DE19716061C1 - Infra-red optical gas measuring system e.g. for measurement of alcohol in breath - Google Patents
Infra-red optical gas measuring system e.g. for measurement of alcohol in breathInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein infrarotoptisches Gasmeßsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an infrared optical gas measuring system according to the Preamble of claim 1.
Derartige Meßsysteme sind aus verschiedenen Veröffentlichungen bekannt und eignen sich je nach verwendetem Wellenlängenbereich für die Konzentrationsmessung von Gasen, beispielsweise für die Messung von CO₂ oder auch zur Bestimmung der Alkoholkonzentration in der Ausatemluft eines Menschen.Such measuring systems are known from various publications and are suitable for the, depending on the wavelength range used Concentration measurement of gases, for example for the measurement of CO₂ or to determine the alcohol concentration in the exhaled air of a human.
Eine gattungsgemäße Meßvorrichtung geht aus der DE 195 20 488 C1 hervor, wobei das zu messende Gas durch Diffusion in den als Meßstrecke dienenden Hohleiter einströmt.A generic measuring device is known from DE 195 20 488 C1 emerges, the gas to be measured by diffusion in the measuring section serving semiconductor flows.
Aus der DE 41 33 481 C2 ist ein Multispektralsensor für den Infrarotbereich bekanntgeworden, bei dem verschiedene Spektralbereiche einer zu messenden Strahlung durch separate Detektoren erfaßt werden, wobei eine kompakte Bauweise mit hoher Meßempfindlichkeit und -genauigkeit möglich sein soll.DE 41 33 481 C2 describes a multispectral sensor for the infrared range become known, in which different spectral ranges one measuring radiation can be detected by separate detectors, one compact design with high sensitivity and accuracy possible should be.
Aus der EP 0196 993 A2 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Gaskonzentration bekanntgeworden, welche eine Strahlungsquelle, eine von dem Gas durchströmte Absorptionsküvette und einen photoelektrischen Empfänger aufweist, der mit einer Substratscheibe mit mehreren Sensorbereichen mit vorgeschalteten Filtern unterschiedlicher Durchlaßbereiche versehen ist.EP 0196 993 A2 describes a device for continuous measurement the gas concentration, which is a radiation source, a absorption cell through which the gas flows and a photoelectric Has receiver with a substrate disc with several Sensor areas with upstream filters different Passband is provided.
Mit dieser Anordnung und einer zugehörigen Rechenschaltung lassen sich die Konzentrationen von mehreren Gasen ermitteln und Störgrößen rechnerisch eliminieren.With this arrangement and an associated arithmetic circuit determine the concentrations of several gases and disturbances eliminate mathematically.
Aus der EP 0681 179 A1 geht eine infrarotoptische Meßanordnung zur Bestimmung der Stickstoffmonoxid-Konzentration in Abgasen hervor. Eine Empfänger/Filter-Anordnung weist mehrere gasspezifische Meßkanäle mit einem gemeinsamen Rechner auf, so daß durch Wasser im Abgas verursachte Meßfehler bei der Auswertung kompensiert werden können. From EP 0681 179 A1 an infrared optical measuring arrangement is used Determination of the nitrogen monoxide concentration in exhaust gases. A Receiver / filter arrangement has several gas-specific measuring channels a common computer so that water in the exhaust caused measurement errors can be compensated for the evaluation.
In der US-Z: RIRIS; H. et al.: Explosives detection with a frequency modulation spectrometer, APPLlED OPTlCS; Vol. 35, No. 24, 20. August 1996, S. 4694-4704 wird ein frequenzmoduliertes Spektrometer mit Laserdioden beschrieben, das zur Bestimmung der Konzentration unterschiedlicher, im Gemisch vorliegender Stickstoffoxide dient.In US Z: RIRIS; H. et al .: Explosives detection with a frequency modulation spectrometer, APPLlED OPTlCS; Vol. 35, No. 24 , 20 August 1996, pp. 4694-4704, a frequency-modulated spectrometer with laser diodes is described, which is used to determine the concentration of different nitrogen oxides present in the mixture.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Gasmeßsystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein aus mehreren Bestandteilen bestehender Gasstrom bezüglich der Art und der Konzentration dieser Bestandteile schnell vermessen werden kann. Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen des erfindungsgemäßen Gasmeßsystems nach Anspruch 1. Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausbildungen-des Erfindungsgegenstands nach Anspruch 1.The object of the present invention is a gas measuring system to improve the type mentioned so that one out of several Components of existing gas flow in terms of type and Concentration of these components can be measured quickly. The solution to the problem is obtained with the characteristics of Gas measuring system according to the invention according to claim 1. The dependent claims contain advantageous developments of the subject of the invention Claim 1.