專利名稱：：對氣體中聲速的壓力引發的溫度影響的減小的制作方法
技術領域：
：本發明總體上涉及氣體混合物中聲速的測量。更具體地，本發明涉及將超聲波檢測器例如應用于其中壓力引發的溫度影響是測量精度的主導因素的環境中的氣體濃度或氣體流量的測量。
背景技術：
：在超聲波檢測的某些應用比如測量氣體混合物中氣體組分的濃度或比例中，氣體混合物的壓力變化對測量精度有大的影響。在聲速和特定于氣體的M之間存在眾所周知的關系，而基于此關系和聲速測量值可計算氣體成分的當前比例。此外，氣體中聲速對溫度有強的依賴性，而為了正確計算氣體成分，亦需要對氣體進行及時和精確的溫度測量。在醫療呼吸設備中，為了監視和控制氣體混合物中氣體組分的劑量或者為了監視患者的健康狀況而精確確定例如患者吸入或呼出空氣中的氣體比例是至關重要的。但是，當患者呼吸時，呼吸設備中發生顯著的壓力變化，因此，根據理想氣體定律，氣體溫度大大地變化。因此，為了精確確定氣體成分的比例，通常需要執行非常精確的溫度測量，并且需要時間上接近地執行溫度測量和聲速測量以使它們描述氣體的瞬時物理狀態。當在實踐中測量溫度時，溫度測量結果相對于真實當前溫度總是存在一定程度的延遲。該延遲取決于用于測量的溫度傳感器的時間常數。超聲波傳感器中的延遲取決于釆樣頻率并且通常很短以致與溫度測量結^t目比是不顯著的和可忽略的。因此，同時測量聲速和溫度將總是導致某種程度上錯誤的溫度，這又造成錯誤計算的氣體濃度。現有技術在現有技術中，存在不同的處理此測量問題的方法。下列出版物中有現有技術的例子，所述出版物通過引用結合在本申請中。在NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA264(1988)219-234,North-Holland,Amsterdam中的G.Hallewell等人的k術報告ASONARBASEDTECHNIQUEFORTHERATIOMETRICDETERMINATIONOFBINARYGASMIXTURES中，有這種測量的背景理論。US6202468公開了一種通過測量磁化率和聲速來確定混合物中氣體的相對比例的設備和方法。US4155246公開了一種使用管狀氣柱上方的聲波偏移的氣體分析系統。US4932255公開了一種使用位于氣流中的襯底上方的表面聲波來對氣流進行測量的方法和裝置。圍繞M周邊的導熱路徑減小了熱梯度。在此篇現有技術中，結合表面聲波的傳輸設計了導熱路徑，以便減小由傳感器產生的熱梯度。US5351522公開了一種具有L形測量室的基于超聲波檢測的氣體傳感器。此篇現有技術針對使測量室中的駐聲波最小化的問題。JP2002257801公開了一種超聲波氣體分析傳感器，其處理避免由氣體流率和擴散導致的對聲波的影響的問題。具有擴散孔的測量室位于具有氣體入口和出口的氣體通道管中。EP1083427公開了一種借助于測量聲速來確定例如呼吸氣體中的氧氣的氣體成分的方法。由溫度變化造成的問題通過將聲速檢測與呼吸周期中的一個或多個特定時間同步來處理。EP1336841公開了一種借助于位于聲學氣量計的超聲波傳播區中的細長電阻性溫度傳感器來確定該氣量計中的溫度的方法。GB2195767公開了使用超聲波脈沖和第n個回波的檢測來進行比如液體的物質的濃度測量。US5060506公開了一種測量二元氣體混合物比如治療用氧氣/氮氣混合物中氣體比率的方法和設備。該氣體混合物被傳送通過樣品管，在樣品管中，超聲波以發射器/接收器對的諧振頻率下的連續脈沖突發行進。突發之間是靜止時間段，靜止時間段的持續時間的長度足以確保暫態的消散從而不形成駐波。由聲音通過氣體樣品的渡越時間造成的延遲產生被轉換成模擬信號的電脈沖，然后模擬信號被溫度校正。所得電壓與渡越時間成比例，并因此與氣體組成成比例。樣品管被容納于較大圓筒之內以增強氣流并且提供熱絕緣，熱絕緣旨在提高溫度補償的精度。US4938066公開了一種處理聲傳感器中長度膨脹的問題的方法和設備，該聲傳感器的超聲波變送器發射聲音脈沖，聲音脈沖從殷鋼(invar)桿的i^]良面反射以及從該殷鋼桿遠端處的第二表面反射。來自相應表面的反射脈沖的檢測之間的時間差以及該桿的已知長度被用來計算聲速。US6481288公開了一種釆用球形測量室來測量聲速的方法和設備。發明目的本發明的總體目的和要解決的問題是進一步改進其中壓力引發的溫度影響是測量精度的主導因素的環境中的氣體混合物中的基于聲速檢測的測量裝置和方法的精度。尤其存在該目的和該問題的下列方面-要減小壓力變化對當前經受測量的氣體混合物的一部分的溫度的影響。-要提供測量裝置中的超聲$議射器的適當聲音模式。-要減小測量裝置中的材料的熱膨脹的影響。-要確定氣體混合物中的氣體濃度。-要確定氣流中的流率。
