DE102014219132A1

DE102014219132A1 - Vorrichtung zur Analyse der Ausatemluft mit einer Gassensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102014219132A1
Application number: DE102014219132.7A
Authority: DE
Inventors: Heike Vogel; Daniel Reisinger; Petra Neff; Volker Adams; Frank Barth; Kathy Sahner; Klaus Mueller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-09-23
Filing date: 2014-09-23
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Bei einer Vorrichtung (100) zur Analyse der Ausatemluft mit einer Gassensoreinrichtung (110) weist die Vorrichtung ein Mundstück (120) zum Einbringen von Ausatemluft in die Vorrichtung auf. Das Mundstück (120) enthält wenigstens ein Entfeuchtungsmittel (122). Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung (100) mit wenigstens einem Feuchtebeladungssensor (140) zur Überwachung der Entfeuchtungsfunktion des Mundstückes ausgestattet. Bei dem Feuchtebeladungssensor (140) handelt es um einen berührungslos arbeitenden Sensor ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse der Ausatemluft mit einer Gassensoreinrichtung, wobei die Vorrichtung insbesondere zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch eine Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft.
Stand der Technik
Es werden bereits verschiedene Atemgasanalysegeräte für medizinische Zwecke, insbesondere zur Diagnostik, und auch für verschiedene Lifestyle-Anwendungen eingesetzt. Im Hinblick auf Erkrankungen der Atemwege, z.B. allergisches Asthma, spielt endogenes Stickstoffmonoxid in der Ausatemluft einer Person eine wichtige Rolle. Stickstoffmonoxid ist ein Indikator für entzündliche Reaktionen in den Atemwegen und insbesondere in der Lunge. Es ist bereits bekannt, den Stickstoffmonoxidgehalt in der Atemluft zu überwachen, um ein verbessertes Management bei Asthmapatienten zu erreichen. Zu diesem Zweck sind verschiedene Atemluftanalysegeräte bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-Patentanmeldung US 2010/0192669 A1 ein Atemluftanalysegerät mit einem photoakustischen Probendetektor, mit dem Stickmonoxid in der Ausatemluft bestimmt werden kann. Die deutsche Gebrauchsmusterschrift DE 20 2009 018 824 U1 offenbart ein Probenentnahmesystem für ein Gerät zur Atemgasanalyse, bei dem der Fluss der Atemluft des Patienten durch das Messgerät so gesteuert wird, dass der klinisch entscheidende Anteil des Atemvolumens über einen Messsensor geleitet werden kann. Die Veröffentlichungsschrift WO 02/088691 A2 einer internationalen Patentanmeldung beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Stickstoffmonoxid in der Ausatemluft, wobei ein Gassensor eingesetzt wird, der nach dem Prinzip der Austrittsarbeitsmessung betrieben wird. Hierbei ist ein Oxidationskatalysator als Konverter vorgesehen, der Stickmonoxid zu Stickstoffdioxid oxidiert. Aus der gemessenen Stickstoffdioxidkonzentration kann auf die Stickstoffmonoxidkonzentration in der Ausatemluft geschlossen werden. Als Gassensoren werden hierbei Feldeffekttransistoren verwendet.
