Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifikation und Partialdruckbestimmung
von zwei Gasen in einem unbekannten Gasgemisch aus n möglichen Gasen
mittels Messung der von einer Strahlungsquelle emittierten und durch eine Küvette
mit dem unbekannten Gasgemisch transmittierten infrarotoptischen Strahlung, die
durch m Filter mit verschiedenen Transmissionswellenlängenbereichen tritt, wobei
n eine Anzahl größer als zwei und m eine Zahl kleiner als n bezeichnen.
Das Gas absorbiert infrarotoptische Strahlung in einem ganz bestimmten
Wellenlängenbereich, und die Transmission der nicht absorbierten
infrarotoptischen Strahlung in diesem Wellenlängenbereich ist für das Gas und
seinen Partialdruck charakteristisch.
Ein Verfahren zur Identifikation und Konzentrationsbestimmung von mindestens
einem Gas in einem unbekannten Gasgemisch aus n möglichen Gasen mittels
Messung der durch das Gasgemisch transmittierten infrarotoptischen Strahlung
wird in der US 5,731,581 beschrieben. Hierbei wird Lichtstrahlung in mehr als n
verschiedenen Wellenlängenbereichen verwendet, die auf Filter trifft, die jeweils
für diese Wellenlängenbereiche durchlässig sind. Mit multivariaten statistischen
Methoden wird aus den Messwerten das mindestens eine im unbekannten
Gasgemisch vorliegende Gas identifiziert und seine Konzentration bestimmt.
Die Konzentration eines Gases ergibt sich dabei aus dem Quotienten aus dem
Partialdruck des Gases und dem Gesamtdruck. Ist der Gesamtdruck bekannt, so
kann man aus dem Partialdruck stets die Konzentration eines Gases gewinnen
und umgekehrt.
Eine weitere Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung von N Gasen ist aus der
US 4,914,719 bekannt. Die Vermessung der Gaskomponenten erfolgt mit Hilfe
einer gleich großen Anzahl von Infrarotstrahlungskomponenten verschiedener
Wellenlängen. Anschließend wird beispielsweise durch Auflösen von Matrix
gleichungen ermittelt, welche der nachgewiesenen Gaskomponenten die höchste
Konzentration besitzt und wie hoch diese ist.
Auch in der EP 307 625 A2 wird eine Vorrichtung zur optischen Gasanalyse einer
Gasprobe mit verschiedenen Gaskomponenten durch ebenso viele Filter und
Detektoren für die entsprechenden charakteristischen Wellenlängen beschrieben.
Nach Durchlaufen der Gasprobe wird der gesamte Lichtstrahl aufgespalten, um
eine simultane Konzentrationsmessung für die verschiedenen Gaskomponenten
mit den zugehörigen Detektoren vornehmen zu können.
Die US 5,046,018 beschreibt gleichfalls eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Be
stimmung von mehreren Gaskomponenten in einem Gasgemisch. Es werden
entsprechend viele Filter mit verschiedenen Wellenlängenbanden durchlaufen,
und mit Hilfe der gemessenen Absorptionssignale erfolgt die Berechnung der Gas
konzentrationen durch Auflösung von Matrixgleichungen.
Nachteil der bekannten Verfahren ist, dass für die Identifikation und Konzen
trationsbestimmung von mindestens einem Gas in einem unbekannten Gasgemisch
eine große Anzahl von Filtern und jeweils nachgeschalteten Detektoren
erforderlich ist, und zwar mindestens soviele, wie mögliche Gase in dem Gas
gemisch in Betracht kommen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Identifikation und
Partialdruckbestimmung von zwei Gasen in einem unbekannten Gasgemisch
anzugeben, das mit konstruktiv einfachen Mitteln ausgeführt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den
Schritten nach Anspruch 1.
Das Verfahren zur Identifikation und Partialdruckbestimmung von zwei Gasen in
einem unbekannten Gasgemisch aus n möglichen Gasen mittels Messung der
durch das unbekannte Gasgemisch transmittierten infrarotoptischen Strahlung, die
durch m Filter mit m verschiedenen Transmissionswellenlängenbereichen tritt,
wobei n eine Anzahl größer als zwei und m eine Zahl kleiner als n bezeichnen,
besteht aus den folgenden Schritten.
