CN115950944A - 用于确定气体浓度的测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定气体浓度的测量***(100)，该测量***用于在包括数据集(203)的情况下使用气体混合物中的热导率和热导率的顺磁效应来确定气体样本的气体混合物中的气体浓度。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定气体混合物中的气体浓度的测量***。特别 地，本发明涉及一种用于测量气体样本中的顺磁性气体的浓度的设备，即 例如呼吸气体中的氧气和其他气体的浓度，即例如待人工呼吸和/或麻醉的 患者的麻醉气体。
根据本发明，测量***能够检测气体样本的气体混合物中的氧气浓度 和至少一种其他气体的浓度。能够将如下气体认作为其他气体，所述气体 在临床中使用，特别是在麻醉、重症监护医学、急诊医学领域中用于为患 者供应呼吸气体的气体。属于此的例如是：笑气、麻醉气体、如氟烷、地 氟醚、安氟醚、七氟醚、异氟醚、氙气，此外还列举了二氧化碳、痕量气 体还有氩气。
背景技术
为了确定气体中的氧气浓度，通常使用顺磁性方法，所述顺磁性方法 基于以下事实：即氧气分子由于其永磁偶极矩而具有顺磁特性，相反大多 数其他气体则具有抗磁性。众所周知：在顺磁性气体中热导率在磁场的影 响下发生变化。这种行为的原因显然是以下事实：顺磁性气体具有永久磁 矩，然而，所述永久磁矩通常、更确切地说由于气体分子的热分子运动而 不向外出现。但是，足够强的外部磁场确保：各个分子的磁偶极矩定向。 一方面，这引起磁化率的变化，这引起磁通量的增加，另一方面在气体中 出现一定的分子排列，由此限制自由度，从而限制经由膨胀将热能转移给 相邻原子的可能性。由此，小程度地改变了气体的热导率。例如从以下文 献已知用于确定尤其呼吸气体中的氧气浓度的永磁测量装置：US6952947 BB，US2011094293 AA，US8596109 BB，US9360441 BB，US6895802 BB，US6405578 BB，US6430987 BA，US4808921 A，US4683426 A，US3646803 A，US3584499 A，US2944418 A。
在US6430987B1中描述了用于使用与顺磁性相关的热传导变化来测 量氧气的基本原理。
在医疗技术中，有时将复杂的新鲜气体混合物用于在麻醉状态下对患 者进行人工呼吸，所述新鲜气体混合物在大多数情况下包含由氧气和氮气 构成的二元基本混合物并且必要时还包括笑气和常见的吸入麻醉剂(例如 地氟醚、七氟醚、异氟醚、安氟醚、氟烷)之一。为了监测患者，通常还 需要：在患者呼气阶段中确定气体浓度。在呼气阶段中，气体混合物除了 上述气体外附加地包含二氧化碳、水蒸气和可能的其他代谢产物，即例如 乙醇、甲烷和丙酮。关于相关的气体浓度，兴趣主要限于氧气、二氧化碳、 笑气和麻醉剂，以及可能其时间动态。而在吸气阶段中，气体混合物通常 不包含显著份额的二氧化碳。通常，为了确定麻醉气体浓度、二氧化碳、 笑气和氧气的浓度，使用多个、独立的且针对相应目标气体优化的其他的 测量装置，所述测量装置具有光学或电化学传感器，其中，以并行方法或时间上依次地以串联方式将呼吸气体的气体样本输送给所述传感器。随 后，这种测量装置的测量必须在时间动态和在输送气体样本时的条件或差 异方面相互比较或同步，以便在实际存在于患者处的气体体积中的浓度情 况方面或在例如借助于测量装置中的顺磁性求出的氧气份额和在的二氧 化碳、笑气和麻醉气体的以红外光学方式在另一测量装置中求出的份额的 浓度变化方面映射气体组合物。
基于现有技术，因此需要成本有效的测量***，所述测量***能够检 测氧气和其他气体的浓度，其他气体特别是呼吸气体的普通气体样本中的 气体混合物中的麻醉气体。
发明内容
因此，本发明所基于的目的是提供一种测量***以及一种方法，以确 定在呼吸气体的普通气体样本中的气体混合物中的氧气浓度和其他气体 浓度，尤其是麻醉气体的浓度，从而在组合至少两个测量***时克服上述 缺点。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。
该目的通过具有本发明的特征的测量***以及具有本发明的特征的 方法来实现。
本发明的其他特征和细节由从属权利要求、说明书和附图中得出。在 此，结合根据本发明的测量***描述的特征和细节显然也适用于根据本发 明的方法并且反之亦然，使得关于本发明的各个发明方面的公开内容总是 能够相互参考。
根据本发明的第一方面，示出如下实施方式，所述实施方式显示出以 下测量***，所述测量***至少具有以下部件：
测量设备，该测量设备具有测量室中的测量元件，
具有气体输送装置和气体前引装置，
具有电磁体和具有线圈，
计算和控制单元，
电路装置。
计算和控制单元构造用于检测测量设备的由测量元件提供的热电压 信号。
计算和控制单元构造用于将热电压信号分为交流电压信号分量UX～和 直流电压信号分量UX＝。
交流电压信号分量UX～和直流电压信号分量UX＝能够针对不同的气体 和气体混合物将不同的湿度和不同的温度符号作为交流电压信号分量 UX1～至UXn～或UX1F～至UXFn～和直流电压信号分量UX1＝至UXn＝或UX1F＝至 UXFn＝来符号化和/或说明，还有示例性地借助图5针对各四种干燥和潮湿 的气体混合物示意示出，其中，索引“F”表示潮湿的气体混合物。在本专利申请中，符号UY～、UYF～或UY＝、UYF＝用于标准化信号。在本专利申 请中，符号UZ～、UZF～或UZ＝、UZF＝用于压力补偿的标准化的信号。
计算和控制单元构造用于，将交流电压信号分量UX～标准化为标准化 的交流电压信号分量UY～。
计算和控制单元构造用于，将直流电压信号分量UX＝标准化为标准化 的直流电压信号分量UZ＝。
计算和控制单元构造用于，将标准化的交流电压信号分量UY～标准化 为标准化的压力补偿的交流电压信号分量UZ～。计算和控制单元构造用于， 基于标准化的交流电压信号分量UY～或基于标准化的压力补偿的交流电压 信号分量UZ～确定气体样本的气体混合物中的氧气浓度。
计算和控制单元构造用于，基于标准化直流电压信号分量Uy＝确定气 体样本的气体混合物中的其他气体的浓度。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元能够构造用于，将标准化 的直流电压信号分量UY＝标准化为标准化的压力补偿的直流电压信号分量 Uz＝。在一个优选的实施方式中，计算和控制单元能够构造用于，基于标 准化的、压力补偿的直流电压信号分量UZ＝确定气体样本的气体混合物中 的其他气体的浓度。
计算和控制单元构造用于，提供输出信号，所述输出信号指示气体样 本的气体混合物中的所确定的氧气浓度和所确定的其他气体的浓度。
测量元件构成为具有薄膜的平面的半导体或硅元件(MEMS，半导体 芯片)并且在薄膜上具有加热结构并且在测量部位处具有热传导测量单 元。
测量设备与用于加热测量元件的薄膜上的加热结构的电路装置一起 构成。测量元件布置在测量室中，使得一定量的气体样本的气体混合物能 够输送给测量元件。测量元件被加热到高于测量室中的一定量气体混合物 的温度的工作温度。测量设备构成有电磁体、线圈和电路装置，以产生作 用于测量元件上的磁场。在测量元件处在气体混合物中存在顺磁性气体的 情况下，在磁场影响下，热传导与顺磁性气体的份额成比例变化。例如，如果气体混合物中存在氧气，则温度升高，这引起可在加热的测量元件处 检测到的热电压信号提高。电路装置构造用于将具有交流电压信号分量和 直流电压信号分量的测量值提供给计算和控制单元。在借助计算和控制单 元和其他电子部件的运行的设计方案方面，特别是在检查、控制和调节测 量元件的温度检查时，例如借助恒定的加热电压、恒定的加热电流、恒定 的加热功率进行温度检查时，并且还在与其关联和连接的测量值检测类型 方面，通过实施方式、补充地通过附图和其描述显示出各种可行性。
气体输送装置构造用于，将一定量的气体样本的气体混合物输送至测 量元件。在此，所述气体输送装置能够设计用于，借助来自呼气测量地点、 吸气测量地点的输入线路、借助来自靠近患者的测量地点的输入线路或来 自麻醉剂或呼吸设备中的气体引导装置的提取点的输入线路来输送一定 量的气体样本的气体混合物。(在测量设备中进行分析之后)测量气体能 够借助于气体前引装置从测量设备继续输送给气体清除装置，或者例如也在适当位置处再次引导回到麻醉设备的麻醉气体回路中。
在测量设备的一个可选的设计方案中，计算和控制单元能够构造用于 加测量设备中的气体输送装置和/或热测量室。为了避免在测量元件处或上 形成冷凝物，有利的是：加热测量室、气体输送装置、测量设备和/或测量 ***。加热的温度水平选择和检控为，使得能够通过控制或调节将所述温 度水平保持在处于正常临床运行中的麻醉气体测量的内部温度之上。为此 列举以下典型的温度范围：能够假设大约10℃到50℃的典型范围作为测量***的使用温度范围，在特定情况下，例如在热带或亚热带地区，测量 ***中的温度的值有时会超过55℃。测量设备的典型温度检查水平可从中 推导出，最高可达约60°，以实现稳定温度。一方面，对测量设备在高于 60℃的温度上进行持久温度检查随之产生能耗增加，另一方面高于60℃的 持久温度导致测量设备的部件、例如电子元件还有测量元件过早老化。一 方面，通过温度检查到近似恒定的温度水平可靠地防止在测量设备中形成 冷凝物，此外得到以下优点：通常不需要对于测量值、即交流电压信号分 量和直流电压信号分量的温度补偿的附加措施。
计算和控制单元能够构造用于包括或补偿具有影响气体样本中的体 混合物的物理特性的环境条件。
信号分量的标准化通过计算和控制单元以参考值来进行。在此，对于 将具有100％浓度氧气的干燥气体输送给具有气体样本的测量设备进而测 量元件还由100％氧气的气体浓度包围的状态，假定交流电压信号分量和 直流电压信号分量的测量值作为参考值。用于标准化的参考值能够优选地 在测量实验中求出，或者在借助测设设备对测量设备进行功能检控的范围 中求出，所述测试设备构造用于提供具有100％氧气浓度的干燥测试气体。 如此求出的数据用作将参考值数据存储在数据存储器中的基础，所述数据 存储器能够由计算和控制单元读取。随后，能够由计算和控制单元使用参 考值进行标准化。
本发明的实施方式示出：部分地以通过附图中的视图支持的方式，用 于借助测量设备确定气体样本的其他混合物中的气体浓度的方法还有测 量***能够如何构成，以便基于交流电压信号分量提供气体样本的气体混 合物中的氧气浓度和基于直流电压信号分量提供气体样本的其他混合物 中的其他气体的浓度，其中，所述测量设备具有测量元件、具有线圈的电 磁体、计算和控制单元和电路装置和磁场装置，所述磁场装置优选以具有线圈的电磁体的形式设计。
在一个特别优选的实施方式中，计算和控制单元还能够构造用于，在 将测量值以交流电压信号分量和直流电压信号分量的测量值标准化期间 和/或随其之后尤其考虑用于测量元件中的差异所引起的热传导效应和散 热效应。作为这种差异的实例列举测量元件彼此在测量元件的薄膜厚度方 面的偏差。由于在半导体晶圆加工时的半导体制造工艺所决定，不是半导 体晶圆上的所有的微结构化的元件在热传导测量单元处、在测量部位处和 /或在加热结构中，薄膜都具有精确相同的厚度或结构。测量元件后测量廉 的薄膜的由制造工艺给出的不同厚度可能性对以下具有显著影响：对在借 助于测量元件还有热传输内借助固体热传导的热传输和经由机械的连接 和固定部位和电接触部的热传输之间的划分与借助于借助热传递、热辐射 和对流将热量散发给气体样本的其他混合物成比例地得出。为此，能够由 计算和控制单元例如在具有已知热传导的气体、例如纯笑气或纯氧气中，确定对于由薄膜、加热结构和热传导测量单元蛋形的校正值，例如所谓的 “CellVariation Factor细胞变化系数”(CVF)，所述校正值补偿薄膜厚度 的波动。在此，计算出薄膜的热传导，细胞变化系数(CVF)用于补偿热 传导的对于相应测量装置特定的所述，其中，所述效应共同包含在交流 和直流电压信号分量中。因此，为了运行具有测量设备的测量***与确保 关于确定其他气体、特别是麻醉气体的浓度的高的精度，有利的是：计算 和控制单元也能够执行关于测量元件批次分散引起的差异方面的均衡。这 种均衡的执行优选在可再现的条件下进行，即借助已知气体组合物的干燥 测试气体，即例如100％氧气(O2)来进行。原则上，例如和除了干燥氧 气之外能够将100％浓度的笑气(一氧化二氮，N2O)、氮气(N+)或惰性 气体、例如氦气(He)用于标准化和/或均衡。
