JPH02228943A - ２波長式呼吸ガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、呼吸気が通る管を透過する光路へ赤外線を照
射し、光路に特定のガスによって吸収される波長の光を
透過するフィルタ及び吸収されない波長の光を透過する
フィルタを交互に位とさせ、これらのフィルタを透過し
た赤外線なＰｂＳｅ赤外線センサを用いた赤外線検出回
路て検出し、その検出信吟からガス吸収波長のフィルタ
の出力を第１の検波器て検波し、非吸収のフィルタの出
力を第２の検波器て検波し、これらの検波出力の比から
呼吸気中に含まれるＣＯ□等のガス濃度を測定する２波
長式呼吸ガス濃度訓定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の装置は、赤外線を吸収する側の第１検波器の出
力ｖ３及び吸収しない側の第２の検波器の出力ｖｃとの
比Ｖ、／Ｖｃにより、光源光量の変動、感度変動等によ
るドリフトを補償したガス濃度信号を得ることを可能に
する。しかしながら、光源の温度変動或は赤外線検出素
子等の特性により、両波長（ガス吸収波長及び吸収され
ない波７１Ｚ）の検波出力の温度係数か異ると、依然温
度ドリフトを生しる。

そこで、本出願人は、特公昭６３〜１１６１９により。

この種の装置での光源から検波器に至る第１及び第２の
検波出力の温度ドリフトか、少なくとも１０°Ｃ〜４０
°Ｃの範囲、て固有の温度係数の指数関係になるとの確
認を基に、第１の検波器の出力自体の温度係数Ｏ１と、
第２の検波器の出力自体の温度係数０□との比をｍ＝θ
１／θ２として、■、、／ｖｃ′を演算するべき算手段
を付加することにより、温度係数の差に起因する影響を
無くすようにした２波長式呼吸ガス濃度測定装置を提案
した。

一方、本出願人は、さらに特願昭６３−２８３０７４に
より、　ＰｂＳｅ赤外線センサの暗抵抗の温度変動の影
響を考慮して、従来の定？ｔｉ流式赤外線検出回路に代
って、第２１１Ａに例示するように、ＰｂＳｅ赤外線セ
ンサ２１に定電圧ｖｘを印加して流れる電流を検出する
ことにより、極めて優れた温度補償特性か得られる赤外
線検出回路を提案した。

即ち、定電圧源の電圧をν８、ＰｂＳｅ赤外線センサ２
１の赤外線受光による抵抗変化分ΔＲ１その暗抵抗Ｒｄ
とすると、交流の赤外線検出信号１゜ＵＴ（ＡＣ）は、
下記の式の通りとなる。

そして、ΔＲの温度係数は少なくとも通常の温度環境下
ではＲｄの温度係数の２東にほぼ相当することを確認し
たことにより、ΔＲ／　Ｒｄ２の温度係数はほぼ零にな
り、温度に対して安定したｖＸにより規定されるレベル
の赤外線検出信号か出力される。さらに、帰還抵抗Ｒ２
２の抵抗イ１をＲｒとすると、交流電圧の赤外線検出信
号Ｖ。ｕｒ（ＡＣ）は、下記の式の通りとなる。

つまり、温度変動に対して一層安定した赤外線検出信号
か出力される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この定電圧式の赤外線検出回路を２波長
式呼吸ガス濃度通一定装置に用いる場合に、両チャネル
内の温度係数の差に起因するドリフトも補償しようとす
ると、前述の定電流式赤外線検出回路を前提にした特公
昭６：ｌ−１１６１９による演算方式の補償では不十分
である。

よって１本発明は、前述の定電圧式のＰｂＳｅ赤外線セ
ンサによる赤外線検出回路を利用した２波長式呼吸ガス
濃度測定装とにおいて、ガス吸収波長及び非吸収波長の
検出出力の温度係数の相違に起因するドリフト補償を行
うことを目的とする。

