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DE102023121741A1 - sensor arrangement - Google Patents

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Publication number
DE102023121741A1
DE102023121741A1 DE102023121741.0A DE102023121741A DE102023121741A1 DE 102023121741 A1 DE102023121741 A1 DE 102023121741A1 DE 102023121741 A DE102023121741 A DE 102023121741A DE 102023121741 A1 DE102023121741 A1 DE 102023121741A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
arrangement
sensor
measuring
gas
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023121741.0A
Other languages
German (de)
Inventor
Hans-Ullrich Hansmann
Bernd-Michael Dicks
Robert Jahns
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Draegerwerk AG and Co KGaA
Original Assignee
Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Draegerwerk AG and Co KGaA filed Critical Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority to DE102023121741.0A priority Critical patent/DE102023121741A1/en
Priority to PCT/DE2023/000163 priority patent/WO2025036516A1/en
Publication of DE102023121741A1 publication Critical patent/DE102023121741A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/661Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters using light
    • GPHYSICS
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    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/6888Thermoelectric elements, e.g. thermocouples, thermopiles

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Abstract

Eine Sensoranordnung (1) mit mindestens zwei auf einem Trägerelement (3) angeordneten Sensorelementen (5, 7, 9) ermöglicht eine Analyse eines Gasgemisches.Je nach Ausgestaltungen der Sensorelemente (5, 7, 9) können unterschiedliche physikalische Eigenschaften des Gasgemisches an einem gemeinsamen Messort messtechnisch erfasst, verarbeitet und als Daten bereitgestellt werden.A sensor arrangement (1) with at least two sensor elements (5, 7, 9) arranged on a carrier element (3) enables an analysis of a gas mixture. Depending on the configuration of the sensor elements (5, 7, 9), different physical properties of the gas mixture can be measured, processed and provided as data at a common measuring location.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Situationen in einem Atemgasgemisch, beispielsweise in einem Einatemgas oder in einem Ausatemgas eines Lebewesens. Die Erfindung umfasst sowohl Sensoranordnungen, in denen das Phänomen des Paramagnetismus von Gasen als Messeffekt ausgenutzt wird, wie auch Sensoranordnungen, in denen ein Grad an Absorption von infrarotem Licht als Messeffekt ausgenutzt wird, wie auch Sensoranordnungen, in denen die Unterschiedlichkeit in der Wärmeleitfähigkeit verschiedener Gase als Messeffekt ausgenutzt wird.The invention relates to a sensor arrangement for determining physical or chemical situations in a respiratory gas mixture, for example in an inhalation gas or in an exhalation gas of a living being. The invention includes both sensor arrangements in which the phenomenon of paramagnetism of gases is used as a measuring effect, as well as sensor arrangements in which a degree of absorption of infrared light is used as a measuring effect, as well as sensor arrangements in which the difference in the thermal conductivity of different gases is used as a measuring effect.

Es ist bekannt, die Zusammensetzung von Atemgasen optisch zu vermessen. Als Maß für die Konzentration des jeweiligen Gases dient hierbei die Absorption des Lichts in einem bestimmten, für das jeweilige Gas spezifischen Wellenlängenbereich. Auf diese Weise werden im medizinischen Bereich - insbesondere während der Durchführung einer Anästhesie eines Lebewesens - im Atemgasgemisch von beatmeten Patienten unter anderem die Konzentrationen volatiler Anästhesiegase, Kohlendioxid (CO2) sowie Lachgas (N2O) gemessen.It is known to measure the composition of respiratory gases optically. The absorption of light in a certain wavelength range specific to the respective gas serves as a measure of the concentration of the respective gas. In this way, in the medical field - especially during anesthesia of a living being - the concentrations of volatile anesthetic gases, carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) are measured in the respiratory gas mixture of ventilated patients.

In der US5739535B ist eine infrarot-optische Gasmessvorrichtung beschrieben. Aus der US8399839B ist ein infrarot-optischer Kohlenstoffdioxidsensor, ein sogenannter IR-Kohlenstoffdioxidsensor, bekannt. Aus der US6571622B ist ein Kombinationssensor aus einem infrarot-optischen Kohlenstoffdioxidsensor mit einem Durchflusssensor bekannt, welcher im Hauptstrom (main stream) im Atemgasweg eines Patienten angeordnet werden kann. Aus der US2004238746A , US2002036266A sind infrarot-optische Kohlenstoffdioxidsensoren bekannt, welche im Nebenstrom (side stream) im bzw. am Atemgasweg eines Patienten angeordnet werden können. Die US6954702B , US7606668B , US8080798B , US7501630B , US7684931B , US7432508B , US7183552B zeigen Gasmesssysteme zur Erfassung von Gaskonzentrationen im Nebenstrom (side stream) und Hauptstrom (main stream).In the US5739535B An infrared optical gas measuring device is described. From the US8399839B An infrared optical carbon dioxide sensor, a so-called IR carbon dioxide sensor, is known. US6571622B A combination sensor consisting of an infrared optical carbon dioxide sensor and a flow sensor is known, which can be arranged in the main stream in the respiratory gas path of a patient. From the US2004238746A , US2002036266A Infrared optical carbon dioxide sensors are known, which can be arranged in the side stream in or on the respiratory gas path of a patient. The US6954702B , US7606668B , US8080798B , US7501630B , US7684931B , US7432508B , US7183552B show gas measuring systems for detecting gas concentrations in the side stream and main stream.

Die EP3421947 B1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Durchflusssensorvorrichtung mit einer ersten Sensoranordnung zum Messen eines Durchflusses eines Fluids und einer ersten Fluideigenschaft und mit einer zweiten Sensoranordnung zum Messen einer weiteren zweiten Fluideigenschaft unter Verwendung von Thermoelementen oder Thermosäulen. Die US 6,779,395 B2 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des Durchflusses eines Fluids mit einem Hauptkanal und einem Bypass. Die US 9,952,079 B2 zeigt einen Sensor, der einem Fluid im Bypasskanal ausgesetzt (wird) und einen Wert misst, der sich auf die Durchflussmenge des durch den Bypasskanal fließenden Fluids bezieht.The EP3421947 B1 shows a method for operating a flow sensor device with a first sensor arrangement for measuring a flow of a fluid and a first fluid property and with a second sensor arrangement for measuring a further second fluid property using thermocouples or thermopiles. The US 6,779,395 B2 shows a device for measuring the flow of a fluid with a main channel and a bypass. The US 9,952,079 B2 shows a sensor that is exposed to a fluid in the bypass channel and measures a value related to the flow rate of the fluid flowing through the bypass channel.

Zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen werden häufig paramagnetische Verfahren verwendet, die auf der Tatsache basieren, dass Sauerstoffmoleküle aufgrund ihres permanenten magnetischen Dipolmoments paramagnetisch sind, wohingegen die meisten anderen Gase diamagnetische Eigenschaften aufweisen. Es ist allgemein bekannt, dass sich bei paramagnetischen Gasen unter Einfluss magnetischer Felder die Wärmeleitfähigkeit ändert. Die Ursache dieses Verhaltens ist offenbar die Tatsache, dass paramagnetische Gase ein permanentes magnetisches Moment besitzen, das jedoch normalerweise, und zwar aufgrund der thermischen Molekularbewegung der Gasmoleküle, nach außen nicht in Erscheinung tritt. Ein ausreichend starkes externes Magnetfeld sorgt aber dafür, dass die magnetischen Dipolmomente der einzelnen Moleküle ausgerichtet werden. Dies bewirkt einerseits eine Änderung der Suszeptibilität, was eine Erhöhung des magnetischen Flusses zur Folge hat, andererseits stellt sich im Gas eine gewisse Molekülanordnung ein, wodurch die Freiheitsgrade und damit die Möglichkeiten, über Stöße Wärmeenergie an benachbarte Moleküle zu übertragen, eingeschränkt werden. Dadurch verändert sich in einem geringen Maße die Wärmeleitfähigkeit des Gases. Paramagnetische Messeinrichtungen zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen, insbesondere auch in Atemgasen, sind beispielsweise aus der US6952947 BB, US2011094293 AA, US8596109 BB, US9360441 BB, US6895802 BB, US6405578 BB, US6430987 BA, US4808921 A , US4683426 A , US3646803 A , US3584499 A , US2944418 A bekannt.Paramagnetic methods are often used to determine the oxygen concentration in gases. These methods are based on the fact that oxygen molecules are paramagnetic due to their permanent magnetic dipole moment, whereas most other gases have diamagnetic properties. It is well known that the thermal conductivity of paramagnetic gases changes under the influence of magnetic fields. The reason for this behavior is apparently the fact that paramagnetic gases have a permanent magnetic moment, which is normally not visible to the outside due to the thermal molecular movement of the gas molecules. However, a sufficiently strong external magnetic field ensures that the magnetic dipole moments of the individual molecules are aligned. On the one hand, this causes a change in the susceptibility, which leads to an increase in the magnetic flux, and on the other hand, a certain molecular arrangement is established in the gas, which limits the degrees of freedom and thus the possibilities of transferring heat energy to neighboring molecules via collisions. This changes the thermal conductivity of the gas to a small extent. Paramagnetic measuring devices for determining oxygen concentrations, especially in respiratory gases, are known, for example, from US6952947 BB, US2011094293 AA, US8596109 BB, US9360441 BB, US6895802 BB, US6405578 BB, US6430987 BA, US4808921 A , US4683426 A , US3646803 A , US3584499 A , US2944418 A known.

Die US6430987 BA zeigt einen paramagnetischen Gassensor zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen. Es sind thermoelektrische Elemente in einer Magnetfeldanordnung angeordnet. Mittels einer Wärmeflussmessung ohne einen Einfluss sowie unter Einfluss des Magnetfeldes kann eine Sauerstoffkonzentration in einem Gasgemisch ermittelt werden.The US6430987 BA shows a paramagnetic gas sensor for determining oxygen concentrations. Thermoelectric elements are arranged in a magnetic field. The oxygen concentration in a gas mixture can be determined by measuring the heat flow without the influence of the magnetic field and under its influence.