这种关于由于测量元件批次分散所引起的不同测量元件之间的差异 在导热和散热特性方面进行这种均衡，例如能够借助以下草绘的步骤序列 的流程来执行：
1.输送上述测试气体之一，
2.以标准工作点中的布置来运行测量元件，
3.记录所属的交流测量值和直流测量值，
4.可选用其他气体重复步骤1-3，
5.将测量值与标准值或与比较值比较，
6.求出校正系数。
此外，除了以具有100％氧气的气体浓度的干燥气体混合物进行标准 化和在测量元件的热传导和散热特性方面进行均衡之外，能够附加地由计 算和控制单元关于环境条件、次要条件或边缘条件共同进行测量设备或测 量设备的补偿或还有调节。所述环境条件、次要条件或边界条件从测量信 号检测特性、即例如在放大器电路(运算放大器)或滤波器电路中使用的 电子构件的特性、模数转换器电路(A/D转换器)的特性或还有来自供电装置、例如来自整流器电路或电网设备的间接效应中得出。术语这种特性 的例如是：放大器或滤波器电路的电子组件的传递或放大特征曲线的频率 相关的或其他的非线性、噪声、偏移效应、温度相关的漂移效应，还有可 由于组件批次分散或用于产品寿命期间的组件老化所引起的效应。
实施方式还示出：会由计算和控制单元如何将以下信息、数据或测量 值用于确定气体样本的气体混合物中的氧气浓度还有确定其他气体的浓 度，其中，所述信息、数据或测量值指示气体样本的气体混合物中的压力 水平。为此，例如能够在测量***中布置压力传感器或将压力传感器与测 量***相关联，所述压力传感器构成和布置用于，测量地确定气体样本的 气体混合物中的压力水平。计算和控制单元构造用于对交流电压信号分量 进行压力补偿。压力补偿对于确定氧气浓度是必需的，因为压力比例的变 化可作为对气体样本的气体混合物中的密度的影响被注意到并且还因气 体样本中的气体混合物的压力水平影响气体样本中的气体混合物的氧分 钟的迁移率或其彼此间的空间接近度。氧分子彼此间的该空间接近度或空 间间距作用于氧分子在磁场中的迁移率和定向的方式和方法。通过气体混 合物中给定的压力影响氧分子在磁场中的定向因此也作用于热导率的顺 磁效应，所述顺磁效应与气体混合物中的氧气的份额成正比。因此，根据 本发明提出通过计算和控制单元进行交流电压信号分量的压力补偿。为 此，代表气体样本的气体混合物中的当前压力水平的信息或测量压力值由 计算和控制单元用于交流电压信号分量的压力补偿。例如，能够由压力传 感器提供这种压力测量值，所述压力传感器能够布置在气体输送装置中、 气体前引装置中或测量设备中的测量元件处，以便检测气体样本的气体混 合物中的(时间上和地点上电压力补偿的)压力水平。
实施方式还示出：如何由计算和控制单元将以下信息、数据或测量值 用于确定气体样本的气体混合物中的氧气浓度还有确定其他气体的浓度， 其中，所述信息、数据或测量值指示气体样本的气体混合物中的温度水平。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元构造用于对交流电压信号 分量进行温度补偿。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元构造用于对直流电压信号 分量进行温度补偿。
直流电压或交流电压信号分量的温度补偿可铜计算和控制单元进行， 使得将代表气体样本的气体混合物中的当前温度水平的温度测量值或信 息用于对信号分量进行温度补偿。这种温度测量值例如能够由温度传感器 提供，所述温度传感器能够布置在气体输送装置中、气体前引装置中或布 置在测量设备中的测量单元处，以便检测在气体样本的气体混合物中的 (对于温度补偿位置和时间上代表性的)温度信号。为此，例如将温度传 感器布置在测量***中或与测量***相关联，所述温度传感器构成和布置 用于，测量上确定气体样本的气体混合物中的温度。
实施方式还示出：如何由计算和控制单元将以下信息、数据或测量值 用于确定气体样本的气体混合物中的氧气浓度还有确定其他气体的浓度， 其中，所述信息、数据或测量值指示气体样本的气体混合物中的湿度。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元构造用于对交流电压信号 分量进行湿度补偿。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元构造用于对直流电压信号 分量进行湿度补偿。
直流电压或交流电压信号分量的湿度补偿可通过计算和控制单元进 行，使得代表气体样本的气体混合物中的当前湿度水平的湿度测量值或信 息用于对信号分量进行湿度补偿。这种湿度测量值例如能够由湿度传感器 提供，所述湿度传感器能够布置在气体输送装置中、气体前引装置中或布 置在测量设备中的测量单元处，以便检测在气体样本的气体混合物中的 (对于湿度补偿位置和时间上代表性的)湿度信号。为此，例如将湿度传 感器布置在测量***中或与测量***相关联，所述湿度传感器构成和布置 用于，测量上确定气体样本的气体混合物中的湿度。能够共同地将温度传 感器嵌入在湿度传感器处或湿度传感器中，以便确定气体样本的气体混合 物中的绝对湿度和相对湿度，进而确定气体样本的气体混合物中的水或水 蒸气的百分比体积份额以包括到氧气浓度和至少一种其他气体的浓度、特 别是麻醉气体浓度的确定中。为了说明，在此提出：在没有湿度补偿的情 况下确定氧气和其他气体浓度的情况如何。在所考虑的示例性的 20℃+/-10℃的温度范围和1013hPa+/-10hPa的压力范围中，对于气体样本 的气体混合物，在从干燥气体到饱和蒸汽的范围中得出湿度的影响，所述 影响例如能够在约1.5％至3.0％范围内的所计算的氧气计算浓度的偏差中 注意到，并且能够在例如约10％至15％的范围中的地氟醚的所计算的浓度 的偏差中注意到。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元能够构造用于对测量设备 进行温度稳定。这种温度稳定能够通过计算和控制单元来进行，使得使用 代表气体样本的气体混合物中的当前温度水平的温度测量值或信息。为 此，例如能够将温度传感器布置在测量***中或与测量***相关联，所述 温度传感器构成和布置用于，测量上确定气体样本的气体混合物中的温度 水平。这种温度传感器能够布置在气体输送装置中、气体前引装置中或布置在测量设备中的测量单元处。这种温度传感器可用于检查、控制或调节 测量元件和气体样本的温度稳定。一方面需要这种温度稳定以借助热电测 量元件无通过环境温度引起的波动或漂移效应地无偏地检测气体样本的 气体混合物的热传导，另一方面借助温度控制装置执行温度稳定，以防止 气体样本在测量元件处冷凝。因此，对于检测呼吸气体的气体样本的浓度 应当稳定到高于37℃的温度水平上，以可靠地防止形成冷凝物。由于在特 殊环境条件下，即在测量***内部中的环境温度高于50℃的情况下，由于 自热和从测量***向环境散热的受限的可能性，完全也会出现高于60℃的 温度，在实施方式中，设有对环境温度或设备温度的温度补偿。在一个优 选的实施方式中，温度补偿能够以如下方式进行，即对于标准化，将具有 (基于具有例如约50℃的参考温度的100％的干燥氧气的测量值的)参考 值的第一数据集用于在测量设备的45℃至60℃的温度水平内的使用，并 且将(基于具有例如65℃的参考温度的100％的干燥的氧的测量值的)参 考值的第二数据集用于在测量设备的例如60℃的典型温度水平之上的环 境温度范围中使用。在这种实施方式中，温度补偿能够通过计算和控制单 元使用温度传感器的测量值和具有参考值的第一和第二数据集的参考值 来进行，其中，对于第一数据集的参考温度和第二数据集的参考温度之间 的温度测量值，以及对于第二数据集的参考温度以上的温度，能够通过计 算和控制单元执行插值。
为了说明而提出：在高于测量设备温度控制的约65℃的参考温度之上 的环境温度范围中在没有温度补偿的情况下确定氧气浓度和其他气体浓 度的确定的情况如何。在高于70℃+/-10℃的温度范围和1013hPa+/-10hPa 的压力范围内，对于气体样本的气体混合物，温度仍产生影响，所述影响 例如能够在约0.7％至1.3％的范围内的所计算的氧气浓度的偏差中注意 到，并且能够在约10％至15％的范围内的例如地氟醚的所计算的浓度的偏差中注意到。为了估计湿度补偿的意义，能够估计：9℃的错误的温度 补偿对浓度确定的影响与错误补偿3％体积的绝对湿度的影响相似。
在一个优选的实施方式中，计算和控制单元能够构造用于将标准化直 流电压信号分量UY＝压力补偿为标准化的交流电压信号分量UZ～。直流电 压信号分量或标准化的直流电压信号分量的这种压力补偿实现：补偿气体 样本的气体混合物的密度进而热导率的差异。例如，在高海拔、例如在海 拔超过2500米的使用区域中，即例如在山区中或飞行器中，尤其当必须 通过抽吸采样施加相对于环境的额外负压时，产生密度的差异。
实施方式还示出：如何将湿度传感器布置在测量***中、测量设备中 或测量元件处的合适位置处，以使借助这种湿度传感器可检测代表气体样 本中的气体混合物的湿度的测量值。
实施方式还示出：冲洗室能够如何布置在测量设备中。冲洗室在测量 元件处相对于测量元件或相对于气流的布置能够优选进行为，使得气体样 本的流动的气体混合物能够在对测量元件的薄膜表面环流/溢流之后流入 冲洗室中和穿过冲洗室。在此，有利的是：湿度传感器在测量设备中的位 置设计成，使得测量值也代表具有气体样本的气体混合物中的湿气的流的 情况，对所述气体样本由计算和控制单元求出和确定交流电压信号分量和 直流电压信号分量，以便时间上与气体样本的气体混合物中的氧气浓度和 /或其他气体浓度相关联地实现湿度的补偿。这具有以下优点：即气体样本 的气体混合物中的氧气浓度和/或其他气体浓度的时间曲线也能够关于呼 吸阶段正确地求出，因为时间延迟或偏移由于湿度传感器的不利定位而无 法共同包括到湿度补偿中。将湿度传感器定位在冲洗室中是有利的。
实施方式还示出：如何将至少一个温度传感器布置在测量***中、测 量设备中或测量元件处的合适位置处，以可借助温度传感器检测电气体样 本中的气体混合物的温度的测量信号或代表性的测量值。
在此重要且有利的是：将至少一个温度传感器在测量设备中的位置设 计成，使得测量信号或测量值也代表具有气体样本的气体混合物的温度的 流的情况，对所述气体样本由计算和控制单元求出和确定交流电压信号分 量和直流电压信号分量，以便时间上与气体样本的气体混合物中的氧气浓 度和/或其他气体浓度相关联地实现温度的补偿。这具有以下优点：即气体 样本的气体混合物中的氧气浓度和/或其他气体浓度的时间曲线也能够关 于呼吸阶段正确地求出，因为时间延迟或偏移由于温度传感器的不利定位 而无法共同包括到温度补偿中。
实施方式还示出：能够如何将湿度传感器和/或另一温度传感器和/或 参考温度传感器布置在测量***中的、测量设备中的或测量元件处的适当 位置处，特别是在冲洗室中布置在测量***中的、测量设备中的或测量元 件处的适当位置处。将至少一个温度传感器定位在测量室或冲洗室中是有 利的，湿度传感器也定位在所述测量室或冲洗室中。冲洗室布置在测量设 备中，使得气体样本的借助测量气体线路(sample line采样线路)提供的气体混合物能够对布置在冲洗室中的传感器进行环绕或环流，以迅速测量 检测热电压信号。
实施方式还示出：至少一个、优选两个电阻测量元件如何布置在冲洗 室中或冲洗室处。
在一个实施方式中，至少一个电阻测量元件能够布置在冲洗室中，使 得计算和控制单元实现对所述电阻测量元件的测量值的评估，以确定流动 状态。
在另一优选的实施方式中，两个电阻测量元件能够彼此相关地布置在 冲洗室中，使得所述电阻测量元件的测量值的评估为计算和控制单元实 现：确定流动状态。借此，能够由计算和控制单元区分：是否存在以测量 设备中的气体样本的其他混合物的基本上连续流测量设备穿流与对测量 元件的溢流或环流，或是否存在没有流动的情况。指示测量设备中的所述 流动状态的相应的信息能够由计算和控制单元生成并提供。指示测量设备 中的流动状态的这种信息能够通过布置在气体输送装置或气体前引装置 中的两个电阻测量元件来提供，所述电阻测量元件例如呈电阻测量元件或 热敏电阻(NTC)的形式。当两个电阻测量元件或热敏电阻中的一个暴露 于流动而另一个不暴露于流动时，两个电阻测量元件或热敏电阻的这种布 置是有利的。随后，将两个电阻测量元件或热敏电阻的测量值相互比较实 现：使计算和控制单元识别如下状态，在所述状态中布置在流中的电阻测 量元件或热敏电阻不被环流，并且基于所述比较提供输出信号或故障信 号，所述输出信号或故障信号指示关于测量设备的或测量***的穿流、其 他输送装置和/或气体前引装置的故障状态。
实施方式还示出传感测量单元，所述传感测量单元为了检测
