DE102016012971A1 - Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch - Google Patents

Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch Download PDF

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente ist mit einer Strahlungsquelle (30) zu einer Abstrahlung (31) einer Lichtabstrahlung in einem infraroten Wellenlängenbereich, zwei Detektoranordnungen (52, 62) mit zwei zu einer Erfassung der von der Strahlungsquelle (30) erzeugten Lichtabstrahlung in zwei Detektoranordnungen (52, 62) geeignet ausgebildeten Detektorelementen (50, 60) und zwei den Detektorelementen (50, 60) zugeordneten Filterelementen (51, 61) ausgestaltet. Die zwei Detektorelemente (50, 60) sind in Bezug zur Strahlungsquelle ausgerichtet, so dass sich bedingt durch die zwei Detektoranordnungen (52, 62) ein Überlappungsbereich (65) ergibt. Der Überlappungsbereich (65) bewirkt, dass Dämpfungen in der Lichtausbreitung, welche beispielsweise durch Gasmoleküle oder Feuchtigkeit (400) bedingt sein können sich auf beide Detektorelemente (50, 60) auswirken und damit hinsichtlich der Konzentrationsbestimmung kompensiert sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch. Vorrichtungen zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten in einem Atemgasgemisch werden unter anderem eingesetzt, um von Patienten ausgeatmete Konzentrationswerte von Kohlendioxid zu bestimmen. Die DE10047728 B4 beschreibt einen Sensor zur Messung von Kohlendioxid, Lachgas und Narkosegasen. Es ist eine Anordnung gezeigt, bestehend aus vier optischen Filterelementen mit zugeordneten Detektorelementen. Die Kombinationen aus Filter- und Detektorelement sind um ein Strahlenmischsystem angeordnet. Ein solches Strahlenmischsystem, in Ausführung in einem Multispektralsensor, ist in der EP 0 536 727 B1 gezeigt. Solcherlei Sensorik kommt im klinischen Alltag beispielsweise in einem Kapnographen wie auch einem sog. CO2-Mainstream-Sensor oder auch einem CO2-Sidestream-Sensor zum Einsatz. Die US 5 261 415 B2 zeigt einen CO2-Mainstream-Kapnografie-Sensor. In einer Küvette, welche das Atemgas führt, ist ein Einsatz angeordnet, in welchem wiederum ein infrarotoptisches Messsystem angeordnet ist. Aus der EP 0 536 727 B1 wird ersichtlich, wie komplex optische Komponenten ausgestaltet und angeordnet werden müssen, um eine wirksame Strahlenmischung zu erreichen. Die Strahlenmischung hat die Aufgabe, lokal auftretende Verschmutzungen symmetrisch sowohl im Referenzkanal wie auch im Messkanal wirksam werden zu lassen. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass das Verhältnis von Messkanal zu Referenzkanal in allen Arbeitspunkten derart gewährleistet ist, dass Verschmutzungen, Wasserdampf sowie auch Alterungseffekte der Detektorelemente dauerhaft im Betrieb ausgeglichen werden können. Nachteilig an der Lösung, wie sie in EP 0 536 727 B1 gezeigt ist, ist, dass die Strahlenmischung eine Signalabschwächung dadurch bewirkt, dass das infrarote Licht in der Messküvette mehrfach umgelenkt und reflektiert werden muss. Diese Signalabschwächung führt zu einem schlechteren Signal-Rauschverhältnis (SNR). Dies bedingt dann, dass zur Erreichung der erforderlichen Messwertauflösung, eine Verringerung des Messsignals mittels einer Erhöhung der Absorptionslänge kompensiert werden muss. Eine Erhöhung der Absorptionslänge resultiert in einer Vergrößerung der baulichen Ausführung. Das Erfordernis der Strahlmischung und der Vielzahl der daran beteiligten Komponenten wirkt sich weiterhin nachteilig hinsichtlich Komplexität und hoher Toleranzanforderungen der beteiligten Komponenten (Toleranzkette) sowie daraus resultierender hoher Herstellkosten für einen Multispektralsensor vom Typ der EP 0 536 727 B1 aus.
  • Ausgehend vom vorgenannten Stand der Technik und den dazu beschriebenen Nachteilen ergibt sich als Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Gaskonzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch bereitzustellen, welche sich durch einen geringen Platzbedarf bei vergleichsweise günstigen Herstellkosten auszeichnet.
  • Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Aufgabe wird fernerhin auch durch eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
  • Erfindungsgemäß sind folgende Komponenten in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch vorgesehen:
    • - eine zu einer Abstrahlung mittels einer Abstrahlfläche einer Lichtabstrahlung in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2500 nm bis lambda2(λ2) = 14000 nm geeignete und ausgestaltete Strahlungsquelle,
    • - zwei Detektoranordnungen mit zwei zu einer Erfassung der von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtabstrahlung geeignet ausgebildeten Detektorelementen und zwei an den Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen,
    • - ein Blendenelement B,
    • - ein Strömungskanal mit einem ersten Lichtdurchführungselement F1 und mit einem zweiten Lichtdurchführungselement F2,
    • - eine Kontrolleinheit
  • Das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht emittiert im Wesentlichen rechtwinklig aus der Abstrahlfläche in Richtung einer vertikalen Achse der Vorrichtung.
  • Der Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm der Strahlungsquelle ermöglicht eine infrarot-optische Messung von Lachgas-Konzentrationen, Kohlendioxid-Konzentrationen wie auch unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen wie beispielsweise volatilen Anästhesiegasen oder Methan.
  • Die Detektorelemente sind beispielsweise als Halbleiterdetektoren, pyroelektrische Detektoren (Pyrodetektoren), thermoelektrische Detektoren (Thermopiles, Thermoelemente), als thermische Detektoren (Bolometer) wie auch als Kombinationen von Halbleiterdetektoren und thermischen Detektoren ausgestaltet. Die Detektorelemente sind zur Erfassung von Licht für eine infrarote Strahlung in infraroten Wellenlängenbereichen ausgebildet, in welchen typischer Weise eine Absorption durch Gase, beispielweise Kohlendioxid, gegeben ist.
  • Die Bandpass-Filterelemente sind beispielsweise als optische Interferenzfilter in Form von Interferenzschichten auf einem Substrat ausgestaltet. Diese transmittieren Licht in einem durch einen Absorptionsbereich eines Messgases definierten Wellenlängenbereich in einem Bereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0.
  • Die Lichtdurchführungselemente F1, F2 können aus Glasmaterial, Kunststoffmaterial in Form einer Scheibe oder Folie ausgestaltet sein. Die Lichtdurchführungselemente F1, F2 sind einander gegenüberliegend in Wandungen des Strömungskanals gasdicht eingesetzt. Die Lichtdurchführungselemente F1, F2 sind zu einer Durchführung von Licht in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm ausgelegt.
  • Die Anordnung der Bandpass-Filterelemente ist derart ausgestaltet, dass die von der Strahlungsquelle abgestrahlte, infrarote Strahlung auf einem direkten Strahlengang oder auch auf einem indirekten Strahlengang, beispielsweise mittels einer Umlenkung der infraroten Strahlung durch reflektive Elemente oder Spiegelanordnungen im Strahlengang, jeweils die zwei Bandpass-Filterelemente vor den zwei Detektorelementen passiert.
  • Mindestens eines der zwei Bandpass-Filterelemente ist für eine infrarote Strahlung in einem Wellenlängenbereich optisch durchlässig ausgebildet, welche durch das Messgas absorbiert wird.
  • Das Detektorelement, an dem dieses Bandpass-Filterelement angeordnet ist, stellt den sogenannten Messkanal in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch dar.
  • Mindestens eines der zwei Bandpass-Filterelemente ist für eine infrarote, Strahlung in einem Wellenlängenbereich optisch durchlässig ausgebildet, welche durch das Messgas nicht absorbiert oder nur geringfügig absorbiert wird.
  • Das Detektorelement, an dem dieses Bandpass-Filterelement angeordnet ist, stellt den sogenannten Referenzkanal in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch dar.
  • In den zwei Detektoranordnungen bilden die zwei Detektorelemente mit den zwei an den Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen an deren Oberflächen zwei Detektionsflächen aus. Die Detektionsflächen dienen einer Aufnahme der von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtabstrahlung zu den Detektorelementen. Die Bandpass-Filterelemente dienen der Filterung des von der Strahlungsquelle erzeugten Lichts, sowie der Weiterleitung zu den Detektorelementen.
  • Typische Messgase, oftmals auch Zielgase genannt, sind beispielsweise Kohlendioxid oder Lachgas wie auch eine Vielzahl gasförmiger, organischer Verbindungen wie Methan oder volatile Anästhesiegase, beispielsweise Halothan, Isofluran, Desfluran, Enfluran.
  • Die Bandpass-Filterelemente sind zu einer optischen Filterung von infrarotem Licht in einem Durchlassbereich eines Wellenlängenbereiches von 2,5 µm bis 14 µm ausgestaltet.
  • Mit solchen Bandpass-Filterelemente sind damit Durchlassbereiche für Gase ermöglicht, wie sie in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt sind. Tabelle 1
    Nr. Gasart Wellenlängenbereich
    1 Kohlendioxid 4,2 bis 4,4µm CO2
    Lachgas 7,8 bis 9,0µm , N2O
    Methan 3,1 bis 3,5µm CH4
    Ethan 3,2 bis 3,6µm C2H5
    Halothan 8 bis 10µm C2HBrClF3
    Isofluran 8 bis 10µm C3H2OClF5
    Enfluran 8 bis 10µm C3H2ClF5O
    Sevofluran 8 bis 10µm C4H3F7O
    Desfluran 8 bis 10µm C3H2F6O
    Aceton 8 bis 10µm C3H6O
    Ethanol 8 bis 10 µm C2H5OH
  • Die Gase Lachgas, Halothan, Isofluran, Sevofluran und Desfluran werden bei der Durchführung einer Anästhesie, beispielsweise bei chirurgischen Eingriffen, zur Narkotisierung von Patienten eingesetzt, Aceton ergibt sich als ein mögliches Stoffwechselprodukt von Patienten und ist somit beispielsweise in der Ausatemluft von Diabetikern enthalten. Ethanol kann sich beispielsweise bei alkoholisierten Patienten in der Ausatemluft befinden.
  • In der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch werden mittels der Kontrolleinheit Messwerte von Messkanal und Referenzkanal erfasst und zueinander in ein Verhältnis gesetzt. Üblicherweise wird ein Quotient aus erfassten Messwerten des Messkanals zu erfassten Messwerten des Referenzkanals gebildet, und dieser Quotient indiziert ein Maß für eine Konzentration des Messgases in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung, d.h. der Konzentration einer Gasmenge, welche im Strahlengang befindlich ist.
  • Die räumliche Anordnung der - Detektorelemente mit den daran angeordneten und der Bandpass-Filterelemente zueinander und die räumliche Anordnung der Detektorelemente mit den daran angeordneten und der Bandpass-Filterelemente bilden erfindungsgemäß zwei Detektoranordnungen als eine Detektorkonfiguration aus.
