DE10120568A1

DE10120568A1 - Akustischer Mikrowellen-Gasanalysator

Info

Publication number: DE10120568A1
Application number: DE10120568A
Authority: DE
Inventors: Ching Chu
Original assignee: Datex Ohmeda Inc
Current assignee: Datex Ohmeda Inc
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2001-11-08
Also published as: GB0109036D0; GB2367360A; ITRM20010232A0; FR2808884A1; FR2808884A3

Abstract

Die Vorrichtung dient zum Analysieren der Konzentration eines Testgases in einer Gasprobe durch Analysieren eines Schallsignals, das von dem Testgas erzeugt wird, wenn es einem Mikrowellentestsignal ausgesetzt wird. Der akustische Mikrowellen-Gasanalysator (10) weist eine Mikrowellenquelle (14) auf, die ein Mikrowellensignal mit einer Frequenz zwischen 500 MHz und 300 GHz abgibt. Das Mikrowellensignal von der Mikrowellenquelle (14) wird moduliert und in einen Hohlraumresonator abgegeben. Das Mikrowellensignal kann amplitudenmoduliert, frequenzmoduliert, phasenmoduliert, pulsmoduliert oder codemoduliert sein. Das modulierte Testsignal wird durch die in einer Testgaskammer (12) enthaltene Gasprobe hindurch abgegeben. Das Testgas, wie etwa in Narkotikum, erfährt molekulare Rotationsenergie-Niveauübergänge bei bestimmten Mikrowellenfrequenzen, so daß es ein Schallsignal erzeugt. Das durch die Energie-Niveauübergänge des Testgases in der Testgaskammer (12) erzeugte Schallsignal wird von einem Schallwandler (28) gemessen. Der Schallwandler erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Eigenschaften direkt von Konzentrationen des Testgases in der Testgaskammer abhängen. Das Ausgangssignal des Schallwandlers wird verarbeitet, um die Konzentration des Testgases in der Testgaskammer zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Ver fahren unter Nutzung des Mikrowellen-Akustikeffekts, um die Konzentration eines bestimmtes Gases in einer Gasprobe zu be stimmen. Insbesondere betrifft die Erfindung einen akustischen Mikrowellen-Gasanalysator, der dazu einsetzbar ist, die Kon zentration eines Narkosemitteldampfs in einer Gasprobe zu be stimmen, und zwar den Dampf allein oder in einem Gemisch mit anderen Gasen.

Narkosemittel sowie andere Arten von Gasen haben Spektralab sorptionsmaxima oder -peaks in den sichtbaren und/oder Infra rot-Lichtbanden. Als Ergebnis dieser Absorptionsmaxima oder -peaks kann ein fotoakustisches Nachweisverfahren angewandt werden, um die Menge eines bestimmten Gases oder Dampfs in einem Gasgemisch zu bestimmen.

Die fotoakustische Messung basiert auf der Tendenz der Mole küle in einem Gas, wenn sie bestimmten Frequenzen von Strah lungsenergie (Infrarotstrahlungsenergie) ausgesetzt sind, die Energie zu absorbieren und höhere Niveaus des molekularen Schwingungs- und Rotationszustands zu erreichen, so daß sie eine höhere Temperatur und höheren Druck erreichen.

Wenn die Strahlungsenergie amplitudenmoduliert ist, erzeugen die resultierenden Schwankungen der für die Absorption verfüg baren Energie entsprechende Temperatur- und Druckschwankungen.

Ein empfindliches Mikrofon kann verwendet werden, um ein elek trisches Ausgangssignal zu erzeugen, das die Druckschwankungen repräsentiert. Die Amplitude des akustischen Signals und des resultierenden elektrischen Ausgangssignals des Mikrofons sind zu der Stärke der Strahlung und dem Konzentrationswert des ab sorbierenden Gases oder Dampfs proportional.

Bei konstanter Amplitude der Strahlungsenergiebeleuchtung kann daher das elektrische Ausgangssignal bei der Modulationsfre quenz detektiert werden, um einen Konzentrationswert zu lie fern, der zu einer Absorptionsmenge des Gases proportional ist.

Außerdem ermöglicht der Zusammenhang mit der Lichtquellenin tensität dem Anwender eine Erhöhung der Empfindlichkeit durch Erhöhung der Lichtquellenintensität. Somit sind die Vorrich tungen sehr gut geeignet zum Messen geringer Konzentrationen eines Gases oder Dampfes, wie etwa der Konzentration eines Narkotikums in einem Patientenatmungssystem.

Ein Nachteil dieser Arten von fotoakustischen Nachweissystemen ist die Notwendigkeit, Strahlungsenergie in einem extrem schmalen Bandbereich bereitzustellen. Typische Infrarotemitter erzeugen Strahlungsenergie, die ein relativ breites Spektrum umfaßt. Eine Lösung in bezug auf dieses breite Spektrum von Strahlungsenergie besteht in der Anwendung von optischen Fil tern, um die abgegebene Energie auf eine schmalere Bandbreite zu filtern. Alternativ können teure Laser oder andere Arten von optischen Filtervorrichtungen verwendet werden, um Strah lungsenergie mit schmaler Bandbreite zu erzeugen.

