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Sensor für C02-Meßgerät Die Erfindung betrifft einen Sensor für C02-MeßgerEte
in Form einer Zelle, die eine kleine Menge entionisierten Wassers enthält und zumindest
eine Membran aus einem semipermeablen Material aufweist, die auf ihrer einen Seite
mit dem zu messenden Gasgemisch und auf ihrer anderen Seite mit dem entionisierten
Wasser in Berührung steht, sowie zwei mit einem elektrischen Meßinstrument zu verbindende
Elektroden und einen körnigen Ionenaustauscher enthält.
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Das Kohlendioxid ist ein Atemgift, das bei der Einatmung zu schweren
gesundheitlichen Schäden führen kann. Um diese zu verhindern, ist die Konzentration
in derAtemluft zu überwachen. Die Liste mit den maximalen Arbeitsplatzkonzentrationen
(MAK-Wert)" gestattet für C02 nur einen max-Wert von 5.000 ppm in der Luft am Arbeitsplatz.
In der Medizin gibt es für verschiedene Zwecke sogenannte Atemkreissysteme, an denen
die
Patienten angeschlossen sind. Der Patient entnimmt aus der Atemluft
Sauerstoff, während er bei der Ausatmung C02 in das System hinein abgibt. Der entnommene
Sauerstoff wird von außen ergänzt, die Kohlensäure durch Einrichtungen, durch die
die im Atemkreissystem geführte Atemluft geleitet wird, entfernt. Die Luft bleibt
nur atembar, solange der 02-Gehalt ausreicht und der C02-Gehalt einen gewissen Wert
nicht überschreitet.
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,ein Es ist'Gas-Meßgerät bekannt, mit dem der C02-Gehalt in Räumen
gemessen werden kann, bei dem das Gas in eine mit einer Flüssigkeit gefüllte Leitfähigkeits-Zelle
geleitet wird. Die Zelle wird vor der Messung mit einer Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter
gefüllt und wieder entleert, wenn die Messung durchgeführt ist. Die Fldsstkeit fließt
dabei von der Zelle über einen Ionenaustauscher in den Vorratsbehälter zurück. Die
Steuerung des Meßvorganges, mit Einfüllen der Flilssigkeit, Einleiten des Gases
und Messen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit mit anschließendem Entleeren der Zelle
und Zurückführen der Flüssigkeit über den Ionenaustauscher in den Vorratsbehälter
erfolgt durch ein automatisches Steuersystem. Das Gasmeßgerät für C02 ist,bedingt
durch die notwendige Flüssigkeitsführung,mit in den Kreislauf eingeschaltetem Ionenaustauscher
und dem Pumpensystem mit der automatischen Steuerung sehr umfangreich und entsprechend
kompliziert. Es kann nur ortsfest verwendet werden, weil die Flüssigkeitsführung
nur in der Lotrechten funktioniert. Die
Meßwerte können nur diskontinuierlich
entsprechend des Flüssigkeitzyklusses erhalten werden. (US-PS 3 544 278).
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Ein weiteres bekanntes C02-Meßgerät unterscheidet sich von dem oben
genannten durch einen kontinuierlichen Wasserumlauf in der Anordnung Meßzelle und
Ionenaustauscher, Das Gasgemisch, das das zu messende C02 enthält, wird am unteren
Ende einer Röhre in das den Ionenaustauscher verlassende entionisierte Wasser hineingedrückt
und steigt in Bläschen unter der Wirkung des Auftriebs innerhalb der Röhre nach
oben, bis es am oberen En-de in die Meßzelle eintritt. Infolge dieser Aufwärtsbewegung
der Gasblasen wird das Wasser im Kreislauf durch den Ionenaustauscher und die Meßzelle
geführt.
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Dabei wird das Wasser in der Meßzelle ständig erneuert. Das angeschlossene
Meßinstrument zeigt kontinuierlich Jeden Momentanwert an. Das Gerät ist Jedoch an
eirelotrechte Aufstellung gebunden und damit ortsfest. Als Handgerät ist es nicht
verwendbar. (GB-PS 1 143 403).
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Es ist weiterhin ein C02-Warngerät vorgeschlagen worden, das in einer
Meßzelle als Elektrolyten vollentsalztes Wasser enthält und das nach erfolgter Reaktion
über einen kleinen Vorrat an Ionenaustauscher-(Mischbettfilter)-Substanz> die
sich im Gerät befindet, nach Bedarf wieder regeneriert werden kann.
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Der Gasaustausch in der Meßzelle erfolgt über eine gasdurchlässige
Membran. Die Meßzelle ist in dem zu messenden Gasstrom angeordnet. Damit der Gasaustauschvorgang
durch die Membran
möglichst rasch zu einem Endwert gelangt, ist
die MeR-zelle klein und enthält daher nur eine geringe Menge des entsalzten Wassers.
Der Austausch desWassers erfolgt durch Betätigung eines Pumpenmechanismusses, etwa
einer normalen Injektionsspritze, die von außen zugänglich ist. Das vorgeschlagene
CO2-MeßgerEt kann durch die in den Gasstrom gebrachte Meßzelle mit der kleinen Menge
an Elektrolyten zwar klein gebaut werden; es liegt Jedoch auch hier eine diskontinuierliche
Messung mit einem lageabhängigen Gerät vor.
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(DOS 16 48 989).
