DE102008056279B4

DE102008056279B4 - Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE102008056279B4
Application number: DE200810056279
Authority: DE
Inventors: Dirk Tuchtenhagen
Original assignee: Aceos GmbH
Current assignee: Aceos GmbH
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2014-02-20
Anticipated expiration: 2028-10-31
Also published as: DE102008056279A1

Abstract

Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches mit
– einem Gehäuse (16) aus einem wärmeleitenden Material mit einem Einlass (2) und einem Auslass (15) für das Gasgemisch mit einer ersten Kammer (1) mit einem beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) und einem neben der ersten Kammer (1) angeordneten und durch den beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) erwärmten Ultraschallsensor zur indirekten Erfassung der Konzentration des Kohlenstoffdioxids als eine zweite Kammer (8), wobei die erste Kammer (1) und die zweite Kammer (8) als Bestandteile des Gehäuses (16) über einen Kanal (6) miteinander verbunden sind und der Ultraschallsensor aus mindestens zwei Ultraschallwandlern (7) an einer Ultraschallmessstrecke als zweite Kammer (8) und einer Einrichtung zur Ultraschalllaufzeitmessung für das Gasgemisch besteht, und
– einem Temperatursensor (9) für die Gehäusetemperatur am oder im Gehäuse (16).

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches in einem Gehäuse mit einem Ein- und einem Auslass.
Durch die Messung von Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentrationen in der menschlichen Atmung können Aussagen unter anderem über die Funktionsfähigkeit der Lunge und die Stoffwechselvorgänge im menschlichen Körper getroffen werden. Die Vermessung der menschlichen Atmung findet daher zunehmenden Einsatz in der Medizin unter anderem zur Diagnose von Leistungsdefiziten oder Lungenerkrankungen.
Herkömmliche medizinische Atemgasanalysegeräte bestehen aus einer Anwenderschnittstelle und einer Analyseeinheit, wobei diese Analyseeinheit die für die Messung der Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentration notwendige Sensorik enthält. Die Anwenderschnittstelle ist zumeist eine Atemmaske, an der ein Flowsensor angebracht ist, der den Volumenstrom des Atemgases misst.
Aus der Atmung wird mittels eines dünnen Schlauchs eine Gasprobe in die Analyseeinheit gesaugt und dort auf die Gaskonzentrationen hin vermessen. Diese Anordnung wird als Seitenstromverfahren bezeichnet.
Die Messung von Gaskonzentrationen im Seitenstrom weist aufgrund der Tatsache, dass das Gas erst bis zur Messeinheit strömen muss, gegenüber der Konzentrationsmessung im Hauptstrom eine gewisse zeitliche Latenz auf.
Unter körperlicher Belastung erhöht sich die Atemfrequenz eines Menschen erheblich. Somit ändern sich auch die Konzentrationen der verschiedenen Atemgase in einer hohen Geschwindigkeit.
Zudem ändert sich die Gastemperatur ständig, da die Temperatur eingeatmeter Gase in etwa Umgebungsniveau haben, ausgeatmete Gase jedoch in den oberen Luftwegen auf die Temperatur des Körpers erwärmt werden. Je höher nun die Atemfrequenz wird, desto schneller ändern sich auch die Gastemperatur und die Konzentrationen der Atemgase. Die Messung muss so erfolgen können, dass die Gaskonzentrationen bei jedem Atemzug mit einer möglichst hohen Genauigkeit bestimmt werden. Das bedeutet, dass Gassensoren für eine solche Anwendung sehr schnelle Ansprechzeiten bei einer hohen Genauigkeit haben müssen, um einerseits die schnellen Konzentrations- und Temperaturänderungen bei hohen Atemfrequenzen hinreichend genau abzubilden.
Aus der Druckschrift DE 20 2004 015 400 U1 ist ein Sauerstoffsensor bekannt, der auf einem Festkörperelektrolyten basiert.
Diese Sensoren sind sehr klein, weisen eine geringe Trägheit auf und erreichen deshalb sehr schnelle Ansprechzeiten.
