DE10241244C1 - Messkopf für eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines paramagnetischen Gases - Google Patents

Abstract

Es wird ein neuer Messkopf für die Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasprobe mit folgenden Merkmalen vorgeschlagen: DOLLAR A a) Der Messkopf weist ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Gehäuseteil (21, 2) aus einer Stahllegierung für die Aufnahme je eines konzentrisch um die Mittelachse jedes Gehäuseteils (21, 2) verlaufenden ersten und zweiten Magnetspulenkörpers (4, 5) auf, DOLLAR A b) im Zentrum des Messkopfes sind im Bereich der Mittelachse der Gehäuseteile (21, 2) metallische zylindrische Stäbe (31, 3) angeordnet, die als Magnetpole für den Messkopf dienen und im zusammengesetzten Zustand des Messkopfes mit einem definierten Luftspalt beabstandet sind, DOLLAR A c) im Luftspalt zwischen den Gehäuseteilen (21, 2) ist für die Positionierung eines Messgasküvettenhalters (1) eine Messgasküvettenaufnahme (6) vorgesehen und DOLLAR A d) die Messgasküvettenaufnahme (6) ist mit einem Gasein- und einem Gasauslass (8, 81) versehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messkopf für eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasprobe, insbeson­ dere von Sauerstoff in Atemgas.

Eine ältere Anordnung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasmischung ist gemäß DE 20 58 633 A1 unter anderem dadurch gekennzeichnet, dass ein hohler zylindrischer Magnet mit Abschlussteilen an beiden Enden und mit sich zentrisch von den Abschlussteilen nach innen erstreckenden Polstücken vorgesehen ist, deren innere Endstücke einen Luftspalt bilden und dass eine Einlass- und Auslassöffnung für das zu analysierende Gasgemisch und vier elektrische, entlang einer im Wesentlichen sich diametral über den Luftspalt erstreckenden Linie angeordnete Widerstandsheizelemente vorgesehen sind, so dass eine Erhitzung der Heizelemente und, bei Vorhandensein eines paramagnetischen Gases, das Entstehen eines magnetischen Windes hervorrufbar ist, um so von den inneren Heizelementen Wärme zu entfernen und auf die äußeren Heizelemente zu übertragen.

In der DE 34 00 140 C1 wird ein Gasanalysator für paramagnetische Gase beschrieben mit einer speziellen Ausbildung der Magnetpolflächen und der zylindrischen Messkammer mit kreisförmig begrenzten Weicheisenpolschuhen als Abschluss. Ein Messgerät zur Bestimmung der Suszeptibilitätsdifferenz zweier Gase ist gemäß EP 0 343 519 A2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnflächen der Polschuhe die Außenflächen der Messkammerwände nicht berühren.

Eine bekannte Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines paramag­ netischen Gases geht aus DE 100 37 380 A1 hervor und ist gekennzeichnet durch eine modulierbare Magnetfeldquelle mit einem Luftspalt, eine Modulationsquelle zur Abgabe eines Modulationssignals an die Magnetfeldquelle, ein zumindestens teilweise innerhalb des Luftspaltes angeordnetes, durch eine Stromquelle auf eine Arbeitstemperatur aufgeheiztes Messelement zur Abgabe eines Wärmefluss- Messsignales und durch eine mit dem Messelement verbundene Filtereinrichtung zum Abtrennen von Schwankungen aus dem Wärmefluss-Messsignal aufgrund der Modulation des Magnetfeldes, wobei die sich ändernde Amplitude der Schwankungen ein Maß für den Anteil des paramagnetischen Gases in der Gasprobe ist. Die Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgt in dem mit einer Messgasküvette bestückten Luftspalt eines elektrisch modulierbaren Magnetsystems. Bei den bisher verwendeten Messsystemen ist es einerseits schwierig, geeignete Spulenkerne herzustellen, mit denen die für ein starkes Messsignal notwendigen hohen Magnetflussdichten im Luftspalt mit der Messgasküvette reproduzierbar erzeugt werden können. Andererseits muss der schmale Luftspalt für eine zuverlässige Messung mit geometrischer Präzision und sehr kleinen Toleranzen gefertigt werden. Schließlich sollen elektrische und magnetische Störfelder abgeschirmt werden, um die Messung nicht zu stören. Letztlich ist ein mechanischer Schutz des Messsystems wünschenswert. Die bisherigen Messanordnungen sind mit den genannten Mängeln behaftet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Messkopfes mit einem präzisen Luftspalt, mit einer hohen Magnetfeldhomogenität und mit einer Abschirmung gegen elektromagnetische Störfelder, wobei der Messkopf zusätzlich einen mechanischen Schutz bietet und aus wenigen Komponenten besteht.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Messkopfes nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil des Messkopfes nach Anspruch 1 besteht in der kompakten Ausbildung aus den relativ einfach zu fertigenden Systemkomponen­ ten Magnetsystem, Messgas-Küvettenaufnahme und Gehäuse.

