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Diese Erfindung betrifft Infrarot-Gasanalysatoren und
insbesondere einen verbesserten Infrarot-Gasanalysator, der zu
einer hohen Genauigkeit und zur schnellen Reaktion im
Zusammenhang mit der Schwierigkeit bei der Messung von Gasen
in der Lage ist, und dennoch verhältnismäßig niedrig in den
Kosten ist.
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Viele Typen von Infrarot-Gasanalysatoren verwenden eine
Infrarotquelle, um Infrarotenergie zu erzeugen und durch ein
unbekanntes Gasgemisch, das in einer Probenzelle enthalten
ist, zu richten. Die Energie, die durch die Probenzelle
hindurchgeht, wird erfaßt, und aus ihr werden entsprechende
elektrische Signale erzeugt. Diese Signale werden
verarbeitet und ein Ausgangssignal erzeugt, das die Konzentration
von einem oder mehreren der Bestandteile des Gases in der
Probenzelle anzeigt.
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Derartige Gasanalysatoren beruhen auf dem Prinzip, daß
verschiedene Gase bei speziellen Wellenlängen im infraroten
Strahlungsspektrum eine stabile charakteristische
Absorption besitzen. Ein Gasanalysator dieses Typs wird in dem
US-Patent Nr. 4,013,260, Mcclatchie u.a., das am 22.März
1977 ausgegeben und den Inhabern der vorliegenden Erfindung
erteilt wurde, gezeigt und beschrieben. Ein anderer Typ
eines Infrarot-Gasanalysators wird in dem US-Patent Nr.
3,953,734, Dimeff, das am 27.April 1976 ausgegeben und den
Vereinigten Staaten von Amerika erteilt wurde, gezeigt und
beschrieben.
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WO-A-85/00655 beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung
zur Bestimmung des Alkoholspiegels in einer Atemprobe. Der
Analysator ermittelt unter Verwendung einer dritten
Wellenlänge der Infrarotenergie, zusätzlich zur ersten
Referenzwellenlänge und zur zweiten Wellenlänge von Alkohol,
die Anteile von Azeton und Wasser. Die Alkoholanzeige wird
entsprechend dem Vorhandensein von Azeton und Wasser
eingestellt. Es werden drei Filter verwendet, eines als
Referenz, eines für Alkohol und eines für Azeton- und
Wasserdampf.
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In jedem der oben zitierten Patente und in ähnlichen Typen
von Infrarot-Gasanalysatoren wird das Wellenlängenband des
Strahlenbündels der Infrarotenergie, das durch die
Probenzelle hindurchgeht, die das unbekannte Gasgemisch enthält,
durch das Zwischenschalten von einern oder mehreren Filtern
in den Strahlengang des Lichtbündels periodisch verändert.
Gewöhnlich läßt jedes Filter nur Strahlung in einem
schmalen Band, das dem charakteristischen
Absorptionswellenlängenband eines speziell interssierenden Gases entspricht,
hindurch. Als Referenzfilter können auch andere Filter in
einem Wellenlängenband verwendet werden, das nahe am
charakteristischen Absorptionswellenlängenband von einigen in
der Probenzelle vorhandenen Gasen liegt, es jedoch nicht
wesentlich überlappt.
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Gasanalysatoren des vorhergehend beschriebenen Typs
beziehen gewöhnlich die Strahlung, die bei den
charakteristischen Bändern ermittelt wird, auf die Strahlung, die bei
den Referenzpegeln ermittelt wird (z.B. eine
nichtabsorbierte Wellenlänge und ein dunkler oder völlig gesperrter
Pegel). Wenn das erfolgt, wird die Auswirkung der
sogenannten Drift minimiert und die Auswirkung des
Hintergrundrauschens verringert. Die Drift kann als Ergebnis einer
Verunreinigung an den Fenstern in der Probenzelle auftreten,
welche die durch sie hindurchgehende Strahlung abschwächt
und welche fehlerhaft interpretiert werden könnte, wenn das
Vorhandensein des Gases angezeigt wird, das in der Gasprobe
zu ermitteln ist. Drift kann auch durch Verschiebungen im
Ausgangssignal des Detektors, die vielen
Dektorkonstruktionen anhaftet, und Temperaturänderungen in der
Infrarotstrahlungsquelle verursacht werden.
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Gasanalysatoren des vorhergend beschriebenen Typs können
trotz ihrer hohen Genauigkeiten noch Fehler enthalten, die
durch eine Vielzahl von Faktoren ausgelöst werden. Einer
dieser Faktoren ist der Unterschied in der Temperatur
zwischen verschiedenen Komponenten des Gasanalysators. Die
Temperatur kann natürlich häufig durch Hilfsmittel, wie
z.B. Wärmeableitungen, Kühler usw. stabilisiert werden. Die
Verwendung derartiger Elemente führt zu signifikanten
Kostenerhöhungen, was unerwünscht sein kann.
