DE60221346T2

DE60221346T2 - Gasanalysator unter Verwendung von thermischen Sensoren

Info

Publication number: DE60221346T2
Application number: DE60221346T
Authority: DE
Inventors: Kurt Weckström; Mika Hietala
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2022-03-23
Also published as: DE60221346D1; EP1347290A1; US20030177814A1; EP1347290B1; US6694800B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasanalysator mit: einem Messvolumen mit Verbindungen für einen Eingangs- und Ausgangsstrom eines Probengasgemisches, von welchem mindestens eine Gaskomponente analysiert werden soll, um ihre Konzentration in dem Gemisch zu ermitteln, und mit einem ersten und einem zweiten Ende, die für Strahlung durchlässig sind; einer Strahlungsquelle zum Liefern eines Strahls von elektromagnetischer Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, wobei der Strahl eine Kollimation erreicht und so gerichtet wird, dass er durch das Messvolumen durch das erste und das zweite Ende davon hindurchtritt; einer Wärmesenke für die Strahlungsquelle; mindestens einem thermischen Detektor mit einem aktiven, Strahlung erfassenden Sensorelement innerhalb mindestens eines Detektorgehäuses, das die Strahlung empfängt, die das Messvolumen verlässt, wobei der thermische Detektor ein Referenzsensorelement innerhalb desselben Detektorgehäuses aufweist, das vor der Strahlung geschützt ist, wobei der thermische Detektor ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Eigenschaft der mindestens einen Gaskomponente des Gemisches in dem Messvolumen angibt; mindestens einem optischen Bandpass-Filter zwischen dem aktiven, Strahlung erfassenden Sensorelement und der Strahlungsquelle; elektrischen Kontaktstiften in dem mindestens einen Detektorgehäuse für die Ausgabe des Signals (der Signale); einer thermischen Masse, die aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet ist, wobei die thermische Masse: einen Hohlraum und eine äußere Oberfläche aufweist, zumindest das Detektorgehäuse in dem Hohlraum umgibt, mit dem Detektorgehäuse in Kontakt steht und sich in Richtung der Strahlungsquelle erstreckt; und einer thermischen Barriere zwischen der Wärmesenke und der thermischen Masse.
Thermische Detektoren, typischerweise Thermosäulendetektoren, werden in Gasanalysatoren unter anderem wegen ihrer Fähigkeit zur Gleichstrommessung verwendet, was eine kosteneffiziente Konstruktion des Messsystems erleichtert. In diesen Gasanalysatoren misst der Thermosäulendetektor die Infrarotabsorption eines in eine Probenkammer oder ein Probenvolumen eingeleiteten Gases, wonach die Konzentration der interessierenden Gaskomponente oder Gaskomponenten aus der gemessenen Absorption bestimmt wird. Der nützliche Wellenlängenbereich von Thermosäulendetektoren ist für Infrarotmessungen geeignet, da ihre Absorptionsbänder im Wellenlängenbereich von 3 μm–10 μm in den erforderlichen Wellenlängenbereich mit Spektralempfindlichkeit für den Detektor fallen. Überdies weisen Thermosäulen eine hohe Empfindlichkeit und gute Linearität auf und sie sind kosteneffiziente Komponenten.
Eine Eigenschaft eines Thermosäulendetektors besteht darin, dass ein Wärmegradient in seinem äußeren Gehäuse, der insbesondere in kleinen Analysatoren mit kleiner thermischer Masse bemerkbar ist, einen Versatzfehler im Detektorsignal verursacht, der die Messgenauigkeit verschlechtert. Die Thermosäule ist ein sehr empfindlicher Detektor, der eine Vielzahl von Thermoelementübergängen enthält. In einem typischen Analysator wurde gemessen, dass die Signaländerung, die der Absorption entspricht, die durch 0,1 Volumen-% CO₂ in einem Probengas verursacht wird, etwa 2 μV ist. Die Temperaturdifferenz im Thermosäulendetektor wäre dann nur etwa 0,13 mK. Daher ist es leicht zu verstehen, dass selbst kleine Temperaturgradienten im Thermosäulengehäuse beträchtliche Messfehler verursachen können. Ähnliche Fehler treten auch bei einer Änderung der Temperatur des äußeren Gehäuses nach z.B. einem kalten Anfahren des Analysators oder aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur auf.
Mit Bezug auf das Patent US-4 772 790 ist ein Gasanalysator beschrieben, bei dem eine Anzahl von Thermoelementen, die zur Bildung von Gruppen von Thermosäulen verbunden sind, als Detektor verwendet werden. Der erste Satz von Thermosäulengruppen ist so angeordnet, dass er die Strahlung an ihren inneren Übergängen empfängt, um heiße Übergänge zu bilden, wohingegen die äußeren Übergänge folglich von kalten Übergängen dieses ersten Satzes abgeschirmt sind. Die Thermoelemente des zweiten Satzes von Thermosäulengruppen mit derselben Anzahl von abgeschirmten Thermoelementen wie der erste Satz sind mit dem ersten Satz elektrisch in Reihe geschaltet, woraufhin der elektrische Strom, der durch die EMFs vom ersten Satz aufgrund der Strahlung verursacht wird, invertierte kalte sowie heiße Übergänge im zweiten Satz von Thermosäulengruppen mit entgegengesetzten EMFs zu jenen der Thermoelemente des ersten Satzes erzeugt. Alle Thermoelemente mit ihren heißen und kalten Übergängen sind auf einem einzigen Substrat eines wärmeleitenden Isolatormaterials angeordnet. Der Analysator ist ferner mit einem stark wärmeleitenden Abschnitt versehen, der mit der Umgebung in Kontakt steht, und eine thermische Masse aufweist, die wesentlich größer ist als jene des Gehäuses, so dass er als großflächige Wärmesenke wirkt. Das wärmeleitende Substrat der Thermosäulen ist mit dem leitenden Abschnitt unter Verwendung eines wärmeleitenden Materials verbunden. Ferner ist die Strahlungsquelle vom wärmeleitenden Abschnitt durch die Wand der aus Kunststoff oder dergleichen hergestellten Probenzelle thermisch isoliert. Dies scheint das herkömmliche Kompensationsverfahren zu sein. In dieser Konstruktion besteht ein Bedarf für zusätzliche dunkle Übergänge, was den Raum für den empfindlichen Bereich des Detektors verringert. Die Zuleitungen vom Detektorgehäuse sind auch direkt mit den leitenden Kontaktstellen einer gedruckten Leiterplatte in Kontakt mit der Umgebung verbunden. Als Konsequenz würde selbst eine äußerst kleine Änderung der Temperatur von der Umgebung einen beträchtlichen Wärmegradienten am Substrat und somit innerhalb der Thermosäulenanordnung verursachen. Insbesondere in einem kleinen Analysator könnte ein solcher Gradient einen Versatz im Signal induzieren, der durch die abgeschirmten Übergänge nicht notwendigerweise vollständig kompensiert werden würde. Für moderne Halbleiter-Thermosäulen, die an die Basisplatte des Gehäuses geklebt sind, gilt dies besonders. Unter einer stationären Bedingung, unter der die nicht abgeschirmten heißen Übergänge eine konstante Strahlung empfangen, kann sogar eine zeitliche thermische Abweichung existieren, woraufhin das Gleichstromsignal vom Detektor mit der Zeit variiert, was zu Messungenauigkeiten führt.
Das Patent US-5 081 998 offenbart einen Gasanalysator, bei dem eine Gruppe von Thermoelementen in Reihe geschaltet ist und gepaart ist, so dass die erste Thermosäule und die zweite Thermosäule auf einem gemeinsamen Keramiksubstrat in einander gegenüberliegender Beziehung stehen. Die erste Thermosäule ist mit der zweiten Thermosäule elektrisch entgegengesetzt in Reihe geschaltet, um die Ausgangssignale voneinander zu subtrahieren, und ferner ist mindestens ein erstes Filter mit neutraler Dichte, d.h. ein Dämpfungsfilter, mit einem anderen Durchlasskoeffizienten im Vergleich zu einem zweiten oder fehlenden Filter mit neutraler Dichte vor den Thermosäulendetektoren angeordnet, so dass das erste Filter mit neutraler Dichte die heißen Übergänge der ersten Thermosäule beeinflusst und das zweite Filter mit neutraler Dichte oder seine Abwesenheit die heißen Übergänge der zweiten Thermosäule beeinflusst, woraufhin diese zwei Thermosäulendetektoren "optisch stabilisiert" werden. Den Thermosäulendetektoren sind ferner ein oder mehrere analytische Bandpass-Filter zum Durchlassen von gewünschten Wellenlängen im optischen Weg vorgeschaltet. Die Differenz zwischen den Ausgangssignalen wird verwendet, um die Effekte einer Änderung der Hintergrundsignale und Veränderungen aufgrund der thermischen Abweichung zu beseitigen. Diese Art von Konstruktion macht den Detektor groß und teuer und auch für mehrere verschiedene Gase schwierig zu konstruieren.
