DE10047728B4

DE10047728B4 - Infrarotoptischer Gasanalysator

Info

Publication number: DE10047728B4
Application number: DE10047728A
Authority: DE
Inventors: Peter Dreyer; Günter Steinert
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: US20020036266A1; GB0116154D0; DE10047728A1; FR2814546B1; US20040238746A1; FR2814546A1; GB2368392A; GB2368392B

Abstract

Infrarotoptischer Gasanalysator mit einer ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle (6), mit einem ersten Multispektraldetektor (1 ), mit einem zweiten Multispektraldetektor (2) und mit einer das zu messende Gasgemisch enthaltenden Küvette (12), wobei die erste infrarotoptische Strahlungsquelle (6) derart positioniert ist, dass die in einem ersten Wellenlängenbereich [λ₁, λ₁'] emittierte Strahlung durch den Innenraum der Küvette (12) auf den ersten Multispektraldetektor (1) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Strahlungsquelle (7) derart vorgesehen ist, dass die in einem zweiten Wellenlängenbereich [λ₂, λ₂'] emittierte Strahlung durch den Innenraum der Küvette (12) auf den zweiten Multispektraldetektor (2) trifft, wobei die Wellenlängenbereiche [λ₂, λ₂'] und] [λ₂, λ₂'] verschieden voneinander ausgewählt sind und jeder der beiden Multispektraldetektoren (1, 2) ein Strahlmischsystem in Form eines Pyramidensystems enthält, welches die ausgesandte Infrarotstrahlung anteilig auf jeweils vier Messkanäle lenkt, wobei zwischen den beiden in der Küvette (12) integrierten Strahlengängen eine pneumatische Blende (5) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen infrarotoptischen Gasanalysator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes infrarotoptisches Gasmesssystem geht aus der DE 197 160 61 C1 hervor. Dort wird ein infrarotoptisches Gasmesssystem mit zwei Infrarotstrahlungsquellen und mindestens einem Multispektralsensor beschrieben, das für die Konzentrationsbestimmung verschiedener Bestandteile eines Gasstroms geeignet ist. Die zwei Infrarotstrahlungsquellen strahlen dabei in unterschiedlichen Spektralbereichen mit zwei unterschiedlichen Taktfrequenzen. Die emittierten Strahlen werden zuerst über einen Strahlungskoppler geführt, durchqueren nachfolgend den zu messenden Gasstrom vertikal zur Strömungsrichtung und gelangen abschließend zur Intensitätsmessung in den Multispektralsensor.

Aus DE 41 33 481 C2 ist ein spezieller Multispektraldetektor bekannt, der eine relativ kleine Bauform infrarot-optischer Messsysteme ermöglicht.

Als Nachteil bei dem infrarotoptischen Gasmesssystem erweist sich, dass eine simultane Messung von Kohlendioxid, Lachgas, eines weiteren Fremdgases, beispielsweise Methan, und eine Kennung und Messung eines aus zwei Komponenten bestehenden Anästhesiegasgemisches nicht in der dort beschriebenen kompakten Bausweise möglich ist.

Eine simultane Messung und Kennung verschiedener Gase in einem Gasgemisch mit infrarotoptischen Methoden ist möglich mit Filterrädern, die bestückt sind mit verschiedenen Filtern, die jeweils Infrarotstrahlung in einem Wellenlängenbereich durchlassen, der zum Absorptionsbereich eines zu messenden Gases im Gasgemisch gehört.

Allerdings ist bei Gasmessgeräten, die mit Filterrädern arbeiten, der konstruktive Aufwand hoch. Die hierfür erforderlichen mechanischen Bauteile nehmen vergleichsweise viel Platz ein und sind verschleißanfällig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen infrarotoptischen Gasanalysator vorzustellen, der in kompakter und störunanfälliger Bauweise die simultane Messung und Kennung einer Mehrzahl von Gasen in einem Gasgemisch ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstands.

Der erfindungsgemäße Gasanalysator weist mindestens eine infrarotoptische Strahlungsquelle und zwei Multispektraldetektoren auf. Jeder Multispektraldetektor ist mit vier Infrarotstrahlungsdetektoren mit vorgeschalteten Infrarotfiltern bestückt. Die vier zum ersten Multispektraldetektor gehörenden Infrarotfilter transmittieren in verschiedenen Wellenlängenbereichen: 4,25 Mikrometer, entsprechend der Absorptionswellenlänge von Kohlendioxid, 3,98 Mikrometer, entsprechend der Absorptionswellenlänge von Lachgas, 3,7 Mikrometer als Referenzwellenlänge und darüber hinaus zum Beispiel im Wellenlängenbereich von 3,3 Mikrometer, entsprechend der Absorptionswellenlänge von Methan, eines sich in einem geschlossenen Beatmungskreislauf akkumulierenden Fremdgases. Die Zentralwellenlängen und die Halbwertsbreiten sind bei jedem der vier Infrarotfilter so gewählt, dass auf den vier Messkanälen die Konzentration von Kohlendioxid, Lachgas, gegebenenfalls Methan bestimmt werden kann und außerdem ein Referenzkanal zur Verfügung steht.

