DE19745954A1

DE19745954A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Gasgemischen

Info

Publication number: DE19745954A1
Application number: DE1997145954
Authority: DE
Inventors: Bernd Horst Dr Meier; Helmut Otto Dipl Ing Heinemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-04-22

Description

Die Erfindung nutzt den vom Abstimmen von Musikin strumenten bekannten Effekt, daß die Beschaf fenheit und Zusammensetzung der Luft, wie Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die Tonhöhe und Klangbeschaffenheit des Instrumentes auswirken.

Beispielsweise kann nach Einatmung des Edelgases beim Sprechen eine deutlich höhere Stimme vernommen werden, als beim Sprechen in reiner Luft. Die Tonveränderung nach Einatmung von Helium mit der Atemluft beruht auf den Veränderungen der akustischen Eigenschaften des Helium/Luft-Gemischs gegenüber reiner Luft, insbesondere auf dem gegenüber Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid deutlich niedrigeren Atomgewicht des Heliums. Nach weiteren Atemzügen wird die Heliumkonzentration durch Austausch mit Luft mehr und mehr verdünnt, wodurch die Stimmlage auf ihre normale Tonhöhe in Luft zurückgeht. Würde ein Helium/Luft-Gemisch durch ein Blasinstrument, z. B. eine Flöte zur Schwingung gebracht, indem das zu messende Gasgemisch mittels eines Gebläses in das Mundstück des Instruments geblasen wird, entsteht ein Ton, dessen Frequenz von der Zusammensetzung des Gasge mischs abhängt. Bei der Nutzung eines Xenon/Luftgemischs ist die Frequenz des erzeugten Tons entsprechend niedriger. Neben dem Gebrauch von Flöten und Blasinstrumenten können auch andere akustische Tongeber zur Erzeugung der Schall schwingungen in dem zu messenden Gas oder Gasge misch genutzt werden. Bei Verwendung von akustischen Schwingkörpern kann die angeregte akustische Schwingung durch ein Resonanzmittel günstig beeinflußt werden, wenn sich das zur Schwingung anzuregende Gas oder Gasgemisch mit dem Resonanzkörper in Kontakt befindet, beispielsweise indem sich das zu messende Gasgemisch innerhalb des Resonanzkörper befindet und/oder diesen Resonanzkörper umgibt. Bei Verwendung von akustischen Schwingkörpern und Saiteninstrumenten kann die Tonhöhe der angeregten akustischen Schwingung durch mechanische Einstellung der für die Schwingung zur Verfügung gestellten Länge des Schwingkörpers beeinflußt werden (Vgl. Tonänderung bei Gitarren, durch Griff und Verkürzung der Saitenlänge), wobei die eingestellte Länge gemessen und einer Steuereinheit zugeführt werden kann. Auch können magnetische Schwingkörper durch Elektromagnete die mit einem Wechselstromgenerator betrieben werden in Schwingungen versetzt werden. Auch elektrische Mittel können verwendet werden um das Gasgemisch in Schwingung zu versetzen. Ein zur Messung geeigneter Effekt läßt sich auch durch, fit feststehenden Frequenzen schwingenden Schallkörpern, erzielen (z. B. Stimmgabel, Saiteninstrumente, elektr. Tongeneratoren) wenn die Schwingung auf eine Resonanzmittel übergeht, das mit dem zu messenden Gasgemisch in Verbindung steht. Dabei kann insbesondere wenn eine Mehrzahl von Schwingungen auf dem Resonanzkörper bzw. auf den Resonanzkörpern schwingen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gasgemisches ein das Gasgemisch charakterisierendes Frequenzspektrum erzeugt werden. Die Schallphänomene können durch Mittel zur Wandlung der Schallenergie in elektrische Ströme gewandelt, und nach entsprechender Verstärkung einer Rechen-, Steuer- und Speichereinheit zur weiteren Auswertung zugeführt werden. Nicht nur die Tonhöhe sondern auch die Schallgeschwindigkeit hängt von der Zusammensetzung des Gasgemischs in dem sich der Schall ausbreitet ab. So können durch Messung der Laufzeit des in das Gasgemisch eingebrachten Schalls Informationen bezüglich der Zusammen setzung des Gasgemischs gewonnen werden.