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Ein weiterer Fehlerfaktor ist das Vorhandensein von
bestimmten Gasen oder Kombinationen von Gasen in der
Probenzelle mit Absorptionsbändern, die sich in hohem Maße
überlappen. Das Absorptionsband von Wasserdampf ist zum
Beispiel sehr breit und kann das Absorptionsband von anderen
in der Probenzelle vorhandenen Gasen überlappen. Ohne deren
Korrektur kann ein signifikanter Fehler die Folge sein. Die
sehr starke Absorptionscharakteristik von Kohlendioxid kann
ebenfalls Fehler in den wahrgenommenen Messungen für andere
vorhandene Gase verursachen, wenn sie selbst eine geringe
Überlappung darstellen.
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Die Wirkung einiger Temperaturänderungen auf die
Genauigkeit kann häufig besser durch die Positionierung eines
rotierenden Filterrades an der Eingangsseite der Probenzelle
(z.B. zwischen der Infrarotquelle und der Probenzelle),
anstatt an der Austrittsseite (zwischen der Probenzelle und
dem Detektor) verringert werden. Obwohl durch eine
derartige
Positionierung eines Filterrades bestimmte andere
Probleme entstehen können, wird eine solche Anordnung
bevorzugt und die zusätzlichen Fehler, die durch eine solche
Anordnung entstehen, werden häufig toleriert.
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Dessen ungeachtet werden für bestimmte Gase oder
Gasgemische eine höhere Genauigkeit benötigt als im allgemeinen in
Geräten nach dem Stand der Technik ohne außergewöhnliche
Unkosten erreicht wurde. Bei der Messung und Überwachung
von Gasen, die zum Beispiel bei anästhesierten Patienten
während einer chirurgischen Operation durchgeführt werden,
kann das vom Patienten eingeatmete und ausgeatmete
Gasgemisch zum Beispiel prozentuale Anteile von Gasen, wie
Halothan, Methoxyfluoran, Isofluran und Enfluran, sowie
Kohlendioxid und Wasserdampf enthalten. Die
Absorptionschrakteristiken dieser verschiedenen Gase unterscheiden sich in
weitem Umfang. Die Absorption von Kohlendioxid bei seiner
charakteristichen Wellenlänge kann zum Beispiel um das
Vielfache größer sein als die Absorption von Halothan bei
seiner charakteristischen Absorptionswellenlänge. Wenn die
Probenzelle für schnelle Reaktionszeiten im Analysator
klein sein muß, wird auch eine Fehlerkorrektur bedeutsamer.
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Demzufolge bleibt die Forderung insbesondere im
Zusammenhang mit der Überwachung von Anästesiemitteln und den damit
verbundenen Gasen erhalten, einen Gasanalysator mit einer
schnellen Reaktionszeit zusammen mit einer hohen
Genauigkeit und Stabilität bei einem angemessenen Preis
bereitzustellen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Gasanalysator bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
Gasanalysator mit einer hohen Genauigkeit und Stabilität
bereitzustellen, welcher in den Kosten verhältnismäßig
niedrig ist.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
Gasanalysator bereitzustellen, welcher besonders gut für den
Einsatz im Zusammenhang mit der Messung von Gasen in den
eingeatmeten und ausgeatmeten Gasen eines Patienten in
Narkose geeignet ist.
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Weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich für den
Fachmann aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den
beiliegenden Zeichnungen. Es zeigt:
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Fig. 1 ein Blockschaltbild eines nichtdispersiven
Infrarot-Gasanalysators, der die Erfindung enthält;
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Fig. 2 eine Draufsicht eines Filterrades, das in dem
Gasanalysator entsprechend Fig.1 verwendet wird;
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Fig. 3 ein Diagramm, das die Absorptionschrakteristiken
von verschiedenen Gasen veranschaulicht, welche mit
der Erfindung überwacht werden können.
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Sehr verallgemeinert enthält der Gasanalysator entsprechend
der Erfindung eine Probenzelle zur Aufnahme eines zu
analysierenden Gasgemisches. Aus einer Quelle wird
Infrarotenergie durch die Probenzelle gerichtet. Ein rotierendes
Filterrad besitzt mindestens ein Filter zum Hindurchlassen der
Infrarotenergie in einem Wellenlängenband innerhalb der
charakteristischen Absorptionsbandes eines vorbestimmten
Gases. Das Filterrad ist ebenfalls mit einem im
wesentlichen für Infrarotenergie undurchlässigen Dunkelpegelbereich
ausgerüstet. Das Filterrad ist gelagert und wird gedreht,
um nacheinander das Filter und den Dunkelpegelbereich
zwischen die Quelle und die Probenzelle in den durch die
Quelle bestimmten Strahlengang der Infrarorenergie zu
schieben. Die Infrarotenergie, die durch die Zelle
hindurchgeht, wird erfaßt und es wird ein elektrisches Signal
erzeugt, das der Amplitude der Infrarotenergie entspricht.
