DD221839A1

DD221839A1 - INFRARED GAS ANALYZER

Info

Publication number: DD221839A1
Application number: DD26064784A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Wuenschmann; Johannes Mildner; Horst Gampe
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1984-03-07
Filing date: 1984-03-07
Publication date: 1985-05-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gasanalysator fuer die Messung der CO2-Konzentration in der Atemluft eines Patienten bei der Narkose- und Intensivtherapiebeatmung nach dem Zweistrahlverfahren mit monochromatischer Modulation. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Infrarot-Gasanalysator zu entwickeln, der die in der Inspirationsphase der Atmung auftretenden CO2-Anteile erfasst und der direkt im Atemstrom des Patienten angeordnet ist. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass das Schmalbandinterferenzfilter einerseits ueber die mit Fenstern versehene Messkuevette und ueber eine mittels elektromechanischem Antrieb bewegte Blende mit einer thermischen Strahlungsquelle, deren Strahlengang von einem Reflektor gebuendelt ist, und andererseits ueber eine Buendelungseinrichtung mit einem Detektor verbunden ist.The invention relates to an infrared gas analyzer for the measurement of the CO2 concentration in the respiratory air of a patient during anesthesia and intensive therapy respiration by the two-beam method with monochromatic modulation. The object of the invention is to develop an infrared gas analyzer which detects the CO2 components occurring in the inspiratory phase of the respiration and which is arranged directly in the respiratory flow of the patient. The object is achieved in that the narrow-band interference filter is connected on the one hand via the measuring cuvette provided with windows and via an aperture moved by an electromechanical drive to a thermal radiation source whose beam path is curved by a reflector and on the other hand via a bundling device to a detector.

Description

Infrarot-Gasanalysator Anwendungsgebiet der Erfindung:Infrared gas analyzer Field of the invention:

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Gaaanalysator für die Messung der COp-Konzentration in der Atemluft eines Patienten nach dem Zweistrahlverfahren mit monochromatischer Mo- . dulation, mit einer Strahlungsquelle, einer Meßktivette, einem Interferenzfilter, einem Detektor, einer Sammellinse und Elektromagneten·The invention relates to an infrared Gaaanalysator for measuring the COp concentration in the air of a patient after the two-beam process with monochromatic Mo-. dulation, with a radiation source, a Meßktivette, an interference filter, a detector, a condenser lens and electromagnet ·

Der Infrarot-Gasanalysator wird vorzugsweise in der Beatmungsüberwachung während der Narkose- oder Intensivtheräpiebeatmung eingesetzt.The infrared gas analyzer is preferably used in ventilation monitoring during anesthesia or intensive care breathing.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristic of the known technical solutions:

Es sind Einstrahlanalysatoren nach dem Wechsellichtverfahren bekannt, die speziell für die Messung der COp-Konzentration in der respiratorischen Diagnostik eingesetzt werden. Eine Gasmeß vorrichtung ist so aufgebaut, daß in der Meßküvette ' ein austauschbares Meßküvettenrohr in einer als stabile Aufwärmanordnung ausgebildeten Halterung, die eine Lichtquelle, ein Linsensystem, ein Interferenzfilter und einen Fototedektor enthält, angeordnet ist« Die Konstruktion und die Wirkungsweise beruht auf der Tatsache, daß sich der Anteil des CO₂ in derThere are Einstrahlanalysatoren after the alternating light method known, which are used especially for the measurement of COp concentration in respiratory diagnostics. A gas measuring device is constructed so that in the measuring cuvette 'an exchangeable cuvette tube is arranged in a holder designed as a stable Aufwärmanordnung containing a light source, a lens system, an interference filter and a photo-detector, The construction and operation is based on the fact that the proportion of CO ₂ in the

