DE2204473A1

DE2204473A1 - Vorrichtung zum bestimmen zeitlicher mittelwerte des stromes und/oder der konzentration von gaskomponenten in einem messgas

Info

Publication number: DE2204473A1
Application number: DE19722204473
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Franetzki; Bernd Hellmut Dr Re Zimmermann
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1973-08-16
Also published as: ATA979372A; NL7215741A; DE2204473B2; AT330947B; GB1392904A; FR2170008A1; DE2204473C3; CH549202A

Description

Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes und/oder der Konzentration von Gaskomponenten in einem Meßgas

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes und/oder der Konzentration von Gaskomponenten in einem Meßgas, insbesondere Sauerstoff und/oder Kohlendioxid im Atemgas eines Probanden, bestehend aus einem im Strömungsweg des Meßgases eingeschalteten Mischgefäß, einem Konzentrationsmesser für die jeweilige Gaskomponente am Ausgang des Mischgefäßes sowie mindestens einem den zeitlichen Verlauf einer Gasströmung kontinuierlich erfassenden Strömungsmesser.

Der über eine Zeitdauer T gemittelte Strom V_i(t) sowie die Konzentration k- (t) einer Gaskomponente in einem Meßgas ergeben sich ganz allgemein zu

et) =

1 T

(t) V (t) dt

t-T

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220U73

-γ- y^t k_± (t) V (t) -1- / ν (t) dt

wobei k. (t) die Konzentration der interessierenden Gaskomponen-

1 ·

te im Meßgas und V (t)der Strom des Meßgases in Abhängigkeit von der Zeit t bedeuten.

Die interessierenden Mittelwerte V- (t) und k- (t) der jeweiligen Gaskomponente erhält man exakt, wenn mittels eines schnellen Konzentrationsmessers (Zeitkonstante klein gegen Schwankungsdauer der Strömung), z.B. Massenspektrometer, die Konzentration k. (t) und mittels eines Strömungsmessers, z.B. Pneumotachograph, der Meßgasstrom*Y (t) kontinuierlich gemessen und die jeweils gemessenen Werte gemäß der angegebenen Gleichungen elektronisch ausgewertet werden.

Schnelle Konzentrationsmesser sind jedoch technisch sehr aufwendig und damit auch sehr teuer.

Aus Kostengründen werden daher insbesondere in der Lungenfunktionsdiagnostik Vorrichtungen der eingangs genannten Art eingesetzt, bei denen am Ausgang des Mischgefäßes bereits ein mittlerer Konzentrationswert k^ (t) anfällt, zu dessen Anzeige lediglich ein Konzentrationsmesser mit verhältnismäßig großer Zeitkonstante, d.h. ein technisch weniger aufwendiger und damit auch erheblich billigerer Konzentrationsmesser erforderlich ist. Die Teilströmung ergibt sich zu V₁ (t) = Ic₁ (t) · Y (t), wobei V (t) den (errechneten) Mittelwert des mit dem Strömungsmesser erfaßten Meßgasstromes darstellt.

Der Vorteil der Kostenersparnis wird jedoch bei bekannten Geräten dieser Art mit den Nachteil einer erhöhten Meßungenauigkeit mindestens im Rahmen der Größe V₁ (t) erkauft.

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Der Grund für diese Meßungenauigkeit liegt darin, daß sich mit den bekannten Vorrichtlangen immer entweder nur der Wert k_i (t) oder der für die Berechnung von V- (t) weiterhin erforderliche Wert V (t), niemals jedoch beide Werte gleichzeitig exakt erfassen lassen. So läßt sich beispielsweise bei instationärer Durchströmung des Mischgefäßes der Strom V (t) des Meßgases exakt messen und damit auch über eine vorgebbare Zeitdauer T exakt mitteln; diese Zeitdauer T stellt jedoch lediglich einen geschätzten Mittelwert für die Mischdauer des Gefäßes dar (tatsächliche Mischdauer ist abhängig vom Zeitverhalten des Stromes V (t) ), so-daß bei Abweichungen der tatsächlichen Mischdauer vom geschätzten Wert entsprechend abweichende Konzentrationswerte k- (t) erhalten werden. Wird hingegen der Meßgasstrom V (t) durch das Mischgefäß auf einem konstanten Wert gehalten, z.B. durch konstante Absaugung des Gases (in der Lungenfunktionsdiagnostik wird dem Probanden eine Atemmaske aufgesetzt und das Atemgas aus der Atemmaske konstant abgepumpt), so ergeben sich zwar definierte Mischzeiten T und damit auch exakte Konzentrationswerte k. (t). Der Wert V (t) (in der Lungenfunktionsdiagnostik das sog. Atemzeitvolumen) ist hingegen nicht mehr meßbar und damit kann auch der Wert V. (t) nicht ermittelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangsgenannten Art anzugeben, mit der sich ohne erheblichen technischen sowie Kosten-Mehraufwand die gewünschten Meßwerte exakt erfassen lassen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Mischgefäß eingangsseitig zusätzlich an einer die zu messende Gaskomponente in bekannter Konzentration liefernden Gasquelle angeschlossen ist, daß Mittel vorgesehen sind, durch die das Gas dieser Gasquelle dem Meßgas so beigemischt wird, daß der Summenstrom durch das Mischgefäß konstant ist und daß der

