DE2204473B2

DE2204473B2 - Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes und/oder der Konzentration von Gaskomponenten in einem Meßgas

Info

Publication number: DE2204473B2
Application number: DE19722204473
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys. Franetzki; Bernd Hellmut Dr.Rer.Nat. Zimmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1978-07-27
Also published as: NL7215741A; FR2170008A1; DE2204473C3; ATA979372A; DE2204473A1; AT330947B; GB1392904A; CH549202A

Description

V_KU) = -^

35 = ^ MO V U)dt

i-T

und

40

•1 J M0P(0dt

einem dem Mittelwertbildner (12) nachgeschalteten zweiten Multiplizierglied (13) für die Multiplikation des Mittelwertes Ve (t) mit dem Konzentrationswert fa sowie einem den Multipliziergliedern nachgeschalteten Subtrahierglied (14) für die Bestimmung der Differenz

50 MO =

i-T

τ/ ^Y(t)at

i-T

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein dem Mittelwertbildner (12) nachgeschaltetes Subtrahierglied (16) für die Bildung der Differenz

Va - Ve(O

sowie einem Dividierglied (17) für die Bildung des Quotienten

60

c - V₁,U) = MO-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Meßgas durch das Atemgas eines Probanden gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Gas Raumluft dient.

wobei k,(t) die Konzentration der interessierenden Gaskomponente im Meßgas und V(t) der Strom des Meßgases in Abhängigkeit von der Zeit t bedeuten. Die interessierenden Mittelwerte Vi (t) und k~j(t) der jeweiligen Gaskomponente erhält man exakt, wenn mittels eines schnellen Konzentrationsmessers (Zeitkonstante klein gegen Schwankungsdauer der Strömung), z. B. Massenspektrometer, die Konzentration Jt/ (t) und mittels eines Strömungsmessers, z. B. Pneumotachograph, der Meßgasstrom V(t) kontinuierlich gemessen und die jeweils gemessenen Werte gemäß der angegebenen Gleichungen elektronisch ausgewertet werden. Schnelle Konzentrationsmesser sind jedoch technisch sehr aufwendig und damit auch sehr teuer.

Einen preiswerteren Einsatz gewährleistet zwar die Vorrichtung nach der US-PS 35 95 063; bei dieser Vorrichtung fällt am Ausgang des Mischgefäßes bereits ein mittlerer Konzentrationswert k,(t) an, zu dessen Anzeige lediglich ein Konzentrationsmesser mit verhältnismäßig großer Zeitkonstante, d. h. ein technisch weniger aufwendiger und damit auch erheblich billige-

rer Konzentrationsmesser, erforderlich ist Die Teilströmung ergibt sich — sofern zusätzlich noch ein Strömungsmesser eingesetzt wird — zu Summenstrom

V(O₊ Ve(O

wobei V(t) den (errechneten) Mittelwert des mit dem zusätzlichen Strömungsmesser erfaßten Me3gasstromes darstellen würde. Der Vorteil der Kostenersparnis würde jedoch mit dem Nachteil einer erhöhten Meßungenauigkeit mindestens im Rahmen der Größe Vj ftf erkauft

Der Grund für diese Meßungenauigkeit liegt darin, daß sich mit der aus der US-PS bekannten Vorrichtung auch bei Einsatz eines zusätzlichen Strömungsmessers immer entweder nur der Wert k, ftf oder der für die Berechnung von Vi(O weiterhin erforderliche Wert V(iX niemals jedoch beide Werte gleichzeitig exakt erfassen lassen. So läßt sich beispielsweise bei instationärer Durchströmung des Mischgefäßes der Strom V ftf des Meßgases exakt messen und damit auch über eine vorgebbare Zeitdauer Γ exakt mitteln; diese Zeitdauer T stellt jedoch lediglich einen geschätzten Mittelwert für die Mischdauer des Gefäßes dar (tatsächliche Mischdauer ist abhängig vom Zeitverhalten des Stromes V(O), so daß bei Abweichungen der tatsächlichen Mischdauer vom geschätzten Wert entsprechend abweichende Konzentrationswerte ki(t) erhalten werden. Wird hingegen der Meßgasstrom V(O durch das Mischgefäß auf einem konstanten Wert gehalten, z. B. durch konstante Absaugung des Gases (in der Lungenfunktionsdiagnostik wird dem Probanden eine Atemmaske aufgesetzt und das Atemgas aus der Atemmaske konstant abgepumpt), so ergeben sich zwar definierte Mischzeiten_ T und damit auch exakte Konzentrationswerte k,(0 Der Wert V(t) (in der Lungenfunktionsdiagnostik das sog. Atemzeitvolumen) ist hingegen nicht mehr meßbar, und damit kann auch der Wert Vi ftf nicht ermittelt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßvorrichtung anzugeben, mit der sich ohne erheblichen technischen sowie Kosten-Mehraufwand die gewünschten Meßwerte exakt erfassen lassen.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zugemischte Gas (V_E (0) die zu messende Gaskomponente in bekannter konstanter Konzentration (k_iE) enthält, daß die zusätzliche Gasquelle und die Leitung mit dem Meßgas am Eingang des Mischgefäßes angeschlossen sind, so daß das zusätzliche Gas (Ve(O) dem Meßgasstrom (V(O) so beigemischt wird, daß sich in der Ausgangsleitung des Mischgefäßes ein konstanter Summenstrom