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.-Atemluft", periodisch ändert, wobei in der Exspirationsphase ein Maximum erreicht wird, während der Anteil des COg in der Inspirationsphase vernachlässigbar klein ist. Die Inspirationsphase jedes Atemzuges wird genutzt, um das für die Absolutmessung notwendige Vergleichssignal der Strahlungsintensität bei einer (^-Konzentration gleich Null aus dem gleichen Strahl zu gewinnen (DE-OS 2 442 589)» Nachteilig bei den Einstrahlanalysatoren nach dem Wechsellichtverfahren ist, daß es zu einer unbemerkten Fehlanzeige der COr,-Konzentration kommt, sobald die Bedingung CO_p-freier Inspirationsluft nicht mehr erfüllt ist. Weiterhin sind Zweistrahlanalysatoren mit Selektivmodulation bekannt, die prinzipiell dadurch charakterisiert sind, daß die Meßküvette, in welcher sich das zu analysierende Gasgemisch befindet, alternierend von Strahlen passiert wird, die mittels mehrerer Interferenzfilter auf unterschiedliche Yi/ellenlängenbereiche selektiviert werden, wobei die Strahlen den gleichen Weg durch die Küvette nehmen. Es erfolgt lediglich eine zeitliche Trennung von Meß- und Vergleichsstrahl·Respiratory air "periodically changes, with a maximum being reached in the expiratory phase, while the proportion of COg in the inspiration phase is negligibly small. Concentration equal to zero from the same beam to win (DE-OS 2 442 589) »A disadvantage of the Einstrahlanalysatoren after the alternating light process is that there is an unnoticed false indication of COr, concentration as soon as the condition CO _p -free inspiratory air no longer Furthermore, two-beam analyzers with selective modulation are known, which are characterized in principle by the fact that the measuring cuvette in which the gas mixture to be analyzed is alternately passed by beams which are selected by means of a plurality of interference filter to different Yi / ellenlängenbereiche, wherein the beams the same hen walk through the cuvette. There is only a temporal separation of measuring and reference beam ·

Ein Strahl wird ^auf die Meßwellenlänge selektiviert und der zweite Strahl liegt mit' seiner Wellenlänge außerhalb der Absorptionsbanden des zu analysierenden Gasgemisches» Die Signalverarbeitung kann auf dem Quotientenverfahren beruhen (DD-PS 156 881)οA beam is selected ^ to the measuring wavelength and the second beam is with 'its wavelength outside the absorption bands of the gas mixture to be analyzed »The signal processing can be based on the quotient method (DD-PS 156 881) ο

Eine weitere Möglichkeit besteht darin,,mit Hilfe einer ϊο-dulationseinrichtung und eines pyroelektrischen Detektors eine Differenzbildung yon Meß- und Vergleichssignal bereits im optischen Teil des Analysators zu erreichen (DD-PS 159 367).Another possibility is, with the help of a ϊο-dulation device and a pyroelectric detector difference between the measurement and comparison signal already in the optical part of the analyzer to achieve (DD-PS 159 367).

Die Zweistrahlanalysatoren mit Selektivmodulation sind sehr kostenintensiv, da die verwendeten Interferenzfilter und die weiterhin benötigten optischen Bauelemente kostenbestimmendThe two-beam analyzers with selective modulation are very expensive, since the interference filters used and the further required optical components are cost-determining

Eine weitere Vorrichtung zum Nachweis eines Gasbestandteiles in-einem Probengas enthält eine Strahlungsquelle, die eineAnother device for detecting a gas component in a sample gas contains a radiation source, the one

