DE102020114972A1

DE102020114972A1 - Messanordnung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases

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Publication number: DE102020114972A1
Application number: DE102020114972.7A
Authority: DE
Inventors: Otto Rosinke; Günter Steinert; Bernd-Michael Dicks; Dennis Bentien-Herzberg; Arne Tröllsch
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2020-06-05
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2021-12-09
Also published as: CN216144692U

Abstract

Beschrieben wird eine Messanordnung (1) zur Bestimmung einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases. Die Messanordnung ist wenigstens bereichsweise von einem Gehäuse (9) umgeben und verfügt über eine Strahlenquelle (2) zur Emission von Strahlung, über wenigstens eine Detektoreinheit (3) zum Empfang wenigstens eines Teils der von der Strahlenquelle (2) emittierten Strahlung, die in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auftreffenden Strahlung ein Messsignal erzeugt, über ein Messvolumen (4), das zwischen der Strahlenquelle (2) und der Detektoreinheit (3) angeordnet ist und durch das wenigstens zeitweise das zu vermessende Gas leitbar ist, und über eine Optikeinheit (5) zur Formung und/oder Lenkung zumindest eines Teils der von der Strahlenquelle (2) emittierten Strahlung,Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Optikeinheit (5) wenigstens einen in Bezug auf eine Hauptstrahlachse der Strahlung als Off-Axis-Reflektor ausgeführten Reflektor (6) aufweist, der über ein Strukturelement (10) aus Kunststoff verfügt, das auf einer der Strahlung zugewandten Oberfläche (11) wenigstens bereichsweise eine Metallbeschichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases, die wenigstens bereichsweise von einem Gehäuse umgeben ist. Die Messanordnung verfügt über eine Strahlenquelle zur Emission von Strahlung, über wenigstens eine Detektoreinheit zum Empfang wenigstens eines Teils der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung, die in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auftreffenden Strahlung ein Messignal erzeugt, über ein Messvolumen, das zwischen der Strahlenquelle und der Detektoreinheit angeordnet ist und durch das wenigstens zeitweise das zu vermessende Gas leitbar ist, und über eine Optikeinheit zur Formung und oder Lenkung zumindest eines Teils der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Gassensoren zur Ermittlung wenigstens einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases bekannt, die optische Messverfahren nutzen. Derartige Gassensoren verfügen über geeignet ausgeführte Optikeinheiten zur Lenkung und Formung von Strahlung in Richtung auf und durch ein Messvolumen, in dem sich das zu vermessende Gas befindet. Nach Durchqueren des Messvolumens wird die jeweilige Strahlung auf eine Detektoreinheit gelenkt und wenigstens ein Strahlungsparameter ausgewertet, um zumindest eine Eigenschaft des Zielgases zu detektieren. Zur Strahllenkung und oder Strahlformung werden vielfach Reflektoren eingesetzt, die Strahlung in die gewünschte Richtung lenken. Teilweise wird das zu vermessende Gas durch eine von der Mess- oder Optikeinheit abnehmbare Einheit mit dem Messvolumen geleitet, wobei Sender- und Empfängereinheit entweder auf entgegengesetzten oder auf gleichen Seiten des Messvolumens angeordnet sein können. Sind die Sende- und die Empfängereinheit auf der gleichen Seite des Messvolumens angeordnet, so erfordert dies eine zusätzliche Reflexion im Strahlengang. In das Messvolumen gelangt die Strahlung durch geeignete Fenster aus für die jeweils verwendete Strahlung transparentem Material, beispielsweise aus kristallinem oder polykristallinem Material oder aus Kunststoff.
Vielfach in den Optikeinheiten verwendete Reflektoren weisen die Form von Rotationskegelschnitten, insbesondere von Paraboloiden oder Ellipsoiden, deren Rotationsachse mit der Hauptstrahlachse der Optikeinheit zusammenfällt (on-axis) auf, wobei im Brennpunkt dieser Reflektoren eine Strahlenquelle oder eine Detektoreinheit angeordnet ist. Mit derart ausgeführten Optikeinheiten lassen sich vergleichsweise hohe Transfereffizienzen, also ein besonders großes Verhältnis zwischen den Intensitäten der eingestrahlten zur abgestrahlten Strahlung, bei Einsatz von allseitig abstrahlenden Strahlquellen, wie etwa Glühwendelstrahlen, realisieren. Aufgrund der Geometrie sind derartige Reflektoren bei Verwendung von Flächenstrahlern allerdings deutlich ineffizienter.
Allen zuvor beschriebenen technischen Lösungen ist gemein, dass nahe der Hauptstrahlachse ein kegelförmiger Bereich vorhanden ist, in dem kein Strahl die Reflektoroberfläche berührt. Je länger der Reflektor ist, desto kleiner ist dieser Winkelbereich und desto effizienter ist der Reflektor. Allerdings nehmen hierdurch auch Gewicht und Platzbedarf zu, was wiederum einen Nachteil darstellt. Ebenso sind technische Lösungen mit einer zusätzlichen Strahlformung durch Linsen bekannt. Kommt IR-Strahlung als Messstrahlung zum Einsatz, müssen für derartige Linsen allerdings verhältnismäßig teure Materialien oder aufwendige Beschichtungen verwendet werden. Weiterhin sind allgemein Reflektoren zur Strahllenkung oder Strahlformung bekannt bekannt, deren Oberfläche eine variierende Krümmung aufweist, die bedarfsgerecht an die jeweiligen Anforderungen der Strahlformung und Strahllenkung angepasst ist. Derartige Reflektoren werden als Off-Axis-Reflektoren bezeichnet und sind üblicherweise in Form von asymmetrischen Segmenten eines Paraboloids oder eines Ellipsoids, also von Segmenten, die im Wesentlichen auf einer Seite eines Paraboloids oder Ellipsoids angeordnet sind, ausgebildet, sodass der Brennpunkt eines Off-Axis-Reflektors außerhalb des Bereichs, in dem parallelisierte Strahlung vom Reflektor abgestrahlt oder in diesen eingestrahlt wird, liegt. Im Gegensatz zu rotationssymmetrisch ausgebildeten on-axis-Reflektoren liegt bei Off-Axis-Reflektoren somit der Brennpunkt nicht auf der Hauptstrahlachse der parallelisierten, abgestrahlten oder auftreffenden Strahlung und Abschattungseffekte, wie sie von rotationssymmetrischen on-axis-Reflektoren bekannt sind, können vermieden werden. Mit Off-Axis-Reflektoren ist es generell möglich, zumindest einen großen Teil der von einer Strahlungsquelle emittierten Strahlung in die gewünschte Richtung zu lenken, da auch unterschiedlich gerichtete Strahlung auf die Oberfläche des Reflektors auftrifft. Dies ermöglicht hohe Transfereffizienzen und eine kompakte Gestaltung von Optikeinheiten mit derartigen Reflektoren. Die bekannten Off-Axis-Reflektoren sind allerdings üblicherweise aus Metall gefertigt, was sowohl im Hinblick auf die Herstellkosten als auch das Gewicht Nachteile mit sich bringt und den Einsatz derartiger Reflektoren in kleinen, kompakten Messanordnungen ausschließt.
Für eine Konzentrationsmessung von Gasbestandteilen eines Gasstroms sind unterschiedliche Messverfahren bekannt. Zur Messung der Konzentration von Gasbestandteilen des Atemstromes eines Patienten kommt etwa das so genannte medizinische Verfahren der Kapnometrie zum Einsatz, bei dem der Kohlenstoffdioxidgehalt der Ausatemluft eines Patienten gemessen und überwacht wird. Anhand der Kohlenstoffdioxidkonzentration der Ausatemluft lässt sich die Beatmung vergleichsweise gut an die Bedürfnisse eines Patienten anpassen. Im Weiteren ist frühzeitig zu erkennen, ob ein Endotrachealtubus ordnungsgemäß liegt und ob die Stoffwechsellage des Patienten stimmt.