Das Patent US-5 296 706 bezieht sich z.B. auf diese zwei vorstehend erwähnten Patentveröffentlichungen und beschreibt als Stand der Technik auch eine weiterentwickelte Version des letzteren Patents, das eine Mehrzahl von gepaarten Thermosäulen bereitstellt, wobei eine Blendenplatte über den optischen Filtern zur Analyse von mehreren Gaskomponenten in dem Gasgemisch angeordnet ist. Dieses nun erörterte US-Patent offenbart eine Topographie, die ermöglicht, dass mehrere Kanäle als unabhängige analytische Kanäle zum Erfassen der Absorption einer Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen verwendet werden. Für diesen Zweck schlägt das Patent separate Referenzthermosäulen vor, die zu den aktiven analytischen Thermosäulen identisch sind und hinter diesen aktiven Thermosäulen, die die Wärmestrahlung empfangen, angeordnet sind. Jede Referenzthermosäule und ihre entsprechende aktive Thermosäule sind Rücken an Rücken in "parallel entgegengesetzter" Weise mit einem Abschirmungsmittel wie z.B. einer Aluminiumfolie dazwischen angeordnet, woraufhin die Referenzthermosäulen vor jeglicher einfallender Strahlung geschützt sind. Jede Referenzthermosäule erzeugt ein Signal, das Umgebungstemperaturübergänge darstellt, die entsprechende aktive Thermosäule erzeugt ein Signal, das die empfangene Strahlung und Umgebungstemperaturübergänge darstellt, und diese Signale werden verarbeitet, um ein Kombinationssignal zu erzeugen, mit einer Absicht, dass der Effekt der thermischen Übergänge beseitigt wurde, im Gegensatz zu der Anordnung von US-5 081 998 . Diese Art von Analysator kann zur Analyse von mehreren Gasen konstruiert werden, aber die Thermosäulenstruktur ist sehr kompliziert und teuer. Außerdem werden die vorgeschlagenen Berechnungen unter Verwendung einer Polynomgleichung zweiter Ordnung mit Kreuzprodukttermen zur Kalibrierung und Kompensation als komplizierte Aufgabe betrachtet. Thermische Gradienten können sich auch auf die Thermosäulen des Paars unterschiedlich auswirken, wobei somit immer noch ein Versatz im Signal induziert wird. Das Patent US-6 277 081 bezieht sich auch auf die letztgenannten zwei Patentveröffentlichungen. Indem sie auf die Analyse von Kohlendioxid und mehr als fünf weitere Anästhesiegaskomponenten abzielt, umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung eine Vielzahl von unabhängigen Detektoren, die mit optischen Filtern mit speziellen Wellenlängendurchlässigkeiten für verschiedene Gase versehen sind, und auch eine Vielzahl von Referenzdetektoren, die mit weiteren optischen Filtern mit speziellen Wellenlängendurchlässigkeiten für optische Referenzen versehen sind. Außerdem umfasst die Vorrichtung mindestens einen Detektor mit einem undurchlässigen optischen Filter, um zu verhindern, dass im Wesentlichen die ganze Strahlung diesen blockierten Detektor erreicht, und die Anzahl dieser blockierten Detektoren ist geringer als die der unabhängigen Detektoren. Eine große Versatzgleichspannung wird als typisch für alle Detektoren in einem Analysator bei Abwesenheit irgendeiner Infrarotstrahlung beschrieben und eine spezielle mathematische Kompensation wird nach der Kalibrierung angewendet. Kein Versuch wurde unternommen, um den Versatz zu minimieren. Da das "dunkle" Versatzsignal als typischerweise 2 bis 6 mal das empfangene Messsignal beschrieben ist, hat der Versatz sicher einen beträchtlichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Sensors zwischen Kalibrierungsereignissen und während des Anfahrens.
Ferner offenbart das Patent US-5 542 285 verschiedene Mittel zum Kompensieren der thermischen Fehler durch Beschreiben einer Gasanalysevorrichtung, in der eine Kompensation für vorübergehende Fehler vorgesehen ist, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, die der Vorrichtung zugeordnet sind, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Probenzelle, die das zu analysierende Gas enthält; eine Quelle für elektromagnetische Strahlung zum Leiten von elektromagnetischer Strahlung durch die Probenzelle; einen thermischen Detektor mit einem Strahlung erfassenden Sensorelement, das die Strahlung empfängt, die die Probenzelle verlässt, wobei der thermische Detektor ein Referenzsensorelement aufweist, das vor der Strahlung geschützt ist, wobei der thermische Detektor ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Eigenschaft des Gases in der Zelle angibt, wobei Änderungen der Temperatur des thermischen Detektors Fehler in das Ausgangssignal einführen; ein Temperaturabtastmittel, das ein Temperatursignal liefert, das die Temperatur des Referenzsensorelements angibt; und ein Signalverarbeitungsmittel, das mit dem Abtastmittel gekoppelt ist, zum Bestimmen der Änderungsrate der Temperatur des Referenzsensorselements als Funktion der Zeit, und das ein Kompensationssignal liefert, das dieselbe angibt, wobei das Signalverarbeitungsmittel mit dem thermischen Detektor gekoppelt ist und zum Ändern des Ausgangssignals des thermischen Detektors gemäß dem Kompensationssignal dient, um ein hinsichtlich der Temperatur kompensiertes Ausgangssignal zu liefern, das die Eigenschaft des Gases in der Zelle angibt.
Hinsichtlich des Messprinzips der vorstehend beschriebenen Analysatoren sollte beachtet werden, dass das tatsächliche Ziel für die Messung das Gasgemisch, spezieller einige der Gaskomponenten mit variablen Konzentrationen und ihre Absorptionen, die folglich variabel sind, ist. Die Konzentrationen, nicht die Temperaturen sind der Gegenstand für die Messung. Die Strahlungsquellen sind weder das Ziel noch der Gegenstand für die Messung, da sie nicht variabel sein sollten, sondern die Temperatur dieser IR-Quellen soll so konstant wie möglich sein.
Das Patent US-5 012 813 offenbart eine tympanische Temperaturmessvorrichtung, um Genauigkeit innerhalb eines Zehntels eines Grades über begrenzte Bereiche der Umgebungstemperatur und Genauigkeit auf innerhalb ein Grad über einen breiten Bereich von Umgebungstemperaturen zu schaffen. Der Strahlungsdetektor zum Erfassen der Temperatur des Trommelfellbereichs bei etwa der Körpertemperatur eines Patienten gemäß dem Patent umfasst: eine Thermosäule mit einem heißen Übergang und einem kalten Übergang, wobei der heiße Übergang zum Betrachten einer Zielquelle montiert ist; einen Temperatursensor zum Abtasten der Temperatur des kalten Übergangs; eine elektronische Schaltung, die mit der Thermosäule gekoppelt ist und auf die Spannung über der Thermosäule und eine vom Temperatursensor abgetastete Temperatur reagiert, um die Temperatur des Ziels zu bestimmen, wobei die elektronische Schaltung die Temperatur des Ziels als Funktion der Spannung über der Thermosäule und der Temperatur des heißen Übergangs der Thermosäule bestimmt, die aus der Temperatur des kalten Übergangs und einem Thermosäulenkoeffizienten bestimmt wird; und eine Anzeige zum Anzeigen einer Angabe der Temperatur des Ziels, die durch die elektronische Schaltung bestimmt wird. Die elektronische Schaltung bestimmt die Temperatur der Zielquelle aus der Beziehung T_T4 = (Kh × H) + T_H4, wobei T die Zieltemperatur ist, Kh ein Verstärkungsfaktor ist, H eine abgetastete Spannung von der Thermosäule ist und T_H die Temperatur des heißen Übergangs der Thermosäule ist. Gemäß dem Patent wird ferner die Thermosäule innerhalb eines hinteren Volumens in einer Büchse aus Material mit hoher Leitfähigkeit angeordnet. Die Büchse umfasst eine Strahlungsführung mit einer verjüngten Form und mit einem Germanium-Fenster am Vorderende, wobei eine zusätzliche leitende thermische Masse die Büchse und das hintere Volumen umgibt, und ein leitender Stecker am hinteren Ende der thermischen Masse befestigt ist und auch das Volumen umgibt. Die Büchse ist mit einem Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit wie z.B. Xenon, das die Thermosäule umgibt, gefüllt. Die Strahlungsführung ist aus einem einzigen Stück aus Material mit hoher Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer gebildet. Sowohl die zusätzliche leitende thermische Masse als auch der leitende Stecker bestehen auch aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer und sie stehen in engem thermischen Kontakt mit der Büchse und miteinander. Gemäß dem Patent ist das Ausgangssignal der Thermosäule eine Funktion der Differenz der Temperatur zwischen ihrem warmen Übergang, der durch Strahlung erhitzt wird, die durch das Fenster betrachtet wird, und ihrem kalten Übergang, der mit der Büchse in engem thermischen Kontakt steht, woraufhin die Strahlungsführung während einer ganzen Messung auf derselben Temperatur wie der kalte Übergang liegen sollte. Das Patent beschreibt nicht, wie dieser enge thermische Kontakt mit der Büchse erreicht wird; die Thermosäule scheint ohne irgendwelche Kontakte in der Mitte des hinteren Volumens zu sein. Die Temperatur des kalten Übergangs wird irgendwie durch einen separaten Thermistor überwacht, der innerhalb des leitenden Steckers angeordnet ist, und die Signalspannung von der Thermosäule entsprechend korrigiert. Es ist offenbart, dass zum Minimieren der Temperaturänderungen die Strahlungsführung und die Büchse mittels eines Gehäuses aus Kunststoffmaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und eines isolierenden Luftspalts gut isoliert sind, aber ein thermischer Weg mit hoher Leitfähigkeit zwischen dem vordersten Ende der Strahlungsführung und dem Teil der Büchse, der die Thermosäule umgibt, vorgesehen ist, um irgendwelche Änderungen der Temperatur schnell zum kalten Übergang zu verteilen, um thermische Gradienten zu vermeiden. Diese hohe Leitfähigkeit des thermischen Weges wird durch die einheitliche Konstruktion verbessert, was irgendwelche thermischen Barrieren beseitigt. Somit ist hier die Strahlungsquelle selbst, die von der Messvorrichtung unabhängig ist, das Ziel, deren Temperatur als Gegenstand gemessen wird.
