DE4339379A1 - Streulichtsensoranordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Streulichtsensor­ anordnung mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer modulier­ baren Lichtquelle, z. B. einer Laserdiode, deren Licht ein Meßvolumen beleuchtet, wobei außerhalb des ungestreuten Lichtes mindestens ein Detektor, z. B. eine Photodiode, zum Detektieren des Streulichts angeordnet ist.

Derartige Streulichtsensoranordnungen sind allgemein bekannt. Sie werden insbesondere zur Partikeldetektion in Reinräumen verwendet. Dabei wird das Licht der Lichtquelle über eine Kollimieroptik dem Meßvolumen zugeführt und an den Partikeln im Meßvolumen gestreut. Um ein möglichst hohes Signal-Rausch- Verhältnis zu erreichen, wird das Meßvolumen über eine Abbildungsoptik auf einen Detektor abgebildet.

Obige Anordnung ist relativ kostspielig. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Streu­ lichtsensoranordnung zu schaffen, die sehr kostengünstig ist und dennoch zuverlässig arbeitet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen Meßvolumen und Detektor keine Abbildungsoptik angeordnet ist.

Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß sich das Signal-Rausch-Verhältnis trotz Weglassens der Abbildungsoptik in erträglichen Größen bewegt.

Lichtstreuung erfolgt größtenteils um kleine Winkel bezüglich der optischen Achse. Vorzugsweise ist der mindestens eine Detektor daher von der Lichtquelle aus gesehen im wesentlichen hinter dem Meßvolumen angeordnet.

Das Signal-Rausch-Verhältnis kann erhöht werden, wenn mehrere Detektoren ringförmig um das ungestreute Licht herum angeordnet sind, wobei die von den Detektoren gelieferten Meßsignale in einem Additionsglied additiv verknüpft sind.

Das Signal-Rausch-Verhältnis kann noch weiter erhöht werden, wenn von der Lichtquelle aus gesehen hinter dem Meßvolumen eine Lichtfalle zum Abschatten des ungestreuten Lichts ange­ ordnet und/oder zur Signalverstärkung zwischen der Licht­ quelle und dem Meßvolumen eine Kollimieroptik angeordnet ist.

Die Streulichtsensoranordnung arbeitet besonders effektiv, wenn das Meßvolumen - von der Lichtquelle aus gesehen - von einem Querstrom eines Probegases, z. B. Luft, durchströmt wird.

Ein typischer Verwendungszweck für die erfindungsgemäße Streulichtsensoranordnung ist die Partikelmessung bzw. die Keimzahlbestimmung in Operationssälen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und in Ver­ bindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Keimzahlbestimmungsanordnung in einem Operationssaal,

Fig. 2 und 3 je eine Streulichtsensoranordnung und

Fig. 4 die Detektoranordnung bei der Streulichtsensor­ anordnung gemäß Fig. 3.

Gemäß Fig. 1 ist innerhalb eines Operationssaals 1 eine Sensoranordnung 2 zur Detektierung von Staubpartikeln in der Luft des Operationssaals 1 angeordnet. Die Luft wird dabei über die Pumpe 3 durch die Düse 4 und den Schlauch 5 ange­ saugt. Die von der Sensoranordnung 2 ermittelte Anzahl von Staubpartikeln in der Raumluft des Operationssaals 1 wird an die Auswerteeinheit 6 (hier einen PC) gemeldet und dort ausgewertet. Insbesondere bestimmt die Auswerteeinheit 6 auf­ grund der bekannten Korrelation zwischen Anzahl von Partikeln und Keimzahl die Keimzahl in der Raumluft des Operationssaals 1.

Die so bestimmte Keimzahl wird auf der Anzeigeeinheit 7, z. B. einem Leuchtdiodendisplay, dargestellt. Die bestimmte Keim­ zahl wird auch laufend mit einem vom Operateur vorgebbaren Grenzwert verglichen. Wenn die bestimmte Keimzahl den Grenz­ wert überschreitet, wird zusätzlich zur Anzeige über die Warnlampe 8 und/oder die Warnhupe 9 ein optisches bzw. aku­ stisches Warnsignal ausgegeben. Ferner ist über die Warnlampe 8 und die Warnhupe 9 auch eine Tendenzanzeige möglich.

Die Keimzahl wird immer wieder bestimmt, z. B. jede Minute. Die im Verlauf einer Operation bestimmten Keimzahlen sind daher über die Ausgabeeinheit 10, hier einen Drucker, ausgeb­ bar. Bei jedem Ausdruck werden Datum und Uhrzeit mit ausge­ druckt. Dadurch ist der Keimzahlverlauf protokolliert und dokumentiert.