Ein weiterer Nachteil dieser Art von Systemen ist die relative Schwierigkeit der Modulation der Infrarotstrahlungsenergie mit einer hohen Frequenz. Das ist teilweise auf die Beschränkungen hinsichtlich der Frequenz zurückzuführen, mit der eine billige Infrarotlichtquelle rasch ein- und ausgeschaltet werden kann. Eine Methode zur Lösung dieses Problems besteht in der Verwen dung einer rotierenden Lochscheibe zur Modulation der Wellen länge oder Amplitude, wie es in der US-PS 4 818 882 von Nexo gezeigt ist.

Narkotika haben nicht nur Spektralabsorptionsmaxima in den sichtbaren und/oder Infrarot-Lichtbanden, sondern auch Spek tralabsorptionsmaxima im Mikrowellenbereich. Die Spektralab sorptionsmaxima im Mikrowellenbereich gehen auf Rotationsener gie-Niveauübergänge der Moleküle des Narkosedampfs zurück.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, modulierte Mikrowellen energie zu nutzen, um die Anwesenheit und Konzentration eines Testgases in einer Gasprobe oder einem Gasgemisch, wie etwa die Konzentration von Narkosedämpfen in einer Gasprobe nachzu weisen, wobei die akustischen Effekte genutzt werden, die aus dem Aufbringen von Mikrowellenenergie auf die Gasprobe resul tieren. Dabei soll eine Mikrowellenquelle bereitgestellt wer den, die auf unterschiedliche Weise moduliert und deren Signal durch eine Gasprobe, die ein Narkosemittel enthält, geleitet werden kann.

Die Erfindung gibt einen akustischen Mikrowellen-Gasanalysa tor, der ein Mikrowellenfrequenz-Testsignal und die molekula ren Rotationsenergie-Niveauübergänge eines Testgases nutzt, um ein Schallsignal zu erzeugen, das Eigenschaften hat, die mit der Konzentration des Testgases in einer Gasprobe in direkter Beziehung stehen. Der akustische Mikrowellen-Gasanalysator der Erfindung kann daher eingesetzt werden, um die Konzentration eines Testgases, wie etwa eines Narkosemittels in einer Gasprobe, zu bestimmen.

Der Gasanalysator gemäß der Erfindung weist eine Mikrowellen quelle auf, die ein Mikrowellensignal im allgemeinen im Be reich von 500 MHz bis 500 GHz erzeugt. Das Mikrowellensignal der Mikrowellenquelle wird auf der Basis vorbestimmter Absorp tionsfrequenzen für das zu untersuchende Testgas ausgewählt. Die Mikrowellenquelle kann aus verschiedenen Arten von her kömmlichen Mikrowellenerzeugern ausgewählt werden, von denen jeder ein Mikrowellensignal mit einer oder mehr als einer Fre quenz abgibt.

Das Mikrowellensignal von der Mikrowellenquelle wird vor sei ner Abgabe durch die Testgasprobe moduliert. Bei der bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung wird das Mikrowellensignal vor seiner Abgabe durch die Testgasprobe frequenzmoduliert.

Der Frequenzmodulator gemäß der Erfindung kann das Mikrowel lensignal in dem Frequenzbereich von kHz bis MHz-Frequenzen modulieren, um das Testsignal zu erzeugen. Zusätzlich zur Fre quenzmodulation werden verschiedene andere Modulationsverfah ren, wie etwa Amplituden-, Phasen-, Impuls- und Codemodulation in Betracht gezogen.

Nach der Modulation wird das Mikrowellentestsignal abgegeben oder in einem Hohlraumresonator angeregt und durch die Gasprobe, die das Testgas enthält und in einer Testgaskammer oder -zelle enthalten ist, geleitet. Das Testgas, wie etwa ein Narkosemittel, absorbiert die Mikrowellenenergie aus dem Test signal und erzeugt ein Schallsignal innerhalb der Testgaskam mer oder -zelle. Insbesondere absorbiert das Testgas, wie etwa ein Narkosemittel in der Gasprobe, die Mikrowellenenergie aus dem Testsignal, und die molekularen Rotationsenergie-Niveau übergänge des Testgases erzeugen Druckänderungen in der Test gaskammer oder -zelle.

Ein Schallwandler ist so angeordnet, daß er die Druckübergänge in der Testgaskammer detektiert. Der Schallwandler, der typi scherweise ein empfindliches Mikrofon ist, erzeugt auf der Ba sis des in der Testgaskammer erfaßten Schallsignals ein Aus gangssignal. Das Ausgangssignal des Schallwandlers wird von einem Ausgangssignalprozessor empfangen, der das Ausgangs signal in Relation zu dem Testsignal verarbeitet. Das verar beitete Ausgangssignal des Schallwandlers steht in direkter Beziehung zu der Konzentration des Testgases in der Gasprobe.

