EP4659015A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von stoffanteilen eines fluiden stoffgemischs sowie medizintechnisches gerät - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von stoffanteilen eines fluiden stoffgemischs sowie medizintechnisches gerät

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EP4659015A1
EP4659015A1 EP23817670.5A EP23817670A EP4659015A1 EP 4659015 A1 EP4659015 A1 EP 4659015A1 EP 23817670 A EP23817670 A EP 23817670A EP 4659015 A1 EP4659015 A1 EP 4659015A1
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EP
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substance
mixture
proportions
measured
selective
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Pending
Application number
EP23817670.5A
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Frank Herrmann
Barbara TRABOLD
Annika Polert
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Corscience & Co KG GmbH
Anamed GmbH and Co KG
Original Assignee
Corscience & Co Kg GmbH
Weinmann Emergency Medical Technology GmbH and Co KG
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Publication date
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    • G01N33/004—CO or CO2

Definitions

  • the invention relates to a method for determining substance proportions of a fluid mixture, in particular gases or liquids, using at least two sensors.
  • the invention relates to a device for determining substance proportions of a fluid mixture of substances, in particular gases or liquids, wherein the device has at least two sensors for this purpose.
  • the invention relates to a medical device comprising such a device for determining substance proportions of a fluid substance mixture.
  • Measurements of the composition of mixtures of substances by recording several measurement signals in relation to the mixture of substances are state of the art.
  • a single material property is evaluated several times by varying an accompanying parameter and examined for component-specific characteristics.
  • an absorption measurement analyzes the light absorption of a gas/gas mixture. The measurement wavelength is changed and the absorption is measured at different wavelengths. By scanning over a wavelength range, the absorption behavior at certain wavelengths can be used to draw conclusions about several gas concentrations or even the complete gas composition.
  • a certain material property e.g. absorption
  • a certain measurement method e.g. absorption spectroscopy
  • a varying parameter e.g. wavelength
  • Such methods and devices are also used in medical technology, for example in ventilation technology, where the composition of the respiratory gas is determined in particular.
  • the rapid selective measurement of, for example, oxygen (02) currently requires complex, expensive measuring methods that are also difficult to integrate into compact devices.
  • C02 measurement in which, for example, a filter is placed in front of the sensor on the receiver side that only allows a wavelength relevant to C02, this is not possible with O2 measurement.
  • O2 measurement There is no corresponding characteristic absorption range for O2, so that an optical O2 measurement can only be carried out with very finely tunable lasers.
  • This procedure is very expensive and complex.
  • the breath-resolved measurement of the oxygen concentration is important for good patient care, but has so far been difficult to implement for compact devices.
  • the solution approach described here is intended to show that a combination of primarily non-selective measuring methods allows the gas composition to be determined and thus the oxygen concentration can still be determined.
  • An object of the invention is to provide a device for determining substance proportions of a fluid mixture of substances, which at least partially eliminates the disadvantages of the prior art described above.
  • a further object of the invention is to provide a medical device with which the above-described disadvantages of the prior art in determining the proportions of mixtures of substances are at least partially eliminated.
  • the basic idea of the invention is the combination of several non-selective measuring methods or measuring devices for determining the proportions of a fluid mixture of substances.
  • the higher speed of non-selective measuring methods allows overall faster measurements to be carried out to determine at least one proportion of a mixture of substances.
  • Non-selective measuring methods or measuring devices are those methods or devices with which a certain substance proportion of a mixture of substances cannot be determined directly or not with the required accuracy or robustness and only on the basis of the measurement data obtained with this method or device, as is possible with selective measuring methods or measuring devices.
  • scanning is not primarily carried out via a single material property, but at least two different and independent material properties are measured and evaluated.
  • Independent material properties are those properties of the respective substance or mixture of substances that do not influence each other. These include, for example, the thermal conductivity, the heat capacity, the speed of sound in the respective substance or mixture of substances, the molar mass, the dynamic viscosity, the permittivity and the refractive index or the speed of light in the respective substance or mixture of substances, which can be used with the known measuring methods for the non-selective determination of the material components of a mixture of substances.
  • the following sensors can be used to measure these material properties.
  • the thermal conductivity and heat capacity are measured, for example, using a sensor comprising at least one heating element and a temperature sensor. If the fluid mixture is at rest, the thermal conductivity of the fluid mixture can be determined from the temperature measurement at a known heater temperature after the sensor has been calibrated. If the temperature of the heater is modulated, the delay with which a temperature change can be detected at the temperature sensor is a measure of the thermal capacity of the fluid mixture. In principle, thermal conductivity and thermal capacity can be measured using a suitable sensor device.
  • the device for determining the proportions of a fluid mixture of substances has at least one thermal conductivity sensor and/or heat capacity sensor. In embodiments of the invention, this is designed as an integrated sensor chip.
  • the speed of sound is measured using ultrasound technology.
  • Corresponding sensors are already available on the market.
  • the device for determining substance proportions of a fluid mixture of substances has at least one sound velocity sensor based on ultrasound technology.
  • the molar mass can be derived from the speed of sound. Measuring it using other methods is very complex.
  • the device for determining substance proportions of a fluid mixture of substances has at least one sensor for determining the molar mass based on the determination of the speed of sound.
  • the dynamic viscosity can be measured, for example, via the pressure drop in a thin tube in which a laminar flow has been established.
  • the pressure drop is directly proportional to the dynamic viscosity.
  • the device for determining substance proportions of a fluid substance mixture has at least one sensor for determining the dynamic viscosity based on the determination of a pressure drop.
  • the permittivity of a mixture of substances can be measured using a plate capacitor through which the fluid mixture of substances flows.
  • the change in capacitance is also directly proportional to the permittivity.
  • water vapor is particularly important here, as water vapor differs by more than an order of magnitude from the other relevant gases.
  • the device for determining substance proportions of a fluid substance mixture has at least one permittivity sensor.
  • the refractive index or the speed of light of different gases differs very little, so that in corresponding embodiments of the invention interferometers are used as refractive index sensors or speed of light sensors.
  • the device for determining material proportions of a fluid mixture of substances has at least one refractive index sensor and/or a speed of light sensor comprising at least one interferometer.
  • composition of a mixture of substances containing a number of X different substances is to be completely determined, at least X-1 independent non-selective measurements of different material properties are required in order to be able to completely and unambiguously solve the resulting system of equations.
  • a device according to the invention for determining substance proportions of a fluid substance mixture is designed to determine the proportion of at least one substance in a fluid substance mixture.