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Strömungsmesser in den Strömungsweg des Meßgases oder des zusätzlichen Gases vor der Vermischung eingeschaltet ist.

Bei der e rfindungs gemäß en Vorrichtung ergibt sich der mittlere Teilstrom V. (t) der untersuchten Gaskomponente im Meßgas zu

wobei Vg (t) der Strom des aus der Gasquelle zugeführten Gases, k.-r, die Konzentration der untersuchten Gaskomponente in diesem Gas, V_G der konstante Summenstrom V (t) + Y„ (t) im Mischgefäß und k.„ (t) die Konzentration der Gaskomponente im Summenstrom V_G bedeuten.

Bei der genannten Gleichung sind die Werte V^ sowie k.-p jeweils bekannt. Der Wert k_iG (t) läßt sich am Konzentrationsmesser unmittelbar ablesen. Dieser Wert entspricht exakt dem . mittleren Konzentrationswert der untersuchten Gaskomponente im Gesamtstrom Y_n, weil der Gesamtstrom V~ durch das Mischgefäß konstant ist. Der Wert ?„ (t) kann unmittelbar dadurch erhalten werden, daß der Strömungsmesser in den Strömungsweg des zusätzlich zugeführten Gases eingeschaltet wird, oder mittelbar dadurch, daß mittels eines Strömungsmessers im Strömungsweg des Meßgases der Wert V (t) gemessen und an-

schließend V_E(t)=V_G-V(t) berechnet wird. Die Mittelung des Wertes V_E (t) über die Zeitdauer T (entspricht Misch-V_n

zeit T = —-— des Mischgefäßes mit dem Volumen V_n) wird

ν ■

^VG

vorzugsweise elektronisch vorgenommen.

Zur Bestimmung der gesuchten mittleren Teilströmung V. (t) sind also Meßgrößen erforderlich, die entweder von vornherein

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bekannt sind (Y_n; k.,-.) oder mittels der er'findungsgemäßen Vor richtung exakt bestimmt werden können ( k_iG (t); Vg (t)). Damit ist auch - wie erwünscht - der gesuchte Wert Vj_ (t) exakt bestimmbar.

Der gegebenenfalls weiterhin gesuchte Mittelwert der Konzentration der untersuchten Gaskomponente im Meßgas ergibt sich
dann bei Kenntnis des exakten Teilstrommittelwertes V_n- (t) zu

T (t) v_G - v_E (t)

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also gleichzeitig Mittelwerte sowohl des Stromes als auch der Konzentration von Gaskomponenten eines Meßgases exakt bestimmen.

Der gegenüber den bekannten Vorrichtungen erforderliche technische sowie Kosten-Mehraufwand ist gering, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich eine zusätzliche Gasquelle (bei der Untersuchung von Atemgas wird als Gasquelle z.B. einfach die Umgebungsluft herangezogen) mit einer entsprechenden Anschlußleitung an das Mischgefäß und bezüglich der bisher
rein instationär betriebenen Vorrichtungen lediglich noch ein Konstantstromerzeuger, z.B.' eine im Summenstromweg eingeschaltete (relativ billige) Pumpe konstanter Pumpleistung, benötigt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich daraus, daß zur Bestimmung des Wertes V. (t) nicht mehr wie bisher - unmittelbar der Meßgasstromwert V (t) bekannt sein muß, sondern daß der Wert V^ (t) unter Heranziehung des Wertes Vg (t) errechnet werden kann.

