SE459126B - Optisk gasanalysator - Google Patents

Description

459 126 10 15 20 15 30 35 l- b) Ramanspektrometrar är också dyra (100-200 kkr). denna applikation. Snabbhet, dokumenterade.

De är nya 1 noggrannhet och stabilitet är ej Kräver förmodligen kvalificerad personal. c) IR-baserade instrument är vanligast. De är relativt billiga, stabila och kräver ej kvalificerad perso nal. Noggrannheten beror på konstruktionen.

För koldioxid och lustgas är de instrument, som idag finns på marknaden, tillräckligt snabba för endtidala mätningar, medan instrumenten för anestesigaser hittills har varit för långsamma. d) Kvartskristallbaserade instrument är mycket billiga.

De finns endast för anestesigaserna.

De är snabba men tyvärr instabila och har kort livslängd. De har begränsad noggrannhet bl a p g a inverkan av t ex lustgas och vattenånga.

Ett IR-baserat mätsystem bygger pâ principen, att analys- ämnet absorberar IR- strâlning med våglängder, som är unika för IR-strålningen genereras av en strâlningskälla, som emitterar kontinuerlig strålning över ett st intervall. ämnet i fråga. ort vâglängds- Med hjälp av t ex ett optiskt filter väljs rätt våglängd ut och strålningen detekteras av en IR~detektor, omvandlar den infallande strålningsen elektrisk signal. som ergin till en proportionell Valet av analysvâglängd för ett ämne är mycket kritisk och helt avgörande för systemegenskaper såsom nog- grannhet och snabbhet. I praktiken styrs valet av om fler närvarande ämnen absorberar vid eller nära den utvalda väg- längden samt om det är tekniskt/ekonomiskt möjligt att mäta strålning av denna våglängd med specificerade noggrannhetskrav.

Idag befintliga IR-instrument för koldioxid och lustgas är i hög grad optimerade, varför nâgra avgörande prestanda- förbättringar knappast kan åstadkommas för dessa ämnen.

För anestesigaser är läget ett annat.

Frånvaron av lämp- liga kommersiella IR-detektorer har gjort at t IR~instrument för dessa gaser varit hänvisade till att arbeta med kort a våg- längder, där gaserna har mycket låg absorbtion. medfört instrument, Detta har som_kräver stora provvolymer och som därför blir långsamma. Mätningen har dessutom störts av vattenånga i den analyserade gasen. 10 15 20 25 30 35 459 126 Sedan några år finns emellertid detektorer pä marknaden, som möjliggör mätning vid längre våglängder, där gaserna absor- berar mycket kraftigare. Ett instrument, som utnyttjar dessa våglängder behöver därför en mycket liten provvolym och kan därför bli snabbt.

Vid endtidal mätning måste mätsystemet på något sätt få information om när utandningsfasen närmar sig slutet. Denna information kan erhållas genom mätning av koldioxidhalten och instrument, som mäter endtidala koldioxidhalter, är sedan länge välkända (capnometrar, capnografer). Vid passage genom kol- dioxidmätaren blandas dock provgasen om och en seriekopplad anestesigasmätare kommer att fâ ett fasförskjutet och dis- torderat prov, dvs eventuellt upptagna kurvor erhåller en profilförvridning.

BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Uppfinningen avser alltså en optisk gasanalysator, inne- fattande en strålkälla samt medel för ledning av erhâllen strålning från denna källa genom ett gasprov och genom ett mot antalet undersökta gaser svarande antal optiska filter, vilka vart och ett släpper igenom en för resp gas representativ och av denna speciellt absorberad våglängd till ett mot antalet under- sökta gaser svarande antal detektorer, varvid medel är anordnade för uppdelning av strâlgången efter passagen av gasprovet i och för samtidig mätning av gaskoncentrationen i resp detektorer.

Närmare bestämt känneteckas gasanalysatorn enligt dpp- finningen av att nämnda medel för uppdelning av strålgången utgöres av ett spegelarrangemang, vilket uppdelar strålgången i ett antal företrädesvis likvärdiga strålknippen motsvarande antalet undersökta gaser samt riktar dessa strâlknippen via endast en reflexion direkt mot respektive detektorer. är gasanalysatorn enligt uppfinningen avsedd och/eller Företrädesvis för mätning av bl a anestesigaser i inandnings- utandningsluften hos en patient. Nämnda optiska filter är därför så valda, mellan 3,8-Su och 8-l4u däremellan. Härigenom förhindras fuktigheten i andningsgasen att de släpper igenom våglängder bara , dvs varken högre eller lägre eller några våglängder från att påverka resp mätresultat. Vattenånga har nämligen väsentliga absorbtionsomrâden inom de uteslutna områdena. 459 126 10 15 20 25 30 Vid mätning av anestesigaser, t ex nalotan, isorluran ocn enfluran väljes företrädesvis ett filter, som är genomsläppligt för våglängden 8,8lU , i kombination med ett N20 filter och ett C02 filter, som är genomsläppliga för våglängder, som speciellt absorberas av dessa gaser, företrädesvis 3,90D resp 4,26 u .

