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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten, unter der Verwendung von mindestens zwei Sensoren.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung dazu mindestens zwei Sensoren aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein medizintechnisches Gerät aufweisend eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs.
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Für die Analyse der Zusammensetzung von fluiden (flüssigen oder gasförmigen) Stoffgemischen werden zumeist Messverfahren angewandt, die weitgehend selektive Eigenschaften zur Bestimmung einzelner Bestandteile des Stoffgemischs nutzen, wie beispielsweise spektroskopische oder chemische Messtechnologien. Oftmals sind derartige selektive Messverfahren aber komplex und/oder langsam. Eine zeitlich hochaufgelöste, selektive Analyse der vollständigen Zusammensetzung eines Stoffgemischs ist daher meist nicht möglich. In manchen Anwendungen ist sogar schon die selektive Bestimmung eines einzelnen gewünschten Stoffanteils am Stoffgemisch problematisch.
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Messungen der Zusammensetzung von Stoffgemischen durch Aufnahme von mehreren Messsignalen in Bezug auf das Stoffgemisch sind Stand der Technik. Allerdings wird in der Regel eine einzige Stoffeigenschaft unter Variation eines Begleit-Parameters mehrfach ausgewertet und auf komponentenspezifische Merkmale untersucht. Beispielweise wird bei einer Absorptionsmessung die Lichtabsorption eines Gases/Gasgemischs analysiert. Die Messwellenlänge wird verändert und die Absorption bei verschiedenen Wellenlängen gemessen. Durch das Scannen über einen Wellenlängenbereich kann über das Absorptionsverhalten bei bestimmten Wellenlängen auf mehrere Gaskonzentrationen oder gar die komplette Gaszusammensetzung zurückgeschlossen werden. Es gibt viele ähnliche Verfahren, die wie in diesem Beispiel eine bestimmte Stoffeigenschaft (z.B. die Absorption) über eine bestimmte Messmethode (z.B. Absorptionsspektroskopie) unter Verwendung eines variierenden Parameters (z.B. der Wellenlänge) analysieren und so die Zusammensetzung eines Gasgemischs messen.
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Diese Verfahren sind oft sehr komplex, teuer und die zur Realisierung erforderlichen Geräte groß. Auch ist ein mobiler Einsatz entsprechender Geräte, beispielsweise in einem fahrenden Einsatzfahrzeug, mit hohen Stoß- und Rüttelbelastungen, oft nicht möglich.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden auch in der Medizintechnik, beispielsweise der Beatmungstechnik, Anwendung, wobei insbesondere die Zusammensetzung des Atemgases bestimmt wird. Die schnelle selektive Messung z.B. von Sauerstoff (02) erfordert zurzeit komplexe, teure Messverfahren, die zudem schwer in kompakte Geräte integriert werden können. Im Gegensatz zur CO2-Messung, bei der beispielsweise empfängerseitig ein Filter vor dem Sensor angeordnet wird, das nur eine CO2-relevante Wellenlänge zulässt, ist dies bei einer O2-Messung nicht möglich. Ein entsprechender charakteristischer Absorptionsbereich ist für O2 nicht vorhanden, sodass eine optische O2-Messung nur mit sehr fein durchstimmbaren Lasern realisierbar ist. Dieses Vorgehen ist jedoch sehr teuer und aufwendig. Die atemzugaufgelöste Messung der Sauerstoffkonzentration ist für eine gute Patientenversorgung wichtig, aber für kompakte Geräte bisher schwer realisierbar. Der hier beschriebene Lösungsansatz soll zeigen, dass eine Kombination aus vornehmlich nicht-selektiven Messverfahren die Bestimmung der Gaszusammensetzung erlaubt und so die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration dennoch ermöglicht werden kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise behebt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein medizintechnisches Gerät zu schaffen, mit dem die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik bei der Bestimmung der Anteile von Stoffgemischen zumindest teilweise behoben werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein medizintechnisches Gerät gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise behebt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
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In den abhängigen Patentansprüchen werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beansprucht.
