DE19960437A1

DE19960437A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases

Info

Publication number: DE19960437A1
Application number: DE19960437A
Authority: DE
Inventors: Dieter Engel
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-07-05
Also published as: FR2802632A1; US20010003922A1

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem einzigen Messfühler sowohl eine physikalische Größe des Gases als auch die Gastemperatur zu messen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, während eines ersten Messabschnittes, bei dem der Messfühler durch einen Heizstrom auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, aus der durch die physikalische Größe verursachten Änderung des Heizstromes eine erste Messgröße zu ermitteln und während eines zweiten Messabschnittes den Messfühler mit einer Widerstandsmesseinrichtung (12) zu verbinden und dabei den Heizstrom des Messfühlers derart abzusenken, dass die Eigenerwärmung des Messfühlers klein gegenüber der Arbeitstemperatur ist und aus dem Widerstand des Messfühlers (3) eine der Temperatur des Gases proportionale zweite Messgröße zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases ist aus der US 3,645,133 bekannt. In einem zylindrischen Gaskanal befindet sich ein auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizter Messfühler, der Teil einer Messbrücke ist, wobei sich aus der Brückenverstimmung ein der Strömungsgeschwindigkeit des Gases proportionaler Messwert ergibt. Zur Kompensation des Temperatur einflusses ist ein weiterer Messfühler vorhanden, der die Stromversorgungsein richtung der Messbrücke beeinflusst. Derartige Strömungsmessvorrichtungen werden bevorzugt in Atemsystemen eingesetzt, um das von einem Patienten eingeatmete beziehungsweise ausgeatmete Gasvolumen oder auch das Atemminutenvolumen zu messen, wobei eine patientennahe Messung angestrebt wird. Um den Patienten durch die Messung nicht unnötig zu beeinträchtigen, soll die Messvorrichtung möglichst einfach aufgebaut und mit einem Mindestmass an Messfühlern ausgestattet sein, damit die Anzahl und die Stärke der Zuleitungskabel auf das unbedingt notwendige Maß beschränkt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Messfühler sowohl zur Messung der Gastemperatur als auch zur Messung einer weiteren physikalischen Größe des Gases verwendet werden kann und ein Verfahren zur Durchführung der Messung anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe für das Messverfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Lösung der Aufgabe für die Messvorrichtung ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 8.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, den durch den Messfühler fließenden Heizstrom mit einer Steuerschaltung derart zu verändern, dass während eines ersten Messabschnittes, bei dem sich der Messfühler auf seiner Arbeitstemperatur befindet, die Strömungsgeschwindigkeit oder die Stoffeigen schaft des Gases bestimmt werden können, und anschließend, während eines zweiten Messabschnittes, den Messfühler mit einer Widerstandsmesseinrichtung zu verbinden und den Heizstrom dabei derart abzusenken, dass die Eigenerwärmung des Messfühlers klein gegenüber der Arbeitstemperatur, speziell bei der Messung der Strömungsgeschwindigkeit klein gegenüber der Übertemperatur, bezogen auf die Gastemperatur, ist. Die Arbeitstemperatur des Messfühlers ist dabei die Summe aus Gastemperatur und Übertemperatur. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Übertemperatur auf einem konstanten Wert gehalten. Zur Vorgabe der Arbeitstemperatur des Messfühlers muss daher die Gastemperatur bekannt sein. Die Arbeitstemperatur des Messfühlers liegt während des ersten Messabschnittes üblicherweise in einem Bereich zwischen 130 Grad und 180 Grad, wobei der Messfühler durch den Heizstrom auf der konstanten Übertemperatur gehalten wird. Durch die Abkühlung des Messfühlers aufgrund der Geschwindigkeit der Gasströmung erhöht sich die zugeführte Leistung, wobei die Leistungserhöhung ein Maß für die Höhe des Gasflusses ist.