  • a device according to the invention for determining material proportions of a fluid substance mixture has at least two different non-selective measuring devices, each of which measures a material property of the substance mixture, wherein the material properties measured with the measuring devices are different and independent of one another.
  • the device for determining substance proportions of a fluid substance mixture has at least X-1 non-selective measuring devices with which various mutually independent material properties of the substance mixture can be measured.
  • At least two of the non-selective measuring devices are designed to carry out the respective measurements simultaneously or at least partially overlapping in time.
  • all non-selective measuring devices are designed to carry out the respective measurements simultaneously or at least partially overlapping in time.
  • the device for determining the material proportions of a fluid mixture has a volume flow sensor in preferred embodiments.
  • the device for determining material proportions of a fluid mixture of substances is designed to determine the proportion of O 2 and/or CO 2 in the mixture of substances.
  • At least one measuring device of the device for determining material proportions of a fluid mixture of substances has at least one sensor for determining one of the material properties heat conduction, heat capacity, speed of sound (e.g. ultrasonic sensor), molar mass, dynamic viscosity, permittivity or refractive index or speed of light.
  • the device for determining substance proportions of a fluid substance mixture additionally has at least one selective sensor for selectively determining at least one substance proportion in the substance mixture.
  • the at least one selective sensor is designed for NDIR absorption measurement to determine the CO2 content, as a lambda probe to determine the O2 content, as a paramagnetic sensor to determine the O2 content, as an optical sensor such as an optrode for measurement by means of fluorescence quenching (in particular a pO2 optrode), as an electrochemical gas sensor or as a humidity sensor (in particular by means of permittivity measurement).
  • an optical sensor such as an optrode for measurement by means of fluorescence quenching (in particular a pO2 optrode), as an electrochemical gas sensor or as a humidity sensor (in particular by means of permittivity measurement).
  • the device for determining the proportions of a fluid mixture of substances is designed for the iterative determination of at least one material property. In corresponding embodiments, the measurement accuracy can thereby be improved. In embodiments of the invention, the device for determining the proportions of a fluid mixture of substances has more than X-1 non-selective measuring devices. This makes it possible to increase the robustness and/or the accuracy of the measurement. Furthermore, in embodiments of the invention, a plausibility check and/or a check of the mixture of substances for unknown substances with a relevant influence on the measurement(s) is implemented.
  • the device for determining material proportions of a fluid mixture of substances has an evaluation unit with which the material proportion of at least one substance in the mixture of substances can be determined by setting up a system of equations from the measured material properties and the solution of the system of equations.
  • system of equations to be solved can be linear or non-linear.
  • the system of equations to be established includes the measured material properties and their mathematical dependencies on the individual substances in the mixture, taking into account at least the relevant components of the mixture.
  • the evaluation unit is designed for the analytical solution of the system of equations.
  • the evaluation unit is designed to numerically solve the system of equations.
  • the evaluation unit is designed for the iterative solution of the system of equations.
  • the evaluation unit is designed to evaluate the measurement data acquired with the measuring devices with the aid of at least one Kl system.
  • the evaluation unit is designed to evaluate the measurement data using a combination of analytical, numerical, iterative and/or AI-based methods.
  • the device for determining the proportions of a fluid mixture of substances has at least one compensation device with which for example, the temperature, pressure, volume flow and/or humidity of the substance mixture can be measured and can be used to compensate for at least one of the other measurements carried out to determine the substance proportions.
  • the device for determining substance proportions of a fluid mixture of substances is designed for use in a medical application.
  • the device for determining substance proportions of a fluid substance mixture is designed to determine at least a gas proportion of respiratory gas during the ventilation of a patient.
  • a medical device according to the invention has at least one device according to the invention for determining substance proportions of a fluid substance mixture.
  • the medical device is designed as a ventilator, wherein the substance mixture is a gas mixture, namely respiratory gas.
  • the medical device is designed for blood gas analysis.
  • the medical device is designed to use the determined substance proportions to adapt the control of a therapy module and/or an instruction module.
  • a therapy module is designed as the ventilation unit of a ventilator and the instruction module is designed in embodiments of the invention to issue instructions to a human helper.
  • a method according to the invention for determining material fractions of a fluid mixture of substances can be used to determine at least one material fraction of a fluid mixture of substances.
  • a method according to the invention for determining the substance proportions of a fluid mixture comprises at least the following method steps:
  • At least X-1 different non-selective measuring methods or measuring devices are used which measure different, mutually independent material properties of the mixture.
  • At least two of the non-selective measurements are carried out simultaneously or at least partially overlapping in time.
  • all non-selective measurements are carried out simultaneously or at least partially overlapping in time.
  • the proportion of O2 and/or CO2 in the substance mixture is determined.
  • At least one of the material properties heat conduction, heat capacity, speed of sound e.g. ultrasonic sensor
  • molar mass e.g., dynamic viscosity, permittivity or refractive index or speed of light
  • At least two of the material properties heat conduction, heat capacity, speed of sound, molar mass, dynamic viscosity, permittivity or refractive index or speed of light are measured.
  • At least one selective sensor is used for the selective determination of at least one substance component in the substance mixture.
  • a sensor for NDIR absorption measurement to determine the CO2 content a lambda probe to determine the O2 content, a paramagnetic sensor to determine the O2 content, an optical A sensor such as an optrode for measurement by fluorescence quenching (in particular a pO2 optrode), an electrochemical gas sensor or a humidity sensor (in particular by permittivity measurement) is used as a selective sensor.
  • an optical A sensor such as an optrode for measurement by fluorescence quenching (in particular a pO2 optrode), an electrochemical gas sensor or a humidity sensor (in particular by permittivity measurement) is used as a selective sensor.
  • At least one material property is determined iteratively. This allows the measurement accuracy to be improved in corresponding embodiments.
  • more than X-1 different non-selective measurement methods are used. This allows the robustness and/or accuracy of the measurement(s) to be increased.
  • a plausibility check of the substance proportions determined from the remaining measurements and/or a check for unknown substances in the substance mixture with a relevant influence on the measurement(s) is realized with the help of at least one additional measuring method/measuring device.
  • At least one additional measuring method is used to measure a material property slowly but accurately with a first measuring method and to detect rapid changes in the respective material property with a second fast but possibly absolutely inaccurate measuring method, such as a measurement subject to strong drift.
  • At least one measurement method is used that is influenced by at least two material properties (e.g. heat conduction and heat capacity).
  • the measurement method is used multiple times in different versions (e.g. modulation of the temperature of the material mixture using a heater), with the influence of the different material properties being weighted differently in each version.
  • the measurement is predominantly influenced by the thermal conductivity (slow modulation) or the heat capacity (fast modulation).