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Die nachfolgend offenbarten Merkmale einer Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, eines medizintechnischen Geräts sowie eines Verfahrens zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs sind sowohl einzeln als auch in allen ausführbaren Kombinationen Bestandteil der Erfindung.
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Grundgedanke der Erfindung ist die Kombination von mehreren nicht-selektiven Messmethoden bzw. Messvorrichtungen zur Bestimmung der Anteile eines fluiden Stoffgemischs. Durch die höhere Geschwindigkeit nicht-selektiver Messmethoden lassen sich insgesamt schnellere Messungen zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils eines Stoffgemischs durchführen.
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Nicht-selektive Messmethoden bzw. Messvorrichtungen sind dabei solche Methoden bzw. Vorrichtungen mit denen ein bestimmter Stoffanteil eines Stoffgemisches nicht direkt bzw. nicht mit der erforderlichen Genauigkeit oder Robustheit und nur auf Basis der mit dieser Methode oder Vorrichtung gewonnenen Messdaten bestimmbar ist, wie es mit selektiven Messmethoden bzw. Messvorrichtungen möglich ist.
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Dabei wird in Ausführungsformen der Erfindung aber nicht primär über eine einzelne Stoffeigenschaft gescannt, sondern es werden mindestens zwei verschiedene und voneinander unabhängige Stoffeigenschaften gemessen und ausgewertet.
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Unabhängige Stoffeigenschaften sind dabei solche Eigenschaften des jeweiligen Stoffes bzw. Stoffgemischs, die sich nicht gegenseitig beeinflussen. Darunter fallen beispielweise die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität, die Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff bzw. Stoffgemisch, die molare Masse, die dynamische Viskosität, die Permittivität und der Brechungsindex bzw. die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff oder Stoffgemisch, die mit den bekannten Messmethoden zur nicht-selektiven Bestimmung der Stoffanteile eines Stoffgemischs heranziehbar sind.
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Beispielhaft sind in Ausführungsformen der Erfindung die folgenden Sensoren zur Messung dieser Stoffeigenschaften verwendbar.
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Die Messung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität erfolgt beispielsweise mit einem Sensor, umfassend mindestens ein Heizelement und einen Temperatursensor. Ruht das fluide Stoffgemisch, so kann nach Kalibration des Sensors über die Temperaturmessung bei bekannter Heizertemperatur auf die Wärmeleitung des fluiden Stoffgemischs rückgeschlossen werden. Moduliert man die Temperatur des Heizers, so ist die Verzögerung, mit der eine Temperaturänderung am Temperatursensor detektierbar ist, ein Maß für die Wärmekapazität des fluiden Stoffgemischs. Prinzipiell kann mit einer geeigneten Sensorvorrichtung also Wärmeleitung und Wärmekapazität gemessen werden.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Wärmeleitfähigkeitssensor und/oder Wärmekapazitätssensor auf. Dieser ist in Ausführungsformen der Erfindung als ein integrierter Sensorchip ausgebildet.
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Die Schallgeschwindigkeit wird in Ausführungsformen der Erfindung mit Ultraschalltechnologie gemessen. Entsprechende Sensoren sind bereits auf dem Markt verfügbar.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Schallgeschwindigkeitssensor basierend auf der Ultraschalltechnologie auf.
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Die molare Masse ist aus der Schallgeschwindigkeit ableitbar. Eine Messung mit anderen Verfahren ist sehr aufwendig.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung der molaren Masse basierend auf der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit auf.
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Die dynamische Viskosität ist beispielsweise über den Druckabfall in z.B. einem dünnen Röhrchen messbar, in dem eine laminare Strömung eingestellt wurde. Der Druckabfall ist direkt proportional zur dynamischen Viskosität.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung der dynamischen Viskosität basierend auf der Bestimmung eines Druckabfalls auf.
