DE102008054257B4

DE102008054257B4 - Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Atemgases

Info

Publication number: DE102008054257B4
Application number: DE102008054257.1A
Authority: DE
Inventors: Henning Kühn; Henning Gerder
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2007-11-10
Filing date: 2008-10-31
Publication date: 2016-06-30
Anticipated expiration: 2028-11-01
Also published as: DE102008054257A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (v) eines Atemgases, wobei ein Atemgasvolumenstromsensor (1) an einem Strömungskanal (3) angeordnet ist und mindestens einen Ultraschallsender (5, 9) und mindestens einen Ultraschallempfänger (7, 11) aufweist, und dazu ausgestaltet ist, mindestens eine erste Ultraschall-Laufzeit (TL1) des Ultraschalls auf einer ersten Strecke mit einer ersten Weglänge (L1) im Atemgas zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders (5, 9) und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers (7, 11) und eine zweite Ultraschall-Laufzeit (TL2) des Ultraschalls auf einer zweiten Strecke mit einer zweiten Weglänge (L2) zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders (5, 9) und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers (7, 11) zu bestimmen, wobei die erste Strecke mindestens einen Abschnitt aufweist, der eine Vektorkomponente hat, die in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit (v) verläuft, und die zweite Strecke mindestens einen Abschnitt aufweist, der eine Vektorkomponente hat, die entgegen der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit (v) verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (TL1, TL2) und der ersten und zweiten Weglänge (L1, L2) in einem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C); b) Bestimmen eines Näherungsfehlers (Δv) als Funktion der Schallgeschwindigkeit (C), der dem Absolutbetrag der Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit (v) und einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (vapp) entspricht, aus der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (TL1, TL2) und ersten und zweiten Weglänge (L1, L2); c) Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (TL1, TL2) im Atemgas; d) Bestimmen einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (vapp) aus der im Atemgas bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (TL1, TL2) und der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) bestimmten ersten und zweiten Weglänge (L1, L2); und e) Bereitstellen des im Schritt b) bestimmten Näherungsfehlers (Δv) neben der im Schritt d) bestimmten angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (vapp) als Messergebnis für die Strömungsgeschwindigkeit im Atemgas.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eines Atemgases, wobei ein Atemgasvolumenstromsensor an einem Strömungskanal angeordnet ist und mindestens einen Ultraschallsender und mindestens einen Ultraschallempfänger aufweist. Der Sensor ist dabei dazu ausgestaltet, mindestens eine erste Ultraschall-Laufzeit des Ultraschalls auf einer ersten Strecke mit einer Weglänge im Atemgas zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers und eine zweite Ultraschall-Laufzeit des Ultraschalls auf einer zweiten Strecke mit einer Weglänge zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers zu bestimmen. Dabei weist die erste Strecke mindestens einen Abschnitt auf, der eine Vektorkomponente hat, die in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit verläuft, und die zweite Strecke mindestens einen Abschnitt, der eine Vektorkomponente hat, die entgegen der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit verläuft.
Im Bereich von Beatmungsgeräten für den medizinischen Bereich ist die Bestimmung des Volumenstromes von Atemgasen von erheblicher Bedeutung, weil sich daraus beispielsweise die absolute Menge eines einem Patienten während einer Narkose zugeführten Anästhetikums ableiten lässt. Die absolute zugeführte Menge eines Anästhetikums wiederum ist bei einer Narkose ein kritischer Parameter, der möglichst genau bekannt sein sollte. Daher ist es gerade in der Medizintechnik wichtig, diese Größe möglichst exakt zu bestimmen.
Zur Bestimmung des Atemgasvolumenstroms sind aus dem Stand der Technik Hitzdrahtanemometer bekannt, die in der Weise arbeiten, dass der Widerstand eines Hitzdrahtes, der in der Atemgasströmung angeordnet ist, bestimmt wird. Dabei ist der Hitzdraht aus einem Material hergestellt, das einen temperaturabhängigen Widerstand hat. Das Ausmaß, in dem der Hitzdraht durch die Gasströmung gekühlt wird, hängt von dem Volumenstrom und damit der Strömungsgeschwindigkeit ab, so dass der Widerstand des Hitzdrahtes ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es jedoch, dass der Hitzdraht selbst einen Strömungswiderstand darstellt und dass ferner aus dem Widerstand des Hitzdrahtes lediglich der Absolutwert der Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Eine Aussage über die Strömungsrichtung ist jedoch nicht möglich.
Alternativ zur Hitzdrahtanemometrie ist beispielsweise aus der EP 0 347 096 A2 bekannt, zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Gasen die Laufzeit von Ultraschallpulsen zu verwenden, die eine Messstrecke mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger durchlaufen, die parallel zum Strömungskanal verläuft. Dabei wird die Laufzeit des Ultraschallpulses sowohl entgegen der Strömungsrichtung als auch mit der Strömungsrichtung gemessen und aus der Laufzeitdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit und deren Richtung bestimmt.
Bei der Messung der Laufzeiten ergeben sich jedoch Probleme. Um den Zeitpunkt zu bestimmen, an dem der Ultraschallpuls am Empfänger auftrifft, muss ein Pegel festgelegt werden, der als Stopppegel dient, so dass die Zeitmessung gestoppt wird, wenn der Pegel des Signals des Empfängers diesen Stopppegel überschreitet. Im Unterschied zu Flüssigkeiten taucht jedoch die Schwierigkeit auf, dass die Dämpfung, die der Ultraschallpuls in dem Gasstrom erfährt, stark variiert. Dies hat wiederum zur Folge, dass es zu Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Zeitpunktes des Auftreffens auf den Empfänger kommt, da der Stopppegel beispielsweise bei einer starken Dämpfung erst vergleichsweise ”spät” überschritten wird.
Hierzu schlägt die EP 0 347 096 A2 vor, in das durch den Ultraschallsender ausgesandte Signal einen Phasensprung einzufügen, der als Marker dienen und dessen Auftreffen vom Empfänger als Stopp-Signal erfasst werden kann. Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist jedoch, dass dieses nur bei vergleichsweise langen Schallwegen durchgeführt werden kann. Außerdem taucht bei starken Dämpfungen das Problem auf, dass entweder die Amplitude, mit der der Ultraschallsender das Signal aussendet, oder die Verstärkung des Signals des Empfängers erhöht bzw. angepasst werden müssen.
Ein weiteres grundlegendes Problem bei der Messung der Laufzeit des Ultraschallpulses besteht darin, dass die gemessene Laufzeit zwischen dem von der Steuerungselektronik ausgegebenen Aussendepuls an den Ultraschallsender und dem Empfang des Ultraschallpulses am Empfänger eine Verzögerung beim Aussenden des Pulses umfasst, also eine Verzögerungszeit zwischen dem Aussendepuls an den Ultraschallsender und dem tatsächlichen Aussenden des Signals durch den Ultraschallsender.
Will man diese Verzögerung bestimmen, wird bei bekannter Schallgeschwindigkeit des Gases die exakte Weglänge der Strecke benötigt. Des Weiteren ist die exakte Weglänge für eine genaue Kalibration erforderlich. Hier taucht jedoch das weitere Problem auf, dass es zum einen bei der Herstellung der Strömungskanäle Toleranzen gibt und die Weglänge somit nur mit einer gewissen Ungenauigkeit bekannt ist. Zum anderen kann ein Reinigen des Strömungskanals verbunden mit dem Ein- und Ausbau der Ultraschallsender und -empfänger dazu führen, dass sich die Weglänge verändert. Es ist daher für eine exakte Messung der Strömungsgeschwindigkeit wünschenswert, ein Verfahren vorzusehen, dass die Verwendung der exakten Weglänge im Betrieb ermöglicht. Es ist dabei von Vorteil, die exakte Weglänge vor bzw. während des Messbetriebs in einer Routine (Initialisierung) zu ermitteln.
