DE2520197A1 - Anordnung zur driftkompensierung eines gasanalysators - Google Patents

Anordnung zur driftkompensierung eines gasanalysators

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Description

Siemens Aktiengesellschaft Erlangen, 16. April 1975
Henkestrasse 127
VPA 75 P 5050 BRD Lst/Bd
Anordnung zur Driftkompensierung eines Gasanalysators
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Driftkompensierung eines Gasanalysators, der eine Strahlungsquelle enthält, die durch das zu analysierende Gas auf einen Strahlungsdetektor strahlt, dem eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines seinem Ausgangssignal und damit der Gaskonzentration entsprechenden verstärkten Ausgangssignals nachgeschaltet ist. Für medizinische Zwecke, z.B. für Respiratorbehandlungen und Lungenfunktionsanalysen, sind schnelle und genaue Gasanalysatoren erforderlich.
Bei der Respiratorbehandlung ist durch den COp-Inhalt des Ausatmungsgases des Patienten die richtige Behandlung festzustellen. Es ist deshalb wesentlich, dass der CO^-Inhalt sclrnell und korrekt bestimmt wird. Ein photometrisches Messverfahren ist hier das am besten geeignete Verfahren. Bei diesem werden die Übertragungseigenschaften des Ausatmungsgases eines Patienten für die Strahlen einer Lichtquelle zur Bestimmung des C02-Gehalts herangezogen.
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Es ist bekannt, das? mittels einer Saugpumpe Gasproben dem von einem Patienten ausgeatmeten Gasgemisch kontinuierlich oder intermittierend entnommen und einer speziellen Messkammer für die Analyse, z.B. die Bestimmung des COp-Gehalts, zugeführt werden können. Aufgrund der Tatsache, dass CO2 mit anderen Gasen vermischt ist und aufgrund der Verzögerung wegen der Länge der Schlauchverbindung zwischen dem Respirator und der Messkammer entsteht eine Deformation der aufgezeichneten COp-Kurve, wobei die Phasenlage zwischen der CC^-Kurve und der tatsächlichen Gasflusskurve im Respiratorschlauch nicht genau festgestellt werden kann. Es ist daher besser, wenn eine Strahlenquelle mit einer geeigneten spektralen Verteilung verwendet und die von der Strahlenquelle kommende Strahlung direkt durch das zum bzw. vom Patienten strömende Gas geleitet und vorzugsweise über einen Strahlungsunterbrecher und einen geeigneten Filter einem Detektor zugeführt wird.
Da es aufgrund des niedrigen Signalniveaus notwendig ist, Verstärker mit grossen Verstärkungen zu verwenden, und da Störeinflüsse, z.B. wegen der sich ändernden Strahlungsintensität der Strahlenquelle und wegen Schmutzabscheidungen auf dem die Gasleitung abschliessenden Glas, vorhanden sind, entstehen Probleme hinsichtlich der Driftkompensierung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein automatischer Driftausgleich erfolgt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Schaltungsanordnung einen Speicher enthält, an dem ein Schaltglied angeschlossen ist, das dfe Einspeicherung eines dem Ausgangs signal entsprechenden Signals bewirkt, wenn das zu analysierende Gas eine bekannte Konzentration besitzt, und dass der Speicher an einem Vergleicher angeschlossen ist, der das jeweils vom Detektor