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Die Permittivität eines Stoffgemischs ist mithilfe eines Plattenkondensators messbar, der vom fluiden Stoffgemisch durchströmt wird. Die Kapazitätsänderung ist auch direkt proportional zur Permittivität. Bei den in der Beatmungstechnik zu messenden Gasen tritt hier besonders der Wasserdampf hervor, da sich Wasserdampf um mehr als eine Zehnerpotenz von den anderen relevanten Gasen unterscheidet.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Permittivitätssensor auf.
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Der Brechungsindex bzw. die Lichtgeschwindigkeit von verschiedenen Gasen unterscheidet sich sehr wenig, so dass in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung Interferometer als Brechungsindexsensor bzw. Lichtgeschwindigkeitssensor eingesetzt werden.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Brechnungsindexsensor und/oder einen Lichtgeschwindigkeitssensor umfassend mindestens ein Interferometer auf.
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Soll die Zusammensetzung eines Stoffgemischs mit einer Anzahl von X verschiedenen Stoffen vollständig bestimmt werden, so sind mindestens X-1 unabhängige nicht-selektive Messungen verschiedener Stoffeigenschaften erforderlich, um das sich ergebende Gleichungssystem vollständig und eindeutig lösen zu können.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird der Umstand genutzt, dass von einem Stoffgemisch in vielen Anwendungen nur bestimmte Stoffanteile von Interesse sind und/oder dass bestimmte Stoffe die zu messenden Stoffeigenschaften des Stoffgemischs nicht oder nur in geringem Maße beeinflussen.
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Dadurch lässt sich die erforderliche Anzahl der mindestens erforderlichen nicht-selektiven Messmethoden / Messvorrichtungen unabhängiger Stoffeigenschaften auf einen Wert kleiner gleich X-1 reduzieren, wobei X die Anzahl der relevanten Stoffanteile ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs ist zur Bestimmung des Anteils von mindestens einem Stoff an einem fluiden Stoffgemisch ausgebildet.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs weist mindestens zwei verschiedene nicht-selektive Messvorrichtungen auf, die jeweils eine Stoffeigenschaft des Stoffgemischs messen, wobei die mit den Messvorrichtungen gemessenen Stoffeigenschaften verschieden und voneinander unabhängig sind.
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Weiterhin weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens eine Auswerteeinheit zur Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messwerte der mindestens zwei verschiedenen Stoffeigenschaften und zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch aus der Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften auf.
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In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung mit einer Anzahl X von zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens X-1 nicht-selektive Messvorrichtungen auf, mit denen verschiedene voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs messbar sind.
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In Ausführungsformen der Erfindung sind mindestens zwei der nicht-selektiven Messvorrichtungen zur zeitgleichen oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidenden Durchführung der jeweiligen Messungen ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung sind alle nicht-selektiven Messvorrichtungen zur zeitgleichen oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidenden Durchführung der jeweiligen Messungen ausgebildet.
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Wenn die verschiedenen Sensoren hintereinander im Volumenstrom des fluiden Stoffgemisches angeordnet sind, tritt ein zeitlicher Versatz der Messwerte auf, da ein bestimmtes Volumen nacheinander zu den einzelnen Sensoren gelangt. Bei bekanntem Volumenstrom des fluiden Stoffgemischs ist der Zeitversatz in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung kompensierbar, so dass die Messwerte aller Sensoren synchronisierbar sind. Dazu weist die Vorrichtung zur Bestimmung der Stoffanteile eines fluiden Stoffgemischs in bevorzugten Ausführungsformen einen Volumenstromsensor auf.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Bestimmung des Anteils von O2 und/oder CO2 am Stoffgemisch ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist mindestens eine Messvorrichtung der Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung einer der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit (z.B. Ultraschall-Sensor), molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit auf.