DE3118936C2

DE3118936C2 - Verwendung eines Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige Medien und Vorrichtung hierzu

Info

Publication number: DE3118936C2
Application number: DE3118936A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 1981-05-13
Filing date: 1981-05-13
Publication date: 1985-07-04
Also published as: FR2506020A1; FR2506020B1; JPH0249466B2; DE3118936A1; GB2098741A; JPS57194346A; GB2098741B; US4455378A

Abstract

Ein Meßverfahren für gas- oder dampfförmige Medien, bei dem als Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden, beheizten Sensorschicht benutzt wird, dient zur Bestimmung des Gehaltes an aus halogenierten organischen Verbindungen bestehenden Narkosegasen in der Raumluft. Aus der gesamten Abnahme des Widerstandes kann auf die in der Beobachtungszeit (bis zu etwa 12 Stunden) erreichte Dosis, der Personen im Raum ausgesetzt waren, geschlossen werden. Ein empfindlicher Sensor zur Durchführung des Meßverfahrens ist so aufgebaut, daß sich im Bereich der auf einem beheizbaren Träger angeordneten Sensorschicht ein im freien Luftraum vor der Sensorschicht angebrachter, beheizbarer Katalysator zur Dissoziierung der Moleküle des nachzuweisenden Narkosegases befindet.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige Medien, bei dem als Maßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwin-Jigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden beheizten Sensorschicht bestimmt wird. Ferner werden speziell angepaßte Vorrichtungen zur Durchführung des Meßverfahrens angegeben.

Aus der DE-OS 28 09 873 ist ein Verfahren zur Bestimmung von in Luft vorhandenen gasförmigen oder flüssigen medien bekannt, bei dem ais Meßgröße die Änderung des elektrischen Widerstandes eines aus der Reihe der Porphyrine, insbesondere der Phthalocyanine ausgewählten Halbleiters bestimmt wird. Die Phthalocyanine können dabei ein metallisches Element, u. a. Eisen, Nickel. Kobalt, Kupfer oder Mangan enthalten. Als Meßfühler ist ein beschichteter kontaktierter keramischer Träger angegeben, der mit einer Einrichtung zur Messung des Widerstandes verbunden ist. Als Widerstandsblankwert eines Meßfühlers, der aus Kupfer-Phthalocyanin besteht, wird 1,5 ■ 10^bOhm angegeben. Die absorbierten Gase führen zu einer Verringerung des Widerstandes, wobei das Differential der Änderung als Meßgröße bestimmt wird. Durch eine Wärmebehandlung können die absorbierten Gase wieder desorbiert werden. Ein Hinweis auf die Verwendbarkeit zum Nachweis von Narkosegasen in der Raumluft im ppm-Bereich fehlt. Außerdem ist die Empfindlichkeit des beschriebenen Sensors für einen derartig :n Nachweis viel zu gering.

In der GB-A 20 02 907 ist eine Oxidhaibleiierschicht als Gassensor vorgesehen, der speziell /um Nachweis brennbarer und reduzierender Gase und Dämpfe, nicht aber für Narkosegase geeignet ist. Die Halbleiterschicht ist dabei von einer Aluminiumoxidschicht bedeckt, welche eine Katalysatorschicht trägt. Die vorbekannte Ausführung ermöglicht keine Temperaturunterschiede zwischen der halbleitenden Oxidschicht und der Katalysatorschicht.

In der DE-PS 12 71 430 und ir ler DE-AS 12 99 141 werden Geräte zur kontinuierlichen Bestimmung des Gehaltes von organischen Narkosemitteldämpfen im Atemgas eines Patienten angegeben, wobei der Narko semittelanteil eine Längenänderung eines Streifens aus quellbarem Silikonkautschuk herbeiführt, die zur Anzeige der Meßgröße ausgewertet wird. Mit solchen Gera ten läßt sich nur der relafv hohe Anteil des Narkosega ses im Atemgas eines Patienten bestimmen (ca. 1%). nicht aber die um mehrere Größenordnungen geringere Konzentration dieses Narkosegases in der umgebenden Raumluft. Als zulässig wird hier ein Grenzwert von nur 2 ppm angesehen.

