DE102021126106A1 - Messsystem zur Bestimmung von Gaskonzentrationen - Google Patents

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Hartmut Stark
Günter Steinert
Hans-Ullrich Hansmann
Tobias Heise
Robert Jahns
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem (100) zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe unter Ausnutzung von Wärmeleitfähigkeiten und paramagnetischen Effekten der Wärmeleitfähigkeiten in dem Gasgemisch unter Einbeziehung von Datensätzen (203).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen der Konzentrationen von paramagnetischen Gasen in einer Gasprobe, wie zum Beispiel die Konzentrationen von Sauerstoff und weiterer Gase im Atemgas, wie zum Beispiel eines Anästhesiegases eines zu beatmenden und/oder zu narkotisierenden Patienten. Das Messsystem ist erfindungsgemäß in der Lage, eine Sauerstoffkonzentration und eine Konzentration mindestens eines weiteren Gases in einem Gasgemisch einer Gasprobe zu erfassen. Als weitere Gase kommen Gase in Betracht, welche im klinischen Einsatz, insbesondere im Umfeld von Anästhesie, Intensivmedizin, Notfallmedizin zur Versorgung von Patienten mit Atemgasen Verwendung finden. Dazu zählen beispielsweise Lachgas, Anästhesiegase wie Halothan, Desfluran, Enfluran, Sevofluran, Isofluran, Xenon, daneben sind Kohlenstoffdioxid, Spurengase und auch Argon zu nennen.
  • Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen werden häufig paramagnetische Verfahren verwendet, die auf der Tatsache basieren, dass Sauerstoffmoleküle aufgrund ihres permanenten magnetischen Dipolmoments paramagnetisch sind, wohingegen die meisten anderen Gase diamagnetische Eigenschaften aufweisen. Es ist allgemein bekannt, dass sich bei paramagnetischen Gasen unter Einfluss magnetischer Felder die Wärmeleitfähigkeit ändert. Die Ursache dieses Verhaltens ist offenbar die Tatsache, dass paramagnetische Gase ein permanentes magnetisches Moment besitzen, das jedoch normalerweise, und zwar aufgrund der thermischen Molekularbewegung der Gasmoleküle, nach außen nicht in Erscheinung tritt. Ein ausreichend starkes externes Magnetfeld sorgt aber dafür, dass die magnetischen Dipolmomente der einzelnen Moleküle ausgerichtet werden. Dies bewirkt einerseits eine Änderung der Suszeptibilität, was eine Erhöhung des magnetischen Flusses zur Folge hat, andererseits stellt sich im Gas eine gewisse Molekülanordnung ein, wodurch die Freiheitsgrade und damit die Möglichkeiten, über Stöße Wärmeenergie an benachbarte Moleküle zu übertragen, eingeschränkt werden. Dadurch verändert sich in einem geringen Maße die Wärmeleitfähigkeit des Gases. Paramagnetische Messeinrichtungen zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen, insbesondere auch in Atemgasen, sind beispielsweise aus der
  • US6952947 BB, US2011094293 AA, US8596109 BB, US9360441 BB, US6895802 BB, US6405578 BB, US6430987 BA, US4808921 A , US4683426 A , US3646803 A , US3584499 A , US2944418 A bekannt.
  • Ein Grundprinzip zur Messung von Sauerstoff unter Ausnutzung von Wärmeleitungsänderungen im Zusammenhang mit Paramagnetismus wird in der US6430987 B1 beschrieben. In der Medizintechnik werden für die Beatmung von Patienten in der Narkose zum Teil komplexe Frischgasmixturen eingesetzt, die in den meisten Fällen ein binäres Grundgemisch aus Sauerstoff und Stickstoff und ggf. Lachgas und eines der gängigen Inhalations-Anästhetika (zum Beispiel Desfluran, Sevofluran, Isofluran, Enfluran, Halothan) enthalten. Für die Überwachung von Patienten ist es häufig erforderlich, auch in der Exspirationsphase des Patienten eine Bestimmung der Gaskonzentrationen durchzuführen. In der Exspirationsphase enthält die Gasmischung neben den genannten Gasen zusätzlich Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und ggf. weitere Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel Ethanol, Methan und Aceton. Hinsichtlich der relevanten Gaskonzentrationen beschränkt sich das Interesse hierbei hauptsächlich auf Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Lachgas und das Anästhetikum sowie ggf. deren zeitliche Dynamik. In der Inspirationsphase enthält die Gasmischung hingegen zumeist keine signifikanten Anteile an Kohlenstoffdioxid. Üblicherweise werden zur Bestimmung von Anästhesiegaskonzentrationen, Konzentrationen an Kohlenstoffdioxid, Lachgas und Sauerstoff mehrere, unabhängige und für das jeweilige Zielgas optimierte weitere Messeinrichtungen mit optischen oder elektrochemischen Sensoren eingesetzt, denen zugleich in paralleler Weise oder zeitlich nacheinander in serieller Weise die Gasproben des Atemgases zugeführt werden. Die Messungen solcher Messeinrichtungen müssen dann hinsichtlich der zeitlichen Dynamik und der Unterschiede oder Gegebenheiten bei der Zuführung der Gasproben zueinander abgeglichen oder synchronisiert werden, um die Gaszusammensetzung in Bezug auf die tatsächlich in einem Gasvolumen am Patienten vorliegenden Situation von Konzentrationen oder Konzentrationsveränderungen von zum Beispiel mittels Paramagnetismus in einer Messeinrichtung ermitteltem Sauerstoffanteil und Infrarot- optisch in einer weiteren Messeinrichtung ermittelten Anteilen von Kohlenstoffdioxid, Lachgas und Anästhesiegasen abzubilden.
  • Ausgehend vom Stand der Technik besteht daher ein Bedarf an kostengünstigen Messsystemen, welche in der Lage sind, eine Konzentration von Sauerstoff und eines weiteren Gases, insbesondere eines Anästhesiegases in einem Gasgemisch in einer gemeinsamen Gasprobe von Atemgas zu erfassen. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messystem, sowie ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um in einer gemeinsamen Gasprobe von Atemgas sowohl eine Konzentration von Sauerstoff und eine Konzentration eines weiteren Gases, insbesondere eines Anästhesiegases in einem Gasgemisch zu bestimmen und so die vorstehend genannten Nachteile bei der Kombination zumindest zweier Messysteme zu überwinden.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16.
  • Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden Ausführungsformen gezeigt, welche ein Messsystem zeigen, welches zumindest folgende Komponenten aufweist:
    • ◯ eine Messvorrichtung mit einem Messelement in einer Messkammer, mit einer Gaszuführung und einer Gasfortführung, mit einem Elektromagneten und mit einer Spule,
    • ◯ eine Kalkulations- und Kontrolleinheit,
    • ◯ eine Schaltungsanordnung.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Erfassung von, von dem Messelement bereitgestellten Thermospannungssignalen der Messvorrichtung ausgebildet. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Aufteilung der Thermospannungssignale in Wechselspannungs- Signalanteile UX∼ und Gleichspannungs- Signalanteile UX= ausgebildet.
  • Die Wechselspannungs- Signalanteile UX∼ und Gleichspannungs- Signalanteile UX= können für verschiedene Gase und Gasgemische unterschiedlicher Feuchtigkeit und verschiedene Temperaturen als Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ bis UXn∼, bzw. UX1F∼ bis UXFn∼ und Gleichspannungs- Signalanteile UX1= bis UXn=, bzw. UX1F= bis UXFn= symbolisiert und/oder veranschaulicht werden, wie auch beispielhaft mit der 5 für jeweils vier trockene und feuchte Gasgemische schematisch dargestellt wird, wobei der Index „F“ feuchte Gasgemische bezeichnet. Für normierte Signale werden in dieser Patentanmeldung die Symbole UY∼, UYF∼, bzw. UY=, UYF= verwendet. Für Druck- kompensierte, normierte Signale werden in dieser Patentanmeldung die Symbole UZ∼, UZF∼, bzw. UZ=, UZF= verwendet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Normierung der Wechselspannungs-Signalanteile UX∼ in normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Normierung der Gleichspannungs- Signalanteile UX= in normierte Gleichspannungs- Signalanteile UZ= ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Normierung der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ in normierte Druck- kompensierte Wechselspannungs-Signalanteile UZ∼ ausgebildet. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ oder auf Basis der normierten Druck- kompensierten Wechselspannungs- Signalanteile UZ∼ ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Bestimmung einer Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Gleichspannungs- Signalanteile Uy= ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Normierung der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= in normierte Druckkompensierte Gleichspannungs- Signalanteile Uz= ausgebildet sein. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Bestimmung einer Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Druck- kompensierten Gleichspannungs- Signalanteile Uz= ausgebildet sein.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Bereitstellung eines Ausgabesignals, welches die bestimmte Sauerstoffkonzentration und die bestimmte Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe indiziert, ausgebildet.
  • Das Messelement ist als ein planares Halbleiter- oder Siliziumelement (MEMS, Halbleiter- Chip) mit einer Membran ausgebildet und weist auf der Membran eine Heizstruktur und an einer Messtelle eine Wärmeleitungs-Messeinheit auf.
  • Die Messvorrichtung ist gemeinsam mit der Schaltungsanordnung zu einer Beheizung der Heizstruktur auf der Membran des Messelementes ausgebildet. Das Messelement ist in der Messkammer derart angeordnet, dass eine Menge des Gasgemisches der Gasprobe dem Messelement zugeführt werden kann. Das Messelement wird auf eine gegenüber der Temperatur der in der Messkammer befindlichen Menge des Gasgemisches erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt. Die Messvorrichtung ist mit dem Elektromagneten, der Spule und der Schaltungsanordnung zu einer Erzeugung eines, auf das Messelement einwirkenden Magnetfeldes ausgebildet. Bei Anwesenheit eines paramagnetischen Gases im Gasgemisch am Messelement ändert sich unter Einfluss des Magnetfeldes die Wärmeleitung proportional zum Anteil des paramagnetischen Gases. Ist beispielsweise Sauerstoff im Gasgemisch, erfolgt eine Temperaturerhöhung, welche einen Anstieg der am beheizten Messelement erfassbaren Thermospannungssignale zur Folge hat. Die Schaltungsanordnung ist zu einer Bereitstellung von Messwerten mit einem Wechselspannungs- Signalanteil und mit einem Gleichspannungs-Signalanteil an die Kalkulations- und Kontrolleinheit ausgebildet. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Betriebes mittels der Kalkulations- und Kontrolleinheit und weiterer elektronischer Komponenten, insbesondere bei Kontrolle, Steuerung und Regelung der Temperierung des Messelementes, beispielsweise mit konstanter Heizspannung, mit einem konstanten Heizstrom, mit einer konstanten Heizleistung und auch hinsichtlich der damit in Abhängigkeit und Verbindung stehenden Art der Messwerterfassung werden durch Ausführungsformen verschiedene Möglichkeiten, ergänzt durch Figuren und deren Beschreibung gezeigt. Die Gaszuführung ist zu einer Zuführung einer Menge eines Gasgemisches einer Gasprobe zu dem Messelement ausgebildet. Diese Gaszuführung kann dabei zu einer Zuführung der Menge des Gasgemisches der Gasprobe mittels einer Zuleitung von einem exspiratorischen Messort, einem inspiratorischen Messort, mittels einer Zuleitung von einem patientennahen Messort oder von einem Entnahmepunkt der Gasführung in einem Anästhesie- oder Beatmungsgerät ausgestaltet sein. Von der Messvorrichtung fort kann das Messgas- nach Analyse in der Messvorrichtung- mittels einer Gasfortführung einer Gasentsorgung zugeführt werden oder beispielsweise auch an einer geeigneten Position wieder in einen Narkosegaskreislauf eines Anästhesiegerätes zurückgeführt werden.
  • In einer optionalen Ausgestaltung der Messvorrichtung kann die Kalkulations- und Kontrolleinheit zu einer Beheizung der Messkammer und/oder der Gaszuführung in der Messvorrichtung ausgebildet sein. Zu einer Vermeidung von Kondensatbildung an oder auf dem Messelement ist es vorteilhaft, die Messkammer, die Gaszuführung, die Messvorrichtung und/oder das Messsystem zu beheizen. Das Temperaturniveau der Beheizung wird derart gewählt und kontrolliert, dass es durch eine Steuerung oder Regelung konstant oberhalb der Innentemperatur einer in üblichem klinischem Betrieb befindlichen Narkosegasmessung gehalten werden kann. Dazu seien folgende typische Temperaturbereiche genannt: Als Einsatztemperaturbereich des Messystems kann ein typischer Bereich von ungefähr 10°C bis zu 50°C angenommen werden, in speziellen Situationen, z.B. in tropischen oder subtropischen Gegenden kann die Temperatur im Messsystem zum Teil auch Werte von 55°C übersteigen. Davon kann ein typisches Temperierungsniveau der Messvorrichtung bis hinauf zu ungefähr 60° abgeleitet werden, um eine Temperaturstabilisierung zu ermöglichen. Eine dauerhafte Temperierung der Messvorrichtung auf Temperaturen oberhalb von 60°C geht einerseits mit einem erhöhten Energieeinsatz einher, andererseits führen dauerhafte Temperaturen oberhalb von 60° zu vorzeitiger Alterung von Komponenten der Messeinrichtung, etwa elektronischer Elemente wie auch der Messelemente. Durch die Temperierung auf ein annähernd konstantes Temperaturniveau wird einerseits eine Kondensatbildung in der Messvorrichtung sicher verhindert, zudem ergibt sich der Vorteil, dass im Regelfall keine zusätzlichen Maßnahmen zu einer Temperaturkompensation der Messwerte, also der Wechselspannungs- Signalanteile oder Gleichspannungs- Signalanteile notwendig sind.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit kann zu einer Einbeziehung oder Kompensation von Umgebungsbedingungen mit Wirkung auf die physikalischen Eigenschaften des Gasgemisches in der Gasprobe ausgebildet sein.
  • Die Normierung der Signalanteile erfolgt durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit auf Bezugswerte. Als Bezugswerte werden dabei ein Messwert der Wechselspannungs-Signalanteile und Gleichspannungs- Signalanteile für einen Zustand angenommen, in welchem der Messvorrichtung mit der Gasprobe trockenes Gas mit einer Konzentration von 100 % Sauerstoff zugeführt wird und damit auch das Messelement von einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff umgeben ist. Der Bezugswert für die Normierung kann vorzugsweise in Messversuchen oder im Rahmen einer Funktionskontrolle der Messvorrichtung mit einer Testvorrichtung, welche zu einer Bereitstellung eines trockenen Prüfgases mit eine Sauerstoffkonzentration von 100% ausgebildet ist, ermittelt werden. Die so ermittelten Daten dienen als Basis für die Datenablage von Bezugswerten in einem Datenspeicher, welcher von der Kalkulations- und Kontrolleinheit ausgelesen werden kann. Die Bezugswerte können sodann von der Kalkulations- und Kontrolleinheit zur Normierung herangezogen werden.
  • Ausführungsformen der Erfindung zeigen, teilweise unterstützt durch Darstellungen in Figuren, wie ein Messsystem oder auch ein Verfahren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe mit einer Messvorrichtung mit einem Messelement, mit einem Elektromagneten mit einer Spule, mit einer Kalkulations- und Kontrolleinheit und mit einer Schaltungsanordnung und mit einer Magnetfeldanordnung, vorzugsweise ausgestaltet in Form eines Elektromagneten mit einer Spule ausgebildet werden können, um eine Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis von Wechselspannungs-Signalanteilen und einer Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis von Gleichspannungs- Signalanteilen bereitzustellen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Kalkulations- und Kontrolleinheit zudem ausgebildet sein, während der Normierung und/oder im Anschluss an die Normierung der Messwerte auf die Messwerte der Wechselspannungs- Signalanteile und Gleichspannungs-Signalanteile, besondere Wärmeleitungseffekte und Wärmeabfuhreffekte, welche durch Unterschiede in den Messelementen bedingt sind, zu berücksichtigen. Als ein Beispiel für solche Unterschiede sei eine Abweichung der Messelemente zueinander in Bezug auf die Membrandicke der Messelemente genannt. Bedingt durch Halbleiter- Herstellungsprozesse bei der Prozessierung der Halbleiter- Wafer weisen nicht alle mikrostrukturierten Elemente auf einem Halbleiter- Wafer eine exakt identische Dicke oder Struktur der Membran an der Wärmeleitungs- Messeinheit, an der Messstelle und/oder in der Heizstruktur auf. Die durch den Herstellungsprozess gegebene Möglichkeit unterschiedlicher Dicken der Messelemente, bzw. der Membranen der Messelemente hat einen wesentlichen Einfluss darauf, wie sich die Aufteilung zwischen dem Wärmetransport mittels Festkörper-Wärmeleitung innerhalb des Messelementes und auch des Wärmetransports über mechanische Verbindungs- und Befestigungsstellen und elektrische Kontaktierung im Verhältnis zum Wärmetransport mittels Wärmeabfuhr an das Gasgemisch der Gasprobe mittels Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion ergibt. Es kann dazu von der Kalkulations- und Kontrolleinheit beispielsweise bei einem Gas mit bekannter Wärmeleitung, etwa reinem Lachgas oder reinem Sauerstoff ein für die Messvorrichtung, bestehend aus Membran, Heizstruktur und Wärmeleitungs-Messeinheit typischer Korrekturwert, beispielsweise ein sogenannter „Cell Variation Factor“ (CVF) bestimmt werden, der Schwankungen in der Membrandicke kompensiert. Dabei wird die Wärmeleitung der Membran herausgerechnet, der Cell Variation Factor" (CVF) dient dazu, diese für die jeweilige Messanordnung spezifischen Effekte der Wärmeleitung, welche mit in den Wechselspannungs - sowie Gleichspannungs- Signalanteilen enthalten sind, zu kompensieren. Für einen Betrieb des Messsystems mit der Messvorrichtung mit Sicherstellung einer hohen Genauigkeit in Bezug auf die Konzentrationsbestimmung des weiteren Gases, insbesondere Anästhesiegases ist es deshalb von Vorteil, dass die Kalkulations- und Kontrolleinheit auch für einen Abgleich in Bezug auf die Unterschiede bedingt durch die Serienstreuung der Messelemente durchführen kann. Eine Durchführung eines solchen Abgleichs erfolgt vorzugsweise unter reproduzierbaren Bedingungen, d. h. mit einem trockenen Testgas bekannter Gaszusammensetzung, also beispielsweise 100 % Sauerstoff (O2). Prinzipiell könnte beispielsweise und zusätzlich zu trockenem Sauerstoff zur Normierung und/oder zum Abgleich auch eine Konzentration von 100 % Lachgas (Distickstoffmonoxid, N2O), Stickstoff (N2) oder einem Edelgas, beispielsweise Helium (He) verwendet werden.