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zusätzlich mindestens einen selektiven Sensor zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch auf.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist der mindestens eine selektive Sensor zur NDIR-Absorptionsmessung zur Bestimmung des CO2-Anteils, als eine Lambdasonde zur Bestimmung des O2-Anteils, als ein paramagnetischer Sensor zur Bestimmung des O2-Anteils, als ein optischer Sensor wie z.B. eine Optrode zur Messung mittels Fluoreszenzlöschung (insbesondere eine pO2-Optrode), als ein elektrochemischer Gassensor oder als ein Feuchtesensor (insbesondere mittels Permittivitätsmessung) ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist bekannt, welche Stoffe das Stoffgemisch enthält oder welche die Stoffeigenschaften des Stoffgemischs in relevantem Umfang beeinflussenden Stoffe das Stoffgemisch enthält.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur iterativen Bestimmung von mindestens einer Stoffeigenschaft ausgebildet. Dadurch lässt sich in entsprechenden Ausführungsformen die Messgenauigkeit verbessern.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mehr als X-1 nicht-selektive Messvorrichtungen auf. Dadurch lässt sich die Robustheit und/oder die Genauigkeit der Messung erhöhen. Weiterhin ist dadurch in Ausführungsformen der Erfindung eine Plausibilitätsprüfung und/oder eine Prüfung des Stoffgemischs auf unbekannte Stoffe mit relevantem Einfluss auf die Messung(en) implementiert.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs eine Auswerteeinheit auf, mit der der Stoffanteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch mithilfe des Aufstellens eines Gleichungssystems aus den gemessenen Stoffeigenschaften und der Lösung des Gleichungssystems bestimmbar ist.
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Das zu lösende Gleichungssystem kann in Ausführungsformen der Erfindung linear oder auch nicht-linear sein.
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Das aufzustellende Gleichungssystem umfasst dabei die gemessenen Stoffeigenschaften und deren mathematischen Abhängigkeiten von den einzelnen Stoffen des Stoffgemischs, wobei zumindest die relevanten Bestandteile des Stoffgemischs berücksichtigt werden.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur analytischen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur numerischen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur iterativen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messdaten mithilfe von mindestens einem KI-System ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der Messdaten mithilfe einer Kombination von analytischen, numerischen, iterativen und/oder Kl-basierten Verfahren ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens eine Kompensationsvorrichtung auf, mit der beispielsweise die Temperatur, der Druck, der Volumenstrom und/oder die Feuchtigkeit des Stoffgemischs messbar und zur Kompensation mindestens eines der übrigen Messungen der zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendbar ist/sind.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Verwendung in einer medizintechnischen Anwendung ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Bestimmung von zumindest einem Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät weist mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs auf.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät als ein Beatmungsgerät ausgebildet, wobei das Stoffgemisch ein Gasgemisch, nämlich Atemgas, ist.
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In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät zur Blutgasanalyse ausgebildet.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät zur Nutzung der ermittelten Stoffanteile zur Anpassung der Steuerung eines Therapiemoduls und/oder eines Anweisungsmoduls ausgebildet.
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Ein Therapiemodul ist in Ausführungsformen der Erfindung dabei als die Beatmungseinheit eines Beatmungsgeräts ausgebildet und das Anweisungsmodul ist in Ausführungsformen der Erfindung zur Ausgabe von Anweisungen an einen menschlichen Helfer ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs ist zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils eines fluiden Stoffgemischs nutzbar.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
- - Durchführen von mindestens zwei verschiedenen nicht-selektiven Messungen, wobei jeweils eine Stoffeigenschaft des Stoffgemischs gemessen wird und wobei die mit den verschiedenen Messungen gemessenen Stoffeigenschaften voneinander unabhängig sind,
- - Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften zur Bestimmung des Anteils mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch.
