DD239876A1

DD239876A1 - Sauerstoffsensor

Info

Publication number: DD239876A1
Application number: DD27913485A
Authority: DD
Inventors: Volker Zuerich; Klaus Forke; Hans-Georg Clemens
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1985-07-30
Publication date: 1986-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zur kontinuierlichen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, vorzugsweise in Atemgasen. Der Sauerstoffsensor findet Anwendung zur Atemgasanalyse, in der Patientenueberwachung bei der Narkose- und Therapiebeatmung, in der Lungenfunktionsdiagnostik und der Sport- und Arbeitsmedizin. Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, einen Sauerstoffsensor zu entwickeln, der keinerlei bewegliche Elemente enthaelt, dessen mechanischer Aufbau keine besonderen Anforderungen stellt, der keine Vergleichsgase benoetigt und der durch die Nutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs selektiv wirkt. Erfindungsgemaess besitzt der Magnetkreis einen Luftspalt mit nichthomogenem Magnetfeld, in dem das mikroakustische Oberflaechenwellen-Sensorelement derart angeordnet ist, dass der Feldgradient senkrecht auf die Ausbreitungsflaeche der akustischen Oberflaechenwelle gerichtet ist und dass der Luftspalt und das Oberflaechenwellen-Sensorelement in einer Messkuevette angeordnet sind.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor, bestehend aus einem mikroakustischen Oberflächenwellen-Sensorelement und einem Magnetkreis zur kontinuierlichen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, vorzugsweise in Atemgasen.

Der Sauerstoffsensor findet Anwendung zur Atemgasanalyse, in der Patientenüberwachung bei der Narkose- und Therapiebeatmung, in der Lungenfunktionsdiagnostik und der Sport-und Arbeitsmedizin.

Außerdem ist der Sauerstoffsensor auch in anderen Bereichen, wie z. B. der Prozeßanalyse und der Prozeßsteuerung einsetzbar.

Charakteristik der bekannton technischen Lösungen

Zur direkten Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen sind Verfahren bekannt, die die paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs nutzen. Praktische Bedeutung haben dabei das thermomagnetische und das thermodynamische Verfahren gewonnen. ,

Das thermomagnetische Verfahren beruht im wesentlichen darauf, daß durch Erwärmung des paramagnetischen Meßgases eine Suszeptibilitätsdifferenz erzeugt wird, die zu einer Gasströmung führt, indem die in ihrer Suszeptibilität verminderten Gasmolekühle, die auf Grund der Kraftwirkung in einem starken Magnetfeld sich zunächst unter den Magnetpolen sammeln, anschließend durch dienoch nicht erwärmten Gasmoleküle verdrängt werden. Realisierte Sensoren nach diesem Verfahren sind z. B. die Ringkammer, die zur Verbesserung der Eigenschaften zahlreiche Modifikationen erfahren hat (VDI-Bericht Nr. 199,1974). Nachteile dieses Verfahrens sind, abhängig von der jeweiligen Realisierungsform:

— die große Einstellzeit von 10...2Os

— die Abhängigkeit der Messung von der spezifischen Wärme, der Zähigkeit des Gasgemisches bzw. der Wärmeleitfähigkeit

— die Lageabhängigkeit des Meßsystems

— die konstante Beströmung, die keine direkte Messung im Atemstrom erlaubt.

Ein Teil dieser Nachteile wird durch die Verwendung eines Hilfsgases als Vergleichsgas beseitigt. Allerdings resultiert daraus dann die Bereitstellung dieses Gases.

Das elektrodynamische Verfahren nutzt die Tatsache, daß in einem inhomogenen Magnetfeld Kräfte auf paramagnetische Sauerstoffmoleküle ausgeübt werden, die diese in Richtung der höheren Feldstärke bewegen. Befinden sich in diesem Magnetfeld Elemente, die dieses Verhalten nicht aufweisen, so werden sie aus diesem verdrängt. Eine Realisierung nach diesem Verfahren stellt die magnetische Drehwaage dar (VDI-Bericht Nr. 199,1974).

Nachteile dieses Systems sind die zu große Einstellzeit von etwa 1 s und die Kompliziertheit des mechanischen Systems. Das Meßsystem reagiert weiterhin störanfällig auf verunreinigte Gase und auf unterschiedliche Gasströme. Letzterer Aspekt erfordert ein Abpumpen des Meßgases aus der Meßstrecke.

Weiterhin ist ein als magneto-mechanisches Resonatorprinzip bezeichnetes Verfahren bekannt, welches die sauerstoffabhängige Feldnachgiebigkeit im Luftspalt eines Magnetkreises nutzt, basierend auf den paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs (DD-WP 145427). Nachteilig hat sich hierbei insbesondere die Schwingbewegung des als Anker ausgebildeten beweglichen Schenkels des Magnetkreises gezeigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Sauerstoffsensor zu entwickeln, der keinerlei bewegliche Elemente enthält, dessen mechanischer Aufbau keine besonderen Anforderungen stellt, der den Anforderungen der kontinuierlichen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen entspricht und der keine Vergleichsgase benötigt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein nicht selektives Sensorelement für Gase durch die Nutzung der paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffes als selektiv wirkenden Sauerstoffsensor zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Magnetkreis einen Luftspalt mit nichthomogenem Magnetfeld besitzt, in dem das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement derart angeordnet ist, daß der Feldgradient senkrecht auf die Ausbreitungsfläche der akustischen Oberflächenwelle gerichtet ist und daß der Luftspalt und das Oberflächen-Sensorelement in einer Meßküvette angeordnet sind. Das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement kann auch direkt im Luftspalt angeordnet sein.