  • Ein derartiger Abgleich in Bezug auf die Unterschiede zwischen verschiedenen Messelementen bedingt durch die Serienstreuung der Messelemente hinsichtlich der wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften kann beispielsweise mit einem Ablauf mit der nachfolgend skizzierten Schrittabfolge durchgeführt werden:
    1. 1. Zuführung eines der genannten Testgase
    2. 2. Betrieb des Messelementes mit Einstellungen im Standardarbeitspunkt
    3. 3. Aufnahme der zugehörigen AC- und DC- Messwerte
    4. 4. optionale Wiederholung der Schritte 1-3 mit anderen Gasen
    5. 5. Vergleiche der Messwerte mit Normwerten oder mit Vergleichswerten
    6. 6. Ermittlung der Korrekturfaktoren
  • Neben der Normierung auf das trockene Gasgemisch mit einer Gaskonzentration von 100% Sauerstoff und dem Abgleich in Bezug auf die wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften der Messelemente kann zudem zusätzlich ein Abgleich, eine Kompensation oder auch eine Justierung der Messvorrichtung oder des Messsystems von der Kalkulations- und Kontrolleinheit in Bezug auf Umgebungs- Neben- oder Randbedingungen mit erfolgen. Diese Umgebungs- Neben- oder Randbedingungen ergeben sich aus Eigenschaften der Messignalerfassung, wie beispielsweise Eigenschaften der elektronischen Bauteile, die etwa in Verstärker- Schaltungen (OP- Amp's) oder in Filterschaltungen eingesetzt sind, Eigenschaften von Analog- zu - Digitalwandler- Schaltungen (A/D- Converter) oder auch indirekte Effekte aus der Spannungsversorgung, z.B. aus Gleichrichter- Schaltungen oder Netzgeräten. Zu solchen Eigenschaften zählen beispielsweise frequenzabhängige oder andere Nichtlinearitäten von Übertragungs- oder Verstärkungskennlinien von elektronischen Bauteilen der Verstärker- oder Filter- Schaltungen, Rauschen, Offseteffekte, temperaturabhängige Drifteffekte, wie auch Effekte, welche durch Serienstreuung von Bauteilen oder durch Bauteilalterungen während der Produktlebensdauer bedingt sein können.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie Informationen, Daten oder Messwerte, welche ein Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe indizieren, für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, wie auch die Bestimmung der Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe von der Kalkulations- und Kontrolleinheit verwendet werden können. Dazu kann beispielsweise ein Drucksensor im Messsystem angeordnet oder dem Messsystem zugeordnet sein, welcher ausgebildet und dazu vorgesehen ist, ein Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe messtechnisch zu bestimmen. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist zu einer Druck- Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile ausgebildet. Die DruckKompensation ist für eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration erforderlich, da sich Veränderungen der Druckverhältnisse als Einfluss auf die Dichte im Gasgemisch der Gasprobe bemerkbar machen und zudem die Beweglichkeit, bzw. die räumliche Nähe von Sauerstoffmolekülen zueinander im Gasgemisch der Gasprobe durch das Druckniveau des Gasgemisches in der Gasprobe beeinflusst wird. Diese räumliche Nähe, bzw. der räumliche Abstand von Sauerstoffmolekülen zueinander wirken sich auf die Art und Weise der Beweglichkeit und Ausrichtung der Sauerstoffmoleküle im Magnetfeld aus. Eine Beeinflussung der Ausrichtung der Sauerstoffmoleküle im Magnetfeld durch den im Gasgemisch gegebenen Druck wirkt sich damit auch auf den paramagnetischen Effekt der Wärmeleitfähigkeit, welcher proportional zum Anteil an Sauerstoff im Gasgemisch ist, aus. Daher ist eine DruckKompensation der Wechselspannungs- Signalanteile durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit erfindungsgemäß vorgesehen. Dazu wird eine Information oder ein Druck- Messwert, welcher das aktuelle Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe repräsentiert, von der Kalkulations- und Kontrolleinheit zur Druck- Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile verwendet. Ein solcher Druck- Messwert kann beispielsweise von einem Drucksensor bereitgestellt sein, welcher in der Gaszuführung, in der Gasfortführung oder am Messelement in der Messvorrichtung angeordnet sein kann, um ein - für eine Druck- Kompensation örtlich und zeitlich repräsentatives - Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe zu erfassen.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie Informationen, Daten oder Messwerte, welche ein Temperaturniveau im Gasgemisch der Gasprobe indizieren, für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, wie auch die Bestimmung der Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe von der Kalkulations- und Kontrolleinheit verwendet werden können.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Temperatur - Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Temperatur - Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile ausgebildet.
  • Die Temperatur- Kompensation der Gleichspannungs-, bzw. der Wechselspannungs-Signalanteile kann durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit derart erfolgen, dass eine Information oder ein Temperatur - Messwert, welcher das aktuelle Temperaturniveau im Gasgemisch der Gasprobe repräsentieren, zur Temperatur- Kompensation der Signalanteile verwendet wird. Ein solcher Temperatur- Messwert kann beispielsweise von einem Temperatursensor bereitgestellt sein, welcher in der Gaszuführung, in der Gasfortführung oder am Messelement in der Messvorrichtung angeordnet sein kann, um ein - für eine TemperaturKompensation örtlich und zeitlich repräsentatives - Temperatursignal im Gasgemisch der Gasprobe zu erfassen. Dazu kann beispielsweise ein Temperatursensor im Messsystem angeordnet oder dem Messsystem zugeordnet sein, welcher ausgebildet und dazu vorgesehen ist, eine Temperatur im Gasgemisch der Gasprobe messtechnisch zu bestimmen.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie Informationen, Daten oder Messwerte, welche eine Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe indizieren, für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, wie auch die Bestimmung der Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe von der Kalkulations- und Kontrolleinheit verwendet werden können.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Feuchtigkeits- Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Feuchtigkeits- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile ausgebildet.
  • Die Feuchtigkeits- Kompensation der Gleichspannungs-, bzw. der Wechselspannungs-Signalanteile kann durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit derart erfolgen, dass eine Information oder ein Feuchtigkeits- Messwert, welcher das aktuelle Feuchtigkeitsniveau im Gasgemisch der Gasprobe repräsentiert, zur Feuchtigkeits - Kompensation der Signalanteile verwendet wird. Ein solcher Feuchtigkeits - Messwert kann beispielsweise von einem Feuchtigkeitssensor bereitgestellt sein, welcher in der Gaszuführung, in der Gasfortführung oder am Messelement in der Messvorrichtung angeordnet sein kann, um ein - für eine Feuchtigkeitskompensation örtlich und zeitlich repräsentatives - Feuchtigkeitsniveau im Gasgemisch der Gasprobe zu erfassen. Dazu kann beispielsweise ein Feuchtigkeitssensor im Messsystem angeordnet oder dem Messsystem zugeordnet sein, welcher ausgebildet und dazu vorgesehen ist, eine Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe messtechnisch zu bestimmen. Es kann am oder im Feuchtigkeitssensor ein Temperatursensor mit eingebettet sein, um sowohl die absolute als auch die relative Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe zu bestimmen und so den prozentualen Volumenanteil an Wasser oder Wasserdampf im Gasgemisch der Gasprobe für die Einbeziehung in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und der Konzentration mindestens eines weiteren Gases, insbesondere einer Anästhesiegaskonzentration zu bestimmen. Zur Veranschaulichung sei hier angegeben, wie sich die Situation für die Bestimmung der Konzentrationen von Sauerstoff und eines weiteren Gases ohne eine Feuchtigkeitskompensation darstellen würde. In einem betrachteten beispielhaften Temperaturbereich von 20°C +/- 10°C und einem Druckbereich von 1013 hPa +/-10 hPa für das Gasgemisch der Gasprobe ergibt sich ein Einfluss der Feuchtigkeit im Bereich von trockenem Gas bis hin zu Sattdampf, welcher sich beispielsweise in einer Abweichung der berechneten Sauerstoffkonzentration im Bereich von ungefähr 1,5% bis 3,0% bemerkbar machen kann und sich in einer Abweichung der berechneten Konzentration von beispielsweise Desfluran im Bereich von ungefähr 10% bis 15% bemerkbar machen kann.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Temperatur- Stabilisierung der Messvorrichtung ausgebildet sein. Die Temperatur- Stabilisierung kann durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit derart erfolgen, dass eine Information oder ein Temperatur - Messwert, welcher das aktuelle Temperaturniveau im Gasgemisch der Gasprobe repräsentiert, verwendet wird. Dazu kann beispielsweise ein Temperatursensor im Messsystem angeordnet oder dem Messsystem zugeordnet sein, welcher ausgebildet und dazu vorgesehen ist, ein Temperaturniveau im Gasgemisch der Gasprobe messtechnisch zu bestimmen. Ein solcher Temperatursensor kann in der Gaszuführung, in der Gasfortführung oder am Messelement in der Messvorrichtung angeordnet sein. Ein solcher Temperatursensor kann für eine Kontrolle, Steuerung oder Regelung einer Temperaturstabilisierung der Gasprobe und des Messelements genutzt werden. Ein solche Temperaturstabilisierung ist einerseits erforderlich, um mit dem thermoelektrischen Messelement frei von Schwankungen oder Drifteffekten durch die Umgebungstemperatur die Wärmeleitung des Gasgemisches der Gasprobe unverfälscht zu detektieren, andererseits wird eine Temperaturstablisierung mit Temperierung vorgenommen, um Kondensation der Gasprobe am Messelement zu verhindern. So sollte für eine Erfassung von Konzentrationen einer Gasprobe an Ausatemgas eine Stabilisierung auf ein Temperaturniveau oberhalb von 37 °C erfolgen, um eine Kondensatbildung sicher zu verhindern. Da unter besonderen Umgebungsbedingungen, also bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 50°C im Innern des Messsystems bedingt durch Eigenerwärmung und nur eingeschränkte Möglichkeiten der Wärmeabfuhr aus dem Messsystem an die Umgebung durchaus auch Temperaturen oberhalb von 60°C auftreten können, kann in Ausführungsformen eine Temperaturkompensation der Umgebungstemperatur, bzw. Gerätetemperatur vorgesehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann eine Temperaturkompensation in einer Weise erfolgen, dass für die Normierung ein erster Datensatz mit Bezugswerten - basierend auf Messwerten mit 100% trockenem Sauerstoff mit einer Bezugstemperatur von beispielsweise ca. 50°C - für einen Einsatz innerhalb des Temperierungsniveaus der Messvorrichtung von 45°C bis 60° verwendet wird und für einen Einsatz in Umgebungstemperaturbereichen oberhalb des typischen Temperierungsniveaus der Messvorrichtung von beispielsweise 60° C ein zweiter Datensatz an Bezugswerten - basierend auf Messwerten mit 100% trockenem Sauerstoff mit einer Bezugstemperatur von beispielsweise 65°C - verwendet wird. In solchen Ausführungsformen kann die Temperatur- Kompensation durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit unter Verwendung der Messwerte des Temperatursensors und der Bezugswerte des ersten und zweiten Datensatzes mit Bezugswerten erfolgen, wobei für Temperaturmesswerte zwischen der Bezugstemperatur des ersten Datensatzes und der Bezugstemperatur des zweiten Datensatzes, wie auch für Temperaturen oberhalb der Bezugstemperatur des zweiten Datensatzes eine Interpolation durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit durchgeführt werden kann. Zur Veranschaulichung sei angegeben, wie sich die Situation für die Bestimmung der Konzentrationen von Sauerstoff und eines weiteren Gases ohne eine Temperaturkompensation in einem Umgebungstemperaturbereich oberhalb der Bezugstemperatur der Temperierung der Messvorrichtung von ca. 65° C darstellen würde. In einem Temperaturbereich oberhalb von 70 °C +/- 10°C und einem Druckbereich von 1013 hPa +/- 10 hPa für das Gasgemisch der Gasprobe ergibt sich ein verbleibender Einfluss der Temperatur, welcher sich beispielsweise in einer Abweichung der berechneten Sauerstoffkonzentration im Bereich von ungefähr 0,7% bis 1,3% bemerkbar machen kann und sich in einer Abweichung der berechneten Konzentration von beispielsweise Desfluran im Bereich von ungefähr 10% bis 15% bemerkbar machen kann. Zur Abschätzung der Bedeutung der Feuchtekompensation kann als Abschätzung angegeben werden, dass eine fehlerhafte Temperaturkompensation von 9°C einen ähnlichen Einfluss auf die Konzentrationsbestimmung hätte wie eine um 3 Vol.% falsch kompensierte absolute Feuchtigkeit.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform zu einer Druck- Kompensation der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= in normierte Wechselspannungs- Signalanteile UZ∼ ausgebildet sein. Eine solche Druck- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile oder der normierten Gleichspannungs- Signalanteile ermöglicht es, Unterschiede in der Dichte und damit in der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches der Gasprobe zu kompensieren. Unterschiede in der Dichte ergeben sich beispielsweise bei einem Einsatzbereich in großen Höhen, etwa in Höhenlagen von mehr als 2500 Metern, also beispielsweise in Gebirgen oder in Luftfahrzeugen, insbesondere wenn durch absaugende Probenahme zusätzlicher Unterdruck gegenüber Umgebung aufgebracht werden muss.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie ein Feuchtigkeitssensor an geeigneter Position im Messystem, in der Messvorrichtung oder am Messelement angeordnet werden kann, um mit einem solchen Feuchtigkeitssensor einen für die Feuchtigkeit des Gasgemisches in der Gasprobe repräsentativen Messwert erfassbar zu machen. Ausführungsformen zeigen ferner, wie eine Spülkammer in der Messvorrichtung angeordnet werden kann. Die Anordnung der Spülkammer am Messelement, in Relation zum Messelement oder in Relation zur Gasströmung kann vorzugsweise derart erfolgen, dass das strömende Gasgemisch der Gasprobe nach Umströmung/ Überströmung der Oberfläche der Membran des Messelementes in und hindurch durch die Spülkammer strömen kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Position des Feuchtigkeitssensors so in der Messvorrichtung ausgestaltet wird, dass der Messwert auch repräsentativ für die Situation der Strömung mit Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe ist, zu der auch die Wechselspannungs- Signalanteile und Gleichspannungs-Signalanteile von der Kalkulations- und Kontrolleinheit ermittelt und bestimmt werden, damit eine Kompensation der Feuchtigkeit zeitlich korreliert in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration und/oder die Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe ermöglicht ist. Dies ergibt den Vorteil, dass der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration und/oder der Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auch in Bezug auf Atemphasen korrekt ermittelt werden kann, da zeitliche Verzögerungen oder Verschiebungen durch eine nachteilige Positionierung des Feuchtigkeitssensors nicht in die Feuchtigkeitskompensation mit eingehen können. Vorteilhaft ist eine Positionierung des Feuchtigkeitssensors in einer Spülkammer.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie mindestens ein Temperatursensor an geeigneter Position im Messystem, in der Messvorrichtung oder am Messelement angeordnet werden kann, um mit einem Temperatursensor ein, für die Temperatur des Gasgemisches in der Gasprobe repräsentatives Messignal oder einen repräsentativen Messwert erfassbar zu machen. Dabei ist es wichtig und vorteilhaft, wenn die Position des mindestens einen Temperatursensors so in der Messvorrichtung ausgestaltet wird, dass das Messignal oder der Messwert auch repräsentativ für die Situation der Strömung mit Temperatur des Gasgemisches der Gasprobe ist, zu der auch die Wechselspannungs- Signalanteile und Gleichspannungs- Signalanteile von der Kalkulations- und Kontrolleinheit ermittelt und bestimmt werden, damit eine Kompensation der Temperatur zeitlich korreliert in Bezug auf die Sauerstoffkonzentration und/oder die Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe ermöglicht ist. Dies ergibt den Vorteil, dass der zeitliche Verlauf der Sauerstoffkonzentration und/oder der Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auch in Bezug auf Atemphasen korrekt ermittelt werden kann, da zeitliche Verzögerungen oder Verschiebungen durch eine nachteilige Positionierung des Temperatursensors nicht in die Temperaturkompensation mit eingehen können.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie ein Feuchtigkeitssensor und/oder ein weiterer Temperatursensor und/oder ein Bezugstemperatursensor an geeigneter Position im Messystem, in der Messvorrichtung oder am Messelement, insbesondere in der Spülkammer an geeigneter Position im Messsystem, in der Messvorrichtung oder am Messelement angeordnet werden kann. Vorteilhaft ist eine Positionierung des mindestens einen Temperatursensors in der Messkammer oder in der Spülkammer, in welcher auch der Feuchtigkeitssensor positioniert ist. Die Spülkammer ist derart in der Messvorrichtung angeordnet, dass das mittels einer Messgasleitung (sample line) bereitgestellte Gasgemisch der Gasprobe die in der Spülkammer angeordneten Sensoren zeitnah zur messtechnischen Erfassung der Thermospannungssignale umfließen oder umströmen kann.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie mindestens ein, vorzugsweise zwei Widerstandsmesselemente in oder an der Spülkammer angeordnet ist, bzw. sind. In einer Ausführungsform kann mindestens ein Widerstandsmesselement so in der Spülkammer angeordnet sein, dass eine Auswertung der Messwerte dieses Widerstandsmesselementes es der Kalkulations- und Kontrolleinheit ermöglicht, einen Strömungszustand zu bestimmen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform können zwei Widerstandsmesselemente in Relation zueinander in der Spülkammer derart angeordnet sein, dass eine Auswertung der Messwerte dieser Widerstandsmesselemente es der Kalkulations- und Kontrolleinheit ermöglicht, einen Strömungszustand zu bestimmen. Damit kann von Kalkulations- und Kontrolleinheit unterschieden werden, ob eine Durchströmung der Messvorrichtung mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Strömung des Gasgemisches der Gasprobe in der Messvorrichtung mit Über- oder Umströmung des Messelements gegeben ist oder eine Situation ohne eine Strömung vorliegt. Eine entsprechende Information, welche diesen Strömungszustand in der Messvorrichtung indiziert, kann von der Kalkulations- und Kontrolleinheit generiert und bereitgestellt werden. Eine solche Information, welche den Strömungszustand in der Messvorrichtung indiziert, kann durch die zwei, in der Gaszuführung oder Gasfortführung angeordneten Widerstandsmesselemente, beispielsweise in Ausgestaltung von Widerstandsmesselementen oder Thermistoren (NTC) erfolgen. Vorteilhaft ist eine derartige Anordnung der zwei Widerstandsmesselemente oder Thermistoren, wenn einer der beiden der Strömung ausgesetzt ist und der andere nicht der Strömung ausgesetzt ist. Ein Vergleich von Messwerten der beiden Widerstandsmesselemente oder Thermistoren zueinander ermöglicht es dann, der Kalkulations- und Kontrolleinheit einen Zustand zu erkennen, in welchem das, in der Strömung angeordnete Widerstandsmesselement oder der Thermistor nicht umströmt wird und basierend auf diesem Vergleich ein Ausgabesignal oder Fehlersignal bereitzustellen, welches einen Fehlerzustand in Bezug auf die Durchströmung, die Gaszuführung und/oder die Gasfortführung der Messvorrichtung oder des Messsystems indiziert.