Für derartige Konzentrationsmessungen von Gasbestandteilen im Atemgasstrom wird vielfach das Hauptstromverfahren eingesetzt, bei dem Atemgas durch ein Messvolumen im Innenraum einer zwischen dem Respirationstrakt eines Patienten und einer Beatmungsvorrichtung angeordneten Messgasküvette geleitet wird. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 195 20 488 C1 ein durchstrahlendes Infrarotmessverfahren bekannt, bei dem mithilfe eines Infrarotstrahlungsdetektors die konzentrationsabhängige Absorption der von einer Infrarotstrahlungsquelle ausgehenden Infrarotstrahlung für CO₂ charakteristische Wellenlänge nach Durchquerung des Messvolumens erfasst wird. Auf der Grundlage des erzeugten Messsignals wird so die Kohlenstoffdioxidkonzentration im Atemgasstrom gemessen. Das Messvolumen der Messgasküvette wird von zwei auf gegenüberliegen Seiten des Strömungskanals angeordneten Fenstern begrenzt, durch die Infrarotstrahlung in das vom Atemgas durchströmte Messvolumen ein- und austritt.
Eine derartige Messgasküvette wird etwa in der DE 10 2006 052 99 9B4 beschrieben. Die Messgasküvette verfügt über einen dünnwandig ausgebildeten mittleren Teil, in dem gegenüberliegend des Messvolumens für die Messstrahlung transparente Fenster angeordnet sind. Ferner verfügt die Messgasküvette über zwei Anschlussstücke, von denen eines zur Verbindung mit einem zu dem Patienten führenden Atemschlauch und das andere zur Verbindung mit einem zu einer Beatmungsvorrichtung führenden Atemschlauch ausgebildet ist. Die beschriebene Messgasküvette lässt sich mit einem Gassensor verbinden, der eine Strahlungsquelle, eine Optikeinheit zur Lenkung und Formung der emittierten Strahlung sowie eine Detektoreinheit zur Erzeugung eines konzentrationsspezifischen Messsignals aufweist.
Im Weiteren ist aus der DE 10 2006 038 365 B3 eine weitere Messvorrichtung zur Konzentrationsbestimmung von Zielgasen im Wege einer Strahlungsabsorptionsmessung bekannt. Die Messvorrichtung verfügt wiederum über eine Strahlungsquelle, eine Optikeinheit zur Formung und Lenkung der emittierten Strahlung durch ein Messvolumen sowie eine Detektoreinheit, die auf der unter Berücksichtigung der nach Durchquerung des Messvolumens auftreffenden Strahlung ein konzentrationsspezifisches Messignal erzeugt. Wesentlich für die beschriebene technische Lösung ist, dass die Optikeinheit wenigstens einen Reflektor zur Formung und oder Lenkung des für die Messung benötigten Strahls aufweist, der eine paraboloide oder ellipsoide Krümmung aufweist.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Messanordnung zur Konzentrationsbestimmung von Gasen in einem Gasstrom anzugeben, die über eine vergleichsweise kompakte Bauform mit geringer Größe verfügt. Im Vergleich zu den bekannten Messanordnungen soll die anzugebende technische Lösung insbesondere über eine leichte und kostengünstig herzustellende Optikeinheit für einen Gassensor, mit dem eine Strahlungsabsorptionsmessung durchgeführt wird, verfügen. Gleichzeitig sollte die Messanordnung derart ausgebildet sein, dass eine hohe Transfereffizienz bei der Strahlformung, vor allem auch bei Einsatz von Infrarotoberflächenemittern, erzielbar ist. Für den mit der Erfindung angestrebten Erfolg ist von Bedeutung, dass die Messanordnung nur über ein geringes Gewicht verfügt, deren Platzbedarf klein ist, die Herstellkosten möglichst gering sind und dennoch eine zuverlässige, robuste und genaue Erfassung der Konzentration eines Gases in einem Gasstrom möglich ist. Insbesondere sollte eine erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung für den Einsatz im Bereich der Medizintechnik und hier bevorzugt zur Erfassung der Kohlenstoffdioxidkonzentration im Atemgasstrom eines Patienten geeignet sein. Ferner ist wichtig, dass sich die erfindungsgemäße Lösung in die Sendeeinheit und/oder die Empfängereinheit einer Messanordnung zur Durchführung einer Konzentrationsmessung in einem Gasstrom unter Einsatz einer Strahlungsabsorptionsmessung integrieren lässt.
Die vorgenannte Aufgabe wird mit einer Messanordnung gemäß Anspruch 1 sowie einem Gassensor nach Anspruch 15 gelöst. Ferner ist im Anspruch 16 ein erfindungsgemäß ausgeführtes Patientenüberwachungssystem angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases, die wenigstens bereichsweise von einem Gehäuse umgeben ist. In diesem Zusammenhang wird unter einem Gehäuse gemäß der Erfindung ein zumindest teilweise die Messanordnung aufnehmendes Element, etwa in Form eines eine Grundstruktur aufweisenden tragenden Elements und/oder eine die Messanordnung wenigstens teilweise umgebende Einhausung verstanden. Die Messanordnung verfügt über eine Strahlenquelle zur Emission von Strahlung, über wenigstens eine Detektoreinheit zum Empfang wenigstens eines Teils der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung, die in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auftreffenden Strahlung ein Messsignal erzeugt, über ein Messvolumen, das zwischen der Strahlenquelle und der Detektoreinheit angeordnet ist und durch das wenigstens zeitweise das zu vermessende Gas leitbar ist, und über eine Optikeinheit zur Formung und/oder Lenkung zumindest eines Teils der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung. Die erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Optikeinheit wenigstens einen auftreffende Strahlung reflektierenden Reflektor aufweist, der in Bezug auf eine Hauptstrahlachse der auftreffenden oder reflektierten, zumindest nahezu parallelisierten Strahlung als Off-Axis-Reflektor ausgeführt ist und der über ein wenigstens teilweise einen Kunststoff aufweisendes Strukturelement verfügt, das auf einer der Strahlung zugewandten Oberfläche wenigstens bereichsweise eine Metallbeschichtung aufweist.
Erfindungsgemäß wird somit ein spezieller Reflektor, nämlich ein Off-Axis-Reflektor verwendet, der eine geeignete Kombination von reflektierender Strahlumlenkung und Strahlformung ermöglicht. Hierbei wird die auftreffende Strahlung über einen maximalen Bereich in die gewünschte Richtung gelenkt, da jeder Strahl, der die Oberfläche des Reflektors trifft, entsprechend umgelenkt wird. Im Gegensatz zu rotationssymmetrisch ausgebildeten on-axis-Reflektoren liegt bei dem erfindungsgemäß verwendeten Off-Axis-Reflektor der Brennpunkt nicht auf der Hauptstrahlachse der parallelisierten, abgestrahlten oder auftreffenden Strahlung, sodass Abschattungseffekte, wie sie von rotationssymmetrischen on-axis-Reflektoren bekannt sind, vermieden werden. Durch den Einsatz eines Off-Axis-Reflektors in der Optikeinheit einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung wird eine vergleichsweise hohe Transfereffizienz, also ein hoher Wert für das Verhältnis von auftreffender zu abgegebener Strahlung, erreicht. Von besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Einsatz eines Off-Axis-Reflektors, da dieser Reflektor kompakt gestaltet werden kann und auch zur Strahlformung und Strahllenkung der von Infrarotoberflächenemittern ausgesendeten Strahlung geeignet ist. Eine besonders kompakte, leichte und dennoch kostengünstige Herstellung wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass der verwendete Off-Axis-Reflektor ein wenigstens teilweise aus Kunststoff hergestelltes Struktur- oder Basiselement aufweist, das eine tragende Funktion innehat und wenigstens bereichsweise auf einer für die Strahllenkung bzw. Reflexion vorgesehenen Oberfläche mit einer Metallbeschichtung versehen ist. Aufgrund der bedarfsgerecht erzeugten Form des Strukturelements einerseits und der Metallbeschichtung andererseits wird auftreffende Strahlung mit hoher Transfereffizienz in die gewünschte Richtung umgelenkt. Die Verwendung eines Kunststoffes für das Strukturelement bietet im Weiteren die Möglichkeit, einen Off-Axis-Reflektor kostengünstig und gleichzeitig besonders bedarfsgerecht, mit sehr spezifischen Geometrien auszuformen.
Für den Off-Axis-Reflektor bieten sich insbesondere Metallbeschichtungen, die Aluminium-, Silber und/oder Gold enthalten, an, wobei die entsprechenden Beschichtungen gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wenigstens eine Schutzschicht aufweisen.