Härvid kan emellertid N20 halten påverka mätresultatet för anestesigaserna.

Hed anledning av detta anordnas lämpligen medel för korrigering av den av anestesidetektorn registrerade absorb- fi°nen Ofsakad av N20 i beroende av det samtidi gt erhållna mätvärdet i N 20 detektørn.

Nämnda medel för uppdelning av strâlgângen utgöres lämp- ligen av ett spegelarrangemang, vilket företrädesvis uppdelar strâlgången i ett antal likvärdiga strålkni ppen motsvarande antalet undersökta gaser.

För fackmannen står det dock klart, att även andra arrangemang kan användas, t ex innefattande optiska linser under förutsättning att dessa släpper igenom de utvalda våglängderna.

Vid en praktisk utföringsform av uppfinníngsföremålet ledes den undersökta gasen genom en kuvett e d med tvâ i strål- gângen placerade för strålningen transparenta fönster av ex- empelvis CaF2 (calcíumfluorid).

Såsom ytterligare exempel på lämpliga material kan nämnas Ba? 2 (bariumfluorid), CdTe (cad- Ge (germanium) och ZnS (zinksulfid - Itran II).

Företrädesvís anordnas medel för konstanthållning av miumtellurid), temperaturen för i strålgången anordnade detaljer, t ex filter, speglar, linser och detektorer samt hållare för dessa detaljer.

Samtidigt eftersträvas en konstanthållníng av temperaturen i den undersökta gasen och detta vid en tempertur över kondenspunkten för eventuellt i denna förekommande vattenånga.

Vid en föredragen utföringsform av gasanalysatorn enligt uppfinningen är denna försedd med medel för kontinuerlig ledning av den undersökta gasblandningen genom strålgången samt med medel, t ex en roterande bländare, för regelbunden avbrytníng av strâlgângen för erhållande av inter mittenta mätvärden. 10 15 20 25 30 35 40 Vid övervakning av en patient under na4Q§§be¶a2¶;ing strävar man efter att bestämma resp gasers endtidala mätvärden.

Med anledning härav förses gasanalysatorn enligt uppfinningen lämpligen med medel för utnyttjande av i C02-detektorn erbå11n3 mätvärden för bestämning av slutet på resp utandningsfas.

Exempelvis kan i analysatorn ingående mikrodatorer programmeras så att de utmärker slutet på varje utandningsfas.

Strålningskällan utgöres lämpligen av en IR-källa, som emitterar en kontinuerlig strålning över ett stort vâglängds- intervall, t ex en värmelampa med ett hölje av kvartsglas, som absorberar värmestrålníngen från glödtràden och på så sätt värms upp för att i sin tur avge önskad strålning. Denna strålning kan förstärkas inom önskade vâglängdsområden, om värmekällan_ytterst omges av ett tunt metallhölje med oxíderad ytteryta, t ex ett hölje av stål eller mässing, företrädesvis svartförnicklad mässing.

RITNINGSBESKRIVNING Pig l visar schematiskt strålgângen i en gasanalysator enligt föreliggande uppfinning.

Fig 2 visar något mera i detalj, men fortfarande schema- tisk, en gasanalysator enligt uppfinningen.

Pig 3 visar absorbtionskurvorna för N20 resp för ovan omnämnda anestesigaser samt transmissionskurvorna för de i enlighet med uppfinningen för resp gaser använda filtren.

FÖREDRAGEN TILLÄMPNING Av UPPFINNINGI-:zz Fig 1 visar alltså en schematisk illustration av strål- gången i en gasanalysator enligt uppfinningen. Till vänster visas en cylindrisk ljuskälla 1, som exempelvis kan utgöras av en uppvärmd kropp. Strålningen från källan passerar en roterande bländare 2, som hackar upp den i tiden (p g a detektions- principen). Därefter passerar strålningen en koniskt utformad kuvett 3, som begränsas av tvâ fönster 4 och 5, som är trans- parenta för den aktuella strålningen. För tydlighets skull visas fönstret 4 avskilt från resten av kuvetten. Med 6 betecknas inloppet för den undersökta gasblandningen och med 7 utloppet för densamma. 459 126 10 15 20 25 30 35 Från kuvetten 3 ledes strålningen vidare till en tredelad spegel 8, där det ursprungliga strålkni ppet 9 delas upp på tre de1knippen,9a, 9b resp 9c för att ledas genom tre filter l0a, 10b resp l0c och vidare från dessa till tre detektore r lla, llb resp llc.

