CN103547913B - 用于对气体样品中的至少一种气体的浓度测量的装置的测量头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量头。在用于对气体样品中至少一种气体、特别是氧气的浓度进行测量的装置的测量头(9)中布置有在板件(11)上的开口的区域中的测量件(1)。为了引导气体，在两个围绕测量件(1)并用作磁极的金属体中分别设有一个通道(16，17)，使得气体样品在测量头(9)运行时首先经过金属体中的一个并且随后经过开口(18)在测量件(1)的朝向开口的侧面旁边基本上垂直地流动，并且经过另外的金属体重新流出。

Description

用于对气体样品中的至少一种气体的浓度测量的装置的测量头

技术领域

本发明涉及一种用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头。

背景技术

已知的是，顺磁气体的导热能力在磁场的影响下发生变化。顺磁气体的分子具有不变的磁矩，该磁矩在外磁场中取向。由此导致不仅仅磁化率变化以及进而磁通量增加，而且由于分子的取向也限制了通过碰撞将热能传输给相邻分子的可能性。这导致了气体的导热能力在很小的程度上变化。这种效应出现在由顺磁的和其它的气体构成的混合物中。因为气体混合物的导热能力的变化取决于在其中所包含的顺磁气体的浓度，所以可以通过检测气体混合物的导热能力的变化来推导出该份额，即顺磁气体的浓度。氧气和氧化氮特别地属于顺磁的气体。

用于测量顺磁气体、例如特别是氧气的浓度的一种已知的装置由DE10037380A1中得知，并且其特征在于：一种具有气隙的、可调制的磁场源；一种调制源，其用于将调制信号发送给磁场源；一种至少部分布置在气隙内部的、由电源加热至工作温度的测量件，其用于发送热流测量信号，以及一种与测量件连接的过滤装置，其用于基于对磁场的调制来分离来自热流测量信号的波动，其中，基于导热能力的取决于气体的变化，波动的变化了的振幅是用于在气体样品中的顺磁气体的份额的量度。对顺磁气体、特别是氧气的浓度的测量在可电调制的磁***的、装有测量气体比色计的气隙中实现。相应的测量气体比色计例如由DE10251130A1中已知。在那里描述的测量气体比色计例如可以布置在DE10241244C中描述的测量头中。

在已知的测量气体比色计中测量件固定在底板上，并且一个通道板为了在测量件的区域中引导气体以及围绕测量件被切断。测量气体比色计向上通过具有至少两个用于气体流入和流出的穿孔的盖板进行密封。气体引导在平行于底板的通道板中实现，在底板上安置有基本上平坦的测量件。测量件相对于底板通过距离保持件而隔开，其并且也具有与盖板的间距。通过这种方式水平地在测量件旁边引导的气体扩散至测量件的上方和下方的区域中。由于压力波动或流动经过测量气体比色计的气体的流速快速转换，可能导致形成涡流，这些涡流取决于气体引导同样水平地、也就是说平行于底板地取向，使得对测量件均匀的气体加载由于扩散变得困难，并且可能导致信号波动。由此信噪比受到影响。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种在测量信号质量方面改进的测量头，其用于对在气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置。

根据本发明的测量头用于对气体样品中至少一种气体、特别是氧气的浓度进行测量的装置，该测量头包括板件，该板件在一个侧面上承载具有至少一个用于检测气体样品的导热能力的变化的测量点测量件和电导线。此外，在测量件的上部布置有第一金属体，并且在测量件的下部在板件的第二侧面的下方布置有第二金属体，其中，金属体在测量头运行时用作磁极。根据本发明，为了引导气体，在每个金属体中设计有通道并且在板件中设有开口，使得气体样品在测量头运行时经过金属体中的一个并且经过开口在测量件的朝向该开口的侧面旁边流动，并且经过另一个金属体再次流出。

