DE102022109699A1 - Process, gas mixer and ventilator for mixing gases - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mischung von Gasen, wobei mindestens zwei Gaskomponenten durch jeweils einen separaten Strömungskanal fließen, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Fluss jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist, und wobei sich die einzelnen Gaskomponenten in Strömungsrichtung hinter den Ventilen gemäß vorgegebenen Anteilen zu einem Gasgemisch miteinander vermischen. Die Regelung der Anteile der einzelnen Gaskomponenten erfolgt erfindungsgemäß durch die Erfassung der Druckmesswerte von zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente für spezifische Druckbereiche und die Berechnung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten daraus.The invention relates to a method for mixing gases, with at least two gas components each flowing through a separate flow channel, in each of which there is at least one controllable valve, so that the flow of each gas component through the respectively assigned flow channel is dependent on the respective valve setting, and where the individual gas components mix with each other in the flow direction behind the valves according to predetermined proportions to form a gas mixture. According to the invention, the proportions of the individual gas components are regulated by recording the pressure measurements from two differential pressure sensors for each gas component for specific pressure ranges and calculating the flows of the individual gas components therefrom.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mischung von Gasen, wobei ein Gasgemisch aus mindestens zwei Gaskomponenten in vorbestimmten Anteilen erzeugt wird.The invention relates to a method for mixing gases, wherein a gas mixture is produced from at least two gas components in predetermined proportions.

Für derartige Verfahren werden in der Regel Gasmischer verwendet.Gas mixers are generally used for such processes.

Gasmischer werden in einer Vielzahl von Geräten verwendet, um verschiedene Gase miteinander zu mischen. Dabei kommt es häufig darauf an, die unterschiedlichen Gase in vorbestimmten Verhältnissen miteinander zu mischen und/oder die Anteile der jeweiligen Gase im Gasgemisch auf vorbestimmte Werte einzustellen bzw. diese kontinuierlich zu regeln.Gas mixers are used in a variety of devices to mix different gases together. It is often important to mix the different gases with one another in predetermined ratios and/or to set the proportions of the respective gases in the gas mixture to predetermined values or to regulate them continuously.

Beispielsweise werden derartige Gasmischer in medizintechnischen Geräten verwendet, darunter insbesondere in Beatmungsgeräten und/oder Anästhesiegeräten. Anästhesiegeräte im Sinne dieser Schrift sind solche Vorrichtungen, die die Narkose eines Patienten mithilfe von Inhalationsanästhetika ermöglichen.For example, such gas mixers are used in medical devices, including in particular in ventilators and/or anesthesia devices. Anesthesia devices within the meaning of this document are devices that enable the anesthesia of a patient using inhalation anesthetics.

In Beatmungsgeräten werden Gasmischer beispielsweise zur Einstellung eines vorbestimmten Sauerstoff-Gehalts im Atemgas verwendet.In ventilators, gas mixers are used, for example, to set a predetermined oxygen content in the breathing gas.

In Anästhesiegeräten, die häufig als eine kombinierte Beatmungs- und Anästhesievorrichtung ausgebildet sind, werden Gasmischer beispielsweise zur Einstellung vorbestimmter Gehalte von Sauerstoff (O2), eines Trägergases (z.B. Luft) und eines Anästhesiegases (z.B. N20) im Atemgas verwendet.
Sowohl beim Beatmungsgerät als auch beim Anästhesiegerät wird das so erzeugte Frischgasgemisch in der Regel über einen Beatmungsschlauch und ein Patienteninterface, wie beispielswiese einen Tubus, eine Beatmungsmaske oder eine Nasenbrille, an einen Patienten abgegeben.
In anesthesia machines, which are often designed as a combined ventilation and anesthesia device, gas mixers are used, for example, to set predetermined levels of oxygen (O2), a carrier gas (e.g. air) and an anesthetic gas (e.g. N20) in the breathing gas.
With both the ventilator and the anesthesia machine, the fresh gas mixture generated in this way is usually delivered to a patient via a ventilation tube and a patient interface, such as a tube, a ventilation mask or a nasal cannula.

Dabei ist es von großer Bedeutung, die Anteile der verschiedenen Gase im Gasgemisch möglichst genau einzustellen.It is very important to adjust the proportions of the different gases in the gas mixture as accurately as possible.

Insbesondere für Anwendungen im medizintechnischen Bereich ist es von enormer Bedeutung, die Anteile der Gase eines Gasgemisches hochgenau einstellen zu können. Ganz besonders trifft dies für Anästhesiegeräte zu, denn eine Überdosierung des eingesetzten Anästhesiegases und/oder eine Unterversorgung eines narkotisierten Patienten mit Sauerstoff kann überaus schädliche Auswirkungen für die Gesundheit des Patienten haben.Particularly for applications in the medical technology sector, it is extremely important to be able to adjust the proportions of gases in a gas mixture with high precision. This is particularly true for anesthesia machines, because an overdose of the anesthetic gas used and/or an undersupply of an anesthetized patient with oxygen can have extremely harmful effects on the patient's health.

Es sind verschiedene Gasmischer bekannt, die durch ihren mechanischen Aufbau und/oder mithilfe elektronischer Komponenten eine relativ genaue Einstellung der Anteile verschiedener Gase in einem Gasgemisch ermöglichen.Various gas mixers are known which, through their mechanical structure and/or with the help of electronic components, enable relatively precise adjustment of the proportions of different gases in a gas mixture.

Beispielsweise sind Verfahren zur Mischung von Gasen und Gasmischer bekannt, mit denen Sauerstoff, Luft und ein Anästhesiegas in vorbestimmten Anteilen miteinander mischbar sind, wobei der Gasmischer eine Vielzahl von Ventilen mit unterschiedlichen Kanaldurchmessern für jede der drei Komponenten des Gasgemischs aufweist. Diese Ventile sind dann für jede Komponente des Gasgemischs individuell ansteuerbar, sodass für jede Gaskomponente bestimmte Ventile geöffnet und andere Ventile geschlossen sind. In Abhängigkeit des für die jeweilige Komponente anliegenden Drucks ist so der Durchfluss und damit auch der Anteil der jeweiligen Komponente im Gasgemisch einstellbar. Die Genauigkeit der Einstellungsmöglichkeiten der Anteile der verschiedenen Gaskomponenten im Gasgemisch hängt dabei von der Anzahl der verfügbaren Ventile je Komponente ab. Für hohe Genauigkeiten sind dabei sehr viele Ventile nötig, sodass derartige Gasmischer verhältnismäßig groß sind und eine große Anzahl verschiedener Komponenten benötigen.For example, methods for mixing gases and gas mixers are known with which oxygen, air and an anesthetic gas can be mixed with one another in predetermined proportions, the gas mixer having a plurality of valves with different channel diameters for each of the three components of the gas mixture. These valves can then be controlled individually for each component of the gas mixture, so that certain valves are opened and other valves are closed for each gas component. Depending on the pressure applied to the respective component, the flow and thus also the proportion of the respective component in the gas mixture can be adjusted. The accuracy of the setting options for the proportions of the various gas components in the gas mixture depends on the number of available valves per component. A lot of valves are required to achieve high levels of accuracy, so that such gas mixers are relatively large and require a large number of different components.

