DE3118936A1

DE3118936A1 - Verwendung eines messverfahrens fuer gas- oder dampffoermige medien und vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE3118936A1
Application number: DE19813118936
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1982-12-02
Also published as: JPS57194346A; FR2506020A1; US4455378A; JPH0249466B2; DE3118936C2; FR2506020B1; GB2098741A; GB2098741B

Description

Drägerwerk Aktiengesellschaft Moislinger Allee 53-55, 2400 Lübeck

Verwendung eines Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige Medien und Vorrichtung hierzu

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige Liedien, bei dem ils Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden be ixe iz ten Sensorschicht bestimmt wird. Ferner werden speziell angepaßte Vorrichtungen zur Durchführung des Meßverfahrens angegeben.

Aus der DE-OS 28 09 873 ist ein Verfahren zur Bestimmung von in Luft vorhandenen gasförmigen oder flüssigen Medien bekannt, bei dem als Meßgröße die Änderung des elektrischen Widerstandes eines aus der Reihe der Porphyrine, insbesondere der Phthalocyanine ausgewählten Halbleiters bestimmt wird. Die Phthalocyanine können dabei ein metallisches Element, u.a. Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer oder Mangan enthalten. Als Meßfühler ist ein beschichteter kontaktierter keramischer Träger angegeben, der mit einer Einrichtung zur Messung des Widerstandes verbunden ist. Als Widerstandsblankwert eines Meßfühlers, der aus Kupfer- Phthalocyanin besteht, wird 1,5 χ 10 Ohm angegeben. Die absorbierten Gase führen zu einer Verringerung des Widerstandes, wobei das Differential der Änderung als Meßgröße bestimmt wird. Durch eine Wärmebehandlung können die absorbierten • Gase wieder desorbiert werden. Ein Hinweis auf die Verwendbarkeit zum Nachweis von Narkosegasen in der Haumluft im ppm- Bereich fehlt. Außerdem ist die Empfindlichkeit des beschriebenen Sensors für einen derartigen Nachweis viel zu gering.

In der GB-A 20 02 907 ist eine Oxidhalbleiterschicht als Gassensor vorgesehen, der speziell zum Nachweis brennbarer und reduzierender Gase und Dämpfe, nicht aber für Narkosegase geeignet ist. Die Halbleiter-

schicht ist dabei von einer Aluminiumoxidachicht bedeckt, welche eine Katalysatorschicht trägt. Die vorbekannte Ausführung ermöglicht keine Temperaturunterschiede zwischen der halbleitenden Oxidschicht und der Katalysatorschicht.

In der DE-PS 12 Π 430 und in der DE-AS 12 99 141 werden Geräte zur kontinuierlichen Bestimmung dea Gehaltes von organischen Narkosemitteldämpfen im Atemgas eines Patienten angegeben, wobei der Nar» kosemittelanteil eine Längenänderung eines Streifens aus quellbarem filikonkautscbuk herbeiführt, die zur Anzeige der Meßgröße ausgewertet wird. Mit solchen Geräten läßt sich nur der relativ hohe Anteil des Narkosegases im Atemgas eines Patienten bestimmen (ca. 1 5*), nicht aber die um mehrere Größenordnungen geringere Konzentration dieses Narkosegases in der umgebenden Kaumluft. Als zulässig wird hier ein Grenzwert von nur 2 ppm angesehen.

Zum Stande der Technik gehört ferner das in dem Prospektblatt EMMA vom Juni 1980 durch die Firma Engström Medical AB beschriebene EMMA- Gerät, ν .1-ches die Messung einzelner Narkosegase, wie Haiothan, Enfluran, Methoxyfluran und Isofluran ermöglicht, Als Sensor wird ein mit Silikonöl beschichteter

Schwingquarz benutzt. Durch die Gasaufnahme der Ölschicht tritt eine Frequenzänderung des Schwingquarzes ein, die in einer elektrischen Schaltung als Maß des Narkosegasanteils bestimmt werden kann. Das Gerät eignet sich bestimmungsgemäß nur zur Überwachung eines relativ hohen Narkosegasanteils im Ateragas des Patienten, seine Empfindlichkeit reicht für die Überwachung der wesentlich geringeren Eaumluftanteile nicht aus.

