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Volumenmesser.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Messinstrument zum Bestimmen des
Volumenwertes eines umschlossenen, veranderlichen Raums, welches Instrument einen
Messraum mit anderbaren Volumen umfasst, sowie Mittel zum Anschliessen an den zu
messenden Raum, Zu- und Abfuhrmittel für Luft, Zufuhrmittel für ein detektierbares
Gas, und Mittel zum Messen der Konzentration dieses Gases, besonders der beim in
Verbindung Bringen der beiden Raume auftretenden Konzentrationsanderung, worunter
ein Anzeigeinstrument mit einstellbarer Empfindlichkeit.
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Ein solches Instrument ist mit dem Nachteil behaftet, dass das gesuchte
Ergebnis nicht unmittelbar abgelesen werden kann, sondern aus verschiedenen andern
Anweisungen berechnet werden muss.
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Diese Berechnungen müssen sogar zwei mal durchgeführt werden, erstens
zum Bestimmen des Tdraums des Instrumentes, und sodann zur eigentlichen Bestimmung
des gesuchten Volumens. Diese Komplikationen geben in der Praxis vielmals zu Fehlern
Anlass. Es sei dazu bemerkt, dass der erwähnte Totraum des Instrumentes in gewissen
Volumenmessern nicht ine Konstante ist, die sich gegebenenfalls
bei
der Herstellung in der Eichung verarbeiten lassen würde.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde das Instrument in solcher
Weise einzurichten, dass Berechnungen anhand von Formeln in Fortfall kommen können,
indem auch in anderer Diese die Instruktionen fur die Bedienung vereinfacht werden
konnen. Zu diesem Zweck zeichnet sich das Instrument gemäss der vorliegenden Erfindung
dadurch aus, dass das Anzeigeinstrument für die Gaskonzentration zwei Skalaeinteilungen
aufweist, deren erste eine Eichskala ist, die ein Volumen Vs gemäss des Ansdrucks
Vs = Vo - Vd anzeigt, worin Vd =VaCe @ @ @ ca - ce und deren zweite die Messskala
ist, die das gesuchte Volumen Vx gemass des Ausdrucks Vx = Vo # ca - ce/ce , anzeigt,
worin V0 und Va fest gewahlte Werte haben und mit ca ein für jeden der Falle festgelegter
Ausschlag ua des Anzeigeinstrumentes übereinstimmt, und worin die Buchstaben die
in der obenstehenden Beschreibung erwähnte Bedeutung haben.
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Der nachgestrebte Zweck wird also durch den Festlegen einer gewissen
Anzahl Wahlgrossen erreicht und zwar entweder dadurch dass diese Grössen im Instrument
verwirkt werden, oder dadurch dass sie als einzustellende Werte in den Arbeitsinstruktionen
aufgenommen werden, wie untenstehend noch in Einzelheiten auseinander gesetztwerden
wird.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Spirometrie,
das Prüfen der menschlichen Lungenfunktion. Für den Arzt sind u.a. die Volumenwerte
der Lungen inden verschiedenen Ausatmungszuständen von Bedeutung, insbesondere die
funitionelle Residukapazitrat, das Lungenvolumen am Ende einer normalen Ausatmungezyklus.
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Die Erfindung wird nachstehend weiter erläutert anhand der anliegenden
Zeichnung. In dieser Zeichnung ist: Fig. 1 eine skizenhafte Darstellung eines Spirometers
zum Prüfen der Lungen; Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Ableseskala in ein Instrument,
worin die Erfindung angewendet wird.
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Die Erfindung findet im allgemeinen Anwendung in Instrumenten zum
Bestimmen der Volumenwerte von gegebenenfalls in der Zeit veränder@nden, geschlossenen
Räumen. Die Spirometrie, die eine Anwendungsgebiet der neuen Gedanken bildet, prüft
u-.a. die Zusammensetzung der Ausatmungsluft, die Geschwindigkeiten beim Ein- und
Ausatmen, und schliesslich die verschiedenen Lungenvolumen und -Kapazitäten, wie
z.B. die inspiratorische und expiratorische Reserve und die funktionelle Residukapazita"t.
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Die in Fig. 1 dargestellte Art einer Spirometer umfasst ein Gefäss
1, worin eine Glocke 2 in Flüssigkeit 3, senkrecht beweglich ist. Der Raum 4 unterhalb
der Glocke bildet mit dem Inhalt der Leitungen usw. den Messraum des Instrumentes,
Dieser Messraum enthält eine Zuleitung-5 zu einem Gasanalyvator, der mit einem Anzeigeinstrument
6 versehen ist. Die Leitungen 7 und 8 dienen zum Zu- bzw. Ableiten des zu prüfenden
Gasgemisches, in diesem Fall Atmungsluft. Mit 9 ist schematisch eine Ventileinrichtung
bezeichnet, mit Anschlussen für die Verbindung mit dem zu prüfenden Raum, in diesem
Fall die Lunge sowie mit einer Quelle eines bei der Bestimmung als- Detektionsmittel
angewendetes Gas, z. B. Helium, und schliesslich mit einer Entlüftungsöffnung für
den Raum unterhalb der Glocke. Alle diese Anschlusse, sowie ihre Bedienung sind
in der Spiroietrie bekannt. Mit 10 ist die Ableseskala für die Volumenänderungen
unterhalb der Glocke bezeichnet; der Zeiger 11 bewegt sich beim Steigen und Senken
der Glocke entlang dieser Skala, mit der niedrigsten Stellung der Glocke stimmt
der Nulpunkt der Skala 10 überein.