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In Ausführungsformen des Verfahrens werden bei einer Anzahl von X zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch mindestens X-1 verschiedene nicht-selektive Messverfahren bzw. Messvorrichtungen verwendet, die verschiedene, voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs messen.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei der nicht-selektiven Messungen zeitgleich oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidend durchgeführt.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle nicht-selektiven Messungen zeitgleich oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidend durchgeführt.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Anteil von O2 und/oder CO2 am Stoffgemisch bestimmt.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit (z.B. Ultraschall-Sensor), molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit gemessen.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit, molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit gemessen.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu den mindestens zwei nicht-selektiven Messungen zusätzlich mindestens ein selektiver Sensor zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch verwendet.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Sensor zur NDIR-Absorptionsmessung zur Bestimmung des CO2-Anteils, eine Lambdasonde zur Bestimmung des O2-Anteils, ein paramagnetischer Sensor zur Bestimmung des O2-Anteils, ein optischer Sensor wie z.B. eine Optrode zur Messung mittels Fluoreszenzlöschung (insbesondere eine pO2-Optrode), ein elektrochemischer Gassensor oder ein Feuchtesensor (insbesondere mittels Permittivitätsmessung) als selektiver Sensor verwendet.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bekannt, welche Stoffe das Stoffgemisch enthält oder welche die Stoffeigenschaften des Stoffgemisches in relevantem Umfang beeinflussenden Stoffe das Stoffgemisch enthält.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine Stoffeigenschaft iterativ bestimmt. Dadurch lässt sich in entsprechenden Ausführungsformen die Messgenauigkeit verbessern.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehr als X-1 verschiedene nicht-selektive Messmethoden verwendet. Dadurch lässt sich die Robustheit und/oder die Genauigkeit der Messung(en) erhöhen.
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Weiterhin ist mithilfe mindestens einer zusätzlichen Messmethode / Messvorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung eine Plausibilitätsprüfung der aus den übrigen Messungen bestimmten Stoffanteile und/oder eine Prüfung auf unbekannte Stoffe im Stoffgemisch mit relevantem Einfluss auf die Messung(en) realisiert.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens ein zusätzliches Messverfahren verwendet, um eine Stoffeigenschaft mit einem ersten Messverfahren langsam, aber genau zu messen und mit einem zweiten schnellen, aber ggf. absolut gesehen ungenauen Messverfahren, wie beispielsweise einer stark driftbehafteten Messung, schnelle Änderungen in der jeweiligen Stoffeigenschaft zu erfassen.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine Messmethode eingesetzt, die von mindestens zwei Stoffeigenschaften (z.B. Wärmeleitung und Wärmekapazität) beeinflusst wird. Dabei wird die Messmethode mehrfach in verschiedenen Ausführungen (beispielsweise Modulation der Temperatur des Stoffgemischs mithilfe eines Heizers) verwendet, wobei in jeder Ausführung der Einfluss der verschiedenen Stoffeigenschaften unterschiedlich gewichtet ist. Im Beispiel der Wärmeleitung und Wärmekapazität als Stoffeigenschaften wäre dies beispielsweise die Messung der Temperatur des Stoffgemischs, wobei die Temperatur mithilfe eines steuerbaren Heizers einstellbar ist. Je nach Schnelligkeit der Modulation, wird die Messung überwiegend von der Wärmeleitfähigkeit (langsame Modulation) oder der Wärmekapazität (schnelle Modulation) beeinflusst.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine Messmethode eingesetzt, bei der die jeweilige Stoffeigenschaft in zwei verschiedenen Zuständen des Stoffgemischs gemessen wird. Beispielsweise sind viele Stoffeigenschaften abhängig von der Temperatur und/oder dem Druck. In entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung wird das Stoffgemisch zunächst bei einer ersten Temperatur T1 (z.B. Umgebungstemperatur) und/oder einem ersten Druck P1 vermessen. Anschließend wird der jeweilige Parameter ohne eine Veränderung der Zusammensetzung des Stoffgemischs verändert und die Messung wiederholt. Beispielsweise wird dazu das Stoffgemisch auf eine Temperatur T2 erwärmt (oder heruntergekühlt) oder der Druck auf einen Wert P2 geändert. Wenn die Stoffeigenschaften der einzelnen Bestandteile des Stoffgemischs deutlich unterschiedliches Temperatur- oder Druckverhalten haben, so liefert die erneute Messung neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Stoffgemischs.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stoffanteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch bestimmt, indem ein ggf. lineares Gleichungssystem aus den gemessenen Stoffeigenschaften automatisch aufgestellt und gelöst wird.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem analytisch gelöst.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem numerisch gelöst.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem iterativ gelöst.
