DE19628310C2 - Optischer Gasanalysator - Google Patents
Optischer GasanalysatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischer Gasanalysator zum Messen des
Anteils von Komponenten in einer Gasprobe mittels Infrarotabssorption.
Ein Gasanalysator zur Messung von drei Komponenten eines Gasgemisches
in einer Gasprobe ist aus der EP 87 077 A2 bekanntgeworden. Eine die
Gasprobe enthaltende Meßstrecke befindet sich im Strahlungsweg zwischen
einer die IR-Strahlung emittierenden Strahlungsquelle und einem die
Strahlung in ein Meßsignal umsetzenden fotoelektrischen Empfänger. Vor
dem Empfänger ist ein Filterrad mit verschiedenen Filtern angeordnet,
welche in schmalen Wellenlängenbereichen durchlässig sind und im
zyklischen Wechsel in den Strahlengang gebracht werden. Das Meßprinzip
der bekannten Vorrichtung beruht auf der Bestimmung der Extinktionen in
verschiedenen Absorptionswellenlängenbereichen der Gaskomponenten.
Jedes der Filter liefert ein wellenlängenspezifisches Meßsignal. Zur
Bestimmung der Konzentrationen der einzelnen Komponenten in der
Gasprobe werden die Zahlenwerte der einzelnen Meßsignale in ein lineares
Gleichungssystem eingesetzt und die Konzentrationsanteile durch Lösen
des Gleichungssystems bestimmt. Dem Meßverfahren des bekannten
Gasanalysators sind dadurch Grenzen gesetzt, daß ein lineares
Gleichungssystem gelöst werden muß, welches Rechenzeit beansprucht.
Bei bestimmten Anwendungsfällen, zum Beispiel bei der Gasanalyse in der
Anästhesie, ist zwar die Anzahl der insgesamt zu bestimmenden
Komponenten gering, jedoch ist die Anzahl der möglichen Komponenten
deutlich höher. So muß neben Lachgas und Kohlendioxyd normalerweise
noch ein Anästhesiemittel aus fünf möglichen Anästhesiemitteln bestimmt
werden. Zwar könnte man für jedes der Anästhesiemittel ein separates Filter
auf dem Filterrad vorsehen, jedoch erschwert dieses aufgrund der großen
Filteranzahl die Auswertung, da zudem neben den eigentlichen Meßfiltern
auch noch Referenzfilter notwendig sind. Erschwerend kommt weiter hinzu,
daß Anästhesiemittel auch als
Gasgemische in der Gasprobe vorliegen können, zum Beispiel, wenn
zwischen zwei Narkosen das Anästhesiemittel gewechselt wurde.
Aus der EP 307 625 B1 ist ein Gasanalysator zum Messen von
Anästhesiegasen bekannt, bei welchem der Meßstrahl nach dem
Durchlaufen der Meßstrecke in Einzelstrahlen aufgeteilt und auf einzelne
Detektoren gelenkt wird. Vor den Detektoren befinden sich Filter, deren
Wellenlängen auf die zu messenden Komponenten abgestimmt sind. Die
Anzahl der Detektoren entspricht der Anzahl der nachzuweisenden Gase.
Nachteilig bei dem bekannten Gasanalysator ist, daß durch das Meßsystem
eine Konzentrationsbestimmung von einer in der Gasprobe befindlichen
Anästhesiemittelkomponente nur dann möglich ist, wenn die Stoffart, zum
Beispiel Halothan, Isoflurane oder Enflurane bekannt ist. Wird bei einem
Wechsel des Anästhesiemittels der Gasanalysator nicht entsprechend auf
das neue Anästhesiemittel eingestellt, führt dieses zu einer Mißweisung der
Anzeige.
Aus der EP 332 180 A2 ist ein Infrarot-Gasanalysator zur Messung von
Kohlendioxyd bekannt, in welchem ein pyroelektrischer Detektor zur
Auswertung der Meßstrahlung verwendet wird. Dieser Gasanalysator eignet
sich nur zum Nachweis einer Komponente und es geht aus dieser Schrift
nicht hervor, auf welche Weise das Meßsignal des pyroelektrischen
Detektors verarbeitet wird.