Strahlung mit Wellenlängen in einem ausgewählten Spektralbereich abgibt, einen Detektor, der die Strahlung in dem ausgewählten Spektralbereich nachweist, eine Anzahl von Referenzzellen, von denen jede ein Referenzgas enthält und deren Anteil an dem nachzuweisenden Probengaa bekannt ist, eine Probenzelle, die eine Menge des Probengases mit dem nachzuweisenden Gasbestandteil enthält, eine Vorschubeinrichtung, die die Referenzzellen und die Probenzelle nacheinander in den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor einführt und der Detektor auf die einfallende Strahlung anspricht, wenn eine der Referenzzellen oder die Probenzelle sich in dem Strahlengang befinden und eine Anzahl von Detektorausgangssignalen erzeugt, deren Amplitudenwerte abhängig von der Menge des Probengases sind, das sich in den Referenzzellen bzw« der Probenzelle befindet und diese Signale zum Nachweis der COo-Konzentration des Gasbestandteiles in dem Probengas dienen (DE-OS 2 6o4 381). Die Zweistrahlanalysatoren mit monochromatischer Modulation sind meist mit Chopperrädern in Form von Lochblenden oder Filterrädern ausgestattet, die einem relativ schnellen Verschleiß und einer gewissen Lage- und Vibrationsabhängigkeit unterliegen·Emitting radiation having wavelengths in a selected spectral range, a detector detecting the radiation in the selected spectral range, a number of reference cells, each containing a reference gas and having a known fraction in the sample gasa to be detected, a sample cell containing an amount of the sample gas containing the gas component to be detected, a feeding device which successively introduces the reference cells and the sample cell into the optical path between the radiation source and the detector and the detector responds to the incident radiation when one of the reference cells or the sample cell is in the optical path and a number generated by detector output signals whose amplitude values are dependent on the amount of the sample gas, which is located in the reference cells or the sample cell and these signals for detecting the COo concentration of the gas constituent in the sample gas are used (DE-OS 2 6o4 381). The two-beam analyzers with monochromatic modulation are usually equipped with Chopperrädern in the form of pinhole or filter wheels, which are subject to relatively rapid wear and a certain positional and vibration-dependent ·

Ziel der Erfindung:Object of the invention:

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Infrarot-Gasanalysator zu entwickeln, der auf dem Infrarot-Absorptionsprinzip beruht, der auf periodisch bewegte Elemente zum Zweck des Vergleiches zwischen Meß- und Vergleichskanal verzichtet, der über eine hohe zeitliche Stabilität verfügt und der kompakt in seinem Aufbau und dabei kostengünstig herstellbar ist· 'The object of the invention is to develop an infrared gas analyzer, based on the principle of infrared absorption, which dispenses with periodically moving elements for the purpose of comparison between measuring and reference channel, which has a high temporal stability and compact in his Structure and thereby inexpensive to produce · '

Darlegung des Wesens der Erfindung:Explanation of the essence of the invention:

E¹S:ist Aufgabe der Erfindung, einen Infrarot-Gasanalysator zu schaffen, der die in der Inspirationsphase der Atmung auftretenden GO₂-Anteile erfaßt und der direkt im Atemstrom des Patienten eingesetzt werden kann. ·E ¹ S: It is an object of the invention to provide an infrared gas analyzer which detects the GO ₂ components occurring in the inspiratory phase of the respiration and which can be used directly in the respiratory flow of the patient. ·

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Intensitätsmodulation der Infrarot-Strahlung durch eine Modulation der elektrischen Leistung der Strahlungsquelle zu realisieren, TErfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schmalbandinterferenzfilter einerseits über die mit Fenstern versehene Meßküvette und über eine mittels elektromechanischen! Antrieb bewegte Blende mit einer thermischen Strahlungsquelle, deren Strahlengang von einem Reflektor gebündelt ist, und andererseits über eine Bündelungseinrlchtung mit einem Detektor verbunden ist. Der Strahlengang der thermischen Strahlungsquelle kann durch einen Meßkanal über die Meßküvette zum"" Schmalbandinterferenzfilter oder durch einen Vergleichskanal direkt zum Schmalbandinterferenzfilter gerichtet sein. Dabei kann die von Steuerimpulsen bewegte Blende den Meßkanal oder den Vergleichskanal in zeitlich wählbaren Abschnitten öffnen.Furthermore, it is an object of the invention to realize the intensity modulation of the infrared radiation by a modulation of the electric power of the radiation source, according to the invention, the object is achieved in that the narrow-band interference filter on the one hand via the measuring cuvette provided with windows and a means of electromechanical! Drive moving aperture with a thermal radiation source, whose beam path is focused by a reflector, and on the other hand is connected via a bundling Einrichtseinrlchtung with a detector. The beam path of the thermal radiation source can be directed through a measuring channel via the measuring cell to the narrowband interference filter or through a comparison channel directly to the narrow band interference filter. In this case, the aperture moved by control pulses can open the measuring channel or the comparison channel in time-selectable sections.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Die erfindungsgemäße Lösung soll anhand einer Zeichnung und eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Wie in Fig. dargestellt, besteht der Infrarot-Gasanalysator aus einer thermischen Strahlungsquelle 1, einem Reflektor 2, einer Blende 3» welche mit elektromechanischem Antrieb 4 bewegt wird, einer Meßküvette 5, welche mit zwei Fenstern 6 versehen ist, einem Schmalbandinterferenzfilter 7, einer Bündelungseinrichtung 3 und einem Detektor 9.The solution according to the invention will be explained in more detail with reference to a drawing and an embodiment. As shown in Fig., The infrared gas analyzer consists of a thermal radiation source 1, a reflector 2, a diaphragm 3 "which is moved by electromechanical drive 4, a measuring cell 5, which is provided with two windows 6, a narrow-band interference filter 7, a Bundling device 3 and a detector 9.