In aktuellen Ausgestaltungen für Gasmessaufgaben zu einer Analyse einer Gaszusammensetzung bei der Durchführung einer Anästhesie eines Lebewesens werden zumeist zwei oder drei der zuvor genannten Messaufgaben, also Durchflussmengenmessung, Sauerstoffkonzentrationsmessung, Anästhesiegaskonzentrationsmessung zumeist in einer seriellen Anordnung zu einem Messsystem zusammengestellt. Die serielle Anordnung bedingt, dass beispielsweise ein Messwert einer Durchflussmenge und ein Messwert der Sauerstoffkonzentrationsmessung nicht zeitgleich erfassbar sind oder zum gleichen Zeitpunkt erfasste Messwerte nicht den gleichen Strömungszustand des Gasgemisches im Hinblick auf den Verlauf von Einatmung und Ausatmung des Lebewesens unterhalb der Durchführung der Anästhesie aufweisen.In current designs for gas measurement tasks for an analysis of a gas composition when anesthetizing a living being, two or three of the previously mentioned measurement tasks, i.e. flow rate measurement, oxygen concentration measurement, anesthetic gas concentration measurement, are usually combined in a serial arrangement to form a measuring system. The serial arrangement means that, for example, a measured value of a flow rate and a measured value of the oxygen concentration measurement cannot be recorded at the same time or that measurements recorded at the same time values do not indicate the same flow state of the gas mixture with regard to the course of inhalation and exhalation of the living being below the performance of anesthesia.

Ausgehend vom Stand der Technik ergibt sich daher die Aufgabenstellung, eine Sensoranordnung auszugestalten, welche basierend auf Thermoelementen oder Thermosäulen ein integriertes Messsystem bereitstellt, welches in der Lage ist, Konzentrationen von Sauerstoff, weiterer Gase sowie auch Durchflussmengen gleichzeitig zu erfassen.Based on the state of the art, the task therefore arises of designing a sensor arrangement which, based on thermocouples or thermopiles, provides an integrated measuring system which is capable of simultaneously detecting concentrations of oxygen, other gases as well as flow rates.

Vorzugsweise können die Thermoelemente oder Thermosäulen zur Ausgestaltung von Lösungen der Aufgabenstellung (als?) mikrostrukturierte Bauteile, insbesondere Halbleiterstrukturen in Form von sogenannten Micro-Electro-Mechanical- Systems (MEMS) ausgestaltet werden.Preferably, the thermocouples or thermopiles can be designed to provide solutions to the problem (as?) microstructured components, in particular semiconductor structures in the form of so-called micro-electro-mechanical systems (MEMS).

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The problem is solved by a measuring system with the features of patent claim 1.

Die Aufgabe wird gelöst zudem durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.The problem is also solved by a measuring system with the features of patent claim 2.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben, welche teilweise unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.Advantageous further developments are specified in the subclaims, some of which are explained in more detail with reference to the figures.

Eine erste erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zu einer Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches ausgebildet. Dazu weist die Sensoranordnung mindestens ein planar ausgebildetes Trägerelement und eine Anzahl von mindestens zwei Sensorelementen auf. Die mindestens zwei Sensorelemente sind dabei auf Oberflächen des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes angeordnet. Die Oberflächen werden durch eine Unterseite und eine Oberseite des Trägerelementes ausgebildet. Die mindestens zwei Sensorelemente können auf derselben Oberfläche des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes angeordnet sein. Die mindestens zwei Sensorelemente können auf unterschiedlichen Oberflächen - also jeweils auf der Unterseite und auf der Oberseite des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes - angeordnet sein. Das Trägerelement und die mindestens zwei Sensorelemente sind als eine integrierte Anordnung in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum angeordnet und bilden damit die Sensoranordnung erfindungsgemäß aus. In dem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum kann eine gleichzeitige Messwerterfassung der Messelemente zu einem gleichen Strömungszustand im gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum erfolgen.A first sensor arrangement according to the invention is designed to determine physical or chemical properties of a gas or gas mixture. For this purpose, the sensor arrangement has at least one planar carrier element and a number of at least two sensor elements. The at least two sensor elements are arranged on surfaces of the at least one planar carrier element. The surfaces are formed by a bottom and a top of the carrier element. The at least two sensor elements can be arranged on the same surface of the at least one planar carrier element. The at least two sensor elements can be arranged on different surfaces - i.e. on the bottom and on the top of the at least one planar carrier element. The carrier element and the at least two sensor elements are arranged as an integrated arrangement in a common gas or flow space and thus form the sensor arrangement according to the invention. In the common gas or flow space, simultaneous measurement value recording of the measuring elements for the same flow state in the common gas or flow space can take place.

Das Trägerelement ist zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet. Das Trägerelement kann zumindest teilweise als ein Keramikträgerelement oder als ein Folienträgerelement (flexible PCB) ausgebildet sein. Die mindestens zwei Sensorelemente sind als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet. Thermosäulen werden oftmals auch als Thermopiles bezeichnet. An dem Trägerelement ist eine Anordnung von zwei Elementen aus einem magnetisch leitenden Material angeordnet. Diese Anordnung von zwei Elementen aus magnetisch leitenden Materialien ist zu einer Führung eines Magnetfeldes geeignet ausgebildet und kann als eine Anordnung von zwei Polschuhen ausgestaltet sein, also beispielsweise als ein Paar von Polschuhen an dem Trägerelement angeordnet sein. Die Führung des Magnetfeldes ermöglicht vorzugsweise, dass sich die magnetischen Feldlinien und der magnetische Fluss im Wesentlichen senkrecht zur planaren Oberfläche des Trägerelementes und insbesondere auch senkrecht zu den als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildeten Sensorelementen ausbreiten. Als magnetisch leitfähige Materialen sind beispielsweise Ferrite, Metalle, etwa Eisenkerne, gesinterte Polschuhe aus Zusammenstellungen (Compounds) aus Epoxidharzen mit Metallpulver zu nennen. Die Anordnung der Elemente zur Führung eines Magnetfeldes und mindestens einem (des mindestens einen?) der beiden Sensorelemente ist derart zueinander ausgestaltet ist, dass eine im Wesentlichen rechtwinklige Führung des Magnetfelds in Bezug auf die Oberfläche des planaren Trägerelementes gegeben ist. Mindestens eines der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente bildet mit der Anordnung der zwei zur Führung eines Magnetfeldes ausgebildeten Elemente ein Messmodul zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung aus. Ein weiteres der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente bildet ein Messmodul zu einer infrarotoptischen Gaskonzentrationsmessung oder ein Messmodul zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung aus.The carrier element is at least partially designed as a semiconductor substrate. The carrier element can be at least partially designed as a ceramic carrier element or as a film carrier element (flexible PCB). The at least two sensor elements are designed as thermocouples or as thermopiles. Thermopiles are often also referred to as thermopiles. An arrangement of two elements made of a magnetically conductive material is arranged on the carrier element. This arrangement of two elements made of magnetically conductive materials is designed to be suitable for guiding a magnetic field and can be designed as an arrangement of two pole shoes, for example as a pair of pole shoes arranged on the carrier element. The guidance of the magnetic field preferably enables the magnetic field lines and the magnetic flux to spread essentially perpendicular to the planar surface of the carrier element and in particular also perpendicular to the sensor elements designed as thermocouples or as thermopiles. Examples of magnetically conductive materials include ferrites, metals, such as iron cores, sintered pole shoes made of compounds made of epoxy resins with metal powder. The arrangement of the elements for guiding a magnetic field and at least one (of the at least one?) of the two sensor elements is designed in such a way that the magnetic field is guided essentially at right angles in relation to the surface of the planar carrier element. At least one of the at least two sensor elements designed as a thermocouple or thermopile forms a measuring module for paramagnetic gas concentration measurement with the arrangement of the two elements designed for guiding a magnetic field. Another of the at least two sensor elements designed as a thermocouple or thermopile forms a measuring module for infrared optical gas concentration measurement or a measuring module for flow or flow rate measurement.

Eine zweite erfindungsgemäße Sensoranordnung ist zu einer Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches ausgebildet. Dazu weist die Sensoranordnung mindestens ein planar ausgebildetes Trägerelement und eine Anzahl von mindestens zwei Sensorelementen auf. Die mindestens zwei Sensorelemente sind dabei auf einer Oberfläche des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes angeordnet. Das Trägerelement und die mindestens zwei Sensorelemente sind als eine integrierte Anordnung in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum angeordnet und bilden damit die Sensoranordnung erfindungsgemäß aus. In dem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum kann eine gleichzeitige Messwert(e)erfassung der Messelemente zu einem gleichen Strömungszustand im gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum erfolgen.
Das Trägerelement ist zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet. Das Trägerelement kann zumindest teilweise als ein Keramikträgerelement oder als ein Folienträgerelement (flexible PCB) ausgebildet sein. Die mindestens zwei Sensorelemente sind als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet. Thermosäulen werden oftmals auch als Thermopiles bezeichnet.
A second sensor arrangement according to the invention is designed to determine physical or chemical properties of a gas or gas mixture. For this purpose, the sensor arrangement has at least one planar carrier element and a number of at least two sensor elements. The at least two sensor elements are arranged on a surface of the at least one planar carrier element. The carrier element and the at least two sensor elements are arranged as an integrated arrangement in a common gas or flow space and thus form the sensor arrangement according to the invention. In the common gas or flow space simultaneous measurement value acquisition of the measuring elements for the same flow state in the common gas or flow space.
The carrier element is at least partially designed as a semiconductor substrate. The carrier element can be at least partially designed as a ceramic carrier element or as a film carrier element (flexible PCB). The at least two sensor elements are designed as thermocouples or as thermopiles. Thermopiles are often also referred to as thermopiles.

Mindestens eines der zwei Sensorelemente ist sensitiv auf eine Einstrahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm ausgebildet und zu einer Erfassung von Strahlungsmengen im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm vorgesehen. Es ist eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle zu einer Abstrahlung von infraroter Strahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm in oder an dem Strömungsraum oder an oder auf dem mindestens einen Trägerelement mit angeordnet. In optionalen Ausgestaltungen der Anordnung mit der Strahlungsquelle kann (optional) ein Spiegelelement vorgesehen sein, das die infrarote Abstrahlung der Strahlungsquelle zu dem Sensorelement hin lenkt. Mindestens eines der mindestens zwei Sensorelemente bildet mit der Strahlungsquelle ein Messmodul zu einer infrarotoptischen Gaskonzentrationsmessung aus. Ein weiteres der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente bildet ein Messmodul zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung oder ein Messmodul zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung aus.At least one of the two sensor elements is sensitive to radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm and is intended to detect radiation quantities in the infrared range of 3 µm - 12 µm. An arrangement with a radiation source for emitting infrared radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm is arranged in or on the flow space or on or on the at least one carrier element. In optional embodiments of the arrangement with the radiation source, a mirror element can (optionally) be provided which directs the infrared radiation from the radiation source towards the sensor element. At least one of the at least two sensor elements forms a measuring module with the radiation source for infrared optical gas concentration measurement. Another of the at least two sensor elements designed as a thermocouple or thermopile forms a measuring module for a paramagnetic gas concentration measurement or a measuring module for a flow or flow rate measurement.