  • Ausführungsformen zeigen ferner eine Sensorik- Messeinheit, welche in der Messvorrichtung oder im Messsystem zu einer Erfassung von mindestens einem der Messwerte
    • - der Widerstandsmesselemente
    • - des Drucksensors
    • - des Feuchtigkeitssensors,
    • - mindestens einen Temperatursensors,
    angeordnet und der Kalkulations- und Kontrolleinheit zugeordnet ist und zu einer Bereitstellung der erfassten Messwerte oder von, von den Messwerten abgeleiteter Daten an die Kalkulations- und Kontrolleinheit ausgebildet und vorgesehen ist. Die Sensorik- Messeinheit kann als eigenständiges Messmodul oder als Teilmodul der Kalkulations- und Kontrolleinheit ausgestaltet sein.
  • In Ausführungsformen können dem Messsystem mittels einer Gaszuführung Gasproben eines Gasgemisches von
    • • einem patientennahen Verbindungselement (Y- Stück) als eine patientennahe Gasprobe,
    • • von der exspiratorischen Zuleitung als eine exspiratorische Gasprobe,
    • • von der inspiratorischen Zuleitung als eine inspiratorische Gasprobe
    • • von einem Entnahmepunkt der Gasführung - beispielweise am Ort der Frischgaseinspeisung - im Anästhesie- oder Beatmungsgerät als eine interne Gasprobe
    zugeführt werden und mittels der Kalkulations- und Kontrolleinheit können Gaskonzentrationen von Sauerstoff und eines weiteren Gases in der Gasprobe bestimmt werden.
  • Ausführungsformen des Messsystems, sowie des Verfahrens können sowohl in der Inspirationsphase, wie auch in der Exspirationsphase zum Einsatz kommen. Dazu kann es dann vorteilhaft sein, für eine inspiratorische Messung das Messsystem im Inspirationspfad, d. h. in der gasführenden Verbindung vom Anästhesie- oder Beatmungsgerät zum Patienten anzuordnen. Insofern kann es dann auch vorteilhaft sein, für eine exspiratorische Messung das Messsystem im Exspirationspfad, d. h. in der gasführenden Verbindung vom Patienten zum Anästhesie- oder Beatmungsgerät anzuordnen.
  • In Ausführungsformen, in denen das Messystem mit der Messvorrichtung im klinischen Umfeld der Intensivmedizin oder auf einer Intensivstation, beispielsweise in Verbindung mit einem Beatmungsgerät zum Einsatz kommt, wird das Messystem mit der Messvorrichtung zumeist nicht mit Gasmengen von einem Anästhesiegas oder mehreren Anästhesiegasen in Kombination mit Lachgas (Distickstoffmonoxid, N2O) konfrontiert. In solchen intensivmedizinischen Ausführungsformen, wenn mittels eines Beatmungsgerätes, Anästhesiegerätes oder eines Systems zu einer inhalativen Sedation dem Atemgas inspiratorisch lediglich ein einziges Anästhesiegas (Halothan, Sevofluran, Enfluran, Isofluran, Desfluran) zudosiert wird und die Gasprobe mit einem Gasgemisch mittels einer Messgasleitung aus dem inspiratorischen Pfad des intensiv- medizinischen Gerätes dem Messystem zugeführt wird, ist die Kalkulations- und Kontrolleinheit in der Lage, eine Konzentration des Anästhesiegases und eine Konzentration von Sauerstoff im Gasgemisch der Gasprobe zu ermitteln, da in einer solchen Konstellation dem Messystem auch keine Mengen von Kohlenstoffdioxid zugeführt werden. Die Konzentration des Anästhesiegases und die Konzentration von Sauerstoff im Gasgemisch der Gasprobe werden auf Basis der Thermospannungssignale für eine solche intensivmedizinische Anwendung von der Kalkulations- und Kontrolleinheit in folgender Weise bestimmt:
    1. a) Signaltrennung der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil und einen Wechselspannungs- Signalanteil.
    2. b) Optionale Feuchtigkeits- Kompensation unter Einbeziehung von Messwerten eines Feuchtigkeitssensors oder von Informationen, welche einen Feuchtigkeitsgehalt in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren.
    3. c) Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile UX∼ und Gleichspannungs-Signalanteile UX= auf Bezugswerte und Überführung in normierte Wechselspannungs-Signalanteile UY∼ und normierte Gleichspannungs- Signalanteile UY=,
    4. d) Druck- Kompensation der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ unter Einbeziehung der Messwerte eines Drucksensors oder von Informationen, welche das aktuelle Druckniveau in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren.
    5. e) Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der Druck- kompensierten, normierten Wechselspannungs- Signalanteile UZ∼
    6. f) Bestimmung einer Anästhesiegaskonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY=
    7. g) Bereitstellung eines Ausgabesignals, welche die Konzentration eines weiteren Gases und die Sauerstoffkonzentration in dem Gasgemisch der Gasprobe indiziert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein zuvor bestimmter und für die Messvorrichtung aus Membran, Heizstruktur und Wärmeleitungs-Messeinheit typischer Korrekturwert, beispielsweise der „Cell Variation Factor“ (CVF) zur Korrektur des Einflusses auf die Wechselspannungs- und Gleichspannungs- Signalanteile durch die fertigungsbedingten Toleranzen im Aufbau von Messelement und Messvorrichtung von der Kalkulations- und Kontrolleinheit in einem zwischen den Schritten d) und e) durchgeführt werden.
  • Ausführungsformen zeigen weitere Einsatzmöglichkeiten, in denen das Messystem mit der Messvorrichtung im klinischen Umfeld außerhalb klinischer Bereiche von Intensivmedizin, Anästhesie, Intensivstation und Notfallmedizin zum Einsatz kommen kann. Beispielsweise können Ausführungsformen für Gasmesstechnologien gestaltet werden, welche in der Prozessgasanalytik, Laboranalytik oder Umweltanalytik Verwendung finden können. Ausführungsformen zeigen ferner, wie in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration und/oder der Sauerstoffkonzentration bereitgestellte Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit einbezogen werden können. Wenn in einer Anwendung des Messystems nicht sichergestellt werden kann, dass keine Mengen eines Fremdgases im Gasgemisch der Gasprobe enthalten sind, ist es vorteilhaft, wenn die Kalkulations- und Kontrolleinheit Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe und des Fremdgases mit in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration, vorzugsweise eines Anästhesiegases, und/oder die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, einbeziehen kann.
  • Wenn in einer Anwendung des Messystems beispielsweise nicht sichergestellt werden kann, dass keine Mengen an Kohlenstoffdioxid im Gasgemisch der Gasprobe enthalten sind, ist es vorteilhaft, wenn die Kalkulations- und Kontrolleinheit entsprechende Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration einbeziehen kann. So können beispielsweise in Anwendungsfällen, in denen Sauerstoff nicht mittels einer Druckgasflasche oder Krankenhausinfrastruktur als gleichsam reiner Sauerstoff, sondern durch eine Konzentrationsanreicherung mittels Druckwechseladsorption bereitgestellt wird, um ein Mehrfaches höhere Anteile an Argon im Sauerstoff mit als Fremdgas enthalten. Informationen über die Anwesenheit und Konzentrationen solcher Fremdgase im Gasgemisch, wie beispielsweise Argon können - wenn sie der Kalkulations- und Kontrolleinheit entsprechend bereitgestellt werden, von der Kalkulations- und Kontrolleinheit mit in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration, vorzugsweise eines Anästhesiegases, und/oder die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration einbezogen werden. Wird Sauerstoff, welches mittels Druckwechseladsorption in einem geschlossenen oder halb- geschlossenen Anästhesie- Atemkreislaufsystem eingesetzt, so ergibt sich durch die Wiederverwendung des Ausatemgases im Kreislauf eine weitere Anreicherung von Argon in dem Atemgasgemisch, welches dem Patienten erneut zugeführt wird, da durch den im Kreislauf angeordneten Kalkabsorber die ausgeatmeten Gasmengen an Kohlenstoffdioxid zwar aus dem erneut zugeführten Atemgasgemisch entfernt werden können, nicht jedoch die Gasmengen an Argon im Kreislauf reduziert werden können.
  • In einer besonderen Ausführungsform kann auch eine Bestimmung der Konzentration von Argon als weiteres Gas im Gasgemisch von der Kalkulations- und Kontrolleinheit auf Basis der Gleichspannungs- Signalanteile ermittelt werden. Dies gilt beispielsweise und insbesondere für Anwendungen mit Überwachung der Gaszusammensetzung im Bereich der Intensivmedizin, wo keine Narkosegase und kein Lachgas im Gasgemisch enthalten sind. Dies gilt allerdings auch für Anwendungen mit Überwachung der Gaszusammensetzung im Bereich der Anästhesie, wo die Konzentrationen von Narkosegasen und Lachgas im Gasgemisch bekannt sind. In solchen Anwendungen kann das Messsystem neben einer Sauerstoffkonzentration auch eine Konzentration an Argon als weiteres Gas detektieren.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration bereitgestellte Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit einbezogen werden können. Wenn in einer Anwendung des Messystems beispielsweise nicht sichergestellt werden kann, dass keine Mengen eines weiteren paramagnetischen Gases, beispielsweise Stickstoffoxid (NO), Stickstoffdioxid (NO2), Chlordioxid (CIO2) im Gasgemisch der Gasprobe enthalten sind, ist es vorteilhaft, wenn die Kalkulations- und Kontrolleinheit Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration einbeziehen kann.
  • Bereitgestellte Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe sind beispielsweise Daten, welche von einem weiteren oder externen System, beispielsweise von einem Messsystem, welches zu einer Überwachung einer Dosierung von Gasgemischen mit mehreren Gasen, insbesondere Anästhesiegasen, im oder am Anästhesiegerät im Einsatz sind. Weitere Daten sind beispielsweise Daten, welche von einem weiteren oder externen System, beispielsweise von einem Messsystem, welches zu einer Überwachung einer Ausatemkonzentration von Kohlenstoffdioxid (Kapnometrie) im oder am Anästhesiegerät oder Beatmungsgerät im Einsatz sind. Wird beispielsweise der Kalkulations- und Kontrolleinheit die aktuelle Konzentration an Kohlenstoffdioxid bereitgestellt, so ist der Kalkulations- und Kontrolleinheit damit ermöglicht, für die Bestimmung der Konzentrationen der einzelnen Gasbestandteile im Gasgemisch der Gasprobe die Sauerstoffkonzentration und die Konzentration des weiteren Gases, insbesondere Anästhesiegases zu bestimmen und in einem gemeinsamen Datensatz bereitzustellen.
  • Wird beispielsweise der Kalkulations- und Kontrolleinheit die aktuelle Konzentration eines Gases oder des weiteren Gases bereitgestellt, so ist der Kalkulations- und Kontrolleinheit damit ermöglicht, in die Bestimmung der Konzentrationen der einzelnen Gasbestandteile im Gasgemisch der Gasprobe die Sauerstoffkonzentration, die Konzentration des weiteren Gases, insbesondere Anästhesiegases und die Konzentration des zusätzlichen Gases zu bestimmen und in einem gemeinsamen Datensatz bereitzustellen.
  • Ausführungsformen zeigen ferner, wie in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration bereitgestellte Informationen hinsichtlich eines Dosierungszustands eines Dosiersystems mit einbezogen werden können.
  • In solchen Ausführungsformen ist die Kalkulations- und Kontrolleinheit ausgebildet,
    • - bereitgestellte Informationen hinsichtlich eines Dosierungszustands eines Dosiersystem,
    • - bereitgestellte Informationen in Bezug zu Atemphasen
    • - bereitgestellte Informationen in Bezug zu Betriebszuständen eines Anästhesie- oder Beatmungsgerätes
    mit einzubeziehen.
  • Mit den Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe kann die Kalkulations- und Kontrolleinheit dann in gleicher Weise verfahren, wie in den Ausführungsformen, in denen zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder der weiteren Gaskonzentration bereitgestellte Informationen und Daten hinsichtlich einer Gaszusammensetzung der Gasprobe verwendet werden.
  • In besonders bevorzugten Ausführungsformen kann die Kalkulations- und Kontrolleinheit die bestimmte Gaskonzentration des weiteren Gases mittels Datenschnittstelle als eine Information an ein anderes oder externes System zur Bestimmung von Anästhesiegaskonzentrationen, beispielsweise an einen Anästhesiegas- Messgerät bereitstellen. Damit kann von dem Anästhesiegas- Messgerät in Anwendungsfällen, in denen unter Sicherheitsaspekten zwei im Wesentlichen redundante oder unabhängige Informationen hinsichtlich einer Konzentration eines bestimmten Anästhesiegases verfügbar sein sollen, die von der Kalkulations- und Kontrolleinheit bestimmte Anästhesiegaskonzentration zu einer Überprüfung der Plausiblität der Messwerte oder zur Funktionsprüfung herangezogen werden. Eine solche Möglichkeit zur Überprüfung auf Plausiblität oder Funktion besteht umgekehrt auch für die Kalkulations- und Kontrolleinheit, wenn von einem externen System eine Bereitstellung mittels Datenschnittstelle von Daten oder Informationen, welche die Gaskonzentration des weiteren Gases, insbesondere Anästhesiegases indizieren, an das erfindungsgemäße Messystem erfolgt. Dann kann die Kalkulations- und Kontrolleinheit die Funktion des Messystems beispielsweise dahingehend überprüfen, ob durch die Messgasleitung ein aktuelles Gasgemisch zum Messelement gefördert wird und die Thermospannungssignale mit Gleichspannungs- Signalanteil und Wechselspannungs- Signalanteil plausibel zur Strömungssituation und/oder den vom externen System gelieferten Informationen sind. Anwendungsfälle, in denen unter Sicherheitsaspekten zwei im Wesentlichen redundante oder unabhängige Informationen erforderlich sein können, können durch Dosiersysteme für Gase, insbesondere Dosiersysteme für Anästhesiegase und Mischsysteme für Atemgase mit geschlossenen Regelkreisen (closed- loop control) ausgebildet werden. Solche Dosiersysteme können durch die durch das erfindungsgemäße Messystem zusätzlich bereitgestellte Konzentration des weiteren Gases realisiert werden.