Festkörperelektrolyten, wie beispielsweise Yttrium-Dotiertes Zirkoniumdioxid, sind ab einer bestimmten Temperatur in der Lage, verschiedene Ionen wie zum Beispiel Sauerstoffionen zu leiten. Diese Fähigkeit wird bei dem in der angegebenen Druckschrift beschriebenen Sauerstoffsensor genutzt.
Dabei sind auf einem keramischen Träger, der beispielsweise aus Aluminiumoxid besteht, mehrere dünne Schichten aufgebracht. Es handelt sich um zwei Elektroden, die durch den Elektrolyten verbunden sind, sowie auf der gegenüberliegenden Seite eine Heizung, die das Sensorelement erhitzt.
An den Elektroden laufen elektrochemische Prozesse ab.
Legt man nun eine Gleichspannung an die Elektroden, so wird an der Kathode molekularer Sauerstoff in Sauerstoffionen umgewandelt. Dieser Vorgang wird durch eine auf die Kathode aufgebrachte Diffusionsbarriere begrenzt. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur, die durch die Heizvorrichtung aufrecht erhalten wird, ist der Feststoffelektrolyt fähig, die entstehenden Sauerstoffionen zur Anode zu leiten, an der sie wieder in molekularen Sauerstoff umgewandelt werden.
Aufgrund des Ionentransports fließt ein elektrischer Strom, der durch die angeschlossene Steuerelektronik erfassbar ist. Die Höhe des Stroms hängt von der anliegenden Sauerstoffkonzentration ab. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Diffusion besteht im Bereich von 0–100% Sauerstoff eine lineare Abhängigkeit zwischen der Sauerstoffkonzentration und dem Sensorstrom, das heißt, der elektrische Strom ist proportional zu der am Sensor anliegenden Sauerstoffkonzentration.
Wie bereits erwähnt erfordert diese Methode der Sauerstoffmessung sehr hohe Betriebstemperaturen. Am Sensorelement werden Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius erreicht. Die zwangsläufige Wärmeabstrahlung des Sensorelements führt dazu, dass die gesamte Umgebung des Sensors mit erwärmt wird. Aufgrund der hohen Betriebstemperatur wird die Umgebung des Sensorelements stark aufgeheizt.
Aus der Druckschrift DE 10 2006 020 726 A1 ist ein Gehäuse für einen solchen Sauerstoffsensor bekannt, welches durch seinen Aufbau eine geringe Leistungsaufnahme des Sensors bei einem optimalen Gasaustausch gewährleistet. Gleichzeitig wird aufgrund der baulichen Besonderheiten des Gehäuses eine Kühlung der Umgebung des Sensorelements erreicht, so dass die Erwärmung der Umgebung, in diesem Fall das Sensorgehäuse selbst, reduziert wird.
Dazu sind im Inneren des Gehäuses zwei Rohre platziert, wobei sich eines im Inneren des zweiten Rohres befindet. Zwischen den Rohren besteht dabei eine räumliche Verbindung, die einen Gasaustausch zwischen dem Zwischenraum der beiden Rohre und dem Innenraum des inneren Rohres erlaubt. Der Sauerstoffsensor befindet sich gemäß der bereits erwähnten Druckschrift innerhalb des inneren Rohres.
Diese Rohranordnung wirkt in Verbindung mit dem Gehäuse selbst wie ein Wärmetauscher, wobei zugeführtes Gas im Zwischenraum durch das im Innenraum befindliche heiße Gas erwärmt wird, und gleichzeitig die Umgebung des Sensorelements durch das zuströmende Gas gekühlt wird, sodass sich das Gehäuse allgemein nicht so stark aufheizt.
Trotz dieser wirksamen Reduzierung der Erwärmung des Gehäuses wird immer noch ein nicht zu vernachlässigender Teil an Wärmeenergie an die Umgebung abgegeben.
Aus der Druckschrift EP 1 279 368 A2 ist ein Ultraschallsensor bekannt, mit dem indirekt die Konzentration des Kohlenstoffdioxids im Atemgas gemessen werden kann.
Die Sensorvorrichtung besteht dabei aus einem Messrohr, an dessen Seiten Ultraschallwandler angebracht sind, die in der Lage sind, Ultraschallwellen sowohl zu senden als auch zu empfangen. Das zu messende Gas wird auf einer Seite in das Messrohr geführt und strömt auf der gegenüber liegenden Seite über eine weitere Bohrung aus der Messstrecke heraus.