Es ist bekannt, Atemgasvolumenstromsensoren mit einer Zwei-Sensor-Anordnung zu betreiben, wobei ein Sensor stromaufwärts und ein Sensor stromabwärts am Strömungskanal angeordnet ist. Der Atemgasvolumenstromsensor kann mittels einer Umschalteinheit die Sensoren wechselseitig als Ultraschallsender bzw. Ultraschallempfänger betreiben. Somit kann einmal mit und einmal gegen die Strömungsrichtung des Gases die Laufzeit von Ultraschallsignalen bestimmt und auf die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Messungen der zwei Laufzeiten nicht zur gleichen Zeit stattfinden, d. h. zwischen den Messungen kann sich der Strömungs-, Temperatur-, Feuchtigkeits- oder Gasmischungszustand des Atemgases ändern. Dies führt insbesondere beim Wechsel der Atemphasen zwischen Exspiration und Inspriration zu erheblichen Fehlern bei der Bestimmung des Atemgasvolumenstroms. Abhilfe kann hier eine Vier-Sensor-Anordnung schaffen, bei der zwischen einem ersten Ultraschallsender und einem ersten Ultraschallempfänger die Laufzeit von Ultraschallsignalen stromabwärts und gleichzeitig zwischen einem zweiten Ultraschallsender und einem zweiten Ultraschallempfänger die Laufzeit von Ultraschallsignalen stromaufwärts gemessen wird. Nachteilig hierbei wiederum ist, dass die Strecken durch Toleranzen nicht immer exakt gleich lang sind und einer sehr genauen Kalibration bedürfen.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auf zwei unterschiedlich langen Strecken liegt darin, dass die Strömungsgeschwindigkeit aus den Laufzeiten grundsätzlich nur mit Kenntnis der Schallgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Wenn sich jedoch beispielsweise bei einem Beatmungsgerät, das zur Narkose eingesetzt wird, die Zusammensetzung des Atemgases ändert oder dessen Temperatur, verändert sich auch die Schallgeschwindigkeit in dem Atemgas. Somit müsste zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit neben der Laufzeitmessung noch eine Messung der aktuellen Schallgeschwindigkeit erfolgen.
Eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in Kombination mit einer Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ist aus DE 10 2006 020 721 A1 bekannt, wobei die Schallgeschwindigkeit in einem Verfahren zur Bestimmung einer Konzentration an Kohlendioxid in der Ausatemluft eines Menschen verwendet wird. In dieser Spirometrie-Anwendung wird ein Referenzwert der Schallgeschwindigkeit unter Kenntnis der Atemphase am Beginn der Ausatmung aufgenommen, am Ende der Ausatemphase wird ein weiterer Wert der Schallgeschwindigkeit ermittelt und in Bezug zum Referenzwert gesetzt. Ein solches Verfahren ist für die Unterscheidung von zwei Gasbestandteilen bei Kenntnis der beteiligten Gase in der Gaszusammensetzung einsetzbar. Kommen mehr als zwei Gasbestandteile vor, so kann dieses Verfahren nicht angewendet werden. In einer Anästhesieanwendung sind mindestens vier Gasbestandteile zeitgleich vorhanden, beispielsweise mindestens ein volatiles Anästhetikum, Stickstoff, Sauerstoff, Lachgas und Kohlendioxid.
Aus der US 5 641 931 A ist dazu bekannt, in einem Bereich des Sensors, in dem die Strömung ruht, parallel ebenfalls die Laufzeit eines Ultraschallpulses zu messen und so die Schallgeschwindigkeit zu bestimmen. Dies ist jedoch sehr aufwendig.
In dem Ausnahmefall, in dem die Strecken exakt gleich lang sind, wird die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit aus den Laufzeiten entgegen und mit der Strömung unabhängig von der Schallgeschwindigkeit bestimmt. Dies ist bei einem Sensor, der für die zwei Richtungen zwei Messwege verwendet, nur sehr schwer zu realisieren, was zum einen aus den Fertigungstoleranzen sowie der Montagequalität und zum anderen aus Veränderungen beim Auseinander- und Zusammenbau vor und nach der Reinigung resultiert.
Daher wäre es wünschenswert, ein Auswerteverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, aus den gemessenen Laufzeiten von Ultraschallpulsen, die entlang zweier Strecken mit leicht abweichender Weglänge bestimmt worden sind, die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, ohne dass dazu die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit im Atemgas erforderlich ist.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Strömungsgeschwindigkeit eines Atemgases, das Änderungen in der Schallgeschwindigkeit unterworfen ist, möglichst genau bestimmen zu können. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit und der ersten und zweiten Weglänge in einem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit;
Bestimmen eines Näherungsfehlers als Funktion der Schallgeschwindigkeit, der dem Absolutbetrag zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit entspricht, aus der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit und ersten und zweiten Weglänge;
Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit im Atemgas;
Bestimmen einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit aus der im Atemgas bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit und der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit bestimmten ersten und zweiten Weglänge; und
Bereitstellen des im Schritt b) bestimmten Näherungsfehlers neben der im Schritt d) bestimmten angenäherten Strömungsgeschwindigkeit als Messergebnis für die Strömungsgeschwindigkeit im Atemgas.
Im Gegensatz zu Verfahren aus dem Stand der Technik ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine aufwendige separate Messung der Schallgeschwindigkeit im Atemgas nicht erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vor allem immer dann angewandt werden, wenn zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit von Atemgas Ultraschall-Signallaufzeiten entlang von zwei oder mehr Strecken im Atemgas miteinander in Beziehung gesetzt werden, deren Weglängen voneinander abweichen.
Der Begriff „Strecke” bedeutet im Sinne dieser Erfindung die Strecke entlang eines Weges zwischen Sender und Empfänger, den ein Ultraschallpuls von einem Aussendepunkt zu einem Empfangspunkt nimmt. Eine Strecke kann sich beispielsweise durch Reflexion auch mehrfach über einen Weg zwischen Sender und Empfänger erstrecken und somit mehrere Abschnitte aufweisen. Auch der Weg zwischen Sender und Empfänger selbst kann mehrere Abschnitte aufweisen, die durch Reflexionspunkte getrennt sind. Jeder Abschnitt einer Strecke hat also einen Richtungsvektor, nämlich den Bewegungsvektor des Ultraschalls, wobei hierbei die erste Strecke mindestens einen Abschnitt aufweist, der eine Vektorkomponente hat, die in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit verläuft, und die zweite Strecke mindestens einen Abschnitt, der eine Vektorkomponente hat, die entgegen der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit verläuft. Die zwei Strecken können auch auf exakt demselben Weg verlaufen, nämlich hin bzw. zurück. Diese Anordnung ergibt sich insbesondere dann, wenn die Schallwandler jeweils sowohl als Sender, als auch als Empfänger ausgebildet sind und wechselseitig zwischen Sende- und Empfangsbetrieb umgeschaltet werden. Dann sind die Weglängen der Strecken bei exakter Ausrichtung der Schallwandler zueinander und bei gleicher Ausrichtung der Schallwandler zur Längsachse des Strömungskanals gleich lang. Bei einer nicht exakten Ausrichtung eines Sensors mit nur einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger können die Weglängen der beiden Strecken auch unterschiedlich sein, ohne dass der Empfang der Ultraschallsignale beeinträchtigt ist, da die Ultraschallempfänger allerdings eine ausgedehnte Empfangsfläche haben.
Diese Weglängenabweichungen können einerseits fertigungsbedingt sein oder sich aus der Geometrie des Atemgasvolumenstromsensors ergeben. Eine solche Geometrie mit unterschiedlichen Weglängen kann dann erforderlich sein, wenn der Sensor möglichst nahe an dem Patienten angeordnet sein und ein geringes Totvolumen haben soll, das nicht durchspült wird. In 6 ist schematisch ein Atemgasvolumenstromsensor dargestellt, bei dem die Weglängen der Strecken konstruktionsbedingt voneinander abweichen.
Bei einem Atemgasvolumenstromsensor ergeben sich für die Laufzeiten eines Ultraschallpulses entlang der ersten und zweiten Strecke die folgenden Beziehungen:
wobei hier und im Folgenden vereinfachend angenommen wird, dass α jeweils der Winkel zwischen der Längsachse des Strömungskanals und der ersten Strecke bzw. der zweiten Strecke ist, C die Schallgeschwindigkeit des Gases ist und dL die Abweichung der Weglängen voneinander. v ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases.
Man kann nun aus den Beziehungen (1) und (2) die Laufzeitdifferenz T_L2 – T_L1 bilden:
Diese Formel lässt sich mit Hilfe des Produkts der Laufzeiten vereinfachen, da
gilt und sich die Beziehung
nach v auflösen lässt, so dass sich für die Strömungsgeschwindigkeit
ergibt. Wie diese Beziehung zeigt, ist es für die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit v erforderlich, die reinen Ultraschalllaufzeiten im Atemgas T_L1 und T_L2 sowie die Weglängen L₁ und L₂ zu bestimmen. Darüber hinaus muss man die Schallgeschwindigkeit C des Gases kennen, sofern die Weglängen voneinander abweichen, also dL ≠ 0 ist. Bei einem Atemgas ändern sich aber zum einen die Zusammensetzung und zum anderen die Temperatur, so dass sich die Schallgeschwindigkeit C ebenfalls verändert. Die mit Gleichung (6) bestimmte Strömungsgeschwindigkeit unterliegt also bei nicht berücksichtigten Schwankungen der Schallgeschwindigkeit C einem Fehler, der durch den zweiten Term in Gleichung (6) bestimmt ist. Damit wäre es erforderlich, diese während der Messung zusätzlich zu messen, wie dies beispielsweise in der U.S. 5,461,931 beschrieben ist.