發明內容根據本發明，該問題的解決和該目的的實現是通過平衡當前經受測量的氣體或氣體混合物的一部分的溫度變化并由此抑制氣體的溫度變化來完成的。換句話說，本發明通過使被測量實體(即氣體混合物形式的測量對象)所造成的傳感器裝置中的溫度梯度抵消和趨平來解決該問題。如背景中所述，氣體溫度在壓力變化期間迅速變化，這例如在本發明在醫療呼P及設備中的典型應用中、與患者的吸入或呼出換氣相關地發生在管道系統中。在氣體的溫度變化的同時存在以下過程通過周圍物質和氣體之間的熱交換使氣體的溫度變化向著平均溫度趨平或平衡。本發明基于發明人對以下事實的認識趨平過程的速度可被增大到一程度，使得由氣體中壓力變化導致的溫度梯度的影響被最小化，甚至可忽略。根據本發明，聲學氣體測量被由此設計成使得熱交換被放大并且趨平過程的速度與對氣體中溫度變化的均衡的時滯的預定要求相匹配。這與現有技術形成對照，在現有技術中，例如測量速度被增大或者突然的溫度變化在計算中被補償以便處理由壓力引發的溫度變化導致的測量問題。在本發明中，測量室本身被定制成減小或甚至消除這些測量問題。根據本發明，通過使被測量氣體與熱惰性的和良好導熱的物質的硬性表面緊密接觸來放大熱交換，使得熱可從氣體自由移動到周圍結構。在本發明概念的一個實施中，本發明通過提供如下測量室來實現該測量室被設計有適于放大當前存在于該室中的氣體的一部分與室限定結構之間的熱交換的結構。此方案的技術效果是當以壓力變化形式產生的快能量脈沖被引入管道和所連接設備的系統中時，測量室將充當能量脈沖的低通濾波器，且測量室中的物質將表現出在平均溫度附近的小變化。由于測量室物質和氣體之間的熱交換被放大，所以這樣的話氣體亦將被低通濾波，且溫度變化將很快趨平，以致在此情況下溫度變化變得可忽略。優選地，室限定結構適于提供熱交換，使得溫度變化被均衡到預定時滯內的預定水平。該時滯例如被定義為室限定結構的熱交換的時間常數。室限定結構例如適于根據氣體濃度的預定最大誤差來提供所需熱交換效率。這被實施為本發明概念內的為測量裝置定尺寸的方法。溫度變化趨平過程的速度實際上取決于若干Wt,比如氣體的熱導率、從氣體原子到周圍物質表面的幾何距離、周圍物質的熱惰性和熱導率。已發現幾何距離和熱導率是關于本發明的主導參數。根據本發明的第一方面，溫度平衡通過設計這樣的測量室來實現該測量室中腔的形狀與限定腔的材料的特性相關。根據此方面，關于要在本發明的特定應用中使用的氣體混合物的特性，將室限定結構定制有形狀、尺寸和材料的組合。優選地，此定制被設計成^f吏得氣體混合物和測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(￡)熱交換的預定最大可允許時滯。熱交換的最大可允許時滯優選地根據氣體混合物的發生溫度變化的量值以及氣體混合物中氣體的所確定比例的最大可允許誤差來計算。在一個實施例中，最大可允許時滯亦+艮據施加在來自測量裝置中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯來計算。根據第二方面，通過將超聲波變送器安裝在測量室中使得變送器膨脹的影響被消除，減小了測量裝置中材料膨脹的影響。根據第三方面，借助于放置在測量室開口的端面和變送器的有效表面之間的聲學阻尼密封(dampeningseal)構件，減小了起源于超聲波變送器的結構聲(structurebornesound)。該密封構件優選地以硅橡膠制成。根據本發明的第四方面，通過允許超聲波在變送器表面之間回彈并且檢測第n個回波，提高了其中超聲波變送器之間距離短的小尺寸測量室中的測量的分辨率。