Zum Stande der Technik gehört ferner das in dem Prospektblatt EMMA vom Juni 1980 durch die Firma Engström Medical AB beschriebene EMMA-Gerät, welches die Messung einzelner Narkosegase, wie Halothan, Enfluran, Methoxyfluran und Isofluran ermöglicht. Als Sensor wird ein mit Silikonöl beschichteter

Schwingquarz benutzt Durch die Gasaufnahme der Ölschicht tritt eine Frequenzänderung des Schwingquarzes ein, die in einer elektrischen Schaltung als Maß des Narkosegasanteils bestimmt werden kann. Das Gerät eignet sich bestimmungsgemäß nur zur Überwachung eines relativ hohen Narkusegasanteils im Atemgas des Patienten, seine Empfindlichkeit reicht für die Überwachung der wesentlich geringeren Raumluftanteile nicht aus.

Zur Messung des Narkosegases Halothan in der Raumluft ist aus der DE-AS 28 30 781 ein Prüfverfahren bekann.*, bei dem oberhalb eines gegebenen Grenzwertes ein Farbumschlag des auf pyrolytisch abgespaltenes, freies Halogen abgestimmten Prüfröhrchens eintritt. Das Prüfröhrchen ermöglicht bei relativ hoher Empfindlichkeit im Bereich von 1 ppm eine stichprobenartige Überwachung des Raumluftanteils von Halothan.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, mit einfachen apparativen Mutein eine empfindliche Messung eines Narkosegasanteils in der Raumluft durchzuführen, wobei ^cTe^ofebenenf3!!s auch die in der Raumluft innerhalb einer bestimmten Zeit wirksame Dosis bestimmt werden soll, der die im Raum befindlichen Personen ausgesetzt waren. Eine weitere Aufgabenstellung der Erfindung liegt in der Schaffung einer Vorrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens mit Hilfe eines betriebssicheren, einfach aufgebauten und für bestimmte Narkosegase besonders empfindlichen Sensors.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, ein Meßverfahren für gas- oder dampfförmige Medien, bei dem als Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden beheizten Sensorschicht ermittelt wird zur Bestimmung des Gehaltes an aus halogenierten organischen Verbindungen bestehenden Narkosegasen in der Raumluft zu benutzen. Das Meßverfahren kann vorteilhaft mit einer metallfreien Phthalocyanin oder Metall-Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht ausgeführt werden. Zweckmäßig erscheint die Verwendi ig einer Kupfer-Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht. Bevorzugt lassen sich die Narkosegase Halothan. Enfluran und Foran (geschützte Warenzeichen) nachweisen. Dabei ist die hohe Empfindlichkeit des Meßverfahrens speziell für die aus halogenierten Verbindungen bestehenden Narkosegase überraschend. Mit dem angegebenen Sensor lassen Jch Narkosegasanteile »'on Halothan in der Größenordnung von 1 ppm nachweisen. Eine etwa gleiche Empfindlichkeit ist auch für die Narkosegase Enfluran und Foran gegeben. Dagegen ist die Empfindlichkeit gegenüber Lachgas N2O. Aceton und Äthylalkohol wesentlich geringer, wobei erst oberhalb 10 000 ppm nachweisbare Signale auftreten.

Eine Dosisbestimmung der aus der Raumluft aufgenommenen Narkosegase kann zweckmäßig dadurch erfolgen, daß der nach dem Einwirkungszeitraum vorliegende Widerstandswert der Sensorschicht bestimmt wird. Da sich der bei Finwirkung des Narkosegases rasch absinkende Widerstandswert der Sensorschicht ohne zusätzliche regenerierende Beheizung bei Zimmertemperatur nur relativ langsam zurückbildet, tritt eine integrierende Wirkung auf, und es lassen sich ortsfeste oder tragbare, Geräte herstellen, die jeweils am Ende des Beobachtungszeitraumes von bis zu ^Stunden die Dosis anzeigen und/oder ein entsprechendes Warnsignal auslösen. Anschließend wird die Sensorschicht durch eine Erwänitung auf 50 bis 100⁰C wieder reeeneriert.

Ein empfindlicher Sensor kann so aufgebaut sein, daß im Bereich der auf einem benetzbaren Träger angeordneten. Phthalocyanin enthaltenden Sensorschicht ein im freien Luftraum vor der Sensorschicht angebrachtes beheizbares Kataiysatorelement zur Dissoziierung der Moleküle des nachzuweisenden Narkosegases angeordnet ist. Die Temperatur des Kaialysatorelemenr.es ist dabei zweckmäßig wesentlich höher als die Temperatur der Sensorschicht und beträgt gegebenenfalls vorteilhaft ca. 200 bis 600° C, während die Temperatur der Sensorschicht knapp über Raumtemperatur, etwa bei ca. 20 bis 40⁰C festgelegt wird. Durch die unterschiedliche Beheizung von Sensorschicht und Katalysatoreiement wird eine entscheidende Steigerung der Nachts weisempfindlichkeit erreicht.