（課題を解決するための手段） 本発明は、この目的をＬ！成するために、一端は口腔と
の接続端を形成し、他端は開放端を有する管状部材の両
端管に気密の窓を設けた接続管と。

窓を経て接続管内を透過する光路へ赤外線を照射する光
源と、特定のガスによって吸収される波長の光を透過す
るフィルタ及び特定のガスによって吸収されない波長の
光を透過するフィルタを光路に交互に位置せしめるチョ
ウバと、これらのフィルタを透過した赤外線をＰｂＳｅ
赤外線センサを用いて電気信号に変換する赤外線検出回
路と、この変換された電気信号から特定のガスによって
吸収される波長の光を透過するフィルタの出力を検波す
る第１の検波器と、特定のガスによって吸収されない波
長の光を透過するフィルタの出力を検波する第２の検波
器と、この第２の検波器の出力をべき指数ｍでべき算す
るべき算手段と、第１の検波器の出力なべき算手段の出
力で除算する割算手段と１赤外線か入射しない状態での
赤外線検出回路の直流レベルを検出するＤＣレベル検出
回路と、このＤＣレベル検出回路の出力なべき指数２（
−一１）でべき算するべき算手段と、このべき算手段の
出力と割算手段の出力と乗算する乗算手段とから構成し
た。また１ｍか、温度変化に対して指数関数的に変動す
るＰｂＳｅ赤外線センサの特定のガスによって吸収され
る波長の赤外線入射光量に対する抵抗変化分の温度係数
α１と、同様に温度変化に対して指数関数的に変動する
ＰｂＳｅ赤外線センサの特定のガスによって吸収されな
い波長の赤外線入射光量に対する抵抗変化分の温度係数
α２との比、赤外線検出回路は、ＰｂＳｅ赤外線センサ
に定電圧を供給し１このＰｂＳｅ赤外線センサに流れる
電流を赤外線検出信号として検出するように構成する。

（作用） この種の装置は１周知のように光センサにより下記のＬ
ａ５ｂｅｒＬ−Ｂｅｅｒの法則を基にガス濃度を検出す
ることを基礎にしている。

ν！ＩＱ　＝ｖＯｅ−”　　　　　”・・・・・・・・
（２）ここで、ｖ５゜：光電変換出力、Ｖｏ　　ガス濃
度零時のＶヨ。、に：比例定数、Ｃ・ガス濃度したがっ
て、第１及び１２の検波器の出力ｖ５゜ｖｃは、ガス濃
度に対応して次のようになる（第３図参照）。

・・・・・・・・・（３） ここで、ΔＲ９゜は吸収波長に対するＯ′ＣにおけるＰ
ｂＳｅ赤外線センサの赤外線入射に対する抵抗変化分、
ΔＲｅｏは吸収されない波長に対する０℃におけるＰｂ
Ｓｅ赤外線センサの赤外線入射に対する抵抗変化分であ
る。ＲｄｌｌはＯ″ＣにおけるＰｂＳｅ赤外線センサの
暗抵抗である。ｅｘｐ（−α、Ｔ）、ｅｘｐ（−ａ　２
Ｔ）及びｅｘｐ（ａ：＋Ｔ）は、Δｈ０、ΔＲｅｏ及び
Ｒｄｏに対する温度係数α１、　α２、α、の指数関数
として生じる温度に対応したドリフト係数である。ｖｃ
はガス濃度に無関係である。

これにより割算手段の出力値は次のようになる。

■ｃ″ 、ｌ、（し”−ｅｘｐ（−ｋｃ）　　　−−−−−−−
（５）一方、第２図の赤外線検出回路における赤外線を
検出しない状態での直流レベルは次のようになる（第３
図参照）。