导向测量件的气体样品首先通过位于测量件上方的第一金属体并且随后在气体再次由第二金属体流出之前通过在板件中的开口，由此可以这样设定在测量件旁的气体流的方向，即气体流实现基本上垂直于布置在板件上的平坦的测量件。基本上垂直在此理解为，描述气体流的流动矢量至少在板件中的开口的区域中相对于板件的面法线在-6°和+6°之间倾斜。由于气体流的取向，这些可以由压力波动或流速的快速转换而产生的涡流同样基本上垂直于面法线并且因此垂直于测量件取向。前面所述的信号波动由此可以通过这种气体导向件而相对于水平的气体导向件减少。

金属体可以例如借助粘合剂固定在板件上。原则上，板件和金属体这样间接或直接地彼此连接，即，金属体气密地包围测量件以及板件的至少由测量件遮盖的部分，使得气体仅仅能通过通道到达测量件。

通过将测量件在板件上相对于气体导向件这样定位，即气体主要地借助扩散向测量件延伸，由此可以根本上避免通过测量件利用气体的溢流而出现的干扰效应。

在有利的方式中测量件部分地遮盖板件中的开口。

通过这种方式能实现的是，如果第二金属体直接邻接板件，那么流动经过开口的气体自身也可以朝向测量件并且进而朝向测量点扩散。

本发明的设计方案提出，测量件包括安置在载体框架上的薄膜，在该薄膜上布置有测量点，其中，其中载体框架至少在朝向板件中的开口的侧面上具有高度减少的部段或被中断。

根据载体框架的这种设计方案，如果载体框架直接抵靠在一个面上、特别是板件上或第一金属体上，则气体样品也可以在薄膜的朝向载体框架的侧面上到达至测量点。例如在DE10251130A1中在安装测量件时被使用的距离保持件因此可以被省去。通过省去距离保持件减少了在磁极之间的缝隙宽度并且增大了在测量位置处的磁通密度。这引起了信噪比的改善。

在本发明的特别优选的设计方案中，测量件的承载薄膜的侧面直接固定在板件上，第一金属体在载体框架的背离薄膜的侧面上邻接测量件，并且第二金属体邻接板件。

这样理解“邻接”一词，即第一金属体和测量件以及第二金属体和板件直接接触，或在此之间在其中大多数情况下形成微小的气隙，该气隙例如由于制造公差、特别是例如在借助粘合剂将金属体固定在板件上时产生。

在这种优选的设计方案中，能实现特别微小的气隙并且进而实现磁场特别高的磁通密度。如果第一金属体直接接触测量件并且第二金属体直接接触板件，那么也就是说气体自身在薄膜的两侧朝向测量点扩散。因为测量件部分地遮盖板件的开口，所以在薄膜和第二金属体之间缝隙在板件的厚度中，并且因为载体框架在测量件的背离板件的侧面上具有高度减少了的部段或者是中断的，所以在第一金属体和测量件之间也存在至测量点的通道。

有利的是，第一金属体和/或第二金属体由内部件和至少部分围绕内部件的外部件组成。

第一和/或第二金属体的多部件的结构一方面能实现的是，在第一金属体中形成的通道和/或在第二金属体中形成的通道可以以有利的方式由在相应的内部件和外部件中的相对布置的凹进处形成。由此以精确的方式也能实现经过弯曲的气体导向件。例如可以由此侧向地在金属体处实现气体入口和/或气体出口，而在金属体的背离测量件的侧面上可以分别布置有线圈，借助线圈产生磁场。

可替换地或附加地能实现金属体的多部件的设计，即第一金属体的外部件和第二金属体的外部件以有利的方式由非磁性的材料制成。

由此金属体的铁磁的内部件这样确定尺寸，即其伸展部基本上与测量件的面相符。这具有这样的优点，即磁场基本上指向测量件并且在位于板件上的电导线中在理想情况下不感应出电流，或感应出的电流小到测量信号不被干扰或仅仅被可忽略地干扰。外部件这样设计，即其一方面良好且气密地容纳内部件，并且另一方面良好地、例如可借助粘合剂固定在板件上。