Es ist bekannt, dass Feuchtigkeit in einer Messkammer zur Messung von Stickstoffdioxid das Messergebnis negativ beeinflussen kann. Weiterhin kann eine Kondensation der Luftfeuchtigkeit die Ergebnisse verfälschen. In der Regel wird daher eine Entfeuchtung der Ausatemluft vorgenommen. In diesem Zusammenhang schlägt die Veröffentlichungsschrift WO 02/088691 A2 vor, in der Messsensoreinheit einen Sensor für eine Detektion von Feuchtigkeit vorzusehen. Die gemessene Feuchtigkeit kann bei der Berechnung der Stickstoffoxidwerte berücksichtigt werden. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2009 016 848 A1 ist ein Gas-Analysegerät mit einem Gasentfeuchter bekannt, bei dem die Einrichtung zur Luftentfeuchtung geeignete Trocknungsmittel und gegebenenfalls einen Indikatorfarbstoff, der den Grad der Wasseraufnahme anzeigt, enthält.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung geht von einem Analysegerät für die Ausatemluft aus, das eine Gassensoreinrichtung zur Messung einer oder mehrerer Analyten umfasst. Diese Vorrichtung ist mit einem Mundstück ausgestattet, über das die Ausatemluft in die Vorrichtung eingebracht wird. Dieses Mundstück enthält wenigstens ein Entfeuchtungsmittel, so dass die Ausatemluft in ausreichendem Maße entfeuchtet werden kann und die Analyse in der Gassensoreinrichtung nicht von Feuchtigkeit im Messgas negativ beeinflusst wird. Als Entfeuchtungsmittel können verschiedene übliche Trocknungsmittel oder Ähnliches eingesetzt werden. Hierbei sollte gewährleistet sein, dass das eingesetzte Trocknungsmittel die Luftfeuchte stark und definiert bindet, und dabei das Zielgas unverändert passieren lässt. Geeignet sind beispielsweise Silikagel (Kieselgel), Zeolithe oder wasseranziehende Salze und Mineralien wie beispielsweise Kalziumchlorid, Bentonit, Tone oder wasserbindende Polymere. Erfindungsgemäß umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Feuchtebeladungssensor zur Überwachung der Entfeuchtungsfunktion des Mundstückes vorgesehen. Mithilfe des Feuchtebeladungssensors kann überwacht werden, ob die Ausatemluft während des Passierens des Mundstückes ausreichend entfeuchtet wird, indem die Funktion des Entfeuchtungsmittels bzw. der Feuchtebeladungszustand des Entfeuchtungsmittels überprüft wird. Sollte mittels des Feuchtebeladungssensor festgestellt werden, dass eine ausreichende Entfeuchtung nicht mehr gegeben ist, können geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann das Entfeuchtungsmittel als solches oder das gesamte Mundstück ausgetauscht werden.
Bei dem Feuchtebeladungssensor handelt es sich erfindungsgemäß um einen berührungslos arbeitenden Sensor. Mit einem solchen Sensor kann durch ein kontaktloses Messverfahren auf den Zustand, also die Feuchtebeladung, des Entfeuchtungsmittels rückgeschlossen werden. Für die Messung ist keine Gasphase, also kein Gasfluss, und damit keine Durchströmung erforderlich, sodass die Vorrichtung während der Überprüfung auch nicht mit Atemgas durchströmt werden muss. Das bedeutet, dass es für die Überprüfung der Feuchtebeladung nicht notwendig ist, dass der Patient oder Anwender in die Vorrichtung bläst. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt daher darin, dass die Vorrichtung bzw. das Gerät gegebenenfalls eine Warnmeldung ausgeben kann, bevor der Anwender den eigentlichen Messvorgang beginnt.
Außer einer unmittelbaren Verfälschung der Messergebnisse durch Feuchtigkeit in der Messkammer kann durch Feuchtigkeit innerhalb des Gerätes eine Kondensation auftreten, wodurch es zu einer unerwünschten Absorption von Stickstoffdioxid und damit zu einer Verfälschung der Messergebnisse kommt. Derartige Fehler werden erfindungsgemäß vermieden.