Verschiedene alternative Konfigurationen für die Testgaskammer und den Hohlraumresonator des akustischen Mikrowellen-Gasana lysators der Erfindung sind möglich. Ferner wird der Druck wandler als ein Differenzschallwandler, der in einer kontinu ierlichen rohrförmigen Gaskammer enthalten ist, in Betracht gezogen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des akustischen Mikro wellen-Gasanalysators der Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm der Periodendauer des Mikrowellentest signals und der detektierten Antwort eines Testgases sowie der Antwort von Reinsauerstoff;

Fig. 3 ein Diagramm, das einen Testsignalimpuls sowie die Antwort eines Schallwandlers bei veränderten Konzen trationen des Testgases zeigt;

Fig. 4a ein Diagramm, das den Mikrowellen-Schallvektor eines Testgases bei einer ausgewählten Frequenz bei einem Konzentrationsabfall zeigt;

Fig. 4b ein Diagramm des Ausgangssignals eines Schallwand lers, wobei die Antwort eines Testgases auf Mikro wellenenergie über einen ersten Frequenzbereich ver deutlicht ist;

Fig. 4c ein Diagramm des Ausgangssignals eines Schallwand lers, wobei die Antwort eines Testgases auf Mikro wellenenergie über einen zweiten Frequenzbereich verdeutlicht ist;

Fig. 5 eine erste Ausführungsform der Testgaskammer und Mi krowellenquelle, die die Erfindung verkörpern;

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform der Testgaskammer;

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform der Testgaskammer;

Fig. 8 eine vierte Ausführungsform der Testgaskammer;

Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform der Testgaskammer und des Hohlraumresonators für die Mikrowellenquelle;

Fig. 10 eine sechste Ausführungsform der Testgaskammer und des Hohlraumresonators;

Fig. 11 eine siebte Ausführungsform der Testgaskammer und der Mikrowellenquelle, die die Erfindung verkörpern;

Fig. 12a eine Vorderansicht einer achten Ausführungsform der Testgaskammer und des Hohlraumresonators für die Mi krowellenquelle;

Fig. 12b eine Seitenansicht, die die Testgaskammer und den Hohlraumresonator von Fig. 12a zeigt;

Fig. 13 eine neunte Ausführungsform einer Testgaskammer und einer Mikrowellenquelle, die die Erfindung verkör pern;

Fig. 14 ein Diagramm, das die Wellenform zeigt, die von dem Modulationsfrequenzoszillator der neunten Ausfüh rungsform der Erfindung gemäß Fig. 13 erzeugt wird;

Fig. 15 ein Diagramm, das das von der Mikrowellenquelle in Fig. 13 erzeugte Mikrowellenenergiesignal zeigt; und

Fig. 16 ein Diagramm, das ein Ausgangssignal zeigt, das von dem Schallwandler der in Fig. 13 gezeigten Ausfüh rungsform der Erfindung erzeugt wird.

Fig. 1 zeigt einen Mikrowellen-Gasanalysator 10. Der Gasanaly sator 10 wird eingesetzt, um die Konzentration eines gewünsch ten Gases oder Dampfes zu analysieren, der in einer Testgas kammer 12 enthalten ist. Das gewünschte Gas oder der Dampf in der Testgaskammer 12 kann jede Art von Gas oder Dampf sein, das/der Absorptionsmaxima im Mikrowellenbereich infolge der molekularen Rotationsenergie-Niveauübergänge in dem Gas oder Dampf hat.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das in der Testgaskam mer enthaltene gewünschte Gas ein Dampf, der ein Narkotikum enthält. Beispielsweise kann der zu untersuchende Dampf in der Testgaskammer 12 Narkotika, wie etwa Desfluran, Sevoflurane und verschiedene andere handelsübliche Narkotika, enthalten.

Der in Fig. 1 gezeigte akustische Mikrowellen-Gasanalysator 10 weist eine Mikrowellenquelle 14 zum Erzeugen eines Signals im Mikrowellenfrequenzbereich auf. Bei der bevorzugten Ausfüh rungsform erzeugt die Mikrowellenquelle 14 ein Mikrowellensi gnal 16 mit einer Frequenz zwischen 500 MHz und 500 GHz, so daß die Mikrowellenquelle 14 tatsächlich entweder Mikrowellen- oder Millimeterwellensignale erzeugen kann.

Für die Zwecke der nachstehenden Erläuterung ist der Mikrowel lensignalbereich in Übereinstimmung mit allgemeinen Klassifi zierungsregeln als zwischen 1000 MHz und 30 GHz liegend defi niert, während der Millimeterwellenbereich zwischen 30 GHz und 300 GHz liegt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform kann die Mikrowellenquelle 14 aus einer Gruppe ausgewählt sein, die eine kostengünstige Gunn-Diode, eine IMPATT-Diode, eine Tunneldiode oder Mikrowel len-Halbleitertransistoren, wie etwa Si- oder GaAs-FET umfaßt.

Im allgemeinen erzeugt die Mikrowellenquelle 14 ein Mikrowel lensignal, das speziell auf die gewünschte Absorptionsfrequenz für das zu untersuchende Gas in der Testgaskammer 12 abge stimmt ist. Die Mikrowellenquelle 14 kann eine oder mehrere Komponenten aufweisen, deren Frequenz oder Frequenzen und/oder Oberwellen Vielfachspitzen-Absorptionsfrequenzen des nachzu weisenden Testgases in der Testgaskammer 12 sind.

Das von der Mikrowellenquelle 14 erzeugte Mikrowellensignal 16 wird bevorzugt von einem Modulator 18 moduliert. Der Modulator 18 moduliert die Mikrowellensignale entweder durch Amplituden modulation (AM), Frequenzmodulation (FM), Phasenmodulation (PSK), Pulsmodulation (PM) oder Codemodulation.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform frequenzmoduliert der Modulator 18 das Mikrowellensignal 16 mit einer Modulati onsfrequenz, die von einem Modulationsfrequenzoszillator 20 erzeugt wird.