Das elektrische Signal wird verarbeitet, um ein
Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des vorgegebenen
Gases in der Probenzelle anzeigt. Während der Verarbeitung
werden die elektrischen Signale, die von dem Detektor mit
dem Filter, der im Strahlengang der Infrarotenergie
positioniert ist, erzeugt wurden mit den Signalen verglichen,
die erzeugt werden, wenn der Dunkelpegelbereich im
Strahlengang der Infrarotenergie positioniert ist. Der
Dunkelpegelbereich besitzt eine im wesentlichen vollständig
reflektierende Oberfläche, die auf die Probenzelle gerichtet ist,
wenn sie im Strahlengang der Infrarotenergie positioniert
ist. Folglich wird die Infrarotenergie, die auf den
Dunkelpegelbereich auftrifft, im wesentlichen auf den Detektor
reflektiert.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 kann jetzt ein System
entsprechend der vorliegenden Erfindung betrachtet werden. Eine
Infrarotquelle 11 mit einem geeigneten Aufbau ist an einem
Ende des optischen Infrarotstrahlenganges 13 angeordnet,
welcher am anderen Ende am Detektor 15 endet. In Linie in
diesem optischen Strahlengang befindet sich ein rotierendes
Filterrad 17, welches durch einen Motor 19 und einen
Riemenantrieb 20 um eine Achse gedreht werden kann, die
parallel zum optischen Strahlengang, aber versetzt dazu ist. In
dem optischen Strahlengang befindet sich auch eine
Probenzelle 21, durch welche das zu analysierende Gasgemisch
hindurch geleitet wird. Im Falle der Überwachung der Aufnahme
und Abgabe der Atemluft bei einem Patienten unter Narkose
kann die Probenzelle zum Beispiel durch eine Röhre 23 mit
dem Luftwegschlauch verbunden werden, der an den Patienten
angelegt ist.
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Um die Probengase aus der Probenzelle 21 abzusaugen, ist
eine Auslaßröhre 18 vorgesehen, welche mit einer Pumpe 16
in Verbindung steht. Ein periodischer Betrieb der Pumpe 16
kann Probengas durch die Einlaßröhre 23 in die Probenzelle
21 zuführen.
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Ein Signalprozessor 24 ist vorgesehen, um die durch den mit
der Position des rotierenden Filterrades 17
synchronisierten Detektor 15 erzeugten Ausgansgsignale zu verarbeiten
und eine Vielzahl von Messungen zu liefern, wie unten
beschrieben wird. Das rotierende Filterrad kann zum Beispiel
direkt oder durch einen geeigneten Asynchron-Motor mit 3450
U/Min. über einen geeigneten Antriebsriemen oder eine
geeignete Lageranordnung, nicht gezeigt, so angetrieben
werden, daß es sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 6,000
Ulmin. dreht.
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Das rotierende Filterrad selbst wird besser in Fig. 2
veranschaulicht, welche die Vorderseite des rotierenden
Filterrades des bevorzugten Ausführungsbeispiels schematisch
darstellt. Das rotierende Filterrad ist, wie gezeigt, in
sechs Segmenten von jeweils sechzig Grad geteilt, wobei
vier der sechs Segmente die Filter 25 bis 29 enthalten und
das sechste Winkelsegment von einem massiven Teil des Rades
eingenommen wird. Es können jedoch auch andere
Kombinationen und Anzahlen verwendet werden, ohne vom Umfang der
Erfindung abzuweichen. Wie nachfolgend gezeigt, sind die
Filter 25 bis 29 jeweils so ausgewählt, daß sie schmale Bänder
der Infrarotstrahlung hindurchlassen, die jedes
verschiedene Bandmitten bei ein vorgegebenen Wellenlängen besitzen,
um vier Meßsignale und ein Referenzsignal zu liefern. Das
sechste Winkelsegment oder der Bereich 31 des Rades besitzt
kein Filter und wird verwendet, um die Quellenstrahlung von
der Probenzelle so abzublocken, daß das Detektorsignal
verwendet werden kann, um die kombinierten Effekte, wie z.B.
Hintergrundstrahlung, Detektor-Nullpunkt, elektronischer
Versatz, usw. (d.h. das Hintergrundrauschen) anzuzeigen.
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Die Probenzelle 21 enthält das zu analysierende Gasgemisch.
Das Gasgemisch enthält ein interessierendes Gas, das aus
einer Anzahl von Gasen ausgewählt ist. Jedes der Gase
besitzt eine zugehörige Absorptionscharakteristik, wie unten
beschrieben wird. Wenn die Infrarotenergie durch die Zelle
21 hindurchgeht, absorbiert das Gasgemisch einen Teil
dieser Energie.
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Der Detektor 15 reagiert auf die Infrarotenergie, die durch
die Zelle 21 hindurchgeht. Jeder Energieimpuls, der durch
ein Filter im Filterrad 17 hindurchgeht, erzeugt durch den
Detektor einen Signalimpuls. Jeder Impuls besitzt eine
Amplitude, die durch die Strahlungsenergie bestimmt wird, die
bei einer bestimmten Wellenlänge des Filters, das dann in
den Strahlengang der Energie geschoben wird, durch die
Zelle 21 hindurchgeht. Der Impuls wird an einen
Signalprozessor 24 angelegt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3, wird nur als Beispiel eine
Absorption (α) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ)
gezeigt, wobei die Darstellung für vier Gase A, B, C bzw. D
eine mögliche Absorption veranschaulicht. Jedes der Gase A,
B, C und D besitzt eine charakteristische
Absorptionswellenlänge λa, λb, λc bzw. λd. Die Absorption der
Infrarotenergie, die durch die Probenzelle hindurchgeht, liegt bei
der charakteristischen Wellenlänge λa - λd (bestimmt durch
die Filter) des jeweiligen Gases A-D. Die charakteristische
Absorption sind alle Wellenlängen, bei welchen ein Gas
Infrarotenergie absorbiert. Eine vorgewählte Wellenlänge λr
(das Referenzfilter) ist so ausgewählt, daß sie außerhalb
aller Absorptionscharakteristiken der Gase A-D liegt, wie
in Fig. 3 gezeigt wird.