Zwischen der Sensoranordnung 2 und der Pumpe 3 ist eine Unterdruckmeßeinrichtung 11 angeordnet, deren Ausgangssignal ebenfalls der Auswerteeinheit 6 zugeführt wird. Dadurch ist erkennbar, wenn in der Düse 4, dem Schlauch 5 oder der Sensoranordnung 2 eine Verstopfung des Luftkanals auftritt. Die Sensoranordnung 2 kann daher auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft werden.

In der Nähe der Unterdruckmeßeinrichtung 11 ist auch ein - der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellter - heizbarer Halbleiter-Gassensor, z. B. auf SnO₂- oder ZnO-Basis, an­ geordnet. Mit diesem Sensor sind sowohl oxidierbare als auch nicht oxidierbare Gase quantitativ bestimmbar. Insbesondere ist mittels des Sensors die Konzentration von Narkosegasen (z. B. Lachgas) meßbar. Diese Konzentration wird ebenfalls auf der Anzeigeeinheit 7 dargestellt. Anstelle des Halblei­ tersensors könnte auch ein elektrochemischer Sensor verwendet werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind sowohl die Sensoranord­ nung 2 mit ihren Zubehörteilen 3, 4, 5 und 11 sowie die Anzeigeeinrichtungen 7 bis 9 im Operationssaal 1 angeordnet, während die Auswerteeinheit 6 und der Drucker 10 außerhalb des Operationssaales 1 angeordnet sind. Dadurch, daß die Auswerteeinheit 6 und der Drucker 10 außerhalb des Opera­ tionssaales 1 angeordnet sind, wird die Einwirkung der Keim­ zahlbestimmungsanordnung, die aus den Elementen 2 bis 11 be­ steht, auf die Raumluft des Operationssaales 1 minimiert.

Alle innerhalb des Operationssaales 1 angeordneten Elemente der Keimzahlbestimmungsanordnung sind sterilisierbar. Dadurch können Keime nicht von der Sensoranordnung 2 und ihren Zubehörteilen ausgehen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist die Sensoranordnung 2 im vorliegenden Fall als Streulichtsensoranordnung ausgebildet. Hierzu emittiert die Laserdiode 12 Licht. Dieses Licht ist moduliert, wie durch den Wellenzug 13 angedeutet ist. Das modulierte Licht wird durch die Linse 14, die als Kollimieroptik zwischen Laserdiode 12 und Meßvolumen 15 angeordnet ist, kollimiert. Das Meßvolumen 15 wird durch ein durchsichtiges Rohr 15′ umgrenzt, durch das von der Laser­ diode 12 aus gesehen quer zur optischen Achse die zu unter­ suchende Luft strömt. Das Rohr 15′ kann aber auch entfallen.

Der Großteil des von der Laserdiode 12 emittierten Lichts durchdringt das Rohr 15′ ungestreut. Dieser Teil wird durch die Lichtfalle 16 abgeschattet. Vom gestreuten Licht wird ein Teil durch die Linse 17, die als Abbildungsoptik zwischen Rohr 15 und Detektor 18 (hier einer Photodiode) angeordnet ist, auf den Detektor 18 abgebildet. Das vom Detektor 18 detektierte Signal wird der Auswerteeinheit 6 zugeführt. Dieses Signal ist selbstverständlich gemäß dem von der Laserdiode 12 emittierten Licht moduliert, wie durch den Wellenzug 13′ angedeutet ist.

Durch die Modulation des von der Laserdiode 12 emittierten Lichts wird das Signal-Rausch-Verhältnis deutlich erhöht. Es ist also mit dem modulierten Licht erheblich leichter, die Anzahl von Partikeln bzw. den Luftdruck im Meßvolumen 15 zu bestimmen, als mit unmoduliertem Licht.

Im Vergleich zu Fig. 2 besticht die Streulichtsensoranordnung gemäß Fig. 3 durch ihre Einfachheit und Robustheit. Gemäß Fig. 3 sind die Detektoren 18 nunmehr nämlich im wesentlichen hinter dem Meßvolumen 15 auf der Lichtfalle 16, allerdings außerhalb des Lichtkegels des ungestreuten Lichts, ange­ ordnet. Zwischen den Detektoren 18 und dem Meßvolumen 15 ist dabei keinerlei abbildende Optik angeordnet.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind vier Detektoren 18 ringförmig um den Lichtkegel 19 des ungestreuten Lichts herum angeordnet. Die Ausgangssignale dieser Detektoren 18 werden im Additionsglied 20 additiv miteinander verknüpft.