电阻测量元件，
压力传感器，
湿度传感器，
至少一个温度传感器
的测量值中的至少一个测量值而布置在测量设备中或测量***中，并 且与计算和控制单元相关联，并且构成和布置用于将检测到的测量值或从 测量值导出的数据提供给计算和控制单元。传感测量单元能够设计为独立 的测量模块，也设计为计算和控制单元的子模块。
在实施方式中，借助于气体输送装置将
作为靠近患者的气体样本的靠近患者的连接元件(Y型件)的气体混 合物的气体样本，
作为呼气气体样本的呼气输入线路的气体混合物的气体样本，
作为吸气气体样本的吸气输入线路的气体混合物的气体样本，
作为内部的气体样本的麻醉设备或呼吸设备中的气体输送装置的提 取点(例如新鲜气体馈入装置的位置处的)的气体混合物的气体样本 输送给测量***，并且借助于计算和控制单元能够确定气体样本中的氧气 和其他气体的气体浓度。
测量***以及方法的实施方式可在吸气阶段和呼气阶段中使用。为 此，随后，有利的是：对于吸气测量将测量***布置在吸气路径中、即布 置在从麻醉剂或呼吸设备到患者的引导气体的连接中。于是，在这方面有 利的是：对于呼气测量，将测量***布置在呼气路径中，即布置在从患者 到麻醉剂或呼吸设备的引导气体的连接中。
在具有测量设备的测量***用于重症监护医学的临床环境或重症监 护室、例如结合呼吸设备的实施方式中，具有测量设备的测量***通常不 面对一种或多种麻醉气体结合笑气(一氧化二氮，N2O)的气体量。在这 种重症监护医疗的实施方式中，如果借助于呼吸设备、麻醉设备或用于吸 入镇静的***仅将单一麻醉气体(氟烷、七氟醚、安氟醚、异氟醚、地氟 醚)计量给呼吸气体并且将具有气体混合物的其他样品借助于测量气体线 路从重症监护医疗设备的吸气路径输送给测量***，则计算和控制单元能 够求出气体样本的气体混合物中的麻醉气体的浓度和氧气浓度，因为在这 种状况中，也不将任何量的二氧化碳输送给测量***。
气体样本的气体混合物中的麻醉气体浓度和氧气浓度基于用于这种 重症监护医疗应用的热电压信号由计算和控制单元以如下方式确定：
a)将热电压信号信号分离成直流电压信号分量和交流电压信号分量，
b)在包括指示气体样本的气体混合物中的湿气含量的信息或湿度传 感器的测量值的情况下可选地进行湿度补偿，
c)将交流电压信号分量和直流电压信号分量以参考值进行标准化并 转换为标准化的交流电压信号分量UY～和直流电压信号分量UY＝，
d)在包括压力传感器的测量值或指示气体样本的气体混合物中的当 前压力水平的信息的情况下对标准化的交流电压信号分量UY～进行压力补 偿，
e)基于压力补偿的、标准化的交流电压信号分量UZ～确定气体样本的 气体混合物中的氧气浓度，
f)基于标准化的直流电压信号分量UY＝确定气体样本的气体混合物中 的麻醉气体浓度，
g)提供输出信号，所述输出信号指示气体样本的气体混合物中的其 他气体的浓度和氧气浓度。
在一个优选的实施方式中，由计算和控制单元在步骤d)和e)之间 中将预先确定的且对于由薄膜、加热结构和热传导测量单元典型的校正 值、例如“细胞变化系数”(CVF)执行用于校正因在构建测量元件和测 量设备中的制造所决定的公差所引起的对交流电压和直流电压信号分量 的影响。
实施方式示出其他的使用可能性，其中，具有测量设备的测量***能 够用于重症监护医学、麻醉、特护病房和急诊医学的临床领域之外的临床 环境中。例如，将针对气体测量技术的实施方式进行设计，其可用于工艺 气体分析、实验室分析或环境分析中。
实施方式还示出：如何将关于气体样本的气体混合物的气体组合物的 所提供的信息共同包括到其他气体浓度和/或氧气浓度的确定中。如果在测 量***的应用中无法确保气体样本的气体混合物中不包含任何量的外来 气体，则有利的是：计算和控制单元可包括关于气体样本的气体混合物的 气体组合物和外来气体的信息包括到其他气体浓度、优选麻醉气体的确定 中，和/或氧气浓度的确定中。
例如，如果在测量***的应用中玩确保在气体样本的气体混合物中不 包含任何量的二氧化碳，则有利的是：计算和控制单元能够将关于气体样 本的气体混合物的气体组合物的相应的信息共同包括到其他气体浓度的 确定中。因此，例如，在氧气不借助于压缩气瓶或医院基础设施作为似乎 纯氧提供，而是通过借助于变压吸附的浓缩富集来提供的应用情况中，会 共同包含多倍较高份额的氧气中氩气作为外来气体。关于气体混合物中这种外来气体、例如氩气的存在和浓度的信息，当其相应地提供给计算和控 制单元时，能够由计算和控制单元共同地包括到其他气体、优选麻醉气体 的浓度的确定中和/或氧气浓度的确定中。如果在闭合的或半闭合的麻醉呼 吸回路***中借助于变压吸附使用氧气，则通过在回路中继续使用呼出气 体得到氩气在重新输送给患者的呼吸气体混合物中的进一步的富集，因为 通过布置在回路中的钙盐吸收器中，尽管能够将呼出的二氧化碳气体量从重新输送的呼吸气体混合物中去除，但回路中的氩气的气体量不能减少。
在特定的实施方式中，还能够由计算和控制单元基于直流电压信号分 量求出将气体混合物中的作为其他气体的氩气的浓度的确定。这例如并且 尤其适用于重症监护医学领域中的气体组合物的应用与监测，在那里在其 他混合物中不包含麻醉气体和笑气。然而，这也适用于在麻醉领域中的气 体组合物的应用和检测，在那里麻醉气体和笑气在气体混合物中的浓度是 已知的。在这种应用中，测量***除了氧气浓度之外还能够检测作为其他 气体的氩气的浓度。
实施方式还示出：关于气体样本的气体混合物的气体组合物的所提供 的信息能够如何包括到氧气浓度的确定中。例如，如果在测量***的应用 中无法确保在气体样本的气体混合物中不包含任何量的其他顺磁性气体， 例如氮氧化物(NO)、二氧化氮(NO2)、二氧化氯(ClO2)，则有利的是： 计算和控制单元能够将关于气体样本的气体混合物的气体组合物的信息 共同包括到氧气浓度的确定中。
所提供的关于气体样本的气体混合物的气体组合物的信息例如是以 下数据，所述数据由其他的或外部的***、例如由在麻醉设备中或麻醉设 备处用于检测具有多种气体、尤其麻醉气体的其他混合物的计量的测量系 统所使用。其他数据例如是以下数据，所述数据由其他的或外部的***、 例如由在麻醉设备或呼吸设备中或麻醉设备或呼吸设备处用于检测二氧 化碳呼出浓度(二氧化碳确定法)的测量***所使用。如果例如计算和控制单元提供二氧化碳的当前浓度，则借此为计算和控制单元提供：为了确 定气体样本的气体混合物中的各个气体组成部分的浓度而确定其他气体、 尤其麻醉气体的浓度和氧气浓度并且在共同的数据集中提供。
如果例如为计算和控制单元提供一种气体或其他气体的当前浓度，则 为计算和控制单元借此实现：气体样本的气体混合物中的各个气体组成部 分的浓度的确定中确定氧气浓度、其他气体、尤其麻醉气体的浓度和附加 气体的浓度，并且在共同的数据集中提供。
实施方式还示出：能够将关于计量***的计量状态的所提供的信息共 同包括到氧气浓度的确定中和/或其他气体浓度的确定中。
在这种实施方式中，计算和控制单元构造用于，共同包括
关于计量***的计量状态的所提供的信息，
关于呼吸阶段的所提供的信息，
关于麻醉设备或呼吸设备的运行状态的所提供的信息。
计算和控制单元随后能够以与如下实施方式中相同的方式借助关于 气体样本的气体混合物的气体组合物的信息来进行处理，在所述实施方式 中将关于气体样本的气体组合物的所提供的信息和数据用于确定氧气浓 度和/或其他气体浓度。
在特别优选的实施方式中，计算和控制单元能够将其他气体的所确定 的气体浓度作为信息借助于数据接口提供给其他的或外部的***以确定 麻醉气体浓度，例如提供给麻醉气体测量设备。借此，能够由麻醉气体测 量设备在如下应用情况下将由计算和控制单元确定的麻醉气体浓度用于 检查测量值的可信性或用于功能检查，在所述应用情况下在安全观点下两 个关于特定麻醉气体浓度的基本上冗余或独立的信息可用。相反地，当由外部***借助于数据接口将指示其他气体、尤其麻醉气体的气体浓度的信 息或数据提供给根据本发明的测量***时，对于计算和控制单元也存在用 于检查可信性或功能的这种可行性。于是，计算和控制单元能够例如对测 量***的功能如下进行检查：当前的气体混合物是否通过测量气体线路运 送至测量元件并且具有直流电压信号分量和交流电压信号分量的热电压 信号是否合理地是对于流动情况和/或由外部***所提供的信息。其中，在安全方面会需要两个基本上冗余或独立的信息的应用情况能够通过用于 气体的计量***、尤其用于麻醉气体的计量***和具有闭合调节回路 (closedloop control闭环控制)的用于呼吸气体的混合***来构成。这种 计量***能够实现由根据本发明的测量***附加提供的其他气体浓度实 现。
下面，根据本发明的另一方面，描述根据本发明的用于确定气体样本 的气体混合物中的气体浓度的方法。在本发明的范围内，具有水或水蒸气 即具有湿气的份额的气体混合物被称为“潮湿的气体混合物”。
该方法实现：使用具有交流电压信号分量UX～和直流电压信号分量 UX＝的测量值来实现：确定氧气浓度和麻醉气体。在根据本发明的方法中， 计算和控制单元(或其他的适当地构造用于执行方法步骤的实体)执行对 于确定其他气体的气体浓度和确定氧气浓度所需的、下面理解的方法步 骤：
a)将热电压信号信号分离成直流电压信号分量和交流电压信号分量，
b)将交流电压信号分量UX～和直流电压信号分量UX＝以参考值进行标 准化并转换为标准化的交流电压信号分量UX～和直流电压信号分量UX＝，
c)在包括压力传感器的测量值或指示气体样本的气体混合物中的当 前压力水平的信息的情况下对标准化的交流电压信号分量UY～进行压力补 偿，
d)基于压力补偿的标准化的交流电压信号分量UZ～确定气体样本的气 体混合物中的氧气浓度，
e)基于标准化的直流电压信号分量UY＝确定气体样本的气体混合物中 的麻醉气体浓度，
f)提供输出信号，所述输出信号指示气体样本的气体混合物中的其 他气体的浓度和氧气浓度。
在另一步骤中，优选随步骤a)或步骤b)之后，能够在包括湿度传 感器的测量值或指示气体样本的气体混合物中的湿度含量的信息的情况 下，进行可选湿度补偿。在具有可变份额湿气的气体混合物中需要在该 另一步骤中描述的可选的湿度补偿，例如当借助根据本发明的方法分析呼 入和呼出其他混合物时。这例如在在麻醉应用中是这种情况，在所述情况 中使用该方法以求出氧气浓度和麻醉气体。在如下应用中能够省略对湿度 进行补偿(进而也省略湿度传感器)，在所述应用中分析限定干燥的其他 混合物，例如以分析呼吸设备中的干燥的呼入气体或新鲜气体，所述呼吸 设备不具有将呼出气体引回到呼入气体中。
此外，根据本发明的另一方面，对于根据本发明的方法，以部中序列 描述用于在测量元件的可能的差异方面均衡测量设备的流程的扩展，所述 差异基于引导热的且散热的特性中的批次分散。有利的是：将用于均衡测 量元件的引导热的和散热的特性的步骤嵌入用于确定气体样本的气体混 合物中的气体浓度的根据本发明的方法，优选地作为方法步骤d)和e) 之间或方法步骤e)和f)之间的步骤。在这种步骤中，均衡或校正因测量 单元构建中制造所决定的公差产生的对交流电压和/或直流电压信号分量 的影响。为了求出在测量单元构建中的这种公差，通过在再现的条件下、 即在已知气体组合物的干燥测试气体中的测量系列来求出测量元件的引 导热的或散热的特性和基于批次散布、例如基于测量元件的薄膜厚度中的 差异的效应，并且随后存储在校正数据集中，所述校正数据集随后在测量 ***运行中在确定其他气体的气体浓度和确定氧气浓度时使用。
根据本发明的测量***和根据本发明的方法尤其在呼吸设备处使用 的情况下在吸气测量中使用以下优点：即既不使用二氧化碳也不使用笑气 作为麻醉剂。在这种状况中，根据本发明的测量***或方法能够有利地、 即在没有其他附加的测量设备或传感装置的情况下，检测至少一种麻醉气 体的麻醉气体浓度和氧气浓度。甚至在麻醉设备中、麻醉设备处或与麻醉 设备一起使用根据本发明的测量***或方法时得到以下优点：即由于具有 CO2吸收器的呼吸回路同样在气体混合物中不存在二氧化碳进而得到如对 于在呼吸设备处使用类似的情况，而不使用笑气。于是，在靠近患者的测 量或呼气测量中，为了使用根据本发明的测量***或方法能够使用由呼吸 或麻醉设备或其他测量设备提供的、关于呼吸阶段的、信息或使用假设、 测量信号、测量值或关于二氧化碳浓度的信息，以确定氧气浓度和麻醉气 体浓度。因此，根据本发明的测量***和根据本发明的方法对于如下应用 情况提供用于监测气体浓度(氧气、麻醉气体)的计量的成本适宜的且接 近实际的解决方案，在所述应用情况中在没有笑气的情况下执行无麻醉、 麻醉或挥发性镇静，这如今在超过90％的所执行的麻醉中已经存在。此外， 当在吸气或靠近患者计量麻醉气体时，根据本发明的测量***和根据本发 明的方法为监测气体(氧气、麻醉气体)浓度的计量和在特护病房上的应 用领域提供了接近实际的解决方案。