  • Den zwei Detektoranordnungen gegenüberliegend ist erfindungsgemäß ein, abstrahlendes oder ein, reflektierende optisches Element angeordnet, welches entweder Lichtmengen direkt in Richtung der und auf die zwei Detektoranordnungen emittiert oder Lichtmengen indirekt mittels Reflektion in Richtung der zwei Detektoranordnungen in Richtung der und auf die Detektoranordnungen leitet.
  • Ein optisch abstrahlendes Element zu einer direkten Abstrahlung der Lichtmengen in Richtung der und auf die zwei Detektoranordnungen ist die Strahlungsquelle.
  • Ein optisch reflektierende Einheit zu einer indirekten Leitung der Lichtmengen in Richtung der und auf die Detektoranordnungen sind ein Reflektoranordnung, ein Reflektionselement oder ein optisch reflektierender Spiegel, welches Lichtmengen der Strahlungsquelle oder einer anderen zur Lichterzeugung geeigneten Beleuchtungsquelle, welches in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch, beispielsweise gegenüberliegend der zwei Detektoranordnungen, angeordnet ist. Ein Reflektionselement oder ein Spiegel können aus Glasmaterial, Kunststoffmaterial in Form einer Scheibe oder Folie ausgestaltet sein.
  • Die Kontrolleinheit, die Strahlungsquelle und die räumliche Anordnung der zwei Detektoranordnungen in Bezug auf die Strahlungsquelle bilden erfindungsgemäß die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch aus.
  • Die räumliche Anordnung der Detektoranordnungen in Bezug auf die Strahlungsquelle wird nach einem ersten Aspekt der Erfindung in einer Art und Weise ausgebildet, dass die Detektoranordnungen mit den zwei Detektorelementen und den zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen benachbart auf der gleichen Seite der Strahlungsquelle angeordnet sind.
  • Die räumliche Anordnung der Detektoranordnungen in Bezug auf die. Strahlungsquelle wird nach einem weiteren Aspekt der Erfindung in einer Art und Weise ausgebildet, dass die Detektoranordnungen mit den zwei Detektorelementen und den zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen gegenüberliegend der Strahlungsquelle angeordnet sind.
  • In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind die zwei Detektoranordnungen mit den zwei Detektorelementen und den zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen, gegenüberliegend der Strahlungsquelle in einem dritten Abstand l3, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm angeordnet.
  • In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß dem weiteren Aspekt sind die Detektoranordnungen mit den zwei Detektorelementen und den zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen auf der gleichen Seite benachbart der Strahlungsquelle angeordnet.
  • Dabei ist Strahlungsquelle im Wesentlichen mittig zwischen den zwei Detektorelementen mit den zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen mit in die Detektoranordnungen integriert angeordnet.
  • Gegenüberliegend der Strahlungsquelle und gegenüberliegend der zwei Detektoranordnungen ist in dieser zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem dritten Abstand l3, vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 mm bis 5,0 mm, mindestens ein optisch reflektierendes, vorzugsweise flächig ausgestaltetes, optisch reflektierendes Element angeordnet, welches mittels einer Reflektionsfläche ausgestaltet ist, die von der Strahlungsquelle auf die Reflektionsfläche auftreffende Lichtmenge in Richtung der zwei Detektoranordnungen zu reflektieren.
  • In der Anordnung der zwei Detektoranordnungen von Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement ist erfindungsgemäß nach der ersten und zweiten Ausführungsform ein horizontaler Abstand l0 zwischen dem Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und dem Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement in einem vorzugsweisen Bereich von 0,1 mm bis 10 mm gewählt.
  • Erfindungsgemäß ist nach der ersten und zweiten Ausführungsform ein Abstand von den zwei Detektoranordnungen zum gegenüberliegenden, optisch abstrahlenden (Strahlungsquelle) oder optisch reflektierenden Element an die Dimensionierung in Länge, Breite, Höhe der übrigen Komponenten und die jeweiligen flächigen Dimensionen der Komponenten (Detektorelemente, Bandpass-Filterelemente, Abstrahlfläche der Strahlungsfläche, Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Elements) der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch derart angepasst, dass sich die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch als eine, baulich kleine Anordnung ergibt.
  • Unter einer baulich kleinen Anordnung der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen deren Messvolumen in einem Bereich von 0,05 ml bis 0,2 ml ausgestaltet ist und deren größte bauliche Erstreckung in Länge, Breite oder Höhe in einem Bereich von 2 mm bis 10 mm ausgestaltet ist.
  • Dies ergibt den Vorteil, dass durch die Ausgestaltung einer baulich kleinen Anordnung der Komponenten der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch auf einfache Weise und ohne weitere Elemente zur Strahlumlenkung oder zur Erzeugung einer Mehrfachreflektion ein Überlappungsbereich zwischen dem von der Strahlungsquelle oder dem optisch reflektierenden Element zu den zwei Detektorelementen gerichteten Strahlengängen gegeben ist.
  • Dieser Überlappungsbereich ergibt sich aus der Geometrie der Anordnung der zwei Detektoranordnungen mit den zwei Detektorelementen mit den daran angeordneten Bandpass-Filterelementen und der Strahlungsquelle bzw. dem optisch reflektierenden Element. Dieser Überlappungsbereich ergibt sich lotrecht aus der Ebene der Anordnung der Detektorelemente in Richtung der Strahlungsquelle bzw. dem optisch reflektierenden Element. Dieser Überlappungsbereich wirkt in ähnlicher Weise wie eine Strahlmischung, ohne jedoch die Nachteile, welche mit der Strahlmischung verbunden sind, nämlich die durch die Mehrfachumlenkung bedingte Signalabschwächung und das damit verbundene, ungünstige Signal-Rauschverhältnis (SNR), mit in Kauf nehmen zu müssen. Der Überlappungsbereich ersetzt damit gleichsam die Funktion der Strahlenmischung, wie sie beispielsweise in der zuvor genannten EP 0 536 727 B1 zur Anwendung kommt, d.h. lokal auftretende Verschmutzungen symmetrisch sowohl im Referenzkanal wie auch im Messkanal wirksam werden zu lassen ohne die zuvor im Zusammenhang mit der EP 0 536 727 B1 erwähnten Nachteile. Der Überlappungsbereich ermöglicht eine Messung der mindestens einen Gaskomponente in einem Atemgasgemisch, welche im Wesentlichen unempfindlich von Einflüssen wie Feuchtigkeit (Kondensat, Wasserdampf) oder Verunreinigungen ist. Der Überlappungsbereich in der baulich kleinen Anordnung der Komponenten stellt sicher, dass das Verhältnis der Signale von Messkanal zu Referenzkanal in allen Arbeitspunkten derart gewährleistet ist, dass Verschmutzungen, Wasserdampf sowie auch Alterungseffekte der Detektorelemente dauerhaft im Betrieb der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch ausgeglichen werden können. Bedingt durch diese Geometrie der Ausgestaltung befinden sich beispielsweise Gasmoleküle, Wasserdampf, Kondensat oder auch andere Verunreinigungen, beispielsweise Staub, in den Strahlengängen beider Detektorelemente, sodass der Einfluss von Wasserdampf, Kondensat oder auch anderer Verunreinigungen sich im Messsignal, beispielsweise als Amplituden-Dämpfung der Messwerte, sowohl im Messkanal wie auch im Referenzkanal niederschlägt. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, mittels der Verhältnisbildung der Signale des Referenzkanals und des Messkanals den Einfluss von Feuchtigkeit (Wasserdampf, Kondensat) oder auch anderer Verunreinigungen zu eliminieren, da der Einfluss jeweils in die Signale des Referenzkanals und des Messkanals nahezu gleich und mit gleichem Effekt einwirkt.
  • Durch die Wahl der Geometrien von Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement zueinander wie auch deren Abstand zueinander kann der Bereich der Überlappung definiert werden.
  • Gemäß der ersten Ausführungsform kann im Zusammenspiel mit einer Wahl eines vertikalen Abstandes zwischen der Strahlungsquelle und den Anordnungen von Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement zueinander die Ausgestaltung des Überlappungsbereichs mit räumlicher Ausdehnung, flächiger Überlappung, wirksamem Überlappungsvolumen für das Messgas weiterhin variiert und definiert werden.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform kann im Zusammenspiel mit einer Wahl eines vertikalen Abstandes zwischen dem optisch reflektierenden Element und den Anordnungen von Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement zueinander die Ausgestaltung des Überlappungsbereichs mit räumlicher Ausdehnung, flächiger Überlappung, wirksamem Überlappungsvolumen für das Messgas weiterhin variiert und definiert werden.
  • Zur Definition geeignete Konfigurationen der baulich kleinen Anordnung der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch werden mit Hilfe von Verhältnismaßen, z.B. in Form von Quotienten von Abständen zwischen den Komponenten, wie auch deren baulichen Erstreckungen gewählt. Als bauliche Erstreckungen sind im Sinne der vorliegenden Erfindung horizontale Ausdehnungen der Komponente nach Länge l oder Breite b zu verstehen, wobei die Längen l in einem kartesischen Koordinatensystem rechtwinklig zu den Breiten b ausgerichtet sind.
  • Dabei ergeben sich als Sonderformen quadratische Erstreckungen bei Wahl identischer Länge l und Breite b wie auch kreisrunde Erstreckungen mit einem Durchmesser d anstatt Länge l und Breite b.
  • In den Tabellen 2a und 2b werden die Definitionen für geeignete Konfigurationen der baulich kleinen Anordnungen anhand von Verhältnissen von Längen und Abständen erläutert. Tabelle 2a
    Abstand zwischen: Bezeichnung
    der Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Elements und den Detektionsflächen der Detektoranordnungen l3
    der Abstrahlfläche der Strahlungsquelle und den Detektionsflächen der Detektoranordnungen l3
    dem Blendenelement B und den Detektionsflächen der Detektorariordnungen lDB
    dem ersten Lichtdurchführungselement F1 und der Abstrahlfläche der Strahlungsquelle lF1
    dem ersten Lichtdurchführungselement F1 und der Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Elements lF1
    dem zweiten Lichtdurchführungselement F2 und den Detektionsflächen der Detektoranordnungen lF2
    horizontaler Abstand zwischen Messkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement und Referenzkanal-Detektorelement / Bandpassfilterelement l0
    Tabelle 2b
    Erstreckung / Horizontale Ausdehnung (Länge / Durchmesser) Bezeichnung
    des Blendenelements lB
    der Strahlungsquelle lS
    des optisch reflektierenden Elements lR
    der zwei Detektoranordnungen (Referenzkanal, Messkanal) lD1,2
  • Gemäß der ersten Ausführungsförm der Erfindung ergibt sich eine baulich kleine Anordnung der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente
    • - mit einer zu einer Abstrahlung einer Lichtabstrahlung in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm geeigneten und ausgestalteten Strahlungsquelle,
    • - mit zwei Detektoranordnungen,
      • - mit zwei zu einer Erfassung der von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtabstrahlung geeignet ausgebildeten Detektorelementen,
      • - mit zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen, welche Detektionsflächen zur Erfassung der von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtabstrahlung ausbilden,
    • - mit einem Strömungskanal, welcher zu einer im Wesentlichen rechtwinklig zu einer vertikalen Achse der Lichtabstrahlung ausgebildeten Strömungsführung einer Gasströmung ausgebildet ist,
    • - mit einem ersten Lichtdurchführungselement F1 und mit einem zweiten Lichtdurchführungselement F2, welche beide für die Lichtabstrahlung in dem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm optisch durchlässig ausgebildet sind,
    • - mit einem Blendenelement B zu einer Lichtstrahlführung von der Strahlungsquelle auf die Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen,
    • - mit einer Kontroll-Einheit zu einer Steuerung eines Betriebs der Strahlungsquelle und zu einer Signalerfassung der zwei Detektorelemente.
