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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids, d. h.
eines Gases oder eines Flüssigkeit-Gas-Gemisches, in einem
Beatmungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. 12.
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Bei
Beatmungssystemen ist eine genaue Messung des Volumenstroms des
Atemgases z. B. innerhalb des Beatmungsschlauchs von besonderem Interesse.
Dabei ist für die Bestimmung des Volumenstroms eines Fluids
durch einen bekannten Leiterquerschnitt die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids die zu messende relevante Größe.
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Zur
Messung von Strömungsgeschwindigkeit eines Beatmungsgases
werden in vielen Fällen Hitzdraht- oder Heißfilmanemometer
eingesetzt. Diese sind mit dem Vorteil verbunden, dass sie selbst keinen
merklichen Strömungswiderstand darstellen. Ein Hitzdraht-
bzw. Heißfilmanemometer umfasst ein dünnes beheiztes
Element, den sogenannten Hitzdraht bzw. -film, der durch das vorbeiströmende
Fluid abgekühlt wird. Dabei wird der Widerstand des Drahtes
bzw. Films gemessen, der selbst temperaturabhängig ist.
Je nach Größe der Strömungsgeschwindigkeit
des vorbeiströmenden Fluids wird der Hitzdraht bzw. -film
mehr oder weniger stark gekühlt, so dass der Widerstand
ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des vorbeiströmenden Fluids ist.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Elemente ist die geringe thermische Masse
des Messelements selbst. Die Messung ist weitgehend temperaturunabhängig, wenn
die Temperatur des Hitzdrahts bzw. -films um mehr als 250°C über
der Fluidtemperatur liegt, und es kann dann auf eine Fluidtemperaturmessung
und eine Kompensation verzichtet werden. Für Anwendungen
mit Übertemperaturen von weniger als 150°C wird
ein zusätzlicher „Kaltdraht" zur Kompensation von
Gastemperaturänderungen benötigt. „Heißdraht" und „Kaltdraht"
werden dazu in einer Wheatstone-Brücke verschaltet, und
der Heißdraht wird auf einer konstanten Übertemperatur
gegenüber dem Kaltdraht ausgeregelt, sodass der zugeführte
Heizstrom direkt abhängig von der mit der Fluidströmung
abgeführten Wärmemenge pro Zeit ist. Dieser herkömmliche
Betrieb der Hitzdraht- bzw. Heißfilmanemometer wird als
Konstant-Temperatur-Anemometer-Modus (CTA-Modus) bezeichnet.
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Neben
dem Volumenstrom des vorbeiströmenden Fluids beeinflussen
aber auch die absolute Temperatur des Fluids gegenüber
dem Hitzdraht bzw. -film sowie dessen Zusammensetzung und damit
dessen Wärmeleitfähigkeit und -kapazität
den Umfang der Abkühlung, so dass diese Parameter grundsätzlich
bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt
werden müssen, sofern sie relevanten Änderungen
unterliegen.
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Aus
der
DE 10 2005
000 964 B3 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung
einer Volumenstromdifferenz zwischen inspriratorischem und exspiratorischem
Volumenstrom mittels Temperaturanemometrie bekannt.
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Die
DE 196 47 350 A1 offenbart
eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Volumendurchflusses
von Gasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 bzw. 12. Dabei wird die Laufzeit eines thermischen Signals zwischen
zwei Messeinrichtungen entlang der Strömungsrichtung des
Gases ermittelt.
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In
der
WO 01/18500 A1 ist
beschrieben, wie eine Massenflussmessung mit einem Heizelement und
zwei Temperatursensoren aus den Temperatursignalen der Temperatursensoren
unter Berücksichtigung gemessener stoffspezifischer Kenngrößen
zur Charakterisierung des Wärmeübergangsverhaltens gewonnen
wird.
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Bei
der Beatmungstechnik ist es besonders wichtig, die Veränderungen
der Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases genau und insbesondere schnell
zu messen. Es hat sich dabei das Problem gezeigt, dass zum Beispiel
Heißfilm sensoren auf Basis planarer Halbleiterchips durch
die Speicherung der Wärmemenge bei schnellen Änderungen
der Strömungsgeschwindigkeit relativ langsame Ansprechzeiten
und vor allem langsame Abfallzeiten aufweisen. Während
im CTA-Modus dieses Problem bei einem plötzlichen Anstieg
der Strömungsgeschwindigkeit (z. B. von 0 auf 100 l/min)
noch durch eine schnelle Ausregelung und durch einen schnellen Anstieg
des Heizstromes teilweise ausgeglichen werden kann, kommt es bei
einem plötzlichen Abfall der Strömungsgeschwindigkeit
(z. B. von 100 auf 0 l/min) zu einer im Vergleich zur Anstiegszeit
zehnmal höheren Abfallzeit. Dies ist dadurch bedingt, dass
der Regler das Element nur abschalten, aber nicht kühlen
kann. Eine Abschaltung der Heizung für das Element ist
darüber hinaus nicht sinnvoll, da für einen Wiederanlauf
der Brückenschaltung eine Potentialdifferenz am Brückenverstärker
anliegen muss.