Die EP 168 611 A2 zeigt ein Fotometer mit einem Feststoffempfänger,
welcher pyroelektrische Eigenschaften besitzt. Ein die Meßküvette
durchdringender Lichtstrahl wird periodisch durch ein Chopperrad
unterbrochen. Zwar wird ein bestimmter Bereich für die
Unterbrecherfrequenz angegeben, der sich zur Erzeugung eines
Meßeffektes als vorteilhaft erwiesen hat, jedoch geht aus dieser Druckschrift
nicht hervor, welcher Bereich der Kennlinie des Feststoffempfängers für die
Messung benutzt wird.
Aus der DE-OS 24 57 521 geht ein Wechsellicht-Infrarot-Gasanalysator
hervor, bei welchem pyroelektrische Detektoren verwendet werden. Dieser
Druckschrift ist nur zu entnehmen, daß sich pyroelektrische Detektoren
durch hohe Empfindlichkeit auszeichnen.
Die Druckschrift W. A. Cornelius et al., Analog technique for the analysis of
pyroelectric optical-detection signals, Rev. Sci. Instrum. 57, 1574-1580
(1986) bezieht sich auf ein analoges Modell zur Nachbildung eines
pyroelektrischen Detektors, der im Modulationsbetrieb eingesetzt wird. Als
Frequenz für die Modulation wird ein Bereich zwischen nahe Gleichstrom bis
mindestens 10 KHz angegeben. Anregungen, die Modulationsfrequenz auf
einen bestimmten Teil der Kennlinie des pyroelektrischen Detektors
einzustellen, sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Von pyroelektrischen Detektoren sind Beschaltungen bekannt, die entweder
das Stromsignal oder das Spannungssignal auswerten. Bei der
Beschaltungsform für das Spannungssignal ist der Frequenzgang etwa
bandpaßförmig; d. h. zunächst ansteigend, dann plateauförmig und danach
abfallend, während demgegenüber das Stromsignal auch eine
Bandpaßcharakteristik, jedoch mit einer höheren oberen Eckfrequenz, hat.
Derartige Beschaltungsmöglichkeiten von pyroelektrischen Detektoren sind
beispielsweise in der Firmendruckschrift: ELTEC Instruments, Inc.
introduction to infrared pyroelectric detectors, ELTEC date # 100,
Seiten 100-1 bis 100-6 beschrieben.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Nachweis
mehrerer Komponenten in einer Gasprobe unterscheiden sich im
wesentlichen dadurch, ob mit mehreren Detektoren gleichzeitig oder ob mit
einem einzigen Detektor und einem rotierenden Filterrad sequentiell
gemessen wird. Ein Meßaufbau mit mehreren Detektoren hat zwar den
Nachteil, daß eine Strahlteilung zu den Detektoren vorgenommen werden
und daß Drifterscheinungen der Detektoren gegeneinander zu kompensieren
sind, auf der anderen Seite ist jedoch die Auswertung der einzelnen
Meßsignale relativ problemlos, da mit einer Lock-In-Technik gearbeitet
werden kann. An den Frequenzgang der Detektoren müssen im allgemeinen
keine besonderen Anforderungen gestellt werden, da das Meßsignal eines
jeden Detektors relativ schmalbandig ist.
Ein vergleichsweise einfacher mechanischer Aufbau ergibt sich durch
Verwendung eines einzigen Detektors mit einem rotierenden Filterrad. Durch
die schnelle Rotation des Filterrades erhält der Detektor aber nicht mehr ein
schmalbandiges Einzelsignal, sondern eine Abfolge von Lichtimpulsen I(t),
die ein breitbandiges Meßsignal erzeugen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit
des Filterrades ergibt sich aus der Anzahl der pro Zeiteinheit
durchzuführenden Messungen bzw. der Anzahl der Filter auf dem Filterrad.