Anstelle der Konzentrationsbestimmung von Methan kann mit dem entsprechenden Messkanal auch die Konzentrationsbestimmung eines anderen, sich in einem geschlossenen Beatmungskreislauf akkumulierenden Fremdgases oder eines Anästhesiegases erfolgen. Hierfür muss die Transmissionswellenlänge des zu diesem Messkanal gehörenden Infrarotfilters an die Absorptionswellenlänge des Gases angepasst werden, dessen Konzentration gemessen werden soll. Die von einer ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle auf den ersten Multispektraldetektor treffende Strahlung umfasst mindestens die Transmissionswellenlängenbereiche der vier Infrarotfilter des ersten Multispektraldetektors.

Sendet die erste infrarotoptische Strahlungsquelle Strahlung im Wellenlängenbereich [λ₁, λ₁'] aus, wobei λ₁ und λ₁' Zahlenwerte für die Wellenlänge der Strahlung bezeichnen und [λ₁, λ₁'] das zwischen λ₁ und λ₁' liegende Intervall ist, so müssen in dem Intervall [λ₁, λ₁'] die Wellenlängen 4,25 Mikrometer, 3,98 Mikrometer, 3,7 Mikrometer und 3,3 Mikrometer enthalten sein. Das ist zum Beispiel gegeben, wenn λ₁ = 3 Mikrometer und λ₁' = 5 Mikrometer gilt.

Die vier zum zweiten Multispektraldetektor gehörenden Infrarotfilter transmittieren in den Wellenlängenbereichen 8,605 Mikrometer, 8,386 Mikrometer, 8,192 Mikrometer und in einem Referenzwellenlängenbereich von 10,488 Mikrometer. Ein Algorithmus zur Identifikation und Konzentrationsmessung von den möglicherweise verwendeten Anästhesiegasen Desfluran, Enfluran, Halothan, Isofluran, Sevofluran sowie von Lachgas und Kohlendioxid mit Hilfe dieser Infrarotfilterkonfiguration ist bereits aus der DE 196 283 10 C2 bekannt. Die vom zweiten Multispektraldetektor durchgeführte Messung und Kennung der Anästhesiegase erfolgt langsamer als die vom ersten Multispektraldetektor durchgeführte Messung und nimmt daher mehr Zeit in Anspruch.

Die von einer zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle auf den zweiten Multispektraldetektor treffende Strahlung umfasst mindestens die Transmissionswellenlängenbereiche der vier Infrarotfilter des zweiten Multispektraldetektors. Sendet die zweite infrarotoptische Strahlungsquelle Strahlung im Wellenlängenbereich [λ₂, λ₂'] aus, wobei λ₂' und λ₂' Zahlenwerte für die Wellenlänge der Strahlung bezeichnen und [λ₂, λ₂'] das zwischen λ₂ und λ₂' liegende Intervall, so müssen in dem Intervall [λ₂, λ₂'] die Wellenlängen 8,605 Mikrometer, 8,386 Mikrometer, 8,192 Mikrometer und 10,488 Mikrometer enthalten sein. Das ist beispielsweise gegeben für λ₂ = 8 Mikrometer und λ₂' = 11 Mikrometer.