Die Form der Oberfläche, die der auftreffenden Strahlung zugewandt ist, wird in Abhängigkeit des jeweiligen Anwendungsfalles gestaltet. Wesentlich ist jeweils, dass die Krümmung der Oberfläche zumindest bereichsweise unterschiedlich ist, wobei die Reflektoroberfläche bevorzugt zumindest teilweise in Form eines asymmetrischen Segments eines Paraboloids und/oder Ellipsoids ausgebildet ist. Sofern die geometrische Form der Reflektoroberfläche eines Off-Axis-Reflektors zumindest teilweise einem Segment eines Paraboloids und/oder Ellipsoids entspricht, befindet sich der Brennpunkt des Reflektors jeweils außerhalb der Hauptstrahlachse der sich zumindest nahezu parallel fortpflanzenden, auftreffenden oder reflektierten Strahlung, wodurch ein zumindest nahezu vollständigen Fokusbereich des Reflektors realisiert wird. Auf vorteilhafte Weise wird die Strahlungsquelle und/oder die Detektoreinheit einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung im oder zumindest in der Nähe des Brennpunktes eines derart gestalteten Off-Axis-Reflektors angeordnet, sodass Abschattungsprobleme zumindest weitgehend ausgeschlossen werden.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Off-Axis-Reflektor der Optikeinheit mit dem Gehäuse, das die Messanordnung wenigstens teilweise umgibt, verbunden ist. Eine derartige Verbindung kann mittelbar oder unmittelbar mithilfe geeigneter Verbindungselemente, bevorzugt mit werkzeugfrei lösbaren Verbindungselementen, die etwa Rastelemente mit bewegbar angeordneten Rastnasen aufweisen, welche in eine geeignete Gegenkontur eingreifen, hergestellt werden. Selbstverständlich ist es grundsätzlich auch denkbar, andere Verbindungselemente, wie etwa Schrauben zu verwenden, allerdings bietet sich im Hinblick auf eine vorteilhafte Herstellung die Verwendung von werkzeugfrei lösbaren Befestigungselementen, die sich während der Montage leicht zusammenfügen lassen, an. Gemäß einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gehäuse der Messanordnung sowie der Off-Axis-Reflektor, insbesondere dessen Strukturelement, einstückig ausgeführt sind. In diesem Zusammenhang ist es grundsätzlich denkbar, dass das Gehäuse mit einem geeignet ausgeformten Strukturelement in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, beispielsweise durch Spritzgießen oder einen 3D-Druckvorgang hergestellt wird. Die im Betrieb der Strahlung zugewandte Reflektoroberfläche wird anschließend mit einer bedarfsgerecht gewählten Metallbeschichtung, die vorzugsweise durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht wird, versehen.
In einer ganz speziellen Ausführungsform der Erfindung ist der Off-Axis-Reflektor derart ausgeführt, dass zumindest ein Teil der auftreffenden Strahlung um einen Winkel von zumindest nahezu 90° umgelenkt wird. Auch wenn es generell denkbar ist, Reflektoren, mit denen ein geringerer oder ein größerer Umlenkwinkel realisiert wird, zu verwenden, bietet sich ein Umlenkwinkel von zumindest nahezu 90° an, um die von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung in Richtung auf ein Messvolumen umzulenken und/oder die aus dem Messvolumen austretende Strahlung zumindest teilweise auf eine Detektoreinheit zu lenken, da durch eine derart gewählte Führung des Strahlengangs eine besonders kompakte Optikeinheit realisiert werden kann.
Eine ganz besondere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Off-Axis-Reflektor Teil einer in Fortpflanzungsrichtung der Strahlung vor dem Messvolumen angeordneten Sendereinheit zur Emission und zur Formung und/oder Lenkung der Strahlung und oder einer in Fortpflanzungsrichtung der Strahlung hinter dem Messvolumen angeordneten Empfängereinheit zum Empfang und zur Formung und/oder Lenkung zumindest eines Teils der aus dem Messvolumen austretenden Strahlung ist. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung stellt eine Optikeinheit mit einem erfindungsgemäß vorgesehenen Off-Axis-Reflektor somit den Teil einer Sender- und/oder einer Empfängereinheit dar, wobei ausgehend von der Sendereinheit Strahlung in das Messvolumen eingestrahlt und ausgehend von dem Messvolumen in die Empfängereinheit eingestrahlt wird. In Abhängigkeit der Bauform eines Gassensors ist es denkbar, die Sendereinheit und die Empfängereinheit in eine Baueinheit zu integrieren, wobei in diesem Fall die Sender- und die Empfängereinheit auf der gleichen Seite des bevorzugt wenigstens in zwei Richtungen durchstrahlten Messvolumens angeordnet sind. Werden Sender- und Empfängereinheit zumindest teilweise als vorgruppierbare Einheit ausgeführt, bietet dies bei der Komplettierung bzw. Montage einer Messanordnung den Vorteil, dass die jeweiligen Einheiten als Module, etwa ein Sendermodul mit einer Optikeinheit zur Lenkung der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung in Richtung auf das Messvolumen sowie ein Empfängermodul mit einer Optikeinheit zur Lenkung der vom Messvolumen ausgestrahlten Strahlung in Richtung auf die Detektoreinheit, vergleichsweise einfach zusammengefügt werden können. Von Vorteil ist es hierbei, wenn an den einzelnen Modulen wiederum geeignete Befestigungselemente vorgesehen sind, die in entsprechend ausgeführte Befestigungskonturen eingebracht und mit diesen bevorzugt werkzeugfrei lösbar zu verbinden sind.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Off-Axis-Reflektor der Optikeinheit und der Detektoreinheit wenigstens ein Bandpassfilter und/oder ein Strahlteiler angeordnet. Wesentlich an dieser technischen Lösung ist, dass in Abhängigkeit der Wellenlänge nur ein ausgewählter Teil der auftreffenden Strahlung in einer Vorzugsrichtung das jeweils vorgesehene Filterelement passieren kann. Ganz besonders bevorzugt wird ein Strahlteiler verwendet, wobei die vom Off-Axis-Reflektor ausgehende, auf den Strahlteiler auftreffende Strahlung in wenigstens zwei Strahlungsteile, deren Strahlung verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweisen, aufgeteilt und die Strahlungsteile auf unterschiedliche Detektoren der Detektoreinheit geleitet werden. Vorzugsweise ist der Strahlungsteile derart ausgeführt und angeordnet, dass sich die Strahlungsteile ausgehend vom Strahlungsteiler in Richtungen fortpflanzen, die einen Winkel von zumindest nahezu 90° einschließen.
Mit Hilfe wenigstens eines geeignet gewählten Strahlteilers ist es somit möglich, Strahlungsabsorptionsmessungen in Bezug auf unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche durchzuführen, sodass beispielsweise bei Verwendung von zwei Detektoren wenigstens Konzentrationen von wenigstens zwei Gasen in dem zu vermessenden Gasstrom, etwa einem Atemgasstrom eines Patienten, erfassbar sind. Ebenso ist es denkbar, mithilfe einer derart ausgeführt Messanordnungen Plausibilitätsprüfung in Bezug auf die erhaltenen Messwerte durchzuführen und/oder zumindest eine Messgenauigkeit zu ermitteln.
Eine spezielle Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Bandpassfilter und/oder der Strahlteiler mit dem Gehäuse verbunden ist. Denkbar ist eine mittelbare oder unmittelbare Verbindung wiederum mithilfe geeigneter Befestigungselemente, die eine werkzeugfrei lösbare Verbindung eines Strahlteilers und/oder eines Bandpassfilters mit dem Gehäuse ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist besonders bevorzugt ein Halter vorgesehen, der den Bandpassfilter und/oder der Strahlteiler aufnimmt und der mittels geeigneter Befestigungselemente, insbesondere in Form von Rastelementen, am Gehäuse zu befestigen ist. Alternativ ist vorgesehen, dass der Bandpassfilter und/oder der Strahlteiler einteilig mit dem Gehäuse ausgeführt ist.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird wenigstens ein Strahlteiler verwendet, der als dichroitischer Spiegel ausgeführt ist. Sofern dieser Spiegel in einen Winkel von 45° zur Hauptstrahlachse angeordnet wird, ist es auf vorteilhafte Weise möglich, zumindest zwei Detektoren vorzusehen, auf die jeweils ein Strahlungsteil der auf den dichroitischen Spiegel auftreffenden Strahlung gelenkt wird, wobei die Detektoroberflächen der Detektoren in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Als Strahlenquelle wird bevorzugt eine Strahlenquelle, die Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittiert, verwendet. Bevorzugt handelte sich hierbei um einen MEMS-Flächenstrahler oder eine IR-LED. Erfindungsgemäß ermöglicht der Einsatz eines Off-Axis-Reflektors den Einsatz eines Flächenstrahlers, da aufgrund der effektiven Strahllenkung und Strahlumformung zumindest nahezu alle Strahlen der emittierten Strahlung in die gewünschte Richtung umgelenkt werden, sodass die Transfereffizienz vergleichsweise hoch ist.
