DE102021118119A1 - Photoakustischer Sensor mit Ersatzgas und Detektions-Verfahren unter Verwendung eines solchen Sensors - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Sensor (100), der ein vorgegebenes Zielgas in einem Bereich (Um) zu detektieren vermag, sowie ein Verfahren, welches unter Verwendung eines solchen Sensors (100) das Zielgas zu detektieren vermag. Eine Probenkammer (3) nimmt eine zu untersuchende Gasprobe (Gp) auf. Elektromagnetische Wellen (eW) von einer Strahlenquelle (1) durchdringen die Probenkammer (3) und eine Detektionskammer (4). Die Wellen lösen in der Detektionskammer (4) einen akustischen Effekt aus, den ein akustische Empfänger (7) misst. Der akustische Effekt korreliert mit der Konzentration des Zielgases in der Probenkammer (3). Die Detektionskammer (4) ist fluiddicht abgedichtet, frei von Zielgas und mit einem Ersatzgas (Eg) gefüllt. Die Transmission des Ersatzgases (Eg) weist in einem vorgegebenen Zielgas-Wellenlängen-Bereich einen ähnlichen spektralen Verlauf wie die Transmission des Zielgases auf.

Description

• Die Erfindung betrifft einen photoakustischen Sensor, der mindestens ein Zielgas in einem zu überwachenden Bereich zu detektieren vermag. Das oder mindestens ein Zielgas ist insbesondere ein Anästhesiemittel oder ein Lösungsmittel. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren, um unter Verwendung eines solchen photoakustischen Sensors das oder mindestens ein Zielgas zu detektieren.
• Verschiedene photoakustische Sensoren sind bekannt geworden.
• In DE 10 2012 217 479 B3 wird ein Gassensor 1 beschrieben, der die Konzentration eines Zielgases in einem Gasgemisch zu bestimmen vermag, im dortigen Ausführungsbeispiel die Konzentration eines Kohlenwasserstoffs, insbesondere von Methan. Ein Prüfgasvolumen 11 vermag eine Gasprobe mit dem Zielgas aufzunehmen. Ein fluiddichtes Referenzgasvolumen 12 mit einem Gehäuse 120 nimmt eine Mischung aus dem Zielgas und einem Puffergas auf. Das Puffergas verbessert die Ansprechgeschwindigkeit oder die Sensitivität oder die Genauigkeit des Gassensors 1. Beispielsweise hat das Puffergas eine Konzentration zwischen 1% und 20% an der Gasmischung und ist beispielsweise Schwefelhexafluorid (SF₆). Eine Strahlungsquelle 3 strahlt schmalbandige oder breitbandige elektromagnetische Strahlung 30 ab. Die Strahlung 30 durchdringt das Prüfgasvolumen 11 und das Referenzgasvolumen 12. Die Strahlung 30 löst im Referenzgasvolumen 12 einen akustischen Effekt aus, und ein Resonanzkörper 2 aus einem piezoelektrischen Material oder ein Mikroresonator 20 vermögen den akustischen Effekt zu messen.
• In einer Druckschrift des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik (IPM) mit dem Titel: „Miniaturisierte photoakustische Gasmesssysteme“, verfügbar unter https://www.ipm.fraunhofer.de/content/dam/ipm/de/PDFs/produktblaetter/GP/IS S/photoakustische-gas-messsysteme-m iniaturisiert. pdf, abgefragt am 18.05.2020, wird ein photoakustischer Sensor beschrieben, der die Konzentration von Kohlendioxid (CO2) in der Umgebungsluft misst. Ein thermischer Emitter strahlt modulierte elektromagnetische Wellen im Infrarotbereich in eine Messstrecke hinein. Die IR-Wellen durchdringen die Messstrecke und treffen auf eine Detektionskammer auf, welche ebenfalls mit Kohlendioxid und optional mit einer Beimischung von Edelgasen gefüllt ist. Ein Mikrofon an der Detektionskammer detektiert einen akustischen Effekt in Form von Druckschwankungen, welche durch die modulierten Wellen entstehen. Das Gas in der Detektionskammer absorbiert einen Teil der IR-Wellen. Die Absorption in der Messstrecke ist stärker und damit ein vom Mikrofon erzeugtes Signal schwächer, wenn die Umgebungsluft in der Messstrecke eine höhere Konzentration von CO2 aufweist.
• In H. Gehring: „Monitoring der Beatmung während der Anästhesie“, Volume 27: Refresher Course, Aktuelles Wissen für Anästhesisten, Deutsche Akademie für Anästhesiologische Fortbildung, 2001, S. 81-105, werden mit Bezug auf EN740 Anforderungen an einen Anästhesiearbeitsplatz aufgelistet. Im inspiratorisch zugeführten Gas, im Patientenanschluss oder im Y-Stück am Tubus ist die Anästhesiegas-Konzentration zu messen. Hierfür wird beispielsweise die photoakustische Spektroskopie verwendet. Infrarotlicht einer bestimmten Wellenlänge wird gepulst durch die Messkammer geschickt, wodurch ein „charakteristisches Gas“ angeregt wird. Die Absorption des Lichts bewirkt Temperaturveränderungen, diese eine Volumenzunahme, diese wiederum Druckschwankungen, die als Schallwellen erfasst und elektronisch verarbeitet werden. Hierdurch lassen sich Gase und Gaskonzentrationen messen. N2 kann mit erfasst werden.
• Ein photoakustischer Sensor wird auch in M. EI-Safoury: „Miniaturized photoacoustic detection of organofluorine-based refrigerants“, Journal of Sensors and Sensor Systems, Vol. 9, 05.03.2020, S. 89-97, beschrieben.
• In DE 10 2016 216 875 A1 werden eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, um einen photoakustischen Sensor in situ zu kalibrieren. Hierfür werden Kalibrierungsinformationen verwendet, die während des Betriebs des photoakustischen Sensors erhalten werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen photoakustischen Sensor und ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Zielgases unter Verwendung eines photoakustischen Sensors bereitzustellen, wobei der Sensor sich leichter als bekannte photoakustische Sensoren handhaben lässt.
• Die Aufgabe wird durch einen photoakustischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des photoakustischen Sensors sind, soweit sinnvoll, auch Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und umgekehrt.
• Der erfindungsgemäße photoakustische Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren vermögen mindestens ein Zielgas in einem zu überwachenden Bereich zu detektieren. Das oder mindestens ein zu detektierendes Zielgas ist in einer Anwendung ein Anästhesiemittel oder ein Lösungsmittel, und der zu überwachende Bereich ist insbesondere ein geschlossener Raum in einem Gebäude oder einem Fahrzeug. Bevorzugt vermögen der Sensor und das Verfahren die Konzentration mindestens eines Zielgases in dem Bereich wenigstens näherungsweise zu messen.
• Vorgegeben ist ein Zielgas-Wellenlängen-Bereich. Mindestens in diesem Zielgas-Wellenlängen-Bereich schwächt das oder mindestens ein, bevorzugt jedes zu detektierende Zielgas die Intensität von elektromagnetischen Wellen ab, welche das Zielgas durchdringen. Möglich ist, dass ein Zielgas auch außerhalb des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs elektromagnetische Wellen abschwächt.
• Der erfindungsgemäße photoakustische Sensor umfasst
• - eine Strahlungsquelle,
• - eine Probenkammer,
• - eine Detektionskammer und
• - einen akustischen Empfänger.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines solchen photoakustischen Sensors durchgeführt.
• Die Probenkammer steht in einer Fluidverbindung mit dem Bereich, der auf mindestens ein zu detektierendes Zielgas überwacht werden soll und in dem das Zielgas detektiert werden soll - oder für den ausgeschlossen werden soll, dass ein solches Zielgas vorhanden ist. Dank der Fluidverbindung kann eine Gasprobe aus dem zu überwachenden Bereich in die Probenkammer fließen. Die Probenkammer vermag diese Gasprobe aufzunehmen.
• Die Detektionskammer umfasst ein Gehäuse und einen Innenraum. Das Gehäuse umschließt fluiddicht den Innenraum. Dadurch ist der Innenraum fluiddicht gegen die Umgebung der Detektionskammer abgedichtet. „Fluiddicht“ bedeutet dicht für jedes Fluid, das bei einem Einsatz in der Umgebung des Sensors auftreten kann oder in der Detektionskammer enthalten ist, möglicherweise bis auf manchmal unvermeidliche Spalten im Gehäuse. Insbesondere kann ein Gasgemisch, welches das oder ein Zielgas enthält oder enthalten kann, nicht in die Detektionskammer gelangen. Daher kann auch praktisch kein Zielgas zusammen mit dem Gasgemisch in die Detektionskammer gelangen.
• Der Innenraum der Detektionskammer ist mit einem Ersatzgas gefüllt. Dieses Ersatzgas kann eine Mischung von verschiedenen Gasen sein. Trotzdem wird im Folgenden von „dem Ersatzgas“ gesprochen. Möglich ist, dass die Konzentration des Ersatzgases in der Detektionskammer gleich einer typischen oder mittleren oder mindestens zu detektierenden Konzentration eines zu detektierenden Zielgases in der Umgebung des Sensors ist. Weil die Detektionskammer fluiddicht abgedichtet ist, kann keine relevante Menge von Ersatzgas aus der Detektionskammer entweichen.
• Die Strahlungsquelle vermag elektromagnetische Wellen in Richtung der Probenkammer abzustrahlen. Der Wellenlängen-Bereich der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen umfasst den vorgegebenen Zielgas-Wellenlängen-Bereich. Der Sensor ist so ausgestaltet, dass abgestrahlte elektromagnetische Wellen die Probenkammer und die Detektionskammer durchdringen. Auf dem optischen Weg, den die elektromagnetischen Wellen zurücklegen, befindet sich die Probenkammer zwischen der Strahlungsquelle und der Detektionskammer. Natürlich ist es möglich, dass ein Teil der elektromagnetischen Wellen an der Probenkammer und / oder an der Detektionskammer vorbeifließt.
• Elektromagnetische Wellen, welche die Detektionskammer durchdringen, lösen in der Detektionskammer einen akustischen Effekt aus. Dieser ausgelöste akustische Effekt resultiert insbesondere daraus, dass die Absorption durch das Ersatzgas in der Detektionskammer die Strahlungsintensität der elektromagnetischen Wellen reduziert und die Absorption Wärmeenergie erzeugt, welche wiederum den akustischen Effekt in der Detektionskammer auslöst. Der akustische Effekt korreliert mit der Intensität der elektromagnetischen Wellen, welche die Detektionskammer durchdringen. In der Regel ist der akustische Effekt umso größer / stärker, je größer die Strahlungsintensität ist.
• Der akustische Empfänger vermag ein Maß für den akustischen Effekt zu messen, den die elektromagnetischen Wellen beim Durchdringen in der Detektionskammer auslösen. Beispielsweise misst der akustische Empfänger die Schallstärke und / oder die Schallintensität oder den Schalldruck von Schallwellen, welche durch den akustischen Effekt in der Detektionskammer erzeugt werden. Der akustische Empfänger vermag weiterhin ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt zu erzeugen. Bevorzugt ist der akustische Empfänger als ein Mikrofon ausgestaltet oder umfasst mindestens ein Mikrofon, optional mehrere voneinander beabstandete Mikrofone.
• Erfindungsgemäß ist die Detektionskammer frei von dem oder jedem zu detektierenden Zielgas. Die Detektionskammer ist vielmehr mit dem Ersatzgas gefüllt, welches den Innenraum der Detektionskammer ausfüllt. Mindestens bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10° C und 40° C weist das Ersatzgas folgende Eigenschaften auf:
• - Das Ersatzgas ist chemisch reaktionsträger als das oder jedes Zielgas, idealerweise chemisch inert.
• - Im Zielgas-Wellenlängen-Bereich schwächt das Ersatzgas elektromagnetische Wellen ähnlich ab wie das oder jedes zu detektierende Zielgas. Genauer gesagt: Im Zielgas-Wellenlängen-Bereich liegt die spektrale Überlappung zwischen dem oder mindestens einem, bevorzugt jedem Zielgas und dem Ersatzgas oberhalb von 0,2, bevorzugt oberhalb von 0,35, besonders bevorzugt oberhalb von 0,5.
• Unter der „spektralen Überlappung“ zwischen einem Zielgas und dem Ersatzgas wird ein Maß für die Übereinstimmung zwischen dem spektralen Verlauf der Transmission des Zielgases und dem spektralen Verlauf der Transmission des Ersatzgases im Zielgas-Wellenlängen-Bereich verstanden. Dieses Maß ist auf den Bereich zwischen 0 und 1 normiert, wobei das Maß umso größer ist, je größer die Übereinstimmung ist.