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In einem Zusatz zu dem oben vorgeschlagenen CO2-Meßgerät wird ein
Gerät zur Überwachung der CO2-Konzentration in dem einem Patient zur Inhalationsnarkose
zuzuführenden Gasgemisch vogeschlagen, bei dem in dem das Narkosegasgemisch führende
Rohr eine mit entionisiertem Wasser gefüllte Zelle von sehr geringem Volumen angeordnet
ist, die eine gasdurchlässige Membran enthält und in der die Masse eines Ionenaustauschers
angeordnet ist. Dabei befindet sich die erste Elektrode in dem mit dem Elektroyten
gefüllten Raum zwischen der Membran und dem Ionenaustauscher und die zweite Elektrode
entweder im gleichen Raum zwischen der ersten Elektrode oder eingebettet in der
Masse des Ionen-Austauschers. (DOS 2 147 718).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für ein CO2~Meßgerät
zu schaffen, der Jederzeit die im Prüfgas vorhandene C02-Konzentration mit kurzer
Anstiegs- und Abfallzeit
mißt, klein und robust list, lageunabhängig
funktioniert und damit zusammen mit dem Anzeigegerät und der Stromquelle als tragbares
Meßgerät verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Elektrode
innen an der Membran, die zweite Elektrode an der entgegengesetzten Wand der Zelle
angeordnet ist und der Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden mit dem körnigen
Ionenaustauscher ausgefüllt ist.
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Mit dieser Lösung entsteht ein Sensor in sehr kompakter Bauweise.
Dadurch, daß die entscheidenden Bauelemente ohne es Zwischenräume eng einander anliegen,/sind
diesin der lieihenfolge der Aufzählung die Membran, die erste Elektrode, der körnige
Ionisator und die zweite Elektrode, ergeben sich kurze Anstiegs- und Abfallzeiten
für die einzelnen Messungen.
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Durch den möglichen festen Zusammenbau mit kleinen Abständen tritt
eine Verschiebung der Zellenflüssigkeit bei der Hantierung nicht mehr ein. Damit
sind die Meßwerte des Sensors außerordentlich stabil.
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Durch den direkten Kontakt zwischen den Ionenaustauschkörnern tritt
zwar eine Herabsetzung des Innenwiderstandes der Zelle ein, es kommt aber nicht
zu einem Kurzschluß; da die Ionenaus' tauscherkörner nur eine mäßige elektrische
Leitfähigkeit besitzen. Die entsprechend geringene Empfindlichkeit spielt für
den
geplanten Einsatz zur Messung von CO2 keine Rolle, sie ist noch völlig ausreichend.
Entscheidend sind die Vorteile aus den kürzeren Anstieg- und Abfallzeiten bei der
Messung und die hohe Stabilität des Meßwertes.
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In Ausbildung der Erfindung bildet der körnige Ionenaustauscher die
zweite Elektrode. Bei dieser Anordnung wirkt der körnige Ionenaustauscher, der in
gequollenem Zustand eine gewisse Leitfähigkeit besitzt, selbst als zweite Elektrode.
Der elektrische Anschluß wird von einem angepnEtem Sieb übernommen. In dieser Ausführung
erreichen die Anstieg-und Abfallzeiten Minimalwerte.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die erste Elektrode eine auf die Membran
aufgedampfte Metallschicht. Diese vorteilhafte Bauform macht den Aufbau noch kompakter
und ermöglicht eine sehr sichere Anlage der Ionenaustauschkörner an die erste Elektrode
bei einfacher Montage.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 den Aufbau des Sensors und Fig. 2 den Schaltungsaufbau
eines CO2-Meßgerätes mit dem Sensor nach Fig. 1.
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Der Sensor der Fig. 1 enthällt in einer Zelle 1 aus Kunststoff die
beiden Elektroden 2 und 3. Der Raum dazwischen ist mit dem körnigen Ionenaustauscher
4 gefüllt. Die Zelle 1 ist abgedeckt durch die Membran 5, der Ring 6 hält sie straff
und dicht an der Zellenwand 7. Um eine dichte und stabile Packung der Elektroden
2 und 3 und des Ionenaustauschers 4 in der Zelle 1 und eine festanliegende Membran
5 sicherzustellen, ist über die Zelle 1 eine Kappe 8 gestülpt, die mit einer Druckfeder
9 einengasdurchlässige Sinterkörper 10 gegen die Membran 5 drückt. Zum Gasdurchtritt
besitzt die Kappe 8 in der Stirnfläche Löcher 11.
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Die Elektroden besitzen flüssigkeitsdicht durch die Zellenwand durchgeführte
Anschlüsse, die erste Elektrode 2 den Anschluß 12 und die zweite Elektrode 3 den
AnschluR 13. Die verbleibenden Hohlräume in der Zelle 1 sind mit entionisiertem
Wasser gefüllt. In der Wand 20 der Zelle 1 befindet sich ein NTC-Widerstand 14.
Er dient zur Temperaturkompensation.
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Die Abmessungen des Sensors nach dem Beispiel überschreiten nicht
die Werte 25 mm x 15 mm Höhe. Die Fig. 2 zeigt den Schaltungsaufbau eines C02-Meßgerätes
mit dem Sensor nach Fig. 1. Der Sensor 15 wird von einer Wechselstromquelle 16 versorgt.
Sie ist mit den Anschlüssen 12 und 13 der Elektroden verbunden. In der einen Anschlußleitung
17 befindet sich das Meßinstrument 18 mit dem Meßwiderstand 19. Zum Ausgleich von
Temperatureinflüssen auf die Anzeige, die durch ' unterschiedliche
Durchlässigkeit
de r Membran hervorgerufen sein können, ist der NTC-Widerstand 14 der Meßanschlußleitung
17 parallelgeschaltet.