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Zum Bestimmen der Volumenwerte eines umschlossenen Raumes, in diesem
Beispiel also das Lungenvolumen, verfährt man grundsätzlich wie folgt.
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An den Meseraum wird ein kleiner Prozentsatz eines detektierbaren
Gases, z.B. Helium, zugeführt Falls sodann der Raum unterhalb der Glocke mit dem
Lungenraum in Verbindung gebracht wird, kann das Lungenvolumen aus der Konzentrationsanderung
des Heliums bestimmt werden, unter der Bedingung, das'das Anfangsvolumen des Meseraumes
bekannt ist. Der Einfachkeit halber mochte man von einer wohl definierten Stellung
der Glocke, z. B. die niedrigste Stellung, ausgehen. In dieser Weise begegnet man
jedoch zwei Schwierigkeiten.
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Erstens ist man meistens an der funktionellen Residukapazität interessiert.
Dazu soll jedoch die Verbindung zwischen dem Spirometer und den Lungen gerade an
dem Zeitpunkt, worauf der normale Einatmungszyblus beginnt, zustande gebracht werden.
Es soll dann also unterhalb der Glcoke eine zum Einatmen genügende Luftmenge anwesend
sein, sodass die Glocke beim Anfang der Messung etwa in einer Mittelstellung stehen
soll.
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Beim Feststellen des Anfangevolumens unter der Glocke genügt das Ablesen
der Stelle des Zeigers 11 deshalb nicht, weil dieser nur die Volumenzunahme des
Messraumes in Bezug auf der niedrigst Stellung anzeigt. In dieser niedrigstwn Stellung
ist dann immer noch der sogenannte Totraum V@@zu berücksichtigen, worin auch der
Raum innerhalb der Leitungen beggiffen ist. Zuerst soll man also den Totraum kennen,
wobei man jedoch auf die Schwierigkeit stosst, dass es hier keinen konstanten Wert
betrifft. Insbesondere ist der Wert des Totvolumens von der Wasserhöhe abhängig
und diese Wasserhohe andert sich z.B. wegen Verdampfung. In der Praxis soll denn
auch dann und wann, z.B. einmal pro Woche, der Totraum bestimmt werden.
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Dies geschieht wie folgt. Mit der Glocke in der niedrigsten Stellung
wird ein Prozentsatz Helium zugeleitet, dessen Konzentration ca bestimmt wird, Sodann
wird eine Luftmenge unter die Glocke zugeleitet deren Volumen Va auf die Skala 10
des Spirometers 10 abgelesen werden kann, wonach man auf dem Instrument 6 die neue
Gaskonzentration -Ce ablest. Der Totraum Vd kann dann aus dem Ausdruck: Vd Ca =
(Vd + Va) Ce (1)
oder Vd = Va ### (2) c -c e a bestimmt werden.
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Nachdem man in dieser Weise das Lotvolumen berechnet hat, können die
normalen Messungen durchgeführt werden. Nach dem Zufuhren eines üblichen Prozentsatzes
Helium, dessen Anfangskonzentration Ca wieder bestimmt wird, wird die Glocke in
einer willkürlichen Hohe eingestellt. Der Anfangswert des Messraumvolumens bei der
Messung, mit V bezeichnet, ist nunmehr die Summe von Vd und einem Anfangswert V81
; Letzterer kann auf der Spirometerskala abgelesen werden. Nachdem der Messraum
mit den Lungen des zu prufenden Patientes, deren Volumen mit Vx bezeichnet wird,
in Verbindung gebracht worden ist, wird die neue Gaskonzentration ce gelesen.
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Das gesuchte Volumen kann dann in ähnlicher Weise wie oben angegeben
wurde, wie folgt berechnet werden V . ca = (V + Vx) ce (3) oder V(C# - C#) V a e
* e (4) ce Es ist ersichtlich, dass der beim Eichen zu verwendende Formel (2) dem
bei der Messung zu verwendenden Formel (4) einigermassen ähnlich sieht, die beiden
Formel laufen Jedoch nicht ganz und gar parallel.
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Hieraus ergeb en sich die in der Praxis vielmals gemachten Fehler
und es ist das Verhüten dieser Fehler worauf sich die vorliegende Erfindung richtet.
