CN1222766C - 用于确定气体中二氧化碳浓度的气室 - Google Patents

Abstract

一种气室(1)，其包括一用于所选择的气体容积的空腔(10)，一光源(11)，及一光束接纳单元(12)。该光源(11)定位在与形成光源(11)的反射器及空腔(10)的第一限定表面的部分椭圆镜像表面(13)相关的焦点(F)上。另外两个空腔限定表面包括从镜像表面(13a、13b)的端部(13a’、13b’)定向的气体导通表面(14a、14b)。光束接纳单元(12)放置在与该部分椭圆表面(13a、13b)相关的第二焦点(F’)上。

Description

用于确定气体中二氧化碳浓度的气室

技术领域

本发明主要涉及一种气室，更特别地涉及一种用于二氧化碳的气室，其包括一用于接纳要化验的一定气体量的空腔、一光源和一也称作检测器的光柱或光束接纳单元。

用于二氧化碳的气室是指这样一种气室，其中一光源将产生成束的光线，通过沿空腔中光学测量路径末端光束通过过程中吸收光谱测定而由存在于空腔中的气体对光束进行作用，使检测器能够确定二氧化碳和/或气体混合物中二氧化碳的现有浓度。

用于二氧化碳的气室包括一用于空腔的光源，该光源位于形成第一空腔限定表面的部分椭圆镜像表面的焦点上。

更特别地，本发明涉及一种小型化的气室，它能够通过吸收光谱测定法确定封存于小容积空腔中少量气体样品中二氧化碳的存在和/或二氧化碳的浓度。

本发明的开发是能够在呼吸循环的结束阶段确定的少量的呼出气体中二氧化碳的含量(测量值)，并寻找手术后的监测过程中的适当应用。

背景技术

长久以来已经知道，结合吸收光谱测定法，使用电磁波，特别是频率在红外范围的光线的光柱或光束(组)，使上述光柱或光束经过一光学测量路径末端，设置成由一检测器接纳这些光柱。

在基于吸收技术的气体传感器的情况下，应允许光柱穿过封存于一气室的空腔中的气体样品，其中所选择的给定量的气体将受到光线的依赖于频率的吸收。

为此，一检测器适于检测针对目前在空腔中的气体或气体浓度的光柱的频谱，并可通过评价所检测的光柱相对于入射光柱所选择强度的强度，以及存在于空腔中的气体相对于有关的光或电磁波长的吸收系数，确定气体或气体浓度。

气室中的空腔通常由至少一个第一和一个第二部件构成，它们的内表面分别被处理以提供强烈反射入射光柱的表面。

通常这种处理包括用一层或多层金属涂覆上述内表面，最后涂覆的金属层形成反射表面。

选择用于该涂覆工艺的金属和方法取决于所期望的表面的光学质量，这些表面提供的反射将供给这些光波长。气室的本体中的材料也应考虑进来。

作为示例，在国际专利申请PCT/SE96/01448，公开号No.WO97/10460以及国际专利申请PCT/SE97/01366，公开号No.WO98/09152中提到了目前的技术观点，并描述和图示了气体传感器。

