DE202014105760U1 - Vorrichtung zur Analyse von Messgasen, insbesondere Atemluft - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (10) für die Analyse eines Messgases, vorzugsweise von Atemluft, insbesondere zur isotopengetrennten Detektion von Gasen in Luft, aufweisend: eine Messzelle (100) mit einem Einlass (300) und einem Auslass (160) für das zu analysierende Messgas; eine Laser-Detektor-Anordnung (220), mit wenigstens einer Laserlichtquelle (450) zur Erzeugung von Laserlicht und mit wenigstens einem Detektor (440, 460) zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung (220) derart ausgebildet ist, dass die Messzelle (100) sich in einem Strahlengang (L4) des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle (450) und Detektor (440, 460) befindet; eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Detektorsignal des Detektors (440, 460) zwecks Analyse des Messgases auszuwerten; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) wenigstens einen der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe umfasst, vorzugsweise eine Kombination einiger der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe, höchst vorzugsweise eine Kombination aller der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe: eine Einrichtung (320, 330, 360) zum durchflussabhängigen Vorheizen des Messgases, die in Strömungsrichtung des Messgases vor einer Haupt-Temperierungs-Einheit (340) der Vorrichtung angeordnet ist; wenigstens eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Messzelle (100), vorzugsweise Heizfolie (130), die an der Messzelle (100) vorgesehen ist; eine in die Messzelle (100), vorzugsweise herausnehmbar, integrierte Spiegeleinheit (110), welche Spiegeleinheit (110) derart ausgebildet ist, dass die Messzelle (100) von dem Laserlicht auf seinem Weg zum Detektor (440, 460) zweimal durchlaufen wird (L4); ein zwischen der Messzelle (100) und der Laser-Detektor-Anordnung (220) angeordneter Strahlteiler (120), der vorzugsweise in Form eines Keilfensters ausgeführt ist; in der Laser-Detektor-Anordnung (220) als Detektor einen Signaldetektor (460) und einen zusätzlichen Referenzdetektor (440), vorzugsweise jeweils gleichen Typs; an dem Auslass ein Auslass-Ventil (160) zum Ausleiten von Messgas aus der Messzelle (100), welches Auslass-Ventil (160) eine Styroporkugel oder einen Körper aus einem vergleichbar leichten Material umfasst, die oder der auf einem Dichtelement, vorzugsweise O-Ring, aufliegt und so ein Ventil, vorzugsweise Kugelventil, bildet.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. ein Spektrometer zur Analyse eines Messgases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend: eine Messzelle mit einem Einlass und einem Auslass für das zu analysierende Messgas; eine Laser-Detektor-Anordnung, mit wenigstens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht und mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet ist, dass die Messzelle sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet; und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Detektorsignal des Detektors zwecks Analyse des Messgases auszuwerten.
• Grundlagen dieser Analyse sind beispielsweise aus der Veröffentlichung „Nichtinvasive Funktionsdiagnostik aus der Atemluft mit 13C-Atemtests" von Braden et al. im Deutschen Ärzteblatt, Heft 51–52, 2003, bekannt. Dabei wird nach Applikation einer mit ¹³C markierten Substanz deren Metabolisierung anhand einer ¹³CO₂-Anreicherung in der Atemluft eines Probanden beobachtet. Hierzu dient auch die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche allgemein zur isotopengetrennten Detektion von Gasen in einem Messgas, beispielsweise (Atem-)Luft, ausgebildet ist.
• Ursprünglich wurden entsprechende Atemtests ortsunabhängig durchgeführt, indem Atemproben in Glasröhrchen oder dgl. eingeschlossen und zur Analyse an ein Labor versandt wurden. Entsprechend konnten bei der Analyse im Labor große, ortsgebundene Analysevorrichtungen eingesetzt werden. Diese umfassten insbesondere entsprechend dimensionierte Kühleinrichtungen zur Abfuhr von erzeugter Verlustwärme. Zudem bestand bei vorbekannten Vorrichtungen die Gefahr, dass Staub und andere Verschmutzungen ins Innere der Vorrichtung gelangen und deren Funktion beeinträchtigen. Schließlich kann insbesondere bei der Analyse von Atemluft aufgrund des hohen relativen Feuchtegehalts der Fall auftreten, dass an kalten Oberflächen innerhalb der Vorrichtung Kondensation und in der Folge Korrosions- oder Hygieneprobleme auftreten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass sie aufgrund kompakter Bauart örtlich ungebunden nach Art eines leichten, kleinen und transportablen Tischgeräts verwendet werden kann.
• Diese Aufgabe wird gelöst mittels einer Vorrichtung zur Analyse von Atemluft gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung für die Analyse eines Messgases, vorzugsweise von Atemluft, insbesondere zur isotopengetrennten Detektion von Gasen in Luft, aufweisend: eine Messzelle mit einem Einlass und einem Auslass für das zu analysierende Messgas; eine Laser-Detektor-Anordnung, mit wenigstens einer Laserlichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht und mit wenigstens einem Detektor zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung derart ausgebildet ist, dass die Messzelle sich in einem Strahlengang des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle und Detektor befindet; und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Detektorsignal des Detektors zwecks Analyse des Messgases auszuwerten; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe a) bis f) umfasst, vorzugsweise eine Kombination einiger der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe, höchst vorzugsweise eine Kombination aller der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe, die jeweils zu einer kompakten Bauweise der Gesamtvorrichtung beitragen:
• a) eine Einrichtung zum durchflussabhängigen Vorheizen des Messgases, die in Strömungsrichtung des Messgases vor einer Haupt-Temperierungs-Einheit der Vorrichtung angeordnet ist, weil deswegen die Haupt-Temperierungs-Einheit besonders klein und platzsparend ausbildbar ist;
• b) wenigstens eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Messzelle, vorzugsweise Heizfolie, die an der Messzelle vorgesehen ist, weil insbesondere die genannte Heizfolie aufgrund ihrer geringen Dicke besonders klein und platzsparend baut;
• c) eine in die Messzelle, vorzugsweise herausnehmbar, integrierte Spiegeleinheit, welche Spiegeleinheit derart ausgebildet ist, dass die Messzelle von dem Laserlicht auf seinem Weg zum Detektor zweimal durchlaufen wird, sodass eine verbesserte Detektionsgenauigkeit bei dennoch kleinen Abmessungen erreichbar ist, insbesondere weil sich Laser und Detektor auf einer gemeinsamen Seite der Vorrichtung befinden können und dort gemeinsam kühlbar sind;
• d) ein zwischen der Messzelle und der Laser-Detektor-Anordnung angeordneter Strahlteiler, der vorzugsweise in Form eines Keilfensters ausgeführt ist, weil ein solches Bauteil in baulich kompakter Art und Weise gleich mehrere Vorteile vereint (nämlich Fensterwirkung, Strahlteiler, thermische Isolation und Unterdrückung von Interferenzen);
• e) in der Laser-Detektor-Anordnung als Detektor einen Signaldetektor und einen zusätzlichen Referenzdetektor, vorzugsweise jeweils gleichen Typs, weil eine solche Anordnung bei hoher Detektionsgenauigkeit leicht vormontierbar und als Ganzes kühlbar ist;
• f) an dem Auslass ein Auslass-Ventil zum Ausleiten von Messgas aus der Messzelle, welches Auslass-Ventil eine Styroporkugel oder einen Körper aus einem vergleichbar leichten Material umfasst, die oder der auf einem Dichtelement, vorzugsweise O-Ring, aufliegt und so ein Ventil, vorzugsweise Kugelventil, bildet. Ein solches Ventil baut besonders klein und leicht und trägt somit zur vereinfachten Handhabbarkeit der Gesamtvorrichtung bei.
• Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Einrichtung zum durchflussabhängigen Vorheizen des Messgases ein Hitzdrahtanemometer, ein Vorheizelement (so genannter Booster) und einen Vorheizelement-Regler umfasst, welche untereinander nach Art eines Regelkreises in signaltechnischer Wirkverbindung stehen. Die genannten Elemente bilden eine Vor-Temperierungs-Einheit zum durchflussabhängigen Vorheizen des (Mess-)Gases. Dadurch wird das Gas möglichst gleichmäßig vorgeheizt, und zwar insbesondere gerade genau dann, wenn ein Strom zu analysierenden Messgases, insbesondere ein Atemluftstoß oder -schwall, eintrifft. Somit kann die Haupt-Temperierungs-Einheit relativ zu vorbekannten Vorrichtungen kleiner ausgelegt werden, und die Temperierung der Haupt-Temperierungs-Einheit sowie der Messzelle unterliegt geringeren Schwankungen.