Zunächst erfolgt entweder einmalig oder in größeren zeitlichen Abständen,
beispielsweise von mehreren Wochen, durch die Auswerte- und Steuereinheit eine
Kalibrierung, bevor die eigentliche Identifikation und Partialdruckbestimmung im
unbekannten Gasgemisch vorgenommen wird. Dabei wird für jedes einzelne der n
Gase, das möglicherweise in dem unbekannten Gasgemisch auftritt, und für jedes
der m Filter, die jeweils für einen speziellen Wellenlängenbereich durchlässig sind,
die Austrittsintensität der durch das Gas transmittierten infrarotoptischen
Strahlung, nachdem sie durch das Filter getreten ist, in Abhängigkeit vom
Partialdruck des Gases bestimmt. Diese Abhängigkeit lässt sich durch eine
Kalibrierkurve beschreiben. Insgesamt erhält man n mal m verschiedene
Kalibrierkurven für jedes der n Gase und jedes der m Filter.
Im Anschluss daran erfolgt die Identifikation und Partialdruckbestimmung von zwei
Gasen in einem unbekannten Gasgemisch. Darunter ist im Folgenden auch stets
die Identifikation und Partialdruckbestimmung von einem Gas anstelle von zwei
Gasen zu verstehen, falls nur dieses eine Gas im unbekannten Gasgemisch
auftritt. Dieser Fall ist ein vereinfachter Sonderfall, der im Folgenden nicht mehr
eigens erwähnt wird, sondern bei der Identifikation und Partialdruckbestimmung
von zwei Gasen miteinbegriffen wird. Für jedes der m Filter wird die
Austrittsintensität der durch das unbekannte Gasgemisch transmittierten
infrarotoptischen Strahlung, nachdem sie durch das Filter getreten ist, durch einen
dem Filter nachgeschalteten Detektor gemessen. Es ergeben sich m Werte.
Anhand einer Auswertung der zuvor erzeugten n mal m Kalibrierkurven wird von
der Auswerte- und Steuereinheit für jedes der möglichen Gasgemische, die jeweils
aus zwei der n Gase bestehen und im Folgenden als Gemischpaar bezeichnet
werden, dasjenige Paar von Partialdrücken bestimmt, dessen zugehörige m
Austrittsintensitäten den beim unbekannten Gasgemisch gemessenen m
Austrittsintensitäten nach einem vorgegebenen Abstandsmaß am besten
entsprechen. Ein Abstandsmaß dafür, welche zu einem Paar von Partialdrücken
gehörenden Austrittsintensitäten den beim unbekannten Gasgemisch
gemessenen Austrittsintensitäten am besten entsprechen, ist beispielsweise die
Summe der Abstände zwischen den Austrittsintensitäten eines Gemischpaares bei
einem bestimmten Paar von Partialdrücken und den gemessenen
Austrittsintensitäten des Gasgemisches oder die Summe der Abstandsquadrate
der Austrittsintensitäten eines Gemischpaares bei einem bestimmten Paar von
Partialdrücken und der gemessenen Austrittsintensitäten des Gasgemisches.
Wie die Auswertung erfolgt, das wird an späterer Stelle am Beispiel eines
Gemischpaares erläutert.
Ist für jedes der möglichen Gemischpaare dasjenige Paar von Partialdrücken
bestimmt worden, bei dem die zugehörigen Austrittsintensitäten den gemessenen
Austrittsintensitäten des unbekanntes Gasgemisches nach dem vorgegebenen
Abstandsmaß am besten entsprechen, so wird unter den bestimmten Paaren von
Partialdrücken dasjenige ermittelt, dessen zugehörige Austrittsintensitäten den
gemessenen Austrittsintensitäten des unbekannten Gasgemisches am besten
entsprechen. Die zwei Gase des Gemischpaares, die zu diesem Paar von
Partialdrücken gehören, werden als die zwei Gase des unbekannten
Gasgemisches identifiziert. Ihre ermittelten Partialdrücke können gegebenenfalls
durch Division durch den Gesamtdruck zur Konzentrationsbestimmung
herangezogen werden.
