DE2442589A1 - Gasmessvorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen messung des co tief 2-gehaltes in atemgasen - Google Patents

Gasmessvorrichtung und verfahren zur kontinuierlichen messung des co tief 2-gehaltes in atemgasen

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DE2442589A1 DE2442589A DE2442589A DE2442589A1 DE 2442589 A1 DE2442589 A1 DE 2442589A1 DE 2442589 A DE2442589 A DE 2442589A DE 2442589 A DE2442589 A DE 2442589A DE 2442589 A1 DE2442589 A1 DE 2442589A1
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Description

244258a
D r a q e r W e r k Aktienqesell schaft
24 L ü b e C , MoisTinger Allee 53/55
Gasmeßvorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Messung
des CO^-Gehaltes in Atemgasen
Die Erfindung betrifft eine Gasmeßvorrichtung nach dem Prinzip der Infrarotabsorption zur kontinuierlichen Messung des* CO^-Gehaltes in Atemgasen und ein Verfahren zur Messung des COp-Gehaltes in Atemgasen mit dieser Gasmeßvorrichtung.
Es sind Verfahren und danach arbeitende Geräte bekannt, mit denen kontinuierlich Konzentrationen einzelner Komponenten in Gasen und Dämpfen gemessen werden, die nach dem Infrarotabsorptions-Prinzip arbeiten. Sie werden eingesetzt z.B. zur Prozesskontrolle in Chemieanlagen, zur Überwachung der Reinhaltung der Luft und in der Medizin.
Der Meßeffekt der Infrarotabsorptions-Geräte beruht.auf der
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spezifischen Strahlungsabsorption heteroatomi:ger Gase im infraroten Spektralbereich. Die Absorption erfolgt bei bestimmten, den Moleküleigenschwingungen zugeordneten Frequenzen. Jedes Gas außer den einatomigen Edelgasen und den zweiatomigen Elementgasen, wie z.3. 0?, HL, besitzt ein solches aus einzelnen Absorptionsbanden bestehender und für das betreffende Gas spezifisches Absorptionsspektrum im infraroten Spektralbereich.
Die Absorption findet bei bekannten Geräten in einer Küvette statt, die in das Meßgerät integriert ist und durch die die Gasprobe geleitet wird. Für die Intensität I einer der Absorption unterworfenen Wellenstrahlung nach dem Durchstrahlen eines Mediums der Schichtdicke 1 gilt das Lambert-'3eer' sehe Gesetz
I = I
~ k'l-c
o; intensität des Lichtes bei Eintritt in das Medium,
k: Extinktionskoeffizient 1: Weg in der Küvette, c: Konzentration des Gases
Die bekannten Gasanalysongeräto nach dom Inf rnrotabr.orptionn-
609812/0940 «Dome,*«.
Prinzip benutzen alle die für das zu messende Gas spezifische Strahlungsabsorption im infraroten Spektralbereich. Sie arbeiten nach den folgenden Verfahren:
Zweikanaiverfahren
Die von zwei Glühwendeln ausgehende gleichphasig modulierte Strahlung erreicht nach parallelem Durchlauf einer Vergleichsund Meßkammer die Empfängerkammer. Diese ist mittels eines Membrankondensators in zwei Kammern aufgeteilt. Beide Teilkammern sind mit dem zu messenden Gas gefüllt. Die Meßkammer enthält das zu untersuchende Gas, während die Vergleichskammer ein inertes Gas, z.B. Stickstoff, enthält, das keine Strahlung absorbiert. Dia Strahlung wird durch ein umlaufendes Blendenbad : periodisch und gleichphasig in beiden Strahlengängen - durch die Vergleichskammer und durch die Meßkammer - unterbrochen.
Wird der Strahl durch die Meßkammer bei Vorhandensein des zu messenden Gases geschwächt, so erzeugt das hierdurch entstehende Differenzsignal in der Empfängerkammer periodisch Druck- und Temperaturschwankungen. Diese rufen konzentrationsabhängige Kapazitätsänderungen am Membrankondensator hervor, die in einem Gasanzeiger sichtbar gemacht werden können.