In anderen bekannten Verfahren zur Mischung von Gasen und Gasmischern werden für die verschiedenen Gaskomponenten Proportional-Ventile verwendet, die mit einem pulsweitenmodulierten Steuersignal (PWM) elektronisch derart ansteuerbar sind, dass der Öffnungsgrad des Ventils anhand des Tastgrads (Verhältnis „Ein“ zu „Aus“ in einer Periode) der PWM einstellbar ist. In der Regel genügt dann ein Proportional-Ventil je Gaskomponente.
Bei beiden Arten von Verfahren zur Mischung von Gasen und Gasmischern ist die Bestimmung des Flusses der einzelnen Gaskomponenten im Gasmischer erforderlich, um die Anteile der Komponenten am Gasgemisch zu bestimmen. Dies wird häufig durch eine Messung des am Gasmischer anliegenden Drucks der einzelnen Gaskomponenten und der Berechnung des Flusses (Volumenstrom) daraus realisiert.
In other known methods for mixing gases and gas mixers, proportional valves are used for the various gas components, which can be controlled electronically with a pulse width modulated control signal (PWM) in such a way that the degree of opening of the valve is based on the duty cycle (ratio “on” to “off”). in one period) of the PWM can be set. As a rule, one proportional valve per gas component is sufficient.
In both types of processes for mixing gases and gas mixers, the determination of the flow of the individual gas components in the gas mixer is necessary in order to determine the proportions of the components in the gas mixture. This is often achieved by measuring the pressure of the individual gas components at the gas mixer and calculating the flow (volume flow) from this.

Der jeweils am Gasmischer anliegende Druck einer Gaskomponente variiert mit dem Öffnungsgrad des jeweiligen Ventils oder ggf. der der jeweiligen Gaskomponente zugeordneten Ventile und dem sich daraus einstellenden Fluss der jeweiligen Gaskomponente. Dabei sind Volumenströme in einem Bereich von weniger als 1 l/min bis etwa 10 l/min üblich, die mit einem entsprechend großen Druckbereich einhergehen. Gemäß dem Stand der Technik werden zur Messung des Drucks Drucksensoren verwendet, die über den gesamten Arbeitsbereich der zu erwartenden Drücke verwendbar sind.The pressure of a gas component applied to the gas mixer varies with the degree of opening of the respective valve or, if applicable, the valves assigned to the respective gas component and the resulting flow of the respective gas component. Volume flows in a range from less than 1 l/min to around 10 l/min are common, which are accompanied by a correspondingly large pressure range. According to the prior art, pressure sensors are used to measure the pressure, which can be used over the entire working range of the expected pressures.

Um im gesamten Arbeitsbereich der vorliegenden Drücke eine hinreichend hohe Messgenauigkeit zu erzielen, müssen dafür hochwertige Drucksensoren mit einem weiten Messbereich eingesetzt werden, die jedoch sehr teuer sind und die ggf. für besonders hohe oder tiefe Drücke trotzdem eine geringere Dynamik und somit Messgenauigkeit haben.In order to achieve a sufficiently high measurement accuracy in the entire working range of the existing pressures, high-quality pressure sensors with a wide measuring range must be used, which are, however, very expensive and which may still have lower dynamics and thus measurement accuracy for particularly high or low pressures.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Mischung von Gasen anzugeben, das eine hohe Messgenauigkeit des Drucks für jede Gaskomponente bei geringeren Kosten ermöglicht.It is therefore an object of the invention to provide a method for mixing gases that enables high measurement accuracy of the pressure for each gas component at lower costs.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by a process for mixing gases according to claim 1.

Die im folgenden offenbarten Merkmale eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mischung von Gasen sind sowohl einzeln als auch in allen ausführbaren Kombinationen Bestandteil der Erfindung.The features of a method according to the invention for mixing gases disclosed below are part of the invention both individually and in all executable combinations.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Mischung von Gasen werden zumindest zwei Gaskomponenten von entsprechenden Quellen mit einem Druck bereitgestellt. Diese Gaskomponenten werden miteinander derart vermischt, dass die Anteile der Gaskomponenten am Gasgemisch vorgegebenen Werten möglichst genau entsprechen.In a method according to the invention for mixing gases, at least two gas components are provided at a pressure from corresponding sources. These gas components are mixed with one another in such a way that the proportions of the gas components in the gas mixture correspond as closely as possible to predetermined values.

Jede der Gaskomponenten strömt durch einen separaten Strömungskanal, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Volumenstrom, oder auch Fluss, jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist. In Strömungsrichtung hinter den Ventilen verbinden sich die Strömungskanäle der einzelnen Gaskomponenten zu einem einzigen gemeinsamen Strömungskanal für das Gasgemisch, in dem sich die Gaskomponenten entsprechend miteinander vermischen.Each of the gas components flows through a separate flow channel, in which there is at least one controllable valve, so that the volume flow, or flow, of each gas component through the respectively assigned flow channel depends on the respective valve setting. In the direction of flow behind the valves, the flow channels of the individual gas components connect to form a single common flow channel for the gas mixture, in which the gas components mix with one another accordingly.

Das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Gasgemisch kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden.The gas mixture produced according to the method according to the invention can be used for various applications.

Der Kernprozess des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mischung von Gasen besteht aus den folgenden Verfahrensschritten für jede der Gaskomponenten des zu erzeugenden Gasgemisches:

  • - Messung des Differenzdrucks im Strömungskanal der jeweiligen Gaskomponente mit zwei Drucksensoren, wobei ein erster Drucksensor zur Messung geringer Drücke und ein zweiter Drucksensor zur Messung hoher Drücke ausgebildet ist
  • - Übertragung der Druckmesswerte von den Drucksensoren an eine Steuereinheit
  • - Auswahl des Druckmesswertes eines der beiden Sensoren anhand mindestens eines Kriteriums
  • - Berechnung des Flusses der Gaskomponente aus dem ausgewählten Druckmesswert
  • - Ansteuerung des mindestens einen der jeweiligen Gaskomponente zugeordneten Ventils zur Einstellung des Flusses der Gaskomponente durch dieses hindurch
The core process of the method according to the invention for mixing gases consists of the following process steps for each of the gas components of the gas mixture to be produced:
  • - Measuring the differential pressure in the flow channel of the respective gas component with two pressure sensors, a first pressure sensor being designed to measure low pressures and a second pressure sensor being designed to measure high pressures
  • - Transmission of the pressure measurements from the pressure sensors to a control unit
  • - Selection of the pressure measurement value of one of the two sensors based on at least one criterion
  • - Calculation of the flow of the gas component from the selected pressure reading
  • - Controlling the at least one valve assigned to the respective gas component to adjust the flow of the gas component through it

Aus der Summe der Flüsse aller Gaskomponenten wird weiterhin der Gesamtfluss des Gasgemisches berechnet und anhand des Verhältnisses des Flusses einer Gaskomponente zum Gesamtfluss der Anteil der jeweiligen Gaskomponente am Gasgemisch bestimmt.The total flow of the gas mixture is further calculated from the sum of the flows of all gas components and the proportion of the respective gas component in the gas mixture is determined based on the ratio of the flow of a gas component to the total flow.

Der so ermittelte Anteil der Gaskomponente am Gasgemisch wird mit einem Sollwert verglichen und die Ansteuerung des mindestens einen der jeweiligen Gaskomponenten zugeordneten Ventils wird entsprechend angepasst oder beibehalten.The proportion of the gas component in the gas mixture determined in this way is compared with a target value and the control of the at least one valve assigned to the respective gas components is adjusted or maintained accordingly.

In Ausführungsformen der Erfindung, in denen Proportionalventile angesteuert werden, geschieht dies bevorzugt durch die Anpassung des on-off-cycles einer zur Ansteuerung des jeweiligen Ventils genutzten PWM.In embodiments of the invention in which proportional valves are controlled, this is preferably done by adapting the on-off cycle of a PWM used to control the respective valve.

Die Verfahrensschritte des Kernprozesses werden in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens etwa alle 50 ms in einer Dauerschleife bis zur Beendigung des Verfahrens ausgeführt.In embodiments of the method according to the invention, the method steps of the core process are carried out approximately every 50 ms in a continuous loop until the method is terminated.