Um dieses umständliche Verfahren zu vermeiden, wird die folgende Näherung vorgenommen. Bildet man aus den Beziehungen (1) und (2) die sogenannte Laufzeitsumme aus den ohnehin zu bestimmenden Laufzeiten, also T_L1 + T_L2, so kann für diese bei C >> v die folgende Näherung gemacht werden:
Für die Laufzeitdifferenz gilt dann analog: T_L2 – T_L1 ≈ dL / C. (8)
Setzt man nun beispielsweise die Laufzeitsumme aus Gleichung (7) nach C aufgelöst in die Gleichung (6) ein, ergibt sich als endgültige Formel zur näherungsweisen Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
Diese Beziehung ist auch bei einer Differenz zwischen den Weglängen unabhängig von der Schallgeschwindigkeit, da sich der Einfluss von Änderungen der Schallgeschwindigkeit näherungsweise durch Änderungen in der gemessenen Laufzeitsumme im zweiten Term von Gleichung (9) widerspiegelt und somit in die Bestimmung für die Strömungsgeschwindigkeit einfließt. Die Gleichungen (7) und (8) gelten nur dann exakt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit Null ist. Es bleibt also bei Strömungsgeschwindigkeiten, die größer als Null sind, ein Näherungsfehler, der genau genommen sowohl von der Schall- als auch von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, d. h. davon inwieweit die Näherung C >> v tatsächlich erfüllt ist.
Da die Genauigkeit der Messung der Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise besonders wichtig ist, wenn das Messergebnis Regelkreisen zur Verfügung gestellt wird, die die Strömungsgeschwindigkeit steuern sollen, ist eine möglichst genaue Abschätzung des Näherungsfehlers unerlässlich. Die Regelungstoleranz kann z. B. dem zur Verfügung gestellten Näherungsfehler angepasst werden, um unnötig genaues und ggf. sogar schwingendes Einregeln der Strömungsgeschwindigkeit zu vermeiden.
Um den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit selbst auf den Näherungsfehler zu bestimmen, wäre eine iterative Bestimmung des Näherungsfehlers notwendig, die in der Regel einen zu hohen Aufwand von Rechenzeit und -kapazität erfordern würde.
Die Schallgeschwindigkeiten ändern sich typischerweise in einem großen Rahmen von beispielsweise 200 m/s bei Einsatz von volatilen Anästhesiemitteln wie Desufluran auf beispielsweise 353 m/s bei einer „schnellen” Gasmischung aus 30% O₂ und 70% Luft bei 42°C. Die zu messenden Strömungsgeschwindigkeiten liegen üblicherweise in einem verhältnismäßig kleinen Rahmen in einem Messbereich von 0 m/s bis 30 m/s. Daher wird der Näherungsfehler durch die Änderungen der Schallgeschwindigkeit dominiert und der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit selbst auf den Näherungsfehler kann vernachlässigt werden. Es hat sich herausgestellt, dass bei Strömungsgeschwindigkeiten von weniger als 10 m/s oder vorzugsweise weniger als 1 m/s der Einfluss in jedem Fall gering genug ist, um ihn vernachlässigen zu können.
In einem Einmessverfahren, d. h. in den Schritten a) und b), wird bei einem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit, wie beispielsweise Luft, der Näherungsfehler in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit bestimmt. Da die Schallgeschwindigkeit vom Strömungs-, Temperatur-, Feuchtigkeits- oder Gasmischungszustand des Gases abhängt, müssen die Parameter im Einmessverfahren bekannt sein. Eine optimale Temperaturmessung findet zur Vermeidung von beeinflussenden Konvektionseffekten auf die Messgenauigkeit bei einer geringen Strömungsgeschwindigkeit, vorzugsweise von weniger als 1 m/s oder bei v = 0 statt. Das Einmessverfahren wird vorzugsweise bei ruhendem Gas oder einer beliebigen geringen Strömungsgeschwindigkeit durchgeführt, die unbekannt sein kann, da ihr Einfluss auf den Näherungsfehler dann vernachlässigt werden kann. Der Näherungsfehler lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Es wird die Laufzeitsumme oder -differenz bei einem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit bestimmt, die Weglängen L₁ und L₂ aus den Laufzeiten T_L2 und T_L2 bestimmt und so der Näherungsfehler Δv in Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit bestimmt. Durch eine geeignete Interpolation oder Anpassungskurve kann man dann den Näherungsfehler als Funktion der Schallgeschwindigkeit angeben. Es ist aus der Bedingung C >> v zu erwarten, dass der Näherungsfehler Δv mit steigender Schallgeschwindigkeit abfällt.
Dadurch, dass die Weglängen L₁ und L₂ aus dem Einmessverfahrensschritt a) exakt bekannt sind, können mit T_L1 = L₁/C und T_L2 = L₂/C für jede in der Anwendung möglicherweise relevante Schallgeschwindigkeit C die zugehörigen Laufzeiten T_L1 und T_L2 berechnet werden. Diese können in Gleichung (10) eingesetzt und dazu verwendet werden, um beispielsweise eine Berechnung von Δv für ein hypothetisches Gas mit geringer Schallgeschwindigkeit wie etwa 200 m/s und ein hypothetisches Gas mit hoher Schallgeschwindigkeit wie etwa 400 m/s vorzunehmen. Mittels einer Geradeninterpolation kann aus diesen Werten für Δv eine Funktion Δv(C) hergeleitet werden. Man kann aber auch durch weitere bei Gasen bekannter Schallgeschwindigkeit gemessene oder für hypothetische Gase mit bekannter Schallgeschwindigkeit berechnete Punkte (z. B. Δv-Werte für Schallgeschwindigkeiten in Schritten von 10 m/s zwischen 200 m/s und 400 m/s) schrittweise eine Tabelle für Δv(C) aufstellen und diese diskrete Verteilung bei Bedarf durch geeignete mathematische Annäherungen als stetige Funktion dv(C) annähern oder interpolieren.
Im Übrigen lässt sich mit den beiden Grenzwerten für Δv bei Schallgeschwindigkeiten von beispielsweise 200 m/s und 400 m/s der Näherungsfehler nach oben und unten abschätzen und somit als Eingangsgröße für übergeordnete Systeme zur Regelung und Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit verwenden. Das System kann dabei sowohl die zulässige verbleibende Regelabweichung bei der Dosierung an den maximalen Näherungsfehler (z. B. für C = 200 m/s) angepasst einstellen oder aber durch die vorzugsweise ebenfalls in Schritt d) bestimmte angenäherte Schallgeschwindigkeit C_app diese Regelabweichung variabel an den zugehörigen Näherungsfehler ΔV(C_app) anpassen.
Nach der eigentlichen Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit im Atemgas wird mittels der Laufzeitmessung im Atemgas die angenäherte Strömungsgeschwindigkeit v_app als Messergebnis angegeben. Neben der Strömungsgeschwindigkeit v_app wird vorzugsweise außerdem eine angenäherte Schallgeschwindigkeit C_app bestimmt, wobei
ist, und vorzugsweise derjenige aus dem Einmessverfahren bekannte Näherungsfehler ΔV(C_app) bereitgestellt, der zu der angenäherten Schallgeschwindigkeit C_app gehört.
Es ist für die Anwendung der oben genannten Beziehungen erforderlich, dass in Schritt c) die ”reinen” Signallaufzeiten des Ultraschalls im Atemgas bestimmt werden und nicht solche, die zusätzlich noch Verzögerungszeiten enthalten. Denn in einem solchen Fall würde es bei der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit Gleichung (9), insbesondere verursacht durch die verfälschte Laufzeitsumme im zweiten Term, zu Fehlern kommen.
Es ist von Vorteil, wenn geprüft wird, ob die Näherungsfehler der Strömungsgeschwindigkeit Δv(C) und Δv(C_app), sowie die Weglängen L₁ und L₂ und die vorzugsweise bestimmte angenäherte Schallgeschwindigkeit C_app innerhalb vorgegebener Grenzen liegt. Dadurch kann verhindert werden, dass es zu gefährlichen Fehlmessungen durch einen beispielsweise grob falschen Einbau der Messvorrichtung kommt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die angenäherte Strömungsgeschwindigkeit v_app und der Näherungsfehler Δv den Steuerungs- und Regelkreisen zur Verfügung gestellt, welche die Strömungsgeschwindigkeit des Atemgases steuern.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die im Folgenden beschrieben ist, wird sichergestellt, dass sowohl die ”reinen” Laufzeiten als auch die genauen Weglängen gemessen werden und Gleichung (9) lediglich bekannte Größen enthält.
Im Unterschied zum Stand der Technik wird vorzugsweise bei dem bevorzugten Verfahren kein Stopppegel verwendet, der als Schwelle dient, die von der Amplitude des von dem Empfänger ausgegebenen Signals überschritten werden muss, um den Stopp-Zeitpunkt der Messung festzulegen. Vielmehr wird vorzugsweise mindestens eine, am besten jedoch jede, Ultraschall-Laufzeit durch eine Verarbeitung des Empfangssignals mittels Korrelation bestimmt.