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Es
sind beispielsweise von dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
in Itzehoe (ISIT) Sensor-Chips zur Messung von Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids bekannt, bei denen zwei resistive Heizelemente und
zwei resistive Gastemperaturelemente auf einer Membran vereinigt
sind. Je ein Heizelement und ein Messwiderstand werden in eine gastemperaturkompensierende
Wheatstone-Brücke im CTA-Modus verschaltet. Die beiden Brücken
laufen elektrisch vollständig autark. Allerdings wird durch
die Verwendung von zwei Heizelementen ähnlich wie bei der
in der
DE 196 47 350
A1 offenbarten Vorrichtung der Wärmeübertrag
von dem einen Heizelement auf das andere Heizelement als Information
genutzt. Durch den Wärmeübertrag wird nämlich
in dem stromabwärts gelegenen Heizelement weniger Heizsstrom
gebraucht, um eine im CTA-Modus vorgegebene Übertemperatur
zu halten. Damit wird eine Erkennung der Flussrichtung möglich,
solange der Wärmeübertrag bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
des Fluids nicht verweht wird. Die flussabwärts gelegene
Brücke dient somit als Richtungsanzeiger der Fluidströmung,
während die flussaufwärts gelegene Brücke
im CTA-Modus den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Alternativ
kann auch der Betrag des Wärmeübertrags von dem
flussaufwärts gelegenen Heizelement auf das flussabwärts
gelegene Heizelement als Differenz der benötigten Heizstromwerte
als Messwert der Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden.
Hierbei sind aber Wärmeübertragsverluste durch
Verwehungen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten problematisch.
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Es
wird allerdings durch keine der bekannten Vorrichtungen bzw. keines
der bekannten Verfahren das Problem der langsamen Abfallzeiten behoben. Weiterhin
ist es ein prinzipielles Problem der Hitzdraht- bzw. Heißfilmanemometer,
dass die Kennlinie zwischen Strömungsgeschwindigkeit und
Wärmeübertrag von den Wärmeleitungseigenschaften
des Fluids abhängt, d. h. von Wärmeleitfähigkeit
und -kapazität des Fluids, welche u. a. durch Fluidzusammensetzung,
-temperatur und -druck bestimmt sind. Die Messungen müssen
daher bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren mit Hilfe externer
Informationen, z. B. bezüglich der Fluidzusammensetzung,
korrigiert oder im Hinblick auf bestimmte Fluide kalibriert werden.
Veränderungen der Fluidzusammensetzung während
der Messung können im Allgemeinen ohne zusätzliche
Hilfsmittel nicht berücksichtigt werden und verfälschen
somit die Messung. Dies ist insbesondere bei Beatmungsgeräten
ein besonderes Problem.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit
eines Fluids bereitzustellen, das die Nachteile der bekannten Vorrichtungen
und Verfahren überwindet, z. B. insbesondere schnelle Abfallzeiten
bei plötzlichen Abfällen der Strömungsgeschwindigkeit
bietet. Außerdem sollen Informationen über die
Fluidzusammensetzung während der Messung gewonnen und für
die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit verwendet werden
können.
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Diese
Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß der
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 12 in Verbindung mit
dem jeweiligen Oberbegriff gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen erfasst.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem
Beatmungssystem mit einem ersten und einem zweiten Sensorelement
und Mitteln zum Steuern und Auswerten bereitgestellt, wobei wenigstens
das erste thermische Sensorelement mit einem steuerbaren Heizelement
versehen ist und die thermischen Sensorelemente beabstandet voneinander
an einem Strömungsweg des Fluids in einem Beatmungssystem
angeordnet sind, so dass ein vom ersten Sensorelement mit seinem
Heizelement erzeugtes thermisches Signal bei Fluidströmung
vom ersten Sensorelement zum zweiten Sensorelement übertragen
wird, und das zweite Sensorelement dazu ausgestaltet ist, ein übertragenes
thermisches Signal von dem Fluid zu erfassen, dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Sensorelement mit dem ersten Sensorelement über
eine Rückkopplung verbunden ist, so dass jedes von dem
ersten Sensorelement erzeugte und von dem zweiten Sensorelement
erfasste thermische Signal die Rückführung eines
elektrischen Rückkopplungsimpulssignals zu dem ersten Sensorelement
veranlasst, das die Erzeugung eines weiteren thermischen Signals
durch das Heizelement des ersten Sensorelements auslöst,
und die Mittel zum Steuern und Auswerten mit der den thermischen
Sensorelementen verbunden und schaltungs- und/oder programmtechnisch
dazu vorbereitet sind, um den Betrieb durch Erzeugung eines ersten
thermischen Signals durch das erste Sensorelement mit einem ersten Impulssignal
zu starten und im weiteren Betrieb die Signalfrequenz der Rückkopplungsimpulssignale,
d. h. die Häufigkeit von Rückkopplungsimpulssignalen pro
Zeiteinheit, als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids auszulesen und auszuwerten.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluids in einem
Beatmungssystem mittels eines ersten und eines zweiten thermischen
Sensorelements angegeben, wobei wenigstens das erste thermische
Sensorelement mit einem steuerbaren Heizelement versehen ist, wobei die
Sensorelemente beabstandet voneinander an einem Strömungsweg
des Fluids in einem Beatmungssystem angeordnet sind, so dass ein
vom ersten Sensorelement erzeugtes thermisches Signal durch eine
Strömung des Fluids vom ersten Sensorelement zum zweiten
Sensorelement übertragen wird, und wobei das zweite Sensorelement
ein, von dem ersten Sensorelement erzeugtes und durch Fluidströmung übertragenes
erstes thermisches Signal erfasst. Ferner wird die Erzeugung eines
ersten thermischen Signals von dem ersten Sensorelement durch ein
von den Mitteln zum Steuern und Auswerten ausgelöstes erstes
Impulssignal gestartet. Dabei bewirkt jedes von dem ersten Sensorelement
erzeugte und von dem zweiten Sensorelement erfasste thermische Signal
die Rückführung eines Rückkopplungsimpulssignals
zu dem ersten Sensorelement. Das Rückkopplungsimpulssignal
löst die Erzeugung eines weiteren thermischen Signals durch
das erste Sensorelement aus und im weiteren Betrieb wird die Signalfrequenz der
Rückkopplungsimpulssignale als Maß für
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ausgelesen und
ausgewertet.