Ein Vorteil des akustischen Mikrowellen-Gasanalysators 10 der Erfindung gegenüber einem fotoakustischen Gasanalysator ist die Fähigkeit, das Mikrowellensignal 16 mit einer höheren Fre quenz gegenüber dem in einem fotoakustischen Analysator ver wendeten Infrarotsignal zu modulieren. Beispielsweise kann der bei der gezeigten Ausführungsform verwendete Frequenzmodulator 18 das Mikrowellensignal 16 im kHz-Bereich modulieren.

Bei dem fotoakustischen Analysator gemäß dem Stand der Technik konnte das Infrarotsignal typischerweise nur im Hz-Bereich mo duliert werden. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist das Testsignal 22 eine 2-kHz-Modulationswellenform von 10 GHz.

Nachdem das Mikrowellensignal 16 den Modulator 18 passiert hat, verläßt das Testsignal 22, das eine Modulationsfrequenz f hat, den Hohlraumresonator 24 und tritt in die Testgaskammer 12 ein. Die Testgaskammer 12 weist einen Einlaß 26 auf, der den Eintritt des Testgases in die im allgemeinen hohle Test gaskammer 12 zuläßt.

Gemäß der Erfindung wird die Frequenz der Mikrowellenquelle 14 und damit des Mikrowellensignals 16 speziell für den zu analy sierenden Gastyp in der Testgaskammer 12 ausgewählt. Wenn das zu analysierende Testgas in der Testgaskammer 12 beispiels weise Desfluran ist, wird die Frequenz des Mikrowellensignals 16 mit ungefähr 11,54 GHz ausgewählt, da experimentell ermit telt wurde, daß Desfluran ein Mikrowellenenergie-Absorptions maximum bei ungefähr dieser Frequenz hat.

Die Frequenz der Mikrowellenquelle 14 wird zwar hier als eine einzelne bestimmte Frequenz erörtert, es ist jedoch vom Erfin der auch daran gedacht, daß die Frequenz der Mikrowellenquelle 14 durch einen Frequenzbereich gewobbelt werden kann. Durch Wobbeln der Frequenz der Mikrowellenquelle 14 durch einen Be reich kann der akustische Mikrowellen-Gasanalysator 10 die akustische Mikrowellen-Gasspektroskopie so durchführen, daß das Ausgangssignal des Schallwandlers über einen Frequenzbe reich erzeugt wird.

Durch Nutzung der Mikrowellenquelle 14 in der Weise, daß Fre quenzen über einen Bereich erzeugt werden, kann der akustische Mikrowellen-Gasanalysator die Gasprobe auf die verschiedenen unterschiedlichen Frequenzen analysieren, wie es in einem Spektroskopiesystem üblich ist.

Bei der Testfrequenz absorbiert das Testgas oder der Testdampf die abgestrahlte Mikrowellenenergie, und die molekularen Rota tionsenergie-Niveauübergänge in dem Testgas führen zu Druck- oder Schallschwankungen in der Testgaskammer 12. Die Schall schwankungen in der Testgaskammer 12 können von einem Schall wandler 28, der mit der Testgaskammer 12 verbunden ist, detek tiert werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Schallwandler 28 irgendeine Art von Mikrofon oder Sensor sein, beispielsweise ein Kondensatormikrofon oder ein kapazitives, elektrisches, elektrostatisches, elektromagnetisch-dynami sches, piezoelektrisches, Piezowiderstands-, optoelektroni sches, Lichtleiter- oder Laserinterferometer-Mikrofon. In je dem Fall erfaßt der Schallwandler 28 die in der Testgaskammer 12 erzeugten Druckwellen.

Die Schallwelle, die in der Testgaskammer durch die Absorption der Mikrowellenenergie von dem Testsignal 22 erzeugt wird, ist zu der Konzentration des Testgases in der Testgaskammer direkt proportional. Somit kann auf der Basis des von dem Schallwand ler 28 erzeugten Ausgangssignals eine auf dem Ausgangssignal basierende Bestimmung der Konzentration des Testgases in der Testgaskammer erfolgen.

Das Ausgangssignal des Druckwandlers 28 kann auf verschiedene Weise verarbeitet werden, um Informationen im Hinblick auf das in der Testgaskammer 12 erzeugte Schallsignal zu extrahieren.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird das Ausgangs signal des Schallwandlers 28 einem Verstärker 30 zugeführt. Das Signal vom Verstärker 30 wird gemeinsam mit dem Signal von dem Modulationsfrequenzgenerator 20 einem Synchronisationsde tektor 32 zugeführt.

Von dem Synchronisationsdetektor 32 wird das Ausgangssignal dann einem Ausgangssignalprozessor 34 zugeführt. Der Ausgangs signalprozessor 34 kann verschiedene Verarbeitungsschritte mit dem Ausgangssignal ausführen, um das Ausgangssignal zu analy sieren und die Testgasmenge in der Testgaskammer 28 zu bestim men.

Die Methode der Signalverarbeitung, die von dem Ausgangs signalprozessor 34 durchgeführt wird, kann etwas so Einfaches wie die Messung der Amplitude des Ausgangssignals bei der Mo dulationsfrequenz sein. Alternativ kann der Ausgangssignalpro zessor 34 die Phasendifferenz zwischen dem modulierten Test signal 22 und dem von dem Schallwandler 28 erzeugten Ausgangs signal sein.