• Die Transmission (der Transmissionsgrad) eines Gases für elektromagnetische Wellen ist eine Zahl zwischen 0 und 1, die angibt, welcher Anteil der elektromagnetischen Wellen das Gas durchdringt - genauer gesagt: wie groß die Intensität der Wellen nach Durchdringen des Gases noch ist, verglichen mit der Intensität vor dem Durchdringen. Die Transmission bezieht sich auf definierte Einsatzbedingungen, insbesondere auf eine definierte Weglänge der elektromagnetischen Wellen durch das Gas von z.B. 1 cm und eine definierte Konzentration des Gases von z.B. 1 Volumenprozent. Falls das Gas überhaupt keine Wellen absorbiert, beträgt die Transmission 1. Falls das Gas Wellen vollständig absorbiert, beträgt die Transmission 0.
• Die Transmission variiert in der Regel mit der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen. Die Abhängigkeit der Transmission von der Wellenlänge wird als „spektraler Verlauf“ der Transmission des Gases bezeichnet. Je mehr der spektrale Verlauf der Transmission des Ersatzgases mit dem spektralen Verlauf der Transmission des Zielgases übereinstimmt, desto größer ist die spektrale Überlappung. Bei vollständig übereinstimmenden spektralen Verläufen (eine nur theoretische Situation) beträgt die spektrale Überlappung 1. Falls das Zielgas im gesamten Zielgas-Wellenlängen-Bereich eine Transmission von 0 und das Ersatzgas eine Transmission von 1 hätte (ebenfalls eine nur theoretische Situation), so würde die spektrale Überlappung 0 betragen. Weil das Zielgas die Intensität von elektromagnetischen Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich messbar abschwächt, reicht es aus, dass die spektrale Überlappung sich nur auf den Zielgas-Wellenlängen-Bereich bezieht.
• Die spektralen Verläufe außerhalb des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs beeinflussen die spektrale Überlappung nicht.
• Üblicherweise liegt die Umgebungstemperatur in einem geschlossenen Raum (Zimmertemperatur) in dem Temperaturbereich zwischen 10 °C und 40 °C. Gerade in einem geschlossenen Raum müssen häufig Zielgases, die für Menschen schädlich sein können, insbesondere Anästhesiemittel und / oder Lösungsmittel, detektiert werden. In der Regel hängt die spektrale Überlappung in einem vernachlässigbaren Ausmaß von der Umgebungstemperatur ab.
• Vorgegeben ist das oder jedes Zielgas, welches der photoakustische Sensor detektieren soll. Dadurch ist auch ein sinnvoller Zielgas-Wellenlängen-Bereich bekannt. Falls ein Zielgas mit einer Konzentration oberhalb einer Nachweisgrenze in der Probenkammer vorhanden ist, so schwächt dieses Zielgas die Intensität der elektromagnetischen Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ab, während die elektromagnetischen Wellen die Probenkammer durchdringen. Falls kein Zielgas mit einer Konzentration oberhalb der Nachweisgrenze vorhanden ist, so werden die Wellen weniger stark oder überhaupt nicht abgeschwächt. Dieser Unterschied wird bewirkt, weil die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen den Zielgas-Wellenlängen-Bereich umfassen.
• Eine hohe spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas und dem Ersatzgas ist vor allem aus folgendem Grund sinnvoll: Die gesamte Transmission beim Durchgang durch die Probenkammer und die Detektionskammer ist das Produkt der Transmission in der Probenkammer und der in der Detektionskammer. Falls die beiden Transmissionen annähernd gleich sind (hohe spektrale Überlappung), so lässt sich die Veränderung des akustischen Effekt, den das Zielgas bewirkt, mit besonders hoher Zuverlässigkeit messen. Das Zielgas lässt sich daher mit hoher Sicherheit detektieren. Dies wird weiter unten genauer erläutert
• Der akustische Effekt, den die elektromagnetischen Wellen beim Durchdringen in der Detektionskammer auszulösen, korreliert mit der Intensität dieser elektromagnetischen Wellen. Auf dem Strahlenweg, den die elektromagnetischen Wellen durchlaufen, liegt die Probenkammer zwischen der Strahlungsquelle und der Detektionskammer. Weil ein Zielgas in der Probenkammer die Intensität der elektromagnetischen Wellen verringert, wird der akustische Effekt in der Detektionskammer davon beeinflusst, ob Zielgas in dem Bereich und somit in der Probenkammer vorhanden ist oder nicht. Ist der ausgelöste akustische Effekt also signifikant kleiner als bei einem ReferenzZustand, bei dem kein Zielgas in der Probenkammer vorhanden ist, so ist ein Zielgas detektiert.
• In der Regel ist der ausgelöste akustische Effekt umso geringer, je größer die Konzentration des oder eines Zielgases in der Probenkammer ist. Somit korreliert das Maß für den akustischen Effekt mit der Konzentration des Zielgases in der Probenkammer, und zwar bevorzugt wie folgt: Je kleiner der akustische Effekt ist, desto größer ist die Konzentration des Zielgases.
• Das Ersatzgas, mit dem die Detektionskammer gefüllt ist, ist chemisch reaktionsträger als das oder jedes zu detektierende Zielgas. Insbesondere ist das Ersatzgas reaktionsträger in Bezug auf ein Material, das im Gehäuse der Detektionskammer oder in einem sonstigen Bestandteil des Sensors vorhanden ist.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines photoakustischen Sensors durchgeführt, der eine Strahlungsquelle, eine Probenkammer, eine Detektionskammer und einen akustischen Empfänger umfasst. Die Detektionskammer ist fluiddicht gegen die Umgebung abgedichtet, ist frei von dem oder jedem zu detektierenden Zielgas und nimmt ein Ersatzgas auf. Bevorzugt ist die Detektionskammer vollständig mit dem Ersatzgas gefüllt. Das Ersatzgas ist chemisch reaktionsträger als das oder jedes zu detektierende Zielgas und weist eine relativ hohe spektrale Überlappung mit den Zielgas auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Ein Zustand wird bewirkt, bei dem eine Gasprobe aus dem Bereich, der auf das Zielgas zu überwachen ist, in die Probenkammer des Sensors fließt.
• - Die Strahlungsquelle strahlt elektromagnetische Wellen in Richtung der Probenkammer ab.
• - Wenigstens ein Teil der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen durchdringt die Probenkammer und die Detektionskammer.
• - Beim Durchdringen der Detektionskammer lösen die elektromagnetischen Wellen in der Detektionskammer einen akustischen Effekt aus. Dieser akustische Effekt korreliert mit der Intensität der elektromagnetischen Wellen, welche die Detektionskammer durchdringen.
• - Der akustische Empfänger des Sensors misst ein Maß für den akustischen Effekt, den die elektromagnetischen Wellen in der Detektionskammer auslösen.
• - Der akustische Empfänger erzeugt ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt.
• Der erfindungsgemäße Sensor ist als ein photoakustischer Sensor ausgestaltet und umfasst einen akustischen Empfänger. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung eines solchen Sensors durchgeführt. In manchen Anwendungen hat ein photoakustischer Sensor mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Sensoren, welche ebenfalls die Konzentration eines Zielgases zu messen vermögen. Ein Vorteil ist der, dass die Funktion des photoakustischen Sensors weniger stark von der Reaktionsfähigkeit von Chemikalien abhängt als beispielsweise die Funktion eines elektrochemischen oder passiven chemischen Sensors. Der erfindungsgemäße Sensor enthält keine Chemikalie, die mit einem Zielgas chemisch reagiert und sich dabei verbraucht. Die Detektionskammer schirmt vielmehr das Ersatzgas gegen die Umgebung und damit gegen ein Zielgas ab. Der erfindungsgemäße Sensor ist weniger störanfällig gegen Querempfindlichkeiten auf Fremdgase. Die Gefahr ist sehr gering, dass eine Chemikalie aus dem Sensor austritt.
• Ein anderer Vorteil eines photoakustischen Sensors resultiert daraus, dass die Messempfindlichkeit eines Sensors, bei dem Licht eine Messtrecke durchdringt, wesentlich von der Länge der erzielten optischen Messstrecke abhängt. Daher muss eine ausreichend große optische Messstrecke erzielt werden, was entweder ein großes Gehäuse oder mindestens einen Spiegel erfordert. In vielen Anwendungen ist die durch einen photoakustischen Sensor erzielbare optische Strecke hingegen auch dann ausreichend lang, wenn überhaupt kein Spiegel oder nur weniger Spiegel als bei anderen Sensoren verwendet werden. Ein Spiegel kann verschmutzen und / oder korrodieren, außerdem kann Feuchtigkeit auf dem Spiegel kondensieren. Die Verschmutzung sowie die Korrosion und die Kondensation können Messergebnisse verfälschen. Daher ist ein photoakustischer Sensor oft länger in einer feuchten und / oder schmutzigen Umgebung einsetzbar als andere Sensoren mit einer Lichtquelle, insbesondere wenn der erfindungsgemäße Sensor keinen Spiegel aufweist.
• Der erfindungsgemäße Sensor umfasst einen akustischen Empfänger, optional mehrere akustische Empfänger. Nicht erforderlich ist, dass der Sensor einen photoelektrischen Empfänger umfasst, also einen Empfänger, der abhängig von der Intensität von auftreffenden Lichtstrahlen ein elektrisches Signal erzeugt. Die Messergebnisse eines photoelektrischen Empfängers könnten verfälscht werden, wenn störendes Licht auf den Empfänger fällt, beispielsweise wechselnde und / oder starke Umgebungsbeleuchtung. Diesen Nachteil vermeidet ein photoakustischer Sensor. Das Gehäuse der Detektionskammer schirmt in vielen Fällen den Innenraum der Detektionskammer akustisch von der Umgebung der Detektionskammer ab, sodass auch Umgebungsgeräusche in vielen Fällen Ergebnisse eines photoakustischen Sensors nicht relevant verfälschen.
• In manchen Anwendungen ist ein weiterer Vorteil, dass ein photoakustischer Sensor eine kürzere Ansprechzeit aufweist als ein anders ausgestalteter Sensor. Dieser Vorteil wird insbesondere deshalb erreicht, weil eine kompakte Messstrecke erzielt werden kann und kein Bestandteil des erfindungsgemäßen Sensors zunächst eine bestimmte Betriebstemperatur erreichen muss.
• Erfindungsgemäß ist die Detektionskammer fluiddicht gegen die Umgebung abgedichtet. Daher ist die Detektionskammer bis zu einem gewissen Grade vor Feuchtigkeit und sonstigen chemischen und thermischen Umgebungseinflüssen geschützt. Solche Umgebungseinflüsse können ebenfalls Ergebnisse des photoakustischen Sensors verfälschen.
• Außerdem kann kein Zielgas aus dem zu überwachenden Bereich oder aus der Probenkammer in die fluiddichte Detektionskammer gelangen. Insbesondere kann nicht ein Zielgas einen unerwünschten chemischen Effekt auf den akustischen Empfänger ausüben oder mit dem Ersatzgas chemisch reagieren.
• Das Ersatzgas entweicht nicht oder nur in einem vernachlässigbar kleinen Maße aus der fluiddichten Detektionskammer, sodass die Konzentration des Ersatzgases in der Detektionskammer über einen langen Zeitraum konstant bleibt. Der erfindungsgemäße photoakustische Sensor liefert daher reproduzierbare Ergebnisse, d.h. der hervorgerufene akustische Effekt ändert sich im Laufe der Zeit bei gleicher Konzentration eines Zielgases nicht wesentlich aufgrund einer möglichen Alterung des Sensors. Eine weiter unten beschriebene vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht es in vielen Fällen, eine dennoch mögliche Alterung bis zu einem gewissen Grad rechnerisch zu kompensieren, ohne die Alterung direkt messen zu müssen.
• Erfindungsgemäß ist die Detektionskammer frei von dem oder jedem zu detektierenden Zielgas. Viele zu detektierende Zielgase, insbesondere viele Anästhesiemittel und Lösungsmittel, sind chemisch aggressiv. Daher reagieren sie in vielen Fällen mit einem Material des Gehäuses der Detektionskammer oder eines sonstigen Bestandteils des photoakustischen Sensors. Damit die elektromagnetischen Wellen die Probenkammer und die Detektionskammer durchdringen können, ist häufig sowohl in ein Gehäuse der Probenkammer als auch in ein Gehäuse der Detektionskammer jeweils mindestens ein Fenster eingelassen, welches von einer Dichtung umgeben ist. Ein chemisch aggressives Zielgas kann in vielen Fällen diese Dichtung undicht werden lassen, sodass Detektionsergebnisse verfälscht werden können. Weil das Ersatzgas chemisch reaktionsträger ist, ist die Gefahr deutlich geringer, dass das Ersatzgas ein Material beschädigt.