  • Dabei ist eines der zwei Bandpass-Filterelemente für eine infrarote Strahlung optisch durchlässig ausgebildet, welche durch ein Messgas absorbiert wird und eines der zwei Bandpass-Filterelemente für eine infrarote Strahlung für eine Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch das Messgas nicht absorbiert wird.
  • Eine Abstrahlfläche der Strahlungsquelle ist in einem vertikalen Abstand l3 (33) zu den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen angeordnet.
  • Das zweite Lichtdurchführungselement F2 ist als Teil einer Wandung des Strömungskanals derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente angeordnet, dass sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 ein Abstand IF2 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 gemäß folgender Beziehung l F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0001
    ergibt und sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 ein Abstand lF2 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 und im Bezug zum Abstand lDB zu den Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen Verhältnisse gemäß folgender Beziehung 0 ≤ l D B l 3 ≤ l F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0002
    ergeben.
  • Das erste Lichtdurchführungselement F1 ist als Teil einer Wandung des Strömungskanals derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente angeordnet, dass sich für das erste Lichtdurchführungselement F1 ein Abstand lF1 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 gemäß folgender Beziehung l F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0003
    ergibt.
  • Das Blendenelement B ist in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente derart an oder außerhalb des Strömungskanals angeordnet, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung ls Strahlungsquelle ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung l B l S ≥ 0,25
    Figure DE102016012971A1_0004
    ergibt.
  • Das Blendenelement B in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente ist derart an oder außerhalb des Strömungskanals angeordnet, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung ls der Strahlungsquelle (30) und zu horizontalen Ausdehnungen der Detektoranordnungen lD1,2 ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung l B l S ≥ l D 1,2 l S
    Figure DE102016012971A1_0005
    ergibt.
  • Diese geometrischen Beziehungen bewirken, dass sich in der ersten Ausführungsform der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente in dem Strömungskanal ein Überlappungsbereich für die von der Strahlungsquelle erzeugte Lichtabstrahlung zwischen den beiden Detektoranordnungen ergibt. Diese Beziehungen als Verhältnisse von Längen und Abständen ergeben sich gemäß der ersten Ausführungsform aus den Längen und Abstands-Definitionen gemäß den Tabellen 2a und 2b.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung ergibt sich eine baulich kleine Anordnung der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente
    • - mit einer zu einer Abstrahlung einer Lichtabstrahlung in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm geeigneten und ausgestalteten Strahlungsquelle,
    • - mit einem zu einer Lichtreflexion geeigneten, gegenüberliegend der Strahlungsquelle angeordneten, optisch reflektierenden Element,
    • - mit zwei Detektoranordnungen
      • - mit zwei zu einer Erfassung der von dem optisch reflektierenden Element reflektierten Strahlung geeignet ausgebildeten Detektorelementen,
      • - mit zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelementen, welche Detektionsflächen zur Erfassung der von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtabstrahlung ausbilden,
    • - mit einem Strömungskanal, welcher zu einer im Wesentlichen rechtwinklig zu einer vertikalen Achse der Lichtabstrahlung ausgebildeten Strömungsführung einer Gasströmung ausgebildet ist,
    • - mit einem ersten Lichtdurchführungselement F1 und mit einem zweiten Lichtdurchführungselement F2, welche beide für die Lichtabstrahlung in dem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm optisch durchlässig ausgebildet sind,
    • - mit einem Blendenelement B zu einer Lichtstrahlführung von der Strahlungsquelle auf die Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen
    • - mit einer Kontroll-Einheit zu einer Steuerung eines Betriebs der Strahlungsquelle und zu einer Signalerfassung der zwei Detektorelemente.
  • Dabei ist eines der zwei Bandpass-Filterelemente für eine infrarote Strahlung optisch durchlässig ausgebildet, welche durch ein Messgas absorbiert wird und eines der zwei Bandpass-Filterelemente für eine infrarote Strahlung für eine Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch das Messgas nicht absorbiert wird.
  • Eine Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Elements ist in einem vertikalen Abstand l3 zu den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen angeordnet.
  • Das zweite Lichtdurchführungselement F2 ist als Teil einer Wandung des Strömungskanals derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente angeordnet, dass sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2ein Abstand lF2 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 gemäß folgender Beziehung l F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0006
    ergibt und sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 ein Abstand lF2 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 und in Bezug zum Abstand lDB zu den Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen Verhältnisse gemäß folgender Beziehung 0 ≤ l D B l 3 ≤ l F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0007
    ergeben.
  • Das erste Lichtdurchführungselement F1 ist als Teil einer Wandung des Strömungskanals derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente angeordnet, dass sich für das erste Lichtdurchführungselement F1 ein Abstand lF1 in Bezug zum vertikalen Abstand l3 gemäß folgender Beziehung l D F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0008
    ergibt.
  • Das Blendenelement B ist in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente derart an oder außerhalb des Strömungskanals angeordnet, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung lR des optisch reflektierenden Elements ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung l B l R ≥ 0,25
    Figure DE102016012971A1_0009
    ergibt.
  • Das Blendenelement B ist in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente derart an oder außerhalb des Strömungskanals angeordnet, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung ls der Strahlungsquelle (30) und zu horizontalen Ausdehnungen der Detektoranordnungen lD1,2 ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung l B l R ≥ l D 1,2 l R
    Figure DE102016012971A1_0010
    ergibt.
  • Diese geometrischen Beziehungen bewirken, dass sich in der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente in dem Strömungskanal ein Überlappungsbereich für die von dem optisch reflektierenden Element reflektierte Strahlung zwischen den beiden Detektoranordnungen ergibt. Diese Beziehungen als Verhältnisse von Längen und Abständen ergeben sich gemäß der zweiten Ausführungsform aus den Längen und Abstands-Definitionen gemäß der Tabellen 2a und 2b.
  • Folgend sind die zuvor erwähnten Beziehungen für geometrisch konstruktive Ausgestaltungen, welche die baulich kleine Ausführungsform mit Überlappungsbereich im Strömungskanal gemäß der ersten Ausführungsform wie auch der zweiten Ausführungsform ergeben, nochmals in einer Gesamtübersicht in Tabelle 3 aufgeführt. Tabelle 3
    erste Ausführungsform zweite Ausführungsform
    Beziehungen (Gleichungen, Formeln) Beziehungen (Gleichungen, Formeln)
    A l F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0011
         		A l F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0012
    B 0 ≤ I D B l 3 ≤ I F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0013
         		B 0 ≤ I D B l 3 ≤ I F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0014
    C I F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0015
         		C I F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0016
    D I B l S ≥ 0,25
    Figure DE102016012971A1_0017
         		D' I B l R ≥ 0,25
    Figure DE102016012971A1_0018
    E I B l S ≥ I D 1,2 l S
    Figure DE102016012971A1_0019
         		E' I B l R ≥ I D 1,2 l R
    Figure DE102016012971A1_0020
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle als ein Flächenstrahler, als ein Membranstrahler oder als ein mit einer im Wesentlichen planar ausgestalteten Abstrahlfläche ausgebildetes Strahlungselement oder als eine mit einer im Wesentlichen planar ausgestalteten Abstrahlfläche ausgebildete Leuchtdiode (LED) ausgebildet. Die Abstrahlfläche ist zu einer über der Abstrahlfläche gleichmäßigen Abstrahlung ausgestaltet. Die Abstrahlfläche des Flächenstrahlers oder des Membranstrahlers wie auch die Abstrahlfläche einer im Wesentlichen planar ausgestalteten Lichtaustrittsfläche der Leuchtdiode sind vorzugsweise für eine Vorrichtung gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem Bereich von 2,0 mm2 bis 10 mm2 ausgestaltet. Dabei ist der Abstand l0 zwischen den zwei Detektoranordnungen in einem Bereich von 0,05 mm bis 1,0 mm ausgestaltet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle als ein Punktstrahler oder als-eine punktförmig abstrahlende Leuchtdiode (LED) mit einer im Wesentlichen mit einem horizontalen Abstrahlwinkel von 80° bis 170° in Richtung des Reflektionselements gerichteten und zu einer gleichmäßigen Abstrahlung in Richtung des optisch reflektierenden Elements ausgebildet. Die Abstrahlfläche des Punktstrahlers wie auch die Abstrahlfläche der punktförmig abstrahlenden Leuchtdiode sind vorzugsweise für eine Vorrichtung gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem Bereich von ca. 0,05 mm2 bis 1,0 mm2 ausgestaltet. Dabei ist der Abstand l0 zwischen den zwei Detektoranordnungen in einem Bereich von ca. 200 µm bis 800 µm ausgestaltet. Die Reflektionsfläche des der Strahlungsquelle gegenüberliegenden optisch reflektierenden Elements ist vorzugsweise für eine Vorrichtung gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform in einem Bereich von 2,0 mm2 bis 10 mm2 ausgestaltet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Ausführungsform ist das optisch reflektierende Element mit einer Oberflächenstruktur versehen, welche zu einer, vorzugsweise, gleichmäßigen Verteilung, beispielsweise mittels einer Lichtmischung oder Lichtstreuung des reflektierten Lichts auf beide Detektoranordnungen ausgestaltet ist. Eine solche Oberflächenstruktur ist beispielsweise ein Muster mit Rillen, Vertiefungen, Gravuren oder Aussparungen, welches mittels einer Formgebung durch Ausformung oder Prägung in Kunststoffmaterial ausgestaltet werden kann. Eine Alternative dazu stellt eine, auf das optisch reflektierende Element aufgebrachte mit der Oberflächenstruktur strukturierte Folie dar.
  • Jedes der zwei Detektorelemente ist gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform vorzugsweise mit einem ersten Abstand l1 zu einer zwischen den zwei Detektorelementen, vorzugsweise mittig verlaufenden vertikalen Achse in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm angeordnet.
  • Jedes der zwei an den zwei Detektorelementen angeordneten Bandpass-Filterelemente ist gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform vorzugsweise mit einem zweiten Abstand l2 zu der zwischen den zwei Detektorelementen, vorzugsweise mittig verlaufenden vertikalen Achse in einem Bereich von 0,1 mm bis 10 mm angeordnet.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Detektorelemente als Thermopiles oder Thermoelemente ausgebildet.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Detektorelemente als Halbleiterdetektoren, beispielsweise InAsSb-Detektoren (Indium-Arsen-Antimon-Detektoren) ausgebildet.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Detektorelemente als Pyrodetektoren ausgebildet.