Da3 Schmalbandinterferenzfilter 7 ist einerseits über die mit Fenstern 6 versehene Meßküvette 5 und über die mit elektromechanischem Antrieb 4 bewegte Blende 3 mit der thermischen Strahlungsquelle 1, deren Strahlengang von dem Reflektor 2 gebündelt ist, und andererseits über die Bündelungseinrichtung mit dem Detektor 9 verbunden.The narrow-band interference filter 7 is connected on the one hand via the measuring cuvette 5 provided with windows 6 and via the diaphragm 3 moving with electromechanical drive 4 to the thermal radiation source 1 whose beam path is focused by the reflector 2 and on the other hand to the detector 9 via the bundling device.

Die thermische Strahlungsquelle 1, die durch einen impulsförmigen Strom gespeist wird, emittiert Infrarot-Strahlung, deren Intensität durch den Impulsstrom moduliert ist.The thermal radiation source 1, which is fed by a pulse-shaped current, emits infrared radiation whose intensity is modulated by the pulse current.

Der vom Reflektor 2 gebündelte Strahlengang gelangt, abhängig von der durch den elektromechanischen Antrieb 4 bewegten Blende 3,The bundled by the reflector 2 beam path passes, depending on the moving through the electromechanical drive 4 aperture 3,

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entweder durch dem Meßkanal über die Meßküvette 5 zum Schmalbandinterferenzfilter 7 oder durch einen Vergleichskanal direkt zum Schmalbandinterferenzfilter 7. Die selektivierte Strahlung, die aus dem Schmalbandinterferenzfilter 7 austritt, wird von der Bündelungseinrichtung 8 auf die Fläche des Detektors 9 gerichtet, der eine Ausgangsspannung abgibt.either through the measuring channel via the measuring cell 5 to the narrow band interference filter 7 or through a comparison channel directly to the narrow band interference filter 7. The selective radiation emerging from the narrow band interference filter 7 is directed by the bundling device 8 on the surface of the detector 9, which outputs an output voltage.

Die Strahlung passiert während der Zeit t- die Meßküvette 5, durch welche das Atemgas strömt, und fällt über die Bündelungseinrichtung 8 auf den Detektor 9, dessen Ausgangsspannung der weiteren Signalverarbeitung (nicht gezeichnet) zugeführt wird. Während einer Zeitdauer tp, deren Beginn und Ende nach einem wählbaren Programm gesteuert wird, schließt die Blende 3 den Meßkanäl und öffnet den Vergleichskanal· Die Strahlung passiert diesen Vergleichskanal, der COg-freie Luft enthält, und fällt auf den Detektor 9· Dabei kann der Vergleichskanal durch ein oder ,mehrere Referenzelemente (nicht gezeichnet) gebildet'werden. Die vom Detektor 9 während der Zeit tp abgegebene Ausgangsspannung wird in einem elektronischen Speicher (nicht gezeichnet) festgehalten und als Referenzsignal verwendet. Die Ermittlung des Referenzsignals aus dem Vergleichskanal erfolgt vorzugsweise während der Inspirationsphase. Dabei kann die Zeitdauer tJ viel kleiner als die Zeit t₁ sein.The radiation passes during the time t- the measuring cell 5, through which the breathing gas flows, and falls on the bundling device 8 on the detector 9, the output voltage of the further signal processing (not shown) is supplied. During a period of time tp whose start and end are controlled according to a selectable program, the shutter 3 closes the measuring channel and opens the comparison channel. The radiation passes through this comparison channel, which contains COg-free air, and falls onto the detector 9 Comparative channel by one or more reference elements (not shown) are formed '. The output voltage delivered by the detector 9 during the time tp is recorded in an electronic memory (not shown) and used as a reference signal. The determination of the reference signal from the comparison channel is preferably carried out during the inspiration phase. In this case, the time duration tJ can be much smaller than the time t ₁ .