Jeder der beiden Ultraschallwandler sendet einen Impuls aus, einen entlang der Strömungsrichtung und einen entgegen der Strömungsrichtung des Gases. Die Laufzeiten dieser beiden Ultraschallimpulse werden gemessen. Aus der mittleren Laufzeit und der festen Länge der Messstrecke kann die Schallgeschwindigkeit in dem Gas nach folgender Gleichung berechnet werden.
Dabei ist c die Schallgeschwindigkeit, s die definierte Messstrecke, t1 und t2 sind die Laufzeiten der Ultraschallimpulse.
Aus der so bestimmten Schallgeschwindigkeit kann die mittlere molare Masse des Gasgemisches berechnet werden.
Im Nenner ist c die zuvor bestimmte Schallgeschwindigkeit, im Zähler ist Kappa der so genannte Adiabatenkoeffizient, R die universelle Gaskonstante und T die Temperatur in Kelvin, welche mittels Sensoren gemessen wird oder durch ein Berechnungsmodell ermittelt wird.
Die mittlere Molmasse setzt sich im Allgemeinen aus der Summe der Produkte der Anteile der Gasbestandteile und deren spezifischer molarer Masse zusammen. Für ein Gasgemisch mit zwei Komponenten würde die Gleichung wie folgt aussehen: M = c₁M₁ + c₂M₂ (3)
Wobei c1 und c2 die Anteile der einzelnen Komponenten des Gasgemisches und M1 und M2 deren molare Massen sind.
Die Summe der einzelnen Anteile ergibt dabei, unabhängig von der Anzahl der Bestandteile, immer den Wert 1. Da die molaren Massen üblicher Gase allgemein bekannt sind, kann aufgrund der vorhergehenden Aussage in einem Zwei-Komponenten-Gemisch die Konzentration eines Bestandteils direkt berechnet werden.
Allerdings enthält menschliches Atemgas im Allgemeinen mehr als zwei Bestandteile. Neben Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid enthält menschlicher Atem Stickstoff, Argon sowie Feuchte. Im Atem sind zudem noch diverse Spurengase enthalten, diese haben jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die mittlere Molmasse des Atemgases, sodass sie aufgrund ihres sehr geringen Anteils vernachlässigt werden können.
Da Stickstoff und Argon vom menschlichen Körper über die Atmung nicht verwertet werden und sowohl bei der Ein- als auch bei der Ausatmung in einem festen Verhältnis zueinander auftreten, können beide als ein so genanntes Restgas zusammengefasst werden.
Für Atemluft ergibt sich die mittlere molare Masse aus: M_Atmung = c_O2M_O2 + c_H2OM_H2O + c_CO2M_CO2 + c_RestM_Rest (4)
Wie bereits im Fall von Gleichung (3) ergibt die Summe aller Anteile den Wert 1. Außerdem sind alle Molmassen bekannt. Um aus dieser Gleichung (4) die Konzentration des Kohlenstoffdioxids zu berechnen, müssen die Konzentrationen der Feuchte und des Sauerstoffs anderweitig bestimmt werden. Sind diese bekannt, kann das Gleichungssystem gelöst und die zu ermittelnde Größe cCO2 bestimmt werden.
Da der Gehalt an Kohlenstoffdioxid im Atemgas aus anderen Werten berechnet werden muss, ist es notwendig, diese Ausgangswerte so genau wie möglich zu bestimmen. Um eine sehr genaue mittlere Molmasse berechnen zu können, müssen sowohl die Ultraschalllaufzeiten als auch die Gastemperatur mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
Die Temperatur der Atemgase ändert sich naturgemäß zwischen der Ein- und Ausatmung. Für die vorgesehene Anwendung in der Vermessung der menschlichen Atmung müssen die Atemgase einer Person gemessen werden, die unter körperlicher Belastung steht. Wird der Mensch körperlich belastet, so steigt der Sauerstoffbedarf und damit die Atemfrequenz. Die Änderungen der Gastemperatur erfolgen damit mit einer höheren Geschwindigkeit.