Dazu wird zunächst nach dem Auslösen eines ersten Ultraschallpulses, der von mindestens einem der Ultraschallsender zu mindestens einem der Ultraschallempfänger läuft, das Empfangssignal des Ultraschallempfängers als Funktion der Zeit als erster Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet. Zwischen diesem ersten Empfangssignaldatensatz und einem Musterdatensatz wird dann die Korrelationsfunktion gebildet.
Allgemein ergeben sich die Werte der Korrelationsfunktion A(τ) zwischen einer ersten Funktion E(t) und einer zweiten Funktion F(t) gemäß A(τ) = ∫E(t)F(t + τ)dt, (12) wobei τ die Verschiebung zwischen den Funktionen ist. Im Falle von Datensätzen s(t) und g(t), die Messwerte enthalten, die jeweils nach diskreten Zeitschritten aufgenommen worden sind, wie es beispielsweise bei dem ersten Empfangssignaldatensatz der Fall sein kann, können die Werte der Korrelationsfunktion p E / sg wie folgt ermittelt werden
wobei E die jeweilige Signalenergie ist und allgemein für einen Datensatz a gemäß
berechnet wird. m ist hierbei wieder die Verschiebung.
Allerdings kann die Korrelationsfunktion auch in der Weise gebildet werden, dass zunächst die Fourier-Transformierten der Datensätze bestimmt werden, diese mit einander multipliziert werden und anschließend das Ergebnis rücktransformiert wird. Die vorteilhafte Ausführungsform ist damit nicht darauf beschränkt, die Korrelationsfunktion ausschließlich im Zeitbereich zu berechnen.
Bei dem vorteilhaften Verfahren wird die Korrelationsfunktion zwischen dem ersten Empfangssignaldatensatz und einem Musterdatensatz gebildet, wobei der Musterdatensatz den Verlauf des Signals des Ultraschallempfängers aufweist, der sich beim Auftreffen des Ultraschallpulses auf den Empfänger ergibt. In dem Musterdatensatz fällt der Zeitpunkt, der dem Auftreffen des Ultraschallpulses auf den Empfänger entspricht, entweder mit dem Zeitpunkt des Auslösepulses zusammen oder hat einen definierten zeitlichen Abstand dazu.
Wird die Korrelationsfunktion zwischen diesem Musterdatensatz und dem ersten Empfangssignaldatensatz gebildet, ergibt sich ein Maximum der Korrelationsfunktion bei der zeitlichen Verschiebung bzw. dem Zeitpunkt, wo der Teil des Musterdatensatzes, der dem Auftreffen des Ultraschallpulses auf dem Empfänger entspricht, mit dem entsprechen Abschnitt im Empfangssignaldatensatz zusammenfällt. Demnach stellt diese zeitliche Verschiebung bzw. dieser Zeitpunkt ein Maß für die Laufzeit des Ultraschallpulses dar.
Wenn somit umgekehrt die Lage des Maximums in der Korrelationsfunktion bestimmt wird, kann daraus die Laufzeit ermittelt werden, ohne dass es erforderlich ist, einen Stopppegel festzulegen. Insbesondere ist die bestimmte Laufzeit somit von der Dämpfung des Signals entlang der Strecke unabhängig und die Laufzeit wird unmittelbar aus dem Empfangssignaldatensatz bestimmt.
Das vorteilhafte Verfahren zur Messung der Laufzeit eines Ultraschallpulses kann einerseits in Atemgasvolumenstromsensoren verwendet werden, die über nur einen Messweg verfügen, wobei eine erste Laufzeit für einen Ultraschallpuls parallel zur Strömungsrichtung und eine zweite Laufzeit für einen Ultraschallpuls entgegen der Strömungsrichtung nacheinander bestimmt werden. Andererseits kann das Verfahren auch bei Sensoren verwendet werden, die über zwei Messwege verfügen, bei denen die zwei Laufzeiten gleichzeitig bestimmt werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Musterdatensatz dem ersten Empfangssignaldatensatz entnommen, wobei dies weiter bevorzugt dadurch erfolgen kann, dass das Maximum des ersten Empfangssignaldatensatzes bestimmt wird und der Musterdatensatz einen Abschnitt um das Maximum umfasst.
Um den erforderlichen Speicher für den ersten Empfangssignaldatensatz zu reduzieren und insbesondere um den Rechenaufwand bei der Berechnung der Werte der Korrelationsfunktion zu vermindern, ist es bevorzugt, wenn der erste Empfangssignaldatensatz ab einem Zeitpunkt aufgezeichnet wird, der um eine Auslöseverzögerung von dem Zeitpunkt des Aussendepulses beabstandet ist. Die Auslöseverzögerung ist dabei so gewählt, dass sie etwas geringer ist als die Zeit, die ein Ultraschallpuls unter optimalen Bedingungen, also bei maximal denkbarer Schallgeschwindigkeit, benötigt, um von dem Sender zu dem Empfänger zu gelangen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens

– wird ein zweiter Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls an mindestens einen der Ultraschallsender ausgelöst,
– gibt mindestens einer der Ultraschallempfänger ein Empfangssignal aus,
– wird das Empfangssignal als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als ein zweiter Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet,
– wird die Korrelationsfunktion des zweiten Empfangssignaldatensatzes mit dem ersten Musterdatensatz gebildet und
– wird der erste Musterdatensatz skaliert.

Hierbei wird der verwendete Musterdatensatz, der beispielsweise dem ersten Empfangssignaldatensatz entnommen sein kann, in der Signalhöhe umskaliert, um so beispielsweise eine veränderte Dämpfung des Ultraschallpulses entlang der Wegstrecke zu berücksichtigen. Dabei kann der erste Musterdatensatz proportional zum Verhältnis der Signalenergien des ersten und des zweiten Empfangssignaldatensatzes skaliert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens

– wird ein zweiter Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls an mindestens einen der Ultraschallsender ausgelöst,
– gibt mindestens einer der Ultraschallempfänger ein Empfangssignal aus,
– wird das Empfangssignal als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als ein zweiter Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet,
– wird die Korrelationsfunktion des zweiten Empfangssignaldatensatzes mit einem zweiten Musterdatensatz gebildet,
– wobei als zweiter Musterdatensatz ein Abschnitt des ersten Empfangssignaldatensatzes verwendet wird, der um die aus dem ersten Empfangssignaldatensatz bestimmte Laufzeit von dem Zeitpunkt des Aussendens des Ultraschallpulses beabstandet ist, und
– wird aus dem Zeitpunkt des Korrelationsmaximums die Laufzeit des zweiten Ultraschallpulses bestimmt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Musterdatensatz, der mit dem zweiten Empfangssignaldatensatz korreliert wird, aus dem ersten Empfangssignaldatensatz in dem Bereich entnommen, der mit dem Zeitpunkt des Auftreffens des Ultraschallpulses auf den Ultraschallempfänger zusammenfällt.
Damit der Musterdatensatz an den Rändern stetig auf Null abfällt und bei der Bildung der Korrelationsfunktion keine Artefakte erzeugt werden, kann der Musterdatensatz mit einer Fensterfunktion (Hamming-Fenster, Blackman-Harris-Fenster) gefaltet werden.
Somit wird als Musterdatensatz ein Abschnitt verwendet, von dem zu erwarten ist, dass er dem Abschnitt des zweiten Empfangssignaldatensatzes sehr ähnlich ist, der dem Auftreffen des Ultraschallpulses auf den Empfänger entspricht. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Maximum der Korrelationsfunktion, die für den zweiten modifizierten Empfangssignaldatensatz gebildet wird, klarer definiert ist.
Außerdem wird mit dieser bevorzugten Ausführungsform ein adaptives Verfahren bereitgestellt, bei dem sich die Ähnlichkeit des Musterdatensatzes in Bezug auf den gesuchten Abschnitt weiter verbessert. Ferner erlaubt dieses Verfahren, dass sich der Musterdatensatz entsprechend dem Signal des auftreffenden Ultraschallpulses anpasst, so dass Veränderungen im Verlauf des Signals oder in der Amplitude, die aus einer Änderung der Gaszusammensetzung oder der -temperatur herrühren, automatisch berücksichtigt werden.
Während die Musteranpassung durch automatische Entnahme aus einem zeitlich früheren Datensatz erfolgen kann, ist es aber auch vorstellbar, den Wert des normierten Korrelationskoeffizienten bzw. die Änderung der Signalenergie sowie die Änderung der Schallgeschwindigkeit als Indiz für eine Bedämpfung des Signals (Gasart-Effekt) zu berücksichtigen. Aufgrund dieses Indizes kann dann fallspezifisch eine Adaption des Musterdatensatzes erfolgen, beispielsweise durch ein Überschreiben durch einen zeitlich neueren Musterdatensatz aus einem Signaldatensatz oder auch durch eine Skalierung der Signalamplitude.