Für das Verfahren wird eine infrarotoptische Gasmessvorrichtung verwendet, die
eine infrarotoptische Strahlungsquelle, eine Küvette für die zu messende
Gasprobe, mehrere optische Filter mit unterschiedlichen Transmissions
wellenlängenbereichen und mindestens einen nachgeschalteten Detektor zur
Messung der Austrittsintensität der infrarotoptischen Strahlung sowie eine
Auswerte- und Steuereinheit umfasst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zur Identifikation und
Partialdruckbestimmung von zwei Gasen in einem unbekannten Gasgemisch aus
fünf möglichen Gasen angewendet. Dabei kann es sich insbesondere um die fünf
Anästhesiegase Halothan, Enfluran, Isofluran, Sevofluran und Desfluran
handeln.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden drei Filter mit
verschiedenen Transmissionswellenlängenbereichen verwendet.
Ebenso möglich ist eine Ausführungsform, in der vier Filter mit verschiedenen
Transmissionswellenlängenbereichen verwendet werden.
Die Ausführungsformen mit drei und vier verwendeten Filtern sind in den
Zeichnungen beispielhaft dargestellt, und die Ausführungsform mit drei Filtern wird
im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
infrarotoptischen Gasmessvorrichtung
mit drei Filtern, die für das erfindungs
gemäße Verfahren verwendbar ist,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
infrarotoptischen Gasmessvorrichtung
mit vier Filtern, die für das erfindungs
gemäße Verfahren verwendbar ist,
Fig. 3 fünf Kalibrierkurven für fünf verschiedene
Anästhesiegase A, B, C, D, E und für ein
erstes Filter mit einem Transmissions
wellenlängenbereich im Bereich von
3 bis 10 Mikrometern,
Fig. 4 fünf Kalibrierkurven für die fünf ver
schiedenen Anästhesiegase aus Fig. 3
und für ein zweites Filter mit einem vom
ersten Filter verschiedenen Transmissions
wellenlängenbereich im Bereich von
3 bis 10 Mikrometern,
Fig. 5 fünf Kalibrierkurven für die fünf ver
schiedenen Anästhesiegase aus Fig. 3
und für ein drittes Filter mit einem vom
ersten und zweiten Filter verschiedenen
Transmissionswellenlängenbereich im
Bereich von 3 bis 10 Mikrometern,
Fig. 6 eine Tabelle mit den anhand der
Kalibrierkurven der fünf verschiedenen
Anästhesiegase ermittelten Paaren von
Partialdrücken zu den zehn möglichen
Gasgemischkombinationen aus jeweils zwei
verschiedenen Anästhesiegasen, im
Folgenden als Gemischpaare bezeichnet,
Fig. 7 eine Tabelle mit den anhand der in der
Fig. 6 ermittelten Paare von Partialdrücken
der einzelnen Anästhesiegase berechneten
Austrittsintensitäten der Gemischpaare,
Fig. 8 eine Tabelle mit den Abweichungen der
jeweils berechneten Austrittsintensitäten
der Gemischpaare von den gemessenen
Austrittsintensitäten des unbekannten
Gasgemisches.
In der Fig. 1 ist schematisch eine infrarotoptische Gasmessvorrichtung mit drei
Filtern 5a, 5b, 5c dargestellt, die für das erfindungsgemäße Verfahren
verwendbar ist. Die Gasmessvorrichtung umfasst eine infrarotoptische
Strahlungsquelle 1, die über eine Auswerte- und Steuereinheit 2 betätigt und
gesteuert wird. Die von der infrarotoptischen Strahlungsquelle 1 ausgesendete
Strahlung tritt durch eine strahlungsdurchlässige Küvette 3, die das zu
identifizierende und in seinem Partialdruck zu messende Gas oder Gasgemisch
enthält. Anschließend wird die Strahlung mit Hilfe von drei Strahlteilern 4a, 4b
und 4c auf drei Filter 5a, 5b und 5c mit jeweils unterschiedlichen
Transmissionswellenlängenbereichen im Bereich zwischen 3 und 10 Mikrometern
geleitet. Jedem Filter 5a, 5b und 5c ist jeweils ein Detektor 6a, 6b und 6c
nachgeschaltet, der die Austrittsintensität der Strahlung misst und den
gemessenen Wert an die Auswerte- und Steuereinheit 2 weitergibt.
In der Fig. 2 ist schematisch eine infrarotoptische Gasmessvorrichtung mit vier
Filtern 5a, 5b, 5c, 5d dargestellt, die sich von der infrarotoptischen
Gasmessvorrichtung aus Fig. 1 nur durch einen weiteren Strahlteiler 4d, ein
weiteres Filter 5d und einen weiteren Detektor 6d unterscheidet, die vom Prinzip
her baugleich zu den Strahlteilern 4a, 4b, 4c, den Filtern 5a, 5b, 5c und den
Detektoren 6a, 6b, 6c sind.