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit Hilfe eines einfachen Aufbaues ein kostengünstiges, aber dennoch schnelles Gasmeßsystem zur Verfügung gestellt wird, mit dem die Konzentrationsmessung mehrerer Bestandteile eines strömenden Gasvolumens möglich ist. Ein besonders bevorzugtes Beispiel für eine derartige Anwendung stellt die Messung von Anästhesiegasen, N₂O und CO₂ in der strömenden Aus- oder Einatemluft eines Patienten dar. Derartige Messungen sind für die Beobachtung und Durchführung von Narkosen, insbesondere im Zusammenhang mit Operationen, von großer Bedeutung. Hierbei ist es besonders wünschenswert, eine auf den einzelnen Atemzug bezogene Messung der relevanten Gase CO₂ und N₂O zu ermöglichen. Der Kern der Erfindung besteht darin, zwei breitbandige Infrarotstrahlungsquellen zu verwenden, wobei die eine Strahlungsquelle zur Messung im Lock-In-Verfahren im Spektralbereich 2,5 bis 14 µm mit niedriger Taktfrequenz für die Anästhesiegase eingesetzt wird und die zweite Strahlungsquelle im Lock-In-Verfahren im Spektralbereich 2,5 bis 4,3 µm mit höherer Taktfrequenz zur atemzugaufgelösten Messung von CO₂ und N₂O dient. Die emittierten Strahlungen werden über einen gemeinsamen Strahlungskoppler zusammengeführt, durch eine Küvette mit dem durchströmenden Gasgemisch geleitet und anschließend mit mehreren Infrarotstrahlungsdetektoren in mindestens einem Multispektralsensor gemessen, der aus einem Strahlmischer und mehreren, insbesondere vier Infrarotstrahlungsdetektoren, vorzugsweise pyroelektrischen Detektoren oder auch Quantendetektoren, mit zugehörigen unterschiedlichen, den Absorptionsbanden der zu messenden Gase angepaßten Infrarotfiltern besteht.An essential advantage of the invention is that with the help of a simple construction, an inexpensive but nevertheless fast gas measuring system is made available, with which the concentration measurement of several components of a flowing gas volume is possible. A particularly preferred example of such an application is the measurement of anesthetic gases, N₂O and CO₂ in the flowing exhaled or inhaled air of a patient. Such measurements are of great importance for the observation and implementation of anesthesia, especially in connection with operations. It is particularly desirable to enable measurement of the relevant gases CO₂ and N₂O based on the individual breath. The essence of the invention is to use two broadband infrared radiation sources, the one radiation source being used for measurement in the lock-in method in the spectral range 2.5 to 14 μm with a low clock frequency for the anesthetic gases and the second radiation source being used in the lock-in method. Process in the spectral range 2.5 to 4.3 microns with higher clock frequency for breath-resolved measurement of CO₂ and N₂O is used. The emitted radiation is brought together via a common radiation coupler, passed through a cuvette with the gas mixture flowing through it, and then measured with several infrared radiation detectors in at least one multispectral sensor, which consists of a beam mixer and several, in particular four infrared radiation detectors, preferably pyroelectric detectors or also quantum detectors, with associated different ones , the absorption bands of the gases to be measured matched infrared filters.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erklärt, die den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Gasmeßsystems darstellt.An embodiment of the invention is explained with reference to the drawing, which the basic structure of a gas measuring system according to the invention represents.
Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Infrarotabsorptionsmessung von Gasen, die aus einer ersten breitbandigen Infrarotstrahlungsquelle 1 mit der Taktfrequenz f₁ für einen ersten Spektralbereich ΔΛ₁ der den Spektralbereich ΔΛ₂ mit umfaßt, sowie einer zweiten Infrarotstrahlungsquelle 2 mit der Taktfrequenz f₂ für einen zweiten Spektralbereich ΔΛ₂ besteht. Die Strahlungen beider Strahlungsquellen 1, 2 werden zunächst über einen Strahlungskoppler 3 zusammengeführt, anschließend durch eine mit dem zu messenden Gasgemisch durchströmte Küvette 4 mit infrarotdurchlässigen Fenstern 8 geführt und schließlich mit einem Multispektralsensor 5 gemessen, um letztlich über die an sich bekannte Messung der Strahlungsintensität die Konzentration von Bestandteilen des Gasgemisches zu ermitteln. Vorzugsweise besteht der Multispektralsensor 5 aus vier einzelnen Infrarotstrahlungsdetektoren, auf bzw. vor denen Infrarotschmalbandfilter angeordnet sind, die jeweils eine