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gelieferte Ausgangssignal mit dem im Speicher gespeicherten Signal vergleicht. Beim Erfindungsgegenstand wird die driftabhängige Komponente in der Ausgangsspannung des Detektors dadurch eliminiert, dass die aktuelle Ausgangsspannung mit derjenigen Spannung, die einer "bekennten Gaskonzentration entspricht, z.B. während der vorherigen Einatmung vorhanden war, verglichen wird. Da die Driftänderungen relativ langsam erfolgen, wird sich die Null-Linie des dem Gasgehalt entsprechenden Spannungssignals zwischen der Einspeicherung und dem Vergleich nicht merkbar ändern. Eine besonders zweckmässige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht darin, dass das Schaltglied dem Speicher während der l'nspirationsphase ein dem Ausgangssignal entsprechendes Signal zuführt. Da bei der CO^-Messung der CC^-Gehalt des Einatmungsgases fast Null ist, erfolgt automatisch ein Ausgleich der Nulldrift, und die aktuelle Ausgangsspannung während der Ausatmung zeigt den COp-Gehalt exakt an.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus zwei in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen und aus den Unteransprüchen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung nach der Erfindung, und
Fig. 2 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen zwischen einem Patienten und einem Servoventilator 21 angeordneten Verbindungsschlauch 22. Der Servoventilator führt dem Patienten über die Schlauchweiche 26 während der Inspirationsphasen Luft zu. Er kann aus einer Schaltvorrichtung bestehen, die den Luftstrom zwischen einem Druckluftbehälter und dem Patienten periodisch freigibt. Ein Servoventilator ist beispielsweise in der US-PS 3 741 208 beschrieben. Während der
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Exspirationsphasen strömt die Luft durch den Schlauchstutzen aus. Der Strahlungsunterbrecher 24 wird benutzt, damit in dem nachfolgenden Kreis Wechselstromverstärker verwendet werden können, die stabiler sind als Gleichstromverstärker. Der Filter lässt nur diejenigen Strahlen durch, die das zu messende Gas absorbiert. Der Strahlungsunterbrecher 24 zerhackt die Lichtstrahlung periodisch und wird beispielsweise von einer mit einem mechanischen Schwinger verbundenen, lichtabsorbierenden Fahne gebildet. Fig. 1 zeigt ferner einen einem Strahlendetektor 10 nachgeschalteten Verstärker 11, einen Gleichrichter 12, einen elektronischen Dividierer 13, einen Speicherkreis 14, einen dem Speicherkreis 14 und dem Dividierer 13 zugeordneten Feldeffekttransistor 15, einen nichtlinearen Verstärker 1β und eine Aufzeichnungsvorrichtung 17 in Form eines Schreibers od.dgl. Der Ausgang des Verstärkers 16 kann an eine zusätzliche Signalverarbeitungsvorrichtungj z.B. an ein Datenerfassungsgerät, angeschlossen werden. Der Detektor 10 wird von der Strahlung einer Strahlungsquelle 23 getroffen, die durch zwei Fenster 28, 29 im Schlauch 22 und durch das Gasgemisch im Schlauch 22 strahlt.
Die dem Detektor 10 zugeführte Strahlung wird durch den Strahlungsunterbrecher 24 derart zerhackt, dass das Ausgangssignal des Detektors 10 eine Frequenz von z.B. 200 Hz besitzt. Bevor die Strahlung den Detektor 10 erreicht, passiert sie das Analysenfilter 25, damit nur diejenigen Wellenlängen, die von dem zu untersuchenden Gas absorbiert werden,, zum Detektor 10 übertragen werden. Das Ausgangssignal des Detektors 10 folgt Lambert Beers Gesetz:
U = U0. e-xk
χ ist der unbekannte COp-Gehalt; k ist eine Apparatekonstante, die keinen zeitlichen Schwankungen unterworfen ist; U ist die Ausgangsspannung bei einem COp-Gehalt von 0. U wird durch die Drift beeinflusst (Schwankungen der Strahlungsintensität der Strahlungsquelle 23, Verschmutzung des Filters 25, usw. j
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Die impulsförmige Ausgangsspannung des Detektors 10 wird im Verstärker 11 verstärkt und danach dem Gleichrichter 12 zugeführt. Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 12 stellt den Mittelwert der Spannungsimpulse des Verstärkers 11 dar und ist also propor-
—xk