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Der Gasanalysator gemäß der Erfindung ist besonders
zweckmäßig zum Analysieren der ausgeatmeten Luft eines Patienten
unter Narkose. Typische Kriteria sind Kohlendioxid,
Wasserdampf,
Stickstoffoxid, Sauerstoff und eines oder mehrere
der vorher erwähnten Nakosemittelgase, wobei diese Mittel
typischerweise eine Konzentration in der ausgeatmeten Luft
von einem bis fünf Prozent oder weniger haben. Jedes dieser
Anästhesiemittel absobiert Infrarotenergie bei einer
Wellenlänge von etwa 3,3 µm.
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Die grundsätzliche Theorie der Wirkungsweise des Systems
ist wie folgt: Das Detektorsignal, das gemessen wird, wenn
das Referenzfilter (Wellenlänge λr) in dem optischen
Strahlengang ausgerichtet ist, liefert einen Meßwert der
grundsätzlichen Empfindlichkeit des Systems auf
Infrarotstrahlung im allgemeinen. Das heißt, es liefert einen Meßwert
der Stärke der Strahlung der Infrarotquelle, die
Verminderung der Strahlung durch (nichtspektrale) Verunreinigung
und dergleichen auf dem infrarotdurchlässigen Fenstern in
der Probenzelle, und es liefert ferner einen Meßwert der
Effektivität des Kollektors und der Empfindlichkeit des
Detektors, sowie des Verstärkungsgrades der
Verarbeitungselektronik. Jedes der anderen Filter (λa - λd) liefert eine
Strahlung, welche idealerweise, wenn überhaupt, nur
absorbiert werden kann durch das Vorhandensein des speziellen,
zu bestimmenden Gases (A-D) mit der
Absorptionscharakteristik, die dem Filter entspricht. Natürlich werden
Verunreinigungen auf den Fenstern Veränderungen in der Strahlung
der Quelle, den Eigenschaften des Detektors usw., auch das
empfangene Signal verändern, dessen Empfindlichkeit durch
die Verwendung des Referenzsignals, welches in gleicher
Weise beeinflußt wird, minimiert werden kann.
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In der Praxis ist bei einer evakuierten Probenzelle oder
alternativ bei einer Probenzelle, die andere als die zu
ermittelnden Gase enthält, das Detektorsignal in Abhängigkeit
von der Winkelposition des rotierenden Filterrades
unterschiedlich. Das ergibt sich aus Effekten wie den
unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Filter und den
Empfindlichkeiten der Strahlung der Quelle und der
Wellenlänge des Detektors. Die vier empfangenen Signale werden
unterschiedliche Amplituden besitzen.
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Unterschiede in der Signalamplitude könnten optisch
ausgeglichen werden durch Steuerung der Öffnung jedes
Referenzfilters oder elektronisch durch Abtasten der kleineren
Signale für eine längere Zeit mit einer Schaltung, die eher
auf die Zeitamplitudencharakteristik empfindlich ist, als
lediglich auf die Amplitude oder die amplitudenstarre
Zeitproduktcharakteristik der Abtastung. Das ist jedoch
schwierig, weil derartige mechanische Veränderungen kostspielige
mechanische Komplexitäten und zeitaufwendige Justierungen
einschließen, und die festeingestellten Zeitschaltungen für
die Proben sind bei weitem die Einfachsten zur Herstellung
und Verwendung.
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Ein anderes Verfahren zum Abgleichen der Signale bestände
darin, zu jedem der Signale eine geeignete Vorspannung zu
addieren, um alle Signale auf einen vorgegebenen Pegel zu
bringen. Das würde jedoch zu einem System führen, welches
auf die Anderungen der optischen Charakteritik empfindlich
wäre, so daß in dem Fall, wenn die optischen Fenster, die
die Verunreinigungen sammeln, alle Signalstärken um zwanzig
Prozent abfallen lassen, die Vorspannung nicht entsprechend
abfallen würde, und die vier Signale wären nicht länger
gleich, wenn die Probenzelle frei von dem zu erfassenden
Gas wäre. Das würde unter der Bedingung, wenn keine
Ausgangssignale vorhanden wären, zu unterschiedlichen
Ausgangssignalen führen.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die
Detektorsignale von jedem der fünf Filter für einen vorgegebenen
Winkel des Filterrades mit einem System gemessen, das einen
unterschiedlichen Verstärkungsgrad für jeden der
abgetasteten Signale aufweist, der vorgegeben wird, um die Signale
abzugleichen, wenn keines der zu messenden Gase in der
Probenzelle vorhanden ist. Änderungen in der Intensität der
Strahlung im optischen System, die durch Verunreinigungen
auf den Fenstern der Probenzellen usw. verursacht werden,
ändern generell alle Signal proportional und demzufolge
werden die vier Gassignale und das Referenzsignal einander
mit einem hohen Grad an Genauigkeit folgen.