  • In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Detektorelemente als Bolometer ausgebildet.
  • Als Vorteile von Thermoelementen, Thermopiles, Pyrodetektoren und Bolometern sind zu nennen, dass diese kostengünstig herzustellen und als thermische Detektoren in einem weiten Wellenlängenbereich von 3 bis 14 µm einsetzbar sind.
  • Als ein Vorteil von Halbleiterdetektoren ist zu nennen, dass deren Messempfindlichkeit sehr gut auf den gewünschten Wellenlängenbereich abgestimmt werden kann. Außerdem besitzen Halbleiterdetektoren geringere Signalanstiegszeiten (t10_90).
  • In der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch gemäß der ersten wie auch gemäß der zweiten Ausführungsform bilden in einer bevorzugten Ausführungsform das erste und zweite Lichtdurchführungselement den zur Führung von Einatemgas und/oder Ausatemgas geeigneten Strömungskanal aus. Durch den Strömungskanal wird das Einatemgas und/oder Ausatemgas als eine Hauptströmung hindurch geführt und passiert dabei den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und den zwei Detektorelementen und daran angeordneten Bandpass-Filterelementen. Die Erfassung der Gaskonzentration erfolgt dabei in der Hauptströmung. Die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch wird dabei gemäß der ersten Ausführungsform durch die Detektoranordnungen, das erste und zweite Lichtdurchführungselement, das Blendenelement und die Strahlungsquelle gebildet. Die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch wird dabei gemäß der zweiten Ausführungsform durch die Detektoranordnungen, das erste und zweite Lichtdurchführungselement, das Blendenelement, das optisch reflektierende Element und die Strahlungsquelle gebildet.
  • Eine Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform ist beispielsweise eine Vorrichtung zu einer Kohlendioxid-Messung im Ausatemgas eines Patienten als Anordnung direkt am Mundbereich des Patienten, welche oftmals auch als ein sogenannter „Mainstream-CO2-Sensor“ bezeichnet wird.
  • Eine weitere Ausgestaltung einer solchen Ausführungsform ist beispielsweise eine Analyse-Vorrichtung zu einer Messung von Kohlendioxid und weiteren Gaskonzentrationen, insbesondere Anästhesiegasen, am Patienten, bei welcher direkt am Mundbereich durch eine in der Analyse-Vorrichtung angeordnete Pumpe fortlaufend eine Gasmenge vom Mundbereich über einen Schlauch mit geringem Durchmesser zu der Analyse-Vorrichtung abgesaugt oder gefördert wird und die Gasmenge dort hinsichtlich der Gaszusammensetzung und der Gaskonzentrationen analysiert wird. Hierbei sind sowohl die inspiratorischen, wie auch die expiratorischen Patientengaskonzentrationen von Interesse. Eine solche Messmethodik wird oftmals auch als sogenannte „absaugende Gasmessung“ oder als sogenanntes „Sidestream-Anästhesiegas-Monitoring“ bezeichnet.
  • Für Anwendungen von Gasmessungen im Umfeld der Anästhesie spielt die Baugröße der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch - insbesondere für die „Sidestream“-Anwendung - eine nicht unwichtige Rolle. Der Abstand l3 in einem vorzugsweisen Bereich von 0,1 mm, bis 10 mm zwischen der Strahlungsquelle und den Detektorelementen bzw. Bandpass-Filterelementen wie auch der Abstands l3 im Bereich von 0,1 mm 5,0 bis mm zwischen Strahlungsquelle und dem optisch reflektierenden Element (Spiegel, Reflektor) ermöglicht im Zusammenspiel mit den Baugrößen der Strahlungsquelle mit einer Abstrahlfläche im vorzugsweisen Bereich von 2,0 mm2 bis 10,0 mm2 der Detektorelemente (Bolometer, Mikrobolometer, Mikrobolometer-Arrays, Pyrodetektoren, Thermoelemente, Thermopiles, Halbleiterdetektoren) und Bandpass-Filterelemente mit Detektionsflächen in einem vorzugsweisen Bereich von 0,5 mm2 bis 20 mm2 und der Anordnung der zwei Detektorelemente zueinander in Abständen in einem vorzugsweisen Bereich kleiner als 10 mm eine Baugröße für die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch mit einem geringen Messvolumen in einem Bereich von weniger als 0,4 ml, beispielsweise 0,05 ml bis 0,2 ml.
  • Bei einer „absaugenden Gasmessung“ mit einem Absauge-Volumenstrom mit der in der Vorrichtung angeordneten Pumpe von 50 ml/min bis 200 ml/min ergibt sich dann eine Zeitdauer für einen Austausch des Messvolumens in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch von 0,1 s bis 0,5 s.
  • Im Vergleich zu Atemfrequenzen von Menschen im Bereich von ungefähr 6 Atemzügen je Minute bis zu 24 Atemzügen je Minute (entsprechend 0,1 bis 0,4 Atemzügen je Sekunde) ermöglicht die mit dieser Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch eine zeitliche Messauflösung, die es ermöglicht, in Verbindung mit einer passend gewählten Abtastrate Konzentrationsänderungen im Atemgas als atemzugsaufgelöste Messdaten zu erfassen.
  • Generell spielt die Baugröße eine weitere wichtige Rolle, da bedingt durch die Abstände nicht nur ein geringes Messvolumen ermöglicht wird, sondern auch die optischen Pfadlängen zwischen den Detektorelementen und der Strahlungsquelle gering gehalten werden müssen. Das bedingt, dass an den Detektorelemente Messdaten erfassbar sind, welche eine ausreichende Signalhöhe mit einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) aufweisen, sodass eine hohe Messempfindlichkeit in robuster Signalqualität zur Verfügung steht, welche in Verbindung mit passsenden Verstärkerschaltungen und hochwertigen Analog-zu-Digital-Wandlern (A/D-Converter) eine weitgehend rauschfreie hohe Messauflösung, z.B. mit einer 16 Bit-Quantisierung oder feiner (20 Bit, 24 Bit) ermöglichen.
  • Eine weitere Möglichkeit, die Baugröße und die geometrisch konstruktive Ausgestaltung zu minimieren, ist in einer weiter bevorzugten Ausführungsform dadurch gegeben, Raumbereiche, welche sich
    • - zwischen der Detektoranordnung und dem Blendenelement B
    • - Blendenelement B und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2
    • - der Strahlungsquelle und dem ersten Lichtdurchführungselement F1
    • - dem optisch reflektierenden Element und dem ersten Lichtdurchführungselement F1
    • - der Detektoranordnung und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2
    mit einem optischen, durchlässigen Material, beispielsweise Kunststoffmaterial, Quarz, Germanium oder Silizium ausgefüllt ist, welches einen optischen Brechungsindex n ≥ 1 aufweist, auszufüllen. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten zur Reduzierung der in Tabelle 1 genannten Abstände l3, lF1, lF2, lDB um den Brechungsindex n des verwendeten Materials als Faktor.
  • Dadurch ergibt sich in einer weiter bevorzugten Ausführungsform die Möglichkeit, die in Tabelle 1 genannten Längen l3, lF1, lF2, lDB anstatt als physikalisch geometrische Längenausdehnungen als physikalisch-optische Längenausdehnungen unter Einbeziehung der optischen Brechungsindices n der optischen, durchlässigen Materialien, welche die Raumbereiche ausfüllen, für die geometrisch konstruktive Gestaltung der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch als eine baulich kleine Anordnung zu verwenden. Dabei reduzieren sich die Dimensionierungen der Längen lF1, lF2, lDB, in denen die optischen, durchlässigen Materialien raumfüllend, eingesetzt sind, um einen Faktor, welcher dem Zahlenwert des optischen Brechungsindex n entspricht. Als Resultat ergibt sich aus der Möglichkeit der Reduzierung des Abstandes LF2 zwischen der Detektoranordnung und dem zweiten Lichtdurchführungselement F2 mit Berücksichtigung der Beziehung I F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0021
    (A, Tabelle 3) eine Möglichkeit der Reduzierung des vertikalen Abstandes l3 zwischen der Abstrahlfläche der Strahlungsquelle und den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen bzw. der Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Elements zu den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen.
  • Als ein weiterer Vorteil, welcher sich mit der Füllung der Raumbereiche zwischen Detektoranordnung und Blendenelement B, Blendenelement B und zweitem Lichtdurchführungselement F2, Strahlungsquelle und erstem Lichtdurchführungselement F1, optisch reflektierendem Element und erstem Lichtdurchführungselement F1 oder Detektoranordnung und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2 ergibt, ist der, dass kein Gas aus dem Strömungskanal in Komponenten, in den Strahlengang oder in Bereiche der Abstrahlung und/oder reflektierter Strahlung in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch eindringen kann. Ein Eindringen von Gasmengen in diese Raumbereiche wird durch diese Füllung verhindert, selbst wenn Undichtigkeiten bei der Abdichtung der Lichtdurchführungselemente im Strömungskanal sich im Verlauf des Betriebes der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung ergeben sollten. Ein Eindringen und ein längerfristiger Verbleib beispielsweise von Kohlendioxid, beispielsweise in dem Raumbereich zwischen Detektoranordnung und erstem Lichtdurchführungselement F1, würde im weiteren Verlauf der Messung von CO2 die Messungen im weiteren Verlauf des Betriebes verfälschen können, da diese eingedrungenen Mengen an CO2 eine zusätzliche wellenlängenspezifische Dämpfung im Strahlengang bewirken würden. Diese Problematik kann durch die Füllung der Raumbereiche mit optisch durchlässigem Material vermindert werden.
  • Durch die Überlappung von Messkanal und Referenzkanal wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die atemzugsaufgelösten, erfassten Messdaten von Effekten, welche sowohl auf Messkanal wie auch auf den Referenzkanal in ähnlicher Weise einwirken, wie beispielsweise Messgastemperaturänderungen, Verunreinigungen, Wasserdampf, Feuchtigkeit, Verschmutzungen der Strahlungsquelle oder des optisch reflektierenden Elements ohne großen Aufwand einer weiteren Signalverarbeitung und Messdatenkorrektur, wie beispielsweise Feuchte- und/oder Temperaturkompensation auf Basis extern bereitgestellter Feuchte- und/oder Temperaturdaten, unmittelbar und zeitnah zum Zeitpunkt der tatsächlichen physikalischen Messung zur Verfügung stehen.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen stellen jeweils für sich wie auch in Kombination oder Kombinationen miteinander besondere Ausgestaltungen der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Gaskomponenten in einem Atemgasgemisch dar. Dabei sind auch sämtliche und mögliche durch Kombinationen oder Kombinationen mehrere Ausführungsformen ergebende weitere Ausführungsformen und deren Vorteile gleichwohl vom Erfindungsgedanken mit erfasst, wenn auch nicht sämtliche Kombinationsmöglichkeiten von Ausführungsformen dazu im Detail jeweils ausgeführt sind.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mithilfe der folgenden Figuren und den zugehörigen Figurenbeschreibungen ohne Beschränkungen des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert. Es zeigen:
    • 1a eine erste schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung,
    • 1b eine weitere, zweite schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung,
    • 2 eine Anordnung einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung an einem Strömungskanal,
    • 3 eine weitere Anordnung einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung an einem Strömungskanal und
    • 4 eine Darstellung zum Überlappungsbereich in einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung nach den 1a und 1b.