Weiterentwicklungen an der Sonde dieses vorstehend erwähnten Patents sind im Patent US-5 445 158 offenbart. Auch hier besitzt die thermische Masse eine einheitliche Konstruktion, die thermische Barrieren zwischen der Röhre und dem Teil der thermischen Masse, der die Thermosäule umgibt, beseitigt, und ein Stecker aus Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, der hinter der Thermosäule angeordnet ist, steht mit der Masse in engem thermischen Kontakt. Die äußere Hülse ist aus einem Kunststoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet und ist von der Masse durch einen isolierenden Luftspalt getrennt. Die Verjüngung der Masse vergrößert den isolierenden Luftspalt benachbart zum Ende der Verlängerung, während der thermische Widerstand von der Röhre zur Thermosäule minimiert wird. Die Ringe, das Fenster und der Kopf sind durch Epoxid mit hoher Wärmeleitfähigkeit thermisch gekoppelt. In dieser Weise ist die thermische RC-Zeitkonstante für die Wärmeleitung durch die thermische Barriere zur thermischen Masse und zur Röhre mindestens zwei Größenordnungen größer als die thermische RC-Zeitkonstante für die Temperaturantwort des kalten Übergangs auf Wärme, die zur Röhre und zur thermischen Masse übertragen wird. Die RC-Zeitkonstante für die Leitung durch die thermische Barriere ist durch den großen thermischen Widerstand durch die thermische Barriere und durch die große Wärmekapazität der thermischen Masse groß gemacht. Die RC-Zeitkonstante für die Antwort des kalten Übergangs ist durch den Weg mit niedrigem Widerstand zum kalten Übergang durch die stark leitende thermische Masse und die niedrige Wärmekapazität des Stapels von Berylliumoxidringen zur Thermosäule niedrig gemacht. Neben der Übertragung von Wärme von der Umgebung besteht ein weiterer signifikanter Wärmeflussweg in dem System durch die Zuleitungen. Um die Wärmeübertragung durch diesen Weg zu minimieren, werden die Zuleitungsdurchmesser klein gehalten und die Zuleitungen werden in dem Bereich abgeschnitten. Ein Paar von Drähten mit Feinheit 40 – Durchmesser von 0,079 mm, jeweilige Querschnittsfläche von 0,0049 mm² – sind an die verkürzten Zuleitungen gelötet, die aus 20 mils Kovar gebildet sind, was eine strukturelle Abstützung für die Thermosäulenanordnung bereitstellt. Die Drähte erstrecken sich von dem Bereich durch den Stecker und leiten Thermosäulensignale zur Elektronik. Ein weiterer potentieller Wärmeflussweg in dem System besteht durch den Kopf zum Stecker. Da der Kopf mit dem kalten Übergang der Thermosäule in engem thermischen Kontakt steht, würden irgendwelche thermischen Gradienten durch den Kopf 100 bis 1000 mal durch die Thermosäule verstärkt werden, was große Fehlersignale erzeugt. Um dieselben zu beseitigen, ist ein isolierender Bereich von Luft hinter dem Kopf zur Wärmeübertragung durch diesen Weg vorgesehen. Folglich würden irgendwelche thermischen Gradienten im Stecker dazu gezwungen werden, durch die Masse zu laufen, und würden im Wesentlichen abgeleitet werden, ohne die Thermosäule zu beeinflussen. Zusätzlich zum Germanium-Fenster am Vorderende der Sonde sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele mit entweder einem Silizium-Fenster oder keinem Fenster am Vorderende der Sonde offenbart.
Das übliche allgemeine Merkmal der Sonden gemäß sowohl US-5 012 813 als auch US-5 445 158 besteht darin, dass Strahlung vom Trommelfellbereich bei etwa Körpertemperatur gemessen wird. Der Wellenlängenbereich ist äquivalent zu jenem des Durchlasses von Germanium, etwa 1,8–23 μm, oder zu jenem des Durchlasses von Silizium, etwa 1,1–40 μm, oder ohne irgendwelche Grenzen in Ausführungsbeispielen ohne Fenster. Dies gibt ein Signal, das die Strahlung eines schwarzen Körpers oder die jeweilige Temperatur des Körpers des Patienten gut widerspiegelt. Die Menge an Strahlung ist klein, aber der sehr breite Wellenlängenbereich gibt immer noch ein deutliches Signal, insbesondere mit der speziellen länglichen wärmeleitenden Röhre um die Thermosäule.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Mängel der vorstehend beschriebenen Verfahren des Standes der Technik zu beseitigen und eine neue Art von streuungslosem Gasanalysator zum Beseitigen eines Versatzes und einer Drift, die durch thermische Gradienten im Analysator verursacht werden, zu erreichen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das große Versatzsignal zu beseitigen, das durch einen durch die Wärmestrahlungsquelle induzierten statischen Temperaturgradienten entlang des Analysatorkörpers verursacht wird, der im Temperatursensor ohne interne Quelle nicht vorhanden ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gasanalysator mit kleiner Größe oder einen Miniatur-Gasanalysator zu erreichen, der diese Aufgaben erfüllt und in dem auch wirtschaftliche, kommerziell erhältliche Thermosäulendetektoren verwendet werden können.
Die Erfindung basiert auf der Beseitigung des thermischen Versatzes und der thermischen Abweichung durch Minimieren der thermischen Gradienten über dem vollständigen Detektorgehäuse, einschließlich seiner elektrischen Verbindungen. Dies wird durch einen Gasanalysator gemäß Anspruch 1 erreicht, in dem die elektrischen Drähte aus Materialien bestehen und Abmessungen aufweisen, die eine gesamte Wärmeleitfähigkeit erzeugen, die wesentlich niedriger ist als jene der elektrischen Kontaktstifte, die elektrischen Drähte sind mit den elektrischen Kontaktstiften entweder direkt oder indirekt verbunden und in der thermischen Masse zusammen mit dem (den) Detektorgehäuse(n) eingeschlossen, und die elektrischen Drähte erstrecken sich vom Hohlraum durch die thermische Masse zur Außenseite davon, wobei zumindest ein Austrittspunkt an der äußeren Oberfläche liegt. Theoretisch sollte kein Signalversatz in einer Thermosäule bestehen, ohne dass Strahlung ihren empfindlichen Bereich erreicht. Um dies zu erreichen, darf keine Temperaturdifferenz zwischen den heißen Übergängen im empfindlichen Bereich und den kalten Referenzübergängen der Thermosäule bestehen. Dies bedeutet ferner, dass kein thermischer Gradient innerhalb des Detektorgehäuses trotz des relativ hohen Wärmeflusses und der kleinen thermischen Masse des Analysators mit kleiner Größe zugelassen werden kann. Es besteht immer ein Gradient vom Analysator zur Umgebung, aber gemäß der Erfindung wird dieser Gradient vom Detektorgehäuse und seinen elektrischen Verbindungen weg übertragen. Dies wird durchgeführt, indem das Detektorgehäuse vollständig in ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit eingeschlossen wird. Außerdem wird der Wärmeenergiefluss durch die elektrischen Verbindungen in der Erfindung minimiert. In Gasanalysatoren wird Strahlung durch eine feste Quelle geliefert und der Wellenlängenbereich für die Messung ist schmal, typischerweise geringer als 300 nm. Dies ergibt Selektivität zwischen der Absorption von verschiedenen Gasen, die dem Probenvolumen des Analysators zugeführt werden. Das Absorptionssignal ist typischerweise klein und eine zweckmäßige Konstruktion des Detektorendes des Analysators ist sehr wichtig, um Zuverlässigkeit und eine schnelle Reaktion zu erreichen, was im Analysator der Erfindung erreicht wird. Der Analysator gemäß der Erfindung besitzt sehr kleine Abmessungen und ein sehr kleines Gewicht, so dass die Analysatoreinheit mit der Strahlungsquelle, dem Messvolumen und dem (den) thermischen Detektor(en) direkt an eine gewöhnliche gedruckte Leiterplatte angefügt werden kann. Die Konstruktion der Erfindung ist derart, dass es möglich ist, einfache kommerzielle Thermosäulendetektoren zu verwenden. Keine speziellen Merkmale wie abgeschirmte oder teilweise abgeschirmte Detektoren sind erforderlich. Dies macht den Gasanalysator sehr kosteneffizient und einfach.
Der Gasanalysator der Erfindung kann z.B. zum Überwachen der Zusammensetzung der Luftweggase eines Patienten, der für die Dauer einer Operation anästhesiert wird, verwendet werden, woraufhin die zu bestimmenden Gase Kohlendioxid (CO₂), Distickstoffoxid (N₂O) sowie mindestens ein Anästhesiemittel umfassen können.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen genauer untersucht.