Bekannte Atemgasanalysegeräte enthalten bereits ein Mundstück, das ein Trocknungsmittel (Entfeuchtungsmittel) enthält, beispielsweise ein Silikagel oder ein Molekularsieb oder Ähnliches. Darüber hinaus ist oftmals ein Keimfilter enthalten. Insbesondere nach mehrmaligem Gebrauch des Gerätes oder auch bei nicht geeigneter Lagerung, bei der das Gerät nicht in einer feuchtedichten Verpackung aufbewahrt wird, kann es dazu kommen, dass das Entfeuchtungsmittel bereits mit Feuchtigkeit gesättigt ist und daher seinen Zweck nicht mehr erfüllen kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, dass der Zustand des Entfeuchtungsmittels bestimmt wird und in Abhängigkeit davon entschieden werden kann, ob das Mundstück noch nutzbar ist oder nicht bzw. ob das Entfeuchtungsmittel ausgetauscht werden sollte. Die erfindungsgemäße Anordnung eines Feuchtebeladungssensor im und/oder am Mundstück, also in unmittelbarer Nähe des Entfeuchtungsmittels, hat den Vorteil, dass der Zustand des Entfeuchtungsmittels vor der eigentlichen Messung bereits bestimmt werden kann, wodurch Fehlmessungen für den Patienten vermieden werden können.
Durch die Kontrolle der Entfeuchtungsfunktion können also Fehlerfälle rechtzeitig erkannt und geeignete Maßnahmen ergriffen werden. Insbesondere kann ein gealtertes Entfeuchtungsmittel und/oder ein zu lange verwendetes Mundstück und/oder ein aus anderen Gründen mit Feuchtigkeit gesättigtes Entfeuchtungsmittel erkannt werden. Darüber hinaus kann mithilfe des Sensors auch auf die Restfeuchte in der Luft nach der Entfeuchtung rückgeschlossen werden. Wenn beispielsweise der Feuchtebeladungszustand des Entfeuchtungsmittels nicht mehr optimal ist, ist von einem weniger entfeuchteten Messgas auszugehen. Dies kann gegebenenfalls bei einer Auswertung der Messergebnisse berücksichtigt werden. Beispielsweise kann im Gerät ein entsprechendes Kennfeld oder ein entsprechender Algorithmus hinterlegt sein, das oder der unter Berücksichtigung der Restfeuchte bei der Auswertung der Messergebnisse herangezogen wird.
Zweckmäßigerweise ist der Feuchtebeladungssensor in unmittelbarer Nähe des Entfeuchtungsmittels angeordnet, wobei der Feuchtebeladungssensor vorzugsweise im und/oder am Mundstück platziert ist.
Bei dem berührungslos arbeitenden Feuchtebeladungssensor handelt es sich insbesondere um einen kapazitiven oder um einen induktiven Sensor. Bei einem kapazitiven Sensors umfasst der Sensor vorzugsweise Metallflächen, die im oder am Mundstück integriert sind. Eine kapazitive Messung des Entfeuchtungsmittelzustands funktioniert auf der Basis der Änderung der Kapazität in einem Kondensator, wobei in diesem Fall die Metallflächen als Kondensatorplatten wirken. Es ist möglich, dass die Metallflächen direkt in das Mundstück eingebracht sind, wobei vorzugsweise Kontaktflächen zum Gerät vorhanden sind. Oder die Metallflächen können sich auch im Gerät, also außerhalb des Mundstückes befinden.
Bei einem induktiven Sensor umfasst der Sensor vorzugsweise wenigstens eine Sende- und Empfangsspule. Die Spule kann dabei in der Nähe des Mundstücks so angeordnet sein, dass sie einen Teil des in die Vorrichtung eingesteckten Mundstücks umschließt. Zumindest ein Teil des Entfeuchtungsmittels aus dem Mundstück liegt dabei im Inneren der Spule, sodass mit einem induktiven Messprinzip der Feuchtebeladungszustand des Entfeuchtungsmittels überprüft werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Feuchtebeladungssensor, beispielsweise die Metallflächen eines kapazitiven Sensors, in unmittelbarer Nähe des Entfeuchtungsmittels angeordnet, so dass mit dem Sensor der Anteil an Wasser im Entfeuchtungsmittel, also der Feuchtebeladungszustand, bestimmt werden kann. Diese Messung basiert darauf, dass sich die Dielektrizitätskonstante ε des Trocknungsmittels (Entfeuchungsmittels) durch die Aufnahme von Wasser verändert. Beispielsweise lässt sich bei Silikagel eine Dielektrizitätskonstante von 1,99 F/m bei trockenem Silikagel und eine Dielektrizitätskonstante von 22,63 F/m bei nassem Silikagel messen. Durch Festlegen eines geeigneten Grenzwertes für eine valide Messung kann festgestellt werden, ob der messbare Wert einen tolerierbaren Feuchtigkeitsgehalt des Silikagels widerspiegelt. Sollte der vorgebbare Grenzwert überschritten werden, ist der Wasseranteil im Entfeuchtungsmittel zu hoch, wodurch keine ausreichende Entfeuchtung mehr gewährleistet werden kann. In diesem Fall sollte die Messung abgebrochen werden bzw. das Entfeuchtungsmittel oder gegebenenfalls das komplette Mundstück sollten ausgetauscht werden.
