DE68918675T2

DE68918675T2 - Verfahren und Gerät zur Messung von Atmung, Oxidation und gleichartigen Wechselwirkungen zwischen einer Probe und einer ausgewählten Komponente eines flüssigen Mediums.

Info

Publication number: DE68918675T2
Application number: DE68918675T
Authority: DE
Inventors: Jan Czekajewski; Leif B Nennerfelt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-01
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2009-12-02
Also published as: US4947339A; JPH0812193B2; EP0372429B1; EP0372429A2; DE68918675D1; JPH03115840A; EP0372429A3

Description

Technisches Feld

Die vorliegende Erfindung betrifft Geräte und Verfahren zum Messen niedriger Verbrauchs- und Erzeugungswerte von bestimmten Komponenten - gewöhnlicherweise Sauerstoff und Kohlendioxid - in einem fluiden Medium wie Luft durch pflanzliche und tierische Gewebe, Zellkulturen, synthetische Harze und Metalle. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung solche Geräte und Verfahren, die Störfaktoren wie das Sensordriften und Druck-/Temperaturschwankungen ausgleichen.

Hintergrund der Erfindung

Die Messung von Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxiderzeugung wird in vielen Bereichen verwertet. In der Entomologie sind solche Messungen hilfreich, um Nahrungsquellen von Insekten zu bestimmen. In der Lebensmittelindustrie der verderblichen Nahrung werden respiratorische Messungen vorgenommen, um Verfahren eines später einsetzenden Reifeprozesses zu bewerten. Eine andere Verwendung liegt in der Messung biologischer Aktivität von bakteriellen Kulturen, Schlamm und anderen gefährlichen organischen Materialien. Spirometer werden auch zur Messung der Metalloxidation und der Sauerstoffaufnahme durch synthetische Harze bei Polymerisation verwendet.
Verschiedene Geräte und Verfahren sind in der Vergangenheit verwendet worden, um niedrige Werte des respiratorischen Gasaustausches zu messen. Sauerstoffverbrauch wird allgemein durch Messung der Veränderungen des Gasvolumens in einer Kammer bestimmt, da Sauerstoff vom Gewebe oder anderen Proben verbraucht wird.
Das Warburggerät, ein ziemlich bekanntes Beispiel einer solchen Volumenmeßvorrichtung, verwendet eine Lösung aus Kaliumhydroxid in der Probenkammer, um das in der Probe erzeugte Kohlendioxid zu absorbieren. Die Luftvolumenveränderung in der Probenkammer wird von einem Manometerschlauch gemessen, der an einem Ende mit der Probenkammer verbunden und am anderen Ende in atmosphärischer Verbindung steht. Es wird angenommen, daß der Sauerstoffverbrauch die einzige Quelle der Luftvolumenveränderung in der Probenkammer darstellt. Diese Annahme ist jedoch unzuverlässig, da andere Faktoren wie beispielsweise die Temperatur der Probenkammer und der Luftdruck das Luftvolumen verändern können. Solche Temperatur-verursachte Veränderungen des Luftvolumens können minimiert werden, indem das Gerät in ein Temperaturgeregeltes Wasserbad gelegt wird, aber selbst die besten Wasserbäder können die Temperatur für die vorliegenden niederwertigen respiratorischen Anwendungen nicht präzise genug regulieren.
Differentielle, volumetrische Spirometer, wie in U.S. Patent Nr. 3,313,157 von Gilson offenbart wird, versuchen das Warburggerät zu übertreffen. Die ungünstigen Auswirkungen der Temperaturveränderungen werden durch Verwendung einer im wesentlichen das gleiche Volumen der Probenkammer aufweisende Bezugskammer ausgeglichen, mit dem Grundsatz, daß jede Temperaturveränderung gleichermaßen die Gasvolumina in den beiden Kammern beeinflußt. Der Sauerstoffverbrauch wird durch den Unterschied zwischen den Veränderungen im Volumen in den beiden Kammern gemessen. Jedoch ist auch hier die Annahme, daß die Temperaturen der Kammern dieselben sind, unzuverlässig, wenn die Probe ihre eigene Wärme erzeugt, wie es in oxidativen Reaktionen wahrscheinlich ist.
Die Warburg-Spirometer und die differentiellen, volumetrischen Spirometer ermangeln ebenfalls der Fähigkeit, Kohlendioxiderzeugung leicht messen zu können. Solches Wissen ist für viele Stoffwechselmessungen wichtig, da die Rate der Kohlendioxiderzeugung zusammen mit der Rate des Sauerstoffverbrauchs Verwendung findet, um den respiratorischen Quotienten zu berechnen, der anzeigt, welcher Nährstoff metabolisiert wurde. In der Warburgvorrichtung kann die Kohlendioxiderzeugung nur mithilfe der chemischen Analyse der Lösung aus Kaliumhydroxid bestimmt werden, die wahrscheinlich die ganze Ausgabe dieses Gases absorbiert. Eine sorgfältige chemische Analyse ist schwierig und zeitaufwendig, und nur eine einzige Bestimmung kann am Ende der Studie gemacht werden. Auch in Pflanzen wird eher Kohlendioxid verbraucht als hergestellt, wobei Kohlendioxidverbrauch durch Verwendung dieses Verfahrens nicht gemessen werden kann.
Geschlossene Spirometer, die Gasanalysatoren zum Messen des Verbrauchs und der Erzeugung spezifischer Gase verwenden, sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Jedoch schwanken Gasanalysatoren oftmals und driften als Ergebnis der Einflüsse aus der Umgebung wie Druck- und Temperaturveränderungen. Gewöhnlicherweise wird das Driften des Gasanalysators durch das manuelle Nacheichen des Sensors korrigiert, indem ein bekanntes Bezugsgas vor jeder Messung des Probengases verwendet wird. Wie auch immer offenbart U.K. Patent Nr. 2049192A von Austin einen Kohlendioxidanalysator des Differentialtyps, in dem ein Infrarotstrahl abwechselnd durch eine erste Zelle mit einem Probengas und eine zweite Zelle mit einem Bezugsgas geführt wird. U.a. erzeugt die Austin-Vorrichtung ein Ausgabesignal, das proportional zum Unterschied zwischen den Signalen ist, die nach dem Durchlauf der zwei Strahlen durch die Analysatorzellen erzeugt wurden. Bis zu einem gewissen Grad korrigiert das Austin-Spirometer das Driften im Gasanalysator, aber es ist nur in begrenztem Maße verwendbar, da die von ihm verwendete Infrarot-Absorptionsvorrichtung kaum andere Gase als Sauerstoff erfassen kann. Weiterhin kompensiert die Austin- Vorrichtung den Proben-verursachten Sensordrift nicht vollständig. Zum Beispiel würden Gasdruck und Inhaltsschwankungen in der Probenzelle, bedingt durch Wasserdampf aus der Probe, in der Referenzzelle nicht gefunden werden. Darum würde das Ausgabesignal ein solches Driften nicht kompensieren.
Folglich standen die vorliegenden Erfinder den Problemen des sorgfältigen Messens von Veränderungen in der Zusammensetzung eines fluiden Mehrkomponenten-Mediums, die von niedrigen respiratorischen Werten oder Oxidationswerten herrühren, im System gegenüber unter Berücksichtigung von variablen Faktoren wie beispielsweise Temperatur- und Druckveränderungen.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die die Rate bestimmt, bei der eine Probe eine ausgewählte Komponente eines fluiden Mediums verbraucht oder erzeugt, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: eine Bezugskammer (20), die zur Aufnahme einer ersten Menge eines fluiden Bezugsmediums ausgebildet ist; eine Probenkammer (21), die zur Aufnahme einer Probe und einer zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums ausgebildet ist, wobei die Probe mit der zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums reagiert, um ein fluides Probenmedium zu erzeugen; mindestens einen Sensor (15, 16), der eine Mehrzahl von Bezugs- und Probensignalen erzeugt, wobei jedes Bezugs- und Probensignal im allgemeinen in seiner Intensität proportional zur Quantisierung der ausgewählten Komponente in bezug auf das entsprechende fluide Bezugs- und Probenmedium ist; eine Vorrichtung, um abwechselnd das fluide Bezugs- und Probenmedium von seinen entsprechenden Kammern (20, 21) zum Sensor (15, 16) und zurück zu seinen entsprechenden Kammern zirkulieren zu lassen; und einen Prozessor (27, 28), der zum Empfang der beiden Bezugssignale und Probensignale ausgebildet ist, die von den Sensoren (15, 16) erzeugt werden, und der die Rate berechnet, bei der die Probe die ausgewählte Komponenten in Übereinstimmung mit einer Formel verbraucht oder erzeugt, die die Bezugssignale verwendet, um das Driften des Sensors (15, 16) zu kompensieren.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Verfügung, das die Rate bestimmt, bei der eine Probe eine ausgewählte Komponente eines fluiden Mediums verbraucht oder erzeugt, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: das Einführen einer ersten Menge eines fluiden Bezugsmediums in eine Bezugskammer (20); das Einführen einer Probe in eine Probenkammer (21); das Einführen einer zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums in die Probenkammer (21), um auf die Probe einzuwirken, damit ein fluides Probenmedium erzeugt wird; abwechselndes Zirkulieren des fluiden Bezugs- und fluiden Probenmediums aus seinen entsprechenden Kammern (20, 21) zu mindestens einem Sensor (15, 16) und zurück zu seinen entsprechenden Kammern (20, 21); das Erzeugen einer Mehrzahl von Bezugs- und Probensignalen mit dem Sensor (15, 16), wobei jedes der Bezugs- und Probensignale in seiner Intensität im allgemeinen proportional zur Quantisierung der ausgewählten Komponente in bezug auf das entsprechende fluide Bezugs- und Probenmedium ist; und das Berechnen der Rate in einem zum Empfang des Bezugs- und Probensignals ausgebildeten Prozessor (27, 28), bei der die Probe eine ausgewählte Komponente in Übereinstimmung mit der Formel, die die Bezugssignale verwendet, verbraucht oder erzeugt, um das Sensordriften (15, 16) zu kompensieren.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Bestandteile eines Spirometers, das die vorliegende Erfindung verkörpert, darstellt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Taktsequenz für das Zirkulieren des fluiden Mediums in der Bezugs- und Probenkammer und das Ablesen der Sensoren darstellt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die bevorzugte Vorrichtung zur Druckregulierung des fluiden Mediums in den Sensoren darstellt;
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das ein Computerprogramm, das verschiedene Bestandteile des vorliegenden Spirometers steuert, darstellt;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das die bevorzugten Bestandteile zur Temperaturregelung der fluiden Media beim Passieren des Sauerstoffsensors darstellt; und
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine alternative Taktsequenz für das Zirkulieren des fluiden Mediums und das Ablesen der Sensoren darstellt.