したがって１乗算手段の出力は次のようになる。

・・・・・・・・・（７） つまり、検波出力の周知の比演算方式により光源光酸の
変動、　ＰｂＳｅ赤外線センサの感度変動等が先ず補償
される。さらに、ＰｂＳｅ赤外線センサの暗抵抗の温度
係数も赤外線検出回路における赤外線を検出しない状態
での直流レベルにより補償される。

（実施例〕 第１図は、本発明の一実施例としてｃｏ２を対象にした
赤外線利用の２波長式呼吸ガス濃度測定装置の構成を示
す。　同図において、２は一端に被検者ｌの口腔にくわ
えられる接続端２１０、　他端に大気へ開口するか人工
呼吸器、麻酔器等に接続する開放端２２０、　中間窓３
を有する接続管である。

窓３は接続管２の中１１ｊ１付近に対をなして開口され
、透明のサファイヤ等にて気密に保持されている。４は
赤外線を放射する光源、５は電源である。６は回転体か
らなるチョッパである。

このチョッパ６にはフィルタ７及び８か　１８００隔て
て設けられている。このうちフィルタ７は。

ＣＯ２ガスに吸収される波長の光のみを透過させるもの
である。フィルタ８は、ｃｏ、ガスによって吸収されな
い波長の光のみを透過させるものである。モータ９はチ
ョッパ６を一定周期で回転させるためのものである。１
ｏは赤外線検出回路てあり、照射される光量を電気信号
に変換する。第１の検波器１１．第２の検波器Ｊ２及び
ＤＣレベル検出回路１６は、赤外線検出回路ＩＯからの
出力を各々入力としている。

第１の検波器ＩＩは、フィルタ７か＊３から透過される
光路（図示の如く）に位置したときに同期検波を行う。

一方、第２の検波器１２は、フィルタ８か窓３から透過
される光路に位置したときに同期検波するものである。

１３は第２の検波器１２の出力Ｖｃ’ｔｍ乗するべき算
回路、１４は＃算されたｖｌ□′て第１の検波器の出力
ｖ、、を除算する割算回路である。対数増幅器１５は、
入力信号を対数イ１変換してＣＯ□？ａ度信号を比信号
る。

これらの各部に、さらに末完ＩＩＩにより赤外線検出回
路ｌＯの赤外線か入射しない状態でのＤＣ信号レベルを
検出するＤＣレベル検出回路１６と、その検出出力ＶＯ
Ｃをべき指数２（鵬−１）てべき算するべき算回路１７
と、Ｚ１１回路１４の出力とべき算回路１７の出力とを
乗算する乗算回路１８とか付加されている。また、赤外
線検出回路１０は、第２図に示すように演算増幅器２２
を利用した定電圧式に構成されている。

べき算回路１コ、１７は、アナログ的に演算するべき東
アンプにするか、又は検波ｉｌｌ、１２及びＤＣレベル
検出回路１５のそれぞれの出力をＡ／Ｄ変換して、電子
計算機に演算処理させることも考えられる。べき指数ｍ
は、検波器１１．１２及びＤＣレベル検出回路１６のそ
れぞれの出力の温度変動を基に温度係数α１．α２、α
３を検出して算出するか、又はべき算回路ｌコ、１７の
ｍ’ｔ　ｏｒ変にしておき最適イ１を実験的に設定する
。通常、ｍはＣ０２の測黛に３いては　１．１〜１．２
であることか確認されている。

尚１ｍの値はｌｌ１１定対象のガスの種類により使用す
る赤外線の波長か異るため、その都度決定される。

被検者ｌの呼吸気のＣＯ３を測定する場合、接続管２を
くわえて呼気を行わせる。これにより、第１の検波器１
１は、第２図を基に説明したように、ＣＯ２濃度に対応
する式（コ）による出力■、を発生する。この出力ｖ５
は、温度変化に対して係数（α−２α３）の指数関数と
してドリフトする。一方、第２の検波器１２は、濃度に
関係しないノふ準電圧即ち式（４）による同様に係数（
α２−２α：ｌ）の指数関数としてドリフトする出力ｖ
ｃか発生する。この出カシ。は、べき算回路１コにおい
てνｃ１をべき算され、ｖ、、−に相当する出力電圧か
発生する。したかって、′Ｍ算回路１３において式（５
）による割算か行われる。