  • Nachfolgend wird gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein erfindungsgemäßes Verfahren zu einer Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe beschrieben. Gasgemische mit Anteilen von Wasser oder Wasserdampf, also mit Feuchtigkeit, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „feuchte Gasgemische“ bezeichnet.
  • Das Verfahren ermöglicht unter Verwendung von Messwerten mit einem Wechselspannungs-Signalanteil UX∼ und mit einem Gleichspannungs- Signalanteil Ux=, die Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration und eines Anästhesiegases. Eine Kalkulations- und Kontrolleinheit- oder eine andere, zur Ausführung von Verfahrensschritten geeignet ausgebildete Instanz - vollzieht im erfindungsgemäßen Verfahren die für eine Bestimmung der Gaskonzentration des weiteren Gases und die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration erforderlichen nachfolgend aufgelisteten Verfahrensschritte:
    1. a) Signaltrennung der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil und einen Wechselspannungs- Signalanteil.
    2. b) Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile UX∼ und Gleichspannungs-Signalanteile Ux= auf Bezugswerte und Überführung in normierte Wechselspannungs-Signalanteile und normierte Gleichspannungs- Signalanteile Ux=,
    3. c) Druck- Kompensation der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ unter Einbeziehung der Messwerte eines Drucksensors oder von Informationen, welche das aktuelle Druckniveau in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren,
    4. d) Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der Druck- kompensierten, normierten Wechselspannungs- Signalanteile UZ∼,
    5. e) Bestimmung einer Anästhesiegaskonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY=,
    6. f) Bereitstellung eines Ausgabesignals, welche die Konzentration eines weiteren Gases und die Sauerstoffkonzentration in dem Gasgemisch der Gasprobe indiziert.
  • In einem weiteren Schritt, vorzugsweise im Anschluss an den Schritt a) oder den Schritt b) kann eine optionale Feuchtigkeits- Kompensation unter Einbeziehung von Messwerten eines Feuchtigkeitssensors oder von Informationen, welche einen Feuchtigkeitsgehalt in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren, erfolgen. Die in diesem weiteren Schritt beschriebene optionale Feuchtigkeitskompensation ist in Gasgemischen mit variablen Anteilen an Feuchtigkeit erforderlich, beispielsweise dann, wenn Ein- oder Ausatemgasgemische mit dem dem erfindungsgemäßen Verfahren analysiert werden. Dies ist beispielsweise in Anwendungen für die Anästhesie der Fall, in denen das Verfahren zu Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration und eines Anästhesiegases angewendet wird. In Anwendungen, in denen eine Analyse von definiert trockenen Gasgemischen, beispielsweise zur Analyse von trockenem Einatemgas oder Frischgas bei einem Beatmungsgerät, welches keine Rückführung von Ausatemgasen in das Einatemgas aufweist, kann auf eine Kompensation der Feuchtigkeit - und damit auch auf einen Feuchtigkeitssensor - verzichtet werden.
  • Ferner wird gemäß des weiteren Aspekts der Erfindung für das erfindungsgemäße Verfahren eine Erweiterung des Ablaufs zu einem Abgleich der Messvorrichtung hinsichtlich möglicher Unterschiede der Messelemente, welche auf eine Serienstreuung in den wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften basieren in einer Schrittabfolge beschrieben. Es ist vorteilhaft, diese Schritte zum Abgleich der wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften der Messelemente in das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe einzubetten, bevorzugt als einen Schritt zwischen den Verfahrensschritten d) und e) oder zwischen den Verfahrensschritten e) und f). In einem solchen Schritt erfolgt ein Abgleich oder eine Korrektur des Einflusses auf die Wechselspannungs- und/oder Gleichspannungs- Signalanteile durch die fertigungsbedingten Toleranzen im Aufbau der Messzelle. Zur Ermittlung solcher Toleranzen im Aufbau der Messzelle werden die wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften des Messelementes und Effekte, welche auf der Serienstreuung, beispielsweise auf Unterschieden in der Membrandicke der Messelemente basieren, durch Messreihen unter reproduzierbaren Bedingungen, d. h. bei einem trockenen Prüfgas bekannter Gaszusammensetzung ermittelt und dann in Korrektur- Datensätzen abgelegt, welche dann im Betrieb des Messsystems bei der Bestimmung der Gaskonzentration des weiteren Gases und der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Verfahren nutzen insbesondere bei inspiratorischer Messung unter Verwendung an einem Beatmungsgerät den Vorteil, dass weder Kohlenstoffdioxid noch Lachgas als Anästhesiemittel zum Einsatz kommen. In einer solchen Konstellation kann das erfindungsgemäße Messsystem, bzw. Verfahren in vorteilhafter Weise, d. h. ohne weitere zusätzliche Messeinrichtungen oder Sensorik, sowohl die Sauerstoffkonzentration als auch die Anästhesie- Gaskonzentration von zumindestens einem Anästhesiegas erfassen. Auch bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Messsystems, bzw. des Verfahrens in, an oder mit einem Anästhesiegerät ergibt sich der Vorteil, dass, wenn kein Lachgas zum Einsatz kommt, bedingt durch den Beatmungskreis mit CO2-Absorber ebenfalls kein Kohlenstoffdioxid im Gasgemisch vorhanden ist und sich somit eine vergleichbare Situation wie für eine Verwendung an einem Beatmungsgerät ergibt. Bei exspiratorischen Messungen oder patientennahen Messungen können für den Einsatz des erfindungsgemäßen Messsystems, bzw. Verfahrens dann vom Beatmungs- oder Anästhesiegerät oder weiteren Messgeräten bereitgestellte Informationen hinsichtlich der Atemphasen, bzw. Annahmen, Messignale, Messwerte oder Informationen zur Kohlenstoffdioxidkonzentration verwendet werden, um die Sauerstoffkonzentration und die Anästhesiegaskonzentration zu bestimmen. Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Verfahren bieten somit eine kostengünstige und praxisnahe Lösung für die Überwachung der Dosierung von Gaskonzentrationen (Sauerstoff, Anästhesiegas) für Anwendungsfälle an, in denen die Anästhesie, Narkose oder volatile Sedierung ohne Lachgas ausgeführt wird, was bereits in mehr als 90% der durchgeführten Narkosen derzeit schon so gegeben ist. Zudem bieten das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Verfahren eine praxisnahe Lösung für die Überwachung der Dosierung von Gaskonzentrationen (Sauerstoff, Anästhesiegas) auch für Anwendungsfelder auf der Intensivstation, wenn inspiratorisch oder patientennah Anästhesiegas zudosiert wird.
  • Anhand der nachfolgenden Beschreibung wird unter teilweise Bezugnahme auf die Figuren die Erfindung näher erläutert.
    • Die 1 zeigt eine Messvorrichtung mit einem Elektromagneten, in dessen Luftspalt ein Messelement angeordnet ist.
    • Die 2 zeigt eine Darstellung des Messelements nach der 1.
    • Die 3a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Variante einer elektronischen Schaltung zur Steuerung der Messstelle aus 2 mit Zuführung einer konstanten elektrischen Spannung.
    • Die 3b zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung zur Steuerung der Messstelle mit Zuführung eines konstanten elektrischen Stromes.
    • Die 3c zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung zur Steuerung der Messstelle mit Zuführung einer konstanten elektrischen Leistung.
    • Die 3d zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung, bei welcher die Heizleistung zur Temperaturregelung verwendet wird.
    • Die 3e zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung, bei welcher der Heizstrom zur Temperaturregelung verwendet wird.
    • Die 3f zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung, bei welcher die Heizspannung zur Temperaturregelung verwendet wird.
    • Die 3g zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung bei welcher die Heizleistung als Wärmeleitungssignal verwendet wird.
    • Die 3h zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung bei welcher der Heizstrom als Wärmeleitungssignal verwendet wird.
    • Die 3i zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer elektronischen Schaltung bei welcher die Heizspannung als Wärmeleitungssignal verwendet wird.
    • Die 4 zeigt eine schematische Darstellung mit einer Variante der elektronischen Schaltung nach der 3a mit weiteren Komponenten zum Betrieb der Messvorrichtung nach der 1 und 2 mit Elementen zu Signalauswertung, Kalkulation und zur Konzentrationsbestimmung.
    • Die 5 zeigt Diagramme von Thermospannungssignalen mit Gleichspannungs-Signalanteilen und Wechselspannungs- Signalanteilen.
    • Die 6 zeigt in einer schematischen Darstellung, wie die Messvorrichtung mit weiterer Sensorik ergänzt werden kann und wie die Messvorrichtung mit Messkammer, Spülkammer, Gasführung, Gaszuführung und Gasfortführung zur Über- oder Umströmung des Messelementes im Messsystem angeordnet ist.
    • Die 7 zeigt einen beispielhaften Ablauf zum Betrieb des Messsystems.
  • Die 1 zeigt eine Messvorrichtung 1 mit einem Elektromagneten 4, in dessen Luftspalt 3 ein Messelement 2 angeordnet ist. Die Messvorrichtung (bzw. Sensor) 1 ist zu einer messtechnischen Erfassung einer Sauerstoffkonzentration oder der Konzentration eines anderen paramagnetischen Gases in einer Gasprobe vorgesehen und geeignet ausgebildet. Die Gasführung innerhalb der Messvorrichtung 1, beispielsweise in Form von Ausgestaltungen von Küvetten oder Kavernen, und auch die Gasführung hin zu und fort von der Messvorrichtung 1 ist aus Gründen der zeichnerischen Übersichtlichkeit nicht mit in den 1 bis 4 gezeigt. Die Messvorrichtung 1 weist ein Messelement 2 auf, das im gezeigten Fall im Luftspalt 3 eines mit einer Spule 5 versehenen Elektromagneten 4 angeordnet ist, so dass die Messstelle des Messelementes 2 mit einem elektrisch steuerbaren Magnetfeld beaufschlagt werden kann. Statt der Spule 5 kann in einer alternativen Ausgestaltungsvariante auch ein Permanentmagnet (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mit Hilfe dessen ein konstantes Magnetfeld erzeugt werden kann. Die Messvorrichtung 1 ist ferner ausgestaltet, damit das zu analysierende Gas als Gasprobe durch den Luftspalt 3 und am Messelement 2 vorbei strömen kann.
  • In der 2 ist gezeigt, dass das Messelement 2 eine Messstelle mit einer Wärmeleitungs-Messeinheit 6 aufweist, die als ein Thermoelement (Thermopile) ausgestaltet ist. Das Messelement 2 kann eine oder mehrere Wärmeleitungs- Messeinheiten 6 aufweisen. Das Messelement 2 kann eine zumindest teilweise durchbrochene Membran 7 für den Gaszutritt der Gasprobe von der Oberseite und/oder der Unterseite aufweisen. Vorzugsweise wird jedoch eine geschlossene Membran 7 verwendet, deren Trägerrahmen z. B. ätztechnisch insoweit entfernt worden ist, dass das Messgas durch die entstehende Lücke unter die Membran gelangen kann. Um den Zutritt des zu analysierenden Messgases zu beiden Seiten der Messstelle 9 zu ermöglichen, kann entweder die Membran 7 teilweise durch Ätzen entfernt werden, oder es wird das Messelement 2 teilweise derart dünn geätzt, so dass der Gaszutritt von der Vorderseite möglich wird. Bevorzugt wird das durch die Spule 5 erzeugte Magnetfeld als ein reines Wechselfeld mit einem zum Nullpunkt symmetrischen zeitlichen Verlauf ausgeführt. Der zeitliche Verlauf ist vorzugsweise sinusförmig, kann aber auch andere Formen haben (beispielsweise Dreieck- oder gestufte Rechteck-Form). Das Magnetfeld kann alternativ oder zusätzlich in der Amplitude gesteuert sein. Aus der Amplitudensteuerung des magnetischen Wechselfeldes ergibt sich der Vorteil, bei höheren Sauerstoffsignalpegeln mit der Magnetisierung gleichzeitig die elektrische Leistung für die Messstellen reduzieren zu können. Es ist aber auch eine mit einem Gleichanteil unterlagerte Magnetisierung denkbar, bei der der modulierte Feldanteil auf der Magnetisierungskennlinie verschoben werden kann. Um den Energieaufwand für die Magnetisierung gering zu halten, ist es ebenfalls denkbar, das Magnetfeld zumindest teilweise mit einem Permanentmagneten zu erzeugen. Wie ferner in 2 zu sehen, weist das Messelement 2 eine elektrisch steuerbare Heizstruktur 8 auf, die beispielsweise als eine, auf der Membran angeordnete, elektrisch leitfähige Widerstandsstruktur oder als ein Heizdraht ausgestaltet sein kann. Vorzugsweise ist die Heizstruktur 8 ausgestaltet, um die Membran 7 des Messelementes 2 auf eine gewünschte Temperatur zu erhitzen. Es sei angemerkt, dass die Wärmeleitungs- Messeinheit 6 und die Heizstruktur 8 integriert ausgeführt sein können, d. h. ein resistives Heiz-/Messelement, bei dem eine Temperaturmessung unter Nutzung des Temperaturkoeffizienten des resistiven Materials ermöglicht ist. Beispiele solcher Heizstrukturen 8 können Heizdrähte oder ähnliche Heizmittel mit einer temperaturabhängigen Resistivität sein. Folglich können, sofern technisch sinnvoll, die Messeinheiten 6 und die zugehörigen Heizstrukturen 8 auch durch integrierte temperaturabhängige Strukturen ersetzt werden.
  • In den Figuren sind diese temperaturabhängigen Heizstrukturen 8 aus Gründen der Übersichtlichkeit als eine Wärmeleitungs-Messeinheit 6 und als eine Heizstruktur 8 vereinfacht jeweils separat und vereinfacht dargestellt. Die in der folgenden Beschreibung der Figuren beschriebenen Aspekte zu Betrieb und Signalauswertung beziehen sich überwiegend, wenn nicht anders erwähnt, auf Anordnungen mit einer Messstelle und einer Messeinheit 6, die auf einem Messelement 2 angeordnet sind, diese Aspekte sind dabei auch auf Anordnungen mit mehr als einer Messstelle und mehr als einer Messeinheit 6, die auf einem Messelement 2 angeordnet sind, übertragbar. Nachfolgend werden Betrieb und Ansteuerung der Heizstrukturen 8 auf dem Messelement 2 beschrieben. Bei der Art der Ansteuerung, wie in den 3a, 3b, 3c gezeigt, wird die Messstelle 9 mit einer konstanten Heizspannung (3a), mit einem konstanten Heizstrom (3b) bzw. mit einer konstanten Heizleistung (3c) betrieben, die zu dem jeweiligen thermischen Arbeitspunkt der Heizstruktur 8 angepasst sind, wobei die erforderlichen Werte einmalig in einem Referenzgas, z. B. Sauerstoff oder Luft bestimmt und anschließend konstant gehalten werden (Kalibrierung). Die Messwerte für die Wärmeleitung 20 des an der Messstelle 9 vorbei strömenden Gases und die resultierenden periodischen Sauerstoffsignale 21 sind hier in den Spannungen der Wärmeleitungs- Messeinheit 6 zu finden.
  • Die 3a bis 3i zeigen Varianten der Messvorrichtung 1 mit unterschiedlichen Schaltungsanordnungen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 zum Betrieb der Messvorrichtung 1. Gleiche Elemente in den 1, 2 und in den 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Die 3a zeigt eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung 101 zu einem Betrieb des Messelements 2 nach der 2. In der Schaltungsanordnung 101 ist die Magnetisierungseinrichtung zur Vereinfachung der Darstellung nicht mit gezeigt und auch die Anbindung der Messtellen, der Heizstruktur 8, des Messelementes 2 und der Wärmeleitungs- Messeinheit 6 ist nur vereinfacht und schematisch dargestellt. Der Betrieb des Messelementes 2 umfasst einerseits die Ausgestaltung der Art und Weise der Beheizung des Messelementes 2. Die Beheizung des Messelements 2 kann mit einer konstanten Heizspannung, mit einem konstanten Heizstrom oder mit einer konstanten Heizleistung erfolgen. Beispielhaft sei anhand dieser 3a eine Steuerung mit konstanter Heizspannung beschrieben. Die Heizstruktur 8 ist dabei über einen, als Impedanzwandler geschalteten, Verstärker 10 und einen Spannungsteiler 11 mit variablem Abgriff mit einer Gleichspannungsquelle 12 verbunden. Die Elemente 10, 11, 12 bilden dabei zusammen eine Konstantspannungsquelle aus. Der Messwert der Wärmeleitungs- Messeinheit 6 wird zur Auswertung über eine Tiefpassanordnung 13 und über eine Hochpassanordnung 14 geführt. Am Ausgang der Hochpassanordnung 14 wird ein Wechselspannungs- Signalanteil 21 bereitgestellt. Am Ausgang der Tiefpassanordnung 13 wird ein Gleichspannungs- Signalanteil 20 bereitgestellt. Der Wechselspannungs- Signalanteil 21 im Messwert repräsentiert eine Sauerstoffkonzentration in der Gaszusammensetzung der Gasprobe. Der Gleichspannungs-Signalanteil 20 im Messwert repräsentiert eine Wärmeleitfähigkeit der Gaszusammensetzung der Gasprobe. Durch einfache Filtereinrichtungen lassen sich periodisch in der Gasprobe auftretende Schwankungen in der Sauerstoffkonzentration aus dem Messwert entfernen. Mit solch einfachen Filterschaltungen lassen sich zudem auch dem Messwert überlagerte Signalanteile, welche durch elektromagnetische Einstrahlungen, etwa aus dem 230V AC/ 50 Hz-Versorgungsspannungsnetz, hervorgerufen werden ebenfalls mit eliminieren. Zur Ermittlung der Sauerstoff- Konzentration werden der resultierende periodische Wechselspannungs-Signalanteil und der nicht- periodische Gleichspannungs- Signalanteil zueinander in Beziehung gesetzt und ausgewertet, die Art und Weise der Auswertung wird weiterhin in der Beschreibung zu den 4 und 5 beschrieben.