Ein Auslesen der Kapazität, die mit dem kapazitiven Sensor gemessen wird, kann beispielsweise über eine an sich bekannte RC-Schaltung mit einem definierten, d. h. bekannten Widerstand erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann ein oder der Feuchtebeladungssensor zusätzlich oder alternativ stromabwärts des Mundstückes platziert sein, so dass der Feuchtigkeitsgehalt des Gases gemessen werden kann, das das Entfeuchtungsmittel passiert hat. In diesem Fall sind Grenzwerte festzulegen, die einen tolerierbaren Restfeuchtgehalt des Messgases repräsentieren. Wenn diese Grenzwerte überschritten werden, ist davon auszugehen, dass das Entfeuchtungsmittel keine ausreichende Entfeuchtung mehr gewährleistet. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein gegebenenfalls falsch montiertes Mundstück erkannt werden kann, bei dem aus diesem Grund die Entfeuchtung nicht optimal ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Feuchtebeladungssensor in oder an einer Befestigungseinrichtung für das Mundstück angeordnet. Beispielsweise können sich die Metallflächen eines kapazitiven Sensors oder die integrierte Spule eines induktiven Sensors auf der Mundstücksaufnahme befinden. Bei dem Mundstück handelt es sich insbesondere um ein auswechselbares Mundstück, so dass derselbe Feuchtebeladungssensor auch nach der Auswechslung des Mundstückes weiter verwendet werden kann. Mit dem Sensor in oder an einer Befestigungseinrichtung für das Mundstück kann die Feuchtebeladung des Entfeuchtungsmittels im Mundstück geprüft werden. Insbesondere bei einem kapazitiven Sensor oder einem induktiven Sensor kann die Feuchtebeladung kontaktlos vom Gerät aus gemessen werden.
Zweckmäßigerweise ist in der Vorrichtung wenigstens ein Signalerzeugungsmittel vorgesehen, welches ein Signal erzeugt, wenn bei der Überprüfung der Entfeuchtungsfunktion im Mundstück festgestellt wird, dass diese Funktion nicht mehr in ausreichendem Maße gegeben ist. Bei dem Signal kann es sich beispielsweise um ein optisches Signal (z.B. auf einem Display) oder um ein akustisches Signal (z.B. ein Beeper) handeln. Wenn also die feststellbare Entfeuchtungsfunktion unterhalb einer vorgebbaren Schwelle liegt, wird ein entsprechendes Signal erzeugt, woraufhin beispielsweise das Mundstück ausgetauscht oder das Entfeuchtungsmittel ausgetauscht werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es vorgesehen sein, dass Mittel zur Kompensation eines Feuchteeinflusses auf die Messergebnisse vorgesehen sind. Durch die Überprüfung der Entfeuchtungsfunktion im Mundstück kann auf das Maß der in der Vorrichtung bzw. im Mundstück stattfindenden Entfeuchtung des Messgases rückgeschlossen werden. Da ab einer bestimmten Feuchtigkeit im Messgas das Messergebnis beeinflusst wird, kann dieser Feuchteeinfluss auf das Messergebnis auf der Basis der Messung der Entfeuchtungsfunktion im Mundstück insbesondere rechnerisch ermittelt und entsprechend kompensiert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Vorrichtung zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft vorgesehen. In dieser Ausgestaltung umfasst die Gassensoreinrichtung wenigstens einen Gassensor zur Messung von Stickstoffoxiden. In besonders vorteilhafter Weise kann Stickstoffdioxid gemessen werden, nachdem das Stickstoffmonoxid in der Ausatemluft in Stickstoffdioxid mittels einer Konvertereinrichtung umgewandelt wurde. Beispielsweise sind hierfür kostengünstige Sensoren verfügbar, die nach dem Prinzip eines Feldeffekttransistors arbeiten. Aus dem in der Gassensoreinrichtung messbaren Stickstoffdioxidgehalt lässt sich auf den Stickstoffmonoxidgehalt in der Ausatemluft rückschließen.
Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft. Da die Stickstoffoxide und insbesondere Stickstoffmonoxid in der Ausatemluft einer Person oder gegebenenfalls eines Tieres ein wichtiger Indikator für den Verlauf von asthmatischen Erkrankungen und allgemein für entzündliche Reaktionen in den Atemwegen oder in der Lunge sind, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Verlauf einer asthmatischen Erkrankung gemessen werden, um gegebenenfalls entsprechend, beispielsweise durch eine Medikamentengabe, reagieren zu können. Bezüglich weiterer Merkmale der Vorrichtung, die zu diesem Zweck verwendet wird, wird auf die obige Beschreibung verwiesen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Atemgasanalysevorrichtung.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Entfeuchtung in einem Atemgasanalysegerät kontrolliert. Hierfür ist zur Überwachung der Entfeuchtungsfunktion, die durch ein Entfeuchtungsmittel im Mundstück realisiert wird, wenigstens ein Feuchtebeladungssensor vorgesehen. Der Entfeuchtungsmittelzustand im Mundstück wird als Feuchtebeladung des Entfeuchtungsmittels erfindungsgemäß mit einem berührungslos arbeitenden Sensor, beispielsweise durch eine kapazitive oder induktive Messung, gemessen. Die Erfindung geht dabei von einem Atemgasanalysegerät aus, das mit einem Mundstück ausgestattet ist, welches ein oder mehrere Entfeuchtungsmittel enthält.
Das Entfeuchtungsmittel im Mundstück kann nach längerem Gebrauch und insbesondere auch bei falscher Lagerung mit Feuchtigkeit gesättigt sein, so dass eine ausreichende Entfeuchtungsfunktion nicht mehr gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird der Zustand des Entfeuchtungsmittels bestimmt und überprüft, um entscheiden zu können, ob das Entfeuchtungsmittel oder das gesamte Mundstück noch nutzbar ist oder nicht. Durch die Verwendung eines berührungslos arbeitenden Sensors, insbesondere eines kapazitiven oder induktiven Sensors, kann die Feuchtigkeitsbeladung im Mundstück berührungslos gemessen werden. Der Feuchtebeladungssensor kann dabei in oder an einer Befestigungsvorrichtung für ein auswechselbares Mundstück angeordnet sein, so dass kein Austausch des Sensors bei einer Auswechslung des Mundstückes erforderlich ist. Eine Überprüfung des Feuchtebeladungszustands des Entfeuchtungsmittels hat den besonderen Vorteil, dass bereits vor Durchführung einer Atemgasanalyse überprüft werden kann, ob eine ausreichende Entfeuchtung gewährleistet ist. Auf diese Weise können unnötige Fehlmessungen für den Patienten oder Anwender vermieden werden.