(Vc= V+ Ve)

aus Meßgasstrom und Zusatzgasstrom ergibt und daß ein Strömungsmesser in den Strömungsweg des Meßgases oder des zusätzlichen Gases vor der Vermischung eingeschaltet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich der mittlere Teilstrom V/ftf der untersuchten Gaskomponente im Meßgas zu

YiU) = Ϋβ-kiisd)- V_K{t)-k_iE,

wobei V_E(0 der Strom des aus der Gasquelle zugeführten Gases, i^die Konzentration der untersuchten Gaskomponente in diesem Gas, Vc der konstante im Mischgefäß und kic(O die Konzentration der Gaskomponente im Summenstrom Vc bedeutet

Bei der genannten Gleichung sind die Werte Vp sowie kiE jeweils bekannt Der Wert Tciä(0 ^{laBt sicn am} Konzentrationsmesser unmittelbar ablasen. Dieser Wert entspricht exakt dem mittleren Konzentrationswert der untersuchten Gaskomponente im Gesamtstrom Vb, weil der Gesamtstrom Vc durch das Mischgefäß konstant ist Der Wert V_E ftf kann unmittelbar dadurch erhalten werden, daß der Strömungsmesser in den Strömungsweg des zusätzlich zugeführten Gases eingeschaltet wird, oder mittelbar dadurch, daß mittels eines Strömungsmessers im Strömungsweg des Meßgases der Wert Vftf gemessen und anschließend

Ve ftf = Vb- V ftf

berechnet wird. Die Mittelung des Wertes V^ ftf über die Zeitdauer T (entspricht Mischzeit T = —-^⁵- des

Mischgefäßes mit dem Volumen Vb) wird vorzugsweise elektronisch vorgenommen.

Zur Bestimmung der gesuchten mittleren Teilströmung V/ftf sind also Meßgrößen erforderlich, die entweder von vornherein bekannt sind (Vc; fa) oder mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung exakt

bestimmt werden können (k_iG(0; Ve(O) Damit ist auch — wie erwünscht — der gesuchte Wert V₁ ftf exakt bestimmbar.

Der gegebenenfalls weiterhin gesuchte Mittelwert der Konzentration der untersuchten Gaskomponente im Meßgas ergibt sich^ann bei Kenntnis des exakten Teilstrommittelwertes V₁(0 zu

' \^li Ό ^r;;v/

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also gleichzeitig Mittelwerte sowohl des Stromes als auch der Konzentration von Gaskomponenten eines Meßgases exakt bestimmen.

Der gegenüber den bekannten Vorrichtungen erforderliche technische sowie Kosten-Mehraufwand ist gering, da bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich eine zusätzliche Gasquelle (bei der Untersu-

chung von Atemgas wird als Gasquelle z. B. einfach die Umgebungsluft herangezogen) mit einer entsprechenden Anschlußleitung an das Mischgefäß und bezüglich der bisher rein instationär betriebenen Vorrichtungen lediglich noch ein Konstantstromerzeuger, z. B. eine im

Summenstromweg eingeschaltete (relativ billige) Pumpe konstanter Pumpleistung, benötigt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich daraus, daß zur Bestimmung des Wertes Vi(O nicht mehr — wie bisher — unmittelbar der

Meßgasstromwert Vftf bekannt sein muß, sondern daß der Wert V; ftf unter Heranziehung des Wertes Vg ftf errechnet werden kann.