Für eine atemzugsaufgelöste Messung der Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch wird eine schnellere Messung der Anästhesiegaskonzentrationen erforderlich. In diesem Fall wird beim ersten Multispektraldetektor der Messkanal mit dem Infrarotfilter und dem Transmissionswellenlängenbereich von 3,3 Mikrometer zur Messung der Methankonzentration ausgewechselt gegen einen Infrarotfilter mit der Transmissionswellenlänge von 8,89 Mikrometer zur Messung von Anästhesiegaskonzentrationen. Die Halbwertsbreite dieses Infrarotfilters liegt in etwa bei 300 Nanometern, damit über der Halbwertsbreite der Infrarotfilter des zweiten Multispektraldetektors. Diese liegt in etwa bei 130 Nanometern. Im Zentralwellenlängenbereich von 8,89 Mikrometer absorbieren alle Anästhesiegase, und es liegt nur eine geringe Querempfindlichkeit gegenüber Lachgas vor. Die Kombination eines Infrarotfilters im ersten Multispektraldetektor mit einer Zentralwellenlänge von 8,89 Mikrometer und einer Halbwertsbreite von 300 Nanometern mit den Infrarotfiltern des zweiten Multispektraldetektors liefert zusätzliche Parameter bei der Kennung und Konzentrationsmessung der Anästhesiegase und beschleunigt damit die Kennung und Messung der Anästhesiegase.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die mit dem ersten Multispektraldetektor gemessene Lachgaskonzentration zur Korrektur der mit dem zweiten Multispektraldetektor gemessenen Anästhesiegaskonzentration benutzt, da bei der Messung der Anästhesiegaskonzentrationen eine Querempfindlichkeit gegenüber Lachgas besteht.

Anschließend werden die vom zweiten Multispektraldetektor gemessenen Anästhesiegaskonzentrationen zur Korrektur der mit dem ersten Multispektraldetektor gemessenen Lachgaskonzentration benutzt, da auch umgekehrt bei der Messung der Lachgaskonzentration eine Querempfindlichkeit gegenüber den Anästhesiegasen besteht.

Diese Korrektur sowohl der Messwerte des ersten als auch des zweiten Multispektraldetektors wird mit Hilfe einer Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt.

Die Berechnung von Gaskonzentrationen mit Hilfe der Korrektur von Messsignalen zur Kompensation von Querempfindlichkeiten, beispielsweise gegenüber Lachgas, geschieht wie folgt:
Bei der Kalibrierung eines Infrarotstrahlungsdetektors wird die Querempfindlichkeit gegenüber Lachgas in Abhängigkeit von der Lachgaskonzentration gemessen und in Form von konzentrationsabhängigen Korrekturfaktoren gespeichert.

Dient der Infrarotstrahlungsdetektor beispielsweise zur Konzentrationsmessung des Anästhesiegases Halothan, so ergibt sich die vom zugehörigen Infrarotfilter gemessene Gesamttransmission aufgrund des Lambert-Beer'schen Gesetzes als Produkt aus der für reines Halothan charakteristischen Transmission mit dem entsprechenden Korrekturfaktor. Umgekehrt erhält man die allein für Halothan charakteristische Transmission des entsprechenden Infrarotfilters als Quotient aus der gemessenen Gesamttransmission und dem Korrekturfaktor.

Die Kennung und Konzentrationsmessung von verschiedenen Gasen in einem Gasgemisch sowie die Korrektur einer Lachgasquerempfindlichkeit dabei geschieht somit durch die Integration von zwei Strahlengängen in einer Küvette.

Auf diese Weise wirken äußere Störeinflüsse wie Temperaturschwankungen, mechanische Stöße oder Vibrationen stets auf den gesamten Gasanalysator. Es muss somit kein Abgleich zwischen beiden Strahlengängen erfolgen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden beispielhaft anhand der 1 bis 3 erklärt, die bevorzugte Ausführungen des infrarotoptischen Gasanalysators darstellen.

Es zeigen:

1 einen infrarotoptischen Gasanalysator mit zwei parallel verlaufenden Strahlengängen gleicher Länge im seitlichen Querschnitt,

2 einen infrarotoptischen Gasanalysator mit zwei senkrecht zueinander verlaufenden Strahlengängen unterschiedlicher Länge im seitlichen Querschnitt,