Gemäß einer weiteren speziellen Weiterbildung der Erfindung ist es denkbar, dass die Strahlenquelle und/oder die Detektoreinheit wenigstens teilweise auf einem Trägerelement, insbesondere einem Elektronikmodul, angeordnet ist, das werkzeugfrei lösbar derart in wenigstens eine Aufnahme des Gehäuses einlegbar ist, dass die Strahlenquelle und/oder die Detektoreinheit betriebsfertig zur Optikeinheit ausgerichtet ist. Vorzugsweise handelt es sich einem derartigen Bauelement um eine Leiterplatte, die eine aufgebrachte, insbesondere aufgedruckte Schaltung, aufweist, wobei die Strahlenquelle, die Detektoreinheit, wenigstens ein Elektronikbauteil, eine Leiterbahn und/oder eine Signal- oder Datenstrecke auf oder in der Leiterplatte angeordnet sind. Im Weiteren ist es von Vorteil, wenn die Aufnahme wenigstens einen Anschlag und/oder ein Rastelement, vorzugsweise mit Rastnase, aufweist, über die das Bauelement, insbesondere die Leiterplatte, werkzeugfrei lösbar mit dem Gehäuse verbindbar und nach seiner Befestigung in seiner Position justiert ist. Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung verfügt das Elektronikmodul über wenigstens zwei getrennte Teilmodule, die in nicht montiertem Zustand relativ zueinander bewegbar sind und über wenigstens eine flexible Verbindung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise ist im Bereich der flexiblen Verbindung wenigstens ein Leiter zur Übertragung von elektrischer Energie, Daten und/oder eines Messignals vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt verfügt die flexible Verbindung über wenigstens eine Leiterbahn.
Im Weiteren ist es denkbar, dass die wenigstens zwei Teilmodule des Elektronikmoduls plattenförmig, insbesondere als Leiterplatten, ausgebildet sind und wenigstens ein Elektronikbauteil, eine Leiterbahn und/oder eine Signal- oder Datenstrecke auf oder in zumindest einem der plattenförmigen Teilmodule angeordnet ist. Ferner bevorzugt ist die Strahlenquelle und/oder die Detektoreinheit auf zumindest einem der Teilmodule angeordnet. Im Übrigen ist gemäß einer ganz speziellen Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens zwei flexibel miteinander verbundenen Teilmodule plattenförmig ausgebildet und zur Montage relativ zueinander klapp-, schwenk- und/oder faltbar sind.
Im Übrigen verfügt ein Gehäuse, bei dem es sich vorzugsweise um ein speziell ausgeformtes, die Messanordnung tragend aufnehmendes Grund- oder Basiselement, beispielweise ein U-förmiges Rahmenelement, oder um eine sonstige, die Messanordnung wenigstens bereichsweise umhüllende Einhausung handelt, über wenigstens eine Aufnahme für eine wenigstens teilweise das Messvolumen einschließende Messgasküvette. Gemäß dieser speziellen technischen Lösung wird das Messvolumen somit zumindest teilweise von einer Messgasküvette umschlossen, die sich bevorzugt werkzeugfrei lösbar mit dem Gehäuse verbinden lässt. Gemäß einer speziellen Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei einer derartigen Messgasküvette um ein Einwegbauteil, das nach Beendigung einer Messung, etwa nach Abschluss der Überwachung eines Patienten, ausgewechselt werden kann. Eine Kontamination des für die Messung verwendeten Gassensors sowie der darin befindlichen Messanordnung wird aufgrund des Einsatzes einer von dem zu vermessenden Gas durchströmten Messgasküvette, die strömungstechnisch vollständig von der Messanordnung entkoppelt ist, zuverlässig vermieden. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn der zu vermessende Gasstrom giftige, radioaktive Stoffe und/oder Viren oder Bakterien enthalten kann. Eine derartige Anordnung ist daher für die Durchführung von Konzentrationsmessungen im Atemgasstrom eines mit einer Beatmungsvorrichtung verbundenen Patienten besonders geeignet. Bei einem Patientenwechsel muss lediglich die jeweils bereits verwendete Messgasküvette ausgewechselt werden, während der Austausch des Gassensors sowie der darin befindlichen Messanordnung nicht erforderlich ist.
Auf vorteilhafte Weise ist die Optikeinheit derart ausgeführt, dass von der Strahlenquelle emittierte Strahlung durch ein Einlassfenster der Messgasküvette in die Messgasküvette und das darin befindliche Messvolumen eintritt und nach Durchqueren des Messvolumens aus einem Auslassfenster der Messgasküvette austritt. Vorzugsweise weist die Strahlung nach Austritt aus dem Auslassfenster eine Strahlungsintensität auf, deren Anteil wenigstens 40% der Strahlungsintensität der von der Strahlenquelle emittierten Strahlung beträgt. Eine derart hohe Intensität der Strahlung nach Durchqueren des Messvolumens wird vor allem aufgrund einer erfindungsgemäß ausgeführten Optikeinheit mit wenigstens einem Off-Axis-Reflektor und der hierdurch bewirkten, vergleichsweise hohen Transfereffizienz erreicht.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen Gassensor mit einer Messanordnung, die zumindest eines der zuvor beschriebenen technischen Merkmale aufweist, wobei der Gassensor zur Erfassung einer Kohlendioxidkonzentration in dem Atemgasstrom eines mit einer Beatmungsvorrichtung beatmeten Patienten geeignet ist. Bei dem Gassensor handelt es sich um eine gekapselte Baueinheit, in der die Messanordnung angeordnet ist und der auf vorteilhafte Weise mit einer Messgasküvette, die während des Betriebs vom Atemgasstrom des Patienten durchströmt wird, verbindbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der verwendeten Messgasküvette um ein Einwegbauteil, das nach Abschluss einer Messung, insbesondere der Beatmung eines Patienten, vom Gassensor entfernt und verworfen werden kann. Auf vorteilhafte Weise verfügt der Gassensor über einen Anschluss, über den eine Energieversorgung der Messanordnung und/oder ein drahtgebundener uni- oder bidirektionaler Datenaustausch zwischen der Messanordnung des Gassensors und einer zentralen Steuer- und/oder Auswerteeinheit, insbesondere der Auswerteeinheit eines Patientenüberwachungssystems, erfolgt. Alternativ ist es denkbar, dass eine Datenübertragung drahtlos erfolgt.
Im Übrigen betrifft die Erfindung auch ein Patientenüberwachungssystem mit einem Gassensor, der wie zuvor beschrieben ausgeführt ist, mit einer Datenverarbeitungseinheit zur Weiterleitung, Auswertung und/oder Verarbeitung wenigstens eines von dem Gassensor drahtgebunden oder drahtlos übertragenen Messsignals und mit einer Ausgabeeinheit zur Weiterleitung und/oder Ausgabe zumindest eines von der Auswerteeinheit unter Zugrundelegung des Messsignals erzeugten Ergebniswerts. Auf vorteilhafte Weise ist das Patientenüberwachungssystem Teil eines Patientenmonitorings, was wiederum bevorzugt an ein zentrales Überwachungssystem, beispielsweise das Überwachungssystem einer Intensivstation, über wenigstens eine geeignete Schnittstelle anbindbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von speziellen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1: Schematische Darstellung eines Gassensors mit erfindungsgemäß ausgeführter Messanordnung und Messgasküvette in einer Schnittansicht;
2: Explosionszeichnungen eines Gassensors mit erfindungsgemäß ausgeführter Messanordnung und Messgasküvette;
3: Schnittansicht durch einen Gassensor mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung;
4: Gassensor mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung zur Messung der Konzentration von Gasbestandteilen im Atemgasstrom eines Patienten;
5: Messgasküvette zum Einsatz in einem Gassensor zur Messung der Konzentration von Gasbestandteilen im Atemgasstrom eines Patienten;
6: Schnittdarstellung einer Sendereinheit mit Strahlenquelle und off-axis-Reflektor;
7: Schnittdarstellung einer Empfängereinheit mit off-axis-Reflektor, Strahlteiler und Detektoreinheit;
8: Darstellung eines Elektronikmoduls mit drei plattenförmig ausgebildeten Teilmodulen und daran befestigter Empfängereinheit.