  • Die 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i zeigen in schematischer Darstellung jeweils weitere alternative Ausgestaltungen 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 von der elektronischen Schaltungsanordnung 101 für einen Betrieb des Messelements 2 nach der 2. Gleiche Elemente in den 1, 2 und in den 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
  • Der Schaltungsaufbau 102 von 3b, Steuerung mit konstantem Strom, unterscheidet sich vom Aufbau aus 3a lediglich dadurch, dass der Verstärker 10 als nichtinvertierender Verstärker geschaltet ist, wobei ein Teil der Ausgangsspannung des Verstärkers über einen aus Heizstruktur 8 und Shunt 15 bestehenden Spannungsteiler an den invertierenden Eingang des Verstärkers zurückgeführt wird. Beim Schaltungsaufbau 103 von 3c, Steuerung mit konstanter Leistung, ist der mit dem ersten Kontakt der Heizstruktur 8 verbundene Ausgang (Spannung) des Verstärkers 10 mit dem ersten Eingang eines Multiplizierers 16 gekoppelt, wobei dessen zweiter Eingang (Strom) über einen invertierenden Verstärker 17 sowie zwei Vorwiderstände mit dem zweiten Kontakt der Heizstruktur 8 verbunden ist. Der Ausgang des Multiplizierers 16 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 10 gekoppelt. Beim Schaltungsaufbau 104 von 3d, Steuerung mit konstanter Temperatur, ist der mit dem ersten Kontakt der Heizstruktur 8 verbundene Ausgang (Spannung) des Verstärkers 10 mit dem ersten Eingang eines Multiplizierers 16 gekoppelt, wobei dessen zweiter Eingang (Strom) über einen invertierenden Verstärker 17 sowie zwei Vorwiderstände mit dem zweiten Kontakt der Heizstruktur 8 verbunden ist. Der Ausgang des Multiplizierers 16 ist mit der Tiefpassanordnung 13 und der Hochpassanordnung 14 gekoppelt, die die DC- und AC- Ausgangssignale bereitstellen. Wie in den 3d, 3e und 3f gezeigt, werden bei der Ansteuerung die jeweiligen thermischen Arbeitspunkte mit Schaltungsanordnungen 104, 105, 106 auf konstante, von der Gaszusammensetzung unabhängige Werte geregelt. Dabei werden die Ausgangsspannungen der Wärmeleitungs-Messeinheit 6 als Regelgrößen verwendet und Heizspannungen, Heizströme, bzw. Heizleistungen nachgeführt. Träger der Messwerte sind in diesem Fall die erforderlichen Heizspannungen 24, Heizströme 23 bzw. Heizleistungen 22. Die 3g, 3h, 3i zeigen weitere Möglichkeiten der Ansteuerung mit Schaltungsanordnungen 107, 108, 109, die Kombinationen und Variationen der vorgenannten Methoden und Schaltungsanordnungen 101, 102, 103 ,104, 105 ,106 darstellen und die Vorteile des Betriebs bei konstanten Temperaturniveaus mit der vergleichsweise einfachen (weil langsamen) Temperaturregelung vereint. Hier wird die Ausgangsspannung der Wärmeleitungs-Messeinheit 6 als Regelgrößen verwendet und Heizspannung, Heizstrom, bzw. Heizleistung derart nachgeführt, dass die Arbeitstemperaturen im zeitlichen Mittel konstant sind. Die konstanten Temperaturmittelwerte bewirken stabile Messbedingungen, unabhängig von der Art des Gasgemisches, während die sich schnell ändernden, modulationsbedingten Signale 25 (Sauerstoff) direkt als Temperaturschwankungen messbar bleiben, ohne wegen ihrer geringeren Amplitude nennenswerte Arbeitspunktverschiebungen zu bewirken. Dabei werden die Regelsignale unter Verwendung von elektronischen Tiefpassanordnungen so konditioniert, dass die gasmischungsbedingten (und langsameren) Temperaturänderungen ausgeregelt werden, ohne dass die schnelleren periodischen, magnetfeldbedingten Wärmeleitfähigkeitsänderungen (Sauerstoff- Messwerte) gestört werden.
  • In der 4 wird die Schaltungsanordnung 101 nach der 3a beispielhaft in eine Ausgestaltung der Messvorrichtung 1 zu einem Messsystem 100 einbezogen, welches zu einer Bestimmung einer Konzentration von Sauerstoff in einem Atemgasgemisch und mindestens eines weiteren Gases, insbesondere eines volatilen Anästhesiegases, geeignet ausgebildet ist. Gleiche Elemente in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i und in der 4 werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i und der 4 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Eine Abgrenzungslinie trennt die aus der aus 3a bekannten Komponenten von weiteren Komponenten zeichnerisch. Es ist eine Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 vorgesehen, welche neben einem Rechenmodul 207 mit Datenspeicher 207 (RAM, ROM), auch und insbesondere in Ausgestaltung einer multifunktionalen Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 weitere Module, wie Magnetfeldansteuerung 204, eine Signalverarbeitung 205 mit Verstärkerelementen, Filterschaltungen und Analog- zu- Digitalwandlern und auch eine Datenschnittstelle 206 aufweisen können. Der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zur Messwert- und Signalerfassung 310, 320, 255, 20, 21, 25, mit einer Sensorik- Messeinheit 300 ausgestaltet oder einer Sensorik- Messeinheit 300 verbunden.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 kann eine Magnetfeldsteuerung 204 mit aufweisen, welche über Steuerungsleitungen 244 für die Ansteuerung des Elektromagneten 4 und damit für eine Erzeugung eines Magnetfeldes als ein magnetisches Wechselfeld mit einer Anregungsfrequenz 1f im Bereich von 1 Hz bis 100 Hz zuständig ist. Beispielhafte Anregungsfrequenzen sind etwa 7 Hz oder auch 15 Hz. Der Messwert der Wärmeleitungs-Messeinheit 6 wird zur Auswertung über eine Tiefpassanordnung 13 und über eine Hochpassanordnung 14 geführt. Am Ausgang der Hochpassanordnung 14 wird ein Wechselspannungs- Signalanteil 21 bereitgestellt. Am Ausgang der Tiefpassanordnung 13 wird ein Gleichspannungs- Signalanteil 20 bereitgestellt. Der Wechselspannungs- Signalanteil 21 im Messwert repräsentiert eine Sauerstoffkonzentration in der Gaszusammensetzung der Gasprobe. Der Gleichspannungs- Signalanteil 20 im Messwert repräsentiert eine Wärmeleitfähigkeit der Gaszusammensetzung der Gasprobe. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 nimmt von der Schaltungsanordnung 101 gemäß 1a, - bzw. auch von den Schaltungsanordnungen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 (3a- 3i) mittels Signalleitungen 255 den Gleichspannungs- Signalanteil Ux= 20 und den Wechselspannungs- Signalanteil Ux= 21 zur weiteren Datenverarbeitung auf. Es ist in den Messignalen des Messelements 2, bzw. der Wärmeleitungs- Messeinheit 6 die doppelte Frequenz 2f der Anregungsfrequenz als Wechselspannungs- Signalanteil 21 zu sehen. Erklären lässt sich dies dadurch, dass die Ausrichtung der Sauerstoffmoleküle im Magnetfeld, welche einen Freiheitsgrad der Beweglichkeit der Sauerstoffmoleküle im Gasgemisch der Gasprobe reduziert von der Polarität der Anregung des Magnetfeldes unabhängig ist und sich insofern die Ausrichtung der Sauerstoffmoleküle während einer Periodendauer 1T der Anregungsfrequenz 1f zweifach, d.h. mit der Frequenz 2f ergibt und dann auch in den Wechselspannungs-Signalanteilen UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802, UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 (5) der Thermospannungssignale in den Diagrammen 201, 202 (5) sichtbar wird.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 führt eine Normierung der Gleichspannungs-Signalanteile 20 und Wechselspannungs- Signalanteile 21 durch. Diese Normierung der Signalanteile 20, 21 erfolgt durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 auf einen Bezugswert 400. Als Bezugswert 400 wird dabei ein Messwert der Thermospannungssignale (5) für einen Zustand angenommen, in welchem der Messvorrichtung 1 mit der Gasprobe ein trockenes Gasgemisch mit einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff zugeführt wird und damit auch das Messelement 2 von einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff umgeben ist.
  • Es ergeben sich daraus für trockene Gasgemische X1 500, X2 600, X3 700, X4 800 (5) normierte Spannungssignale mit normierten Wechselspannungs- Signalanteilen UY∼ und normierten Gleichspannungs- Signalanteilen UY=. Es ergeben sich daraus für feuchte Gasgemische X1F 508, X2F 608, X3F 708, X4F 808 (5) normierte Spannungssignale mit normierten Wechselspannungs- Signalanteilen UYF∼ und normierten Gleichspannungs-Signalanteilen UYF=.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zu einer Druckkompensation der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼ in Druck- kompensierte, normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY UZ∼, UZF∼ ausgebildet. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zu einer Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration in der Gasprobe auf Basis der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼, UZ∼, UZF∼ ausgebildet.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zu einer Bestimmung einer Konzentration eines weiteren Gases in der Gasprobe auf Basis der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY=, UYF= ausgebildet.
    Informationen oder Daten zur Feuchtigkeit in der Gasprobe können über die Datenschnittstelle 206 oder mittels eines an die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 angebundenen oder an das Messystem 100 angebundenen Feuchtigkeitssensors 320 mittels Signalleitungen 255 für die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 zur Verfügung gestellt werden. Der Feuchtigkeitssensor 320 steht in einem messtechnischen Kontakt mit dem Gasgemisch der Gasprobe.
  • Informationen oder Daten zur Temperatur in der Gasprobe können über die Datenschnittstelle 206 oder mittels eines an die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 angebundenen oder an das Messystem 100 angebundenen Temperatursensors 330 mittels Signalleitungen 255 für die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 zur Verfügung gestellt werden. Der Temperatursensor 330 steht in einem messtechnischen Kontakt mit dem Gasgemisch der Gasprobe.
  • Informationen oder Daten zum Druckniveau der Gasprobe können über die Datenschnittstelle 206 oder mittels eines an die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 angebundenen oder an das Messystem 100 angebundenen Drucksensors 310 mittels Signalleitungen 255 für die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 zur Verfügung gestellt werden. Der Drucksensor 310 steht in einem messtechnischen Kontakt mit dem Gasgemisch der Gasprobe.
    Im Datenspeicher 207 des Rechenmoduls 207, sowohl in Ausgestaltungen als flüchtige (RAM) oder nichtflüchtige (ROM) Speicherbausteine als auch in Ausgestaltungen in Form von Datenträgern (Festplatten, Speicherkarten) sind Datensätze 203 in Form von Tabellen oder mehrdimensionalen Datenfeldern abgelegt, auf deren Basis es der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 möglich ist, unter Verarbeitung der Wechselspannungs- Signalanteile UX∼, UXF∼ eine Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe zu bestimmen.
    Zudem ist es der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 möglich, auf Basis der in Form von Tabellen oder mehrdimensionalen Datenfeldern abgelegten Datensätzen 203 und Verarbeitung der Gleichspannungs- Signalanteile UX=, UXF= eine Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe, vorzugsweise eine Konzentration eines volatilen Anästhesiegases, wie etwa Desfluran zu bestimmen. Anästhesiegase, deren Konzentration auf Basis der Daten und aus den Gleichspannungs- Signalanteilen durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ermittelt werden können sind beispielsweise Halothan, Sevofluran, Enfluran, Isofluran oder Desfluran. Die Datensätze 203, welche in Form von Datenfeldern oder Tabellen im Datenspeicher 207 hinterlegt sind, umfassen Informationen oder Zuordnungszusammenhänge zu Signalverläufen, welche sich für die Gleichspannungs- Signalanteile UX=, UXF= bei verschiedensten Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an Feuchtigkeit, des Druckniveaus und des Temperaturniveaus ergeben. Die Datensätze 203, welche in Form von Datenfeldern oder Tabellen im Datenspeicher 207 hinterlegt sind, umfassen Informationen oder Zuordnungszusammenhänge zu Signalverläufen, welche sich für die Wechselspannungs-Signalanteile UX∼, UXF∼ bei verschiedensten Bedingungen hinsichtlich des Gehalts an Feuchtigkeit, des Druckniveaus und des Temperaturniveaus ergeben. Die Informationen oder Zuordnungszusammenhänge können beispielsweise in Form einer Tabelle mit auf ein trockenes Gasgemisch mit einem Anteil von 100% Sauerstoff normierten Messwerten oder Wertepaaren abgelegt sein, die beispielsweise in Messreihen unter präziser Einstellung der Konzentrationen von Sauerstoff, Stickstoff und eines Anästhesiegases im Gasgemisch in Versuchsreihen ermittelt wurden. Dabei können beispielhaft folgende Konzentrationsbereiche von Sauerstoff, Stickstoff und mindestens einem Anästhesiegases angewendet worden sein
  • (Angaben in Vol.%):
    • - Sauerstoff: 15% - 100%,
    • - Stickstoff: 0% - 85%,
    • - Anästhesiegas Desfluran: 0% - 20%,
    • - Anästhesiegas Isofluran: 0% - 12%,
    • - Anästhesiegas Sevofluran: 0% - 12%,
    • - Anästhesiegas Halothan: 0% - 12%,
    • - Anästhesiegas Enfluran: 0% - 12%,
    • - Feuchtigkeitsbereich des Messgases: 0% - 95%, ATPS (Ambient Temperature Pressure Saturated.
  • Typische und übliche Umgebungsbedingungen bei der Durchführung sind beispielsweise:
    • - Umgebungsdruckbereich: 400hPa - 1100hPa,
    • - Temperaturbereich des temperierten Messsystems: 55°C - 65°C,
    • - Umgebungstemperaturbereich 10°C - 50°C.