Dem Vorteil des einfachen mechanischen Aufbaus steht bei einem
Mehrgasmeßgerät aber das Problem gegenüber, die Höhe oder die
Intensität der einzelnen Lichtpulse möglichst genau zu vermessen, ohne daß
eine gegenseitige Beeinflussung der Signale untereinander eintritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasanalysator der
genannten Art derart zu verbessern, daß verschiedene Komponenten in
einer Gasprobe auf einfache Weise und mit guter Selektivität nachweisbar
sind.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch die
Beschaltung des pyroelektrischen Detektors zur Auswertung seines
Spannungssignals und die Einstellung des Arbeitspunktes, d. h. der
Filterwechselfrequenz, auf den abfallenden Ast im Frequenzgang des
Spannungssignals, Kennlinienunregelmäßigkeiten, die das Meßsignal und
damit die Selektivität des Komponentennachweises beeinflussen, von
untergeordneter Bedeutung sind. Das Stromsignal des pyroelektrischen
Detektors ist zwar theoretisch von der Filterwechselfrequenz nahezu
unabhängig, jedoch sind in dem horizontal verlaufenden Ast
frequenzabhängige Amplitudenschwankungen zu beobachten, die die
Auswertung erschweren. Demgegenüber besitzt der abfallende Ast im
Frequenzgang des Spannungssignals zwar einen frequenzabhängigen
Amplitudenabfall, der jedoch sehr gleichförmig ist und mit guter Näherung für
einen großen Bereich des Astes bei doppelt logarithmischer Auftragung
durch eine Gerade approximiert werden kann. Erfindungsgemäß wird ein
pyroelektrischer Detektor mit einer Kennlinie ausgewählt, die einen Abfall
von -20 dB pro Dekade aufweist. Die Ausnutzung gerade dieses
Kennlinienastes im Frequenzgang des Spannungssignals ist für den
Anwendungsfall der Messung mehrerer Gaskomponenten besonders
vorteilhaft, da der abfallende Kennlinienast zur Integration des Meßsignals
verwendet werden kann, wodurch der an sich langsame pyroelektrische
Detektor für Anwendungen mit zeitlichem Multiplexen von Meßsignalen
einsetzbar wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals
gelungen, pyroelektrische Detektoren für die schnellen, breitbandigen
Filterradverfahren einzusetzen. Das Tiefpaßverhalten mit einem Abfall von
-20 dB pro Dekade zeigen nur spezielle Typen von pyroelektrischen
Detektoren. Diese Typen haben keine oder nur eine sehr dünne zusätzliche
lichtabsorbierende Beschichtung (black coating) auf dem eigentlichen
pyroelektrischen Kristall. Standardtypen werden mit einer
lichtabsorbierenden Beschichtung versehen, um die Empfindlichkeit des
Detektors zu erhöhen. Allerdings haben diese Beschichtungen eine eigene
thermische Zeitkonstante, durch die sich das Übertragungsverhalten des
gesamten Detektors gerade bei höheren Frequenzen ungünstig verändert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Ein Verfahren zur Identifikation einer Komponente in einer Gasprobe aus
einer Gruppe von N möglichen Komponenten mit einem Infrarot-
Gasanalysator, wobei der Gasanalysator mindestens zwei - vorzugsweise
drei - die Komponente analysierende Filter aufweist, ist gekennzeichnet
durch die Schritte,
- a. Kalibrierkurven in der Weise zu erzeugen, daß Gasproben mit bekannten Anteilen einer der Komponenten nacheinander in eine Meßstrecke eingebracht, mit jedem Filter Meßsignale aufgenommen und mit den Anteilen als Kennwerten in Beziehung gesetzt werden,
- b. den Schritt a. für jede der Komponenten auszuführen,
- c. die zu identifizierende Komponente in der Gasprobe derart zu bestimmen, daß mit jedem der Filter zumindestens ein Meßsignal mit der zu identifizierenden Komponente aufgenommen und zu jedem Meßsignal die zugehörigen Kennwerte der N Komponenten aus den Kalibrierkurven ermittelt werden, und
- d. diejenige Komponente als zu identifizierende Komponente ausgewählt wird, bei welcher sich bei jedem der Filter solche Kennwerte ergeben, die innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches liegen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und
im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gasanalysators
im Längsschnitt,
Fig. 2 eine Aufsicht auf ein Filterrad,
Fig. 3a Kalibrierkurven für Anästhesiemittel A, B, D, E für ein
erstes Filter,
Fig. 3b Kalibrierkurven gemäß Fig. 3a für ein zweites Filter,
Fig. 3c Kalibrierkurven gemäß Fig. 3a für ein drittes Filter,
Fig. 4 Kennlinien eines pyroelektrischen Detektors,
Fig. 5 eine Auswerteschaltung für das Spannungssignal des
pyroelektrischen Detektors,
Fig. 6a eine Abfolge von Lichtpulsen I(t),
Fig. 6b ein Beispiel für eine Signalauswertung für die
Lichtpulse nach der Fig. 6a.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Gasanalysator 1 im Längsschnitt. Auf einer
beheizten Trägerplatte 2 in einem Gehäuse des Gasanalysators 1 sind eine
IR-Strahlungsquelle 3, eine Küvette 4 als Meßstrecke und ein
pyroelektrischer Detektor 5 als fotoelektrischer Empfänger angeordnet.