tional zur Spannung U . e .Um die Drift in der Komponente U der Ausgangsspannung des Gleichrichters 12 eliminieren zu können, ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Feldeffekttransistor A3 am Ausgang des Gleichrichters 12 und am Speicherkreis 14 angeschaltet. Der Feldeffekttransistor 15 wird leitend, wenn ein positives Signal an dessen Steuerleitung 18 auftritt. Vom Ventilator 21 wird ein positives Signal auf die Leitung ^8 beim Einatmen des Patienten gegeben, d.h. dann, wenn der CO^-Gehalt im wesentlichen gleich 0 ist. Die vom Gleichrichter 12 erhaltene Ausgangs spannung ist während dieser Zeitperiode gleich U und da der Feldeffekttransistor 15 leitend ist, wird diese Spannung UQ dem Speicherkreis 14 zugeführt. Beim Beenden der Einatmung verschwindet daa positive Signal auf der Leitung 18 und der Transistor 15 sperrt den Speicherkreis 14. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 12 wird ^tzt dem einen Eingang des Dividierers 13 zugeleitet. Gleichzeitig wird das dem CC^-Gehalt 0 entsprechende Signal des Speichers 14 ebenfalls dem Dividierer 13 zugeführt. Das Ausgangssignal des Dividierers 13 wird proportional zur Spannungskomponente e , weil die Drift der Komponente U0 aufgrund der Division im Dividierer 13 eliminiert wird und weil vorausgesetzt ist, dass die Drift von U zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einatmungs- und Ausatmungsphasen nicht ins Gewicht fällt, was in der Praxis zutrifft. Das den Nullpunkt eichende Ausgangssignal des Dividierers 13 wird schliesslich dem Verstärker 1β zugeführt, der die Übertragungsfunktion 1-log U- hat
-xk \ (vorausgesetzt, dass der Zusammenhang UQ . e gilt), so dass ein zum gesuchten Gasgehalt direkt proportionales Signal am Ausgang des Verstärkers 16 erhalten wird.
Der beschriebene Verlauf wiederholt sich, wenn der Feldeffekttransistor 15 wieder dadurch leitend gemacht wird, dass seiner
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-G-
Steuerelektrode ein positives Signal zugeführt wird, wenn der COp-Gehalt des Gasgemisches im Rohr 22 gleich O ist, also während der Einatmung.
Fig. 2 zeigt schematisch einen Spitzenwertdetektor 14', der aus einer Diode 15', einem Kondensator 19 und einem Widerstand 20 besteht. Der Widerstand 20 kann entfallen, wenn der Ableitungswiderstand des Kondensators 19 für seine Entladung während der Exspirationsphasen ausreicht. Der Dividierer 13' entspricht dem Dividierer 13 in Fig. 1. Dem einen Eingang des Dividierers 13' wird das Signal des Detektors 10 zugeführt und der Ausgang des Dividierers 13' ist, wie in Fig. 1, am logarithmischen Verstärker 16 angeschaltet.
Während einer Einatmungsphase ist der COp-Gehalt des Gasgemisches im Rohr 22 annähernd 0, und das Signal am Eingang des Dividierers 13' springt auf einen Maximalwert. Die Diode 15' wird hier leitend, wenn die Kondensatorsparmung niedriger oder gleich der Spannung am Eingang des Kreises 13' ist. Der Kondensator wird also während einer oder mehrerer Inspirationsphasen auf eine Spannung aufgeladen, die gleich der der Einatmung entsprechenden Detektorspannung ist, also den COg-Gehalt 0 kennzeichnet. Diese Spannung' entspricht also dein Wert U .
Beim Ausatmen wird das Signal des Detektors 10 dem Dividierer 13' zugeführt, da die Diode 15' gesperrt ist. Es wird, wie zu dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 beschrieben ist, eine Division im Dividierer 13' durchgeführt und die driftabhängige Spannungskomponente U wird eliminiert. Das vom Dividierer 13' gebildete Ausgangs signal ist also unabhängig von der Drift zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Ausatniungsphasen.