In weiter bevorzugter Weise kann auch der zweite Empfangssignaldatensatz ab einem Zeitpunkt aufgezeichnet werden, der um eine Auslöseverzögerung von dem Zeitpunkt des Aussendepulses beabstandet ist, so dass wiederum der Rechenaufwand für die Berechnung der Korrelationsfunktion verringert wird, da dieses in einem kleineren Zeitfenster erfolgen kann.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass

– mindestens ein Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls an mindestens einen der Ultraschallsender ausgelöst wird,
– mindestens einer der Ultraschallempfänger ein Empfangssignal ausgibt,
– das Empfangssignal als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet wird,
– die Korrelationsfunktion des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes mit einem Verzögerungszeit-Musterdatensatz gebildet wird,
– aus dem Zeitpunkt des Korrelationsmaximums die Zeitdifferenz zwischen Aussendepuls und dem ersten Empfang des Ultraschallpulses bestimmt wird,
– die Verzögerungszeit zwischen dem Aussendepuls und dem Aussenden des Ultraschallpulses durch Subtrahieren der Signallaufzeit für den Ultraschallpuls entlang der ersten oder zweiten Strecke bestimmt wird und
– die Signallaufzeit aus der Messstreckenlänge berechnet wird.

Insbesondere kann hierbei der Verzögerungszeit-Musterdatensatz dem Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz entnommen werden, wobei das Maximum des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes bestimmt wird und der Verzögerungszeit-Musterdatensatz einen Abschnitt um das Maximum umfasst.
Bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Korrelation dazu genutzt, bei ruhendem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit in dem Sensor aus dem Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz die Verzögerungszeit zu bestimmen, die zwischen dem Aussendepuls und damit dem zeitlichen Nullpunkt des Datensatzes und dem tatsächlichen Aussenden des Ultraschallpulses durch den Sender liegt. Mit Kenntnis der Verzögerungszeit ist es möglich, die ”reinen” Signallaufzeiten zu bestimmen, was wiederum ermöglicht, auch in dem Fall, dass ein Atemgasvolumenstromsensor zwei Messstrecken aufweist, deren Weglänge voneinander abweichen, die Strömungsgeschwindigkeit zu bestimmen, ohne dass die Kenntnis des Wertes der Schallgeschwindigkeit erforderlich ist. Hierauf wird im Folgenden aber noch genauer eingegangen.
In weiter bevorzugter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die erste und/oder zweite Weglänge der ersten bzw. zweiten Strecke in der Weise bestimmt, dass

– mindestens ein Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls an mindestens einen der Ultraschallsender ausgelöst wird,
– mindestens einer der Ultraschallempfänger ein Empfangssignal ausgibt,
– das Empfangssignal als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als Messstrecken-Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet wird,
– die Autokorrelation des Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes gebildet wird,
– aus der Autokorrelation des Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes der zeitliche Abstand zwischen dem ersten Empfang des Ultraschallpulses am Ultraschallempfänger und dem Empfang des ersten Echos des Ultraschallpulses bestimmt wird und
– aus dem zeitlichen Abstand und der Schallgeschwindigkeit die Messstreckenlänge berechnet wird.

In dieser bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Weglängen der Strecken mit Hilfe der Autokorrelation bestimmt, wobei bei in dem Atemgasvolumenstromsensor ruhendem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit ein Messstrecken-Empfangssignaldatensatz über eine Zeitspanne aufgenommen wird, die ausreichend ist, dass nicht nur das erste Auftreffen des Ultraschallpulses auf dem Empfänger erfasst wird, sondern auch das Auftreffen des ersten Echos, das dadurch entsteht, dass der Ultraschallpuls beim ersten Auftreffen zu dem Sender zurückgeworfen, von diesem reflektiert wird und wieder auf dem Empfänger auftrifft.
Bei der Bildung der Autokorrelation sind die in der oben angegebenen Formel (13) die Funktionen s(t) und g(t) identisch, so dass sich, wenn die Autokorrelation dieses Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes bestimmt wird, neben dem Maximum bei einer Verschiebung τ = 0 zwei weitere Maxima bei τ = ±ΔT_MS ergeben. Dabei ist ΔT_MS die Zeit, die der Ultraschallpuls benötigt, nach dem ersten Auftreffen auf den Empfänger von diesem wieder zum Sender und zurück zum Empfänger zu laufen.
Durch die Verwendung der Autokorrelation in Kombination mit dem ersten Echo kann die Laufzeit für das Durchlaufen der zweifachen Weglänge bestimmt werden, ohne dass in das Ergebnis eine Verzögerungszeit oder dergleichen eingeht.
Damit ermöglicht diese bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens, jeweils vor Beginn der eigentlichen Volumenstrommessung bei ruhendem Gas in dem Sensor, die Weglänge der jeweiligen Strecke exakt zu bestimmen, die die Grundlage für die weiteren Bestimmungen von Verzögerungszeiten und Volumenströmen bildet.
Da die Schallgeschwindigkeit, die bei der Bestimmung der Weglängen benötigt wird, von der Temperatur des Gases abhängt, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Temperatur des Gases in dem Atemgasvolumenstromsensor bestimmt. Um im Schritt a), also bei der Bestimmung der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit und der ersten und zweiten Weglänge die Schallgeschwindigkeit des Gases wie beispielsweise Luft genau zu kennen, ist es vorteilhaft, die Temperatur des Gases mit einem Temperaturfühler direkt am oder im Sensor zu messen. Die Temperaturmessung wird vorteilhafterweise bei ruhendem Gas durchgeführt, um keine durch Strömung verursachten Kühleffekte zu messen. Es kann dann bei bekannter Gaszusammensetzung mit einer aus der Literatur bekannten Schallgeschwindigkeit für diese Gaszusammensetzung bei Raumtemperatur auf die aktuelle Schallgeschwindigkeit am Sensor bei der gemessenen Temperatur geschlossen werden. Beispielsweise ergibt sich für Luft eine Abweichung der Schallgeschwindigkeit von etwa 0,6 m/s je °C Abweichung von der Raumtemperatur.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert, die lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellt.
In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Atemgasvolumenstromsensors,
2 die Längenverhältnisse der Messstrecken in einem Atemgasvolumenstromsensor,
3 eine schematische Darstellung des Laufweges eines Ultraschallpulses bei der Bestimmung der Weglänge einer Strecke,
4 eine schematische Darstellung des sich ergebenden Messstecken-Empfangssignaldatensatzes (a) zur Bestimmung der Messstreckenlänge sowie des Verlaufs der entsprechenden Autokorrelationsfunktion (b),
5 eine schematische Darstellung des sich ergebenden Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes zur Bestimmung der Verzögerungszeit, sowie dessen Auswertung,
6 eine schematische Darstellung eines alternativen Atemgasvolumenstromsensors.
Zunächst wird unter Bezug auf 1 und 2 der Aufbau eines Atemgasvolumenstromsensors 1 mit einem Strömungskanal 3 beschrieben, wobei der Atemgasvolumenstromsensor 1 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwei Strecken auf verschiedenen Wegen aufweist, die jeweils unter einem Winkel α zur Längsachse des Strömungskanals 3 verlaufen.
Die erste Strecke umfasst einen ersten Ultraschallsender 5 und einen ersten Ultraschallempfänger 7, während die zweite Strecke einen zweiten Ultraschallsender 9 und einen zweiten Ultraschallempfänger 11 aufweist. Dabei verlaufen die Strecken jeweils unter einem Winkel α zum Strömungskanal 3, der kleiner als 90° ist, wobei die erste Strecke eine Weglänge L₁ hat und die zweite Strecke eine Weglänge von L₂ = L₁ + dL.
Wenn ein Ultraschallpuls die erste Strecke bei durchströmtem Strömungskanal 3 vom ersten Ultraschallsender 5 zum ersten Ultraschallempfänger 7 durchläuft, ist seine Geschwindigkeit aufgrund der Strömung 13 erhöht, während für einen Ultraschallpuls, der die zweite Strecke zwischen zweitem Ultraschallsender 9 und zweitem Ultraschallempfänger 11 durchläuft, die Geschwindigkeit reduziert ist. Aus der daraus resultierenden Laufzeitdifferenz kann die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden, wie im Folgenden noch erläutert werden wird.
Die Anordnung mit zwei Strecken bietet den Vorteil, dass die beiden Laufzeiten gleichzeitig erfasst werden können. Die Erfindung ist aber nicht auf eine Anordnung mit vier Sensoren bzw. Transducern beschränkt, sondern kann auch bei einem hier nicht dargestellten Atemgasvolumenstromsensor angewendet werden, der nur über zwei Sensoren bzw. Transducer verfügt, zwischen denen zwei unterschiedliche Laufzeiten für Ultraschallpulse in zwei Richtungen entlang von zwei Strecken auf einem Weg zwischen den zwei Sensoren bzw. Transducern gemessen werden können. Die Sensoren bzw. Transducer können dabei gleichzeitig als Sender und Empfänger arbeiten, oder sie sind umschaltbar zwischen Sende- und Empfangsmodus. Es können auch hierbei zwei unterschiedlich lange Strecken zwischen den Sensoren bzw. Transducern gemessen werden, die aufgrund von nicht exakter Ausrichtung der zwei Sensoren bzw. Transducer zueinander nicht exakt aufeinander liegen, auf denen aber dennoch wegen der Ausdehnung der Empfangsfläche der Sensoren bzw. Transducer empfangbare Signale laufen können.