Mittels einer an der Trägerplatte 2 befindlichen Heizpatrone 6 wird die
Trägerplatte 2 auf eine Temperatur von etwa 55 Grad aufgeheizt. Der
Detektor 5 ist an eine Auswerteschaltung 7 angeschlossen und über eine
Meßsignalleitung 8 mit einer Auswerteelektronik 9 verbunden. Zwischen der
Strahlungsquelle 3 und der Küvette 4 werden mittels eines von einem Motor
11 angetriebenen Filterrades 10 nacheinander mehrere Filter in den
Strahlengang gebracht, von denen in der Fig. 1 sich ein erstes Filter 12
momentan im Strahlungsweg befindet. Die Filterwechselfrequenz f beträgt
ca. 400 Hz. Ein zum ersten Filter 12 gehöriges erstes Meßsignal S1 wird
über die Meßsignalleitung 8 an die Auswerteelektronik 9 übertragen. Die
Küvette 4 besitzt im Strahlungsweg für IR-Strahlung durchlässige Fenster 13
und einen in der Figur nicht dargestellten Gaseinlaß und einen Gasauslaß
für die zu analysierende Gasprobe.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf das Filterrad 10. Neben dem ersten Filter 12
mit zugehörigem ersten Meßsignal S1 sind ein zweites Filter 14 mit
zugehörigem zweiten Meßsignal S2, ein drittes Filter 15 mit zugehörigem
dritten Meßsignal S3, ein erstes Referenzfilter 16 mit zugehörigem ersten
Referenzsignal, ein viertes Filter 17 mit zugehörigem vierten Meßsignal, ein
fünftes Filter 18 mit zugehörigem fünften Meßsignal, ein zweites
Referenzfilter 19 mit zugehörigem zweiten Referenzsignal und ein
Dunkelfilter 20 vorhanden. Das erste Filter 12, mit einer Wellenlänge von
8,21 Mikrometer, das zweite Filter 14, mit einer Wellenlänge von 8,4
Mikrometer und das dritte Filter 15 mit einer Wellenlänge von 8,61
Mikrometer dienen zur Messung von Anästhesiemitteln in der Gasprobe, wie
zum Beispiel Halothan, Enflurane oder Isoflurane. Mit dem vierten Filter 17,
mit der Wellenlänge 3,9 Mikrometer, wird Lachgas und mit dem fünften Filter
18, mit der Wellenlänge 4,26 Mikrometer, wird Kohlendioxyd in der Gasprobe
gemessen.
Im folgenden soll die Messung der Anästhesiemittelkonzentration in der
Gasprobe erläutert werden. Derzeit werden bei Inhalationsnarkosen
folgende fünf Anästhesiemittel verwendet: Halothan, Enflurane, Isoflurane,
Sevoflurane und Desflurane. Man könnte nun für jedes der Anästhesiemittel
ein eigenes Filter auf dem Filterrad 10 vorsehen, um den
Konzentrationsanteil in der Gasprobe zu messen. Bei einem Gasanalysator
nach dem Stand der Technik müßte dann das zu bestimmende
Anästhesiemittel aus einem Gleichungssystem mit fünf Unbekannten
errechnet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Gasanalysator 1 wird
demgegenüber das gesuchte Anästhesiemittel durch Vergleich von aus den
Meßsignalen S1, S2 und S3 errechneten Konzentrationswerten bestimmt.