1 stellt das erste Ausführungsbeispiel eines kleinen Gasanalysators gemäß der Erfindung im Längsschnitt des Analysators parallel mit dem Strahlungsstrahl, d.h. entlang der optischen Achse, gesehen dar.
2 zeigt das Detail der elektrischen Verdrahtung gemäß der Erfindung vom Bereich I von 1 in einem vergrößerten Maßstab.
3 zeigt die zeitliche Änderung des relativen Signals A von einem Gasanalysator gemäß der Erfindung und des relativen Signals B gemäß dem Stand der Technik nach der Abtrennung der Strahlungsquelle.
4 und 5 stellen das zweite Ausführungsbeispiel eines kleinen Gasanalysators gemäß der Erfindung in derselben Ansicht wie in 1 und den entsprechenden thermischen Gradienten durch den Analysator zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektorende dar.
6 und 7 stellen das dritte Ausführungsbeispiel eines kleinen Gasanalysators gemäß der Erfindung in derselben Ansicht wie in 1 und 4 und den entsprechenden thermischen Gradienten durch den Analysator zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektorende dar.
8A und 8B stellen einen typischen Gasanalysator gemäß dem Stand der Technik und die thermischen Gradienten durch den Analysator des Standes der Technik jeweils zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektorende dar.
Die Gasanalysatoren mit kleiner Größe oder Miniatur-Gasanalysatoren zum Analysieren, z.B. Messen der Konzentration von einer oder mehreren Gaskomponenten sind in den Figuren gezeigt. Der Analysator umfasst ein Messvolumen 6 zwischen der Infrarotquelle 1 und dem (den) Detektor(en) 9, wobei das Volumen Verbindungen 5 für eine Eingangs- und Ausgangsströmung eines Probengasgemisches G aufweist. Das Messvolumen 6 kann eine geschlossene Messkammer mit einer Einlassröhre oder Einlassröhren und einer Auslassröhre oder Auslassröhren sein, die als Verbindungen 5 für den Strom F des Gasgemisches G in die und aus der Kammer fungieren, wie in 1 und 4 gezeigt. Alternativ kann das Messvolumen 6 ein im Allgemeinen offener Raum, d.h. ein im Wesentlichen nicht begrenzter Raum, der zur Umgebung offen ist, sein, woraufhin der Strom F des Gasgemisches G in diesen und aus diesem nicht begrenzten Raum z.B. durch natürliche Bewegungen in der Umgebungsatmosphäre verursacht wird, wie in 6 gezeigt. In diesem letzteren Fall ist die Strahlungsquelle 1 durch Abstützungen 35 mit dem Rest des Analysators verbunden und abgestützt, wobei die Abstützungen grob oder dünn genug sind, so dass sie den Strom F nicht stören. In dieser Weise wird das Gasgemisch mit mindestens einer Gaskomponente, die zum Bestimmen ihrer Konzentration in dem Gemisch analysiert werden soll, in das Messvolumen durch die Verbindungen 5 zugeführt. Das Messvolumen weist ein erstes und ein zweites Ende 7 auf, die für Strahlung durchlässig sind. Hinsichtlich des Ausführungsbeispiels, das mit der Messkammer versehen ist, sind diese durchlässigen Enden 7 typischerweise zwei Fenster, die die Enden des Volumens 6 bilden, wie in 1 und 4 gezeigt, und hinsichtlich des Ausführungsbeispiels, das mit dem nicht begrenzten Raum versehen ist, können diese durchlässigen Enden 7 die Abwesenheit eines massiven Materials sein, wie in 6 gezeigt, jedoch durch die Austrittsseite des optischen Systems für die Strahlungsquelle 1 und die Einfallsseite des optischen Systems für den (die) Detektor(en) 9 definiert sein. Die zwei Fenster, die die Enden 7 bilden, bestehen aus einem Material, das die Infrarotstrahlung durchlässt, die für die Gasmessung verwendet wird. Typische Fenstermaterialien können Saphir oder Kalziumfluorid sein. Die Kammer, die das Messvolumen 6 bildet, kann aus Glas oder vorzugsweise aus Metall für eine schnelle Temperaturstabilisierung und Erhöhung der thermischen Masse bestehen, aber sie kann auch aus anderen geeigneten Materialien wie Polymeren für eine bessere thermische Isolierung zwischen der Quelle und dem Detektor bestehen. Die Länge des Messvolumens 6 hängt von der Anwendung und vom zu messenden Konzentrationsbereich ab. Für Kohlendioxid in Patienten-Atemgas ist die Länge H1 des Volumens 6 normalerweise 3 mm–10 mm. Da ein thermischer Kontakt zwischen der eingebauten Strahlungsquelle 1 und dem Detektor 9 in allen diesen Versionen der Gasanalysatoren existiert, sind immer noch dieselben Probleme vorhanden.
Eine Strahlungsquelle 1 ist im Analysator zum Liefern eines Strahls 20 von elektromagnetischer Strahlung mit einem Wellenlängenbereich angeordnet. Vorzugsweise erreicht der Strahl 20 eine Kollimation und wird so gerichtet, dass er durch das Messvolumen durch das erste und das zweite Ende davon hindurchtritt. Der kollimierte Strahl bedeutet parallele Strahlen, wohingegen ein fokussierter Strahl Strahlen bedeutet, die von einem Punkt oder einer Oberfläche radial divergieren oder auf diesen/diese radial konvergieren. Es soll selbstverständlich sein, dass kein tatsächlicher Strahl ideal ist und somit eine geringfügige Abweichung von höchstens ± 10° oder höchstens ± 5° von der mittleren Richtung, d.h. von der Achse des kollimierten Strahls, zugelassen sein kann. Die Abweichung sollte jedenfalls so klein wie möglich sein und die Strahlen so parallel wie möglich sein. Die Infrarotquelle 1 ist in den meisten Fällen eine breitbandig emittierende Heizfaser, die eine Temperatur von mindestens 300 °C aufweist. Die Strahlungsquelle kann in Abhängigkeit vom erforderlichen Wellenlängenbereich in Form eines Heizdrahts oder einer kleinen Glühbirne vorliegen. Die Quelle kann mit einem konkaven Spiegel und/oder einer Linse oder Linsen zum Kollimieren der Strahlung ausgestattet sein, wie in der Figur angegeben. Allen diesen Strahlungsquellen 1 ist gemeinsam, dass sie Wärme erzeugen. Ein Teil der Wärme kann zu den Umgebungen unter Verwendung einer geeigneten Wärmesenke 4, die die Strahlungsquelle weitgehend umgibt, aber den Austritt des Strahlungsstrahls 20 ermöglicht, abgeleitet werden. Die Wärmesenke kann ein separater Metallblock sein, der mit der Strahlungsquelle wie der Glühbirne in Kontakt steht oder nahe dieser liegt, oder die Wärmesenke kann maschinell bearbeitet und intern poliert werden, um den konkaven Kollimationsspiegel zu bilden. Die äußeren Oberflächen der Wärmesenke 4 können so ausgelegt sein, dass sie z.B. Kühlrippen zur verstärkten Konvektion umfassen, und können geschwärzt sein, um die Strahlung der toten Temperatur zu verstärken. Die Kühlung kann durch ein Gebläse, das in den Figuren nicht gezeigt ist, weiter verstärkt werden.
Hinsichtlich dieser Erfindung ist der Detektorabschnitt des Gasanalysators am signifikantesten. Dieser Abschnitt umfasst mindestens einen thermischen Detektor 9 mit einem aktiven, Strahlung erfassenden Sensorelement innerhalb mindestens eines Detektorgehäuses 2, das die Strahlung empfängt, die das Messvolumen 6 verlässt, und der thermische Detektor besitzt ein Referenzsensorelement innerhalb desselben Detektorgehäuses 2, das vor der Strahlung geschützt ist. Der thermische Detektor 9 erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Eigenschaft der mindestens einen Gaskomponente in dem Gemisch im Messvolumen angibt. Diese Eigenschaft der mindestens einen Gaskomponente ist die Strahlungsabsorption der Gaskomponente über ein vorbestimmtes Wellenlängenband. Der thermische Detektor 9, hauptsächlich eine Thermosäule, kann als in einem Standardmetallgehäuse 2 montiert erworben werden. Solche Thermosäulendetektoren werden z.B. von PerkinElmer Optoelectronics, Santa Clara, CA, geliefert. Die typische moderne Thermosäule wird unter Verwendung der Standard-Siliziumwafertechnologie mit Mikrobearbeitung hergestellt. Die zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien können zwei verschiedene Metalle wie Wismut und Antimon sein, aber sie können auch unterschiedlich dotiertes Silizium sein. Die Leiter dieser zwei thermoelektrisch verschiedenen Materialien weisen typischerweise zwei Sätze von Übergängen auf, einen Satz von Übergängen in der Mitte einer Membran mit einer Infrarot absorbierenden Schicht, die heiße Übergänge genannt werden, und den anderen Satz von Übergängen über der Kante des Siliziumsubstrats, die kalte Übergänge genannt werden. Der Substratchip ist mit einem guten thermischen Kontakt an der Basisplatte 13 des Detektorgehäuses 2 montiert, das mit elektrischen Kontaktstiften 12 für die Ausgabe des (der) Messsignals (Messsignale) versehen ist. Die eingehende Infrarotstrahlung von der Quelle 1 wird an den heißen Übergängen absorbiert, während angenommen wird, dass die kalten Übergänge auf der konstanten Temperatur der Basisplatte 13 bleiben. Das Signal von der Thermosäule steht direkt mit der Temperaturdifferenz zwischen den heißen und den kalten Übergängen in Beziehung. Ohne eingehende Strahlung sollte die Temperaturdifferenz folglich idealerweise Null sein. Folglich sollte das Signal auch Null sein. In der Praxis kann jedoch dies nicht der Fall sein, da aufgrund des Temperaturgradienten zwischen der Quelle 1 und dem Detektorabschnitt die kalten Übergänge auf einer anderen Temperatur liegen als die heißen Übergänge, selbst wenn sich der Analysator im Gleichgewicht befindet. Die Situation wird durch die Tatsache, dass die elektrischen Verbindungen vom Detektorgehäuse im Stand der Technik direkt mit einer gedruckten Leiterplatte 30 bei Umgebungstemperatur verbunden sind, noch schlimmer gemacht.