Användes den visade gasanalysatorn för mätning av ane- stesigaser, så utgöres detektorn lla företrädesvis av en C02- detektor, varvid filtret l0a är ett sådant, som släpper igenom den för C02 representativa våglängden 4,26p . Pâ samma sätt kan samtidigt detektorn llb utgöras av en N20_de tektor, varvid filtret lOb väljes att släppa igenom en för de nna representativ våglängd, t ex 3,90 u . Detektorn llc slutligen utnyttjas för själva mätningen av den använda anestesigasen.

Filtret l0c väljes i så fall så, att den släpper igenom en för denna-re- presentativ våglängd, t ex 8,8lv I fig 1 har de olika filtren och detektorerna för tyd- lighets skull visats såsom separata enheter. istället samman till tre enheter, längd. lämpligen bygges de dvs en enhet för varje våg- Varje spegeldel 8a, segment om 1200. 8b resp 8c är utformad som ett cirkel- Spegeldelarna har vidare en "off-axis" place- ring i förhållande till kuvetten, vars fönster sålunda kommer att avbildas tre gånger på en cirkelperiferi. På så sätt kan strålningen lätt föras via resp filter till resp detektor för samtidig avläsning av resp gasmângder.

ANALYsvÅcLÄNcnER För koldioxid finns endast en praktiskt användbar våg- längd, nämligen 4,26 u . För N20, dvs lustgas, finns flera. Av tekniska skäl användes härvid företrädesvis våglängden 3,90 u För de tre anestesigaserna finns ett stort antal våglängder, som är principiellt användbara.

För att undvika interferens från vattenånga samt för att möjliggöra en så liten provvolym som möjligt används lämpligen våglängden 8,81 u . Denna våglängd har dessutom fördelen av att den kan användas för analys av'samtliga vilket väsentligt förbilligar Analysen kommer dock att störas ovannämnda tre anestesigaser, konstruktionen. något av lust- 10 15 20 25 30 45.9 126 gas, varför denna mäts separat för kompensering. hur denna kompenseríng gär till beskrivs närmare nedan. Lustgashalten har dock även ett direkt kliniskt intresse.

DETEKTORER Tills för nâgra år sedan var mätningar vid våglängder över Su praktiskt omöjliga i denna typ av instrument p g a att det inte fanns lämpliga detektorer. Tillkomsten av pyroelektriska detektorer har förändrat situationen och möjliggör mätning även vid våglängder där anestesigaser absorberar strålningen kraft- igt. oPTIsKT sLEnENI .l För att mäta vid tre våglängder måste alltså den strål- ning, som passerar kuvetten med gasprovet, fördelas till tre filter/detektorsystem. Man kan härvid skilja på tids- och rumsfördelníng. Enligt uppfinningen användes rumsfördelning och de tre spegeldelarna vidarebefordrar varsin del av den totala strålningen till resp detektor.

Spegeldelarna fyller också uppgiften att samla in strål- ningen frán IR-källan över en stor rymdvinkel. Eftersom pyro- elektriska detektorer brusar ganska mycket, kräver de mycket signal in. Detta är speciellt viktigt vid den snabba detekt- ering, som krävs för endtidala mätningar. Den mängd strålning, som träffar detektorn, är direkt proportionell mot den rymd- under vinkel, vilken detektorn "ser" ljuskällan, eller den vinkel, under vilken spegeln samlar in strålningen. De tre spegeldelarna är funktionellt separata enheter, men kan till- verkas som en komponent genom t ex gjutning eller formpressning i plast, diamantsvarvning i aluminium eller pressning av glas. 459 126 8 10 15 20 25 30 35 40 SIRÅLNINGSKÄLLA Såsom strâlningskälla användes företrädesvis en varm- kroppsstrålare, som kan bestå av en vanlig 12 V/20 H halogen- lampa, som körs vid ca 12 W. Lampans hölje kan bestå av kvarts- glas, som absorberar all IR-strålning från glödtrâden och värmes upp. Höljet i sin tur sänder ut strålnin enligt Plank's strålningslag. höljet, g av längre våglängder Det är alltså det varma glas- som utgör den egentliga källan. Denna källa användes namnet ELIZA försâld Tyvärr har kvarts dock relativt låg emissions- koefficient vid-de aktuella våglängderna och källan är därför idag i denna form i en av sökanden under C02-analysator. ganska ineffektiv vid exempelvis en våglängd på 8,8 u . Vissa metalloxider är dock kända för att ha bög emissionskoefficient IR. Utbytet från källan kan därför höjas, om kvartshöljet omslutes med ett tunt metallhölje vars yta oxiderats. Detta hölje kan utgöras av ett rör med en väggtjocklek på 0,5 mm som oxiderats antingen i en låga eller kemiskt. Lyckade försök har gjorts med mässing och rostfritt stål, vilka båda ökade strål- ningsutbytet 2,5-2,7 ggr vid 8,8 u och ca 1,5 ggr vid 4,25u Motsvarande förbättringar och t o m bättre resultat bör kunna o uppnås med svartförnicklad mässing.

