WO2007085288A1 - Messgerat zum messen des sauerstoffanteils in der atemluft - Google Patents

Messgerat zum messen des sauerstoffanteils in der atemluft Download PDF

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    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/497—Physical analysis of biological material of gaseous biological material, e.g. breath

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for measuring the proportion of oxygen in the respiratory air, in particular for the breathing air supply in aircraft, according to the preamble of claim 1.
  • the breathing air is added to the aircraft occupants oxygen, the added amount of oxygen is measured depending on the altitude.
  • the oxygen content or oxygen content in the breathing air is detected by means of a measuring device and output as a measured value, which is displayed on the one hand and used on the other hand as a control variable for the mixture of the breathing air.
  • An essential component of such a measuring device is an oxygen sensor, which is traversed by the breathing air and having a magnetic coil.
  • the magnet coil will be a sinusoidal AC constant frequency, e.g. 15Hz, supplied as input to the oxygen sensor.
  • an output signal is removable, due to a rectifying effect of the oxygen sensor, a useful signal component with twice the fundamental frequency, in the example, 30Hz, and
  • Interference signal components of which the amplitude strongest noise component has the fundamental frequency, in the example 15Hz.
  • the output signal of the oxygen sensor is supplied to an evaluation circuit, which consists of in the Information contained in the useful signal component information about the oxygen content of a measured value, which is displayed and / or used to correct the oxygen content.
  • the invention has for its object to improve in a measuring device of the type mentioned in the measurement accuracy while reducing the measured value fluctuations.
  • the measuring device has the advantage that the addition of the reference signal to the output signal of the oxygen sensor suppresses the signal component of the fundamental frequency which is significant in the output signal, thereby substantially improving the S / N ratio available at the evaluation circuit for obtaining the oxygen measurement value.
  • a functional test of the measuring device can be achieved without additional hardware by connecting a test signal with twice the fundamental frequency to the adder instead of the reference signal and blocking the feeding of the output signal of the oxygen sensor to the adder according to a preferred embodiment of the invention becomes.
  • both the reference signal and the test signal is generated by means of a digital sine-wave generator, wherein the reference signal fundamental frequency and the test signal by doubling the frequency has twice the fundamental frequency. Both signals are set in phase and amplitude when fed to the adder.
  • the digital signal generator is used, which also provides the analog input signal for the oxygen sensor, which in turn results from a digital-to-analog conversion of the output signal of the digital sine wave generator.
  • the invention is described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing.
  • the drawing shows a circuit structure of the meter as a block diagram.
  • the illustrated as a block diagram measuring device for measuring the oxygen content in the breathing air has a
  • Oxygen sensor 10 which is traversed by the breathing air and contains in its output signal information about the oxygen content of the breathing air.
  • Such an oxygen sensor is known, for example, under the type name "PATO" from Dräger Medical
  • the oxygen sensor 10 the known structure of which is not described here in detail, has a magnetic coil to which a sinusoidal alternating current of constant frequency is supplied electrical, analog, sinusoidal input signal for the oxygen sensor 10 is that of a Digital / analog converter 11 is removed, which is connected on the input side to the output of a digital sine-wave generator 12.
  • the sine-wave generator 12 generates a digital sine signal with the fundamental frequency If, which is 15 Hz, for example.
  • an interference signal component with the fundamental frequency If is particularly significant, ie has a large amplitude, which allows only an extremely poor S / N ratio for the evaluation of the output signal.
  • the amplified in a preamplifier output of the oxygen sensor 10 is supplied to an adder 14.
  • the adder 14 is further supplied with an analog, digital, sinusoidal reference signal with the fundamental frequency If, which is adjusted in amplitude and phase so that the noise component at the output of the adder 14 is largely compensated.
  • the reference signal must be applied to the adder 14 in antiphase to the interfering signal and with approximately the same amplitude.
  • the output signal of the adder 14 is fed via an amplifier 15 and an analog-to-digital converter 16 to an evaluation circuit 26.
  • the evaluation circuit 26 has a correlator 17, which in turn is assigned to the output signal of the analog-to-digital converter 16 and on the other hand with the doubled by means of a frequency doubler 22 in digital frequency sinusoidal signal.
  • the digital output signal of the correlator 17 passes through a filter and correction element 18 in which the pressure and temperature dependence of the oxygen sensor 10 compensates becomes.
  • the amplitude of the output signal of the filter and correction member 18 is a measure of the oxygen content of the oxygen sensor 10 flowing through breathing air.
  • the oxygen measured value is determined in block 19 and displayed and / or used as a control signal for correction and / or adjustment of the oxygen content in the breathing air.
  • the analog, sinusoidal reference signal with the fundamental frequency If fed to the adder 14 is generated in such a way that the digital sine signal of the sine-wave generator 12 is set in terms of its amplitude and phase in the module 20 and applied to a digital-to-analog converter 21.
  • the analog reference signal with fundamental frequency If is removable.
  • the correct adjustment of amplitude and phase of the digital sine signal is made once in an adjustment or calibration process and is fixed in the meter immutable.
  • a self-test function can be integrated into the measuring device.
  • an analog, sinusoidal test signal having the double fundamental frequency 2f is applied to the adder 14.
  • the switching off of the output signal of the oxygen sensor 10 from the adder 14 is shown symbolically by the switch 24, which sets the one input of the adder 14 to zero potential when switching.
  • the test signal is derived from the digital sine signal of the double fundamental frequency sine generator 12f, which is at the output of the Frequenzverdopplers 22 removed and adjusted in phase and amplitude in the block 23.
  • This digital sine signal is supplied to the digital-to-analog converter 21.
  • a switch 25 with a switch output and two switch inputs upstream of the digital-to-analog converter 21 is shown in the block diagram of the measuring device shown.
  • the switch output is connected to the input of the digital-to-analog converter 21, while at the one switch input is set in amplitude and phase digital sinusoidal signal with fundamental frequency If and at the other switch input is set in amplitude and phase digital sine signal with twice the fundamental frequency 2f ,
  • the functions of the evaluation circuit 26 with the components correlator 17, filter and correction element 18 and block 19, the digital sine wave generator 12, the frequency doubler 22, the blocks 20 and 23 for amplitude and phase adjustment and the switch 25 are by means of a processor 27 or more Processors realized.