Die Ultraschallsender 5, 9 sind mit einem Funktionsgenerator 15 verbunden, der einen Aussendepuls an die Ultraschallsender 5, 9 senden kann, so dass bei Letzteren jeweils ein Ultraschallpuls ausgelöst wird. Dabei tritt eine Verzögerungszeit zwischen dem Aussendepuls und dem tatsächlichen Aussenden des Ultraschallpulses auf, deren Kenntnis für die Bestimmung der Laufzeiten von Bedeutung ist.
Schließlich umfasst der Atemgasvolumenstromsensor 1 noch eine Signalverarbeitungseinheit 17, die aus den Signalen der Ultraschallempfänger 7, 11 Empfangssignaldatensätze aufzeichnet, also die Amplitude des Ausgangssignals der Ultraschallempfänger 7, 11 als Funktion der Zeit aufnimmt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens läuft nun wie folgt ab. In einem ersten Schritt werden die Weglängen L₁ und L₂ der ersten Strecke bzw. der zweiten Strecke bestimmt. Dazu wird in der Weise vorgegangen, dass bei ruhendem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit C in dem Strömungskanal 3 des Atemgasvolumenstromsensors 1 durch einen Aussendepuls des Funktionsgenerators 15 an den ersten Ultraschallsender 5 ein Ultraschallpuls ausgelöst wird, der entlang der ersten Strecke zu dem ersten Ultraschallempfänger 7 läuft. Der erste Ultraschallempfänger 7 gibt ein Empfangssignal aus, das als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 durch die Signalverarbeitungseinheit 17 aufgezeichnet wird.
Dabei erfolgt die Aufzeichnung über einen Zeitraum, der ausreichend ist, dass der Ultraschallpuls, wie in 3 dargestellt, vom ersten Ultraschallsender 5 zum ersten Ultraschallempfänger 7 läuft, dort reflektiert wird, zurück zum ersten Ultraschallsender 5 läuft und wieder zum ersten Ultraschallempfänger 7 zurückgeworfen wird. Somit wird in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 (s. 4) sowohl das erste Auftreffen des Ultraschallpulses am ersten Ultraschallempfänger 7 als auch das Auftreffen des ersten Echos erfasst.
Ein solcher Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 ist in 4a schematisch dargestellt. Der Datensatz ergibt sich wie folgt. Zum Zeitpunkt [1] (Nullpunkt) wird der Aussendepuls von dem Funktionsgenerator 15 ausgesendet. Zwischen dem Aussenden des Aussendepulses beim Zeitpunkt [1] und dem tatsächlichen Aussenden des Ultraschallpulses beim Zeitpunkt [2] liegt jedoch die Verzögerungszeit, deren Bestimmung im Folgenden noch erläutert werden wird. Zum Zeitpunkt [3] trifft der Ultraschallpuls erstmalig auf den ersten Ultraschallempfänger 7. Nachdem der Ultraschallpuls wieder zurück zum ersten Ultraschallsender 5 gelaufen ist, trifft das erste Echo zum Zeitpunkt [4] wieder auf den ersten Ultraschallempfänger 7.
Zu diesem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 wird bei der Auswertung die Autokorrelation gebildet. Dabei wird der Messstrecken-Empfangssignaldatensatz E_MS(t) 19 mit sich selbst korreliert, d. h. E_MS(t) mit E_MS(t + m). Dazu wird die Autokorrelationsfunktion A_MS(m) bei unterschiedlichen Zeitverschiebungen m gemäß
berechnet, wobei
gilt, k die Anzahl der Abtastwerte in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 ist und T der Kehrwert der Abtastrate.
Es unmittelbar klar, dass die Autokorrelationsfunktion A_MS(m) bei m = 0 ein Maximum hat. Außerdem hat die Autokorrelationsfunktion weitere Maxima bei m = ±ΔT_MS, da hier der Signalabschnitt, der dem ersten Auftreffen des Ultraschallimpulses entspricht (Zeitpunkt 3), mit dem Signalabschnitt, der dem Auftreffen des ersten Echos entspricht (Zeitpunkt 4), überlappt.
Aus der Autokorrelation A_MS(m) des Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes E_MS(t) 19 wird der zeitliche Abstand ΔT_MS zwischen dem ersten Auftreffen des Ultraschallpulses am Ultraschallempfänger 7 und dem Auftreffen des ersten Echos des Ultraschallpulses bestimmt, wobei dies der Abstand des Maximums bei m = 0 und jeweils den Nebenmaxima ist.
Aus diesem zeitlichen Abstand ΔT_MS wird mit der Schallgeschwindigkeit C des sich in dem Strömungskanal 3 befindlichen Gases die Weglänge L₁ bestimmt. Da ΔT_MS der Laufzeit für die zweifache Weglänge L₁ entspricht, ergibt sich die Weglänge durch L₁ = ½·C·ΔT_MS.
Da bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die Temperatur des Gases in dem Atemgasvolumenstromsensor 1 durch ein nicht dargestelltes Temperaturmesselement bestimmt wird, können außerdem die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit C berücksichtigt werden.
Durch die Verwendung der Autokorrelation in Kombination mit dem ersten Echo kann die Laufzeit für das Durchlaufen der zweifachen Weglänge bestimmt werden, ohne dass in das Ergebnis eine Verzögerungszeit oder dergleichen eingehen. Damit kann jeweils vor Beginn der eigentlichen Volumenstrommessung die Weglänge der jeweiligen Strecke exakt bestimmt werden, so dass kleine Veränderungen, die nach einer Reinigung des Sensors mit einer damit verbundenen Demontage auftreten, keinen Einfluss auf die Messung haben.
In gleicher Weise wie für die erste Strecke wird auch die Weglänge L₂ = L1 + dL der zweiten Strecke bestimmt, so dass anschließend beide Weglängen für die eigentliche Volumenstrommessung bekannt sind.
Im nächsten Schritt dieser bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden ebenfalls bei ruhendem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit im Strömungskanal 3 mit den nunmehr bekannten Weglängen L₁ bzw. L₁ + dL die jeweiligen Verzögerungszeiten zwischen dem Aussendepuls des Funktionsgenerators 15 und dem Aussenden der Ultraschallpulse durch den ersten und den zweiten Ultraschallsender 5, 9 bestimmt. Denn, wie in 5 angedeutet, gibt es eine Verzögerungszeit T_VZ zwischen dem Aussendepuls und dem Aussenden des Ultraschallpulses, wobei die Aufzeichnung des Empfangssignaldatensatzes aber immer relativ dem Aussendepuls erfolgt. Will man für die weitere Verarbeitung der Daten die reinen Signallaufzeiten gewinnen, müssen zunächst diese Verzogerungszeiten bestimmt werden.
In einer ersten Alternative für die Bestimmung der Verzögerungszeit wird, während das Gas in dem Atemgasvolumenstromsensor 1 ruht, bei der ersten Strecke zunächst ein Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls des Funktionsgenerators 15 an den ersten Ultraschallsender 5 ausgelöst, wobei der Ultraschallpuls zu dem ersten Ultraschallempfänger 7 läuft. Der erste Ultraschallempfänger 7 gibt ein Empfangssignal aus, das als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz 21 durch die Signalverarbeitungseinheit 17 aufgezeichnet wird (s. 5).
Daraufhin wird ein Maximalwert in dem Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz 21 festgelegt, wobei hierzu das Maximum 23 der Amplitude des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes 21 verwendet wird. Anschließend wird dem Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz 21 ein Bereich um das Maximum 23 als Verzögerungszeit-Musterdatensatz 27 entnommen.
Dann wird die Korrelationsfunktion A_VZ des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes E_VZ 21 mit dem Verzögerungszeit-Musterdatensatz M_VZ 27 gebildet, wobei dies vorzugsweise gemäß der Beziehung
erfolgt.
Wie im unteren Teil von 5 angedeutet, liegt der Musterdatensatz M_VZ 27 bei einer Verschiebung m = 0 in einem definierten zeitlichen Abstand zum Aussendepuls. Der Musterdatensatz M_VZ 27 wird mit anwachsender Verschiebung m im Abtastfenster 25 verschoben und es wird jeweils die Korrelation bestimmt.
Aus dem Zeitpunkt des Korrelationsmaximums, also der Verschiebung m_max, bei der sich das Maximum der Korrelationsfunktion ergibt, kann dann die Zeitdifferenz ΔT_VZ zwischen Aussendepuls und dem ersten Empfang des Ultraschallpulses bestimmt werden.