Die Meßküvette 5 ist als Durchflußküvette gestaltet und direkt im Atemstrom angeordnet. Die Fenster 6 der Meßküvette 5, welche aus einem infrarotdurchlässigen Material gefertigt sind, werden auf ca. 4o°C erwärmt, um die Kondensation von Wassertröpfchen aus der Respirationsluft zu vermeiden.The measuring cuvette 5 is designed as a flow cell and arranged directly in the respiratory flow. The windows 6 of the measuring cuvette 5, which are made of an infrared-transparent material, are heated to about 4o ° C in order to avoid the condensation of water droplets from the respiratory air.

Die Signalverarbeitung kann nach Verstärkung und Gleichrichtung analog oder digital erfolgen. In beiden Fällen wird das Quotientenverfahren zugi'undegelegt, um Drifterscheinungen der Strahlungsquelle 1, des Detektros 9 und des Verstärkers (nicht gezeichnet) aus dem Meßergebnis zu eliminieren. Während der Zeitdauer t«, in der der Vergleichskanal geöffnet ist, gibt der Infrarot-Gasanalysator an seinem Ausgang keine Spannung ab. Damit ist es möglich, eine automatische Nullpunktkorrektur vorzunehmen und evtl. auftretende CC^-Pegel während der Inspirationsphase zu erkennen.The signal processing can be done after amplification and rectification analog or digital. In both cases, the quotient method is used to eliminate drift phenomena of the radiation source 1, the detector 9 and the amplifier (not shown) from the measurement result. During the time t "in which the reference channel is opened, the infrared gas analyzer outputs no voltage at its output. This makes it possible to perform an automatic zero point correction and to detect possibly occurring CC ^ levels during the inspiration phase.

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Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Freigabe des Strahlenweges durch den Vergleichskanal in mehreren Schritten gemäß vorgegebenem Zeitprogramtn zur Kalibrierung des Nullpunktes und des Übertragungsfaktors erfolgen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Vergleichsdämpfung zum Zwecke der Kalibrierung des Übertragsungsfaktors durch eine geänderte Betriebsweise der Strahlungsquelle 1 während der Zeit des abgeblendeten Meßkanais und der Durchetrahlung des Vergleichskanals realisiert werden kann.Furthermore, it is advantageous that the release of the beam path through the comparison channel in several steps according to predetermined Zeitprogramtn for calibration of the zero point and the transmission factor can be done. A further advantage is that a comparison attenuation for the purpose of calibration of the transmission factor can be realized by a changed operation of the radiation source 1 during the time of the dimmed Meßkanais and the radiation through the comparison channel.

Claims

Invention claim:

1. Infrared gas analyzer for the measurement of COg concentration in the respiratory air of a patient by the two-beam method with monochromatic modulation, with a radiation source, a cuvette, an interference filter, · a detector, a condenser lens and electromagnets, characterized in that the Narrow-band interference filter (7) ^ on the one hand via the measuring cuvette (5) provided with pens (6) and over one diaphragm (3) moving by means of electromechanical drive (4) With a thermal radiation source (1) whose beam path is focused by a reflector (2) , and on the other hand via a bundling device (8) to the detector (9) is connected. /

2. Infrared gas analyzer according to item 1, characterized in that, the beam path of the thermal radiation source (1) through a Ivüeßkanal on the measuring cuvette (5) to the narrow band interference filter (7) or through a comparison channel directly to .Schmälbandinterferenzfilter (7) is directed.

3. Infrared gas analyzer according to item 1 and 2, characterized in that the measurement channel or the reference channel in temporally selectable, sections is opened by the moving of control pulses aperture (3).

For this 1 sheet drawing