Hierzu werden für die zu analysierenden Anästhesiemittel Kalibrierkurven A,
B, D, E für die Filter 12, 14, 15 bei bekannter Anästhesiemittelkonzentration
C aufgenommen. So gehört die Kalibrierkurve A zu Halothan, B zu
Enflurane, D zu Isoflurane und E zu Sevoflurane. Der besseren Übersicht
wegen ist die Kalibrierkurve für Desflurane nicht dargestellt. Die
Kalibrierkurven A, B, D, E sind in den Fig. 3a, 3b und 3c veranschaulicht.
Fig. 3a zeigt die zum ersten Filter 12 gehörigen Kalibrierkurven A, B, D, E.
Auf der Abszisse ist die Anästhesiemittelkonzentration C in Prozent und auf
der Ordinate das erste Meßsignal S1 aufgetragen.
Entsprechend sind in Fig. 3b die Kalibrierkurven für das zweite Filter 14 und
in Fig. 3c die Kalibrierkurven für das dritte Filter 15 angegeben.
Der Meßablauf bei der Konzentrationsbestimmung ist folgender:
Bei einer Gasprobe mit unbekanntem Anästhesiemittelanteil wird mit dem
ersten Filter 12 ein erstes Meßsignal S1 von zum Beispiel 3.2, Fig. 3a,
gemessen. Mit dem zweiten Filter 14 ergibt sich ein zweites Meßsignal S2
von zum Beispiel 4.0, Fig. 3b. Das dritte Filter 15 liefert ein drittes
Meßsignal S3 von 2.6, Fig. 3c. Die Zahlenwerte für S1, S2 und S3 sind in
den Fig. 3a bis 3c durch Pfeile 144 auf den Ordinaten markiert. Mittels
der Kalibrierkurven A, B, D, E ergeben sich aus dem ersten Meßsignal S1 =
3.2 zugehörige Konzentrationswerte A1, B1, D1, E1, aus dem zweiten
Meßsignal S2 = 4.0 Konzentrationswerte A2, B2, D2, E2 und aus dem dritten
Meßsignal S3 = 2.6 Konzentrationswerte A3, B3, D3, E3. Das gesuchte
Anästhesiemittel und der zugehörige Anästhesiemittelanteil in der Gasprobe
ergeben sich aus der Bedingung, daß für jedes der Filter 12, 14, 15 gleiche
Konzentrationswerte für eine der Kalibrierkurven A, B, D, E vorliegen
müssen. Im vorliegenden Fall sind D1 = D2 = D3 = 1%; d. h. Isoflurane -
Kurve D - ist das gesuchte Anästhesiemittel, und der Anteil von Isoflurane in
der Gasprobe ist 1%. Eine entsprechende Anästhesiemittelidentifikation
kann auch mit einer größeren Anzahl von möglichen Anästhesiemitteln
vorgenommen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch mit nur zwei Filtern realisierbar. Dabei ist jedoch nicht zu verhindern,
daß ein Gemisch aus zwei Anästhesiemitteln das Vorliegen eines dritten
Anästhesiemittels vortäuscht.
Dies läßt sich erst bei Verwendung von drei Filtern vermeiden,
dementsprechend stellt der Patentanspruch 4 eine bevorzugte
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasanalysators dar.
Fig. 4 veranschaulicht den Verlauf der Kennlinie des pyroelektrischen
Detektors 5. Auf der Abszisse ist die Filterwechselfrequenz f in
logarithmischem Maßstab und auf der Ordinäre die Ausgangsspannung UA
der Auswerteschaltung 7 aufgetragen. Kurve 21 zeigt den Frequenzgang
des pyroelektrischen Detektors 5 für eine das Spannungssignal US
verarbeitende Auswerteschaltung 7 und Kurve 22 den entsprechenden
Verlauf des Stromsignals. Die Kurven 21, 22 sind in der Fig. 4 idealisiert
dargestellt. Bei Kurve 22 treten z. B. in praxi frequenzabhängige
Amplitudenschwankungen auf, die in der Fig. 4 nicht dargestellt sind.