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In weiterer Verfolgung der vorgenannten Zielsetzung sollte
angemerkt werden, daß in jedem derartigen System ein
bestimmter Anteil von Hintergrundstrahlung vorhanden ist. Das
ist Strahlung, welche auf den Detektor auftreffen wird,
auch wenn die Infrarotstrahlungsquelle ausgeschaltet ist
oder von der Strahlung in die Probenzelle durch den festen
Teil der rotierenden Filterradanordnung abgeblockt wird. Es
sind auch andere Signale vorhanden, welche der
Hintergrundstrahlung funktionell äquivalent sind, wie z.B. ein
mögliches Nullausgangssignal des Detektors, Verschiebungen des
Eingangssignales in der Elektronik usw.. Diese Signale
werden gewöhnlich nicht mit Veränderungen der Intensität des
Quelle, der Durchlässigkeit des Fensters usw. verändert,
und sollten folglich aus den Signalen entfernt werden,
bevor die Justierung der Verstärkung zum Abgleich der
Ausgangssignale durchgeführt wird.
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In einigen Fällen liegt die Wellenlänge des Referenzfilters
nicht insgesamt außerhalb des Absorptionsbandes aller Gase,
die in der Probenzelle vorhanden sind. In diesen Fällen
kann eine Verstärkungskompensation notwendig sein, welche
berechnet werden kann und welche im Signalprozessor, der
unten genauer beschriebenen wird, kompensiert wird.
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Es wird erneut auf Fig. 1 verwiesen, in der der
Signalprozessor 24 einen Vorverstärker 33 enthält, der mit dem
Ausgang des Detektors verbunden ist. Eine
Rückkopplungsschleife verläuft vom Ausgang des Vorverstärkers 33 durch
eine Geschwindigkeitsteuerschaltung 35 zum Motor 19, um die
Motorgeschwindigkeit zu stabilisieren. Der Ausgang des
Detektors 33 ist auch mit einer Impulsnormierungsschaltung 37
verbunden, deren Ausgang dann mit einer
Bereichsstufenschaltung 39 verbunden ist.
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Die Impulsnormierungsschaltung 37 arbeitet so, daß sie die
Amplitude der Impulse, die durch den Vorverstärker 33 vom
Detektor 15 ausgegeben werden, bei Nichtvorhandensein von
Gas in der Probenzelle, welches bei der speziellen
Wellenlänge dieses Impulses absorbiert, auf einen Standardwert
oder eine vorgegebene Amplitude einstellt. Die
Bereichstufenschaltung 39 justiert andererseits die Verstärkung jedes
Impulses in Übereinstimmung mit den
Absorptionscharakteristiken des Gases, das dieser speziellen Wellenlänge
entspricht. Die Verstärkung jedes Impulskanals wird so
ausgewählt, daß bei Nichtvorhandensein irgendeines Gases, das
bei dieser speziellen Wellenlänge absorbiert, ein
vollständiger Impuls auf einer Standardausgangsspannung liegt.
Schaltungen zum Erreichen von Impulsnormierungen und einer
Bereichsstufenjustierung sind auf diesem Gebiet allgemein
bekannt und werden hier nicht näher beschrieben. Innerhalb
des Umfangs der vorliegenden Erfindung kann irgendeine
geeignete Impulsnormierungsschaltung oder
Bereichsstufenjustierungsschaltung verwendet werden.
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Die Funktion der Impulsnormierungsschaltung 37 und der
Bereichstufenjustierungsschaltung 39 wird von einem
Kontroller 41 gesteuert. Der Kontroller 41 kann irgendein
geeigneter, auf einem Mikroprozessor basierender Kontroller sein
und vorzugsweise einen Speicher zur Speicherung von
Informationen, wie z.B. Filterparameter,
Gasabsorptionscharakteristik usw. enthalten. Das besondere Programm, mit welchem
der Mikroprozessor arbeitet, ist ebenfalls vorzugsweise
intern in einem geeigneten ROM gespeichert.
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Der Ausgang des Kontrollers 41 ist an ein geeignetes
Display 43 angeschlossen. Das Display 43 kann Skalenscheiben,
digitale Anzeigen oder andere geeignete Anzeigeelemente für
die Konzentrationen der in der Probenzelle interessierenden
Gase enthalten. Der Mikroprozessorkontroller 41 kann
ebenfalls gesteuert werden oder seine Programme können
anderweitig mit Hilfe einer externen Bedienertastatur, nicht
gezeigt, modifiziert werden.
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An den Kontroller 41 werden verschiedene
Arbeitsbedingungen, die durch geeignete Abtasteinrichtungen abgenommen
werden, von denen nur einige gezeigt werden, durch einen
Signalmultiplexer und Analog-Digital-Wandler 45 angelegt.
Die Umgebungstemperatur kann zum Beispiel von einem
Umgebungstemperatursensor 47 abgetastet werden, welcher ein
analoges Ausgangssignal an die Schaltung 45 liefert,
welches dann zweckmäßigerweise in eine entsprechende
Digitalinformation gewandelt wird. In der Auslaßröhre 18 der
Probenzelle 21 enthaltener Sauerstoff kann in ähnlicher Weise
durch einen Sauerstoffsensor 49 abgetastet werden, welcher
an die Schaltung 45 ein analoges Ausgangssignal anlegt.