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Insbesondere in der Lungenfunktionsdiagnostik ist damit die Möglichkeit gegeben, den Atemgas-Strömungsweg frei von Strömungsniessern zu halten, wodurch einerseits der Proband weniger belastet wird und andererseits aufgrund der definierten Anströniverliältnisse, des erheblich verkleinerten Totraumes sowie der Unabhängigkeit der Messung von Viskositäts- und Dichte schwankungen des Atemgases auch das gesamte Meßresultat verbessert wird.

Da das zusätzlich zugeführte Gas in seiner Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsrichtung (Pumpleistung so eingestellt, daß zu jedem Zeitpunkt Y_n "> V (t) ) konstant ist, können zur Bestimmung von V_E (t) einfache, in gewissen Bereichen sogar nichtlineare Strömungsmesser, z.B. billige Normblenden, eingesetzt werden. Ein solches System erfordert außerdem keine Ventile. (Der Proband atmet in der Inspirationsphase automatisch Raumluft über die zusätzliche Raumluftanschlußleitung ein).

Weitere Vorteile der Erfindung werden anhand von zwei Figuren, welche ein Ausführungsbeispiel (Lungenfunktionsdiagnostik) der Erfindung darstellen, im folgenden näher erläutert:

In der Fig. 1 atmet ein Proband 1 über eine Gasleitung 2 in ein Mischgefäß 3 vom Volumen V_Q. In der Leitung 2 befindet sich eine Falle 4 zur Abscheidung fester und. flüssiger Bestandteile im Atemgas des Probanden 1.

An die Leitung 2 ist ferner eine weitere Gasleitung 5 angeschlossen. Der Anschluß der Gasleitung kann selbstverständlich auch schon vor der Falle 4 erfolgen. Die Gasleitung 5 mündet mit ihrem freien Ende in der Umgebungsluft. In dieser Leitung sind eingeschaltet ein Strömungsmesser 6, z.B. Normblende oder

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Fleisch'sehe Düse, sowie ein lüfter 7, welcher der Einstellung erwünschter Druckwerte in der Atemgaszuführleitung 2 dient.

Das JMischgefäß 3 besitzt eine Ausgangsleitung 8 für das in das Gefäß 3 einströmende Gas. An der Ausgangsleitung 8 ist ein Konzentrationsmesser 10 für die untersuchte Gaskomponente im Atemgas des Probanden 1, z.B. Sauerstoff-Konzentrationsmesser und/oder Kohlendioxid-Konzentrationsmesser, angeschaltet. In der Ausgangsleitung 8 befindet sich ferner eine Pumpe 9 einst e'llbarer konstanter Pumpleistung.

Im Betriebszustand der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird aufgrund der konstanten Pumpleistung der Pumpe 9 im Mischgefäß 3 ein konstanter Gasstrom V^ = "V (t.) + ?„ (t) erzeugt, wobei T (t) der Atemgasstrom des Probanden 1 und f„ (t) der durch die Pumpe 9 über die Leitung 5 angesaugte luftstrom bedeuten. Die Pumpleistung ist dabei so gewählt, daß zu jedem Zeitpunkt die Beziehung V_Q > V_max (t) (d.h. V_E (t) > 0) erfüllt ist. Dadurch ist gewährleistet, daß das vom Probanden 1 ausgeatmete Atemgas vollständig in.das Mischgefäß 3 gelangt und nicht beispielsweise teilweise über die leitung 5 in die Umgebungsluft entweichen kann.

Bei einer solchen Betriebsweise ergibt sich somit - wie erwünscht - die eingangs bereits aufgeführte Beziehung:

₁ (t) = V_G · k_iG (t) - V_E (t)

-iE

Die Größe V~ ergibt sich unmittelbar aus der Pumpleistung der Pumpe 9· Der Strom Vg (t) wird am Strömungsmesser 6 als elektrisches Signal abgegriffen. Der Konzentrationswert k.„ des

. -L-Cj

luftstromes V_E (t) ist aus der Zusammensetzung der Raumluft bekannt (ca. 21 % Op, 0 % COp) und der Konzentrationswert k-_G (t) kann unmittelbar an dem entsprechenden Konzentrationsmesser 10 abgelesen werden.