Während Kurve 22 im wesentlichen Hochpaßeigenschaften besitzt, hat
Kurve 21 Bandpaßeigenschaften. Kurve 21 zeigt zunächst einen
Signalanstieg und nach Durchschreiten eines Plateaus, fällt die
Ausgangsspannung UA um -20. Dezibel pro Frequenzdekade gleichförmig
ab. Fig. 5 zeigt den pyroelektrischen Detektor 5 mit dem unmittelbar
nachgeschalteten Teil der Auswerteschaltung 7 zur Verarbeitung seines
Spannungssignals US. Der pyroelektrische Detektor 5 ist über einen
hochohmigen Gatewiderstand 23 an einen Feldeffekttranistor (FET) 24
angeschlossen. Durch diese Beschaltung wird die Integration eines auf den
pyroelektrischen Detektor 5 auftreffenden Lichtsignals I bewirkt, sofern die
Frequenz f auf dem abfallenden Ast der Kurve 21, Fig. 4, liegt.
Mit den Fig. 6a und 6b soll die Auswertung des Lichtsignals I mit der
Auswerteschaltung 7 erläutert werden.
Fig. 6a zeigt beispielhaft die Abfolge von einzelnen Lichtpulsen Iref und
Imeß bezogen auf ein Dunkelsignal Id.
So ergibt sich z. B. das Signal Iref bzw. Imeß, wenn sich eines der
Referenzfilter 16, 19 bzw. eines der Filter 12, 14, 15, 17, 18 im Strahlengang
befindet. Die Zeitspanne T entspricht einer vollständigen Umdrehung des
Filterrades 10. Das Dunkelsignal Id stellt sich beim Wechsel von einem Filter
auf ein benachbartes Filter ein.
Das Grundprinzip der Auswertung einer derartigen Abfolge von Lichtpulsen
besteht darin, die mittlere Höhe, d. h. das Plateau der Lichtpulse Iref und Imeß
bezogen auf Id, zu bestimmen. Diese Höhe ist proportional zur Lichtintensität
des entsprechenden Kanals. Da die Lichtpulse aufgrund des
rechteckförmigen Signalverlaufs sehr oberwellenreich sind, muß ein Detektor
für die Auswertung vorhanden sein, der alle Frequenzanteile mit gleicher
Empfindlichkeit überträgt. Würde man das Stromsignal - Kurve 22, Fig. 4 -
des pyroelektrischen Detektors 5 benutzen, müßten die im Amplitudengang
auftretenden frequenzabhängigen Amplitudenschwankungen, die in der
Fig. 4 der Übersicht wegen nicht dargestellt sind, mit aufwendigen
Kompensationsschaltungen beseitigt werden.
Diese Ampliudenschwankungen treten im abfallenden Ast des
Spannungssignals - Kurve 21, Fig. 4 - nicht auf. Wird der pyroelektrische
Detektor 5 so ausgewählt, daß der abfallende Ast des Spannungssignals bei
doppelt logarithmischer Auftragung einen Abfall von -20 dB pro Dekade
aufweist, kann direkt das Integral des Plateaus der Lichtpulse ausgewertet
werden, was einer Spitzenwertbestimmung gleichwertig ist. Durch die
Verlagerung der Auswertung auf den abfallenden Ast des Spannungssignals
werden aufwendige Kompensationsschaltungen vermieden, die bei der
Auswertung des Stromsignals - Kurve 22, Fig. 4 - erforderlich gewesen
wären.
Fig. 6b veranschaulicht die Integration der Lichtpulse Id, Iref, Imeß mit dem
pyroelektrischen Detektor 5 und der Auswerteschaltung 7 nach der Fig. 5.
Aufgrund des Hochpaßverhaltens der Kurve 21, Fig. 4, im Bereich bis etwa
0,8 Herz, bleibt der Gleichlichtanteil des Signals I(t), Fig. 6a, bei der
Integration unberücksichtigt. Der Gleichlichtanteil ist als Horizontallinie 25 in
der Fig. 6a schematisch dargestellt. Bei der Integration der Lichtpulse Id,
Iref und Imeß ergeben sich Abschnitte mit unterschiedlichen Steigungen und
entsprechenden Integrations-Anfangs- bzw. Endwerten 26, 27, 28, 29, 30.
Ein zu Iref proportionaler Meßwert Sref ergibt sich durch Differenzbildung der
Endwerte 28, 27, und aus den Endwerten 30, 29 ergibt sich durch
Differenzbildung ein Meßwert Smeß, der Imeß proportional ist. Smeß steht
stellvertretend für die Meßsignale S1, S2, S3. Aus den zur Integration von Id
gehörigen Integrations-Werten 27 und 26 ergibt sich durch Differenzbildung
ein Meßwert Sd, der Id proportional ist.