Dafür notwendige Temperaturmesseinrichtungen für schnelle Änderungen der Temperatur mit einer hohen Genauigkeit sind technisch sehr aufwändig und für handliche Einrichtungen ungeeignet. Einfache Temperaturmesseinrichtungen können genaue Werte ausgeben, weisen aber bei Änderungen der Temperatur eine gewisse Trägheit auf. Diese führt bei der atemzugweisen Bestimmung der Kohlenstoffdioxidkonzentration im Atemgas mittels eines Ultraschallsensors zu einem signifikanten Messfehler, der die Genauigkeit der Kohlenstoffdioxidmessung stark negativ beeinflusst.
Durch die Druckschrift Pressemitteilung der ACEOS GmbH zur Messe Medica/Compamed vom 14.11.2007 bis 16.11.2007; Schweizer Maschinenmarkt 22 2077, Seite 82, 83 ist eine Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlendioxid eines Gasgemisches bekannt. Diese Einrichtung besteht aus getrennt voneinander angeordneten Sensoren in Form des Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensors und Ultraschallsensors. Dazu kommt ein bekannter Ultraschallsensor mit integrierter Heizung zum Einsatz, der mittels einer Spange an der Grundplatte gehalten ist. Der Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensor ist als separates Bauteil dahinter angeordnet. Weitere bauliche Einzelheiten gehen aus dieser Druckschrift nicht hervor. Es wird nur auf einen Sensoradapter verwiesen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches in einem Gehäuse mit einem Ein- und einem Auslass zeichnet sich insbesondere durch ihre Kompaktheit aus.
Dazu sind in einem Gehäuse aus einem wärmeleitenden Material mit einem Einlass und einem Auslass für das Gasgemisch mit einer ersten Kammer mit einem beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor und einem neben der ersten Kammer angeordneten und durch den beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor erwärmten Ultraschallsensor zur indirekten Erfassung der Konzentration des Kohlenstoffdioxids als eine zweite Kammer angeordnet, wobei die erste Kammer und die zweite Kammer als Bestandteile des Gehäuses über einen Kanal miteinander verbunden sind und der Ultraschallsensor aus mindestens zwei Ultraschallwandlern an einer Ultraschallmessstrecke als zweite Kammer und einer Einrichtung zur Ultraschalllaufzeitmessung für das Gasgemisch besteht. Weiterhin ist ein Temperatursensor für die Gehäusetemperatur am oder im Gehäuse vorhanden.
Damit wird vorteilhafterweise die Abwärme des Festelektrolyt-Sauerstoffsensors effektiv für die ultraschallbasierte Kohlendioxidmessung genutzt.
Das Gehäuse ist vorteilhaft aus einem Wärme leitenden Material, beispielsweise Aluminium oder einer derartigen Legierung, gefertigt. Es handelt sich dabei beispielsweise um einen aus mehreren Quadern zusammengesetzten Körper.
Über den Einlass wird das Gemisch beispielsweise zum Festelektrolyt-Sauerstoffsensor geführt, der die Sauerstoffkonzentration äquivalent in ein elektrisches Signal wandelt und vorteilhafterweise gleichzeitig das Gasgemisch dabei aufheizt.
Das Gasgemisch ist im Ultraschallsensor den Ultraschallimpulsen der Ultraschallwandler ausgesetzt, so dass die Molmasse des Gasgemisches bestimmbar ist.
Ein großer Vorteil der Einrichtung ist deren Kompaktheit. Mehrere verschiedene Messungen können an einem Gasgemisch auf engstem Raum realisiert werden.
Auf Grund der Nähe der einzelnen Messeinheiten zueinander und der kurzen Strömungswege einschließlich der zeitlich kurz hintereinander stattfindenden Messungen wird eine gute zeitliche Synchronität der einzelnen Sensorsignale erreicht. Die Kürze der Strömungswege bedeutet weniger Totraumvolumen, was sich positiv auf die Ansprechzeit und die Genauigkeit der Messungen auswirkt, da weniger Raum vorhanden ist, in der sich beispielsweise bei Atemluft aus Gasgemisch Ein- und Ausatmungsgase vermischen könnten.