附图说明
根据以下描述并部分参考附图更详细地解释本发明。
图1示出具有电磁体的测量设备，在所述电磁体的气隙中布置有测量 元件。
图2示出根据图1的测量元件的视图。
图3a示出用于借助输送恒定电压来控制图2中的测量部位的电子电 路的第一变型形式的示意图。
图3b示出用于借助输送恒定电流来控制测量部位的电子电路的一个 变型形式的示意图。
图3c示出用于借助输送恒定电功率来控制测量部位的电子电路的一 个变型形式的示意图。
图3d示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中将加热 功率用于温度调节。
图3e示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中加热电 流用于温度调节。
图3f示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中加热电 压用于温度调节。
图3g示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中加热功 率用作热传导信号。
图3h示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中加热电 流用作热传导信号。
图3i示出电子电路的一个变型形式的示意图，在电子电路中加热电压 用作热传导信号。
图4示出具有根据图3a的电子电路的一个变型形式的示意图，所述 电子电路具有用于运行根据图1和图2的测量设备的其它部件，所述测量 设备具有用于信号评估、计算和用于确定浓度的元件。
图5示出具有直流电压信号分量和交流电压信号分量的热电压信号的 图表。
图6示出能够如何用其他传感装置补充测量设备和如何将测量设备布 置在测量***中的示意图，所述测量设备具有测量室、冲洗室、气体引导 装置、气体输送装置和气体前引装置，用以对测量元件进行溢流或环流。
图7示出用于运行测量***的示例性的流程。
具体实施方式
图1示出具有电磁体4的测量设备1，在所述电磁体的气隙3中布置 有测量元件2。测量设备(或传感器)1布置且适当地构造用于以测量方 式检测气体样本中的氧气浓度或另一顺磁性气体的浓度。为绘图上清楚起 见，在图1至4中未一起示出测量设备1内的气体引导装置，其例如呈比 色皿或空洞的设计方案的形式，并且为绘图上清楚起见，朝向测量设备1 且从测量设备1延续的其他引导装置还未一起在图1至4中能够示出。测 量设备1具有测量元件2，在所示的情况下，所述测量元件布置在设有线 圈5的电磁体4的气隙3中，使得测量元件2的测量部位能够加载可电控 的磁场。代替线圈5，在一个替代的设计变型形式中，也能够设有永磁体 (未示出)，借助所述永磁体能够产生恒定的磁场。测量设备1还构成为， 借此将要分析的气体作为气体样本能够流动穿过气隙3并且流过测量元件 2。
在图2中示出：测量元件2具有带有热传导测量单元6的测量部位， 所述热传导测量单元构成为热电元件(热电堆)。测量元件2能够具有一 个或多个热传导测量单元6。测量元件2能够具有至少部分穿透的薄膜7， 所述薄膜用于气体样本的气体从上侧和/或下侧进入。然而，优选地，使用 闭合的薄膜7，所述薄膜的承载框架例如在刻蚀方面被去除，使得测量气 体能够穿过所形成的空气到达薄膜下方。为了实现要分析的测量气体进入 测量部位9的两侧，能够通过刻蚀部分地去除薄膜7，或者将测量元件2 部分刻蚀得薄到，使得气体能够从前侧进入。优选地，通过线圈5产生的 磁场构成为具有相对于零点对称的时间曲线的纯交变场。时间曲线优选是 正弦形的，但是也能够具有其他形状(例如三角形或阶梯矩形)。替代地 或附加地，能够在幅度方面控制磁场。从交变磁场的幅度控制中得到以下 优点：在氧气信号电平较高的情况下借助磁化同时也能够降低用于测量部 位的电功率。但是，也能够考虑借助直流分量进行的磁化，其中，能够在 磁化特征曲线上移动调制的场分量。以便将用于磁化的能量耗费保持得 低，同样能够考虑的是：至少部分地借助永磁体产生磁场。如还在图2中 可见：测量元件2具有可电控的加热结构8，所述加热结构例如能够构成 为布置在薄膜上的、能导电的电子结构或能够构成为加热线。优选地，加 热结构8构成为用于，将测量元件2的薄膜7加热到期望温度。要注意的 是：热传导测量单元6和加热结构8能够集成地构成，即电阻加热/测量元 件，其中，使用电阻材料的温度系数实现温度测量。这种加热结构8的实 例能够是加热丝或具有温度相关的电阻率的类似的加热机构。因此，只要 技术上有意义，也能够通过集成的温度相关的结构取代测量单元6和所属 的加热结构8。
在附图中，为了清楚起见，所述温度相关的加热结构8作为热传导测 量单元6和作为加热结构8简化地分别单独地且简化地示出。如果没有另 作说明，用于运行信号评估的在附图的如下说明书中描述的方面主要涉及 具有测量部位和测量单元6的装置，所述装置布置在测量元件2上，在此， 所述方面也可传递给具有多于一个测量部位和多于一个测量单元6的装置 上，所述装置布置在测量元件2上。下面，描述测量元件2上的加热结构 8的运行和操控。在如图3a、图3b、图3c所示的操控类型中，测量部位 9以恒定的加热电压(图3a)、以恒定的加热电流(图3b)或以恒定的加 热功率(图3c)运行，他们匹配于加热结构8的相应的热工作点，其中， 所需的值在基准气体、例如氧气或空气中确定一次，并且随后保持恒定(校 准)。流过测量点9的气体的热传导20的测量值和所得出的周期的氧信号 21能够在此在热传导测量单元6的电压中找到。
图3a至图3i示出具有用运行测量设备1的不同的电路装置101、102、 103、104、105、106、107、108、109的测量设备1的变型形式。图1、 图2和图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i在图1、 图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i中的相同 元件设有相同的附图标记。
图3a示出用于运行根据图2的测量元件2的电子电路装置101的示 意图。在电路装置101中，磁化装置为了简化视图而未一起示出，并且也 仅简化地且示意地示出测量部位、加热结构8、测量元件2和热传导测量 单元6的联接。测量元件2的运行一方面包括测量元件2的加热的方式和 方法的设计方案。测量元件2的加热能够借助恒定的加热电压、恒定的加热电流或恒定的加热功率来进行。例如，根据所述图3a描述具有恒定加 热电压的控制装置。在此，加热结构8经由作为阻抗转换器接入的放大器 10和具有可变抽头的分压器11与直流电压源12连接。在此，元件10、 11、12一起构成恒压源。热传导测量单元6的测量值经由低通装置13和 经由高通装置14引导给评估。在高通装置14的输出端处提供交流电压信 号分量21。在低通装置13的输出段处提供直流电压信号分量20。测量值 中的交流电压信号分量21代表气体样本的气体组合物中的氧气浓度。测 量值中的直流电压信号分量20代表气体样本的气体组合物的热导率。气 体样本中周期性出现的氧气浓度波动能够通过简单的滤波装置从测量值 中去除。此外，借助这种简单的滤波电路，也能够同样一起消除叠加给测 量值的由电磁辐射引起的信号分量，所述电磁辐射例如来自230V交流 /50Hz供电电网。为了求出氧气浓度，将得到的周期性的交流电压信号分 量和非周期性的直流电压信号分量置于相互关联并进行评估。此外，在图 4和图5的描述中描述评估的方式和方法。
图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h、图3i分别示出用 于运行根据图2的测量元件2的电子电路装置101的其他的替代的设计方 案102、103、104、105、106、107、108、109的示意图。图1、图2和图 3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i中的相同的元件在 图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i中设 有相同的附图标记。
图3b的电路结构102、即借助恒定电流的控制，与图3a中的结构的 区别仅在于：放大器10作为非反相放大器接入，其中，放大器的输出电 压的一部分经由由加热结构8和分流器15构成的分压器引导回给放大器 的反相输入端。在图3c的电路结构103中，即借助恒定功率的控制，将 放大器10的与加热结构8的第一触点连接的输出端(电压)与乘法器16的第一输入端耦合，其中，所述乘法器的第二输入(电流)经由反相放大 器17以及两个串联电阻与加热结构8的第二触点连接。乘法器16的输出 端与放大器10的反相输入端耦合。在图3d的电路结构104中，即借助恒 定温度的控制，放大器10的与加热结构8的第一触点连接的输出端(电 压)与乘法器16的第一输入端耦合，其中，所述乘法器的第二输入端(电 流)经由反向放大器17以及两个串联电阻与加热结构8的第二触点连接。 乘法器16的输出端与提供直流和交流输出信号的低通装置13和高通装置 14耦合。如图3d、图3e和图3f中所示，在操控时，将相应的热工作点借 助电路装置104、105、106调节到与气体组合物无关的、恒定的值。在此， 热传导测量单元6的输出电压用作控制变量，并且跟踪加热电压、加热电 流或加热功率。在这种情况下，测量值的载体是所需的加热电压24、加热 电流23或加热功率22。图3g、图3h、图3i示出借助电路装置102、103、 104、105、106、107、108、109操控的其他可能性，示出上述方法和电路 装置102、103、104、105、106的组合和变型形式并且将在温度水平恒定 的情况下的运行优点与相对简单的(因此缓慢的)温度调节联合。在此， 热传导测量单元6的输出电压用作控制变量并且跟踪加热电压、加热电流 或加热功率，使得工作温度随时间平均是恒定的。恒定的平均温度值引起 稳定的测量条件，而与气体混合物的类型无关，而快速变化的调制所决定 的信号25(氧气)仍然能够直接作为温度波动测量，而不由于其较低的幅 度而引起显著的工作点偏移。在此，使用电子低通装置对调节信号进行时效处理，使得调整气体混合物所决定的(且较缓慢的)温度变化，而较快 速的、周期性的、磁场所决定的热导率变化(氧气测量值)不被干扰。
在图4中，根据图3a的电路装置101示例性地被包括到测量设备1 的设计方案中，成为测量***100，所述测量***适当地构造用于确定呼 吸气体混合物中的氧气浓度和至少一种其他气体、特别是挥发性麻醉气体 的浓度。图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、 图3i和图4中的相同元件在图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图 3f、图3g、图3h、图3i和图4设有相同的附图标记。分界线以图形方式 将从图3a中已知的部件与其他部件分开。设有计算和控制单元200，所述 计算和控制单元除了具有数据存储器207(RAM、ROM)的计算模块207 之外还特别地在多功能计算和控制单元200的设计方案中能够具有其他模 块，例如磁场操控装置204、具有放大器元件的信号处理装置205、滤波 器电路和模数转换器还有数据接口206。计算和控制单元200为了进行测 量值和信号检测310、320、255、20、21、25而设计有传感测量单元300 或与传感测量单元300连接。
计算和控制单元200能够共同具有磁场操控装置204，所述磁场操控 装置经由控制线路244负责电磁体4的操控进而负责产生作为具有1Hz 至100Hz范围内的激励频率1f的交变磁场的磁场。示例性的激励频率为 约为7Hz或15Hz。热传导测量单元6的测量值经由低通装置13和经由高 通装置14引导至进行评估。在高通装置14的输出端处提供交流电压信号 分量21。在低通滤波器13的输出端处提供直流电压信号分量20。测量值 中的交流电压信号分量21代表气体样本的气体组合物中的氧气浓度。测 量值中的直流电压信号分量20代表气体样本的气体组合物的热导率。计 算和控制单元200从根据图3a的电路装置101或也从(图3a-图3i的)电 路装置101、102、103、104、105、106、107、108、109借助于信号线路255接收直流电压信号分量UX＝20和交流电压信号分量UX＝21以进行进一 步数据处理。在测量元件2或热传导测量单元6的测量信号中，能够将激 励频率的两倍频率2f视为交流电压信号分量21。这能够通过以下来解释： 磁场中的氧分子的定向与磁场激励的极性相关，并且在激励频率1f的一 个周期持续时间1T期间双重地、即以频率2f得到氧分子的定向，并且随 后也在图表201、202(图5)中在热电压信号的交流电压信号分量UX1～502、 UX2～602、UX3～702、UX4～802、UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、UX4F～806 (图5)中变得可见，其中，所述定向降低气体样本的气体混合物中的氧 分子的迁移率的自由度。