Zur Messung des Narkosegases Halothan in der Raumluft ist aus der DE-AS 28 30 781 ein Prüfverfahren bekannt, bei dem oberhalb eines gegebenen Grenzwertes ein Farbumschlag des auf pyrolytisch abgespaltenes, freies Halogen abgestimmten Prüfröhrchens eintritt.

Das Prüfröhrchen ermöglicht bei relativ hoher Empfindlichkeit im Bereich von 1 ppm eine stichprobenartige Überwachung des Raumluftanteils von Halothan.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, mit einfachen apparativen Mitteln eine empfindliche Messung eines Narkosegasanteils 'in der Raumluft durchzuführen, wobei gegebenenfalls auch die in der Kaumluft innerhalb einer bestimmten Zeit wirksame Dosis bestimmt werden soll, der die im Raum befindlichen Personen ausgesetzt waren. Eine weitere Aufgabenstellung der Erfindung liegt in der Schaffung einer Vor-

richtung zur Durchführung des Me&verfahrens mit Hilfe eines betriebssicheren, einfach aufgebauten und für bestimmte Narkosegase besonders empfindlichen Sensors.

Zur lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, ein Meßverfahren für gas, oder dampfförmige Medien, bei dem als Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden beheizten Sensorschicht ermittelt wird zur Bestimmung des Gehaltes, „ an aus balogenierten organischen Verbindungen bestehenden Narkosegasen in der Haumluft zu benutzen. Das Meßverfahren kann vorteilhaft mit einer metallfreies Phthalocyanin oder Metall- Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht ausgeführt werden. Zweckmäßig erscheint die Verwendung einer Kupfer-Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht. Bevorzugt lassen sich die Narkosegase Halothan, Enfluran und Foran nachweisen. Dabei ist die hohe Empfindlichkeit des Meßverfahrens speziell für die aus halogenierten Verbindungen bestehenden Narkosegase überraschend. Mit dem angegebenen Sensor lassen sich Narkogegatr nteile von Halothan in der Größenordnung von 1 ppm nachweisen. Eine etwa gleiche Empfindlichkeit ist

auch für die Narkosegase Enfluran und Foran gegeben. Dagegen ist die Empfindlichkeit gegenüber lachgas NpO, Aceton und Äthylalkohol wesentlich geringer, wobei erst oberhalb 10.000 ppm nachweisbare Signale auftreten.

Eine Dosisbestimmung der aus der Raumluft aufgenommenen Narkosegase kann zweckmäßig dadurch erfolgen, daß der nach dem EinwirkungsZeitraum vorliegende Widerstandswert der Sensorschicht bestimmt wird. Da sich der bei Einwirkung des Narkosegases rasch absinkende Widerstandswert der Sensorschicht ohne zusätzliche regenerierende Beheizung bei Zimmertemperatur nur relativ langsam zurückbildet, tritt eine integrierende Wirkung auf, und es lassen sich ortsfeste oder tragbare Geräte herstellen, die jeweils am Ende des BeobachtungsZeitraumes von bis zu 12 Stunden die Dosis anzeigen und/oder ein entsprechendes Warnsignal auslösen. Anschließend wird die Sensorschicht durch eine Erwärmung auf 50 bis 100° C wieder regeneriert.

Ein empfindlicher Sensor kann so aufgebaut sein, daß im Bereich der auf einem beheizbaren Träger angeordneten,Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht ein im freien Luftraum vor der Sensorschicht

angebrachter beheizbarer Katalysator zur Dissoziierung der Moleküle des nachzuweisenden Narkosegases angeordnet ist. Die Temperatur des Katalysators ist dabei zweckmäßig wesentlich höher als die Temperatur der Sensorschicht und beträgt gegebenenfalls vorteilhaft ca. 200 bis 600⁰C, während die Temperatur der Seu3orscbicht knapp über Raum, temperatur, etwa bei ca. 20 bis 4O⁰C festgelegt wird. Durch die unterschiedliche Beheizung von Sensorschicht und Katalysator wird eine entscheidende Steigerung der Nachweisempfindlichkeit möglich.