• Mittels des Hitzdrahtanemometers oder einer vergleichbaren Einrichtung kann der Volumenstrom (des Messgases) berechnet werden, was neben der Regelung des Vorheizelements auch zur weiteren Berechnung im Rahmen der eigentlichen Detektion dient.
• Die Haupt-Temperierungs-Einheit sorgt für eine gleichmäßige und hochgenaue Temperierung des (Mess-)Gases; die Aufheizung erfolgt bevorzugt auf 40°C (30°C bis 100°C sind möglich). Der Aufbau kann ineinander verschachtelte Kühlrippen-Elemente umfassen, was ein gutes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und eine gute Luftdurchmischung (Homogenisierung) bewirkt.
• Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zur Bestimmung einer Temperatur der Messzelle oder des darin enthaltenen Messgases an einer Wandung, vorzugsweise am Boden, der Messzelle, höchst vorzugsweise im Bereich eines Laserlichtstrahls, ein Temperatursensor angeordnet ist, welcher über einen Haupt-Temperatur-Regler mit der Haupt-Temperierungs-Einheit nach Art eines Regelkreises in signaltechnischer Wirkverbindung steht.
• Die Messzelle enthält im Betrieb der Vorrichtung das zu messende (temperierte) Gas (Messgas). Außerdem kann sie zum Führen des Laserstrahls (Strahl des von der Laserlichtquelle ausgesandten Laserlichts) ausgebildet sein. Wie erwähnt wurde, besteht die Möglichkeit, die Temperatur genau im Laserstrahl zu messen. Die Temperaturmessung wird sowohl durch den genannten Temperatursensor als auch in an sich bekannter durch spektroskopische Messung bestimmt, wozu die Auswerteeinheit geeignet eingerichtet ist.
• Im gesamten Luftkanal können die (Strömungs-)Querschnitte maximiert sein, um den Luftwiderstand gering zu halten, was besonders bei der Analyse von Atemluft von Vorteil ist.
• Heizfolien können zum Beheizen der Messzelle sowie der Haupt-Temperierungs-Einheit eingesetzt werden. Die Regelung kann durch einen Haupt-Temperatur-Regler erfolgen, wobei eine entsprechende Stellgröße am Boden der Messzelle gemessen werden kann – vorteilhafter Weise, jedoch ohne Beschränkung, durch einen PT-100. Die Totzeit der Regelstrecke wird vorteilhafter Weise durch eine geringe Wandstärke des Bodens der Messzelle und/oder der Haupt-Temperierungs-Einheit minimiert. Die verwendbaren Heizfolien haben eine Dicke von kleiner 1 mm, was einen sehr kompakten Aufbau ermöglicht, worauf bereits hingewiesen wurde.
• Die vorzugsweise herausnehmbare Spiegeleinheit kann in die Messzelle integrierbar oder integriert sein. Sie sorgt insbesondere für eine doppelte Messstrecke (Messzelle wird zweimal vom Laserlichtstrahl durchlaufen). Sie ermöglicht außerdem die Justierung des Strahlengangs bei fester Position insbesondere der Laserlichtquelle oder des Detektors.
• Der Strahlteiler kann in Form eines Keilfensters ausgeführt sein und aus Saphir oder einem vergleichbar geeigneten Material bestehen. Er trennt als Fenster die Messzelle von der Laser-Detektor-Einheit, somit ist er vorzugsweise zumindest teilweise transparent für genutzte Wellenlänge des Laserlichts ausgebildet. Außerdem dichtet er die Laser-Detektor-Einheit gegenüber der Messzelle ab. Gemäß seiner Funktion teilt er den von der Laserlichtquelle ausgesandten Laserstrahl in einen Referenz- und einen Messstrahl. Die Keilform verhindert Interferenz-Effekte, weil keine planparallelen Flächen existieren. Der Strahlteiler dient weiterhin vorzugsweise als thermische Isolierung zwischen Gasen in Messzelle und in Laser-Detektor-Einheit. Er vereint somit – wie erwähnt – vier Vorteile (Fenster, Strahlteiler, thermische Isolation, Unterdrückung von Interferenzen) in einem Bauteil.
• Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Laser-Detektor-Anordnung wenigstens zwei Strahlformer aufweist, die derart angeordnet sind, dass das Laserlicht der Laserlichtquelle vor dem Eintreten in die Messzelle kollimierbar ist und dass das Laserlicht nach Durchstrahlen der Messzelle auf dem Detektor fokussierbar ist, vorzugsweise jeweils auf einen der Detektoren für den Referenzstrahl und für den Messstrahl, wobei höchst vorzugsweise eine Weglänge des Messstrahls und eine Weglänge des Referenzstrahls gleich lang ausgebildet sind. Die Strahlformer können als Off-axis-Parabolspiegel aus vergoldetem Metall oder dergleichen ausgeführt sein.
• Die in der Laser-Detektor-Einheit enthaltene Laserdiode kann vom Typ DFB-ICL sein und erzeugt vorzugsweise CW-Laserlicht (CW: continuous wave). Der Referenzdetektor und der Signaldetektor können vom Typ MCT für den genutzten Wellenlängenbereich (vorzugsweise etwa 4200 nm bis etwa 4400 nm) sein. Die Strahlformer können – wie gesagt – als Spiegel ausgeführt sein und sind vorzugsweise derart angeordnet, dass das Licht der Laserdiode kollimiert wird. Licht aus Referenz- und Messpfad wird jeweils durch einen Strahlformer auf einen der Detektoren fokussiert. Vorteilhafter Weise ist eine Vormontage der gesamten Einheit möglich. Außerdem kann ein gemeinsames Abführen der Wärme der genannten Komponenten erfolgen.
• Zu diesem Zweck kann weiterhin vorgesehen sein, dass für alle Bestandteile der Laser-Detektor-Anordnung eine gemeinsame Kühleinrichtung vorgesehen ist, welche Kühleinrichtung vorzugsweise ein gemeinsames Kühlelement und einen Haupt-Lüfter umfasst, wobei der Haupt-Lüfter zum Erzeugen eines Luftstroms ausgebildet ist, der die Wärme des Kühlelements abführt. Dies trägt zu einem kompakten Aufbau bei.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Auslass-Ventil so gestaltet ist, dass die Styroporkugel oder ein vergleichbarer Körper seitlich durch (Längs-)Stege eines rohrartigen Elements geführt und in mittiger Position bezüglich einer Auslass-Öffnung gehalten ist. So kann die ausströmende Luft (Messgas) gut entweichen, wobei unter keinen Umständen die Kugel aus dem Auslass-Ventil ausgestoßen werden kann. Die Styroporkugel wurde wegen ihres geringen Gewichts ausgewählt, um den Atemwiderstand gering zu halten.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass am Einlass eine Spüleinheit vorsehen ist, die dazu ausgebildet ist, zwischen dem Einlass für das Messgas und einem weiteren Einlass für Raumluft umzuschalten, wobei an dem weiteren Einlass ein Spüllüfter angeordnet sein kann. Dies vermeidet das Eindringen von Fremdkörpern bzw. Korrosionsprobleme.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Haupt-Temperierungs-Einheit ineinander verschachtelte Kühlrippen-Elemente aufweist, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung zu erreichen.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, eine Temperatur in der Messzelle durch spektroskopische Messung oder Auswertung der gemessenen Detektorsignale zu bestimmen, worauf bereits kurz hingewiesen wurde. Hierdurch kann die Detektionsgenauigkeit noch verbessert werden.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Kühl-Luftstrom, insbesondere der oben erwähnte Luftstrom des Haupt-Lüfters innerhalb der Vorrichtung so geführt ist, dass er entlang eines optomechanischen Blocks der Vorrichtung verläuft, welcher optomechanische Block zumindest die Messzelle, den Einlass, den Auslass und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung nebst zugeordneter Kühlung umfasst, und dass eine elektronische Haupt-Platine der Vorrichtung durch diesen Luftstrom kühlbar ist. Diese intelligente Luftführung verbessert das Thermomanagement und erhöht weiterhin die Kompaktheit der Vorrichtung. Die Haupt-Platine kann neben einem zentralen Steuerschaltkreis (Chip) der Vorrichtung weitere Bestandteile, wie USB-Anschlüsse, Bluetooth, WLAN etc. umfassen.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Kühl-Luftstrom nach Vorbeiströmen an der elektronischen Haupt-Platine in Richtung des Auslasses oder des Auslass-Ventils geführt ist, um dort einen Sog-Effekt zu erzeugen, wodurch ein Abführen von Messgas aus der Vorrichtung unterstützbar ist.
• Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass an der Messzelle, vorzugsweise im Bodenbereich derselben, höchst vorzugsweise in einer Ausfräsung am Boden der Messzelle, eine weitere Platine angebracht ist, die wenigstens einen Drucksensor und wenigstens einen Temperatursensor aufweist. Diese Platine kann so ausgelegt sein, dass der Temperatursensor in unmittelbarer Nähe des Laserstrahls die Temperatur des Messgases misst, wobei vorzugsweise ein Teil der Platine, auf dem der Temperatursensor aufgebracht ist, thermisch isoliert vom Rest der Platine ausgebildet ist, höchst vorzugsweise durch Herausklappen aus einer Platinenebene. Dies erhöht weiter die Detektionsgenauigkeit.
• Zu demselben Zweck kann weiterhin vorgesehen sein, dass zur genaueren Bestimmung von Gas-Konzentrationen außerdem Einrichtungen zur Erfassung von Druck und Feuchte innerhalb der Messzelle vorgesehen sind, vorzugsweise auf der genannten Platine.