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Eine solche iterative Lösung des Gleichungssystems funktioniert in Ausführungsformen der Erfindung wie folgt. Auch wenn eine Stoffeigenschaft S1 nicht selektiv zur Bestimmung des Anteiles eines Stoffs am Stoffgemisch herangezogen werden kann, so kann sie durch einen Stoff A1 dominiert werden. In der ersten Iterationsstufe wird angenommen, dass die Messung der Stoffeigenschaft S1 nur durch den Stoff A1 bestimmt wird. Dann wird zunächst der Anteil des Stoffes A1 bestimmt und das Gleichungssystem mit X Gleichungen um 1 reduziert.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine weitere, von der Stoffeigenschaft S1 unabhängige Stoffeigenschaft S2 ähnlich genutzt, um einen Stoffanteil A2 oder weitere Stoffanteile abzuschätzen, so dass sich das zu lösende Gleichungssystem weiter reduziert.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens ein Stoffanteil in mindestens einer Iterationsstufe durch einen Erfahrungswert abgeschätzt. In bestimmten Stoffgemischen, beispielsweise Luft oder Atemluft, treten bestimmte Stoffe (z.B. Argon oder Stickstoff) normalerweise in bestimmten Konzentrationen auf. Diese Werte werden in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung zumindest für eine Erstabschätzung in der ersten Iterationsstufe verwendet, sodass das Gleichungssystem entsprechend reduzierbar ist.
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In Ausführungsformen der Erfindung werden Stoffe, die einen ähnlichen Einfluss auf eine Stoffeigenschaft haben, während der entsprechenden Iteration zusammengenommen und als ein einziger Stoff behandelt. Stoffe, die auf alle gemessenen Stoffeigenschaften einen ähnlichen Einfluss haben werden, sofern eine Bestimmung der separaten Anteile dieser Stoffe am Stoffgemisch in der jeweiligen Anwendung unerheblich ist, in Ausführungsformen der Erfindung global bei der Lösung des Gleichungssystems als ein einziger Stoff betrachtet.
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Wenn am Ende alle Stoffanteile am Stoffgemisch in der ersten Iterationsstufe bestimmt wurden, werden diese resultierenden Werte in mindestens einer nächsten Iterationsstufe, in der dann die Einflüsse mehrerer oder aller Stoffe auf die jeweiligen Stoffeigenschaften berücksichtig werden, wieder zur verbesserten Bestimmung der Stoffanteile am Stoffgemisch verwendet. So wird eine Verfeinerung der Analyse realisiert. Die Verbesserung der Genauigkeit der bestimmten Stoffanteile erhöht sich mit weiteren Iterationsstufen.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messdaten mithilfe von mindestens einem KI-System.
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Auch eine Kombination von Elementen aus der numerischen, iterativen und/oder Kl-gestützten Bestimmung der Stoffanteile ist in Ausführungsformen der Erfindung möglich.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest einer der Werte Temperatur, Druck, Volumenstrom und/oder Feuchtigkeit des Stoffgemischs gemessen und zur Kompensation mindestens eines der übrigen zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendet.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in einer medizintechnischen Anwendung angewendet.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten bestimmt.
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In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs oder ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät verwendet.
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In den nachfolgend erläuterten Figuren sind beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1: Ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch,
- 2 bis 4: Schematische Blockschaltbilder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch in einer Nebenstromkonfiguration in drei verschiedenen Ausbildungen,
- 5: Eine Sensorkonfiguration einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch,
- 6: Ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch in einer Hauptstromkonfiguration,
- 7: Eine Illustration verschiedener Iterationsstufen in einem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch und
- 8: Eine schematische Darstellung der Messwertverarbeitung gemäß der Erfindung.
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1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10). Die Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) umfasst eine Auswerteeinheit (2), zwei nicht-selektive Sensoren (3), einen selektiven Sensor (4) und eine Kompensationsvorrichtung (5) zur Erfassung von Messwerten in Bezug auf ein fluides Stoffgemisch (10). Die Auswerteeinheit (2) ist zum Abruf und zur Auswertung der Messwerte zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils des fluiden Stoffgemischs (10) ausgebildet.