Die kurzen Gaswege bewirken zudem einen guten Gasaustausch in relativ kurzer Zeit, also eine gute Durchspülung der Anordnung mit dem zu messendem Gasgemisch.
Die kompakte Bauart wirkt sich außerdem positiv auf die Abmessungen der Einrichtung aus, da mehrere Messungen in einem verhältnismäßig kleinen Gehäuse untergebracht sind.
Menschlicher Atem als Gasgemisch enthält beispielsweise eine gewisse Feuchtigkeit, wobei die Ausatmungsluft beispielsweise 100% Feuchte enthält. Ausgeatmete Luft hat Körpertemperatur, ein Wert, der im Allgemeinen zwischen 35°C und 37°C liegt. Im Normalfall hätte das Gehäuse dieselbe Temperatur wie die Umgebung. Diese Werte sind grundsätzlich niedriger als die Körpertemperatur, was dazu führen würde, dass der im Atem enthaltene Wasserdampf auskondensieren würde. Diese kondensierende Feuchte würde jedoch die Sensoren beschädigen oder die Messungen verfälschen.
Um dies zu verhindern, empfiehlt es sich, die Gehäusetemperatur so einzustellen, dass sie über der Körpertemperatur des Menschen liegt. Auf Grund der Technologie muss der Festelektrolyt-Sauerstoffsensor an der Spitze auf mehrere hundert Grad Celsius aufgeheizt werden. Die Abwärme des Festelektrolyt-Sauerstoffsensors führt zu einer Erwärmung der Einrichtung auf Temperaturen von etwa 50°C, was wesentlich über der Körpertemperatur des Menschen liegt und damit ein Auskondensieren der im Atem enthaltenen Feuchte verhindert.
Das Atemgas unterliegt in seiner Temperatur natürlichen Schwankungen zwischen Ein- und Ausatmung. Da das Gasgemisch beispielsweise zuerst am Festelektrolyt-Sauerstoffsensor vorbei geführt wird, wird es dort aufgeheizt und nimmt im Idealfall die Temperatur des Gehäuses an. Dadurch sind etwaige Temperaturschwankungen minimiert, so dass das Gasgemisch mit einer nahezu konstanten Temperatur in die Ultraschallmessstrecke gelangt.
Da das Gasgemisch die Temperatur des Gehäuses angenommen hat, ist es zweckmäßig, die Gehäusetemperatur zu messen und für die Molmasseberechnung zu nutzen. Da schnelle Schwankungen der Temperaturen des Gasgemisches weitestgehend ausgeschlossen sind, ist es möglich mittels normaler Temperaturmesstechnik eine hinreichend hohe Genauigkeit der Werte zu erreichen, was die Genauigkeit der Molmasseberechnung ebenfalls erhöht.
Damit wird der negative Einfluss der natürlichen Temperaturschwankungen in der Atemluft als Gasgemisch auf die Genauigkeit der Kohlenstoffdioxidmessung weitestgehend verringert. Der geringe Raumbedarf führt zu einer erhöhten Genauigkeit.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
In Strömungsrichtung des Gasgemisches sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 nacheinander der beheizte Festelektrolyt-Sauerstoffsensor in der ersten Kammer und der Ultraschallsensor als zweite Kammer des durch den Festelektrolyt-Sauerstoffsensor erhitzten Gasgemisches angeordnet.
Nach dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor gelangt das aufgeheizte Gasgemisch über einen Kanal an eine Seite in die zweite Kammer und wird über die Ultraschallmessstrecke auf die andere Seite der zweiten Kammer geführt. Das durch den Festelektrolyt-Sauerstoffsensor erhitzte Gasgemisch ist im Ultraschallsensor den Ultraschallimpulsen der Ultraschallwandler ausgesetzt, so dass die Molmasse des Gasgemisches bestimmbar ist.
In Strömungsrichtung des Gasgemisches nach der ersten Kammer und der zweiten Kammer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine über einen Kanal damit verbundene dritte Kammer angeordnet. Weiterhin befindet sich in der dritten Kammer ein Drucksensor, ein Feuchtesensor, ein weiterer Temperatursensor oder wenigstens eine Kombination bestehend aus wenigstens zwei dieser Sensoren für das Gasgemisch. Darüber hinaus sind die Kammern Bestandteile des Gehäuses.
