena ingång genom termistorn (Rl = RT) och till operations- förstärkarens andra ingång via en resistiv spänningsdelare (R2, R3), varjämte återkopplingsresistansen (Ro) är mycket större än;termistorns resistans(Rl = RT),och att den resistiva spänningsdelaren (R2, R3) är så dimensionerad, att den till v, 456 944 9 operationsförstärkarens (F) nämnda andra ingång anslutna an- delen av oscillatorkretsens utgångssignal (S) utgör en mycket liten andel av den totala signalen (S).

5. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den signalbehandlande kretsen innefattar en operations- förstärkare (F), vars utgång är återkopplad till den ena ingången via en resistans (RO), varvid oscillatorkretsens utgångssignal (S) är ansluten till nämnda ena ingång via en andra resistans (Rl) och till operationsförstärkarens andra ingång via en spänningsdelar (R2, R3), vilken utgöres av en tredje resistans (RQ) i serie med termistorn (R3=RT) anordnade på sådant sätt att den till operationsförstärkarens nämnda andra ingång anslutna andelen av oscillatorkretsens utgångssignal (S) är den över termistorn (R3 = RT) liggande andelen, varjämte återkopplingsresistansen (Ro) är mycket större än nämnda andra resistans (Rl), termistorns resis- tans (R3 = RT) är mycket större än nämnda tredje resistans (R2) och samtidigt produkten av motkopplingsresistansen (RO) och den tredje resistansen (R2) är mycket större än produkten av den andra resistansen (Rl) och termistorns resistans (R3 = RT).

6. Anordning enligt något av kraven 3 - 5, k ä n n e - t e c k n a d av att termistorn (RT) har en negativ tempe- raturkoefficient.