DE2425647B2 - Sensor für CO2 -Meßgerät - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Sensor für CO₂-Meßgeräte in Form einer Zelle, die eine kleine Menge entionisierten Wassers enthält und zumindest eine J0 Membran aus einem semipermeablen Material aufweist, die auf ihrer einen Seite mit dem zu messenden Gasgemisch und auf ihrer anderen Seite mit dem entionisierten Wasser in Berührung steht, sowie zwei mit einem elektrischen Meßinstrument zu verbindende J5 Elektroden und einen körnigen Ionenaustauscher enthält.

Das Kohlendioxid ist ein Atemgift, das bei der Einatmung zu schweren gesundheitlichen Schäden führen kann. Um diese zu verhindern, ist die Konzentration in der Atemluft zu überwachen. Die Liste mit den »maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Wert)« gestattet für CO2 nur einen max-Wert von 5000 ppm in der Luft am Arbeitsplatz. In der Medizin gibt es für verschiedene Zwecke sogenannte Atemkreissysteme, an denen die Patienten angeschlossen sind. Der Patient entnimmt aus der Atemluft Sauerstoff, während er bei der Ausatmung CO2 in das System hinein abgibt. Der entnommene Sauerstoff wird von außen ergänzt, die Kohlensäure durch Einrichtungen, durch die die im Atemkreissystem geführte Atemluft geleitet wird, entfernt. Die Luft bleibt nur atembar, solange der O₂-Gehalt ausreicht und der CO2-Gehalt einen gewissen Wert nicht überschreitet.

Es ist ein Gas-Meßgerät bekannt, bei dem der CCVGehalt in Räumen gemessen werden kann, bei dem das Gas in eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Leitfähigkeits-Zelle geleitet wird. Die Zelle wird vor der Messung mit einer Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter gefüllt und wieder entleert, wenn die Messung durchgeführt ist. Die Flüssigkeit fließt dabei von der Zelle über einen Ionenaustauscher in den Vorratsbehälter zurück. Die Steuerung des Meßvorganges, mit Einfüllen der Flüssigkeit, Einleiten des Gases und Messen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit mit anschließendem Entleeren der Zelle und Zurückführen der Flüssigkeit über den Ionenaustauscher in den Vorratsbehälter erfolgt durch ein automatisches Steuersystem.

Das Gasmeßgerät für CO₂ ist, bedingt durch die notwendige Flüssigkeitsführung, mit in den Kreislauf eingeschaltetem Ionenaustauscher und dem Pumpensystem mit der automatischen Steuerung sehr umfangreich und entsprechend kompliziert. Es kann nur ortsfest verwendet werden, weil die Flüssigkeitsführung nur in der Lotrechten funktioniert. Die Meßwerte können nur diskontinuierlich entsprechend des Flüssigkeitszyklus erhalten werden (US-PS 35 44 278).

Ein weiteres bekanntes CO₂-Meßgerät unterscheidet sich von dem oben genannten durch einen kontinuierlichen Wasserumlauf in der Anordnung Meßzelle und Ionenaustauscher. Das Gasgemisch, das das zu messende CO₂ enthält, wird am unteren Ende einer Röhre in das den Ionenaustauscher verlassende entionisierte Wasser hineingedrückt und steigt in Bläschen unter der Wirkung des Auftriebs innerhalb der Röhre nach oben, bis es am oberen Ende in die Meßzelle eintritt. Infolge dieser Aufwärtsbewegung der Gasblasen wird das Wasser im Kreislauf durch den Ionenaustauscher und die Meßzelle geführt. Dabei wird das Wasser in der Meßzelle ständig erneuert. Das angeschlossene Meßinstrument zeigt kontinuierlich jeden Momentanwert an. Das Gerät ist jedoch an eine lotrechte Aufstellung gebunden und damit ortsfest. Als Handgerät ist es nicht verwendbar (GB-PS 11 43 403).