ＤＣレベル検出回路１６は、赤外線検出回路ｉｏの赤外
線か入射しない状態でのＤＣ信号レベルＶＤＣを検出し
、べき算回路１７にＶ。２１ｍ−１１のべき算を行わせ
る。乗算回路１Ｂは１割算回路ｊ４の出力とべき算回路
１７の出力とを乗算して、式（７）による乗算を行う、
さらに１乗算回路１８の出力も対数増幅器１５に供給し
て、Ｃ０２濃度Ｃに比例する電圧のガス濃度信号を出力
させる。

尚、曲述の実施例において、第２図に示す赤外線検出回
路の演算増幅器２２の十入力端子をアースするのでなく
、一定の直流レベルを付加した回路にも適用ｒｉＴ　１
＠であり、その他演算増幅器の代りにトランジスタ、Ｆ
ＥＴ等の個別部品を用いて構成する別の赤外線検出回路
も考えられる。

（発明の効果〕 以上、本発明によれば、前述の定電圧式のＰｂＳｅ赤外
線センサによる赤外線検出回路により、ガス濃度が高精
度に検出されると共に、べき算補償により両検波出力の
温度変化に対して異る指数関数的な温度特性に起因する
ドリフトも補償される。

−層高精度のガス濃度測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による２波長式ガス濃度測定
装置の回路構成を示す図、第２図は同実施例における赤
外線検出回路を示す図及び第３図は本発明の赤外線検出
回路の出力波形を示す図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一端は口腔との接続端を形成し、他端は開放端を有する
   管状部材の両端間に気密の窓を設けた接続管と、前記窓
   を経て前記接続管内を透過する光路へ赤外線を照射する
   光源と、特定のガスによって吸収される波長の光を透過
   するフィルタ及び前記特定のガスによって吸収されない
   波長の光を透過するフィルタを前記光路に交互に位置せ
   しめるチョッパと、これらのフィルタを透過した赤外線
   をＰｂＳｅ赤外線センサを用いて電気信号に変換する赤
   外線検出回路と、この変換された電気信号から前記特定
   のガスによって吸収される波長の光を透過する前記フィ
   ルタの出力を検波する第１の検波器と、前記特定のガス
   によって吸収されない波長の光を透過する前記フィルタ
   の出力を検波する第２の検波器と、この第２の検波器の
   出力をべき指数ｍでべき算するべき算手段と、前記第１
   の検波器の出力を前記べき算手段の出力で除算する割算
   手段と、赤外線が入射しない状態での前記赤外線検出回
   路の直流レベルを検出するＤＣレベル検出回路と、この
   ＤＣレベル検出回路の出力をべき指数２（ｍ−１）でべ
   き算するべき算手段と、このべき算手段の出力と前記割
   算手段の出力と乗算する乗算手段とから成り、 前記ｍが、温度変化に対して指数関数的に変動する前記
   ＰｂＳｅ赤外線センサの前記特定のガスによって吸収さ
   れる波長の赤外線入射光量に対する抵抗変化分の温度係
   数α＿１と、同様に温度変化に対して指数関数的に変動
   する前記ＰｂＳｅ赤外線センサの前記特定のガスによっ
   て吸収されない波長の赤外線入射光量に対する抵抗変化
   分の温度係数α＿２との比、 即ち、ｍ＝α＿１／α＿２であり、 前記赤外線検出回路が、前記ＰｂＳｅ赤外線センサに定
   電圧を供給し、このＰｂＳｅ赤外線センサに流れる電流
   を赤外線検出信号として検出するように構成されている
   ことを特徴とする２波長式吸収ガス濃度測定装置。