Einkanalverfahren
Die von einer Glühwendel au5;gehende, durch ein umlaufendes
4 -
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Blendenrad gegenphasig modulierte Strahlung erreicht nach parallelem Durchlauf der in einer zweigeteilten Küvette untergebrachten Vergleichs- und Meßkammer die Empfängerkammer. Diese ist in Strahlungsrichtung in zwei Kammerhälften aufgeteilt und mit der zu messenden Gaskomponente gefüllt. Beide Kammerhälften wirken auf einen Membrankondensator. Wird der Strahl in der Meßkammer bei Vorhandensein des zu messenden Gases geschwächt, dann erzeugt das hierdurch entstehende Differenzsignal Druck- und Temperaturschwankungen. Diese rufen konzentrationsabhängige Kapazitätsänderungen am Membrankondensator hervor, die auf einem Gasanzeiger sichtbar gemacht werden können.
Einkanalverfahren mit Referenzempfanger Die Strahlung einer Hg-Dampflampe, gebündelt durch einen Quarzkondensator, gelangt über ein Interferenzfilter zu einem Lichtteiler, in dem die Hälfte des Lichtes zu einem Referenzempfänger abgelenkt wird. Die andere Hälfte des Lichtes fällt durch die Meßküvette. Die Meßküvette wird abwechselnd, programmgesteuert mit einem dem Nullpunkt entsprechenden Inertgas und der zu messenden Gasprobe beaufschlagt. Ein Zweistrahl-F'otometer vergleicht jeweils die beiden Worte Nullpunkt und Meßwert mit dem Wert aus dem Referensompfanger. Wenn die Meßküvette vom Inertgas durchströmt wird, kann ein motorgetriebenes Potentiometer die Meßbrücke zum NuIlpunktabgleich bringen. Die Spül-
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244258t
und Abgleichintervalle sind einstellbar und richten si.h nach einer zu erwartenden Verschmutzung der Küvette (Wasser, Luft und Betrieb 18, 1974).
Ein weiteres bekanntes Infrarotabsorptions— Meßgerät zur Mesrjunq des CO„-Gehaltes in der Ausatemluft arbeitet ohne ein VargL·-j ehr ·· gas im Strahlengang der Lichtquelle, die in diesem Fall eine NiCr-Drahtspirale ist. Das G^rät besitzt zwei Strahlengönge, die sich durch eine wechselseitige Einschaltung eines ßoferonzfilters und eines Analysenfilters unterscheiden. Die Strahlengänge enthalten in der Reihenfolge der Durch—strahlung hinter der Lichtquelle die Meßzelle und dann entsprechend der Schaltungsstellung entweder das Referenzfilter oder das Analysenfilter, und dann anschließend ein Breitoandfilter, das sowohl die Wellenlängen des Referenzfilters als auch des Analysenfilters umfaßt und einen Fotodetektor. Zum Meßgerät gehören dann weitere bekannte Einrichtungen zur Verstärkung der Meßsignale aus dem Fotodetektor, der Synchronschalteinrichtung usw.
Die Meßzelle ist in einem Bypaß zur Ausatemluft angeordnet. Der Nebenstrom der Ausatemluft fließt, bewegt durch eine kleine transistorisierte Pumpe durch kleine Kanäle in die Meßzelle ein und durchströmt deren Querschnitt* Auf der Auslaßseite befinden sich gleiche Kanäle.
Mit dieser Meßzelle ist das Meßgerät im-stande bis zu vierzig
60 98 127 O9A0 BAD or,Ginal ,
Atemhübo je Minute mit einer Durch ί lußra to von O,G l/funut</ zu erfassen.
Das Referenzfilter liegt bei ei nor Wollenlänge? von rund 5 pm, das AnalyscFV il ter bei 4,?f> pm. Das -Ire i tb.-mdf Π lor mit einer Blei-Tellur-Schicht und einer Gl a ssen ich t v>rhj.n ■ dert den Durchgang von Strahlen mit WeI ] enlMngon vor. < 3,75 ;,· ι und ? 5 ;jm.