• Weil erfindungsgemäß kein Zielgas in der Detektionskammer vorhanden ist, lässt sich in vielen Anwendungen ein erfindungsgemäßer photoakustischer Sensor leichter herstellen, lagern und handhaben und verändert sich im Laufe der Zeit weniger stark als ein photoakustischer Sensor, bei dem die Detektionskammer das oder ein Zielgas enthält. Dies gilt insbesondere für ein chemisch aggressives Zielgas.
• Außerdem verändern manche zu detektierende Zielgase ihren Zustand in signifikanter Weise abhängig von Umgebungsbedingungen, insbesondere von der Umgebungstemperatur, der Umgebungsfeuchtigkeit und / oder abhängig davon, ob elektromagnetische Wellen das Zielgas durchdringen oder nicht. Außerdem sind manche Zielgase chemisch instabil, sodass das spektrale Verhalten eines Zielgases in der Detektionskammer sich im Laufe der Zeit ändert. Weil der photoakustische Sensor in der Detektionskammer kein Zielgas aufweist, verändert sich das Absorptionsverhalten des Gases in der Detektionskammer weniger stark bei wechselnden Umgebungsbedingungen und im Laufe der Zeit. In vielen Fällen braucht ein erfindungsgemäßer photoakustischer Sensor daher nur einmal vor dem ersten Einsatz justiert zu werden und danach nur in längeren Zeitabständen oder sogar überhaupt nicht. Der erfindungsgemäße Sensor lässt sich daher in vielen Fällen leichter handhaben und verwenden als ein photoakustischer Sensor, bei dem in der Detektionskammer ein Zielgas enthalten ist.
• Erfindungsgemäß ist die Detektionskammer mit einem Ersatzgas gefüllt. Dieses Ersatzgas schwächt im Zielgas-Wellenlängen-Bereich elektromagnetische Wellen ähnlich stark ab wie das oder mindestens ein zu detektierendes Zielgas. Genauer gesagt: Die spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas und dem Ersatzgas liegt im Zielgas-Wellenlängen-Bereich oberhalb von 0,2. Eine hohe spektrale Überlappung hat insbesondere folgenden Vorteil: Falls in der Probenkammer das oder ein zu detektierendes Zielgas oberhalb einer Nachweisgrenze vorhanden ist, so werden die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich bereits in der Probenkammer erheblich abgeschwächt. Im Strahlenweg zwischen der Strahlungsquelle und dem akustischen Empfänger liegt die Detektionskammer flussabwärts von der Probenkammer. Die Detektionskammer mit dem Ersatzgas liegt daher quasi im elektromagnetischen Schatten, wobei die Probenkammer mit den Zielgas diesen Schatten erzeugt. In der Detektionskammer wird daher nur ein relativ geringer akustischer Effekt erzeugt. Falls in der Probenkammer hingegen kein Zielgas vorhanden ist, so liegt die Detektionskammer nicht im elektromagnetischen Schatten der Probenkammer, und der akustische Effekt ist stärker.
• Wenn die akustische Überlappung zwischen dem zu detektierenden Zielgas und dem Ersatzgas in der Detektionskammer ausreichend groß ist, so ist der Unterschied zwischen dem akustischen Effekt bei Vorhandensein und dem akustischen Effekt bei Nichtvorhandensein des Zielgases in der Probenkammer ausreichend groß. Eine ausreichend hohe spektrale Überlappung führt daher zu einer relativ guten Detektionsleistung des erfindungsgemäßen Sensors. Ein Zielgas wird mit hoher Sicherheit erkannt, und der Sensor erzeugt nur relativ wenige Fehlalarme.
• In vielen Fällen erzielt ein erfindungsgemäßer photoakustischer Sensor eine annähernd gleiche Empfindlichkeit beim Detektieren eines Zielgases wie ein photoakustischer Sensor, bei dem auch die Detektionskammer mit einem Zielgas oder einem Gemisch aus einem Zielgas und einem weiteren Zielgas gefüllt ist. Jedoch vermeidet der erfindungsgemäße photoakustische Sensor die gerade beschriebenen Nachteile eines aggressiven und / oder instabilen Zielgases in der Detektionskammer.
• Das oder jedes zu detektierende Zielgas schwächt im Zielgas-Wellenlängen-Bereich die Intensität von elektromagnetischen Wellen ab. In der Regel wird bei dieser Abschwächung Wärmeenergie freigesetzt. Manche Zielgase verändern daher bei Zimmertemperatur ihren Aggregatzustand von flüssig zu gasförmig, wenn elektromagnetische Wellen das Zielgas durchdringen. Falls die Detektionskammer ein derartiges Zielgas enthalten wurde, so wären in manchen Fällen die Ergebnisse des photoakustischen Sensors nicht ausreichend zuverlässig, oder die Ansprechzeit wäre zu lang. Bevorzugt ist hingegen das Ersatzgas mindestens bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10 °C und 40 °C, also bei Zimmertemperatur, gasförmig. Dieser gasförmige Zustand liegt dann vor, wenn keine elektromagnetischen Wellen die Detektionskammer durchdringen, beispielsweise weil der Sensor ausgeschaltet ist. Der gasförmige Zustand des Ersatzgases liegt auch dann vor, wenn in der Probenkammer kein zu detektierendes Zielgas vorhanden ist und elektromagnetische Wellen daher in der Probenkammer nur wenig oder überhaupt nicht abgeschwächt werden und daher mit größtmöglicher Intensität die Detektionskammer erreichen und durchdringen.
• Manche zu detektierende Zielgase sind chemisch instabil. Wenn die Detektionskammer ein solches instabiles Zielgas enthalten würde, so würde das Zielgas in der Detektionskammer sein Absorptionsverhalten im Laufe der Zeit signifikant ändern. Ein solcher photoakustischer Sensor müsste häufiger nachjustiert werden. Bevorzugt ist das Ersatzgas des erfindungsgemäßen photoakustischen Sensors hingegen chemisch stabiler als das oder jedes zu detektierende Zielgas, sodass der erfindungsgemäße Sensor in vielen Fällen seltener justiert zu werden braucht.
• Viele zu detektierende Zielgase, insbesondere Anästhesiemittel und Lösungsmittel, schwächen die Intensität von elektromagnetischen Wellen besonders stark in einem Wellenlängen-Bereich von 7 µm bis 10 µm ab. Bevorzugt umfasst der Zielgas-Wellenlängen-Bereich des Sensors daher diesen Bereich von 7 µm bis 10 µm oder wenigstens den Bereich von 8 µm bis 9 µm.
• Der Sensor soll mit großer Sicherheit ein Zielgas detektieren können. Außerdem wird gewünscht, dass der Sensor möglichst wenige, idealerweise überhaupt keine Fehlalarme generiert, also möglichst selten ein Zielgas detektiert, obwohl in Wirklichkeit kein Zielgas vorhanden ist. Daher wird gewünscht, dass die elektromagnetischen Wellen wenigstens dann einen ausreichend starken akustischen Effekt in der Detektionskammer auslösen, wenn kein Zielgas in der Probenkammer vorhanden ist. Nur dann kann ausreichend sicher eine Abschwächung oder sonstige Veränderung aufgrund des Zielgases detektiert werden. In einer Ausgestaltung ist das Ersatzgas in der Detektionskammer ein Gasgemisch aus einem Gas, welches eine hohe spektrale Überlappung mit dem oder einem zu detektierenden Zielgas aufweist, und einem Verdünnungsgas, welches im Zielgas-Wellenlängen-Bereich die Intensität von elektromagnetischen Wellen nur wenig oder überhaupt nicht reduziert. Genauer gesagt: Im gesamten Zielgas-Wellenlängen-Bereich weist das Verdünnungsgas eine Transmission oberhalb von 0,9, bevorzugt oberhalb von 0,95, besonders bevorzugt oberhalb von 0,99 auf. Dieses Gasgemisch weist insgesamt die erfindungsgemäß hohe spektrale Überlappung mit dem Zielgas auf. Dank des Verdünnungsgases wird in der Detektorkammer die Intensität der elektromagnetischen Wellen weniger stark reduziert, als wenn kein Verdünnungsgas beigemischt wäre. In manchen Fällen erleichtert es daher die Zugabe eines Verdünnungsgases, den akustischen Empfänger an die Intensität der Schallwellen, welche durch den akustischen Effekt erzeugt werden, anzupassen. Außerdem sind in manchen Fällen die Zugabe des Verdünnungsgas ist die Nachweisgrenze für das Zielgas ab.
• In einer Ausgestaltung umfasst das Ersatzgas einen teilfluorierten Kohlenwasserstoff, insbesondere Tetrafluorethan oder Heptafluorpropan. Ein derartiger Kohlenwasserstoff absorbiert die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen in dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich annähernd genauso (spektrale Überlappung oberhalb von 0,2) wie manche Zielgase, insbesondere Anästhesiemittel oder Lösungsmittel. Diese Kohlenwasserstoffe haben die gewünschten Eigenschaften, sind insbesondere chemisch relativ stabil, und lassen sich daher leichter handhaben als Anästhesiemittel.
• Erfindungsgemäß umfasst der photoakustische Sensor mindestens einen akustischen Empfänger, der den hervorgerufenen akustischen Effekt zu messen vermag. In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor mehrere akustische Empfänger, die dasselbe Maß oder auch unterschiedliche Maße für den akustischen Effekt zu messen vermögen und / oder die verschiedene Messverfahren anwenden. Jeder akustische Empfänger vermag jeweils ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt zu erzeugen. Diese Ausgestaltung schafft Redundanz. In manchen Fällen erhöht diese Ausgestaltung die Empfindlichkeit des Sensors, insbesondere wenn derselbe Sensor verschiedene Zielgase detektieren soll.
• In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor zusätzlich einen Referenz-Empfänger. Dieser Referenz-Empfänger vermag ein Maß für die Intensität der elektromagnetischen Wellen, welche die Detektionskammer durchdringen, zu messen und ein Signal für die gemessene Intensität zu erzeugen. Der Referenz-Empfänger vermag dieses Maß in einem Referenz-Wellenlängen-Bereich zu messen. Dieser Referenz-Wellenlängen-Bereich ist disjunkt zu dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich. Im Referenz-Wellenlängen-Bereich weist das oder jedes Zielgas eine hohe Transmission, bevorzugt eine Transmission größer oder gleich 0,9, auf. Das Signal des Referenz-Empfängers hängt daher nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise davon ab, ob ein Zielgas in der Probenkammer vorhanden ist oder nicht. Der Referenz-Empfänger kann insbesondere einen photoelektrischen oder einen akustischen Empfänger umfassen.
• Das Signal des Referenz-Empfängers hängt aber von mindestens einem der folgenden Faktoren ab, welche ein Detektionsergebnis des erfindungsgemäßen photoakustischen Sensors beeinflussen können:
• - von der Sendeleistung der Strahlungsquelle, welche im Laufe der Zeit aufgrund von Abnutzung abnehmen kann, aufgrund von Verschmutzung variieren kann und außerdem von der zur Verfügung stehenden elektrischen Spannung abhängen kann, wobei die elektrische Spannung insbesondere dann variieren kann, wenn der Sensor eine eigene Spannungsversorgungseinheit aufweist oder wenn die Netzspannung in einem stationären Spannungsversorgungsnetz schwankt,
• - von einer Kondensation von Feuchtigkeit auf einem Fenster der Detektionskammer oder der Probenkammer, wobei dieses Fenster von den elektromagnetischen Wellen durchdrungen wird und wobei die Kondensation zu einer Absorption von elektromagnetischen Wellen führen kann und dadurch eine höhere Konzentration des Zielgases vortäuschen kann,
• - von einer Kondensation auf einem optionalen Spiegel, der den optischen Weg verlängert,
• - von einer Verschmutzung oder Zerkratzung eines solchen Fensters.
• Das Signal des Referenz-Empfängers lässt sich dafür verwenden, um den Einfluss der gerade genannten Faktoren auf das Signal des akustischen Empfängers rechnerisch zu kompensieren. Beispielsweise wird das Signal des akustischen Empfängers mit einem Korrekturfaktor multipliziert, wobei dieser Korrekturfaktor je größer ist, je kleiner das Signal des Referenz-Empfängers ist. Dank des Referenz-Empfängers ist der photoakustische Sensor noch weniger empfindlich gegen Alterung und sich verändernden Umgebungsbedingungen.