Bevorzugt ist der Magnetkreis als Weicheisenkreis ausgebildet, wobei die Erregung impulsförmig ist. Da das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement frequenzbestimmendes Element des Sinusoszillators ist, kann die Zeit zwischen Erregung des Magnetkreises und dem Maximalwert der Veränderung der Oszillatorfrequenz oder die Anstiegzeit der Frequenzantwortfunktion oder die maximale Frequenzänderung eine sauerstoffproportionale Abbildungsgröße sein. Weiterhin ist es zweckmäßig, daß das frequenzbestimmende Element eines Referenzoszillators im magnetfeldfreien Raum der Meßküvette angeordnet ist und daß der Referenzoszillator hermetisch verschlossen und mit einem definierten Gas gefüllt ist.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig.1: Sauerstoffsensor Fig. 2: Anordnung des Oberflächenwellen-Sensorelementes im Luftspalt Fig. 3: Beschattung des Sensorelementes als Sinusoszillator.

Der Sauerstoffsensor besteht aus einem mikroakustischen Oberflächenwellen-Sensorelement 1, einem Luftspalt 2, welche in einer Meßküvette 3 angeordnet sind und einem Magnetkreis 4, welcher als Weicheisenkreis ausgebildet mit einer Magnetspule 5 realisiert ist. Der Magnetkreis 4 besitzt den Luftspalt 2 mit nichthomogenen Magnetfeld, indem das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement 1 derart angeordnet ist, daß ein Feldgradient 6 grad 0 == f(t) senkrecht auf die Ausbreitungsfläche der akustischen Oberflächenwelle gerichtet ist und daß der Luftspalt 2 und das Oberflächenwellen-Sensorelement 1 in einer meßgasführenden Meßküvette 3 angeordnet sind.

Die paramagnetischen Eigenschaften des Sauerstoffs bewirken, daß in Abhängigkeit vom Feldgradienten 6, der absoluten Feldstärke, der Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch und der Zeit, auf der Oberfläche des mikroakustischen Oberflächenwellen-Sensorelementes 1 eine durch die Sauerstoffkonzentration bestimmte Gaszusammensetzung eingestellt ist.

Nach Figur 2 ist das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement 1 direkt im inhomogenen Luftspalt 2 angeordnet. Hierbei wirkt eine durch den Feldgradienten 6 bedingte Kraft auf die Sauerstoffmoleküle und damit auf die Oberfläche des Oberflächenweilen-Sensorelementes 1.

In Figur 3 ist die Beschaltung des Oberflächenwellen-Sensorelementes 1 als Sinusoszillator dargestellt, welches aus einem Referenzoszillators 7 und einem Mischer 8 besteht. Zur Generierung einer niederfrequenten, gut auswertbaren Meßgröße wird mittels des Referenzoszillators 7 im Mischer 8 eine Differenzfrequenz Af = f2 - f-i 9 gebildet. Die Testfrequenz f₂ kann auch aus einer separat angeordneten Schaltung resultieren oder durch ein mikroakustisches Bauelement mit gleicher Beschaltung und Anordnung in der Küvette aber außerhalb des wirksamen Gradienten des Magnetfeldes (nicht gezeichnet) realisiert werden. Die durch die Sauerstoffkonzentration bestimmte Gaszusammensetzung kann dabei als selektive Frequenz bzw. Frequenzänderung erfaßt werden. Die sauerstoff proportionale Abbildungsgröße kann die Zeit zwischen Erregung des Magnetkreises 4 und dem Maximalwert der Veränderung der Oszillatorfrequenz oder die Anstiegszeit der Frequenzantwortfunktion oder die maximale Frequenzänderung sein.

Das frequenzbestimmende Element des Referenzoszillators 7 ist im magnetfeldfreien Raum der Meßküvette 3 angeordnet. Der Referenzoszillator 7 ist hermetisch verschlossen und mit einem definierten Gas gefüllt.

Die erfindungsgemäße Lösung realisiert eine kontinuierliche Messung, indem das Magnetfeld zyklisch unterbrochen wird, so daß die magnetfeldbedingte Gasinhomogenität im magnetfeldfreien Raum beseitigt werden kann. Weiterhin wird die Pause zwischen zwei Erregungsimpulsen des Magnetfeldes zur Nullinienkorrektur verwendet.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Sauerstoffsensor, bestehend aus einem mikroakustischen Oberflächenwellen-Sensorelement und einem Magnetkreis, gekennzeichnet dadurch, daß der Magnetkreis (4) einen Luftspalt (2) mit nichthomogenem Magnetfeld besitzt, in dem das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement (1) derart angeordnet ist, daß der Feldgradient (6) senkrecht auf die Ausbreitungsfläche der akustischen Oberflächenwelle gerichtet ist und daß der Luftspalt (2) und das Oberflächenwellen-Sensorelement (1) in einer Meßküvette (3) angeordnet sind.
2. Sauerstoffsensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement (1) direkt im inhomogenen Luftspalt (2) angeordnet ist.
3. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Magnetkreis (4) als Weicheisenkreis ausgebildet ist und daß die Erregung impulsförmig ist. '
4. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement (1) frequenzbestimmendes Element des Sinusoszillators ist und daß die sauerstoffproportionale Abbildungsgröße die Zeit zwischen Erregung des Magnetkreises (4) und dem Maximalwert der Veränderung der Oszillatorfrequenz ist.
5. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anstiegszeit der Frequenzantwortfunktion eine sauerstoffproportionale Abbildungsgröße ist.
6. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die maximale Frequenzänderung eine sauerstoffproportionale Abbildungsgröße ist.
7. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das frequenzbestimmende Element eines Referenzoszillators (7) im magnetfeldfreien Raum der Meßküvette (3) angeordnet ist.
8. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Referenzoszillator (7) hermetisch verschlossen und mit einem definierten Gas gefüllt ist.