Die Wollenlänge ücr. ΊΙ··[ erenzf i It or:.; wuido so gowählt., 1I.-^ o. in der Gasprobe, also der Ausn tomluf t. auch bei Arivre-onh'-i t von CO« nicht zu einer Absorption kommt. Die WeI 1 onlängo dr^.· Analysarfilters stimmt jedoch weitgehend mit dem Aboorpl_i.oru.band der zu messenden Substanz übere.in. Die Differenz don M' fir; igruil::. im Fotodetektor ergibt den Meßwert.
In der Praxis wird die für jede Messung notwendige Zeit durch die Zu- und Abfuhr der Ausatemluit mit Ausspülung der Zelle bestimmt. Problematisch ist das Ausspül problem der Zelle. Dazu wurden die über den ganzen Querschnitt verteilten dünnen Kanäle notwendig. Zu einer gleichmäßigen Durchspülung der Zelle kann es jedoch nur kommen, wenn alle Kani.il ο sich in einem sauberen Zustand befinden. (D.W. HILL and R.M. STONE, J. SCI. INSTRUM, 1964, VOL. 4J)
Die oben genannten Vorfahren mit der Tn Γrarotabsorption zur
— 7 —
609812/09A0 BAD original
Messung eines Gases sind für die Bestimmung des Cup-Oc-") ·ι λter> in Atemgasen nachteilig. Die Meßküvetten mit Meßanordnung sind zu groß und schwer um direkt in dem Beatmungskreissystem eingebaut und eingeschaltet zu werden. Auch bei Verwendung der größten Küvetten liegt der Moßgasdurchlaß nicht über ca. 60 l/h. Mit dieser geringen Probenmenge können sie nicht direkt in den Atemgar.s trom eingeschaltet werden. Sie müssen also über einen Oypaß versorgt v/erden. Die durch den 3ypaß verzögerte Ausspülung und Auffüllung der Küvette mit dem zu messenden Atemgas macht eine direkte Überwachung der einzelnen Atemzüge nahezu unmöglich. Die Veränderungen der Zustandsgrößen Druck und Temperatur im Atemluftstrom führt bei den erwähnton Meßverfahren zu Empfindlichkeitseinbußen im.Meßwert. Das Entnehmen einer Gasprobe aus dem Atemkreislauf und Zufuhr über einen Bypaß erfordert einen großen apparativen Aufwand, wenn das Meßergebnis durch andere Einflußgrößen, wie Gasfluß, Lungenelastizität, Hubvolumen u.a. nicht gestört werden soll.
Die Vorwendung von Vergleichsgasnn mit den daraus notwendigen Umsteuerungen machen die Meßgeräte kompliziert und sind doch nur problematische Mil f smittel , um die Elmpfind-1 ichkoi tsänderurujen und Nullpunktvorschiebungen durch die Verschmutzung der Küvetten und Alterung von ,Bauteilen, wie Strahler, Empfänger usw., zu erkennen bzw. auszugleichen.
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Din Aufgabe der Erfindung bestellt in einem Meßverfahren zur verzögerungsfreien Feststellung des kontinuierlichen und endexspiratorischen COp-Gehaltes in Atemgasen, das sicher gegen unbemerkte Meßfehler aus z.B. einer Verschmutzung der Küvette oder Alterung von Bauteilen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus dem Meßwert der im Atemluftstrom angeordneten Meßküvette, aufbereitet in der Signalaufbereitungseinheit, gesteuert durch die Atemphasenerkennungseinheit, in dem Maximalwertspoicher und dem Minimalwertspeicher der jeweilige Maximal- bzw. Minimalwert jeder Atemphase gespeichert wird und diese Werte, gesteuert durch die Atemphasenerkennungseinheit, in der ■Berechnungseinheit dividiert und logarithmiert wegen
I Ausatem.
In
I Einatem.
in der Anzeigeeinheit den endexspiratorischen CO„-Gehalt anzeigen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung liegt der kontinuierliche Meßwert des CO_-Gehaltes jeder Atemphase, in der Berechnungseinheit durch den Minimalwert aus dem Minimalwertspeicher dividiert und logarithmiort, der Ausqangsbuchse an.