Die Abfrage der Sensormesswerte der Drucksensoren erfolgt in Ausführungsformen der Erfindung alle 5 ms. Der zur Berechnung des Flusses verwendete Druckwert wird durch die Anwendung eines Filters (beispielsweise gleitender Mittelwert) über 10 Messwerte generiert.In embodiments of the invention, the sensor measured values of the pressure sensors are queried every 5 ms. The pressure value used to calculate flow is generated by applying a filter (e.g. moving average) over 10 readings.

In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung werden zur Druckmessung Differenzdrucksensoren verwendet, wobei je Gaskomponente der erste Drucksensor ein 100 mbar Differenzdrucksensor für niedrige Drücke (Niedrigdruck-Sensor), mit dem Differenzdrücke in einem Bereich von 0 bis 100 mbar messbar sind, und als zweiter Drucksensor ein 1000 mbar Differenzdrucksensor für hohe Drücke (Hochdruck-Sensor), mit dem Differenzdrücke in einem Bereich von 0 bis 1000 mbar messbar sind, verwendet wird.In advantageous embodiments of the invention, differential pressure sensors are used for pressure measurement, with the first pressure sensor for each gas component being a 100 mbar differential pressure sensor for low pressures (low pressure sensor), with which differential pressures in a range from 0 to 100 mbar can be measured, and a 1000 as the second pressure sensor mbar differential pressure sensor for high pressures (high pressure sensor), with which differential pressures in a range from 0 to 1000 mbar can be measured, is used.

Niedrige Drücke im Sinne dieser Schrift liegen in einem Bereich von 0 bar bis etwa 100 mbar. Hohe Drücke im Sinne dieser Schrift liegen in einem Bereich von etwa 100 mbar bis etwa 1000 mbar.Low pressures in the sense of this document lie in a range from 0 bar to approximately 100 mbar. High pressures in the sense of this document are in a range from approximately 100 mbar to approximately 1000 mbar.

Die Genauigkeit der mithilfe der Druckmesswerte bestimmbaren Flüsse der Gaskomponenten mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Mischung von Gasen ist in Ausführungsformen der Erfindung für Flüsse unter 1 l/min zumindest 100 ml/min, in besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zumindest 50 ml/min, und für Flüsse größer gleich 1 l/min in Ausführungsformen der Erfindung zumindest 15 %, in besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zumindest 10%.The accuracy of the flows of the gas components that can be determined using the pressure measurements using a method according to the invention for mixing gases is at least 100 ml/min in embodiments of the invention for flows below 1 l/min, at least 50 ml/min in particularly preferred embodiments of the invention, and for Flows greater than or equal to 1 l/min in embodiments of the invention at least 15%, in particularly preferred embodiments of the invention at least 10%.

Eine ausreichend hohe Messgenauigkeit der Drucksensoren für den jeweiligen Bereich ist durch die entsprechende Aufteilung der mit den Flüssen der Gaskomponenten auftretenden Drücke auf die spezialisierten Drucksensoren erfüllt. Beispielweise kann die Sensitivität eines Sensors als Indikator dafür herangezogen werden, die sich aus dem Verhältnis des Ausgabewertebereichs (Full Scale) zur Differenz des maximalen und minimalen Messwerts ergibt. Die Sensitivität eines 100 mbar Drucksensors im Vergleich zu einem 1000 mbar Drucksensor ergibt sich somit beispielhaft für einen Ausgabewertebereich von jeweils 26214 (Maximaler Ausgabewert abzüglich des Offsets) zu 262.14 Werten/mbar (100 mbar Sensor) und 26.21 Werten/mbar (1000 mbar Sensor) . Der 100 mbar Sensor ist somit 10-mal sensitiver und damit genauer als der 1000 mbar Sensor, eignet sich aufgrund des begrenzten Messbereichs jedoch nicht für Drücke über 100 mbar.A sufficiently high measurement accuracy of the pressure sensors for the respective area is achieved by appropriately apportioning the pressures that occur with the flows of the gas components to the specialized pressure sensors. For example, the sensitivity of a sensor can be used as an indicator, which results from the ratio of the output value range (full scale) to the difference between the maximum and minimum measured values. The sensitivity of a 100 mbar pressure sensor in comparison to a 1000 mbar pressure sensor results, for example, for an output value range of 26214 (maximum output value minus the offset) to 262.14 values/mbar (100 mbar sensor) and 26.21 values/mbar (1000 mbar sensor) . The 100 mbar sensor is therefore 10 times more sensitive and therefore more accurate than the 1000 mbar sensor, but is not suitable for pressures above 100 mbar due to the limited measuring range.

Die niedrigen Differenzdrücke treten bei geringen Flüssen in einem Bereich von 100 ml/min bis 2 l/min auf und die hohen Differenzdrücke treten bei großen Flüssen in einem Bereich von 2 l/min bis 10 l/min auf.The low differential pressures occur at low flows in a range of 100 ml/min to 2 l/min and the high differential pressures occur at large flows in a range of 2 l/min to 10 l/min.

Besonders bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten und damit einhergehend deren Anteilen am Gasgemisch ein Regelalgorithmus mit geschlossenem Regelkreis (closed-loop) verwendet.Particular preference is given to using a closed-loop control algorithm in the method according to the invention to adjust the flows of the individual gas components and thus their proportions in the gas mixture.

Jeder Gaskomponente ist in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein eigener Regler zugeordnet, sodass die Flüsse der einzelnen Gaskomponenten unabhängig voneinander geregelt werden.In preferred embodiments of the invention, each gas component is assigned its own regulator, so that the flows of the individual gas components are regulated independently of one another.

Beim Start eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in bevorzugten Ausführungsformen zunächst eine Initialisierung des Systems. Dabei werden die folgenden Schritte ausgeführt:

  • - Laden von Kalibrierungsdaten aus einem nicht-flüchtigen Speicher
When starting a method according to the invention, in preferred embodiments the system is first initialized. The following steps are carried out:
  • - Loading calibration data from non-volatile memory

Kalibrierungsdaten sind dabei insbesondere Druckmesswerte der einzelnen Drucksensoren bei bestimmten Volumenströmen der Gaskomponenten, beispielsweise die Druckmesswerte bei einem Volumenstrom von 0 l/min, 0,3 l/min, 0,6 l/min, 1 l/min, 2 l/min, 5 l/min und 10 l/min, die gemeinsam eine sensorspezifische Kalibrierungskurve bzw. Übertragungsfunktion bilden.

  • - Bestimmung der Steigung der Übertragungsfunktion der Sensoren zwischen den Kalibrierungspunkten durch Berechnung des Verhältnisses der Änderung des Sensormesswertes (Druck) über einer Änderung des Flusses.
  • - Laden des Schwellwertes zur Entscheidung der Verwendung der Sensormesswerte von Niedrigdruck- oder Hochdruck-Sensor. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt dieser Schwellwert zwischen 1,6 und 2,8 l/min, in besonders bevorzugten Ausführungsformen bei 2 l/min bis 2,4 l/min, insbesondere bei etwa 2,2 l/min.
  • - Vorzugsweise zusätzlich Laden eines Hysteresewertes aus dem Speicher.
Calibration data are in particular pressure measured values of the individual pressure sensors at certain volume flows of the gas components, for example the pressure measured values at a volume flow of 0 l/min, 0.3 l/min, 0.6 l/min, 1 l/min, 2 l/min, 5 l/min and 10 l/min, which together form a sensor-specific calibration curve or transfer function.
  • - Determine the slope of the transfer function of the sensors between the calibration points by calculating the ratio of the change in sensor reading (pressure) over a change in flow.
  • - Loading the threshold value to decide whether to use the sensor readings from low pressure or high pressure sensor. In a preferred embodiment of the invention, this threshold value is between 1.6 and 2.8 l/min, in particularly preferred embodiments it is 2 l/min to 2.4 l/min, in particular approximately 2.2 l/min.
  • - Preferably also loading a hysteresis value from the memory.