Vorteilhaft für die Durchführung des Meßverfahrens ist die Abgeschlossenheit der Meßvorrichtung gegenüber äußerem Schall und äußeren Luft und Gaskonzentrationen. In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die zur Schallerzeugung vorgesehene Meßkammer gasdicht und schalldicht von äußeren Einflüssen abgeschlossen, wobei die akustischen Eigenschaften der Meßkammerwände, durch bewegliche Verkleidungen der Wände verändert werden können, die von außen durch Magnetkraft bewegt werden können. Auch die Kraftübertragung auf mechanische Mittel im Inneren der Meßkammer mit dem Ziel das zu messende Gasgemisch in Schwingungen zu versetzen kann durch Magnete von außen nach innen erfolgen, wobei in vorteilhafter Weise die Kontinuität und Dichte der Meßkammer nicht durch bewegliche mechanische Elemente zur Kraftübertragung durchbrochen werden muß.

Die exakte Messung von Narkosegaskonzentrationen ist ein wesentliches Sicherheitskriterium bei der Durchführung von Vollnarkosen. Für die angemessene Dosierung von dem Atemgas zugesetzten Narkosegasen ist deshalb die kontinuierliche Messung ihrer Konzentration im Narkosegas wichtig. Die derzeit bei Beatmungsnarkosen eingesetzten volatilen Anaesthetika, wie Lachgas, die Fluorkohlenwasser stoffe (Halothan, Enfluran, Isofluran, etc.) sowie der zur Erhaltung des Stoffwechsels lebensnot wendige Sauerstoff und das im Stoffwechsel anfallende Kohlendioxid werden durch Messung von Infrarotspektren sicher erfaßt. Die Verwendung von anderen ebenfalls zur Einleitung und Aufrecht erhaltung von Narkosen geeigneten Substanzen, wie beispielsweise das Edelgas Xenon kann durch die Infrarotspektroskopie nicht befriedigend erfaßt werden. Für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Narkosegasen und Gasgemischen in Narkoseapparaten wird das zu messende Gas oder Gasgemisch durch ein geeignetes Mittel oder Instrument in eine akustische Schwingung versetzt. Von der Beschaffenheit dieser Schallschwingungen können Rückschlüsse auf die Beschaffenheit und Zusammensetzung des Narkosegases bzw. Gasgemischs gezogen werden.

Kurze Beschreibung der Meßvorrichtung

In einer einfachen Ausgestaltung besteht die Erfindung aus:

- einem Mittel zur akustischen und gasdichten Trennung der als Meßprinzip zur Anwendung kommenden Schallquelle und Meßvorrichtung von störenden äußeren akustischen Einflüssen sowie Verfälschung der Gaskonzentration durch Mischung mit Außenluft.
- einem Mittel zur Erzeugung von Schall bzw. Geräuschphänomenen in dem zu untersuchenden Gas oder Gasgemisch in einer besonderen Ausgestaltung aus einer kleinen Flöte.
- einem Mittel zur weiteren Beeinflussung der Tonhöhe oder anderer Toneigenschaften, in unserem Beispiel aus einem die Länge der in der Flöte zur Schwingung gebrachten Luftsäule begrenzenden beweglichen Verschlußstück.
- einem Mittel zur Messung der Stellung des für die weitere Beeinflussung von Tonhöhe und Toneigenschaften vorgesehenen Mittels.
- einem Mittel zur Wandlung von elektrischer mechanischer Energie in Schallenergie, in unserem Beispiel bestehend aus einem Motor und einem oder mehreren Ventilpumpen z. B. Blasebälgen die die Luftsäule in dem Ansatzstück der Flöte bewegen und in besonderer Ausgestaltung der Erfindung von den Pumpen und der Meßkammer getrennt ist.
- einem Mittel zur Übertragung der von dem Motor bewirkten Kraft auf die Ventilpumpen.
- einem Mittel zur Beeinflussung der Oberflächen- Reflexionseigenschaften des akustischen Raums.
- einem Mittel zur meßtechnischen Wandlung des Schallsignals in ein elektrisches Signal.
- einem Mittel zur Wandlung eines mit einem Frequenzgenerators erzeugten Wechselstromfrequenz in ein Tonsignal.
- einem Meßverstärker.
- einer Steuer-, Rechen- und Speichereinheit.