1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht eine erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung 1 eines Gassensors, der mit einer ein Messvolumen 4 einschließenden Messgasküvette 16 verbunden ist. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform verfügt die Messanordnung 1 über ein diese zumindest teilweise umgebendes Gehäuse 9, das eine Aufnahme 15 für die Messgasküvette 16 aufweist. In dieser Aufnahme 15 kann eine Messgasküvette 16, bei der es sich bevorzugt um ein Einwegbauteil handelt, ohne Werkzeug derart befestigt werden, dass diese sicher und relativ zur Messanordnung 1 betriebsfertig justiert angeordnet ist. Die Messgasküvette 16 wird während des Betriebs von einem Gasstrom, beispielsweise einem Atemgasstrom, mit dem zu vermessenden Gas durchströmt und schließt im Inneren das Messvolumen 4 ein.
Das Messvolumen 4 der Messgasküvette 16 wird zu beiden Seiten jeweils von einem Fenster 17, 18 begrenzt, durch das die für die Messung benötigte Strahlung in das Messvolumen 4 eintritt und nach Durchquerung des Messvolumens 4 wieder austritt. Somit verfügt die Messgasküvette 16 über ein einer Sendereinheit 7 der Messanordnung 1 zugewandtes Einlassfenster 17 und über ein einer Empfängereinheit 8 der Messanordnung 1 zugewandtes Auslassfenster 18. Die Messgasküvette 16 mit dem Messvolumen 4 ist somit zwischen einer Sendereinheit 7 und einer Empfängereinheit 8 der Messanordnung 1 angeordnet.
Die Messanordnung 1 verfügt über eine als IR-LED, also als LED, die Strahlung im Infrarot-Wellenlängenbereich emittiert, ausgeführte Strahlenquelle 2. Die von der Strahlenquelle 2 emittierte Strahlung trifft während der Durchführung einer Messung auf eine Optikeinheit 5, durch die die emittierte Strahlung zunächst durch das Messvolumen 4 und schließlich auf eine Detektoreinheit 3 der Empfängereinheit 8 geleitet wird. Zwischen der Strahlenquelle 2 und dem Messvolumen ist ein Off-Axis-Reflektor 6 angeordnet, auf dessen Reflektoroberfläche 11 von der Strahlenquelle 2 emittierte IR-Strahlung auftrifft und durch den diese Strahlung um zumindest nahezu 90° in Richtung auf das innerhalb der Messgasküvette 16 angeordnete Messvolumen 4 umgelenkt wird. Der Vorteil in der Verwendung eines Off-Axis-Reflektors 6 besteht darin, dass durch diesen eine besonders effektive Strahlumlenkung um 90° sowie eine Strahlformung kombiniert werden, wobei zumindest nahezu jeder Strahl der von der Strahlenquelle 2 emittierten Strahlung auf die Reflektoroberfläche 11 auftrifft und von hier in Richtung auf das Messvolumen 4 umgelenkt wird.
Der in 1 dargestellte Off-Axis-Reflektor 6 verfügt über ein aus einem Kunststoff hergestelltes Strukturelement 10, das gemäß der gezeigten Ausführungsform einteilig mit dem Gehäuse 9 ausgebildet ist und die für die Messung benötigte Form aufweist. Die der von der Strahlenquelle 2 emittierten Strahlung zugewandte Oberfläche 11 des Off-Axis-Reflektors ist mit einer Metallschicht versehen, die die auftreffende Strahlung reflektiert. Von dem Off-Axis-Reflektor 6 ausgehende Strahlung wird durch das Einlassfenster 17 der Messgasküvette 16 in das im Inneren der Messgasküvette 16 befindliche Messvolumen 4 gelenkt und tritt daraufhin durch das die Messgasküvette 15 durchströmende und zu vermessende Gas, hier einen Atemgasstrom eines Patienten, hindurch. In Abhängigkeit der Zusammensetzung des zu vermessenden Gasstromes, in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel insbesondere in Abhängigkeit der Kohlenstoffdioxidkonzentration, wird ein Teil der Strahlung beim Durchqueren des Messvolumens 4 absorbiert. Die nicht im Messvolumen 4 absorbierte Strahlung tritt durch das Auslassfenster 18 aus der Messgasküvette 16 aus und trifft schließlich auf einen weiteren im Strahlengang in der Empfängereinheit 18 angeordneten auf Off-Axis-Reflektor. Gemäß der gezeigten Ausführungsform bewirkt auch der zweite Off-Axis-Reflektor der Optikeinheit 5 eine Strahlumlenkung um zumindest nahezu 90°. Die von diesem Reflektor 6 umgelenkte Strahlung trifft auf einen Strahlteiler 12 auf, der im Strahlengang in einem Winkel von 45° zur Hauptstrahlachse ausgerichtet ist. Ein erster Teil der Strahlung, die das Messvolumen durchquert hat, tritt durch den Strahlteiler 12, der als dichroitischer Spiegel ausgeführt ist, hindurch und gelangt auf einen ersten Detektor 3a der in der Empfängereinheit 18 vorgesehenen Detektoreinheit 3. In Abhängigkeit der auftreffenden Strahlung erzeugt die Detektoreinheit 3 ein Messsignal, das über eine drahtlose oder drahtgebundene Messdatenleitung an eine zentrale Auswerteeinheit 26 übertragen wird. Ein zweiter Teil der auf den Strahlteiler 12 auftreffenden Strahlung wird abermals um einen Winkel von 90° abgelenkt und trifft auf einen zweiten Detektor 3b der Detektoreinheit 3 auf. Die Aufteilung des vom Off-Axis-Reflektor 6 der Empfängereinheit 8 kommenden Strahlung erfolgt in Abhängigkeit der Wellenlänge der jeweiligen Strahlen. Auf den dem als Strahlteiler 12 eingesetzten dichroitischen Spiegel nachgeordneten zweiten Detektor 3b trifft somit Strahlung, die eine andere Wellenlänge aufweist, als jene Strahlung, die auf den ersten Detektor 3a der Detektoreinheit 3 auftrifft.
Wesentlich an dem in 1 dargestellten Off-Axis-Reflektor 6 der Optikeinheit 5 zur Strahlformung und Strahllenkung ist, dass die Hauptstrahlrichtung nicht entlang einer Rotationsachse des Spiegels verläuft bzw. der Brennpunkt sich nicht im Bereich der sich parallelisiert fortpflanzenden Strahlung befindet. Allerdings ist die Strahlenquelle 2 im Brennpunkt des Off-Axis-Reflektors 6 der Sendereinheit 7 angeordnet, sodass die von diesem emittierte Strahlung zumindest nahezu vollständig auf den Reflektor 6 auftrifft und von diesem um 90° in Richtung auf das Messvolumen 4 umgelenkt wird. Ebenso ist der Off-Axis-Reflektor 6 der Empfängereinheit 8 derart ausgeführt und angeordnet, dass die aus dem Messvolumen 4 austretende Strahlung zumindest nahezu vollständig auf den Reflektor auftrifft und von diesem auf den Strahlteiler 12 und dann verteilt auf die beiden Detektoren 3a, 3b der Detektoreinheit 3 gelenkt wird.