下面专利申请的内容也可以认为属于与本发明技术领域相关的现有技术。

D1：US-A-5170064

该公开文件图示和描述了一种气体分析器，特别是用于确定一种或多种气体的即时和当前浓度的分析器。

该分析器包括一包含一空腔的本体，该空腔包括一椭圆形光反射表面。

该表面设计成限定两个焦点。

为此，设有一用于封存一定量的要测量或化验的气体的腔室2，上述腔室2具有一选择的高度尺寸，和一腔室4，用于封存惰性气体且高度等同于腔室2的高度的一半。

还包括另一腔室3，用于封存一参照气体，其中该另一个腔室的高度等于腔室4的高度。

在该现有申请中还提出，辐射源24应放置在第一焦点11上，而两个辐射检测器26、27应位于第二焦点12上。

每个辐射检测器26、27被分配其相应的腔室，其中一个腔室用于惰性气体，而另一个腔室用于作为参照的气体。

该分析器还包括在上壁部件14a与下壁部件14b之间形成气密连接的隔壁17、18或窗口，以及用于起将腔室3、4彼此分开作用的隔壁16。

腔室2包括允许要化验或测量的气体通过腔室2的孔15。

相比于焦点11，隔壁17、18明显地更靠近焦点12，从而产生一测量容积相对较大的测量腔室12。

D2： US-A-4254910

该公开文件图示和描述了一种用作灰尘指示器的结构，其能够测量小颗粒气体的存在，这些颗粒是固态或者液态。

在这种情况下，具有所选择波长的集中且基本上平行的光柱1被导引通过封存要分析的气体的测量腔室2。

光柱由向内导引的反射椭圆和圆柱反射器4封存，从而使光柱与一焦轴B1重合。

在上述反射器的另一焦轴B2上设有一光敏传感器6。

该结构还包括一部件7，该部件7允许正被分析的气体通过而进入测量腔室，上述部件可以是任何需要的形状，且检测器6可设置在上述壁部件中的开口中。

特别提出的是，上述部件7的内表面应当是不反射的。

发明内容

技术问题

当考虑到本领域中技术人员为了提供他/她遇到的一个或多个技术问题的解决方案而必须进行的技术思考，将看到，一方面必须一开始就认识到为此必须采取的措施和/或措施的顺序，而另一方面要认识需要哪些手段来解决一个或多个上述问题。基于此，将明白，下面列出的技术问题与本发明的开发密切相关。

当考虑上述现有技术的目前状态时，将看到，一个技术问题在于提供一个用于二氧化碳的气室，且包括一适于所选择的少量气体的空腔，并包括一光源和一检测器，该检测器构造成可有利地用于非常少量气体，例如小于100微升的容积。

还将看到，一个技术问题在于借助于简单的装置来创造条件，能够可靠地确定在非常小的有用的气体容积中二氧化碳的浓度，因而能够确定在儿童和小动物，如老鼠的呼出空气中二氧化碳的浓度。

还将看到，一个技术问题在于创造条件，其还能够在新生儿的呼吸循环的最终阶段确定二氧化碳含量。

另外，在现有气体容积非常小的情况下，一个技术问题在于偏转而确定上述气体中如此小部分的二氧化碳含量，以允许上述小部分自由释放到环境气体中，从而降低该过程中使用的气体部分返回隐含的传染危险。

另一个技术问题是认识与在限制的测量腔室中的短光学测量路径末端的使用有关的重要性和优点之一，以便创造条件，其能够给上述测量末端一个足够的长度，以使检测器能够确定气体中二氧化碳的浓度。

在用于确定气体中的二氧化碳含量的上述类型气室的情况下，将看到，一个技术问题在于认识下列事实的重要性，即光源可放置于一个或多个部分椭圆反射镜像表面的焦点上，且使上述镜像表面形成一第一空腔限定表面，而另外一个或两个空腔限定表面应包括从上述镜像表面的端部朝检测器取向的气体导通表面。

另一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，将检测器(或接纳光束的单元)放置在与部分椭圆镜像表面相关的第二焦点上。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，将第二限定表面用于直接连接上述镜像表面的端部。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，将相对于镜像表面的椭圆形状的长轴和短轴之比设定在4∶1到2∶1之间，如2.5∶1。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，使该气室空腔由相互平行的平面限定。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性，使上述平面之间的距离大致等于在光源中包括的白炽灯丝的选择长度。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性，一与空腔相关的第一板包括一用作光源保持器的凹槽，该板可包括一用作检测器的保持器的凹槽，并在上述保持器之间的板上形成上述空腔。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性，将一片件施加到上述板上，并在上述片件上提供一气体发送开口和一气体排放开口。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，借助于一第二和一第三板将上述第一板与一个或多个片件保持在一起，并向上述第二板分别设有相应的气体供应和气体排放连接部。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，根据要求通过光源与检测器之间的椭圆形镜像表面获得4到20毫米的光学测量路径末端。

又一个技术问题在于提供一用于二氧化碳的气室，其中空腔具有小容积，例如30微升到100微升的容积，如40-60微升。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，测量空腔中二氧化碳气体的速度，从而获得每秒钟1到50次的气体交换。

又一个技术问题在于认识下列事实的重要性，根据所涉及的应用改变气体的速度，选择一个能够以每秒钟5到10次变换气体的速度。

此外，将看到，又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，建立一个基本概念，即尽可能减小测量容积，从而能够快速改变上述测量容积，从而不仅通过由椭圆表面反射的光，而且通过限定测量腔室体积的相互平行的上下反射表面，用足够长的测量路径末端和高的光线强度，获得短的测量周期。

将看到，又一个技术问题在于认识下列事实的重要性和优点，使平行的反射表面之间的距离对应于，或至少略微超过所使用的白炽灯丝的总长度，作为目前技术情况下的示例，该长度约为1.5毫米。

技术方案

本发明提供一种用于确定气体中二氧化碳浓度的气室，其包括一用于容纳所选择的气体容积的空腔，一光源，及一用于接纳光束的检测器，其中该光源设置成使其白炽灯丝位于部分椭圆镜像表面的焦点上，部分椭圆镜像表面作为光源的半椭圆形式的反射器并形成空腔的第一空腔限定表面，该空腔的第二限定表面与部分椭圆镜像表面的端部连接，所述检测器位于与该部分椭圆镜像表面延伸成完全椭圆形相关联的第二焦点上。