Insbesondere in der Lungenfunktionsdiagnostik ist damit die Möglichkeit gegeben, den Atemgas-Strö-

mungsweg frei von Strömungsmessern zu halten, wodurch einerseits der Proband weniger belastet wird und andererseits aufgrund der definierten Anströmverhältnisse, des erheblich verkleinerten Totraumes sowie

der Unabhängigkeit der Messung von Viskositäts- und Dichteschwankungen des Atemgases auch das gesamte Meßresultat verbessert wird.

Da das zusätzlich zugeführte Gas in seiner Zusammensetzung, Temperatur und Strömungsrichtung (Pumpleistung so eingestellt, daß zu jedem Zeitpunkt Vc> Vmax ^ konstant ist, können zur Bestimmung von Ve (t) einfache, in gewissen Bereichen sogar nichtlineare Strömungsmesser, z. B. billige Normblenden, eingesetzt werden. Ein solches System erfordert außerdem keine Ventile. (Der Proband atmet in der Inspirationsphase automatisch Raumluft über die zusätzliche Raumluftanschlußleitung ein.)

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren, welche ein Ausführungsbeispiel (Lungenfunktionsdiagnostik) für eine Meßvorrichtung darstellen, im folgenden näher erläutert:

In der F i g. 1 atmet ein Proband 1 über eine Gasleitung 2 in ein Mischgefäß 3 vom Volumen V₀. In der Leitung 2 befindet sich eine Falle 4 zur Abscheidung fester und flüssiger Bestandteile im Atemgas des Probanden 1.

An die Leitung 2 ist ferner eine weitere Gasleitung 5 angeschlossen. Der Anschluß der Gasleitung kann selbstverständlich auch schon vor der Falle 4 erfolgen. Die Gasleitung 5 mündet mit ihrem freien Ende in der Umgebungsluft. In dieser Leitung 5 sind eingeschaltet ein Strömungsmesser 6, z. B. Normblende oder Fleischsche Düse, sowie ein Lüfter 7, welcher der Einstellung erwünschter Druckwerte in der Atemgaszuführleitung 2 jo dient.

Das Mischgefäß 3 besitzt eine Ausgangsleitung 8 für das in das Gefäß 3 einströmende Gas. An der Ausgangsleitung 8 ist ein Konzentrationsmesser 10 für die untersuchte Gaskomponente im Atemgas des Probanden 1, z. B. Sauerstoff-Konzentrationsmesser und/oder Kohlendioxid-Konzentrationsmesser, angeschaltet. In der Ausgangsleitung 8 befindet sich fener eine Pumpe 9 einstellbarer konstanter Pumpleistung.

Im Betriebszustand der Vorrichtung gemäß F i g. 1 wird aufgrund der konstanten Pumpleistung der Pumpe 9 im Mischgefäß 3 ein konstanter Gasstrom

V_c = V(I)+ V_H(t)

erzeugt, wobei V(t)der Atemgasstrom des Probanden 1 und Ve(I) der durch die Pumpe 9 über die Leitung 5 angesaugte Luftstrom bedeuten. Die Pumpleistung ist dabei so gewählt, daß zu jedem Zeitpunkt die Beziehung Vö>V_max(t) (d.h. V_E(t)>0) erfüllt ist Dadurch ist gewährleistet, daß das vom Probanden 1 ausgeatmete Atemgas vollständig in das Mischgefäß 3 gelangt und nicht beispielsweise teilweise über die Leitung 5 in die Umgebungsluft entweichen kann.

Bei einer solchen Betriebsweise ergibt sich somit — wie erwünscht — die eingangs bereits aufgeführte Beziehung:

Die Größe Vc ergibt sich unmittelbar aus der Pumpleistung der Pumpe 9. Der Strom Vt^y wird am Strömungsmesser 6 als elektrisches Signal abgegriffen. Der Konzentrationswert Ay^ des Luftstromes Ve(OkX aus der Zusammensetzung der Raumluft bekannt (ca. 21% O₂, 0% CO2), und der Konzentrationswert kiä(t) kann unmittelbar an dem entsprechenden Konzentrationsmesser 10 abgelesen werdet^

Die Berechnung des Wertes V/ (0 wird vorzugsweise mittels einer in F i g. 2 dargestellten Recheneinrichtung vorgenommen.