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Wenigstens
das erste „thermisches Sensorelement" ist mit einem Heizelement
zur Erzeugung einer gewählten Wärmemenge versehen
und ist ein für ein Hitzdraht- bzw. Heißfilmanemometer
geeignetes Sensorelement, dessen Heizleistung erfassbar ist. Das
zweite Sensorelement kann grundsätzlich auch ausschließlich
dazu geeignet sein, ein thermisches Signal zu erfassen und nicht
zu erzeugen. Vorzugsweise ist jedoch auch das zweite thermische Sensorelement
entsprechend dem ersten mit einem steuerbaren Heizelement versehen,
insbesondere können dann das erste und zweite thermische
Sensorelement baugleiche Komponenten sein.
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Der
Begriff „thermisches Signal" bedeutet hier ein zeitlich
begrenztes Signal von jeglicher Form, das durch einen Wärmeübertrag
aus dem Heizelement in das Fluid erzeugt und von dem anderen thermischen
Sensorelement erfasst werden kann und sich dafür eignet,
eine Informationseinheit zu übertragen. Vorzugsweise handelt
es sich hier um eine lokal erhöhte Temperatur des Fluids,
die mit der Konvektion des Fluidstroms von einem Sensorelement zum andern übertragen
wird.
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Ein „Rückkopplungsimpulssignal"
kann als elektrisches Signal auf dem Weg zwischen den Sensorelementen
verstärkt, geformt oder beliebig so verändert
werden, dass damit eine Erzeugung eines neuen thermischen Signals
durch das Heizelement des ersten Sensorelements ausgelöst
werden kann. Insbesondere kann das Rückkopplungsimpulssignal in
den Eingang eines Heizpulsgenerators geführt werden, woraufhin
am Ausgang des Heizpulsgenerators ein Spannungspuls erzeugt wird.
Dieser Spannungspuls erzeugt ferner ein thermisches Signal in dem
Heizelement des ersten Sensorelements. Die „Mittel zum
Steuern und Auswerten" können aus einer oder mehreren Einheiten
zur Signalverarbeitung und -auswertung bestehen, die schaltungs- und/oder programmtechnisch
dazu vorbereitet sind, die anspruchsgemäß vorgesehenen
Schritte und Funktionen auszuführen. Vorzugsweise umfassen
die Mittel zum Steuern und Auswerten eine Umwandlungseinheit zur
Frequenzmessung und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
aus der Frequenzmessung und ggf. weiteren zusätzlichen
Informationen.
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Die
Rückkopplung jedes von dem stromaufwärts gelegenen
Sensorelement erzeugten und stromabwärts gelegenen Sensorelement
erfassten thermischen Signals zu dem stromaufwärts gelegenen
Sensorelement, das daraufhin ein neues thermisches Signal an das
Fluid abgibt, führt dazu, dass sich im Falle eines konstanten
Fluidstroms zwischen den Sensorelementen eine konstante Signalfrequenz von
Rückkopplungsimpulssignalen in der Rückkopplung
ergibt. Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ein Heizpulsgenerator zwischen dem zweiten und dem ersten
Sensorelement geschaltet, um das Rückkopplungsimpulssignal
in Form eines elektrischen Heizpulses an das Heizelement des ersten
Sensorelements weiterzugeben. Damit bei der Rückkopplung
kein unerwünschtes resonantes Aufschwingen erzeugt wird,
sind die thermischen Signale vorzugsweise Pulse mit kurzer Pulsdauer, während
das erste Sensorelement für die Erfassung von Rückkopplungsimpulssignalen
aus der Rückkopplung „blind" geschaltet wird.
Demnach ist die höchste messbare Strömungsgeschwindigkeit
durch die Pulslänge der thermischen Signale beschränkt.
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Die
Messung der Signalfrequenz ist besonders vorteilhaft zur Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit, da das aus dem herkömmlichen CTA-Modus
bekannte analoge Signal eines Wärmeübertrags in
gewisser Weise diskretisiert wird und mit der Signalfrequenz der
Rückkopplungsimpulssignale eine digitale Information zur
Verfügung steht, deren Anlauf- und Abfallzeiten gleich
schnell sind. Beispielsweise wird bei plötzlichem Abfall
des Fluidvolumenstroms auf Null kein thermisches Signal mehr von
dem ersten zum zweiten thermischen Sensorelement übertragen,
was die Erzeugung von Rückkopplungssignalen unterbricht
und somit sofort eine Anzeige für eine signifikante Verringerung
der Strömung liefert.
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Der
Abstand der Sensorelemente kann beispielsweise mit einem Millimeter
so klein gewählt werden, dass selbst bei relativ kleinen
Strömungsgeschwindigkeiten die Signalfrequenz hoch genug
ist, um beispielsweise im Rahmen einer Mittelwertbildung die Signalfrequenz
und somit die Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere im
Falle von plötzlichen Abfällen, schneller als
im herkömmlichen CTA-Modus bestimmen zu können.