Nachfolgend werden bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der ersten und der zweiten erfindungsgemäßen Sensoranordnung angegeben.Preferred and advantageous embodiments of the first and second sensor arrangement according to the invention are given below.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Sensoranordnung ein planar ausgebildetes Trägerelement aufweisen, auf welchem drei Sensorelemente angeordnet sind. Diese besonders bevorzugte Ausführungsform stellt eine Kombination der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform dar. Somit kann diese besonders bevorzugte Ausführungsform auch als eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform angesehen werden. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform sind die drei Sensorelemente auf Oberflächen des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum angeordnet. Das Trägerelement ist zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet.In a particularly preferred embodiment, the sensor arrangement can have a planar carrier element on which three sensor elements are arranged. This particularly preferred embodiment represents a combination of the first embodiment according to the invention with the second embodiment according to the invention. This particularly preferred embodiment can therefore also be regarded as a third embodiment according to the invention. In this particularly preferred embodiment, the three sensor elements are arranged on surfaces of the at least one planar carrier element in a common gas or flow space. The carrier element is at least partially designed as a semiconductor substrate.

Die drei Sensorelemente sind als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet. Es ist eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle zu einer Abstrahlung von infraroter Strahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm in oder an dem Strömungsraum oder an oder auf dem mindestens einen Trägerelement mit angeordnet. In optionalen Ausgestaltungen der Anordnung mit der Strahlungsquelle kann ein optionales Spiegelelement vorgesehen sein, das die infrarote Abstrahlung der Strahlungsquelle zu dem Sensorelement hin lenkt. An dem Trägerelement ist eine Anordnung von zwei Elementen aus einem magnetisch leitenden Material angeordnet. In dieser bevorzugten Ausführungsform bildet eines der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten zwei Sensorelemente mit der Anordnung der zwei zur Führung eines Magnetfeldes ausgebildeten Elemente ein Messmodul zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung aus. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist eines der drei Sensorelemente sensitiv auf eine Einstrahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm ausgebildet und zu einer Erfassung von Strahlungsmengen im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm vorgesehen und bildet mit der Strahlungsquelle ein Messmodul zu einer infrarot- optischen Gaskonzentrationsmessung aus. In dieser bevorzugten Ausführungsform bildet eines der drei Sensorelemente ein Messmodul zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung aus.The three sensor elements are designed as thermocouples or thermopiles. An arrangement with a radiation source for emitting infrared radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm is arranged in or on the flow space or on or on the at least one carrier element. In optional embodiments of the arrangement with the radiation source, an optional mirror element can be provided that directs the infrared radiation from the radiation source towards the sensor element. An arrangement of two elements made of a magnetically conductive material is arranged on the carrier element. In this preferred embodiment, one of the two sensor elements designed as a thermocouple or thermopile forms a measuring module for paramagnetic gas concentration measurement with the arrangement of the two elements designed to guide a magnetic field. In this preferred embodiment, one of the three sensor elements is designed to be sensitive to radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm and is intended to detect radiation quantities in the infrared range of 3 µm - 12 µm and forms a measuring module for infrared-optical gas concentration measurement with the radiation source. In this preferred embodiment, one of the three sensor elements forms a measuring module for flow or throughput measurement.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung können die mindestens zwei Messmodule eine Messanordnung ausbilden, wobei die mindestens zwei Messmodule zumindest teilweise auf Oberflächen eines gemeinsamen, planar ausgebildeten Trägerelementes angeordnet sein können. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines integrierten Messsystems, bei welchem das Trägerelement als eine Art Plattform für die Anordnung von Messmodulen ausgebildet ist.In a further preferred embodiment of the sensor arrangement, the at least two measuring modules can form a measuring arrangement, wherein the at least two measuring modules can be arranged at least partially on surfaces of a common, planar carrier element. This embodiment offers the advantage of an integrated measuring system in which the carrier element is designed as a type of platform for the arrangement of measuring modules.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung oder Messanordnung kann mindestens ein weiteres Sensorelement oder Messmodul auf dem mindestens einen planaren Trägerelement mit angeordnet sein. Dabei kann das weitere Sensorelement oder Messmodul

  • • als ein Thermoelement oder als eine Thermosäule;
  • • als ein thermoelektrisches Sensorelement;
  • • als ein optisch sensitives Sensorelement;
  • • als ein resistives Sensorelement;
  • • als ein piezoelektrisches Sensorelement;
  • • als ein katalytisches Sensorelement;
  • • oder als ein piezoresistives Sensorelement
ausgebildet sein. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, ein multifunktionales, integriertes Messsystem zu einer Überwachung von Anästhesie oder Beatmung eines Patienten oder Lebewesens in einer mikrostrukturierten Technologie (MEMS) ausgestalten zu können. Damit können dann je nach Anwendungsfall und Messaufgaben die unterschiedlichen Sensorelemente in den Messvorgang und die Datenerfassung einbezogen werden. Mit einem solch multifunktionalen, integrierten Messsystem kann eine Vielzahl von Messwerten und Daten bereitgestellt werden, die von unterschiedlichen Anwendungen auf einem Medizintechniksystem für die Begleitung von Patienten im medizintechnischen Umfeld verwendet werden können. Zudem können diese so gewonnenen Daten mithilfe von Schnittstellen in einem Kommunikationsumfeld (Netzwerkumgebung: LAN, WLAN, etc.) verteilt werden.In a further preferred embodiment of the sensor arrangement or measuring arrangement, at least one further sensor element or measuring module can be arranged on the at least one planar carrier element. The further sensor element or measuring module can
  • • as a thermocouple or as a thermopile;
  • • as a thermoelectric sensor element;
  • • as an optically sensitive sensor element;
  • • as a resistive sensor element;
  • • as a piezoelectric sensor element;
  • • as a catalytic sensor element;
  • • or as a piezoresistive sensor element
This embodiment offers the advantage of a multifunctional, integrated measuring system for monitoring anesthesia or ventilation of a patient or living being in a microstructured technology (MEMS). This means that the different sensor elements can be included in the measurement process and data acquisition depending on the application and measurement tasks. With such a multifunctional, integrated measurement system, a large number of measured values and data can be provided that can be used by different applications on a medical technology system for accompanying patients in the medical technology environment. In addition, the data obtained in this way can be distributed using interfaces in a communication environment (network environment: LAN, WLAN, etc.).

In einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung oder Messanordnung können die mindestens zwei Messmodule und das weitere Sensorelement oder Messmodul auf Oberflächen eines gemeinsamen, planar ausgebildeten Trägerelementes angeordnet sein. Auch diese Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiter integrierten Messsystems, bei welchem das Trägerelement als eine Art Plattform für die Anordnung von Messmodulen ausgebildet ist.In a preferred embodiment of the sensor arrangement or measuring arrangement, the at least two measuring modules and the further sensor element or measuring module can be arranged on surfaces of a common, planar carrier element. This embodiment also offers the advantage of a further integrated measuring system in which the carrier element is designed as a type of platform for the arrangement of measuring modules.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Sensoranordnung oder Messanordnung kann der gemeinsame Gas- oder Strömungsraum ein zu einer Strömungsführung eines Gasgemisches ausgebildetes Gehäuseelement oder eine Messküvette ausbilden.In a preferred embodiment of the sensor arrangement or measuring arrangement, the common gas or flow space can form a housing element or a measuring cuvette designed to guide the flow of a gas mixture.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die Messanordnung eine Betriebselektronik aufweisen, welche zu einer Inbetriebnahme, Justierung oder Kalibrierung der Messanordnung und/oder einer Koordination eines Messbetriebes der Messanordnung, der Sensoranordnung und/oder der Sensorelemente ausgebildet ist,

  • • wobei mindestens eines der Sensorelemente oder eines der Messmodule in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik eine messtechnische Funktion eines Strömungs- oder Durchflussmengensensors ausbildet
  • • oder wobei mindestens eines der Sensorelemente oder eines der Messmodule in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik, den Elementen zur Führung des Magnetfeldes und einer Spulenanordnung eine messtechnische Funktion eines paramagnetischen Sauerstoffsensors ausbildet
  • • oder wobei mindestens eines der Sensorelemente oder eines der Messmodule in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik, Strahlungsquelle und mindestens einem optischen Filterelement (16) eine messtechnische Funktion eines infrarot- optischen Gassensors ausbildet.
In a further preferred embodiment, the measuring arrangement can have operating electronics which are designed for commissioning, adjusting or calibrating the measuring arrangement and/or coordinating a measuring operation of the measuring arrangement, the sensor arrangement and/or the sensor elements,
  • • wherein at least one of the sensor elements or one of the measuring modules in conjunction with the operating electronics forms a metrological function of a flow or flow rate sensor
  • • or wherein at least one of the sensor elements or one of the measuring modules in conjunction with the operating electronics, the elements for guiding the magnetic field and a coil arrangement forms a metrological function of a paramagnetic oxygen sensor
  • • or wherein at least one of the sensor elements or one of the measuring modules in cooperation with the operating electronics, radiation source and at least one optical filter element (16) forms a metrological function of an infrared optical gas sensor.