• Erfindungsgemäß erzeugt der akustische Empfänger ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt. Der gerade beschriebene optionale Referenz-Empfänger erzeugt ein Signal für die Intensität der elektromagnetischen Wellen in der Detektionskammer. Bevorzugt umfasst der Sensor weiterhin eine datenverarbeitende Auswerteeinheit. Die Auswerteeinheit empfängt das Signal von dem akustischen Empfänger und optional das Signal von dem Referenz-Empfänger, wertet das oder jedes empfangene Signal aus und entscheidet automatisch, ob in der Probenkammer das oder mindestens ein zu detektierendes Zielgas mit einer Konzentration oberhalb einer Nachweisgrenze vorhanden ist oder nicht. Eine Zielgas-Konzentration oberhalb der Nachweisgrenze verändert den gemessenen akustischen Effekt in messbarer Weise verglichen mit einer geringeren Konzentration oder dem Ausbleiben von Zielgas.
• Optional entscheidet die Auswerteeinheit, ob in der Probenkammer ein Zielgas mit einer Konzentration oberhalb einer vorgegebenen Konzentrations-Schranke vorhanden ist oder nicht. Diese Konzentrations-Schranke ist beispielsweise durch eine gesetzliche Bestimmung vorgegeben. Eine Konzentration oberhalb der Konzentrations-Schranke verändert den akustischen Effekt signifikant, schwächt den akustischen Effekt beispielsweise signifikant ab. Bei einer Konzentration oberhalb der Konzentrations-Schranke veranlasst die Auswerteeinheit bevorzugt, dass ein Alarm in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form ausgegeben wird. In einer Ausgestaltung gibt der Sensor selber diesen Alarm aus. In einer anderen Ausgestaltung übermittelt der Sensor eine Nachricht an einen räumlich entfernten Empfänger, und der Empfänger gibt den Alarm aus.
• Bevorzugt ermittelt die Auswerteeinheit die Konzentration dieses Zielgases in der Probenkammer. Hierbei nutzt die Auswerteeinheit die Tatsache aus, dass die Veränderung, beispielsweise Abschwächung, des in der Detektionskammer gemessenen akustischen Effekts mit der Konzentration des Zielgases in der Probenkammer korreliert. Die Auswerteeinheit hat Lesezugriff auf einen Datenspeicher, in dem für mindestens ein Zielgas ein rechnerauswertbarer Konzentrations-Zusammenhang abgespeichert ist. Dieser Konzentrations-Zusammenhang beschreibt eine Abhängigkeit zwischen
• - der Konzentration dieses Zielgases in der Probenkammer und
• - dem messbaren Maß für den in der Detektionskammer ausgelösten akustischen Effekt.
• Um die Konzentration des Zielgases in der Probenkammer zu ermitteln, wendet die Auswerteeinheit den abgespeicherten Konzentrations-Zusammenhang auf das Signal für den gemessenen akustischen Effekt an.
• In einer Fortbildung dieser Ausgestaltung vermag der erfindungsgemäße Sensor die jeweilige Konzentration von mindestens zwei Zielgasen zu messen. Ein Benutzer wählt ein Zielgas aus, dessen Konzentration gemessen werden soll. Zu diesem Zweck umfasst der Sensor eine Auswahleinheit, die ein Mensch benutzen kann, um ein Zielgas auszuwählen. In dem Datenspeicher ist für jedes auswählbare Zielgas jeweils ein Konzentrations-Zusammenhang abgespeichert. Die Auswerteeinheit ermittelt die Konzentration des ausgewählten Zielgases. Hierfür wendet die Auswerteeinheit denjenigen Konzentrations-Zusammenhang, der dem ausgewählten Zielgas zugeordnet ist, auf das Signal für den gemessenen akustischen Effekt an.
• Bevorzugt wird der oder jeder Konzentrations-Zusammenhang vorab in einer Kalibrierungsphase empirisch ermittelt und abgespeichert. Während dieser Kalibrierungsphase werden nacheinander unterschiedliche Werte für die Konzentration des oder jedes zu detektierenden Zielgases in der Probenkammer hergestellt, und für jede hergestellte Konzentration wird das Maß für den dann bewirkten akustischen Effekt gemessen.
• In einer Ausgestaltung gilt dieser Konzentrations-Zusammenhang für den gesamten Temperaturbereich, in dem die Temperatur des zu untersuchenden Gasgemisches liegen kann. Falls der Sensor in einem geschlossenen Raum eingesetzt wird, so liegt dieser Temperaturbereich im Bereich der üblichen Zimmertemperatur, bevorzugt zwischen 10° C und 40° C. In einer anderen Ausgestaltung werden mindestens zwei unterschiedliche Konzentrations-Zusammenhänge für zwei verschiedene Temperaturbereiche empirisch ermittelt und abgespeichert. In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor ein Thermometer, welches die Temperatur des Gasgemisches oder die Temperatur in der Umgebung des Sensors misst, und die Auswerteeinheit wählt denjenigen Konzentrations-Zusammenhang aus, der zu dem Temperaturbereich gehört, in den die gemessene Temperatur fällt.
• In einer anderen Fortbildung dieser Ausgestaltung ermittelt der Sensor nacheinander oder zeitlich überlappend für jedes Zielgas, dem ein Konzentrations-Zusammenhang im Datenspeicher zugeordnet ist, dessen jeweilige Konzentration. Die Auswerteeinheit wendet auf den gemessenen Wert des Maßes für den hervorgerufenen akustischen Effekt nacheinander jeden abgespeicherten Konzentrations-Zusammenhang an. Dies liefert für jedes Zielgas, dem im Datenspeicher ein Konzentrations-Zusammenhang zugeordnet ist, jeweils eine Konzentration. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, bei einer zu hohen Konzentration eines Zielgases einen Alarm zu generieren, ohne dass ein Benutzer zuvor notwendigerweise ein Zielgas auswählen muss und ohne dass der Sensor notwendigerweise eine Nachricht ausgibt, welches Zielgas eine zu hohe Konzentration aufweist. Dies erspart insbesondere eine Auswahleinheit. Der Sensor gemäß dieser Ausgestaltung und einem geeigneten Ersatzgas in der Detektionskammer vermag insbesondere einen geschlossenen Raum auf mehrere Anästhesiemittel oder Lösungsmittel, die in diesem Raum auftreten können, zu überwachen.
• Diese beiden Ausgestaltungen lassen sich kombinieren. Beispielsweise lässt der Sensor sich wahlweise in einem manuellen Modus betreiben, in dem zunächst ein Benutzer mittels der Auswahleinheit ein Zielgas auswählt und der Sensor den Konzentrations-Zusammenhang für das ausgewählte Zielgas anwendet, oder in einem automatischen Modus, in dem der Sensor nacheinander jeden abgespeicherten Konzentrations-Zusammenhang anwendet.
• Bevorzugt ist in dem Datenspeicher weiterhin ein Referenz-Zusammenhang abgespeichert. Dieser Referenz-Zusammenhang legt den oben beschriebenen Korrekturfaktor in Abhängigkeit von einem Signal des Referenz-Empfängers fest.
• In einer Ausgestaltung ermittelt die Auswerteeinheit eine nicht korrigierte Konzentration des oder mindestens eines Zielgases in Abhängigkeit von dem gemessenen Maß für den akustischen Effekt. „Nicht korrigiert“ bedeutet, dass der Einfluss eines der Faktoren, die weiter oben in Zusammenhang mit dem Referenz-Empfänger genannt worden sind, auf die gemessene Konzentration nicht korrigiert worden ist. Abhängig von einem Signal des Referenz-Empfängers ermittelt die Auswerteeinheit einen Korrekturfaktor. Dieser Korrekturfaktor ist umso größer, je kleiner das Signal des Referenz-Empfängers ist. Die Auswerteeinheit wendet den Korrekturfaktor auf die ermittelte nicht korrigierte Konzentration an, beispielsweise durch Multiplikation. Beispielsweise ist der Korrekturfaktor der Kehrwert des aktuellen Signalwerts vom Referenz-Empfänger, und die nicht korrigierte Konzentration wird durch diesen Signalwert dividiert. Die Anwendung liefert die gesuchte Konzentration.
• In einer Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße photoakustische Sensor als ein tragbares Gerät ausgestaltet, welches ein Mensch mit sich führen kann, beispielsweise an seiner Kleidung befestigen kann. Die Auswerteeinheit ist bevorzugt ein Bestandteil dieses tragbaren Geräts. Bevorzugt umfasst dieser Sensor eine Ausgabeeinheit, welche in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form einen Alarm für das Vorhandensein eines Zielgases oder eine gemessene Konzentration eines Zielgases auszugeben vermag. Außerdem umfasst dieser Sensor eine eigene Spannungsversorgungseinheit.
• In einer anderen Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße photoakustische Sensor ortsfest montiert. Bevorzugt sind mehrere erfindungsgemäße photoakustische Sensoren an verschiedenen Stellen eines zu überwachenden Raums montiert. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die optionale datenverarbeitende Auswerteeinheit in einer räumlich entfernten Zentrale angeordnet. Der oder jeder photoakustische Sensor übermittelt das Signal für den gemessenen akustischen Effekt und optional das Signal vom Referenz-Empfänger an einen Empfänger in dieser Zentrale, und zwar drahtlos oder kabelgebunden. In einer Ausgestaltung empfängt derselbe zentrale Empfängersignale von mehreren erfindungsgemäßen Sensoren. Eine Ausgabeeinheit des zentralen Empfängers gibt einen Alarm oder eine gemessene Zielgas-Konzentration aus, bevorzugt zusammen mit einer Positionsangabe, welche die Position desjenigen Sensors spezifiziert, der ein Zielgas detektiert oder eine hohe Zielgas-Konzentration gemessen hat. Diese Ausgestaltung erspart die Notwendigkeit, dass in dem Raum selber mehrere Sensoren mit jeweils einer Auswerteeinheit montiert werden müssen.
• Möglich ist auch, dass der photoakustische Sensor ein mobiles Gerät ist und die Auswerteeinheit zu einem stationären Empfänger gehört.
• In einer Anwendung wird ein erfindungsgemäßer photoakustischer Sensor verwendet, um mindestens ein Anästhesiemittel oder ein Lösungsmittel in einem geschlossenen Raum zu detektieren. Der Zielgas-Wellenlängen-Bereich umfasst den Bereich von 7 µm bis 10 µm. Viele Anästhesiemittel und Lösungsmittel, die zu detektieren sind, absorbieren in diesem Wellenlängen-Bereich elektromagnetische Wellen.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigt
• 1 einen erfindungsgemäßen photoakustischen Sensor während eines Einsatzes;
• 2 die Transmission von verschiedenen Anästhesiemitteln sowie die Extinktion von verschiedenen Ersatzgasen in Abhängigkeit der Wellenlänge;
• 3 ein Ausschnitt aus der Darstellung von 2;
• 4 zwei beispielhafte Konzentrations-Zusammenhänge zwischen der Konzentration an Anästhesiemittel und der Reduzierung der Schallintensität für zwei verschiedene Anästhesiemittel.
• Im Ausführungsbeispiel wird der erfindungsgemäße Sensor eingesetzt, um die Konzentration mindestens eines Anästhesiemittels und / oder Lösungsmittels in der Umgebungsluft in einem geschlossenen Raum zu messen, in dem Menschen sich aufhalten können. Der Raum ist beispielsweise ein Aufwachraum oder ein Operationsraum oder auch ein Lagerraum in einem Krankenhaus oder in einem Fahrzeug oder eine Halle einer Fertigungsanlage oder eines Lagergebäudes. Mindestens soll der Sensor automatisch entscheiden, ob die Konzentration des Anästhesiemittels bzw. Lösungsmittels oberhalb oder unterhalb einer vorgegebenen Schranke liegt. Diese Schranke wird beispielsweise durch gesetzliche Bestimmungen zur Sicherheit an Arbeitsplätzen vorgegeben und liegt beispielsweise zwischen 5 und 200 ppm (parts per million) und wird in der Regel in ppm, ml/m^3 oder Volumenprozenten angegeben.
• 1 zeigt schematisch den photoakustischen Sensor 100 des Ausführungsbeispiels während eines Einsatzes sowie die Umgebung Um als den Bereich, den der Sensor 100 überwachen soll. Der Sensor 100 kann als ein tragbares Gerät ausgestaltet sein, welches eine Person mit sich führt, während sie sich in einem möglicherweise belasteten Raum aufhält, oder an einer Wand eines Raums oder an einem medizinischen Gerät oder einer Fertigungsanlage montiert sein.