Mit der Anordnung gemäß den Fig. 3 und 4 ist eine sehr einfache Möglichkeit zur Realisierung einer Streulichtsensor­ anordnung bei dennoch befriedigendem Signal-Rausch-Verhältnis gegeben.

Wie obenstehend erwähnt, wird durch die Sensoranordnung 2 die Anzahl der im Meßvolumen 15 vorhandenen Staubpartikel ge­ messen und aus diesem Meßwert durch die Auswerteeinheit 6 die Zahl der im Meßvolumen 15 vorhandenen Keime bestimmt. Da sich der Nullpunkt und die Empfindlichkeit der Sensoranordnung 2 im Laufe der Zeit ändern können, wird von Zeit zu Zeit eine Kalibrierung durchgeführt. Hierzu wird - bei partikelfreier Luft - eine Vergleichsmessung zwischen der Sensoranordnung 2 und dem Luftdruckmesser 21 durchgeführt. Dabei werden der Sensoranordnung 2 und dem Luftdruckmesser 21 eine Reihe von Atmosphären unterschiedlichen Drucks vorgegeben. Die Meß­ reihen der Sensoranordnung 2 und des Luftdruckmessers 21 wer­ den miteinander verglichen. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit bzw. des Signal-Rausch-Verhältnisses erfolgt auch die Kali­ brierung der Sensoranordnung 2 stets mit moduliertem Licht. Aufgrund eines Vergleichs der Meßreihen ist eine Bestimmung der Meßempfindlichkeit und der Nullpunktverschiebung der Sen­ soranordnung 2 möglich. Anstelle eines direkten Vergleichs der Meßwerte der Sensoranordnung 2 mit den tatsächlichen Luftdrücken können die Meßwerte selbstverständlich auch mit Meßwerten verglichen werden, die früher von der Sensoranord­ nung 2 gemessen wurden.

Die Kalibrierung der Sensoranordnung 2 beruht dabei auf der Erkenntnis, daß - wenn auch nur in geringem Umfang - Licht auch an Luftmolekülen gestreut wird. Wenn also aufgrund eines höheren Druckes mehr Luftmoleküle im Meßvolumen 15 vorhanden sind, so wird auch mehr Licht gestreut. Messungen ergeben eine Stromänderung von 5% bei einer Druckänderung von 500 hPa. Damit sind entweder der Luftdruck oder - wie im vor­ liegenden Fall - bei bekanntem Luftdruck Nullpunktstrom und Empfindlichkeit der Streulichtsensoranordnung 2 auf ca. 1‰ genau bestimmbar.

Claims (7)

1. Streulichtsensoranordnung mit einer Lichtquelle (12), vorzugsweise einer modulierbaren Lichtquelle (12), z. B. einer Laserdiode (12), deren Licht ein Meßvolumen (15) beleuchtet, wobei außerhalb des ungestreuten Lichtes mindestens ein Detektor (18), z. B. eine Photodiode (18), zum Detektieren des Streulichts angeordnet ist, wobei zwischen Meßvolumen (15) und Detektor (18) keine Abbildungsoptik angeordnet ist.

2. Streulichtsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Detektor (18) von der Lichtquelle (12) aus gesehen im wesentlichen hinter dem Meßvolumen (15) angeordnet ist.

3. Streulichtsensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektoren (18) ringförmig um das ungestreute Licht herum angeordnet sind, wobei die von den Detektoren (18) gelieferten Meßsignale in einem Additionsglied (20) additiv verknüpft sind.

4. Streulichtsensoranordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (12) aus gesehen hinter dem Meßvolumen (15) eine Lichtfalle (16) zum Abschatten des ungestreuten Lichts angeordnet ist.

5. Streulichtsensoranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßvolumen (15) - von der Lichtquelle (12) aus gesehen - von einem Querstrom eines Probegases, z. B. Luft, durchströmt wird.

6. Streulichtsensoranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Signalverstärkung zwischen der Lichtquelle (12) und dem Meßvolumen (15) eine Kollimieroptik (14) angeordnet ist.

7. Streulichtsensoranordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Partikelmessung und/oder zur Keimzahlbestimmung in Operationssälen verwendet wird.