DD239876A1 - OXYGEN SENSOR - Google Patents

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.The invention relates to an oxygen sensor for the continuous determination of the oxygen concentration in gas mixtures, preferably in respiratory gases. The oxygen sensor is used for respiratory gas analysis, in patient monitoring during anesthesia and therapy ventilation, in pulmonary function diagnostics and in sports and occupational medicine. The aim and the object of the invention are to develop an oxygen sensor which does not contain any movable elements whose mechanical structure does not impose any special requirements, which does not require any reference gases and which acts selectively by the use of the paramagnetic properties of the oxygen. According to the invention, the magnetic circuit has an air gap with non-homogeneous magnetic field, in which the microacoustic surface acoustic wave sensor element is arranged such that the field gradient is directed perpendicular to the surface of the surface acoustic wave and that the air gap and the surface acoustic wave sensor element are arranged in a Messkuevette.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor, bestehend aus einem mikroakustischen Oberflächenwellen-Sensorelement und einem Magnetkreis zur kontinuierlichen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, vorzugsweise in Atemgasen.The invention relates to an oxygen sensor, comprising a microacoustic surface wave sensor element and a magnetic circuit for the continuous determination of the oxygen concentration in gas mixtures, preferably in respiratory gases.

Der Sauerstoffsensor findet Anwendung zur Atemgasanalyse, in der Patientenüberwachung bei der Narkose- und Therapiebeatmung, in der Lungenfunktionsdiagnostik und der Sport-und Arbeitsmedizin.The oxygen sensor is used for respiratory gas analysis, in patient monitoring in anesthesia and therapy ventilation, in pulmonary function diagnostics and sports and occupational medicine.

Außerdem ist der Sauerstoffsensor auch in anderen Bereichen, wie z. B. der Prozeßanalyse und der Prozeßsteuerung einsetzbar.In addition, the oxygen sensor in other areas, such. As the process analysis and process control can be used.

Charakteristik der bekannton technischen LösungenCharacteristic of the bekannton technical solutions

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. , For the direct measurement of the oxygen concentration in gases, methods are known which use the paramagnetic properties of the oxygen. Practical significance has been gained by the thermomagnetic and thermodynamic methods. .

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:The thermomagnetic method is based essentially on the fact that heating of the paramagnetic measuring gas a susceptibility difference is generated, which leads to a gas flow by the reduced in their susceptibility gas molecules, which initially collect under the magnetic poles due to the force in a strong magnetic field, then be displaced by the still unheated gas molecules. Realized sensors according to this method are z. As the annular chamber, which has undergone numerous modifications to improve the properties (VDI Report No. 199.1974). Disadvantages of this method are, depending on the respective realization form:

— die große Einstellzeit von 10...2Os- the long response time of 10 ... 2Os

— die Abhängigkeit der Messung von der spezifischen Wärme, der Zähigkeit des Gasgemisches bzw. der WärmeleitfähigkeitThe dependence of the measurement on the specific heat, the toughness of the gas mixture or the thermal conductivity

— die Lageabhängigkeit des Meßsystems- the position dependency of the measuring system

— die konstante Beströmung, die keine direkte Messung im Atemstrom erlaubt.- The constant flow, which does not allow direct measurement in the respiratory flow.

Ein Teil dieser Nachteile wird durch die Verwendung eines Hilfsgases als Vergleichsgas beseitigt. Allerdings resultiert daraus dann die Bereitstellung dieses Gases.A part of these disadvantages is eliminated by the use of an auxiliary gas as a reference gas. However, this then results in the provision of this gas.

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).The electrodynamic method makes use of the fact that in an inhomogeneous magnetic field forces are exerted on paramagnetic oxygen molecules, which move them in the direction of the higher field strength. If there are elements in this magnetic field that do not exhibit this behavior, they are displaced from it. An implementation according to this method is the magnetic rotary balance (VDI Report No. 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.Disadvantages of this system are the too long setup time of about 1 s and the complexity of the mechanical system. The measuring system continues to respond with a high degree of interference to contaminated gases and to different gas flows. The latter aspect requires a pumping out of the measurement gas from the measurement path.

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.Furthermore, a known as magneto-mechanical Resonatorprinzip method is known, which uses the oxygen-dependent Feldnachgiebigkeit in the air gap of a magnetic circuit, based on the paramagnetic properties of oxygen (DD-WP 145427). The disadvantage here has shown in particular the oscillatory movement of the armature formed as an armature of the magnetic circuit.

Ziel der Erfindung Object of the invention

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.The object of the invention is to develop an oxygen sensor which does not contain any moving elements whose mechanical structure does not impose special requirements, which meets the requirements of the continuous determination of the oxygen concentration in gas mixtures and which does not require reference gases.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.It is the object of the invention to provide a non-selective sensor element for gases by utilizing the paramagnetic properties of oxygen as a selectively acting oxygen sensor.

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.According to the invention the object is achieved in that the magnetic circuit has an air gap with non-homogeneous magnetic field in which the microacoustic surface wave sensor element is arranged such that the field gradient is directed perpendicular to the propagation surface of the surface acoustic wave and in that the air gap and the surface sensor element in a measuring cuvette are arranged. The microacoustic surface wave sensor element can also be arranged directly in the air gap.

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.The magnetic circuit is preferably designed as a soft iron circuit, the excitation being pulse-shaped. Since the surface acoustic wave sensor element is the frequency-determining element of the sine-wave oscillator, the time between energization of the magnetic circuit and the maximum value of the change of the oscillator frequency or the rise time of the frequency response function or the maximum frequency change may be an oxygen-proportional image size. Furthermore, it is expedient that the frequency-determining element of a reference oscillator is arranged in the magnetic field-free space of the measuring cuvette and that the reference oscillator is hermetically sealed and filled with a defined gas.