Diese Art der Analyse ist eine bessere Methode und verwendet einen Quadraturverstärker, der in den Fig. 5 bis 13 gezeigt ist, wie noch im einzelnen erläutert wird. Außerdem ist die direkte Schallwellenanalyse auch eine der besten Methoden zur Analyse des Ausgangssignals des Schallwandlers 28.

Fig. 2 zeigt das Testsignal 22, das dem Testgas in der Test gaskammer 12 zugeführt wird. Bei der in Fig. 2 gezeigten be vorzugten Ausführungsform wird das Testsignal 22 einem Desflu ran-Dampf zugeführt, der in der Testgaskammer 12 enthalten ist. Das Testsignal in Fig. 2 ist mit 1 kHz moduliert, wie durch den EIN-Zustand 36 und den AUS-Zustand 38 des Testsi gnals 22 angedeutet ist.

Die Aufzeichnungskurve 40 in Fig. 2 zeigt das Ausgangssignal des Schallwandlers 28 nach dem Anlegen des Testsignals 22 an die Testgaskammer, die den Desfluran-Dampf enthält. Wie er sichtlich ist, ist die Aufzeichnungskurve im allgemeinen si nusförmig und spiegelt direkt das Anlegen des Mikrowellentest signals 22 an den Testdampf wieder.

Unter der Aufzeichnungskurve 40 in Fig. 2 sieht man eine Auf zeichnungskurve 42, die die Antwort von 100% O₂ auf das glei che Mikrowellentestsignal 22 ist. Wie die Aufzeichnungskurve 42 zeigt, spricht 100% O₂ nur gering oder gar nicht auf das Mikrowellentestsignal 22 an.

In Fig. 2 hat das Testsignal eine 10-GHz-Trägerfrequenz, die mit einem 1-kHz-Signal moduliert ist. Es ist somit ersicht lich, daß verschiedene Gase ein unterschiedliches Ansprechver halten auf ein Mikrowellentestsignal zeigen und daher eine Schallwellenform erzeugen, die von einem Druckwandler detek tierbar ist.

Fig. 3 zeigt die Auswirkung eines einzelnen Mikrowellenimpul ses 44, der an eine Testgasprobe angelegt wird, die verschie dene Konzentrationen eines Testgases oder Testdampfs hat. Ins besondere ist das in Fig. 3 dargestellte Testgas Desfluran.

Die Kurve 46 zeigt die Antwort des Schallwandlers 28, wenn die Testgasmenge in der Gasprobe 0 ist. Wie zu erwarten ist, ist die Kurve 46 eine im allgemeinen flache Linie und zeigt keine Antwort auf den angelegten Impuls 44.

Die Kurve 48 zeigt die Antwort, wenn 5 cm³ Desfluran sich in einer Testkammer von 20 cm³ befinden. Wie in der Kurve 48 zu sehen ist, spricht das Ausgangssignal des Schallwandlers 28 mit einer maximalen Amplitude A an, wenn die Konzentration von Desfluran 25% ist.

Die Kurve 50 in Fig. 3 zeigt die Antwort des Schallwandlers 28, wenn sich 10 cm³ Desfluran in der Testkammer von 20 cm³ befinden. Wie die Kurve 50 zeigt, ist die Amplitude des Ant wortsignals durch B dargestellt. Wenn also die Konzentration von Desfluran von 25% auf 50% erhöht wird, steigt die Ampli tude des Signals des Schallwandlers 28 an.

Schließlich zeigt die Kurve 52 in Fig. 3 den Fall, in dem 20 cm³ Desfluran in die Testkammer von 20 cm³ eingebracht sind. Die Amplitude des Signals des Schallwandlers 28, die mit C bezeichnet ist, ist dann, wenn die Testgaskammer 12 100% des Testgases Desfluran enthält, deutlich größer als die Am plitude in dem Fall, in dem die Testkammer 50% Desfluran ent hält.

Wie bereits erörtert, ist der Vergleich der Amplituden des Ausgangssignals des Schallwandlers 28 nur eine Methode zur Be stimmung der Testgasmenge in der Testgaskammer 12.

Fig. 4a zeigt verschiedene Aufzeichnungen für das Testgas Des fluran bei 17,1 GHz. Jede der Kurven in Fig. 4a zeigt den Kon zentrationsabfall bei der Frequenz von 17,1 GHz. In jedem der Diagramme von Fig. 4a ist die Konzentration des Testgases Des fluran am höchsten in dem Diagramm (i), und die Konzentration des Testgases nimmt auf ihren niedrigsten Wert in der Kurve (xv) ab.

Jede Kurve zeigt die reelle und die imaginäre Komponente der Schallantwort, was die zeitliche Verzögerung des Signals be zeichnet, während es die Testgasprobe durchläuft. Je größer dabei die Verzögerung des Testsignals ist, um so höher ist die Konzentration des Testgases Desfluran in der Testgasprobe. Mit abnehmender Konzentration des Testgases Desfluran wird somit die Kurve kürzer und dreht im Uhrzeigersinn.