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Die mit diesem Verfahren erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß kein Vergleichsgas und keine beweglichen Gerätebau teile benötigt werden. Durch die Anordnung der Meßküvette direkt im Atemluftstrom und der dadurch gesicherten Verwendung der gesamten Atemgasmenge als Probe ist eine verzögerungsfreie, genaue und, weil unabhängig von zusätzlichen Bedingungen eines Bypassesjeine repräsentative und reproduzierbare Messung gesichert. Weitere wesentliche Vorteile ergeben sich nach diesem Verfahren durch die Ausschaltung des Einflusses anderer Gasbestandteile des Atemgases. Außerdem tritt ein kritisches Nullpunktproblem nicht auf.
In der Gasmeßvorrichtung zur Durchführung des Gasmeßverfahrens ist in der Meßküvette ein austauschbares Meßküvettenrohr in einer als stabile Aufwärmanordnung ausgebildeten Halterung, die eine Lichtquelle, ein Linsensystem, ein Interferenzfilter und einen Fotodetektor enthält, angeordnet.
Die mit dieser Ausführung erreichten Vorteile bestehen darin, daß die Vorrichtung durch die möglichen kleinen Abmessungen leicht im Atemluftstrom kurz hinter dem Mundstück ohne Belästigung für den Patienten anzuordnen ist. Das Küvettenrohr ist leicht auswechselbar und erfüllt damit eine für ein medizinisches Gerät unabdingbare
- IO -
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Forderung bezüglich der Sterilität. Es kann nach dom Herausnehmen entweder sterilisiert oder auch durch ein neues ersetzt werden. Das Küvettenrohr ist im Aufbau einfach, enthält keine weiteren für die Funktion notwendigen Einrichtungen, und ist damit billig.
In der Gasmeßvorrichtung zur Durchführung des Gasmeßverfahrens enthält die Meßküvette zwischen der Lichtquelle und dem Interferenzfilter einen Lichtmodulator.
Dieses ist vorteilhaft bei der Verwendung von lichtdurchlässigen Anschlußschläuchen zur Vermeidung von Streulichteffekten.
Die Beschreibung gibt eine klare Darstellung der Rrfindung, in der die Vorteile ohne weitere Ausführungen deutlich werden.
Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 das Blockschema des Gasmeßverfahrens
Fig. 2 den Verlauf des Primär-Signals
Fig. 3 den Verlauf des Steuersignals
Fig. 4 das Steuersignal als Impulssignal
Fig. 5 die Meßküvette
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BAD ORIGINAL
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Die Meßküvette 1 mit dem Küvettenrohr 16, auswechselbar in der Halterung 17, ist unmittelbar vor dem Mund des Patienten zwischen dem Mundstück und dem bekannten Y-Stück in der Atemleitung angeordnet. Das Küvettenrohr 16 besteht aus einem geeigneten infrarotdurchgängigen Kunststoff und ist nur für eine einmalige. Verwendung gedacht. Um Kondensation von Wassertröpfchen auf der Innenseite des Küvottenrohres 16 zu vermeiden, wird dioses durch eine geeignet ausgeformte Halterung 17, die zugleich die Aufwärmanordnung darstellt, beheizt. iJio kann vorzugsweise ein konzentrisches Rohr (andere '"<uc?r— schnittsformen wie z.B. quadratische sind auch denkbar) aus einem PTC-Widerstand sein. Ein PTC-Widerstand ändert seinen Widerstand mit zunehmender Temperatur so, daß bei Temperaturen unter der Schalttemperatur der Widerstand nur schwach mit steigender Temperatur '/.unimmt. Wenn die Temperatur allerdings die Schalttemperatur überschreitet, steigt die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes um ein mehrfaches an. Somit wird eine sehr zuverlässige und einfache Konstanthaltung der Temperatur ermöglicht, wenn der PTC-Widerstand mit einer Konstantspannungsquelle betrieben wird.