Beste Ausführungsformen der Erfindung

Wie in Fig. 1 veranschaulicht, umschließt ein allgemein mit 10 gekennzeichnetes Spirometer, gemäß der vorliegenden Erfindung, folgende Bestandteile, die durch Schläuche oder andere zum Transport von fluiden Media (insbesondere Gase) geeignete Leitungen miteinander verbunden sind: einen ersten Verteiler 11, der Ventile 1-5 einschließt, eine Pumpe 12, ein Strömungsmesser und Strömungsregler 13, einen Entfeuchter 14, einen Kohlendioxidanalysator 15, einen Sauerstoffanalysator 16, einen Drucksensor oder -anzeiger 17, einen Druckregler 18, eine Auslaßleitung 19, die Ventile 6-8 einschließt, eine Bezugskammer 20, die zwischen Ventil 2 auf der Einlaßleitung 11 und Ventil 7 auf der Auslaßleitung 19 befestigt ist, und eine Probenkammer 21, die zwischen Ventil 1 auf der Einlaßleitung und Ventil 8 auf der Auslaßleitung befestigt ist.
Die Umlaufpumpe 12 läßt abwechselnd ein fluides Bezugsmedium, gewöhnlicherweise Luft, zwischen der Bezugskammer 20 und den Gasanalysatoren 15, 16 zirkulieren, und ein fluides Probenmedium, entstehend aus einem Zusammenwirken zwischen einer Probe, wie beispielsweise ein Pflanzengewebe, und ausgewählten Komponenten, d. h. Sauerstoff und Kohlendioxid, der zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums zwischen der Probenkammer 21 und den Analysatoren 15, 16. Die Umlaufpumpe 12 soll einen beständigen Ausgabefluß sichern, da viele Gasanalysatoren sehr empfindlich auf die Flußgeschwindigkeit der sie durchfließenden Gase reagieren. Wenn die Pumpe die Rate verändert, wird sich der Gegendruck hinter dem Strömungsregler 13 wahrscheinlich ändern, und daher wahrscheinlich auch die Flußgeschwindigkeit. Die vorher genannte Pumpe 12 soll auch vollkommen von der Außenluft abgedichtet sein und kann eine kleine Membranpumpe sein, die bis zu 1 Liter/Minute liefert. In diesem Zusammenhang kann darauf verwiesen werden, daß Druckveränderungen, die auf das System zurückzuführen sind, minimiert werden sollten. Innere Druckschwankungen können von zwei Quellen erzeugt werden: Veränderungen der Pumpausgabe und der Feuchtigkeit. Es gibt einen Druckabfall in der Schlauchleitung aufgrund seines inhärenten Widerstandes gegenüber dem Fluß sowie an den Verbindungen der Bestandteile. Da die Pumpausgabe schwankt, verändert sich der Druckabfall und somit der Druck an den Sauerstoffsensoren. Um dieses Problem zu minimieren, sollten Verjüngungen innerhalb der Fluiddurchlässe vermieden werden. Weiterhin sollte das System von äußeren Einflüssen abgedichtet sein, sofern der Luftdruck der Umgebung schwankt. Undichte Stellen im System oder weiche Leitungen sollten vermieden werden, da sie erlauben würden, Außendruckveränderungen in das System zu übertragen.
Die Ventile 4 und 5 auf der Einlaßleitung 11 werden als Verbindung zu Eichgasen zur Verfügung gestellt. Gewöhnlicherweise ist die atmosphärische Luft das fluide Bezugsmedium. Die Luft im System kann ersetzt werden, indem eine Frischluftpumpe 22 mit einem geeigneten Regulator 23 zur Verfügung gestellt wird, der mittels Ventil 3 an der Einlaßleitung 11 in Fluidverbindung mit dem System steht. Ventil 6 auf der Auslaßleitung 19 gestattet es dem System, entlüftet zu werden, wann immer Eichgas oder Frischluft eingeführt werden. Wenn die Ventile 1, 2 und 3 auf der Einlaßleitung 11 und die Ventile 7, 8 auf der Auslaßleitung 19 geöffnet werden, können entsprechend die Bezugs- und Probenkammern 20 und 21 und die anderen Komponenten in dieser Fluidverbindung mittels Inbetriebnahme der Frischluftpumpe 22 mit Außenluft gespült werden.
Der Strömungsmesser/Strömungsregler 13 soll mindestens eine grobe Flußmessung und -regelung des zirkulierenden fluiden Mediums in dem System gestatten. Ein Durchflußmesser mit einem eingebauten Regulierventil ist geeignet. Auf diese Weise wird die Pumpe 12 in der Lieferung einer beständigen Flußgeschwindigkeit unterstützt. Das eingebaute Regulierventil ist vorzugsweise ein Dosier(Nadel)-Ventil (Ventilnadel) und steuert gleichermaßen die Flußgeschwindigkeit der verschiedenen fluiden Media zu den Sensoren 15 und 16.
Der Lufttrockner oder -entfeuchter 14 umfaßt einen abgedichteten Behälter, der mit einem Trockenmittel wie körniges, wasserfreies Calciumchlorid gefüllt ist. Calciumchlorid ist das bevorzugte Trockenmittel, da es Sauerstoff oder Kohlendioxid weder absorbiert noch abgibt.
Der Kohlendioxidanalysator 15 mißt die Konzentration oder den Anteil von Kohlendioxid in den verschiedenen fluiden Media, die durch ihn strömen, und erzeugt ein Spannungssignal, das diesen Kohlendioxidanteil wiedergibt. Vorzugsweise gehört der vorher erwähnte Analysator 15 dem Infrarot-Absorptionstyp an.
Der Sauerstoffanalysator 16 mißt die Konzentration oder den Anteil an Sauerstoff in den verschiedenen fluiden Media, die durch ihn durchströmen, und erzeugt ein Spannungssignal, das diesen Sauerstoffanteil wiedergibt. Vorzugsweise wird eine elektro-chemische Brennstoffzelle oder ein paramagnetischer Sauerstoffanalysator benutzt.
Wie vorher hingewiesen, sind solche Gasanalysatoren wie der obige gewöhnlicherweise empfindlich in bezug auf Druckveränderungen im fluiden Medium, das sie passiert, und liefern wahrscheinlich falsche Werte, die auf solche Druckschwankungen zurückzuführen sind. Feuchtigkeitsunterschiede innerhalb des Systems sind ein Grund für solche Druckveränderungen. Wenn zum Beispiel eine nasse Probe in die Probenkammer 21 gelegt wird, steigt die Feuchtigkeit in der Probenkammer und, da das System geschlossen ist, auch der Druck. Der Feuchtigkeitswert und somit der Druck werden im System weitestgehend schwanken, da das fluide Bezugs- und Probenmedium abwechselnd durch das Spirometer zirkulieren, wenn kein Stabilisierungsmechanismus zur Verfügung gestellt wird. Wenn das fluide Bezugsmedium analysiert wird, ruht das fluide Probenmedium in der Probenkammer 21 und seine Feuchtigkeit steigt an. Wenn das fluide Probenmedium zirkuliert, fließt es durch den Entfeuchter 14 wodurch sein Wassergehalt abfällt. Die sich daraus ergebenden Druckschwankungen können bedeutsame Fehler hervorrufen.