Wie in 5 dargestellt, kann der Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz 21 nicht bereits vom Aussendepuls an aufgezeichnet werden, sondern nur innerhalb eines Abtastfensters 25, das ab einem Zeitpunkt beginnt, der um eine Auslöseverzögerung T_AV von dem Zeitpunkt des Aussendepulses beabstandet ist, um die Datenmenge und den für die Berechnung der Korrelationsfunktion zu reduzieren.
In diesem Fall muss zu der Verschiebung m_max, bei der das Korrelationsmaximum auftritt, noch die Auslöseverzögerung T_AV hinzuaddiert werden, um die tatsächliche Zeitdifferenz ΔT_VZ zwischen Aussendepuls und dem ersten Empfang des Ultraschallpulses zu bestimmen (ΔT_VZ = m_max + T_AV).
Da zuvor bereits die Messstreckenlänge L₁ bestimmt worden ist und die Schallgeschwindigkeit C des in dem Sensor befindlichen Gases bekannt ist, kann die Verzögerungszeit T_VZ aus der Zeitdifferenz ΔT_VZ berechnet werden gemäß
In gleicher Weise wird die Verzögerungszeit für den zweiten Ultraschallsender und -empfänger 9, 11 bestimmt, so dass nunmehr auch die Verzögerungszeiten T_VZ ermittelt sind. Durch Kenntnis der Verzögerungszeit T_VZ ist es möglich, die ”reinen” Signallaufzeiten zu bestimmen.
In einer zweiten Alternative zur Bestimmung der Verzögerungszeit wird statt eines Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes 21 der Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 verwendet. Dabei wird zunächst ausgenutzt, dass der zeitliche Abstand zwischen dem Hauptmaximum und dem zweiten Nebenmaximum in der Korrelationsfunktion, also der Abstand zwischen n_x und n_z in 4, der Laufzeit für die zweifache Messstreckenlänge entspricht. Demnach entspricht die Hälfte dieses Abstandes, also der Abstand zwischen n_x und n_y der Messstreckenlänge selbst.
Dem Punkt n_y entspricht ein Punkt s_y in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19, wobei dieser Punkt s_y genau um die Zeitspanne von dem ersten Maximum bei Zeitpunkt 3 in 4 beabstandet ist, die der Ultraschallpuls vom Ultraschallsender 5 zum Ultraschallempfänger 9 benötigt.
Wenn der Teil des Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes 19, der links von dem Punkt s_y liegt, dann als Musterdatensatz verwendet wird, mit dem die Korrelationsfunktion zwischen diesem Musterdatensatz und dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 gebildet wird, hat die sich ergebende Korrelationsfunktion ein Maximum bei einer Verschiebung, die größer ist als ΔT_MS, also als die doppelte Laufzeit. Denn der Musterdatensatz wird nicht bei dem Zeitpunkt 2 im Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 angesetzt, sondern der Musterdatensatz muss auch über die Verzögerungszeit T_VZ, dargestellt durch den Abschnitt zwischen Zeitpunkt 1 und Zeitpunkt 2, verschoben werden. Damit ist die Differenz zwischen ΔT_MS und der Verschiebung, bei der in der neu ermittelten Korrelationsfunktion ein Maximum auftritt, gleich der Verzögerungszeit T_VZ.
Gegebenenfalls muss zu der Verschiebung, bei das Maximum auftritt, noch die Auslöseverzögerung T_AV hinzuaddiert werden.
Bei der Bestimmung der Korrelationsfunktion zwischen dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 und dem daraus generierten Musterdatensatz wird in der gleichen Weise vorgegangen, wie dies im Zusammenhang mit der Bildung der Korrelationsfunktion zwischen dem Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz 21 und dem Verzögerungszeit-Musterdatensatz 27 beschrieben worden ist. Daher kann bei dem Verfahren gemäß dieser zweiten Alternative die Verzögerungszeit bestimmt werden, ohne dass eine zusätzliche Messung erfolgen müsste.
Um bei dieser zweiten Alternative den Punkt s_y in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 festzulegen, wird zunächst in 4a von rechts gesehen der Bereich ausgeblendet, der in der in 4b dargestellten Autokorrelationsfunktion A_MS(m) zu den Nebenmaxima bei ±ΔT_MS führt, so dass der Teil des Messstrecken-Empfangssignaldatensatzes 19 verbleibt, der das Signal enthält, das sich durch das erstmalige Auftreffen des Ultraschallpulses auf dem Empfänger 7 ergibt (Bereich um Zeitpunkt 3). Anschließend wird zu einem Punkt in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19 gegangen, der um ein Viertel der Breite des Hauptmaximums in der Autokorrelationsfunktion bei n_x nach links von dem Punkt verschoben ist, an dem der Bereich endet, der zu den Nebenmaxima bei ±ΔT_MS führt. Dieser Punkt sollte dann mit der Mitte des Signals zusammenfallen, das sich durch das erstmalige Auftreffen des Ultraschallpulses ergibt (Zeitpunkt 3). Dies sollte deshalb der Fall sein, weil die Breite des Hauptmaximums in der Autokorrelationsfunktion doppelt so groß ist, wie die Breite des ersten Maximums in dem Messstrecken-Empfangssignaldatensatz 19. Anschließend wird wieder um eine Zeitspanne nach rechts gegangen, die ΔT_MS/2 entspricht, also dem Abstand zwischen n_x und n_z. Dies ist dann der gesuchte Punkt s_y. Der Bereich links von s_y in 4a wird dann als Musterdatensatz für die zuvor beschriebene Bestimmung der Autokorrelationsfunktion benutzt.
Um die Signalbreite des Hauptmaximums bei n_x in der Autokorrelationsfunktion A_MS(m) zu bestimmen, kann in einer bevorzugten Ausführungsform so vorgegangen werden, dass die Breite des Bereichs um das Hauptmaximum ermittelt wird, in dem die Autokorrelationsfunktion Werte annimmt, die größer als 10% des Werts des Maximums sind. Es können aber auch andere Verfahren verwendet werden, bei denen beispielsweise die Energiedichte verwendet wird.
Nach der Bestimmung der Messstreckenlängen und der Verzögerungszeiten kann die eigentliche Messung der Laufzeiten der Ultraschallpulse entlang der ersten und zweiten Strecke erfolgen.
Im Folgenden wird die Bestimmung der Laufzeit nur für die erste Strecke erläutert. Für die zweite Strecke erfolgt die Messung aber in analoger Weise.
Dazu wird wiederum ein Ultraschallpuls durch einen Aussendepuls des Funktionsgenerators 15 an den ersten Ultraschallsender 5 ausgelöst, der zu dem ersten Ultraschallempfänger 7 läuft. Der erste Ultraschallempfänger 7 gibt ein Empfangssignal aus, das als Funktion der Zeit nach dem Aussendepuls als ein erster Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet wird. Wie bereits bei der Bestimmung der Verzögerungszeit wird der erste Empfangssignaldatensatz nicht bereits ab dem Aussendepuls aufgezeichnet, sondern nur in einem Abtastfenster 25, das um eine Auslöseverzögerung T_AV von dem Aussendepuls beabstandet ist, um den Rechenaufwand zu verringern.
Anschließend wird die Korrelationsfunktion des ersten Empfangssignaldatensatzes mit einem ersten Musterdatensatz gebildet. Bei dem Musterdatensatz kann es sich um denselben Musterdatensatz handeln, also um den Verzögerungs-Musterdatensatz 27, der bereits im Rahmen der Bestimmung der Verzögerungszeit verwendet worden ist, also den Bereich um das Maximum des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes 21. In analoger Weise kann als erster Musterdatensatz aber auch der Bereich um das Maximum des ersten Empfangssignaldatensatzes verwendet werden.
Die Korrelationsfunktion wird in der gleichen Weise bestimmt, wie die bereits im Zusammenhang mit der Bestimmung der Verzögerungszeit T_VZ erläutert worden ist. Aus dem Zeitpunkt bzw. der Verschiebung des Korrelationsmaximums kann dann die Laufzeit des Ultraschallpulses bestimmt werden. Dabei ergibt sich für die erste Strecke die Signallaufzeit T_L1 aus der Verschiebung ΔT_L1, bei der das Korrelationsmaximum auftritt, durch die Beziehung T_L1 = ΔT_L1 + T_AV – T_VZ, (19) wobei hier die Auslöseverzögerung T_AV und die Verzögerungszeit T_VZ berücksichtigt werden.
Somit lässt sich mit Kenntnis der Verzögerungszeit T_VZ die ”reine” Signallaufzeit T_L1 des Ultraschallpulses bestimmen, ohne dass es erforderlich ist, in der Signalverarbeitungseinheit 17 einen Stopppegel oder dergleichen festzulegen.
In analoger Weise wird die Laufzeit für die zweite Strecke T_L2 bestimmt, so dass anschließend die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden kann.