计算和控制单元200执行直流电压信号分量20和交流电压信号分量 21的标准化。信号分量20、21的所述标准化通过计算和控制单元200以 参考值400进行。在此，热电压信号的测量值(图5)对于以下状态假定 为参考值400，在所述状态下，将具有100％气体浓度的氧气的干燥气体 混合物输送给具有气体样本的测量设备1，进而也由100％气体浓度的氧 气包围测量元件2。
从中对于干燥气体混合物X1 500、X2 600、X3 700、X4 800(图5) 得到具有标准化的交流电压信号分量UY～和标准化的直流电压信号分量 UY＝的标准化的电压信号。从中对于潮湿的气体混合物X1F 508、X2F 608、 X3F 708、X4F 808(图5)得到具有标准化的交流电压信号分量
和标 准化的直流电压信号分量UYF＝的标准化的电压信号。
计算和控制单元200构造用于，将标准化的交流电压信号分量UY～、 UYF～压力补偿为经压力补偿的、标准化的交流电压信号分量UY、UZ～、UZF～。
计算和控制单元200构造用于，基于标准化的交流电压信号分量UY～、 UYF～、UZ～、UZF～确定气体样本中的氧气浓度。
计算和控制单元200构造用于，基于标准化的直流电压信号分量UY＝、 UYF＝确定气体样本中的其他气体的浓度。
关于气体样本中的湿度的信息或数据能够经由数据接口206或借助于 联接于计算和控制单元200的或联接于测量***100的湿度传感器320借 助于信号线路255为计算和控制单元200提供。湿度传感器320与气体样 本的气体混合物在测量方面接触。
关于气体样本中的温度的信息或数据能够经由数据接口206或借助于 联接于计算和控制单元200的或联接于测量***100的温度传感器330借 助于信号线路255为计算和控制单元200提供。温度传感器320与气体样 本的气体混合物在测量方面接触。
关于气体样本中的温度的信息或数据能够经由数据接口206或借助于 联接于计算和控制单元200的或联接于测量***100的压力传感器310借 助于信号线路255为计算和控制单元200提供。压力传感器310与气体样 本的气体混合物在测量方面接触。
表格或多维数据字段形式的数据集203不仅在呈易失性(RAM)或非 易失性(ROM)存储器模块的设计方案中还在呈数据载体(硬盘、存储卡) 形式的设计方案中被存储在计算模块207的数据存储器207中，基于所述 数据集对于计算和控制单元200可行的是：在处理交流电压信号分量UX～、 UXF～的情况下确定气体样本的气体混合物中的氧气浓度。
此外，对于计算和控制单元200可行的是：基于以表格或多维数据字 段形式存储的数据集203和对直流电压信号分量UX＝、UXF＝的处理确定气 体样本的气体混合物中的其他气体的浓度，优选地挥发性麻醉气体、例如 地氟醚的浓度。浓度能够基于数据和从直流电压信号分量中通过计算和控 制单元200求出的麻醉气体例如是氟烷、七氟醚、安氟醚、异氟醚或地氟 醚。以数据字段或表格的形式存储在数据存储器207中的数据集203包括 以下信号曲线的关联关系或信息，所述信号曲线对于直流电压信号分量 UX＝、UXF＝在关于湿气含量、压力水平和温度水平的不同条件下得出。以 数据字段或表格形式存储在数据存储器207中的数据集203包括以下信号 曲线的关联关系或信息，所述信号曲线对于交流电压信号分量UX～、UXF～ 在关于湿气含量、压力水平和温度水平的不同条件下得出。信息或关联关系例如能够以表格形式存储，所述表格具有以具有100％份额氧气的干燥 气体混合物标准化的测量值或值对，所述测量值或值对例如在测量系列中 在实验系列中精确设定气体混合物中的氧气、氮气和麻醉气体的浓度的情 况下求出。在此，例如能够使用氧气、氮气和至少一种麻醉气体的以下浓 度范围(以体积％说明)：
氧气：15％–100％，
氮气：0％–85％，
麻醉气体：地氟醚：0％–20％，
麻醉气体：异氟醚：0％–12％，
麻醉气体：七氟醚：0％–12％，
麻醉气体：氟烷：0％–12％，
麻醉气体：安氟醚：0％–12％，
测量气体的湿度范围：0％–95％，ATPS(环境温度压力饱和)。
在执行时的典型和通常的环境条件例如是：
环境压力范围：400hPa–1100hPa，
温度控制的测量***的温度范围：55℃–65℃，
环境温度范围：10℃–50℃。
所述信息或值能够作为离散数据值存储在数据存储器207中，在这种 情况下，计算和控制单元200构造用于，在交流电压信号分量UX1～502、 UX2～602、UX3～702、UX4～802、UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、UX4F～806 (图5)和直流电压信号分量UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803、 UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807(图5)的信号检测中通过插值、 例如经由至少部段线性、二次、三次、多项式或样条插值来近似在测量系 统100运行中出现的中间值，以便更精细或精细阶梯式地映射关联关系。
信息或关联关系能够替代地或部分附加地也借助于从测量数据中求 出的计算公式形成，例如以类似于根据图5的公式1至公式5的一般形式 所示的函数的设计方案来形成。在此，函数能够例如作为多项式函数映射 氧气、氮气和至少一种麻醉气体在温度、压力水平和湿度影响下的浓度范 围的相应的范围。在此，关联关系在数据集203(图4)中也能够共同包 括特殊性，例如特性，例如电子部件(放大器、A/D转换器、滤波器电路) 的由测量装置1(图4)和/或测量***100(图4)利用电路装置101、102、 103、104、105、106、107、108、109(图3c至图3i)的运行所决定的叠 加给信号20、21(图4)的信号或偏移信号。在此，这种关联关系还能够 共同考虑以下效应，所述效应在测量设备1中作用于测量元件2和薄膜7 处的热平衡，进而在测量***100的运行中也作用于交流电压信号分量 UX1～502、UX2～602、UX3～702、UX4～802、UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、 UX4F～806(图5)和直流电压信号分量UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803、 UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807(图5)。特别地，效应也能够共同包括到关联关系203(图4)或数据集203(图4)中，所述关联关系或 数据集由于电路装置101、102、103、104、105、106、107、108、109(图 3c至图3i)的设计方案在借助对测量元件2(图1、图2、图4、图3c至 图3i)的温度控制的运行和借助测量元件(图1、图2、图4、图3c至图3i)的温度控制的控制和/调节的检查的类型方面的不相同性所决定，例如 通过电路装置101、102、103、104、105、106、107、108、109(图3c 至图3i)借助加热结构的恒定温度的运行，借助恒定的电功率的运行，借 助恒定的电压的运行，借助恒定的电流的运行。此外，计算和控制单元200 构造用于，将指示气体样本的气体混合物中的压力水平的压力传感器310 的测量值和/或借助于数据接口206提供的、关于气体样本的气体混合物中 的压力水平的信息包括到氧气浓度的确定和/或其他气体浓度的确定中。此 外，计算和控制单元200构造用于，将指示气体样本的气体混合物中的湿 度情况的湿度传感器320的测量值和/或借助于数据接口206提供的、关于 气体样本的气体混合物中的湿度的信息包括到氧气浓度的确定和/或其他 气体浓度的确定中。此外，计算和控制单元200构造用于，将指示气体样 本的气体混合物中的温度水平的温度传感器330的测量值和/或借助于数 据接口206提供的、关于气体样本的气体混合物中的温度水平的信息包括 到氧气浓度的确定和/或其他气体浓度的确定中。此外，计算和控制单元 200构造用于，在将测量信号UX＝、UX～20、21标准化为标准化的交流电 压信号分量UY～、UYF～和直流电压信号分量UY＝、UYF＝时，包括湿度传感 器320的测量值、压力传感器310的测量值、温度传感器330的测量值和 /或借助于数据接口206提供的关于气体样本的气体混合物中的温度、压力 水平或湿度的信息。下面，基于图4(部分参考图5)描述用于运行用于 确定气体样本的气体混合物中的气体浓度的测量***100的方法。该方法 实现确定氧气浓度和麻醉气体。计算和控制单元200(或适当地构造用于 执行方法步骤的另一实体)借助测量***100的其他部件13、14、205和 计算模块207在通过测量元件2上的热传导测量单元6和信号处理装置 205提供热电压信号20、21之后为了确定其他气体的气体浓度和确定氧气 浓度而执行以下方法步骤：
a.信号分离：
将热电压信号分为(交流←→直流分离)为直流电压信号分量(直流 分量)20和交流电压信号分量(2f分量)21。由于交流电压信号分量(2f 分量)21比直流电压信号分量20低几个数量级，所以所述2f分量21在 随后的模数转换205之前必须比直流电压信号分量20显著更强地被放大。 交流电压信号分量21的这种信号放大典型地能够借助20到750的范围内 的放大系数来执行。2f信号的幅度由计算和控制单元200和计算模块207 (例如以数字方式)借助锁定方法求出。在将热电压信号分离(交流←→ 直流分离)分开成直流电压信号分量(直流分量)20和交流电压信号分量 (2f分量)之前，能够设有热电压信号(直流电压和交流电压信号分量) 的信号放大。这种信号放大典型地能够以5到20范围内的放大系数执行。 总体上，对于交流电压信号分量21的放大，于是得到大于200的典型值 作为放大。
b.湿度补偿：
以可选的方式，能够补偿交流电压信号分量(2f分量)21和/或直流 电压信号分量20，使得得到具有直流分量和2f分量的信号20'、21'(图7)， 如其在没有水蒸气份额(即对于干燥气体混合物而言)的情况下会被检测 到，使得形成对应干燥气体的值。为此，使用湿度传感器320的测量值或 指示气体样本的气体混合物中的湿气含量的信息。
c.标准化/校准：
i.交流电压信号分量的标准化：
交流电压信号分量21以基准信号502(图5)标准化，所述基准信 号对应于没有湿气影响的交流电压信号分量或者对应于具有100％ 氧气体积份额的气体样本的气体混合物中的湿气份额。所述基准信 号502事先借助于测量实验获得。
借此得到标准化的交流电压信号分量UY～、UYF～。
ii.直流电压信号分量的标准化：
直流电压信号分量20以基准信号503、400(图5)标准化，所述 基准信号对应于没有湿气影响的交流电压信号分量或者对应于具 有100％氧气体积份额的气体样本的气体混合物中的湿气份额。所 述基准信号503、400事先借助于测量实验获得。
借此得到标准化的直流电压信号分量UY～、UYF～。
d.压力补偿：
标准化的交流电压信号分量UY～、UYF～进行压力补偿，使得得到具有 2f分量的经压力补偿的标准化的信号UZ～、UZF～，如其在例如1013hPa的 参考压力中对于干燥的气体混合物检测到，使得形成对应于标准压力下的 干燥气体的值。为此，使用压力传感器310的测量值或指示气体样本的气 体混合物中的当前压力水平的信息。
e.计算氧气浓度：
经压力补偿的标准化的交流电压信号分量UZ～、UZF～用于确定气体浓 度的气体混合物中的氧气浓度，并从中确定指示气体浓度的气体混合物中 的氧气浓度的输出信号。
f.计算气体浓度的气体混合物中的其他气体浓度，特别是气体浓度的 气体混合物中的麻醉气体浓度。
标准化的直流电压信号分量UY＝、UY＝用于确定其他气体的浓度，特 别是麻醉气体浓度，并从中确定指示气体混合物中的其他气体、特别是麻 醉气体的浓度的输出信号。