  • At least one measuring method is used in which the respective material property is measured in two different states of the substance mixture.
  • many material properties depend on the temperature and/or the pressure.
  • the substance mixture is first measured at a first temperature T1 (e.g. ambient temperature) and/or a first pressure P1.
  • the respective parameter is then changed without changing the composition of the substance mixture and the measurement is repeated.
  • the substance mixture is heated to a temperature T2 (or cooled down) or the pressure is changed to a value P2. If the material properties of the individual components of the substance mixture have significantly different temperature or pressure behavior, the new measurement provides new information about the composition of the substance mixture.
  • the proportion of at least one substance in the substance mixture is determined by automatically setting up and solving a possibly linear system of equations from the measured substance properties.
  • the system of equations established using the determined material properties is solved analytically.
  • the system of equations established using the determined material properties is solved numerically.
  • the system of equations established using the determined material properties is solved iteratively.
  • At least one further material property S2 which is independent of the material property S1 is used in a similar way to estimate a material proportion A2 or further material proportions, so that the system of equations to be solved is further reduced.
  • at least one substance proportion is estimated in at least one iteration stage using an empirical value. In certain mixtures of substances, for example air or breathing air, certain substances (eg argon or nitrogen) normally occur in certain concentrations. In corresponding embodiments of the invention, these values are used at least for an initial estimate in the first iteration stage, so that the system of equations can be reduced accordingly.
  • substances that have a similar influence on a material property are taken together during the corresponding iteration and treated as a single substance.
  • Substances that will have a similar influence on all measured material properties are considered globally as a single substance in embodiments of the invention when solving the system of equations.
  • the measurement data acquired with the measuring devices are evaluated using at least one Kl system.
  • At least one of the values temperature, pressure, volume flow and/or humidity of the substance mixture is measured and used to compensate for at least one of the other measurements carried out to determine the substance proportions.
  • At least a gas component of respiratory gas is determined during the ventilation of a patient.
  • at least one device according to the invention for determining substance proportions of a fluid substance mixture or a medical device according to the invention is used.
  • Fig. 1 A schematic block diagram of an inventive device for
  • Fig. 2 to 4 Schematic block diagrams of a device according to the invention for determining at least one substance fraction in a fluid mixture in a bypass configuration in three different designs
  • Fig. 5 A sensor configuration of a device according to the invention for determining at least one substance content in a fluid mixture
  • Fig. 6 A schematic block diagram of an inventive device for
  • Fig. 7 An illustration of different iteration stages in a corresponding method according to the invention for determining at least one substance fraction in a fluid mixture
  • Fig. 8 A schematic representation of the measured value processing according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic block diagram of a device (1) according to the invention for determining at least one material component in a fluid mixture (10).
  • the device (1) for determining at least one material component in a fluid mixture (10) comprises an evaluation unit (2), two non-selective sensors (3), a selective sensor (4) and a compensation device (5) for recording measured values in relation to a fluid mixture (10).
  • the evaluation unit (2) is designed to retrieve and evaluate the measured values for determining at least one material component of the fluid mixture (10).
  • the evaluation unit (2) can use a Kl system (6) to determine the material proportions of the fluid mixture (10).
  • the at least one specific substance portion of the fluid substance mixture (10) can be output by means of an output unit (7), for example as a display on a screen, as an acoustic output or as a digital data packet.
  • Figures 2, 3 and 4 show various embodiments of a device (1) according to the invention for determining at least one substance fraction in a fluid substance mixture (10) in bypass configurations.
  • Figure 2 shows the arrangement of non-selective sensors (3) in a secondary flow (21) which branches off from the main flow (20) of the fluid mixture (10) at a sampling point (22).
  • the fluid mixture (10) is conveyed into the secondary flow (21) and past the sensors (3) for measurement using a suction pump (8) arranged behind the sensors (3) in the flow direction.
  • a suction pump (8) arranged behind the sensors (3) in the flow direction.
  • the suction pump (8) is positioned in the bypass stream (21) in the flow direction upstream of the sensors (3).
  • Figure 4 shows an embodiment with two sensors (3) arranged in parallel, marked M2 and M3.
  • Figure 5 shows a sensor configuration 3 for parallel measurement of at least three measured values.
  • the fluid mixture (10) can be guided into the area of the sensor configuration (3) using a line, here designed as a main flow line (20) or secondary flow line (21).
  • the sensor configuration (3) comprises a permittivity sensor (3') designed as a plate capacitor, a sound velocity and/or volume flow sensor (3") implemented using an ultrasonic sensor, and a viscosity sensor (3"') implemented using a differential pressure sensor.
  • the differential pressure can be measured using pressure sensors arranged at the inlet and outlet of the plate capacitor.
  • the space between the capacitor plates is also used for ultrasonic measurement.
  • Figure 6 shows a medical device (15) designed as a ventilator, which has a device (1) for determining at least one substance proportion in a fluid substance mixture (10), which is integrated into the hose system (23) of the ventilator with respect to the sensors, shown here as non-selective sensors (3).
  • Figure 7 shows the iterative determination of material proportions of a fluid mixture of substances (10) according to advantageous embodiments of the invention.
  • the material proportions C1', C2', ... Cn' are determined in the first step, whereby the estimates E1', E2', ... En' are used.
  • improved estimates E1", E2", ... En” are used in the second iteration stage to determine the now more precise material proportions C1", C2", ... Cn".
  • embodiments according to the invention with more than two iteration stages can also be implemented.
  • Figure 8 shows a schematic of the mathematical evaluation of the measured values recorded by the sensors (3) using the evaluation unit (2) to determine the material proportions C1, ... Cn of a fluid mixture of materials (10).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs sowie ein medizintechnisches Gerät. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei verschiedene nicht-selektive Messvorrichtungen bzw. Messverfahren zur Messung von unabhängigen Stoffeigenschaften eines Stoffgemischs verwendet, um die Anteile von Stoffen am Stoffgemisch durch die Lösung eines Gleichungssystems zu bestimmen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs sowie medizintechnisches Gerät
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten, unter der Verwendung von mindestens zwei Sensoren.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, insbesondere von Gasen oder Flüssigkeiten, wobei die Vorrichtung dazu mindestens zwei Sensoren aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein medizintechnisches Gerät aufweisend eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs.