Zur Messung der Gastemperatur wird während des zweiten Messabschnittes der Messfühler durch die Steuerschaltung mit einer Widerstandsmesseinrichtung verbunden und dabei der Heizstrom derart abgesenkt, dass die Eigenerwärmung klein gegenüber der Arbeitstemperatur bzw. der Übertemperatur ist. Eine Eigenerwärmung des Messfühlers, die in der Größenordnung von 1% von der Bezugstemperatur abweicht, ist im allgemeinen noch tolerabel. Sofern sich bei der Temperaturmessung eine höhere Eigenerwärmung einstellt, wird die Gastemperatur im Bereich größerer Strömungsgeschwindigkeiten gemessen. Liegt beispielsweise bei einem Heizstrom von 10 Milliampere die Eigenerwärmung des Messfühlers zwischen 10 Grad Celsius und 15 Grad Celsius, wird die Temperaturmessung bei einer Gasströmung von etwa 10 Liter pro Minute vorgenommen. Für die Temperaturmessung reicht ein kurzes Zeitfenster, das zweckmäßigerweise zwischen 20 Millisekunden und 50 Milli sekunden liegt, aus. Die Temperaturmessung erfolgt zweckmäßigerweise mit einer Zeitverzögerung von 20 bis 50 Millisekunden nach dem Absenken des Heizstromes. Bei Atemgasanalysen werden Strömungs- und Temperatur messungen mindestens einmal pro Einatemzug oder Ausatemzug durchgeführt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Besonders vorteilhaft ist es, in dem Kanal einen weiteren, ebenfalls auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizten Messfühler mit einem Luftwiderstandskörper derart anzuordnen, dass der Luftwiderstandskörper im Strömungsbeein flussungsbereich eines der Messfühler liegt. Durch Vergleich der von den Messfühlern gelieferten Messsignale läßt sich zusätzlich zur Strömungs geschwindigkeit und zur Gastemperatur auch die Strömungsrichtung ermitteln.

Vorrichtungen mit zwei auf eine konstante Arbeitstemperatur aufgeheizten Messfühlern und einem Luftwiderstandskörper sind zwar aus dem Stand der Technik bekannt, die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt aber zusätzlich noch die Temperaturmessung, ohne dass die Anzahl der Messfühler erhöht werden muss.

Bei der Vorrichtung mit zwei Meßfühlern hat sich eine Ausführungsform als besonders vorteilhaft erwiesen, bei der ein Meßfühler ständig auf die konstante Übertemperatur gegenüber der Gastemperatur aufgeheizt ist, um die Strömungsgeschwindigkeit zu messen, während der andere Meßfühler für die Strömungsrichtungserkennung und die Temperaturmessung benutzt wird. Zur Bestimmung der Strömungsrichtung befinden sich beide Meßfühler auf der Arbeitstemperatur, während die Temperaturmessung mit abgesenktem Heizstrom durchgeführt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung,

Fig. 2 schematisch den Aufbau einer ersten Versorgungsschaltung für einen Messfühler,

Fig. 3 schematisch eine zweite Versorgungsschaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Messvorrichtung 1, mit der sowohl die Strömungsgeschwindigkeit, die Strömungsrichtung als auch die Gastemperatur gemessen werden kann. Hierzu sind in einem von einem Gas durchströmten Kanal 2 ein erster Messfühler 3, ein zweiter Messfühler 4 und ein Luftwiderstandskörper 5 zwischen den Messfühlern 3, 4 angeordnet. Mittels einer ersten elektrischen Versorgungsschaltung 6 wird ein durch den ersten Messfühler 3 fliessender erster Heizstrom erzeugt, mit dem dieser auf eine konstante Übertemperatur gegenüber der Gastemperatur aufgeheizt wird. Die am ersten Messfühler 3 vorliegende Arbeitstemperatur ergibt sich aus dem Ohmschen Widerstand des ersten Messfühlers 3.

Eine zweite elektrische Versorgungsschaltung 7 beaufschlagt den zweiten Messfühler 4 mit einem zweiten Heizstrom, durch welchen dieser auf eine ebenfalls konstante Übertemperatur gebracht wird. Die Messfühler 3, 4 bestehen aus dünnen Platindrähten, die an Stützdrähten 8, 9 innerhalb des Kanals 2 befestigt sind. Der in gleicher Höhe mit dem Messfühler 3 liegende Luftwider standskörper 5 bewirkt, je nach Strömungsrichtung, eine unterschiedliche Abkühlung des Messfühlers 3. Die möglichen Strömungsrichtungen in dem Kanal 2 sind durch einen Pfeil 10 veranschaulicht.