所描述的步骤a)—步骤f)就本发明的意义而言也能够以变化的步骤 序列执行，因此，例如，根据事先借助于测量实验获得的数据集203和基 准信号400、502、503的编辑和设计，以其他的顺序执行压力或湿气的标 准化和补偿的顺序。
在该方法的步骤之一中或在另一步骤中，例如在步骤b)、c)或d) 之一中，能够执行测量元件的引导热和散热的特性的均衡。由测量元件在 引导热和散热特性方面的批次分散所决定的、关于不同测量元件之间差异 的这种均衡例如能够以如下简述的方式来执行：
测试气体输送和测量元件在标准工作点的运行，
检测直流电压信号分量UX＝、UX～，
可选用其他气体重复之前的步骤，
信号分量与标准值或比较值的比较，
求出校正值。
在该方法的步骤之一中或在另一步骤中，优选在步骤d)中，能够执 行对直流电压信号分量UX＝或标准化的直流电压信号分量UY＝进行压力补 偿。压力补偿实现：补偿密度的差异，从而补偿气体样本的其他混合物的 热导率的差异。例如，在高海拔的使用区域中得到密度差异，例如在海拔 超过2500米的使用区域中，即例如在山区或飞行器中得到密度差异。
在该方法的步骤之一中或在另一步骤中，优选在步骤b)或c)之一 中，能够执行对直流电压信号分量的温度补偿。在该方法的步骤之一中或 在另一步骤中，优选在步骤b)或c)之一中，能够执行对交流电压信号 分量的温度补偿。
在该方法的步骤之一中或在另一步骤中，优选在步骤b)或c)之一 中，能够执行对直流电压信号分量进行湿度补偿。在该方法的步骤之一中 或在另一步骤中，优选在步骤b)或c)之一中，能够执行对交流电压信 号分量进行湿度补偿。
计算和控制单元200能够基于气体样本的气体混合物中的所求出的另 一气体浓度的气体浓度和/或所求出的氧气浓度提供输出信号266、267， 所述输出信号包括和/或指示氧气浓度和至少一种其他气体的浓度。输出信 号266、267可用于在输出单元220上的数字、字母数字或图形输出，以 便告知用户气体浓度测量的结果。输出信号266、267还可用于经由数据 接口206将气体样本的气体混合物中的其他气体浓度的所求出的气体浓度 和/或所求出的氧气浓度提供到数据网络900中。在可选的设计方案中，数 据接口206也能够双向构成，以便将来自数据网络900的外部提供的信息 提供给计算和控制单元200。这种外部提供的信息能够包括例如关于计量 ***的计量状态的信息，所述计量***构造用于计量其他气体、例如地氟 醚和/或计量氧气。这种计量***能够构成为用于气体的具有阀装置的计量 装置或构成为用于计量挥发性麻醉剂(地氟醚、氟烷、七氟醚、安氟醚、 异氟醚)的麻醉剂蒸发器(蒸发)。这种外部提供的信息还能够共同包括 关于气体样本的气体混合物的气体组合物的信息，所述信息例如由其他外 部***检测和提供，例如由用于确定气体混合物中的麻醉气体的麻醉气体 监测器检测和提供。
在图5中示出图表201、202。借助于纵坐标(x轴线)399的关联， 在图表201、202中，在横坐标(y轴线)499上例如针对四种不同的气体 组合物500、600、700、800分别绘制电压信号。图1、图2、图3a、图 3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i、图4和图5中的相同元件 在图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i、 图4和图5中设有相同的附图标记。在没有气体样本中的湿气影响下，根 据作为根据图4的测量***100的测量设备1的设计方案，针对四种示例 性的气体组合物X1 500、X2 600、X3 700、X4 800，在图表201中示出在 测量元件2(图1、图2、图4)处得到的热电压信号UX1501、UX2601、 UX3701、UX4801作为测量元件2(图2)的输出信号。在气体样本中的湿 气影响下，根据作为根据图4的测量***100的测量设备1的设计方案， 针对四种示例性的气体组合物X1F 508、X2F 608、X3F 708、X4F808， 在图表202中示出在测量元件2(图1、图2、图4)处得到的热电压信号 UX1F 505、UX2F605、UX3F 705、UX4F 805作为测量元件2(图2)的输出信 号。
图表201中的热电压信号UX1501、UX2601、UX3701、UX4801和图表 202中的UX1F505、UX2F605、UX3F705、UX4F805的信号曲线在测量实验中 在环境温度、气体样本的气体混合物的温度和空气压力的通常环境条件下 记录。在此，对于环境温度和气体样本的气体混合物的温度，能够基于约 为12℃至28℃的温度范围，和约为1000hPa至1025hPa的压力范围。标 准化以热电压信号UX3503、400来进行，所述热电压信号当将具有100％气 体浓度氧气的干燥气体混合物输送给测量设备1(图1；图2)进而也由100％气体浓度氧气包围测量元件2(图1；图2)时作为加热的测量元件 2、8(图1；图2)的输出信号得到。
四种示例性气体组合物500、600、700、800如下组合作为空气或氧 气与示例性选择的挥发性麻醉气体(在该图5的视图中为此选择七氟醚试 剂)的不同的组合物：
气体组合物X1 500：100％氧气，
气体组合物X2 600：100％空气(氧份额21％)，
气体组合物X3 700：97％氧气，3％七氟醚，
气体组合物X4 800：97％空气，3％七氟醚。
在横坐标499上，将标准化的热电压信号UX1501、UX2601、UX3701、 UX4801的时间曲线与这四种气体组合物X1 500、X2 600、X3 700、X4 800， 相关联和显示。在此，对于每种气体组合物X1 500、X2 600、X3 700、 X4 800分别在标准化的热电压信号UX1501、UX2601、UX3701、UX4801的 时间曲线中示出直流电压信号分量和所述的叠加的正弦形的交流电压信 号分量。直流电压分量和交流电压分量的分离(如图4中在测量***100 (图4)中所示的那样)能够通过使用借助低通装置13(图1)或高通装 置14(图4)进行的适当的信号滤波来进行，使得对于不同的气体组合物 得到直流电压信号分量和交流电压信号分量，所述气体组合物能够提供给 由测量设备1(图1、图2、图4)在气体组合物方面进行进一步评估。
能够借助于布置在测量***100(图4)中的计算和控制单元200(图 4)执行关于气体组合物的进一步的评估。在此，具有事先以100％干燥氧 气标准化的直流电压信号分量和交流电压信号分量的热电压信号UX1501、 UX2601、UX3701、UX4801以如下方式进行评估：即随后得出的标准化的周 期性的交流电压信号分量和非周期性的直流电压信号分量彼此置于关联 并且进行评估，以便以高精度确定气体混合物的气体样本中的氧气浓度。 关于标准化的热电压信号UX1501、UX2601、UX3701、UX4801的在图表中 所示的信号曲线，这例如意味着：将标准化的交流电压信号分量UX1～502、 UX2～602、UX3～702、UX4～802能够分别与标准化的直流电压信号分量UX1＝ 503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803置于关联，并且相互比较，并且从如此形成的比例中或基于比较能够确定气体样本的气体混合物中的氧气浓 度。
除了确定气体混合物的气体样本中的氧气浓度之外，在通过计算和控 制单元200(图4)进行的评估的范围内，确定其他气体浓度。这种其他 气体浓度例如是挥发性麻醉剂七氟醚，其对测量值的效应也在热电压信号 UX3701、UX4801的示例性的视图中被选择以进行说明。
从测量实验中表明：在一定和已知的边界条件(磁场工作点)下且在 任意气体混合物的气体混合中包括或补偿环境影响(压力、湿度)的情况 下，交流电压信号分量UX1～502、UX2～602、UX3～702、UX4～802的幅度具 有与气体样本的气体混合物中的氧气浓度的几乎线性的相关性，其中，所 述气体混合物由氧气和空气或氧气和氮气与一定份额的挥发性麻醉剂、例 如七氟醚(交流电压信号分量UX3～702、UX4～802中为3％)构成。
此外，交流电压信号分量UX1～502、UX2～602、UX3～702、UX4～802的 幅值与气体样本的气体混合物中的作为麻醉剂、例如七氟醚的挥发性麻醉 气体(AGas)的浓度的份额相关。
标准化的直流电压信号分量UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803 的水平与气体样本的气体混合物的热导率相关，即与气体样本的气体混合 物中的氧气、空气、湿度、氮气和作为麻醉剂、例如七氟醚的挥发性麻醉 气体(AGas)的按份额的组合物相关。气体样本的气体混合物中的挥发性 麻醉剂的浓度越高，气体混合物的总热导率就越低，与之相应地，以具有 100％氧气的干燥气体的信号UX1＝503,400标准化的直流电压信号分量 UXn＝相对于所述标准化信号UX1＝503,400上升。
UXn＝＝f(cAGas，c空气，cO2，cN2，湿度) 公式4
气体样本的气体混合物中的氧气浓度越低，对气体混合物的总热导率 的顺磁效应就越低，与之相应地，以具有100％氧气的干燥气体的信号
400标准化的交流电压信号分量
相对于所述标准化信号
400下降。
图表201中的热电压信号UX1 501、UX2 601、UX3 701、UX4 801的信 号曲线说明这种情况，其中，所述热电压信号分量具有直流电压信号分量 UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803和交流电压信号分量UX1～502、UX2～ 602、UX3～702、UX4～802。气体样本中的湿度对直流电压信号分量和交流 电压信号分量的影响在图表202中通过热电压信号UX1F505、UX2F605、UX3F705、UX4F805的信号曲线示例性地说明，其中，热电压信号具有直流 电压信号分量UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807和交流电压信号 分量UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、UX4F～806。
因为在测量设备1(图1、图2、图4)运行中为薄膜上7(图1、图2、 图4)的测量元件2(图1、图2、图4)即使在气体样本中的气体组合物 变化(进而由此所述气体样本中的气体混合物的总热导率变化)的情况下 借助于加热结构8(图1、图2、图4)将电能形式的热能的输送和/或跟踪 设定、即调准、控制或调节于恒定的电能、电功率、电压、电流或温度， 或设定于、即调准、控制或调节相对于基准温度的超温，所以热电压信号 和热电压信号的变化代表在设定和跟踪热能时的变化的量度，所述变化可 通过气体样本的气体混合物中的热导率变化引起。
原则上，从物理学中得出：大多数液体的热导率高于气体或气体混合 物。如果考虑不同气体的热导率(在所述图表201中例如在空气的气体样 本500(λ＝0.02603W/mK)中，或与100％氧气的气体样本600 (λ＝0.02615W/mK)相比具有21％氧气的混合物中的基本上约78％的氮 气)，则在气体样本中的气体混合物的总热导率下降时显示出直流电压信 号分量UX1＝503、UX2＝603的提高。这能够如下进行解释：在热导率减小的 情况下，必须为测量元件2(图4)输送比热能更少的电能，以便设定测 量元件2上的特定的限定的温度水平，因为由于气体混合物的热导率减小 通过其他带走更少的能量并且由测量元件2(图4)传输给气体混合物。 然而，气体混合物的总热导率的增加伴随着测量元件2(图4)上的温度 的下降，并且与此相关地伴随着气体样本中的热电压信号的降低。
在图表202中，现在代替图表201中的四种示例性的干燥气体组合物， 示出四种潮湿的气体组合物X1F 508、X2F 608、X3F 708、X4F 808，所 述潮湿的气体组合物如下组合为空气或氧气与示例性选择的挥发性麻醉 气体(在所述图5的视图中选择七氟醚试剂)和一定含量的具有100％饱 和蒸汽的水蒸气(H2O)的不同的组合物：
气体组合物X1F 508：100％氧气、3％H2O，
气体组合物X2F 608：100％空气(氧含量21％)、3％H2O，
气体组合物X3F 708：97％氧气、3％七氟醚、3％H2O，
气体组合物X4F 808：97％空气、3％七氟醚、3％H2O。