Für die Analyse der Zusammensetzung von fluiden (flüssigen oder gasförmigen) Stoffgemischen werden zumeist Messverfahren angewandt, die weitgehend selektive Eigenschaften zur Bestimmung einzelner Bestandteile des Stoffgemischs nutzen, wie beispielsweise spektroskopische oder chemische Messtechnologien. Oftmals sind derartige selektive Messverfahren aber komplex und/oder langsam. Eine zeitlich hochaufgelöste, selektive Analyse der vollständigen Zusammensetzung eines Stoffgemischs ist daher meist nicht möglich. In manchen Anwendungen ist sogar schon die selektive Bestimmung eines einzelnen gewünschten Stoffanteils am Stoffgemisch problematisch.
Messungen der Zusammensetzung von Stoffgemischen durch Aufnahme von mehreren Messsignalen in Bezug auf das Stoffgemisch sind Stand der Technik. Allerdings wird in der Regel eine einzige Stoffeigenschaft unter Variation eines Begleit-Parameters mehrfach ausgewertet und auf komponentenspezifische Merkmale untersucht. Beispielweise wird bei einer Absorptionsmessung die Lichtabsorption eines Gases/Gasgemischs analysiert. Die Messwellenlänge wird verändert und die Absorption bei verschiedenen Wellenlängen gemessen. Durch das Scannen über einen Wellenlängenbereich kann über das Absorptionsverhalten bei bestimmten Wellenlängen auf mehrere Gaskonzentrationen oder gar die komplette Gaszusammensetzung zurückgeschlossen werden. Es gibt viele ähnliche Verfahren, die wie in diesem Beispiel eine bestimmte Stoffeigenschaft (z.B. die Absorption) über eine bestimmte Messmethode (z.B. Absorptionsspektroskopie) unter Verwendung eines variierenden Parameters (z.B. der Wellenlänge) analysieren und so die Zusammensetzung eines Gasgemischs messen.
Diese Verfahren sind oft sehr komplex, teuer und die zur Realisierung erforderlichen Geräte groß. Auch ist ein mobiler Einsatz entsprechender Geräte, beispielsweise in einem fahrenden Einsatzfahrzeug, mit hohen Stoß- und Rüttelbelastungen, oft nicht möglich.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen finden auch in der Medizintechnik, beispielsweise der Beatmungstechnik, Anwendung, wobei insbesondere die Zusammensetzung des Atemgases bestimmt wird. Die schnelle selektive Messung z.B. von Sauerstoff (02) erfordert zurzeit komplexe, teure Messverfahren, die zudem schwer in kompakte Geräte integriert werden können. Im Gegensatz zur C02-Messung, bei der beispielsweise empfängerseitig ein Filter vor dem Sensor angeordnet wird, das nur eine C02-relevante Wellenlänge zulässt, ist dies bei einer O2-Messung nicht möglich. Ein entsprechender charakteristischer Absorptionsbereich ist für 02 nicht vorhanden, sodass eine optische O2-Messung nur mit sehr fein durchstimmbaren Lasern realisierbar ist. Dieses Vorgehen ist jedoch sehr teuer und aufwendig. Die atemzugaufgelöste Messung der Sauerstoffkonzentration ist für eine gute Patientenversorgung wichtig, aber für kompakte Geräte bisher schwer realisierbar. Der hier beschriebene Lösungsansatz soll zeigen, dass eine Kombination aus vornehmlich nicht-selektiven Messverfahren die Bestimmung der Gaszusammensetzung erlaubt und so die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration dennoch ermöglicht werden kann.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zu schaffen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise behebt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein medizintechnisches Gerät zu schaffen, mit dem die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik bei der Bestimmung der Anteile von Stoffgemischen zumindest teilweise behoben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein medizintechnisches Gerät gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs anzugeben, das die vorstehend beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise behebt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
In den abhängigen Patentansprüchen werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beansprucht.
Die nachfolgend offenbarten Merkmale einer Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs, eines medizintechnischen Geräts sowie eines Verfahrens zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs sind sowohl einzeln als auch in allen ausführbaren Kombinationen Bestandteil der Erfindung.
Grundgedanke der Erfindung ist die Kombination von mehreren nicht-selektiven Messmethoden bzw. Messvorrichtungen zur Bestimmung der Anteile eines fluiden Stoffgemischs. Durch die höhere Geschwindigkeit nicht-selektiver Messmethoden lassen sich insgesamt schnellere Messungen zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils eines Stoffgemischs durchführen.
Nicht-selektive Messmethoden bzw. Messvorrichtungen sind dabei solche Methoden bzw. Vorrichtungen mit denen ein bestimmter Stoffanteil eines Stoffgemisches nicht direkt bzw. nicht mit der erforderlichen Genauigkeit oder Robustheit und nur auf Basis der mit dieser Methode oder Vorrichtung gewonnenen Messdaten bestimmbar ist, wie es mit selektiven Messmethoden bzw. Messvorrichtungen möglich ist.
Dabei wird in Ausführungsformen der Erfindung aber nicht primär über eine einzelne Stoffeigenschaft gescannt, sondern es werden mindestens zwei verschiedene und voneinander unabhängige Stoffeigenschaften gemessen und ausgewertet. Unabhängige Stoffeigenschaften sind dabei solche Eigenschaften des jeweiligen Stoffes bzw. Stoffgemischs, die sich nicht gegenseitig beeinflussen. Darunter fallen beispielweise die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmekapazität, die Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff bzw. Stoffgemisch, die molare Masse, die dynamische Viskosität, die Permittivität und der Brechungsindex bzw. die Lichtgeschwindigkeit im jeweiligen Stoff oder Stoffgemisch, die mit den bekannten Messmethoden zur nicht-selektiven Bestimmung der Stoffanteile eines Stoffgemischs heranziehbar sind.
Beispielhaft sind in Ausführungsformen der Erfindung die folgenden Sensoren zur Messung dieser Stoffeigenschaften verwendbar.
Die Messung der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität erfolgt beispielsweise mit einem Sensor, umfassend mindestens ein Heizelement und einen Temperatursensor. Ruht das fluide Stoffgemisch, so kann nach Kalibration des Sensors über die Temperaturmessung bei bekannter Heizertemperatur auf die Wärmeleitung des fluiden Stoffgemischs rückgeschlossen werden. Moduliert man die Temperatur des Heizers, so ist die Verzögerung, mit der eine Temperaturänderung am Temperatursensor detektierbar ist, ein Maß für die Wärmekapazität des fluiden Stoffgemischs. Prinzipiell kann mit einer geeigneten Sensorvorrichtung also Wärmeleitung und Wärmekapazität gemessen werden.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Wärmeleitfähigkeitssensor und/oder Wärmekapazitätssensor auf. Dieser ist in Ausführungsformen der Erfindung als ein integrierter Sensorchip ausgebildet.