Der Katalysator ist zweckmäßig drahtförmig, insbesondere drahtwendelförmig, aus einem Metall aus der Reihe der Platinmetalle, vorzugsweise aus Palladium oder Platin, aufgebaut. Für die gewünschte Wirkung genügt ein feiner kurzer Draht.

Eine vorteilhafte Anordnung kann so gewählt werden, daß der Sensor aus einem einseitig mit einer Heizschicht versehenen,plättchenförmigen Keramikträger besteht, auf dessen anderer Seite die kontaktierte Sensorschicht angeordnet ist. In einer alternative *, gegebenenfalls zweckmäßigen Ausführung kann der Sensor als Sandwich- Zelle aufgebaut sein, bei der die Sensorschicht auf eine metallene Elektrode aufgebracht und mit einer gasdurchlässigen I>okelek-

trode abgeschlossen ist. Die Gasdurchlässigkeit der Deckelektrode läßt sich dabei auf verschiedenen Wegen, beispielsweise durch hinreichend geringe Schichtdicke oder durch Perforation erzielen.

Besonders wesentlich erscheint es, daß die Kontakte der Sensorschicht aus einem Edelmetall bestehen, weil hier die große Austrittsarbeit des Edelmetalls die gewünschte Wirkung steigert.

Schaltungstechnisch erscheint es vorteilhaften die Sensorschicht eine konstante Gleichspannung von wenigen Volt anzulegen und als Meßgröße der Widerstandsänderung die resultierende Stromstärkenänderung zu bestimmen. In einem weiten Bereich ist die Änderungsgeschwindigkeit proportional der Konzentration des Narkosegases im Raum.

Bei der tragbaren Ausbildung als Yaschengerät kann es vorteilhaft sein, daß zur Regeneration der Sensorschicht durch verstärktes Beheizen ein Zusatzteil vorgesehen ist, mit dem das Taschengerät, beispielsweise durch Einstecken, verbunden werden kann und der eine Stromversorgung für die verstärkte Beheizung der Sensorschicht aufweist, wobei die entsprechenden Kontaktverbindungen beim Einstecken selbständig hergestellt werden.

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In der Zeichnung Bind AUsführungsbtiepiele des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt; eß zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines als Flächenzelle ausgebildeten Sensors gemäß

<??■- Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines als Sandwich* Zelle ausgebilde

ten Sensors,

Fig. 4 den Stromanstieg in Abhängigkeit von der Konzentration K für eine Flächenzelle und eine Sandwich- Zelle,

Fig. 5 eine Darstellung der integrierenden

Funktion bei einem als Flächenzelle aufgebauten Sensor,

Fig. 6 eine Darstellung der Abnahme des espeicherten Meßwertes bei. dem in Fig. 5 gezeigten Sensor.

Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Sensor als Flächenzelle ist ein keramischer Träger 1, beispielsweise aus Aluminiumoxid, vorgesehen, der an seiner Unterseite eine mit Kontaktelementen 2,3 versehene halbleitende Heizschicht 4 aufweist. Auf der Oberseite des Keramikträgers 1 befindet sich eine Kupfer-Phthalocyanin (CuPc) enthaltenden Sensorschicht 5, welche mit aufgedampften Anschlußelektroden 6,7 aus Gold, auf einer haftungsverbessernden Chromschicht kontaktiert ist. Im freien Luftraum, ca. 10 mm vor der Sensorschicht 5, befindet sich ein als Katalysator dienender, beheizbarer Platin- Wendeldraht 8, der mit ;inschlußkontakten 9,10 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform des Sensors als Sandwich-1b Zelle nach * "ig. 3 ist die eine Anschlußelektrode 6 auf der Oberseite des Keramikträgers 1 angeordnet. Sie trägt die Sensorschicht 5, die oberseitig mit der gasdurchlässig gestalteten Anschlußelektrode 7 als De.ckelelektrode abgedeckt ist. In. freien Luftraum vor der Anschlußelektrode 7 und der Sensorschicht 5 ist der als Wendeldraht 8 gestaltete Katalysator mit den Anschlußkontakten 9,10 angeordnet. An der Unterseite des Keramikträgers 1 liegt die mit den Kontaktelernenten 2,3 versehene, halbleitende Heizschicht 4. ^ie Anschlußelektroden 6,7 bestehen aus Gold (Au).