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In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann die Auswerteeinheit (2) zur Bestimmung der Stoffanteile des fluiden Stoffgemischs (10) auf ein KI-System (6) zurückgreifen.
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Der mindestens eine bestimmte Stoffanteil des fluiden Stoffgemischs (10) ist mithilfe einer Ausgabeeinheit (7) ausgebbar, beispielsweise als Anzeige auf einem Display, als akustische Ausgabe oder als digitales Datenpaket.
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In den 2, 3 und 4 sind verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) in Nebenstrom-Konfigurationen dargestellt.
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2 zeigt dabei die Anordnung von nicht-selektiven Sensoren (3) in einem Nebenstrom (21), der an einer Entnahmestelle (22) vom Hauptstrom (20) des fluiden Stoffgemischs (10) abzweigt. Das fluide Stoffgemisch (10) wird mithilfe einer in Strömungsrichtung hinter den Sensoren (3) angeordneten Absaugpumpe (8) in den Nebenstrom (21) und zur Vermessung an den Sensoren (3) vorbei gefördert. Es sind erfindungsgemäß auch Ausführungsformen mit mindestens einem selektiven Sensor möglich.
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Gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Absaugpumpe (8) im Nebenstrom (21) in Strömungsrichtung vor den Sensoren (3) positioniert.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei parallel angeordneten Sensoren (3), gekennzeichnet durch M2 und M3.
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In 5 ist eine Sensorkonfiguration 3 für eine parallele Messung von mindestens drei Messwerten dargestellt. Das fluide Stoffgemisch (10) ist mithilfe einer Leitung, hier ausgebildet als Hauptstromleitung (20) oder Nebenstromleitung (21), in den Bereich der Sensorkonfiguration (3) leitbar. Die Sensorkonfiguration (3) umfasst einen als ein Plattenkondensator ausgebildeten Permittivitätssensor (3'), einen mithilfe eines Ultraschallsensors realisierten Schallgeschwindigkeits- und/oder Volumenstromsensor (3'') sowie einen mithilfe eines Differenzdrucksensors realisierten Viskositätssensor (3''').
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Der Differenzdruck ist mithilfe von am Eingang und am Ausgang des Plattenkondensators angeordneten Drucksensoren erfassbar. Der Raum zwischen den Kondensatorplatten wird zudem zur Ultraschallmessung genutzt.
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Durch entsprechende Anordnungen ist die Realisierung kompakter Sensorkonfigurationen (3) möglich, die insbesondere bei mobilen Anwendungen von großer Bedeutung sind.
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6 zeigt ein medizintechnisches Gerät (15) ausgebildet als ein Beatmungsgerät, das eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) aufweist, die in Bezug auf die Sensoren, hier dargestellt als nicht-selektive Sensoren (3), in das Schlauchsystem (23) des Beatmungsgeräts integriert ist.
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In 7 ist die iterative Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs (10) gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Basierend auf den initial bestimmten Messwerten M1, M2 ... Mn werden im ersten Schritt die Stoffanteile C1', C2', ... Cn' bestimmt, wobei die Abschätzungen E1', E2', ... En' genutzt werden. Basierend auf den ermittelten Stoffanteilen werden in der zweiten Iterationsstufe verbesserte Abschätzungen E1'', E2'', ... En'' zur Bestimmung der nun genaueren Stoffanteile C1'', C2'', ... Cn'' verwendet. In Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Zeit und Rechenressourcen sind auch erfindungsgemäße Ausführungsformen mit mehr als zwei Iterationsstufen realisierbar.
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8 zeigt schematisch die mithilfe der Auswerteeinheit (2) erfolgende mathematische Auswertung der mithilfe der Sensoren (3) erfassten Messwerte zur Bestimmung der Stoffanteile C1, ... Cn eines fluiden Stoffgemischs (10).