Während bei der zuvor beschriebenen Bestimmung der Laufzeit des Ultraschallpulses als Musterdatensatz der zuvor schon bei der Bestimmung der Verzögerungszeit T_VZ verwendete eingefügt worden ist, wird in der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bei der auf die erste Laufzeitmessung folgenden zweiten Laufzeitmessung als Musterdatensatz ein Abschnitt aus dem ersten Empfangssignaldatensatz verwendet.
Dazu wird wie folgt vorgegangen. Es wird nach dem Aussendepuls durch den Funktionsgenerator 15 an den ersten Ultraschallsender 5 wiederum das Empfangssignal als Funktion der Zeit als ein zweiter Empfangssignaldatensatz aufgezeichnet.
Anschließend wird die Korrelationsfunktion des zweiten Empfangssignaldatensatzes mit einem zweiten Musterdatensatz gebildet, wobei ebenfalls in der Weise vorgegangen wird, wie dies in Zusammenhang mit der Bestimmung der Verzögerungszeit beschrieben worden ist.
Als zweiter Musterdatensatz wird in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch ein Abschnitt des ersten Empfangssignaldatensatzes verwendet, der um die aus dem ersten Empfangssignaldatensatz bestimmte Laufzeit von dem Zeitpunkt des Aussendens des Ultraschallpulses beabstandet ist. Aus dem Zeitpunkt des Korrelationsmaximums bzw. aus der entsprechenden Verschiebung wird dann die Laufzeit des zweiten Ultraschallpulses bestimmt.
In analoger Weise kann bei jeder weiteren Messung der Laufzeit als Musterdatensatz ein Abschnitt aus dem unmittelbar vorher bestimmten Empfangssignaldatensatz oder einen zeitlich davor liegenden benutzt werden. Somit passt sich in diesem adaptiven Verfahren der Musterdatensatz an, wenn sich der Verlauf des Signals, das beim Auftreffen des Ultraschallpulses ausgegeben wird, aufgrund einer Änderung der Temperatur oder der Zusammensetzung des Gases verändert.
Während die Musteranpassung einerseits durch Entnahme aus einem zeitlich früheren Datensatz erfolgen kann, es ist alternativ auch möglich, beispielsweise die Änderung der Signalenergie als Indiz für eine Bedämpfung des Signals (Gasart-Effekt) zu berücksichtigen. Aufgrund dieses Indizes kann dann fallspezifisch eine Adaption des Musterdaterisatzes erfolgen, beispielsweise durch ein Überschreiben durch einen zeitlich neueren Musterdatensatz aus einem Empfangssignaldatensatz.
Statt bei der Bildung der Korrelationsfunktion mit dem zweiten, zeitlich späteren Empfangssignal einen neuen Musterdatensatz zu verwenden, kann auch der erste Musterdatensatz benutzt werden, wobei dieser jedoch in der Signalhöhe skaliert wird, um beispielsweise eine veränderte Dämpfung des Ultraschallpulses entlang der Wegstrecke zu berücksichtigen. Dabei kann der erste Musterdatensatz proportional zum Verhältnis der Signalenergien des ersten und des zweiten Empfangssignaldatensatzes skaliert werden.
Im Rahmen des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Korrelationsfunktionen ausschließlich im Zeitbereich bestimmt worden. Die Korrelationsfunktionen können allerdings auch in der Weise gebildet werden, dass zunächst die Fourier-Transformierten der Datensätze bestimmt werden, diese mit einander multipliziert werden und das Ergebnis anschließend rücktransformiert wird. Die vorteilhafte Ausführungsform ist damit nicht darauf beschränkt, die Korrelationsfunktion ausschließlich im Zeitbereich zu berechnen.
Sind nun die reinen Laufzeiten und die Streckenlängen bekannt, kann mittels Gleichung (9) die angenäherte Strömungsgeschwindigkeit v_app und mittels Gleichung (11) die angenäherte Schallgeschwindigkeit C_app angegeben werden.
Aus einem Einmessverfahren bei verschiedenen bekannten Gasmischungen mit bekanntem Gaszustand und damit bekannter Schallgeschwindigkeit ist der Näherungsfehler Δv als Funktion der Schallgeschwindigkeit bekannt. Neben der angenäherten Strömungsgeschwindigkeit v_app wird derjenige Näherungsfehler Δv bereitgestellt, der der angenäherten Schallgeschwindigkeit C_app entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Atemgasvolumenstromsensor
3: Strömungskanal
5: erster Ultraschallsender
7: erster Ultraschallempfänger
9: zweiter Ultraschallsender
11: zweiter Ultraschallempfänger
13: Strömung
15: Funktionsgenerator
17: Signalverarbeitungseinheit
19: Messstrecken-Empfangssignaldatensatz
21: Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatz
23: Maximum der Amplitude des Verzögerungszeit-Empfangssignaldatensatzes
25: Abtastfenster
27: Verzögerungszeit-Musterdatensatz

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit (v) eines Atemgases, wobei ein Atemgasvolumenstromsensor (1) an einem Strömungskanal (3) angeordnet ist und mindestens einen Ultraschallsender (5, 9) und mindestens einen Ultraschallempfänger (7, 11) aufweist, und dazu ausgestaltet ist, mindestens eine erste Ultraschall-Laufzeit (T_L1) des Ultraschalls auf einer ersten Strecke mit einer ersten Weglänge (L₁) im Atemgas zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders (5, 9) und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers (7, 11) und eine zweite Ultraschall-Laufzeit (T_L2) des Ultraschalls auf einer zweiten Strecke mit einer zweiten Weglänge (L₂) zwischen einem des mindestens einen Ultraschallsenders (5, 9) und einem des mindestens einen Ultraschallempfängers (7, 11) zu bestimmen, wobei die erste Strecke mindestens einen Abschnitt aufweist, der eine Vektorkomponente hat, die in Richtung der Strömungsgeschwindigkeit (v) verläuft, und die zweite Strecke mindestens einen Abschnitt aufweist, der eine Vektorkomponente hat, die entgegen der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit (v) verläuft, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (T_L1, T_L2) und der ersten und zweiten Weglänge (L₁, L₂) in einem Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C); b) Bestimmen eines Näherungsfehlers (Δv) als Funktion der Schallgeschwindigkeit (C), der dem Absolutbetrag der Differenz zwischen der Strömungsgeschwindigkeit (v) und einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (v_app) entspricht, aus der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (T_L1, T_L2) und ersten und zweiten Weglänge (L₁, L₂); c) Bestimmen der ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (T_L1, T_L2) im Atemgas; d) Bestimmen einer angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (v_app) aus der im Atemgas bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (T_L1, T_L2) und der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) bestimmten ersten und zweiten Weglänge (L₁, L₂); und e) Bereitstellen des im Schritt b) bestimmten Näherungsfehlers (Δv) neben der im Schritt d) bestimmten angenäherten Strömungsgeschwindigkeit (v_app) als Messergebnis für die Strömungsgeschwindigkeit im Atemgas.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Schritts d) auch eine angenäherte Schallgeschwindigkeit (C_app) aus der im Atemgas bestimmten ersten und zweiten Ultraschall-Laufzeit (T_L1, T_L2) und der im Gas mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) bestimmten ersten und zweiten Weglänge (L₁, L₂) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei im Schritt e) der dem in Schritt d) bestimmten angenäherten Schallgeschwindigkeit (C_app) zugehörige Näherungsfehler (Δv(C_app)) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei während des Schritts a) die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Gases mit bekannter Schallgeschwindigkeit (C) kleiner als 10 m/s, vorzugsweise kleiner als 1 m/s oder gleich Null ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungsgeschwindigkeit (v) durch
näherungsweise bestimmt wird, wobei dL die Differenz zwischen der ersten Weglänge (L₁) und der zweiten Weglänge (L₂) ist, und wobei α jeweils der Winkel zwischen der Längsachse des Strömungskanals (3) und der ersten Strecke bzw. der zweiten Strecke ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, sofern abhängig von Anspruch 2, wobei die Schallgeschwindigkeit (C_app) durch
bestimmt wird, wobei dL die Differenz zwischen der ersten Weglänge (L₁) und der zweiten Weglänge (L₂) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der von der Schallgeschwindigkeit (C) abhängige Näherungsfehler durch
bestimmt wird, wobei dL die Differenz zwischen der ersten Weglänge (L₁) und der zweiten Weglänge (L₂) ist und wobei α jeweils der Winkel zwischen der Längsachse des Strömungskanals (3) und der ersten Strecke bzw. der zweiten Strecke ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob die Weglängen (L₁, L₂) innerhalb vorgegebener Grenzen liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei geprüft wird, ob der Näherungsfehler (Δv) innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei geprüft wird, ob die angenäherte Schallgeschwindigkeit (C_app) innerhalb vorgegebener Grenzen liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die angenäherte Strömungsgeschwindigkeit (v_app) und der Näherungsfehler (Δv) einem Steuerungs- und Regelkreis zur Verfügung gestellt werden, um die Strömungsgeschwindigkeit (v) des Atemgases zu steuern.