  • Diese Informationen oder Werte können als diskrete Datenwerte im Datenspeicher 207 abgelegt sein, die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist in einem solchen Fall ausgestaltet, in der Signalerfassung der Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802, UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 (5) und Gleichspannungs- Signalanteile UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803, UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 (5) im Betrieb des Messystem 100 auftretende Zwischenwerte durch Interpolation, beispielsweise über eine zumindest abschnittsweise lineare, quadratische, kubische, Polynom- oder Spline-Interpolation anzunähern, um den Zuordnungszusammenhang feiner oder feinstufig abzubilden. Die Informationen oder Zuordnungszusammenhänge können alternativ oder teilweise zusätzlich auch mit Hilfe von aus den Messdaten ermittelten Berechnungsformeln gebildet werden, beispielsweise in Ausgestaltung von Funktionen, ähnlich wie in den Formeln 1 bis 5 nach der 5 in allgemeiner Form gezeigt. Die Funktionen können dabei beispielsweise als Polynom-Funktionen jeweils Bereiche der Konzentrationsbereiche von Sauerstoff, Stickstoff und mindestens einem Anästhesiegases unter Einfluss von Temperatur, Druckniveau und Feuchtigkeit abbilden. Die Zuordnungszusammenhänge können in den Datensätzen 203 ( 4) dabei auch Besonderheiten, etwa Eigenschaften wie den Signalen 20, 21 (4) überlagerte Signale oder Offset- Spannungen der Elektronik- Komponenten (Verstärker, A/D-Wandler, Filterschaltungen) bedingt durch den Betrieb der Messeinrichtung 1 (4) und/oder des Messystems 100 (4) unter Verwendung der Schaltungsanordnungen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 (3c bis 3i) mit umfassen. Solche Zuordnungszusammenhänge können dabei auch die Effekte, welche in der Messvorrichtung 1 auf die Wärmebilanz am Messelement 2 und der Membran 7 mit einwirken und sich damit auch auf die Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802, UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 (5) und Gleichspannungs- Signalanteile UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803, UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 (5) im Betrieb des Messystems 100 auswirken, mit berücksichtigen. Insbesondere können auch Effekte in die Zuordnungszusammenhänge 203 (4) oder Datensätze 203 (4) mit einfließen, die durch die Unterschiedlichkeit der Ausgestaltungen der Schaltungsanordnungen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 (3c bis 3i) in Bezug auf den Betrieb mit Temperierung des Messelements 2 (1, 2, 4, 3c bis 3i) und die Art der Kontrolle mit Steuerung und/oder Regelung der Temperierung des Messelements 2 (1, 2, 4, 3c bis 3i) bedingt sind, etwa dem Betrieb mit konstanter Temperatur der Heizstruktur, konstanter elektrischer Leistung, konstanter elektrischer Spannung, konstantem elektrischem Strom durch die Schaltungsanordnungen 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109 ( 3c bis 3i). Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zudem ausgebildet, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration, Messwerte des Drucksensors 310, welcher ein Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe indiziert und/oder mittels der Datenschnittstelle 206 bereitgestellte Informationen hinsichtlich eines Druckniveaus im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zudem ausgebildet, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration, Messwerte des Feuchtigkeitssensors 320, welcher eine Feuchtigkeitssituation im Gasgemisch der Gasprobe indiziert und/oder mittels der Datenschnittstelle 206 bereitgestellte Informationen hinsichtlich einer Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 kann zudem ausgebildet sein, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration, Messwerte des Temperatursensors 330, welcher ein Temperaturniveau im Gasgemisch der Gasprobe indiziert und/oder mittels der Datenschnittstelle 206 bereitgestellte Informationen hinsichtlich eines Temperaturniveaus im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist zudem ausgebildet, bei der Normierung der Messignale UX=, UX∼ 20, 21 in normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼ und Gleichspannungs- Signalanteile UY=, UYF=, Messwerte des Feuchtigkeitssensors 320, Messwerte des Drucksensors 310, Messwerte des Temperatursensors 330 und/oder mittels der Datenschnittstelle 206 bereitgestellte Informationen hinsichtlich Temperatur, Druckniveau oder Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen. Nachfolgend wird auf Basis der 4 - teilweise unter Verweis auf die 5 - ein Verfahren zum Betrieb des Messsystems 100 zu einer Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe beschrieben. Das Verfahren ermöglicht die Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration und eines Anästhesiegases. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 - oder eine andere, zur Ausführung von Verfahrensschritten geeignet ausgebildete Instanz- vollzieht mit dem Rechenmodul 207 und weiteren Komponenten 13, 14, 205 des Messystems 100 nach der Bereitstellung der Thermospannungssignale 20, 21 durch die Wärmeleitungs- Messeinheit 6 auf dem Messelement 2 und Signalverarbeitung 205 für die Bestimmung der Gaskonzentration des weiteren Gases und die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration die folgenden Verfahrensschritte:
    1. a. Signaltrennung:
      • Es erfolgt eine Aufteilung (AC e--> DC- Trennung) der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil (DC- Anteil) 20 und einen Wechselspannungs-Signalanteil (2f-Anteil) 21. Da der Wechselspannungs- Signalanteil (2f-Anteil) 21 um mehrere Größenordnungen geringer als der Gleichspannungs- Signalanteil 20 ist, muss dieser 2f- Anteil 21 vor der nachfolgenden Analog- zu Digital- Wandlung 205 entsprechend deutlich höher verstärkt werden, als der Gleichspannungs- Signalanteil 20. Eine solche Signalverstärkung der Wechselspannungs- Signalanteile 21 kann typischerweise mit einem Verstärkungsfaktor im Bereich von 20 bis 750 durchgeführt werden. Die Amplitude des 2f-Signals wird von der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 und Rechenmodul 207 - beispielsweise in digitaler Weise - mit Hilfe eines Lock-In Verfahrens ermittelt. Vor der Aufteilung (AC ←→ DC- Trennung) der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil (DC- Anteil) 20 und einen Wechselspannungs- Signalanteil (2f-Anteil) 21 kann eine Signalverstärkung der Thermospannungssignale (Gleichspannungs- und Wechselspannungs- Signalanteil) vorgesehen sein. Eine solche Signalverstärkung kann typischerweise mit einem Verstärkungsfaktor im Bereich von 5 bis 20 durchgeführt werden. Insgesamt ergibt sich für die Verstärkung der Wechselspannungs- Signalanteile 21 dann als Verstärkung ein typischer Wert oberhalb von 200.
    2. b. Feuchtigkeits- Kompensation:
      • In optionaler Weise kann eine Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile (2f-Anteil) 21 und/oder der Gleichspannungs- Signalanteile 20 erfolgen, so dass sich Signale 20',21' (7) mit einem DC- Anteil und einem 2f- Anteil ergeben, wie sie ohne einen Wasserdampfanteil - also für ein trockenes Gasgemisch- erfasst worden wären, so dass Werte entstehen, welche trockenem Gas entsprechen. Dazu werden Messwerte des Feuchtigkeitssensors 320 oder Informationen, welche einen Feuchtigkeitsgehalt in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren, verwendet.
    3. c. Normierung/ Kalibrierung:
      1. i. Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile :
        • Der Wechselspannungs- Signalanteil 21 wird auf ein Referenzsignal 502 (5) normiert, welches einen Wechselspannungs - Signalanteil ohne einen Feuchtigkeitseinfluss oder Anteil an Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe mit einem Volumen- Anteil von 100% Sauerstoff entspricht. Dies Referenzsignal 502 ist zuvor mit Hilfe von Messversuchen gewonnen worden. Damit ergeben sich normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼.
        • ii. Normierung der Gleichspannungs- Signalanteile :
          • Der Gleichspannungs- Signalanteil 20 wird auf ein Referenzsignal 503, 400 ( 5) normiert, welches einen Gleichspannungs- Signalanteil ohne einen Feuchtigkeitseinfluss oder Anteil an Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe mit einem Volumen- Anteil von 100% Sauerstoff entspricht. Dies Referenzsignal 503, 400 ist zuvor mit Hilfe von Messversuchen gewonnen worden. Damit ergeben sich normierte Gleichspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼.
    4. d. Druck- Kompensation:
      • Es erfolgt eine Druck- Kompensation der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, UYF∼ so dass sich Druck- kompensierte, normierte Signale UZ∼, UZF∼ mit einem 2f-Anteil ergeben, wie sie bei einem Bezugsdruck von beispielsweise 1013 hPa für ein trockenes Gasgemisch- erfasst worden wären, so dass ein Wert entsteht, der trockenem Gas bei Normdruck entspricht. Dazu werden Messwerte des Drucksensors 310 oder Informationen, welche das aktuelle Druckniveau in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren, verwendet.
    5. e. Berechnung der Sauerstoff- Konzentration. Die Druck- kompensierten normierten Wechselspannungs- Signalanteile UZ∼, UZF∼ werden verwendet, um die Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gaskonzentration zu bestimmen und daraus ein Ausgabesignal zu bestimmen, welches die Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gaskonzentration indiziert.
    6. f. Berechnung der Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gaskonzentration, insbesondere einer Anästhesiegas- Konzentration im Gasgemisch der Gaskonzentration. Die normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY=, UY= werden verwendet, um die Konzentration des weiteren Gases, insbesondere die Anästhesiegas- Konzentration zu bestimmen und daraus ein Ausgabesignal zu bestimmen, welches die Konzentration des weiteren Gases, insbesondere die Anästhesiegas- Konzentration, im Gasgemisch indiziert.
  • Die beschriebenen Schritte a) - f) können im Sinne der vorliegenden Erfindung auch in einer variierten Schrittabfolge ausgeführt werden, so kann beispielsweise die Reihenfolge von Normierung und Kompensation von Druck, bzw. Feuchtigkeit in anderer Reihenfolge durchgeführt werden, je nach Aufbereitung und Ausgestaltung der Datensätze 203 und Referenzsignale 400, 502, 503, welche auf zuvor mit Hilfe von Messversuchen gewonnen wurden.
  • In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, beispielsweise in einem der Schritte b), c) oder d), kann ein Abgleich der wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften des Messelementes durchgeführt werden. Ein derartiger Abgleich in Bezug auf die Unterschiede zwischen verschiedenen Messelementen bedingt durch die Serienstreuung der Messelemente hinsichtlich der wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften kann beispielsweise wie folgt skizziert durchgeführt werden:
    • • Testgaszufuhr und Betrieb des Messelementes im Standardarbeitspunkt
    • • Erfassung der Gleichspannungs- Signalanteile UX= UX∼,
    • • optionale Wiederholung der vorhergehenden Schritte mit anderen Gasen
    • • Vergleiche der Signalanteile mit Normwerten oder mit Vergleichswerten
    • • Ermittlung von Korrekturwerten
  • In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, vorzugsweise in dem Schritt d), kann eine Druck- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile Ux= oder der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= durchgeführt werden. Die Druck- Kompensation ermöglicht es, Unterschiede in der Dichte und damit in der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches der Gasprobe zu kompensieren. Unterschiede in der Dichte ergeben sich beispielsweise bei einem Einsatzbereich in großen Höhen, etwa in Höhenlagen von mehr als 2500 Metern, also beispielsweise in Gebirgen oder in Luftfahrzeugen.
  • In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, vorzugsweise in einem der Schritte b) oder c) kann eine Temperaturkompensation der Gleichspannungs- Signalanteile durchgeführt werden. In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, vorzugsweise in einem der Schritte b) oder c) kann eine Temperaturkompensation der Wechselspannungs- Signalanteile durchgeführt werden.
  • In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, vorzugsweise in einem der Schritte b) oder c) kann eine Feuchtigkeitskompensation der Gleichspannungs- Signalanteile durchgeführt werden. In einem der Schritte des Verfahrens oder in einem weiteren Schritt, vorzugsweise in einem der Schritte b) oder c) kann eine Feuchtigkeitskompensation der Wechselspannungs- Signalanteile durchgeführt werden.
  • Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 kann Ausgabesignale 266, 267 auf Basis der ermittelten Gaskonzentration der weiteren Gaskonzentration und/oder der ermittelten Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe bereitstellen, welches die Sauerstoffkonzentration und die Konzentration mindestens eines weiteren Gases umfasst und/oder indiziert. Das Ausgabesignal 266, 267 kann zu einer numerischen, alphanumerischen oder einer grafischen Ausgabe auf einer Ausgabeeinheit 220 verwendet werden, um einen Anwender über die Ergebnisse der Gaskonzentrationsmessung zu informieren. Das Ausgabesignal 266, 267 kann auch zu einer Bereitstellung der ermittelten Gaskonzentration der weiteren Gaskonzentration und/oder der ermittelten Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe in ein Datennetzwerk 900 über die Datenschnittstelle 206 verwendet werden. Die Datenschnittstelle 206 kann in optionaler Ausgestaltung auch bidirektional ausgestaltet sein, um extern bereitgestellte Informationen aus dem Datennetzwerk 900 an die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 bereitzustellen. Solche extern bereit gestellten Informationen können beispielsweise Informationen hinsichtlich eines Dosierungszustands eines Dosiersystems umfassen, welches zu einer Dosierung des weiteren Gases, beispielsweise Desfluran und/oder zu einer Dosierung von Sauerstoff ausgebildet ist. Eine solches Dosiersystem kann als eine Dosiereinrichtung für Gase mit einer Ventilanordnung oder als ein Narkosemittelverdunster (Vapor) zu einer Dosierung volatiler Anästhesiemittel (Desfluran, Halothan, Sevofluran, Enfluran, Isofluran) ausgebildet sein. Solche extern bereitgestellte Information kann auch Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit umfassen, welche beispielsweise von einem anderen externen System erfasst und bereitgestellt werden, beispielsweise von einem Anästhesiegas- Monitor zu einer Bestimmung von Anästhesiegasen in einem Gasgemisch.
  • In der 5 sind Diagramme 201, 202 gezeigt. Mit Zuordnung zu einer Ordinate (x- Achse) 399 sind in den Diagrammen 201, 202 auf der Abszisse (y- Ache) 499 beispielhaft für vier verschiedene Gaszusammensetzungen 500, 600, 700, 800 jeweils Spannungssignale aufgetragen. Gleiche Elemente in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4 und in der 5 werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4 und der 5 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Im Diagramm 201 sind die, sich am Messelement 2 (1, 2, 4) ergebenden Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 als Ausgangssignale der Messelemente 2 (2) nach den Ausgestaltungen der Messvorrichtung 1 als Messsystem 100 gemäß der 4 für die vier beispielhaften Gaszusammensetzungen X1 500, X2 600, X3 700, X4 800 ohne einen Einfluss von Feuchtigkeit in der Gasprobe normiert dargestellt. Im Diagramm 202 sind die, sich am Messelement 2 (1, 2, 4) ergebenden Thermospannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 als Ausgangssignale der Messelemente 2 (2) nach den Ausgestaltungen der Messvorrichtung 1 als Messsystem 100 gemäß der 4 für vier weitere beispielhafte Gaszusammensetzungen X1F 508, X2F 608, X3F 708, X4F 808 unter dem Einfluss von Feuchtigkeit in der Gasprobe normiert dargestellt.
  • Die Signalverläufe der Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 im Diagramm 201 und UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 im Diagramm 202 wurden im Messversuch unter üblichen Umgebungsbedingungen von Umgebungstemperatur, Temperatur des Gasgemisches der Gasprobe und Luftdruck aufgenommen. Man kann dabei von einem Temperaturbereich von ungefähr 12 °C bis 28 °C für die Umgebungstemperatur und die Temperatur des Gasgemisches der Gasprobe ausgehen und von einem Druckbereich von ungefähr 1000 hPa bis 1025 hPa ausgehen. Die Normierung erfolgt auf das Thermospannungssignal UX3 503, 400 welches sich als Ausgangssignal eines beheizten Messelementes 2, 8 (1, 2) ergibt, wenn der Messvorrichtung 1 (1; 2) ein trockenes Gasgemisch mit einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff zugeführt wird und damit auch das Messelement 2 ((1; 2) von einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff umgeben ist.
  • Die vier beispielhaften Gaszusammensetzungen 500, 600, 700, 800 setzen sich wie folgt als verschiedene Zusammensetzungen von Luft, bzw. Sauerstoff mit einem beispielhaft ausgewählten volatilen Anästhesiegas -- in den Darstellungen dieser 5 ist dazu das Mittel Sevofluran ausgewählt -- zusammen:
    • Gaszusammensetzung X1 500: 100% Sauerstoff,
    • Gaszusammensetzung X2 600: 100% Luft (Sauerstoffanteil 21%),
    • Gaszusammensetzung X3 700: 97% Sauerstoff, 3% Sevofluran,
    • Gaszusammensetzung X4 800: 97% Luft, 3% Sevofluran.
  • Zu diesen vier Gaszusammensetzungen X1 500, X2 600, X3 700, X4 800 sind auf der Abszisse 499 die zeitlichen Verläufe normierter Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 zugeordnet und dargestellt. Dabei für jede Gaszusammensetzung X1 500, X2 600, X3 700, X4 800 jeweils ein Gleichspannungs- Signalanteil und ein zugehöriger überlagerter sinusförmiger Wechselspannung- Signalanteil in den zeitlichen Verläufen der normierten Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 dargestellt. Die Trennung von Gleichspannungsanteilen und Wechselspannungsanteilen kann -- wie in der 4 in dem Messystem 100 (4) gezeigt --, durch Verwendung geeigneter Signalfilterung mit Tiefpassanordnungen 13 (1), bzw. Hochpassanordnungen 14 (4) so erfolgen, dass sich Gleichspannungs- Signalanteile und Wechselspannungs- Signalanteile für die unterschiedlichen Gaszusammensetzungen ergeben, welche zu einer weiteren Auswertung hinsichtlich der Gaszusammensetzung von der Messvorrichtung 1 (1, 2, 4) bereitgestellt werden können.
  • Die weitere Auswertung hinsichtlich der Gaszusammensetzung kann mittels einer in dem Messystem 100 (4) angeordneten Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 (4) ausgeführt werden. Dabei werden die Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 mit den zuvor auf 100% trockenen Sauerstoff normierten Gleichspannungs- Signalanteilen und Wechselspannungs- Signalanteilen in der Art ausgewertet, dass der dann resultierende normierte periodische Wechselspannungs- Signalanteil und der nicht- periodische Gleichspannungs- Signalanteil zueinander in Beziehung gesetzt und ausgewertet werden, um mit hoher Genauigkeit eine Sauerstoffkonzentration in der Gasprobe des Gasgemisches zu bestimmen. Bezogen auf die im Diagramm gezeigten Signalverläufe der normierten
  • Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 bedeutet das beispielsweise, dass jeweils die normierten Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802 zu den normierten Gleichspannungs- Signalanteilen UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803 in Relation gesetzt werden und miteinander verglichen werden können und aus dem so gebildeten Verhältnis oder auf Basis des Vergleichs die Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe bestimmt werden kann.
  • Neben der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in der Gasprobe eines Gasgemisches erfolgt im Rahmen der Auswertung durch die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 (4) eine Bestimmung einer weiteren Gaskonzentration. Eine solche weitere Gaskonzentration ist beispielsweise das volatile Anästhesiemittel Sevofluran, dessen Effekte auf die Messwerte auch in den beispielhaften Darstellungen der Thermospannungssignale UX3 701, UX4 801 zur Veranschaulichung ausgewählt wurden.