Nach dem Multiplexen werden die Signale, die die
Sauerstoffkonzentration und die Umgebungstemperatur darstellen,
dann an den Analog-Digital-Wandler angelegt und zur
weiteren Verarbeitung an den Kontroller 41 übertragen.
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In der Einlaßröhre 23 ist ein Ventil 51 vorgesehen. Das
Ventil 51 spricht an, um die Verbindung zum Luftweg des
Patienten abzutrennen und eine Aufnahme für Umgebungsluft und
einen Reiniger 53 mit der Einlaßröhre 23 zu verbinden. Wenn
das erfolgt ist, wird die Betätigung einer Pumpe 16 die
Probenzelle von allen darin enthaltenen Gasen befreien und
diese Gase durch Umgebungsluft ersetzen, welche vom
Kohlendioxid gereinigt wurde. Wenn das erfolgt ist, kann dann der
Kontroller die Impulsnormierungsstufe 37 justieren, um die
Justierung der Normierung erneut zu kalibrieren.
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Beim Betrieb der Anordnung werden die Ausgangsimpulse vom
Detektor 15 im Vorverstärker 33 verstärkt und dann in der
Impulsnormierungsstufe 37 justiert. Die
Impulsnormierungsschaltung justiert die Amplitude der Impulse in
Übereinstimmung mit den Änderungen in der Amplitude des
Referenzfiltersimpulse, wodurch die Drift beseitigt wird, die durch
Fensterverunreinigung usw. verursacht wird.
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In der Bereichsstufenschaltung 39 wird das Signal noch
einmal justiert, um die Impulse in Übereinstimmung mit den
unterschiedlichen Absorptionschrakteristiken der zu messenden
Gase zu skalieren. Die Amplitude der Absorption, die zum
Beispiel durch Kohlendioxid verursacht wird, kann um ein
Vielfaches höher als die sein, die durch gewöhnliche
Anästhesiemittelgase verursacht werden. Die
Bereichsstufenschaltung 39 erlaubt diese Änderungen genau zu skalieren.
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Wie bereits erwähnt, können verschiedene
fehlerverursachende Faktoren manchmal durch verhältnismäßg teure
Raffinessen in den Gasanalysatoren eliminiert werden. Einer
dieser fehlerverursachenden Faktoren besteht darin, daß der
Dunkelpegel, der durch den Detektor während der Zeit
abgetastet wird, in der der Bereich 31 im optischen
Strahlengang positioniert ist, verändert werden kann. Änderungen im
Dunkelpegel werden durch die infrarote Hintergrundstrahlung
von einer Vielzahl von Quellen verursacht und sind
natürlich ständig im System vorhanden. Es wurde erkannt, daß
Änderungen im Hintergrundpegel abhängig davon auftreten
können, ob sich ein Filter im Strahlengang der
Infrarotenergie befindet oder ob die Infrarotenergie abgeblockt
ist. Das ergibt sich daraus, daß Anordnungen nach dem Stand
der Technik die Infrarotstrahlung gewöhnlich durch das
Zwischenschieben eines undurchsichtigen Teiles des Filterrades
abblocken. Gewöhnlich absorbiert oder emittiert die
Oberfläche des Filterrades Infrarotstrahlung, aber sie
reflektiert
sie nicht. Andererseits werden gewöhnliche
Filtermaterialien zusätzlich zur Wirkung als Fenster für
Infrarotstrahlung auch eine Reflexion dieser Strahlung verursachen.
Die Differenz zwischen dem Phenomen der Absorptionsemission
und dem Phenomen der Reflexion kann zu einer
unterschiedlichen Hintergrundstrahlung führen abhängig davon, ob ein
Filter im infraroten Strahlengang liegt oder der
Strahlengang abgeblockt ist. Das kann zu einer Änderung in der
Impulshöhe führen, welche falsch ist (welche z.B. nicht durch
die Änderung in dem gemessenen Gas bei der Wellenlänge des
Impules verursacht wird), weil irgendein anderes Gas als
das gemessene Gas andere Absorptionen der verschiedenen
Hintergrundstrahlungen erzeugen kann und so deutliche
Änderungen in dem übertragenen Impuls erzeugt, die im Vergleich
mit der Absorption der charakteristischen Strahlung durch
das zu messende Gas groß sind.
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Obwohl dieses Problem durch Anordnung des Filterrades an
der dem Detektor benachbarten Seite der Probenzelle
beseitigt werden könnte, führt eine solche neue Positionierung
zu anderen unerwünschten Problemen. In Übereinstimmung mit
der Erfindung wird die Schwankung im Dunkelpegelproblem,
die oben beschrieben wird, beseitigt, indem der
undurchsichtige Abschnitt des Filterrades für Infrarotstrahlung,
der bei 31 in Fig. 2 angezeigt wird, reflektierend gemacht
wird. Es kann irgendein geeignetes reflektierendes Material
verwendet werden. Durch Einsetzen eines solchen Materials
werden beim Vorhandensein des undurchsichtigen Bereiches
des Filterrades im Strahlengang Veränderungen in der
Hintergrundstrahlung gegenüber den Filtern, die in den
Strahlengang zwischengeschoben werden, beseitigt.