  • Die 1a zeigt eine erste schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch. Die gezeigte Vorrichtung 1 weist eine Strahlungsquelle 30 mit einem Strahlungselement 300 auf. Der Strahlungsquelle 30 gegenüberliegend sind in einem vertikalen Abstand l3 33 ein Detektorelement 50 und ein Detektorelement 60 angeordnet. An den Detektorelementen 50, 60 sind Bandpass-Filterelemente 51, 61angeordnet. Die Bandpass-Filterelemente 51, 61 sind vorzugsweise als Bandpass-Filterelemente ausgeführt, welche einen vorbestimmten Wellenlängenbereich der von der Strahlungsquelle 30 abgestrahlten Strahlung 31 passieren lassen. In dieser 1a ist ein Koordinatensystem mit einer vertikalen Bezugsachse 32 und einer horizontalen Bezugsachse 36 eingezeichnet, auf welches bei der Beschreibung der Lage der Komponenten zueinander und im Hinblick auf die Lage im Raum Bezug genommen wird. So erfolgt eine Abstrahlung 31 von der Strahlungsquelle 30 aus einer horizontalen Ebene der Abstrahlung 37 heraus, wobei die horizontale Ebene 37 parallel zur horizontalen Bezugsebene 36 liegt. Es ist eine Kontrolleinheit 9 vorgesehen, welche mittels Steuerleitungen 93, 93' mit dem Strahlungselement 300 verbunden ist. Weiterhin ist die Kontrolleinheit 9 mittels Steuerleitungen 96, 96' mit dem Detektorelement 60 verbunden. Weiterhin ist die Kontrolleinheit 9 mittels Steuerleitungen 95, 95' mit dem Detektorelement 50 verbunden. Das Detektorelement 50 mit dem zugehörigen Filterelement 51 bildet zusammen eine Detektoranordnung 52 aus. Das Detektorelement 60 mit dem zugehörigen Filterelement 61 bildet zusammen eine Detektoranordnung 62 aus. Die Detektoranordnungen 52 und 62 ergeben zusammen eine Detektorkonfiguration 40, welche in Zusammenspiel mit der Strahlungsquelle 30 und der Kontrolleinheit 9 die Vorrichtung 1 zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente funktional ausbilden. Die Anordnung der Detektorkonfiguration 40 in Bezug zur vertikalen Achse 32 und zur horizontalen Bezugsachse 36 wird durch Abstände der Detektoranordnungen 52, 62 bestimmt. Die Detektoranordnung 52 ist in dieser 1a in einer parallelen Anordnung zur horizontalen Bezugsachse 36 wie auch der horizontalen Ebene der Abstrahlung 37 ausgestaltet. In der Detektorkonfiguration 40 ergibt sich ein horizontaler Abstand l1 34 des Detektorelements 50 zur Mittelachse 32. In der Detektorkonfiguration 40 ergibt sich ein Abstand l1 34' für das Detektorelement 60 zur Mittelachse 32. In der Detektorkonfiguration 40 ergibt sich ein Abstand l2 35 des Bandpass-Filterelementes 51 zur Mittelachse 32. In der Detektorkonfiguration 40 ergibt sich weiterhin ein Abstand l2 35' für das Filterelement 61 zur Mittelachse 32. Bedingt durch die rechtwinklige Anordnung der Detektoranordnungen 52, 62 zur Mittelachse 32 sind für das Detektorelement 50 und das Filterelement 51 die Abstände l1 34 und l2 35 zur Mittelachse 32 identisch.
  • In der schematischen Darstellung der Vorrichtung 1 zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch ist ein Strömungskanal 100 eingezeichnet, welcher zwischen der Strahlungsquelle 30 und den Detektoranordnungen 52, 62 parallel zur horizontalen Bezugsachse 36 angeordnet ist. In Wandungen des Strömungskanals 100 sind einander gegenüberliegend ein erstes lichtdurchlässiges Lichtdurchführurigselement F1 21 und ein zweites lichtdurchlässiges Lichtdurchführungselement F2 22 angeordnet, wodurch eine Abstrahlung 31 von der Strahlungsquelle 30 durch den Strömungskanal 100 ermöglicht ist.
  • In dieser 1a sind Ausdehnungen oder Erstreckungen der Komponenten sowie Abstände der Komponenten zueinander in Form von Längen eingezeichnet, wie sie in den Tabellen 2a und 2b aufgelistet sind.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lF1 210 zwischen dem Lichtdurchführungselement F1 21 und der Strahlungsquelle 30.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lF2 220 zwischen dem Lichtdurchführungselement F2 22 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lDB 240 zwischen dem Blendenelement B 23 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist der vertikale Abstand l3 33 zwischen der Strahlungsquelle 30 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist eine horizontale Ausdehnung ls 388 der Strahlungsquelle 30.
  • Eingezeichnet ist eine horizontale Ausdehnung IB 230 einer Öffnung der Blende B 23.
  • Eingezeichnet sind horizontale Ausdehnungen lD1, 2 600 der Detektoranordnungen 52, 62.
  • Die Vorrichtung 1 zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch nach dieser 1a ist konstruktiv derart ausgestaltet, dass sich unter Anwendung der Beziehungen A, B, C, D, E nach Tabelle 3 als Basis der konstruktiven Dimensionierung eine Ausgestaltung einer baulich kleinen Anordnung mit einem Überlappungsbereich 65 (4) ergibt.
  • Durch diese Ausgestaltung der baulich kleinen Anordnung, welche sich auf Basis der Anwendung der zuvor mittels der in der Tabelle 3 für die erste Ausführungsform aufgelisteten Beziehungen A, B, C, D, E dargestellten geometrisch konstruktiven Bedingungen und auf Basis eines Abstandes l0 38 (4) zwischen den beiden Detektoranordnungen 52, 62 in der Detektorkonfiguration 40, sowie der Abstände 34, 34', 35, 35' zur vertikalen Mittelachse 32 der horizontalen Ausdehnung ls 388 der Strahlungsquelle 30 der horizontalen Ausdehnung IB 230 der Öffnung der Blende B 23 der horizontalen Ausdehnungen lD1,2 600 der Detektoranordnungen 52, 62 im Zusammenspiel mit dem vertikalen Abstand l3 33 resultiert, ergibt sich für die von der Strahlungsquelle 30 abgestrahlte Abstrahlung 31 entlang des vertikalen Abstands zwischen Strahlungsquelle 30 und der Detektorkonfiguration 40 der Überlappungsbereich 65 (4) in der von der Strahlungsquelle 30 abgestrahlten Strahlung 31.
  • Dieser Überlappungsbereich 65 (4) ergibt sich lotrecht aus der Ebene der Detektoranordnungen 52, 62 in Richtung der Strahlungsquelle 30. Bedingt dadurch ergibt sich beispielsweise für Gasmoleküle oder Kondensat (Feuchtigkeit wie Wasserdampf oder Wassertröpfchen) 400, welche in dieser 1a beispielhaft auf der Mittelachse 32 in der Nähe der Strahlungsquelle 30 eingezeichnet sind, die Situation, dass die Abstrahlung 31 der Strahlungsquelle 30 dieses Gasmolekül 400 durchdringt und dabei sowohl als Abstrahlung 31 auf das Detektorelement 50 wie auch auf das Detektorelement 60 wirksam wird. Somit ist sichergestellt, dass beispielsweise Feuchtigkeit (Kondensat) 400 sowohl auf das Detektorelement 50 als auch auf das Detektorelement 60 in gleicher Weise die Abstrahlung dämpft. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, aus der Verhältnisbildung der Signale des Detektorelements 50 und des Detektorelements 60 den Einfluss von Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu eliminieren.
  • Es sei in dieser Beschreibung zur 1a auf die 4 verwiesen, in welcher schematisch und vereinfacht in grafischer Form die Wirkungen in der Konstruktion der Vorrichtung 1 gemäß den beschriebenen Bedingungen A, B, C, D, E hinsichtlich des Überlappungsbereiches 65 (4) in der Abstrahlung 31 veranschaulicht wird.
  • Die Kontrolleinheit 9 wertet die Signale der Detektorelemente 50, 60 mittels geeigneter Elektronikkomponenten (Verstärker, analog zu Digitalwandler, Mikrocontroller) aus und stellt ein Ausgabesignal 99 bereit. Das Ausgabesignal 99 ist dabei repräsentativ für die von den Detektorelementen 50, 60, erfassten Signale wie auch das Verhältnis der erfassten Signale und damit auch repräsentativ für eine aus diesen Signalen bzw. Signalverhältnis abgeleitete Gaskonzentration.
  • Die 1b zeigt eine weitere, zweite schematische Darstellung, einer Vorrichtung 1' zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch.
  • Gleiche Elemente in der 1a und der 1b sind in dieser 1b mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechend gleichartigen Elemente in der 1a.