Fig. 4 vergleicht eine Flächenzelle CuPc und eine Sandwich- Zelle Au-CuPc-Au hinsichtlich des Stroraanstiegs als Meßgröße entsprechend der Änderung der Konzentration K des nachzuweisenden Narkose- b gases. Es zeigt sich, daß die Anderungsgeschwindigkeit in einem weiten Bereich proportional der Konzentration des Narkonegases ist.

Aus der Darstellung der Fig. 5 und 6 läßt sich die Brauchbarkeit des Sensors als integrierendes Element zur Bestimmung der Dosis ableiten. Wie in Fig. 5 erkennbar, führt eine konstante Einwirkung von 5 ppm Halothan innerhalb von 4 1/2 Stunden zu

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einem Stromanstieg von 0,6 χ 10 A auf 4,3 x 10 A.

Fig. 6 zeigt, daß die erreichte Stromstärke innerhalb von 12 Stunden bei erhöhter Zimmertemperatur von 31 C nur langsam,
um etwa 6 $, abnimmt.

von 31 C nur langsam, im vorliegenden Falle nur

Die Temperaturangaben betreffen jeweils die Beheizung der Sensorschicht, die gegebenenfalls zweck- ?.O mäßig auf den bestimmungsgemäßen Wert durch eine entsprechende Regelschaltung festgelegt wird.

At,

Leerseite

Claims

Ansprüche

Verwendung eines Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige *Mien_f bei dem als Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin ο enthaltenden beheizten Sensorschicht (5) ermittelt wird, zur Bestimmung des Gehaltes an aus halogenierten organischen Verbindungen bestehenden liarkosegasen in der Kaumluft.

?. Verwendung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 1'-¹ unter Benutzung einer metallfreies Phthalocyanin enthaltenden Sensorschiebt (5).

5. Verwendung des Mei3 verfahr ens nach Anspruch 1 unter Benutzung einer auB Metall- Phthalocyanin bestehenden Sensorschicht (5).

1ü> 4. Verwendung des Meßverfahrens nach Anspruch 3 unter Benutzung einer Kupfer- Phthalocyanin ent haltenden Sensorschicht (5).

5. Vervrendung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 für HaIothan, Enfluran und Foran.

6. Verwendung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 zur Dosisbestimmung der aus der Raumluft aufgenommenen Narkosegase, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Einwirkungszeitraum vorliegende Widerstandswert der Sensorschicht (5) bestimmt wird.

7. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Sensor im Bereich der auf einem beheizbaren Träger (1) angeordneten, Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht (5) einen im freien Luftraum vor der Sensorschicht (5) angebrachten

- elektrisch beheizbaren Katalysator (8) zur Dissoziierung der Moleküle des nachzuweisenden Narkosegases aufweist.

B. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß die Temperatur des Katalysators (8) höher ist als die Temperatur der Sensorschicht (5).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Katalysators ca. 200 bis 600⁰C und die Temperatur der Sensorschicht (5) ca. 20 bis 4O⁰C beträgt.

10. Vorrichtung ηε^Λ%ι Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (8) drahtförmig aus einem Metall in d$r Reihe der Platinmetalle gestaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem einseitig mit einer Heizschicht (4) versehenen, plättchenförmigen Keramikträger (1) besteht, auf dessen anderer Seite die kontaktierte Sensorschicht (5) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 10, dadurc h gekennzeichnet, daß der Sensor als Sandwich- Zelle aufgebaut ist,.bei der die Sensorschicht (5) auf eine Elektrode (6) aufgebracht und mit einer gasdurchlässigen Deckelektrode Ci; abgeschlossen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte der Sensorschicht aus einem Edelmetall bestehen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschicht an eine konstante Spannungsquelle angeschlossen ist und daß als Meßgröße der Widerstandsänderung die Stromstärkenänderung bestimmt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als tragbares Taschengerät ausgebildet und zur Regeneration der Sensorschicht durch verstärktes Beheizen mit einem Zusatzteil verbindbar ist, welcher eine Stromversorgung für die verstärkte Beheizung der Sensorschicht aufweist.