Die Verwendung einer Hysterese bei der Entscheidung, welcher Sensor ausgelesen werden soll, verhindert ein Oszillieren zwischen den Sensoren bei Druckmesswerten um den Schwellwert herum. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung beträgt der Hysteresewert etwa 0,2 l/min, sodass bei einem Schwellwert von 2,2 l/min beispielsweise erst auf den Niedrigdruck-Sensor umgeschaltet wird, sobald der Volumenstrom unter 2 l/min fällt.Using hysteresis when deciding which sensor to read prevents oscillation between sensors in pressure readings around the threshold. In an advantageous embodiment of the invention, the hysteresis value is approximately 0.2 l/min, so that with a threshold value of 2.2 l/min, for example, the system only switches to the low-pressure sensor as soon as the volume flow falls below 2 l/min.

Nach der Initialisierung erfolgt der Start des Gasmischverfahrens als solches.After the initialization, the gas mixing process as such is started.

Dabei erfolgt zunächst das Laden oder das Abfragen einer Initialeinstellung der Anteile der Gaskomponenten am Gasgemisch aus einem Speicher oder anhand einer Benutzereingabe.First, an initial setting of the proportions of the gas components in the gas mixture is loaded or queried from a memory or based on user input.

Anschließend erfolgt die Ansteuerung der den Gaskomponenten zugeordneten Ventile mit Initialwerten, sodass diese in vorbestimmter Art und Weise ganz oder teilweise geöffnet oder geschlossen sind.The valves assigned to the gas components are then activated with initial values so that they are fully or partially opened or closed in a predetermined manner.

In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die initiale Ansteuerung der Ventile durch die Bestimmung der Intervalle der Kalibrierungskurve, in die die Zielflüsse fallen und die Einstellung des initialen Vorgabewertes des Flusses der Gaskomponenten auf die obere Grenze des jeweiligen Intervalls. Dadurch kann in der nachfolgenden Regelung eine schnellere Konvergenz auf den eigentlichen Zielwert realisiert werden. Selbiges Vorgehen ist in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung auch bei der Vorgabe von Änderungen der Anteile der Gaskomponenten am Gasgemisch beispielsweise durch Nutzereingaben während des laufenden Betriebs implementiert.In a preferred embodiment, the initial control of the valves takes place by determining the intervals of the calibration curve in which the target flows fall and setting the initial default value of the flow of the gas components to the upper limit of the respective interval. This means that faster convergence to the actual target value can be achieved in the subsequent control. In preferred embodiments of the invention, the same procedure is also used when specifying changes to the shares of the Gaskom components on the gas mixture are implemented, for example, through user input during ongoing operation.

In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind darüber hinaus die bei einem normalerweise zu erwartenden Druck der von entsprechenden Quellen zur Verfügung gestellten Gaskomponenten zur Einstellung eines gewünschten Initialflusses erforderlichen Ansteuerungskonfigurationen der Ventile der Gaskomponenten (z.B. on-off-cycle einer PWM) zumindest zu den oberen Grenzen der Intervalle der Kalibrierungskurve der Sensoren verfügbar und werden zur initialen Ansteuerung der Ventile abgerufen und angewendet.In advantageous embodiments of the invention, the control configurations of the valves of the gas components (e.g. on-off cycle of a PWM) required for setting a desired initial flow (e.g. on-off cycle of a PWM) are at least to the upper limits of the gas components provided by corresponding sources at a normally expected pressure Intervals of the calibration curve of the sensors are available and are retrieved and used for the initial control of the valves.

Anschließend wird die Regelschleife und somit der vorstehend bereits beschriebene Kernprozess des Verfahrens gestartet.The control loop and thus the core process of the method already described above is then started.

Zunächst erfolgt dabei demnach die Bestimmung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten sowie des Gesamtflusses des Gasgemisches aus den Flüssen aller Gaskomponenten.First, the flows of the individual gas components as well as the total flow of the gas mixture are determined from the flows of all gas components.

Die Berechnung des Flusses einer Gaskomponente aus einem Druckmesswert erfolgt in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung durch die folgenden Schritte:

  • - Bestimmung des Intervalls zwischen den Kalibrierungspunkten der Kalibrierungskurve des jeweiligen Sensors, in das der Druckmesswert fällt
  • - Abziehen des Druckwertes des unteren Kalibrierungspunktes des Intervalls vom Messwert
  • - Teilung des Zwischenergebnisses durch die Steigung der Kalibrierungskurve im Intervall
  • - Addition des Volumenstromes der unteren Grenze des Intervalls
The calculation of the flow of a gas component from a pressure measurement value is carried out in preferred embodiments of the invention by the following steps:
  • - Determination of the interval between the calibration points of the calibration curve of the respective sensor in which the pressure measurement value falls
  • - Subtracting the pressure value of the lower calibration point of the interval from the measured value
  • - Division of the intermediate result by the slope of the calibration curve in the interval
  • - Addition of the volume flow of the lower limit of the interval

Zur Feststellung des Regelbedarfs (Fehler) erfolgt die Bestimmung der Zielflüsse der Gaskomponenten anhand der vorgegebenen Anteile der Gaskomponenten am Gasgemisch und je Gaskomponente die entsprechende Ansteuerung des mindestens einen zugeordneten Ventils zur Einstellung des Flusses.To determine the control requirement (error), the target flows of the gas components are determined based on the predetermined proportions of the gas components in the gas mixture and, for each gas component, the corresponding control of the at least one assigned valve to adjust the flow.

Zusätzliche teilweise oder vollständig in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich ausgeführte Verfahrensschritte:

  • - Prüfung auf Hardwarefehler z.B. Sensorfehler und entsprechende Ausgabe von Alarmen und/oder Wechsel in einen sicheren Betriebsmodus
  • - Prüfung, ob ein neuer Vorgabewert bezüglich des Anteils einer Gaskomponente an der Gasmischung vorliegt, z.B. aufgrund einer Nutzereingabe. Dies ist insbesondere bei dynamischen Ausführungsformen des Verfahrens zur Mischung von Gasen erforderlich, bei denen Parameter im laufenden Betrieb geändert werden können.
  • - Prüfung, ob zusätzliche Vorgaben bezüglich zumindest einer Gaskomponente eingehalten werden, z.B. Einhaltung vorbestimmter Grenzen bezüglich einzelner Gaskomponenten, darunter Mindest- und/oder Höchstgehalte von Gaskomponenten am Gasgemisch und/oder Mindest- und/oder Höchstflüsse einzelner Gaskomponenten z.B. Mindestgehalt O2 im Gasgemisch mindestens 25% und/oder Fluss des Trägergases beträgt mindestens 250 ml/min. In Ausführungsformen der Erfindung können diese Grenzen auch an Nutzereingaben oder Betriebsmodi gekoppelt sein und werden dementsprechend laufend aktualisiert.
Additional method steps carried out partially or completely in embodiments of the method according to the invention:
  • - Checking for hardware errors e.g. sensor errors and corresponding output of alarms and/or switching to a safe operating mode
  • - Check whether there is a new default value regarding the proportion of a gas component in the gas mixture, for example based on user input. This is particularly necessary in dynamic embodiments of the process for mixing gases in which parameters can be changed during ongoing operation.
  • - Check whether additional specifications regarding at least one gas component are adhered to, e.g. compliance with predetermined limits regarding individual gas components, including minimum and/or maximum contents of gas components in the gas mixture and/or minimum and/or maximum flows of individual gas components, e.g. minimum O2 content in the gas mixture of at least 25 % and/or flow of the carrier gas is at least 250 ml/min. In embodiments of the invention, these limits can also be linked to user input or operating modes and are accordingly continuously updated.