Fig. 4b zeigt die Größe des Mikrowellen- bzw. MWA-Schallaus gangssignals über einen Frequenzbereich, der ungefähr um 6,5 GHz abgestimmt ist. Ferner zeigt Fig. 4c die Größe des MWA-Ausgangssignals über einen Frequenzbereich, der um eine Frequenz von ungefähr 17,1 GHz abgestimmt ist.

Wie Fig. 1 zeigt, gibt der Ausgangssignalprozessor 34 ein De tektorsignal 68 ab. Dieses Detektorsignal wird dazu genutzt, die Konzentration des Testgases in der Gasprobe zu bestimmen.

Die Fig. 5 bis 13 zeigen verschiedene alternative Ausführungs formen für die Ausbildung des Mikrowellen-Hohlraumresonators und die Testgaskammer, die jeweils im allgemeinen auf die vor her unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschriebene Weise wirksam sind. Bei jeder der alternativen Ausführungsformen der Fig. 5 bis 13 wird das Ausgangssignal des Schallwandlers 28 einem Quadraturverstärker 34 zur Signalverarbeitung zugeführt.

Wie Fig. 5 zeigt, wird das Ausgangssignal zuerst dem Verstär ker 30 zugeführt. Das Signal vom Verstärker 30 wird zwei ge sonderten Modulatorschaltern 70 zugeführt, die das Signal mit einem Synchronisationssignal von der Mikrowellenquellen- und Modulatoreinheit 72 und mit einem Signal vergleichen, das zu dem Signal von der Mikrowellenquellen- und Modulatoreinheit 72 um 90° phasenverschoben ist.

Das Signal des Quadraturverstärkers 34 wird einem digitalen Oszilloskop 74 zugeführt, das als Ausgangssignalprozessor wirkt, um das Antwortsignal vom Schallwandler 28 anzuzeigen. Im allgemeinen sind der Quadraturverstärker 34 und das digi tale Oszilloskop 74 in jeder der Ausführungsformen der Fig. 5 bis 13 identisch, und die Einzelheiten werden nur unter Bezug nahme auf Fig. 5 erörtert.

In Fig. 5 ist die Testgaskammer eine sphärische Kammer 76 in einem Dielektrikum 77 und weist eine Zugangsöffnung 78 für den Schallwandler 28 auf. Die Gestalt der sphärischen Testgaskam mer 76 unterstützt die Bestimmung der Frequenz, die von der Mikrowellenquelle abgegeben wird.

Fig. 6 zeigt eine erste alternative Ausführungsform des Hohl raumresonators und der Testgaskammer der Erfindung. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform überträgt ein Mittelleiter 80 das Testsignal in eine rohrförmige Testgaskammer 82, die durch eine koaxiale zylindrische Metallwand 84 definiert ist.

Die Gasprobe ist in dem offenen Innenraum der rohrförmigen Gaskammer 82 oder in einem Schallfenster 83 in der Weise ent halten, daß das Mikrowellensignal durch die Gasprobe geht und die Schalldruckwelle von dem Schallwandler 28 detektiert wird. Ein rohrförmiges Kunststoffelement 86 umgibt einen Bereich der Gaskammer 82 und trägt dazu bei, das Schallsignal auf den Schallwandler 28 zu richten.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, ist bei der zweiten alternativen Ausführungsform die Gasprobe in einer ringförmigen Testgaskam mer 88 enthalten, die einen Mittelleiter 90 umschließt. Das Mikrowellensignal wird von dem Mittelleiter 90 abgestrahlt und geht durch das in der ringförmigen Gaskammer 88 befindliche Testgas.

Das von dem Testgas erzeugte Schallsignal wird von dem Schall wandler 28 empfangen, der in einem Halsbereich 92 positioniert ist. Die Gaskammer 88 ist mit einer Last 91 von 50 Ohm abge schlossen oder ist alternativ kurzgeschlossen oder offen.

Gemäß Fig. 8 ist bei der dritten Ausführungsform der Erfindung das Testgas in einem kontinuierlichen Rohr 94 enthalten, das einen Differenzschallwandler 96 aufweist. Wie in Fig. 8 er sichtlich ist, erstreckt sich ein Testbereich 98 des kontinu ierlichen Rohrs in die Testgaskammer 100 und wird mit dem Mi krowellentestsignal beaufschlagt.

Das Mikrowellentestsignal geht durch den Bereich der Gasprobe in dem Testbereich 98 und erzeugt ein Schallsignal, das von beiden Seiten des Differenzschallwandlers 96 empfangen wird. Das kontinuierliche Rohr 94 ist so ausgewählt, daß die Länge des kurzen Schenkels 102 und des langen Schenkels 104, die zu dem Differenzschallwandler 96 führen, verschiedene Vielfache der Wellenlänge des Testsignals sind.

Der Differenzschallwandler 96 vergleicht daher die Differenz zwischen den beiden Schenkeln 102 und 104 des kontinuierlichen Rohrs 94. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das kon tinuierliche Rohr 94 aus Teflon und hat einen Innendurchmesser von 1 mm. Das Ende der Testgaskammer ist mit einem Wellenlei terabschluß 101 abgeschlossen.

Gemäß Fig. 9 weist die vierte alternative Ausführungsform einen zylindrischen Hohlraumresonator 106 auf, der den Mikro wellensignalemitter 108 enthält. Das Mikrowellentestsignal tritt in den Hohlraumresonator 106 ein und geht durch die Gasprobe, die in einem Testbereich 110 eines kontinuierlichen Rohrs 112, das die Gasprobe enthält, enthalten ist.