Die Schallgeschwindigkeit wird in Ausführungsformen der Erfindung mit Ultraschalltechnologie gemessen. Entsprechende Sensoren sind bereits auf dem Markt verfügbar.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Schallgeschwindigkeitssensor basierend auf der Ultraschalltechnologie auf.
Die molare Masse ist aus der Schallgeschwindigkeit ableitbar. Eine Messung mit anderen Verfahren ist sehr aufwendig. In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung der molaren Masse basierend auf der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit auf.
Die dynamische Viskosität ist beispielsweise über den Druckabfall in z.B. einem dünnen Röhrchen messbar, in dem eine laminare Strömung eingestellt wurde. Der Druckabfall ist direkt proportional zur dynamischen Viskosität.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung der dynamischen Viskosität basierend auf der Bestimmung eines Druckabfalls auf.
Die Permittivität eines Stoffgemischs ist mithilfe eines Plattenkondensators messbar, der vom fluiden Stoffgemisch durchströmt wird. Die Kapazitätsänderung ist auch direkt proportional zur Permittivität. Bei den in der Beatmungstechnik zu messenden Gasen tritt hier besonders der Wasserdampf hervor, da sich Wasserdampf um mehr als eine Zehnerpotenz von den anderen relevanten Gasen unterscheidet.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Permittivitätssensor auf.
Der Brechungsindex bzw. die Lichtgeschwindigkeit von verschiedenen Gasen unterscheidet sich sehr wenig, so dass in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung Interferometer als Brechungsindexsensor bzw. Lichtgeschwindigkeitssensor eingesetzt werden.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Brechnungsindexsensor und/oder einen Lichtgeschwindigkeitssensor umfassend mindestens ein Interferometer auf.
Soll die Zusammensetzung eines Stoffgemischs mit einer Anzahl von X verschiedenen Stoffen vollständig bestimmt werden, so sind mindestens X-1 unabhängige nicht-selektive Messungen verschiedener Stoffeigenschaften erforderlich, um das sich ergebende Gleichungssystem vollständig und eindeutig lösen zu können.
In Ausführungsformen der Erfindung wird der Umstand genutzt, dass von einem Stoffgemisch in vielen Anwendungen nur bestimmte Stoffanteile von Interesse sind und/oder dass bestimmte Stoffe die zu messenden Stoffeigenschaften des Stoffgemischs nicht oder nur in geringem Maße beeinflussen.
Dadurch lässt sich die erforderliche Anzahl der mindestens erforderlichen nicht-selektiven Messmethoden / Messvorrichtungen unabhängiger Stoffeigenschaften auf einen Wert kleiner gleich X-1 reduzieren, wobei X die Anzahl der relevanten Stoffanteile ist.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs ist zur Bestimmung des Anteils von mindestens einem Stoff an einem fluiden Stoffgemisch ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs weist mindestens zwei verschiedene nicht-selektive Messvorrichtungen auf, die jeweils eine Stoffeigenschaft des Stoffgemischs messen, wobei die mit den Messvorrichtungen gemessenen Stoffeigenschaften verschieden und voneinander unabhängig sind.
Weiterhin weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens eine Auswerteeinheit zur Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messwerte der mindestens zwei verschiedenen Stoffeigenschaften und zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch aus der Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften auf.
In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung mit einer Anzahl X von zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens X-1 nicht-selektive Messvorrichtungen auf, mit denen verschiedene voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs messbar sind.
In Ausführungsformen der Erfindung sind mindestens zwei der nicht-selektiven Messvorrichtungen zur zeitgleichen oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidenden Durchführung der jeweiligen Messungen ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung sind alle nicht-selektiven Messvorrichtungen zur zeitgleichen oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidenden Durchführung der jeweiligen Messungen ausgebildet.
Wenn die verschiedenen Sensoren hintereinander im Volumenstrom des fluiden Stoffgemisches angeordnet sind, tritt ein zeitlicher Versatz der Messwerte auf, da ein bestimmtes Volumen nacheinander zu den einzelnen Sensoren gelangt. Bei bekanntem Volumenstrom des fluiden Stoffgemischs ist der Zeitversatz in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung kompensierbar, so dass die Messwerte aller Sensoren synchronisierbar sind. Dazu weist die Vorrichtung zur Bestimmung der Stoffanteile eines fluiden Stoffgemischs in bevorzugten Ausführungsformen einen Volumenstromsensor auf.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Bestimmung des Anteils von 02 und/oder C02 am Stoffgemisch ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung weist mindestens eine Messvorrichtung der Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens einen Sensor zur Bestimmung einer der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit (z.B. Ultraschall-Sensor), molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit auf.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zusätzlich mindestens einen selektiven Sensor zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch auf.
In Ausführungsformen der Erfindung ist der mindestens eine selektive Sensor zur NDIR- Absorptionsmessung zur Bestimmung des C02-Anteils, als eine Lambdasonde zur Bestimmung des O2-Anteils, als ein paramagnetischer Sensor zur Bestimmung des O2-Anteils, als ein optischer Sensor wie z.B. eine Optrode zur Messung mittels Fluoreszenzlöschung (insbesondere eine pO2-Optrode), als ein elektrochemischer Gassensor oder als ein Feuchtesensor (insbesondere mittels Permittivitätsmessung) ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist bekannt, welche Stoffe das Stoffgemisch enthält oder welche die Stoffeigenschaften des Stoffgemischs in relevantem Umfang beeinflussenden Stoffe das Stoffgemisch enthält.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur iterativen Bestimmung von mindestens einer Stoffeigenschaft ausgebildet. Dadurch lässt sich in entsprechenden Ausführungsformen die Messgenauigkeit verbessern. In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mehr als X-1 nicht-selektive Messvorrichtungen auf. Dadurch lässt sich die Robustheit und/oder die Genauigkeit der Messung erhöhen. Weiterhin ist dadurch in Ausführungsformen der Erfindung eine Plausibilitätsprüfung und/oder eine Prüfung des Stoffgemischs auf unbekannte Stoffe mit relevantem Einfluss auf die Messung(en) implementiert.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs eine Auswerteeinheit auf, mit der der Stoffanteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch mithilfe des Aufstellens eines Gleichungssystems aus den gemessenen Stoffeigenschaften und der Lösung des Gleichungssystems bestimmbar ist.
Das zu lösende Gleichungssystem kann in Ausführungsformen der Erfindung linear oder auch nicht-linear sein.