Eine Vielfalt von Vorrichtungen kann verwendet werden, um Druckschwankungen infolge von Feuchtigkeitsveränderungen zu reduzieren. Eine solche Druckveränderung wird vorzugsweise stabilisiert, indem der Druck im Gasanalysator gemessen und ein Mechanismus verwendet wird, um den Änderungen dieses Wertes entgegenzuwirken. Wie in Fig. 3 gezeigt, schließen die bevorzugten Bestandteile einen Druckanzeiger 17 ein, der den Druck des fluiden Mediums stromabwärts innerhalb oder unmittelbar zum Gasanalysator mißt, sowie einen elektrisch gesteuerten Druckregler 18, der ein Ventil mit einer variablen Öffnung stromabwärts zum Gasanalysator aufweist. Der Druckanzeiger 17 ist vorzugsweise ein Wandler, der eine Spannung erzeugt, die sich relativ zum Druck in den Gassensoren 15, 16 verändert. Ein Komparator 24 erhöht entweder die Spannung, die dem Ventil 18 geliefert wird, wenn die vom Wandler 17 erzeugte Spannung eine Sollwert-Spannung übersteigt, wodurch die Ventilöffnung erweitert und der Druck gesenkt wird, oder der Komparator 24 senkt die Spannung, die dem Ventil 18 geliefert wird, wenn die vom Wandler 17 erzeugte Spannung die Sollwert-Spannung unterschreitet, wodurch die Ventilöffnung verkleinert und der Druck in den Sensoren erhöht wird. Der Druck in den Sensoren wird damit am oder um den gewünschten Sollwert beibehalten.
Alternativ dazu kann das elektrisch gesteuerte, regelbare Ventil 18 durch eine regelbare Hochleistungspumpe (nicht gezeigt) ersetzt werden. Die Rate dieser regelbaren Pumpe im Verhältnis zur Umlaufpumpe 12 bestimmt den Druck zwischen ihnen. Wenn die regelbare Hochleistungspumpe schneller läuft, wird der Druck fallen und umgekehrt. Eine andere Alternative zur Verwendung des elektrisch gesteuerten Ventils 18 ist das Plazieren eines Heizelementes (nicht dargestellt) im Inneren der Bezugskammer oder dem Gefäß 20. Das Heizelement kann dazu verwendet werden, die Temperatur des fluiden Mediums in der Bezugskammer zu verändern und es somit auszudehnen oder zusammenzuziehen. Durch die Veränderung des Stroms im Heizelement kann der Druck im System reguliert werden, um Feuchtigkeits-verursachte Veränderungen zu auszugleichen. Wenn der Druckanzeiger 17 eine Erhöhung erfaßt, würde der Strom im Heizelement gesenkt werden, und wenn der Sensor eine Abnahme erfaßt, würde der Stromfluß im Heizelement erhöht werden. Ein weiteres, mögliches Verfahren zur Verringerung von Druckschwankungen würde die Bildung eines kleinen Lecks im System nach außen sein, wodurch Druckveränderungen, die im System entstehen, nach außen freigesetzt werden. Obwohl der Außenluftdruck ebenfalls schwankt, ist er immer noch konstanter als der Druck im Inneren des Systems, wenn sich Wasser in der Probenkammer 21 befindet. Des weiteren könnte das Leck in sehr kleinem Ausmaß gebildet werden, so daß heftige Druckveränderungen in der Außenluft, die aufgrund von geöffneten und geschlossenen Türen, Luftströmung und ähnlichem entstehen, nicht im System übertragen würden. Eine weitere Vorrichtung zur Stabilhaltung des Drucks innerhalb des Systems könnte einen großen, leeren und am System angeschlossenen starren Behälter einschließen. Zum Beispiel würde das Hinzufügen eines 10 Liter Behälters zum System, die ein Anfangsvolumen von 2 Litern hat, die Druckschwankungen zu 1/6 der nicht geregelten Menge vermindern. Bis zu einem gewissen Ausmaß würde die Verwendung eines solchen Behälters den Sauerstoff- und Kohlendioxid-Gasanteil verändern; jedoch würde der Gasaustausch zwischen dem System und dem Behälter minimiert werden, wenn der Behälter mittels eines langen, dünnen Schlauches am System befestigt wäre.
Im folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das zur Messung der Änderungsrate des Sauerstoff- und Kohlendioxidgehalts des fluiden Probenmediums angewendet wird. Bevor die Messung beginnt, werden die Bezugskammer 20 und die Probenkammer 21 mit dem fluiden Bezugsmedium, vorzugsweise Luft, gespült, indem die Ventile 1-3 an der Einlaßleitung 11, die Ventile 6-8 an Auslaßleitung 19 geöffnet werden und die Frischluftpumpe 22 betätigt wird. Auf diese Weise wird das ganze System, einschließlich der Gassensoren 15, 16, mit Frischluft gespült. Die Frischluftpumpe 22 drückt vorzugsweise bei viel höherer Rate als die Pumprate der Umlaufpumpe 12 Luft im System. Die Zeitdauer des Spülens dauert lange genug, damit das Volumen des Systems mehrere Male gespült wird. Das Spülen des Systems ist wichtig, da bei Fehlen eines frischen fluiden Mediums die Atmung einer Probe so groß werden kann, daß der Kohlenstoff- und Sauerstoffanteil des fluiden Probenmediums einen Ungleichgewichtswert erreicht, das anormale Atmung bewirkt.
Gewöhnlicherweise wird die Probe in die Probenkammer 21 eingeführt, bevor mit dem Bezugsgas d. h. Luft aus der Umgebung gespült wird. Nach der Spülungszeitdauer ist eine Einstellungsspanne von nahezu 4 Minuten vorgesehen, die die Stabilisierung der Gassensoren 15, 16 gewährt.