Es ist weiterhin ein CO2-Warngerät vorgeschlagen worden, das in einer Meßzelle ais Elektrolyten vollentsalztes Wasser enthält und das nach erfolgter Reaktion über einen kleinen Vorrat an Ionenaustauscher-(Mischbettfilter)-Substanz, die sich im Gerät befindet, nach Bedarf wieder regeneriert werden kann. Der Gasaustausch in der Meßzelle erfolgt über eine gasdurchlässige Membran. Die Meßzelle ist in dem zu messenden Gasstrom angeordnet. Damit der Gasaustauschvorgang durch die Membran möglichst rasch zu einem Endwert gelangt, ist die Meßzelle klein und enthält daher nur eine geringe Menge des entsalzten Wassers. Der Austausch des Wassers erfolgt durch Betätigung eines Pumpenmechanismus, etwa einer normalen Injektionsspritze, die von außen zugänglich ist. Das vorgeschlagene CO₂-Meßgerät kann durch die in den Gasstrom gebrachte Meßzelle mit der kleinen Menge an Elektrolyten zwar klein gebaut werden; es liegt jedoch auch hier eine diskontinuierliche Messung mit einem lageabhängigen Gerät vor (DE-OS 16 48 989).

In einem Zusatz zu dem oben vorgeschlagenen CO2-Meßgerät wird ein Gerät zur Überwachung der CO₂-Konzentration in dem einem Patient zur Inhalationsnarkose zuzuführenden Gasgemisch vorgeschlagen, bei dem in dem das Narkosegasgemisch führende Rohr eine mit entionisiertem Wasser gefüllte Zelle von sehr geringem Volumen angeordnet ist, die eine gasdurchlässige Membran enthält und in der die Masse eines Ionenaustauschers angeordnet ist. Dabei befindet sich die erste Elektrode in dem mit dem Elektrolyten gefüllten Raum zwischen der Membran und dem Ionenaustauscher und die zweite Elektrode entweder im gleichen Raum zwischen der ersten Elektrode oder eingebettet in der Masse des Ionen-Austauschers (DE-OS 21 47 718).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für ein CO₂-Meßgerät zu schaffen, der jederzeit die im Prüfgas vorhandene CO₂-Konzentration mit kurzer Anstiegs- und Abfallzeit mißt, klein und robust ist, lageunabhängig funktioniert und damit zusammen mit dem Anzeigegerät und der Stromquelle als

tragbares Meßgerät verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Elektrode innen an der Membran, die zweite Elektrode an der entgegengesetzten Wand der Zelle angeordnet ist und der Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden mit dem körnigen ionenaustauscher ausgefüllt ist.

Mit dieser Lösung entsteht ein Sensor in sehr kompakter Bauweise. Dadurch, daß die entscheidenden Bauelemente ohne Zwischenräume eng einander anliegen, es sind dies in der Reihenfolge der Aufzählung die Membran, die erste Elektrode, der körnige Ionisator und die zweite Elektrode, ergeben sich kurze Anstiegsund Abfallzeiten für die einzelnen Messungen. Durch den möglichen festen Zusammenbau mit kleinen Abständen tritt eine Verschiebung der Zellenflüssigkeit bei der Hantierung nicht mehr ein. Damit sind die Meßwerte des Sensors außerordentlich stabil.

Durch den direkten Kontakt zwischen den Ionenaustauscherkörnem tritt zwar eine Herabsetzung des Innenwiderstandes der Zelle ein, es kommt t.ber nicht zu einem Kurzschluß; da die (onenaustauscherkörner nur eine mäßige elektrische Leitfähigkeit besitzen. Die entsprechend geringe Empfindlichkeit spielt für den geplanten Einsatz zur Messung von CO2 keine Rolle, sie ist noch völlig ausreichend. Entscheidend sind die Vorteile aus den kürzeren Anstieg- und Abfallzeiten bei der Messung und die hohe Stabilität des Meßwertes.