Außerdem wird die Verwendung von einfachen Mikrosteuerelementen
für die Mittel zum Steuern und Auswerten ermöglicht,
da im Gegensatz zum Betrieb im CTA-Modus kein empfindlicher Signalverstärker
für kleine analoge Signale oder ein Analog/Digital-Wandler
benötigt wird.
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In
einer Beispielanordnung in einer Küvette mit einer inneren
Querschnittsfläche von 133 mm2, bei
der die beiden Sensorelemente in der Küvette in einem Abstand
von einem Millimeter in Richtung der Längsachse der Küvette
angeordnet sind, wird entsprechend einem maximalen Volumenstrom
von 200 l/min durch die Küvette die maximale Strömungsgeschwindigkeit
auf 25 m/s festgesetzt. Damit ergibt sich für die Übertragung
des thermischen Signals über eine Strecke von einem Millimeter
eine Laufzeit von 40 μs im Fluid, was einer Frequenz von
25 kHz entspricht. Da die Pulsbreite dabei maximal ¼ bis ½ der
Laufzeit betragen darf, wären also Pulse mit höchstens
10 μs Pulslänge zu erzeugen. Einem Volumenstrom
von 2 l/min entspräche hier einer Strömungsgeschwindigkeit
von 25 cm/s und einer Signalfrequenz von 250 Hz. 500 ml/min Volumenstrom
entsprächen einer Strömungsgeschwindigkeit von
62,5 mm/s und einer Signalfrequenz von 62,5 Hz. Dem Fachmann wird
klar sein, dass der Abstand der Sensorelemente oder die Querschnittsfläche
des Fluidleiters entsprechend geeignet gewählt werden können,
um für einen bestimmten Messbereich des Volumenstroms die
optimale Messung zu erhalten.
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Falls
die Strömungsgeschwindigkeit so niedrig ist, dass eine
Bestimmung der Signalfrequenz beispielsweise im Rahmen einer Mittelwertbildung über mehrere
Signale zu lange dauern würde, so kann in einer vorteilhaften
Ausführungsform während einer bestimmten Zeit,
vorzugsweise während der Signalpausen, auch eine Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit im herkömmlichen
CTA-Modus durchgeführt werden. Der CTA-Modus während
der Pulspausen kann prinzipiell bei allen Strömungsgeschwindigkeiten
betrieben werden, um für die Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit
möglichst viele Informationen zur Verfügung zu
haben. Die Messung kann auch automatisch oder manuell oberhalb oder
unterhalb einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit ganz
auf den CTA-Modus umgeschaltet werden.
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Die
Messinformationen aus dem Betrieb im CTA-Modus können in
den Mitteln zur Auswertung beliebig mit den Messinformationen aus
dem Pulsbetrieb kombiniert werden, um eine möglichst fehlerfreie
Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit zu gewährleisten.
Die Informationen aus der Messung im Pulsbetrieb können
zum Beispiel auch dazu verwendet werden, für den Betrieb
im CTA-Modus eine geeignete gasspezifische Kennlinie zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Wärmeübertrag auszuwählen.
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Es
kann auch die Amplitude der Pulse so klein gewählt und
die Signalfrequenz ab einer gewissen Obergrenze nicht mehr erhöht
werden, so dass die Pulse bei der normalen Nachregelung im CTA-Modus
ab einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit lediglich als
Welligkeit erscheinen und der Wärmeübertrag von
einem Sensorelement auf das andere als Integral über die
Pulse als Information zur Verfügung steht und konstant
ausgeregelt werden kann. Dieser aus der Kombination von CTA- und Pulsbetrieb
gewonnene Wärmeübertrag kann sowohl für
eine Messung der Strömungsgeschwindigkeit selbst als auch
für die Auswahl gasspezifischer Kennlinien für
den herkömmlichen CTA-Betrieb verwendet werden.
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Mindestens
eines der Sensorelemente, aber am besten beide von ihnen, sind vorteilhafterweise mit
einer herkömmlichen Konstant-Temperatur-Anemometer-Schaltung
(CTA-Schaltung) verbunden und somit auch im herkömmlichen
CTA-Modus auswertbar. Solche CTA-Schaltungen können durch
eine Wheatstone-Brücke oder eine andere Schaltung realisiert
sein, die eine genaue Messung des Widerstandes bzw. der Heizleistung
des Sensorelements ermöglicht.
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In
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens
ein Fluidtemperaturmesselement auf. Vorzugsweise weist jedes Sensorelement
ein Fluidtemperaturmesselement auf. Das Fluidtemperaturmesselement
ist dabei derart angeordnet und ausgestaltet, die Fluidtemperatur
in der Umgebung mindestens eines Sensorelements zu messen. Dieses
Fluidtemperaturmesselement entspricht einem oben erwähnten „Kaltdraht"
zur Kompensation von Gastemperaturänderungen, um auch eine
genaue Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im CTA-Modus
bei Übertemperaturen von nur etwa 150°C zu gewährleisten.
Jeweils ein Sensorelement und ein Fluidtemperaturmesselement werden dazu
vorzugsweise in derjeweiligen Wheatstone-Brücke verschaltet,
wobei jedes Sensorelement auf einer konstanten Übertemperatur
gegenüber dem jeweiligen Fluidtemperaturmesselement ausgeregelt wird,
sodass die zugeführte Heizleistungsmenge direkt abhängig
von der mit der Fluidströmung abgeführten Wärmemenge
pro Zeit ist.