3 einen infrarotoptischen Gasanalysator mit zwei parallel verlaufenden Strahlengängen unterschiedlicher Länge im seitlichen Querschnitt,
Der infrarotoptische Gasanalysator in 1 zeichnet sich durch zwei in einer Küvette 12 integrierte, parallel verlaufende Strahlengänge gleicher Länge von infrarotoptischem Licht aus. Die Strahlengänge sind durch die beiden waagerecht verlaufenden gestrichelten Pfeile dargestellt. Die Begasung der Küvette 12 erfolgt durch Eintritt des zu messenden Gases über den Gaseinlass 10, dargestellt durch einen in die Küvette 12 weisenden Pfeil am Gaseinlass 10, das gemessene Gas verlässt die Küvette 12 über den Gasauslass 11, ebenfalls dargestellt durch einen Pfeil am Gasauslass 11, der aus der Küvette 12 weist.
Außerhalb der Küvette 12 befinden sich zwei infrarotoptische Strahlungsquellen 6 und 7 sowie zwei Multispektraldetektoren 1 und 2. In dem ersten Multispektraldetektor 1 und dem zweiten Multispektralsensor 2 sind jeweils vier Infrarotstrahlungsdetektoren mit vorgeschalteten Infrarotfiltern angeordnet, die in der 1 nicht dargestellt sind. Die von der ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle 6 emittierte Strahlung umfasst mindestens die Transmissionswellenlängenbereiche der vier Infrarotfilter des ersten Multispektraldetektors 1, und die von der zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle 7 emittierte Strahlung umfasst mindestens die Transmissionswellenlängenbereiche der vier Infrarotfilter des zweiten Multispektraldetektors 2. Die von der ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle 6 emittierte Infrarotstrahlung wird durch ein infrarotdurchlässiges Eintrittsfenster 8 und ein infrarotdurchlässiges Austrittsfenster 3 durch den Innenraum der Küvette 12 geleitet und trifft danach auf den Multispektraldetektor 1. Die Infrarotfilter besitzen jeweils eine bestimmte Transmissionswellenlänge, auf der sie die eintreffende Infrarotstrahlung durchlassen. Die Transmissionswellenlänge eines Infrarotfilters stimmt mit der Absorptionswellenlänge des von dem zugehörigen Infrarotdetektors zu messenden Gases überein. Auf diese Weise besitzt der Multispektraldetektor 1 vier verschiedene Messkanäle. Ein Strahlmischsystem in Form eines im ersten Multispektraldetektor 1 befindlichen Pyramidensystems, in der 1 nicht dargestellt, lenkt die ausgesandte Infrarotstrahlung anteilig auf die vier Messkanäle.
Die von der zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle 7 emittierte Infrarotstrahlung wird ebenfalls durch ein infrarotdurchlässiges Eintrittsfenster 9 und ein infrarotdurchlässiges Austrittsfenster 4 durch den Innenraum der Küvette 12 geleitet und trifft auf den zweiten Multispektraldetektor 2, der seinem Prinzip nach wie der Multispektraldetektor 1 aufgebaut ist.
Zur Vermeidung größerer Toträume ist zwischen den beiden in der Küvette 12 integrierten Strahlengängen eine pneumatische Blende 5 angeordnet.
Die vom ersten Multispektraldetektor 1 empfangene Strahlung der infrarotoptischen Strahlungsquelle 6 und die vom zweiten Multispektraldetektor 2 empfangene Strahlung der infrarotoptischen Strahlungsquelle 7 werden als Signale einer Auswerte- und Steuereinheit 13 zugeführt.
In der 2 ist ein infrarotoptischer Gasanalysator dargestellt, bei dem zwei in die Küvette 12 integrierte Strahlengänge unterschiedlicher Länge von infrarotoptischem Licht senkrecht zueinander liegen. Die Strahlengänge sind durch einen waagerecht und einen senkrecht verlaufenden gestrichelten Pfeil dargestellt. Die Begasung der Küvette 12 erfolgt wie in der Beschreibung zu 1 angegeben. Abgesehen von der zur 1 unterschiedlichen räumlichen Anordnung der infrarotoptischen Strahlungsquellen 6 und 7 sowie der Multispektraldetektoren 1 und 2 stimmt der in 2 dargestellte infrarotoptische Gasanalysator mit dem in 1 dargestellten überein und arbeitet nach dem selben Prinzip. Dadurch, dass die Wegstrecke des zweiten Strahlenganges zwischen der infrarotoptischen Strahlungsquelle 7 und dem Multispektraldetektor 2 länger ist als die Wegstrecke des ersten Strahlenganges zwischen der infrarotoptischen Strahlungsquelle 6 und dem Multispektraldetektor 1, kann für jeden der beiden Strahlengänge unabhängig voneinander eine für die Konzentrationsmessung und Kennung der Gase optimale Weglänge vorgesehen werden. Die optimale Weglänge wird wesentlich durch den interessierenden Konzentrationsbereich der zu messenden Gase und ihren Wirkungsquerschnitt bestimmt, der bei einer bestimmten Messwellenlänge für ein bestimmtes Gas charakteristisch ist und ein Maß für den Absorptionsgrad des betreffenden Gases bei einer bestimmten Konzentration darstellt.
Am Beispiel der Gase Kohlendioxid und Halothan wird die Bestimmung von optimalen Weglängen erläutert:
Der für Kohlendioxid interessierende Konzentrationsbereich liegt in etwa bei 3 vol. %, orientiert an der exspiratorischen Kohlendixodikonzentration eines narkotisierten Patienten. Der Konzentrationsbereich von Halothan liegt erwartungsgemäß bei 1 vol. %. In ungefähr dieser Konzentration erfolgt die Anflutung bei der Narkose eines Durchschnittspatienten. Während der Narkose, nach der Anflutung, wird Halothan immer noch in einer Konzentration von 0.8 vol. % verabreicht. Somit kann 1 vol. % als relevanter Konzentrationsbereich für Halothan angesehen werden.
Die Wirkungsquerschnitte beider Gase sind bekannt: Der Wirkungsquerschnitt von Kohlendioxid beträgt 1,81·10^–2 (Millimeter vol. %)^–1, und der Wirkungsquerschnitt von Halothan beträgt 8,627·10^–3 (Millimeter vol. %)^–1.
Die Forderung nach gleichem Absorptionsgrad bei beiden Gasen trotz unterschiedlicher Konzentrationen und Wirkungsquerschnitte führt unter Berücksichtigung des Lambert-Beerschen Gesetzes auf eine optimale Weglänge von 7 Millimetern für Kohlendioxid und eine optimale Weglänge von 46 Millimetern für Halothan. Verlängerung oder Verkürzung der Weglängen unter Beibehaltung ihres Verhältnisses ändert dabei nichts am übereinstimmenden Absorptionsverhalten beider Gase.
Die 3 zeigt einen infrarotoptischen Gasanalysator, bei dem zwei in die Küvette 12 integrierte Strahlengänge unterschiedlicher Länge parallel zueinander verlaufen. Die Strahlengänge sind durch die beiden waagerecht liegenden gestrichelten Pfeile dargestellt. Die Begasung der Küvette 12 erfolgt wie zu 1 beschrieben. Abgesehen von der zur 1 unterschiedlichen Gestaltung der Küvette 12, die oberhalb der pneumatischen Blende 5 breiter ausgebildet ist als unterhalb der pneumatischen Blende 5, stimmt der in 3 abgebildete infrarotoptische Gasanalysator mit dem in 1 abgebildeten überein. Die unterschiedlichen Weglängen der beiden Strahlengänge des infrarotoptischen Gasanalysators in 3 machen sich in derselben Weise vorteilhaft bemerkbar wie die unterschiedlichen Weglängen der beiden Strahlengänge des infrarotoptischen Gasanalysators in 2, das heißt, für beide Strahlengänge können unabhängig voneinander optimale Weglängen vorgesehen werden.

