主流式CO2浓度检测模块研制

    人体呼出气体中CO₂含量的改变可反映机体代谢、循环、呼吸、气道或通气系统功能的变化,在临床中有着非常重要的意义。人体呼气末CO₂分压或浓度(PET CO₂或FET CO₂)是重要的生命指标之一,在临床上是麻醉患者和呼吸功能障碍患者呼吸功能的监测指标。目前在医用CO₂气体检测领域对于麻醉气体浓度的监测利用的测量原理一般都是基于非色散红外光谱分析技术(Non-Dis-persive In-frared,NDIR),主要是通过找到气体浓度与红外光衰减量之间的对应关系,从而根据所测红外光衰减量计算气体浓度。笔者根据此原理设计了一种基于红外吸收原理的CO2气体实时监测装置,以NDIR红外吸收原理为基础设计了一种特殊的检测结构,利用主流式检测方法进行气体的测量,以单片机控制数据采样并进行浓度计算和补偿,从而实现呼吸CO2浓度、呼吸率等参数的连续检测。

    1　NDIR检测原理　具有非对称双原子或多原子分子结构的气体(如CH₄,CO,CO₂,SO₂,NO等),在中红外波段均有特殊吸收光谱,某种气体的特征光谱吸收强度与该气体的浓度有关,利用这一原理可以测量气体的浓度。气体分子对特定波长的红外光吸收关系服从朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律。设入射光是平行光,其强度为I₀,出射光的强度为I,气体介质的厚度为L。当由气体介质中的分子数d_N的吸收所造成的光强减弱为d_I时,根据朗伯-比尔吸收定律:d_I/I=-Kd_N,式中K为比例常数。经积分得:lnI=-KN+α              (1)

    式中:N为吸收气体介质的分子总数;α为积分常数。显然有N∝CI,C为气体浓度。则(1)式可写成:

    I=exp(α)exp(-KN)=exp(α)exp(-μCL)=I_0exp(-μCL)            (2)

    (2)式表明,光强在气体介质中随浓度C及厚度L按指数规律衰减。吸光系数取决于气体特性,各种气体的吸光系数μ互不相同。对同一气体,μ则随入射光波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体,则(2)式应改为:

    I=I0exp(-ΣμiCi)

    对于多种混合气体,为了分析特定组分,可以在传感器或红外光源前安装一个匹配气体吸收波长的窄带滤光片,使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。

    本主流式NDIR气体传感器结构如图1所示。被测对象呼出气体,在气体主流通道中的检测室可以直接对气体进行测量,检测室的一侧是红外光源,另外一侧是红外传感器,两侧有窄带滤光片与主流通道隔开。红外光源发射红外光,经过窄带滤光片和主流通道的气体,由红外检测器接收。检测器的前端有两个接收窗口,一个是气体检测端,一个是参考端。通过两个窗口端的测量值来计算气体主流通道中CO₂气体的浓度。