DD249096B3

DD249096B3 - DEVICE FOR MEASURING MEDIUM GAS CONCENTRATION

Info

Publication number: DD249096B3
Application number: DD29013686A
Authority: DD
Inventors: Hans-Christian Dipl-Phys Hecht; Sieghart Dr Rer Nat D Kaltofen; Dietmar Petzold; Monika Nicklisch; Juergen Richter
Original assignee: Von Ardenne Inst Fuer Angewand
Priority date: 1986-05-12
Filing date: 1986-05-12
Publication date: 1992-12-10
Also published as: DD249096A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der mittleren Gaskonzentration in einem periodisch sich verändernden Gasstrom, insbesondere der Sauerstoff- bzw. Kohlendioxidkonzentration des Atemgases bei der Atemgasanalyse.The invention relates to a device for measuring the average gas concentration in a periodically changing gas flow, in particular the oxygen or carbon dioxide concentration of the respiratory gas in the respiratory gas analysis.

Characteristic of the known technical solutions

Zur direkten Messung des Gasstoffwechsels in der medizinischen Diagnostik stehen eine Vielzahl von Einrichtungen und Verfahren zur Verfügung. Dabei besteht die Aufgabe, neben dem Atemgasstrom (Atemzeitvolumen) vor allem im exspiratorischen Gasstrom die im Mittel ausgeatmete Gaskonzentration, vorzugsweise Kohlendioxid- und Sauerstoffkonzentration, genau zu bestimmen. Die Gaskonzentration ändert sich dabei im Verlauf einer Atemperiode erheblich.For direct measurement of gas metabolism in medical diagnostics, a variety of facilities and methods are available. The object is, in addition to the respiratory gas flow (respiratory time), especially in the expiratory gas flow to determine the average exhaled gas concentration, preferably carbon dioxide and oxygen concentration exactly. The gas concentration changes considerably in the course of an Atemperiode.

Für die momentane Messung ist im wesentlichen folgendes Verfahren bekannt:For the instantaneous measurement essentially the following method is known:

Erfassung der Gaskonzentration mit Hilfe einer Meßeinrichtung (Meßsonde), die eine sehr kleine Einstellzeit besitzt und direkt im Atemgasstrom angeordnet ist. Anschließend wird durch eine elektronische Meßwertverarbeitung eine Integration der mit dem momentanen Gasfluß gewichteten Gaskonzentrationsfunktion über die Zeit durchgeführt.Detection of the gas concentration by means of a measuring device (probe), which has a very short response time and is located directly in the breathing gas flow. Subsequently, an integration of the gas concentration function weighted with the instantaneous gas flow over time is carried out by electronic measured value processing.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß ein hoher Aufwand an Elektronik und Rechentechnik erforderlich ist, um den Mittelwert der Gaskonzentration zu bestimmen.This method has the disadvantage that a great deal of electronics and computer technology is required to determine the mean value of the gas concentration.

Weiterhin ist es bekannt, die mittlere Gaskonzentration in einem Gasprobensammler, dem eine der Atemströmung proportionale kleine Gasprobe (Meßgasstrom) zugeführt wird, mit bekannten Meßeinrichtungen zu messen. Durch eine spezielle Steuerung der Absaugvorrichtung für den Meßgasstrom oder bei einer zwangsweisen Meßgaszuführung, beispielsweise mit einem Pitot-Rohr, muß eine repräsentative Gasprobe gewonnen werden, die alle Anteile der Atemluft im richtigen Verhältnis zueinander enthält (aliquoter Anteil). Andererseits muß im Gasprobensammler stets eine homogene, d. h. durchmischte Gasprobe, was oft nur durch aktive oder passive Durchmischung erzielt wird, vorliegen.Furthermore, it is known to measure the average gas concentration in a gas sample collector to which a small gas sample (measuring gas flow) proportional to the respiratory flow is measured with known measuring devices. By a special control of the suction device for the Meßgasstrom or a forced Meßgaszuführung, for example, with a Pitot tube, a representative gas sample must be obtained, which contains all portions of the air in the right proportion to each other (aliquot). On the other hand, in the gas sampler always a homogeneous, d. H. mixed gas sample, which is often achieved only by active or passive mixing, are present.