Wie vorher erwähnt, kann der AbI eitungswi der stand des Kondensators 19 zu dessen Entladung ausreichen. Es kann auch ein Widerstand 20 zum Kondensator 19 parallel geschaltet sein. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 ist eine Steuerung vom Venti-
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lator 21 nicht erforderlich, es eignet r.ich also für Anordnungen ohne Servoventilator. Der den Beispielen gemäss Fig. 1 und 2 zugrunde liegende Gedanke ist, dass sich die Drift aufeinanderfolgender Einatmungs- und .Ausatmungsphasen nicht merkbar verändert.
Die Messanordnung ist auch dann verwendbar, wenn die Konzentration des aktuellen Gases während der Einatmung nicht O, aber bekannt ist. Die Kompensierung erfolgt dann nicht gegen 0, sondern gegen den aktuellen Wert während der Einatmung.
Tue Erfindung ist nicht auf die Messung der COp-Konzentration
beschränkt, sondern allgemein zur Messimg von Gaskonzentrationen anv/endbar. Sie eignet sich ausser zur Messung der COp-Konzentration z.B. auch zur Bestimmung des Alkoholgehaltes in dem von
einem Patienten ausgeatmeten Gasgemisch.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    Anordnung zur automatischen Driftkompensierung eines Gasanalysators, der eine Strahlungsquelle enthält, die durch das zu analysierende Gas auf einen Strahlungsdetektor strahlt, dem eine Schaltungsanordnung zur Bildung eines seinem Ausgangssignal und damit der Gaskonzentration entsprechenden verstärkten Ausgangssignals nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung einen Speicher (14, 19) enthält, an dem ein Schaltglied (15, 15') angeschlossen ist, das die Einspeicherung eines dem Ausgangssignal entsprechenden Signals bewirkt, wenn das zu analysierende Gas eine bekannte Konzentration besitzt, und dass d?r Speicher (14, 19) an einem Vergleicher (13> 131) angeschlossen ist, der das jeweils vom Detektor (10) gelieferte Ausgangssignal mit dem im Speicher (14, 19) gespeicherten Signal vergleicht.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der der Gasanalysator zur Bestimmung des Gehaltes eines bestimmten Gases in dem von einem Patienten ausgeatmeten Gasgemisch dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (15, 15') zwischen dem Speichereingang und einem Punkt zwischen Detektorausgang und Vergleichereingang derart angeschlossen ist, dass es dem Speicher (14, 19) während der Inspirationsphase ein dem Ausgangssignal entsprechendes Signal zuführt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (15) ein steuerbarer elektronischer Schalter ist, dessen Steuereingang an einer Einrichtung (21) angeschlossen ist, die dem Patienten während der Inspirationsphasen Luft zuführt.
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  4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltglied (15f) so ausgebildet ist, dass es die Einspeicherung seines EAngangssignals in den Speicher (19) "bewirkt, wenn sein Eingangssignal einen vorbestimmten Wert hat.
  5. 5. Anordnung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (15') eine Diode ist, die an einem Speicherkondensator (19) angeschlossen und so gepolt ist, dass sie die Aufladung des Speicherkondensators (19) während der Inspirationsphasen bewirkt.
  6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (23) und dem Detektor (10) ein Zerhacker (24) zum periodischen Unterbrechen der Strahlung und zwischen dem Ausgang des Detektors (10) und dem Eingang des Vergleichers (13) und des Speichers (14, 19) ein Gleichrichter (12) liegt, der ein der Impulsausgangsspannung des Detektors (10) proportionales Ausgangssignal liefert.
  7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher (13, 13') ein Dividierglied ist.
  8. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Vergleicher (13, 13') ein nichtlinearer Verstärker (16) nachgeschaltet ist, dessen Charakteristik so gewählt ist, dass sein Ausgangssignal der zu messenden Gaskonzentration direkt proportional ist.
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