    Aus Messversuchen hat sich gezeigt, dass die Amplitude der Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802 unter gewissen und bekannten Randbedingungen (Magnetfeldarbeitspunkt) und unter Einbeziehung, bzw. Kompensation von Umgebungseinflüssen (Druck, Feuchtigkeit) in Gasmischungen beliebiger Gasgemische aus Sauerstoff und Luft, bzw. Sauerstoff und Stickstoff mit einem Anteil eines volatilen Anästhesiemittels, beispielsweise Sevofluran (3% in den Wechselspannungs- Signalanteilen UX3∼ 702, UX4∼ 802) eine nahezu lineare Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe aufweist. U ^ Xn ∼ = f ( c O 2 )
    Figure DE102021126106A1_0001
  • Zudem ist die Amplitude der Wechselspannungs- Signalanteile UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802 abhängig vom Anteil der Konzentration an volatilem Anästhesiegas (AGas) als Anästhesiemittel, beispielsweise Sevofluran im Gasgemisch der Gasprobe. U ^ X n ∼ = f ( c A G a s )
    Figure DE102021126106A1_0002
     U ^ Xn ∼ = f ( c S e v o f l u r a n )
    Figure DE102021126106A1_0003
  • Das Niveau der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803 ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches der Gasprobe, also von der anteiligen Zusammensetzung von Sauerstoff, Luft, Feuchtigkeit, Stickstoff und volatilem
  • Anästhesiegas (AGas) als Anästhesiemittel, beispielsweise Sevofluran im Gasgemisch der Gasprobe. Je höher die Konzentration von volatilem Anästhesiemittel im Gasgemisch der Gasprobe, umso geringer ist die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Gasgemisches, dementsprechend steigt der, auf ein Signal UX1= 503, 400 mit einem trockenen Gas mit 100% Sauerstoff normierte Gleichspannungs- Signalanteil UXn= gegenüber diesem Normierungssignal UX1= 503, 400 an. U Xn = f ( c A G a s , c A i r , c O 2 , C N 2 , F e u c h t i g k e i t )
    Figure DE102021126106A1_0004
  • Je geringer die Konzentration an Sauerstoff im Gasgemisch der Gasprobe, umso geringer ist der paramagnetische Effekt auf die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Gasgemisches, dementsprechend sinkt die Amplitude des, auf ein Signal ÛX1∼ 502, 400 mit einem trockenen Gas mit 100% Sauerstoff normierten Wechselspannungs- Signalanteil ÛXn- gegenüber diesem Normierungssignal ÛX1∼ 502, 400 ab. U ^ Xn = f ( c A G a s , c A i r , c O 2 , C N 2 , F e u c h t i g k e i t )
    Figure DE102021126106A1_0005
  • Dies veranschaulichen die Signalverläufe der Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 im Diagramm 201 mit den Gleichspannungs- Signalanteilen UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803 und den Wechselspannungs- Signalanteilen UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802. Der Einfluss der Feuchtigkeit in der Gasprobe auf den Gleichspannungs- Signalanteil und den Wechselspannungs- Signalanteil wird im Diagramm 202 durch die Signalverläufe der Thermospannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 mit den Gleichspannungs-Signalanteilen UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 und den Wechselspannungs-Signalanteilen UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 beispielhaft veranschaulicht.
  • Da im Betrieb der Messvorrichtung 1 (1, 2, 4) mittels der Heizstruktur 8 (1, 2, 4) eine Zu- und/oder Nachführung von Heizenergie in Form von elektrischer Energie für das Messelement 2 (1, 2, 4) auf der Membran 7 (1, 2, 4) eine konstante elektrische Energie, elektrische Leistung, elektrische Spannung, elektrischer Strom oder Temperatur, bzw. Übertemperatur in Relation zu einer Referenztemperatur auch bei Veränderungen der Gaszusammensetzung in der Gasprobe - und damit daraus resultierenden Veränderungen in der Gesamt- Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches in dieser Gasprobe - eingestellt, d.h. gestellt, gesteuert oder geregelt wird, repräsentieren die Thermospannungssignale und Veränderungen der Thermospannungssignale ein Maß für Veränderungen bei der Einstellung und Nachführung der Heizenergie, welche durch Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit im Gasgemisch der Gasprobe hervorgerufen werden können.
  • Grundsätzlich ergibt sich aus der Physik, dass die meisten Flüssigkeiten höhere Wärmeleitfähigkeiten aufweisen als Gase oder Gasgemische. Betrachtet man Wärmeleitfähigkeiten verschiedener Gase, - in diesem Diagramm 201 beispielsweise in einer Gasprobe 500 von Luft (λ= 0.02603 W/mK)), bzw. von im Wesentlichen ca. 78% Stickstoff im Gemisch mit 21% Sauerstoff im Vergleich mit einer Gasprobe 600 von 100% Sauerstoff (λ= 0.02615 W/mK) - , so zeigt sich eine Erhöhung der Gleichspannungs- Signalanteile UX1= 503, UX2= 603 bei Abnahme der Gesamt- Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches in der Gasprobe. Das lässt sich damit erklären, dass bei einer verringerten Wärmeleitfähigkeit dem Messelement 2 (4) weniger elektrische Energie als Heizenergie zugeführt werden muss, um eine bestimmtes definiertes Temperaturniveau auf dem Messelement 2 einzustellen, da aufgrund einer verringerten Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches weniger Energie durch das Gas fortgetragen und vom Messelement 2 (4) an das Gasgemisch übertragen wird. Eine Zunahme der Gesamt- Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches geht indes mit einer Abnahme der Temperatur auf dem Messelement 2 (4) und damit verbunden, einer Verringerung der Thermospannungsignale in der Gasprobe einher.
  • Im Diagramm 202 sind nun statt der vier beispielhaften trockenen Gaszusammensetzungen in dem Diagramm 201 vier feuchte Gaszusammensetzungen X1F 508, X2F 608, X3F 708, X4F 808 dargestellt, die sich wie folgt als verschiedene Zusammensetzungen von Luft, bzw. Sauerstoff mit einem beispielhaft ausgewählten volatilen Anästhesiegas -- in den Darstellungen dieser 5 ist das Mittel Sevofluran ausgewählt - und einem Gehalt an Wasserdampf (H2O) mit 100% Sattdampf zusammensetzen:
    • Gaszusammensetzung X1F 508: 100% Sauerstoff, 3% H2O, Gaszusammensetzung X2F 608: 100% Luft (Sauerstoffanteil 21%),3% H2O, Gaszusammensetzung X3F 708: 97% Sauerstoff, 3% Sevofluran, 3% H2O, Gaszusammensetzung X4F 808: 97% Luft, 3% Sevofluran, 3% H2O. Die 100% Sattdampf an Wasser (H2O) entsprechen - gemäß Dampfdruck- Tabellen - in diesem Diagramm 202 einer Gaskonzentration von ungefähr 3% H2O im Gasgemisch der Gasprobe bei der Temperatur von 24°C. Der Einfluss der Feuchtigkeit in der Gasprobe auf den Gleichspannungs- Signalanteil und den Wechselspannungs- Signalanteil wird im Diagramm 202 durch die Signalverläufe der Thermospannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 mit den Gleichspannungs- Signalanteilen UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 und den Wechselspannungs- Signalanteilen UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 beispielhaft veranschaulicht.
  • Die sich am Messelement 2 (1, 2, 4) ergebenden Spannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 für vier beispielhafte feuchte Gaszusammensetzungen 508, 608, 708, 808 sind im Diagramm 202 dargestellt. Die Normierung erfolgt auf das Thermospannungssignal UX1 501, welches sich als zeitliche Verläufe des Ausgangssignals eines beheizten Messelementes 2, 8 (1, 2) ergibt, wenn der Messvorrichtung 100 (1; 2) ein trockenes Gasgemisch mit einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff zugeführt wird und damit auch das Messelement 2 von einer Gaskonzentration von 100 % Sauerstoff umgeben ist. Im Diagramm 202 sind Veränderungen der Thermospannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 unter Feuchtigkeitseinfluss ersichtlich. Insbesondere die Gleichspannungs- Signalanteile UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 sind im feuchten Gasgemisch der Gasprobe geringer als die Gleichspannungs- Signalanteile UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803 im trockenen Gasgemisch gemäß Diagramm 201, während die Wechselspannungs- Signalanteile UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806 in dieser schematischen Darstellung nach den Diagrammen 201, 202 im Rahmen der für diesen Messversuch bereitgestellten Messgenauigkeiten sich nicht signifikant voneinander unterscheiden. Da für die Gewinnung der Thermospannungssignale UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 die Messelemente 2 (2) zur Temperierung mit einer Schaltungsanordnung 101 (3a) mit einer im Wesentlichen konstanten Zufuhr von Energie betrieben worden sind, kann aus einer solchen Verringerung der Thermospannungssignale geschlossen werden, dass die Temperatur des Messelementes 2 (2) sich insgesamt unter Feuchtigkeitseinfluss verringert hat. Das bedeutet, dass ein Anteil der zugeführten konstanten Energie vom Messelement 2 (2) in das Gasgemisch fort geleitet wurde und damit nicht zu einer Temperierung des Messelementes 2 (2) beitragen konnte. Wasserdampf bildet - insbesondere bei Sattdampf - Molekül- Cluster im Gasgemisch der Gasprobe aus. Die Gleichspannungs- Signalanteile UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 der Thermospannungssignale gehen im Vergleich zu trockenen Gasgemischen bei einem feuchten Gasgemisch herunter, da ein Teil der zugeführten Energie dazu benötigt wird, um die Wasserdampf- Moleküle aus der Molekülanordnung in den Molekül- Clustern herauszulösen. Bedingt durch diesen Effekt ergibt sich im Resultat im Betrieb des Messystems 100 (4) unter Feuchtigkeitseinfluss eine Verringerung der Gleichspannungs- Signalanteile UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 der Thermospannungssignale, obgleich auf Basis der Wärmeleitfähigkeit von Wasserdampf (λ= 0.0199 W/mK) eine Verringerung der Gesamt-Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches in der Gasprobe - und damit auch ein Anstieg der Gleichspannungs- Signalanteile UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 der Thermospannungssignale - zu erwarten wäre. Daraus kann man schließen, dass in dieser Konstellation einer resultierenden Wärmebilanz für das Messelement 2 (4) mit Effekten von Wärmeströmung, Wärmeleitung, Wärmestrahlung sich ein erhöhter Energiebedarf ergibt, um die Wasserdampf- Moleküle aus den Molekül- Clustern zu lösen, als sich erwartungsgemäß durch die Verminderung der Gesamt-Wärmeleitfähigkeit durch den Anteil von Wasserdampf (λ= 0.0199 W/mK) in der Gasprobe gegenüber dem Bezugswert 400, 503 ergeben würde.
  • Da es sich bei der Messvorrichtung 1 im Wesentlichen nicht um eine Messeinrichtung zur Bestimmung von Wärmeleitfähigkeiten in Gasen handelt, sondern um eine Messvorrichtung 1 zu einer Bestimmung von Gaskonzentrationen in Gasgemischen unter Ausnutzung von Paramagnetismus bestimmter Gase, insbesondere Sauerstoff in Kombination mit Wärmeleitfähigkeitseffekten, welche auf einen Zustand des Messelements 2 (1, 2, 4) und auf den Betrieb des Messelements 2 (1, 2, 4) einwirken, basieren die Unterschiede in den Signalverläufen der Thermospannungssignale UX1F 505, UX2F 605, UX3F 705, UX4F 805 mit den Gleichspannungs- Signalanteilen UX1F= 507, UX2F= 607, UX3F= 707, UX4F= 807 und den Wechselspannungs- Signalanteilen UX1F∼ 506, UX2F∼ 606, UX3F∼ 706, UX4F∼ 806, welche einem feuchten Gasgemisch zugehörig sind, zu den Signalverläufen UX1 501, UX2 601, UX3 701, UX4 801 im Diagramm 201 mit den Gleichspannungs- Signalanteilen UX1= 503, UX2= 603, UX3= 703, UX4= 803 und den Wechselspannungs- Signalanteilen UX1∼ 502, UX2∼ 602, UX3∼ 702, UX4∼ 802, welche einem trockenen Gasgemisch zugehörig sind, auf einer Kombination verschiedener Effekte. Diese Effekte ergeben sich aus Veränderungen der Gaszusammensetzungen mit daraus resultierenden Änderungen in der Wärmeleitfähigkeit und der Wärmebilanz in der Messvorrichtung 1 (1, 2, 4) und deren Änderungen und Auswirkungen auf die Wärmebilanz am Messelement 2 (4). Die Wärmebilanz am Messelement 2 (4) ergibt sich im Betrieb des Messystems 100 (4) durch Effekte des Wärmetransports, etwa durch Wärmeabfuhr an die Umgebung durch Wärmestrahlung, Effekte der Wärmeströmung (Konvektion) in die Gasprobe, Effekte der Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung innerhalb der Messvorrichtung 1 oder nach außerhalb der Messvorrichtung 1 (1, 2, 3, 4), Effekte der Wärmeleitung innerhalb der Membran 7 (1, 2, 3, 4) und zu den umgebenden Strukturen der Messvorrichtung (4), wie auch Effekte bedingt durch Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung durch die elektrische Kontaktierung der Messvorrichtung 1 (1, 2, 4).
  • Die 6 zeigt die Messvorrichtung 1 schematisch eingebunden in eine Gasführung 398 mit einem Drucksensor 310, Feuchtigkeitssensor 320, Temperatursensor 330, einem weiteren Bezugstemperatursensor 340, einem ersten Thermistor 345, einem zweiten Thermistor 346 mit Anordnung von Messkammer 380, Messelement 2, Spülkammer 390 in der Messvorrichtung 1 mit Gaszuführung 385 und Gasfortführung 395. Gleiche Elemente in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4, 5 und in der 6 werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4, 5 und der 6 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Messwerte der Sensoren 310, 320, 330, 340, 345, 346 werden einer dazu geeigneten und der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 zugeordneten Sensorik- Messeinheit 300 zugeführt und bereitgestellt. Die Sensorik- Messeinheit 300 kann als ein eigenständiges Messmodul oder als Teilmodul der Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 (4) ausgestaltet sein. Der Feuchtigkeitssensor 320 kann in einer optionalen Ausgestaltung einen Bezugstemperatursensor 340 mit umfassen. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 kann ausgebildet sein, den Messwert des Feuchtigkeitssensors 320 mit Hilfe des Bezugstemperatursensors 340 zu normieren. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 kann mit Hilfe der Kenntnis von Umgebungs- und Gastemperaturen, Druckniveaus, die absolute aus der relativen Feuchtigkeit bestimmen und so die bei der Messung jeweils aktuellen Umgebungsbedingungen des Messgases für die erforderlichen Korrekturen bei der Bestimmung der Gaskonzentration des weiteren Gases und bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration entsprechend in standardisierte Bedingungen umrechnen. Als standardisierte Bedingungen lassen sich beispielsweise nennen:
    • ATPS (Ambient Temperature Pressure Saturated), 20°C, 1013 hPa, mit Feuchtigkeit gesättigt,
    • BTPS (Body Temperature Pressure Saturated), 37°C, 1013 hPa, mit Feuchtigkeit gesättigt,
    • STPD (Standard Temperature Pressure Dry), 0°C, 1013 hPa, ohne Feuchtigkeit im Gasgemisch.
  • Mit der Gasführung 398 kann Messgas in der Messvorrichtung 1 über eine Gaszuführung 385 in die Messkammer 380 gelangen. In der Messkammer 380 umströmt das Messgas das Messelement 2 und den Temperatursensor 330 und gelangt über eine Gasfortführung 395 wieder hinaus. Im Bereich der Gasfortführung 395 sind in einer Spülkammer 390 der erste Thermistor (NTC) 345, der zweite Thermistor (NTC) 346, der Drucksensor 310, sowie der Feuchtigkeitssensor 320 mit dem optionalen Bezugstemperatursensor 340 angeordnet. Der zweite Thermistor (NTC) liegt in der Gasfortführung 395 im Strömungsschatten eines Schattenelementes 347. Die Kalkulations- und Kontrolleinheit 200 ist ausgebildet, auf Basis der Messwerte des ersten Thermistors 345 und des zweiten Thermistors 346 zu ermitteln, ob eine Strömung 398 in der Gasfortführung 395 gegeben ist und ein Ausgabesignal 268 bereitstellen, welches eine Strömungssituation in der Spülkammer 390 - und damit indirekt auch in der Messkammer 380, in der Gasfortführung 395 in der Gaszuführung 385 - indiziert. Das Ausgabesignal 268 kann beispielsweise dazu Verwendung finden, einen Hinweis in Bezug auf die Strömungssituation auf der Ausgabeeinheit 220 zu veranlassen oder für ein Datennetzwerk 900 bereitzustellen.
  • Die 7 zeigt einen beispielshaften Ablauf 1100 des Verfahrens zum Betrieb des Messsystems 100 (4) zu einer Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobe in einem Ablaufplan mit einer beispielhaften Schrittabfolge von mehreren Schritten. Die 7 ist als Ergänzung, bzw. im Zusammenhang mit der Figurenbeschreibung zur 4 zu lesen. Gleiche Elemente in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4, 5, 6 und in der 7 werden in den 1, 2, 3a, 3b, 3c, 3d, 3f, 3g 3h, 3i, 4, 5, 6 und der 7 mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Ablauf 1100 mit der Schrittabfolge eines Basisverfahrens zum Betrieb des Messsystems 100 (4) mit Schritten 1001, 1002, 1003, 1004, 1005, 1006, 1007, 1008 und 1009 weist nach einem Start 1001 bis zu einem Ende 1009 folgende Verfahrensschritte auf:
    1. a. Signaltrennung 1002 mit Aufteilung der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil (DC- Anteil) 20 und Wechselspannungs- Signalanteil 21.
