DE3716762A1 - Vorrichtung zur bestimmung der konzentration eines paramagnetischen gases durch messen des gasdrucks unter einfluss eines wechselstrommagnetfelds - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases durch Messen des Gasdrucks unter Einfluß eines Wechselstrommagnetfelds und mit einem Elektromagneten mit einem beinahe geschlossenen Ferromagnetkreis und einem Luftspalt, in dem sich eine Meßkammer mit Leitungen zum Ein- und Ausleiten des zu analysierenden Gases und eines Gases mit bekanntem Magnetisierungskoeffizient sowie Instrumente zum Messen des Differentialgasdrucks in den jeweiligen Leitungen mittels Zuführung von Wechselstrom zum Elektromagneten befinden.

In den bekannten Vorrichtungen dieser Art ist ein relativ starkes Wechselstrommagnetfeld erforderlich, um eine akzeptables Meßsignal zu erzielen. Das Magnetfeld wird entweder mittels eines Elektromagneten oder mechanisch mittels eines Reluktanzmodulators (US-PS 32 40 051) oder mittels eines rotierenden Magnetsystems erzeugt. Eine mechanische Anordnung kann nur mit einer verhältnismäßig niedrigen Meßfrequenz, beispielsweise 10 Hz, arbeiten und ist somit Störgeräuschen und Schwingungen gegenüber empfindlich. Mit einem Elektromagneten können zwar höhere Frequenzen, beispielsweise 100-200 Hz, erzielt werden, ein solcher Magnet erfordert jedoch auch eine verhältnismäßig hohe elektrische Leistung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wechselstrommagnetfeld im Luftspalt mit einem mit Hilfe eines Permanentmagneten erzeugten Gleichstrommagnetfeld überlagert wird.

Die Amplitude des Meßergebnisses hängt vom Produkt des Wechselstrom- und des Gleichstrommagnetfelds ab. Ist das Gleichstrommagnetfeld stark genug, kann das Wechselstrommagnetfeld und damit die zugeführte Leistung entsprechend verringert werden. Dadurch wird außerdem ein Abfiltern unerwünschter Signale erleichtert.

Wenn man die Verwendung eines mit einem Ferrit versehenen Ferromagnetkreises wünscht, kann der magnetische Gleichstromkreis ein lokaler Magnetkreis sein. Dadurch wird eine Sättigung des Ferritkerns vermieden. Der lokale Magnetkreis kann z. B. mit Hilfe zweier ringförmiger Permanentmagnete, die die Meßkammer umspannen und durch eine Weicheisenscheibe getrennt werden, erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Messen des Magnetisierungskoeffizienten eines Gases,

Fig. 2 eine Überlagerung eines Wechselstrommagnetfelds mit einem mittels Permanentmagnet erzeugten Gleichstrommagnetfeld,

Fig. 3 eine Überlagerung eines Wechselstrommagnetfelds mit einem lokalen Gleichstrommagnetfeld und

Fig. 4 eine paramagnetische Meßausrüstung zusammen mit einer photoakustischen Meßausrüstung.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Überwachung der Zusammensetzung von Anästhesiegasen, die vom Patienten während der Narkose aus- und eingeatmet werden, geschaffen. Die zu messenden Gase sind O₂, N₂O, CO₂ sowie Betäubungsgase, wie Halothan, Enfluran oder Isofluran. Alle diese Gase mit Ausnahme von Sauerstoff können photoakustisch gemessen werden. Der Sauerstoffgehalt kann jedoch nur mit Hilfe einer Vorrichtung, die die besonderen paramagnetischen Eigenschaften von Sauerstoff ausnutzt, gemessen werden. Der Magnetisierungskoeffizient von Sauerstoff ist sehr groß, ca. 200 Mal größer als beispielsweise der von N₂O. Eine Messung des Koeffizienten eines Anästhesiegases weist daher hauptsächlich die Sauerstoffkonzentration aus. Das Meßprinzip ist in Fig. 1 gezeigt. Das Anästhesiegas und ein Referenzgas werden, jedes für sich, über die akustischen Filter 1 und 2 in eine Mischkammer 3 geleitet. Die Kammer befindet sich in einem Magnetfeld. Bei einem paramagnetischen Gas ist der Druck innerhalb des Magnetfelds höher als außerhalb. Die Druckdifferenz ist

wobei
ρ= Sauerstoffdichte = Magnetisierungskoeffizient von Sauerstoff.

Mit einem Wechselstrommagnetfeld in der Meßkammer wird ein akustisches Differenzsignal zwischen den zwei Mikrophonen 4 und 5, die jeweils an die Anästhesiegasleitung bzw. an die Referenzgasleitung angeschlossen sind, erzeugt. Das Differenzsignal ist

wobei Δρ=Differenz zwischen der Sauerstoffkonzentration des Anästhesiegases und der des Referenzgases.

Es erfordert jedoch ein relativ starkes Wechselstrommagnetfeld, um ein akzeptables Meßsignal zu erzeugen. Beispielsweise ergibt ein B-Feld von 0,35 T bei 21% Sauerstoff ein Meßsignal von 50 dB. Das Wechselstrommagnetfeld wird mit Hilfe eines Elektromagneten erzeugt. Mit einem solchen Magneten kann man Meßfrequenzen von ca. 100-200 Hz erreichen. Das erfordert allerdings eine vergleichsweise hohe elektrische Leistung und die Vorrichtung wird verhältnismäßig groß.