Das konzentrische Rohr der Aufwärmanordnuncj 17 (auf ca. 40 C) besitzt Löcher oder Schlitze. In diesen sind eine
SAD ORIGINAL
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infrarotstrahlende Lichtquelle 19, ein Lichtmodulator 20, ein Interferenzfilter 18 (ca 4,25 /am) und ein infrarotempfindlicher Fotodetektor 23 angeordnet, so daß das emittierte Licht das Interferenzfilter 18 und das Küvettenrohr 16 passieren muß, ehe es auf den Fotodetektor 23 fällt. Um den Strahlgang optimal zu bündeln und durch das Küvettenrohr 16 zu leiten, wird ein Linsensystem 26 aus möglicherweise mehreren Linsen verwendet.
Weitere Einzelheiten der Meßküvette 1 sind die Stromversorgung 22, die Lichtquellonhalterung 21 für die Lichtquelle 19, die Halterung 24 für den Fotodetektor 23 und die Signalleitung 25 vom Fotodetektor zur Signalauswertung. Eine Änderung der Lichtintensität bewirkt als Reaktion des Fotodetektors 23 eine direkt proportionale Änderung des Widerstandes des Fotodetektors. Nach dem Lambert-Beer ' sehen Gesetz ist aber die Lichtintensität von der COp-Konzentration in der Meßküvette abhängig:
I: austretende Lichtintensität
I : einfallende Lichtintensität
I = I .e~k*1'c
ο k: Extinktionskoeffizient
1: Lichtweg in dem Küvettenrohr c: COp-Konzentration
Durch die Messung des Widerstandes des Fotodetektors wird ein exponentielles Mass der CO„-Konzentration als Meß-Signal ormltt.nl t. Dan geschieht be ί spiol swoino mit Hilfe einer
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Wheatstonebrücke, aber auch andere Schaltungen sind durchaus denkbar.
Wird durch das Küvettenrohr ein- und ausgeatmet, bekommt das Meßsignal nach Umwandlung in der Signalaufbereitungseinheit 2 ein typisches Aussehen 9 (Fig.2). Die Signalaufbereitungseinheit 2 wandelt die Reaktion des Fotodetektors nach Änderung der Lichtintensität in ein Primär-Signal 28 geeigneter Stärke um.
Während der Einatmungsphase 11 ist kein CCk vorhanden und die Lichtabsorption erreicht ihren Minimalwert 13. Während der Ausatmungsphase 10 steigt die CO„-Konzentration stetig an, um am Ende der Ausatmung ihren Maximalwert 12 anzunehmen. Der Umkehrung zwischen Aus- und Einatmung folgt nach kurzer Verzögerung, bedingt durch die notwendige Ausspülung des Küvettenrohres, ein steiler Abfall des Meßsignales.
Dieser steile Abfall des Meßsignales wird von der Atemphasenerkennungseinheit 5 benutzt und erzeugt daraus ein Signal zur Steuerung des Maximalwertspoichers 3 und Minimalwertspeichers 4. Die Atemphasenorkonnunqseinheit 5 besteht aus einnr Dif f erenzioroi nhoi t, die die zeitliche Ableitung ?9(F-5q.3| des Primär-Signals bildet:. Durch Überlagerung oinor Spannung erreicht man einen eindou tig^n Abzi.ssondurchgang dor zeitlichen Ableitung) der dazu verwendet wird, mit Hilfe eines Komparator:;
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und darauffolgenden monostabilen Multivibrators, ein Impuls-Signal 15 (Fig. 4) su erzeugen.
Mit diesem Impulssignal 15 werden Maximalwertspeicher 3 und
der Minimalwertspeicher 4 so gesteuert, daß diese den jeweiligen Maximalwert 12 bzw. Minimalwort 13 während einer Atomphaijo, Einatmung und Ausatmung, ermitteln, festhalten und nach Ablauf der Ausatmung an die Berechnungseinheit 6 weitorlriten. Die Schaltungen für geeignete Maximalwert- 3 und Minimnlwertspeicher 4 sind Stand der Technik.