为了解决一个或多个上述技术问题，根据本发明，建议该空腔由平行的平面限定，其中上述平行平面之间的距离应对应于光源中的白炽灯丝的长度。

通过在本发明构思范围内的实施例，提出上述限定或划界表面用于与上述镜像表面的端部直接连接。

根据本发明还提出，该部分椭圆镜像表面的椭圆形的长轴与短轴之比在4∶1到2∶1之间范围内，如约2.5∶1。

根据本发明还提出，该气室包括第一板，该第一板包括一用作光源保持器的第一凹槽和用作检测器保持器的第二凹槽，且空腔形成于这些保持器之间。

根据本发明还提出，一个包括一气体发送入口和一气体排放出口的片件被施加到第一板上。

还提出，该气室包括用于将上述第一板和一个或多个片件保持在一起的第二和第三板，，其中上述第二板设有包括气体供应和气体排放连接部。

还提出，通过部分椭圆镜像表面，一光学测量路径末端在光源和检测器之间具有4到20毫米的长度。

还提出，空腔的容积优选地为30微升到100微升，如在40到60微升之间。

含有二氧化碳并将在空腔中分析的气体可适于以每秒钟1到50次的速度被更换。

在某些情况下，该速度应能够实现气体每秒钟5到10次的交换。

优点

主要与用于二氧化碳的气室相关的并具有本发明的显著特征的这些优点在于，提供了用于获得非常小容积空腔的条件，同时还提供了具有足够长度的光学测量路径末端，以能够用该气室确定在上述空腔中存在的小体积气体混合物中二氧化碳的存在和/或确定二氧化碳的浓度。

本发明能够在这种小体积中评价小动物，如老鼠，和婴儿，如新生儿的呼出空气中二氧化碳的浓度，因而不必将用于测量目的的气体体积返回。

本发明仅在呼吸循环的结束阶段测量呼出空气中的二氧化碳含量(约占5％的体积)。

附图说明

现在通过举例并参照附图对用于二氧化碳并具有本发明显著特征的气室进行详细描述，其中：

图1示出一适于与设计成用于儿童的呼吸系统连接的二氧化碳的气室；

图2是一方框图，表示用于确定二氧化碳的即时浓度和/或由平均值确定的二氧化碳浓度；

图3是用于二氧化碳的气室的示意性平面图；

图4是图3中所示的气室的透视图；

图5是用于二氧化碳的气室的原型结构的分解视图；

图6是用于二氧化碳的气室的透视图，示出处于组装和集成状态下且用于安装在一印刷电路板或卡上的单元；

图7是图4、5和6中所示的包括白炽灯丝和检测器的气室的剖视图；

图8是具有所选择的优化的空腔高度的白炽灯丝的检测器视图；

图9是具有所选择的多余可延展空腔高度的白炽灯丝的检测器视图。

具体实施方式

图1示意性示出一用于二氧化碳的气室1，该气室1用于确定儿童2的呼出空气中的二氧化碳的浓度。

呼出气体应经过气体通道2a，穿过管道系统3a到达呼吸装置3(未图示)。

一呼吸罩5连接到该管道系统或软管3a。

气室1可以图2中所示的方式与一中央处理单元6成一整体。

图1中所示单向阀可方便地用一泵4’代替，如箭头所示，该泵4’将要分析的气体体积从管道系统3a吸出到大气中。

下面详细描述图2中所示的回路布置。

该系统可构造成仅确定在呼吸循环的最后阶段呼出气体的二氧化碳含量。

参照图3、4、5和6，示出有一用于确定气体中二氧化碳浓度的气室1，上述气室包括一用于容纳所选择气体量的空腔10，一光源11，和一用于分别接纳成束或成组的光线11a、11a’和11b、11b’的单元或检测器12。

光源11设置成使其白炽灯丝位于一部分椭圆镜像表面13的焦点F，在所示情况下，如图中所示，该椭圆镜像表面13包括两部分，一部分椭圆镜像表面，即上部13a和一部分椭圆镜像表面，即下部13b。