• Wenn ein optomechanischer Block der Vorrichtung, welcher optomechanische Block zumindest die Messzelle, den Einlass, den Auslass und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung nebst zugeordneter Kühlung umfasst, in ein thermisch wirksames Isolationsmaterial gehüllt ist, lassen sich Wärmeverluste vermeiden und die Temperaturregelung effizienter und genauer gestalten.
• Das zu messende Gas kann eine relative Feuchte von 100 Prozent haben. Deshalb kann vorgesehen sein, das (Mess-)Gas und den optomechanischen Block aufzuheizen, um Kondensation innerhalb des optomechanischen Blocks zu vermeiden. Eine besondere Eigenschaft der Temperaturregelung ist daher die sehr genaue und homogene Temperaturverteilung des Messgases innerhalb der Messzelle. Um dies zu erreichen, kann der gesamte optomechanische Block in eine Isolationsschicht gehüllt sein. Dadurch wird der Wärmeverlust gering gehalten, was die Energieeffizienz des Geräts steigert.
• Die Laser-Detektor-Anordnung kann thermisch von einem beheizten oder beheizbaren optomechanischen Block der Vorrichtung, welcher optomechanische Block – wie erwähnt – zumindest die Messzelle, den Einlass, den Auslass und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung nebst zugeordneter Kühlung umfasst, getrennt und auf etwa Raumtemperatur gekühlt oder kühlbar sein. Die durch Laserlichtquelle und Detektor entstehende Wärmeleistung, insbesondere von thermoelektrischen Kühlelementen, muss zum Schutz vor Überhitzung möglichst gut abgeführt werden.
• Zwecks Konzentrationsbestimmung mehrerer Isotope eines oder mehrerer Gase innerhalb der Messzelle kann die Laserlichtquelle so ansteuerbar sein, dass eine Wellenlänge des erzeugten Laserlichts periodisch mit etwa 1000 Hz oder langsamer einen festgelegten Wellenlängenbereich durchläuft, welcher Wellenlängenbereich so gewählt ist, dass mindestens drei Absorptionslinien der zu messenden Isotope in dem Bereich enthalten sind, vorzugsweise von etwa 4200 nm bis etwa 4400 nm für die Analyse von Atemluft. Das entstehende Absorptionsspektrum kann durch den bzw. die Detektoren so genau aufgelöst werden, dass die Auswerteeinheit bzw. die Auswerte-Software die Konzentrationsberechnung in an sich bekannter Weise durchführen kann.
• Die Auswerteeinheit kann entsprechend dazu eingerichtet sein, vorzugsweise softwaretechnisch, ein entstehendes und durch den Detektor aufgelöstes Absorptionsspektrum zur Konzentrationsbestimmung rechnerisch oder datenanalytisch auszuwerten.
• In der Laser-Detektor-Anordnung kann ein Referenz-Detektor vorgesehen sein, der vom Strahlteiler – sofern vorhanden – reflektierte Anteile des Laserlichts misst; weiterhin kann ein Signal-Detektor vorgesehen sein, der Anteile des Lichtlichts misst, die in der Messzelle durch die Spiegeleinheit – sofern vorhanden – reflektiert wurden und den Strahlteiler passiert haben. Die Detektoren können derart angeordnet sein, dass Strahlwege der genannten Laserlichtanteile vom Strahlteiler zu den Detektoren im Wesentlichen genau gleich lang sind. Vorzugsweise sind außerdem die Laser-Detektor-Anordnung und somit die Strahlwege homogen temperiert. Die Absorption des Lichts durch die zu messenden Isotope hängt dabei sowohl von der Weglänge des Lichts durch das (Mess-)Gas sowie von der Temperatur des (Mess-)Gases ab. Aufgrund der beschriebenen Detektorenanordnung und aufgrund der Tatsache, dass die Anteile des Strahlweges von der Laserlichtquelle zum Strahlteiler in beiden Signalen in gleicher Weise enthalten sind, ermöglicht dies das Herausrechnen von Absorptionsanteilen außerhalb der Messzelle. Somit ist die Messung unabhängig von der Konzentration der zu messenden Isotope außerhalb der Messzelle.
• Der optomechanische Block kann – wie bereits erwähnt – beheizbar ausgebildet sein, um Kondensation innerhalb des optomechanischen Blocks zu vermeiden.
• Zur thermischen Entkopplung kann um den optomechanischen Block eine Isolationsschicht aus Polyoxymethylen mit etwa 25% Glasfaser oder aus einem vergleichbaren Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 W/(K·m) und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Aluminium oder einem vergleichbaren Material vorgesehen sein. Auch der Strahlteiler kann eine geringe Wärmeleitfähigkeit von vorzugsweise unter etwa 40 W/(K·m) aufweisen. Somit findet kaum ein Wärmeübertrag zwischen den beiden Blöcken (optomechanischer Block und Laser-Detektor-Einheit) statt. Gleichzeitig werden mechanische Spannungen vermieden. Die Polyoxymethylen-Schicht kann auf einen Bereich zwischen optomechanischen Block und Laser-Detektor-Anordnung beschränkt sein. Die restliche Isolationsschicht kann in einem thermisch isolierenden Schaummaterial ausgebildet sein, vorzugsweise expandiertes Polystyrol (EPS) oder expandiertes Polypropylen (EPP).
• Die Isolationsschicht kann derart innerhalb eines Gehäuses der Vorrichtung angeordnet sein, dass ein von der Kühlung der Laser-Detektor-Anordnung ausgehender Kühl-Luftstrom so um die Isolationsschicht herum zu einem Kühlluft-Auslass geführt wird, dass der Kühl-Luftstrom zum Kühlen einer elektronischen Haupt-Platine der Vorrichtung verwendbar ist, welche Haupt-Platine zwischen Isolationsschicht und Gehäuse angeordnet ist. Dies ermöglicht ein sehr effizientes Thermomanagement für die beschriebene Vorrichtung, worauf bereits hingewiesen wurde.
• Im Bereich des Einlasses kann eine mechanische Komponente in Form einer Spüleinheit vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, das Eindringen von Staub- und Schmutzpartikeln oder dgl. sowie größeren Gegenständen oder Fingern in die Vorrichtung zu verhindern, um deren Funktion zu erhalten und die Lebensdauer zu verlängern.
• Die Spüleinheit kann zur Entlüftung des gesamten Luftkanals zwischen Einlass und Auslass innerhalb der Vorrichtung einschließlich der Messzelle ausgebildet sein, um Kondensation einschließlich Verschmutzung wirksam zu verhindern.
• Zum selben Zweck können die Spüleinheit und der nachfolgende Luftkanal beheizbar ausgebildet sein, insbesondere von außen.
• Insbesondere kann die Spüleinheit dazu ausgebildet sein, das in ihr und dem nachfolgenden Luftkanal enthaltene, relativ feuchte Messgas durch trockenere Raumluft zu ersetzen.
• Vorteilhafter Weise umfasst die Spüleinheit ein Gehäuse, vorzugsweise aus Aluminium oder dgl., mit wenigstens zwei vorzugsweise kreisförmigen Öffnungen, wobei eine erste Öffnung zur Aufnahme eines Bakterienfilters ausgebildet ist oder einen Bakterienfilter aufnimmt, an dem ein Atemschlauch angeschlossen oder anschließbar ist, und wobei eine zweite Öffnung zur Aufnahme eines mechanischen Lüfters ausgebildet ist oder einen mechanischen Lüfter aufnimmt, welcher Lüfter dazu ausgebildet ist, Raumluft in die Spüleinheit zu transportieren. Über eine dritte Öffnung ist eine Verbindung zum weiteren Luftkanal des optomechanischen Blocks bzw. der Vorrichtung insgesamt hergestellt.
• Im Innern der Spüleinheit kann eine Welle, insbesondere Hohlwelle, angeordnet sein, die durch ein Motormittel, vorzugsweise Schrittmotor, rotierbar ist, wobei vorzugsweise eine direkte mechanische Verbindung zwischen Motormittel und Welle geschaffen ist, wobei durch das Motormittel mindestens zwei Positionen anfahrbar sind, und wobei die Welle so gestaltet ist, dass in einer ersten Position ein Messgas-Strom aus der ersten Öffnung und in einer zweiten Position ein Raumluft-Strom aus der zweiten Öffnung durch die dritte Öffnung in den nachfolgenden Luftkanal gelangt.
• Wenn die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist, kann eine Gas- oder Luftführung durch Bohrungen in einem Mantel der Hohlwelle realisiert sein, welche Bohrungen so angeordnet sind, dass sie je nach Position des Motormittels entweder mit den ersten und dritten Öffnungen oder mit den zweiten und dritten Öffnungen des Gehäuses der Spüleinheit deckungsgleich sind, wobei die Hohlwelle weiterhin so gestaltet ist, dass die jeweils verbleibende Öffnung des Gehäuses durch den Wellenmantel im Wesentlichen gasdicht verschlossen ist.
• Weiterhin kann eine Motorsteuerung der Spüleinheit so gestaltet sein, dass vor dem Abschalten einer Beheizung des Luftkanals die zweite Position der Hohlwelle angefahren wird, in der ein Gasaustausch durch den Lüfter (der Spüleinheit) ermöglicht ist.
• Außerdem kann die Spüleinheit zum automatischen Erkennen eines eingesetzten Bakterienfilters ausgebildet sein, insbesondere mittels RFID-Technik, so dass vorzugsweise beim Vorhandensein des Bakterienfilters die genannte erste Position und ohne Bakterienfilter die genannte zweite Position angefahren wird, in welcher ersten Position ein Messgas-Strom aus der ersten Öffnung und in welcher zweiten Position ein Raumluft-Strom aus der zweiten Öffnung durch die dritte Öffnung in den nachfolgenden Luftkanal gelangt.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das vorstehend beschriebene Spektrometer den Konzentrationsverlauf, insbesondere von CO₂, eines menschlichen Atemvorgangs detektieren. Der Patient ist dazu mit dem Spektrometer über einen Atemschlauch mit Maske verbunden. Über diese Maske atmet der Patient in den Schlauch und damit ins Gerät (Vorrichtung, Spektrometer). Die Maske enthält zwei Ventile, die zum Ein- und Ausatmen dienen. Wenn der Patient einatmet, gelangt Raumluft in die Maske, die Luftröhre und die Lunge. Nur die Luft in der Lunge wird mit CO₂ angereichert. Durch das Ausatmen gelangt Lungenluft, Luft aus der Luftröhre (nicht angereichert) und Luft aus der Maske (nicht angereichert) in den Atemschlauch.