Sowohl die Strahlenquelle 2 als auch die beiden Detektoren 3a, 3b der Detektoreinheit 3 sind mit einem zentralen Trägerelement 13, das ein Elektronikmodul bildet, verbunden und auf diesem befestigt und derart kontaktiert, dass sowohl eine elektrische Verbindung für die Energieversorgung als auch eine Datenverbindung hergestellt ist. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform verfügt das Trägerelement 13 über drei bewegbar zueinander angeordnet Leiterplatinen 13a, 13, 13c, die über flexible Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Die drei zu einander bewegbar angeordneten Leiterplatten 13a, 13b, 13c des Trägerelementes 13 sind derart zu einander geschwenkt bzw. gefaltet, dass zwei der Leiterplatten 13a, 13b parallel zueinander zu liegen kommen, während die dritte Leiterplatte 13c um 90° gegenüber den ersten beiden Leiterplatten 13a, 13b geschwenkt angeordnet ist. Das Trägerelement 13 mit seinen drei Leiterplatten 13a, 13b, 13c ist über geeignete Aufnahmeelemente 14 mit dem Gehäuse 9 der Messanordnung 1 verbunden, sodass alle Komponenten, nämlich die Strahlenquelle 2, die Optikeinheit 5, die Messgasküvette 16 und die Detektoreinheit 3 in einer fest vorgegebenen Ausrichtung zueinander angeordnet sind. Nach erfolgter Montage der in 1 gezeigten Messanordnung müssen keine zusätzlichen Justierarbeiten vorgenommen werden, da sich sämtliche Komponenten bereits in der für den ordnungsgemäßen Betrieb erforderlichen Position und Ausrichtung befinden.
Die in 1 gezeigte Messanordnung 1 ist drahtlos oder drahtgebunden mit einer Auswerteeinheit 26 verbunden, die die von der Detektoreinheit 3 generierten Messsignale auswertet und über eine geeignete Ausgabeeinheit 27 Informationen über die Konzentration des jeweiligen Zielgases, das Teil des zu vermessenden Gases ist, ausgibt. Bevorzugt wird in die in 1 gezeigte Messanordnung 1 zur Messung der Kohlenstoffdioxidkonzentration im Atemgasstrom eines mit einer Beatmungsvorrichtung verbundenen Patienten verwendet. Der Atemgasstrom des Patienten durchströmt in diesem Fall die Messgasküvette 16, sodass der in dem vom Patienten ausgeatmeten Atemgasstrom enthaltene Kohlenstoffdioxidanteil mithilfe der in 1 gezeigten Messanordnung erfasst und ausgegeben werden kann.
2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Gassensors mit einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung 1. Die Messanordnung 1 verfügt wiederum über eine Sendereinheit 7 mit einer Strahlenquelle 2 und einem Off-Axis-Reflektor 6, der die von der Strahlenquelle 2 emittierte IR-Strahlung um 90° in Richtung auf ein Messvolumen 4 umlenkt. Auf der dem Messvolumen 4 in Richtung des Strahlengangs gegenüberliegenden Seite ist eine Empfängereinheit 8 mit einem Off-Axis-Reflektor 6 angeordnet, der die aus dem Messvolumen 4 austretende Strahlung ebenfalls um 90° in Richtung auf einen Strahlteiler 12 umlenkt. Ein erster Teil der auf den Strahlteiler 12 auftreffenden Strahlung durchquert diesen und trifft schließlich auf einen ersten Detektor 3a einer Detektoreinheit 3 auf, während ein zweiter Teil der auf den Strahlteiler 12 auftreffenden Strahlung um nahezu 90° umgelenkt und auf einen zweiten Detektor 3b der Detektoreinheit 3 auftrifft.
Wesentlich an der in der 2 gezeigten technischen Lösung ist, dass sowohl der Off-Axis-Reflektor 6 der Sendereinheit als auch der Empfängereinheit ein Strukturelement 10 aus Kunststoff aufweisen, wobei auf die Oberfläche 11, auf die während einer Messung Strahlung trifft, eine Metallbeschichtung aufgebracht ist. Die Strukturelemente 10 verfügen jeweils über Befestigungselemente 20, 21, hier in Form von bewegbaren Rastnasen, die zur Befestigung in eine entsprechende Gegenkontur eingeführt werden können. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Gegenkonturen zur Befestigung der beiden Reflektoren 6 in einem Gehäuse 9, das U-förmig ausgebildet ist, und das eine tragende Struktur für die Messanordnung 1 bildet. Mit diesem Gehäuse 9, das die Messanordnung 1 im montierten Zustand zumindest teilweise umgibt, werden sowohl die beiden Reflektoren 6, der Strahlteiler 12 und auch ein Trägerelement 13, an dem sowohl die Strahlenquelle 2 als auch die Detektoren 3a, 3b der Detektoreinheit 3 befestigt sind, befestigt. Durch die tragende Struktur des U-förmigen Gehäuses 9 der Messanordnung 1 mit den jeweils vorgesehenen Aufnahmen 14, 15 und Befestigungselementen wird sichergestellt, dass die Montage der einzelnen Komponenten vergleichsweise einfach und werkzeugfrei erfolgen kann und außerdem, dass die einzelnen Baueinheiten, nämlich die Reflektoren 6, der Strahlteiler 12 sowie die Detektoreinheit 3 und die Strahlenquelle 2 nach erfolgter Montage in korrekter Weise zueinander ausgerichtet sind, sodass dann eine Justierung nicht vorgenommen werden muss. Das Trägerelement 13, das die Strahlenquelle 2 und die Detektoreinheit 3 trägt, ist wiederum dreiteilig ausgeführt, wobei auch in diesem Fall drei in nicht montiertem Zustand bewegbar zueinander angeordnete Leiterplatten 13a, 13b, 13c vorgesehen sind, die über flexible Leiterbahnen derart miteinander verbunden sind, dass auch die auf den unterschiedlichen Leiterplatten 13a, 13b, 13c angeordneten Elemente elektrisch kontaktiert und an geeignete Datenverbindungen angeschlossen sind. Zur Montage der Messanordnung 1 werden zwei 13a, 13b der drei Leiterplatten 13a, 13b, 13c parallel zueinander angeordnet, während die dritte Leiterplatte 13c um einen Winkel von zumindest nahezu 90° relativ zu den ersten beiden Leiterplatten 13a, 13b umgeklappt wird. Die drei Leiterplatten 13a, 13b, 13c der Trägerplatte 13 werden wiederum über geeignete Aufnahmen 14 und Befestigungselement innerhalb des Gehäuses 9 fixiert, sodass die Strahlenquelle 2 und die Detektoren 3a, 3b der Detektoreinheit 3 betriebsfertig relativ zum Strahlengang der Optikeinheit 5 der Messanordnung 1 mit den beiden auf Off-Axis-Reflektoren 6 und dem Strahlenteiler 12 angeordnet sind.
Das die Messanordnung 1 wenigstens teilweise umgebende, u-förmig ausgebildete die Gehäuse 9, das die Komponenten der Messanordnung 1 tragend aufnimmt, verfügt zwischen den beiden Schenkeln 19 über eine Aufnahme 15, in der eine Messgasküvette 16 mit dem darin befindlichen Messvolumen 4 befestigt werden kann. Die Aufnahme 15 des Gehäuses 9 verfügt hierfür über geeignete Verbindungselemente 30 in Form von Anschlägen und Rastelementen, sodass eine Messgasküvette 16 werkzeugfrei lösbar innerhalb der Aufnahme 16 des Gehäuses 9 befestigt werden kann. Nach Befestigung der Messgasküvette 16 zwischen den beiden Schenkeln 19 des Gehäuses 9 ist wiederum sichergestellt, dass die von der Sendereinheit 7 ausgehende Strahlung in ein Einlassfenster 17 der Messgasküvette 16 eintritt und die aus einem Auslassfenster 18 der Messgasküvette 16 austretenden Strahlen ordnungsgemäß ausgerichtet in die Empfängereinheit 18 eintreten. Auch hier ist eine Justierung der Messgasküvette16 nach Befestigung am Gehäuse 9 nicht notwendig.
Ferner ist in 2 eine zusätzliche Einhausung 28 dargestellt, die die Messanordnung 1 gemeinsam mit dem Gehäuse 9 aufnimmt und in montiertem Zustand umgibt. Die Einhausung 28 schützt die Messanordnung 1 einerseits vor Schmutz und ermöglicht andererseits eine einfache und zuverlässige Reinigung und Desinfektion des so bereitgestellten Gassensors. Die Einhausung 28 des Gassensors verfügt über eine Zugangsöffnung 29, durch die die zur Kontaktierung der Messanordnung 1 erforderlichen Energieversorgungs- und Datenleitungen in das Innere zur Messanordnung 1 geführt werden können. Wie in 2 dargestellt, verfügt die Einhausung 28 über zwei Schalen 28a, 28b, die wiederum über geeignete Rastelemente einen Hohlraum einschließend miteinander verbunden werden können. Auch hierfür ist kein Werkzeug erforderlich.