Der Messkopf gemäß Erfindung besteht aus einem zweigeteilten zylindrischen Gehäuse, dessen längsaxiales Zentrum im Bereich der Mittelachse metallische, zylindrische Stäbe aufweist, die als Magnetpole dienen.

Der geometrisch angepasste erste Spulenkörper befindet sich im ersten Teil des zylindrischen Gehäuses, während der zweite Teil des Gehäuses einen zweiten Spulenkörper aufnimmt. Die Messgasküvette sowie die Gasführung für die Messgasküvette wird entweder vom zweiten Gehäuseteil aufgenommen oder befindet sich alternativ in einem zusätzlichen Modul zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil.

Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Hilfe der Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht durch die Systemkomponenten eines ersten Aus­ führungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der System­ komponenten eines zweiten Ausführungs­ beispiels der Erfindung.

Der Messkopf gemäß Fig. 1 besteht aus einem zweigeteilten zylindrischen Gehäuse mit einem in Fig. 1 unten gezeigten, ersten Gehäuseteil 21, das aus einer geeigneten Stahllegierung (Automatenstahl) besteht und sich durch kon­ ventionelle Fertigungsmethoden wie Drehen und Fräsen präzise bearbeiten lässt. Im längsaxialen Zentrum der Mittelachse des ersten und des zweiten Gehäuseteils 21, 2 befinden sich zylindrische Stäbe 31, 3, die als Magnetpole für das Magnetsystem dienen und zwischen denen ein präziser Luftspalt gebildet wird. Der Luftspalt kann durch einen beispielsweise in einem Gewinde drehbaren Stab 31 oder 3 eingestellt und justiert werden. Der geometrisch angepasste erste Magnetspulenkörper 4 wird in dem ersten Gehäuseteil 21 montiert und bildet den ersten Teil des Magnetsystems. Den zweiten Teil des Magnetsystem bildet das zweite Gehäuseteil 2, ebenfalls aus einer Stahllegierung, in den der zweite Magnetspulenkörper 5 eingebracht ist, mit der integrierten Gasführung 7, sowie einer geformten Messgas-Küvettenaufnahme 6.

Die Messgasküvette im Messgasküvetten-Halter 1 ist passgenau und präzise in der Messgas-Küvettenaufnahme 6 zwischen den Gehäuseteilen 21, 2 und den die Magnetpole bildenden zylindrischen Stäben 31,3 positioniert. Somit ist der Messgasküvetten-Halter 1 auch mechanisch geschützt. Die zusammengesetzten Gehäuseteile 2, 21 bilden das Gehäuse des Messkopfes, dienen zur Aufnahme der Magnetspulenkörper 4, 5 und ersetzen gleichzeitig bisher notwendige, als separate Bauteile gefertigte und montierte Magnetspulenkerne. Durch die gewählte Bauform werden elektromagnetische Streuverluste an die Umgebung vermieden und äußere elektromagnetische Störungen abgeschirmt. Zusätzlich ist eine kompakte, robuste und kostengünstige Bauweise gewährleistet. Die Gasführung 7 für die Zu- und Ableitung der Gasprobe ist durch zwei Gaskanäle in der Wandung des zweiten Magnetspulenkörpers 5 realisiert, welche parallel zur Längsachse des zylinderförmigen zweiten Gehäuseteils 2 verlaufen. Die beiden Gaskanäle münden an der Messgas-Küvettenaufnahme 6 in dem Gasein- und -auslass 8, 81 des Messgasküvetten-Halters 1. Der Anschluss an die externe Gasführung, beispielsweise zu einem Gasprobenahmesystem eines Anästhesie- oder Beatmungssystems, erfolgt durch zwei, mit dem zweiten Gehäuseteil 2 verbundene Hülsen 9, 91. Die Hülsen 9, 91 dienen als Schlauchanschlüsse für die externe Gaszu- und -abführung.

Fig. 2 zeigt eine alternative Gestaltung des Messkopfes, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Die Gasführung erfolgt durch ein die beiden Gehäuseteile 2, 21 mechanisch über Stege und Aussparungen verbindendes Modul 10 aus einem den magnetischen Fluss nicht leitenden Material, speziell aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Polysulfon oder aus POCAN®, welches durch Zusammenfügung mit den Gehäuseteilen 2, 21 in das Magnetsystem integriert wird. Das Modul 10 koppelt somit die Gehäuseteile 2, 21 in definiertem Abstand, stellt die Gasführung her, integriert den Messgasküvetten- Halter 1 einschließlich der Messgasküvette und schützt diese mechanisch. Die Messgas-Küvettenaufnahme 6 befindet sich im Bereich der Mittelachse auf dem Modul 10. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel wird die Messgasküvette über den Gasein- und -auslass 8, 81 begast. Der Anschluss an ein externes Gasprobenahmesystem geschieht mit den im Modul 10 integrierten Hülsen 9, 91, mit der Folge, dass eine mechanische Zugentlastung vom Gasprobenahmesystem durch das Modul 10 und durch dessen Kopplung mit dem übrigen Magnetsystem stattfindet. Somit wird eine Störung der Messung durch externe mechanische Einflüsse auf den Messgasküvetten-Halter 1 weitgehend vermieden. Dies gilt gleichermaßen für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit dem Anschluss an ein externes Gasprobenahmesystem über die Hülsen 9, 91.