    2. b. Optionale Feuchtigkeits- Kompensation 1003 der Wechselspannungs- Signalanteile 21 und/oder optionale Feuchtigkeits- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile 20. Es ergeben sich als optionale Signale dann, jeweils in Bezug auf die Feuchtigkeit kompensierte Wechselspannungs- Signalanteile 21' und/oder Gleichspannungs-Signalanteile 20'.
    3. c. Normierungen 1004 der Wechselspannungs- Signalanteile 21, bzw. der Feuchtigkeitskompensierten Wechselspannungs- Signalanteile 21' auf ein Referenzsignal 502. Damit ergeben sich normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY∼. Normierung 1005 der Gleichspannungs- Signalanteile 20, bzw. der Feuchtigkeitskompensierten Gleichspanungs- Signalanteile 20' auf ein Referenzsignal 503. Damit ergeben sich normierte Gleichspannungs- Signalanteile UY=.
    4. d. Druck- Kompensation 1006 der Wechselspannungs- Signalanteile 21 mit Hilfe von Informationen, welche das aktuelle Druckniveau 310 in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren.
    5. e. Berechnung 1007 der Sauerstoff- Konzentration und Bereitstellung eines Ausgabesignals 266, welches die Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gaskonzentration indiziert.
    6. f. Berechnung 1008 der Konzentration des weiteren Gases und Bereitstellung eines Ausgabesignals 267, welches die Konzentration des weiteren Gases, insbesondere die Anästhesiegas- Konzentration, im Gasgemisch indiziert.
  • Nach Berechnung und Ausgabe von Sauerstoff- Konzentration und Konzentration des weiteren Gases erfolgt ein Rücksprung 1011 an den Start 1001 und der Ablauf 1100 und wird kontinuierlich ausgeführt. In einem weiteren optionalen Schritt 1010 kann in diesem beispielhaften Ablauf 1100 nach dieser 7 ein Abgleich der wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften 1012 des Messelementes durchgeführt werden.
  • In dem weiteren optionalen Schritt 1010 kann im beispielhaften Ablauf 1100 dieser 7 eine Druck- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile 20 erfolgen.
  • In dieser 7 wird die optionale Feuchtigkeits- Kompensation 1003 durch gestrichelte Linienform in den Schritten 1003, 1004, 1005 auch bildlich deutlich gemacht, so dass nach der
  • 7 im Ablauf 1100 dargestellt werden soll, dass beispielsweise auch keine FeuchtigkeitsKompensation erfolgen muss, in einem solchen Fall erfolgt im Schritt 1004 eine Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile 21 auf das Referenzsignal 502 und im Schritt 1005 erfolgt eine Normierung der Gleichspannungs- Signalanteile 20 auf das Referenzsignal 503.
  • Die 7 stellt aber auch folgende weitere Optionen für die Schritte 1004, 1005 mit dar:
    • - Schritt 1004: Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile 21 auf das Referenzsignal 502, Schritt 1005: Normierung der Feuchtigkeits- kompensierten Gleichspannungs-Signalanteile 20` auf das Referenzsignal 503.
    • - Schritt 1004: Normierung der Feuchtigkeits- kompensierten Wechselspannungs-Signalanteile 21' auf das Referenzsignal 502, Schritt 1005: Normierung der Feuchtigkeits- kompensierten Gleichspannungs-Signalanteile 20' auf das Referenzsignal 503.
    • - Schritt 1004: Normierung der Feuchtigkeits- kompensierten Wechselspannungs-Signalanteile 21' auf das Referenzsignal 502, Schritt 1005: Normierung der Gleichspannungs- Signalanteile 20 auf das Referenzsignal 503.
  • In allen Fällen erfolgt im Anschluss an die Schritte 1004, 1005 eine Druck- Kompensation 1006 der Wechselspannungs- Signalanteile 21. In einer optionalen Ausgestaltung des Ablaufs 1100 kann - beispielsweise in dem weiteren optionalen Schritt 1010- zusätzlich auch eine Druck-Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile 20 erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messvorrichtung
    2
    Messelement
    3
    Luftspalt
    4
    Elektromagnet
    5
    Spule
    6
    Wärmeleitungs-Messeinheit
    7
    Membran
    8
    Heizstruktur
    9
    Messstelle
    10
    Verstärker
    11
    Spannungsteiler
    12
    Gleichspannungsquelle
    13
    Tiefpassanordnungen, Tiefpassfilter, Tiefpass
    14
    Hochpassanordnungen, Hochpassfilter, Hochpass
    15
    Shunt
    16
    Multiplizierer
    17
    invertierender Verstärker
    20, 20'
    Gleichspannungs- Signalanteil (Wärmeleitungssignal) UX∼, UXF=
    21, 21'
    Wechselspannungs- Signalanteil (Sauerstoffsignal) UX=, UXF∼
    22
    Heizleistung
    23
    Heizstrom
    24
    Heizspannung
    25
    modulationsbedingte Signale (Sauerstoff)
    100
    Messsystem
    101 - 109
    Schaltungsanordnungen
    200
    Kalkulations- und Kontrolleinheit
    201, 202
    Diagramme
    203
    Datensätze, Zuordnungszusammenhang, Tabelle, Datenfeld (Array)
    204
    Magnetfeldsteuerung
    205
    Signalverarbeitung
    206
    Datenschnittstelle
    207
    Datenspeicher, Rechenmodul, µC, RAM, ROM
    220
    Ausgabeeinheit
    244
    Steuerungsleitungen zum Magneten
    255
    Signalleitungen vom Messelement
    266, 267
    Ausgabesignale
    300
    Sensorik- Messeinheit
    310
    Drucksensor, Druckmesswert, Druckmesssignal Information oder Daten zum Druckniveau in der Gasprobe
    320
    Feuchtigkeitssensor, Feuchtigkeitsmesswert, Feuchtigkeitsmesssignal Information oder Daten zur Feuchtigkeit in der Gasprobe
    330
    Temperatursensor, Temperaturmesswert, Temperaturmesssignal Information oder Daten zur Temperatur in der Gasprobe
    340
    Bezugstemperatursensor
    345, 346
    Thermistoren (NTC's)
    347
    Schattenelement
    380
    Messkammer
    385
    Gaszuführung
    390
    Spülkammer
    395
    Gasfortführung
    398
    Gasführung
    399
    Ordinate (x- Ache)
    400, 450
    Skalierungswerte, Bezugswerte, Normierungswerte
    499
    Abszisse (y- Ache)
    500, 600, 700, 800
    Gaszusammensetzungen (trocken), Gasproben
    501, 601, 701, 801
    Thermospannungssignale der trockenen Gaszusammensetzungen
    502, 602, 702, 802
    Thermospannungssignale (Wechselspannungs- Signalanteil)
    503, 603, 703, 803
    Thermospannungssignale (Gleichspannungs- Signalanteil)
    502, 503
    Bezugswerte zur Normierung
    505, 605, 705, 805
    Thermospannungssignale der feuchten Gasgemische
    506, 606, 706, 806
    Thermospannungssignale (Wechselspannungs- Signalanteil)
    507, 607, 707, 807
    Thermospannungssignale (Gleichspannungs- Signalanteil)
    508, 608, 708, 808
    Gaszusammensetzungen (feucht)
    900
    Datennetzwerk
    1000
    Abgrenzungslinie
    1001- 1011
    Schrittabfolge für den Ablauf zum Betrieb des Messsystems
    1012
    wärmeleitenden/ wärmeabführenden Eigenschaften des Messelementes
    1100
    Ablaufplan
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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    • US 3646803 A [0003]
    • US 3584499 A [0003]
    • US 2944418 A [0003]

Claims (20)

  1. Messsystem (100) zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch - mit einer Gaszuführung (385), mit einer Gasfortführung (395) - einer Messvorrichtung (1) mit einem Messelement (2) in einer Messkammer (380), einem Elektromagneten (4) und einer Spule (5), - mit einer Kalkulations- und Kontrolleinheit (200), - mit einer Schaltungsanordnung (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109), • wobei die Gaszuführung (385) zu einer Zuführung einer Menge eines Gasgemisches einer Gasprobe zu dem Messelement (2) ausgebildet ist, • wobei die Messvorrichtung (1) mit der Schaltungsanordnung (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) zu einer Beheizung der Heizstruktur (8) auf der Membran (7) des Messelementes (2) ausgebildet ist, • wobei die Messvorrichtung (1) mit dem Elektromagneten (4), der Spule (5) und der Schaltungsanordnung (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) zu einer Erzeugung eines auf das Messelement (2) einwirkenden Magnetfeldes (2) ausgebildet ist, • wobei die Schaltungsanordnung (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) zu einem Betrieb der Messvorrichtung (1) mit dem Messelement (2) und dem Elektromagneten (4) und der Spule (5) ausgebildet ist, • wobei die Schaltungsanordnung (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109) ausgebildet ist, Messwerte mit einem Wechselspannungs- Signalanteil (21) und mit einem Gleichspannungs- Signalanteil (20) an die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) bereitzustellen, • wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Einbeziehung oder Kompensation von Umgebungsbedingungen ausgebildet ist, • wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile (21) und Gleichspannungs- Signalanteile (20) auf einen Bezugswert (503, 400, 502) zu normierten Wechselspannungs- Signalanteilen UY∼ und normierten Gleichspannungs- Signalanteilen UY= ausgebildet ist, • wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ ausgebildet ist, • wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Bestimmung einer Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= ausgebildet ist, • wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Bereitstellung von Ausgabesignalen (266, 267), welches die bestimmte Sauerstoffkonzentration und die bestimmte Konzentration eines weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe indiziert, ausgebildet ist.
  2. Messsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, - bei der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder - bei der Konzentration des weiteren Gases im Gasgemisch der Gasprobe zuvor in Messversuchen ermittelte Datensätze (203), welche einen Zuordnungszusammenhang der Signalverläufe zu Konzentrationen des weiteren Gases und Sauerstoff im Gasgemisch der Gasprobe repräsentieren, zu berücksichtigen.
  3. Messsystem (100) nach Anspruch 2, wobei die Datensätze (203) in Form eines Datenfeldes oder mehrerer Datenfelder hinterlegt sind oder in Form einer Funktion oder Zuordnungsvorschrift oder Funktion hinterlegt sind.
  4. Messsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration einen Messwert eines Drucksensors (310), welcher ein Druckniveau im Gasgemisch der Gasprobe indiziert und/oder eine bereitgestellte Information hinsichtlich eines Druckniveaus im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen.
  5. Messsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Messvorrichtung (1) und/oder die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zu einer Beheizung der Messkammer (380) und/oder der Gaszuführung (385) ausgebildet ist.
  6. Messsystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration einen Messwert eines Feuchtigkeitssensors (320), welcher eine Feuchtigkeitssituation im Gasgemisch der Gasprobe indiziert oder eine bereitgestellte Information hinsichtlich einer Feuchtigkeit im Gasgemisch der Gasprobe und/oder einen Messwert eines Temperatursensors (330, 340), welcher eine Temperatursituation im Gasgemisch der Gasprobe indiziert oder eine bereitgestellte Information hinsichtlich einer Temperatur im Gasgemisch der Gasprobe einzubeziehen.
  7. Messsystem (100) nach Anspruch 6, wobei der Feuchtigkeitssensor (320) in einer Spülkammer (390) angeordnet ist.
  8. Messsystem (100) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei der Feuchtigkeitssensor (320) einen Bezugstemperatursensor (340) mit umfasst, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, den Messwert des Feuchtigkeitssensors (320) mit Hilfe des Bezugstemperatursensors (340) zu normieren.
  9. Messsystem (100) nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die Spülkammer (390) in einer Gasströmung (398) und in der Messvorrichtung (1) am Messelement (3) in Relation zum Messelement (2) und in Relation zur Gasströmung (398) derart angeordnet ist, dass das strömende Gasgemisch der Gasprobe nach Umströmung/ Überströmung der Oberfläche der Membran (7) des Messelements (2) in und hindurch durch die Spülkammer (390) strömen kann.
  10. Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei mindestens ein, vorzugsweise zwei Widerstandsmesselemente (345, 346) in der Spülkammer (390) angeordnet sind, wobei mindestens einer der beiden Widerstandsmesselemente (345) in der Strömung angeordnet ist und der andere der beiden Widerstandsmesselemente (346) hinter einem Schattenelement (347) angeordnet sein kann, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, auf Basis der Messwerte des mindestens einen Widerstandsmesselements (345) oder beider Widerstandsmesselemente (345, 346) einen Strömungszustand (398) zu bestimmen.
  11. Messsystem (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei eine Sensorik- Messeinheit (300) vorgesehen und der Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) zugeordnet ist, welche zu einer Erfassung von mindestens einem der Messwerte - der Widerstandsmesselemente (345, 346), - des Drucksensors (310), - des Feuchtigkeitssensors (320, 340), - des mindestens einen Temperatursensors (330), und zu einer Bereitstellung der erfassten Messwerte oder von, von Messwerten abgeleiteter Daten an die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet und vorgesehen ist.
  12. Messsystem (100) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, auf Basis der Daten der Widerstandsmesselemente (346, 345) zu bestimmen, ob ein Zustand mit einer Durchströmung durch die Spülkammer (390) mit dem Gasgemisch der Gasprobe gegeben ist.
  13. Messsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration bereitgestellte Informationen hinsichtlich einer Gaszusammensetzung des Gasgemisches der Gasprobe mit einzubeziehen.
  14. Messsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, in die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder in die Bestimmung der weiteren Gaskonzentration - bereitgestellte Informationen hinsichtlich eines Dosierungszustands eines Dosiersystems, - bereitgestellte Informationen in Bezug zu Atemphasen, - bereitgestellte Informationen in Bezug auf Betriebszustände eines Anästhesie- oder Beatmungsgerätes, mit einzubeziehen.
  15. Messsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Messsystem (100) mittels einer Gaszuführung (385) eine Gasprobe eines Gasgemisches - von einer exspiratorischen Zuleitung als eine exspiratorische Gasprobe, - von einer inspiratorischen Zuleitung als eine inspiratorische Gasprobe, - von einem patientennahen Verbindungselement (Y- Stück) als eine patientennahe Gasprobe, - von einem Entnahmepunkt der Gasführung - beispielweise am Ort der Frischgaseinspeisung - im Anästhesie- oder Beatmungsgerät als eine interne Gasprobe zugeführt wird und wobei die Kalkulations- und Kontrolleinheit (200) ausgebildet ist, Gaskonzentrationen von Sauerstoff und eines weiteren Gases in den Gasproben zu bestimmen.
  16. Verfahren zur Bestimmung von Gaskonzentrationen in einem Gasgemisch einer Gasprobeunter Verwendung von Messwerten mit einem Wechselspannungs- Signalanteil (21) und mit einem Gleichspannungs- Signalanteil (20), wobei in einer Schrittabfolge folgende Verfahrensschritte: - Signaltrennung der Thermospannungssignale in einen Gleichspannungs- Signalanteil (20) und einen Wechselspannungs- Signalanteil (21), - Normierung der Wechselspannungs- Signalanteile (21) und Gleichspannungs-Signalanteile (20) auf Bezugswerte (503, 400, 502) und Überführung in normierte Wechselspannungs- Signalanteile UY∼ und Gleichspannungs- Signalanteile UY=, - Druck- Kompensation der normierten Wechselspannungs- Signalanteile UX1~ unter Einbeziehung von Messwerten eines Drucksensors (310) oder von Informationen, welche das aktuelle Druckniveau in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren, - Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der Wechselspannungs- Signalanteile UY∼, - Bestimmung einer Anästhesiegaskonzentration im Gasgemisch der Gasprobe auf Basis der Gleichspannungs- Signalanteile UY= - Bereitstellung eines Ausgabesignals (266, 267), welches die Konzentration eines weiteren Gases und die Sauerstoffkonzentration in dem Gasgemisch der Gasprobe indiziert, vollzogen werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei in einem der Schritte oder in einem weiteren Schritt eine Feuchtigkeits- Kompensation der Wechselspannungs- Signalanteile (21) und/oder Gleichspannungs- Signalanteile (20) unter Einbeziehung von Messwerten eines Feuchtigkeitssensors (320) oder von Informationen erfolgt, welche einen Feuchtigkeitsgehalt in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei in einem der Schritte oder in einem weiteren Schritt ein Abgleich von wärmeleitenden und wärmeabführenden Eigenschaften des Messelementes (2) durchgeführt wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, wobei in einem weiteren Schritt eine Druck- Kompensation der Gleichspannungs- Signalanteile oder der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= unter Einbeziehung von Messwerten eines Drucksensors (310) oder von Informationen, welche das aktuelle Druckniveau in dem Gasgemisch der Gasprobe indizieren, durchgeführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, wobei in einem weiteren Schritt eine Feuchtigkeits- und/oder Temperaturkompensation der Wechselspannungs- Signalanteile UX∼ oder der normierten Wechselspannungs-Signalanteile UY∼ und/oder der Gleichspannungs- Signalanteile UX= oder der normierten Gleichspannungs- Signalanteile UY= durchgeführt wird.
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