Lichtwellenlänge zur selektiven Messung eines dazu charakteristischen Gases durchlassen. Vorgeschaltete Streuraster dienen zur Reflektion und zur Strahlmischung. Die gesamte Anordnung ist in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht. Diese Meßeinheit kann mit Hilfe der verwendeten Infrarotschmalbandfilter für spezifische Gasmessungen vorgesehen werden. Beispielsweise ist es möglich, eine Meßeinheit mit spezifischen Infrarotstrahlungsdetektoren und Infrarotfiltern zur Messung von CO₂, N₂O und einer Referenzwellenlänge auszustatten. In der bevorzugten Anwendung besteht die Möglichkeit, für die Patientenüberwachung CO₂ und N₂O möglichst atemzugaufgelöst zu messen. Um diese Anforderung zu erfüllen, ist ein ausreichend schnelles Meßverfahren mit einer Zeitauflösung von etwa 100 bis 200 ms erforderlich. Die Infrarotstrahlertaktfrequenz des angewendeten Lock-In-Meßverfahrens muß demnach mindestens 20 Hz betragen. Da für derartige Anwendungen derzeit mit vertretbaren Kosten nur thermische Strahlungsquellen mit relativ großer, d. h. langsamer Zeitkonstante zur Verfügung stehen, ist bei deren Einsatz aufgrund der oben angegebenen Taktfrequenzen der Modulationshub für ein hinreichendes Signal-/Rauschverhältnis zu gering. Als geeignet haben sich sogenannte Mikroglühlampen mit dünnen Wolframwendeln, also kleine thermische Massen, erwiesen, die in einem Quarzkolben luftdicht abgeschlossen sind. Zwar wird durch die Trägheit der Wendel der Modulationshub erheblich verringert, er kann jedoch durch die hohe Wendeltemperatur (ca. 2000°C) ausreichend aufgebaut werden. Der Nachteil derartiger, nur mit Quarzkolben erhältlicher Bauelemente ist der eingeschränkte Spektralbereich. Wegen der hohen Dämpfung der Infrarotstrahlung ab 4,3 µm durch den Quarzkolben ist die Strahlungsquelle zu längeren Wellenlängen hin nicht mehr verwendbar, jedoch können die Messung von CO₂ und N₂O mit einer Referenzwellenlänge in einem Wellenlängenbereich ΔΛ₂ < 4,3 µm durchgeführt werden.The figure shows schematically an arrangement according to the invention for infrared absorption measurement of gases, which consists of a first broadband infrared radiation source 1 with the clock frequency f₁ for a first spectral range ΔΛ₁ which includes the spectral range ΔΛ₂, and a second infrared radiation source 2 with the clock frequency f₂ for a second spectral range ΔΛ₂ . The radiation from both radiation sources 1 , 2 are first brought together via a radiation coupler 3 , then passed through a cuvette 4 with infrared-permeable windows 8 through which the gas mixture to be measured flows, and finally measured with a multispectral sensor 5 , in order ultimately to measure the radiation intensity via the known measurement of the radiation intensity Determine the concentration of components of the gas mixture. The multispectral sensor 5 preferably consists of four individual infrared radiation detectors, on or in front of which infrared narrow-band filters are arranged, each of which passes a light wavelength for the selective measurement of a characteristic gas. Upstream scatter grids are used for reflection and beam mixing. The entire arrangement is housed in a hermetically sealed housing. This measuring unit can be provided for specific gas measurements using the infrared narrow-band filter used. For example, it is possible to equip a measuring unit with specific infrared radiation detectors and infrared filters for measuring CO₂, N₂O and a reference wavelength. In the preferred application, it is possible to measure CO₂ and N₂O for patient monitoring as breath-resolved as possible. To meet this requirement, a sufficiently fast measuring method with a time resolution of approximately 100 to 200 ms is required. The infrared radiator clock frequency of the lock-in measuring method used must therefore be at least 20 Hz. Since only thermal radiation sources with a relatively large, ie slow, time constant are currently available for such applications at reasonable costs, when used, the modulation deviation is too small for an adequate signal-to-noise ratio due to the clock frequencies specified above. So-called micro incandescent lamps with thin tungsten filaments, i.e. small thermal masses, which have an airtight seal in a quartz bulb, have proven suitable. The modulation stroke is considerably reduced by the inertia of the helix, but it can be built up sufficiently by the high helix temperature (approx. 2000 ° C). The disadvantage of such components, which are only available with quartz pistons, is the restricted spectral range. Because of the high attenuation of the infrared radiation from 4.3 µm by the quartz bulb, the radiation source can no longer be used towards longer wavelengths, but the measurement of CO₂ and N₂O can be carried out with a reference wavelength in a wavelength range ΔΛ₂ <4.3 µm.