• Durch diesen Vorgang ergeben sich vier unterscheidbare Phasen eines Atemvorgangs: Die erste Phase ist das Einatmen; in dieser Phase steht die Luft im Gerät, und die CO₂-Konzentration ändert sich nicht. Die zweite Phase beschreibt einen Anstieg der CO₂-Konzentration, da die CO₂-Konzentration im Atemschlauch noch vom letzten Atemvorgang erhöht ist. Diese Luft wird nun, durch das Hineinatmen der neuen Luft, ins Gerät gedrückt. Die beiden nächsten Phasen beschreiben eine Durchmischung von Raumluft (nicht angereicherte Luft in der Luftröhre und Maske), Luft aus der Lunge und Luft vom letzten Atemvorgang. In der dritten Phase überwiegt der Anteil an Raumluft, was zu einem rapiden Abfall der CO₂-Konzentration führt. Die vierte Phase beschreibt einen Anstieg der CO₂-Konzentration. In dieser vierten Phase nimmt die Durchmischung mit Raumluft immer mehr ab, bis nur noch Luft aus der Lunge im Atemschlauch und Gerät ist.
• Anhand dieses vorstehend verbal wiedergegebenen Konzentrationsverlaufs, der weiter unten anhand von 4 exemplarisch auch zeichnerisch dargestellt ist, und ggf. unter Berücksichtigung anderer Parameter, wie Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit, kann die CO₂-Konzentration im Gerät zu jeden Zeitpunkt genau bestimmt werden. Somit kann genau angegeben werden, welche Luft aus der Lunge kommt. Durch die alleinige, zeitgesteuerte Auswertung der Luftanteile aus der Lunge, insbesondere während Phase 4, kann die Messung stark präzisiert werden.
• Dabei misst das hier beschriebene Spektrometer die Konzentration von ¹²C¹⁸O₂ und ¹³C¹⁶O₂ in an sich bekannter Weise anhand eines Transmissionsspektrums. Die Berechnung dieser Konzentrationen erfolgt über eine Korrelation mit der bekannten HITRAN-Datenbank. Die HITRAN-Datenbank enthält alle notwendigen Informationen, um ausgehend von einer Temperatur, einem Druck und einer Konzentration ein theoretisches Transmissionsspektrum in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu berechnen.
• Die Vorrichtung ist vorzugsweise im Bereich der Auswerteeinheit (softwaretechnisch) dafür eingerichtet, die vorstehend beschriebenen Phasen zu erkennen und die Auswertung entsprechend anzupassen, sodass vorteilhafter Weise bevorzugt oder ausschließlich während der Phase 4 gemessen bzw. die Konzentration bestimmt wird.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
• 1 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 3 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau der Spüleinheit in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
• 4 zeigt exemplarisch einen zeitaufgelösten CO₂-Konzentrationsverlauf mit vier distinkten Phasen, wie er sich beim Hineinatmen in eine erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben kann.
• Ein besonderes Merkmal des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung (nachfolgend auch „Spektrometer”) ist ihre Kompaktheit, die sowohl Vorteile bei der Portabilität als auch Platz- und Energieersparnis bietet. Die Umsetzung als Tischgerät und die daraus resultierenden Vorteile werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels genauer beschrieben.
• In 1 ist das Spektrometer insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Es umfasst die eigentliche Messzelle 100 mit justierbarer Spiegeleinheit 110 und einem als keilförmiges Fenster ausgebildeten Strahlteiler 120 aus Saphir, der im verwendeten Wellenlängenbereich zumindest teilweise transparent ist. Außen an einer Wand der Messzelle 100 ist eine Heizung in Form einer Heizfolie 130 angeordnet. Am Boden der Messzelle 100 befindet sich ein Temperatursensor 140, vorzugsweise thermisch entkoppelt von einer betreffenden Platine, wie oben beschrieben. Bezugszeichen 150 bezeichnet einen Haupt-Temperaturregler, und Bezugszeichen 160 bezeichnet ein Auslass-Ventil, wobei letzteres, wie auch der Haupt-Temperaturregler 150, außerhalb bzw. entfernt von der eigentlichen Messzelle 100 angeordnet ist. Die Elemente 130 bis 150 bilden einen Regelkreis für die Temperatur der Messzelle 100 bzw. des Messgases in demjenigen Bereich der Messzelle 100, der vom Laserlicht durchstrahlt wird (siehe weiter unten).
• Das Auslass-Ventil kann eine Styroporkugel umfassen, die auf einem O-Ring aufliegt und so ein Kugelventil bildet. Das Auslass-Ventil 160 ist so gestaltet, dass die Styroporkugel seitlich durch Längsstege in einem Rohrteil geführt und dort in mittiger Position gehalten ist. Dadurch kann ausströmende Luft gut entweichen, wobei unter keinen Umständen die Kugel aus dem Auslass-Ventil 160 ausgestoßen werden kann. Die Styroporkugel wurde wegen ihres geringen Gewichts ausgewählt, um den Atemwiderstand gering zu halten.
• Bezugszeichen 210 bezeichnet einen optomechanischen Block der Vorrichtung 10, dem neben der weiter oben erwähnten Messzelle 100 nebst Anbauten zumindest noch das Auslass-Ventil 160 sowie weitere, der Messzelle 100 vorgeschaltete Elemente der Vorrichtung angehören, worauf weiter unten noch genauer einzugehen ist.
• Bezugszeichen 220 bezeichnet eine Laser-Detektor-Einheit oder -Anordnung der Vorrichtung 10, welche Anordnung einen eigenen Kühlkörper 230 aufweist, der mit einem Hauptlüfter 240 der Vorrichtung 10 konvektiv zusammenwirkt. Auf die weiteren Bestandteile der Laser-Detektor-Einheit 220 wird ebenfalls weiter unten noch genauer eingegangen.
• Ferner bezeichnen in 1 parallele Doppellinien (durchgängig oder gestrichelt) den Weg eines Messgases, beispielsweise von Atemluft, durch die Vorrichtung 10. Dieser Weg oder auch Luftkanal kann ganz konkret in Form entsprechender (Schlauch- oder Rohr-)Leitungen realisiert sein. Im gesamten Luftkanal wurden die Querschnitte möglichst groß gewählt, um den Luftwiderstand gering zu halten. Innerhalb der Messzelle 100 kann der Weg weniger streng definiert sein, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Einfache, durchgängige Linien in 1 bezeichnen Lichtwege oder Lichtstrahlen, während strichpunktierte Linien Stromfluss bzw. Elektronenbewegungen symbolisieren.
• Der optomechanische Block 210 der Vorrichtung 10 umfasst noch – strömungstechnisch hintereinander geschaltet und jeweils in Wechselwirkung mit dem Luftkanal – einen Einlass 300 für das Messgas (Atemluft), eine Spüleinheit 310, ein Hitzdrahtanemometer 320, ein Vorheizelement 330, eine Haupt-Temperierungseinheit 340, einen anstelle des Einlasses mittels der Spüleinheit 310 schaltbar mit dem Luftkanal verbindbaren Spüllüfter 350 sowie einen Vorheizelement-Regler 360. Der Regler 360 bildet zusammen mit dem Hitzdrahtanemometer 320 und Vorheizelement 330 einen Regelkreis zum Vorwärmen des Messgases, und zwar bedarfsabhängig, das heißt mit erhöhter Vorheizleistung bei einem (stoßweisen oder allgemein diskontinuierlichen) Eintreffen von Messgas.
• Die Laser-Detektor-Einheit 220 umfasst drei Spiegel/Strahlformer 410, 420, 430 in Form von vergoldeten Metallkörpern nach Art von Off-axis-Parabolspiegeln. In Richtung der Lichtstrahlung hinter dem Strahlformer 410 ist ein Referenzdetektor 440 angeordnet. In Richtung der Lichtstrahlung hinter dem Strahlformer 430 ist ein Signaldetektor 460 angeordnet. Der Strahlformer 420 wirkt mit einer Laserdiode 450 zusammen, formt das von der Laserdiode (Laserlichtquelle) 450 ausgestrahlte Laserlicht und leitet dieses (Lichtweg L3) auf den Strahlteiler 120 bzw. zumindest teilweise in die Messzelle 100. Dort trifft das Licht auf die Spiegeleinheit 110, gelangt zurück zum Strahlteiler 120 und zum Signaldetektor 460 (Lichtwege L3 + L4 + L1). Dabei durchstrahlt es einen Bereich der Messzelle 100 direkt oberhalb des Temperatursensors 140. Ein Teil des von der Laserdiode 450 abgestrahlten Lichts gelangt vom Strahlteiler 120 direkt zum Referenzdetektor 440 (Lichtweg L2). Die Lichtwege L1 und L2 sind im Wesentlichen genau gleich lang. Der Strahlteiler 120 ist schräg stehend bezogen auf eine Einfallsrichtung des Laserlichts von der Laserdiode 450 angeordnet, wie dargestellt.