Die Figur illustriert in vereinfachter Weise eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Atemgasanalysegeräts 100. Die Vorrichtung 100 umfasst eine schematisch dargestellte Messsystemeinrichtung 110 mit einem oder mehreren Gassensoren, die beispielsweise zur Messung von Stickstoffmonoxid vorgesehen sind. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin ein Mundstück 120, insbesondere ein austauschbares Mundstück oder ein Einwegmundstück. Das Mundstück 120 umfasst eine Entfeuchtungseinheit 122 und vorzugsweise einen Keimfilter 121. Das Mundstück kann so ausgestaltet sein, dass durch geeignete Formschlusseinrichtungen verhindert wird, dass das Mundstück nicht korrekt am Atemgasanalysegerät befestigt wird. Weiterhin kann ein separater Sensor und/oder Schalter vorgesehen sein, mit dem angezeigt wird, ob sich überhaupt ein Mundstück am übrigen Atemgasanalysegerät befindet.
Eine Person bzw. ein Patient 1 bläst in das Mundstück 120 die Ausatemluft ein. Der Luftstrom wird über den Gaspfad 130 durch das Gerät bis zu einer Austrittsöffnung 131 geleitet. Hierbei passiert das Atemgas die Messsystemeinrichtung 110 und wird dabei analysiert.
Kern der Erfindung ist, dass die Entfeuchtungsfunktion des Gerätes, die durch die Entfeuchtungseinheit 122, welche ein Entfeuchtungsmittel enthält, realisiert wird, durch einen Feuchtebeladungssensor überwacht wird. In der in der Figur illustrierten Ausgestaltung ist zu diesem Zweck ein berührungslos arbeitender Feuchtebeladungssensor 140 direkt am Mundstück 120 angeordnet. Bei dem Sensor 140 handelt es sich um einen kapazitiven Sensor, der Metallflächen 141 und eine Spule 142 umfasst. Die Metallflächen 141, z. B. Metallplatten, sind so angeordnet, dass sie das Entfeuchtungsmittel innerhalb der Entfeuchtungseinheit 122 von außen umschließen. In einer alternativen Ausgestaltung als induktiver Sensor kann der Sensor eine Sende- und Empfangsspule umfassen, die so angeordnet ist, dass die Entfeuchtungseinheit 122 zumindest teilweise in das Innere der Spule eingreift. Ein nicht mehr ausreichend funktionsfähiges Trocknungmittel (z. B. Silikagel oder Zeolith) enthält mehr Feuchte und bewirkt damit in dem kapazitiven oder dem induktiven Sensor ein anderes dielektrisches Verhalten. Auf diese Weise kann kontaktlos vom Gerät aus der Zustand des Mundstückes und insbesondere der Zustand der Entfeuchtungseinheit 122 gemessen und überprüft werden.
Das Atemgasanalysegerät kann weiterhin einen oder mehrere weitere Sensoren 150 umfassen, die stromabwärts des Mundstücks 120 angeordnet sind, und die zur Messung der Feuchtigkeit im Atemgas und/oder zur Messung des Drucks und/oder das Gasflusses vorgesehen sind.
Die Messsystemeinrichtung 110 kann auf verschiedene Weise realisiert sein. Zur Führung der Luft in dem Atemgasanalysegerät, dass beispielweise zur Analyse von Stickstoffoxiden vorgesehen ist, kann beispielsweise ein Hauptgaspfad vorgesehen, von dem wenigstens ein Messgaspfad und wenigstens ein Spülgaspfad abzweigen. In dem Spülgaspfad ist dabei wenigstens ein Filter vorgesehen, insbesondere ein Aktivkohlefilter, mit dessen Hilfe im Wesentlichen schadstofffreie Luft generiert wird. Diese gefilterte Luft enthält keine Stickstoffoxide und vorzugsweise keine weiteren störenden Substanzen, wie beispielsweise alkoholische Komponenten und/oder Kohlenstoffmonoxid. Durch das Spülten mit dieser im Wesentlichen schadstofffreien Luft kann die in der Messkammer aus einer vorherigen Messung verbliebene Atemluft nach dem Messvorgang ausgespült werden. Darüber hinaus kann der Gassensor gegebenenfalls kalibriert und/oder die Nulllinie des Gassensors neu eingestellt werden. Für die Generierung der Spülluft kann insbesondere Ausatemluft verwendet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass beispielsweise Umgebungsluft mithilfe einer Pumpe durch das Mundstück eingesaugt und dann in den Spülgaspfad eingeleitet wird. Die Abzweigung eines Spülgaspfades vom Hauptgaspfad hat den besonderen Vorteil, dass auch das Spülgas zunächst das Mundstück durchläuft und dabei entfeuchtet wird, so dass es durch das Spülgas nicht zu Problemen mit beispielsweise einer Kondensation der Luftfeuchte in der Messkammer kommen kann. Der Gasfluss über den Spülgaspfad und den Messgaspfad kann beispielsweise über die Ansteuerung von gegebenenfalls vorhandenen separaten Pumpen in dem Spülgaspfad und dem Messgaspfad oder mittels einer Umschalteinheit gesteuert werden.