Die Meßwerte Smeß, Sref und Sd sind jeweils dem Wechsellichtanteil der
Lichtsignale Imeß, Iref und Id proportional.
Die Plateauwerte der Lichtsignale Imeß und Iref, bezogen auf das Dunkelsignal
Id, sind dann proportional zu den Differenzen Smeß-Sd und Sref-Sd. Es ist Iref-Id
proportional Sref-Sd und Imeß-Id proportional Smeß-Sd. Durch die
Abkoppelung des Gleichspannungsanteils, Horizontallinie 25, nimmt die
Ausgangsspannung Ua nach der Periode T wieder den Wert "Null" an.
Claims (9)
1. Optischer Gasanalysator (1) zum Messen des Anteils von
Komponenten in einer Gasprobe mittels IR-Absorption, enthaltend
- - eine Strahlungsquelle (3),
- - eine die Gasprobe aufnehmende Meßstrecke (4),
- - einen die IR-Strahlung aus der Meßstrecke (4) erfassenden, als pyroelektrischer Detektor (5) ausgebildeten fotoelektrischen Empfänger, welcher derart ausgewählt ist, daß der abfallende Ast seines Spannungssignals (21) einen Abfall von -20 dB pro Dekade aufweist,
- - eine dem pyroelektrischen Detektor (5) nachgeschaltete Auswerteschaltung (7), welche Mittel zur Auswertung des Spannungssignals (21) des pyroelektrischen Detektors (5) aufweist und
- - mehrere, nacheinander mit einer Filterwechselfrequenz f, welche auf einen Wert im Bereich des abfallenden Astes im Frequenzgang des Spannungssignals (21) eingestellt ist, in den Strahlengang bringbare Filter (12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20), wobei durch die Strahlungsextinktion in der Meßstrecke (4) jeweils zu den Filtern (12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20) gehörige Meßsignale von dem pyroelektrischen Detektor (5) geliefert werden.
2. Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteschaltung (7) einen dem pyroelektrischen Detektor (5)
nachgeschalteten hochohmigen Gate-Widerstand (23) als Strom-
Spannungswandler und einen Feldeffekttransistor (FET) (24) als
Impedanzwandler aufweist.
3. Gasanalysator nach einem der Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung von Anästhesiemitteln, wie
Sevoflurane, Desflurane, Halothan, Enflurane oder Isoflurane, ein
Abstand zwischen den Wellenlängen der Filter (12, 14, 15) von 0,10
Mikrometer nicht unterschritten wird und daß die Differenz zwischen
größter und kleinster Wellenlänge der Filter (12, 14, 15) kleiner als 9
Mikrometer ist.
4. Gasanalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wellenlängen der Filter (12, 14, 15) aus einem Bereich zwischen 8 und
9 Mikrometer ausgewählt sind, daß das erste Filter (12) eine
Wellenlänge von etwa 8, 21 Mikrometer, das zweite Filter (14) eine
Wellenlänge von etwa 8, 4 Mikrometer und das dritte Filter (15) eine
Wellenlänge von etwa 8, 61 Mikrometer aufweist und daß als weiteres
Filter ein erstes Referenzfilter (16) vorgesehen ist, durch welches ein
erstes Referenz-Meßsignal für die zu den Filtern (12, 14, 15) gehörigen
Meßsignale S1, S2, S3 gebildet ist.
5. Gasanalysator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wellenlänge des ersten Referenzfilters (16) etwa 10,5 Mikrometer
beträgt.
6. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung von Lachgas ein viertes Filter (17)
mit einer Wellenlänge von etwa 3, 9 Mikrometer vorgesehen ist.
7. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Messung von Kohlendioxyd ein fünftes Filter
(18) mit einer Wellenlänge von etwa 4, 26 Mikrometer vorhanden ist.
8. Gasanalysator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Messung von Lachgas und/oder Kohlendioxyd ein zweites
Referenzfilter (19) mit einer Wellenlänge von etwa 3,69 Mikrometer
vorgesehen ist, durch welches ein zweites Referenz-Meßsignal gebildet
ist.
9. Gasanalysator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Länge der Meßstrecke (4) 5 bis 15 Millimeter
beträgt.
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