• Die Funktionsweise der Vorrichtung 10 ist wie folgt: Das Spektrometer 10 dient zur isotopengetrennten Detektion von Gasen (z. B. ¹²CO₂/¹³CO₂) in Luft, insbesondere Atemluft. Die Spüleinheit 310 schaltet zwischen Messgas (Einlass 300) und Raumluft (Spüllüfter 350) um. Sie verhindert das Eindringen von Schmutz und Gegenständen sowie das Hineinfassen in die Vorrichtung 10. Mittels RFID-Übertragung lässt sich erkennen, ob ein Bakterienfilter im Bereich des Einlasses 300 eingesetzt ist. Die Vor-Temperierungs-Einheit (Elemente 320, 330, 360) dient zum durchflussabhängigen Vorheizen des regelmäßig stoßweise eintreffenden (Mess-)Gases. Dadurch wird das Gas bei hoher Energieeffizienz möglichst gleichmäßig vorgeheizt. Somit kann die Haupt-Temperierungs-Einheit 340 relativ klein ausgelegt werden, und die Temperierung der Haupt-Temperierungs-Einheit 340 sowie der Messzelle 100 unterliegt geringeren Schwankungen als bei vorbekannten Vorrichtungen.
• Mittels des Hitzdrahtanemometers wird der Volumenstrom des Messgases durch die Vorrichtung 10 berechnet, was neben der Regelung des Vorheizelements 330 auch zur weiteren Berechnung (Konzentrationsbestimmung) mittels der Auswerteeinheit dient.
• Die Haupt-Temperierungs-Einheit 340 sorgt für eine gleichmäßige und hochgenaue Temperierung des (Mess-)Gases bei Aufheizung auf etwa 40°C (etwa 30°C bis etwa 100°C sind möglich). Der konkrete Aufbau der Haupt-Temperierungs-Einheit 340 umfasst ineinander verschachtelte Kühlrippen-Elemente für ein gutes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und eine gute Luftdurchmischung (Homogenisierung).
• Die Messzelle 100 enthält bzw. empfängt das zu messende (temperierte) Gas (Messgas) und führt den Laserstrahl (Lichtweg L4). Die Messzelle 100 selbst ist temperierbar (Heizung 130) und bietet konstruktiv die Möglichkeit, die Temperatur genau im Laserstrahl L4 zu messen. Die Temperaturmessung wird sowohl durch den Temperatursensor 140 als auch durch spektroskopische Messung bestimmt.
• Die Heizung 130 ist in Form von Heizfolien 130 zum Beheizen der Messzelle 100 sowie der Haupt-Temperierungs-Einheit 340 ausgeführt. Eine Regelung erfolgt durch den Haupt-Temperatur-Regler 150, wobei die Stellgröße am Boden der Messzelle 100 durch einen PT-100 (Temperatursensor 140) gemessen wird. Die Totzeit der Regelstrecke ist minimiert durch eine geringe Wandstärke des Bodens der Messzelle 100 und der Haupt-Temperierungs-Einheit 340. Die Heizfolien 130 haben vorzugsweise eine Dicke von kleiner 1 mm, was einen sehr kompakten Aufbau ermöglicht.
• Speziell ist der Temperatursensor 140 für die Messzelle 100 in einer Ausfräsung am Boden der Messzelle 100 auf einer Platine (nicht gezeigt) angebracht, die Druck- und Temperatursensoren enthält. Die Platine ist so ausgelegt, dass der Temperatursensor PT-100 (Bezugszeichen 140) in unmittelbarer Nähe des Laserstrahls (L4) die Temperatur des Messgases misst. Derjenige Teil der Platine, auf dem der Temperatursensor 140 aufgebracht ist, kann nach oben geklappt sein. Somit ist der Temperatursensor 140 thermisch isoliert vom Rest der Platine angeordnet.
• Zur genaueren Berechnung der Konzentrationen werden außerdem Druck und Feuchte innerhalb der Messzelle 100 mittels entsprechender Sensorik (nicht gezeigt) erfasst.
• Die herausnehmbare Spiegeleinheit 110 ist in die Messzelle 100 integriert und sorgt für eine doppelte Messstrecke (Lichtweg L4), weil die Messzelle 100 zweimal vom Laserlicht durchlaufen wird. Außerdem ermöglicht sie die Justierung des Strahlengangs bei festen Dioden- und Detektorpositionen.
• Der Strahlteiler 120 ist – wie gesagt – in Form eines Keilfensters ausgeführt. Er trennt als Fenster die Messzelle 100 von der Laser-Detektor-Einheit 220 und ist zumindest teilweise transparent für die genutzte Wellenlänge. Weiterhin dichtet er die Laser-Detektor-Einheit 220 gegenüber der Messzelle 100 ab und teilt den Laserstrahl L3 in einen Referenz- (L2) und einen Messstrahl (L1 + L4). Die Keilform vermeidet Interferenz-Effekte, da keine planparallelen Flächen vorhanden sind. Der Strahlteiler 120 dient auch als thermische Isolierung zwischen Gasen in der Messzelle 100 und in der Laser-Detektor-Einheit 220.
• Die Laserdiode 450 in der Laser-Detektor-Einheit 220 ist vorzugsweise vom Typ DFB-ICL und emittiert CW(continuous wave)-Laserlicht. Referenzdetektor 440 und Signaldetektor 460 können jeweils vom Typ MCT sein. Die Strahlformer 410–430 sind derart angeordnet, dass das Licht L3 der Laserdiode 450 kollimiert und Licht aus Referenz- und Messpfad (L2 bzw. L1) jeweils durch einen der Strahlformer 410, 430 auf einen der Detektoren 440, 460 fokussiert wird. Besonders vorteilhaft hieran ist die mögliche Vormontage der gesamten Einheit und das mögliche gemeinsame Abführen der Wärme der zugehörigen TECs (thermo electric coolers; in den Elementen 440 bis 460 enthalten). Zur Kühlung der Laser-Detektor-Einheit 220 dient das gemeinsame Kühlelement 230. Der Haupt-Lüfter 240 erzeugt einen Luftstrom, der die Wärme des Kühlelements 230 abführt. Der Kühl-Luftstrom wird dabei so geführt, dass er unterhalb des optomechanischen Blocks 210 verläuft. Die dort befindliche elektronische Haupt-Platine (in 1 nicht gezeigt, vgl. 2) der Vorrichtung 10 wird ebenfalls durch diesen Luftstrom gekühlt. Anschließend wird die Luft in Richtung des Auslass-Ventils 160 geführt. Dort entsteht dadurch ein Sog-Effekt an der Auslass-Öffnung des Gehäuses (in 1 nicht gezeigt). Hierdurch wird das Messgas optimal abgeführt.
• Der gesamte optomechanische Block 210, der Elemente der Vorrichtung 10 bis auf die Laser-Detektor-Einheit 220 einschließlich zugehöriger Kühlung 230, 240 umfasst, ist in ein thermisches Isolationsmaterial (in 1 nicht gezeigt; vgl. 2) gehüllt, um Wärmeverluste zu vermeiden und somit die Temperaturregelung effizienter und genauer zu gestalten.
• 2 zeigt anhand entsprechender Pfeile die Strömungsführung von Messgas (Atemluft) und Kühl-Luftstrom innerhalb der Vorrichtung 10 gemäß 1, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente bezeichnen. Die Vorrichtung 10 umfasst ein (Tisch-)Gehäuse 20, welches einen Innenraum 15 definiert. Bezugszeichen 100 bezeichnet wiederum die Messzelle, während bei Bezugszeichen 105 eine thermische Isolation der Messzelle 100 bzw. das gesamten Blocks 210 (vgl. 1) gezeigt ist. Gemäß der leicht vereinfachten Darstellung in 2 ist am Einlass 300 der Vorrichtung 10 eine Atemmaske 25 über einen Atemschlauch 30 angeschlossen. In dem Gehäuse-Innenraum 15 ist unterhalb der Isolation 105 die elektronische Haupt-Platine 40 der Vorrichtung 10 angeordnet, sodass oberhalb und unterhalb der Platine 40 (zwischen Platine 40 und Isolation 105 bzw. zwischen Platine 40 und Gehäuse 20) sowie ggf. seitlich der Platine 40 (nicht gezeigt) ein lichter Strömungsraum für die vom Haupt-Kühler 240 ausgehende Kühlluft verbleibt. Am Gehäuse 20 ist neben dem Auslass (Auslass-Ventil 160) für das Messgas ein weiterer Auslass 35 für Kühlluft vorgesehen.
• Messgas wird im Betrieb der Vorrichtung 10 über die Atemmaske 25 und den Atemschlauch 30 in die beheizte und thermisch isolierte Messzelle 100 eingebracht. Das Gas wird analysiert (mittels der Detektorsignale und der nicht gezeigten Auswerteeinheit) und verlässt die Messzelle 100 durch das Ventil 160, wie bereits beschrieben. Um die Laser-Detektor-Einheit (220) zu temperieren, wird Energie benötigt. Die entstehende Wärme muss abgeführt werden. Dies geschieht durch den Haupt-Lüfter 240, welcher Luft mit Umgebungstemperatur auf den Kühlkörper 230 führt. Die Gesamtkonstruktion ist so ausgeführt, dass die Kühlluft den Weg über eine weitere, wärmeerzeugende Leiterplatte (die Haupt-Platine 40) nehmen muss, um dann direkt neben dem Messzellenausgang (Auslass-Ventil 160) das Gehäuse 20 zu verlassen. Dadurch entsteht eine Kaminwirkung, welche noch unterstützt, dass das Messgas aus der beheizten Messzelle 100 (T ≥ 40°C) bereits von sich aus nach oben in die Umgebung entweicht.
• Wie bereits erwähnt wurde, ist die Laser-Detektor-Einheit 220 thermisch vom beheizten optomechanischen Block 210 getrennt und wird auf Raumtemperatur gekühlt, um die Laserdiode 450 und die Detektoren 440, 460 vor Überhitzung zu schützen. Zudem wird die Temperaturverteilung der Laser-Detektor-Einheit 220 und der darin befindlichen Luft möglichst homogen, was die Auswertung verbessert. Ziel der Messung ist die Konzentrationsbestimmung mehrerer Isotope eines oder mehrerer Gase, z. B. ¹²CO₂ oder ¹³CO₂, innerhalb der Messzelle 100. Die Laserdiode 450 wird so angesteuert, dass die Wellenlänge des erzeugten Lichts periodisch mit 1000 Hz oder langsamer einen festgelegten Bereich durchläuft. Dieser Wellenlängenbereich ist so gewählt, dass mindestens drei Absorptionslinien der zu messenden Isotope in dem Bereich enthalten sind. Das entstehende Absorptionsspektrum kann durch die Detektoren so genau aufgelöst werden, dass eine Auswerte-Software in der Auswerteeinheit, welche in den Figuren nicht dargestellt ist, die Konzentrationsberechnung durchführen kann.