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Gasgemischen und Vorrichtung zur Bestimmung von Atemgasgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zu messenden Gasgemisch Schwingungen erzeugt werden, deren Frequenz gemessen wird.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in das unbekannte Gasgemisch Schwingungen und/oder Geräusche eingebracht werden, so daß aus der Ausbreitungs geschwindigkeit dieser Schwingungen und /oder Geräusche Informationen bezüglich der Zusammen setzung des Gases oder Gasgemischs gewonnen werden können.

3. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das unbekannte Gasgemischs Schwingungen oder Geräusche eingebracht werden, wobei aus der Frequenzänderung Informationen bezüglich von Geschwindigkeit und Fluß des Gases gewonnen werden können.

4. Verfahren und Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem zur Schallerzeugung geeigneten Mittel auf dem Prinzip eines Blasinstrumentes, beispielsweise einer Flöte oder Pfeife, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Gasgemisch durch eine Pumpe oder mehrere Pumpen durch das Blasinstrument bewegt wird.

5. Vorrichtung zur Messung der Zusammensetzung von Gasgemischen in Narkoseapparaten nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch, dessen Zusam mensetzung ermittelt werden soll, durch ein zur Schallerzeugung geeignetes Mittel zu mechanischen bzw. akustischen Schwingungen angeregt wird, wobei die Tonfrequenz der erzeugten Schwingungen nach Wandlung in elektrische Signale einem Mittel zur Auswertung des elektrischen Signals zugeführt wird, wobei aus der oder den Frequenzen der Schwingungen Informationen bezüglich der Zusammensetzung des Gasgemischs im Narkoseapparat gewonnen werden.