Danach wird die Luft in der Bezugskammer 20, d. h. das fluide Bezugsmedium, analysiert. Die Ventile 2 und 7 werden geöffnet und das Bezugsgas durch den Luftentfeuchter 14, die Sensoren 15, 16 und zurück zur Bezugskammer 20 gepumpt. Wie in Fig. 2 veranschaulicht, zirkuliert das Bezugsgas vorzugsweise auf diese Art für einen Zeitraum, der der Hälfte des Testintervalls entspricht. Danach wird das fluide Probenmedium in der Probenkammer 21 analysiert. Das Probengas resultiert aus der Atmung oder einer anderen Wechselwirkung der Probe mit den ausgewählten Komponenten, d. h. Sauerstoff und Kohlendioxid, die während der Spülung aus der Luft in die Probenkammer Einlaß finden. Die Ventile 1 und 8 werden geöffnet und das fluide Probenmedium wird durch den Luftentfeuchter, die Sensoren und zurück zu der Probenkammer gepumpt und zirkuliert auf diese Weise im System für einen Zeitraum, der der Hälfte des Testintervalls entspricht.
Wie weiterhin in Fig. 2 gezeigt, zirkulieren das fluide Bezugsmedium und das fluide Probenmedium abwechselnd durch das System während der Versuchszeitdauer. Unvermeidbar finden manche Vermischungen des Bezugs- und Probengases statt. Vermischungen des Bezugs- und Probengases erschweren die Driftkompensation, d. h. Änderungen der Sensorwerte, die von anderen Faktoren als den Änderungen in der Zusammensetzung des zu analysierenden Gases herrühren, da die Zusammensetzung des Bezugsgases nicht vollständig konstant bleibt. Solche Vermischungen können während der Berechnung der Sauerstoffverbrauchsrate und der Kohlendioxiderzeugungsrate auf die nachstehend detailliert beschriebene Weise kompensiert werden. Im Grunde kann jedoch durch Berechnung der unterschiedlichen Volumina innerhalb des Systems die Mischmenge zwischen den Bezugs- und Probengasen mengenmäßig bestimmt werden.
Messungen des Volumens der Probenkammer 21 und der Sensoren 15 und 16 verlaufen vorzugsweise wie folgt: im Grunde wird die Volumenmessung ausgeführt, indem Druckveränderungen in unterschiedlichen Abschnitten des Systems gemessen werden, während sie voneinander getrennt mit Druck beaufschlagt und dann miteinander verbunden werden. Um das Sensorvolumen (VS) zu messen, wird folgendermaßen vorgegangen: zuerst wird dem Druck in den Sensoren und in den Bezugs- und Probenkammern gestattet, sich durch das Öffnen der Ventile 6-8 und das Geschlossenhalten der anderen Ventile dem Außenluftdruck anzugleichen. Dieser erste Druck (PA) im System wird aufgezeichnet und alle Ventile daraufhin geschlossen. Als nächstes wird ein zweiter Druck (PS) in den Sensoren erzeugt, indem das Ventil 5 für eines der Eichgase geöffnet und der Druck in den Sensoren überwacht wird, wenn der Druck ansteigt. Drucksensor 17 (Fig. 1) wird zu diesem Zwecke verwendet. Wenn der Druck ein voreingestelltes Niveau, vorzugsweise 900 mmHg, erreicht, wird das Ventil 5 geschlossen und der zweite Druck (PS) in den Sensoren aufgezeichnet. Als nächstes wird das Ventil 7 geöffnet und dem zweiten Druck in den Sensoren gestattet, sich dem ersten Druck in der Bezugskammer 20 anzugleichen, um einen dritten Druck (PT) zu erzeugen.
Das Volumen der Sensoren (VS), das die Volumina der Leitungen und Bestandteile umfaßt, die zwischen der Pumpe 12 und der Bezugskammer 20 liegen, wird mithilfe der auf vorhergehende Weise bestimmten Werte berechnet sowie eines bekannten Wertes (VR) für das Volumen der Bezugskammer und in Übereinstimmung mit der folgenden Formel:
VS = VR/[(PS-PA)/(PT-PA)-1]
Um das Nettovolumen (VT) der Probenkammer 21 zu messen, muß das Volumen der Probe bestimmt werden. Um das zu erreichen, wird es dem Druck in der Ausgleichs- und Probenkammer ermöglicht, sich, wie oben beschrieben, dem atmosphärischen Druck (PA) anzugleichen. Daraufhin wird ein vierter Druck (PRS) in der Bezugskammer und den Sensoren erzeugt, indem die Ventile 5 und 7 geöffnet und ein Eichgas hineingepumpt wird. Wenn der vierte Druck (PRS) ein voreingestelltes Niveau erreicht, das erheblich höher als der erste Druck (PA) ist, wird das Ventil 5 geschlossen. Als nächstes wird das Ventil 8 geöffnet und dem ersten Druck in der Probenkammer ermöglicht, sich dem vierten Druck in den Sensoren und in der Bezugskammer anzugleichen, um einen fünften Druck (PC) zu erzeugen. Das Nettovolumen (VT) der Probenkammer kann dann in Übereinstimmung mit der folgenden Formel bestimmt werden:
VT = (VS+VR) · [(PRS-PA)/(PC-PA)-1]
Es ist wichtig, der Temperatur der fluiden Media zu gestatten, sich der Umgebungstemperatur jedesmal anzugleichen, wenn die oben beschriebenen Druckänderungen stattfinden, bevor die Druckwerte aufgezeichnet werden. Dies ist notwendig, weil die Temperatur eines Gases steigt, wenn es komprimiert wird. Die Temperaturveränderung verzerrt das gewöhnlicherweise umgekehrte Verhältnis zwischen Volumen und Druck. Eine 15-Sekunden Verzögerung ist üblicherweise für diesen Zweck angemessen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 bedarf die Messung der Verbrauchs- oder der Erzeugungsrate einer ausgewählten Substanz der Bestimmung des Gasanteils, die auf den Proben- und Bezugssignalen basiert, die vom geeigneten Sensor erzeugt und vom Prozessor 27 in einer unten beschriebenen Weise berechnet werden. Die minimalen Erfordernisse dieser Gasanteilbestimmungen für den Sensor sind: ein erster Bezugs-Fluid-Medium-Wert (R1), der von einem ersten Proben- Fluid-Medium-Wert (T1) gefolgt wird, der wiederum von einem zweiten Bezugs-Fluid-Medium-Wert (R2) und einem zweiten Proben-Fluid-Medium-Wert (T2) gefolgt wird. Jedes der Bezugs- und Probengase zirkuliert für die Dauer eines annähernd gleichen Zeitraums (t) in den Sensoren. Die benötigte Zeit für einen Bezugsgas-Zirkulations-Zeitraum (t) und einen Probengas-Zirkulations-Zeitraum (t) definiert das Testintervall. Zusätzlich wird eine Verzögerung (d) zwischen der Initialisierung eines Zirkulationszeitraums (t) eines fluiden Mediums und der Initialisierung des Signallesevorganges durch die Sensoren bereitgestellt. Diese Verzögerung (d) wird bereitgestellt, so daß das neu eingeführte fluide Medium die Gelegenheit hat, das vorhergehende Medium in den Sensoren zu füllen und zu ersetzen.