• Bei dem hier vorgestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Laser-Detektor-Einheit 220 eine Laserdiode 450 des Typs DFB-ICL und zwei Detektoren 440, 460 des Typs MCT für den genutzten Wellenlängenbereich. Hierbei steht DFB-ICL für Distributed Feedback – Interband Cascade Laser und MCT für Mercury Cadmium Telluride. Die Laserdiode 450 erzeugt das Licht L3, dessen Anteile selektiv von den zu messenden Gaskomponenten absorbiert werden. Der Referenzdetektor 440 misst die vom Strahlteiler 120 reflektierten Anteile des Laserlichts L2. Der Signaldetektor 460 misst diejenigen Anteile des Lichts, die in der Messzelle 100 durch die Spiegeleinheit 110 reflektiert wurden und den Strahlteiler passiert haben (L4 + L1).
• Die Absorption des Lichts durch die zu messenden Isotope hängt dabei sowohl von der Weglänge des Lichts durch das (Mess-)Gas als auch von der Temperatur dieses Gases ab. Die Detektoren 440, 460 sind derart angeordnet, dass die Strahlwege L1 und L2 vom Strahlteiler 120 zu den Detektoren 440, 460 gleich lang sind. Weiterhin ist die Laser-Detektor-Einheit 220 und somit die darin verlaufenden Strahlwege L1 und L2 homogen temperiert. Die Anteile des Strahlweges L3 sind in beiden Signalen in gleicher Weise enthalten. Dies ermöglicht das Herausrechnen von Absorptionsanteilen außerhalb der Messzelle 100. Somit ist die Messung unabhängig von der Konzentration der zu messenden Isotope außerhalb der Messzelle 100.
• Die mehrfach angesprochene Trennung des optomechanischen Blocks 210 und der Laser-Detektor-Einheit 220 dient hauptsächlich der thermischen Entkopplung. Diese ist wichtig, da die Messzelle 100 samt der enthaltenen Luft (Messgas) möglichst konstant auf einer Temperatur größer der Raumtemperatur gehalten werden soll. Auf der anderen Seite muss die Wärmeenergie, die durch die Laserdiode 450 und die beiden Detektoren 440, 460 generiert wird, so gut wie möglich abgeführt werden. Dafür ist der Kühlkörper 230 vorgesehen. Der Haupt-Lüfter 240 erzeugt einen Luftstrom, der die entstehende Wärme abtransportiert. Dadurch stellt sich ein Temperaturgleichgewicht nahe der Raumtemperatur ein.
• Da das zu messende Gas eine relative Feuchte von 100 Prozent haben kann, sollte das Gas und der optomechanische Block 210 aufgeheizt werden, um Kondensation innerhalb des optomechanischen Blocks 210 zu vermeiden. Eine wichtige Eigenschaft der betreffenden Temperaturregelung ist die sehr genaue und homogene Temperaturverteilung des Messgases innerhalb der Messzelle 100. Um dies zu erreichen, ist der gesamte optomechanische Block 210 in eine Isolationsschicht gehüllt, die in 2, wie erwähnt, mit dem Bezugszeichen 105 bezeichnet ist. Dadurch wird der Wärmeverlust gering gehalten, was die Energieeffizienz des Geräts insgesamt steigert.
• Da der optomechanische Block 210 eine deutlich höhere Temperatur als die Laser-Detektor-Einheit 220 aufweist, sind beide Blöcke thermisch entkoppelt. Die Entkopplung wird durch die Isolation bzw. Isolationsschicht 105 aus Polyoxymethylen mit 25% Glasfaser oder einem vergleichbaren thermisch isolierenden Material erreicht, welches im Bereich zwischen optomechanischem Block 210 und Laser-Detektor-Einheit 220 angeordnet sein kann. In den restlichen Bereichen kann das thermisch isolierende Material als Schaummaterial ausgeführt sein, vorzugsweise expandiertes Polystyrol (EPS) oder expandiertes Polypropylen (EPP). Das verwendete Material hat vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,4 W/(K·m) (Aluminium: 235 W/(K·m)) und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem des Aluminiums. Der Strahlteiler 120 hat vorliegend eine ebenfalls nur geringe Wärmeleitfähigkeit von unter 40 W/(K·m). Somit findet kaum ein Wärmeübertrag zwischen den beiden Blöcken 210, 220 statt. Gleichzeitig werden mechanische Spannungen vermieden.
• Die Isolierung 105 schließt oberhalb des optomechanischen Blocks 210 mit dem äußeren (Tisch-)Gehäuse 20 ab, wie in 2 gezeigt. Dadurch wird der (Kühl-)Luftstrom zwischen Mechanik (Block 210) und Hauptplatine 40 hindurch gezwungen.
• Abschließend sei noch auf die Spüleinheit 310 näher eingegangen. Sie dient insbesondere zum Schutz vor eindringenden Fremdkörpern in den Luftkanal. Dies können beispielsweise Staub- und Schmutzpartikel sowie größere Gegenstände oder auch Finger sein. Dadurch wird das Verletzungs- bzw.
• Zerstörungsrisiko minimiert. Eine weitere Eigenschaft der Spüleinheit 310 ist die Entlüftung des gesamten Luftkanals einschließlich der Messzelle 100 zur Vermeidung von Korrosionsschäden.
• Die in die Spüleinheit 310 und den nachfolgenden Luftkanal eindringende Luft (Messgas) könnte eine relative Feuchte von etwa 100 Prozent haben. Um Kondensation an kalten Oberflächen innerhalb der Vorrichtung 10 zu vermeiden, müssen Spüleinheit 310 und nachfolgender Luftkanal (vgl. 1) beheizt werden. Bevor diese Beheizung abgeschaltet wird, sollte die in der Spüleinheit 310 und dem nachfolgenden Luftkanal enthaltene feuchte Luft durch (trockenere) Raumluft ersetzt werden.
• Die in 3 detailliert dargestellte Spüleinheit 310 (vgl. 1) umfasst ein Gehäuse 311 aus Aluminium oder dgl. mit drei – ohne Beschränkung – kreisförmigen Öffnungen 301, 306, 307. Die erste Öffnung 301 dient zur Aufnahme eines Bakterienfilters 302, der an dem Atemschlauch 303 (vgl. Bezugszeichen 30 in 2) angeschlossen ist. Die zweite Öffnung 306 dient zur Aufnahme des mechanischen Lüfters oder Spüllüfters 350 (vgl. 1), der Raumluft in die Spüleinheit 310 transportiert. Die dritte Öffnung 307 stellt eine Verbindung zum weiteren Luftkanal des optomechanischen Blocks 210 her.
• Im Innern der Spüleinheit 310 befindet sich eine als Hohlwelle 304 ausgebildete Welle, die durch einen Schrittmotor 305 angetrieben wird. Dabei besteht eine direkte mechanische Verbindung zwischen Motor 305 und Welle 304, wobei der Motor 305 zwei Positionen anfahren kann. Die Welle 304 ist so gestaltet, dass in einer ersten Position (Position 1) der Luftstrom aus Öffnung 301 und in der anderen Position (Position 2) der Luftstrom aus Öffnung 306 durch die Öffnung 307 in den nachfolgenden Luftkanal gelangen kann.
• Die Luftführung ist durch Bohrungen 304a, 304b im Mantel 304c der Hohlwelle 304 realisiert. Die Bohrungen 304a, 304b in der Hohlwelle 304 sind so angeordnet, dass sie – je nach Stellung des Motors 305 – entweder mit den Öffnungen 301, 307 oder mit den Öffnungen 306, 307 des Gehäuses 311 der Spüleinheit 310 deckungsgleich sind. Die Welle 304 ist so gestaltet, dass dann die jeweils andere Öffnung 306 bzw. 301 der Spüleinheit 310 bzw. des Gehäuses 311 durch den Wellenmantel 304c luftdicht bzw. gasdicht verschlossen ist.
• Die durch Öffnung 301 eintretende Luft kann eine relative Feuchte von 100 Prozent haben. Aus diesem Grund ist die Spüleinheit 310 von außen beheizbar. Dadurch wird die relative Feuchte herabgesetzt, was Kondensation von Wasserdampf innerhalb der Spüleinheit 310 verhindert. Somit werden Korrosionsschäden vermieden.
• Der Lüfter 350 an Öffnung 306 dient zum Austausch der in Spüleinheit 310 und dem nachfolgenden Luftkanal enthaltenen Luft durch Raumluft.
• Eine Motorsteuerung für den Motor 305 der Spüleinheit 310 muss so gestaltet sein, dass vor dem Abschalten der Beheizung die Position 2 der Hohlwelle 304 angefahren wird, in der ein Luftaustausch über den Lüfter 350 ermöglicht ist.
• Die Spüleinheit 310 umfasst einen RFID-Chip 308, durch den sie erkennt, ob ein Bakterienfilter 302 am oder in dem Atemschlauch 30 eingesetzt ist. Ist ein Bakterienfilter 302 eingesetzt, wird Position 1 angefahren; ist kein Bakterienfilter eingesetzt, wird Position 2 angefahren. Dies verhindert das Eindringen von Schmutzpartikeln oder Gegenständen bzw. das Hineinfassen in die Vorrichtung.
• 4 zeigt abschließend einen exemplarischen, zeitaufgelösten CO₂-Konzentrationsverlauf, wie er sich in der Vorrichtung 10 einstellt, wenn ein Lungenatmer in das Gerät hineinatmet. Die weiter oben angegebenen Phasen 1 bis 4 sind mit Bezugszeichen ➀, ➁, ➂, ➃ gekennzeichnet. Die erste Phase ➀ ist das Einatmen; in dieser Phase steht die Luft im Gerät, und die CO₂-Konzentration ändert sich nicht. Die zweite Phase ➁ beschreibt einen Anstieg der CO₂-Konzentration, da die CO₂-Konzentration im Atemschlauch 30 (2) bzw. 303 (2) noch vom letzten Atemvorgang erhöht ist. Diese Luft wird nun, durch das Hineinatmen der neuen Luft, ins Gerät 10 gedrückt. Die beiden nächsten Phasen ➂, ➃ beschreiben eine Durchmischung von Raumluft (nicht angereicherte Luft in der Luftröhre und Maske), Luft aus der Lunge und der Luft vom letzten Atemvorgang. In der dritten Phase ➂ überwiegt der Anteil an Raumluft, was zu einem rapiden Abfall der CO₂-Konzentration führt. Die vierte Phase ➃ beschreibt einen Anstieg der CO₂-Konzentration. In dieser Phase nimmt die Durchmischung mit Raumluft immer mehr ab, bis nur noch Luft aus der Lunge im Atemschlauch 30, 303 und Gerät 10 ist.
• Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