Die Betriebselektronik weist vorzugsweise eine Recheneinheit, etwa in Ausgestaltung als Mikrocontroller o.ä. (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL) und einen Datenspeicher (RAM, ROM) auf. Die Betriebselektronik mit Recheneinheit (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL), Datenspeicher (RAM, ROM) ist ausgebildet, Konvertierungen, Linearisierungen, Umrechnungen der Messwerte der Messmodule vorzunehmen und mittels der Schnittstellen (USB, SPI, I2C, 1-Wire) einem Medizingerät (Anästhesiegerät, Beatmungsgerät, Wärmetherapiegerät, Physiologisches Überwachungssystem (PPM)) oder einem Datennetzwerk (LAN, WLAN) Verb?!. Im Datenspeicher können beispielsweise Kennlinien oder Datenfelder (Array, Vektor) abgelegt sein, welche von der Recheneinheit zu Signalaufbereitung, Signalwandlung, Signalkonvertierung in die quantitative und/oder qualitative Bestimmung von Messgrößen, wie etwa Durchflussmengen, Gaskonzentrationen, Temperaturen, mit einbezogen werden können. Auch ist es möglich, typische und spezifische Kalibrierdaten oder Informationen (Offset, Gain, Drift) der Messmodule oder Sensorelemente im Datenspeicher abzulegen und im Betrieb zu nutzen, um eine verbesserte Genauigkeit oder Zuverlässigkeit des Messsystems zu ermöglichen.The operating electronics preferably have a computing unit, for example in the form of a microcontroller or similar (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL) and a data memory (RAM, ROM). The operating electronics with computing unit (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL), data memory (RAM, ROM) are designed to carry out conversions, linearizations and conversions of the measured values of the measuring modules and to connect them to a medical device (anesthesia machine, ventilator, heat therapy device, physiological monitoring system (PPM)) or a data network (LAN, WLAN) using the interfaces (USB, SPI, I 2 C, 1-Wire). For example, characteristic curves or data fields (array, vector) can be stored in the data memory, which can be included by the computing unit for signal processing, signal conversion, signal conversion in the quantitative and/or qualitative determination of measured variables, such as flow rates, gas concentrations, temperatures. It is also possible to store typical and specific calibration data or information (offset, gain, drift) of the measuring modules or sensor elements in the data memory and use them in operation to enable improved accuracy or reliability of the measuring system.

Bevorzugte besondere Ausführungsformen können gebildet werden, indem weitere Bauteile, Baugruppen oder Elemente in oder an dem Trägerelement oder dem Gehäuseelement angeordnet werden. So kann die Sensoranordnung an dem mindestens einen planaren Trägerelement angeordnet sein.Preferred particular embodiments can be formed by arranging further components, assemblies or elements in or on the carrier element or the housing element. The sensor arrangement can thus be arranged on the at least one planar carrier element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das mindestens eine optische Filterelement an dem mindestens einen planaren Trägerelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the at least one optical filter element can be arranged on the at least one planar carrier element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das mindestens eine optische Filterelement an dem Gehäuseelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the at least one optical filter element can be arranged on the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das mindestens eine optische Filterelement als ein Teil des Gehäuseelementes ausgebildet sein.In a particular embodiment, the at least one optical filter element can be formed as a part of the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann die Strahlungsquelle an dem mindestens einen planaren Trägerelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the radiation source can be arranged on the at least one planar carrier element.

In einer besonderen Ausführungsform kann die Strahlungsquelle an dem Gehäuseelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the radiation source can be arranged on the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann die Strahlungsquelle als Teil des Gehäuseelementes ausgebildet sein.In a particular embodiment, the radiation source can be formed as part of the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Spiegelelement an dem mindestens einen planaren Trägerelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the mirror element can be arranged on the at least one planar carrier element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Spiegelelement an dem Gehäuseelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the mirror element can be arranged on the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Spiegelelement als Teil des Gehäuseelementes ausgebildet sein.In a particular embodiment, the mirror element can be formed as part of the housing element.

In einer besonderen Ausführungsform kann die Spulenanordnung als ein integrativer Teil des mindestens einen planaren Trägerelementes ausgebildet oder an dem mindestens einen planaren Trägerelement angeordnet sein.In a particular embodiment, the coil arrangement can be formed as an integral part of the at least one planar carrier element or can be arranged on the at least one planar carrier element.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Spulenanordnung an dem Gehäuseelement angeordnet sein.In a preferred embodiment, the coil arrangement can be arranged on the housing element.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Spulenanordnung als ein Teil des Gehäuseelementes ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the coil arrangement can be formed as a part of the housing element.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Gehäuseelement mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass und/oder Elemente zu einer Strömungsführung aufweisen.In a preferred embodiment, the housing element can have at least one gas inlet and at least one gas outlet and/or elements for flow guidance.

In einer bevorzugten Ausführungsform können die Thermoelemente oder Thermosäulen der Sensorelemente als strukturierte Halbleiterelemente in Ausgestaltung von PN- dotierten Halbleiterelementen auf dem Halbleitersubstrat der Oberfläche des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes ausgebildet sein.In a preferred embodiment, the thermocouples or thermopiles of the sensor elements can be formed as structured semiconductor elements in the form of PN-doped semiconductor elements on the semiconductor substrate of the surface of the at least one planar carrier element.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die Messanordnung eine Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches ermöglichen. Dabei kann mindestens eines der Sensorelemente und/oder ein weiteres Sensorelement

  • • zu einer Druckmessung;
  • • zu einer Dichtemessung;
  • • zu einer Viskositätsmessung;
  • • zu einer Konzentrationsmessung;
  • • zu einer Wärmeleitfähigkeitsmessung;
  • • Durchflussmengenmessung;
  • • Strömungsmessung;
  • • Strömungsgeschwindigkeitsmessung;
  • • zu einer Feuchtigkeitsmessung;
  • • zu einer Temperaturmessung
ausgebildet sein.
Die Temperaturmessung kann beispielsweise durch einen auf dem Trägerelement angeordneten NTC- Sensor erfolgen. Damit kann sowohl eine Messung der Temperatur des Gasgemisches in dem Strömungsraum wie auch eine Messung einer Oberflächentemperatur des Trägerelementes ermöglicht sein.In a further preferred embodiment, the measuring arrangement can enable a determination of physical or chemical properties of a gas or gas mixture. At least one of the sensor elements and/or another sensor element
  • • to a pressure measurement;
  • • to a density measurement;
  • • to a viscosity measurement;
  • • to measure concentration;
  • • to a thermal conductivity measurement;
  • • Flow rate measurement;
  • • Flow measurement;
  • • Flow velocity measurement;
  • • to a humidity measurement;
  • • to a temperature measurement
be trained.
The temperature measurement can be carried out, for example, by an NTC sensor arranged on the carrier element. This makes it possible to measure both the temperature of the gas mixture in the flow space and the surface temperature of the carrier element.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Betriebselektronik zumindest teilweise mit den Sensorelementen auf dem planar ausgebildeten, gemeinsamen Trägerelement angeordnet sein, und das planar ausgebildete, gemeinsame Trägerelement kann in einen gemeinsamen Gas- und Strömungsraum integriert angeordnet sein. Auch diese bevorzugte Ausführungsform bietet den Vorteil eines weiter integrierten, in diesem Fall hochintegrierten Messsystems, bei welchem das Trägerelement als eine Art Plattform für die Anordnung von Messmodulen und Elektronik ausgebildet ist. Die Betriebselektronik mit Recheneinheit (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL), Datenspeicher (RAM, ROM) ist ausgebildet, Konvertierungen, Linearisierungen, Umrechnungen der Messwerte der Messmodule vorzunehmen und mittels der Schnittstellen (Bussysteme, wie USB, SPI, I2C, 1-Wire) einem Medizingerät (Anästhesiegerät, Beatmungsgerät, Wärmetherapiegerät, Physiologisches Überwachungssystem (PPM)) oder einem Datennetzwerk (LAN, WLAN) bereitzustellen. Im Datenspeicher können beispielsweise Kennlinien oder Datenfelder (Array, Vektor) abgelegt sein, welche von der Recheneinheit zu Signalaufbereitung, Signalwandlung, Signalkonvertierung in die quantitative und/oder qualitative Bestimmung von Messgrößen, wie etwa Durchflussmengen, Gaskonzentrationen, Temperaturen, mit einbezogen werden können. Auch ist es möglich, typische und spezifische Kalibrierdaten oder Informationen (Offset, Gain, Drift) der Messmodule oder Sensorelemente im Datenspeicher abzulegen und im Betrieb zu nutzen, um eine verbesserte Genauigkeit oder Zuverlässigkeit des Messsystems zu ermöglichen. Dies Ausführungsform mit einer „On-Chip“- Integration von Elektronikbauteilen zur Signalverarbeitung, Recheneinheit (µC), Datenspeichern (RAM, ROM) und Schnittstellen (Bussysteme, wie USB, SPI, I2C, 1-Wire) bietet die Möglichkeit, die Messwerterfassung mit Messgrößen zu Eigenschaften von Gasgemischen mit Strömungsgeschwindigkeiten, Durchflussmengen Konzentrationen von Gasbestandteilen im Gasgemisch, Dichte, Viskosität, Temperatur- und Druckniveau oder Feuchtigkeitsgehalt im Gasgemisch und zeitliche Veränderungen des Feuchtigkeitsgehalts oder Temperatur- und Druckniveaus im Gasgemisch durchzuführen. Dies ermöglicht auch, dabei physikalische Zustände mit dem Zyklus von Ein- und Ausatmung und Zudosierungen in das Gasgemisch im Zuge einer Durchführung einer Beatmung oder Anästhesie in Echtzeit in einem gemeinsamen Strömungsraum zu erfassen. Zudem können dabei gegebenenfalls erforderliche Anpassungen der Signalverarbeitung, Signalfilterungen, Signalkorrekturen, Berechnungen (Max, Min, Mittelwert), Normierungen oder Linearisierungen in Echtzeit für mehrere Messgrößen vorgenommen werden. Es kann somit ein Datensatz bereitgestellt werden, welcher die physikalische Situation im gemeinsamen Gasraum an einem identischen Ort und zu einem identischen Zeitpunkt beschreibt und in Form mehrerer Messgrößen enthält.In a preferred embodiment, the operating electronics can be arranged at least partially with the sensor elements on the planar, common carrier element, and the planar, common carrier element can be arranged integrated in a common gas and flow space. This preferred embodiment also offers the advantage of a further integrated, in this case highly integrated, measuring system, in which the carrier element is designed as a type of platform for the arrangement of measuring modules and electronics. The operating electronics with computing unit (µC, µP, DSP, FPGA, ASIC, GAL), data storage (RAM, ROM) are designed to carry out conversions, linearizations, and conversions of the measured values of the measuring modules and to provide them to a medical device (anesthesia device, ventilator, heat therapy device, physiological monitoring system (PPM)) or a data network (LAN, WLAN) using the interfaces (bus systems such as USB, SPI, I 2 C, 1-Wire). For example, characteristic curves or data fields (array, vector) can be stored in the data memory, which can be included by the computing unit for signal processing, signal conversion, signal conversion in the quantitative and/or qualitative determination of measured variables, such as flow rates, gas concentrations, temperatures. It is also possible to store typical and specific calibration data or information (offset, gain, drift) of the measuring modules or sensor elements in the data memory and use them in operation to enable improved accuracy or reliability of the measuring system. This embodiment with an "on-chip" integration of electronic components for signal processing, a computing unit (µC), data storage (RAM, ROM) and interfaces (bus systems such as USB, SPI, I 2 C, 1-Wire) offers the possibility of recording measured values with measured variables on the properties of gas mixtures with flow rates, flow rates, concentrations of gas components in the gas mixture, density, viscosity, temperature and pressure level or moisture content in the gas mixture and temporal changes in the moisture content or temperature and pressure levels in the gas mixture. This also makes it possible to record physical states with the cycle of inhalation and exhalation and dosing into the gas mixture in real time during ventilation or anesthesia. in a common flow space. In addition, any necessary adjustments to the signal processing, signal filtering, signal corrections, calculations (max, min, mean), normalization or linearization can be carried out in real time for several measured variables. A data set can thus be provided which describes the physical situation in the common gas space at an identical location and at an identical time and contains it in the form of several measured variables.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann mit drei Sensorelementen eine der folgenden Anordnungen zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches auf dem mindestens einen planaren Trägerelement ausgebildet werden:

  • • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch;
  • • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung und Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Temperaturmessung;
  • • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Druckmessung;
  • • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Dichtemessung;
  • • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Temperaturmessung;
  • • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Druckmessung;
  • • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Dichtemessung;
  • • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Druckmessung und Dichtemessung.
In a further preferred embodiment, one of the following arrangements for determining physical or chemical properties of a gas or gas mixture can be formed on the at least one planar carrier element with three sensor elements:
  • • Arrangement for measuring flow or throughput, oxygen concentration and gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture;
  • • Arrangement for flow or flow rate measurement and oxygen concentration measurement and temperature measurement;
  • • Arrangement for flow rate measurement, oxygen concentration measurement and pressure measurement;
  • • Arrangement for flow or flow rate measurement, oxygen concentration measurement and density measurement;
  • • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and temperature measurement;
  • • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and pressure measurement;
  • • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and density measurement;
  • • Arrangement for oxygen concentration measurement, pressure measurement and density measurement.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und die Messanordnung bieten somit eine kostengünstige und praxisnahe Lösung für die integrative gemeinsame messtechnische Erfassung und Überwachung von Gaskonzentrationen (Sauerstoff, Anästhesiegas) und von Durchflussmengen an.The sensor arrangement and the measuring arrangement according to the invention thus offer a cost-effective and practical solution for the integrative joint metrological detection and monitoring of gas concentrations (oxygen, anesthetic gas) and flow rates.

Anhand der nachfolgenden Beschreibung wird unter teilweiser Bezugnahme auf die 1, 2, 3a, 3b 4, 5, 6a, 6b, 6c die Erfindung näher erläutert. Gleiche Elemente in den 1, 2, 3a, 3b 4, 5, 6a, 6b, 6c sind in den 1, 2, 3a, 3b, 4, 5, 6a, 6b, 6c mit identischen Bezugszeichen oder Bezugsziffern bezeichnet. Es zeigen:

  • 1: Perspektivische Ansicht einer Messküvette;
  • 2: Ansicht der Messküvette nach 1 in Einströmrichtung;
  • 3a: Draufsicht der Messküvette nach 1;
  • 3b: Draufsicht einer Variante der Messküvette nach den 1, 3a;
  • 4: Erweiterung der Messküvette nach der 2;
  • 5: Erweiterung der Messküvette nach der 1;
  • 6a, 6b, 6c: Ansichten eines Trägerelementes.
The following description, with partial reference to the 1 , 2 , 3a , 3b 4, 5, 6a, 6b, 6c the invention is explained in more detail. The same elements in the 1 , 2 , 3a , 3b 4, 5, 6a, 6b, 6c are in the 1 , 2 , 3a , 3b , 4 , 5 , 6a , 6b , 6c designated with identical reference symbols or reference numbers. Shown are:
  • 1 : Perspective view of a measuring cuvette;
  • 2 : View of the measuring cuvette after 1 in the inflow direction;
  • 3a : Top view of the measuring cuvette after 1 ;
  • 3b : Top view of a variant of the measuring cuvette according to the 1 , 3a ;
  • 4 : Extension of the measuring cuvette after the 2 ;
  • 5 : Extension of the measuring cuvette after the 1 ;
  • 6a , 6b , 6c : Views of a support element.

In der 1 wird in einer perspektivischen Ansicht eine Messküvette 19 als Gehäuse bzw. Gehäuseelement als ein gemeinsamer Gas- und Strömungsraum gezeigt. Dargestellt werden die Messküvette 19, ein Spiegelelement 17 an einer rechten Seitenwand der Messküvette 19, eine Sensoranordnung 1, ein Trägerelement 3 mit einer Strahlungsquelle 15, ein erstes Sensorelement (O2) 5 und ein zweites Sensorelement (IR) 7, sowie Elemente 11 zu einer Führung eines Magnetfeldes an dem Trägerelement 3. Das Spiegelelement 17 lenkt die infrarote Abstrahlung 151 der Strahlungsquelle 15 zu dem zweiten Sensorelement (IR) 7 hin.In the 1 a perspective view of a measuring cuvette 19 is shown as a housing or housing element as a common gas and flow space. Shown are the measuring cuvette 19, a mirror element 17 on a right side wall of the measuring cuvette 19, a sensor arrangement 1, a carrier element 3 with a radiation source 15, a first sensor element (O 2 ) 5 and a second sensor element (IR) 7, as well as elements 11 for guiding a magnetic field on the carrier element 3. The mirror element 17 directs the infrared radiation 151 of the radiation source 15 to the second sensor element (IR) 7.

Die 2 zeigt eine Ansicht der Messküvette nach der 1 in Einströmrichtung mit einem Spiegelelement 17 an der rechten Seitenwand der Messküvette 19 mit dem Trägerelement 3 in der Mitte, dem erstem Sensorelement (O2) 5, dem zweiten Sensorelement (IR) 7 und einem dritten Sensorelement (Flow) 9, mit einem Gaszutritt 21 für die Einströmung 25 von Gasmengen in die Messküvette 19 und eine Strömungsteilung zur Verteilung der eingeströmten Gasmengen zu den Sensorelementen 5, 7, 9. Die Elemente 11 zu einer Führung eines Magnetfeldes sind in der 2 andeutungsweise dargestellt.The 2 shows a view of the measuring cuvette after 1 in the inflow direction with a mirror element 17 on the right side wall of the measuring cuvette 19 with the carrier element 3 in the middle, the first sensor element (O 2 ) 5, the second sensor element (IR) 7 and a third sensor element (Flow) 9, with a gas inlet 21 for the inflow 25 of gas quantities into the measuring cuvette 19 and a flow division for the distribution of the inflowing gas quantities to the sensor elements 5, 7, 9. The elements 11 for guiding a magnetic field are in the 2 shown in a vague way.

Die 3a zeigt eine Draufsicht der Messküvette 19 nach der 1. Die 3b zeigt eine Draufsicht einer Variante der Messküvette 19 nach der 1. Gezeigt sind in den 3a, 3b die Messküvette 19 mit einem Spiegelelement 17 an der rechten Seitenwand der Messküvette 19 mit dem Trägerelement 3 in der Mitte, mit Darstellung einer Strömung 25 in und durch die Messküvette 19 hindurch. Die Elemente 11 zu einer Führung eines Magnetfeldes sind in der 3a andeutungsweise dargestellt. In der Messküvette 19 sind Wandungen und Strömungsbarrieren angeordnet, wodurch sich in der Messküvette 19 ein erster Raum 191 und ein zweiter Raum 192 als „Bypass“ als ein „strömungsberuhigter Raum“ ausbildet. In den ersten Raum 191 kann eine Hauptströmung einströmen, und deren Durchflussmenge kann mittels des dritten Sensorelementes (Flow) 9 nach Richtung und Größe messtechnisch erfasst werden. In den zweiten Raum 192 gelangt eine Teilströmung zu dem ersten Sensorelement (O2) 5 und dem zweiten Sensorelement (IR) 7. Das erste Sensorelement 5 ist in Zusammenwirkung mit den Elementen 11 zu einer Führung eines Magnetfeldes zu einer messtechnischen Erfassung einer Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Raum 192 der Messküvette 19 angeordnet und ausgebildet. Das zweite Sensorelement (IR) 7 ist in Zusammenwirkung mit der Strahlungsquelle 15 zu einer messtechnischen Erfassung einer Konzentration eines weiteren Gases, beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO2) in dem zweiten Raum 192 der Messküvette 19 angeordnet und ausgebildet. Die Sensorelemente 5, 7, 9 können mit den Elektronik- Komponenten 27 (4), Schnittstellen 26 (4), der Strahlungsquelle 15 (1), Spiegelelement 17, optischen Filterelement (16)en 16 (6a), Kontrolleinheit 28 (4), Elementen zur Signalverarbeitung (OP- Amp's, Filter) (4) jeweils Messmodule 51, 71, 91 ausbilden.
In der 3a sind zwei Sensorelemente 5 (O2), 7 (IR) auf einer Seite des Trägerelementes 3 , während in dem ersten Raum auf der gegenüberliegenden Seite des Trägerelementes 3 das Sensorelement 9 (Flow, Flow_1) angeordnet ist.
The 3a shows a top view of the measuring cuvette 19 after 1 . The 3b shows a top view of a variant of the measuring cuvette 19 according to the 1 . Shown are the 3a , 3b the measuring cuvette 19 with a mirror element 17 on the right side wall of the measuring cuvette 19 with the carrier element 3 in the middle, with representation of a flow 25 in and through the measuring cuvette 19. The elements 11 for guiding a magnetic field are in the 3a shown in outline. Walls and flow barriers are arranged in the measuring cuvette 19, whereby a first space 191 and a second space 192 are formed in the measuring cuvette 19 as a "bypass" as a "flow-calmed space". A main flow can flow into the first space 191 and its flow rate can be measured using the third sensor element (Flow) 9 in terms of direction and size. A partial flow reaches the second space 192 to the first sensor element (O 2 ) 5 and the second sensor element (IR) 7. The first sensor element 5 is arranged and designed in cooperation with the elements 11 to guide a magnetic field for metrological detection of an oxygen concentration in the second space 192 of the measuring cuvette 19. The second sensor element (IR) 7 is arranged and designed in cooperation with the radiation source 15 for measuring the concentration of another gas, for example carbon dioxide (CO 2 ) in the second chamber 192 of the measuring cuvette 19. The sensor elements 5, 7, 9 can be connected to the electronic components 27 ( 4 ), interfaces 26 ( 4 ), the radiation source 15 ( 1 ), mirror element 17, optical filter element (16)s 16 ( 6a) , Control Unit 28 ( 4 ), signal processing elements (OP-amps, filters) ( 4 ) form measuring modules 51, 71, 91 respectively.
In the 3a There are two sensor elements 5 (O 2 ), 7 (IR) on one side of the carrier element 3, while in the first space on the opposite side of the carrier element 3 the sensor element 9 (Flow, Flow_1) is arranged.