Die Messung der Feuchte ist an diesem Ort angebracht, da das Gasgemisch in demselben Zustand ist, in dem es auch die Ultraschallmessstrecke passiert, wo es bereits sämtliche Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge durchlaufen hat.
Durch die Platzierung einer Kombination aus diesen Sensoren ist bei allen Messungen eine hohe Genauigkeit und auf Grund der Bauart der Einrichtung eine hohe Messgeschwindigkeit gegeben.
Die zweite Kammer und entweder die erste Kammer oder die erste Kammer sowie die dritte Kammer sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 nebeneinander angeordnet. Die zweite Kammer ist eine Durchgangsbohrung in einem Körper, die durch die Ultraschallwandler abgeschlossen ist. Die erste Kammer oder die erste Kammer und die dritte Kammer ist oder sind weiterhin eine oder zwei Sackbohrungen gerichtet zu der Durchgangsbohrung im Körper, die mit wenigstens einer Deckplatte versehen ist oder sind. Darüber hinaus sind die Bohrungen zu den Kammern und zwischen den Kammern Kanäle für das Gasgemisch. Der Körper ist dabei das Gehäuse. Dadurch ist vorteilhafterweise eine kompakte Realisierung der Einrichtung gegeben. Die Kammern sind unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, so dass kurze Übergänge für das Gasgemisch vorhanden sind. Physikalische Eigenschaften des Gasgemisches werden dabei weitestgehend nicht verändert.
Die Kammern und die Kanäle sind durch Bohrungen realisiert, so dass das Gehäuse einfach und ökonomisch günstig herstellbar ist.
In der ersten Kammer befinden sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 zwei Rohre, wobei ein erstes Rohr beanstandet in einem zweitem Rohr und im ersten Rohr der Festelektrolyt-Sauerstoffsensor angeordnet sind. Der Raum zwischen dem ersten Rohr und dem zweiten Rohr als Zwischenraum und der Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor im ersten Rohr sowie eine räumliche Verbindung der ersten Kammer, des Zwischenraumes und dem Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor sind dabei Strömungskanäle für das Gasgemisch. Weiterhin ist der Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor über einen Kanal mit der zweiten Kammer verbunden.
Mit einer derartigen Realisierung ist sichergestellt, dass ein mehrere hundert Grad Celsius heißer Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensor in einem kleinen Raum platzierbar ist. Daraus resultiert ein geringer Leistungsverbrauch des Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensors. Gleichzeitig ist ein schneller Gasaustausch gegeben. Die beiden Rohre und die erste Kammer funktionieren vorteilhafterweise wie ein Wärmetauscher, wobei zugeführtes Gasgemisch vom heißen zu analysierenden Gasgemisch am Sensor erwärmt wird. Die benötigte Heizleistung wird vermindert.
Das Gasgemisch ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 vorzugsweise Atemluft.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
1 zeigt eine Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches in einem Gehäuse in einer Schnittdarstellung.
Eine Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 16 mit drei Kammern 1, 8, 11, einem beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor 5, einem Ultraschallsensor und Sensoren.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches in einem Gehäuse in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
Das Gehäuse 16 besteht aus zwei Quadern, wobei ein erster Quader die erste Kammer 1 und die dritte Kammer 11 enthält. Die erste Kammer 1 und die dritte Kammer 11 sind als in Richtung der zweiten Kammer 8 gerichtete Sacklöcher ausgebildet, die von wenigstens einer Deckplatte 17 abgeschlossen sind.
Innerhalb der ersten Kammer 1 befinden sich zwei Rohre mit einem äußeren Rohr 3 in einem beabstandet angeordneten inneren Rohr 4. Im inneren Rohr 4 ist der beheizbare Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensor 5 untergebracht. Über einen Einlass 2 gelangt das zu messende Gasgemisch über den Zwischenraum zwischen den Rohren 3, 4 zum Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensor 5. Von dort führt ein Kanal 6 in den zweiten Quader. Dieser zweite Quader besitzt die zweite Kammer 8 als Ultraschallmessstrecke, in die das Gasgemisch aus dem Festkörperelektrolyt-Sauerstoffsensor 5 gelangt. Die zweite Kammer 8 ist aus einer Durchgangsbohrung mit seitlich angeordneten Ultraschallwandlern 7 gebildet. Die Ultraschallwandler 7 senden oder empfangen die Impulse zur Bestimmung der Molmasse des Gasgemisches. In der Nähe der Ultraschallmessstrecke befindet sich der erste Temperatursensor 9, der die Temperatur des Gehäuses 16 erfasst.