15

Innenraum

20

Tischgehäuse

25

Atemmaske

30

Atemschlauch

35

Kühlluftaustritt

40

elektronische Haupt-Platine

100

Messzelle

105

Isolation Messzelle

110

Spiegel

120

Fenster/Fenster/Strahlteiler

130

Heizung

140

Temperatursensor

150

Haupt-Temperaturregler

160

Auslass-Ventil

210

Optomechanischer Block

220

Laser-Detektor-Einheit

230

Kühlkörper

240

Haupt-Lüfter

300

Einlass

301

erste Öffnung

302

Bakterienfilter

303

Atemschlauch

304

Hohlwelle

304a

Bohrung

304b

Bohrung

304c

Mantel

305

Motor

306

zweite Öffnung

307

dritte Öffnung

308

RFID-Chip

310

Spüleinheit

311

Gehäuse

320

Hitzdrahtanemometer

330

Vorheizelement

340

Haupt-Temperierungseinheit

350

Spüllüfter

360

Vorheizelement-Regler

410

Spiegel/Strahlformer

420

Spiegel/Strahlformer

430

Spiegel/Strahlformer

440

Referenzdetektor

450

Laserdiode

460

Signaldetektor

L1

Laserstrahl Messdetektor

L2

Laserstrahl

L3

Laserstrahl Referenzdetektor

L4

Laserstrahl Messzelle

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• „Nichtinvasive Funktionsdiagnostik aus der Atemluft mit 13C-Atemtests” von Braden et al. im Deutschen Ärzteblatt, Heft 51–52, 2003 [0002]

Claims (34)