有利地从板件的至少一个侧面伸出至少两个销钉，并且第一金属体和/或第二金属体分别具有至少两个穿孔，在板件的分别邻接的侧面上伸出的销钉***穿孔中。

通过这种方式，金属体相对于板件并且因此相对于固定在板件上的测量件可以被非常精确地定位。由此可以确保的是，即气体流这样通过在板件中的开口，即测量件的溢流被避免。此外，在经过开口出现的气体流和测量件之间的间距这样小地设计，从而使气体需要以便扩散至测量件的时间是这样短，即气体浓度的变化可以被迅速地检测。特别地这样确定该间距，即可以利用小于或等于500毫秒的时间分辨率检测气体浓度的变化。至少通过其实现气体输送的金属体借助销钉定位。在流动方向上位于在板件中的开口后面的金属体原则上可以以较小的精确度进行定位，使得在那里并不是强制地需要销钉。优选地，这个金属体也借助至少两个销钉来定位。

特别有利的是，至少一个销钉这样布置在板件中的穿孔中，即其在板件的两侧上伸出。

通过这种方式，用于使这两个金属体定位的销钉的数量可以尽可能的少。

优选地根据本发明的测量头被应用在一种装置中，该装置用于测量在医学的呼吸***中的在气体样品中的至少一种气体、特别是氧气的浓度。

对于呼吸***、例如在急诊治疗中的麻醉***和呼吸***的按规定的运行而言，必须特别地以高的时间分辨率并且尽可能确切地、也就是说以良好的信噪比确定用于呼吸的氧气的浓度。这能实现根据本发明的测量头。

原则上利用根据本发明的测量头可以确定在气体样品中任意的顺磁气体的浓度。

如果在测量件上布置有两个测量点，这如同在DE102010014883中描述的那样，一方面可以补偿非线性，并且另一方面与氧气混合的气体的浓度也同时被测定。例如在急诊治疗中的长时间呼吸仪器中可以使用气体混合物，其包括氧气和氦气。通过两个测量点的应用，利用根据本发明的测量头不仅可以测定氧气的浓度也可以测定氦气浓度。

附图说明

在下面结合附图中示出的实施例详细地阐述本发明。附图示出：

图1是用于应用在根据本发明的测量头中的具有两个测量点的测量件，并且

图2是具有根据图1的测量件的根据本发明的测量头。

相同的参考标号在附图中表示相同的内容。

具体实施方式

图1示意性地示出了测量件1，其被用在图2中示意性地示出的测量头9中。测量件1包括载体框架4，在该载体框架上安置有抗麻醉剂的薄膜3，其优选地由氮化硅构成。测量件1具有两个相邻布置的测量点2a，2b，它们分别配备有加热装置7a，7b和热传导测量单元8a，8b。为了能实现使待分析的气体样品朝向测量点的两侧进入，可以或者例如通过蚀刻部分地去除薄膜3a，3b，或者在以下也被称为前侧的侧面上部分较薄地蚀刻载体框架4，使得其具有减少了的高度并且形成部段5a，5b，其由接片6分离开。经过部段5a，5b能实现气体从前侧进入。可替换地，载体框架4在前侧在测量点2a，2b的区域中被去除，以便同样地能实现气体从前侧进入。

在图1中示出类型的测量件以及利用这种测量件用于测量在气体样品中的气体的浓度的相应测量方法和测量装置在DE102010014883中被描述，对其详尽的描述参阅该申请。

当然在根据图2的测量头9中也应用了具有一个测量点或多于两个测量点的测量件。如果仅仅应用一个测量点，该测量点优选地布置在测量件1的中心，使得在去除载体框架4的情况下在载体框架4的保持在测量点的区域中的侧面具有尽可能大的宽度，并且进而是特别稳定的。在两个或多个测量点的情况下，优选地实现在载体框架4的前侧处减少高度，如同在图2中对于两个测量点2a，2b所示出的那样，从而形成相应的部段。在去除时，也就是说通过载体框架的中断，确切地说在前侧处接片类似接片6地保持在测量点之间，但是这些接片分别仅仅在窄侧处与载体框架4连接，并且因而特别地在安装测量件1时会断开。