Die Leistung kann jedoch erheblich durch die Überlagerung des Wechselstromfelds mit einem von einem Permanentmagneten erzeugten Gleichstrommagnetfeld verringert werden.

Fig. 2 zeigt einen Elektromagneten ohne Permanentmagnet, sowie einen Elektromagneten mit Permanentmagnet. Ohne Permanentmagnet wird ein Signal auf der Frequenz 2ω erzielt, die proportional zu ist, wobei B₁ die Amplitude des Wechselstrommagnetfelds im Luftspalt ist.

Bei einem Magnetkreis mit Permanentmagnet wird ein Signal erzielt, das proportional zu 2 B₀b₀ ist, wobei b₀ die Amplitude des Wechselstrommagnetfelds im Luftspalt und B₀ das Gleichstrommagnetfelds ist.

Wenn

erhält man in beiden Fällen dasselbe Meßsignal. Dies bedeutet, daß die zugeführte Leistung mit dem Faktor reduziert werden kann. Ist z. B. ein Meßsignal von 50 dB bei einem Sauerstoffgehalt von 21% gewünscht, erfordert dies, daß B₁=0,35 T. Dasselbe Signal kann in einer Anordnung mit Permanentmagnet auch mit z. B. B₀=0,6 T und b₀=0,05 T erzielt werden. Die zugeführte elektrische Leistung kann somit mit dem Faktor

reduziert werden. Das Gleichstromfeld darf jedoch nicht so stark sein, daß es das Weicheisen sättigt. Darüberhinaus sind der Höhe der maximalen Frequenz bei Verwendung von Weicheisen Grenzen gesetzt.

Wenn man eine höhere Frequenz verwenden will, muß ein Ferritkern benutzt werden. Dieses Material besitzt jedoch eine geringe Sättigungsinduktion. Um deswegen eine Sättigung des Ferrits zu vermeiden, wird ein lokaler Gleichstromkreis verwendet. Dabei fließt kein Gleichstrom durch den Ferrit.

Fig. 3 zeigt ein Magnetsystem mit einem solchen lokalen Magnetkreis. Der lokale Magnetkreis wird mit Hilfe zweier ringförmiger Permanentmagneten 7 erzeugt, die die Meßkammer umspannen und durch eine Weicheisenscheibe getrennt werden. Der äußere Ferrit 9 stellt einen effektiven Schutz vor dem Streufeld des Luftspalts dar. Da der Ferrit 9 nur ein Wechselstromfeld trägt, ist das trotz allem erhalten gebliebene Streufeld nur AC. Das Streufeld beeinflußt die Mikrophone 4 und 5 über deren Nickelmembran und verursacht somit ein falsches Signal mit einer Frequenz von 2ω, d. h. der doppelten Meßfrequenz.

Weiterhin erzeugen die Magnetkräfte innerhalb eines Magnetsystems Schwingungen, die über die Mikrophone ein zusätzliches falsches Signal der Frequenz 2ω abgeben. Auch dieses Signal beeinflußt das Meßsignal auf der Frequenz ω nicht.

Die in Fig. 4 gezeigte Kombination aus photoelektrischer und paramagnetischer Meßausrüstung weist eine Meßkammer und eine Lichtquelle auf. Zwischen der Meßkammer und der Lichtquelle ist ein Modulator 10 und ein Filter angebracht. Der Modulator 10 ist mit einer rotierenden Scheibe mit Lochungen versehen. Der Modulator bewirkt das Aussenden eines pulsierenden Lichtstroms zur Meßkammer 11. Aufgrund der Absorption in der Meßkammer 11 und der darauf folgenden Erwärmung der darin eingeschlossenen Gase wird ein akustisches Signal in der Meßkammer 11 erzeugt. Dieses Signal wird mittels des Mikrophons 12, das mit der Meßkammer 11 verbunden ist, gemessen. Die Gase aus der Meßkammer 11 werden zusammen mit einem Referenzgas zu der zweiten Meßkammer 14 im Luftspalt des Magneten geleitet. Der Druck in jeder Zuleitung wird mittels der Mikrophone 12 und 13 gemessen. Die elektrischen Signale von den Mikrophonen 12 und 13 werden zu einem Differntialverstärker 15 geführt, der dadurch den Sauerstoffgehalt angeben kann. Ein großer Vorteil dieser Meßanordnung ist die Ausnutzung derselben Mikrophone 12 und 13 in beiden Meßverfahren. Das photoelektrische Meßverfahren ist besonders geeignet für die Messung des N₂O-, CO₂- und Anästhetikagehalts, während sich das paramagnetische Meßverfahren besonders zur Messung des Sauerstoffgehalts eignet.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration eines paramagnetischen Gases durch Messen des Gasdrucks unter Einfluß eines Wechselstrommagnetfelds mit einem Elektromagneten mit einem beinahe geschlossenen Ferromagnetkreis und einem Luftspalt, in dem sich eine Meßkammer mit Leitungen zum Ein- und Ausleiten des zu analysierenden Gases und eines Gases mit bekanntem Magnetisierungskoeffizient sowie Instrumente zum Messen des Differentialgasabdrucks in den jeweiligen Leitungen mittels Zuführung von Wechselstrom zum Elektromagneten befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstrommagnetfeld im Luftspalt mit einem mit Hilfe eines Permanentmagneten erzeugten Gleichstrommagnetfeld überlagert wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommagnetkreis ein lokaler, mittels zweier ringförmiger Permanentmagneten (7) erzeugter Magnetkreis ist, die die Meßkammer umspannen und mittels einer Weicheisenscheibe (8) getrennt werden.