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Bei
der Anwendung in einem Beatmungsschlauch verändert sich
zeitlich nicht nur der Betrag der Strömungsgeschwindigkeit
des Atemgases, sondern auch die Strömungsrichtung. Daher
ist es auch von Interesse, sowohl die Richtung der Strömung
als auch ohne manuellen Eingriff automatisch den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit
in beiden Strömungsrichtungen bestimmen zu können.
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Die
vorliegende Erfindung bietet mit einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform
eine einfache Lösung für dieses Problem. Hierbei
ist das zweite Sensorelement auch dazu ausgestaltet, ein thermisches
Signal an das Fluid abzugeben. Dieses thermische Signal wird durch
eine Strömung des Fluids vom zweiten Sensorelement zum
ersten Sensorelement übertragen. Das erste Sensorelement
ist dazu ausgestaltet, ein thermisches Signal von dem Fluid aufzunehmen.
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Die
Vorrichtung weist zusätzlich eine Umschalteinheit auf,
die dazu ausgestaltet ist, die Vorrichtung wechselseitig so umzuschalten,
so dass für eine bestimmte Zeit ein von dem ersten Sensorelement
aufgenommenes thermisches Signal in Form eines Rückkopplungsimpulssignals
zu dem zweiten Sensorelement zurückgeführt wird,
um die Erzeugung eines neuen thermischen Signals durch das zweite
Sensorelement auszulösen. Damit kann die Signalfrequenz
der Rückkopplungsimpulssignale als Maß für
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in die Richtung
von dem zweiten zum ersten Sensorelement ausgelesen und ausgewertet
werden. Vorteilhafterweise sind die Sensorelemente und die daran angeschlossenen
Schaltkreise identisch ausgestaltet, sodass sich eine symmetrische
Anordnung ergibt, bei der die Umschalteinheit die Rollen der Sensorelemente
als Sender von thermischen Signalen und Empfänger von thermischen
Signalen zwischen den zwei Sensorelementen tauschen kann. Vorzugsweise
schaltet die Umschalteinheit periodisch die Vorrichtung um, wenn
eine Untergrenze an Strömungsgeschwindigkeit unterschritten
ist, bis sich eine Strömungsgeschwindigkeit oberhalb dieser
Untergrenze in die eine oder andere Richtung feststellen lässt.
Es gibt also hierbei einen bestimmten Bereich um eine Strömungsgeschwindigkeit
von null herum, in dem keine Aussage über die Strömungsrichtung gemacht
werden kann.
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Dieser
Nachteil kann in einer alternativen Ausführungsform zu
der vorher beschriebenen überwunden werden. Allerdings
wird bei dieser alternativen Ausführungsform der Vorrichtung
zusätzlich ein drittes Sensorelement benötigt,
das dazu ausgestaltet ist, ein thermisches Signal von dem Fluid
zu erfassen. Dabei ist das dritte Sensorelement so angeordnet, dass
das erste Sensorelement an dem Strömungsweg des Fluids
zwischen dem zweiten und dritten Sensorelement liegt. Es ist mit
dem ersten Sensorelement über eine zweite Rückkopplung
verbunden, so dass ein von dem dritten Sensorelement erfasstes thermisches
Signal in Form eines Rückkopplungsimpulssignals zu dem
ersten Sensorelement zurückgeführt wird, um die
Erzeugung eines neuen thermischen Signals durch das erste Sensorelement
auszulösen. Analog zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
sind die Mittel zum Steuern und Auswerten auch mit der zweiten Rückkopplung verbunden
und ausgestaltet, um die Signalfrequenz der Rückkopplungsimpulssignale
in den zwei Rückkopplungen als Maß für
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in die Richtung
von dem ersten zum dritten Sensorelement auszulesen und auszuwerten. Es
wird also hierbei im Grunde parallel in beiden Strömungsrichtungen
die Strömungsgeschwindigkeit gemessen, so dass die Differenz
der beiden gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten als ermittelte Strömungsgeschwindigkeit
mit Vorzeichen entsprechend der Strömungsrichtung zur Verfügung
steht. Da ein thermisches Signal sich in diesem Fall fast ausschließlich
durch Konvektion in die Richtung der Fluidströmung bewegt,
ergibt derjenige Messwert „gegen den Strom" eine Signalfrequenz
von null und damit auch eine Strömungsgeschwindigkeit von
null in die dem Strom entgegengesetzte Richtung. Somit verfälscht
die parallele Messung in beiden Richtungen nicht die durch Differenz
ermittelte Strömungsgeschwindigkeit mit Vorzeichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
kann die Amplitude der Pulshöhe verändert oder
moduliert werden. Dies kann zum Beispiel dadurch realisiert werden,
dass das erste Sensorelement nicht auf eine konstante Übertemperatur geregelt
wird, sondern auf eine konstante Absoluttemperatur. Durch Variation
oder Modulation der Amplitude der thermischen Signale kann man Rückschlüsse
auf die Wärmeleitungseigenschaften des Fluids ziehen. Da
der Wärmeübertrag von einem Sensorelement auf
das andere bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit von
der Wärmeleitfähigkeit und -kapazität
des Fluids abhängt, lässt sich das Fluid durch
diese Eigenschaften charakterisieren und eine entsprechende Kennlinie
für den CTA-Betrieb auswählen. Es ist allerdings
nicht nur möglich, eine entsprechende Kennlinie für
den CTA-Betrieb auszuwählen, sondern Effekte durch Veränderungen
der Fluidzusammensetzung analog zur gastemperaturkompensierenden
Regelung in gewissem Rahmen nachzuregeln, so dass durch diese Veränderungen bedingte
potentielle Fehler bei der Auswertung der Strömungsgeschwindigkeit
ausgeglichen werden können.