Zur Bildung des Produktes Vc · Iac (0 ist dabei ein Multiplizierglied 11 vorgesehen. Ein Mittelwertbildner 12 dient zur Berechnung des Mittelwertes Ve(O (Mittelungszeit T = -^- ). In einem weiteren Multiplizierglied 13 wird das Produkt aus Ve (0 und k,E gebildet und mittels eines Subtrahiergliedes 14 die Differenz zwischen den Ausgangssignalen des Multipliziergliedes 11 und Multipliziergliedes 13. Der sich am Ausgang des Subtrahiergliedes 14 ergebende Wert P*; ft) wird mittels eines geeigneten Anzeigegerätes 15 angezeigt.

Die Recheneinrichtung nach F i g. 2 weist ferner ein zweites Subtrahierglied 16 auf zur Bildung der Differenz

Vr, - Ve(O

sowie ein Dividierglied 17 zur Berechnung des Quotienten

MO =

Der Konzentrationswert Ia(O wird mittels eine: Konzentrationsanzeigegerätes 18 angezeigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes (V, (t)) und/oder der Konzentration (k,(t)) von Gaskomponenten in einem Meßgasstrom (V(t)X insbesondere von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid im Atemgas eines Probanden, bestehend aus einem Mischgefäß, dem zur Zuleitung eines zusätzlichen Gases zum Meßgas eine zusätzliche Gasquelle zugeordnet ist, einer Pumpe mit konstanter Leistung im gemischten Gasstrom zur Entnahme eines konstanten Gasstromes aus dem Mischgefäß und einem Konzentrationsmesser für die zu messende Gaskomponente in der Ausgangsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß das zugemischte Gas (V_E(t))die zu messende Gaskomponente in bekannter konstanter Konzentration (km) enthält, daß die zusätzliche Gasquelle (5) und die Leitung (2) mit dem Meßgas am Eingang des Mischgefäßes (3) angeschlossen sind, so daß das zusätzliche Gas (Ve(ή)[dem Meßgasstrom (V(t)) so beigemischt wird, daß sich in der Ausgangsleitung (8) des Mischgefäßes ein konstanter Summenstrom

(Vc= V+ Ve)

aus Meßgasstrom und Zusatzgasstrom ergibt und daß ein Strömungsmesser (6) in den Strömungsweg des Meßgases oder des zusätzlichen Gases vor deren Vermischung eingeschaltet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungsweg (5) des zusätzlichen Gases ein Lüfter (7) eingeschaltet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine elektronische Recheneinrichtung mit einem erster^ Multiplizierglied (11) für die Meßwerte V_G und kiä (t), einem Mittelwertbildner (12) für den Meßwert

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bestimmen zeitlicher Mittelwerte des Stromes (V; (t)) und/oder der Konzentration (k-, (t)) von Gaskomponenten in einem Meßgasstrom (V(J)X insbesondere von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid im Atemgas eines Probanden, bestehend aus einem Mischgefäß, dem zur Zuleitung eines zusätzlichen Gases zum Meßgas eine zusätzliche Gasquelle zugeordnet ist, einer Pumpe mit konstanter Leistung im gemischten Gasstrom zur

ίο Entnahme eines konstanten Gasstromes aus dem Mischgefäß und einem Konzentrationsmesser für die zu messende Gaskomponente in der Ausgangsleitung.

Aus der US-PS 35 95 063 ist bereits eine Vorrichtung dieser Art bekannt, bei der mittels zweier Pumpen quer zum eigentlichen Stromweg des Meßgases (Atemstrom) ein Zusatzgas in einen Mischbehälter mit konstanter Leistung eingesaugt und ein gleichgroßes Quantum von Mischgas aus dem Mischbehälter wieder abgesaugt wird. Bei dem Zusatzgas handelt es sich dabei um ein Gas, das die eigentlich zu messende Gaskomponente nicht umfaßt Bei spezieller Ausbildung der Mischungskammer wird dann das aus der Kammer abgeführte Gasgemisch in einem Gasanalysator untersucht und die Konzentration des Gases gemessen.

In der Lungenfunktionsdiagnostik interessiert jedoch nicht allein der Konzentrationswert; von Interesse ist insbesondere auch der über eine bestimmte Zeitdauer gemittelte Strom der zu messenden Gaskomponente, der wiederum vom mittleren Konzentrationswert abhängt Hierbei ergeben sich der über eine Zeitdauer T gemittelte Strom V-, (t) sowie die Konzentration k-,(t) einer Gaskomponente in einem Meßgas ganz allgemein