Die Vorrichtung bzw. das Atemgasanalysegerät kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass bei einer Inhalation ein Druckabfall von 3 bis 5 mbar und bei der Ausatmung ein Druckabfall zwischen 5 bis 20 mbar stattfinden.
Als Entfeuchtungsmittel in der Entfeuchtungseinheit 122 können beispielsweise Silikagel, Zeolithe oder Kalziumoxid verwendet werden. Die amorphe, mikroporöse Struktur von Silikagel erlaubt eine Absorption des Silikagels von bis zu 40 % des eigenen Gewichtes. Molekulare Siebe, wie beispielsweise synthetische Zeolithe, absorbieren Feuchtigkeit noch stärker als Silikagel oder beispielsweise Tonerde. Kalziumoxid ist eine weitere Möglichkeit für ein Entfeuchtungsmittel. Kalziumoxid ist verhältnismäßig günstig im Vergleich mit anderen Entfeuchtungsmitteln. Auch Kalziumsulfat ist als Entfeuchtungsmittel verwendbar, allerdings sind die adsorptiven Kapazitäten von Kalziumsulfat im Vergleich mit den anderen genannten Entfeuchtungsmitteln geringer. In einer Ausgestaltung des Mundstücks können als Entfeuchtungsmittel beispielsweise Zeolithkügelchen mit einem Durchmesser von 2 mm eingesetzt werden. Der Durchmesser des Mundstückes kann beispielsweise 28 mm betragen. Die Füllhöhe der Zeolithkügelchen kann beispielsweise 2 cm betragen.
Die Metallflächen 141 des Kondensators als Bestandteil des kapazitiven Sensors 140 können beispielsweise als gedruckte Metallflächen im Gerät, insbesondere im Bereich einer Befestigung für das Mundstück 120, angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, die Metallflächen im Mundstück anzubringen, wobei dann geeignete Kontaktflächen zum übrigen Gerät vorhanden sein sollten.