Durch die Führung des Gasstromes innerhalb des Magnetsystems wird mit dessen Verlustleistung eine Vorwärmung der zu messenden Gasprobe gewährleistet, wodurch eine schnelle, leistungsarme Regelung auf die Arbeitstemperatur im Inneren der Messgasküvette möglich ist.

Zur Messung der Konzentration eines paramagnetischen Gases in einer Gasprobe und speziell von Sauerstoff in Atemgas aufgrund der Veränderung der Wärmeleit­ fähigkeit in sich verändernden Magnetfeldern kann als Signalverarbeitungsver­ fahren beispielsweise das Lock-In-Verfahren angewendet werden, so dass sehr kleine Messsignale aus dem Hintergrundrauschen detektiert und aufbereitet werden. Für die Anwendung derartiger Auswerteverfahren ist eine Signal­ modulation erforderlich. Hierbei kann über eine Sinusansteuerung des Magnetsystems im Messkopf insbesondere mit der positiven und der negativen Halbwelle eine zur Veränderung der Wärmeleitfähigkeit des zu messenden paramagnetischen Gases erforderliche periodische Veränderung der Magnetflussdichte am Ort der Messgasküvette erzeugt werden. Dabei geht die pro Halbwelle der Sinusansteuerung des Magnetsystems hervorgerufene Wärmeleitungsänderung mit einer durch eine beheizte Thermoelementanordnung erfassten Temperaturänderung einher. Die Temperaturänderung des zu messenden Gases geschieht pro Halbwelle der Sinusansteuerung, also mit der doppelten Frequenz der Anregungsfrequenz.

Claims (8)

1. Messkopf für eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration eines para­ magnetischen Gases in einer Gasprobe in Abhängigkeit von der Veränderung der Wärmeleitfähigkeit des paramagnetischen Gases in einem veränderlichen Magnetfeld mit folgenden Merkmalen:

• a) Der Messkopf weist ein erstes und ein zweites zylinderförmiges Gehäuse­ teil (21, 2) aus einer Stahllegierung für die Aufnahme je eines konzentrisch um die Mittelachse jedes Gehäuseteils (21, 2) verlaufenden ersten und zweiten Magnetspulenkörpers (4, 5) auf,
• b) im Zentrum des Messkopfes sind im Bereich der Mittelachse der Gehäuseteile (21, 2) metallische zylindrische Stäbe (31, 3) angeordnet, die als Magnetpole für den Messkopf dienen und im zusammenge­ setzten Zustand des Messkopfes mit einem definierten Luftspalt beabstandet sind,
• c) im Luftspalt zwischen den Gehäuseteilen (21, 2) ist für die Positionierung eines Messgasküvetten-Halters (1) eine Messgasküvettenaufnahme (6) vorgesehen und
• d) die Messgasküvettenaufnahme (6) ist mit einem Gasein- und einem Gasauslass (8, 81) versehen.

2. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgasküvettenaufnahme (6) durch Aussparungen für die Aufnahme des Messgasküvetten-Halters (1) im zweiten Magnetspulenkörper (5) ausgebildet ist.

3. Messkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Anschluss an ein externes Gasprobenahmesystem mindestens eine fest­ stehende Hülse (9, 91) vorgesehen ist, welche über eine Gasführung (7) mit dem Gasein- und Gasauslass (8, 81) verbunden ist.

4. Messkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasführung (7) über separate Gaskanäle in der Wandung des zweiten Magnetspulenkörpers (5) parallel zur Mittelachse des zweiten Gehäuseteils (2) verläuft und die mindestens eine feststehende Hülse (9, 91) für den Anschluss an ein externes Gasprobenahmesystem mit dem zweiten Magnetspulenkörper (5) verbunden ist.

5. Messkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches scheibenförmiges Modul (10) passgenau zwischen den Gehäuseteilen (21, 2) eingefügt ist, welches mit der Küvettenaufnahme (6) und mit dem Gasein- und dem Gasauslass (8, 81) ausgestattet ist.

6. Messkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuseteile (21, 2) aus Automatenstahl gefertigt sind, insbesondere einstückig mit dem jeweils zugehörigen zylindrischen Stab (31, 3).

7. Messkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (10) aus einem den magnetischen Fluss nicht leitenden Material besteht, insbesondere aus einem Polysulfon (PSU) oder aus POCAN®.

8. Messkopf nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt zwischen den als Magnetpole dienenden zylindrischen Stäben (31, 3) mittels eines an einem der Stäbe (31, 3) angeord­ neten Gewindes eingestellt und justiert ist.