Als Konsequenz der Verletzung eines derartigen Grenzwertes wird die Gasmischung in Ausführungsformen der Erfindung ganz oder teilweise gestoppt, beispielsweise durch das Schließen aller Ventile oder das Schließen des mindestens einen einer Gaskomponente zugeordneten Ventils (insbesondere das Schließen der einem Anästhesiegas als Gaskomponente zugeordneten mindestens einen Ventils), sodass in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung ein sicherer Betriebsmodus gewährleistet ist, und/oder ein Alarm ausgegeben. Beispielsweise wird der obengenannte O2-Gehalt am Gasgemisch überprüft. Wird der vorgegebene Mindestgehalt (z.B. 25%) über eine bestimmte Anzahl von Messungen (z.B. 200 Messungen entsprechend etwa 10 Sekunden) unterschritten, wird ein Alarm ausgegeben. Im Falle eines vorgegebenen Maximalwertes des Flusses einer Gaskomponente, beispielsweise wenn eine Gaskomponente auf einen Anteil von 0% am Gasgemisch reduziert, d.h. abgeschaltet, werden soll, kann durch die Überwachung des Flusses dieser Gaskomponente eine eventuelle Leckage festgestellt und beispielsweise ein Alarm ausgegeben werden.As a consequence of violating such a limit value, the gas mixture is stopped completely or partially in embodiments of the invention, for example by closing all valves or closing the at least one valve assigned to a gas component (in particular closing the at least one valve assigned to an anesthetic gas as a gas component), so that, depending on the respective application, a safe operating mode is guaranteed and/or an alarm is issued. For example, the above-mentioned O2 content of the gas mixture is checked. If the specified minimum content (e.g. 25%) is undershot over a certain number of measurements (e.g. 200 measurements corresponding to around 10 seconds), an alarm is issued. In the case of a predetermined maximum value of the flow of a gas component, for example if a gas component is to be reduced to a proportion of 0% of the gas mixture, i.e. switched off, a possible leak can be detected by monitoring the flow of this gas component and, for example, an alarm can be issued.

In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mischung von Gasen wird ein Gasmischer zur Mischung von mindestens zwei Gaskomponenten miteinander zu einer Gasmischung aufweisend zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente, wobei jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist, sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind, verwendet.In a preferred embodiment of a method according to the invention for mixing gases, a gas mixer for mixing at least two gas components with one another to form a gas mixture has at least one adjustable valve per gas component, at least two differential pressure sensors per gas component, with a first sensor in each case acting as a low-pressure sensor and a second sensor is designed as a high-pressure sensor, and a control unit with which the valves can be controlled according to predetermined flows of the gas components based on the recorded pressure measurement values is used.

Die verwendete Steuereinheit weist in Ausführungsformen der Erfindung ein FPGA und eine MCU auf, wobei das FPGA die Druckmesswerte von den Sensoren abruft, die MCU diese Druckmesswerte vom FPGA abruft und im Regelalgorithmus zur Festlegung der Parameter der Ansteuerung der Ventile verwendet, die entsprechenden Informationen an das FPGA übermittelt, das sodann die Ventile entsprechend ansteuert.In embodiments of the invention, the control unit used has an FPGA and an MCU, with the FPGA retrieving the pressure measurement values from the sensors, the MCU retrieving these pressure measurement values from the FPGA and using them in the control algorithm to determine the parameters for controlling the valves, sending the corresponding information to the FPGA is transmitted, which then controls the valves accordingly.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verfahren zur Mischung von Gasen zur Mischung von drei Gaskomponenten zu einem Gasgemisch ausgebildet.In a preferred embodiment of the invention, the method for mixing gases is designed to mix three gas components to form a gas mixture.

Ein erfindungsgemäßer Gasmischer ist zur Mischung von zumindest zwei Gaskomponenten zu einem Gasgemisch gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und weist zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind auf und ist weiterhin insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist.A gas mixer according to the invention is designed to mix at least two gas components into a gas mixture according to the method according to the invention and has at least one adjustable valve per gas component, at least two differential pressure sensors per gas component and a control unit with which the valves correspond to predetermined flows of the gas components based on the detected Pressure measurement values can be controlled and is further characterized in particular by the fact that a first sensor is designed as a low-pressure sensor and a second sensor is designed as a high-pressure sensor.

Ein erfindungsgemäßes Beatmungs- oder Anästhesiegerät ist eingerichtet und ausgebildet zur Mischung von zumindest zwei Gaskomponenten zu einem Gasgemisch, der Gasmischer aufweisend zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens ein Differenzdrucksensor je Gaskomponente sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist.A ventilator or anesthesia device according to the invention is set up and designed to mix at least two gas components to form a gas mixture, the gas mixer having at least one adjustable valve per gas component, at least one differential pressure sensor per gas component and a control unit with which the valves are based on predetermined flows of the gas components can be controlled based on the recorded pressure measurement values, characterized in that a first sensor is designed as a low-pressure sensor and a second sensor is designed as a high-pressure sensor.

Ein erfindungsgemäßes Beatmungs- oder Anästhesiegerät ist eingerichtet und ausgebildet zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Gaskomponenten durch jeweils einen separaten Strömungskanal fließen, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Fluss jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist, und wobei sich die einzelnen Gaskomponenten in Strömungsrichtung hinter den Ventilen gemäß vorgegebenen Anteilen zu einem Gasgemisch miteinander vermischen, wobei die Regelung der Anteile der einzelnen Gaskomponenten durch die Erfassung der Druckmesswerte von zwei DifferenzdrucksensorenA ventilator or anesthesia device according to the invention is set up and designed for mixing gases according to one of the preceding claims, wherein at least two gas components flow through a separate flow channel in which there is at least one controllable valve, so that the flow of each gas component through the respectively assigned Flow channel is dependent on the respective valve setting, and the individual gas components mix with each other in the flow direction behind the valves according to predetermined proportions to form a gas mixture, with the regulation of the proportions of the individual gas components by recording the pressure measured values from two differential pressure sensors

In den nachfolgend erläuterten Figuren ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Ausführungsform beispielhaft illustriert. Es zeigen:

  • 1: Ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mischen von Gasen und 2: Ein Diagramm des in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Mischung von Gasen implementierten Regelkreises.
In the figures explained below, the method according to the invention is illustrated by way of example using an embodiment. Show it:
  • 1 : A flow chart of an embodiment of a method according to the invention for mixing gases and 2 : A diagram of the control loop implemented in a method according to the invention for mixing gases.

In 1 ist ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Mischen von Gasen dargestellt.In 1 a flowchart of an embodiment of a method according to the invention for mixing gases is shown.

In einem ersten Schritt erfolgt die Initialisierung.The first step is initialization.

Anschließend wird ein Timer auf 50 ms gesetzt, der von diesem Startwert herunterzählt.A timer is then set to 50 ms, which counts down from this start value.

Danach wird das System auf Fehler überprüft und ggf. ein Alarm ausgegeben.The system is then checked for errors and an alarm is issued if necessary.

Im folgenden Verfahrensschritt wird auf neue Nutzereingaben (z.B. Anteile der Gaskomponenten am Gasgemisch) geprüft. Sofern neue Nutzereingaben vorliegen werden die entsprechenden Zielflüsse der Gaskomponenten daraus berechnet.In the following process step, new user input (e.g. proportions of gas components in the gas mixture) is checked. If new user input is available, the corresponding target flows of the gas components are calculated from this.