  • Die 1b zeigt mit der weiteren, zweiten schematischen Darstellung eine abgewandelte Variante der 1a. Im Unterschied zu 1a ist in der 1b die Strahlungsquelle 30 auf der gleichen Seite angeordnet wie die optischen Elemente und die Detektoren. Die gezeigte Vorrichtung 1' weist eine Strahlungsquelle 30 (Nummerierung in 1b fehlt) mit einem Strahlungselement 300 auf. Unmittelbar benachbart zur Strahlungsquelle 30 sind ein Detektorelement 50 und ein weiteres Detektorelement 60 angeordnet. An den Detektorelementen 50, 60 sind Bandpass-Filterelemente 51, 61 angeordnet. Der Strahlungsquelle 30 gegenüberliegend ist als ein optisch reflektierendes Element ein Reflektor 39, beispielsweise ein Spiegel oder Planspiegel, angeordnet. Der Reflektor 39 wirkt als ein Spiegel für die von der Strahlungsquelle 30 abgestrahlte Strahlung 31 und bewirkt eine Reflexion einer reflektierten Strahlung 31' hin zu den Bandpass-Filterelementen 51, 61 sowie den Detektorelementen 50, 60. Die Bandpass-Filterelemente 51, 61 lassen Licht in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich passieren. In dieser 1b ist ein Koordinatensystem mit vertikalen Bezugsachsen 32, horizontalen Bezugsachsen 36 eingezeichnet. Diese Achsen dienen in ähnlicher Weise wie in der Beschreibung der 1a als Bezug zur Lage der Komponenten zueinander und im Raum. Es ist eine Kontrolleinheit 9 vorgesehen, welche mit dem Strahlungselement 300 der Strahlungsquelle 30 verbunden ist. Die Anordnung mittels Steuerleitung 93, 93' bzw. 96, 96' sowie 95, 95' zur Verbindung der Kontrolleinheit 9 mit den Detektorelementen 60, 50 entspricht der Anordnung nach 1a und der dazugehörigen Beschreibung, welche hierzu dann in Bezug genommen gelten soll. Das Detektorelement 50 mit dem zugehörigen Filterelement 51 bildet zusammen eine Detektoranordnung 52 aus. Das Detektorelement 60 bildet mit dem zugehörigen Filterelement 61 ebenfalls eine Detektoranordnung 62 aus. Diese Detektoranordnungen 52, 62 ergeben zusammen mit der Strahlungsquelle 30 eine Detektorkonfiguration 41, welche im Zusammenspiel mit der Kontrolleinheit 9 und dem Reflektor 39 die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente 1' funktional ausbilden. Die Anordnung der Detektorkonfiguration 41 in Bezug zu den Achsen 32, 36 wird durch Abstände der Detektoranordnungen 52, 62 bestimmt. Die Detektoranordnungen 52, 62 sind in dieser 1b jeweils rechtwinklig zur vertikalen Mittelachse 32 ausgeführt. In der Detektorkonfiguration 41 ergibt sich ein horizontaler Abstand l1 34 des Detektorelements 50 zur Mittelachse 32. In der Detektorkonfiguration 41 ergibt sich ein Abstand l1 34' für das Detektorelement 60 zur Mittelachse 32. In der Detektorkonfiguration 41 ergibt sich ein Abstand l2 35 des Bandpass-Filterelementes 51 zur Mittelachse 32. Bedingt durch die rechtwinklige Anordnung der Detektoranordnungen 52, 62 zur Mittelachse 32 sind für das Detektorelement 50 das Filterelement 51 die Abstände l1 34' und l2 35' zur Mittelachse 32 identisch. In der Detektorkonfiguration 41 ergibt sich weiterhin ein Abstand l2 35' für das Filterelement 61 zur Mittelachse 32. Bedingt durch die rechtwinklige Anordnung der Detektoranordnungen 52, 62 zur Mittelachse 32 sind für das Detektorelement 50 und das Filterelement 51 die Abstände l1 34 und l2 35 zur Mittelachse 32 identisch.
  • In der schematischen Darstellung der Vorrichtung 1' zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch ist ein Strömungskanal 100' eingezeichnet, welcher zwischen dem Reflektor 39 und den Detektoranordnungen 52, 62 parallel zur horizontalen Bezugsachse 36 angeordnet ist. In Wandungen des Strömungskanals 100' sind einander gegenüberliegend ein erstes lichtdurchlässiges Lichtdurchführungselement F1 21 und ein zweites lichtdurchlässiges Lichtdurchführungselement F2 22 angeordnet, wodurch eine Abstrahlung 31 mittels der Strahlungsquelle 30 und mittels des Reflektors 39 reflektierter Strahlung 31' durch den Strömungskanal 100' ermöglicht ist.
  • In dieser 1b sind Ausdehnungen oder Erstreckungen der Komponenten sowie Abstände der Komponenten zueinander in Form von Längen eingezeichnet, wie sie in den Tabellen 2a und 2b aufgelistet sind.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lF1 210 zwischen dem Lichtdurchführungselement F1 21 und dem Reflektor 39.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lF2 220 zwischen dem Lichtdurchführungselement F2 22 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist ein Abstand lDB 240 zwischen dem Blendenelement B 23 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist der vertikale Abstand l3 33' zwischen dem Reflektor 39 und den Detektoranordnungen 52, 62.
  • Eingezeichnet ist eine horizontale Ausdehnung lR 390 des Reflektors 39.
  • Eingezeichnet ist eine horizontale Ausdehnung lB 230 einer Öffnung der Blende B 23.
  • Eingezeichnet sind horizontalen Ausdehnungen lD1, 2 600 der Detektoranordnungen 52, 62.
  • Die Vorrichtung 1' zur Konzentrationsbestimmung mindestens einer Gaskomponente in einem Atemgasgemisch nach dieser 1b ist konstruktiv derart ausgestaltet, dass sich unter Anwendung der Beziehungen A, B, C, D', E' nach Tabelle 3 als Basis der konstruktiven Dimensionierung eine, Ausgestaltung einer baulich kleinen Anordnung mit einem Überlappungsbereich 65 (4) ergibt.
  • Durch diese Ausgestaltung der baulich kleinen Anordnung, welche sich auf Basis der Anwendung der zuvor mittels der in der Tabelle 3 für die zweite Ausführungsform aufgelisteten Beziehungen A, B, C, D', E' dargestellten geometrisch konstruktiven Bedingungen und auf Basis eines Abstandes l0 38 (4) zwischen den beiden Detektoranordnungen 52, 62 in der Detektorkonfiguration 41 sowie der Abstände 34, 34', 35, 35' zur vertikalen Mittelachse 32, der horizontalen Ausdehnung lR 390 des Reflektors 39, der horizontalen Ausdehnung lB 230 der Öffnung der Blende B 23 der horizontalen Ausdehnungen lD1,2 600 der Detektoranordnungen 52, 62 im Zusammenspiel mit dem vertikalen Abstand l3 33' ergibt sich für die von dem Reflektor 39 reflektierte Strahlung 31' entlang des vertikalen Abstands zwischen der Strahlungsquelle 30 und der Detektorkonfiguration 41 der Überlappungsbereich 65 (4) in der von dem Reflektor 39 reflektierten Strahlung 31'. Dieser Überlappungsbereich 65 (4) ergibt sich lotrecht aus der Ebene der Detektoranordnungen 52, 62 in Richtung der Strahlungsquelle 30. Die Detektoranordnungen 52, 62 sind in Bezug zur horizontalen Bezugsachse 36, der Mittelachse 32 und zu einer horizontalen Ebene der Lichtreflektion des Reflektors 37', welcher parallel zur horizontalen Bezugsachse 36 angeordnet ist, ausgestaltet. Der Überlappungsbereich 65 (4), welcher sich auf Basis der Detektoranordnungen 52 und 62 ergibt, bedingt, dass Verunreinigungen oder Kondensat, welche beispielsweise in der Nähe des Reflektors 39 in der reflektierten Strahlung 31 vorhanden sind, die Strahlung in gleicher Weise das Detektorelement 50 wie auch das Detektorelement 60 beeinflussen, d. h. ggf. dämpfen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, wie zu 1a beschrieben, aus dem Verhältnis der Signale des Detektorelements 50 und des Detektorelements 60 den Einfluss von Feuchtigkeit 400 (1a) oder Verunreinigungen zu eliminieren.
  • Es sei in dieser Beschreibung zur 1b auf die 4 verwiesen, in welcher schematisch und vereinfacht in grafischer Form die Wirkungen in der Konstruktion der Vorrichtung 1' gemäß den beschriebenen Bedingungen A, B, C, D', E' hinsichtlich des Überlappungsbereiches 65 (4) in der reflektierten Strahlung 31' veranschaulicht wird.
  • Im Unterschied zu 1a ergibt sich in dieser 1b für den Weg der Abstrahlung 31 hin zu dem Reflektor 39 und dem Weg der reflektierten Strahlung 31' zu den Detektorelementen 50, 60 ein verlängerter, im einfachsten Fall doppelter Strahlengang. Dies hat zur Folge, dass die auf die Detektorelemente 50, 60 auftreffenden Lichtstrahlen von geringerer Intensität sind als in der 1a. Dies bedingt einen Unterschied hinsichtlich der Empfindlichkeit der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente 1' in dieser 1b. Die Auswertung der Signale der Detektorelemente, 50, 60 in der Kontrolleinheit 9 erfolgt in ähnlicher Weise wie zu 1a beschrieben mittels geeigneter Elektronikkomponenten. Die Kontrolleinheit stellt ein Ausgabesignal 99 bereit, welches repräsentativ für die Signale der Detektorelemente 50, 60 oder für das Verhältnis der Signale der Detektorelemente 50, 60 ist. Damit stellt das Ausgabesignal 99 eine aus den Signalen abgeleitete Gaskonzentration auf Basis der erfassten Signale der Detektorelemente 50, 60 zu einer weiteren Verarbeitung, beispielsweise einer Anzeigeeinheit 94 (2) bereit.
  • Die 2 und 3 zeigen Anordnungen einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung nach den 1a, 1b. Die 2, 3 sollen in einer gemeinsamen Figurenbeschreibung hinsichtlich der gemeinsamen Merkmale miteinander, aber auch hinsichtlich der Unterschiede zueinander, beschrieben werden. Gleiche Elemente in den 2, 3 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechend gleichartigen Elemente in den 2, 3. Gleiche Elemente in den 2, 3 und den 1a, 1b sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechend gleichartigen Elemente in den 2, 3 wie in den 1a, 1b.
  • In der 2 ist eine Vorrichtung 1' zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1b) gezeigt. Der Strömungskanal 100' ist ausgestaltet, um eine Strömung mit einer Gasmenge 80 einer Messung mittels der Vorrichtung 1' (1b) zuzuführen. Es sind Detektoranordnungen 52, 62, in Verbindung mit einer Strahlungsquelle 30, einem Strahlungselement 300 in Ausführung als ein Punktstrahler 30' und einer Kontrolleinheit 9 gezeigt. Die Detektoranordnungen 52, 62 mit der Strahlungsquelle 30 und der Kontrolleinheit 9 sind in einem Halteelement 97 angeordnet, welches an dem Strömungskanal 100' angekoppelt ist. Der Strömungskanal 100' weist ein erstes Lichtdurchführungselement F1 21 auf, welches mit einem Reflektor 39 eine Baueinheit in einer Wandung des Strömungskanals 100' ausbildet. Der Strömungskanal 100' weist ein zweites Lichtdurchführungselement F2 22 auf, welches mit einem Blendenelement 23 eine Baueinheit in einer Wandung des Strömungskanals 100' ausbildet. Die Lichtdurchführungselemente F1 21, F2 22 sind zu einer Durchleitung von, von der Strahlungsquelle 30, 30' abgestrahlten und zu einer Durchleitung von, von dem Reflektor 39 reflektiertem Licht ausgebildet. Die Lichtdurchführungselemente F1 21, F2 22 wie auch der Reflektor 39 und das Blendenelement 23 sind mittels Dichtelementen 98 an den Strömungskanal 100' angeordnet, um eine Gasdichtigkeit des Strömungskanals 100' zu gewährleisten. Die Funktionsweise der Anordnung nach 2 ergibt sich wie zu 1b beschrieben.