INTERFERENSKORREKTION I fíg 3 visas en schematisk skiss över hur lust gas (N20) stör analysen av anestesigas (AA), om denna utgöres av exempel- vis halotan, ísofluran och enfluran. Det filter, som-används för att isolera det våglängdsomrâde, där AA absorberar, släpper tyvärr igenom en mindre del av ett av de områden, där N20 absorberar. 20 kommer därför att genom filtret och tolkas som en för- En förändring i halten av N påverka transmissionen ändring i halten av AA och måste sålunda korrígeras för.

Korrektionen bygger på att: L) N20-halten är känd genom den samtida mätningen i N20- detektorn. 4 2) Iflvßrkßn av N20 på AA-mätningen kan kvantitativt bestämmas genom exempelvis en kalibrering med en gasblandning med känd N20-ha1t_ 459 126 Nedan följer en teknisk beskrivning hur kompenseríngen tillgâr.

För enkelhets skull antas här ett linjärt samband mellan stor- heterna absorbans och koncentration. 5 Lambert-Beers lag: Absorbans = AX = log (IQ/1) = ax .[xJ IO = ífltensítet Med i strålgången 10 I = intensitet med prov i strålgången Rx = kalíbreríngsfaktor för ämnet x 15 [n]= koncentrationen av ämnet x Ax = absorbans för ämnet x 20 Absorbanser är additiva. Om flera ämnen absorberar gäller att A = A + A +A .... mätt x y z 25 I anestesíkanalen (AA) absorberar AA och N20 dvs A = A + A mätt AA N20 4? 30 AA AA med kalibreríngsfaktorerna a resp a AA N20 if Kanal Kanal 35 Notaticn: A , 3 Ämne Ämne 459 126 *° I luSïåäskåflßl-êfl (N20) absorberar enbart N20 dvs N20 med kalibreríngsfaktorn a N20 10 Vid analys av ämnet AA är det [AA] som söks.

AA AA AA AA AA AA AA A = A + A :š> A = A - A = a LAA] mät: AA N20 AA män N20 AA ' 15 AA AA menA =a . Eïzgj N20 N20 N20 N20 20 och {;20] = A / a mätt 25 AA a AA N20 . N20 '_'lAA} = A - A __§;É__ mätt mätt a 30 Nzø AA a AA 35 10 15 20 25 30 PRAKTISK UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGSFÖRm-mn 26- I fig 2 visas något mera i detalj, men šdätflrande schema- tiskt, en praktisk utföringsform av uppfinningsföremâlet. För motsvarande detaljer har härvid samma hänvisningsbeteckningar använts som i fig 1. Den använda ljuskällan har alltså be- tecknats med l och en roterande bländare med 2. På samma sätt har kuvetten betecknats med 3 och dess båda fönster med 4 resp 5. Den undersökta gasblandningen införes via inloppet 6 och bortföres via det såsom en punkt 7 betecknade utloppet. Den använda spegeln har betecknats som 8 och innefattar delarna 8a, 8b och 8c. Strâlgângen har härvid utritats endast för spegel- delen 8c, som leder sin del av strålningen till detektorn llc via filtret l0c.

Kuvetten, spegeln, filter och detektorer är anordnade i ett stelt hölje 12 innefattande bl a ett distansrör 13 för att möjliggöra bl a en konstanthållning av temperaturen och en fast exakt position för respektive detalj. Runt distansröret 13 är en tunn uppvärmningsfolie 143 lindad. Denna värmer dels distans- röret 13 och inneliggande detaljer, dels en utanpå folíen lindad rörledning 14 för den undersökta gasen, vilken alltså även den uppvärmes till lämplig temperatur. Med 15 betecknas motorn för den roterande bländaren 2 och med 16 en kylfläns. 17 betecknar ett skydd för bländaren 2 och l8 ett symboliskt visat kretskort, vilket är anslutet till en förstärkare 19. Kretskortet 18 innefattar eller är anslutet till en icke visad mikrodator för styrning av önskade mätförlopp. Med'20 slutligen betecknas en hållare för värmekällan 1, t ex en standardhållare i keramik.

