专利名称：用于确定物质在流体中的浓度的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定至少一种物质在流体中的浓度的设备 (或布置或者装置)。背景抹术在许多情况下必需能确定和监控物质在流体中的浓度，例如，这 样一种情况是麻醉，其中在不同的化合物和混合物中向病人的呼吸循 环系统施用五种不同的麻醉剂气体。在那种情况下，将各种气体的浓 度，即剂量，保持在严格的控制下是极度重要的。法国专利文件FR2677120 ( Bussotti)披露了一种用于测量光度光 谱学的设备，其中通过使用光导纤维对远程的样本执行测量，根据 Bussotti的设备，来自灯的光穿过截光器，截光器由带有多个缝隙的马 达驱动转盘构成，所述缝隙控制光进入两个光导纤维的端部。两个光 导纤维分别照亮一参考样本和一测试样本。例如通过使用镜子，将输出光线重新结合到单个光导纤维中，以便将输出光线传送到测量单 元。尽管FR2677120中描述的设备可能在许多方面都是有效的，但测 量原理明显不同于本发明的测量原理，在这里将在下面对本发明进行 更详细的描述。Bussotti的设备还需要照亮单独的参考样本。根据本发 明的设备，不需要这种参考样本，而是根据优选实施例，以有效的方 式将参考测量装置集成在设备的光学器件内。还能在不牺牲设备的高功能性和高测量精度的情况下，特别是在 使用光导纤维的情况下，以低成本制造本发明的设备。发明内容本发明的目的是提供一种用于确定至少一种物质在流体中的浓度 的改进设备，例如用于确定特定气体在气体混合物中的浓度。本发明目的由如独立权利要求所述的设备来实现，优选实施例在 从属权利要求中阐明。
将在下面参考附图更详细地描述本发明，其中图l是本发明的设备(或布置或者装置)的第一实施例的示意图；图2a-d表示图1的实施例的不同点的光脉冲；图3是本发明的设备(或布置或者装置)的第二实施例的示意图；和图4a-d表示图3的实施例的不同点的光脉冲。
具体实施方式
图l是本发明的用于确定至少一种物质在流体中的浓度的设^(或 装置)的第一实施例的示意图，在图1的实施例中，流体是一种气体混合物，该气体混合物包括 三种不同的已知气体，这些气体的浓度将被确定。应当理解，本发明 并不局限于仅仅确定气体的浓度，而是能够应用于包括液体的任何流 体。还应当理解，本发明决不局限于确定三种已知气体的浓度，而是 能够确定包含在气混合物中任意数量的气体的浓度.自然，对于结 合图3描述的本发明实施例也是如此。
在图1中，流体，即气体混合物，位于测量池(或测量计)1中， 例如贯流分析池(或流动池)，但应当理解，流体不必局限于位于测 量池中，而是流体也可以存在于自由空间中。根据本发明，测量池也 可以是中空纤维。在图l的实施例中，由脉冲发生器3控制光源2以产生初级光脉 冲，光源2可以是宽带光源，例如超级发光LED。脉冲发生器3将被 理解为适合于从光源产生初级光脉冲的任何脉冲发生装置，本领域技 术人员能容易地在已知的脉冲发生装置之间进行选择以便实现上述目 的。从而，例如可以将脉冲发生装置结合到光源中或使其与光源构成 一整体。
在一波长间隔内产生初级光脉冲，在本实施例中，该波长间隔包括三个不同的预定波长入h入2和人3，已知这三个不同'的预定波长会 被气体混合物中相应的已知气体吸收。在图2a中示出了由光源2发出 的一个这种初级光脉沖。如果例如为了能检测大量的不同物质，需要 一 个以上波长间隔内