• In einer Ausgestaltung umfasst der Sensor 100 eine eigene Spannungsversorgungseinheit 15 (schematisch gezeigt), insbesondere mehrere wiederaufladbare Akkumulatoren. Bevorzugt lässt sich der Sensor 100 in einen Messzustand und in einen Ruhezustand verbringen. Im Messzustand vermag der Sensor 100 Anästhesiemittel bzw. Lösungsmittel zu detektieren, im Ruhezustand verbraucht er weniger elektrische Energie. Bevorzugt vermag der Sensor 100 nach dem Umschalten in den Messzustand Messwerte nach einer Ansprechzeit zu liefern, die bevorzugt zwischen 10 Sekunden und 1 Minute liegt.
• Der photoakustische Sensor 100 besitzt folgende Bestandteile:
• - eine Strahlungsquelle 1, die elektromagnetische Wellen eW abstrahlt,
• - einen optischen oder elektronischen Bandpassfilter 14,
• - einen Modulator 12,
• - eine Probenkammer 3, die eine Probe Gp von zu untersuchendem Gas, im Ausführungsbeispiel von zu untersuchender Umgebungsluft, aufnimmt,
• - einen Einlass 10 zu der Probenkammer 3, durch den eine Gasprobe Gp aus der Umgebung Um in die Probenkammer 3 gelangen kann,
• - eine Detektionskammer 4, welche fluiddicht von der Umgebung Um und von der Probenkammer 3 abgetrennt ist und ein weiter unten beschriebenes Ersatzgas Eg enthält,
• - ein optisch durchlässiges und fluiddichtes Fenster 5 vor der Detektionskammer 4,
• - einen akustischen Empfänger in Form eines Mikrofons 7, der in einer akustischen Verbindung mit der Detektionskammer 4 steht,
• - einen Referenz-Empfänger 6, der ebenfalls in einer akustischen oder in einer optischen Verbindung mit der Detektionskammer 4 steht,
• - einen Drucksensor 13, der ein Maß für den Gasdruck in der Probenkammer 3 misst,
• - ein optionales Thermometer 16, welches die Temperatur in der Probenkammer 3 misst,
• - einen Datenspeicher 9,
• - eine datenverarbeitende Auswerteeinheit 8, welche Signale von dem Mikrofon 7 und dem Referenz-Empfänger 6 empfängt und wenigstens zeitweise Lesezugriff auf den Datenspeicher 9 besitzt,
• - einen Schalter 11,
• - eine Spannungsversorgungseinheit 15 in Form von wiederaufladbaren Batterien (Akkumulatoren) und
• - ein Gehäuse 2, welches die oben beschriebenen Bestandteile umgibt.
• Ein für Gas durchlässiger Filter vor oder in dem Einlass 10 verhindert, dass Staubpartikel und Feuchtigkeit in die Probenkammer 3 geraten.
• In einer Ausgestaltung diffundiert Umgebungsluft, welche mindestens ein zu detektierendes Anästhesiemittel enthalten kann, aus der Umgebung Um durch den Einlass 10 in die Probenkammer 3. In einer anderen Ausgestaltung saugt eine nicht gezeigte Pumpe Luft aus der Umgebung Um an und fördert sie dadurch in die Probenkammer 3.
• Die Strahlungsquelle 1 emittiert elektromagnetische Wellen eW im Infrarotbereich in Richtung der Probenkammer 3. Bevorzugt weist die Strahlungsquelle 1 eine ausreichend kleine thermische Masse auf, um bei der nachfolgend beschriebenen Modulation eine ausreichend hohe Frequenz zu erzielen. In einer Ausgestaltung ist die Strahlungsquelle 1 als ein Membranstrahler ausgestaltet. Möglich ist auch, dass die Strahlungsquelle 1 als ein Halbleiter-Laser ausgestaltet ist.
• Im Ausführungsbeispiel wird als Zielgas-Wellenlängen-Bereich der Bereich von 7 µm bis 10 µm verwendet. Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eW umfassen diesen Zielgas-Wellenlängen-Bereich. Der Bandpassfilter 14 lässt in einer Ausgestaltung nur elektromagnetische Wellen in diesem Zielgas-Wellenlängen-Bereich passieren, in einer anderen Ausgestaltung zusätzlich Wellen in einem Referenz-Wellenlängen-Bereich.
• Die Festlegung des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs ist ein Kompromiss zwischen den beiden Anforderungen,
• - dass der photoakustischer Sensor 100 mit höherer Zuverlässigkeit ein Zielgas detektieren soll (enger Zielgas-Wellenlängen-Bereich gewünscht) und
• - dass elektromagnetische Wellen mit einer ausreichenden Intensität noch die Detektionskammer 4 erreichen sollen (breiter Zielgas-Wellenlängen-Bereich gewünscht).
• Der Modulator 12 bewirkt, dass die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eW gepulst werden. In einer Ausgestaltung moduliert der Modulator 12 die Spannung des elektrischen Stroms, mit dem die Strahlungsquelle 1 versorgt wird. Beispielsweise wird die Strahlungsquelle 1 oszillierend eingeschaltet und ausgeschaltet. Wegen der thermischen Trägheit der Strahlungsquelle 1 lässt sich durch diese elektrische Modulation in der Regel eine Frequenz von maximal 15 Hz erreichen. In einer anderen Ausgestaltung moduliert der Modulator 12 mechanisch die Wellen von der Strahlungsquelle 1, beispielsweise mithilfe eines rotierenden oder auf andere Weise bewegten Spiegels, der elektromagnetischen Wellen eW abwechselnd auf die Probenkammer 3 und in eine andere Richtung lenkt, oder mit einer beweglichen Blende oder einer Lochscheibe. Hindurch lässt sich eine Modulations-Frequenz im Kilohertz-Bereich erzielen. Viele Mikrofone weisen gerade im Kilohertz-Bereich eine hohe akustische Empfindlichkeit auf.
• Die gepulsten elektromagnetischen Wellen eW durchdringen die Probenkammer 3 und anschließend die Detektionskammer 4. Die elektromagnetischen Wellen eW erreichen Moleküle in der fluiddichten Detektionskammer 4 und bewirken aufgrund der Pulse einen kurzfristigen lokalen Temperaturanstieg. Dieser Temperaturanstieg führt zu Druckwellen in der Detektionskammer 4. Das Mikrofon 7 registriert diese Druckwellen und erzeugt ein elektrisches Signal, welches von der Schallintensität der hervorgerufenen Druckwellen abhängt. Dieses Signal korreliert mit dem Partialdruck sowie mit der Gasdichte in der Probenkammer 3. Partialdruck und Gasdichte sind bekanntlich über das ideale Gasgesetz miteinander verbunden.
• Das Signal vom Mikrofon 7 wird an die Auswerteeinheit 8 übermittelt. Außerdem wird das Signal vom Drucksensor 13 an die Auswerteeinheit 8 übermittelt. Die Auswerteeinheit 8 berechnet den Quotienten aus dem Signal für die Gasdichte und dem Signal für den Gesamtdruck. Dieser Quotient korreliert mit der gesuchten Konzentration.
• Der akustische Effekt, der in der Detektionskammer 4 hervorgerufen wird, kann nicht nur von der Konzentration eines Zielgases in der Probenkammer 3, sondern auch von der Temperatur in der Probenkammer 3 abhängen. Das optionale Thermometer 16 misst die Temperatur in der Probenkammer 3. Abhängig von einem Signal des Thermometers 16 wird der Einfluss der Temperatur auf den hervorgerufenen akustischen Effekt rechnerisch kompensiert. Dadurch wird die Querempfindlichkeit des Sensors 100 auf die Umgebungstemperatur signifikant verringert.
• Im Anwendungsbeispiel soll die Konzentration von mindestens einem Anästhesiemittel in der Umgebung Um gemessen werden. Mindestens soll festgestellt werden, ob diese Konzentration oberhalb einer vorgegebenen Konzentrations-Schranke oder Nachweisgrenze liegt oder nicht. Die üblicherweise verwendeten Anästhesiemittel absorbieren einen erheblichen Teil von elektromagnetischen Wellen eW in einem bestimmten Bereich, welcher dem Sensor 100 vorgegeben ist und im Folgenden als „Zielgas-Wellenlängen-Bereich“ ZWB bezeichnet wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB beispielsweise der Bereich von 7 bis 10 µm oder auch der Bereich von 6,5 µm bis 15,5 µm.
• 2 und 3 zeigen oben die Transmission Tr von fünf gängigen verschiedenen Anästhesiemitteln in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, nämlich
• Sevofluran (Sev),
• Desfluran (Des),
• Halothan (Hal),
• Isofluran (Iso),
• Enfluran (Enf).
• Auf der x-Achse von 2 und 3 ist die Wellenlänge λ in Mikrometer aufgetragen, und zwar in 2 von 2 µm bis 16 µm und in der Ausschnittsvergrößerung von 3 im Bereich von 7 µm bis 11 µm.
• Außerdem ist der Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB des Ausführungsbeispiels eingetragen, nämlich von der unteren Grenze λ_min = 7 µm bis zum oberen Grenze Amax = 10 µm.
• Mit dem Begriff „Transmission“ wird die Strahlungsintensität des Anteils der elektromagnetischen Wellen, welche eine Kammer mit dem jeweiligen Gas passieren, bezogen auf die Strahlungsintensität der elektromagnetischen Wellen, welche diese Kammer erreichen, bezeichnet. Die Transmission Tr ist eine Zahl zwischen 0 und 1 oder auch zwischen 0 % und 100 % und hängt von der Wellenlänge λ der elektromagnetischen Wellen ab. Im Ausführungsbeispiel bezieht sich die Transmission Tr auf eine optische Wegstrecke von 1 cm und eine Konzentration von 1 Volumenprozent. Auf der linken y-Achse von 2 und 3 ist eine Skala für die Transmission Tr(A) aufgetragen. 2 und 3 zeigen den jeweiligen spektralen Verlauf der fünf Anästhesiemittel.
• 2 und 3 zeigen unten die spektralen Verläufe der Extinktion Ex (Absorptionsstärke, Absorptionsgrad) von zwei möglichen Ersatzgasen, nämlich dem Treibmittel R134a (Tetrafluorethan, C₂H₂F₄) und dem Treibmittel R227ea (Heptafluorpropan, C₃HF₇). Auch die Extinktion Ex hängt von der Wellenlänge λ ab. Auf der rechten y-Achse ist eine Skala für die Extinktion Ex(λ) aufgetragen.
• Die Extinktion Ex ist ein Maß dafür, wie stark ein Gas elektromagnetische Wellen absorbiert und damit abschwächt. Die Extinktion Ex ist eine Zahl größer oder gleich 0. Zwischen der Transmission Tr(A) und der Extinktion Ex(λ) besteht der Zusammenhang Tr(A) = e^-Ex(λ). Die fünf Anästhesiemittel Sev, Enf, Hal, Des, Iso bewirken im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB eine relevante Extinktion Ex(λ).
• Die abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eW umfassen bevorzugt ebenfalls Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB von 7 µm bis 10 µm oder in einem Bereich, der den Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB enthält. Dank des Bandpassfilters 14 erreichen nur elektromagnetische Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB und optional in einem Referenz-Wellenlängen-Bereich die Probenkammer 3. Jedes der fünf Anästhesiemittel von 2 und 3 reduziert aufgrund der Extinktion Ex die Intensität in der Probenkammer 3 und daher auch den lokalen Temperaturanstieg, der in der Detektionskammer 4 durch die elektromagnetischen Wellen eW erzeugt wird. Falls ein Anästhesiemittel in der Probenkammer 3 vorhanden ist, misst das Mikrofon 7 eine geringere Schallintensität in der Detektionskammer 4 verglichen mit einer Gasprobe in der Probenkammer 3, die frei von Anästhesiemitteln ist. Im Allgemeinen gilt: Je größer die Konzentration an Anästhesiemittel in der Probenkammer 3 ist, desto geringer ist die vom Mikrofon 7 gemessene Schallintensität in der Detektionskammer 4. Dieser akustische Effekt wird ausgenutzt, um die gesuchte Konzentration des Anästhesiemittels in der Gasprobe Gp zu messen oder um wenigstens zu entscheiden, ob die Konzentration oberhalb oder unterhalb einer Schranke liegt oder ob ein Anästhesiemittel oberhalb einer Nachweisgrenze vorhanden ist.
• Wie weiterhin in 2 und 3 zu sehen ist, reduzieren die fünf gängigen Anästhesiemittel die Intensität der elektromagnetischen Wellen eW am stärksten im Bereich ZWB von 7 µm bis 10 µm sowie in geringerem Maße in weiteren Bereichen, in denen Oberschwingungen auftreten. Weiterhin ist zu sehen, dass die Anästhesiemittel Wellen eW unterschiedlich in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ absorbieren. Der erfindungsgemäße Sensor 100 vermag trotzdem alle fünf Anästhesiemittel zu detektieren. Eine bevorzugte Ausgestaltung, wie dies erreicht wird, wird im Folgenden beschrieben.