6. Vorrichtung zur Messung der Zusammensetzung von Gasgemischen in Narkoseapparaten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch, dessen Zusammensetzung ermittelt werden soll, durch ein zur Schallerzeugung geeignetes Mittel zu mechanischer bzw. akustischer Schwingung angeregt wird, wobei die Schallenergie der erzeugten Schwingung nach Wandlung in ein elektrisches Signal einem Mittel zur Auswertung des elektrischen Signals zugeführt wird, wobei aus der Schallenergie Informationen bezüglich der Zusammensetzung des Gasgemischs gewonnen werden.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Messung der Zusammensetzung von Gasgemischen in Narkosegeräten, wobei mit einen zur Schall- oder Geräuscherzeugung geeigneten Mittel ein Schall oder Geräusch in das zu untersuchende Gasgemisch eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit gemessen wird die vergeht, bis das Schallsignal im Gasgemisch die Strecke bis zu einer von der Schallquelle beabstandeten Meßvorrichtung zurückgelegt hat, wobei das Ergebnis der Zeitmessung einer Recheneinheit zugeführt wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit einem zur Schallerzeugung geeigneten Mittel auf dem Prinzip eines Blasinstrumentes, wie z. B. einer Flöte oder Pfeife bei dem die Tonhöhe justierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß man den Meßbereich der Vorrichtung durch Justierung der Tonhöhe festlegt.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Justierung der Meßbereiche vorgenommenen Einstellungen an dem zur Schallerzeugung geeigneten Mittel mit einer Meßvorrichtung erfaßt und einer Steuer-Rechen- und Speichereinheit zugeführt werden kann.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zur Schall- oder Geräuscherzeugung geeignete Mittel aufeinander abgestimmt werden können, wobei eine Veränderung der Zusammensetzung des Gasgemisches zu Verschiebungen der auf einander abgestimmten Tonhöhen führen, welche durch ein Mittel in elektrische Signale gewandelt und einer Recheneinheit zugeführt werden.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Schall oder Geräuscherzeugung in dem Gas bzw. Gasgemisch des Narkoseapparates geeignete Mittel auf dem Prinzip eines Schwingkörpers oder Saiteninstruments beruht, welches durch mechanische, elektromagnetische Mittel in eine Schwingung versetzt wird, wobei durch Veränderung der schwingfähigen Länge des Schwingkörpers die Tonhöhe beeinflußt werden kann, welche durch ein Mittel in elektrische Signale gewandelt und einer Recheneinheit zugeführt werden kann.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der zur Schallerzeugung geeignete Schwingkörper magnetischer Natur sind und geeignet sind von einem Elektromagneten, der durch einen Frequenzgenerator betrieben wird, dessen Frequenz frei gewählt werden kann, in Schwingungen versetzt zu werden.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche mit einem zur Schaller zeugung geeigneten Mittel, welches seine Schwingungen auf ein oder mehrere Resonanzmittel unterschiedlicher Beschaffenheit wirken läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzeigen schaften der Resonanzmittel wesentlich durch die Eigenschaften des zu untersuchenden Gasgemisches beeinflußt werden, wobei die Resonanzmittel in frei wählbarer Weise mit dem zu untersuchenden Gasgemisch in Verbindung stehen, wobei sie teilweise oder vollständig durch das zu untersuchende Gas ausgefüllt sind und/oder von dem zu untersuchenden Gasgemisch umgeben werden.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere als akustische Schallquellen geeignete Mittel gleichzeitig betrieben werden, wobei eine 1. Schallquelle einen Ton bzw. ein Schallsignal in einem ersten Medium erzeugt und eine 2. Schall quelle einen Ton bzw. eine Schallsignal in einem zweiten Medium erzeugt, wobei die Schallquellen durch Abstimmen bzw. Frequenzänderung der Schallquelle bzw. der Schallquellen so aufeinander abgestimmt werden, daß bei gleicher Zusammensetzung der Medien gleiche Töne erzeugt werden, und bei Änderung der Zusammensetzung eines Mediums eine Veränderung des in diesem Medium schwingenden Tons bewirkt wird, so daß die direkten akustischen Ober lagerung der in beiden Medien schwingenden Töne zur Schwebung führt, wobei aus der Schwebung auf die unterschiedliche Zusammensetzung der Medien geschlossen werden kann.

15. Anspruch nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Tongenerator und Schallgeber (Lautsprecher), der in seiner Frequenz steuerbar und geeignet ist, auf die Tonhöhe eingestellt werden kann, die durch eine akustische Schallquelle in dem untersuchten Gasgemisch erzeugt wird, wobei durch die Änderung der Zusammensetzung des Gases oder Gasgemischs eine Veränderung des in diesem angeregten schwingenden Tons bewirkt wird und die akustischen Überlagerung des in dem Gas oder Gasgemisches schwingenden Tons mit dem durch den elektronischen Tongenerator sowie einen Schallgeber erzeugten Ton zu einer Schwebung führt, wobei aus der Schwebung auf die gegenüber dem Ausgangszustand unterschiedliche Zusammensetzung des Gases oder Gasgemischs geschlossen werden kann.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Schallerzeugung geeignete Mittel sehr hohe Frequenzen im Bereich des Ultraschalls, und sehr niedrige Frequenzen im Infraschallbereich in dem zu messenden Gas bzw. Gasgemisch erzeugt werden können.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das zur Schwingung angeregte zu untersuchende Narkosegas oder Gasgemisch in einer Meßkammer befindet, deren Struktur und Oberflächenbeschaffenheit die eingebrachten Schall und oder Geräuschphänomene in wählbarer Weise dämpft oder reflektiert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß durch von außen auf die Oberfläche der gasdichten Meßkammer wirkende Magnete die Oberflächenstruktur von beweglichen an der Oberfläche befestigten magnetischen Formelementen in gewünschter Weise beeinflussen kann.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanische und/oder akustische Trennung zwischen Pumpe(n) und der Meßkammer vorgesehen ist.