309833/OSSä " ⁸ "

Die Berechnung des Wertes V. (t) wird vorzugsweise mittels einer in Fig. 2 dargestellten Recheneinrichtung vorgenommen.

Zur Bildung des Produktes V_& ♦ k_iQ (t) ist dabei ein Multiplizierglied 11 vorgesehen. Ein Mittelwertbildner 12 dient zur Be-

-r- V₀ rechnung des Mittelwertes V„ (t) (Mittelungszeit T = —: ).

V ^VG

In einem weiteren Multiplizierglied 13 wird das Produkt aus Vg (t) und k.-g gebildet und mittels eines Subtrahiergliedes 14 die Differenz zwischen den AusgangsSignalen des Multipliziergliedes 11 und Multipliziergliedes 13. Der sich am Ausgang des Subtrahiergliedes 14 ergebende Wert V. (t) wird mittels eines geeigneten Anzeigegerätes 15 angezeigt.

Die Recheneinrichtung nach Fig. 2 weist ferner ein zweites Subtrahierglied 16 auf zur Bildung der Differenz V_& - Vg (t) sowie ein Dividierglied 17 zur Berechung des Quotienten

ν (t) =

v_G - v_E (t)

Der Konzentrationswert k. (t) wird mittels eines Konzentrationsanzeigegerätes 18 angezeigt.

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Claims

Patentansprüche

( 1.»Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes (V₁ (t)) und/oder der Konzentration (^ (t)) von Gaskomponenten in einem Meßgas, insbesondere Sauerstoff und/oder Kohlendioxid im Atemgas eines Probanden, bestehend, aus einem im Strömungsweg des Meßgases eingeschalteten Mischgefäß, einem Konzentrationsmesser-für die jeweilige Gaskomponente am Ausgang des Mischgefäßes sowie mindestens einem den zeitlichen Verlauf einer Gasströmung kontinuierlich erfassenden Strömungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgefäß (3) eingangsseitig zusätzlich an einer die zu messende Gaskomponente in bekannter Konzentration (k.g) liefernden Gasquelle angeschlossen ist, daß Mittel (9) vorgesehen sind, durch die das Gas (V₁₇ (t)) dieser Gasquelle dem Meßgas (V (t)) so beigemischt wird, daß .der Summenstrom(V_G=V+V_E) durch das Mischgefäß (3) konstant ist und daß der Strömungsmesser (6) in den Strömungsweg des Meßgases oder des zusätzlichen Gases vor der Vermischung eingeschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas der Gasquelle dem Meßgas vor dessen Eintritt in das Mischgefäß beigemischt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des konstanten Summenstromes (Vq) eine im Summenstromweg, vorzugsweise am Ausgang des Mischgefäßes, eingeschaltete Pumpe (9) konstanter Pumpleistung verwendet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpleistung so gewählt ist, daß der Summenstroin zu jedem Zeitpunkt t die Bedingung Y_n ^> V__a„ (t) erfüllt.

309833/05B9 " ¹⁰ ~

i>. Vorriclitung nach, einem der Ansprüche 1 bis 4> dadurch. gekennzeichnet, daß im Strömungsweg (5) des zusätzlichen Gases ein Lüfter (7) eingeschaltet ist.

6« Vorrichtung nach einem dar Ansprüche 1 bis 5_f gekennzeichnet durch eine elektronische Recheneinrichtung mit

einem ersten Multiplizierglied (11) für die Meßwerte Vp und k.£ (t), einem MittelwertMldner (12) für den Meßwert

V (t) = -^- Γ V₁, (t) dt, einem dem MittelwertMldner (12) ¹ t-T

nachge s ehalte ten zweiten Multiplizier glied (13) für die Multiplikation des Mittelwertes V₁-, (t) mit dem Konzentrationswert k.,-, sowie einem den Multipliziergliedern nachgeschalteten Subtrahierglied (14) für die Bestimmung der Differenz v_G ·—_G (t) -T^ (t) · k_iE=~v~ (t).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein dem MittelwertMldner (12) nachgeschaltetes Subtrahierglied (16) für die -Bildung der Differenz Vg - Vg (t) sowie einem Dividierglied (17) für die Bildung des Quotienten T[ (t)/v_&^ (t) =— (t).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Meßgas durch das Atemgas eines Probanden gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Gas Raumluft verwendet ist.

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