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Als eine weitere Verbesserung dieser Funktion wird die
reflektierende Oberfläche des undurchsichtigen Bereiches 31
in derselben Ebene angeordnet wie die reflektierende
Oberfläche der Filter 25 bis 29. Wenn das erfolgt, ist der
mittlere Winkel der Lichtstahlen, die von dem
undurchsichtigen Bereich reflektiert werden, derselbe, wie der für die
Filter. Dieses Problem kann besonders dringlich werden,
wenn sogenannte Lichtleiteroptiken in der Probenzelle
verwendet werden, um den Strahlengang des Lichtes, das durch
die Zelle wandert, zu maximieren. Mit anderen Worten, wenn
den Lichtstrahlen ermöglicht wird, an den Wänden der Zelle
abzuprallen, anstatt fokussiert oder gesammelt zu werden
und glatt durch sie hindurchzugehen, wird der Strahlengang
für eine bessere Signalantwort verlängert. Wegen der
Schwankung der Lichtwinkel infolge der Reflexion von den
Wänden der Probenzelle und von den Filtern und dem
undurchsichtigen Bereich auf dem Filterrad wird es jedoch
besonders wichtig, daß die reflektierende Ebene auf dem
Filterrad gleichförmig ist.
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Probleme der Genauigkeit der Gasanalysatoren des Typs,
welcher die vorliegende Erfindung betrifft, werden auch durch
das Vorhandensein von Wasserdampf in der Probenzelle
ausgelöst. Das ist besonders akut, wenn die interessierenden
Gase solche Gase enthalten, welche nur eine sehr geringe
Absorption besitzen, was für Halothane typisch ist.
Wasserdampf besitzt eine Absorptionscharakteristik, welche einige
Gase stört, aber andere nicht.
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In Übereinstimmung mit der Erfindung wird in dem Filterrad
17 ein Filter als Referenzfilter verwendet, welches zwei
Wellenlängen durchläßt. Die beiden Wellenlängen, die durch
das Filter hindurchgelassen werden, werden so ausgewählt,
daß eine Wellenlänge vollständig außerhalb der
Absorptionszone des Wasserdampfes liegt, und daß die andere
Wellenlänge vollständig innerhalb der Absorptionszone des
Wasserdampfes liegt. Beide Wellenlängen werden so ausgewählt, daß
sie außerhalb der Absorptionsbereiche irgendeines anderen
Gases liegen, von dem erwartet wird, daß sie in der
Probenzelle enthalten ist. Durch Auswahl der geeigneten
Wellenlängen
und durch Justieren der Amplitude der
Infrarotenergie, die bei diesen Wellenlängen durch das Filter
hindurchgelassen werden, kann die Veränderung in der Absorption der
anderen interessierenden Wellenlängen infolge des
Vorhandenseins von Wasserdampf durch die Referenzfilter mit
dualen Wellenlängen genau verfolgt werden. Solche
Referenzfilter mit dualen Wellenlängen sind von Barr Associates,
Massachusetts, USA, erhältlich. Durch die Verwendung eines
einzigen Filters mit dualen Wellenlängen, wie oben
beschrieben wird, oder einer Kombination von zwei oder mehr
Filter in Reihe, ist es wahlweise möglich, das
Vorhandensein von Wasserdampf, ohne Hinzufügen eines Extrakanals,
mit sich daraus ergebenden höheren Kosten des Filterrades
und der Signalverarbeitungsschaltung, zu kompensieren.
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Wie erwähnt, erzeugt die Verwendung von sogenannten
Lichtleiteroptiken in der Probenzelle größere Längen für den
Strahlengang und wird deshalb bevorzugt, wenn eine schnelle
Reaktionszeit (bei kleinerer Probenzellengröße) gewünscht
wird. Es wurde jedoch erkannt, daß gewöhnliche Materialien,
die als reflektierende Oberflächen für Infrarotstrahlung
eingesetzt werden, wie z.B. poliertes Aluminium,
hochabsorbierend für Wassermoleküle sind. Diese Wassermoleküle
werden auf den Wänden der Probenröhre absorbiert (nicht
kondensiert), was wegen des breiten Bandes und der
veränderlichen Absorptionscharakteristiken der Wassermoleküle zu
Fehlern führt. Materialien, die eine niedrige Absorption für
Wassermoleküle besitzen, wie z.B. korrosionsfester Stahl,
sind nicht hochreflektierend für Infrarotstrahlung und
deshalb nicht geeignet. Es ist möglich, die Probenzelle zu
erwärmen, um das Absorptionsband der Wassermoleküle an den
Wänden zu brechen, es sind jedoch derart hohe Temperaturen
erforderlich (400 - 500ºC), die das undurchführbar machen.