图2示意性地示出经过用于对在气体样本中的至少一种气体、特别是氧气的浓度进行测量的装置的测量头9的截面图。

电导线10安置在电路板11上，为了清楚的目的，仅有两个电导线标有参考标号。测量件1利用承载薄膜3的侧面固定在电路板11上。在此，测量件1与在电路板11中形成的开口18部分重叠地布置。测量件1的前侧以及进而部段5a，5b在开口18的方向上示出。将测量件1固定在电路板11上是通过将测量件1与电导线10的接触来实现的。由此将电导线10导向至开口18的区域中并且进而导向至布置在该处的测量件1的区域中。出于清晰的原因，电导线10在电路板11上或其中的走向在图2中未示出。

邻接测量件1的背离薄膜3的侧面布置有第一金属体。第一金属体由外部件13和以相应的延伸布置在外部件13中的内部件12组成。内部件12例如通过粘合这样固定在外部件13中，即，通过在内部件12和外部件13之间的连接位置不会气体流入或流出。邻接电路板11的底面布置有第二金属体，其由外部件15和以相应的凹进处布置在其中的内部件14形成。内部件14例如也通过粘合这样地固定在外部件15中，即通过在内部件14和外部件15之间的连接位置不会气体流出或流入。

在第一金属体中设有通道16，其由电路板11的顶面出发通入开口18中。在第二金属体中设有通道17，其从电路板11的底面出发通入开口18中。经过通道16，17，气体样品可以基本上垂直穿过开口18在测定件1旁边引导。基本上垂直意味着，气体流的理想的形式垂直于板件11的面法线并且进而垂直于在板件上固定的平坦的测量件1的面法线地实现。通过这种方式，信号波动被最大程度地避免，信号波动可以通过涡流，其基于压力波动或流速的快速转换产生，因为涡流同样垂直于开口18和测量件1取向。然而与理想的垂直的气体流可以有正或负6°的偏差。在这种情况下，信号波动是可忽略的。此外，由于气体流在开口的区域中扩展了几度，由此实现了流动静止(Stroemungsberuhigung)。相应的扩展在根据图2的测量头9中由此实现，即通道16，17的直径朝向开口18增加。

气体不直接流动经过测量件1，而是该气体基本上由于扩散到达至薄膜3a，3b的朝向内部件12和朝向内部件14的侧面上。在内部件12和薄膜3a，3b之间确切地说形成气隙，其基本上与载体框架4的高度相符，并且气体可以经过部段5a，5b朝向测量点2a，2b扩散。此外，在测量件1的安置在载体框架4上的侧面和内部件14之间形成气隙，其由电路板11的厚度来确定。在这个气隙中气体可以扩散直至薄膜3a，3b的顶面。

在理想情况下，内部件12接触载体框架，并且内部件14接触电路板11的底面。由此，第一金属体和第二金属体例如通过粘合在分别朝向电路板11的侧面处与电路板11气密地连接，由粘合电的高度附加地可以在测量件1和内部件12以及电路板11和内部件14之间产生较小的气隙。然而这个气隙相对于测量件1的厚度以及电路板11的厚度是可以忽略的，也就是说在这种情况下内部件12并且进而第一金属体也邻接测量件1，而内部件14并且进而第二金属体邻接电路板11。

在内部件12和14之间的气隙基本上由测量件1的厚度和电路板11的厚度之和得出。通过这种方式可以制造特别紧凑的测量头，其具有在由第一金属体和第二金属体形成的磁极之间尽可能小的气隙。电路板11和测量件1的典型的厚度分别处于300至400μm的数量级中，从而能实现小于1mm的气隙。