Claims

Infrarotoptischer Gasanalysator mit einer ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle (6), mit einem ersten Multispektraldetektor (1 ), mit einem zweiten Multispektraldetektor (2) und mit einer das zu messende Gasgemisch enthaltenden Küvette (12), wobei die erste infrarotoptische Strahlungsquelle (6) derart positioniert ist, dass die in einem ersten Wellenlängenbereich [λ₁, λ₁'] emittierte Strahlung durch den Innenraum der Küvette (12) auf den ersten Multispektraldetektor (1) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Strahlungsquelle (7) derart vorgesehen ist, dass die in einem zweiten Wellenlängenbereich [λ₂, λ₂'] emittierte Strahlung durch den Innenraum der Küvette (12) auf den zweiten Multispektraldetektor (2) trifft, wobei die Wellenlängenbereiche [λ₂, λ₂'] und] [λ₂, λ₂'] verschieden voneinander ausgewählt sind und jeder der beiden Multispektraldetektoren (1, 2) ein Strahlmischsystem in Form eines Pyramidensystems enthält, welches die ausgesandte Infrarotstrahlung anteilig auf jeweils vier Messkanäle lenkt, wobei zwischen den beiden in der Küvette (12) integrierten Strahlengängen eine pneumatische Blende (5) angeordnet ist.
Infrarotoptischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle (6) emittierte Strahlung parallel zu der von der zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle (7) emittierten Strahlung verläuft und dabei eine Wegstrecke gleicher Länge zurücklegt.
Infrarotoptischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle (6) emittierte Strahlung parallel zu der von der zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle (7) emittierten Strahlung verläuft und dabei eine Wegstrecke unterschiedlicher Länge zurücklegt.
Infrarotoptischer Gasanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten infrarotoptischen Strahlungsquelle (6) emittierte Strahlung senkrecht zu der von der zweiten infrarotoptischen Strahlungsquelle (7) emittierten Strahlung verläuft und dabei eine Wegstrecke unterschiedlicher Länge zurücklegt.