DE102023121741A1 - sensor arrangement - Google Patents
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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
Die
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
Die
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
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
- • 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
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.
- • 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
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
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.
- • 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 : Perspektivische Ansicht einer Messküvette; -
2 : Ansicht der Messküvette nach1 in Einströmrichtung; -
3a : Draufsicht der Messküvette nach1 ; -
3b : Draufsicht einer Variante der Messküvette nach den1 ,3a ; -
4 : Erweiterung der Messküvette nach der2 ; -
5 : Erweiterung der Messküvette nach der1 ; -
6a ,6b ,6c : Ansichten eines Trägerelementes.
-
1 : Perspective view of a measuring cuvette; -
2 : View of the measuring cuvette after1 in the inflow direction; -
3a : Top view of the measuring cuvette after1 ; -
3b : Top view of a variant of the measuring cuvette according to the1 ,3a ; -
4 : Extension of the measuring cuvette after the2 ; -
5 : Extension of the measuring cuvette after the1 ; -
6a ,6b ,6c : Views of a support element.
In der
Die
Die
In der
In the
In der
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
Die
Die
Die
Die
Die
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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