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Im
Folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 8 näher
erläutert.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines Sensor-Chips, wie er aus dem Stand
der Technik bekannt ist,
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2 zeigt
schematisch das Verhalten eines Sensor-Chips, wie er aus dem Stand
der Technik bekannt ist bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von null,
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3 zeigt
schematisch das Verhalten eines Sensor-Chips, wie er aus dem Stand
der Technik bekannt ist bei einer Fluidströmung,
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4 zeigt
einen schematischen Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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5 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von
null,
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6 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Fluidströmung,
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7 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Variation
der Pulsamplitude bei einem Gas x,
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8 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Variation
der Pulsamplitude bei einem Gas y.
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Der
in 1 gezeigte Sensor-Chip 200 ist von dem
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe
(ISIT) bekannt. Es sind bei diesem Sensor-Chip 200 zwei
resistive Heizelemente 50, 60 und zwei resistive
Gastemperaturelemente 30, 40 auf einer Membran 200 vereinigt.
Je ein Heizelement 50, 60 und ein Messwiderstand 30, 40 werden über
die elektrischen Leiter 70, 80 bzw. 160, 180 und
die Anschlüsse 300 mit einer gastemperaturkompensierenden
Wheatstone-Brücke 90, 100 im CTA-Modus
verschaltet, wie in 2 gezeigt. Die beiden Brücken 90, 100 laufen
elektrisch vollständig autark. Allerdings wird durch die
Verwendung der zwei Heizelemente 50, 60 der Wärmeübertrag
von dem einen Heizelement 50 auf das andere Heizelement 60 als
Information genutzt. Durch den Wärmeübertrag wird
nämlich in dem stromabwärts gelegenen Heizelement 60 weniger Heizleistung
gebraucht, um eine im CTA-Modus vorgegebene Übertemperatur
zu halten. Damit wird eine Erkennung der Flussrichtung möglich,
solange der Wärmeübertrag bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
des Fluids nicht verweht wird. Die flussabwärts gelegene
Brücke 100 dient somit als Richtungsanzeiger der
Fluidströmung, während die flussaufwärts
gelegene Brücke 90 im CTA-Modus den Betrag der
Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Alternativ kann auch
der Betrag des Wärmeübertrags von dem flussaufwärts
gelegenen Heizelement 50 auf das flussabwärts
gelegene Heizelement 60 als Differenz der benötigten
Heizströme als Messwert der Strömungsgeschwindigkeit
verwendet werden. Hierbei sind aber Wärmeübertragsverluste
durch Verwehungen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
problematisch.
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2 zeigt
schematisch das Verhalten des thermischen Sensor-Chips 200 bei
einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids von null. Die
beiden unabhängigen Heizelemente 50 und 60 werden
im CTA-Modus jeweils über die jeweils mit ihnen über die
elektrischen Leiter 160 bzw. 180 verbundenen Brücken 90, 100 auf
eine bestimmte Übertemperateratur gegenüber der
in den Gastemperaturelementen 30, 40 gemessenen
Gastemperatur geregelt. Es findet an jedem Heizelement 50, 60 eine
Wärmeabgabe an das Fluid statt, die dem Temperaturgradienten folgt,
der schematisch durch „Temperaturhöhenlinien"
innerhalb des Fluids in der jeweiligen Umgebung um die Heizelemente 50 und 60 angedeutet
ist. Die Heizelemente 50 und 60 sind in diesem
Beispiel identisch, so dass bei einer Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids von null die Wärmeabgabe an das Fluid und somit
auch die in den Brücken 90 und 100 benötigten
elektrischen Heizströme des Heizelementes 50 und
des Heizelementes 60 die gleiche in beiden Heizkreisen
ist. Dies stellt sich auch durch die symmetrische Verteilung der
Temperaturhöhenlinien dar. Der in dieser Situation jeweils
benötigte Heizstrom der Heizelemente 50 bzw. 60 ist
abhängig von der gewählten Übertemperatur
im CTA-Modus und den Wärmeleitungseigenschaften des Fluids,
d. h. Wärmeleitfähigkeit und -kapazität.
Der bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids von null
benötigte Heizstrom der Heizelemente 50 bzw. 60 dient
für den gewöhnlichen CTA-Betrieb zur Kalibrierung
des Nullpunkts der Kennlinie zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Wärmeübertrag und charakterisiert den Ruhearbeitspunkt
der CTA-Brückenschaltung.
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In 3 ist
das Verhalten des Sensor-Chips 200 aus 2 bei
einer Fluidströmung von links nach rechts schematisch gezeigt.