的初级光脉冲，则应当理解，可以使用能在一个以上的波长间隔内产 生初级光脉冲的光源.作为选择，也可以使用许多不同的光源。根据本发明，在图1的实施例中，光源2经由光导纤维4和例如 在图1中由两个箭头表示的纤维光学循环器或纤维光耦合器与光脉冲 分裂器5的输入端子连接起来。图1的实施例中的光脉冲分裂器5包括三个纤维布拉格(Bragg) 光栅6、 7、 8，每个纤维布拉格光栅都具有预定的反射波长，所述预定的反射波长与由光源2产生的初级光脉冲的相应波长入b X2和入3相对应.低反射终端(未示出)端接在光脉冲分裂器5上.光脉冲分裂 器5将初级光脉冲分裂成预定数量的次级光脉冲，从而次级光脉冲与 预定波长相对应， 一一在图1的实施例中，将初级光脉冲分裂成三个 次级光脉冲——次级光脉冲在时间和波长上被分开.图2b中所示的具有相应波长X!、入2和X3的三个次级光脉冲从光脉冲分裂器5的输出端子经由纤维光学循环器或纤维光耦合器到达(或 耦合到)光导纤维9的输入端，从光导纤维9的输出端，图2b中的三 个次级光脉冲被传送经过测量池1，以在穿过气体混合物时取决于相应 气体的浓度被不同地吸收。光导纤维10的输入端接收图2c中所示的三 个被不同地吸收的次级光脉冲。此外，如果为了校准的目的的需要， 可以使图2b中的三个次级光脉冲从光导纤维9的输出端到达(或耦合到)参考光脉冲发生装置11的输入端子，在图l的实施例中，参考光 脉冲发生装置11包括呈光导纤维12形式的光延迟环。该光延迟环， 即光导纤维12可以包括与待测量的所有不同气体的波长相对应的波长 滤波器或纤维光栅结构(未示出)。参考光脉冲发生装置11的输出端子，即光导纤维12的输出端， 连接到光导纤維10的输入端，响应图2b中的三个次级光脉冲，参考 光脉冲发生装置11产生三个延迟的参考光脉冲，这三个延迟的参考光 脉冲与相应的次级光脉冲相关联，即具有相同的预定波长并具有参考强度。在图2d中，三个延迟的参考光脉冲由附图标记入！r、 A2r和入3r表示。取决于光导纤维12的长度和/或构形，可以在任何时间点产生延迟的参考光脉冲，只要是在迟于其相应的次级光脉冲的时间点产生延迟 的参考光脉冲即可，该次级光脉冲具有相同的预定波长。因而，例如
在图2d中，由入3r表示的光脉冲可以被包含在入3和人2之间，并且不 局限于在入i之后产生.这是技术人员很容易理解的事情.三个被不同地吸收的次级光脉冲入l、 \2和入3以及三个相关联的 延迟参考光脉冲入lr、入2r和入3r从纤维10的输出端到达(或耦合到) 检测器13例如光电二极管的输入端子，用以检测所有进入的光脉冲的 强度。比较器14与检测器13的输出端子相连，用于将被不同地吸收 的次级光脉冲的强度与相应的相关联参考光脉冲的强度进行比较，从 而确定相应的气体在测量池l内的气体混合物中的浓度，图3是本发明的设备的第二实施例的示意图。在图3中，除位置不同之外，所有的部件与图1中的部件相同，因而它们具有相同的附图标记.图3中的实施例与图1中实施例的不同之处主要在于光脉冲 分裂器5位于测量池1之后而不是其之前。在图3的实施例中，如图1 的实施例中那样，光源2与光导纤维4的输入端连接起来。然而，从光导纤维4的输出端，包括预定波长的由光源2产生的初级光脉冲---个这种初级光脉冲在图4a中示出——被直接传送经过测量池1，在穿过气体混合物时取决于相应气体的浓度被不同地吸 收。光导纤维9的输入端接收被不同地吸收的初级光脉冲——其在图 4b中示出.并且，如果为了校准的目的的需要，可以使由光源2产生 的图4a中的初级光脉冲从图3中光导纤维4的输出端到达(或辆合到) 参考光脉冲发生装置ll的输入端子，在图3的实施例中，参考光脉冲 发生装置11也包括呈光导纤维12形式的光延迟环。