Verbesserung der Präzision des NDIR-basierten CO2-Sensors für die Atemluftanalyse

Ein Memmert Universalofen UF30 wurde in einem Experiment zur Verbesserung der Präzision von NDIR-basierten CO2-Sensoren für die Atemluftanalyse eingesetzt. Dieses Gerät ist Teil der Memmert-Serie von Trockenöfen.

Erstellt von Memmert GmbH & Co.KG

Die gesamte Studie können Sie hier lesen. In dieser Studie wurde die chemische Zusammensetzung der menschlichen Atemluft analysiert, die über 3000 identifizierte, gasförmige Komponenten enthält, von denen viele Biomarker für Krankheiten im ppb-ppm-Bereich sind. Um diese Biomarker genau zu messen, ist es wichtig, die negativen Auswirkungen von Wasserdampf und Veränderungen des Drucks und der Temperatur der ausgeatmeten Luft zu minimieren.  Die Studie konzentrierte sich auf die Analyse der Veränderungen der CO2-Konzentration während der Ausatmung, die in einer Capnography-Wellenform dargestellt und in vier Phasen unterteilt werden kann. Für die Studie wurde der Memmert Universalofen UF30 verwendet, der Teil der Trockenofenlinie ist.
Ausatmungsphasen, bestimmt anhand der ausgeatmeten CO2-Konzentration

Forschungsaufgaben und Forschungsmethoden

Analytisches Modell des Sensors

In der Studie wurde die Leistung eines nicht dispersiven Infrarotsensors (NDIR) analysiert, um die Genauigkeit der CO2-Konzentrationsmessungen zu bestimmen.
Komponenten des NDIR Sensors
Komponenten des NDIR-Sensors: P0 (λ) ist die auf den Detektor auftreffende Strahlungsleistung bei Abwesenheit von Gas in der Gaszelle (a), PABS (λ) ist die auf den Detektor auftreffende Strahlungsleistung bei Anwesenheit des Prüfgases in der Gaszelle (b)
Der Sensor wurde theoretisch modelliert und die spektralen Eigenschaften der Strahlungsabsorption wurden bestimmt. Die Absorptionsspektren wurden mit der Hitran-PC-Software analysiert und Simulationen durchgeführt, um die grundlegenden Phänomene im NDIR-Sensor zu identifizieren.
Hauptparameter der Komponenten des NDIR-Sensormodells
Hauptparameter der Komponenten des NDIR-Sensormodells
Die Analyse wurde für verschiedene Druck- und Temperaturwerte durchgeführt, um den Einfluss dieser Parameter auf die Genauigkeit des NDIR-Sensors abzuschätzen. Die Ergebnisse der Analyse zeigten, dass die Absorption der menschlichen Ausatemluft und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von Druck und Temperatur beeinflusst wurden und somit die Genauigkeit des NDIR-Sensors beeinträchtigten.

Analyse des Einflusses von Druck und Temperatur

Der Rauschpegel eines Detektors wurde anhand des thermischen Rauschstroms berechnet und die rauschäquivalente Leistung bestimmt.
CO2-Absorptionsänderungen auf der ausgewählten Gasabsorptionslinie
CO2-Absorptionsänderungen auf der ausgewählten Gasabsorptionslinie (a), CO2-Absorption in der Gaszelle und SNR als Funktion des menschlichen Ausatemluftdrucks (b)
Das Signal-Rausch-Verhältnis wurde mit 17,85 dB ermittelt. Der Einfluss der CO2-Konzentration wurde analysiert und es wurde festgestellt, dass sie die Absorption des Gases, aber nicht das Signal-Rausch-Verhältnis in signifikantem Maße (weniger als 0,5 %) beeinflusst.
Versuchsaufbau für die Prüfung des CO2-Sensors
Versuchsaufbau für die Prüfung des CO2-Sensors. T - Temperatursensor, P - Drucksensor
Die Experimente wurden mit einem Memmert Universalofen UF30, einem MKS Massenflussregler Typ 1179A, einem BMP280 Druck- und Temperatursensor und einem UTECH UT100C ETCO2-Sensor durchgeführt. Die Korrekturfunktionen wurden mit der Software OriginPro 2020 ausgewertet.
Druckeinfluss auf die Anzeige des CO2-Sensors UT100C vor und nach der Korrektur
Druckeinfluss auf die Anzeige des CO2-Sensors UT100C vor und nach der Korrektur
Temperatureinfluss auf die Messwerte des UT100C CO2-Sensors vor und nach der Korrektur
Temperatureinfluss auf die Messwerte des UT100C CO2-Sensors vor und nach der Korrektur
Korrekturfaktoren für den Einfluss von Druck und Temperatur auf CO2-Sensormessungen.
Korrekturfaktoren für den Einfluss von Druck und Temperatur auf CO2-Sensormessungen.

Fazit

Die NDIR-CO2-Sensoren werden zur Messung der Konzentration des von Patienten ausgeatmeten Kohlendioxids verwendet, aber Druck und Temperatur der durch den Sensor strömenden Luft werden nicht immer gemessen. Dies führt zu falschen Messwerten. Um diese Messwerte zu korrigieren, wurde für den CO2-Sensor UT100C eine Korrektur des Einflusses von Druck und Temperatur durchgeführt. Die Korrekturfaktoren reduzierten die relative Unsicherheit der Messungen von 19 % auf weniger als 5 %. Dies ist eine wichtige Überlegung für jede Analyse von NDIR-CO2-Sensoren, da analoge Phänomene wahrscheinlich auftreten werden. Das Korrekturverfahren wurde sowohl theoretisch als auch experimentell demonstriert und mit dem Memmert-Universalofen UF30, einem Gerät der Trockenofen-Serie, durchgeführt.

Über den Memmert Universalschrank

Der Memmert Universalschrank ist ein Gerät aus der Memmert Trocknerserie SingleDISPLAY und TwinDISPLAY. Der Ofen bietet einen Temperaturbereich von bis zu +300°C und der Anwender kann zwischen natürlicher Konvektion und forcierter Umluft wählen. Der Ofen ist über ein intuitives Menü einfach zu bedienen und verfügt über programmierbare Temperatur- und Luftwechselrampen sowie ein vorgewärmtes Frischluftsystem, das Temperaturschwankungen verhindert. Der Ofen ist aus hochwertigem, korrosionsbeständigem Edelstahl gefertigt und bietet eine Reihe von Möglichkeiten zur Programmierung und Dokumentation mittels Schnittstellen, integriertem Datenlogger und AtmoCONTROL-Software. Er wird mit einer weltweiten 3-Jahres-Garantie geliefert. Zusätzlich kann das Modell Um als medizinisches Gerät zur Erwärmung von Fango-, Silikat- und APS-Packungen für die physikalische Therapie eingesetzt werden.