Der Strömungsvektor v des
Fluids ist in 3 durch einen gestrichelten
Pfeil von links nach rechts dargestellt, so dass das Heizelement 50 stromaufwärts
und das Heizlelement 60 stromabwärts liegt. Durch
die Konvektion der Fluidströmung sind nun die Temperaturhöhenlinien
nicht mehr symmetrisch verteilt, sondern es ergibt sich ein Wärmeübertrag,
der der Fluidströmung folgt und der durch den durchgezogenen
Pfeil dargestellt ist. Durch die kühlende Fluidströmung
werden die benötigten Heizströme in beiden Heizelementen 50 und 60 gegenüber
dem bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Fluids von null
benötigten Heizstromes größer sein. Allerdings
sind die Heizströme nicht mehr gleich, denn wenn das durch
das Heizelelement 50 erwärmte Fluid das Heizelelement 60 erreicht, braucht
es nicht mehr so stark geheizt zu werden, um eine konstante Übertemperatur
zu halten, wie dies im Heizelelement 50 der Fall ist. Eine
Auswerteeinheit 150, die mit beiden Brücken 90 und 100 über
die elektrischen Leiter 190 und 140 verbunden
ist, kann die Differenz der Heizströme zur Bestimmung der Strömungsrichtung
nutzen. Außerdem ist es bekannt, die jeweiligen Heizströme
und/oder die Differenz zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit des
Fluids im CTA-Modus zu benutzen.
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4 zeigt
einen schematischen Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In einem Strömungskanal 1 wie beispielsweise
einer Küvette zum Einsatz bei Beatmungsgeräten
sind auf einer Membran 2 an der Innenwand des Strömungskanals 1 zwei
thermische Sensorelemente 5 und 6 beabstandet
voneinander auf dem Strömungsweg des Fluids entlang der Längsachse
des Strömungskanals 1 angeordnet. Je eines der
beiden Sensorelemente 5 und 6 ist über
die elektrischen Leiter 16 bzw. 18 mit den Konstant-Temperatur-Anemometer-Brückenschaltungen (CTA-Schaltungen) 9 bzw. 10 verbunden.
Auf der Membran 2 sind außerdem zwei Fluidtemperaturmesselemente 3 und 4 angeordnet,
von denen je eines mit der CTA-Schaltungen 9 bzw. 10 über
die elektrischen Leiter 7 bzw. 8 verbunden ist.
Die CTA-Schaltungen 9 und 10 sind in der Lage,
die Sensorelemente 5 und 6 im CTA-Modus jeweils
auf eine gewählte Übertemperatur über
der in den Fluidtemperaturmesselementen 3 und 4 gemessenen
Fluidtemperatur zu regeln. Der Strömungsvektor v des Fluids ist in 4 durch
einen durchgezogenen Pfeil von links nach rechts dargestellt, so
dass in diesem Beispiel das Fluid von links nach rechts durch den Strömungskanal 1 strömt
und das Sensorelement 5 stromaufwärts und das
Sensorelement 6 stromabwärts liegt. Ein Heizpulsgenerator 11 ist über
den elektrischen Leiter 17 mit dem elektrischen Leiter 16 und
somit mit dem Sensorelement 5 verbunden. Ein im Heizpulsgenerator 11 erzeugter
Spannungspuls führt zu einem entsprechenden Strompuls im
Sensorelement 5, was zu einer entsprechenden Wärmeentwicklung
im Sensorelement 5 führt und wiederum eine Erhöhung
des Widerstands im Sensorelement 5 zur Folge hat (nicht
gezeigt). Die am Widerstand umgesetzte elektrische Leistung wird
in Form von Wärmeenergie an das das Sensorelement 5 umgebende Fluid
in Form eines thermischen Signals abgegeben. Das thermische Signal
besteht also in diesem Beispiel aus einer kurzzeitigen Erwärmung
des das Sensorelement 5 umgebenden Fluids, die über
die herkömmliche Regelung auf eine bestimmte Übertemperatur
im CTA-Modus hinausgeht. Durch Konvektion wird das thermische Signal
mit der Fluidströmung zum stromabwärts gelegenen
Sensorelement 6 getragen. Wenn das thermische Signal das
Sensorelement 6 erreicht, wird für die Dauer des
Signals weniger Heizstrom für das Sensorelement 6 benötigt
als vorher oder nachher, denn die CTA-Schaltung 10 braucht
die durch das thermische Signal auf das Sensorelement 6 übertragene
Energie nicht zur Heizung auf Übertemperatur aufzubringen.
Somit wird durch die CTA-Schaltung das von dem Sensorelement 6 aufgenommene
thermische Signal in ein elektrisches Signal umgesetzt. Eine Umwandlungseinheit 13 nimmt
dieses elektrische Signal auf und führt es über eine
Rückkopplung 12 und den Heizpulsgenerator 11 zum
Sensorelement 5 zurück. Das zurückgeführte elektrische
Signal wird durch den Heizpulsgenerator 11 in Form eines
Spannungspulses weitergeleitet, der im Sensorelement 5 die
Erzeugung eines neuen thermischen Signals zur Folge hat. Diese Rückkopplung
führt somit zu einer gewissen Signalfrequenz von Rückkopplungsimpulssignalen.
Insgesamt ist in diesem so genannten Pulsbetrieb ein proportionaler Zusammenhang
zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Signalfrequenz zu
erwarten und insbesondere, dass sich bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit
zwischen den Sensorelementen 5 und 6 eine konstante
Frequenz von Rückkopplungsimpulssignalen ergibt. Die Signalfrequenz
wird in der Umwandlungseinheit 13 beispielsweise im Rahmen
einer Mittelwertbildung ausgelesen und das Ergebnis über den
elektrischen Leiter 14 zur Auswerteeinheit 15 übertragen.