Wie Fig. 9 zeigt, tritt das Testgas in das Rohr 112 durch einen Einlaß 114 ein und verläßt das Rohr durch einen Auslaß 116. Der Differenzschallwandler 96 ist so positioniert, daß er das Schallsignal detektiert, das von dem Testgas in der Gasprobe erzeugt wird.

Fig. 10 zeigt eine fünfte alternative Ausführungsform, bei der der Hohlraumresonator 118 sphärisch oder kugelförmig ist und den Mikrowellenemitter 120 aufweist. Das von dem Emitter 120 abgegebene Mikrowellentestsignal geht durch die Gasprobe ein schließlich des Testgases in dem Rohr 122. Der Schallwandler 28 erfaßt das von dem Testgas erzeugte Schallsignal und über mittelt das Ausgangssignal an den Quadraturverstärker 34.

Fig. 11 zeigt eine sechste alternative Ausführungsform, die einen Mikrostreifenemitter 126 aufweist, der das Mikrowellen signal durch die Gasprobe abgibt, die in dem Rohr 128 enthal ten ist, das durch ein Außengehäuse 130 verläuft.

Fig. 12a zeigt eine Gunn-Diode 130, die in einem Mikrowellen- Hohlraumresonator 132 positioniert ist, um das Mikrowellen testsignal zu erzeugen. Das Mikrowellentestsignal von der Gunn-Diode 130 geht durch die Gasprobe, die in dem Rohr 134 mit unveränderlichem Volumen, das den Schallwandler 28 auf weist, enthalten ist.

Wie Fig. 12b zeigt, weist die Vorrichtung auch eine Mischdiode 136 auf, die in einem separaten Gehäuse angrenzend an den Mi krowellen-Hohlraumresonator 132 positioniert ist.

Es wird nun auf die letzte Ausführungsform gemäß Fig. 13 Bezug genommen; ein Modulationssignal wird von dem Modulator 132 er zeugt und einem GaAs-FET 134 zugeführt. Ausgehend von dem GaAs-FET 134 erzeugt ein Mikrostreifenleiter 136 auf einer Leiterplatte das Mikrowellentestsignal, das von einem dielek trischen Resonator 138 übertragen wird. Das Mikrowellentest signal geht durch das in einem Rohr 140 enthaltene Testgas.

Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohr 146 aus Teflon und hat einen Innendurchmesser von 1,2 mm. Der Schall wandler 28 detektiert das von dem Testgas erzeugte Schallsi gnal und gibt das Signal an einen (nicht gezeigten) Quadratur verstärker der gleichen Art wie oben beschrieben ab.

Die Fig. 14 bis 16 zeigen verschiedene Wellenformen, die an jeweils gesonderten Stellen in den speziellen Ausführungsfor men des Mikrowellen-Gasanalysators der Fig. 5 bis 13 gemessen werden. Dabei sind die Diagramme in Fig. 14 bis 16 von der in Fig. 13 gezeigten Ausführungsform der Erfindung abgeleitet. In Fig. 14 ist die Modulations-Rechteckwelle gezeigt, die von dem Modulator 132 von Fig. 13 erzeugt wird.

Die Modulations-Rechteckwelle von Fig. 14 hat eine Frequenz von 1,66 kHz. Fig. 15 zeigt das Mikrowellensignal, das von dem dielektrischen Resonator 138 gemäß Fig. 13 erzeugt wird. Wie Fig. 15 zeigt, ist das Mikrowellensignal um die Frequenz von 9,77 GHz abgestimmt.

Fig. 16 zeigt das Ausgangssignal des Schallwandlers 28 in Fig. 13. Wie aus einem Vergleich der Fig. 16 und 14 ersichtlich ist, spricht das Ausgangssignal des Schallwandlers 28 direkt auf das modulierte Mikrowellentestsignal an.

Die Fig. 5 bis 13 zeigen zwar zahlreiche Alternativen für den akustischen Mikrowellen-Gasanalysator; es ist jedoch daran ge dacht, daß auch verschiedene andere Konfigurationen sowohl für die Testgaskammer und den Hohlraumresonator als auch für den Leiter für das Mikrowellentestsignal im Rahmen der Erfindung verwendet werden könnten.

Legende zu den Zeichnungen

In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen haben die englischsprachigen Ausdrücke in den jeweiligen Blöcken die nachstehend angegebene Bedeutung.