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Abstract

Ein Messgerät zum Messen des Sauerstoff anteils in der Atemluft, insbesondere für die Atemluftversorgung in Flugzeugen, weist einen Sauerstoff sensor (10), dem ein elektrisches, analoges, sinusförmiges Eingangssignal fester Grundfrequenz (If) zugeführt ist und der ein elektrisches, analoges Ausgangssignal ausgibt, das eine Nutzsignalkomponente mit doppelter Grundfrequenz (2f) und mindestens eine Störsignalkomponente mit Grundfrequenz (If) enthält, und eine Auswerteschaltung (26) zur Bestimmung eines Messwerts als Maß für den Sauerstoff anteil aufweist, der das Ausgangssignal zugeführt ist. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit des Messgeräts bei gleichzeitiger Reduzierung von Messwertschwankungen ist zwischen dem Sauerstoff sensor (10) und der Auswerteschaltung (26) ein Addierer (14) angeordnet, dem einerseits das Ausgangssignal und andererseits ein sinusförmiges Referenzsignal mit Grundfrequenz (If) zugeführt ist. Das Referenzsignal ist in Phase und Amplitude so eingestellt, dass im Ausgangssignal des Addierers (14) die mindestens eine Störsignalkomponente weitgehend kompensiert ist.

Description

MESSGERÄT ZUM MESSEN DES SAUERSTOFFANTEILS IN DER ATEMLUFT
Die Erfindung betrifft ein Messgerät zum Messen des Sauerstoffanteils in der Atemluft, insbesondere für die Atemluftversorgung in Flugzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Flugzeugen, z. B. in Kampfjets, wird der Atemluft für die Flugzeuginsassen Sauerstoff zugesetzt, wobei die zugesetzte Sauerstoffmenge abhängig von der Flughöhe bemessen wird. Der Sauerstoffanteil oder Sauerstoffgehalt in der Atemluft wird mittels eines Messgeräts erfasst und als Messwert ausgegeben, der einerseits zur Anzeige gebracht und andererseits als Steuergröße für die Mischung der Atemluft herangezogen wird. Wesentlicher Bestandteil eines solchen Messgeräts ist ein Sauerstoffsensor, der von der Atemluft durchströmt wird und eine Magnetspule aufweist. Der Magnetspule wird ein sinusförmiger Wechselstrom mit konstanter Grundfrequenz, z.B. 15Hz, als Eingangssignal des Sauerstoffsensors zugeführt. Am Ausgang des Sauerstoffsensors ist ein Ausgangssignal abnehmbar, das aufgrund eines Gleichrichteffekts des Sauerstoffsensors eine Nutzsignalkomponente mit der doppelten Grundfrequenz, im Beispiel also 30Hz, und
Störsignalkomponenten aufweist, von denen die amplitudenmäßig stärkste Störsignalkomponente die Grundfrequenz, im Beispiel also 15Hz, besitzt. Das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors wird einer Auswerteschaltung zugeführt, die aus der in der Nutzsignalkomponente enthaltenen Information über den Sauerstoffanteil einen Messwert ermittelt, der zur Anzeige gebracht und/oder zur Korrektur des Sauerstoffanteils herangezogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Messgerät der eingangs genannten Art die Messgenauigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Messwertschwankungen zu verbessern .
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Messgerät hat den Vorteil, dass durch Hinzuaddieren des Referenzsignals zu dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors die im Ausgangssignal signifikante Störsignalkomponente mit Grundfrequenz unterdrückt wird und dadurch das an der Auswerteschaltung zur Verfügung stehende S/N-Verhältnis zur Gewinnung des Sauerstoff-Messwerts wesentlich verbessert ist.