Die nachfolgenden Ausführungen erläutern eine kapazitive Messung der Feuchtigkeitsbeladung eines Entfeuchtungsmittels am Beispiel von Silikagel (SiO₂). Silikagel ist ein amorphes Siliziumdioxid mit großer innerer Oberfläche, das stark hygroskopisch, also wasseranziehend ist. Die Dichte des Silikagels beträgt ~0,8 g/cm³. Die Dichte von Luft bei 1 bar und 25° Celsius beträgt 1,184 × 10^–3 g/cm³, die Dichte von SiO₂ beträgt 2,65 g/cm³. Das Verhältnis von Luft: SiO₂ in Silikagel ergibt sich damit folgendermaßen: 0,8 = α·2,65 + (1 – α)·1,184·10^–3 0,8 – 1,184·10^–3 = α·(2,65 – 1,184·10^–3) => α = 0,799 / 2,649 = 0,3 => 30 % SiO₂, 70 % Luft (trocken)
Die Dielektrizitätskonstante ε von trockenem Silikagel beträgt:
Die Dielektrizitätskonstante von Luft beträgt: ε_Luft = 1
Daraus ergibt sich die Dielektrizitätskonstante von Silikagel folgendermaßen: ε_Silikagel = 0,3 × 4,3 + 0,7 × 1 = 1,99
Die maximale Aufnahmefähigkeit für Wasser (H₂O) beträgt 33 % (bei 25° Celsius, 75 % relative Luftfeuchtigkeit). Die 33 % verteilen sich dabei auf 30 % SiO₂, 26 % H₂O und 44 % Luft, bezogen auf das Volumen. Bei einer Dielektrizitätskonstante des Wassers von 80,4 ergibt sich die Dielektrizitätskonstante des beladenen Silikagels folgendermaßen: ε_{Silikagel beladen} = 0,3·4,3 + 0,44·1 + 0,26·80,4 = 22,63
Die Kapazität C eines Plattenkondensators mit der Fläche A und der Abstand der Platten d lässt sich folgendermaßen beschreiben: C = ε·ε₀·A/d
Wenn die Platten des Kondensators beispielsweise eine Fläche von 6 cm² und einen Abstand zueinander von 0,2 cm aufweisen, ergibt sich damit Folgendes: C_trocken = ε·ε₀·6 cm²/0,2 cm = 5,3 pF

ε₀: ist hierbei 8,85·10^–12 As/Vm

Die Kapazität des maximal beladenen Silikagels beträgt damit: C_beladen = 60 pF
Die Kapazität des Trocknungsmittels kann dabei beispielsweise über eine RC-Schaltung mit bekanntem Widerstand R ausgelesen werden. Hierfür kann ein Rechtecksignal angelegt werden, und die Anstiegszeit bis auf einen Schwellenwert U ermittelt werden. Aus der messbaren Kapazität kann unter Berücksichtigung der oben genannten Kapazitäten für trockenes und beladenes Silikagel auf den aktuellen Beladungszustand des Silikagels rückgeschlossen werden. Wenn sich daraus ergibt, dass sich der Beladungszustand im Bereich der maximalen Beladung bewegt, ist davon auszugehen, dass eine ausreichende Entfeuchtungsfunktion des Mundstückes nicht mehr gegeben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202009018824 U1 [0002]
WO 02/088691 A2 [0002, 0003]
DE 102009016848 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (100) zur Analyse der Ausatemluft mit einer Gassensoreinrichtung (110), wobei die Vorrichtung ein Mundstück (120) zum Einbringen von Ausatemluft in die Vorrichtung umfasst und wobei das Mundstück wenigstens ein Entfeuchtungsmittel (122) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Feuchtebeladungssensor (140) zur Überwachung der Entfeuchtungsfunktion des Mundstückes (120) aufweist, wobei der Feuchtebeladungssensor ein berührungslos arbeitender Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtebeladungssensor (140) im und/oder am Mundstück (120) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtebeladungssensor (140) ein kapazitiver Sensor oder ein induktiver Sensor ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Sensor (140) Metallflächen (141) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der induktive Sensor wenigstens eine Sende- und Empfangsspule umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Auslesen des Feuchtebeladungssensors (140) eine RC-Schaltung mit definiertem Widerstand vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtebeladungssensor (140) in oder an einer Befestigungseinrichtung für das Mundstück (120), insbesondere für ein auswechselbares Mundstück, angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Signalerzeugungsmittel umfasst, das bei einer feststellbaren Entfeuchtungsfunktion unterhalb einer vorgebbaren Schwelle zur Signalerzeugung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kompensation eines Feuchteeinflusses auf Messergebnisse vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft vorgesehen ist und dass die Gassensoreinrichtung (110) wenigstens einen Gassensor zur Messung von Stickstoffoxiden umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gassensoreinrichtung (110) einen Feldeffekttransistor umfasst.
Verwendung einer Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Messung von Stickstoffoxiden in der Ausatemluft.