In der 3b ist im Unterschied zur 3a in dem zweiten Raum 192 der Messküvette 19 ein zusätzliches Sensorelement 9' (Flow_2) angeordnet. Dieses zusätzliche Sensorelement 9' ist derart angeordnet, dass damit eine messtechnische Erfassung von Strömungssituationen im zweiten Raum (Bypass) ermöglicht ist. Das ermöglicht beispielsweise eine Überprüfung, ob in den zweiten Raum ein Gasaustausch 25 der Messküvette 19 mit der Außenwelt gegeben ist.In the 3b is in contrast to 3a An additional sensor element 9' (Flow_2) is arranged in the second chamber 192 of the measuring cuvette 19. This additional sensor element 9' is arranged in such a way that it enables measurement of flow situations in the second chamber (bypass). This enables, for example, a check to determine whether there is a gas exchange 25 between the measuring cuvette 19 and the outside world in the second chamber.

In alternativen Ausgestaltungen kann die Aufteilung der Strömung 25 zwischen dem ersten Raum 191 und dem zweiten Raum 192 durch eine „Flowaufteilung“ als Aufteilung in einem definierten Verhältnis, z.B. im Verhältnis 10:1 erfolgen. Auf dieses Weise kann für einen vorbestimmten Messbereich der Durchflussmenge mittels des zusätzlichen Sensorelementes 9' im zweiten Raum 192 auch mittelbar die Durchflussmenge durch den ersten Raum 191 bestimmt werden. In solch einer Konstellation ist das Sensorelement 9 (Flow_1) im ersten Raum 191 optional und kann in alternativen Ausgestaltungen der Messküvette 19 auch entfallen, so dass sämtliche Sensorelemente (5, 7, 9') auf derselben Oberfläche des Trägerelementes 3 angeordnet sein können.In alternative embodiments, the flow 25 can be divided between the first chamber 191 and the second chamber 192 by a “flow division” as a division in a defined ratio, e.g. in a ratio of 10:1. In this way, the flow rate through the first chamber 191 can also be determined indirectly for a predetermined measuring range of the flow rate by means of the additional sensor element 9' in the second chamber 192. In such a constellation, the sensor element 9 (Flow_1) in the first chamber 191 is optional and can also be omitted in alternative embodiments of the measuring cuvette 19, so that all sensor elements (5, 7, 9') can be arranged on the same surface of the carrier element 3.

Die 4 zeigt eine Erweiterung der Messküvette nach der 2 mit Sensoranordnungen 5, 7, 9, Schnittstellen 26 und/oder Elektronik- Komponenten 27 auf dem Trägerelement 3, sowie einer Anordnung von Elementen 11 zur Führung des Magnetfeldes mit einer Spulenanordnung 33 mit einem Eisenkern 34. Die Elektronik- Komponenten 27 können zumindest teilweise auf dem Trägerelement 3, wie auch zumindest teilweise an der Messküvette 19 angeordnet sein und umfassen eine Kontrolleinheit (µC, ADµC) 28, Elemente 29 zur Signalverarbeitung (OP- Amp's, Filter) wie auch Schnittstellen (USB, SPI, I2C, 1-Wire) 26 zu Möglichkeiten von Anbindungen 39, wie Energieversorgungsanbindung und Datenanbindung an Netzwerke 37, Gerätschaften oder externe Apparate 35.The 4 shows an extension of the measuring cuvette after the 2 with sensor arrangements 5, 7, 9, interfaces 26 and/or electronic components 27 on the carrier element 3, as well as an arrangement of elements 11 for guiding the magnetic field with a coil arrangement 33 with an iron core 34. The electronic components 27 can be arranged at least partially on the carrier element 3, as well as at least partially on the measuring cuvette 19 and comprise a control unit (µC, ADµC) 28, elements 29 for signal processing (OP amps, filters) as well as interfaces (USB, SPI, I 2 C, 1-Wire) 26 for possible connections 39, such as power supply connection and data connection to networks 37, equipment or external devices 35.

Die 5 zeigt eine Erweiterung der Messküvette 19 nach der 1 bzw. eine Variante der Ausgestaltung nach der 4 in schematisch vereinfachter Darstellung mit Elektronik-Komponenten 27 auf dem Trägerelement 3, sowie einer Anordnung von Elementen 11 zur Führung des Magnetfeldes. Die Elektronik- Komponenten 27 umfassen eine Kontrolleinheit (µC, ADµC) 28, Elemente zur Signalverarbeitung (OP- Amp's, Filter) 29 und auch Schnittstellen (USB, SPI, I2C, 1-Wire) 26.The 5 shows an extension of the measuring cuvette 19 after the 1 or a variant of the design according to the 4 in a simplified schematic representation with electronic components 27 on the carrier element 3, as well as an arrangement of elements 11 for guiding the magnetic field. The electronic components 27 include a control unit (µC, ADµC) 28, elements for signal processing (OP amps, filters) 29 and also interfaces (USB, SPI, I 2 C, 1-Wire) 26.

Die 6a, 6b, 6c zeigen schematische Ansichten des Trägerelementes mit einer beispielhaften Anordnung von drei Sensorelementen 5, 7, 9. Die 6a zeigt in einer Schnittdarstellung eine schematische Seitenansicht eines Trägerelementes 3 in der Messküvette 19 mit Sensorelementen 5, 7, 9, einer Strahlungsquelle 15 und Elementen 11 zur Führung des Magnetfeldes. Sichtbar ist ein Bereich C1 31 einer Oberfläche 13 des Trägerelementes 3 oberhalb der Schnittlinie C 10 nach der 6b.The 6a , 6b , 6c show schematic views of the carrier element with an exemplary arrangement of three sensor elements 5, 7, 9. The 6a shows a sectional view of a schematic side view of a carrier element 3 in the measuring cuvette 19 with sensor elements 5, 7, 9, a radiation source 15 and elements 11 for guiding the magnetic field. Visible is an area C1 31 of a surface 13 of the carrier element 3 above the cutting line C 10 after the 6b .

Die 6b zeigt eine schematische Sicht des Trägerelementes 3 in der Zeichnungsebene A 20 des Trägerelementes 3 nach der 6a. Sichtbar sind dabei drei Sensorelemente 5, 7, 9 auf dem Trägerelement 3. Ein Gaseinlass 21, ein Gasauslass 23 mit Strömungspfeilen 25, welche Einströmung und Ausströmung symbolisieren sollen, sind andeutungsweise dargestellt.The 6b shows a schematic view of the support element 3 in the drawing plane A 20 of the support element 3 after the 6a . Three sensor elements 5, 7, 9 are visible on the carrier element 3. A gas inlet 21, a gas outlet 23 with flow arrows 25, which are intended to symbolize inflow and outflow, are shown in an allusive manner.

Die 6c zeigt eine schematische Sicht des Trägerelementes 3 in der Zeichnungsebene B 40 des Trägerelementes 3 nach der 6a. Sichtbar sind dabei das Trägerelement 3, die Strahlungsquelle 15 und die Elemente 11 zur Führung des Magnetfeldes.The 6c shows a schematic view of the support element 3 in the drawing plane B 40 of the support element 3 after the 6a The carrier element 3, the radiation source 15 and the elements 11 for guiding the magnetic field are visible.

Bezugsziffernlistereference number list

11
Sensoranordnungsensor arrangement
33
Trägerelementsupport element
5, 7, 95, 7, 9
Sensorelementesensor elements
1010
Messanordnungmeasuring arrangement
1111
Elemente aus magnetisch leitendem MaterialElements made of magnetically conductive material
1313
Oberfläche des Trägerelementessurface of the carrier element
1515
Strahlungsquelleradiation source
151151
infrarote Abstrahlunginfrared radiation
1616
optische Filterelemente (16)optical filter elements (16)
1717
Spiegelelementmirror element
1919
Messküvette, Gehäuseelement, Gehäusemeasuring cuvette, housing element, housing
191, 192191, 192
Räume in der Messküvettespaces in the measuring cuvette
20, 30, 4020, 30, 40
Ebenen A, C, Blevels A, C, B
2121
Gaseinlassgas inlet
2323
Gasauslassgas outlet
2525
Strömungspfeileflow arrows
2626
Schnittstellen (USB, SPI, I2C, 1-Wire)interfaces (USB, SPI, I 2 C, 1-Wire)
2727
Elektronik- Komponentenelectronic components
2828
Kontrolleinheit (µC, ADµC)control unit (µC, ADµC)
2929
Elemente zur Signalverarbeitung (OP- Amp's, Filter)elements for signal processing (OP amps, filters)
3131
Bereich C1 des Trägerelementesarea C1 of the support element
3232
Bereich C2 des Trägerelementesarea C2 of the support element
3333
Spulenanordnungcoil arrangement
3434
Eisenkerniron core
35, 37, 3935, 37, 39
Möglichkeiten zu Anbindungenpossibilities for connections
51, 71, 9151, 71, 91
Messmodulemeasuring modules
110110
Anordnung mit Elementen 11 aus magnetisch leitendem Material oder MaterialienArrangement with elements 11 made of magnetically conductive material or materials