Daraufhin wird die Gasmischung gestartet, sofern eine entsprechende Eingabe erfolgt ist. Ansonsten wird der Timer ausgelesen und das Verfahren beim Schritt des Setzens des Timers auf 50 ms neu gestartet.The gas mixture will then be started, provided a corresponding entry has been made. Otherwise, the timer is read and the process is restarted at the step of setting the timer to 50 ms.

Wurde die Mischung der Gaskomponenten gestartet, so werden die Ventile gemäß einer Initialeinstellung angesteuert und entsprechend geöffnet.Once the mixing of the gas components has been started, the valves are activated according to an initial setting and opened accordingly.

Im vorliegenden Beispiel sind zwei der Gaskomponenten O2 und N2O und es erfolgt im nächsten Schritt eine Überprüfung, ob ein Minimalwert des O2-Gehalts am Gasgemisch eingehalten wird.
Wenn der Minimalanteil an O2 am Gasgemisch unterschritten wird, wird das der Gaskomponente N2O zugeordnete Ventil geschlossen.
In the present example, two of the gas components are O2 and N2O and the next step is to check whether a minimum value of the O2 content in the gas mixture is maintained.
If the minimum proportion of O2 in the gas mixture is not reached, the valve assigned to the gas component N2O is closed.

Liegt der O2-Gehalt über dem Grenzwert, werden die entsprechenden Flüsse aus den erfassten Druckmesswerten berechnet und die Ansteuerung der Ventile wird entsprechend angepasst.
Daraufhin werden die Flüsse der Gaskomponenten daraufhin überprüft, ob diese innerhalb vorgegebener Spezifikationen liegen. Ist dies nicht der Fall, wird ein Alarm ausgegeben.
If the O2 content is above the limit value, the corresponding flows are calculated from the recorded pressure measurements and the control of the valves is adjusted accordingly.
The flows of the gas components are then checked to see whether they are within specified specifications. If this is not the case, an alarm is issued.

Anschließend wird überprüft, ob für die durch vollständiges Schließen der jeweiligen Ventile per Vorgabe inaktive Gaskomponenten (kein Fluss) tatsächlich kein Fluss vorliegt. Ist dies nicht der Fall, wird ein Alarm ausgegeben.It is then checked whether the gas components (no flow) are inactive by completely closing the respective valves There is essentially no flow. If this is not the case, an alarm is issued.

Daraufhin wird überprüft, ob Systemfehler vorliegen. Ist dies der Fall, wird die Gasmischung durch Schließen aller Ventile beendet.It will then be checked whether there are any system errors. If this is the case, the gas mixing is stopped by closing all valves.

Im nächsten Schritt wird abgefragt, ob die Gasmischung durch Nutzereingabe beendet werden soll. Ist dies der Fall, werden die Ventile geschlossen.The next step asks whether the gas mixing should be ended by user input. If this is the case, the valves are closed.

Ansonsten wird der Timer kontinuierlich ausgelesen und nach Ablauf des Timers das Verfahren mit dem Schritt des Setzens des Timers auf 50 ms neu gestartet. In den auf den ersten Durchlauf folgenden Durchläufen der Schleife werden keine Initialwerte zur Ansteuerung der Ventile oder zur Vorgabe von Zielwerten verwendet, sondern die aus dem vorherigen Durchlauf erhaltenen Werte genutzt.Otherwise, the timer is read out continuously and after the timer has expired, the process is restarted with the step of setting the timer to 50 ms. In the loop runs following the first run, no initial values are used to control the valves or to specify target values, but rather the values obtained from the previous run are used.

2 zeigt ein Diagramm des in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Mischung von Gasen implementierten Regelkreises. 2 shows a diagram of the control loop implemented in a method according to the invention for mixing gases.

Die Führungsgröße des Regelkreises ist durch die Initialwerte bzw. die durch Nutzereingaben generierten Vorgaben für den Fluss einer Gaskomponente gegeben. Durch den Vergleich mit dem aus den erfassten Messwerten berechneten Fluss wird der Fehler bestimmt und das Ventil als Regelelement gemäß der Ansteuerung durch den Regler (Steuereinheit) entsprechend angesteuert. Durch die entsprechende Einstellung des Ventils stellt sich im Prozess ein Fluss der jeweiligen Gaskomponente ein. Als Prozessvariable wird dann der Differenzdruck messtechnisch erfasst und daraus der aktuelle Fluss berechnet.The reference variable of the control loop is given by the initial values or the specifications for the flow of a gas component generated by user input. By comparing it with the flow calculated from the recorded measured values, the error is determined and the valve as a control element is activated accordingly in accordance with the control by the controller (control unit). By adjusting the valve accordingly, a flow of the respective gas component is established in the process. The differential pressure is then measured as a process variable and the current flow is calculated from this.

Für alle Ausführungsformen gilt: Bei der Verwendung von Beatmungsgeräten ist ein sicherer Betrieb dieser von besonderer Wichtigkeit, da Störungen die Gesundheit eines mithilfe eines solchen Gerätes behandelten Patienten signifikant nachteilig beeinflussen können. Wird beispielsweise ein als ein Beatmungsgerät ausgebildetes von Beatmungsgerät zur Beatmung eines Patienten verwendet, so ist es zwingend erforderlich den Patienten mit einem Frischgas zu versorgen, das einen bestimmten Mindestgehalt an Sauerstoff (02) aufweist. Ein anderes Beispiel ist die Verwendung eines Anästhesiegerätes zur Narkotisierung eines Patienten. Hier ist neben einem Mindestgehalt O2 im Frischgasgemisch auch eine Spezifikation bezüglich des Anteils des Anästhesiegases im Frischgasgemisch einzuhalten. Anästhesiegase sind beispielsweise Argon, Helium, Lachgas, Chloroform, Isofluran, Sevofluran, Desfluran, Halothan, Enfluran, Xenon, Kohlendioxid. The following applies to all embodiments: When using ventilators, safe operation of these is of particular importance, since disruptions can have a significantly detrimental effect on the health of a patient being treated with such a device. For example, if a ventilator designed as a ventilator is used to ventilate a patient, it is imperative to supply the patient with fresh gas that has a certain minimum oxygen content (02). Another example is the use of an anesthesia machine to anesthetize a patient. In addition to a minimum O2 content in the fresh gas mixture, a specification regarding the proportion of anesthetic gas in the fresh gas mixture must also be adhered to. Examples of anesthetic gases are argon, helium, nitrous oxide, chloroform, isoflurane, sevoflurane, desflurane, halothane, enflurane, xenon, carbon dioxide.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.It should be noted that the features listed individually in the claims can be combined with one another in any technically sensible manner and show further refinements of the invention. The description additionally characterizes and specifies the invention, particularly in connection with the figures.

Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.It should also be noted that a conjunction “and/or” used here between two features and linking them together must always be interpreted in such a way that in a first embodiment of the subject matter according to the invention only the first feature can be present, in a second embodiment only the second feature can be present and in a third embodiment both the first and the second feature can be present.