Zugleich lässt sich mittels des für die Kompensation des Störsignals vorgesehenen Addierers ohne zusätzliche Hardware ein Funktionstest des Messgeräts erreichen, indem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anstelle des Referenzsignals ein Testsignal mit doppelter Grundfrequenz auf den Addierer geschaltet und das Zuführen des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors zum Addierer gesperrt wird.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Messgeräts mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird sowohl das Referenzsignal als auch das Testsignal mittels eines digitalen Sinusgenerators erzeugt, wobei das Referenzsignal Grundfrequenz und das Testsignal durch Frequenzverdoppelung doppelte Grundfrequenz besitzt. Beide Signale sind in Phase und Amplitude eingestellt, wenn sie dem Addierer zugeführt sind. Vorzugsweise wird zur Bildung des Referenzsignals und des Testsignals der digitale Signalgenerator herangezogen, der auch das analoge Eingangssignal für den Sauerstoffsensor liefert, das seinerseits aus einer Digital-Analog-Wandlung des Ausgangssignals des digitalen Sinusgenerators hervorgeht.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung einen Schaltungsaufbau des Messgeräts als Blockschaltbild.
Das als Blockschaltbild illustrierte Messgerät zum Messen des Sauerstoffanteils in der Atemluft weist einen
Sauerstoffsensor 10 auf, der von der Atemluft durchströmt ist und in seinem Ausgangssignal eine Information über den Sauerstoffanteil der Atemluft enthält. Ein solcher Sauerstoffsensor ist z.B. unter dem Typnamen „PATO" der Firma Dräger Medical bekannt. Der Sauerstoffsensor 10, dessen bekannter Aufbau im Einzelnen hier nicht näher beschrieben wird, weist eine Magnetspule auf, der ein sinusförmiger Wechselstrom konstanter Frequenz zugeführt ist. Dieser Wechselstrom stellt ein elektrisches, analoges, sinusförmiges Eingangssignal für den Sauerstoffsensor 10 dar, das von einem Digital/Analog-Wandler 11 abgenommen ist, der eingangsseitig mit dem Ausgang eines digitalen Sinusgenerators 12 verbunden ist. Der Sinusgenerator 12 erzeugt ein digitales Sinussignal mit der Grundfrequenz If, die z.B. 15Hz beträgt. Am Ausgang des Sauerstoffsensors 10 steht ein elektrisches, analoges Ausgangssignal an, das aufgrund eines Gleichrichteffekts des Sauerstoffsensors 10 eine Nutzsignalkomponente mit doppelter Grundfrequenz 2f und Störsignalkomponenten enthält. Von den Störsignalkomponenten ist eine Störsignalkomponente mit der Grundfrequenz If besonders signifikant, weist also eine große Amplitude auf, die für die Auswertung des Ausgangssignals nur ein extrem schlechtes S/N-Verhältnis zulässt.
Zur weitgehenden Unterdrückung dieser Störsignalkomponente mit der Grundfrequenz If wird das in einem Vorverstärker verstärkte Ausgangssignal des Sauerstoffsensors 10 einem Addierer 14 zugeführt. Dem Addierer 14 ist weiterhin ein analoges, digitales, sinusförmiges Referenzsignal mit der Grundfrequenz If zugeführt, das in Amplitude und Phase so eingestellt ist, dass die Störsignalkomponente am Ausgang des Addierers 14 weitgehend kompensiert ist. Im Wesentlichen muss hierzu das Referenzsignal gegenphasig zum Störsignal und mit annähernd gleicher Amplitude an den Addierer 14 gelegt werden. Das Ausgangssignal des Addierers 14 wird über einen Verstärker 15 und einen Analog-Digital-Wandler 16 einer Auswerteschaltung 26 zugeführt. Die Auswerteschaltung 26 weist einen Korrelator 