3 zeigt noch einmal ergänzend eine Schnittdarstellung des in 2 in einer Explosionsdarstellung gezeigten Sensors in montiertem Zustand. Hierbei ist das die Messanordnung 1 zumindest teilweise umgebende Gehäuse 9 bereits innerhalb der Einhausung 28 fixiert und liegt an entsprechenden Aufnahmeelementen 22 an. Die übrigen Bauelemente der Messanordnung 1, nämlich das Trägerelement 13 mit den drei in nicht montiertem Zustand bewegbar zueinander angeordneten Leiterplatten 13a, 13b, 13c, die beiden auf Off-Axis-Reflektoren 6 sowie der Strahlteiler 12 befinden sich bereits montierter Position, wobei die jeweiligen Rastelemente 20, 21 der Reflektoren 6 in entsprechende Gegenkonturen des Gehäuses 9 eingerastet sind.
Der Strahlteiler 12 ist mittelbar über einen Halter 24 ebenfalls an dem die tragende Struktur für die Messanordnung bildenden Gehäuse 9 befestigt. Die Detektoren 3a, 3b der Detektoreinheit 3 sowie die Strahlenquelle 2 sind am Trägerelement 13 befestigt, wobei die Strahlenquelle 2 und der erste Detektor 3a an der zweiten Leiterplatte 13b und der zweite Detektor 3b der Detektoreinheit 3 an der um 90° gegenüber der zweiten Leiterplatte 13b geschwenkt angeordneten dritten Leiterplatte 13c befestigt ist.
Die Reflektoren 6 der Optikeinheit 5 sind beide wiederum als Off-Axis-Reflektoren 6 ausgeführt, wobei die von der Strahlenquelle 2 emittierte Strahlung auf den Off-Axis-Reflektor 6 der Sendereinheit 7 auftrifft und hier um zumindest nahezu 90° umgelenkt wird. Aus der Sendereinheit 7 tritt die umgelenkte Strahlung schließlich in den Bereich des Messvolumens 4 zwischen den Schenkeln 19 des Gehäuses 9 und der Einhausung 28 ein, wobei während des Betriebs eines Gassensors in diesem Bereich eine hier nicht dargestellte Messgasküvette 16 angeordnet ist.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens 4 befindet sich die Empfängereinheit 8, wobei die das Messvolumen 4 verlassende Strahlung wiederum auf einen Off-Axis-Reflektor 6 trifft und hier um 90° umgelenkt wird. Anschließend trifft die um 90° umgelenkte Strahlung auf den Strahlteiler 12 auf, sodass ein erster Teil der Strahlung, die das Messvolumen 4 vollständig durchquert hat, auch den Strahlteiler durchquert und auf einen ersten Detektor 3a der Detektoreinheit 3 auftrifft, während ein zweiter Teil dieser Strahlung wiederum um 90° umgelenkt wird und auf einen zweiten Detektor 3b der Detektoreinheit 3 auftrifft. Die Strahlteilung am Strahlteiler 12, hier einem dichroitischen Spiegel, erfolgt in Abhängigkeit der Wellenlänge der Strahlung.
In 4 ist ein Gassensor, in dessen Innenraum eine erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung 1 angeordnet isst, dargestellt. Die Messanordnung 1 ist von einer Einhausung 28, die über zwei Einhausungsschalen 28a, 28b verfügt, umgeben. Die Einhausungsschalen 28a, 28b sind mithilfe geeigneter Rastelemente am Außenumfang werkzeugfrei miteinander verbunden. Im Übrigen verfügt die Einhausung 28 über eine Zugangsöffnung 29, durch die Leitungen zur Kontaktierung der Messanordnung 1 für die Versorgung mit elektrischer Energie und für eine Datenübertragung hindurchgeführt werden können. Der in 4 gezeigte Gassensor weist im Inneren eine erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung 1 sowie eine diese umgebende Einhausung 28 auf. Die Einhausung 28 ist u-förmig gestaltet, sodass in dem zwischen den beiden Schenkeln gebildeten Zwischenraum eine Messgasküvette 16 angeordnet werden kann. Während einer Messung wird die Messgasküvette 16, die werkzeugfrei mit dem Gassensor verbindbar und von diesem lösbar ist, von einem Atemgasstrom eines Patienten, dessen Atemtätigkeit überwacht wird, durchströmt.
5 zeigt die für den in 4 dargestellten Gassensor verwendete Messgasküvette 16. Die Messgasküvette 16 verfügt über einen Einlass zur Verbindung der Messgasküvette mit einem Atemschlauch, der zum Patienten führt, sowie über einen Auslass, der mit einem zu einem Beatmungsgerät führenden Schlauch verbindbar ist. Im mittleren Teil der Messgasküvette 16 wird ein Messvolumen 4 umschlossen, das von einem Einlassfenster 17 und einem auf der gegenüberliegenden Seite des Messvolumens 4 angeordneten Auslassfenster 18 begrenzt wird. Ferner verfügt die Messgasküvette 16 über geeignete Befestigungselemente 25 in Form von Anschlägen und Rastelementen, die sowohl eine werkzeugfreie Befestigung der Messgasküvette 16 an einem Gassensor als auch deren werkzeugfreie Entfernung ermöglichen. Während einer Messung tritt Strahlung durch das Einlassfenster 17 in das Innere der Messgasküvette 16, insbesondere in das hier befindliche Messvolumen 4. Beim Durchstrahlen des Messvolumens 4 wird zumindest ein Teil der Strahlung in Abhängigkeit der Gaszusammensetzung absorbiert. Der nicht absorbierte Teil der Strahlung tritt nach Durchqueren des Messvolumens 4 durch das Auslassfenster 18 aus der Messgasküvette 16 aus.
In 6 ist eine Sendereinheit 7 einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung 1 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Die Sendereinheit 7 weist eine Strahlenquelle 2 auf, die in diesem Fall während des Betriebs die für die Messung erforderliche Infrarotstrahlung emittiert. Die von der Strahlenquelle 2 emittierte Strahlung trifft auf einen Off-Axis-Reflektor 6 auf, von dessen Reflektoroberfläche 11 die Strahlung um zumindest nahezu 90° umgelenkt wird. Wesentlich an dem in 6 gezeigten Bauteil ist, dass der Reflektor 6 über ein tragendes Strukturelement 10, das einen Kunststoff aufweist, verfügt, auf dessen der Strahlung zugewandten Reflektoroberfläche 11 eine metallischeren aufgebracht ist. Für eine derartige Metallisierung eignet sich in Abhängigkeit der verwendeten Strahlung und der durchzuführenden Messung Aluminium, Silber oder Gold. Durch die Verwendung von Kunststoff für das Strukturelement, das für den Reflektor 6 ein tragendes Element darstellt und bedarfsgerecht geformt ist, können schnell und unkompliziert unterschiedliche Formen hergestellt und diese anschließend, etwa durch Aufdampfen oder Aufsputtern, mit einer Metallschicht versehen werden. Auf diese Weise lässt sich vergleichsweise kostengünstig ein kompakter und leichter Off-Axis-Reflektor 6 herstellen, der dennoch über die benötigte Genauigkeit verfügt.
Im Weiteren zeigt 7 die Empfängereinheit 8 einer erfindungsgemäß ausgeführten Messanordnung 1 sowie einen Teil eines Trägerelements 13, an der die Empfängereinheit 8 befestigt ist, in einer Schnittansicht. Der in 7 gezeigte Off-Axis-Reflektor 6 der Empfängereinheit 8 verfügt wiederum über ein Strukturelement 10 aus Kunststoff, sodass bei dessen Herstellung die benötigte Kontur bedarfsgerecht und vergleichsweise einfach erzeugbar ist. Auf die im Betrieb der Strahlung zugewandten Oberfläche 11 ist eine Metallschicht aufgebracht, die eine effektive Reflexion der auf den Reflektor auftreffen Strahlung sicherstellt. Der Off-Axis-Reflektor 6 der Empfängereinheit 8, insbesondere dessen Strukturelement 10, verfügt über Rastelemente 20, die in hierfür vorgesehene Gegenkonturen im Trägerelement 13 zur Befestigung des Off-Axis-Reflektors 6 eingebracht sind. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an dem Strukturelement 10, das den Off-Axis-Reflektor trägt, ferner ein Strahlteiler 12 mittelbar über einen Halter 24 befestigt. Im Weiteren ist das Strukturelement 10 gemeinsam mit dem Strahlteiler 12 und dessen Halter 24 sowie der Detektoreinheit 3 an zwei um 90° zueinander geschwenkt angeordneten Leiterplatten 13b, 13c des Trägerelementes 13 befestigt. Die Rastelemente 20 des Strukturelementes 10 sind in Form von Federarmen Rastnasen an deren Ende ausgeführt, die in entsprechende Gegenkonturen in den Leiterplatten 13b, 13c eingreifen. Die Detektoreinheit 3 weist wiederum zwei Detektoren 3a, 3b auf, deren Detektoroberflächen in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind und auf die in Abhängigkeit der Wellenlänge der vom Reflektor reflektierten Strahlung jeweils entweder der den Strahlteiler 12 passierende Strahlungsanteil oder der vom Strahlungsteiler um 90° umgelenkte Strahlungsanteil auftrifft.