在这种情况下， 该延迟环，即光导纤维12也可以包括与待测量的所有不同气体的波长 相对应的波长滤波器或纤维光栅结构。参考光脉冲发生装置11的输出端子，即光导纤维12的输出端， 连接到光导纤维9的输入端，在图3中，纤维9的输出端例如经由由 两个箭头表示的纤維光学循环器或纤维光耦合器与光脉冲分裂器5连 接起来，在这种情况下，光脉冲分裂器5也包括三个纤维布拉格光栅6、 7、 8，每个纤维布拉格光栅都具有预定的反射波长，所述预定的反射 波长与由光源2产生的第一组初级光脉冲和由参考光脉沖发生装置11产生的延迟的或第二组初级光脉冲的相应波长Ab人2和入3相对应。在图4c中，仅仅为了说明的目的，将延迟的第二组初级光脉冲表
示为包括参考波长入lr、入2r和入3r.然而应当理解，波长入lr、入2r和 入3r与波长入l、入2和入3是相同的.取决于光导纤维12的长度和/或构 形，可以在任何时间点产生延迟的参考光脉冲，只要是在迟于第一组 初级光脉冲的时间点产生延迟的第二组参考光脉冲即可.如图1的实施例中那样，低反射终端端接在图3中的光脉冲分裂 器5上。光脉冲分裂器5将被不同地吸收的第一组初级光脉冲和延迟 的第二组初级光脉冲分裂成三个被不同地吸收的次级光脉冲和三个相 关联的参考光脉冲，即具有相同的预定波长并具有参考强度的参考光 脉冲，这些光脉冲都在时间和波长上被分开，如图4d中所示。三个被不同地吸收的次级光脉冲和三个相关联的延迟的参考光脉 冲都具有相应的预定波长入l、入2和入3，这些光脉冲都经由光脉冲分 裂器5的输出端子到达(或耦合到)光导纤维IO的输入端.如图1的实施例中那样，三个被不同地吸收的次级光脉冲和三个 相关联的延迟的参考光脉冲都从纤维IO的输出端到达(或耦合到)检测器13的输入端子，用以检测所有进入的光脉冲的强度.比较器14与检测器13的输出端子相连，用于将被不同地吸收的 次级光脉冲的强度与相应的相关联的延迟参考光脉冲的强度进行比 较，以确定相应的气体在测量池l内的气体混合物中的浓度。应当理解，本发明不局限于上述的其示例性实施例，在所附权利 要求的范围内可设想到本发明的几个变化。例如，在本发明的说明的 正文中，在分别提到光导纤维4、 9、 10或12的场合，应当理解这些 光导纤维中的任一个同样可以包括几个被单独或成束地提供的纤维.
权利要求
1.一种用于确定至少一种物质在流体中的浓度的设备，其特征在于，所述设备包括光源(2)，所述光源与脉冲发生装置(3)相连，以使得所述光源(2)适合在至少一个波长间隔内产生初级光脉冲，所述至少一个波长间隔包括至少一个预定波长，取决于所述物质的浓度，所述初级光脉冲在所述流体中被不同地吸收；与连接到所述光源(2)的输入端子相连的光脉冲分裂器(5)，所述光脉冲分裂器适合将所述初级光脉冲分裂成至少一个与所述至少一个预定波长相对应的次级光脉冲，所述(多个)次级光脉冲在时间和波长上被分开；用于经由所述光脉冲分裂器的输出端子将所述(多个)次级光脉冲传送经过所述流体的装置；检测器(13)，所述检测器适合检测所述至少一个预定波长的在所述流体中被至少部分地吸收的(多个)次级光脉冲的强度；和与所述检测器(13)相连的比较器(14)，所述比较器适合将所述在所述流体中被至少部分地吸收的(多个)次级光脉冲的强度与至少一个参考强度进行比较，所述至少一个参考强度与所述至少一个预定波长相对应，从而确定所述至少一种物质在所述流体中的浓度。
2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于，所述光脉冲分裂器(5) 借助于纤维光学循环器和光耦合器中的一个在光导纤维(4， 9)之间互连。