• Der Sensor 100 wird vorab kalibriert. Bei der Kalibrierung wird nacheinander jeweils mindestens eine Probe mit einer bestimmten und daher bekannten Konzentration eines Anästhesiemittels in die Probenkammer 3 gefördert. Elektromagnetische Wellen eW werden abgestrahlt. Gemessen wird die Schallintensität, welche das Mikrofon 7 misst. Dies wird für unterschiedliche Konzentrationen durchgeführt. Je größer die Konzentration des Anästhesiemittels ist, desto geringer ist die gemessene Schallintensität. Auf diese Weise wird während der Kalibrierung für das Anästhesiemittel ein funktionaler Konzentrations-Zusammenhang zwischen der Konzentration in der Probenkammer 3 und der Schallintensität in der Detektionskammer 4 ermittelt. Dies wird für jedes Anästhesiemittel, welches detektiert werden soll, durchgeführt. Beispielsweise werden auf diese Weise fünf verschiedene funktionale Konzentrations-Zusammenhänge für die fünf Anästhesiemittel von 2 und 3 empirisch ermittelt. Diese funktionalen Konzentrations-Zusammenhänge werden im Datenspeicher 9 abgespeichert. 4 zeigt beispielhaft zwei solche funktionalen Konzentrations-Zusammenhänge, die lediglich illustrierend zu verstehen sind. Auf der x-Achse ist die Konzentration des Anästhesiemittels in der Gasprobe Gp im Volumenprozent aufgetragen, auf der y-Achse die relative Schallintensität, wobei der Maximalwert 1 sich auf eine von Anästhesiemittel freie Gasprobe Gp in der Probenkammer 3 bezieht.
• Das Signal des Mikrofons 7 an der Detektionskammer 4 hängt von dem Gesamtdruck in der Probenkammer 3 ab, wobei der Drucksensor 13 diesem Druck misst. In einer Ausgestaltung wird sichergestellt, dass bei dieser Kalibrierung der Gesamtdruck konstant bleibt. In einer anderen Ausgestaltung misst der Drucksensor 13 auch bei der Kalibrierung den Gesamtdruck. Die vorgegebenen Konzentrationen mit dem Signal vom Drucksensor 13 werden rechnerisch korrigiert, beispielsweise indem der gemessene Partialdruck / die gemessene Gasdichte durch den gemessenen Gesamtdruck dividiert werden.
• Bei einer nachfolgenden Nutzung wählt in einer Ausführungsform ein Benutzer mithilfe des schematisch dargestellten Schalters 11 (vgl. 1) aus, welches Anästhesiemittel aktuell detektiert werden soll. Die Auswerteeinheit 8 liest durch einen Lesezugriff auf den Datenspeicher 9 denjenigen funktionalen Konzentrations-Zusammenhang ein, der zu diesem gewählten Anästhesiemittel gehört. Die Auswerteeinheit 8 empfängt Signale von dem Mikrofon 7 sowie von dem Referenz-Empfänger 6 und optional von dem Drucksensor 13. Die Auswerteeinheit 8 wendet den eingelesenen funktionalen Konzentrations-Zusammenhang auf das Signal vom Mikrofon 7 an und ermittelt dadurch die zugehörige Konzentration des ausgewählten Anästhesiemittels in der Gasprobe Gp, welche sich in der Probenkammer 3 befindet.
• Der Referenz-Empfänger 6 erzeugt ein Signal, welches von der Intensität der elektromagnetischen Wellen in einem Referenz-Wellenlängen-Bereich abhängt. Dieser Referenz-Wellenlängen-Bereich ist disjunkt zu dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB und beginnt beispielsweise bei einer Wellenlänge von 10 µm. Alle fünf Anästhesiemittel weisen in diesem Referenz-Wellenlängen-Bereich eine Transmission von größer als 0,9 auf. Das Signal des Referenz-Empfängers 6 hängt daher nicht von der Konzentration eines Zielgases in der Detektorkammer 3 ab. Der Referenz-Empfänger 6 kann ebenfalls ein Mikrofon umfassen oder einen photoelektrischen Sensor.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ermittelt die Auswerteeinheit 8 einen nicht korrigierten Wert für die Gaskonzentration, indem sie den funktionalen Konzentrations-Zusammenhang auf den Wert für die Schallintensität, den das Mikrofon 7 gemessen hat, anwendet. Abhängig von mindestens einem Signalwert des Referenz-Empfängers 6 und optional von mindestens einem Signalwert des Drucksensors 13 berechnet die Auswerteeinheit 8 einen Korrekturfaktor. Dieser Korrekturfaktor ist umso größer, je kleiner der aktuelle Wert des Signals des Referenz-Empfängers 6 ist. Ein kleiner Signalwert resultiert aus einer nachlassenden Intensität der Strahlungsquelle 1 und / oder aus einer Verschmutzung eines Fensters beispielsweise aufgrund von kondensierten Wassertröpfchen oder Staub oder weil die elektrische Spannung geringer wird. Die Auswerteeinheit 8 wendet den Korrekturfaktor auf den nicht korrigierten Konzentrationswert an, beispielsweise durch Multiplikation. Oder die Auswerteeinheit 8 dividiert den nicht korrigierten Wert für die Gaskonzentration durch einen Signalwert des Referenz-Empfängers 6, wobei der nicht korrigierte Wert und / oder der Signalwert bevorzugt geeignet normiert sind.
• In einer anderen Ausführungsform wird der Schalter 11 eingespart. Oder der Sensor 100 umfasst einen Schalter 11, lässt sich aber auch in einem Modus betreiben, in dem der Schalter 11 nicht benötigt wird. Die Auswerteeinheit 8 wendet nacheinander jeden funktionalen Konzentrations-Zusammenhang, der im Datenspeicher 9 abgespeichert ist, auf einen Wert für die Schallintensität, den das Mikrofon 7 gemessen hat, an. Dadurch berechnet die Auswerteeinheit 8 für jedes Anästhesiemittel, dem ein Konzentrations-Zusammenhang im Datenspeicher 9 zugeordnet ist, jeweils eine Konzentration. Auch bei dieser Ausgestaltung berechnet die Auswerteeinheit 8 bevorzugt jeweils einen nicht korrigierten Wert für die Gaskonzentrationen und einen Korrekturfaktor.
• Eine nicht gezeigte Ausgabeeinheit des Sensors 100 gibt das oder jedes Messergebnis in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form aus, beispielsweise als Zahlenwert. Oder eine ebenfalls nicht gezeigte Alarmeinheit des Sensors 100 gibt einen Alarm in einer von einem Menschen wahrnehmbaren Form aus, wenn eine Konzentration des oder mindestens eines Anästhesiemittels oberhalb einer vorgegebenen Schranke detektiert ist.
• Die elektromagnetischen Wellen eW durchdringen die Probenkammer 3 und das Fenster 5 und gelangen dann in die Detektionskammer 4. In einer Ausgestaltung, die den Bandpassfilter 14 einspart oder ergänzt, ist dieses Fenster 5 für elektromagnetische Wellen im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB, im Ausführungsbeispiel also im Wellenlängen-Bereich zwischen 7 und 10 µm, vollständig durchlässig und absorbiert elektromagnetische Wellen außerhalb des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs ZWB oder außerhalb eines größeren Wellenlängen-Bereichs, beispielsweise außerhalb des Bereichs von 6,5 bis 15,5 µm, der den Referenz-Wellenlängen-Bereich umfasst. Dank des Bandpassfilters 14 oder des absorbierenden Fensters 5 wird eine Querempfindlichkeit des Sensors 100 insbesondere auf Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2) verringert. Das Wellenlängen-Spektrum eines zu detektierenden Zielgases sowie das des Ersatzgases Eg, mit dem die Detektionskammer 4 befüllt ist, hat eine nur geringe Überlappung mit dem Wellenlängen-Spektrum von Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2), die häufig in der Umgebung des Sensors 100 auftreten, weswegen der unerwünschte Quereffekt gering ist.
• Bevorzugt sind in der Probenkammer 3 und / oder in der Detektionskammer 4 Spiegel angeordnet. Diese Spiegel vergrößern den optischen Weg von der Strahlungsquelle 1 zu dem Empfänger (Mikrofon 7). Bei einer Länge der Probenkammer 3 von wenigen cm lässt sich eine optische Länge von mehreren dm oder sogar mehreren m erzielen.
• Im Ausführungsbeispiel erreichen die elektromagnetischen Wellen eW, die die Detektionskammer 4 durchdringen, nicht nur das Mikrofon 7, sondern zusätzlich auch den Referenz-Empfänger 6. Dieser Referenz-Empfänger 6 misst die Intensität von elektromagnetischen Wellen eW in einem Wellenlängen-Bereich, der innerhalb desjenigen Wellenlängen-Bereichs liegt, der den Bandpassfilter 14 oder das Fenster 5 durchdringen kann, aber außerhalb des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs ZWB. Beispielsweise misst der Referenz-Empfänger 6 die Strahlungsintensität im Wellenlängen-Bereich von 10 bis 11 µm.Das Signal des Referenz-Empfängers 6 hängt wegen des Bandpassfilters 14 und / oder des absorbierenden Fensters 5 nur in geringem Maße, idealerweise überhaupt nicht, von der Konzentration des oder der Anästhesiemittel in der Probenkammer 3 ab. Das Signal verändert sich aber, wenn die Energie, mit welcher die Strahlungsquelle 1 IR-Wellen aussendet, abnimmt oder schwankt oder wenn das Fenster 5 oder ein weiteres Fenster verschmutzt ist. Der Referenz-Empfänger 6 umfasst beispielsweise einen pyroelektrischen Detektor oder mehrere Thermopiles.
• Im Gegensatz zu bekannten photoakustischen Sensoren ist in der Detektionskammer 4 nicht dasjenige Gas enthalten, welches detektiert werden soll, also nicht das Zielgas. Vielmehr ist die Detektionskammer 4 frei von einem Zielgas. Ein photoakustischer Sensor, bei dem in der Detektionskammer 4 ein Anästhesiemittel enthalten wäre, hätte insbesondere folgende Nachteile:
• - Manche Anästhesiemittel sind reaktionsfreudig und sogar chemisch aggressiv, reagieren also mit anderen Materialien, beispielsweise mit Dichtungen oder anderen Materialien der Detektionskammer 4.
• - Manche Anästhesiemittel verändern sich chemisch von alleine, insbesondere bei einer längeren Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen eW.
• - Manche Anästhesiemittel sind je nach Umgebungstemperatur entweder flüssig oder gasförmig, wobei der Aggregatzustand sich auf das spektrale Absorptionsverhalten auswirkt und zu einer Verfälschung eines Messergebnisses führen kann.
• Daher ist in der fluiddichten Detektionskammer 4 nicht ein Anästhesiemittel, sondern ein Ersatzgas Eg vorhanden. Die Detektionskammer 4 ist frei von dem oder jedem zu detektierenden Anästhesiem ittel. Bevorzugt hat das Ersatzgas Eg in der Detektionskammer 4 einen Partialdruck, der zwischen 100 mbar und 2.000 mbar liegt.
• Dieses Ersatzgas Eg besitzt im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB, hier also im Wellenlängen-Bereich von 7 µm bis 10 µm, ein ähnliches spektrales Absorptionsverhalten wie ein zu detektierendes Anästhesiemittel.
• Der Begriff „ähnliches spektrales Absorptionsverhalten“ ist im Ausführungsbeispiel wie folgt konkretisiert: Die spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas, hier einem Anästhesiemittel, und dem Ersatzgas Eg liegt wenigstens bei Zimmertemperatur, also bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10 °C und 40 °C, oberhalb von 0,2, bevorzugt oberhalb von 0,35, besonders bevorzugt oberhalb von 0,5. Die spektrale Überlappung ist ein Maß für die Übereinstimmung zwischen dem spektrale Verlauf der Transmission des Anästhesiemittels und dem spektrale Verlauf der Transmission des Ersatzgases Eg. Die spektrale Überlappung berücksichtigt nur die spektrale Verläufe im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB und ist auf den Bereich von 0 bis 1 normiert. Je mehr die spektrale Verläufe im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB übereinstimmen, desto größer ist die spektrale Überlappung.
• Der spektrale Verlauf der Transmission Tr eines Gases x ist die Funktion Tr[x](A). Die spektrale Überlappung Ov[x,y] im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB zwischen zwei Gasen x und y wird bevorzugt gemäß der Formel $$\text{Ov}\left[\text{x},\text{y}\right]=\frac{{\left\{{\displaystyle \underset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{min}}}{\overset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{max}}}{\int }}\left[1-\text{Tr}\left[\text{x}\right]\left(\mathrm{\lambda }\right)\right]*\left[1-\text{Tr}\left[\text{y}\right]\left(\mathrm{\lambda }\right)\right]}\text{d}\mathrm{\lambda }\right\}}^2}{\left\{{\displaystyle \underset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{min}}}{\overset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{max}}}{\int }}{\left[1-\text{Tr}\left[\text{x}\right]\left(\mathrm{\lambda }\right)\right]}^2\text{d}\mathrm{\lambda }}\right\}*\left\{{\displaystyle \underset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{min}}}{\overset{{\mathrm{\lambda }}_{\text{max}}}{\int }}{\left[1-\text{Tr}\left[\text{y}\right]\left(\mathrm{\lambda }\right)\right]}^2\text{d}\mathrm{\lambda }}\right\}}$$