從而超聲波脈沖行進較長距離。根據本發明的第五方面，設計了被傳輸通過測量室中的氣體的超聲波的模式，以便減少暫態并且導致和諧的暫穩態過程。這是通過重復發送脈沖列突發并且從1/4脈沖周期開始每個列來實現的。這使得施加到變送器的頻率在數學意義上不等于變送器的諧振頻率。本發明的其它方面在實施例的詳細描述中解釋。發明優點除了上述技術效果和優點以外，本發明還帶來如下技術效果和優點。具有較大時間常數的簡單溫度傳感器可在測量裝置中使用，這是因為溫度變化的速度通過溫度平衡效應而被減小。本發明的測量裝置是對基于碳燃燒電池(燃料電池、電化學電池)的傳感器的一種更環保的替選技術方案。基于碳燃燒電池的傳感器必須每年更換一次，并且產生相當大量的鉛廢料。此外，本發明實現了對不僅昂貴而且;Wfe敏感的順磁性傳感器的一種替選方案。闡釋和解釋在本文中，使用術語"平衡"以及同義表達如"均衡"、"趨平，，等來描述交換熱能以便抑制氣體的被測量部分中的溫度梯度的動作。氣體和氣體混合物是用來描述被測量的氣體實體的表達。醫療呼吸設備應用中的典型氣體混合物是由普通空氣混合物和某種其它氣體如氧氣或氮氣組成的所謂二元氣體。本發明涉及確定和監視氣體混合物中氣體組分的濃度。對此有各種可替選表達，例如氣體比例、氣體相對比例、氣體成分等。在用于確定二元氣體混合物(即兩種氣體的混合物)中氣體比例的方法中，可使用下面的眾所周知的關系。氣體混合物中的聲速可根據如下方程來描述<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(1)其中c=聲速[m/s]cp=等壓比熱[kJ/kgK]cv=等容比熱[kJ/kgK]Rm=氣體常數8314.5[J/kmolK]T=溫度[K]M=分子量且其中氣體的cp、cv和M(分子量)已替換成取自物理特性氣體表中的氣體的混合物的對應值。替換的量cp*、cv*和M*取決于氣體的比例。氣體之一的當前濃度可通過以本身公知的方式求解M*的方程來計算。時間常數通常是使儀表指示產生自輸入信號的最終讀數的給定百分比所需的時間，即儀表的馳豫時間。在比如溫度計的儀表(其對所施加信號的階躍變化的響應呈指數特性)的情形下，時間常數等于使該M指示總變化的63.2%(即當暫態誤差減小到原始信號變化的1/e時)所需的時間。亦稱為滯后系數。[來源Webster的在線詞典。在本發明中，時滯可例如被定義為時間常數。在本發明實施例的描述中，根據此闡釋為測量室定義了時間常數tau。將參考附圖進一步解釋本發明，在附圖中圖l示出了才艮據4^發明實施例的測量系統的示意圖。圖2示出了其中測量室的聲音傳播區中有硬性結構法蘭的本發明實施例。圖3示出了其中測量室的聲音傳播區中有多孔結構的本發明實施例。圖4示出了根據本發明實施例的測量裝置組件的分解圖。圖5示出了圖4的實施例中的測量裝置組件的橫截面。圖6示出了測量室管的透視圖，以及圖7示出了根據圖5的實施例的橫截面側視圖。圖8示出了具有平衡上游氣體通道部分的實施例的略圖。圖9示意性地示出了根據本發明一方面的變送器安裝到測量室的方式；圖10A-D圖示了檢測超聲波脈沖的第n個回波的方式；以及圖11A-D圖示了根據本發明一方面的激勵發射變送器的方式；圖12示出了由引入的壓力暫態導致的溫度干擾的曲線圖；以及圖13示出了在用時間常數歸一化的時間上繪制的相對溫度干擾的減小的曲線圖。具體實施例方式測量室在優選實施例中，本發明借助于用于暫時容納要測量的氣體的測量室來實現。優選地，該室被安裝成使得氣流通過該室并且在流動的氣體上斷續地進行測量釆樣。對測量室的功能要求是室限定物質應充當熱緩沖器并且與氣體分子有高效的熱交換。所實現的熱交換效率越高，則溫度平衡過程的速度增大得越多，且本發明的效果越好。圖1示意性地示出了+艮據本發明的測量裝置1。由室限定結構5限定的測量室2具有腔4，腔4具有其中超聲波M聲波發射器傳播到超聲波接收器的氣體的空間。在圖l的實施例中，超聲波以本身公知的方式在兩個相對安裝的具有發射器以及接收器功能的第一和第二超聲波變送器6A、6B之間傳播。該室設有氣體入口8和氣體出口10，氣體入口8和氣體出口10被設計用于使氣體從氣流路徑12通過測量室2的腔4。