17 auf, der seinerseits mit dem Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 16 und andererseits mit dem mittels eines Frequenzverdopplers 22 in der Frequenz verdoppelten digitalen Sinussignal belegt ist. Das digitale Ausgangssignal des Korrelators 17 durchläuft ein Filter- und Korrekturglied 18, in dem die Druck- und Temperaturabhängigkeit des Sauerstoffsensors 10 kompensiert wird. Die Amplitude des Ausgangssignals des Filter- und Korrekturglieds 18 ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt der den Sauerstoffsensor 10 durchströmenden Atemluft. Der Sauerstoff-Messwert wird im Block 19 ermittelt und angezeigt und/oder als Steuersignal zur Korrektur und/oder Einstellung des Sauerstoffanteils in der Atemluft herangezogen.
Das dem Addierer 14 zugeführte analoge, sinusförmige Referenzsignal mit der Grundfrequenz If wird in der Weise erzeugt, dass das digitale Sinussignal des Sinusgenerators 12 bezüglich seiner Amplitude und Phase im Baustein 20 eingestellt und an einen Digital-Analog-Wandler 21 gelegt wird. Am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 21 ist das analoge Referenzsignal mit Grundfrequenz If abnehmbar. Die richtige Einstellung von Amplitude und Phase des digitalen Sinussignals wird einmal in einem Justier- oder Eichvorgang vorgenommen und ist im Messgerät unveränderlich festgelegt.
Ohne zusätzlichen Hardwareaufwand kann in das Messgerät eine Eigentest-Funktion integriert werden. Hierzu wird anstelle des verstärkten, analogen Ausgangssignals des Sauerstoffsensors 10 ein analoges, sinusförmiges Testsignal mit der doppelten Grundfrequenz 2f an den Addierer 14 gelegt. Mit diesem Testsignal, dessen Amplitude entsprechend einem gewünschten Sauerstoffanteil bemessen wird, kann die gesamte dem Sauerstoffsensor 10 nachgeordnete Schaltung auf richtige Funktionalität geprüft werden. Das Abschalten des Ausgangssignals des Sauerstoffsensors 10 vom Addierer 14 ist durch den Schalter 24 symbolisch dargestellt, der beim Umschalten den einen Eingang des Addierers 14 auf Nullpotential legt. Das Testsignal wird aus dem digitalen Sinussignal des Sinusgenerators 12 mit doppelter Grundfrequenz 2f abgeleitet, das am Ausgang des Frequenzverdopplers 22 abgenommen und in Phase und Amplitude im Baustein 23 eingestellt wird. Dieses digitale Sinussignal wird dem Digital-Analog-Wandler 21 zugeführt. Um die Umschaltung vom zur Referenzsignalgewinnung eingesetzten digitalen Sinussignal mit der Grundfrequenz If auf das zur Testsignalgewinnung eingesetzte digitale Sinussignal mit der doppelten Grundfrequenz 2f zu symbolisieren ist in dem Blockschaltbild des Messgeräts ein dem Digital-Analog-Wandler 21 vorgeordneter Umschalter 25 mit einem Schalterausgang und zwei Schaltereingängen dargestellt. Der Schalterausgang ist mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 21 verbunden, während an dem einen Schaltereingang das in Amplitude und Phase eingestellte digitale Sinussignal mit Grundfrequenz If und an dem andere Schaltereingang das in Amplitude und Phase eingestellte digitale Sinussignal mit der doppelten Grundfrequenz 2f liegt.
Die Funktionen der Auswerteschaltung 26 mit den Bausteinen Korrelator 17, Filter- und Korrekturglied 18 und Block 19, des digitalen Sinusgenerators 12, des Frequenzverdopplers 22, der Bausteine 20 und 23 für Amplituden- und Phaseneinstellung und des Umschalters 25 sind mittels eines Prozessors 27 oder mehrerer Prozessoren realisiert.