(根据蒸汽压力表)100％饱和蒸汽的水(H2O)在所述图表202中对 应于气体样本的气体混合物中在24℃温度下的约3％H2O的气体浓度。气 体样本中的湿度对直流电压信号分量和交流电压信号分量的影响在图表 202中通过热电压信号UX1F505、UX2F605、UX3F705、UX4F805的信号曲线 示例性地说明，所述热电压信号具有直流电压信号分量UX1F＝507、 UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807和交流电压信号分量UX1F～506、UX2F～606、 UX3F～706、UX4F～806。
在图表202中对于四种示例性的潮湿的气体组合物508、608、708、 808示出在测量元件2(图1、图2、图4)处得到的电压信号UX1F505、 UX2F605、UX3F705、UX4F805。标准化以热电压信号UX1501进行，所述热 电压信号当将具有100％气体浓度氧气的干燥气体混合物输送给测量设 备1(图1；图2)进而也由100％气体浓度氧气包围测量元件2时作为 加热的测量元件2、8(图1；图2)的输出信号的时间曲线得到。在图表 202中可见在湿度影响下的热电压信号UX1F505、UX2F605、UX3F705、UX4F805 的变化。特别地，直流电压信号分量UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807 在气体样本的潮湿气体混合物中低于在根据图表201的干燥气体混合物中 的直流电压信号分量UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、而在根据图表201、202 的所述示意图中，交流电压信号分量UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、 UX4F～806在为所述测量实验提供的测量精度的范围内彼此没有显着差异。 由于为了获取热电压信号UX1501、UX2601、UX3701、UX4801测量元件2 (图2)以基本上恒定的能量输送运行以借助电路装置101(图3a)进行 温度控制，所以能够推断出热电压信号的这种减小，即测量元件2(图2) 的温度整体上在湿度影响下减小。这意味着：所输送的恒定能量的一定份 额从测量元件2(图2)继续传导到气体混合物中，进而不会对测量元件2 (图2)的温度控制做出贡献。水蒸气在气体样本的气体混合物中(尤其 在饱和蒸汽的情况下)构成分子簇。与干燥气体混合物相比，热电压信号 的直流电压信号分量UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807在潮湿气 体混合物中下降，因为为此需要所述是的能量的一部分，以便使水蒸气分 子从分子簇中的分子排列中脱离。取决于所述效应，结果在测量***100 (图4)的运行中，在湿气影响下，得到热电压信号的直流电压信号分量 UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807的降低，尽管基于水蒸气的热导 率(λ＝0.0199W/mK)会预期到气体样本中的气体混合物的总热导率的降 低(进而也预期到热电压信号的直流电压信号分量UX1F＝507、UX2F＝607、 UX3F＝707、UX4F＝807的上升)。从中能够推断出：与根据期望由于因气体样 本中的水蒸气(λ＝0.0199W/mK)的份额使总热导率相对于参考值400、503 降低得到的能量需求相比，在测量元件2(图4)的所得出的热平衡的所 述状况中借助热流、热传导、热辐射的效应得到能量需求的增加。
由于测量设备1基本上不是用于确定气体中的热导率的测量装置，而 是用于利用特定气体、尤其氧气的顺磁性结合热导率效应确定气体混合物 中的气体浓度的测量设备1，则所属于潮湿气体混合物的热电压信号 UX1F505、UX2F605、UX3F705、UX4F805的信号曲线与图表201中的所属于 干燥气体混合物的信号曲线UX1 501,UX2 601,UX3 701,UX4 801的差异基于 不同效应的组合，其中，所述所属于潮湿气体混合物的热电压信号具有直 流电压信号分量UX1F＝507、UX2F＝607、UX3F＝707、UX4F＝807和交流电压信 号分量UX1F～506、UX2F～606、UX3F～706、UX4F～806，并且所述所属于干燥气 体混合物的信号曲线具有直流电压信号分量UX1＝503、UX2＝603、UX3＝703、UX4＝803和交流电压信号分量UX1～502、UX2～602、UX3～702、UX4～802。所 述效应从气体组合物的变化与热导率的从中得出的变化和测量设备1(图 1、图2、图4)中的热平衡和其变化和对测量元件2(图4)处的热平衡 的作用中得出。测量元件2(图4)处的热平衡在测量***100(图4)的 运行中由于效应而得出，即由于热传输的效应，例如由于通过热辐射散热 给环境的效应、进入气体样本中的热流(对流)的效应、通过在测量设备 1内或朝测量设备1(图1、图2、图3、图4)外的热传导引起的散热的 效应、薄膜7(图1、图2、图3、图4)内和到测量设备(图4)的周围 结构的热传导的效应、还有取决于通过由测量设备1(图1、图2、图3、 图4)的电接触引起的热传导产生的散热的效应。
图6示出测量设备1与测量室380、测量元件2、冲洗室390在具有 气体输送装置386和气体前引装置395的测量设备1中的布置，其中，所 述测量设备示意性地结合到气体输送装置398中，所述气体引导装置具有 压力传感器310、湿度传感器320、温度传感器330、另一参考温度传感器 340、第一热敏电阻345、第二热敏电阻346。图1、图2、图3a、图3b、 图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i、图4、图5和图6中的相同的 元件在图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图 3i、图4、图5和图6中设有相同的附图标记。传感器310、320、330、340、 345、346的测量值被输送和提供给适合与此的且与计算和控制单元200 相关联的传感测量单元300。传感测量单元300能够设计为独立的测量模 块或计算和控制单元200的子模块(图4)。在可选的设计方案中，湿度传 感器320能够共同包括参考温度传感器340。计算和控制单元200能够构 造用于，借助参考温度传感器340对湿度传感器320的测量值进行标准化。 借助对环境温度和气体温度、压力水平的了解，计算和控制单元200能够 从相对湿度确定绝对值，从而在测量测量气体的各自当前环境条件时对于 在确定其他气体的其他浓度时和在确定氧气浓度时所需的校正相应地换 算成标准化的条件。作为标准化的条件例如能够列举：
ATPS(环境温度饱和压力)，20℃，1013hPa，湿气饱和，
BTPS(体温饱和压力)，37℃，1013hPa，湿气饱和，
STPD(标准温度干燥压力)，0℃，1013hPa，气体混合物中不含湿气。
借助气体引导装置398，测量气体能够在测量设备1中经由其他输送 装置385到达测量室380中。在测量室380中，测量气体对测量元件2和 温度传感器330环流并且经由气体前引装置395再次离开。在其他前引装 置395的区域中，第一热敏电阻(NTC)345、第二热敏电阻(NTC)346、 压力传感器310以及具有可选的参考温度传感器340的湿度传感器320布置在冲洗室390中。第二热敏电阻(NTC)在气体前引装置395中位于阴 影元件347的流动阴影中。计算和控制单元200构造用于，基于第一热敏 电阻345和第二热敏电阻346的测量值来求出：是否在气体前引装置395 中存在流398，并提供输出信号268，所述输出信号指示冲洗室390中的 流动情况(进而也间接地指示在测量室380中，在气体输送装置385中的 其他前引装置395中的流动情况)。输出信号268例如可用于，在输出单 元220上产生关于输出单元220的提示或者为数据网络900提供。
图7以具有多个步骤的示例性的步骤序列的流程图示出用于运行测量 ***100(图4)的方法的示例性的流程1100，所述测量***用于确定气 体样本的气体混合物中的气体浓度。图7可解读为对图4的附图描述的补 充或结合图4的附图描述来解读。图1、图2、图3a、图3b、图3c、图 3d、图3f、图3g、图3h、图3i、图4、图5、图6和图7中的相同元件在 图1、图2、图3a、图3b、图3c、图3d、图3f、图3g、图3h、图3i、图 4、图5、图6和图7用相同的附图标记表示。具有用于运行测量***100 (图4)的基本方法的、具有步骤1001、1002、1003、1004、1005、1006、 1007、1008和1009的步骤序列的流程1100在开始1001到结束1009具有 以下方法步骤：
a.信号分离1002，具有将热电压信号分成直流电压信号分量(直流 分量)20和交流电压信号分量21。
b.交流电压信号分量21的可选的湿度补偿1003和/或直流电压信号 分量20的可选的湿度补偿。随后得到可选信号，其分别关于湿度补偿的 交流电压信号分量21'和/或直流电压信号组件20'。
c.将交流电压信号分量21或湿度补偿的交流电压信号分量21'以基准 信号502来标准化1004。借此得到标准化的交流电压信号分量UY～。
将直流电压信号分量20或湿度补偿的直流电压信号分量20'以基准信 号503来归一化1005。借此得到标准化的直流电压信号分量UY＝。
d.借助于指示气体样本的气体混合物中的当前压力水平310的信息 对交流电压信号分量21进行压力补偿1006。
e.计算1007氧气浓度和提供输出信号266，所述输出信号指示气体 浓度的气体混合物中的氧气浓度。
f.计算1008其他气体的浓度并且提供输出信号267，所述输出信号 指示气体混合物中的其他气体、特别是麻醉气体的浓度。
在计算和输出氧气浓度和其他气体浓度后，跳回1011到开始1001并 且连续执行流程1100。在另一可选的步骤1010中，在根据所述图7的所 述示例性的流程1100中执行测量元件的传导热和散热的特性1012的均 衡。在另一可选的步骤1010中，直流电压信号分量20的压力补偿能够在 所述图7的示例性的流程1100中进行。
在所述图7中，可选的湿度补偿1003通过虚线线形也在步骤1003、 1004、1005中图形化地明确，使得根据图7在流程1100中应当示出：例 如也不必进行湿度补偿，在这种情况下在步骤1004中以基准信号502对 交流电压信号分量21标准化，并且在步骤1005中以基准信号503标准化 直流电压信号分量20。
但是，图7还一起示出对于步骤1004、1005的以下其他选项：
步骤1004：以基准信号502标准化交流电压信号分量21，
步骤1005：以基准信号503标准化经湿度补偿的直流电压信号分量 20'；
步骤1004：以基准信号502标准化经湿度补偿的交流电压信号分量 21'，
步骤1005：以基准信号503标准化经湿度补偿的直流电压信号分量 20'；
步骤1004：以基准信号502标准化将经湿度补偿的交流电压信号分量 21'，
步骤1005：以基准信号503标准化直流电压信号分量20。
在所有情况下，随步骤1004、1005之后进行对交流电压信号分量21 的压力补偿1006。在流程1100的可选的设计方案中(例如在另一可选步 骤1010中)附加地还能够进行对直流电压信号分量20的压力补偿。
附图标记列表
1 测量设备
2 测量元件
3 气隙
4 电磁体
5 线圈
6 热传导测量单元
7 薄膜
8 加热结构
9 测量部位
10 放大器
11 分压器
12 直流电压源
13 低通装置，低通滤波器，低通
14 高通装置，高通滤波器，高通
15 分流器
16 乘法器
17 反相放大器
20、20' 直流电压信号分量(热传导信号)UX～、UXF＝
21、21' 交流电压信号分量(氧气信号)UX＝、UXF～
22 加热功率
23 加热电流
24 加热电压
25 调制所引起的信号(氧气)
100 测量***
101–109 电路装置
200 计算和控制单元
201，202 图表
203 数据集、关联关系、表格、数据字段(阵列)
204 磁场控制装置
205 信号处理装置
206 数据接口
207 数据存储、计算模块、μC、RAM、ROM
220 输出单元
244 到磁体的控制线路
255 来自测量元件的信号线路
266、267 输出信号
300 传感测量单元
310 压力传感器，压力测量值，压力测量信号，气体样本中的压力水平的信息或数据