Der Detektorabschnitt umfasst auch mindestens ein optisches Bandpass-Filter 10 zwischen dem aktiven, Strahlung erfassenden Sensorelement und dem Messvolumen 6. Das (die) typische(n) Detektorgehäuse 2 weist (weisen) ein Detektorfenster 11 oder Fenster 11 nebeneinander auf und das optische Bandpass-Filter 10 kann in das Detektorgehäuse integriert werden und würde dann das (die) Fenster 11 ersetzen. Diese Arten von Detektoren sind kommerziell erhältlich. Ein oder mehrere separate optische Bandpass-Filter 10 kann/können natürlich vor dem Detektorgehäuse im Strahlungsstrahl angeordnet sein. Für herkömmliche Infrarotgasmessungen mit deutlicher Selektivität liegt die Bandbreite eines solchen Bandpass-Filters typischerweise zwischen etwa 50 nm und 300 nm. Eine breitere Bandbreite würde nur den gesamten Signalpegel erhöhen, ohne die Absorption vom zu messenden Gas zu erhöhen. Folglich würde das Signal sehr nicht-linear werden und größere Konzentrationen wären sehr schwierig mit Genauigkeit zu messen, insbesondere wenn die thermischen Gradienten auch die Messung beeinflussen. Eine schmälere Bandbreite kann verwendet werden, wenn die Signalintensität hoch genug ist. In einigen speziellen Fällen kann es sogar vorteilhaft sein, eine Bandbreite von nur etwa 10 nm zu verwenden, aber für die Strahlungsabsorption einer Gaskomponente besitzt das vorbestimmte Wellenlängenband vorzugsweise eine Breite von höchstens 400 nm.
Ein weiterer Teil im Detektorabschnitt ist gemäß der Erfindung eine kombinierte thermische Masse 8, 16, die aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Die kombinierte thermische Masse 8, 16 besitzt einen Hohlraum 21 für das (die) Gehäuse 2 des Detektors (der Detektoren) 9 und eine äußere Oberfläche 22, woraufhin die thermische Masse zumindest das Detektorgehäuse im Hohlraum umgibt und mit dem Detektorgehäuse in Kontakt steht. Der gute thermische Kontakt zwischen der kombinierten thermischen Masse 8, 16 und dem Detektorgehäuse 2 stellt ein schnelles thermisches Ausregeln im Gasanalysator sicher. Die thermische Masse 8, 16 erstreckt sich auch in Richtung der Strahlungsquelle 1, mindestens um das zweite Ende 7 des Messvolumens 6, das von der Strahlungsquelle entfernt liegt, und höchstens um das erste Ende 7 des Messvolumens 6, das zur Strahlungsquelle am nächsten liegt, woraufhin das zweite Ende auch distales Ende genannt werden kann und das erste Ende proximales Ende des Messvolumens genannt werden kann. Die vorstehend offenbarte kombinierte thermische Masse besitzt einen Umfangsabschnitt 8 mit einer Materialdicke S3 und einen unteren Abschnitt 16 mit einer Materialdicke S4, wobei die Dicken S3, S4 mindestens 2 mm und höchstens 10 mm oder vorzugsweise höchstens 5 mm im Gasanalysator der Erfindung mit kleiner Größe sind.
Als Zusammenfassung wird ein Teil der von der Strahlungsquelle 1 erzeugten Wärme so an die Umgebungen unter Verwendung einer geeigneten Wärmesenke 4 abgeleitet, Wärme wird jedoch unvermeidlich auch entlang des Analysatorkörpers in Richtung des Detektorgehäuses 2 geleitet. Mit anderen Worten, es besteht ein Temperaturgradient zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektorgehäuse und ferner den Umgebungen auf Umgebungstemperatur. Andere thermische Gradienten können auch hauptsächlich als Konsequenz der Änderung der Umgebungsbedingungen auftreten. Diese sind dynamische Gradienten, da sie sich mit einer gewissen Zeitkonstante ausgleichen. Der statische Hauptgradient hat jedoch seinen Ursprung in der Infrarotquelle. Um den Wärmefluss von der Infrarotquelle 1 zum Rest des Analysators zu verringern, ist es übliche Praxis, die Quelle thermisch zu isolieren. Dies wird durch Anordnen einer thermischen Barriere 3 zwischen der Wärmesenke 4 und der thermischen Masse 8, 16 durchgeführt. Die thermische Barriere 3 kann durch Hinzufügen eines Isolationsmaterials mit geringer Wärmeleitfähigkeit zwischen der Infrarotquelle und dem Rest des Analysators erreicht werden, wie in 1 und 4 gezeigt. Diese Alternative ist in Fällen praktisch, in denen die Messkammer für das Messvolumen 6 verwendet wird. Die thermische Barriere 3 kann erreicht werden, indem ein beträchtlicher Raum H2 zwischen der Infrarotquelle und dem Rest des Analysators belassen wird, wie in 6 gezeigt, woraufhin die thermische Barriere durch einen Materialmangel gebildet ist. Diese Alternative ist in Fällen praktisch, in denen der nicht begrenzte Raum, der zur Umgebung offen ist, für das Messvolumen 6 verwendet wird. Trotz dieser Maßnahmen besteht immer ein statischer thermischer Gradient innerhalb des Analysators.
Nun zur Situation des Standes der Technik. Ein solcher Gasanalysator mit einigen Teilen ähnlich zu den in 1, 4 und 6 dargestellten ist in 8A gezeigt. Hier ist der Gasanalysator mit einer Strahlungsquelle 1 mit einer Wärmesenke 4, einer Messkammer 26, die aus Kunststoff oder einem Polymer besteht, einem optischen Filter 10 und einem Thermosäulendetektor 9, der in eine thermische Umfangsmasse 8 eingeschlossen ist, direkt an eine gedruckte Leiterplatte 30 unter Verwendung der Kontaktstifte 12 des Detektorgehäuses angefügt, wobei die gedruckte Leiterplatte 30 gemäß der festgelegten Praxis Umgebungsbedingungen direkt ausgesetzt ist. Ferner sind elektrische Verbindungen von der Platte 30 zu Verstärkern und einer anderen Überwachungselektronik auch vorhanden, aber in der Figur nicht gezeigt. 8B ist ein Diagramm, das die Temperaturgradienten innerhalb des Analysators des Standes der Technik mit Bezug auf die verschiedenen Teile von ihm zeigt. Es wird angenommen, dass die Wärmesenke 4 auf der Temperatur T_QUELLE liegt und die Temperatur in Richtung der Umgebungstemperatur T_UGEBUNG als Funktion des Abstandes entlang des Analysators abnimmt. Es wird angenommen, dass die Wärmesenke 4 und die thermische Masse 8 aus Metall, z.B. Aluminium oder Kupfer, bestehen. Der Temperaturabfall über diesen Metallteilen ist als ziemlich klein zu sehen. Ein größerer Temperaturabfall tritt über der Messkammer 26 und auch über der gedruckten Leiterplatte 30 mit ihren Verbindungen 12 mit dem thermischen Detektor 9 auf. Dies bedeutet, dass ein beträchtlicher thermischer Gradient über dem Detektorgehäuse und folglich über den thermischen Detektor 9 selbst besteht. Die Temperatur der Wärmesenke T_QUELLE kann typischerweise etwa 50 °C sein, was bedeutet, dass der Gesamtgradient etwa 25 °C zwischen den Enden des Analysators ist. Ein typisches Silizium-Thermoelement entwickelt etwa 400 μV/K. Wenn man 40 Thermoelemente im Thermosäulendetektor 9 annimmt, bedeutet dies ein Ausgangssignal von 16 mV/K. Ein typischer Kohlendioxid-Patientenanalysator würde ein Ausgangssignal von etwa 2 μV für die kleinste messbare Konzentration von 0,1 Volumen ergeben. Dies würde einer Temperaturdifferenz in der Thermosäule von nur etwa 0,13 mK entsprechen. Eine viel höhere Temperaturdifferenz ergibt sich aus einer Konstruktion wie der in 8A. Dies bedeutet, dass das Signal einen beträchtlichen Versatz selbst unter stabilen Bedingungen hätte. Die Situation ist in 3 als gestrichelte Kurve B gezeigt. Der Signalpegel ohne Gasabsorption besitzt einen willkürlichen Wert von 1 Einheit in einer stabilen Situation. Nach 1 Minute wird die Infrarotquelle abgetrennt. Wie zu sehen ist, nähert sich das Signal nicht Null, wie erwartet, sondern einem Wert von etwa der Hälfte des anfänglichen oder möglicherweise noch mehr. In 3 ist der Signalversatz etwa 0,6 Einheiten und er nähert sich sehr langsam Null, wenn sich der Analysator auf Umgebungstemperatur abkühlt. Es kann möglich sein, den Analysator zu kalibrieren, um diesen Versatz zu kompensieren, aber der exakte Wert ist aufgrund der langsamen Abweichung, die z.B. demonstriert wird, nachdem die Infrarotquelle ausgeschaltet wurde, schwierig festzustellen.
