DE4200830A1 - Verfahren zur quantitativen bestimmung einer komponente eines gasstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer Komponente eines Gasstromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.

Ein Gerät der genannten Art ist aus der US-47 36 619 bekannt. Es handelt sich um ein Atemalkohol-Meßgerät, bei dem Atemluft durch ein mit einer Drosselstelle versehenes Rohr in die Umgebung geblasen wird. Vor der Drosselstelle zweigt eine Probenleitung ab, die zu einem Alkohol-Sensor führt. An die Probenleitung ist ein Drucksensor zur Messung des Staudruckes an der Drosselstelle angeschlossen. Während des Blasens wird von einer Steuereinheit das Signal des Drucksensors zeitlich integriert und damit das durch das Rohr in die Umgebung geströmte Luftvolumen bestimmt. Erst wenn soviel Luft geflossen ist, daß Alveolarluft in dem Rohr vorliegt, wird von der Steuereinheit eine Probenahmepumpe betätigt, die eine bestimmte Luftmenge aus dem Rohr durch die Probenleitung in den Alkohol-Sensor fördert. Anschließend wird der Alkoholgehalt der Luftprobe bestimmt.

Nachteilig an dem bekannten Gerät ist, daß eine Probenahmepumpe benötigt wird, die mit ihren mechanischen Teilen die Störungsanfälligkeit und die Kosten des Gerätes erhöht. Außerdem kann an eine preisgünstige Pumpe keine hohe Genauigkeitsanforderung gestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem einem Sensor eine definierte Gasmenge zugeführt werden kann, ohne daß eine Pumpe benötigt wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, in einem ersten Schritt das Ventil zu öffnen, in einem zweiten Schritt durch Berechnung des zeitlichen Integrals des Signals des Drucksensors das durch die Probenleitung geflossene Gasvolumen zu bestimmen und in einem dritten Schritt nach Durchfluß eines vorgebbaren Gasvolumens oder Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne das Ventil zu schließen.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß außer einem einfachen Auf-Zu-Ventil keine mechanisch bewegten Teile für die Probennahme erforderlich sind. Dadurch werden die Kosten des Gerätes gesenkt und die Zuverlässigkeit erhöht. Durch Variation der Ventilöffnungszeit kann die in den Sensor gelangende Gasmenge in engen und reproduzierbaren Grenzen verändert werden. Steigt zu Beginn der Probennahme das Sensorsignal, bedingt durch einen hohen Gehalt an der zu bestimmenden Komponente, schnell an, so kann durch frühzeitiges Schließen des Ventils die in den Sensor gelangende Gasmenge klein gehalten werden. Dadurch wird ein Übersteuern des Sensors vermieden und die Erholzeit klein gehalten. Umgekehrt kann durch eine große Gasmenge im Sensor bei kleinem Gehalt der Gasprobe an der zu bestimmenden Komponente die Empfindlichkeit des Nachweises gesteigert werden, indem die Öffnungszeit des Ventils entsprechend verlängert wird.

Die Probenleitung wird vorzugsweise als Kapillarrohr ausgebildet, wodurch eine Rückdiffusion von Gas aus dem Sensor während der Messung bei stillstehender Gasströmung wirksam verhindert wird. Der Strömungswiderstand des Kapillarrohres wird vorzugsweise so gwählt, daß etwa ein tausendstel des durch die Prüfleitung fließenden Volumenstromes durch den Sensor fließt.

Wird das Gerät zur Untersuchung von Atemluft eingesetzt, so ist eine Beheizung des Kapillarrohres zweckmäßig, wenn ein Kondensieren von Feuchtigkeit verhindert werden soll.

Um einen möglichst guten Kontakt des Gases mit der Sensoroberfläche sicherzustellen, kann das Gas in einem spiralig gewundenen Kanal über die Sensoroberfläche geführt werden.

Die Erfindung wird an einem Beispiel erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Gerät zur Bestimmung des Alkoholgehaltes von Atemluft.

Es besteht aus einer Prüfleitung (1), die eine Drosselstelle (2) aufweist, einer stromaufwärts der Drosselstelle (2) abzweigenden Probenleitung (3), die zu einem Gaseinlaß (4) eines für Alkohol empfindlichen elektrochemischen Gassensors (5) führt, einem an einen Gasauslaß (6) des Gassensors (5) angeschlossenen Ventil (7), einem an die Probenleitung (3) angeschlossenen Drucksensor (8), einer auf die Probenleitung (3) einwirkenden elektrischen Heizung (9) und einer mit dem Drucksensor (8), der Heizung (9), dem Gassensor (5), dem Ventil (7) und einer Anzeigeeinheit (10) verbundenen Steuereinheit (11).

Eine Messung des Alkoholgehaltes einer Atemluftprobe läuft folgendermaßen ab: Eine nicht dargestellte Person bläst in den Eingang (12) der Prüfleitung (1) hinein, wobei das Ventil (7) zunächst geschlossen ist. Die eingeblasene Luft verläßt die Prüfleitung an ihrem Ausgang (14) und strömt in die Umgebung ab. Vor der Drosselstelle (2) baut sich ein Druck auf, der von dem Drucksensor (8) gemessen wird. Die Steuereinheit (11) bildet das zeitliche Integral der Signale des Drucksensors und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes der Drosselstelle (2) das durch die Prüfleitung (1) geflossene Gasvolumen. Für eine unverfälschte Messung darf nur die aus der Lunge stammende sogenannte Alveolarluft verwandt werden. Die Steuereinheit (11) öffnet daher das Ventil (7) erst, nachdem ein Mindestgasvolumen durch die Prüfleitung (1) abgeströmt ist.