Med 21 slutligen betecknas en i mätcellen anordnad tryckmätare.

Uppfinningen är icke inskränkt till enbart de ovan be- skrivna utföringsformerna, utan kan varieras inom ramen för efterföljande patentkrav. Exempelvis kan de enskilda detaljernas form och konstruktion varieras inom vida gränser.

Claims (12)

10 15 20 25 30 35 40 12 KRAV

1. l. Optisk gasanalysator, innefattande en strâlkälla (l) samt medel (8) för ledning av erhâllen strålning från denna källa (1) genom ett gasprov och ett mot antalet undersökta gaser svarande antal optiska filter (lOa, lOb, lOc), vilka vart och ett släpper igenom en för respektive gas representativ och av denna speciellt absorberad våglängd till ett mot antalet under- sökta gaser svarande antal detektorer (lla, llb, medel (8a, 11:), varvid 8b, 8:) är anordnade för uppdelning av strålgangen efter passagen av gasprovet i och för samtidig mätning av gaskoncentrationen i respektive detektorer, kânnetecknad av att nämnda medel (8) för uppdelning av strålgângen utgöres av ett spegelarrangemang, vilket uppdelat strâlgângen i ett antal företrädesvis likvärdiga strålknippen motsvarande antalet undersökta gaser samt riktar dessa strålknippen via endast en reflexion direkt mot respektive detektorer.

2. Gasanalysator enligt kravet 1, avsedd för mätning av bl a anestesigaser i inandnings- och/eller utandningsluften hos en patient, kännetecknad av att nämnda optiska filter (l0a, l0b, l0c) är så valda, att de bara släpper igenom våglängder, som ej påverkas av vattenånga varigenom fuktigheten i andningsgasen förhindras från att påverka respektive mätresultat.

3. Gasanalysator enligt kravet 2, kânnetecknad av att vid mätning av anestesigaser, väljes ett filter (l0c), som är genomsläppligt för våglängden 8,81 U , i kombination med ett N20-filter (l0b) och ett C02- filrer (ma) , t ex halotan, isofluran och enfluran, som är genomsläppliga för våglängder, som speci- ellt absorberas av dessa gaser, företrädesvis 3,90]1resp 4,26"

4. Gasanalysator enligt kravet 3, kânnetecknad av medel (18) för korrigering av den anestesidetektorn registrerade absorbtionen orsakad av N20 i beroende av det samgidi mäfvåïflfifl i N20-detektorn (llb).

5. gt erhållna Gasanalysator enligt något av föregående krave, känne- tecknad av medel för ledning av den undersökta gasen genom en RYVGCC E d (3) med två i strålg ängen placerade för strålningen transparenta fönster (4, 5) av 9XemPe1Ví5 Caïg (calciumflorid). 10 15 20 25 30 13

6. Gasanalysator enligt något av föreétššëe lšíê, känne- tecknad av medel (l4,l8) av konstanthâllning av temperaturen för i strålgângen anordnade detaljer, t ex filter, speglar och detektorer samt hållare för dessa detaljer, samt företrädesvis även i den undersökta gasen vid en konstant temperatur över kondenspunkten för eventuellt i denna förekommande vattenånga.

7. Gasanalysator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av medel (6, 7) för kontinuerlig ledning av den under- sökta gasen genom strâlgången samt av medel, t ex en roterande bländare (2), för regelbunden avbrytning av strålgången för erhållande av intermittena mätvärden.

8. Gasanalysator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av medel (18) för utnyttjande av i en C02-degeknqr erhållna mätvärden för bestämning av slutet på en utandningsfas.

9. Gasanalysator enligt något av föregående krav, känne- tecknad av att strålningskällan (1) utgöres av en IR-källa, som emitterar en kontinuerlig strålning över ett stort vâglängds- intervall, t ex en värmelampa med ett hölje av kvartsglas, som absorberar värmestrålníngen från glödtrâden och på så sätt värms upp för att i sin tur avge önskad strålning.

10. Gasanalysator enligt kravet 9, kännetecknad av att värmekällan (1) ytterst omges av ett tunt metallhölje med oxiderad ytteryta.

11. ll. Gasanalysator enligt kravet 10, kännetecknad av att metallhöljet består av stål eller mässing, företrädesvis svart- förnicklad mässing.

12. Gasanalysator enligt något av föregående krav,- kânnetecknad av en i det undersökta gasprovet anordnad tryckmätare (21).