溫度傳感器14被設計用于檢測該室中氣體的溫度。溫度必須在合適的區(即聲音傳播通過的區)中進行測量。這可例如借助于包括被拉緊而穿過測量區的細鉑線的溫度傳感器來實現。一個可替選方案是感測與聲音測量區有已知關系的一點處的溫度并計算氣體中的溫度。優選地，應選擇具有盡可能小的時間常數的溫度傳感器。該示例性鉑溫度傳感器具有小的時間常數并且是實現本發明的合適選擇。然而，本發明具有如下效果借助于高效溫度交換而使溫度變化趨平，使得溫度變化被低通濾波并因此可使用具有較大時間常數的簡單溫度傳感器。當前優選的實施例設有標準NTC型熱敏電阻(NTC-負溫度系數)。在圖1中還存在根據一個實施例的電子控制電路的框圖。中央處理單元CPU16設有專為本發明定制的程序代碼，并且經由溫度信號輸入端18和溫度信號放大器20耦合到溫度傳感器14。第一超聲波變送器6A經由超聲波接收器信號放大器22耦合到計時器級26的輸入端24。第二超聲波變送器6B經由超聲波發射器驅動信號放大器30耦合到計時器級26的輸出28。計時器級耦合到中央處理單元16或者借助于中央處理單元16來實現，并且具有如下功能寄存和比較來自接收超聲波變送器6A的檢測器信號的到達時間、信號之間的時間差、以及用于激勵發射超聲波變送器6B的驅動信號的輸出時間。數字/模擬(D/A)轉換器36耦合到中央處理單元，以便于在顯示器上輸出例如測量結杲或者產生警報信號。來自超聲波變送器6A、6B的信號亦被傳送通過或被施加于未示出的信號濾波器，該信號濾波器具有通常用時間常數表達的特定時滯。中央處理單元16進一步耦合到I2C總線32以便于與其它電路部件連通。電源34按需要耦合到所述部件。該傳感器裝置由此被操作為發送超聲波脈沖通過該室中的氣體混合物(例如空氣和氧氣的混合物)，并且測量該脈沖的傳播時間。所測量的時間對應于處理器中的計時器值(例如數4534)。結合所測量的氣體溫度，根據預編程的關系計算氣體濃度，并且以例如對應于21%-100%氧氣02的模擬電壓的形式產生輸出信號。室2的腔4由物理室限定結構5限定和界定，物理室限定結構5以適當形狀和適當材料來設計并且具有與通過該室的氣流相接觸的表面。該結構的熱導率確定熱交換速度，并且取決于該結構的物理尺寸、形狀和材料的特性。熱導率在國際單位制中以瓦每米開爾文(W'nT、IC1)度量，各材料的熱導率可從表中得知。對于形狀和物理尺寸，熱導率例如用間接方法比如對獨立^進行建模和實驗測量來估算。該結構的材料應由此具有高熱導率，且優選地是比如熱導率為236W.m".K1的鋁或熱導率約為50W.m".KT1的鋼的金屬。亦可考慮其它材料，例如添加有金屬碎片(chip)的導熱塑料。熱緩沖材料的重量應關于其它設計參數以及該室中氣體成分的重量、體積和分子密度而選擇，使得熱交換效率^L夠的。根據本發明，應釆用可用的設計參數，以使室限定結構適于提供熱交換，使得氣體的溫度變化被均衡到預定時滯內的預定水平。在此情況下，將時滯或室限定結構的熱交換的時間常數定義為對該室的熱交換效率的度量是有用的。本發明概念包括根據本發明的為測量設備定尺寸的方法。該方法在如下意義上是間接的其根據測量結果的期望精度逼近用來定尺寸的參數，并返回以尋找對用來定尺寸的參數的要求。因此，確定了氣體混合物中氣體的所確定比例的最大可允許誤差。該可允許誤差取決于應用，其在本發明在呼吸i殳備中的應用中例如在所確定氧氣濃度(02濃度)的5%誤差的范圍內。估算了氣體混合物的最大發生壓力變化的量值。在該示例性應用中，最大發生壓力變化例如在50cmH2O的范圍內。在患者的實際換氣中，最常見的壓力變化在25-30cmH2O的范圍內。然而，例如，當患者咳嗽時，壓力變化可達到高達約100cmH20的極值。借助于根據氣體混合物的發生壓力變化的所估算量值的計算，來估算氣體混合物的最大發生溫度變化的量值。為了進行此估算，確定導熱過程的模型，并將該模型表達為包括表示變化的壓力所作的壓縮功的項的方程。