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • US 2002036266A [0003]US 2002036266A [0003]
  • US 6954702B [0003]US 6954702B [0003]
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  • US 7684931B [0003]US 7684931B [0003]
  • US 7432508B [0003]US 7432508B [0003]
  • US 7183552B [0003]US 7183552B [0003]
  • EP 3421947 B1 [0004]EP 3421947 B1 [0004]
  • US 6,779,395 B2 [0004]US 6,779,395 B2 [0004]
  • US 9,952,079 B2 [0004]US 9,952,079 B2 [0004]
  • US 6952947 [0005]US 6952947 [0005]
  • US 2011094293 [0005]US 2011094293 [0005]
  • US 8596109 [0005]US 8596109 [0005]
  • US 9360441 [0005]US 9360441 [0005]
  • US 6895802 [0005]US 6895802 [0005]
  • US 6405578 [0005]US 6405578 [0005]
  • US 6430987 [0005, 0006]US 6430987 [0005, 0006]
  • US 4808921 A [0005]US 4808921 A [0005]
  • US 4683426 A [0005]US 4683426 A [0005]
  • US 3646803 A [0005]US 3646803 A [0005]
  • US 3584499 A [0005]US 3584499 A [0005]
  • US 2944418 A [0005]US 2944418 A [0005]

Claims (15)