Gemäß der Erfindung werden die Probleme in den Gasanalysatoren des Standes der Technik gelöst, indem der thermische Gradient über der vollständigen thermischen Umfangsmasse 8 so klein wie möglich gemacht wird, d.h. indem veranlasst wird, dass sich der thermische Gradient Null nähert. Dies bedeutet, dass auch kein direkter Kontakt zwischen dem Detektor 9 und der gedruckten Leiterplatte 30 im Analysator vorhanden ist. Für diesen Zweck ist die Rückseite des Analysators mit einem unteren Abschnitt 16 eines Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie der Umfangsabschnitt 8 und sein Material bedeckt. Das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit kann ein Metall wie Silber oder Kupfer oder Aluminium oder auch ein nicht-metallisches Material wie eine Keramik sein, aber Aluminium ist aus praktischen Gründen am besten geeignet. Um diesen unteren Abschnitt 16 zu bewerkstelligen, wird z.B. ein Metalldeckel am Umfangsabschnitt 8 beispielsweise unter Verwendung eines Gewindes wie in 1 oder eines Flächen-Flächen-Kontakts wie in 4 und 6 oder in irgendeiner anderen geeigneten Weise befestigt, wobei die einzige Anforderung ein guter thermischer Kontakt mit dem Abschnitt 8 ist. Der Detektor muss auf Änderungen der Temperatur schnell reagieren und sich auf ein neues Gleichgewicht einschwingen. Dies erfordert einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Detektorgehäuse 2 im Hohlraum 21 und der kombinierten thermischen Masse 8, 16. Das Detektorgehäuse kann an die Stelle geklebt oder mechanisch geklemmt werden oder es kann unter Verwendung des mit Gewinde versehenen Deckels 16 wie in 1 herabgedrückt werden. In diesem Fall muss außerdem eine gewisse Art von flexiblem Abstandhalter 17 verwendet werden, um Toleranzen zuzulassen.
Ferner werden gemäß der Erfindung die Probleme in den Gasanalysatoren des Standes der Technik gelöst, indem der Gasanalysator so angeordnet wird, dass er elektrische Drähte 15 mit speziellen Abmessungen und einer Konfiguration zwischen dem Detektor 9 und z.B. einer äußeren gedruckten Leiterplatte 30 oder beliebigen weiteren elektrischen Verbindungen umfasst. Diese elektrischen Drähte 15 werden erstens aus Materialien gebildet und weisen Abmessungen auf, die eine gesamte Wärmeleitfähigkeit erzeugen, die wesentlich niedriger ist als jene der elektrischen Kontaktstifte 12 im Detektorgehäuse, und zweitens werden diese elektrischen Drähte 15 mit den elektrischen Kontaktstiften 12 entweder direkt oder indirekt verbunden. Diese direkte Verbindung bedeutet, dass die elektrischen Drähte 15 der Erfindung mit den Kontaktstiften in galvanischem Kontakt stehen und dann durch einen gewissen Teil der thermischen Masse 8, 16 verlaufen. Die indirekte Verbindung bedeutet, dass die elektrischen Drähte 15 über eine innere gedruckte Leiterplatte 14b mit ebenso galvanischen Verbindungen laufen. Diese kann galvanische Übertragung genannt werden. Alternativ bedeutet die indirekte Verbindung, dass die elektrischen Drähte 15 z.B. eine Spule im Hohlraum 21 bilden, woraufhin eine elektromagnetische Übertragung zwischen der Spule und elektronischen Schaltungen auf einer äußeren Leiterplatte 30 geschaffen wird. Diese letztere Übertragung ist eine nicht-galvanische und passive Übertragung. Es ist auch möglich, eine nicht-galvanische und aktive Übertragung zwischen den elektrischen Drähten 15 vorzusehen, die nur im Hohlraum durch Hochfrequenzen stattfindet, aber dies bedeutet ziemlich komplizierte Anordnungen. Diese nicht-galvanischen Übertragungen erfordern die Verwendung einer Keramik für zumindest einen Teil der thermischen Masse 8, 16. Wenn sie verwendet wird, wird die innere gedruckte Leiterplatte 14b an den elektrischen Kontaktstiften befestigt und in der thermischen Masse zusammen mit dem (den) Detektorgehäuse(n) eingeschlossen, d.h. die innere gedruckte Leiterplatte 14b wird im Hohlraum 21 innerhalb der kombinierten thermischen Masse 8, 16 eingeschlossen. Die elektrischen Drähte 15 erstrecken sich dann vom Hohlraum 21 durch die thermische Masse 8, 16 zur Außenseite davon, woraufhin die Drähte 15 mindestens einen Austrittspunkt 23 an der äußeren Oberfläche 22 aufweisen, wie in den Figuren gezeigt. Es soll selbstverständlich sein, dass mindestens zwei elektrische Drähte 15 vorhanden sind, um das Signal vom Detektor zu den nächsten elektrischen/elektronischen Schaltungen für die Signalverarbeitung zu leiten, es könnten jedoch auch mehrere elektrische Drähte 15 für Signale vorhanden sein, insbesondere in Fällen, in denen mehrere Detektoren 9 für Referenzwecke und/oder für die Analyse von zwei oder mehr Gaskomponenten verwendet werden, dass auch elektrische Drähte 15 zum Zuführen von Spannung/Strom für mögliche elektrische und/oder elektronische Schaltungen 39 in Fällen vorhanden sein können, in denen diese Art von Komponenten auf der internen gedruckten Leiterplatte 14b enthalten sind, und dass diese mehreren elektrischen Drähte separate Austrittspunkte 23 an der äußeren Oberfläche 22 aufweisen können. Die innere gedruckte Leiterplatte 14b kann entweder eine steife Platte, die im Allgemeinen in gewöhnlichen elektronischen Vorrichtungen verwendet wird, oder eine flexible gedruckte Leiterplatte, z.B. ähnlich der oder von derselben Art wie die flexible gedruckte Leiterplatte 14a, die für die elektrischen Drähte 15 verwendet wird, sein.
Gemäß der Erfindung ist die gesamte Wärmeleitfähigkeit der elektrischen Drähte 15 höchstens 1/10 der gesamten Wärmeleitfähigkeit der Kontaktstifte 12 im Detektorgehäuse und in der Praxis ist eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 1/20 oder kleiner als 1/40 der gesamten Wärmeleitfähigkeit der Kontaktstifte möglich. Das erste Mittel für dieses Ziel besteht darin, dass die elektrischen Drähte 15 eine mittlere Länge L1 aufweisen, die wesentlich größer ist als der mittlere Abstand L2 zwischen den elektrischen Kontaktstiften und dem (den) Austrittspunkt(en) 23. Die elektrischen Drähte 15 besitzen natürlich auch (einen) Eintrittspunkt(e) 24 vom Hohlraum in die thermische Masse 8, 16, um die Ausdehnung der Drähte von innerhalb des Hohlraums zu dessen Außenseite zu ermöglichen. Die vorstehend erwähnten Verhältnisse und darunter werden durch Bereitstellen von ergänzenden Teilen 25 für die Längen L1 der elektrischen Drähte zwischen dem (den) Eintrittspunkt(en) 24 und dem (den) Austrittspunkt(en) 23 in der thermischen Masse 8, 16 erreicht, woraufhin eine im Wesentlichen gekrümmte oder serpentinenförmige Ausgestaltung der Drähte gebildet wird. In der ersten Alternative wird die abgewinkelte oder gekrümmte oder serpentinenförmige Ausgestaltung zwischen dem Hohlraum 21 und der äußeren Oberfläche 22 aufgrund des Abstandes (der Abstände) W in der Richtung der äußeren Oberfläche der thermischen Masse 8, 16 zwischen jedem der Eintrittspunkte und jedem der jeweiligen Austrittspunkte gebildet. Dies bedeutet mindestens eine Schleife innerhalb der kombinierten thermischen Masse, wie in 1 gezeigt. In der zweiten Alternative wird die gekrümmte/serpentinenförmige Ausgestaltung zwischen den Kontaktstiften 12 des Detektorgehäuses 2 und dem (den) Eintrittspunkt(en) 24 vom Hohlraum in die thermische Masse 8, 16 gebildet. Dies bedeutet eine Schleife oder Schleifen innerhalb des Hohlraums 21, wie in 4 gezeigt. Am meisten wirksam ist es, die elektrischen Drähte 15 einen gewissen Abstand innerhalb der thermischen Masse 8, 16 in Richtung der höheren Temperatur der Infrarotquelle wie in 1 zu führen. Die ergänzenden Teile 25 in den Längen L1 der elektrischen Drähte 15 verursachen, dass die Gesamtlänge L1 der elektrischen Drähte mindestens 15 % oder vorzugsweise mindestens 30 % oder typischerweise mindestens 60 % länger ist als der Abstand L2 zwischen den elektrischen Kontaktstiften 12 und dem (den) Austrittspunkt(en) 24. Das zweite Mittel für dieses Ziel besteht darin, dass die elektrischen Drähte 15 einteilige Verdrahtungen auf einer flexiblen gedruckten Leiterplatte 14a mit kleinen Querschnittsabmessungen sind, wobei die flexible gedruckte Leiterplatte 14a z.B. durch Löten oder Schweißen oder durch einen elektrisch leitenden Klebstoff oder dergleichen entweder direkt an den Kontaktstiften 12 oder an der inneren geduckten Leiterplatte 14b befestigt wird. Die Plattendicke S1 dieser dünnen flexiblen Platte oder des Basismaterials ist höchstens 0,4 mm oder vorzugsweise höchstens 0,2 mm und die Verdrahtungsdicke S2 der elektrischen Drähte 15 auf dem flexiblen Basismaterial ist höchstens 70 μm oder vorzugsweise höchstens 40 μm, woraufhin die Breite der Verdrahtung typischerweise zwischen 0,1 mm und 0,3 mm liegt. Die elektrischen Verbindungsdrähte 15 weisen typischerweise eine Querschnittsfläche von höchstens 0,02 mm² auf. Irgendeine andere Art von elektrischer Verbindung kann verwendet werden, wenn nur eine genügend niedrige Wärmeleitfähigkeit erreicht wird, wie vorstehend definiert.