Im Leitungszug zwischen dem ersten Messfühler 3 und der ersten Versorgungsschaltung 6 ist eine Steuerschaltung 11 in Form eines Umschalters angeordnet, mit der der erste Messfühler 3 entweder mit der ersten Versorgungs schaltung 6 oder mit einer Widerstandsmesseinrichtung 12 verbunden werden kann. Die Widerstandsmesseinrichtung 12, die als Messbrücke ausgebildet ist, beaufschlagt den ersten Messfühler 3 mit einem derartigen Messstrom, dass sich eine Eigenerwärmung, die klein gegenüber der Übertemperatur ist, einstellt. Der Heizstrom ist derart bemessen, dass sich eine Eigenerwärmung ergibt, die 1 Grad Celsius bis 2 Grad Celsius beträgt. Die Versorgungsschaltungen 6, 7, die Steuerschaltung 11 und die Widerstandsmesseinrichtung 12 sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 14 verbunden, von der aus alle Steuer- und Rechenoperationen ausgeführt werden.

Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau der ersten Versorgungsschaltung 6 für den Messfühler 3. Die Versorgungsschaltungen 6, 7 sind identisch aufgebaut, wobei die zur zweiten Versorgungsschaltung 7 gehörenden, abweichenden Bezugsziffern der Fig. 3 zu entnehmen sind. Gleiche Komponenten haben gleiche Bezugsziffern. Die Messfühler 3, 41 sind in den Brückenschaltungen mit zwei festen Brückenwiderständen 15, 16 und jeweils einem über eine Verstelleinrichtung 17 veränderbaren Brückenwiderstand 18 verbunden. Die Messbrücken nach den Fig. 2 und 3 werden jeweils aus einer Spannungsquelle 19 über einen Operationsverstärker 20 mit dem Speisestrom versorgt. Die Diagonalspannungen der Messbrücken liegen am Eingang der Operationsverstärker 20 an. Die Ausgangsspannungen der Messbrücken werden an den Brückenwiderständen 16 abgegriffen. Die Messbrücken und die Verstelleinrichtungen 17 sind über Signalleitungen 21, 22, 23, 24 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 14 verbunden. Über die Operationsverstärker 20 werden die Messfühler 3, 4 auf die Arbeitstemperatur gebracht. Hierzu werden die von den Operationsverstärkern 20 gelieferten, durch die Messfühler 3, 4 fliessende Heizströme solange verändert, bis sich ein konstanter Widerstand an den Messfühlern 3, 4 und damit die vorbestimmte Arbeitstemperatur einstellt. Aufgrund der Gasströmung verändern sich die Brücken-Diagonalspannungen und an den Brückenwiderständen 16 fallen Messspannungen ab, die über die Signalleitungen 21, 22 an die Steuer- und Auswerteeinheit 14 weitergegeben werden. Aus dem Verhältnis der Messspannungen der Messfühler 3, 4 zueinander wird in der Steuer- und Auswerteeinheit 14 die Strömungsrichtung bestimmt, während der Absolutwert der Messspannungen ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Änderungen der Temperatur des zu untersuchenden Gases werden über die Brückenwiderstände 18 kompensiert. Hierzu erhalten die Verstelleinrichtungen 17 über die Leitungen 23, 24 von der Steuer- und Auswerteeinheit 14 ein Temperatursignal, das von der Widerstandmesseinrichtung 12 zu den Zeitpunkten geliefert wird, wenn der erste Messfühler 3 über die Steuerschaltung 11 mit der Widerstandsmesseinrichtung 12 verbunden ist, Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung lässt sich bevorzugt in einer Atemgas leitung einsetzen, durch die sowohl die Einatmung als auch die Ausatmung erfolgt. Zu Beginn der Einatem- oder Ausatemphase wird durch Vergleich der Messsignale der Messfühler 3, 4 die Richtung der Gasströmung von der Steuer- und Auswerteeinheit 14 bestimmt. Danach wird der erste Messfühler 3 über die Steuerschaltung 11 mit der Widerstandsmesseinrichtung 12 verbunden und mit einer Zeitverzögerung von 20 Millisekunden bis 50 Millisekunden die Temperaturmessung durchgeführt. Die Widerstandsmesseinrichtung 12 liefert ein der Gastemperatur proportionales Messignal an die Steuer- und Auswerteeinheit 14. Anschließend wird der erste Messfühler 3 wieder mit der ersten Versorgungsschaltung 6 verbunden und auf die ursprüngliche Arbeitstemperatur aufgeheizt. Im Verlauf eines Atemzuges können auch während aufeinanderfolgender Zeitfenster mehrere Temperatur-Messsignale ermittelt werden, aus denen dann ein mittlerer Temperaturwert berechnet werden kann. Die Messwerte für die Strömungsgeschwindigkeit werden kontinuierlich mit dem zweiten Messfühler 4 ermittelt, der ständig auf die konstante Arbeitstemperatur aufgeheizt ist. Da der erste Messfühler 3 sowohl zur Temperaturmessung als auch zur Bestimmung der Strömungsrichtung benutzt wird, kann die Temperaturmessung immer innerhalb der Zeitintervalle vorgenommen werden, in denen keine Änderung der Strömungsrichtung zu erwarten ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Temperatur und einer weiteren physikalischen Größe eines in einem Kanal befindlichen Gases mit einem Messfühler, der durch einen Heizstrom auf eine gegenüber der Gastemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizt ist, gekennzeichnet durch die Schritte,