在一示例性實施例中，此方程表達為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(2)其中T是溫度，p是壓力，p是密度，Cp是等壓比熱，入是熱導率,下列力學和熱學參數值對25℃的空氣適用用<table><row><column>參數</column><column>值</column></row><row><column>P</column><column>1.18[kg/m31</column></row><row><column>Cp</column><column>1000J/kgK</column></row><row><column>入</column><column>0.024[W/mK]</column></row><table>表l在此模型例子中，密度p接近恒定值，這是因為研究較小壓力和溫度變化。現在在沒有任何熱傳輸項和引入的壓力暫態Ap-5000[Pa-50cmH2O的情況下求解方程2，得到繪制在圖12的曲線圖中的值。這對應于無限大的測量室尺寸或熱導率入=0。在圖12中，將溫度變化的干擾繪制為時間的函數，其中時間值在水平軸上，以攝氏度為單位的溫度干擾值在豎直軸上。如曲線圖所示，Ap-5000Pa=50cmH20的輸入壓力暫態帶來約4攝氏度的溫度的非?？焖傧陆怠Ｒ虼耍诖死又校?0cmH20的壓力減小會造成4攝氏度("C)范圍內的減小這一形式的溫度變化。于是可根據氣體混合物的發生溫度變化的量值以及氣體混合物中氣體的所確定比例的最大可允許誤差，來計算氣體混合物和測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。在本例子中，氣體混合物和測量設備之間的熱交換的^達為時間常數的最大可允許時滯約為0.050秒。對于這些要求，測量設備,皮定制成使得氣體混合物和測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(￡)熱交換的所計算最大可允許時滯。應用用于定尺寸的方法的基本結果，該方法還包括如下步驟關于氣體混合物的特性而選擇測量設備中測量室的形狀、尺寸和材料的組合，使得氣體混合物和測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(S)熱交換的所計算最大可允許時滯。在本發明實施例中，將信號濾波器施加在來自超聲波檢測器的信號上并且亦在為測量設備定尺寸時考慮濾波器的時滯(優選地是時間常數)常常是有利的。因此，該方法的一個實施例還包括如下步驟才艮據對測量i殳備的響應時間的預定要求，選擇施加在來自測量i殳備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯。因此，此實施例包括:亦根據施加在來自測量設備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯來計算氣體混合物和測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。在亦考慮信號濾波器的時滯的實施例中，計算氣體混合物和測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯包括下列步驟根據氣體混合物的發生溫度變化的量值來計算氣體混合物中氣體的所確定比例的發生誤差的量值；計算由壓力變化導致的最大可允許檢測溫度變化；確定由壓力變化導致的氣體混合物的最大發生溫度變化和最大可允許檢測溫度變化之間的關系；確定氣體混合物和測量設備之間的熱交換的時滯和施加在來自測量設備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯之間的關系；確定所述溫度關系和所述時滯關系之間的關系；并且根據所述溫度關系和所述時滯關系之間的所述關系來計算氣體混合物和測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。如上所述，對時滯的優選度量是時間常數，即根據定義達到總熱交換的63.2%所需的時間。確定了對測量設備的熱交換特性的要求后，本發明概念包括實現足夠熱交換效率的不同方法。