DE102006020721A1

DE102006020721A1 - Vorrichtung zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft, Ergospirometer und Verfahren zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung

Info

Publication number: DE102006020721A1
Application number: DE102006020721A
Authority: DE
Inventors: Michael Stumber; Dick Scholten; Christian Maeurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-05-04
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2007-11-08
Also published as: ITMI20070874A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft, ein Ergospirometer und ein Verfahren zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung einen ersten Ultraschallwandler und einen zweiten Ultraschallwandler aufweist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft.
Stand der Technik
Es sind bereits s. g. Ergospirometer – beispielsweise aus der EP-1 234 541 B1 – bekannt, um die Atemfunktion eines Menschen zu überprüfen. Hierbei sind in der Regel mehrere Sensoren vorgesehen, wobei mindestens ein Sensor den CO₂-Gehalt, mindestens ein Sensor den O₂-Gehalt und mindestens ein Sensor die Fließgeschwindigkeit der aus- und/oder eingeatmeten Luft mißt. Aus diesen Messungen lassen sich dann die individuelle Leistungsfähigkeit, dem Trainingseffekt sowie den Kalorienverbrauch und dgl. ableiten. Die bekannten Ergospirometer haben den Nachteil sehr komplex aufgebaut zu sein und daher sehr teuer zu sein.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft gemäß dem Hauptanspruch, das Ergospirometer und das Verfahren zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat gegenüber dem bekannten Stand der Technik den Vorteil, dass die Vorrichtung erheblich einfacher aufgebaut werden kann, so dass eine kostengünstigere Realisierung einer solchen Vorrichtung bzw. eines solchen Ergospirometers möglich ist. Insbesondere ist die Verwendung von erheblich weniger Sensoren vorteilhaft.
Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass sowohl der erste Ultraschallwandler als auch der zweite Ultraschallwandler sowohl zur Ausstrahlung als auch zur Detektion von Ultraschall vorgesehen ist. Hierdurch ist es möglich, eine zweifache Messung durchzuführen, so dass beide Ultraschallwandler jeweils wenigstens eine doppelte Funktionalität aufweisen.
Erfindungsgemäß ist ferner bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Messrohr und eine Ultraschalllaufstrecke zwischen den Ultraschallwandlern aufweist, wobei die Laufstrecke gegenüber der Erstreckungsrichtung des Messrohres um einen Winkel geneigt vorgesehen ist. Hierdurch ist es mit einfachen Mitteln durch eine zweifache Messung der Laufzeit einer Ultraschallwelle zwischen den Ultraschallwandlern möglich, sowohl die (momentane) Fließgeschwindigkeit als auch die (momentane) Schallgeschwindigkeit des zwischen den Ultraschallwandlern befindlichen Gases zu ermitteln. Mittels einer Integration der Fließgeschwindigkeit über die Zeit lässt sich das Gesamtvolumen der eingeatmeten Luft bzw. der ausgeatmeten Luft ermitteln. Ferner ist bevorzugt, dass die Ultraschallwandler als Piezowandler oder als Silizium-Biegewandler, insbesondere Silizium-Biegewandler, vorgesehen sind. Hierdurch ist eine besonders leichte, einfache und kostengünstige Realisierung der Ultraschallwandler möglich.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Ergospirometer mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft gemäß dem nebengeordneten Verfahrensanspruch. Hiermit bzw. hierdurch ist eine besonders schnelle und einfache Messung der Fließgeschwindigkeit bzw. des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung des durch die Vorrichtung strömenden Gases möglich. Besonders bevorzugt ist, dass die Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit dienen, wobei aus wenigstens zwei zeitlich versetzten Messungen der Schallgeschwindigkeit die Gaszusammensetzung ermittelt wird. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, mit lediglich zwei Sensoren bzw. Ultraschallwandlern eine Vielzahl von Parametern des ein- bzw. des ausgeatmeten Gases zu bestimmen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft in Schnittdarstellung und
2 eine Diagrammdarstellung des zeitlichen Verhaltens der detektierten Schallgeschwindigkeit des Gases im Laufe einer Messung.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist in schematischer Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder des Volumens und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft 20 dargestellt. Die Vorrichtung weist ein Messrohr 14 auf, welches eine Erstreckungsrichtung 14' aufweist, welche im wesentlichen der Mittelachse des Messrohres 14 entspricht. Die ein- bzw. ausgeatmete Luft 20 wird während des Einatmungsvorganges im Sinne der Flußrichtung des in 1 dargestellten Pfeils in Richtung zum auf der rechten Seite des Messrohres 14 befindlichen Mundstückes der Vorrichtung 10 bewegt bzw. angesaugt. Bei einem Ausatmungsvorgang wird die Luft 20 in entgegengesetzter Richtung durch das Messrohr 14 bewegt. Die Vorrichtung 10 ist erfindungsgemäß derart aufgebaut, dass ein erster Ultraschallwandler 30 und ein zweiter Ultraschallwandler 40 vorgesehen ist, zwischen denen eine Laufstrecke 15 angeordnet ist. Die Laufstrecke 15 zwischen den Ultraschallwandlern 30, 40 ist gegenüber der Erstreckungsrichtung 14' des Messrohres 14 um einen Winkel 16 geneigt. Der Winkel 16 sollte erfindungsgemäß ein spitzer Winkel sein. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass bei einer ersten Laufzeitmessung (t₁) der Laufzeit einer Ultraschallwelle auf der Laufstrecke 15 eine Messung zwischen dem ersten Ultraschallwandler 30 und dem zweiten Ultraschallwandler 40 durchgeführt wird, d. h. die Ultraschallwelle geht vom ersten Ultraschallwandler 30 aus und der zweite Ultraschallwandler 40 wird als Ultraschalldetektor geschaltet bzw. verwendet. Bei einer zweiten Laufzeitmessung (t₂) wird die Laufzeit einer Ultraschallwelle für ihre Ausbreitung vom zweiten Ultraschallwandler 40 hin zum ersten Ultraschallwandler 30 gemessen. Hierzu ist der erste Ultraschallwandler 30 als Ultraschalldetektor geschaltet. Durch Vergleich der in der Regel unterschiedlichen gemessenen Laufzeiten zwischen den Ultraschallwandlern 30, 40 ist es mittels der Gleichungen t1 = L/c1 = L/(c + v·cosα) t2 = L/c2 = U(c – v·cosα)möglich, sowohl die momentane Strömungsgeschwindigkeit (v) der Luft 20 durch das Messrohr 14 zu bestimmen als auch die jeweilige Schallgeschwindigkeit (c) des Gases, welches sich auf der Laufstrecke bzw. in dem Volumen der Laufstrecke 15 befindet (wobei α dem Winkel 16 entspricht).
Nun ist es so, dass die Schallgeschwindigkeit der eingeatmeten bzw. ausgeatmeten Luft u. a. von der Gaszusammensetzung abhängt. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit für angefeuchtete Frischluft bei 37°C (Sauerstoffkonzentration 21%, CO₂-Konzentrat 0,04%) 353,0 m/s. Weiterhin beispielhaft beträgt die Schallgeschwindigkeit für ausgeatmete Luft bei 37°C (Sauerstoffkonzentration 17% und CO₂-Konzentration 4,0%) 349,3 m/s. Durch Messung der Schallgeschwindigkeit der ausgeatmeten Luft kann daher auf die Gaszusammensetzung geschlossen werden. Allerdings haben Temperatur und Feuchte einen starken Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit. In der ersten Phase des Ausatemvorgangs, d. h. zu Beginn der Ausatmung, kommt die Luft aus den oberen Luftwegen. Da diese Luft angefeuchtet und erwärmt ist und die Gaszusammensetzung derjenigen der Außenluft entspricht, kann eine Schallgeschwindigkeitsmessung während der ersten Phase gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung als eine Kalibrationsmessung für die Messungen während nachfolgender Phasen des Ausatemvorgangs herangezogen werden. Dies bedeutet, dass mindestens ein Referenzwert der ausgeatmeten Luft ermittelt wird, der als Kalibrierwert für die nachfolgende Messung als auch rückwirkend für die bereits erfolgte Messung verwendet werden kann. Hierzu ist in 2 ein Diagramm dargestellt, welches diese Zusammenhänge schematisch darstellt. Bei einem Zeitpunkt T₁ beträgt der gemessene Wert für die Schallgeschwindigkeit c₁ und liegt etwas oberhalb eines gemessenen Wertes für die Schallgeschwindigkeit zu einem späteren Zeitpunkt T₂. Hierbei entspricht der Zeitpunkt T₁ dem Anfang des Ausatmungsvorganges, während der Zeitpunkt T₂ dem voll wirksamen Ausatmungsvorgang entspricht. Die Kurve des Verlaufs der Schallgeschwindigkeit über der Zeit ist mit 100 bezeichnet.
Alternativ oder kumulativ zur Messung der Gaszusammensetzung bzw. der Schallgeschwindigkeit kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eine Differenzmessung zwischen ein- und ausgeatmetem Volumen verwendet werden, um auf die Gaszusammensetzung zurückzuschließen. Bei aerober Verbrennung ist das über längere Zeit ermittelte Gesamtvolumen der ausgeatmeten Luft gleich das über längere Zeit ermittelte Gesamtvolumen der eingeatmeten Luft. Bei anaerober Verbrennung wird ohne Sauerstoffverbrauch Kohlendioxid erzeugt. Das Volumen der ausgeatmeten Luft ist also um einen Betrag, der dem Volumen der anaeroben Verbrennung entspricht, größer als dasjenige der eingeatmeten Luft. Die Volumen der ein- und der ausgeatmeten Luft können ermittelt werden durch zeitliche Integration der Messungen der Fließgeschwindigkeiten. Das Ergebnis für die eingeatmete Luft muss dann noch mittels aus der Literatur bekannter Formeln umgerechnet werden auf die Temperatur- und Feuchtebedingungen der ausgeatmeten Luft. Für die Bestimmung der Temperatur- und der Feuchtebedingungen der für die Einatmung angesaugten Luft können Temperatur- und/oder Feuchte-Sensoren und/oder eine Messung der Schallgeschwindigkeit herangezogen werden.
Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt, wenn die Ultraschallwandler 30, 40 als Piezowandler oder Biegewandler, insbesondere Siliziumbiegewandler, vorgesehen sind. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Ergospirometer besonders einfach und kostengünstig herstellbar.