In der Fig. 3 sind fünf verschiedene Kalibrierkurven für fünf verschiedene
Anästhesiegase A, B, C, D, E und für das erste Filter 5a mit einem
Transmissionswellenlängenbereich im Bereich von 3 bis 10 Mikrometern
abgebildet. Dabei bezeichnen A Halothan, B Enfluran, C Isofluran, D Sevofluran
und E Desfluran. Auf der Abszisse ist jeweils der Partialdruck p des Anästhesie
gases in mbar (Millibar) aufgetragen, auf der Ordinate in Abhängigkeit davon
dimensionslos die Austrittsintensität der durch das betreffende Anästhesiegas
transmittierten infrarotoptischen Strahlung, nachdem sie durch das erste Filter 5a
getreten ist.
Entsprechende Kalibrierkurven sind in der Fig. 4 für die fünf Anästhesiegase A,
B, C, D, E und das zweite Filter 5b mit vom ersten Filter 5a verschiedenen
Transmissionswellenlängenbereich im Bereich von 3 bis 10 Mikrometern ab
gebildet.
Ebenso sind in der Fig. 5 Kalibrierkurven für die fünf Anästhesiegase A, B, C, D,
E und das dritte Filter 5c mit Transmissionswellenlängenbereich im Bereich von 3
bis 10 Mikrometern, der sich von den Transmissionswellenlängenbereichen vom
ersten Filter 5a und vom zweiten Filter 5b unterscheidet, abgebildet.
In den Fig. 3 bis 5 sind insgesamt 15 Kalibrierkurven dargestellt, die jeweils
die Austrittsintensitäten für jedes einzelne Gas A, B, C, D, E und jedes Filter 5a,
5b, 5c in Abhängigkeit vom Partialdruck wiedergeben.
Für ein unbekanntes Gasgemisch und jedes der drei Filter 5a, 5b und 5c wird
die Austrittsintensität S1, S2, S3 der durch das Gasgemisch transmittierten infrarot
optischen Strahlung gemessen. Für das erste Filter 5a erhält man im Beispiel
S1 = 5, für das zweite Filter 5b gilt S2 = 7 und für das dritte Filter 5c gilt S3 = 6.
Die Tabelle der Fig. 6 gibt für jedes der zehn Gemischpaare, die jeweils aus zwei
der fünf möglichen Anästhesiegase A, B, C, D, E bestehen, diejenigen Paare von
Partialdrücken an, die, wenn die betreffenden Gemischpaare mit diesen
Partialdrücken auftreten, zu Werten S1', S2', S3' für Austrittsintensitäten führen, die
den gemessenen Austrittsintensitäten S1, S2, S3 am besten entsprechen.
Die Bestimmung eines Paars von Partialdrücken aus den zuvor erzeugten
Kalibrierkurven der Fig. 3 bis 5 wird dabei am Beispiel eines Gemischpaares
A-B aus den Anästhesiegasen A und B erläutert:
Zunächst wird gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz die bei dem Gemischpaar
A-B für jedes Filter gemessene Austrittsintensität SAB als Produkt der
Austrittsintensitäten SA und SB der einzeln auftretenden Gase A und B im
Gemischpaar A-B angesetzt, die mit einem Korrekturfaktor exp(-KAB) multipliziert
werden:
SAB = SA × SB × exp(-kAB).
Der Korrekturfaktor exp(-kAB) hängt jeweils ab vom Filter 5a, 5b, 5c und seinem
spezifischen Transmissionswellenlängenbereich, ferner von der Wechselwirkung
zwischen den Molekülen der Gase A und B.
Die Korrekturfaktoren können für alle Gemischpaare zuvor bestimmt werden,
indem für einige wenige Partialdrücke die zugehörigen Korrekturfaktoren
berechnet werden und die übrigen Korrekturfaktoren aus diesen interpoliert
werden. Ebenso denkbar ist eine zuvor durchgeführte experimentelle Bestimmung
der Korrekturfaktoren.
Die Austrittsintensitäten SAB, SA, SB werden in die Extinktionen IAB, IA, IB
umgerechnet, wobei zwischen den Austrittsintensitäten und den Extinktionen die
Beziehungen IAB = -In SAB, IA = -InSA und IB = -InSB gelten.