Indem das Detektorgehäuse 2 in der kombinierten thermischen Masse 8, 16 vollständig eingeschlossen wird und indem elektrische Verbindungsdrähte 15 mit einer äußerst niedrigen Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die durch minimale Querschnitte S1, S2 der Verbindungsdrähte und/oder durch eine beträchtlich ausgedehnte Länge wie die ergänzenden Teile 25 der Verbindungsdrähte erreicht wird, wird der thermische Einfluss der Verbindung zwischen dem (den) Detektor(en) 9 minimiert. Die gekrümmte/serpentinenförmige Ausgestaltung der Drähte 15 stellt den Vorteil der Vorheizung der elektrischen Verbindungen, bevor sie mit den Kontaktstiften 12 des Detektorgehäuses 2 in Kontakt kommen, bereit. Die thermische Situation ist in 5 gezeigt. Die Temperaturgradientenkurve weicht von jener von 8B in einer solchen Weise ab, dass sich der langsam abfallende Gradient innerhalb der thermischen Masse gut über das Detektorgehäuse hinaus und auf der ganzen Strecke zur äußeren Oberfläche 22 oder Stirnfläche des unteren Abschnitts 16 der thermischen Masse erstreckt. Erst nach diesem Punkt folgt der steile Gradient in Richtung von T_UMGEBUNG. Dieser Gradient beeinflusst das Verhalten des Detektors nicht mehr und folglich nimmt der Signalversatz in Abhängigkeit von nur dem Gradienten innerhalb der thermischen Masse 8, 16 drastisch ab.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn eine thermische Isolierung 18, die zumindest die thermische Masse 8, 16, d.h. sowohl den Umfangsabschnitt 8 als auch den unteren Abschnitt 16, auf allen Seiten davon umgibt, ferner zum Gasanalysator der Erfindung hinzugefügt wird, wie in 1 und 6 gezeigt. Im Fall, dass das Messvolumen 6 die geschlossene Messkammer ist, erstreckt sich die thermische Isolierung 18 vorzugsweise so, dass sie diese Messkammer umgibt, und in der am meisten bevorzugten Anordnung erstreckt sich die thermische Isolierung 18 so, dass sie die thermische Barriere 3 zwischen der Wärmesenke 4 und der thermischen Masse 8, 16 umgibt, wie in 1 gezeigt. Der Temperaturgradient über dem Umfangs- und dem unteren Abschnitt 8, 16 verschwindet dann fast und auch der Einfluss durch Änderungen der Temperatur verlangsamt sich, wie aus der Kurve in 7 zu verstehen ist. Das Signalverhalten im Gasanalysator gemäß der Erfindung ist als Kurve A in 3 gezeigt. Der Versatz ist praktisch verschwunden. Keine langsame Abweichung tritt im Dunkelsignal auf, sondern es bleibt nahe Null, wie es gemäß der Theorie sollte. Mit Bezug auf 7 wird der steile Temperaturgradient, der für den Gasanalysator von 1 im Wesentlichen ähnlich ist, zwischen der thermischen Masse 8, 16 und T_UMGEBUNG hauptsächlich innerhalb des thermischen Isolators 18 gebildet. Als Vergleich würde das Hinzufügen einer solchen thermischen Isolierung zum Gasanalysator des Standes der Technik in 8A das Versatzverhalten nicht sehr verbessern, sondern würde immer noch einen störenden Gradienten innerhalb der thermischen Masse belassen. Gemäß der Erfindung ist ein vollständiger Einschluss der Rückseite des Detektorgehäuses 2 in ein Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und in gutem thermischen Kontakt mit dem Rest der thermischen Masse 8, 16 eine Anforderung. Die thermische Isolierung 18 verlangsamt hauptsächlich und verringert folglich das dynamische thermische Verhalten des Analysators, sie hat jedoch auch einen verringernden Einfluss auf den thermischen Gradienten über dem Detektorgehäuse.
Der Gasanalysator gemäß der Erfindung kann zusätzliche Merkmale umfassen, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit weiter verbessern. Die innere gedruckte Leiterplatte 14b, die an den elektrischen Kontaktstiften 12 befestigt ist, kann z.B. erste elektrische und/oder elektronische Schaltungen 39 umfassen, die zwischen den Kontaktstiften und den elektrischen Drähten elektrisch befestigt sind. Diese elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen 39 können beispielsweise Signalverstärker oder irgendeine andere ausgewählte und als praktisch betrachtete Schaltung sein. Der Gasanalysator umfasst ferner eine äußere gedruckte Leiterplatte 30 mit elektrischen und/oder elektronischen Schaltungen und Komponenten für die Weiterverarbeitung des Ausgangssignals (der Ausgangssignale). Die thermische Masse 8, 16 ist entweder direkt oder vorzugsweise mit der thermischen Isolierung 18 dazwischen an der äußeren gedruckten Leiterplatte 30 befestigt. Diese Befestigung kann durch beliebige bekannte oder neue Materialien oder ein für den Zweck nützliches Verfahren durchgeführt werden, von welchen zumindest Kleben mit Klebstoff 34 und Einsetzen in einen mechanischen Halter 33 wie einen Federhalter erwähnt werden können.
Im Gasanalysator der Erfindung wird das Nullniveau, das ein Signal vom Detektor 9 in Abwesenheit von Absorption bedeutet, festgelegt. Dies kann entweder durch Zuführen eines Gases oder Gasgemisches, das sicher keine Absorption innerhalb des Wellenlängenbandes aufweist, das zum Messen der Konzentration der interessierenden Gaskomponente verwendet wird, in das Messvolumen 6 und dann Erfassen und Speichern der Daten oder durch Durchführen einer Messung mit dem interessierenden Gasgemisch G im Messvolumen 6 durch ein Referenzfilter mit einem Absorptionsband, das von den Absorptionsbändern abweicht, die für Konzentrationsmesszweckmittel nützlich sind, und dann Erfassen und Speichern der Daten durchgeführt werden. Das Nullniveau betrifft somit eine erstes Referenzsignalniveau in Bezug auf das Fehlen irgendeiner Absorption im Gasgemisch G, und die Erfassung und Speicherung können z.B. unter Verwendung eines der mindestens zwei optischen Bandpass-Filter 10 und/oder unter Verwendung einer oder mehrerer elektronischer Schaltungen 40 durchgeführt werden. Ferner wird im Gasanalysator der Erfindung das Dunkelniveau, das ein Signal vom Detektor 9 bei Abwesenheit irgendeiner Strahlung bedeutet, festgelegt. Im erfindungsgemäßen Gasanalysator kann das Dunkelniveau als Null betrachtet werden, da aufgrund der Beseitigung der thermischen Gradienten innerhalb des Detektorgehäuses 2 kein signifikantes Signal unter Bedingungen ohne Strahlung von der Strahlungsquelle 1 besteht. Das Dunkelniveau betrifft somit ein zweites Referenzsignalniveau in Bezug auf ein Fehlen irgendeiner Strahlung im Wärmedetektor 9 und bedeutet auch unendliche Absorption im Gasgemisch, wobei das Referenzsignal, das im Wesentlichen Null ist oder sich Null nähert, in einer oder mehreren elektronischen Schaltungen 41 gespeichert werden kann, wenn es für Berechnungen der Konzentration(en) erforderlich ist. Es besteht nichts, das die Erfassung dieses Dunkelniveausignals verhindert, wenn ein Bedarf besteht, es zu prüfen, und diese Operation kann durch vorübergehendes Abschalten der Strahlungsquelle oder durch Abschatten des Detektors (der Detektoren) 9 mit einem nicht durchlässigen Element zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor durchgeführt werden, und das Dunkelniveau kann, wenn es gefunden wird, in einer oder mehreren elektronischen Schaltungen 41 gespeichert werden. Diese Prozedur kann jedoch langsam sein, insbesondere wenn die Quelle langsam ist, oder die Prozedur kann ansonsten unnötig kompliziert sein, so dass das bevorzugte Verfahren darin besteht, das Dunkelniveau als Null zu betrachten. Das zweite Referenzsignalniveau besitzt jedenfalls einen Wert, der im Gasanalysator gemäß der Erfindung vernachlässigt werden kann. Der eingeführte Gaskonzentrationsfehler ist normalerweise vernachlässigbar, da die Gasabsorption bei zweckmäßig gewählten Konstruktionsparametern niemals der vollständigen Absorption sehr nahe kommt.