Eine weitere praktische Anforderung ist die Messung der Anästhesiemittel. Eine atemzugaufgelöste Messung dieser Gase ist nicht unbedingt von Interesse, weil hieraus keine zusätzlichen Informationen für den Anästhesisten gewonnen werden können, jedoch ist die Analyse bzw. Erkennung der Anästhetika aufgrund der charakteristischen Infrarotabsorptionsbanden wünschenswert. Dieser Umstand erfordert ein gutes Signal-/Rauschverhältnis (großer Modulationshub der Strahlungsquelle) und die Messung in einem Spektralbereich, in dem die relevanten Gase genügend stark mit ausreichend - jeweils gasspezifisch - auseinanderliegenden Banden absorbieren. Hierfür eignet sich besonders der Spektralbereich zwischen 2,5 µm bis 14 µm. Eine in diesem Wellenlängenbereich emittierende thermische breitbandige Infrarotstrahlungsquelle 1 mit der Taktfrequenz f₁ wird daher zur Messung der Anästhetika nach der Figur so angeordnet, daß die emittierte Strahlung über einen für ΔΛ₁ transparenten und für ΔΛ₂ reflektierenden Strahlungskoppler 3 durch die Meßküvette 4 auf den Multispektralsensor 5 fällt. Als Referenz für die Anästhesiegasmessung dient ebenfalls der Infrarotstrahlungsdetektor im Multispektralsensor 5 im Wellenlängenbereich ΔΛ₂ , jedoch jetzt mit der Strahlung der Infrarotstrahlungsquelle 1 mit der Frequenz f₁. Mit je einem Referenzsignal pro Frequenz f₁ und f₂ werden Signaländerungen durch Systemverschmutzungen bzw. Küvettenverschmutzungen mittels Quotientenbildung der Meßsignale mit den zugehörigen Referenzsignalen kompensiert. Die Infrarotstrahlungsquelle 2 mit der höheren Taktfrequenz f₂ ist so angeordnet, daß die von ihr emittierte Strahlung über den Strahlungskoppler 3, der für den Wellenlängenbereich ΔΛ₂ wie ein Reflektor wirkt, durch die Meßküvette 4 auf die Infrarotstrahlungsdetektoren (Detektoreinheit) im Multispektralsensor 5 fällt.Another practical requirement is the measurement of anesthetics. A breath-resolved measurement of these gases is not necessarily of interest, because no additional information can be obtained for the anesthetist from this, but the analysis or detection of the anesthetics due to the characteristic infrared absorption bands is desirable. This circumstance requires a good signal-to-noise ratio (large modulation stroke of the radiation source) and the measurement in a spectral range in which the relevant gases absorb sufficiently strongly with sufficient - in each case gas-specific - bands apart. The spectral range between 2.5 µm and 14 µm is particularly suitable for this. A thermal broadband infrared radiation source 1 emitting in this wavelength range with the clock frequency f 1 is therefore arranged for measuring the anesthetics according to the figure in such a way that the emitted radiation falls via a radiation coupler 3 that is transparent for Δals 1 and reflecting for Δ 3 2 through the measuring cell 4 onto the multispectral sensor 5 . The infrared radiation detector in the multispectral sensor 5 in the wavelength range ΔΛ₂ also serves as a reference for the anesthetic gas measurement, but now with the radiation of the infrared radiation source 1 at the frequency f₁. With one reference signal per frequency f 1 and f 2, signal changes due to system contamination or cuvette contamination are compensated for by forming the quotient of the measurement signals with the associated reference signals. The infrared radiation source 2 with the higher clock frequency f₂ is arranged so that the radiation emitted by it via the radiation coupler 3 , which acts as a reflector for the wavelength range ΔΛ₂, falls through the measuring cell 4 onto the infrared radiation detectors (detector unit) in the multispectral sensor 5 .
Durch die Verhältnisbildung der beiden Referenzsignale können zudem - meist alterungsabhängige - Veränderungen der beiden Infrarotstrahlungsquellen gemessen und erkannt werden. Die beschriebene Anordnung wäre mit einem Strahlteiler und einer weiteren Detektoreinheit in Form eines Multispektralsensors 5 erweiterbar, so daß hierdurch die Anzahl der zu messenden Gase erweitert würde oder es wäre eine Gasarterkennung möglich. Die Detektoreinheit kann wahlweise zur Steigerung der Meßleistung mit Infrarotstrahlungsdetektoren ausgestattet sein, die anstatt mit pyroelektrischen Meßelementen mit Halbleiterdetektoren bestückt sind. The relationship between the two reference signals can also be used to measure and detect changes in the two infrared radiation sources, which are usually age-dependent. The arrangement described could be expanded with a beam splitter and a further detector unit in the form of a multispectral sensor 5 , so that this would increase the number of gases to be measured, or it would be possible to identify the gas type. The detector unit can optionally be equipped with infrared radiation detectors to increase the measuring power, which are equipped with semiconductor detectors instead of pyroelectric measuring elements.
Diese haben höhere Empfindlichkeit, und kleinere Zeitkonstanten, sind aber auch teurer.These have higher sensitivity, but are smaller time constants also more expensive.
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