8 zeigt schließlich ein Trägerelement 13 für eine erfindungsgemäß ausgeführte Messanordnung 1 mit der daran befestigten Empfängereinheit 8. Das Trägerelement 13 verfügt über drei Leiterplatten 13a, 13b, 13c, die über flexible Leiterbahnen miteinander verbunden und in nicht montiertem Zustand relativ zueinander bewegbar sind. Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Leiterplatten 13a, 13b des Trägerelementes 13 parallel zueinander angeordnet, wobei diese unterschiedliche Elektronikbauteile, Leiterbahnen sowie Datenleitungen sowie die zweite, hier die untere Leiterplatte 13b die Strahlenquelle 2 und einen Detektor 3a tragen. Um 90° zu den beiden parallel angeordneten Leiterplatten 13a, 13b geschwenkt ist eine dritte Leiterplatte 13c vorgesehen, die einen zweiten Detektor 3b der Detektoreinheit 3 trägt. Das Strukturelement 10 mit einem Off-Axis-Reflektor sowie mit einem mittelbar über einen Halter 24 daran befestigten Strahlteiler 12 ist wiederum über Rastelemente 20, die in Form von Federarmen, an deren Enden Rastnasen vorgesehen sind, an dem Trägerelement 13 befestigt. Die Rastelemente 20 greifen in der in 8 gezeigten montierten Stellung teilweise in Gegenkonturen der zweiten Leiterplatte 13b und teilweise in Gegenkonturen der um 90° hierzu geschwenkten dritten Leiterplatte 13c ein.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Strahlenquelle
3: Detektoreinheit
3a: erster Detektor
3b: zweiter Detektor
4: Messvolumen
5: Optikeinheit
6: Off-Axis-Reflektor
7: Sendereinheit
8: Empfängereinheit
9: Gehäuse
10: Strukturelement
11: Reflektoroberfläche
12: Strahlteiler
13: Trägerelement
13a: erste Leiterplatte
13b: zweite Leiterplatte
13c: dritte Leiterplatte
14: Aufnahme für Trägerelement
15: Aufnahme für Messgasküvette
16: Messgasküvette
17: Einlassfenster
18: Auslassfenster
19: Schenkel des Gehäuses
20: Rastelemente der Empfängereinheit
21: Rastelemente der Sendereinheit
22: Fixierelemente an der Einhausung
23: Ausnehmungen im Gehäuse
24: Halter für Strahlteiler
25: Befestigungselemente an Messgasküvette
26: Auswerteeinheit
27: Ausgabeeinheit
28: Einhausung
28a: erste Einhausungsteil
28b: zweites Einhausungsteil
29: Zugangsöffnung
30: Verbindungselemente am Gehäuse für Messgasküvette

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19520488 C1 [0006]
DE 102006052999 B4 [0007]
DE 102006038365 B3 [0008]

Claims

Messanordnung (1) zur Bestimmung einer Eigenschaft eines zu vermessenden Gases, die wenigstens bereichsweise von einem Gehäuse (9) umgeben ist, mit einer Strahlenquelle (2) zur Emission von Strahlung, mit wenigstens einer Detektoreinheit (3) zum Empfang wenigstens eines Teils der von der Strahlenquelle (2) emittierten Strahlung, die in Abhängigkeit einer Eigenschaft der auftreffenden Strahlung ein Messsignal erzeugt, mit einem Messvolumen (4), das zwischen der Strahlenquelle (2) und der Detektoreinheit (3) angeordnet ist und durch das wenigstens zeitweise das zu vermessende Gas leitbar ist, und mit einer Optikeinheit (5) zur Formung und/oder Lenkung zumindest eines Teils der von der Strahlenquelle (2) emittierten Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (5) wenigstens einen in Bezug auf eine Hauptstrahlachse der Strahlung als Off-Axis-Reflektor ausgeführten Reflektor (6) aufweist, der über ein Strukturelement (10) aus Kunststoff verfügt, das auf einer der Strahlung zugewandten Oberfläche (11) wenigstens bereichsweise eine Metallbeschichtung aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Off-Axis-Reflektor (6) mit dem Gehäuse (9) verbunden ist.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Off-Axis-Reflektor (6) ausgeführt ist, um zumindest einen Teil der auftreffenden Strahlung um einen Winkel von zumindest nahezu 90° umzulenken.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Off-Axis-Reflektor (6) Teil einer in Fortpflanzungsrichtung der Strahlung vor dem Messvolumen (4) angeordneten Sendereinheit (7) zur Emission und zur Formung und/oder Lenkung der Strahlung und/oder einer in Fortpflanzungsrichtung der Strahlung hinter dem Messvolumen (4) angeordneten Empfängereinheit (8) zum Empfang und zur Formung und/oder Lenkung zumindest eines Teils der aus dem Messvolumen (4) austretenden Strahlung ist.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Off-Axis-Reflektor (6) und der Detektoreinheit (3) ein Bandpassfilter und/oder ein Strahlteiler (12) angeordnet ist.
Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter und/oder der Strahlteiler (12) mit dem Gehäuse (9) verbunden ist.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (3) einen ersten und einen zweiten Detektor (3a, 3b) aufweist und zwischen dem Off-Axis-Reflektor (6) und dem ersten und dem zweiten Detektor (3a, 3b) wenigstens ein Strahlteiler (12) angeordnet ist.
Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (12) als dichroitischer Spiegel ausgeführt ist.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (2) einen MEMS-Flächenstrahler oder eine IR-LED aufweist.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (2) und/oder die Detektoreinheit (3) wenigstens teilweise auf einem Trägerelement (13) angeordnet ist, das werkzeugfrei lösbar derart in wenigstens eine Aufnahme (14) des Gehäuses (9) einlegbar ist, dass die Strahlenquelle (2) und/oder die Detektoreinheit (3) betriebsfertig zur Optikeinheit (5) ausgerichtet ist.
Messanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (14) wenigstens ein Rastelement aufweist.
Messanordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) wenigstens eine Aufnahme (15) für eine wenigstens teilweise das Messvolumen (4) einschließende Messgasküvette (16) aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rastmittel zur werkzeugfrei lösbaren Befestigung der Messgasküvette (16) am Gehäuse (9) vorgesehen ist.
Messanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinheit (5) derart ausgeführt ist, dass von der Strahlenquelle (2) emittierte Strahlung durch ein Einlassfenster (17) der Messgasküvette (16) in die Messgasküvette (16) eintritt und nach Durchqueren der Messgasküvette (16) aus einem Auslassfenster (18) der Messgasküvette (16) austritt, wobei die Strahlung nach Austritt aus dem Auslassfenster (18) eine Strahlungsintensität aufweist, die wenigstens 40% der Strahlungsintensität der von der Strahlenquelle (2) emittierten Strahlung beträgt.
Gassensor zur Erfassung einer Kohlendioxidkonzentration in einem Atemgasstrom mit einer Messanordnung (1) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche.
Patientenüberwachungssystem mit einem Gassensor nach Anspruch 15, einer Datenverarbeitungseinheit zur Weiterleitung, Auswertung und/oder Verarbeitung wenigstens eines von dem Gassensor drahtgebunden oder drahtlos übertragenen Messsignals und mit einer Ausgabeeinheit zur Weiterleitung und/oder Ausgabe zumindest eines von der Auswerteeinheit unter Zugrundelegung des Messsignals erzeugten Ergebniswerts.