3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，参考光脉冲发生 装置(11)连接在所述光脉冲分裂器(5)的输出端和所述检测器(l3) 之间，用以产生所述至少一个参考强度，所述至少一个参考强度在时 间上相对于所述至少一个次级光脉冲具有延迟。
4. 一种用于确定至少一种物质在流体中的浓度的设备， 其特征在于，所述设备包括光源(2)，所述光源与脉冲发生装置(3)相连，以使得所述光 源(2)适合在至少一个波长间隔内产生初级光脉冲，所述至少一个波 长间隔包括至少一个预定波长，取决于所述物质的浓度，所述初级光 脉冲在所述流体中被不同地吸收； 用于经由所述光源的输出端子将所述初级光脉冲传送经过所述流体的装置；适合接收所述在流体中被至少部分地吸收的初级光脉冲的光脉冲 分裂器(5)，所述光脉冲分裂器适合将所述初级光脉冲分裂成至少一 个与所述至少一个预定波长相对应的次级光脉冲，所述(多个)次级 光脉冲在时间和波长上被分开；检测器(13)，所述检测器适合从所述光脉冲分裂器接收所述至 少一个次级光脉冲，所述检测器适合检测所述至少一个预定波长的所 述(多个)次级光脉冲的强度；和比较器(14)，所述比较器与所述检测器(13)相连并适合将所 述(多个)次级光脉冲的强度与至少一个参考强度进行比较，所述至 少一个参考强度与所述至少一个预定波长相对应，从而确定所述至少 一种物质在所述流体中的浓度.
5. 如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述光脉冲分裂器(5) 通过纤维光学循环器和光辆合器中的一个在光导纤维(9， 10)之间互连。
6. 如权利要求4或5所述的设备，其特征在于，参考光脉冲发生 装置(11)连接在所述光源和所述光脉冲分裂器(5)的输入端之间， 所述参考光脉冲发生装置适合在预定波长间隔内产生笫二组初级光脉 冲，所述预定波长间隔包括所述至少一个预定波长，与所述第一组初 级光脉冲相比，所述笫二组初级光脉冲在时间上具有延迟，且所述第 二组初级光脉冲还适合借助于所述光脉冲分裂器分裂成所述至少一个 参考强度。
7. 如权利要求3和6所述的设备，其特征在于，所述参考光脉冲 发生装置(11)呈光导纤维(12)的形式且在光导纤维(9， 10; 4， 9) 之间互连。
8. 如权利要求l-7中任一项所述的设备，其特征在于，所述光脉 冲分裂器(5)包括至少一个适合反射所述至少一个预定波长的纤维布 拉格光栅(6; 7; 8)。
9. 如权利要求8所迷的设备，其特征在于，低反射终端端接在所 述至少一个纤维布拉格光栅(6; 7; 8)上。
10. 如权利要求l-9中任一项所述的设备，其特征在于，给待穿 过的所述流体提供测量池，所述测量池(1)是中空纤维。
全文摘要
一种用于确定物质在流体中的浓度的设备，包括用于在一波长间隔内产生初级光脉冲的光源(2)，光脉冲分裂器(5)，其适合将初级光脉冲分裂成将被传送经过流体的预定数量的次级光脉冲，次级光脉冲在时间和波长上被分开以在穿过流体时取决于物质的浓度被不同地吸收，用于检测被不同地吸收的次级光脉冲的强度的检测器(13)，和用于将被不同地吸收的次级光脉冲的强度与不同的参考强度进行比较的比较器(14)，所述不同的参考强度与不同的物质相对应，从而确定物质在流体中的浓度。
文档编号G01J3/18GK101128729SQ200580040142
公开日2008年2月20日 申请日期2005年9月23日 优先权日2004年9月23日
发明者G·帕姆斯科格 申请人:阿蒂马医药公司