Bei geöffnetem Ventil (7) fließt nun auch Gas über die Probenleitung (3) in den Gassensor (5). Es handelt sich in diesem Beispiel um einen elektrochemischen Sensor, dessen Ausgangssignal proportional zur Menge der umgesetzten Alkoholmoleküle ist. Für eine Konzentrationsmessung muß also die in den Sensor (5) geströmte Gasmenge bekannt sein. Die Steuereinheit (11) bildet dazu wieder das zeitliche Integral der Signale des Drucksensors (8) und berechnet daraus unter Berücksichtigung des Strömungswiderstandes der Probenleitung (3), des Sensors (5) und des Ventiles (7) die in den Sensor (5) geflossene Gasmenge. Nach Durchfluß einer vorgebbaren Gasmenge oder nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit schließt die Steuereinheit (11) das Ventil (7) wieder. Aus der bestimmten Gasmenge und dem Signal des Gassensors (5) berechnet die Steuereinheit (11) dann die Alkoholkonzentration in der Atemluftprobe und stellt das Ergebnis auf der Anzeigeeinheit (10) dar.

Je höher der Alkoholgehalt der Luftprobe ist, um so schneller steigt das Signal des Gassensors (5) nach Öffnen des Ventils (7) an.

Die Steuereinheit (11) kann bei schnellem Anstieg die Ventilöffnungszeit kurz und bei langsamem Anstieg lang wählen. Dadurch wird die insgesamt in den Gassensor (5) gelangende Alkoholmenge in einem für die Messung günstigen Bereich gehalten.

Um eine Kondensation von Feuchtigkeit zu verhindern, ist an der Probenleitung (3) eine elektrisch betriebene Heizung (9) vorgesehen, die die Probenleitung (3) auf etwa 34°C erwärmt. Da das Gas im Sensor (5) getrocknet wird, braucht das hinter dem Sensor angeordnete Ventil (7) nicht beheizt zu werden. Die Probenleitung (3) ist als Kapillarrohr von ca. 1mm Durchmesser und ca. 20 mm Länge ausgebildet. Dadurch erhält es den nötigen Strömungswiderstand, um den Durchfluß auf ca. 1 cm³/sec zu begrenzen, und eine Gasdiffusion während der Messung wird wirksam verhindert.

Um die Luftprobe in möglichst intensiven Kontakt mit der empfindlichen Oberfläche des Gassensors (5) zu bringen, ist auf dieser Oberfläche ein spiralig gewundener Kanal (13) vorgesehen. Bei geöffnetem Ventil (7) strömt die Luft in den Gaseinlaß (4) des Gassensors (5), durchströmt den Kanal (13), wobei es auf einer relativ langen Strecke mit der empfindlichen Öberfläche des Gassensors (5) in Berührung kommt, verläßt den Gassensor (5) durch den Gasauslaß (6) und strömt durch das Ventil (7) hindurch schließlich in die Umgebung ab.

Claims (5)

1. Verfahren zur quantitativen Bestimmung einer Komponente eines Gasstromes mit einer von dem Gasstrom durchflossenen, eine Drosselstelle aufweisenden Prüfleitung, einer stromaufwärts der Drosselstelle abzweigenden, zu einem Gaseinlaß eines Gassensors führenden Probenleitung, einem an die Probenleitung angeschlossenen Drucksensor, einem an einen Gasauslaß des Gassensors angeschlossenen Ventil und einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (11) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Schritt das Ventil (7) zu öffnen, in einem zweiten Schritt durch Berechnung des zeitlichen Integrals des Signals des Drucksensors (8) das durch die Probenleitung (3) geflossene Gasvolumen zu bestimmen und in einem dritten Schritt nach Durchfluß eines vorgebbaren Gasvolumens oder Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne das Ventil (7) zu schließen.

2. Verfahren näch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Meßsignals des Gassensors (5) unmittelbar nach dem Öffnen des Ventils (7) gemessen wird und daß das vorgebbare Gasvolumen um so kleiner oder die vorgebbare Zeitspanne um so kürzer gewählt wird, je größer die Anstiegsgeschwindigkeit ist.

3. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer von einem Gasstrom durchflossenen, eine Drosselstelle aufweisenden Prüfleitung, einer stromaufwärts der Drosselstelle abzweigenden, zu einem Gaseinlaß eines Gassensors führenden Probenleitung, einem an die Probenleitung angeschlossenen Drucksensor, einem an einen Gasauslaß des Gassensors angeschlossenen Ventil und einer Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenleitung als Kapillarrohr (3) ausgebildet ist und dessen Strömungswiderstand dazu bemessen ist, etwa ein täusendstel des durch die Prüfleitung (1) fließenden Volumenstromes durch das Kapillarrohr (3) fließen zu lassen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizung (9) zur Beheizung des Kapillarrohres (3) vorgesehen ist.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß über der empfindlichen Oberfläche des Gassensors (5) ein spiralig gewundener Kanal (13) zur Führung des zu untersuchenden Gases vorgesehen ist.