Von Nachteil ist bei diesen Einrichtungen, daß es sich bei universell anwendbaren Meßeinrichtungen, d.h. Meßgeräten, die für einen weiten Variationsbereich der Volumenstromwerte (Atemzeitvolumen) einsetzbar sind, nicht umgehen läßt, daß zum Teil erheblich hohe Einstellzeiten vorliegen. Eine derartige Trägheit der Meßeinrichtung ist bei vielen medizinischen Einsatzvarianten unerwünscht.A disadvantage of these devices is that it is universally applicable measuring devices, i. E. Measuring instruments, which can be used for a wide range of variation of the volume flow values (respiratory time volume), can not be avoided, that in some cases considerably high setting times are present. Such inertia of the measuring device is undesirable in many medical use variants.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer universellen Gaskonzentrationsmeßeinrichtung, vorzugswise für die medizinische Anwendung, bei Beseitigung der Mängel der bekannten technischen Lösungen.The aim of the invention is to provide a universal Gaskonzentrationsmeßeinrichtung, vorzugswise for medical use, in eliminating the deficiencies of the known technical solutions.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen der mittleren Sauerstoffkonzentration, Kohlendioxidkonzentration oder dgl. in einem Gasstrom mit einer periodisch veränderlichen Gaszusammensetzung, beispielsweise im exspiratorischen Atemgasstrom, zu schaffen. Die Einrichtung soll für einen weeiten Einsatzbereich bei geringem technischen Aufwand geeignet sein sowie schnell und trägheitslos das Meßergebnis liefern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Gaskonzentrations-Meßeinrichtung (Meßsonde) zur Messung der Gaskonzentration, z. B. Clark-Elektrode bei der Messung der Sauerstoffkonzentration, die in einer Meßkammer angeordnet ist, welche über Leitungen mit dem Gasstrom verbunden ist, dadurch gelöst, daß zur Zuführung des Gases die Meßkammer über mindestens zwei dünne Verzögerungsleitungen verbunden ist. Diese Leitungen sind strömungsdynamisch so ausgelegt, daßThe invention has for its object to provide means for measuring the average oxygen concentration, carbon dioxide concentration or the like. In a gas stream with a periodically variable gas composition, for example, in the expiratory gas flow to create. The device should be suitable for a wide range of applications with little technical effort and deliver the measurement result quickly and without inertia. According to the invention the object with a gas concentration measuring device (probe) for measuring the gas concentration, z. B. Clark electrode in the measurement of the oxygen concentration, which is arranged in a measuring chamber, which is connected via lines to the gas stream, achieved in that for supplying the gas, the measuring chamber is connected via at least two thin delay lines. These lines are fluidically designed so that

durch jede Verzögerungsleitung der gleiche Teilgasstrom in die Meßkammer eingespeist wird und daß die mittleren Verweilzeiten in jeder dieser Leitungen unterschiedlich sind in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Die Verweilzeitdifferenzen zwischen zeitlich benachbarten Verzögerungsleitungen sollen dabei nahezu übereinstimmen. Die Differenz zwischen der kleinsten und der größten Verweilzeit darf nicht wesentlich kleiner als die Dauer einer Gasströmungsperiode sein. Eine Leitung dient der Rückführung des Gases in den Hauptgasstrom. Das Meßkammervolumen und die Dimensionierung der Verzögerungsleitungen soll so gewählt sein, daß in die Meßkammer zu jeder Zeit ein dem Hauptgasstrom repräsentatives, d.h. mit der einer Atemgasperiode entsprechenden mittleren Gaskonzentration behaftetes Gasgemisch eingespeist wird.through each delay line the same partial gas flow is fed into the measuring chamber and that the mean residence times in each of these lines are different in a fixed relationship to each other. The residence time differences between temporally adjacent delay lines should almost coincide. The difference between the minimum and maximum dwell must not be much less than the duration of a gas flow period. A line serves to return the gas into the main gas stream. The measuring chamber volume and the dimensioning of the delay lines should be chosen so that in the measuring chamber at any time a representative of the main gas flow, i. is fed with the gas mixture containing a mean gas concentration corresponding to a respiratory gas period.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Mündungsstellen der Verzögerungsleitung und der Leitung für die Gasrückführung schwenkbar im Hauptgasstrom angeordnet sind, so daß sich der Anteil des Meßgasstromes am Hauptgasstrom wahlweise einstellen läßt.An advantageous embodiment of the invention is that the mouth points of the delay line and the line for the gas return are arranged pivotably in the main gas stream, so that it is possible to adjust the proportion of Meßgasstromes the main gas stream optionally.

Dadurch ist es möglich, die Meßgaseinspeisung in die Meßkammer entsprechend der physiologischen Atem bedingungen auf einen meßtechnisch optimalen Wert einzustellen (Meßgasvolumen pro Atemzug/Meßkammervolumen = 1). Die Verzögerungsleitungen sind zur Realisierung der unterschiedlichen Verweilzeiten in ihrer Länge und/oder im Durchmesser unterschiedlich bemessen oder bestehen bei gleichem Durchmesser aus mehreren zu Bündeln zusammengefaßten Leitungen unterschiedlicher Bündellänge.This makes it possible to adjust the Meßgaseinspeisung in the measuring chamber according to the physiological breathing conditions to a metrologically optimal value (sample gas volume per breath / Meßkammervolumen = 1). The delay lines are dimensioned differently for the realization of the different residence times in their length and / or in diameter or exist at the same diameter of several combined to bundles lines of different bundle length.

embodiment

In der zugehörigen Zeichnung zeigenIn the accompanying drawing show

Fig. 1: eine Einrichtung mit Verzögerungsleitungen unterschiedlicher Länge, Fig.2: eine Einrichtung mit Leitungsbündeln.Fig. 1: a device with delay lines of different lengths, Figure 2: a device with trunk groups.