Fig. 1

14

Mikrowellenquelle

18

Modulator

20

Modulationsfrequenzoszillator

32

Synchronisationsdetektor

34

Ausgangssignalprozessor

Fig. 4b

MWA output MWA-Schallausgangssignal
f start 6,428857 GHz
f stop 6, 688649 GHz

Fig. 4c

MWA outpot MWA-Schallausgangssignal
f start 16,821 GHz
f stop 17,08 GHz

Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7

34

Quadraturverstärker

72

Mikrowellenquelle und Modulatorschaltung

74

digitales Oszilloskop

28

Schallwandler
Micro-Head Tuning Mikrowellenkopf-Abstimmung

Fig. 8

34

Quadraturverstärker

72

Mikrowellenquelle und Modulatorschaltung

74

digitales Oszilloskop

96

Schallwandler
Sweep Frequency Generator Wobbel-Frequenzgenerator

Fig. 9

34

Quadraturverstärker

72

Mikrowellenquelle und Modulatorschaltung

74

digitales Oszilloskop

96

Schallwandler

Fig. 10

28

Schallwandler

34

Quadraturverstärker

72

Mikrowellenquelle und Modulatorschaltung

74

digitales Oszilloskop

Fig. 11

28

Schallwandler

34

Quadraturverstärker

72

Mikrowellenquelle und Modulatorschaltung

74

digitales Oszilloskop

Claims

1. Vorrichtung zum Analysieren der Konzentration eines Test gases in einer Gasprobe,
gekennzeichnet durch
eine Mikrowellenquelle (14) zum Erzeugen eines Test signals, das eine Frequenz zwischen 500 MHz und 300 GHz hat;
eine Testgaskammer (12), die die zu analysierende Gasprobe enthält, wobei die Testgaskammer relativ zu der Mikrowellenquelle (14) so positioniert ist, daß das Testsignal von der Mikrowellenquelle durch die Gasprobe in der Testkammer geht, wobei das Testgas in der Gasprobe das Testsignal absorbiert und das Testsignal in ein Schallsignal umwandelt;
einen Schallwandler (28), der so positioniert ist, daß er das in der Testgaskammer (12) erzeugte Schallsignal detektiert und ein Ausgangssignal er zeugt, das mit der Testgasmenge in der Gasprobe in Korrelation steht; und
einen Signalprozessor (34), der so positioniert ist, daß er das Ausgangssignal des Schallwandlers (28) empfängt, wobei der Signalprozessor aktivierbar ist, um die Testgasmenge in der Gasprobe auf der Basis des Ausgangssignals zu bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Testgas in der Gasprobe das Mikrowellentestsignal infolge der molekularen Rotationsenergie-Nieveauübergänge in dem Testgas in das Schallsignal umwandelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Modulator (18), der so positioniert ist, daß er das Testsignal vor dessen Übertragung durch die Gasprobe mo duliert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Frequenzmodulator ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmodulator das Testsignal zwischen 1 kHz und 1 MHz moduliert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor ein Quadraturverstärker (34) ist, der die Phasendifferenz zwischen dem Testsignal und dem Ausgangssignal detektiert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Testgas ein Narkosedampf ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Schallwandlers (28) ein elek trisches Signal ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Testgaskammer aus Teflon besteht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmodulator das Testsignal über einen vor bestimmten Frequenzbereich moduliert, so daß der Signal prozessor das Ausgangssignal mit veränderlichen Modulati onsfrequenzen empfängt, um die maximale Absorptionsfre quenz in der getesteten Gasprobe zu bestimmen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Hohlraumresonator (94), der eine Mikrowellenquelle enthält, wobei sich wenigstens ein Bereich der Testgas kammer in dem Hohlraumresonator befindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Bereich (98) der Testgaskammer in dem Hohl raumresonator (94) enthalten ist und daß der Schallwand ler ein Differenzschallwandler (96) ist, der das in der Testgaskammer erzeugte Schallsignal detektiert.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal eine Frequenz im Mikrowellenbereich zwischen 500 MHz und 500 GHz hat.

14. Vorrichtung zum Analysieren der Menge eines Narkotikums in einer Gasprobe,
gekennzeichnet durch
eine Mikrowellenquelle (14), die in einem Hohlraum resonator positioniert ist, um ein Testsignal zu er zeugen, das eine Testfrequenz zwischen 500 MHz und 500 GHz hat;
eine Testgaskammer, die die zu analysierende Gasprobe enthält, wobei die Testgaskammer dem Hohl raumresonator benachbart positioniert ist, so daß das Testsignal von der Mikrowellenquelle (14) durch die Gasprobe in der Testkammer geht, wobei das Nar kotikum in der Gasprobe die Energie des Testsignals absorbiert und die molekularen Rotationsenergie-Ni veauübergänge des Narkotikums das Testsignal in ein Schallsignal umwandeln;
einen Schallwandler (28), der so positioniert ist, daß er das in der Testgaskammer erzeugte Schall signal detektiert und ein Ausgangssignal erzeugt, wobei das Ausgangssignal zu der Menge des Narkoti kums in der Gasprobe proportional ist; und
einen Signalprozessor (34), der so positioniert ist, daß er das Ausgangssignal des Schallwandlers emp fängt, um die Menge des Narkotikums in der Gasprobe zu bestimmen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Modulator (18), der so positioniert ist, daß er das Testsignal moduliert, bevor es durch die Gasprobe hin durch geschickt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator ein Frequenzmodulator ist, der das Testsignal zwischen 1 kHz und 1 MHz moduliert.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor einen Quadraturverstärker (34) aufweist, der die Phasendifferenz zwischen dem modulier ten Testsignal und dem Ausgangssignal des Schallwandlers detektiert, wobei die Phasendifferenz zu der Menge des Narkotikums in der Gasprobe proportional ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Testgaskammer ein durchgehendes Rohr (94) ist, von dem ein Abschnitt in dem Hohlraumresonator (100) enthalten ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwandler in dem durchgehenden Rohr (94) positioniert und ein Differenzmikrofon (96) ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Testsignal eine Testfrequenz im Mikrowellen bereich zwischen 500 MHz und 50 GHz hat.