  

  berechnet.
• Die Transmission und die Extinktion eines Gases können auch von dem Partialdruck dieses Gases in einem Gasgemisch abhängen. Die obige Formel, mit der bevorzugt die spektrale Überlappung zwischen den Gasen x und y berechnet wird, hängt weniger stark als andere mögliche Rechenvorschriften von unterschiedlichen Partialdrücken in der Probenkammer 3 und der Detektionskammer 4 ab.
• In der Praxis wird die spektrale Überlappung Ov[x,y] durch eine numerische Integration mit einer Schrittweite von [λ_max - λ_min] / N berechnet, wofür die Werte der Transmissionen Tr[x](λ_i) und Tr[y](λ_i) für N+1 verschiedene Wellenlängen λ₀, ..., AN verwendet werden, beispielsweise λ_i = Amin + i/N*[λ_max - λ_min] (i=0,1 ,... , N). Diese Werte Tr[x](λ_i) und Tr[y](λ_i) für die Transmissionen sind in vielen Fällen bekannt oder lassen sich empirisch ermitteln.
• Die spektrale Überlappung Ov[x,x] eines Gases x mit sich selbst beträgt 1. Falls das Gas x im gesamten Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB eine Transmission von 1 und das Gas y eine von 0 aufweist (eine theoretische Situation), so beträgt die spektrale Überlappung 0. Eine ausreichende spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas und dem Ersatzgas liegt vor, wenn die Überlappung gemäß der oben genannten oder einer anderen geeigneten Formel oberhalb von 0,2, bevorzugt oberhalb von 0,35, besonders bevorzugt oberhalb von 0,5 liegt.
• Weiter oben wurde beschrieben, wie in einer vorhergehenden Kalibrierungsphase sichergestellt wird, dass derselbe Sensor 100 unterschiedliche Anästhesiemittel detektieren kann, wobei ein Benutzer in der Nutzphase mithilfe eines Schalters 11 festlegt, welches Anästhesiegas zu detektieren ist.
• Bevorzugt wird als Ersatzgas Eg mit ähnlichem Absorptionsverhalten ein teilfluoriertes Gas verwendet. Die C-F-Gruppen oder C-Cl-Gruppen eines Ersatzgases weisen dann ein ähnliches spektrales Absorptionsverhalten für elektromagnetische Wellen eW im Infrarotbereich auf wie Anästhesiemittel, zumindest im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB. 2 und 3 zeigen den Transmissionsgrad Tr(A) von fünf handelsüblichen Anästhesiemitteln (oben) sowie die Extinktion Ex(λ) von zwei teilflorierten Ersatzgasen (unten), nämlich von dem Treibmittel R134a (Tetrafluorethan) und dem Treibmittel R227ea (Heptafluorpropan). Auf der rechten y-Achse ist die Extinktion Ex(λ) aufgetragen.
• Das verwendete Ersatzgas Eg lässt sich einfacher handhaben als das oder ein oder jedes zu detektierende Anästhesiemittel. Dies bedeutet, dass mindestens eine der nachfolgenden Eigenschaften erfüllt ist, idealerweise alle Eigenschaften:
• - Das Ersatzgas Eg weist eine geringere chemische Reaktionsfreudigkeit auf, ist also chemisch reaktionsträger, als das Anästhesiemittel. Idealerweise ist das Ersatzgas Eg chemisch inert, zumindest bezüglich jedes Werkstoffs, der im Sensor 100 verwendet wird.
• - Das Ersatzgas Eg ist in dem gesamten in Betracht kommenden Temperaturbereich gasförmig. Bei einem Einsatz in einem geschlossenen Raum liegt dieser Temperaturbereich (bei üblicher Zimmertemperatur) bevorzugt zwischen 10° C und 40° C.
• - Das Ersatzgas Eg verändert sich im Laufe der Zeit weniger stark als das Anästhesiemittel, auch bei einer längeren Bestrahlung durch elektromagnetische Wellen eW im Infrarotbereich. Idealerweise verändert das Ersatzgas Eg sich überhaupt nicht.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Detektionskammer 4 mit einer Mischung aus einem Gas, welches ein ähnliches Absorptionsverhalten wie mindestens ein zu detektierendes Anästhesiemittel aufweist, sowie einem Verdünnungsgas gefüllt, das im gesamten Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB eine Transmission oberhalb von 0,9 aufweist. Als Verdünnungsgas wird beispielsweise Stickstoff (N2) verwendet. Im gesamten Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB weist Stickstoff eine Transmission Tr oberhalb von 0,99 auf, beeinflusst also fast überhaupt nicht die Erzeugung des akustischen Effekts. Jedoch führt die Beimischung des Verdünnungsgases dazu, dass die elektromagnetischen Wellen eW in der Detektionskammer 4 weniger stark absorbiert werden und der akustische Effekt daher stärker ist. Das Gemisch aus dem eigentlichen Ersatzgas und dem Verdünnungsgas fungiert als das Ersatzgas Eg, welches im Zielgas-Wellenlängen-Bereich ZWB eine spektrale Überlappung oberhalb von 0,2 aufweist.
• Bezugszeichenliste