  • In der 3 ist im Unterschied zu 2 eine Vorrichtung 1 zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente gemäß der 1a gezeigt. Die Strahlungsquelle 30 ist gegenüberliegend von zwei Detektoranordnungen 52, 62 am Strömungskanal 100 angeordnet. Die Detektoranordnungen 52, 62 mit der Strahlungsquelle 30 und der Kontrolleinheit 9 sind in einem Halteelement 97 angeordnet, welches an dem Strömungskanal 100 angekoppelt ist. Die Anordnung der Detektoranordnungen 52, 62 und der Strahlungsquelle 30 erfolgt einander gegenüberliegend an einer Stelle des Strömungskanals 100, an der der Strömungsquerschnitt in Form eines Venturi-Rohres verringert ist.
  • Der Strömungskanal 100 weist ein erstes Lichtdurchführungselement F1 21 auf, welches in einer Wandung des Strömungskanals 100 angeordnet ist. Der Strömungskanal 100 weist ein zweites Lichtdurchführungselement F2 22 auf, welches mit einem Blendenelement 23 eine Baueinheit in einer Wandung des Strömungskanals 100 ausbildet. Die Lichtdurchführungselemente F1 21, F2 22 sind zu einer Durchleitung von, von der Strahlungsquelle 30 abgestrahltem Licht ausgebildet. Die Lichtdurchführungselemente F1 21, F2 22 wie auch das Blendenelement 23 sind mittels Dichtelementen 98 an den Strömungskanal 100 angeordnet, um eine Gasdichtigkeit des Strömungskanals 100 zu gewährleisten. In dieser Ausgestaltung nach 3 ist es erforderlich, von zwei Seiten Elemente einer Kontrolleinheit 9 vorzusehen. Dadurch wird ermöglicht, die Detektoranordnungen 52, 62 mit den Detektorelementen 50, 60 (1a) zu betreiben und die Signale zu verstärken. Zusätzlich dient die Kontrolleinheit 9 zur Ansteuerung der Strahlungsquelle 30 und zur Ausgabe eines Ausgabesignals 99.
  • In den 2, 3, ist ein Ausgabesignal 99 vorgesehen, welches, wie zuvor in 1a und 1b ausgeführt, repräsentativ für eine erfasste Gaskonzentration ist.
  • In der 2 sind ein Medizingerät 200 sowie eine Anzeigeeinheit 94 jeweils als optionale Komponenten in gestrichelter Linienführung eingezeichnet. Diese optionalen Komponenten stellen beispielhafte Möglichkeiten dar, dass Ausgabesignal 99 einer weiteren Verarbeitung und Verwendung zuzuführen.
  • In der 3 sind diese optionalen Komponenten 200, 94 nicht gezeigt, sollen aber gleichwohl mit vom Erfindungsgedanken auch in die Ausgestaltung nach dieser 3 mit einbezogen gelten.
  • Die 4 zeigt eine Darstellung 1000 zum Überlappungsbereich 65 in Vorrichtungen 1, 1' zur Konzentrationsbestimmung nach den 1a und 1b. Gleiche Elemente in der 4 und in den 1a, 1b, 2, 3 sind in der 4 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie die entsprechend gleichartigen Elemente in den 1a, 1b, 2, 3.
  • Dargestellt sind die Auswirkungen in der Konstruktion der Vorrichtung 1 (1a) wie auch der Vorrichtung 1' (1b) bei Beachtung der in Tabelle 3 beschriebenen Bedingungen A, B, C, D, E bzw. A, B, C, D', E' hinsichtlich des Überlappungsbereiches 65 in der Abstrahlung 31 gemäß 1a wie auch der reflektierten Strahlung 31 gemäß 1b. Eingezeichnet sind in schematischer Form zwei Detektoranordnungen 52, 62 mit einem Abstand l0 38 zwischen den zwei Detektoranordnungen 52, 62. Gegenüberliegend der Detektoranordnungen 52, 62 sind ein optisch abstrahlendes oder ein optisch reflektierendes Element in Ausführung als Strahlungsquelle 30 gemäß 1a oder in Ausführung als Reflektor 39 gemäß 1b.
  • Eine für eine Ausgestaltung nach 1b benötigte Strahlungsquelle ist auf einer vertikalen Achse 32 als ein Punktstrahler 30' zwischen den zwei Detektoranordnungen 52, 62 vergleichbar wie in der 1b positioniert.
  • Es ist dabei anzumerken, dass diese Darstellung nach 4 eine Konstellation mit der Strahlungsquelle 30, 30' und Reflektor 38 gemäß Vorrichtung 1' (1b) ist, wobei die Strahlungsquelle 30, 30' und Detektoranordnungen 52, 62 benachbart angeordnet sind während die Konstellation mit der Strahlungsquelle 30 gemäß Vorrichtung 1 (1a), in der Strahlungsquelle 30 und Detektoranordnungen 52, 62 gegenüberliegend angeordnet sind, kein optisch reflektierendes Element in der Anordnung erfordert.
  • Da die Wirkungen auf die Konstruktionsverhältnisse (Abstände, Ausdehnungen, Erstreckungen) der in Tabelle 3 beschriebenen Bedingungen A, B, C, D, E bzw. A, B, C, D', E' hinsichtlich des Überlappungsbereiches 65 vergleichbar sind, wird dies in dieser 4 in der Darstellung 1000 zusammengefasst und gezeigt. Zwischen den zwei Detektoranordnungen 52, 62 und dem optisch abstrahlenden 30 oder optisch reflektierenden 39 Element ist ein Strömungskanal 100, 100' mit einem in einer Wandung des Strömungskanals 100, 100' angeordneten ersten F1 21 und zweiten F2 22 lichtdurchlässigem Lichtdurchführungselement und einem Blendenelement 23 eingezeichnet. Die vertikale Anordnung des ersten F1 21 und des zweiten F2 22 lichtdurchlässigen Lichtdurchführungselements, des Blendenelements 23, der Detektoranordnungen 52, 62 und des optisch abstrahlenden 30 oder optisch reflektierenden 39 Elements ist in dieser 4 zeichnerisch in Verhältnissen gezeigt, wie sie sich aus Anwendung der Bedingungen A, B, C, D, E bzw. A, B, C, D', E' ergeben. Daher ist der Überlappungsbereich 65, welcher sich im Strömungskanal 100, 100' für Abstrahlung 31 von der Strahlungsquelle 30 oder reflektierte Strahlung 31 hin zu den zwei Detektoranordnungen 52, 62 ergibt, hinsichtlich einer relativen Ausdehnung des Überlappungsbereichs 65 im Strömungskanal 100, 100' übertragbar. Je größer sich die Ausdehnung des Überlappungsbereichs 65 im Strömungskanal 100, 100' gestaltet, umso effektiver ist es möglich, den Einfluss von Feuchtigkeit und Verunreinigungen mittels Verhältnisbildung zwischen den beiden Detektorelementen 50, 60 (1a, 1b) der Detektoranordnungen 52, 62 zu eliminieren.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 1'
    Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente
    9
    Kontrolleinheit
    21
    erstes Lichtdurchführungselement, Fensterelement (F1)
    22
    zweites Lichtdurchführungselement, Fensterelement (F2)
    23
    Blendenelement (B)
    30
    Strahlungsquelle
    30'
    Strahlungsquelle 30 in Ausbildung als Punktstrahler
    31
    Abstrahlung
    31'
    reflektierte Strahlung
    32
    vertikale Achse, Mittelachse, Bezugsachse vertikal, vertikale Achse
    33
    l3, l3 vertikaler Abstand
    34
    l1 Abstand des Detektorelements 50 zur Mittelachse 32
    34'
    l1 Abstand des Detektorelements 60 zur Mittelachse 32
    35
    l2 Abstand des Filterelements 51 zur Mittelachse 32
    35'
    l2 Abstand des Filterelements 61 zur Mittelachse 32
    36
    horizontale Bezugsachse
    37
    horizontale Ebene der Abstrahlung
    37'
    horizontale Ebene der Lichtreflexion
    38
    l0 Abstand zwischen den Detektorelementen 50, 60
    39
    optisch reflektierendes Element, Reflektionselement Reflektor, Spiegelelement
    40
    Detektorkonfiguration
    41
    Detektorkonfiguration, reflektiv
    50
    Detektorelement
    51
    Bandpass-Filterelement
    52
    Detektoranordnung
    60
    Detektorelement
    61
    Bandpass-Filterelement
    62
    Detektoranordnung
    65
    Überlappungsbereich
    80
    Gasmenge, Gaskonzentration
    93, 93'
    Steuerleitung zum Strahlungselement 300
    94
    Anzeigeeinheit
    95, 95'
    Datenleitung, Signalleitung
    96, 96'
    Datenleitung, Signalleitung
    97
    Halteelement
    98
    Dichtelemente
    99
    Ausgabesignal
    100, 100'
    Strömungskanal
    200
    Medizingerät, Beatmungsgerät, Anästhesiegerät
    210
    Abstand lF1 zwischen Lichtdurchführungselement F1 und Strahlungsquelle
    220
    Abstand lF2 zwischen Lichtdurchführungselement F2 und Detektoranordnung
    230
    horizontale Ausdehnung lB (Breite, Länge, Durchmesser) des Blendenelements (B)
    240
    Abstand lDB zwischen Blendenelenlent und Detektoranordnung
    300
    Strahlungselement, (Membran, Wendel)
    388
    horizontale Ausdehnung lS (Breite, Länge, Durchmesser) der Strahlungsquelle
    390
    horizontale Ausdehnung lR (Breite, Länge, Durchmesser) des optisch reflektierenden Elements, Reflektionselements
    400
    Gasmolekül, Feuchtigkeit Kondensat
    600
    jeweilige horizontale Ausdehnung lD1,2 (Breite, Länge, Durchmesser) der beiden Detektorelemente
    601
    Raumbereich zwischen Detektoranordnung und Blendenelement B
    602
    Raumbereich zwischen Blendenelement und zweitem Lichtdurchführungselement F2
    603
    Raumbereich zwischen Detektoranordnung und zweitem Lichtdurchführungselement F2
    604
    Raumbereich zwischen erstem Lichtdurchführungselement F1 und Strahlungsquelle
    604'
    Raumbereich zwischen erstem Lichtdurchführungselement F1 und Reflektorelement
    1000
    Darstellung des Überlappungsbereiches 65
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) in einem Einatemgas oder einem Ausatemgas eines Lebewesens - mit einer zu einer Abstrahlung (31) einer Lichtabstrahlung in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm geeigneten und ausgestalteten Strahlungsquelle (30), - mit zwei Detektoranordnungen (52, 62) mit zwei zu einer Erfassung der von der Strahlungsquelle (30) erzeugten Lichtabstrahlung (31) geeignet ausgebildeten Detektorelementen (50, 60) mit zwei an den zwei Detektorelementen (50, 60) angeordneten Bandpass-Filterelementen (51, 61), welche Detektionsflächen zur Erfassung der von der Strahlungsquelle (30) erzeugten Lichtabstrahlung (31) ausbilden, - mit einem Strömungskanal (100), welcher zu einer im Wesentlichen rechtwinklig zu einer vertikalen Achse (32) der Lichtabstrahlung (31) ausgebildeten Strömungsführung einer Gasströmung ausgebildet ist, - mit einem ersten Lichtdurchführungselement F1(21) und mit einem zweiten Lichtdurchführungselement F2 (22), welche beide für die Lichtabstrahlung in dem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm optisch durchlässig ausgebildet sind, - mit einem Blendenelement B (23) zu einer Lichtstrahlführung von der Strahlungsquelle auf die Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62), - mit einer Kontroll-Einheit (9) zu einer Steuerung eines Betriebs der Strahlungsquelle (30) und zu einer Signalerfassung der zwei Detektorelemente (50, 60), wobei eines der zwei Bandpass-Filterelemente (51, 61) für eine infrarote Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch ein Messgas absorbiert wird, wobei eines der zwei Bandpass-Filterelemente (51, 61) für eine infrarote Strahlung für eine Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch das Messgas nicht absorbiert wird, wobei eine Abstrahlfläche der Strahlungsquelle (30) in einem vertikalen Abstand l3 (33) zu den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62) angeordnet ist, wobei das zweite Lichtdurchführungselement F2 (22) als Teil einer Wandung des Strömungskanals (100) derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) angeordnet ist, dass sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 (2,3) ein Abstand lF2 (230) in Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33) gemäß folgender Beziehung I F 2 l 3 ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0022
    ergibt und sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 (23) ein Abstand lF2 (230) in Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33) und in Bezug zum Abstand lDB (240) zu den Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62) Verhältnisse gemäß folgender Beziehung 0 ≤ I D B l 3 ≤ I F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0023
    ergeben, wobei das erste Lichtdurchführungselement F1 (21) als Teil einer Wandung des Strömungskanals (100) derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) angeordnet ist, dass sich für das erste Lichtdurchführungselement F1 (21) ein Abstand lF1 (210) im Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33) gemäß folgender Beziehung I F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0024
    ergibt, wobei das Blendenelement B (23) in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) derart an oder außerhalb des Strömungskanals (100) angeordnet ist, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B (23) in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung l3 (388) der Strahlungsquelle (30) ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung I B l S ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0025
    ergibt, wobei das Blendenelement B (23) in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1, 1') derart an oder außerhalb des Strömungskanals (100) angeordnet ist, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B (23) in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung ls (388) der Strahlungsquelle (30) und zu horizontalen Ausdehnungen der Detektoranordnungen lD1,2 (600) ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung I B l S ≥ I D 1,2 l S
    Figure DE102016012971A1_0026
    ergibt, so dass sich in dem Strömungskanal (100) ein Überlappungsbereich (65) für die von der Strahlungsquelle (3) erzeugte Lichtabstrahlung (31) zwischen den beiden Detektoranordnungen (52, 62) ergibt.