在一個實施例中，通過關于其它設計M而減小或最小化限定腔的物質的表面和氣體分子之間的距離來實現所需熱交換速度。更特定地，是圍繞室腔中的氣體或被室腔中的氣體圍繞的物質。在此實施例的一個變體中，熱緩沖材料的表面面積在室腔的聲音傳播區中被放大。例如，如圖2的實施例所示，測量室2可設有位于聲音傳播區中的熱緩沖材料的法蘭38。優選地，在變送器6A、6B之間、平行于聲音傳播方向40而安裝法蘭38,以免減小聲壓。類似地，通過測量室的主氣流方向42應平行于法蘭，以免干擾通過該室的流率。在圖2中，氣流方向42向著紙內，并因此垂直于聲音傳播方向40。對設有厚度約1毫米(mm)且斷續內部距離約2亳米(mm)的鋼法蘭的測量室進行的實驗測試表明換氣機工作中的溫度變化被平衡到溫度相關效應可忽略的程度。不需要測量和補償溫度變化，僅需要相對緩慢地測量基本氣體溫度，以便獲得氣體濃度計算的精確結果。在圖3所示的另一示例性實施例中，室2在其聲音傳播區中i殳有固體材料的多孔結構44,如絲絨或海綿狀結構，其例如由鋼或某種其它金屬或類似導熱材料制成。氣體流過并圍繞多孔結構44，由此實現了從氣體分子到結構表面的小距離。該多孔結構應設置成使得超聲波無任何顯著干擾且以小的流阻行進通過該多孔結構。在第三示例性實施例中，室腔被成形為小直徑的管，這導致了從腔中氣體分子到管內壁的小距離。優選地，內部管形狀為圓筒形，但亦可考慮其它橫截面。在此實施例的實際實施中，一部分氣流從主氣流被轉向測量室，以便熱緩沖和測量適當的氣體體積。此概念被應用于圖4-7所示的本發明的當前優選實施例。確定了模型以便尋找管形室腔的合適參數。此模型基于研究由壓力暫態所造成的溫度變化導致的對測量精度的干擾的相對水平。假定相對溫度干擾水平T(r,t)根據如下方程呈指數減小<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(3)其中r0是圓筒的內半徑，r是圓筒中的空間(即管形室)中的半徑，g(r/r。)是圓筒中的空間中的溫度分布，T是時間常數。時間常數T是<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(4)其中p是密度，Cp是等壓比熱，入是熱導率，它們具有上面的表1中所述的值。圖13中的曲線圖示出了在用時間常數歸一化的時間上繪制的相對溫度干擾的減小的曲線的形式這種關系的例子。在1個時間常數之后，干擾水平減小到了初始水平的約36%。在建模計算中使用這些方程示出了不同管半徑rO(亳米)和與沒有根據本發明的任何溫度平衡的情況下的標稱水平相比由于壓力變化導致的在時間常數T(tau)[s之后的相對溫度干擾水平之間的關系。在下表中，在引入的壓力4態之后分別在兩個時間點t-0.01[s和t-0.1[s列出這些^lt。例如，該表中示出了半徑為3.0mm的管具有時間常數tau=0.0765，且在0.01秒之后具有0.877的相對溫度干擾水平，在0.1秒之后具有0.271的相對溫度干擾水平。r0[mm]tau[sexp(-0,01/tau)exp(-0.1/tau)LO0.00850.3080.00000781.50.01910.5930,005362，000.03400.7450,05282、5..0-05310.8280,1523.00.07650-8770.2714-00.1360,9290.4795.00.2130.9540.6256.00.3060.9680,7217.00.4170.9760.7878.00.544,0.9820.832表2可以看出，對于50%02和50%N2的氣體混合物，所確定02濃度的誤差為每攝氏度溫度變化約2.5%單位。因此，在半徑為3.0mm且0.01秒之后相對干擾水平為0.877的前述例子中，所確定02濃度的誤差為△X02=2.5x0.8772.2%。在本發明在呼吸設備的02傳感器中的應用中，在定尺寸過程中必須慮及極值高達約100cmH20的壓力變化。這將以與上述計算相同的方式產生高達約8攝氏度的溫度變化，這又通過計算2，5[02濃度的百分數單位誤差/攝氏度溫度變化x8[攝氏度產生由于壓力引發的溫度變化導致的02高達約20百分數單位的誤差干擾。