Ausführungsbeispielembodiment

Die erfindungsgemäße Lösung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The solution according to the invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the drawing show:

Fig.1: SauerstoffsensorFig.1: oxygen sensor Fig. 2: Anordnung des Oberflächenwellen-Sensorelementes im LuftspaltFig. 2: Arrangement of the surface acoustic wave sensor element in the air gap Fig. 3: Beschattung des Sensorelementes als Sinusoszillator.Fig. 3: Shading of the sensor element as a sine wave oscillator.

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.The oxygen sensor consists of a microacoustic surface wave sensor element 1, an air gap 2, which are arranged in a measuring cuvette 3 and a magnetic circuit 4, which is realized as a soft iron circuit with a magnetic coil 5 is realized. The magnetic circuit 4 has the air gap 2 with non-homogeneous magnetic field by the microacoustic surface wave sensor element 1 is arranged such that a field gradient 6 degrees 0 == f (t) is directed perpendicular to the propagation surface of the surface acoustic wave and that the air gap 2 and the Surface wave sensor element 1 are arranged in a meßgasführenden measuring cuvette 3.

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.The paramagnetic properties of the oxygen cause, depending on the field gradient 6, the absolute field strength, the oxygen concentration in the gas mixture and the time, on the surface of the surface acoustic wave sensor element 1, a gas composition determined by the oxygen concentration.

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.According to FIG. 2, the microacoustic surface wave sensor element 1 is arranged directly in the inhomogeneous air gap 2. In this case, a force due to the field gradient 6 acts on the oxygen molecules and thus on the surface of the surface sensing element 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. In Figure 3, the wiring of the surface acoustic wave sensor element 1 is shown as a sine wave oscillator, which consists of a reference oscillator 7 and a mixer 8. In order to generate a low-frequency, readily evaluable measured variable, a difference frequency Af = f2-fi 9 is formed in the mixer 8 by means of the reference oscillator 7. The test frequency f ₂ can also result from a separately arranged circuit or be realized by a microacoustic component with the same wiring and arrangement in the cuvette but outside the effective gradient of the magnetic field (not shown). The gas composition determined by the oxygen concentration can be detected as a selective frequency or frequency change. The oxygen-proportional image size may be the time between excitation of the magnetic circuit 4 and the maximum value of the change of the oscillator frequency or the rise time of the frequency response function or the maximum frequency change.

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.The frequency-determining element of the reference oscillator 7 is arranged in the magnetic field-free space of the measuring cell 3. The reference oscillator 7 is hermetically sealed and filled with a defined gas.

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.The solution according to the invention realizes a continuous measurement in that the magnetic field is interrupted cyclically, so that the magnetic field-related gas inhomogeneity can be eliminated in magnetic-field-free space. Furthermore, the pause between two excitation pulses of the magnetic field is used for zero-line correction.

Claims (8)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 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.1. oxygen sensor, consisting of a microacoustic surface acoustic wave sensor element and a magnetic circuit, characterized in that the magnetic circuit (4) has an air gap (2) with non-homogeneous magnetic field in which the microacoustic surface acoustic wave sensor element (1) is arranged such that the Field gradient (6) is directed perpendicular to the propagation surface of the surface acoustic wave and in that the air gap (2) and the surface acoustic wave sensor element (1) in a measuring cuvette (3) are arranged. 2. Sauerstoffsensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das mikroakustische Oberflächenwellen-Sensorelement (1) direkt im inhomogenen Luftspalt (2) angeordnet ist.2. oxygen sensor according to item 1, characterized in that the microacoustic surface acoustic wave sensor element (1) directly in the inhomogeneous air gap (2) is arranged. 3. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Magnetkreis (4) als Weicheisenkreis ausgebildet ist und daß die Erregung impulsförmig ist. ' 3. oxygen sensor according to item 1 and 2, characterized in that the magnetic circuit (4) is designed as a soft iron circuit and that the excitation is pulse-shaped. ' 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.4. oxygen sensor according to item 1 to 3, characterized in that the microacoustic surface acoustic wave sensor element (1) frequency determining element of the sine wave oscillator and that the oxygen-proportional image size is the time between excitation of the magnetic circuit (4) and the maximum value of the change in the oscillator frequency. 5. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Anstiegszeit der Frequenzantwortfunktion eine sauerstoffproportionale Abbildungsgröße ist.5. oxygen sensor according to item 1 to 3, characterized in that the rise time of the frequency response function is an oxygen-proportional image size. 6. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die maximale Frequenzänderung eine sauerstoffproportionale Abbildungsgröße ist.6. oxygen sensor according to item 1 to 3, characterized in that the maximum frequency change is an oxygen-proportional image size. 7. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das frequenzbestimmende Element eines Referenzoszillators (7) im magnetfeldfreien Raum der Meßküvette (3) angeordnet ist.7. oxygen sensor according to item 1 to 6, characterized in that the frequency-determining element of a reference oscillator (7) in the magnetic field free space of the measuring cuvette (3) is arranged. 8. Sauerstoffsensor nach Punkt 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß der Referenzoszillator (7) hermetisch verschlossen und mit einem definierten Gas gefüllt ist.8. oxygen sensor according to item 1 to 7, characterized in that the reference oscillator (7) is hermetically sealed and filled with a defined gas.