Das Katalysatorelement ist zweckmäßig drahtförmig, insbesondere drahtwendelförmig, aus einem Metall aus der Reihe der Platinmetalle, vorzugsweise aus Palladium oder Platin, aufgebaut. Für die gewünschte Wirkung genügt ein feiner kurzer Draht.

Eine vorteilhafte Anordnung kann m- aufgebaut sein, daß das Heizelement eine auf der einen Stite eines Keramikträgers angeordnete Heizschicht bildet, auf dessen anderer Seite die Sensorschicht angeordnet ist. In einer alternativen, gegebenenfalls zweckmäßigen Ausführung kanri die Sensorschicht auf einer auf der Oberseite des Keramikträgers aufgebrachten Anschlußelektrode angeordnet und mit einer als Deckelelektrode gestalteten Anschlußelektrode abgeschlossen sein.
Die Gasdurchlässigkeit der Deckelelektrode läßt sich dabei auf verschiedener Weise, beispielsweise durch hinreichend geringe Schichtdicke oder durch Perforation erzielea

Besonders wesentlich erscheint es. daß die Anschlußelektroden der Sensorschicht aus einem Edelmetall bestehen, weil hier die große Austrittsarbeit des Edelmetalls die gewünschte Wirkung steigert.

Schaltungstechnisch erscheint es vorteilhaft, an die Sensorschicht eine konstante Gleichspannung von wenigen Volt anzulegen und als Meßgröße der Widerstand .änderung die resultierende Stromstärkenänderung zu bestimmen. In einem weiten Bereich ist die Änderungsgeschwindigkeit proportional der Konzentration des Narkosegases im Raum.

Es kann ferner zweckmäßig sein, daß der die Sensorschicht, den Träger, das Heizelement und das Kataiysatorelement enthaltende Sensor Teil eines tragbaren Taschengerätes ist. welches über eine lösbare Verbindung, beispielsweise durch Einstecken, mit einem zusätzlichen Stromversorgungsteil für die verstärkte Beheizung der Sensorschicht verbindbar ist. wobei die entsprechenden Kontaktverbindungen beim Einstecken selbständig hergestellt werden.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Zeich-■55 nungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I eine Seitenansicht eines als Flächenzelle ausgebildeten Sensors

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Sensor nach Fig. 1.
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines als Sandwich-Ze'le ausgebildeten Sensors,

Fig.4 den Stromanstieg in Abhängigkeit von der Konzentration K für eine Flächenzelle und eine Sandwich-Zelle,

Fig.5 eine Darstellung der integrierenden Funktion bei einem als Flächenzfjjle aufgebauten Sensor,

F i g. 6 eine Darstellung der Abnahme des gespeicherten Meßwertes bei dem in F i g. 5 gezeigten Sensor.
Bei dem in den F i s. 1 und 2 dargestellten Sensor als

FlächenzeHe ist ein keramischer Träger 1, beispielsweise aus Aluminiumoxid, vorgesehen, der an seiner Unterseite eine mit Kontaktelementen 2,3 versehene halbleitende Heizschicht 4 aufweist. Auf der Oberseite des Keramikträgers 1 befindet sich eine Kupfer-Phthalocyanin (CuPc) enthaltenden Sensorschicht 5. welche mit aufgedampften Anschlußelektroden 6, 7 aus Gold, auf einer haftungsverbessernden Chromschicht kontaktiert ist. Im freien Luftraum, ca. 10 mm vor der Sensorschicht 5 befindet sich ein als Katalysator dienender, beheizbarer Platin-Wendeldraht 8. der mit Anschlußkontakten 9, 10 in Verbindung steht.

Bei der Ausführungsform des Sensors als Sandwich-Zelle nach Fig. 3 ist die eine Ansohlußelektrode 6 auf der Oberseite des Keramikträgers 1 angeordnet. Sie trägt die Sensorschicht 5, die oberseitig mit der gasdurchlässig gestalteten Anschlußeleketrode 7 als Dekkelelektrode abgedeckt ist. Im freien Luftraum vor der Anschluüelektrode 7 und der Sensorschicht 5 ist das als Wendeldraht 8 gestaltete Katalysatorelement mit den Anschlußkontakten 9,10 angeordnet. An der Unterseite des Keramikträgers 1 liegt die mit den Kontaktelementen 2, 3 versehene, halbleitende Heizschicht 4. Die Anschlußelektroden 6,7 bestehen aus Gold (Au).