Claims

Vorrichtung (10) zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft (20) dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens einen ersten Ultraschallwandler (30) und mindestens einen zweiten Ultraschallwandler (40) aufweist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste Ultraschallwandler (30) als auch der zweite Ultraschallwandler (40) sowohl zur Ausstrahlung als auch zur Detektion von Ultraschall vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein Messrohr (14) und eine Laufstrecke (15) zwischen den Ultraschallwandlern (30, 40) aufweist, wobei die Laufstrecke (15) gegenüber der Erstreckungsrichtung des Messrohres (14) um einen Winkel (16) geneigt vorgesehen ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (30, 40) als Piezowandler vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwandler (30, 40) als Biegewandler vorgesehen sind.
Ergospirometer mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur kombinierten Messung der Fließgeschwindigkeit und/oder der Gaszusammensetzung von eingeatmeter bzw. ausgeatmeter Luft (20), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten Ultraschallwandler (30) und einem zweiten Ultraschallwandler (40) Laufzeitmessungen sowohl vom ersten Ultraschallwandler (30) zum zweiten Ultraschallwandler (40) als auch vom zweiten Ultraschallwandler (40) zum ersten Ultraschallwandler (50) durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit dienen, wobei aus wenigstens zwei zeitlich versetzten Messungen der Schallgeschwindigkeit die Gaszusammensetzung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der eingeatmeten und/oder der ausgeatmeten Luft durch zeitliche Integration der Messungen der Fließgeschwindigkeit ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Ausatmung mindestens ein Referenzwert der ausgeatmeten Luft ermittelt wird, der als Kalibrierwert für die Messung verwendet wird.