借助于信號濾波，此干擾可減小到約3%的更可容忍的水平。即，濾波器應將誤差減小到減小因子為3%/20%=0.15的一小部分。信號濾波器,皮由此施加在來自超聲波傳感器的信號上。信號濾波器關于起源于02濃度的真實變化的信號而限制超聲波傳感器的速度。對于大的濾波器時間常數Tf，壓力引發的溫度變化對02濃度的影響較小。對于此配置，經測量02濃度的誤差因此一方面受到測量室的熱時間常數t的影響，另一方面受到信號濾波器時間常數Tf的影響。使用具有上面簡要描述的信號濾波器并且適用于確定測量室的所需尺寸的定尺寸方法的更詳細版本，可確定信號濾波器的時間常數Tf、測量室的時間常數T、以及與濾波器減小最大干擾的程度的減小因子相對應的減小因子T!之間的關系。根據此關系(未詳細示出)，在此例子中可確定對于減小因子0,15，測量室的時間常數t$0.235x信號濾波器的時間常數Tf。實際上，關系t￡0.235xTf例如作為描述干擾減小因子與時間常數比之間的函數關系即n(Tf/T)的曲線圖上的一點而被發現。對于時間常數為20秒的慢濾波器，測量室的最大時間常數將是0.235x20=4.7秒。計算作為決定性定尺寸參數的金屬管的內直徑并假定氣體混合物為空氣，所得到的要求是最大內直徑為47亳米。當執行本發明時需要考慮不同的設計因素和參數，以便根據本發明提供效率足夠的熱交換效果。在本發明概念的一個實施例中，借助于如下方法關于例如直徑、壁厚度、重量或熱導率為所選結構i殳計定尺寸。測量可能發生在本發明的特定應用中的壓力變化，其中特別注意不適宜壓力的情形。執行一個或多個所選設計M對例如時間常數和溫度干擾水平所產生結果的仿真，并且確定最大溫度干擾水平。溫度偏差或溫度干擾水平被轉換成所得計算氣體濃度或氣體流量的誤差。由此可替選地表達為偏差或干擾水平的最大可允許誤差對于所得測量氣體濃度水平而言是預定的，例如02濃度的最大3%誤差。此后，根據預定最大氣體濃度誤差來計算所選設計^，例如管的直徑。如果例如所需熱導率是要定尺寸的所選設計參數，則亦根據例如預定的管直徑進行相應計算。此概念與上面給出的建模例子類似。圖4示出了作為測量裝置組件實現的本發明的實施例的主要部件的分解圖，該測量裝置組件包括具有圖4中不可見的測量室的傳感器殼46、具有連接到外部布線的連接器的電路板48、以及被設計成覆蓋傳感器殼46和電路板48的保護蓋50。傳感器殼46被設計成安裝在主氣流管52上，從而覆蓋主氣流并經由氣流管52中的開口54部分地插入主氣流中。氣流的一部分由此被導入傳感器殼46的測量室中。圖5示出了+艮據圖4的安裝在主氣流管52上的測量裝置組件的橫截面。傳感器殼46設有唇形構件56，該唇形構件突出到主氣流管52中并將氣體引導到測量室2。測量室2在空間上由圓筒管58限定,圓筒管58包括用于其位置沿著圓筒殼套(mantle)的氣體的彼此相對的細長入口和出口60。設計入口和出口的細長形狀，以使可與氣流的突然區域變化相關地發生的超聲波傳播模式的影響最小化。更特定地，減少或甚至避免了區域變化處的聲音脈沖回彈，從而可避免由這樣的聲音脈沖回彈導致的對聲音傳播模式的破壞性干擾。在工作中，氣體沿著唇形構件并經由入口和出口60流入和流出管腔。在圖5中，僅一個入口和出口可見。超聲波變送器6A、6B位于該管的每個端開口處，使得變送器的有效表面覆蓋該管在每個相應端的端開口。具有阻尼密封件功能的墊圏62密封以防止室管58和變送器的有效表面之間的泄漏。O形圏64密封在室管58和傳感器殼46之間，且領形密封物66密封在傳感器殼46和主氣流管52之間。彈性鉤環(shackle)片68在每一側將變送器6A、6B固定到室管58。從圖5中可清楚看到，傳感器殼中的大部分部件成對出現，以對稱方式安裝在室管58周圍。電路板48放置在傳感器殼46的頂上，最后，組件被保護蓋50覆蓋。圖6和圖7更詳細示出了室管58。室管58在一端設有法蘭82，當管58安裝在傳感器殼中時，法蘭82具有位置停止功能。在管58的每個端都有用于容納O形圏密封件64(參照圖5)的凹部84。細長入口和出口60如上所述沿著管58的殼套設置。優選地關于溫度變化以及信噪比而優化室管的尺寸。