In den unten angestellten Berechnungen bleiben die Werte, die das Sensorvolumen (VS), das Netto- Probenkammervolumen (VT), d. h. Probenkammervolumen minus Probenvolumen, und das bekannte Bezugskammervolumen (VR) dieselben wie in den vorausgegangenen, vorangestellten Gleichungen. Wenn ein Gasanalysator irgend eine der ausgewählten Komponenten, die er mißt, verbraucht, wird "OS" auf die Verbrauchsrate (ml/min) gesetzt, anderenfalls wird "OS" auf O gesetzt. Die Verbrauchs- oder Erzeugungsrate der ausgewählten Komponenten wird auf die folgende Art und Weise durch die Probe berechnet:
Erzeugung (Verbrauch) der ausgewählten Komponenten = X7/X8 /t (ml/min).
Es soll darauf verwiesen werden, daß in den voranstehenden Gleichungen keine gesonderte Berechnung für den Sensordrift bereitgestellt wird. Statt dessen wird der Sensordrift durch die Art, auf die die Bezugs-/Probenwerte (R1, R2) in diesen Gleichungen verwendet werden, berücksichtigt, um die Erzeugungs-(Verbrauchs)-Rate der ausgewählten Komponente durch die Probe zu bestimmen. Vorzugsweise wird, wenn einmal die Kohlendioxid- und Sauerstofferzeugungs(Verbrauch)-Raten berechnet worden sind, eine Berichtigung der Sauerstofferzeugungs(Verbrauchs)-Rate vorgenommen. Solch eine Berichtigung ist wünschenswert, da die Kohlendioxiderzeugung oder -verbrauch zu Veränderungen der Sauerstoffkonzentrationen der gemessenen Gase führen kann, sogar wenn kein Sauerstoff im System hinzugefügt oder aus ihm entfernt worden ist. Wenn sich das Gesamtvolumen aufgrund der Erzeugung oder des Verbrauchs von Kohlendioxid verändert, aber die Sauerstoffmenge in diesem Volumen dieselbe ist, dann ändert sich der Sauerstoffanteil, d. h. die relative Menge an Sauerstoff, geteilt durch das Gesamtvolumen. Die untere Gleichung gibt die Berichtigung wieder:
(korrigierte(r) O&sub2; Erzeugung oder Verbrauch = unkorrigierte(r) O&sub2; Erzeugung oder Verbrauch) + CO&sub2; Erzeugung oder Verbrauch · O&sub2; Anteil) Diese Gleichung ist ein Annäherungswert der Haldane- Transformation. Der O&sub2; Anteil wird mit dem Prozessor 27 durch Mittelung der Probensignale berechnet, die der Prozessor vom Sauerstoffsensor während jeder probenzirkulations-Periode (t), minus einer Verzögerung (d) empfängt, und durch Multiplikation des Mittelwertsignals durch einen bekannten Konzentration/Stärkefaktor für den Sauerstoffsensor. Eine entsprechende Berichtigung der Kohlendioxid-Erzeugungsrate zur Veränderung der Sauerstoffkonzentrationen ist gewöhnlicherweise unnötig, da der Kohlendioxidanteil normalerweise sehr gering ist.
Wie in Fig. 5 veranschaulicht, können besondere Schritte unternommen werden, um den Sauerstoffsensor 16 vor schnellen Temperaturänderungen zu schützen. Damit für das oben dargestellte Drift-Kompensationsschema die von Temperaturveränderungen herrührenden Fehler beseitigt werden, muß die Temperaturveränderungsrate des Sauerstoffsensors über eine Dauer von mindestens zwei Probenintervallen ziemlich konstant bleiben.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur des fluiden Mediums, das in den Sauerstoffsensor einströmt, gewöhnlicherweise eine Brennstoffzelle, stabiler, indem es durch eine Rohrspirale eingelassen wird, die in einem Wachsblock 29 eingebettet ist. Ebenfalls im Wachsblock eingebettet ist die Brennstoffzelle, und der Wachsblock ist mit einem Isolierschaum umhüllt (nicht gezeigt).
Das Spirometer 10 wird von einem Prozessor gesteuert, der einen Mikrocomputer 27 und ein Steuerprogramm (Fig. 4) umfaßt, das die Sensorsignale und Druckanzeigesignale abliest, die Dauer der diversen Spülungen, die Bezugs- und probenzirkulations-Periode (t), den Verzögerungszeitraum (d) und das Gesamttestintervall steuert, die Rate des Sauerstoff- und Kohlendioxidverbrauchs (Erzeugung) berechnet und verschiedene Daten speichert und die Ergebnisse anzeigt und/oder druckt. Das Programm gestattet es dem Benutzer, auch die Kohlendioxid- und Sauerstoffsensoren zu eichen, bekannte Werte hinzuzufügen und einige der Zeitparameter, wie beispielsweise das Testintervall, den Versuchszeitraum und den Zeitraum zwischen den Spülungszyklen auszuwählen oder zu umgehen.
Der Prozessor 27 steht mit den Ventilen, den Gassensoren und dem Druckanzeiger in Verbindung, indem er eine Schnittstelle 28 verwendet. Die Sensoren erzeugen Spannungssignale, die bezüglich der relativen Mengen oder Konzentrationen von Sauerstoff und Kohlendioxid in den Bezugs- und Probengasen kennzeichnend sind. Diese Spannungssignale werden in zwei Kanäle eines A/D-Wandlers innerhalb der Schnittstelle gespeist. 12 Bits der A/D- Auflösung wurden als erforderlich angesehen, um ausreichend kleine Spannungsänderungen aufzulösen. Die Schnittstelle enthält ebenfalls mehrere digitale Ausgabe-Steuerleitungen zur Steuerung der Einlaßleitungs- und Auslaßleitungsventile (1-8). Die Ventile sind vorzugsweise Magnetventile, so daß sie durch Anlegen einer Spannung an die Windungen geöffnet werden. Wenn die Digitalausgabe vom Computer 27 hoch geht, liefert ein Transistor in der Schnittstelle 28 die benötigte Spannung, um die Stellung des entsprechenden Magnetventils zu verändern.