  2. Vorrichtung (1') zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) in einem Einatemgas oder einem Ausatemgas eines Lebewesens, - mit einer zu einer. Abstrahlung (31) einer Lichtabstrahlung in einem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm geeigneten und ausgestalteten Strahlungsquelle (30), - mit einem zu einer Lichtreflexion geeigneten, gegenüberliegend der Strahlungsquelle (30) angeordneten, optisch reflektierenden Element (39), - mit zwei Detektoranordnungen (52, 62) mit zwei zu einer Erfassung der von dem optisch reflektierenden Element (39) reflektierten Strahlung (31') geeignet ausgebildeten Detektorelementen (50, 60) mit zwei an den zwei Detektorelementen (50, 60) angeordneten Bandpass-Filterelementen (51, 61), welche Detektionsflächen zur Erfassung der von dem optisch reflektierenden Element (39) reflektierten Strahlung (31') ausbilden, - mit einem Strömungskanal (100'), welcher zu einer im Wesentlichen rechtwinklig zu einer vertikalen Achse (32) der Lichtabstrahlung (31) ausgebildeten Strömungsführung einer Gasströmung ausgebildet ist, - mit einem ersten Lichtdurchführungselement F1(21) und mit einem zweiten Lichtdurchführungselement F2 (22), welche beide für die Lichtabstrahlung in dem Wellenlängenbereich von lambda1 (λ1) = 2,5 µm bis lambda2 (λ2) = 14,0 µm optisch durchlässig ausgebildet sind, - mit einem Blendenelement B (23) zu einer Lichtstrahlführung von der Strahlungsquelle auf die Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62), - mit einer Kontroll-Einheit (9) zu einer Steuerung eines Betriebs der Strahlungsquelle (30) und zu einer Signalerfassung der zwei Detektorelemente (50, 60), wobei eines der zwei Bandpass-Filterelemente (51, 61) für eine infrarote Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch ein Messgas absorbiert wird, wobei eines der zwei Bandpass-Filterelemente (51, 61) für eine infrarote Strahlung für eine Strahlung optisch durchlässig ausgebildet ist, welche durch das Messgas nicht absorbiert wird, wobei eine Reflektionsfläche des optisch reflektierenden Element (39) in einem vertikalen Abstand l3 (33') zu den zwei Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62) angeordnet ist, wobei das zweite Lichtdurchführungselement F2 (22) als Teil einer Wandung des Strömungskanals (100) derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) angeordnet ist, dass sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 (23) ein Abstand lF2 (230) in Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33') gemäß folgender Beziehung I F 2 l S ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0027
    ergibt, und sich für das zweite Lichtdurchführungselement F2 (23) ein Abstand lF2 (230) in Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33') und in Bezug zum Abstand lDB (240) zu den Detektionsflächen der zwei Detektoranordnungen (52, 62) Verhältnisse gemäß folgender Beziehung 0 ≤ I D B l 3 ≤ I F 2 l 3
    Figure DE102016012971A1_0028
    ergeben, wobei das erste Lichtdurchführungselement F1 (21) als Teil einer Wandung des Strömungskanals (100) derart in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) angeordnet ist, dass sich für das erste Lichtdurchführungselement F1 (21) ein Abstand lF1 (210) im Bezug zum vertikalen Abstand l3 (33') gemäß folgender Beziehung I F 1 l 3 ≤ 0,3
    Figure DE102016012971A1_0029
    ergibt, wobei das Blendenelement B (23) in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1) derart an oder außerhalb des Strömungskanals (100) angeordnet ist, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B (23) in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung ls (390) des optisch reflektierenden Elements (39) ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung I B l R ≥ 0,5
    Figure DE102016012971A1_0030
    ergibt, wobei das Blendenelement B (23) in der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Gaskomponente (1, 1') derart an oder außerhalb des Strömungskanals (100) angeordnet ist, dass sich für die horizontale Ausdehnung des Blendenelements B (23) in Bezug zu einer horizontalen Ausdehnung lR (390) des optisch reflektierenden Elements (39) und zu horizontalen Ausdehnungen der Detektoranordnungen lD1,2 (600) ein Verhältnis gemäß folgender Beziehung I B l R ≥ I D 1,2 l R
    Figure DE102016012971A1_0031
    ergibt, so dass sich in dem Strömungskanal (100') ein Überlappungsbereich (65) für die von der Strahlungsquelle (3) erzeugte Lichtabstrahlung (31) zwischen den beiden Detektoranordnungen (52, 62) ergibt.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Strahlungsquelle (30) als ein Flächenstrahler, als ein Membranstrahler oder als ein mit einer im Wesentlichen planar ausgestalteten Abstrahlfläche ausgebildetes Strahlungselement (300) oder als eine mit einer im Wesentlichen planar ausgestalteten Abstrahlfläche ausgebildete Leuchtdiode (LED) ausgebildet ist, wobei die Abstrahlfläche zu einer über der Abstrahlfläche gleichmäßigen Abstrahlung (31) ausgestaltet ist, wobei die Abstrahlfläche der Strahlungsquelle (30) in einem Bereich von 2,0 mm2 bis 10,0 mm2 gewählt ist.
  4. Vorrichtung (1') nach Anspruch 2, wobei die Strahlungsquelle (30) als ein Punktstrahler oder als eine punktförmig abstrahlende Leuchtdiode (LED) mit einer im Wesentlichen mit einem horizontalen Abstrahlwinkel von 80° bis 170° in Richtung des optisch reflektierenden Elements (39) gerichteten und zu einer gleichmäßigen Abstrahlung (31) in Richtung des optisch reflektierenden Elements ausgebildet ist, wobei die Abstrahlfläche der Strahlungsquelle (30) in einem Bereich von 0,05 mm2 bis 1 mm2 gewählt ist.
  5. Vorrichtung (1') nach Anspruch 2, wobei das optisch reflektierende Element (39) mit einer Oberflächenstruktur ausgebildet ist, welche zu einer, vorzugsweise gleichmäßigen Verteilung des reflektierten Lichts (31') auf beide Detektoranordnungen (52, 62) ausgestaltet ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung (1, 1') nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zwei Detektorelemente (50, 60) mit einem ersten l1 Abstand (34, 34') zur vertikalen Achse (32) in einem Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm angeordnet sind, wobei die zwei an den zwei Detektorelementen (50, 60) angeordneten Bandpass-Filterelemente (51, 61) mit einem zweiten Abstand l2 (35) zur zwischen den zwei Detektoranordnungen (52, 62) verlaufenden vertikalen Achse (32) in einem Bereich von 0,1 mm bis 10,0 mm angeordnet sind.
  7. Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bandpass-Filterelemente (51, 61, 71, 81) zu einer optischen Filterung von Infrarotem Licht in einem Durchlassbereich eines Wellenlängenbereiches von 2,5 µm bis 14 µm ausgestaltet sind.
  8. Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Detektorelemente (50, 60) als Pyrodetektoren, Bolometer, Halbleiterdetektoren, Thermopiles oder Thermoelemente ausgestaltet sind.
  9. Vorrichtung (1, 1') nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Raumbereich (601) zwischen der Detektoranordnung (52, 62) und dem Blendenelement B (23) und/oder ein Raumbereich (602) zwischen dem Blendenelement B (23) und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2 (22) und/oder ein Raumbereich (604, 604') zwischen der Strahlungsquelle (30) und oder dem optisch reflektierenden Element (39) und dem ersten Lichtdurchführungselement F1 (21) und/ oder ein Raumbereich (603) zwischen der Detektoranordnung (52, 62) und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2 (22) mit einem optischen durchlässigen Material ausgefüllt ist, welches einen optischen Brechungsindex n ≥ 1 aufweist.
  10. Vorrichtung (1, 1') nach Anspruch 1 oder 2, sowie Anspruch 9, wobei die in den Beziehungen genannten Längenmaße lF1 (210), lF2 (220), lDB (240,) als physikalisch geometrische Längenausdehnungen oder als physikalisch optische Längenausdehnungen unter Einbeziehung der optischen Brechungsindices der optischen durchlässigen Materialien zwischen dem Blendenelement B (23) und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2 (22) und/oder der Detektoranordnung (52, 62) und dem Blendenelement B (23) und/oder der Strahlungsquelle (30) oder dem optisch reflektierenden Element (39) und dem ersten Lichtdurchführungselement F1 (21) und/oder der Detektoranordnung (52, 62) und dem zweitem Lichtdurchführungselement F2 (22) definiert sind.
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