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Im Rahmen der Erfindung wurden Materialien gefunden, welche
für die Infrarotstrahlung hinreichend reflektierend sind,
um sie für Probenzellen einsetzen zu können, welche aber
eine hinreichend niedrige Absorptionsfähigkeit für
Wassermoleküle haben, um das oben beschriebene Problem zu
verhindem. Derartige Materialien umfassen Siliziumoxid,
Magnesiumfluorid und Gold.
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Ein weiterer Fehlerfaktor, welcher in einem Gasanalysator
vorhanden sein kann, ergibt sich aus dem Vorhandensein von
Umgebungsluft im Strahlengang in den Zwischenräumen
zwischen den verschiedenen Elementen des Gasanalysators. Da
sich die vorhandene Umgebungsluft in bestimmten
Gaskonzentrationen von denen in der Probenzelle vorhandenen
unterscheiden kann, und da sich die Umgebungsluft nach dem
Kallibrieren des Instrumentes mit der Zeit ändern kann, kann
das zu Fehlern führen. Ein derartiger Fehler könnte durch
Füllen der Zwischenräume der Umgebungsluft oder durch
Evakuieren dieser Zwischenräume beseitigt werden, diese
Hilfsmittel bringen jedoch signifikante Unkosten mit sich.
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In dem optischen Strahlengang wird eine abgedichtete
Gaszelle angeordnet, die mit einer fest vorgegebenen Menge von
Kohlendioxid gefüllt ist. Die Kohlendioxidmenge wird so
ausgewählt, daß sie sechzig bis siebzig Prozent der
Infrarotstrahlung im Bereich des Wellenlängenbandes der
charakteristischen Absorption von Kohlenstoffmonoxid absorbierta.
Bei niedrigen Pegeln der Strahlungsintensität ist das
Verhalten von Kohlendioxid näher dem Verhalten der anderen in
der Probenzelle enthaltenen Gase, welche von Interesse
sind, angenähert. Das verringert die Gesamtempfindlichkeit
des Instrumentes auf das Vorhandensein von Umgebungsluft im
Strahlengang der Infrarotenergie.
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Wie erwähnt, kann der Gasanalysator gemäß der Erfindung
eine automatische Nullungsfunktion enthalten. Als ein
weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung wird diese
automatische Nullung beim Auftreten von drei abgetasteten
Bedingungen
ausgelöst. Die erste dieser Bedingungen ist die
Zeit. Der Kontroller 41 ist mit einer geeigneten internen
Uhr ausgerüstet, nicht gezeigt, um eine vorbestimmte Zeit
nach dem Aufwärmen der Vorrichtung einen automatischen
Befehl zum Nullsetzen zu erzeugen. Eine solche vorbestimmte
Zeit kann zum Beispiel dreißig Minuten betragen und besitzt
den Zweck der erneuten Kalibrierung der Vorrichtung, sobald
die verschiedenen Teile der Vorrichtung auf ihre typischen
Betriebsbedingungen aufgewärmt sind. Nach dem Aufwärmen
können sich die Temperaturpegel der verschiedenen Teile
signifikant von denen unterscheiden, die unmittelbar nach
einem Kaltstart vorhanden sind.
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Außerdem ist der Kontroller 41 so eingestellt, daß er bei
einer vorgegebenen Änderung der Umgebungstemperatur eine
automatische Nullung auslöst. Eine Anderung der
Umgebungstemperatur kann eine signifikante Auswirkung auf die
relativen Temperaturen der verschiedenen Teile besitzen und
deshalb auf die Genauigkeit der Anordnung. Im allgemeinen
wird ein Auslösen einer automatischen Nullung beim Erfassen
einer Änderung der Umgebungstemperatur von etwa fünf bis
zehn Grad bevorzugt.
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Schließlich wird eine automatische Nullung durch den
Kontroller 41 beim Erfassen einer vorgegebenen Änderung in der
Amplitude des Impulses im Referenzfilter ausgelöst. Ein
bevorzugter Pegel liegt in der Größenordnung von 0,2 Prozent
Änderung. Eine solche Nulleinstellung wird die Anordnung
erneut kalibrieren, wenn in den Bedingungen der
Hintergrundstrahlung signifikante Änderungen aufgetreten sind.
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Alle vorhergehenden Merkmale bilden zusammengenommen eine
signifikante Verbesserung in der Stabilität und Genauigkeit
der Gasanalysatoren entsprechend der Erfindung bei
verhältnismäßig bescheidenen Kosten im Vergleich damit, was im
Stand der Technik gelehrt wird. Das heißt, weil solche
Hilfsmittel die Verwendung von weniger stabilen aber
billigeren Teile in kritischen Bereichen im Gasanalysator
erlauben.
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Es kann deshalb gezeigt werden, daß die Erfindung einen
verbesserten Gasanalysator bereitstellt, welcher
insbesondere zur Überwachung von Anästhesiemitteln und den
zugehörigen Gasen geeignet ist. Der Analysator entsprechend der
Erfindung besitzt eine schnelle Reaktionszeit zusammen mit
einer hohen Genauigkeit und Stabilität und kann dennoch mit
einem begründbaren Preis konstruiert werden. Verschiedene
Modifikationen der Erfindung sind dem Fachmann aus der
vorhergehenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen
offensichtlich. Es ist beabsichtigt, daß derartige
Modifikationen in die anhängenden Ansprüche fallen.