更具体地，部分椭圆镜像表面13a、13b用于形成一在按照图3所示的平面中的半椭圆形式的反射器。

形成上述反射器的部分椭圆镜像表面13a、13b一起形成空腔10的一第一限定或划界表面。

空腔的两个第二限定表面14a、14b包括两个从部分椭圆镜像表面13a、13b的端部彼此会聚的表面。

第二限定表面14a、14b主要用作气流导通表面，图3中所示的会聚形式用于使空腔10容积最小。

如果能够接受容积更大的空腔，则不会阻止按照图3中虚线所示的椭圆形状形成第二限定表面14a、14b，或者给出更大的尺寸。

这些表面最好没有光反射性质，而是具有光吸收性质；上述表面在某些应用中肯定没有光反射性质。

检测器12位于与椭圆镜像表面13延伸成完全椭圆形相关联的第二焦点F’。

第二限定表面更特别地适于直接连接到或连续连接到镜像表面的端部13a’、13b’。

分配的椭圆形的长轴“a”和短轴“b”之比理论上可以很大，虽然相对于光源11的外部尺寸和白炽灯丝的长度以及由于有利的偏好造成的限制，检测器12只接纳在±30°角度范围内入射的光线，实践中它意味着包括部分椭圆镜像表面13a、13b的椭圆形的比率“a/b”应选择为位于4∶1至2∶1之间，如约2.5∶1。

在图5中，空腔10由平行的平面限定，其中上述平面之间的距离选择成对应于光源中白炽灯丝的长度。该长度可在约1.5毫米的数量级。

白炽灯丝将取向为在焦点F处对中并垂直于图3所示的平面。

相对于第一板41设有一用作光源11的保持器的第一凹槽42的原型来讲，特别推荐的是该板41设置一用作检测器12的保持器的第二凹槽43，且空腔形成于上述保持器之间，从而使白炽灯丝对中地放置在焦点F处，而检测器12对中地放置在焦点F’处，气体的发送和排放也指向这些焦点。

参照图5，所示的原型包括一片51，该片51能够施加到板41上，并包括相应的气体供应源52和气体排放凹槽或开口。

布置一第二板53和一第三板54将上述第一板41和一个或多个片51保持在一起，且第二板53分别设有相应的气体供应和气体排放连接部55和56。图5的分解视图试图表示，相对于只包括两个部件的气室，图5中选择的某些部件可集成或分派到一个部件或一个功能块上，而其它部件可集成或分派到第二部件或功能块上。

光源11与检测器12之间的光学测量路径末端，经过相应的部分椭圆镜像表面13a和13b，将具有4到20毫米的长度。

光学测量路径末端通过已经由部分椭圆镜像表面13a反射的直接发射光束11a图示为光束11a；还示出了与光束11b、11b’相关联的另一测量路径末端。

因此图3-6中所示的尺寸明显加大。

空腔10应具有从30微升到100微升的体积容量，如40到60微升之间。

空腔10中要分析的气体相对于其二氧化碳含量运行的速度使该气体能够每秒钟更换或交换1到50次。

在某些情况下，气体速度可适于使该气体每秒钟更换或交换5到10次。

这可通过控制图1中的泵4’来实现。

图6是用于二氧化碳测量的两部分气室的透视图。该气室沿线61分开，并包括接头55、56以及用于光源11的开口42。该气室还设有连接管线，用于将能量供应到光源，并用于评价来自检测器的信号。

图2中所示的方块图包括一传感器单元100，该传感器单元100可看作是图1中所示的气室1和中央处理单元6的整体部分。

该传感器可方便地包括一在基于对测量气室的空腔中存在的气体混合物的光谱分析的国际专利申请PCT/SE96/01448(SE95 04020-0)或者国际专利申请PCT/SE97/01366(SE96 03109-1)中更清楚地描述和图示的结构。

由传感器101发送的原始数据例如在电路112中接受一调适信号处理过程。该信号处理过程可包括动态过滤、温度调节或温度补偿、线性化和/或校准。

将代表所测量的CO2浓度的即时值的信号，如末端涨落值，在一线112a上输送。

该信号被输送到一电路113，电路113通过线113a上的一控制信号来指示用于所选择的顶值或上值的设定阀值，并通过线113b上的一控制信号来指示用于所选择的下值的设定阀值。

因此可在电路113中对即时值进行比较，且当上述即时值超过一设定值时，通过线113c起动一紧急报警单元，而当即时值低于一设定值时，通过线113d起动一紧急报警单元。

线112a上与二氧化碳浓度相关的值和/或其它与病人有关的信号值在电路114中进行处理，且在电路115中通过线114a上的一调适信号，将上述值与一用于呼吸频率的设定阀值进行比较。

线113c、113d和115a上以报警标记形式的信号在一发送器110中用线112b上的即时CO2浓度进行调整，线110a、110b上承载的其它气体的测量值也可施加到该发送器110上。