a) während eines ersten Messabschnittes, bei dem sich der Messfühler (3) auf der Arbeitstemperatur befindet, aus der durch die physikalische Größe des Gases verursachten Änderung des Heizstromes eine erste Messgröße zu ermitteln und
b) während eines zweiten Messabschnittes den Messfühler mit einer Widerstandsmesseinrichtung (12) zu verbinden und dabei den Heizstrom des Messfühlers (3) derart zu bemessen, dass die Eigenerwärmung des Messfühlers (3) klein gegenüber der Arbeitstemperatur nach Schritt a. ist und aus dem Widerstand des Messfühlers (3) eine der Temperatur des Gases proportionale zweite Messgröße zu bestimmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, in dem Kanal (2) einen weiteren, auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizten Messfühler (4) und einen Luftwiderstandskörper (5) derart anzuordnen, dass der Luftwiderstandskörper (5) im Strömungsbeeinflussungsbereich zumindestens eines der Messfühler (3, 4) liegt und

a) in einem dritten Messabschnitt, durch Vergleich der von den Messfühlern (3, 4) gelieferten Messwerte, eine der Strömungsrichtung des Gases proportionale dritte Messgröße zu bestimmen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, die Messschritte a und b wahlweise mit einem der Messfühler (3, 4) auszuführen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messgröße zur Korrektur des Temperatureinflusses der ersten Messgröße zu verwenden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messgröße zur Korrektur des Strömungseinflusses der zweiten Messgröße zu verwenden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, den Messschritt c vor den Messschritten a und b auszuführen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, den Messschritt b. vor dem Messschritt a. auszuführen.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur und einer weiteren physikalischen Größe eines in einem Kanal befindlichen Gases mit einem durch einen Heizstrom auf eine gegenüber der Gastemperatur erhöhte Arbeitstemperatur aufgeheizten Messfühler (3), welcher mit einer den Heizstrom liefernden Versorgungsschaltung (6) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine den Messfühler (3) während vorbestimmter Messabschnitte entweder mit der Versorgungsschaltung (6) oder einer Widerstandsmesseinrichtung (12) verbindende Steuerschaltung (11), die derart ausgebildet ist, dass während eines ersten Messabschnittes, bei dem der Messfühler (3) mit der Versorgungsschaltung (6) verbunden ist, aus der durch die physikalische Größe verursachte Änderung des Heizstromes eine erste Messgröße bestimmbar ist, und dass während eines zweiten Messabschnittes, bei dem der Messfühler (3) in Wirkverbindung mit der Widerstandsmesseinrichtung (12) geschaltet ist, der Heizstrom auf einen derartigen Wert eingestellt ist, dass die Eigenerwärmung des Messfühlers (3) klein gegenüber der Arbeitstemperatur ist, und dass aus dem Widerstand des Messfühlers (3) eine der Temperatur des Gases proportionale zweite Messgröße ermittelbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (2) ein weiterer, auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizter Messfühler (4) und ein im Strömungsbeeinflussungsbereich zumindestens einer der Messfühler (3, 4) liegender Luftwiderstandskörper (5) angeordnet sind.