Unter einem Beatmungsgerät ist jedwedes Gerät zu verstehen, welches einen Anwender oder Patienten bei der natürlichen Atmung unterstützt, die Beatmung des Anwenders bzw. Lebewesens (z.B. Patient und/oder Neugeborener und/oder Frühgeborene) übernimmt und/oder zur Atemtherapie dient und/oder anderweitig die Atmung des Anwenders bzw. Patienten beeinflusst oder der Narkose dient. Darunter fallen zum Beispiel, aber nicht ausschließend, CPAPsowie BiPAP-Geräte, Narkose- bzw. Anästhesiegeräte, Atemtherapiegeräte, (klinische, außerklinische oder Notfall-) Beatmungsgeräte, Highflow-Therapiegeräte und Hustenmaschinen. Beatmungsgeräte können auch als Diagnosegeräte für die Beatmung verstanden werden. Diagnosegeräte können dabei allgemein zur Erfassung von medizinischen und/oder atmungsbezogenen Parametern eines Lebewesens dienen. Darunter fallen auch Geräte, welche medizinische Parameter von Patienten in Kombination mit der Atmung oder ausschließlich die Atmung betreffend, erfassen und optional verarbeiten können.A ventilator is any device that supports a user or patient in natural breathing, provides ventilation for the user or living being (e.g. patient and/or newborn and/or premature infant) and/or is used for respiratory therapy and/or otherwise influences the breathing of the user or patient or is used for anesthesia. These include, for example, but are not limited to, CPAP and BiPAP devices, anesthesia or anesthesia devices, respiratory therapy devices, (clinical, out-of-hospital or emergency) ventilators, high-flow therapy devices and cough machines. Ventilators can also be understood as diagnostic devices for ventilation. Diagnostic devices can generally be used to record medical and/or respiratory parameters of a living being. This also includes devices that can record and optionally process medical parameters of patients in combination with breathing or only relating to breathing.

Als Patienteninterface kann, soweit nicht ausdrücklich anders beschrieben, jegliches Peripheriegerät verstanden werden, welches zur Interaktion, insbesondere zu Therapie- oder Diagnosezwecken, der Messeinrichtung mit einem Lebewesen gedacht ist. Insbesondere kann ein Patienteninterface als Maske eines Beatmungsgerätes bzw. eine mit dem Beatmungsgerät verbundene Maske verstanden werden. Diese Maske kann eine Full-Face Maske, also Nase und Mund umschließende, oder eine Nasenmaske, also eine nur die Nase umschließende Maske, sein. Auch Trachealtuben bzw. -kanülen und sogenannte Nasenbrillen können als Maske beziehungsweise Patienteninterface eingesetzt werden. In manchen Fällen kann das Patienteninterface auch ein einfaches Mundstück, beispielsweise ein Rohr, sein, durch welches das Lebewesen zumindest ausatmet und/oder einatmet.Unless explicitly described otherwise, a patient interface can be understood to mean any peripheral device that is intended for the interaction, in particular for therapy or diagnostic purposes, of the measuring device with a living being. In particular, a patient interface can be understood as a mask of a ventilator or a mask connected to the ventilator. This mask can be a full-face mask, i.e. that encloses the nose and mouth, or a nasal mask, i.e. a mask that only encloses the nose. Tracheal tubes or cannulas and so-called nasal cannulas can also be used as masks or patient interfaces. In some cases, the patient interface can also be a simple mouthpiece, for example a tube, through which the living being at least exhales and/or inhales.

Claims (17)