Die obere Gleichung geht dann über in IAB = IA + IB + kAB.
Diese Umformungen führt man für alle drei Filter 5a, 5b, 5c aus und erhält das
folgende Gleichungssystem mit den dreidimensionalen Vektoren IAB, IA, IB und kAB:
IAB = IA + IB + kAB.
Die Vektoren IA und IB, deren Komponenten jeweils die Extinktionen der Gase A
und B an den drei verschiedenen Filtern darstellen, werden durch
Polynomfunktionen PA = PA(pA) und PB = PB(pB) angenähert, so dass die
Gleichung folgende Form erhält:
IAB = PA(pA) + PB(pB) + kAB.
Im Beispiel wird für die Polynome PA(pA) und PB(pB) jeweils eine Gerade gewählt:
PA(pA) = mA × pA + a und PB(pB) = mB × pB + b.
Die Vektoren mA und mB bezeichnen dabei die Richtungen der Geraden, die
Vektoren a und b Ortsvektoren, durch die die Geraden laufen.
Die Gleichung geht dann über in
IAB = mA × pA + a + mB × pB + b + kAB.
Es liegt somit ein lineares Gleichungssystem mit drei Gleichungen für die zwei
unbekannten Größen pA und pB vor, das heißt, dass die gesuchten Größen pA und
pB überbestimmt sind. Mit Hilfe gängiger Methoden der linearen Algebra werden
deshalb Partialdrücke pA* und pB* so bestimmt, dass die Abweichung zwischen
den gemessenen Austrittsintensitäten und den mittels obigem Gleichungssystem
berechneten Austrittsintensitäten minimal ist.
Die in der Tabelle der Fig. 6 angegebenen Werte sind alle auf dieselbe Weise
wie die Partialdrücke pA* und pB* bestimmt worden.
Die Tabelle in der Fig. 7 gibt für jedes der zehn möglichen Gemischpaare die aus
den Partialdrücken der Tabelle in der Fig. 6 berechneten Austrittsintensitäten S1'
für das erste Filter 5a, S2' für das zweite Filter 5b und S3' für das dritte Filter 5c
an. Für die Berechnung der Austrittsintensitäten S1', S2', S3' aus den
Partialdrücken wird das Lambert-Beersche Gesetz herangezogen, wobei stets
vorausgesetzt wird, dass der Gesamtdruck bekannt ist, so dass man die Gaskon
zentration aus dem Quotienten aus Partialdruck und Gesamtdruck gewinnt. Es
wird ein Produktansatz verwendet. Das bedeutet, dass die Austrittsintensität bei
jedem Gemischpaar als Produkt der Austrittsintensitäten der einzeln vorliegenden
Gase im Gemischpaar angesetzt wird.
Die Tabelle in der Fig. 8 gibt in den Spalten zwei bis vier zu jedem der zehn
möglichen Gemischpaare der Spalte eins den Abstand, das heißt den Betrag der
Differenz, zwischen der berechneten Austrittsintensität S1', S2', S3' und der
tatsächlich gemessenen Austrittsintensität S1, S2, S3 an dem jeweiligen Filter 5a,
5b, 5c an. In der fünften Spalte wird für jedes Gemischpaar die Summe der
Abstände, das heißt der Beträge der Differenzen, aus den Spalten zwei bis vier
berechnet, und in der sechsten Spalte wird für jedes Gemischpaar die Summe der
Quadrate der Abstände aus den Spalten zwei bis vier berechnet. In der fünften
und sechsten Spalte ist auf diese Weise jeweils ein Abstandsmaß vorgegeben,
nach dem beurteilt wird, welches der zehn möglichen Gemischpaare als das
unbekannte Gasgemisch identifiziert wird und welche beiden zugehörigen
Partialdrücke herangezogen werden. Im vorliegenden Beispiel entspricht sowohl
nach dem Abstandsmaß der Abstandssumme Σ1 ≦ i ≦ 3ISi - Si'I = 0,21 als auch nach
dem Abstandsmaß der Abstandsquadratsumme Σ1 ≦ i ≦ 3(Si - Si')2 = 0,004 das
Gemischpaar B-D mit Partialdrücken pB 12,22 und pD = 18,55 den tatsächlich
gemessenen Austrittsintensitäten S1, S2, S3 am besten.