通道16，17在图2中设计为弯曲的。这特别有利地能实现，即第一金属体和第二金属体分别由外部件13，15和内部件12，14制成。在此分别在内部件12，14和外部件13，15中设有凹进处，使得在部件互相结合时凹进处相对布置并且形成通道16，17。

在根据图2的实施例中，内部件12，14由可磁化的金属制成，使得在测量头9布置在两个线圈之间时能磁化内部件12，14，并且进而在测量件1的区域中可以构成磁场。外部件13，15由不可磁化的材料制成。例如外部件13，15由铝或如三氧化二铝(Al₂O₃)的陶瓷材料制成。这些材料不仅是抗麻醉剂的，而且由于其不是磁性的，因此在测量头9运行时在外部件13，15之间并不形成或形成可忽略的磁场。在电导线10中的干扰的感应电流被避免或具有对于测量信号的质量可忽略的影响，这是因为磁场通过内部件12和内部件14的基本上相应于测量件1的尺寸的延伸而主要指向测量件1。

通过销钉19，20来确保金属体在电路板11上的精确定位，销钉经过在电路板11中的孔洞插住并且例如固定地压入和/或粘合在这些孔洞中。通过这种方式，第一金属体和第二金属体相对于开口18以及相对于测量件1这样精确地定位，即一方面气体主要地通过扩散到达测量点2a，2b，并且另一方面可以这样选择在测量件1的指向开口18的侧面和通道16，17的位于开口18之前的边缘之间的间距，即例如利用小于或等于500毫秒的时间分辨率可以检测在气体浓度中的变化。

当然在未示出的变体中，也可以垂直经过内部件12，14和外部件13，15来实现气体导向。因为在运行时与内部件12，14和外部件13，15邻接地分别布置有用于产生磁场的线圈，在这种情况下，气体的输入和导出需要通过线圈，其在通道16，17的在图2中实现的优选的实施中可以被避免。

当然第一金属体和第二金属体也可以一体地设计。在这种情况下第一金属体和第二金属体自然也完全地由铁磁性的材料制成。尽管在这种情况下在电导线10中感应出电流，但是这原则上可以通过在电路板11上形成相应的导体圈来补偿。

为了简化第一金属体在测量件1上的安装以及第一金属体在电路板11上的固定，在电路板11上环绕测量件1布置有由非磁性的材料构成的间距件21。间距件21的厚度基本上对应于测量件1的厚度，并且间距件21的轮廓基本上复制了外部件13的底面的轮廓。由此，外部件13在插到销钉19，20上之后平坦地并且无需倾斜就可以抵靠在间距件21和测量件1上，并且可以与间距件21和/或在其外边缘上与电路板11例如通过粘合气密地连接。间距件21可以例如通过粘合固定在电路板11上。

如已经实施的那样，测量头9为了运行而布置在用于产生磁场的线圈之间，使得内部件12和14被磁化，并且在测量点2a，2b的区域中产生磁场。通过线圈产生的磁场以什么方式来变化、并且以什么方式和方法可以从在测量件1中测量的测量信号中推断出在气体样品中的一种气体、特别是氧气的浓度并不是这个申请的内容，并且这对于本领域技术人员来说是已知的。相应的装置和方法对于本领域技术人员来说例如可以从DE10037380A1以及DE102010014883中已知。

当然在图2中示出的测量头9也可以配有一个测量点或多于两个的测量点。此外，测量头9也可以构造具有较大的气隙，这通过例如第二金属体直接邻接电路板11来实现，开口18仅仅设计在通道16，17中，使得开口不和测量件1重叠，并且也通过测量件1和测量件1的与薄膜3背离的侧直接在电路板11上固定来实现。由此在这种情况下气体也可以由上扩散至薄膜3上，例如间距件12设计地比测量件1高100μm至300μm，使得在测量件1和内部件12之间出现相应的气隙。尽管在这种可替换的配置中通过增大的气隙减小了在内部件12和内部件14之间的磁通量减小，并且进而信噪比变差，但是还足以实现可利用的测量结果。