Das aufzustellende Gleichungssystem umfasst dabei die gemessenen Stoffeigenschaften und deren mathematischen Abhängigkeiten von den einzelnen Stoffen des Stoffgemischs, wobei zumindest die relevanten Bestandteile des Stoffgemischs berücksichtigt werden.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur analytischen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur numerischen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur iterativen Lösung des Gleichungssystems ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messdaten mithilfe von mindestens einem Kl-System ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Auswerteeinheit zur Auswertung der Messdaten mithilfe einer Kombination von analytischen, numerischen, iterativen und/oder Kl-basierten Verfahren ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs mindestens eine Kompensationsvorrichtung auf, mit der beispielsweise die Temperatur, der Druck, der Volumenstrom und/oder die Feuchtigkeit des Stoffgemischs messbar und zur Kompensation mindestens eines der übrigen Messungen der zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendbar ist/sind.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Verwendung in einer medizintechnischen Anwendung ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs zur Bestimmung von zumindest einem Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät weist mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs auf.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät als ein Beatmungsgerät ausgebildet, wobei das Stoffgemisch ein Gasgemisch, nämlich Atemgas, ist.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät zur Blutgasanalyse ausgebildet.
In Ausführungsformen der Erfindung ist das medizintechnische Gerät zur Nutzung der ermittelten Stoffanteile zur Anpassung der Steuerung eines Therapiemoduls und/oder eines Anweisungsmoduls ausgebildet.
Ein Therapiemodul ist in Ausführungsformen der Erfindung dabei als die Beatmungseinheit eines Beatmungsgeräts ausgebildet und das Anweisungsmodul ist in Ausführungsformen der Erfindung zur Ausgabe von Anweisungen an einen menschlichen Helfer ausgebildet.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs ist zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils eines fluiden Stoffgemischs nutzbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs umfasst zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
Durchführen von mindestens zwei verschiedenen nicht-selektiven Messungen, wobei jeweils eine Stoffeigenschaft des Stoffgemischs gemessen wird und wobei die mit den verschiedenen Messungen gemessenen Stoffeigenschaften voneinander unabhängig sind,
Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften zur Bestimmung des Anteils mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch.
In Ausführungsformen des Verfahrens werden bei einer Anzahl von X zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch mindestens X-1 verschiedene nicht-selektive Messverfahren bzw. Messvorrichtungen verwendet, die verschiedene, voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs messen.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei der nichtselektiven Messungen zeitgleich oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidend durchgeführt.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle nicht-selektiven Messungen zeitgleich oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidend durchgeführt.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Anteil von 02 und/oder CO2 am Stoffgemisch bestimmt.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit (z.B. Ultraschall- Sensor), molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit gemessen.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens zwei der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit, molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit gemessen.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich zu den mindestens zwei nicht-selektiven Messungen zusätzlich mindestens ein selektiver Sensor zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch verwendet.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Sensor zur NDIR- Absorptionsmessung zur Bestimmung des CO2-Anteils, eine Lambdasonde zur Bestimmung des O2-Anteils, ein paramagnetischer Sensor zur Bestimmung des O2-Anteils, ein optischer Sensor wie z.B. eine Optrode zur Messung mittels Fluoreszenzlöschung (insbesondere eine pO2-Optrode), ein elektrochemischer Gassensor oder ein Feuchtesensor (insbesondere mittels Permittivitätsmessung) als selektiver Sensor verwendet.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bekannt, welche Stoffe das Stoffgemisch enthält oder welche die Stoffeigenschaften des Stoffgemisches in relevantem Umfang beeinflussenden Stoffe das Stoffgemisch enthält.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine Stoffeigenschaft iterativ bestimmt. Dadurch lässt sich in entsprechenden Ausführungsformen die Messgenauigkeit verbessern.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mehr als X-1 verschiedene nicht-selektive Messmethoden verwendet. Dadurch lässt sich die Robustheit und/oder die Genauigkeit der Messung(en) erhöhen.
Weiterhin ist mithilfe mindestens einer zusätzlichen Messmethode / Messvorrichtung in Ausführungsformen der Erfindung eine Plausibilitätsprüfung der aus den übrigen Messungen bestimmten Stoffanteile und/oder eine Prüfung auf unbekannte Stoffe im Stoffgemisch mit relevantem Einfluss auf die Messung(en) realisiert.
In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens ein zusätzliches Messverfahren verwendet, um eine Stoffeigenschaft mit einem ersten Messverfahren langsam, aber genau zu messen und mit einem zweiten schnellen, aber ggf. absolut gesehen ungenauen Messverfahren, wie beispielsweise einer stark driftbehafteten Messung, schnelle Änderungen in der jeweiligen Stoffeigenschaft zu erfassen.
In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine Messmethode eingesetzt, die von mindestens zwei Stoffeigenschaften (z.B. Wärmeleitung und Wärmekapazität) beeinflusst wird. Dabei wird die Messmethode mehrfach in verschiedenen Ausführungen (beispielsweise Modulation der Temperatur des Stoffgemischs mithilfe eines Heizers) verwendet, wobei in jeder Ausführung der Einfluss der verschiedenen Stoffeigenschaften unterschiedlich gewichtet ist. Im Beispiel der Wärmeleitung und Wärmekapazität als Stoffeigenschaften wäre dies beispielsweise die Messung der Temperatur des Stoffgemischs, wobei die Temperatur mithilfe eines steuerbaren Heizers einstellbar ist. Je nach Schnelligkeit der Modulation, wird die Messung überwiegend von der Wärmeleitfähigkeit (langsame Modulation) oder der Wärmekapazität (schnelle Modulation) beeinflusst. In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine Messmethode eingesetzt, bei der die jeweilige Stoffeigenschaft in zwei verschiedenen Zuständen des Stoffgemischs gemessen wird. Beispielsweise sind viele Stoffeigenschaften abhängig von der Temperatur und/oder dem Druck. In entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung wird das Stoffgemisch zunächst bei einer ersten Temperatur T1 (z.B. Umgebungstemperatur) und/oder einem ersten Druck P1 vermessen. Anschließend wird der jeweilige Parameter ohne eine Veränderung der Zusammensetzung des Stoffgemischs verändert und die Messung wiederholt. Beispielsweise wird dazu das Stoffgemisch auf eine Temperatur T2 erwärmt (oder heruntergekühlt) oder der Druck auf einen Wert P2 geändert. Wenn die Stoffeigenschaften der einzelnen Bestandteile des Stoffgemischs deutlich unterschiedliches Temperatur- oder Druckverhalten haben, so liefert die erneute Messung neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung des Stoffgemischs.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stoffanteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch bestimmt, indem ein ggf. lineares Gleichungssystem aus den gemessenen Stoffeigenschaften automatisch aufgestellt und gelöst wird.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem analytisch gelöst.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem numerisch gelöst.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mithilfe der bestimmten Stoffeigenschaften aufgestellte Gleichungssystem iterativ gelöst.