1. Vorrichtung (10) für die Analyse eines Messgases, vorzugsweise von Atemluft, insbesondere zur isotopengetrennten Detektion von Gasen in Luft, aufweisend: eine Messzelle (100) mit einem Einlass (300) und einem Auslass (160) für das zu analysierende Messgas; eine Laser-Detektor-Anordnung (220), mit wenigstens einer Laserlichtquelle (450) zur Erzeugung von Laserlicht und mit wenigstens einem Detektor (440, 460) zum Detektieren des Laserlichts, wobei die Laser-Detektor-Anordnung (220) derart ausgebildet ist, dass die Messzelle (100) sich in einem Strahlengang (L4) des Laserlichts zwischen Laserlichtquelle (450) und Detektor (440, 460) befindet; eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, ein Detektorsignal des Detektors (440, 460) zwecks Analyse des Messgases auszuwerten; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) wenigstens einen der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe umfasst, vorzugsweise eine Kombination einiger der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe, höchst vorzugsweise eine Kombination aller der nachfolgend aufgeführten Merkmalskomplexe: eine Einrichtung (320, 330, 360) zum durchflussabhängigen Vorheizen des Messgases, die in Strömungsrichtung des Messgases vor einer Haupt-Temperierungs-Einheit (340) der Vorrichtung angeordnet ist; wenigstens eine Heizeinrichtung zum Beheizen der Messzelle (100), vorzugsweise Heizfolie (130), die an der Messzelle (100) vorgesehen ist; eine in die Messzelle (100), vorzugsweise herausnehmbar, integrierte Spiegeleinheit (110), welche Spiegeleinheit (110) derart ausgebildet ist, dass die Messzelle (100) von dem Laserlicht auf seinem Weg zum Detektor (440, 460) zweimal durchlaufen wird (L4); ein zwischen der Messzelle (100) und der Laser-Detektor-Anordnung (220) angeordneter Strahlteiler (120), der vorzugsweise in Form eines Keilfensters ausgeführt ist; in der Laser-Detektor-Anordnung (220) als Detektor einen Signaldetektor (460) und einen zusätzlichen Referenzdetektor (440), vorzugsweise jeweils gleichen Typs; an dem Auslass ein Auslass-Ventil (160) zum Ausleiten von Messgas aus der Messzelle (100), welches Auslass-Ventil (160) eine Styroporkugel oder einen Körper aus einem vergleichbar leichten Material umfasst, die oder der auf einem Dichtelement, vorzugsweise O-Ring, aufliegt und so ein Ventil, vorzugsweise Kugelventil, bildet.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum durchflussabhängigen Vorheizen des Messgases ein Hitzdrahtanemometer (320), ein Vorheizelement (330) und einen Vorheizelement-Regler (360) umfasst, welche untereinander nach Art eines Regelkreises in signaltechnischer Wirkverbindung stehen.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Temperatur der Messzelle (100) oder des darin enthaltenen Messgases an einer Wandung, vorzugsweise am Boden, der Messzelle, höchst vorzugsweise im Bereich eines Laserlichtstrahls (L4), ein Temperatursensor (140) angeordnet ist, welcher über einen Haupt-Temperatur-Regler (150) mit der Haupt-Temperierungs-Einheit (340) nach Art eines Regelkreises in signaltechnischer Wirkverbindung steht.
4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (120) transparent für eine für die Analyse des Messgases genutzte Wellenlänge des Laserlichts ist; und/oder durch den Strahlteiler (120) die Laser-Detektor-Einheit (220) von der Messzelle (100) abgetrennt ist; und/oder der Strahlteiler (120) zum Teilen eines Laserlichtstrahls (L3) in einen Referenzstrahl (L2) und einen Messstrahl (L1, L4) ausgebildet ist; und/oder der Strahlteiler (120) keine planparallelen Flächen senkrecht zu einer Richtung des Laserlichtstrahls aufweist; und/oder der Strahlteiler (120) als thermische Isolierung zwischen Gasen in der Messzelle (100) und Gasen in der Laser-Detektor-Anordnung (220) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Detektor-Anordnung (220) wenigstens zwei Strahlformer (420, 430, 410) aufweist, die derart angeordnet sind, dass das Laserlicht (L3) der Laserlichtquelle (450) vor dem Eintreten in die Messzelle (100) kollimierbar ist und dass das Laserlicht (L1) auf dem Detektor (440, 460) fokussierbar ist, vorzugsweise jeweils auf einen der Detektoren (440, 460) für den Referenzstrahl (L2) und nach Durchstrahlen der Messzelle (100) für den Messstrahl (L1) gemäß Anspruch 4, wobei höchst vorzugsweise eine Weglänge des Messstrahls und eine Weglänge des Referenzstrahls etwa gleich lang ausgebildet sind.
6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Bestandteile der Laser-Detektor-Anordnung (220) eine gemeinsame Kühleinrichtung vorgesehen ist, welche Kühleinrichtung vorzugsweise ein gemeinsames Kühlelement (230) und einen Haupt-Lüfter (240) umfasst, wobei der Haupt-Lüfter (240) zum Erzeugen eines Luftstroms ausgebildet ist, der die Wärme des Kühlelements (230) abführt.
7. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslass-Ventil (160) so gestaltet ist, dass die Styroporkugel seitlich durch Stege oder dergleichen geführt und in mittiger Position bezüglich einer Auslass-Öffnung gehalten ist.
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass eine Spüleinheit (310) vorsehen ist, die dazu ausgebildet ist, zwischen dem Einlass (300) für das Messgas und einem weiteren Einlass für Raumluft umzuschalten, wobei vorzugsweise an dem weiteren Einlass ein Spüllüfter (350) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Temperierungs-Einheit (340) ineinander verschachtelte Kühlrippen-Elemente aufweist.
10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, eine Temperatur in der Messzelle (100) durch spektroskopische Messung oder Auswertung der gemessenen Detektorsignale zu bestimmen.
11. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühl-Luftstrom, insbesondere der Luftstrom gemäß Anspruch 6, innerhalb der Vorrichtung (10) so geführt ist, dass er entlang eines optomechanischen Blocks (210) der Vorrichtung verläuft, welcher optomechanische Block (210) zumindest die Messzelle (100), den Einlass, den Auslass und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung nebst zugeordneter Kühlung umfasst, und dass eine elektronische Haupt-Platine (40) der Vorrichtung (10) durch diesen Luftstrom kühlbar ist.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl-Luftstrom nach Vorbeiströmen an der Haupt-Platine (40) in Richtung des Auslasses oder des Auslass-Ventils (160) geführt ist, um dort einen Sog-Effekt zu erzeugen, wodurch ein Abführen von Messgas aus der Vorrichtung (10) unterstützbar ist.
13. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der Messzelle (100), vorzugsweise im Bodenbereich derselben, höchst vorzugsweise in einer Ausfräsung am Boden der Messzelle (100), eine Platine angebracht ist, die wenigstens einen Drucksensor und wenigstens einen Temperatursensor (140) aufweist, vorzugsweise den Temperatursensor (140) gemäß Anspruch 3.
14. Vorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine so ausgelegt ist, dass der Temperatursensor (140) in unmittelbarer Nähe des Laserstrahls (L4) die Temperatur des Messgases misst, wobei vorzugsweise ein Teil der Platine, auf dem der Temperatursensor (140) aufgebracht ist, thermisch isoliert vom Rest der Platine ausgebildet ist, höchst vorzugsweise durch Herausklappen aus einer Platinenebene.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur genaueren Bestimmung von Gas-Konzentrationen außerdem Einrichtungen zur Erfassung von Druck und Feuchte innerhalb der Messzelle (100) vorgesehen sind, vorzugsweise auf der Platine gemäß Anspruch 13 oder 14.
16. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein optomechanischer Block (210) der Vorrichtung, welcher optomechanische Block (210) zumindest die Messzelle (100), den Einlass (300), den Auslass (160) und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung (10) mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung (220) nebst zugeordneter Kühlung (230, 240) umfasst, in ein thermisch wirksames Isolationsmaterial (105) gehüllt ist.
17. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser-Detektor-Anordnung (220) thermisch von einem beheizten oder beheizbaren optomechanischen Block (210) der Vorrichtung, welcher optomechanische Block (210) zumindest die Messzelle (100), den Einlass (300), den Auslass (160) und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung (10) mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung (220) nebst zugeordneter Kühlung (230, 240) umfasst, getrennt und auf Raumtemperatur gekühlt oder kühlbar ist.
18. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Konzentrationsbestimmung mehrerer Isotope eines oder mehrerer Gase innerhalb der Messzelle (100) die Laserlichtquelle (450) so ansteuerbar ist, dass eine Wellenlänge des erzeugten Laserlichts periodisch mit etwa 1000 Hz oder langsamer einen festgelegten Wellenlängenbereich durchläuft, welcher Wellenlängenbereich so gewählt ist, dass mindestens drei Absorptionslinien der zu messenden Isotope in dem Bereich enthalten sind.
19. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, vorzugsweise softwaretechnisch, ein entstehendes und durch den Detektor aufgelöstes Absorptionsspektrum zur Konzentrationsbestimmung rechnerisch auszuwerten.
20. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 bei Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenz-Detektor (440) vorgesehen ist, der vom Strahlteiler (120) reflektierte Anteile des Laserlichts (L2) misst; und dass ein Signal-Detektor (460) vorgesehen ist, der Anteile des Lichtlichts misst, die in der Messzelle (100) durch die Spiegeleinheit (110) reflektiert wurden und den Strahlteiler (120) passiert haben (L1); wobei die Detektoren (440, 460) derart angeordnet sind, dass Strahlwege der genannten Laserlichtanteile (L1, L2) vom Strahlteiler (120) zu den Detektoren (440, 460) im Wesentlichen gleich lang sind; und wobei vorzugsweise die Laser-Detektor-Anordnung (220) und somit die Strahlwege (L1, L2) homogen temperiert sind.
21. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein optomechanischer Block (210) der Vorrichtung, welcher optomechanische Block (210) zumindest die Messzelle (100), den Einlass (300), den Auslass (160) und die dazwischen befindlichen Komponenten der Vorrichtung (10) mit Ausnahme der Laser-Detektor-Anordnung (220) nebst zugeordneter Kühlung (230, 240) umfasst, und die Laser-Detektor-Anordnung (220) thermisch voneinander entkoppelt sind.
22. Vorrichtung (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der optomechanische Block (210) beheizbar ausgebildet ist, um Kondensation innerhalb des optomechanischen Blocks (210) zu vermeiden.
23. Vorrichtung (10) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Entkopplung um den optomechanischen Block (210) eine Isolationsschicht vorgesehen ist, vorzugsweise in Form des Isolationsmaterials (105) gemäß Anspruch 16, welche Isolationsschicht vorzugsweise zumindest teilweise, höchst vorzugsweise in einem Bereich zwischen Laser-Detektor-Einheit (220) und optomechanischem Block (210), aus Polyoxymethylen mit etwa 25% Glasfaser oder aus einem vergleichbaren Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,4 W/(K·m) und einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Aluminium oder einem vergleichbaren Material gebildet ist, und welche Isolationsschicht vorzugsweise zumindest teilweise in einem Schaummaterial, höchst vorzugsweise expandiertes Polystyrol expandiertes Polypropylen, ausgebildet ist.
24. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (105) derart innerhalb eines Gehäuses (20) der Vorrichtung (10) angeordnet ist, dass ein von der Kühlung (230, 240) der Laser-Detektor-Anordnung (220) ausgehender Kühl-Luftstrom so um die Isolationsschicht (105) herum zu einem Kühlluft-Auslass (35) geführt wird, dass der Kühl-Luftstrom zum Kühlen einer elektronischen Haupt-Platine (40) der Vorrichtung (10) verwendbar ist, welche Haupt-Platine (40) zwischen Isolationsschicht (105) und Gehäuse (20) angeordnet ist.
25. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (120) eine geringe Wärmeleitfähigkeit von vorzugsweise unter etwa 40 W/(K·m) aufweist.
26. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Einlasses (300) eine mechanische Komponente in Form einer Spüleinheit (310) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, das Eindringen von Staub- und Schmutzpartikeln oder dgl. sowie größeren Gegenständen oder Fingern in die Vorrichtung (10) zu verhindern.
27. Vorrichtung (10) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinheit (310) zur Entlüftung des gesamten Luftkanals zwischen Einlass (300) und Auslass (160) innerhalb der Vorrichtung (10) einschließlich der Messzelle (100) ausgebildet ist.
28. Vorrichtung (10) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinheit (310) und der nachfolgende Luftkanal beheizbar ausgebildet sind, insbesondere von außen.
29. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinheit (310) dazu ausgebildet ist, das in ihr und dem nachfolgenden Luftkanal enthaltene, relativ feuchte Messgas durch trockenere Raumluft zu ersetzen.
30. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinheit (310) oder ein Gehäuse (311) derselben, vorzugsweise aus Aluminium oder dgl., wenigstens zwei vorzugsweise kreisförmigen Öffnungen (301, 306, 307) aufweist, wobei eine erste Öffnung (301) zur Aufnahme eines Bakterienfilters (302) ausgebildet ist oder einen Bakterienfilter (302) aufnimmt, an dem ein Atemschlauch (30, 303) angeschlossen oder anschließbar ist, und wobei eine zweite Öffnung (306) zur Aufnahme eines mechanischen Lüfters (350) ausgebildet ist oder einen mechanischen Lüfter (350) aufnimmt, welcher Lüfter (350) dazu ausgebildet ist, Raumluft in die Spüleinheit (310) zu transportieren, und dass über eine dritte Öffnung (307) eine Verbindung zum weiteren Luftkanal des optomechanischen Blocks (210) hergestellt ist.
31. Vorrichtung (10) nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass im Innern der Spüleinheit (310) eine Welle (304), insbesondere Hohlwelle (304), angeordnet ist, die durch ein Motormittel (305), vorzugsweise Schrittmotor, rotierbar ist, wobei vorzugsweise eine direkte mechanische Verbindung zwischen Motormittel (305) und Welle (304) geschaffen ist, wobei durch das Motormittel (305) mindestens zwei Positionen anfahrbar sind, und wobei die Welle (304) so gestaltet ist, dass in einer ersten Position ein Messgas-Strom aus der ersten Öffnung (301) und in einer zweiten Position ein Raumluft-Strom aus der zweiten Öffnung (306) durch die dritte Öffnung (307) in den nachfolgenden Luftkanal gelangt.
32. Vorrichtung (10) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gas- oder Luftführung durch Bohrungen (304a, b) in einem Mantel (304c) der Hohlwelle (304) realisiert ist, welche Bohrungen (304a, b) so angeordnet sind, dass sie je nach Stellung des Motormittels (305) entweder mit den ersten (301) und dritten (307) Öffnungen oder mit den zweiten (306) und dritten (307) Öffnungen deckungsgleich sind, wobei die Hohlwelle (304) weiterhin so gestaltet ist, dass die jeweils verbleibende Öffnung (307, 306) durch den Wellenmantel (304c) im Wesentlichen gasdicht verschlossen ist.
33. Vorrichtung (10) nach Anspruch 31 oder 32 bei Rückbezug auf Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motorsteuerung der Spüleinheit (310) so gestaltet ist, dass vor dem Abschalten der Beheizung gemäß Anspruch 28 die zweite Position der Hohlwelle (304) angefahren wird, in der ein Gasaustausch durch den Lüfter (350) ermöglicht ist.
34. Vorrichtung (10) nach Anspruch 30 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Spüleinheit (310) zum automatischen Erkennen eines eingesetzten Bakterienfilters (302) ausgebildet ist, insbesondere mittels RFID-Technik (308), so dass vorzugsweise beim Vorhandensein des Bakterienfilters (302) die erste Position gemäß Anspruch 31 und ohne Bakterienfilter (302) die zweite Position gemäß Anspruch 31 angefahren wird.

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