Verfahren zur Mischung von Gasen, wobei mindestens zwei Gaskomponenten durch jeweils einen separaten Strömungskanal fließen, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Fluss jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist, und wobei sich die einzelnen Gaskomponenten in Strömungsrichtung hinter den Ventilen gemäß vorgegebenen Anteilen zu einem Gasgemisch miteinander vermischen, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Messung des Differenzdrucks im Strömungskanal der jeweiligen Gaskomponente mit zwei Drucksensoren, wobei ein erster Drucksensor zur Messung geringer Drücke und ein zweiter Drucksensor zur Messung hoher Drücke ausgebildet ist, - Übertragung der Druckmesswerte von den Drucksensoren an eine Steuereinheit, - Auswahl des Druckmesswertes eines der beiden Sensoren anhand mindestens eines Kriteriums, - Berechnung des Flusses der Gaskomponente aus dem ausgewählten Druckmesswert, - Ansteuerung des mindestens einen der jeweiligen Gaskomponente zugeordneten Ventils zur Einstellung des Flusses der Gaskomponente durch dieses hindurch.Method for mixing gases, wherein at least two gas components flow through a separate flow channel, in each of which there is at least one controllable valve, so that the flow of each gas component through the respectively assigned flow channel depends on the respective valve setting, and wherein the individual gas components Mix together in the flow direction behind the valves according to predetermined proportions to form a gas mixture, comprising the following process steps: - Measuring the differential pressure in the flow channel of the respective gas component with two pressure sensors, a first pressure sensor being designed to measure low pressures and a second pressure sensor being designed to measure high pressures, - Transmission of the pressure measured values from the pressure sensors to a control unit, - Selection of the pressure measurement value of one of the two sensors based on at least one criterion, - Calculation of the flow of the gas component from the selected pressure reading, - Controlling the at least one valve assigned to the respective gas component to adjust the flow of the gas component through it. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als jeweils erster Drucksensor einer Gaskomponente ein 100 mbar Differenzdrucksensor und als jeweils zweiter Drucksensor einer Gaskomponente ein 1000 mbar Differenzdrucksensor verwendet wird.Process for mixing gases according to Patent claim 1 , characterized in that a 100 mbar differential pressure sensor is used as the first pressure sensor of a gas component and a 1000 mbar differential pressure sensor is used as the second pressure sensor of a gas component. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierung erfolgt, - bei der Kalibrierungsdaten aus einem nicht-flüchtigen Speicher geladen werden, wobei die Kalibrierungsdaten Druckmesswerte der einzelnen Drucksensoren bei bestimmten Volumenströmen der Gaskomponenten, beispielsweise die Druckmesswerte bei einem Volumenstrom von 0 l/min, 0,3 l/min, 0,6 l/min, 1 l/min, 2 l/min, 5 l/min und 10 l/min sind, die gemeinsam eine sensorspezifische Kalibrierungskurve bzw. Übertragungsfunktion bilden, - eine Bestimmung der Steigung der Übertragungsfunktion der Sensoren zwischen den Kalibrierungspunkten (Intervalle) durch Berechnung des Verhältnisses der Änderung des Sensormesswertes (Druck) über einer Änderung des Flusses erfolgt, - und Laden des Schwellwertes zur Entscheidung der Verwendung der Sensormesswerte von Niedrigdruck- oder Hochdruck-Sensor. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt dieser Schwellwert zwischen 1,6 und 2,8 l/min, in besonders bevorzugten Ausführungsformen bei 2 l/min bis 2,4 l/min, insbesondere bei etwa 2,2 l/min.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that a calibration is carried out - in which calibration data is loaded from a non-volatile memory, the calibration data being pressure measured values of the individual pressure sensors at certain volume flows of the gas components, for example the pressure measured values at a Volume flows of 0 l/min, 0.3 l/min, 0.6 l/min, 1 l/min, 2 l/min, 5 l/min and 10 l/min, which together form a sensor-specific calibration curve or transfer function form, - a determination of the slope of the transfer function of the sensors between the calibration points (intervals) is carried out by calculating the ratio of the change in the sensor reading (pressure) over a change in the flow, - and loading the threshold value for deciding to use the sensor readings of low pressure or High pressure sensor. In a preferred embodiment of the invention, this threshold value is between 1.6 and 2.8 l/min, in particularly preferred embodiments it is 2 l/min to 2.4 l/min, in particular approximately 2.2 l/min. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Flusses gemäß den folgenden Schritten erfolgt: - Bestimmung des Intervalls zwischen den Kalibrierungspunkten der Kalibrierungskurve des jeweiligen Sensors, in das der Druckmesswert fällt, - Abziehen des Druckwertes des unteren Kalibrierungspunktes des Intervalls vom Messwert, - Teilung des Zwischenergebnisses durch die Steigung der Kalibrierungskurve im Intervall, - Addition des Volumenstromes der unteren Grenze des Intervalls.Process for mixing gases according to Claim 3 , characterized in that the flow is calculated according to the following steps: - determining the interval between the calibration points of the calibration curve of the respective sensor in which the pressure measurement value falls, - subtracting the pressure value of the lower calibration point of the interval from the measurement value, - dividing the intermediate result by the slope of the calibration curve in the interval, - addition of the volume flow of the lower limit of the interval. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kriterium zur Entscheidung zwischen den Messwerten der Drucksensoren ein Schwellwert ist.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that a first criterion for deciding between the measured values of the pressure sensors is a threshold value. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schwellwert liegt in einem Bereich von 1,6 bis 2,8 l/min liegt.Process for mixing gases according to Claim 5 , characterized in that the threshold value is in a range of 1.6 to 2.8 l/min. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Kriterium zur Entscheidung zwischen den Messwerten der Drucksensoren eine Hysterese ist, wobei vor einem Wechsel vom zweiten Drucksensor für hohe Drücke auf den ersten Drucksensor für niedrige Drücke bei einem Unterscheiten des Schwellwerts zusätzlich der Wert der Hysterese unterschritten werden muss.Process for mixing gases according to one of Claims 5 and 6 , characterized in that a second criterion for deciding between the measured values of the pressure sensors is a hysteresis, whereby the value of the hysteresis must also be undercut before a change from the second pressure sensor for high pressures to the first pressure sensor for low pressures if the threshold value falls below. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten jeweils ein geschlossener Regelkreis ist.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that the control of the flows of the individual gas components is a closed control loop. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich eine Überprüfung zumindest einer zusätzlichen Vorgabe zu mindestens einer der Gaskomponenten erfolgt und dass bei einer Verletzung einer Vorgabe eine Ausgabe eines Alarms und/oder ein Wechsel in einen sicheren Betriebsmodus erfolgt.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that at least one additional specification for at least one of the gas components is continuously checked and that if a specification is violated, an alarm is issued and/or a change to a safe operating mode occurs. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüsse der Gaskomponenten für Flüsse unter 1 l/min mit einer Genauigkeit von zumindest 100 ml/min und für Flüsse größer gleich 1 l/min mit einer Genauigkeit von zumindest 15 % bestimmt werden.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that the flows of the gas components for flows below 1 l/min with an accuracy of at least 100 ml/min and for flows greater than or equal to 1 l/min with an accuracy of at least 15 % can be determined. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasmischer aufweisend zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente, wobei jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist, sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind, verwendet wird.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, characterized in that a gas mixer having at least one adjustable valve per gas component, at least two differential pressure sensors per gas component, with a first sensor as a low-pressure sensor and a second sensor as a high-pressure sensor. Sensor is formed, and a control unit with which the valves can be controlled according to predetermined flows of the gas components based on the recorded pressure measurements is used. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein FPGA und eine MCU aufweist, wobei das FPGA die Druckmesswerte von den Drucksensoren abruft, die MCU diese Druckmesswerte vom FPGA abruft und im Regelalgorithmus zur Festlegung der Parameter der Ansteuerung der Ventile verwendet, die entsprechenden Informationen an das FPGA übermittelt, das sodann die Ventile entsprechend ansteuert.Process for mixing gases according to Claim 11 , characterized in that the control unit has an FPGA and an MCU, whereby the FPGA retrieves the pressure measured values from the pressure sensors, the MCU retrieves these pressure measured values from the FPGA and uses the corresponding information in the control algorithm to determine the parameters for controlling the valves to the FPGA transmitted, which then controls the valves accordingly. Verfahren zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Gaskomponenten durch jeweils einen separaten Strömungskanal fließen, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Fluss jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist, und wobei sich die einzelnen Gaskomponenten in Strömungsrichtung hinter den Ventilen gemäß vorgegebenen Anteilen zu einem Gasgemisch miteinander vermischen, wobei die Regelung der Anteile der einzelnen Gaskomponenten durch die Erfassung der Druckmesswerte von zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente für spezifische Druckbereiche erfolgt und die Berechnung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten daraus erfolgt.Method for mixing gases according to one of the preceding claims, wherein at least two gas components flow through a separate flow channel in which there is at least one controllable valve, so that the flow of each gas component through the respectively assigned flow channel is dependent on the respective valve setting, and whereby the individual gas components mix with each other in the direction of flow behind the valves according to predetermined proportions to form a gas mixture, the proportions of the individual gas components being regulated by recording the pressure measurements from two differential pressure sensors per gas component for specific pressure ranges and the flows of the individual gas components being calculated therefrom he follows. Gasmischer zur Mischung von zumindest zwei Gaskomponenten zu einem Gasgemisch gemäß des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, der Gasmischer aufweisend zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist.Gas mixer for mixing at least two gas components to form a gas mixture according to the method according to one of Claims 1 until 13 , the gas mixer having at least one adjustable valve per gas component, at least two differential pressure sensors per gas component and a control unit with which the valves can be controlled in accordance with predetermined flows of the gas components based on the recorded pressure measurement values, characterized in that a first sensor is in each case a low-pressure sensor. Sensor and a second sensor is designed as a high-pressure sensor. Beatmungs- oder Anästhesiegerät umfassend einen Gasmischer nach Anspruch 14.Ventilator or anesthesia device comprising a gas mixer Claim 14 . Beatmungs- oder Anästhesiegerät eingerichtet und ausgebildet zur Mischung von zumindest zwei Gaskomponenten zu einem Gasgemisch, der Gasmischer aufweisend zumindest ein einstellbares Ventil je Gaskomponente, je mindestens ein Differenzdrucksensor je Gaskomponente sowie eine Steuereinheit, mit der die Ventile entsprechend vorgegebener Flüsse der Gaskomponenten basierend auf den erfassten Druckmesswerten ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein erster Sensor als ein Niedrigdruck-Sensor und ein zweiter Sensor als ein Hochdruck-Sensor ausgebildet ist.Ventilator or anesthesia device set up and designed to mix at least two gas components into a gas mixture, the gas mixer having at least one adjustable valve per gas component, at least one differential pressure sensor per gas component and a control unit with which the valves correspond to predetermined flows of the gas components based on the detected Pressure measurement values can be controlled, characterized in that a first sensor is designed as a low-pressure sensor and a second sensor as a high-pressure sensor. Beatmungs- oder Anästhesiegerät eingerichtet und ausgebildet zur Mischung von Gasen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei Gaskomponenten durch jeweils einen separaten Strömungskanal fließen, in dem sich jeweils mindestens ein regelbares Ventil befindet, sodass der Fluss jeder Gaskomponente durch den jeweils zugeordneten Strömungskanal von der jeweiligen Ventileinstellung abhängig ist, und wobei sich die einzelnen Gaskomponenten in Strömungsrichtung hinter den Ventilen gemäß vorgegebenen Anteilen zu einem Gasgemisch miteinander vermischen, wobei die Regelung der Anteile der einzelnen Gaskomponenten durch die Erfassung der Druckmesswerte von zwei Differenzdrucksensoren je Gaskomponente für spezifische Druckbereiche erfolgt und die Berechnung der Flüsse der einzelnen Gaskomponenten daraus erfolgt.Ventilator or anesthesia device set up and designed for mixing gases according to one of the preceding claims, wherein at least two gas components flow through a separate flow channel in which there is at least one controllable valve, so that the flow of each gas component through the respectively assigned flow channel of the depends on the respective valve setting, and the individual gas components mix with each other in the flow direction behind the valves according to predetermined proportions to form a gas mixture, the proportions of the individual gas components being regulated by recording the pressure measurements from two differential pressure sensors per gas component for specific pressure ranges and the calculation of the flows of the individual gas components.
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