Eine solche iterative Lösung des Gleichungssystems funktioniert in Ausführungsformen der Erfindung wie folgt. Auch wenn eine Stoffeigenschaft S1 nicht selektiv zur Bestimmung des Anteiles eines Stoffs am Stoffgemisch herangezogen werden kann, so kann sie durch einen Stoff A1 dominiert werden. In der ersten Iterationsstufe wird angenommen, dass die Messung der Stoffeigenschaft S1 nur durch den Stoff A1 bestimmt wird. Dann wird zunächst der Anteil des Stoffes A1 bestimmt und das Gleichungssystem mit X Gleichungen um 1 reduziert.
In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens eine weitere, von der Stoffeigenschaft S1 unabhängige Stoffeigenschaft S2 ähnlich genutzt, um einen Stoffanteil A2 oder weitere Stoffanteile abzuschätzen, so dass sich das zu lösende Gleichungssystem weiter reduziert. In Ausführungsformen der Erfindung wird mindestens ein Stoffanteil in mindestens einer Iterationsstufe durch einen Erfahrungswert abgeschätzt. In bestimmten Stoffgemischen, beispielsweise Luft oder Atemluft, treten bestimmte Stoffe (z.B. Argon oder Stickstoff) normalerweise in bestimmten Konzentrationen auf. Diese Werte werden in entsprechenden Ausführungsformen der Erfindung zumindest für eine Erstabschätzung in der ersten Iterationsstufe verwendet, sodass das Gleichungssystem entsprechend reduzierbar ist.
In Ausführungsformen der Erfindung werden Stoffe, die einen ähnlichen Einfluss auf eine Stoffeigenschaft haben, während der entsprechenden Iteration zusammengenommen und als ein einziger Stoff behandelt. Stoffe, die auf alle gemessenen Stoffeigenschaften einen ähnlichen Einfluss haben werden, sofern eine Bestimmung der separaten Anteile dieser Stoffe am Stoffgemisch in der jeweiligen Anwendung unerheblich ist, in Ausführungsformen der Erfindung global bei der Lösung des Gleichungssystems als ein einziger Stoff betrachtet.
Wenn am Ende alle Stoffanteile am Stoffgemisch in der ersten Iterationsstufe bestimmt wurden, werden diese resultierenden Werte in mindestens einer nächsten Iterationsstufe, in der dann die Einflüsse mehrerer oder aller Stoffe auf die jeweiligen Stoffeigenschaften berücksichtig werden, wieder zur verbesserten Bestimmung der Stoffanteile am Stoffgemisch verwendet. So wird eine Verfeinerung der Analyse realisiert. Die Verbesserung der Genauigkeit der bestimmten Stoffanteile erhöht sich mit weiteren Iterationsstufen.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Auswertung der mit den Messvorrichtungen erfassten Messdaten mithilfe von mindestens einem Kl-System.
Auch eine Kombination von Elementen aus der numerischen, iterativen und/oder Kl-gestützten Bestimmung der Stoffanteile ist in Ausführungsformen der Erfindung möglich.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest einer der Werte Temperatur, Druck, Volumenstrom und/oder Feuchtigkeit des Stoffgemischs gemessen und zur Kompensation mindestens eines der übrigen zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendet.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dieses in einer medizintechnischen Anwendung angewendet.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten bestimmt. In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs oder ein erfindungsgemäßes medizintechnisches Gerät verwendet.
In den nachfolgend erläuterten Figuren sind beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 : Ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch,
Fig. 2 bis 4: Schematische Blockschaltbilder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch in einer Nebenstromkonfiguration in drei verschiedenen Ausbildungen,
Fig. 5: Eine Sensorkonfiguration einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch,
Fig. 6: Ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch in einer Hauptstromkonfiguration,
Fig. 7: Eine Illustration verschiedener Iterationsstufen in einem entsprechenden erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch und
Fig. 8: Eine schematische Darstellung der Messwertverarbeitung gemäß der Erfindung.
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10). Die Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) umfasst eine Auswerteeinheit (2), zwei nicht-selektive Sensoren (3), einen selektiven Sensor (4) und eine Kompensationsvorrichtung (5) zur Erfassung von Messwerten in Bezug auf ein fluides Stoffgemisch (10). Die Auswerteeinheit (2) ist zum Abruf und zur Auswertung der Messwerte zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils des fluiden Stoffgemischs (10) ausgebildet.
In der gezeigten Ausführungsform der Erfindung kann die Auswerteeinheit (2) zur Bestimmung der Stoffanteile des fluiden Stoffgemischs (10) auf ein Kl-System (6) zurückgreifen. Der mindestens eine bestimmte Stoffanteil des fluiden Stoffgemischs (10) ist mithilfe einer Ausgabeeinheit (7) ausgebbar, beispielsweise als Anzeige auf einem Display, als akustische Ausgabe oder als digitales Datenpaket.
In den Figuren 2, 3 und 4 sind verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) in Nebenstrom-Konfigurationen dargestellt.
Figur 2 zeigt dabei die Anordnung von nicht-selektiven Sensoren (3) in einem Nebenstrom (21), der an einer Entnahmestelle (22) vom Hauptstrom (20) des fluiden Stoffgemischs (10) abzweigt. Das fluide Stoffgemisch (10) wird mithilfe einer in Strömungsrichtung hinter den Sensoren (3) angeordneten Absaugpumpe (8) in den Nebenstrom (21) und zur Vermessung an den Sensoren (3) vorbei gefördert. Es sind erfindungsgemäß auch Ausführungsformen mit mindestens einem selektiven Sensor möglich.
Gemäß der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform ist die Absaugpumpe (8) im Nebenstrom (21) in Strömungsrichtung vor den Sensoren (3) positioniert.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei parallel angeordneten Sensoren (3), gekennzeichnet durch M2 und M3.
In Figur 5 ist eine Sensorkonfiguration 3 für eine parallele Messung von mindestens drei Messwerten dargestellt. Das fluide Stoffgemisch (10) ist mithilfe einer Leitung, hier ausgebildet als Hauptstromleitung (20) oder Nebenstromleitung (21), in den Bereich der Sensorkonfiguration (3) leitbar. Die Sensorkonfiguration (3) umfasst einen als ein Plattenkondensator ausgebildeten Permittivitätssensor (3‘), einen mithilfe eines Ultraschallsensors realisierten Schallgeschwindigkeits- und/oder Volumenstromsensor (3“) sowie einen mithilfe eines Differenzdrucksensors realisierten Viskositätssensor (3“‘).