In Ausbildung der Erfindung bildet der körnige Ionenaustauscher die zweite Elektrode. Bei dieser Anordnung wirkt der körnige Ionenaustauscher, der in gequollenem Zustand eine gewisse Leitfähigkeit besitzt, selbst als zweite Elektrode. Der elektrische Anschluß wird vor einem angepreßtem Sieb übernommen. In dieser Ausführung erreichen die Anstieg- und Abfallzeiten Minimalwerte.

Gemäß einer Weiterbildung ist die erste Elektrode eine auf die Membran aufgedampfte Metallschicht. Diese vorteilhafte Bauform macht den Aufbau noch kompakter und ermöglicht eine sehr sichere Anlage der Ionenaustauschkörner an die erste Elektrode bei einfacher Montage.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. ι den Aufbau des Sensors lind

Fig. 2 den Schaltungsaufbau eines CCVMeßgerätes mit dem Sensor nach Fig. 1.

Der Sensor der Fig. 1 enthält in einer Zelle 1 aus Kunststoff die beiden Elektroden 2 und 3. Der Raum dazwischen ist mit dem körnigen Ionenaustauscher 4 gefüllt. Die Zelle 1 ist abgedeckt durch die Membran 5, der Ring 6 hält sie straff und dicht an der Zellenwand 7. Um eine dichte und stabile Packung der Elektroden 2 und 3 und des Ionenaustauschers 4 in der Zelle 1 und eine festanliegende Membran 5 sicherzustellen, ist über die Zelle 1 eine Kappe 8 gestülpt, die mit einer Druckfeder 9 einen gasdurchlässigen Sinterkörper 10 gegen die Membran 5 drückt. Zum Gasdurchtritt besitzt die Kappe 8 in der Stirnfläche Löcher 11.

Die Elektroden 23 besitzen flüssigkeitsdicht durch die Zellenwand durchgeführte Anschlüsse, die erste Elektrode 2 den Anschluß 12 und die zweite Elektrode 3 den Anschluß 13. Die verbleibenden Hohlräume in der Zelle 1 sind mit entionisiertem Wasser gefüllt. In der Wand 20 der Zelle 1 befindet sich ein NTC-Widerstand 14. Er dient zur Temperaturkompensation.

Die Abmessungen des Sensors nach dem Beispiel überschreiten nicht die Werte 25 mm 0 χ 15 mm Höhe. Die Fig. 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines CCVMeßgerätes mit dem Sensor nach Fig. 1. Der Sensor 15 wird von einer Wechselstromquelle 16 versorgt. Sie ist mit den Anschlüssen 12 und 13 der Elektroden verbunden. In der einen Anschlußleitung 17 befindet sich das Meßinstrument 18 mit dem Meßwiderstand 19. Zum Ausgleich von Temperatureinflüssen auf die Anzeige, die durch unterschiedliche Durchlässigkeit der Membran hervorgerufen sein können, ist der NTC-Widerstand 14 der Meßanschlußleitung 17 parallelgeschaltet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Sensor für CO₂-Meßgeräte in Form einer Zelle, die eine kleine Menge entionisierten Wassers enthält und zumindest eine Membran aus einem semipermeablen Material aufweist, die auf ihrer einen Seite mit dem zu messenden Gasgemisch und auf ihrer anderen Seite mit dem ionisierten Wasser in Berührung steht, sowie zwei mit einem elektrischen Meßinstrument zu verbindende Elektroden und einen körnigen Ionenaustauscher enthält, d a durch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) innen an der Membran (5), die zweite Elektrode (3) an der entgegengesetzten Wand (20) der Zelle angeordnet ist und der Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden (2, 3) mit dem körnigen Ionenaustauscher (4) ausgefüllt ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der körnige Ionenaustauscher (4) die zweite Elektrode bildet.

3. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (2) eine auf die Membran (5) aufgedampfte Metallschicht ist.