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Erfindungsgemäss wird erstens die Empfindlichkeit des Anzeige-Instrumentes
einstellbar gemacht; sodann wird instruiert, dass man beim Bestimmen des Totraumes
nicht mehr von einem willkurlichen Volumenwertes ausgeht, sondern dass für Va einen
feste Luftmenge von z. B. 5 L gewählt wird. 1£ obenstehenden Formel (2) ist damit
also
ein fester Zusammenhang zwischen Vd und der absulesende Endkonzentration ce gemacht,
falls mann ca eine feste Stellung ua auf dem Messer gibt Es ware also moglich das
Anzeigeinstrument statt mit einer Konzentrationsskala unmittelbar mit einer Skala
für Vd zu versehen Erfindungsgemäss wird jedoch noch eine weitere Vereinfachung
durchgeführt damit in der nächsten Phase Berechnungen in Fortall kommen können.
Man macht eine Skala, worin die obenerwahnte Anweisung für Vd unmittelbar von einem
innerhalb weiter Grenzen willkürlichen Volumenbetrag V0 in Abzug kommt. Die Skala
ist sodann definiert als V# = Vb - Vd (5) Der also auf dem Instrument abgelesen.
Wert von V soll, solange 8 der Totraum ale unverändert betrachtet werden darf, als
Anfangslage, worauf der Zeiger des @pirometers eingestellt werden soll, angehalten
werden. Damit wird erreicht, dass bei allen Messungen das Gesamtvolumen unter der
Glocke, d.h. die Summe von dem Totraum und dem auf die Skala 10 eingestellten Betrag,
gerade V0 ist, also der obenerwähnte feste Wert. Dieser Wert kann z.B. 9 L sein.
Nach dem Messen der Endkonzentration c1@ wird das gesuchte Volumen Vx mit Hilfe
des Formels (4) bestimmt: #@ ##a - #e) Vx = # (4a). ce Hierin ist also wieder ein
Zusammenhang gelegt worden zwischen dem gesuchten Wert Vx und der Anweisung ee des
Anzeigeinstrumentes, falls der Messer für ca wieder auf einem festen Wert ua2 eingestellt
ist; dies gibt erfindungsgemäss dazu Anlass um auf dem Instrument eine zweite Skala
gemäss des Ausdrucks (4a) anzuordnen, wodurch unmittelbar und ohne Berechnung der
gesuchte Wert abgelesen wird.
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Fig. 2 zeigt akizzenmässig wiedie Skalaeinteilungen für Vs und Vx
auf dem Messinstrument angeordnet sein können. Der Skalabertich ist in jedem Fall
einerseits von den festen Eigenschaften des Instrumentes festgelegt, kann jedoch
sndererseits von der Wahl der verschiedenen Groseen, die erfindungsgemäss einen
festen Wert erhalten, besinflusst werden.
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Insbesondere kann dabei weiter ein Vorschaltwiderstand o.dgl. zum
Einste-.len des Skalawertes des Anzeigeinstrumentes Anwendung finden.
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Die Arbeitsinstruktionen enthalten denn auch die Regel um die Stellung
Ua des Zeigers für ca auf einen festen Strich einzustellen. Der Einfachkeit halber
wird dazu vrozugsweise der volle Ausschlag des Instrumentes gewählt. Dieser volle
Ausschlag bildet sodann die Basis beim Feststellen der Zahlenwerte die in der Weise
gemäss der Erfindung entlang den beiden Skala's V und V auf dem Anzeigeinstrument
x s angebracht werden.
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Zusammenfassend verfährt man also beim Ausführen der Eichungen und
der Messungen mit dem neu eingerichteten Instrument wie folgt: Anfangs wird das
Lotvolumen des Messinstrumentes mit den folgenden Handlungen weggeeicht: a) Nach
dem Einleiten der kleinen Anfangsmenge des detektierbaren Gases wird der Messraum
auf seinem möglichst kleinen Volumen gebracht; b) Der Ausschlag des Anzeigeinstrunfentes
für die Gaskonzentration wird mittels Empfindlichkeitsanderung auf den festgestellten
Wert ua1 gebracht; c) Der Messraum wird mit einem festgestellten Volumen Va vergrossert;
d) Die Anweisung des Instrumentes auf der Eichskala wird bestimmt, der sodann abgelesene
Wert ist das Anfangsvolumen Vs, worauf das Messinstrument bei den normalen Messungen
eingestellt werden soll.
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Sodann werden die normalen Messungen wie folgt durchgeführt e) Nach
dem Einleiten der üblichen kleinen Gasmenge wird der Kleinstwert des Messraumes
mit dem abgelesenen Volumen V ver-5 grossert; f) Der Ausschlag des Anzeigeinstrumentes
für die Konzentrationsmessung wird mittels Empfindlichkeitsa"nderung auf einen festgestellten
Wert uå2 gebracht; g) Der zu messende Raum wird mit dem Messraum in Verbindung gebracht;
h)
Auf der Messskala des Anzeigeinstrumentes wird der gesuchte Volumenwert V abgelesen.
x Im Vergleich mit den bekannten Verfahren wird also mit der erfindungsgemässen
Ausführung des Instrumentes eine erhebliche Vereinfachung erreicht, worunter Fortfall
der Notwendigkeit Berechnungen durchzuführen; dies wirkt sich in einer Verkürzung
der für eine Messung erforderliche Zeit aus, und überdies ist die Gefahr irrtümlicher
Bestimmung des gesuchten Wertes praktisch ausgeschlossen.