Der Differenzdruck ist mithilfe von am Eingang und am Ausgang des Plattenkondensators angeordneten Drucksensoren erfassbar. Der Raum zwischen den Kondensatorplatten wird zudem zur Ultraschallmessung genutzt.
Durch entsprechende Anordnungen ist die Realisierung kompakter Sensorkonfigurationen (3) möglich, die insbesondere bei mobilen Anwendungen von großer Bedeutung sind. Figur 6 zeigt ein medizintechnisches Gerät (15) ausgebildet als ein Beatmungsgerät, das eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils an einem fluiden Stoffgemisch (10) aufweist, die in Bezug auf die Sensoren, hier dargestellt als nicht-selektive Sensoren (3), in das Schlauchsystem (23) des Beatmungsgeräts integriert ist.
In Figur 7 ist die iterative Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs (10) gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Basierend auf den initial bestimmten Messwerten M1, M2 ... Mn werden im ersten Schritt die Stoffanteile C1‘, C2‘, ... Cn‘ bestimmt, wobei die Abschätzungen E1‘, E2‘, ... En‘ genutzt werden. Basierend auf den ermittelten Stoffanteilen werden in der zweiten Iterationsstufe verbesserte Abschätzungen E1 “, E2“, ... En“ zur Bestimmung der nun genaueren Stoffanteile C1 “, C2“, ... Cn“ verwendet. In Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Zeit und Rechenressourcen sind auch erfindungsgemäße Ausführungsformen mit mehr als zwei Iterationsstufen realisierbar.
Figur 8 zeigt schematisch die mithilfe der Auswerteeinheit (2) erfolgende mathematische Auswertung der mithilfe der Sensoren (3) erfassten Messwerte zur Bestimmung der Stoffanteile C1 , ... Cn eines fluiden Stoffgemischs (10).

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs (10), aufweisend mindestens zwei verschiedene nicht-selektive Messvorrichtungen (3), die jeweils zur Messung einer Stoffeigenschaft des Stoffgemischs (10) ausgebildet sind, wobei die mit den Messvorrichtungen (3) gemessenen Stoffeigenschaften verschieden und voneinander unabhängig sind, weiterhin aufweisend mindestens eine Auswerteeinheit (2) zur Auswertung der mit den Messvorrichtungen (3) erfassten Messwerte der mindestens zwei verschiedenen Stoffeigenschaften und zur Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch (10) aus der Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese bei einer Anzahl X von zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch mindestens X-1 nicht-selektive Messvorrichtungen (3) aufweist, mit denen verschiedene, voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs (10) messbar sind.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der nicht-selektiven Messvorrichtungen (3) zur zeitgleichen oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidenden Durchführung der jeweiligen Messungen ausgebildet sind oder einen messbaren oder bekannten zeitlichen Versatz aufweisen, sodass die einzelnen Messungen synchronisierbar sind.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Bestimmung des Anteils von 02 und/oder C02 am Stoffgemisch (10) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Messvorrichtung (3) mindestens einen Sensor zur Bestimmung einer der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit, molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit aufweist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zusätzlich mindestens einen selektiven Sensor (4) zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch (10) aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur iterativen Bestimmung von mindestens einer Stoffeigenschaft ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Auswerteeinheit (2) aufweist, mit der der Anteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch (10) mithilfe des Aufstellens eines Gleichungssystems aus den gemessenen Stoffeigenschaften und der Lösung des Gleichungssystems bestimmbar ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kompensationsvorrichtung (5) aufweist, mit der beispielsweise die Temperatur, der Druck, der Volumenstrom und/oder die Feuchtigkeit des Stoffgemischs (10) messbar und zur Kompensation mindestens eines der übrigen zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendbar ist/sind.
10. Vorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Bestimmung von zumindest einem Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten ausgebildet ist.
11. Medizintechnisches Gerät (15), aufweisend mindestens eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Medizintechnisches Gerät (15) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dieses als ein Beatmungsgerät ausgebildet ist und dass das Stoffgemisch (10) ein Gasgemisch ist.
13. Verfahren zur Bestimmung von Stoffanteilen eines fluiden Stoffgemischs (10) umfassend zumindest die folgenden Verfahrensschritte:
Durchführen von mindestens zwei verschiedenen nicht-selektiven Messungen, wobei jeweils eine Stoffeigenschaft des Stoffgemischs (10) gemessen wird und wobei die mit den verschiedenen Messungen gemessenen Stoffeigenschaften voneinander unabhängig sind,
Kombination der gemessenen Stoffeigenschaften zur Bestimmung des Anteils mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch (10).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anzahl von X zu bestimmenden Anteilen am fluiden Stoffgemisch (10) mindestens X-1 verschiedene nichtselektive Messverfahren bzw. Messvorrichtungen verwendet werden, die verschiedene, voneinander unabhängige Stoffeigenschaften des Stoffgemischs (10) messen.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der nicht-selektiven Messungen zeitgleich oder sich zeitlich zumindest teilweise überschneidend durchgeführt werden oder einen messbaren oder bekannten zeitlichen Versatz aufweisen, wobei die einzelnen Messungen synchronisiert werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von O2 und/oder CO2 am Stoffgemisch (10) bestimmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stoffeigenschaften Wärmeleitung, Wärmekapazität, Schallgeschwindigkeit, molare Masse, dynamische Viskosität, Permittivität oder Brechungsindex bzw. Lichtgeschwindigkeit gemessen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den mindestens zwei nicht-selektiven Messungen zusätzlich mindestens ein selektiver Sensor zur selektiven Bestimmung mindestens eines Stoffanteils am Stoffgemisch (10) verwendet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Stoffeigenschaft iterativ bestimmt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffanteil mindestens eines Stoffes am Stoffgemisch (10) bestimmt wird, indem ein Gleichungssystem aus den gemessenen Stoffeigenschaften automatisch aufgestellt und gelöst wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Werte Temperatur, Druck, Volumenstrom und/oder Feuchtigkeit des Stoffgemischs gemessen und zur Kompensation mindestens einer der übrigen zur Bestimmung der Stoffanteile durchgeführten Messungen verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Gasanteil von Atemgas bei der Beatmung eines Patienten bestimmt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder ein medizintechnisches Gerät (15) gemäß Anspruch 11 verwendet wird.
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