Der Computer liest die Sensoren fortwährend in der Zeit ab, in der die fluiden Bezugs- und Probenmedia zirkulieren, außer während des oben beschriebenen Verzögerungszeitraums (d). Die Proben- und Bezugssignale werden von der Schnittstelle 28 in digitale Werte umgewandelt. Von allen Werten während eines Zyklus eines jeden fluiden Mediums wird der Mittelwert berechnet, und der sich ergebende Mittelwert um einen bekannten Konzentration/Stärkefaktor für den besonderen Gassensor multipliziert, um den Mittelwert des Gasanteils der ausgewählten Komponente während jenes speziellen Zyklus zu bestimmen. Störungen bei den Lesevorgängen werden durch Mittelung vermindert, wobei stabilere Werte geliefert werden. Der Verzögerungszeitraum (d) wird von dem Programm aufgrund der Flußgeschwindigkeit der Gase durch die Sensoren und des Gasvolumens in den Sensoren berechnet, und wehrt lange genug an, um dem erneut zirkulierenden fluiden Medium zu erlauben, das vorher zirkulierende Medium in den Sensoren vollständig zu ersetzen. Das Computerprogramm gestattet ein automatisches und periodisches Spülen der Proben- und Bezugskammern während des Versuchs. Die Zusammensetzung der fluiden Media in den Kammern verändert sich wahrscheinlich wesentlich während des Versuchs aufgrund der Vermischung der Bezugs- und Probengase und des Verbrauchs oder der Erzeugung von Sauerstoff und Kohlendioxid. Die Gase werden durch das Spülen der Kammern ersetzt. Das Spülen kann derart programmiert sein, daß es in periodischen Intervallen erfolgt, oder es kann durch die Sauerstoff- oder Kohlendioxidwerte ausgelöst werden, die sich außerhalb eines zulässigen Bereichs befinden. Der Versuch wird während des Spülungszeitraums und einer anschließenden Einstellungsspanne kurz unterbrochen.
Um sehr hohe Auflösungen in den Messungen von Sauerstoffverbrauch zu erhalten, können längere Testintervalle und ein anderes Verfahren angewandt werden, um die Auswirkung des Sauerstoffverbrauchs durch den Sauerstoffsensor zu minimieren. Das Verfahren unterscheidet sich hauptsächlich in zweifacher Hinsicht. Als erstes können die Zeiträume, in denen die fluiden Bezugs- und Probenmedia die Sensoren durchströmen unterschiedlich sein. Die Dauer eines jeden Intervalls wird derart gewählt, daß die prozentuelle Verringerung von Sauerstoff, hervorgerufen durch den Sauerstoffsensor, in den Bezugs- und in den Probengasen gleich sind. Als zweites zirkulieren die fluiden Media nur solange in den Sensoren bis die Messung vorgenommen worden ist. In der verbleibenden Zeit sind die Sensoren deaktiviert oder werden mit Außenluft durchspült. Das Taktungsdiagramm für das Verfahren des langen Proben- Entnahme-Intervalls wird in Fig. 6 gezeigt und beinhaltet die folgenden vier Schritte: 1) Eine Warte- oder Einstellungsspanne, in der alle Ventile 1-8 geschlossen werden, die Pumpen untätig und die fluiden Media innerhalb des Systems ruhen; 2) einen Spülungszeitraum, in dem atmosphärische Luft die Sensoren durchspült und die Gasanteile in der Luft gemessen werden; 3) einen Bezugsprüfungs-Zeitraum, wenn die Gasanteile der ausgewählten Komponenten im fluiden Bezugsmedium gemessen werden; und 4) einen Probenprüfungs-Zeitraum, wenn die Gasanteile der ausgewählten Komponenten im fluiden Probenmedium gemessen werden. Ein erster Ausdruck erfolgt auf zwei Testintervalle, mit nachfolgenden Ausdrucken auf nachfolgende Testintervalle. Wie in Fig. 5 und in den unteren Gleichungen angezeigt, werden folgende Variablen verwendet:
VS, VR, VT = Die entsprechenden Sensorenvolumina, Bezugskammer (bekannt), und Probenkammer (netto) (in ml). Diese Größen werden wie vorher beschrieben bestimmt oder sind bekannt.
tT, tR, tF = Zeitperioden zum Zirkulieren der jeweiligen Proben-, Bezugs- und Spülgase durch die Sensoren (in Minuten).
DT, DR = Verzögerungszeiträume zwischen der Initialisierung der Zirkulation der jeweiligen fluiden Proben- und Bezugsmedia und die Initialisierung des Sensor- Signal-Lesevorganges (in Minuten).
t = Dauer eines Testintervalls, die eine Einstellungsspanne sowie tT, tR und tF (in Minuten) einschließt.
R1, T1 = Gasanteile der ausgewählten Komponente in den jeweiligen Bezugs- und Probengasen während des ersten Testintervalls (Dezimalbruch).
F2, R2, T2 = Gasanteile der ausgewählten Komponente in den jeweiligen Spül-, Bezugs- und Probengasen während des zweiten Testintervalls (Dezimalbruch).
OS = Bekannte Sauerstoffverbrauchsrate durch den Sauerstoffsensor (in ml/Min). Wenn die Kohlendioxidraten berechnet werden, OS = O.
fS = Flußgeschwindigkeit des fluiden Probenmediums durch die Sensoren (ml/Min).
Die Zeitdauer (tT) zum Zirkulieren des Probengases durch die Sensoren beträgt vorzugsweise drei (3) Minuten und ist im wesentlichen bei jeder Testdauer dieselbe. Der Verzögerungszeitraum (DT) zwischen der Initialisierung der Probengaszirkulation und der Initialisierung des Sensor- Signal-Lesevorganges durch den Prozessor gestattet vorzugsweise eine Probengasmenge, die annähernd viermal so hoch wie das Volumen der Sensoren ist, um dadurch zu fließen, und wird wie folgt berechnet:
Dt = 4 · VS/fS
Die Zeitdauer (tR) zum Zirkulieren des Bezugsgases durch die Sensoren wird wie folgt berechnet:
tR = tT · (VR + VS)/(VT + VS)
Die Verzögerungszeitdauer (DR) zwischen der Initialisierung der Zirkulation des Bezugsgases und der Initialisierung des Sensor-Signal-Lesevorganges durch den Prozessor wird wie folgt berechnet:
DR = DT · (VR + VS)/(VT + VS)
Vorzugsweise beträgt die Zeitdauer (tF) zum Zirkulieren des Spülgases durch die Sensoren (3) Minuten und gestattet einer Menge Luft, die mehrfach das Volumen der Sensoren beträgt, dadurch zu strömen.
Entsprechend erfolgt die neue Berechnung der Erzeugungsrate oder Verbrauchsrate der ausgewählten Komponente durch die Probe wie folgt:
Erzeugung oder Verbrauch = (T2-X3-Drift·X4)/X5.
Eine Berichtigung der Sauerstofferzeugungsrate ist vorzugsweise in derselben Art durchzuführen wie vorher gezeigt, um Veränderungen in den Kohlendioxidwerten zu kompensieren.