F i g. 4 vergleicht eine Flächenzelle CuPc und eine Sandwich-Zelle Au-CuPc-Au hinsichtlich des Stromanstiegs als Meßgröße entsprechend der Änderung der Konzentration K des nachzuweisenden Narkosegases. Es zeigt sich, daß die Änderungsgeschwindigkeit in einem weiten Berek ¹I proportional der Konzentration des Narkosegases ist.

Aus der Darstellung der Fig. 5 und 6 läßt sich die Brauchbarkeit des Sensors als integrierendes Element zur Bestimmung der Dosis ableiten. Wie in Fig.5 erkennbar, führt eine konstante Einwirkung von 5 ppm Halothan innerhalb von 4'/₂ Stunden zu einem StromätiMieg von 0,6 · ΊΟ ⁷A duf 4.3 ■ 10~^r A. Fig. 6 zeigt, daß die erreichte Stromstärke innerhalb von 12 Stunden bei erhöhter Zimmertemperatur von 31⁰C nur langsam, im vorliegenden Fall nur um etwa 6%. abnimmt.

Die Temperaturangaben betreffen jeweils die Beheizung der Sensorschicht, die gegebenenfalls zweckmäßig auf den bestimmungsgemäßen Wert durch eine entsprechende Regelschaltung festgelegt wird.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung des Meßverfahrens für gas- oder dampfförmige Medien, bei dem als Meßgröße die Änderung oder die Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Widerstandes in einer Phthalocyanin enthaltenden beheizbaren Sensorschicht (5) ermittelt wird, zur Bestimmung des Gehaltes an aus halogenierten organischen Verbindungen bestehenden Narkosegasen in der Raumluft

2. Verwendung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 für Halothan, Enfluran und Foran.

3. Verwendung des Meßverfahrens nach Anspruch 1 zur Dosisbestimmung der aus der Raumluft aufgenommenen Narkosegase, dadurch gekennzeichnet, daß der nach dem Einwirkungszeitraum vorliegende Widerstandswert der Sensorschicht (5) bestimmt wird.

4. Vorrh..\tung insbesondere zur Durchführung des Meßverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem mit einem Heizelement (4) beheizbaren Träger (1) eine Phthalocyanin enthaltende Sensorschicht (5) und im freien Luftraum vor der Sensorschicht (5) ein elektrisch beheizbares Katalysatorelement (8) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschicht (5) metallfreies Phthalocyanin enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, dal? lie Sensorschicht (5) aus Metall-Phthalocyanin besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Senson-chicH (5) aus Kupfer-Phthalocyanin besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) und das Katalysatorelement (8) so bemessen sind, daß die Temperatur des Katalysatorelementes (8) höher ist als die Temperatur der Sensorschicht (5).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Katalysatoren mentes (8) auf 200 bis 600° C und die Temperatur der Sensorschicht (5) auf 20 bis 40⁰C festgelegt ist.

10 Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysatorelement (8) drahtförmig aus einem Metall in der Reihe der Platinmetalle gestaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) eine auf der einen Seite eines Keramikträgers (1) angeordnete Heizschicht bildet, auf dessen anderer Seite die Sensorschicht (5) angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichne;, daß die Sensorschicht (5) auf einer auf der Oberseite des Keramikträgers (1) aufgebrachten Anschlußelektrode (6) angeordnet und mit einer als Deckelelektrode gesialteten Anschlußelektrode (7) abgeschlossen ist.

I 5 Vorrii hiung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß an der Sensorschicht (5) Anschlußclektroden (6, 7) aus einem Edelmetall Vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorschicht (5) an eine konstaute Spannungsquelle angeschlossen ist, und daß als Meßgröße der Widerstandsänderung die Stromstärkenänderung bestimmt wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Sensorschicht (5). den Träger (1), das Heizelement (4) und das Kataiysatorelement (8) enthaltende Sensor Teil eines tragbaren Taschengerätes ist, welches über eine lösbare Verbindung mit einem zusätzlichen Stromversorgungsteil verbindbar ist.