Über einen weiteren das Gasgemisch führenden Kanal 10 gelangt das Gasgemisch in die dritte Kammer 11. Diese dritte Kammer 11 enthält einen Drucksensor 12, einen Feuchtesensor 13, einen zweiten Temperatursensor 14 oder wenigstens eine Kombination daraus.
Über einen das Gasgemisch abführenden Auslass 15 strömt das Atemgas aus dem Gehäuse 16 heraus.

Claims

Einrichtung zur Erfassung des Gehalts an Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid eines Gasgemisches mit – einem Gehäuse (16) aus einem wärmeleitenden Material mit einem Einlass (2) und einem Auslass (15) für das Gasgemisch mit einer ersten Kammer (1) mit einem beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) und einem neben der ersten Kammer (1) angeordneten und durch den beheizten Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) erwärmten Ultraschallsensor zur indirekten Erfassung der Konzentration des Kohlenstoffdioxids als eine zweite Kammer (8), wobei die erste Kammer (1) und die zweite Kammer (8) als Bestandteile des Gehäuses (16) über einen Kanal (6) miteinander verbunden sind und der Ultraschallsensor aus mindestens zwei Ultraschallwandlern (7) an einer Ultraschallmessstrecke als zweite Kammer (8) und einer Einrichtung zur Ultraschalllaufzeitmessung für das Gasgemisch besteht, und – einem Temperatursensor (9) für die Gehäusetemperatur am oder im Gehäuse (16).
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Gasgemisches nacheinander der beheizte Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) in der ersten Kammer (1) und der Ultraschallsensor als zweite Kammer (8) des durch den Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) erhitzten Gasgemisches angeordnet sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Gasgemisches nach der ersten Kammer (1) und der zweiten Kammer (8) eine über einen Kanal (10) damit verbundene dritte Kammer (11) angeordnet ist und dass sich in der dritten Kammer (11) ein Drucksensor (12), ein Feuchtesensor (13), ein weiterer Temperatursensor (14) oder wenigstens eine Kombination bestehend aus wenigstens zwei dieser Sensoren für das Gasgemisch befindet und dass die Kammern (1, 8, 11) Bestandteile des Gehäuses (16) sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (8) und entweder die erste Kammer (1) oder die erste Kammer (1) sowie die dritte Kammer (11) nebeneinander angeordnet sind, dass die zweite Kammer (8) eine Durchgangsbohrung in einem Körper ist, die durch die Ultraschallwandler (7) abgeschlossen ist, dass die erste Kammer (1) oder die erste Kammer (1) und die dritte Kammer (11) eine oder zwei Sackbohrungen zu der Durchgangsbohrung gerichtet im Körper ist oder sind, die mit wenigstens einer Deckplatte (17) versehen ist oder sind, dass die Bohrungen zu den Kammern (1, 8, 11) und zwischen den Kammern (1, 8, 11) Kanäle (2, 6, 10, 15) für das Gasgemisch sind und dass der Körper das Gehäuse (16) ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der ersten Kammer (1) zwei Rohre (3, 4) befinden, wobei ein erstes Rohr (4) beabstandet in einem zweitem Rohr (3) und im ersten Rohr (4) der Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) angeordnet sind, dass der Raum zwischen dem ersten Rohr (4) und dem zweiten Rohr (3) als Zwischenraum und der Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) im ersten Rohr (4) sowie eine räumliche Verbindung der ersten Kammer (1), des Zwischenraumes und dem Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) Strömungskanäle für das Gasgemisch sind und dass der Raum mit dem Festelektrolyt-Sauerstoffsensor (5) über einen Kanal (6) mit der zweiten Kammer (8) verbunden ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch Atemluft ist.