参考标号表

1测量件

2测量点

3薄膜

4载体框架

5部段

6接片

7加热装置

8热传导测量单元

9测量头

10电导线

11电路板

12第一金属体的内部件

13第一金属体的外部件

14第二金属体的内部件

15第二金属体的外部件

16在第一金属体中的通道

17在第二金属体中的通道

18在电路板中的开口

19销钉

20销钉

21间隔件

Claims (16)

1.一种用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，包括以下特征：

a)板件(11)在侧面上承载具有至少一个用于检测所述气体样品的导热能力的变化的测量点(2a，2b)的测量件(1)和电导线(10)，

b)在所述测量件(1)的上部布置有第一金属体，以及在所述测量件(1)的下部在所述板件(11)的第二侧面的下方布置有第二金属体，其中，这些金属体在所述测量头(9)运行时用作磁极，其特征在于，为了引导气体，在每个所述金属体中设计有通道(16，17)，并且在所述板件(11)中设有开口(18)，使得所述气体样品在所述测量头(9)运行时经过所述第一金属体并且经过所述开口(18)在所述测量件(1)的朝向所述开口的侧面旁边流动，并且经过所述第二金属体再次流出。

2.根据权利要求1所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述气体是氧气。

3.根据权利要求1所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述测量件(1)部分地遮盖在所述板件(11)中的所述开口。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述测量件(1)包括安置在载体框架(4)上的薄膜(3)，在所述薄膜上布置有所述测量点(2a，2b)，其中所述载体框架(4)至少在朝向所述板件(11)中的所述开口(18)的侧面上具有高度减少的部段(5a，5b)或被中断。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述第一金属体和/或所述第二金属体由内部件(12，14)和至少部分地包围所述内部件(12，14)的外部件(13，15)组成。

6.根据权利要求4所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述第一金属体和/或所述第二金属体由内部件(12，14)和至少部分地包围所述内部件(12，14)的外部件(13，15)组成。

7.根据权利要求5所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述第一金属体的所述外部件(13)和所述第二金属体的所述外部件(15)由非磁性的材料制成。

8.根据权利要求6所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述第一金属体的所述外部件(13)和所述第二金属体的所述外部件(15)由非磁性的材料制成。

9.根据权利要求5所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，在所述第一金属体中形成的所述通道(16)和/或在所述第二金属体中形成的所述通道(17)由在相应的所述内部件(12，14)和所述外部件(13，15)中相对设置的凹进处构成。

10.根据权利要求8所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，在所述第一金属体中形成的所述通道(16)和/或在所述第二金属体中形成的所述通道(17)由在相应的所述内部件(12，14)和所述外部件(13，15)中相对设置的凹进处构成。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，从所述板件(11)的至少一个侧面伸出至少两个销钉(19，20)，并且所述第一金属体和/或所述第二金属体分别具有至少两个穿孔，在所述板件(11)的分别相邻的所述侧面上伸出的所述销钉(19，20)***所述穿孔中。

12.根据权利要求10所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，从所述板件(11)的至少一个侧面伸出至少两个销钉(19，20)，并且所述第一金属体和/或所述第二金属体分别具有至少两个穿孔，在所述板件(11)的分别相邻的所述侧面上伸出的所述销钉(19，20)***所述穿孔中。

13.根据权利要求11所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述销钉(19，20)中的至少一个布置在所述板件(11)中的孔洞中，以使得所述销钉在所述板件(11)的两个侧面上伸出。

14.根据权利要求12所述的用于对气体样品中的至少一种气体的浓度进行测量的装置的测量头(9)，其特征在于，所述销钉(19，20)中的至少一个布置在所述板件(11)中的孔洞中，以使得所述销钉在所述板件(11)的两个侧面上伸出。

15.一种根据前述权利要求中任一项所述的测量头(9)在用于测量在医学的呼吸***中的气体样品中的至少一种气体的浓度的装置中的应用。

16.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，所述气体是氧气。