Claims

1. Gerät zur Messung der Rate, mit der eine Probe eine ausgewählte Komponente eines fluiden Mediums verbraucht oder erzeugt, gekennzeichnet durch:

(a) eine Bezugskammer (20), die zur Aufnahme einer ersten Menge eines fluiden Bezugsmediums ausgebildet ist;

(b) eine Probenkammer (21), die zur Aufnahme einer Probe und einer zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums ausgebildet ist, wobei die Probe mit der zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums reagiert, um ein fluides Probenmedium zu erzeugen;

(c) zumindest einen Sensor (15, 16), der eine Vielzahl von Bezugs- und Probensignalen erzeugt, wobei jedes Bezugs- und Probensignal allgemein in seiner Intensität proportional zu einer Quantifikation der ausgewählten Komponente in bezug auf die fluiden Bezugs- bzw. Probenmedia ist;

(d) eine Vorrichtung (11, 12, 19) zum wechselweisen Zirkulieren der fluiden Bezugs- und Probenmedia von ihren entsprechenden Kammern (20, 21) zum Sensor (15, 16) und zurück zu den entsprechenden Kammern; und

(e) einen Prozessor (27, 28), der zum Empfang der durch den Sensor (15, 16) erzeugten Bezugs- und Probensignale ausgebildet ist, und zum Berechnen der Rate, mit der die Probe die ausgewählte Komponente verbraucht oder erzeugt, in Übereinstimmung mit einer Formel, die die Bezugssignale dazu verwendet, um einen Sensordrift zu kompensieren.

2. Gerät nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckanzeiger (17) über eine Fluidverbindung mit dem Sensor (15, 16) in Kontakt steht.

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Sensor (15) Bezugs- und Probensignale erzeugt, wobei jedes einen Kohlendioxidgasanteil in den fluiden Bezugs- bzw. Probenmedia darstellt, und daß ein zweiter Sensor (16) Bezugs- und Probensignale erzeugt, wobei jedes einen Sauerstoffgasanteil in den fluiden Bezugs- bzw. Probenmedia darstellt.

4. Gerät nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum wechselweisen Zirkulieren der fluiden Bezugs- und Probenmedia eine Einlaßleitung (11) umfaßt, die ein erstes Ventil (1) aufweist, das mit der Probenkammer (21) in Verbindung steht, und ein zweites Ventil (2), das mit der Bezugskammer (20) in Verbindung steht; eine Umlaufpumpe (12) stromabwärts zu der Einlaßleitung (11); und eine Auslaßleitung (19) stromabwärts zum Sensor (15, 16); wobei die Auslaßleitung (19) ein erstes Ventil (8) aufweist, das mit der Probenkammer (21) in Verbindung steht, und ein zweites Ventil (7), das mit der Bezugskammer (20) in Verbindung steht.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckregulierungsvorrichtung (18) zur Begrenzung der Druckschwankungen der innerhalb des Sensors (15, 16) enthaltenen Proben- und Flüssigkeitsmedia zur Verfügung gestellt wird

6. Gerät nach Anspruch 5, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Druckregulierungsvorrichtung (18) einen Druckwandler (17) umfaßt, der ein erstes veränderliches Signal erzeugt, das den Druck innerhalb des Sensors (15, 16) anzeigt, einen Komparator (24), der das erste veränderliche Signal empfängt und ein zweites Signal erzeugt, und ein regelbares Ventil (18), das das Zirkulieren der fluiden Bezugs- und Probenmedia durch den Sensor (15, 16) als Reaktion auf das zweite Signal verringert oder verstärkt.

7. Verfahren zur Bestimmung der Rate, mit der eine Probe eine ausgewählte Komponente eines fluiden Mediums verbraucht oder erzeugt, gekennzeichnet durch:

(a) Einführen einer ersten Menge eines fluiden Bezugsmediums in eine Bezugskammer;

(b) Einführen einer Probe in eine Probenkammer;

(c) Einführen einer zweiten Menge des fluiden Bezugsmediums in die Probenkammer zur Reaktion mit der Probe, um ein fluides Probenmedium zu erzeugen;

(d) wechselweises Zirkulieren der fluiden Bezugs- und Probenmedia von den entsprechenden Kammern zu zumindest einem Sensor und zurück zu den entsprechenden Kammern;

(e) Erzeugen einer Vielzahl von Bezugs- und Probensignalen mit dem Sensor, wobei jedes Bezugs- und Probensignal allgemein in seiner Intensität proportional zu einer Quantifikation der ausgewählten Komponente in bezug auf die fluiden Bezugs- bzw. Probenmedia ist; und

(f) Berechnen der Rate, mit der die Probe die ausgewählte Komponente verbraucht oder erzeugt, durch einen zum Empfang von Bezugs- und Probensignalen ausgebildetem Prozessor, in Übereinstimmung mit einer Formel, die die Bezugssignale dazu verwendet, um einen Sensordrift zu kompensieren.

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch:

Einrichten eines ersten Druckes (PA) im Sensor (15, 16) und in der Bezugskammer (20), der im allgemeinen dem atmosphärischen Luftdruck entspricht;

Einrichten eines zweiten Druckes (PS) im Sensor (15, 16), der größer als der erste Druck ist;

Einrichten eines dritten Druckes (PT) im Sensor (15, 16) und in der Bezugskammer (20) durch (generelles) Angleichen des zweiten Druckes im Sensor (15, 16) an den ersten Druck in der Bezugskammer (20);

Erzeugen erster, zweiter und dritter Drucksignale, die den ersten, zweiten bzw. dritten Druck bezeichnen, wobei ein Druckanzeiger (17) in Fluidverbindung mit dem Sensor (15, 16) steht;

Übertragen der ersten, zweiten und dritten Drucksignale zum Prozessor (27, 28);

Bereitstellen eines ersten Volumensignals, das ein bekanntes Volumen (VR) der Bezugskammer (20) bezeichnet; und

Berechnen einer Menge (VS), die das Volumen des Sensors (15, 16) bezeichnet, in Übereinstimmung mit der folgenden Formel:

VS = VR/[(PS-PA)/(PT-PA)-1].