In der Berechnungseinheit 6 wird zeitlich kontinuierlich der Quotient zwischen dem Primärsignal 9 und dem gespeicherten
Wert des Minimalwertspeichers 4 gebildet. Das Ergebnis wird
anschließend logarithmiert und stellt den zeitlichen Verlauf der CO„-Konzentration für jode Atemphaso dar.
Es gilt nämlich für das Gasgemisch
* CC02 + kN20 * CN?0
Da in der. Einatemphase c r «=? ο und c.. n in der Einatemphase und Ausatemphase nur unwesentlich voneinander abweichen, ergibt sich nach dor Division:
I Ausatom.
Q
' ? BAD ORIGINAL
I Elnatem.
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und nach der Logarithmierung
I Ausatem.
1 n = - k . c * 1
I Einatorn. ? 2
Das Ausgangssignal dor Logarithmiereinheit ist also
I Ausatom.
In
I Einatem.
Änderungen von I , z.B. hervorgerufen durch Alterung oder Dejustierung der Optik, können al:jo keinen Meßfehler hervorrufen. Die Anwesenheit von N„0 oder anderer sich während der Ein- und Ausatemphase nur unwesentlich in der Konzentration ändernder Gase bewirkt durch dieses Prinzip ebenfalls keinen Meßfehler.
Um den endexpiratörichen Wert der COp-Konzentration festzustellen, wird in der Berechnungseinheit 6 alternativ der Quotient zwischen dem Maximal- 12 und Minimalwert 13 gebildet und anschließend logarithmiert.
Durch physikalische und physiologische Gesetzmäßigkeiten ist der Maximalwert 12 der CO~-Konzentration dem endexpiratiorischen Wert identisch.
Es erscheint sinnvoll, nur diesen endexpiratorischen Wert 1?
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8AD ORIGINAL
anzeigen zu lassen. Dies geschieht in dem Anzeigenteil 7b. Der zeitlich variable COp-Wert kann zu einer Ausgangsbuchse 7a geführt werden, an welche ein Schnellschreiber oder Oszillograph angeschlossen sein kann.
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Claims (4)

Patentansprüche
1) ) Gasmeßverfahren nach dem Prinzip der Infrarotabsorption zur kontinuierlichen Messung des CO_-Gehaltes in Atemgasen unter Verwendung einer Meßküvette mit einer Lichtquelle, einem Interferenzfilter, abgestimmt auf COp und einem Fotodetektor, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Meßwert der im Atemluftstrom angeordneten Meßküvette (1), aufbereitet in der Signaläufbereitungseinheit (2), gesteuert durch die Atemphasenerkennungseinheit (5), in dem Maximalwertspeicher (3) und dem Minimalwertspeicher (4) der jeweilige Maximal- bzw. Minimalwert jeder Atemphase gespeichert wird und diese Werte, gesteuert durch die Atemphasenerkennungseinheit (5), in der Berechnungseinheit (6) dividiert und logarithmiert wegen
I Ausatem. _
^ cC0
I Einatem.
in der Anzeigeneinheit (7b) den endexspiratorischanCOp-Gehalt anzeigen.
2) Gasmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kontinuierliche Meßwert des CO„-Gehaltes jeder Atemphase, in der Berechnungseinheit (6) durch den Minimalwert aus dem Minimalwertspeicher (4) dividiert und logarithmiert, der Ausgangsbuchse (7a) anliegt.
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3) Gasmeßvorrichtung zur Durchführung des Gasmeßverfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßküvette (1) ein austauschbares Meßküvettenrohr (16) in einer als stabile Aufwärmanordnung ausgebildeten Halterung (17), die eine Lichtquelle (19), ein Linsensystem (26), ein Interferenzfilter (18) und einen Fotodetektor (23) enthält, angeordnet ist.
4) Gaßmeßvorrichtung zur Durchführung des Gasmeßvorfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßküvette (1) zwischen der Lichtquelle (19) und dem Interferenzfilter (18) einen Lichtrnodulator (20) enthält.
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DE2442589A 1974-09-05 1974-09-05 Anordnung zur Messung des CO2 - Gehalts in Atemgasen Expired DE2442589C3 (de)

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