Claims

A T L A S E L E K T R O N I K G m b HBremenPATENTANSPRÜCHE
1. Messgerät zum Messen des Sauerstoffanteils in der Atemluft, insbesondere für die Atemluftversorgung in Flugzeugen, mit einem Sauerstoffsensor (10), dem ein elektrisches, analoges, sinusförmiges Eingangssignal fester Grundfrequenz (If) zugeführt ist und der ein elektrisches, analoges Ausgangssignal ausgibt, das eine Nutzsignalkomponente mit doppelter Grundfrequenz (2f) und mindestens eine Störsignalkomponente mit Grundfrequenz (If) aufweist, und mit einer Auswerteschaltung (26) zur Bestimmung eines Messwerts als Maß für den Sauerstoffanteil, der das Ausgangssignal des Sauerstoffsensors (10) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Sauerstoffsensor (10) und Auswerteschaltung (26) ein Addierer (14) eingeschaltet ist, dem einerseits das Ausgangssignal und andererseits ein sinusförmiges Referenzsignal mit Grundfrequenz (If) zugeführt ist, und dass das Referenzsignal in Phase und Amplitude so eingestellt ist, dass im Ausgangssignal des Addierers (14) die mindestens eine Störsignalkomponente mit Grundfrequenz (If) weitgehend kompensiert ist.
2. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Addierer (14) zugeführte analoge Ausgangssignal des Sauerstoffsensors (10) einen Vorverstärker (13) durchläuft und dass am Ausgang des Addierers (14) ein Verstärker (15) und zwischen Verstärker (15) und Auswerteschaltung (26) ein Digital-Analog-Wandler (16) angeordnet ist.
3. Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Eingangssignal für den Sauerstoffsensor (10) an einem Digital-Analog-Wandler (11) abgenommen ist, dem ein am Ausgang eines digitalen Sinusgenerators (12) abgenommenes, digitales Sinussignal mit Grundfrequenz (If) zugeführt ist.
4. Messgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Referenzsignal am Ausgang eines Digital- Analog-Wandlers (21) abgenommen ist, dem das am digitalen Sinusgenerator (12) abgenommene und in Amplitude und Phase eingestellte, digitale Sinussignal mit Grundfrequenz (If) zugeführt ist.
5. Messgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (26) einen Korrelator (17) aufweist, dem einerseits das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers (16) und andererseits das digitale Sinussignal mit doppelter Grundfrequenz (2f) zugeführt ist und dem ausgangsseitig ein Filter- und Korrekturglied (18) nachgeschaltet ist.
6. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Addierer (14) einerseits mit dem Ausgangssignal des Sauerstoffsensors (10) und dem Referenzsignal und anderseits nur mit einem sinunsförmigen Testsignal mit doppelter Grundfrequenz (2f) wechselweise belegbar ist.
7. Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem am Addierer (14) angeschlossenen Digital-Analog- Wandler (21) ein elektrischer Umschalter (25) mit einem am Digital-Analog-Wandler (21) angeschlossenen Schalterausgang und zwei wechselweise auf den Schalterausgang umschaltbaren Schaltereingängen vorgeordnet ist, dass am ersten Schaltereingang das in Amplitude und Phase eingestellte, digitale Sinussignal mit Grundfrequenz (If) und am zweiten Schaltereingang das in Amplitude und Phase eingestellte, digitale Sinussignal mit doppelter Grundfrequenz (2f) liegt und dass mit Aufschalten des Schalterausgangs auf den zweiten Schaltereingang der Sauerstoffsensor (10) vom Addierer (14) abgetrennt ist.
8. Messgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionen der Auswerteschaltung (26) , des digitalen Sinusgenerators
(12), der Frequenzverdopplung des digitalen Sinussignals, der Phasen- und Amplitudeneinstellung des digitalen Sinussignals mit Grundfrequenz (If) und des digitalen Sinussignals mit doppelter Grundfrequenz (2f) sowie des elektronischen Umschalters (25) mittels mindestens eines Prozessors (27) realisiert sind.
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