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin gekennzeichnet durch:

Einrichten des ersten Druckes (PA) im Sensor (15, 16), in der Bezugskammer (20) und in der Probenkammer (21);

Einrichten eines vierten Druckes (PRS), der größer als der erste Druck ist, in der Bezugskammer (21) und im Sensor (15, 16);

Einrichten eines fünften Druckes (PC) in der Bezugskammer (20), in den Probenkammern (21) und im Sensor (15, 16), durch Angleichen des vierten Druckes in der Bezugskammer (20) und im Sensor (15, 16) an den ersten Druck in der Probenkammer (21);

Erzeugen erster, vierter und fünfter Drucksignale mit dem Druckanzeiger (17), die den ersten, vierten und bzw. fünften Druck anzeigen;

Übertragen der ersten, vierten und fünften Drucksignale zum Prozessor (27, 28);

Bereitstellen des ersten Volumensignals, das das bekannte Bezugskammervolumen (V) bezeichnet, und eines zweiten Volumensignals, das das berechnete Sensorvolumen (VS) bezeichnet; und

Berechnen einer Menge (VT), die ein Nettoprobenkammervolumen gemäß der folgenden Formel bezeichnet:

VT = (VS + VR)·[(PRS-PA)/(PC-PA)-1].

10. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch:

Auswahl von im allgemeinen gleichen Zeitspannen (t) zum Zirkulieren der Bezugs- und Probenmedia;

Auswahl und Bereitstellen einer Verzögerungsspanne (d) zwischen dem Beginn jeder der Zeitspannen (t) und dem Beginn des Lesevorgangs jedes der entsprechenden Bezugs- und Probensignale durch den Prozessor (27, 28);

Bereitstellen eines bekannten Sensorsignalintensitätsfaktors für die ausgewählte Komponente der fluiden Bezugs- und der Probenmedia

Berechnen erster (R1), zweiter (T1), dritter (R2) und vierter (T2) Quantifikationen der ausgewählten Komponente mit einem ersten Bezugssignal, einem ersten Probensignal, einem zweiten Bezugssignal und einem zweiten Probensignal bzw. mit dem bekannten Signalintensitätsfaktor;

Bereitstellen eines bekannten Wertes (OS), der die Verbrauchsrate der ausgewählten Komponente durch den Sensor bezeichnet, Bereitstellen des Nettoprobenkammervolumens (VT), des Sensorvolumens (VS) und des Bezugskammervolumens (VR); und Berechnen der mengenmäßigen Änderungsrate der ausgewählten Komponente gemäß der folgenden Formeln:

wobei die mengenmäßige Änderungsrate gleich X7/X8/t ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin gekennzeichnet durch: Zirkulieren eines Spülflüssigkeitsmediums durch den Sensor (15, 16) vor dem Zirkulieren der fluiden Bezugs- und der Probenmedia; Bereitstellen einer Einstellungsspanne vor dem Zirkulieren des Spülflüssigkeitsmediums; und Erzeugen einer Vielzahl von Spülsignalen mit dem Sensor (15, 16), wobei jedes Spülsignal im allgemeinen in der Intensität proportional zu einer relativen Menge der ausgewählten Komponente im Spülflüssigkeitsmedium ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin gekennzeichnet durch:

Auswahl einer ersten Zeitspanne für die Einstellungsspanne; Auswahl einer zweiten Zeitspanne (tF) zum Zirkulieren des Spülflüssigkeitsmediums; Auswahl einer dritten Zeitspanne (tT) zum Zirkulieren des fluiden Probenmediums; Berechnen einer vierten Zeitspanne (tR) zum Zirkulieren des fluides Bezugsmediums gemäß der folgenden Formel:

tR = tT·(VR+VS)/VT+VS);

Berechnen eines Testintervalls (t) durch Summieren der ersten, zweiten, dritten und vierten Zeitspanne; Bestimmen der Flußgeschwindigkeit (fS) des fluides Probenmediums mit einem Flußmesser (13), der in Fluidverbindung mit dem Sensor (15, 16) steht; Berechnen und Bereitstellen einer ersten Verzögerung (DR) zwischen dem Beginn des Zirkulierens des fluides Bezugsmediums und dem Beginn des Lesevorgangs der Bezugssignale durch den Prozessor (27, 28) gemäß der folgenden Formel:

DR = [(4·VS/fs) · (VR+VS)]/(VT+VS);

Berechnen und Bereitstellen einer zweiten Verzögerung (DT) zwischen dem Beginn des Zirkulierens des fluiden Probenmediums und dem Beginn des Lesevorgangs der Probensignale durch den Prozessor (27, 28) gemäß der folgenden Formel:

DT = 4·VS/fS;

Bereitstellen eines bekannten Signalintensitätsfaktors des Sensors (15, 16) für die ausgewählten Komponenten der fluiden Bezugs-, Proben- und Spülmedia; Berechnen der ersten (R1), zweiten (T1), dritten (F2), vierten (R2) und fünften (T2) Quantifikationen der ausgewählten Komponente mit einem ersten Bezugssignal, einem ersten Probensignal, einem zweiten Spülsignal, einem zweiten Bezugssignal bzw. einem zweiten Probensignal, sowie mit dem bekannten Signalintensitätsfaktor; Bereitstellen eines bekannten Wertes (OS), der die Verbrauchsrate des ausgewählten Bestandteils durch den Sensor (15, 16) bezeichnet;

Bereitstellen des Nettoprobenkammervolumens (VT), des Sensorvolumens (VS) und des Bezugskammervolumens (VR); und

Berechnen der mengenmäßigen Änderungsrate der ausgewählten Komponente gemäß der folgenden Formeln:

wobei die mengenmäßige Änderungsrate gleich (T2-X3- Drift·X4)/X5 ist.

13. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin gekennzeichnet durch:

Auswahl von Sauerstoff und Kohlendioxid als erste und zweite ausgewählte Komponente des fluiden Bezugs- und Probenmediums und Berechnen einer korrigierten Änderungsrate der Sauerstoffmenge gemäß der folgenden Formel:

Rate O&sub2; korr. = Rate O&sub2; unkorr. + (Rate CO · T1), wobei Rate O&sub2; korr." die korrigierte Änderungsrate der Sauerstoffmenge bedeutet;

"Rate O&sub2; unkorr." die Änderungsrate der aus der Formel nach Anspruch 10 abgeleiteten Sauerstoffmenge bedeutet;

"Rate CO&sub2;" die Änderungsrate der aus der Formel nach Anspruch 10 abgeleiteten Kohlendioxidmenge bedeutet; und

"T1" die zweite Quantifikation von Sauerstoff bedeutet, die aus dem ersten Probensignal und dem bekannten Signalintensitätsfaktor nach Anspruch 10 abgeleitet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch:

Auswahl von Sauerstoff und Kohlendioxid als erste und zweite Komponente der fluiden Spül-, Proben- und Bezugsmedia und Berechnen einer korrigierten Änderungsrate der Sauerstoffmenge gemäß der folgenden Formel:

Rate O&sub2; korr. + Rate O&sub2; unkorr. + (Rate CO&sub2; · T1), wobei

"Rate O&sub2; korr." die korrigierte Änderungsrate der Sauerstoffmenge bedeutet;

"Rate O&sub2; unkorr." die Änderungsrate der Sauerstoffmenge bedeutet, abgeleitet aus den Formeln nach Anspruch 13;

"Rate CO&sub2;" die Änderungsrate der Kohlendioxidmenge bedeutet, abgeleitet aus den Formeln nach Anspruch 13; und

"T1" die zweite Quantifikation von Sauerstoff bedeutet, bestimmt aus dem ersten Probensignal und dem bekannten Signalintensitätsfaktor nach Anspruch 13.