In Figur 1 ist in einer Meßkammer 1, die außerhalb des Hauptgaskanals 2 angeordnet ist, die Meßsonde 3 angeordnet.In Figure 1, the measuring probe 3 is arranged in a measuring chamber 1, which is arranged outside of the main gas channel 2.

Verzögerungsleitungen 4,4' und 4" zur Meßgaszuführung und eine Leitung 5 zur Meßgasrückführung verbinden die Meßkammer 1 mit dem Hauptgaskanai 2. Die Verzögerungsleitungen 4 sind unterschiedlich bemessen, haben aber strömungsdynamisch den gleichen Strömungswiderstand. Es sind dünne Rohre mit kreisförmigem Querschnitt. Folgende Dimensionierung erfüllt die Bedingungen:Delay lines 4,4 'and 4 "to the Meßgaszuführung and a line 5 for Meßgasrückführung connect the measuring chamber 1 with the Hauptgaskanai 2. The delay lines 4 are sized differently, but have flow dynamics the same flow resistance .. They are thin tubes with a circular cross-section the conditions:

Verzögerungsleitung 4: 40mm Länge, 1 mm Durchmesser,Delay line 4: 40mm length, 1mm diameter,

Verzögerungsleitung4': 63mm Länge, 1,12mm Durchmesser,Delay line 4 ': 63mm length, 1.12mm diameter,

Verzögerungsleitung4": 82mm Länge, 1,20mm Durchmesser.Delay line4 ": 82mm length, 1.20mm diameter.

Die Öffnungen sowohl der Verzögerungsleitungen 4 als auch der Leitung 5 können im Hauptkanal Öffnungen in einem Strömungskörper 6 sein, wobei die Eingangsöffnungen der Verzögerungsleitungen 4 an einem Ort von Überdruck und die Ausgangsöffnung der Leitung 5 an einem Ort von Unterdruck angeordnet sind.The openings of both the delay lines 4 and the conduit 5 may be openings in a flow body 6 in the main channel, the inlet openings of the delay lines 4 being located at a location of overpressure and the outlet opening of the conduit 5 being at a location of negative pressure.

Die Ausführungsform in Fig. 2 unterscheidet sich durch eine andere Ausbildung der Verzögerungsleitungen 4 zur Meßgaszuführung in die Meßkammer 1.The embodiment in Fig. 2 differs by another embodiment of the delay lines 4 for Meßgaszuführung into the measuring chamber. 1

Die Verzögerungsleitungen 4 bestehen jeweils aus mehreren dünnen Rohren gleichen Durchmessers. Um den erfindungsgemäßen Strömungsbedingungen gerecht zu werden, besteht jede Verzögerungsleitung 4 aus einer unterschiedlichen Anzahl einzelner Rohre von jeweils gleicher Länge.The delay lines 4 each consist of several thin tubes of the same diameter. In order to meet the flow conditions according to the invention, each delay line 4 consists of a different number of individual tubes of the same length.

Die Bedingungen erfüllen:The conditions meet:

Verzögerungsleitung 4: 1 Rohr mit 0,25mm Durchmesser,Delay line 4: 1 tube with 0.25mm diameter,

Verzögerungsleitung 4': 5 Rohre mit je 0,25mm Durchmesser je 150mm Länge, Verzögerungsleitung 4": 7 Rohre mit je 0,25mm Durchmesser je 210 mm Länge.Delay line 4 ': 5 tubes each with 0.25mm diameter each 150mm in length, delay line 4 ": 7 tubes each with 0.25mm diameter each 210 mm in length.

Claims

1. A device for measuring the average gas concentration with a measuring probe in a measuring gas arranged outside the main gas flow, which is connected to the main gas channel via at least two different thin delay lines, characterized in that the delay lines (4) are fluid-dynamically dimensioned so that by each of the same Meßgasteilstrom is fed into the measuring chamber (1), that the average residence times of Meßgasteilströme in the delay lines (4) are different and that the difference between the residence times of temporally adjacent delay lines (4) is equal and the maximum difference of the residence times greater than or equal to one Gas flow period is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the delay lines (4) are different from each other in their diameter and / or their length.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that the mouth points of the main gas channel (2) opening lines are designed to pivot against the main gas channel axis.