Die Erfindung eignet sich besonders für Anwendungen, in denen die Infrarotstrahlungsintensität innerhalb eines schmalen Wellenlängenbereichs durch direkte oder indirekte Messung der Temperaturdifferenz bestimmt wird, die zwischen dem Sensorelement, das die auftreffende Strahlung empfängt, und einem Referenzelement erzeugt wird. Ein solcher Detektor besitzt den innewohnenden Mangel, dass ein beständiger oder sich ändernder thermischer Gradient das innere Gleichgewicht des Detektors stören kann und folglich das Ausgangssignal einen Versatzfehler enthält, der die Genauigkeit des Gasanalysators verschlechtert. Der in der Messung verwendete thermische Detektor kann vorteilhafterweise ein Thermosäulendetektor sein. Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich zur Verwendung in Gasanalysatoren, die dazu ausgelegt sind, die Identifikation oder Messung der Konzentration von mindestens einer Komponente eines Probengasgemisches durchzuführen.
In der obigen Beschreibung wurden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele eines verbesserten streuungsfreien Infrarotgasanalysators dargestellt. Für Fachleute ist es selbstverständlich, dass verschiedene Änderungen an den Details vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen.

Claims

Gasanalysator, umfassend: – ein Messvolumen (6) mit Verbindungen (5) für einen Eingangs- und Ausgangsstrom eines Gasprobengemischs (G), von dem wenigstens eine Gaskomponente zu analysieren ist, um ihre Konzentration in dem Gemisch zu ermitteln, und mit ersten und zweiten Enden (7), die transparent gegenüber einer Strahlung sind; – eine Strahlungsquelle (1) zum Bereitstellen eines Strahls (20) einer elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenbereich, wobei der Strahl eine Kollimation erreicht und ausgerichtet ist, das Messvolumen durch dessen erstes und zweites Ende zu durchlaufen; – eine Wärmesenke (4) für die Strahlungsquelle; – wenigstens einen thermischen Detektor (9), der ein aktiv Strahlung detektierendes Sensorelement innerhalb wenigstens eines Detektorgehäuses (2) hat und die Strahlung aufnimmt, die aus dem Messvolumen austritt, wobei der thermische Detektor ein Referenzsensorelement innerhalb des gleichen Detektorgehäuses hat und vor der Strahlung geschützt ist, wobei der thermische Detektor ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Eigenschaft der wenigstens einen Gaskomponente des Gemischs in dem Messvolumen anzeigt; – wenigstens einen optischen Bandpass-Filter (10) zwischen dem aktiv Strahlung detektierenden Sensorelement und der Strahlungsquelle, – elektrische Kontaktstifte (12) in dem wenigstens einen Detektorgehäuse zur Ausgabe des Signals oder der Signale; – eine thermische Masse (8, 16), die aus einem Metallmaterial mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit gebildet ist, wobei die thermische Masse einen Hohlraum (21) hat, eine äußere Oberfläche (22) hat und wenigstens das Detektorgehäuse in dem Hohlraum umgibt, wobei die thermische Masse mit dem Detektorgehäuse in Kontakt steht und sich in Richtung der Strahlungsquelle erstreckt; und – eine thermische Barriere zwischen der Wärmesenke (4) und der thermischen Masse (8, 16); dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanalysator des weiteren elektrische Leitungen (15) umfasst, die – aus Materialien aufgebaut sind und Dimensionen haben, die eine thermische Gesamtleitfähigkeit von maximal einem Zehntel derjenigen der elektrischen Kontaktstifte erzeugen; – mit den elektrischen Kontaktstiften (12) entweder direkt oder indirekt verbunden sind und zusammen mit dem Detektorgehäuse oder den Detektorgehäusen in der thermischen Masse eingeschlossen sind; und – sich von dem Hohlraum (21) durch die thermische Masse (8, 16) zu deren Äußerem erstrecken, wobei wenigstens ein Austrittspunkt (23) an der äußeren Oberfläche (22) ist.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (15) eine mittlere Länge (L1) haben, die größer ist, als ein mittlerer Abstand (L2) zwischen den elektrischen Kontaktstiften und dem Austrittspunkt oder den Austrittspunkten (23); und dass die Länge (L1) der elektrischen Leitungen (15) wenigstens 15 % oder wenigstens 30 % länger ist, als der Abstand (L2) zwischen den elektrischen Kontaktstiften und dem Austrittspunkt oder den Austrittspunkten.
Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (15) einen Eintrittspunkt oder Eintrittspunkte (24) von dem Hohlraum in die thermische Masse (8, 16) haben und es einen Abstand oder Abstände (W) in Richtung der äußeren Oberfläche der thermischen Masse (8, 16) zwischen jedem der Eintrittspunkte und jedem der entsprechenden Austrittspunkte gibt, der/die ergän zende Abschnitte (25) für die Längen (L1) der elektrischen Leitungen zwischen dem Eintrittspunkt oder den Eintrittspunkten (24) und dem Austrittspunkt oder den Austrittspunkten (23) in der thermischen Masse (8, 16) mit einer im wesentlichen gekrümmten oder serpentinenförmigen oder winkelförmigen Ausgestaltung bereitstellt/bereitsteilen.
Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (15) ergänzende Abschnitte (25) ihrer Längen (L1) zwischen den Kontaktstiften (12) und dem Eintrittspunkt oder den Eintrittspunkten (24) von dem Hohlraum in die thermische Masse (8, 16) haben, die eine im wesentlichen gekrümmte oder serpentinenförmige Ausgestaltung bereitstellen.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen (15) einteilige Verschaltungen auf einer flexiblen gedruckten Schaltungsplatte (14a) sind, mit: – einer Plattendicke (S1) von höchstens 0,4 mm oder höchstens 0,2 mm und – einer Verschaltungsdicke (S2) von höchstens 70 μm oder höchstens 40 μm.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gedruckte Schaltungsplatte (14b), die an den elektrischen Kontaktstiften befestigt ist, erste elektrische und/oder elektronische Schaltkreise umfasst, die zwischen den Kontaktstiften und den elektrischen Leitungen elektrisch angebracht sind.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (6) eine geschlossene Messkammer mit Einlass- und Auslassröhren ist, oder ein grundsätzlich nicht begrenzter Raum, der gegenüber der Umgebung offen ist.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Detektor (9) eine Thermosäule ist.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaft der wenigstens einen Gaskomponente eine Strahlungsabsorption der Gaskomponente über einem vorgegebenen Wellenlängenband mit einer Breite von maximal 400 nm ist.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanalysator des weiteren eine thermische Isolation (18) umfasst, die wenigstens die thermische Masse (8, 16) umgibt.
Gasanalysator nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die thermische Isolation (18) erstreckt, um die geschlossene Messkammer zu umschließen; und dass sich die thermische Isolation erstreckt, um die thermische Barriere (3) zwischen der Wärmesenke (4) und der thermischen Masse (8, 16) zu umschließen.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) eine breitbandig emittierende Heizfaser ist; und dass die Strahlungsquelle eine Temperatur von wenigstens 300 °C hat.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Masse einen peripheren Abschnitt (8) mit einer Materialdicke (S3) und einen Bodenabschnitt (16) mit einer Materialdicke (S4) hat, und dass die Dicken (S3, S4) mindestens 2 mm und höchstens 10 mm betragen.
Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanalysator des weiteren eine äußere gedruckte Schaltungsplatte (30) umfasst, die elektrische und/oder elektronische Schaltkreise (39) und Komponenten zum weiteren Verarbeiten des Ausgangssignals oder der Ausgangssignale umfasst, und die thermi sche Masse (8, 16) entweder direkt oder mit der thermischen Isolation (18) dazwischen an der äußeren gedruckten Schaltungsplatte angebracht ist.
Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasanalysator des weiteren umfasst: – eine Nullniveau-Einrichtung (40) zum Detektieren und Speichern eines ersten Referenzsignalniveaus, das eine Abwesenheit jeder Absorption in dem Gasgemisch (G) betrifft, und/oder – optional eine Dunkelniveau-Einrichtung (41) zum Detektieren und Speichern eines zweiten Referenzsignalniveaus, das eine Abwesenheit jeder Strahlung in dem thermischen Detektor (9) betrifft.
Gasanalysator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Referenzsignalniveau, das ein Dunkelniveau repräsentiert, im wesentlichen einen Wert von Null oder einen zu vernachlässigenden Wert hat.
Gasanalysator nach Anspruch 1 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die thermische Masse (8, 16) mindestens um das zweite Ende (7) herum fort von der Strahlungsquelle erstreckt und höchsten um das erste Ende (7) nahe der Strahlungsquelle erstreckt.
Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Verbindung zwischen den elektrischen Leitungen (15) und den Kontaktstiften (12) durch eine innere gedruckte Schaltungsplatte (14b) geht, die an den elektrischen Kontaktstiften befestigt ist.