320 湿度传感器，湿度测量值，湿度测量信号，气体样本中的湿度的信息或数据
330 温度传感器，温度测量值，温度测量信号，气体样本中的温度的信息或数据
340 参考温度传感器
345、346 热敏电阻(NTC)
347 阴影元件
380 测量室
385 气体输送装置
390 冲洗室
395 气体前引装置
398 气体引导装置
399 纵坐标(x轴线)
400、450 缩放值、参考值、标准化值
499 横坐标(y轴线)
500、600、700、800 气体组合物(干燥)，气体样本
501,601,701,801 干燥的气体组合物的热电压信号
502、602、702、802 热电压信号(交流电压信号分量)
503、603、703、803 热电压信号(直流电压信号分量)
502、503 用于标准化的参考值
505、605、705、805 潮湿的气体混合物的热电压信号
506、606、706、806 热电压信号(交流电压信号分量)
507、607、707、807 热电压信号(直流电压信号分量)
508、608、708、808 气体组合物(潮湿)
900 数据网络
1000 分界线
1001-1011 用于运行测量***的流程的步骤序列
1012 测量元件的导热/散热特性
1100 流程图。
Claims (20)
1.一种用于确定气体混合物中的气体浓度的测量***(100)，所述测量***具有：
气体输送装置(385)，所述气体输送装置具有气体前引装置(395)，
测量设备(1)，所述测量设备具有在测量室(380)中的测量元件(2)、电磁体(4)和线圈(5)，
计算和控制单元(200)，
电路装置(100，101，102，103，104，105，106，107，108，109)，
其中，所述气体输送装置(385)构造用于将一定量的气体样本的气体混合物输送至所述测量元件(2)，
其中，所述测量设备(1)与所述电路装置(100，101，102，103，104，105，106，107，108，109)构造用于加热所述测量元件(2)的薄膜(7)上的加热结构(8)，
其中，所述测量设备(1)与所述电磁体(4)、所述线圈(5)和所述电路装置(100，101，102，103，104，105，106，107，108，109)构造用于产生作用于所述测量元件(2)上的磁场(2)，
其中，所述电路装置(100，101，102，103，104，105，106，107，108，109)构造用于运行具有所述测量元件(2)和所述电磁体(4)和所述线圈(5)的所述测量设备(1)，
其中，所述电路装置(100，101，102，103，104，105，106，107，108，109)构造用于，将具有交流电压信号分量(21)和具有直流电压信号分量(20)的测量值提供给所述计算和控制单元(200)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于包括或补偿环境条件，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于以参考值(503，400，502)将所述交流电压信号分量(21)和直流电压信号分量(20)标准化成标准化的交流电压信号分量UY～和标准化的直流电压信号分量UY＝,
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于基于所述标准化的交流电压信号分量UY～确定所述气体样本的所述气体混合物中的氧气浓度，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于基于所述标准化的直流电压信号分量UY＝确定所述气体样本的所述气体混合物中的其他气体的浓度，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于提供输出信号(266，267)，所述输出信号指示所述气体样本的所述气体混合物中的确定的所述氧气浓度和确定的其他气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的测量***(100)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，
在确定所述气体样本的所述气体混合物中的所述氧气浓度时，和/或
在确定所述气体样本的所述气体混合物中的其他气体的浓度时
考虑先前在测量试验中求出的数据集(203)，所述数据集代表信号曲线的关联关系，所述信号曲线与所述气体样本的气体混合物中的其他气体和氧气的浓度相关。
3.根据权利要求2所述的测量***(100)，
其中，所述数据集(203)以一个或多个数据字段的形式存储，或者以函数或关联规则或函数的形式存储。
4.根据权利要求1所述的测量***(100)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，将压力传感器(310)的测量值和/或关于所述气体样本的所述气体混合物中的压力水平所提供的信息包括到所述氧气浓度的确定中和/或所述其他气体浓度的确定中，所述压力传感器指示所述气体样本的所述气体混合物中的压力水平。
5.根据权利要求1所述的测量***(100)，其中，所述测量设备(1)和/或所述计算和控制单元(200)构造用于加热所述测量室(380)和/或所述气体输送装置(385)。
6.根据权利要求1所述的测量***(100)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，
将湿度传感器(320)的测量值或者关于所述气体样本的所述气体混合物中的湿度所提供的信息和/或温度传感器(330，340)的测量值或者关于所述气体样本的所述气体混合物中的温度所提供的信息包括到所述氧气浓度的确定中和/或其他气体浓度的确定中，所述湿度传感器指示所述气体样本的所述气体混合物中的湿度情况，所述温度传感器指示所述气体样本的所述气体混合物中的温度情况。
7.根据权利要求6所述的测量***(100)，
其中，所述湿度传感器(320)位于冲洗室(390)中。
8.根据权利要求6或7所述的测量***(100)，
其中，所述湿度传感器(320)包括参考温度传感器(340)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，借助于所述参考温度传感器(340)将所述湿度传感器(320)的测量值标准化。
9.根据权利要求7或8所述的测量***(100)，其中
冲洗室(390)在气流(398)中并且在所述测量设备(1)中在所述测量元件(3)处相对于所述测量元件(2)和相对于所述气流(398)布置成，使得所述气体样本的流动的所述气体混合物在对所述测量元件(2)的所述薄膜(7)的表面进行绕流/溢流之后能够流入并且流过所述冲洗室(390)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的测量***(100)，
其中，至少一个、优选两个电阻测量元件(345，346)布置在冲洗室(390)中，其中，所述两个电阻测量元件(345)中的至少一个电阻测量元件能够布置在气流中，并且所述两个电阻测量元件中的另一个电阻测量元件(346)能够布置在阴影元件(347)之后，其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，基于所述至少一个电阻测量元件(345)或所述两个电阻测量元件(345，346)的测量值确定流动状态(398)。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的测量***(100)，
其中，设有传感测量单元(300)并且关联有所述计算和控制单元(200)，所述传感测量单元设计和设置用于检测
电阻测量元件(345，346)的、
压力传感器(310)的、
湿度传感器(320，340)的、
至少一个温度传感器(330)的
测量值中的至少一个测量值，并且所述传感器测量单元设计和设置用于将检测到的所述测量值或者从所述测量值推导的数据提供给所述计算和控制单元(200)。
12.根据权利要求10或11所述的测量***(100)，其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，基于所述电阻测量元件(346，345)的数据确定，是产生所述气体样本的所述气体混合物穿流经过冲洗室(390)的状态。
13.根据前述权利要求中任一项所述的测量***(100)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，将关于所述气体样本的所述气体混合物的气体组合物的提供的信息共同包括到所述氧气浓度的确定中和/或其他气体浓度的确定中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的测量***(100)，
其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，将
关于计量***的计量状态的所提供的信息，
涉及呼吸阶段的所提供的信息，
涉及麻醉或呼吸设备的运行状态的所提供的信息，
共同包括到所述氧气浓度的确定中和/或其他气体浓度的确定中。
15.根据前述权利要求中任一项所述的测量***(100)，
其中，借助于气体输送装置(385)，将
作为呼气气体样本的呼气输入线路的气体混合物的气体样本，
作为吸气气体样本的吸气输入线路的气体混合物的气体样本，
作为靠近患者的气体样本的靠近患者的连接元件(Y型件)的气体混合物的气体样本，
作为内部的气体样本的所述麻醉设备或呼吸设备中的所述气体输送装置的提取点、例如新鲜气体馈入的位置处的气体混合物的气体样本，
输送给所述测量***(100)，并且其中，所述计算和控制单元(200)构造用于，确定所述气体样本中的氧气和其他气体的气体浓度。
16.一种使用具有交流电压信号分量(21)和直流电压号分量(20)的测量值来确定气体样本的气体混合物中的气体浓度的方法，
其中，执行以下步骤序列中的方法步骤：
将热电压信号信号分离成直流电压信号分量(20)和交流电压信号分量(21)，
将所述交流电压信号分量(21)和所述直流电压信号分量(20)以参考值(503，400，502)进行标准化并转换为标准化的交流电压信号分量UY～和直流电压信号分量UY＝，
在包括压力传感器(310)的测量值或指示所述气体样本的所述气体混合物中的当前压力水平的信息的情况下，对标准化的所述交流电压信号分量UX1～进行压力补偿，
基于所述交流电压信号分量UY～确定所述气体样本的所述气体混合物中的氧气浓度，
基于所述直流电压信号分量UY＝确定所述气体样本的所述气体混合物中的麻醉气体浓度，
提供输出信号(266，267)，所述输出信号指示所述气体样本的所述气体混合物中的其他气体的浓度和氧气浓度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述步骤之一中或在其他步骤中，在包括湿度传感器(320)的测量值或指示所述气体样本的所述气体混合物中的湿度含量的信息的情况下，对所述交流电压信号分量(21)和/或所述直流电压信号分量(20)进行湿度补偿。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述步骤之一中或在其他步骤中，执行所述测量元件(2)的导热特性和散热特性的平衡。
19.根据权利要求16所述的方法，其中，在其他步骤中，在包括压力传感器(310)的测量值或指示所述气体样本的所述气体混合物中的当前压力水平的信息的情况下，执行对所述直流电压信号分量或标准化的所述直流电压信号分量UY＝的压力补偿。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，在其他步骤中，执行对所述交流电压信号分量UX～或标准化的所述交流电压信号分量UY～和/或所述直流电压信号分量UX＝或标准化的所述直流电压信号分量UY＝的湿度补偿和/或温度补偿。
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| CN117470921B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-22 | 启思半导体(杭州)有限责任公司 | Mems气体传感器阵列的信号采集方法及*** |
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