In der Auswerteeinheit 15 wird die Signalfrequenz als Maß für
die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ausgewertet. Dabei
können auch externe oder andere zusätzliche Informationen
verwendet werden, beispielsweise solche, die aus einem zeitweiligen
CTA-Betrieb gewonnen wurden.
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5 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von
null. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von null erreicht
ein von dem Sensorelement 5 erzeugtes thermisches Signal
das Sensorelement 6 gar nicht oder zumindest nicht in einer
bestimmten Mindestzeit, die dem Abstand der Sensorelemente 5 und 6 voneinander
geteilt durch die minimal im Pulsbetrieb messbare Strömungsgeschwindigkeit
entspricht. Es wird also kein thermisches Signal vom Sensorelement 6 aufgenommen
und eine Signalfrequenz von null ausgelesen.
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6 zeigt
schematisch das Verhalten einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Fluidströmung
von links nach rechts. Analog zur 3 ist es
möglich, die Heizkreise der Sensorelemente 5 und 6 im
CTA-Modus zu betreiben. In der dargestellten Ausführungsform
wird durch den Heizpulsgenerator 11 ein Rückkopplungsimpulssignal
in Form eines Spannungspulses an das stromaufwärts gelegene
Sensorelement 5 weitergegeben, das daraufhin ein thermisches
Signal erzeugt und an das Fluid abgibt, sobald der Heizpulsgenerator 11 über
die Rückkopplung 12 ein Rückkopplungsimpulssignal
aus der Umwandlungseinheit 13 erhält. Das Rückkopplungsimpulssignal
entspringt in der Aufnahme eines thermischen Signals in dem stromabwärts
gelegenen Sensorelement 6 und setzt sich in Form eines
Rückkopplungsimpulssignals infolge der während
der Wärmeaufnahme des Signals weniger benötigten
Heizleistung, messbar in Form des Heizstromes in der CTA-Schaltung 10 zur
Umwandlungseinheit 13 fort. Die Umwandlungseinheit 13 leitet
das Rückkopplungsimpulssignal dann über die Rückkopplung 12 an
den Heizpulsgenerator 11 weiter. Die Umwandlungseinheit 13 ist
in der Lage, die Signalfrequenz der Rückkopplungsimpulssignale auszulesen,
beispielsweise durch Mittelwertbildung über eine bestimmte
Zeit oder Anzahl von Signalen. Die ausgelesene Signalfrequenz wird
dann gemäss 4 über einen elektrischen
Leiter 14 der Auswerteeinheit 15 zur Verfügung
gestellt, die dann die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides
aus der Signalfrequenz bestimmen kann. Die Signalfrequenz kann in
der Auswerteeinheit 15 auch mit anderen Informationen zusammen
so verwendet werden, um eine möglichst fehlerfreie Bestimmung
der Strömungsgeschwindigkeit zu gewährleisten.
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In
den 7 und 8 ist eine Heizleistungsmodulation
der thermischen Signale in Form von Spannungspulsen gezeigt. In
der 7 handelt es sich um ein Gas x und in der 8 ist
das Fluid ein Gas y. In beiden Fällen ist der dritte von
jeweils vier Pulsen in der Amplitude doppelt so hoch. Das kann dadurch
erfolgen, dass der Heizpulsgenerator 11 so eingestellt
ist, dass bei jedem vierten erfassten Rückkopplungsimpulssignal
zwei Spannungspulse innerhalb der Pulsbreite an das Sensorelement 5 weitergegeben
werden. Alternativ könnte auch die Länge oder
die Amplitude der Spannungspulse moduliert werden, wenn die Pulslänge
gegenüber den Pulspausen ausreichend kurz ist. Es lässt
sich mit einer modulierten Amplitude der thermischen Signale nicht
nur die Frequenz der Rückkopplungsimpulssignale nutzen,
sondern auch die Information über den quantitativen Wärmeübertrag
von dem Sensorelement 5 auf das Sensorelement 6,
der mit den thermischen Signalen verbunden ist. Zum Beispiel das
Verhältnis zwischen dem Wärmeübertrag
jedes dritten von vier thermischen Signalen und dem Wärmeübertrag
während der anderen drei thermischen Signale im Gas x (siehe 7)
hängt von den Wärmeleitungseigenschaften des Gases
x ab. Verändert sich während der Messung beispielsweise
die Zusammensetzung des Gases x, sodass nunmehr Gas y mit anderen
Wärmeleitungseigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit
oder -kapazität, in dem Strömungsleiter herrscht,
so ergibt sich ggf. im Gas y ein von Gas x verschiedenes Verhältnis
zwischen dem Wärmeübertrag jedes dritten von vier
thermischen Signalen und dem Wärmeübertrag während
der anderen drei thermischen Signale (siehe 8). Für
die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im CTA-Modus würde
die Veränderung des Fluids von Gas x auf Gas y eine Fehlinterpretation
als Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit hervorrufen.
Der modulierte Pulsbetrieb kann ggf. somit eine Information über
die Gasartveränderung bereit stellen, die entsprechend der
jeweils herrschenden Gaszusammensetzung in einem zeitweiligen CTA-Betrieb
zur korrekten Auswahl der jeweiligen Kennlinie zwischen Strömungsgeschwindigkeit
und Wärmeübertrag genutzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005000964
B3 [0006]
- - DE 19647350 A1 [0007, 0010]
- - WO 01/18500 A1 [0008]