Sensoranordnung (1) zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches mit mindestens einem planar ausgebildeten Trägerelement (3) und einer Anzahl von mindestens zwei Sensorelementen (5, 7, 9, 9'), • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') auf Oberflächen (13) des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes (3) angeordnet sind, • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum (19) angeordnet sind, • wobei das Trägerelement (3) zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet ist, • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet sind, • wobei an dem Trägerelement (3) eine Anordnung von zur Führung eines Magnetfeldes ausgebildeten Elementen (11) aus einem magnetisch leitenden Material angeordnet ist, • wobei die Anordnung der Elemente (11) zur Führung eines Magnetfeldes und des mindestens einen der beiden Sensorelemente (5, 7, 9, 9') derart zueinander ausgestaltet ist, dass eine im Wesentlichen rechtwinklige Führung des Magnetfelds in Bezug auf die Oberfläche (13) des planaren Trägerelementes (3) gegeben ist, • wobei mindestens eines der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') mit der Anordnung der zwei zur Führung eines Magnetfeldes ausgebildeten Elemente (11) ein Messmodul (51) zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung ausbildet • und wobei ein weiteres der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') : ◯ als ein Messmodul (71) zu einer infrarotoptischen Gaskonzentrationsmessung ◯ oder als ein Messmodul (91) zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung ausgebildet ist.Sensor arrangement (1) for determining physical or chemical properties of a gas or gas mixture with at least one planar carrier element (3) and a number of at least two sensor elements (5, 7, 9, 9'), • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged on surfaces (13) of the at least one planar carrier element (3), • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged in a common gas or flow space (19), • wherein the carrier element (3) is at least partially designed as a semiconductor substrate, • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are designed as thermocouples or as thermopiles, • wherein an arrangement of elements (11) made of a magnetically conductive material designed to guide a magnetic field is arranged on the carrier element (3), • wherein the arrangement of the elements (11) for guiding a magnetic field and the at least one of the two sensor elements (5, 7, 9, 9') are designed in such a way that the magnetic field is guided essentially at right angles with respect to the surface (13) of the planar carrier element (3), • wherein at least one of the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') designed as a thermocouple or thermopile forms a measuring module (51) for a paramagnetic gas concentration measurement with the arrangement of the two elements (11) designed to guide a magnetic field • and wherein another of the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') designed as a thermocouple or thermopile: ◯ is designed as a measuring module (71) for an infrared-optical gas concentration measurement ◯ or as a measuring module (91) for a flow or flow rate measurement. Sensoranordnung (1) zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches mit mindestens einem planar ausgebildeten Trägerelement (3) und einer Anzahl von mindestens zwei Sensorelementen (5, 7, 9, 9'), • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') auf Oberflächen (13) des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes (3) angeordnet sind, • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum (19) angeordnet sind, • wobei das Trägerelement (3) zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet ist, • wobei die mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet sind, • wobei mindestens eines der zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') sensitiv auf eine Einstrahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm ausgebildet und zu einer Erfassung von Strahlungsmengen im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm vorgesehen ist, • wobei eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle (15) zu einer Abstrahlung von infraroter Strahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm in oder an dem Strömungsraum (19) oder an oder auf dem mindestens einen Trägerelement (3) mit angeordnet ist, • wobei mindestens eines der mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') mit der Strahlungsquelle (15) und einem optionalen Spiegelelement (17) (als?) ein Messmodul (71) zu einer infrarotoptischen Gaskonzentrationsmessung ausbildet ist und ein weiteres der als Thermoelement oder Thermosäule ausgebildeten mindestens zwei Sensorelemente (5, 7, 9, 9'): ◯ als ein Messmodul (51) zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung ◯ oder als ein Messmodul (91) zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung ausgebildet ist.Sensor arrangement (1) for determining physical or chemical properties of a gas or gas mixture with at least one planar carrier element (3) and a number of at least two sensor elements (5, 7, 9, 9'), • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged on surfaces (13) of the at least one planar carrier element (3), • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged in a common gas or flow space (19), • wherein the carrier element (3) is at least partially designed as a semiconductor substrate, • wherein the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') are designed as thermocouples or as thermopiles, • wherein at least one of the two sensor elements (5, 7, 9, 9') is designed to be sensitive to radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm and to detect radiation quantities in the infrared range of 3 µm - 12 µm is provided, • wherein an arrangement with a radiation source (15) for emitting infrared radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm is arranged in or on the flow space (19) or on or on the at least one carrier element (3), • wherein at least one of the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') with the radiation source (15) and an optional mirror element (17) is designed (as?) a measuring module (71) for an infrared-optical gas concentration measurement and another of the at least two sensor elements (5, 7, 9, 9') designed as a thermocouple or thermopile: ◯ as a measuring module (51) for a paramagnetic gas concentration measurement ◯ or as a measuring module (91) for a flow or flow rate measurement. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder nach Anspruch 2 mit einem planar ausgebildeten Trägerelement (3) mit einer Anordnung von drei Sensorelementen (5, 7, 9, 9'), • wobei die mindestens drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') auf Oberflächen (13) des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes (3) angeordnet sind, • wobei die mindestens drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') in einem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum (19) angeordnet sind, • wobei das Trägerelement (3) zumindest teilweise als ein Halbleitersubstrat ausgebildet ist, • wobei die mindestens drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') als Thermoelemente oder als Thermosäulen ausgebildet sind, • wobei eine Anordnung mit einer Strahlungsquelle (15) zu einer Abstrahlung von infraroter Strahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm in oder an dem Strömungsraum (19) oder an oder auf dem mindestens einen Trägerelement (3) mit angeordnet ist, • wobei an dem Trägerelement (3) eine Anordnung von zwei ausgebildeten Elementen (11) zur Führung eines Magnetfeldes aus einem magnetisch leitenden Material angeordnet ist, • wobei die Anordnung der Elemente (11) zur Führung eines Magnetfeldes (Polschuhe) und des mindestens einen der beiden Sensorelemente (5, 7, 9, 9') derart zueinander ausgestaltet ist, dass eine im Wesentlichen rechtwinklige Führung des Magnetfelds in Bezug auf die Oberfläche (13) des planaren Trägerelementes (3) gegeben ist und eines der mindestens drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') mit der Anordnung der drei zur Führung eines Magnetfeldes ausgebildeten Elemente (11) ein Messmodul (51) zu einer paramagnetischen Gaskonzentrationsmessung ausbildet, • wobei eines der drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') sensitiv auf eine Einstrahlung im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm ausgebildet und zu einer Erfassung von Strahlungsmengen im infraroten Bereich von 3 µm - 12 µm vorgesehen ist und mit der Strahlungsquelle (15) und einem optionalem Spiegelelement (17) ein Messmodul (71) zu einer infrarot- optischen Gaskonzentrationsmessung ausbildet, • wobei eines der mindestens drei Sensorelemente (5, 7, 9, 9') als ein Messmodul (91) zu einer Strömungs- oder Durchflussmengenmessung ausgebildet ist.Sensor arrangement (1) according to claim 1 or after claim 2 with a planar carrier element (3) with an arrangement of three sensor elements (5, 7, 9, 9'), • wherein the at least three sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged on surfaces (13) of the at least one planar carrier element (3), • wherein the at least three sensor elements (5, 7, 9, 9') are arranged in a common gas or flow space (19), • wherein the carrier element (3) is at least partially designed as a semiconductor substrate, • wherein the at least three sensor elements (5, 7, 9, 9') are designed as thermocouples or as thermopiles, • wherein an arrangement with a radiation source (15) for emitting infrared radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm is arranged in or on the flow space (19) or on or on the at least one carrier element (3), • wherein an arrangement of two formed elements (11) for guiding a magnetic field made of a magnetically conductive material, • wherein the arrangement of the elements (11) for guiding a magnetic field (pole shoes) and of the at least one of the two sensor elements (5, 7, 9, 9') is designed in such a way that a substantially right-angled guidance of the magnetic field in relation to the surface (13) of the planar carrier element (3) is provided and one of the at least three sensor elements (5, 7, 9, 9') with the Arrangement of the three elements (11) designed to guide a magnetic field forms a measuring module (51) for a paramagnetic gas concentration measurement, • wherein one of the three sensor elements (5, 7, 9, 9') is designed to be sensitive to radiation in the infrared range of 3 µm - 12 µm and is provided for detecting radiation quantities in the infrared range of 3 µm - 12 µm and, with the radiation source (15) and an optional mirror element (17), forms a measuring module (71) for an infrared-optical gas concentration measurement, • wherein one of the at least three sensor elements (5, 7, 9, 9') is designed as a measuring module (91) for a flow or flow rate measurement. Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens zwei Messmodule (51, 71, 91) nach den Ansprüchen 1 oder 2 eine Messanordnung (10) ausbilden und wobei die mindestens zwei Messmodule (51, 71, 91) zumindest teilweise auf Oberflächen (13) eines gemeinsamen, planar ausgebildeten Trägerelementes (3) angeordnet sind.Sensor arrangement (1) according to one of the Claims 1 until 3 , wherein the at least two measuring modules (51, 71, 91) are arranged according to the claims 1 or 2 form a measuring arrangement (10) and wherein the at least two measuring modules (51, 71, 91) are at least partially arranged on surfaces (13) of a common, planar carrier element (3). Sensoranordnung (1) oder Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens ein weiteres Sensorelement (5, 7, 9, 9') oder Messmodul (51, 71, 91) auf dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) mit angeordnet ist und: • als ein Thermoelement oder als eine Thermosäule; • als ein thermoelektrisches Sensorelement; • als ein optisch sensitives Sensorelement; • als ein resistives Sensorelement; • als ein piezoelektrisches Sensorelement; • als ein katalytisches Sensorelement • oder als ein piezoresistives Sensorelement ausgebildet ist.Sensor arrangement (1) or measuring arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 4 , wherein at least one further sensor element (5, 7, 9, 9') or measuring module (51, 71, 91) is arranged on the at least one planar carrier element (3) and is designed: • as a thermocouple or as a thermopile; • as a thermoelectric sensor element; • as an optically sensitive sensor element; • as a resistive sensor element; • as a piezoelectric sensor element; • as a catalytic sensor element • or as a piezoresistive sensor element. Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die mindestens zwei Messmodule (51, 71, 91) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 und das weitere Sensorelement oder Messmodul (51, 71, 91) nach Anspruch 4 auf Oberflächen (13) eines gemeinsamen, planar ausgebildeten Trägerelementes (3) angeordnet sind.Measuring arrangement (10) according to one of the Claims 3 until 5 , wherein the at least two measuring modules (51, 71, 91) according to claim 1 or claim 2 and the further sensor element or measuring module (51, 71, 91) according to claim 4 are arranged on surfaces (13) of a common, planar carrier element (3). Messanordnung (10) mit einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei der gemeinsame Gas- oder Strömungsraum (19) ein zu einer Strömungsführung eines Gasgemisches ausgebildetes Gehäuseelement oder eine Messküvette ausbildet.Measuring arrangement (10) with a sensor arrangement (1) according to one of the Claims 3 until 6 , wherein the common gas or flow space (19) forms a housing element or a measuring cuvette designed to guide the flow of a gas mixture. Messanordnung (10) mit einer Sensoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Messanordnung (10) eine Betriebselektronik (26, 27, 28, 29) aufweist, welche zu einer Inbetriebnahme, Justierung oder Kalibrierung der Messanordnung (10) und/oder einer Koordination eines Messbetriebes der Messanordnung (10), der Sensoranordnung (1) und/oder der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') ausgebildet ist, • wobei mindestens eines der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') oder eines der Messmodule (51, 71, 91) in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik (26, 27, 28, 29) eine messtechnische Funktion eines Strömungs- oder Durchflussmengensensors ausbildet • oder wobei mindestens eines der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') oder eines der Messmodule (51, 71, 91) in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik (26, 27, 28, 29), den Elementen (11) zur Führung des Magnetfeldes und einer Spulenanordnung (33) eine messtechnische Funktion eines paramagnetischen Sauerstoffsensors ausbildet • oder wobei mindestens eines der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') oder eines der Messmodule (51, 71, 91) in Zusammenwirkung mit der Betriebselektronik (26, 27, 28, 29), Strahlungsquelle (15), einem optionalen Spiegelelement (17) und mindestens einem optischen Filterelement (16) eine messtechnische Funktion eines infrarot- optischen Gassensors ausbildet.Measuring arrangement (10) with a sensor arrangement (1) according to one of the Claims 3 until 7 , wherein the measuring arrangement (10) has operating electronics (26, 27, 28, 29) which are designed for commissioning, adjusting or calibrating the measuring arrangement (10) and/or coordinating a measuring operation of the measuring arrangement (10), the sensor arrangement (1) and/or the sensor elements (5, 7, 9, 9'), • wherein at least one of the sensor elements (5, 7, 9, 9') or one of the measuring modules (51, 71, 91) in cooperation with the operating electronics (26, 27, 28, 29) forms a metrological function of a flow or flow rate sensor • or wherein at least one of the sensor elements (5, 7, 9, 9') or one of the measuring modules (51, 71, 91) in cooperation with the operating electronics (26, 27, 28, 29), the elements (11) for guiding the Magnetic field and a coil arrangement (33) forms a metrological function of a paramagnetic oxygen sensor • or wherein at least one of the sensor elements (5, 7, 9, 9') or one of the measuring modules (51, 71, 91) in cooperation with the operating electronics (26, 27, 28, 29), radiation source (15), an optional mirror element (17) and at least one optical filter element (16) forms a metrological function of an infrared-optical gas sensor. Messanordnung (10) nach Anspruch 8, wobei das mindestens eine optische Filterelement (16) • an dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) • oder an dem Gehäuseelement angeordnet ist • oder als ein Teil des Gehäuseelementes ausgebildet ist, und wobei die Strahlungsquelle (15) und/oder das optionale Spiegelelement (17) • an dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) angeordnet ist • oder an dem Gehäuseelement angeordnet ist • oder als ein Teil des Gehäuseelementes ausgebildet ist.Measuring arrangement (10) according to claim 8 , wherein the at least one optical filter element (16) • is arranged on the at least one planar carrier element (3) • or on the housing element • or is formed as a part of the housing element, and wherein the radiation source (15) and/or the optional mirror element (17) • is arranged on the at least one planar carrier element (3) • or is arranged on the housing element • or is formed as a part of the housing element. Messanordnung (10) nach Anspruch 8, wobei die Spulenanordnung (33) • als ein integrativer Teil des mindestens einen planaren Trägerelementes (3) ausgebildet ist • oder an dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) angeordnet ist • oder an dem Gehäuseelement angeordnet ist • oder als ein Teil des Gehäuseelementes ausgebildet ist.Measuring arrangement (10) according to claim 8 , wherein the coil arrangement (33) • is designed as an integral part of the at least one planar carrier element (3) • or is arranged on the at least one planar carrier element (3) • or is arranged on the housing element • or is designed as a part of the housing element. Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei das Gehäuseelement mindestens einen Gaseinlass und mindestens einen Gasauslass und/oder Elemente zu einer Strömungsführung aufweist.Measuring arrangement (10) according to one of the Claims 3 until 8 , wherein the housing element has at least one gas inlet and at least one gas outlet and/or elements for flow guidance. Sensoranordnung (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, sowie Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei die Thermoelemente oder Thermosäulen der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') als strukturierte Halbleiterelemente in Ausgestaltung von PN- dotierten Halbleiterelementen auf dem Halbleitersubstrat der Oberfläche (13) des mindestens einen planar ausgebildeten Trägerelementes (3) ausgebildet sind.Sensor arrangement (1) according to claim 1 or claim 2 , and measuring arrangement (10) according to one of the Claims 3 until 11 , wherein the thermocouples or thermopiles of the sensor elements (5, 7, 9, 9') as structured semiconductor elements in the form of PN-doped semiconductor elements on the semiconductor substrate of the surface (13) of the at least one planar carrier element (3). Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die Messanordnung (10) eine Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches ermöglicht, wobei mindestens eines der Sensorelemente (5, 7, 9, 9') und/oder ein weiteres Sensorelement • zu einer Druckmessung; • zu einer Dichtemessung; • zu einer Viskositätsmessung; • zu einer Konzentrationsmessung; • zu einer Wärmeleitfähigkeitsmessung; • zu einer Durchflussmengenmessung; • zu einer Strömungsmessung; • zu einer Strömungsgeschwindigkeitsmessung; • zu einer Feuchtigkeitsmessung; • zu einer Temperaturmessung ausgebildet ist.Measuring arrangement (10) according to one of the Claims 3 until 12 , wherein the measuring arrangement (10) enables a determination of physical or chemical properties of a gas or gas mixture, wherein at least one of the sensor elements (5, 7, 9, 9') and/or a further sensor element is designed • for a pressure measurement; • for a density measurement; • for a viscosity measurement; • for a concentration measurement; • for a thermal conductivity measurement; • for a flow rate measurement; • for a current measurement; • for a flow velocity measurement; • for a humidity measurement; • for a temperature measurement. Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Betriebselektronik (26, 27, 28, 29) zumindest teilweise mit den Sensorelementen (5, 7, 9, 9') gemeinsam auf dem planar ausgebildeten, gemeinsamen Trägerelement (3) angeordnet ist, wobei das planar ausgebildete, gemeinsame Trägerelement (3) in einen gemeinsamen Gas- und Strömungsraum (19) integriert angeordnet ist.Measuring arrangement (10) according to one of the Claims 6 until 13 , wherein the operating electronics (26, 27, 28, 29) are arranged at least partially together with the sensor elements (5, 7, 9, 9') on the planar, common carrier element (3), wherein the planar, common carrier element (3) is arranged integrated in a common gas and flow space (19). Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Betriebselektronik (26, 27, 28, 29) und die Sensorelemente (5, 7, 9, 9') oder Messmodule (51, 71, 91) auf dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) in dem gemeinsamen Gas- oder Strömungsraum (19) angeordnet sind, wobei eine der folgenden Anordnungen zur Bestimmung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften eines Gases oder Gasgemisches auf dem mindestens einen planaren Trägerelement (3) ausgebildet wird: • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch; • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung und Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Temperaturmessung; • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Druckmessung; • Anordnung zu Strömungs- oder Durchflussmengenmessung, Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung und Dichtemessung; • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Temperaturmessung; • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Druckmessung; • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Gaskonzentrationsmessung für einen weiteren Gasbestandteil oder einen Feuchtigkeitsanteil im Gas oder Gasgemisch und Dichtemessung; • Anordnung zu Sauerstoffstoffkonzentrationsmessung, Druckmessung und Dichtemessung.Measuring arrangement (10) according to one of the Claims 9 until 14 , wherein the operating electronics (26, 27, 28, 29) and the sensor elements (5, 7, 9, 9') or measuring modules (51, 71, 91) are arranged on the at least one planar carrier element (3) in the common gas or flow space (19), wherein one of the following arrangements for determining physical or chemical properties of a gas or gas mixture is formed on the at least one planar carrier element (3): • Arrangement for flow or throughput measurement, oxygen concentration measurement and gas concentration measurement for a further gas component or a moisture content in the gas or gas mixture; • Arrangement for flow or throughput measurement and oxygen concentration measurement and temperature measurement; • Arrangement for flow or throughput measurement, oxygen concentration measurement and pressure measurement; • Arrangement for flow or throughput measurement, oxygen concentration measurement and density measurement; • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and temperature measurement; • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and pressure measurement; • Arrangement for measuring oxygen concentration, gas concentration for another gas component or a moisture content in the gas or gas mixture and density measurement; • Arrangement for measuring oxygen concentration, pressure measurement and density measurement.
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