发送器110现在能够将所获得的信息无线发送到中央单元中的接收器，其中可以对由若干可连接和已连接的传感器单元100指示的标记状态进行比较。

发送器110可设置用于与紧急状况有关的报警信号、声音和/或光学信号的报警电路，以及用于与环境相关的报警信号、声音和/或光学信号的报警电路。

前面已经提到，检测器12主要用于接纳落入±30°角度范围内的光线。

在某些应用中，可适当地使第二限定表面14a、14b具有光吸收结构，如微结构。相似地，表面部分10’可以具有光吸收结构，以防止在该角度范围之外的干扰光线的进入。

图3中邻近相应的各焦点F和F’示出了气体的供应和排放。

但不会阻止将反射部分椭圆镜像表面13a、13b分成气体供应和/或气体排放点设置于其间的若干部分，并将第二限定表面14a、14b分成气体入口和/或气体出口点设置于其间的若干部分。

底面10a和顶面可穿孔，以允许气体以直角通过图3中的平面。

图7是根据图4、5和6的气室的剖面图，并示出空腔10、白炽灯丝和检测器12。

所示的实施例包括一底面10a和一顶面10b，上述表面为平面且相互平行，并用于反射入射光线。

所用的表述“平行”还应当理解为包括略微不同于平行的相互面对的表面。

从图7中将看到，白炽灯丝“G”具有一略短于表面10a和10b之间距离的长度。

白炽灯丝的长度以及所选择的表面10a、10b之间的距离对于本发明很重要。

图8示出在表面10a、10b之间一选择的最佳空腔高度上的检测器视野或检测器视野范围12’。

从此可以看出，由白炽灯丝“G”发出的直接作用光束G1相对于检测器12的视野12’的范围对中，且由表面10a、10b反射的光束G2、G3刚好位于光束G1的上方和下方，并能够与之一起获得最佳的光强度。

如从图9中可以明白的，当上述距离过大时，反射的光束G2和G3将位于视野12’的范围之外。

为此，采取措施使相对于表面10a、10b，被反射的光束G2和G3在上述视野的范围中将略微与光束G1侧向相关，这在本发明的范围内。

由此可以清楚，光反射表面10a、10b之间的距离应选择为至少基本上对应于白炽灯丝的实际长度这种说法还包括略短于(或大于)上述距离的灯丝长度。

尽管针对确定气体中的二氧化碳含量的应用对示例性实施例进行了描述，但该气室还可用于其它应用。

可以理解，本发明并不限于上述描述和图示的其示例性实施例，在由附属权利要求公开的本发明范围中可进行修改。

Claims (11)

1.一种用于确定气体中二氧化碳浓度的气室，其包括一用于容纳所选择的气体容积的空腔(10)，一光源(11)，及一用于接纳光束的检测器(12)，其中该光源(11)设置成使其白炽灯丝位于部分椭圆镜像表面(13)的焦点(F)上，部分椭圆镜像表面(13)作为光源(11)的半椭圆形式的反射器并形成空腔(10)的第一空腔限定表面，该空腔(10)的第二限定表面(14a、14b)与部分椭圆镜像表面(13)的端部(13a’、13b’)连接，所述检测器(12)位于与该部分椭圆镜像表面(13)延伸成完全椭圆形相关联的第二焦点(F’)上，其特征在于，该空腔(10)由平行的表面限定，其中上述表面之间的距离选择成对应于光源中白炽灯丝的长度。

2.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，该部分椭圆镜像表面的椭圆形的长轴与短轴之比在4∶1到2∶1之间范围内。

3.根据权利要求2所述的气室，其特征在于，该部分椭圆镜像表面的椭圆形的长轴与短轴之比是2.5∶1。

4.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，其包括第一板，上述板包括用作光源保持器的第一凹槽和用作检测器保持器的第二凹槽；和空腔形成于这些保持器之间。

5.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，一个包括一气体发送入口和一气体排放出口的片件被施加到第一板上。

6.根据权利要求5所述的气室，其特征在于，该气室还包括用于将上述第一板和上述片件保持在一起的第二和第三板；其中，上述第二板设有包括气体供应和气体排放连接部。

7.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，通过部分椭圆镜像表面，一光学测量路径末端在光源与检测器之间具有4到20毫米的长度。

8.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，空腔的容量为30微升到100微升。

9.根据权利要求8所述的气室，其特征在于，空腔的容量为40到60微升之间。

10.根据权利要求1所述的气室，其特征在于，在上述空腔中的运行的要分析的含有二氧化碳的气体适于以每秒钟1到50次的速度被更换。

11.根据权利要求10所述的气室，其特征在于，所述速度能够使气体以每秒钟5到10次地被更换。

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