1

Strahlungsquelle, sendet IR-Wellen aus

2

Gehäuse des photoakustischen Sensors 100

3

Probenkammer, nimmt eine Probe Gp eines zu untersuchendem Gasgemischs auf

4

fluiddichte Detektionskammer, enthält das Ersatzgas Eg

5

Fenster vor der Detektionskammer 4

6

Referenz-Empfänger, liefert einen Korrekturfaktor

7

akustischer Empfänger in Form eines Mikrofons, misst den akustischen Effekt, den die elektromagnetischen Wellen eW in der Detektionskammer 4 erzeugen

8

Auswerteeinheit, empfängt Signale vom Mikrofon 7 und vom Referenz-Empfänger 6 und optional vom Drucksensor 13, hat Lesezugriff auf den Datenspeicher 9

9

Datenspeicher, enthält für jedes zu detektierende Gas jeweils mindestens einen Konzentrations-Zusammenhang Mikrofonsignal-Zielgas-Konzentration

10

Einlass in die Probenkammer 3, durch einen mechanischen Filter gesichert

11

Schalter, mit dem ein Benutzer ein zu detektierendes Anästhesiemittel auswählen kann

12

Modulator, moduliert die von der Strahlungsquelle 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen eW

13

Drucksensor, der den Druck in der Probenkammer 3 misst

14

optischer Bandpassfilter zwischen der Strahlungsquelle 1 und der Probenkammer 3

15

Spannungsversorgungseinheit des Sensors 100

16

Thermometer, misst die Temperatur der Umgebung um den Sensor 100

100

photoakustischer Sensor, umfasst die Strahlungsquelle 1, den Bandpassfilter 14, den Modulator 12, die Probenkammer 3, die Detektionskammer 4, das Fenster 5, den Referenz-Empfänger 6, den akustischen Empfänger 7, das Thermometer 16, die Auswerteeinheit 8, den Datenspeicher 9, den Schalter 11, die Spannungsversorgungseinheit 15 und das Gehäuse 2

Eg

Ersatzgas in der Detektionskammer 4

eW

elektromagnetische Wellen, von der Strahlungsquelle 1 emittiert, durchdringen die Probenkammer 3 und die Detektionskammer 4

Ex[x] =

Extinktion (Absorptionsgrad) des Gases x in Abhängigkeit der

Ex[x](λ)

Wellenlänge λ, ist eine Zahl >= 0

Gp

auf Anästhesiemittel zu untersuchende Gasprobe in der Probenkammer 3

λmax

obere Grenze des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs ZWB, z.B. gleich 10 µm

λmin

untere Grenze des Zielgas-Wellenlängen-Bereichs ZWB, z.B. gleich 7 µm

Tr[x] =

Transmission (Transmissionsgrad) des Gases x, Anteil der

Tr[x](A)

Intensität nach Passieren des Gases x in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ, ist eine Zahl zwischen 0 und 1

Um

Umgebung, die ein Anästhesiemittel enthalten kann, welches detektiert werden soll, steht in einer Fluidverbindung mit der Probenkammer 3

ZWB

Zielgas-Wellenlängen-Bereich, in dem ein zu detektierendes Zielgas die elektromagnetischen Wellen eW abschwächt, reicht von λ_min bis Amax

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012217479 B3 [0003]
• DE 102016216875 A1 [0007]

Claims (11)

1. Photoakustischer Sensor (100) zur Detektion mindestens eines Zielgases in einem Bereich (Um), wobei der Sensor (100) - eine Strahlungsquelle (1), - eine Probenkammer (3), - eine Detektionskammer (4) und - einen akustischen Empfänger (7), insbesondere ein Mikrofon, umfasst, wobei die Probenkammer (3) - in einer Fluidverbindung mit dem Bereich (Um) steht und - dazu ausgestaltet ist, eine Gasprobe (Gp) aus dem Bereich (Um) aufzunehmen, wobei die Detektionskammer (4) fluiddicht gegen die Umgebung der Detektionskammer (4) abgedichtet ist, wobei die Strahlungsquelle (1) dazu ausgestaltet ist, elektromagnetische Wellen (eW) in Richtung der Probenkammer (3) abzustrahlen, wobei der Wellenlängen-Bereich der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen (eW) einen Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB), in welchem das oder jedes zu detektierende Zielgas die Intensität von elektromagnetischen Wellen (eW) abschwächt, umfasst, wobei der Sensor (100) so ausgestaltet ist, dass - abgestrahlte elektromagnetische Wellen (eW) die Probenkammer (3) und die Detektionskammer (4) durchdringen und - die elektromagnetischen Wellen (eW) beim Durchdringen der Detektionskammer (4) in der Detektionskammer (4) einen akustischen Effekt auslösen, der mit der Intensität der die Detektionskammer (4) durchdringenden elektromagnetischen Wellen (eW) korreliert, wobei der akustische Empfänger (7) dazu ausgestaltet ist, - ein Maß für den von den elektromagnetischen Wellen (eW) in der Detektionskammer (4) ausgelösten akustischen Effekt zu messen und - ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt zu erzeugen, wobei die Detektionskammer (4) - frei von dem oder jedem zu detektierenden Zielgas ist und - mit einem Ersatzgas (Eg) gefüllt ist, wobei mindestens bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10° C und 40° C - das Ersatzgas (Eg) chemisch reaktionsträger als das oder jedes zu detektierende Zielgas ist und - die spektrale Überlappung in dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) zwischen dem oder mindestens einem zu detektierenden Zielgas und dem Ersatzgas (Eg) oberhalb von 0,2 liegt, bevorzugt oberhalb von 0,35, besonders bevorzugt oberhalb von 0,5, und wobei die spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas und dem Ersatzgas (Eg) ein auf den Bereich zwischen 0 und 1 normiertes Maß für die Übereinstimmung zwischen dem spektralen Verlauf der Transmission des Zielgases und dem spektralen Verlauf der Transmission des Ersatzgases (Eg) im Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) ist.
2. Photoakustischer Sensor (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzgas (Eg) bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10° C und 40° C gasförmig ist, und zwar sowohl dann, wenn elektromagnetischen Wellen (eW) die Detektionskammer (4) durchdringen, als auch dann, wenn keine elektromagnetischen Wellen (eW) die Detektionskammer (4) durchdringen.
3. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzgas (Eg) chemisch stabiler ist als das oder jedes zu detektierende Zielgas.
4. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) so ausgestaltet ist, dass der Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) den Bereich von 7 µm bis 10 µm umfasst.
5. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzgas (Eg) einen teilfluorierten Kohlenwasserstoff umfasst, insbesondere Tetrafluorethan oder Heptafluorpropan.
6. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzgas (Eg) ein Verdünnungsgas, insbesondere Stickstoff, umfasst, welches im Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) eine Transmission oberhalb von 0,9, bevorzugt oberhalb von 0,95, besonders bevorzugt oberhalb von 0,99, aufweist.
7. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) einen Referenz-Empfänger (6) umfasst, wobei der Referenz-Empfänger (6) dazu ausgestaltet ist, - ein Maß für die Intensität der die Detektionskammer (4) durchdringenden elektromagnetischen Wellen (eW) in einem Referenz-Wellenlängen-Bereich zu messen, wobei dieser Referenz-Wellenlängen-Bereich disjunkt zu dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) ist, und - ein Signal für die gemessene Intensität im Referenz-Wellenlängen-Bereich zu erzeugen.
8. Photoakustischer Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) einen Datenspeicher (9) und eine datenverarbeitende Auswerteeinheit (8) umfasst, wobei in dem Datenspeicher (9) für mindestens ein zu detektierendes Zielgas ein rechnerauswertbarer Konzentrations-Zusammenhang zwischen - der Konzentration dieses Zielgases in der Probenkammer (3) und - dem messbaren Maß für den in der Detektionskammer (4) ausgelösten akustischen Effekt abgespeichert ist und wobei die Auswerteeinheit (8) dazu ausgestaltet ist, in Abhängigkeit vom Signal des akustischen Empfängers (7) und unter Verwendung des Konzentrations-Zusammenhangs die Konzentration des oder eines Zielgases in der Probenkammer (3) zu ermitteln.
9. Photoakustischer Sensor (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100) eine von einem Menschen benutzbare Auswahleinheit (11) umfasst, wobei die Auswahleinheit (11) dazu ausgestaltet ist, eine Auswahl eines zu detektierenden Zielgases zu erfassen, wobei in den Datenspeicher (9) für mindestens zwei verschiedene unterschiedliche Zielgase, die mittels der Auswahleinheit auswählbar sind, jeweils ein rechnerauswertbarer Konzentrations-Zusammenhang abgespeichert ist und wobei die Auswerteeinheit (8) dazu ausgestaltet ist, die Konzentration des ausgewählten Zielgases in der Probenkammer (3) zu ermitteln und hierfür denjenigen Konzentrations-Zusammenhang zu verwenden, der in dem Datenspeicher (9) für das ausgewählte Zielgas abgespeichert ist.
10. Verwendung eines Sensors (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Detektion mindestens eines Anästhesiemittels (Sev, Enf, Des, Hal, Iso) oder eines Lösungsmittels, wobei der Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) den Bereich von 7 µm bis 10 µm umfasst.
11. Verfahren zur Detektion mindestens eines Zielgases in einem Bereich (Um) unter Verwendung eines photoakustischen Sensors (100), der - eine Strahlungsquelle (1), - eine Probenkammer (3), - eine Detektionskammer (4) und - einen akustischen Empfänger (7), insbesondere ein Mikrofon, umfasst, wobei ein Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB), in welchem das oder jedes zu detektierende Zielgas die Intensität von elektromagnetischen Wellen (eW) abschwächt, vorgegeben wird, wobei die Detektionskammer (4) - fluiddicht gegen die Umgebung der Detektionskammer (4) abgedichtet ist, - frei von dem oder jedem zu detektierenden Zielgas ist und - ein Ersatzgas (Eg) aufnimmt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass - ein Zustand bewirkt wird, bei dem eine Gasprobe (Gp) aus dem Bereich (Um) in die Probenkammer (3) fließt, - die Strahlungsquelle (1) elektromagnetische Wellen (eW) in Richtung der Probenkammer (3) abstrahlt, wobei der Wellenlängen-Bereich der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen den Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) umfasst, - abgestrahlte elektromagnetische Wellen (eW) die Probenkammer (3) und die Detektionskammer (4) durchdringen und - die elektromagnetischen Wellen (eW) beim Durchdringen der Detektionskammer (4) in der Detektionskammer (4) einen akustischen Effekt auslösen, der mit der Intensität der die Detektionskammer (4) durchdringenden elektromagnetischen Wellen (eW) korreliert, - der akustische Empfänger (7) ein Maß für den von den elektromagnetischen Wellen (eW) in der Detektionskammer (4) ausgelösten akustischen Effekt misst und - der akustische Empfänger (7) ein Signal für den gemessenen akustischen Effekt erzeugt, wobei mindestens bei einer Umgebungstemperatur zwischen 10° C und 40° C - das Ersatzgas (Eg) chemisch reaktionsträger als das oder jedes zu detektierende Zielgas ist und - die spektrale Überlappung in dem Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) zwischen dem oder mindestens einem zu detektierenden Zielgas und dem Ersatzgas (Eg) oberhalb von 0,2 liegt, bevorzugt oberhalb von 0,35, besonders bevorzugt oberhalb von 0,5, und wobei die spektrale Überlappung zwischen dem Zielgas und dem Ersatzgas (Eg) ein auf den Bereich zwischen 0 und 1 normiertes Maß für die Übereinstimmung zwischen dem spektralen Verlauf der Transmission des Zielgases und dem spektralen Verlauf der Transmission des Ersatzgases (Eg) im Zielgas-Wellenlängen-Bereich (ZWB) ist.

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