此示例性實施例針對這樣的呼吸設備的^U^通道而i殳計，該呼吸設備具有通過該^^通道的主氣流中的范圍為0-200升/分鐘的典型氣體流率、范圍為15-50n的典型工作氣體溫度、以及范圍為0-140cmH20的典型壓力變化。室管的此實施例優選地具有9mm范圍內的內直徑和12mm范圍內的夕卜直徑，從而導致了室壁主要部分的約3mm的材料厚度以及氣體分子與內表面之間約4，5mm的最大距離。該材料是具有50Wn^KT1范圍內的熱導率的不銹鋼。在應用于其中氣^^目對于測量室腔體積而言較大的環境的本發明實施例中，優選地提供有針對根據本發明概念用于平衡溫度梯度而設計的上游氣體通道部分。由此消除了室中氣體部分的交換速度超過室中溫度平衡的速度的風險。這樣的上游氣體通道部分由此優選地利用橫截面尺寸相對于主氣流尺寸而言較小的導熱材料來設計。圖8示出了此實施例的略圖，其中溫度平衡通道部分90位于測量室腔4的上游并且設計成在流入氣體進入測量室之前使其溫度TO趨平。在上面解釋的圖5的實施例中，唇形構件56連同周圍結構一起構成這樣的溫度平衡通道部分。根據本發明的聲傳感器的另一方面處理測量室膨脹的問題。借助于聲傳感器測量聲速c是基于測量聲音脈沖行進已知距離s所需的時間t,并計算c-s/t而進行的。因此需要對測量距離進行精確和穩定的測量。例如，在通過空氣和氧氣的氣體混合物中的聲速檢測來測量氣體濃度時，在18mm的測量距離上，測量距離的IO微米變化導致了氧氣濃度單位約1%的誤差。測量距離的擴展可由于室的或變送器的熱膨脹以及測量室中的壓力變化而發生。熱膨脹發生在室封閉結構中和超聲波變送器自身中。根據本發明，用于室封閉結構的材料通過關于其它設計^而選擇具有盡可能低的線性溫度膨脹系數的材料來處理。例如，具有22.2(m/m.Kxl(T6)的線性熱膨脹系數的鋁或具有13.0(m/m.Kxl(T6)的鋼可用于室。超聲波變送器包括不同材料的層，其中適應材料上的有效超聲波發射表面、阻尼材料層和硅酮橡膠層，它們都安裝在通常用于倚靠凹部的緣而安裝變送器的法蘭上。所有這些層都才艮據環境的或氣體的溫度變化、或由于超聲波產生而膨脹或收縮，并由此招致測量誤差。根據本發明，并如圖9的示意圖所示，此效應通過安裝變送器使得相應變送器6A/6B的有效表面94覆蓋管形室腔4的端開口來消除。由此可忽略構成變送器的材料的尺寸變化，這是因為有效表面的位置保持恒定。有#面94倚靠位于室壁97的端橫截面之間的墊圈62形式的薄的聲學阻尼密封件。阻尼密封墊圏62優選地由例如約0.7亳米厚的硅酮橡膠制成。阻尼密封件墊圏62處理本發明的第四方面，即消除結構聲。由于其厚度小，硅酮密封件具有可忽略的由壓力以及溫度導致的長度膨脹。此外，變送器安裝有彈性裝置102,彈性裝置102將變送器壓在阻尼密封墊圏62上。在圖9中，用作說明，該彈性裝置固定在鉤環或帶104上，鉤環或帶104相對于室結構被剛性緊固。在圖6所示的實施例中，鉤環片68自身體現為彈性裝置。該彈性裝置應被設計有超過在測量室中產生的最大壓力脈沖的彈性力，并由此消除測量距離的壓力相關的膨脹和變送器的移位。此實施例的優點是其實現了小尺寸測量室。小尺寸筒化了與氣體濃度測量相聯系的溫度測量，這是因為小的聲音傳播區導致了較均勻的氣體溫度。這又實現了可在一點而不是整個區內測量氣體溫度?？扇绫景l明實施例中所說明的那樣使用此概念，或者與超聲波變送器的其它配置相結合獨立地使用此概念。處理室材料膨脹的另一方法是將測量室設計成球形，使得室封閉物的熱膨脹在所有方向上相等。此實施例的一個缺點是球體是提供關于該體積的最小可能表面面積的幾何形狀。此實施例因此優選地設有額外的熱緩沖材料，以便實現與室的氣體成分的足夠高效的熱交換。這可例如借助于室腔內的多孔結構、法蘭或較厚的室壁來實現。本發明的又一方面涉及如下問題在短測量距離的情況下仍實現令人滿意的超聲波測量分辨率。根據本發明，這通過允許聲音脈沖在行進時間被讀出之前在變送器對之間回彈來解決。由此實現了對行進了較長距離的反射信號的檢測和計時。圖10A-10D圖示了本發明。圖10A圖示了作為例子的發射超聲波變送器106，其發送超聲波脈沖經過例如6厘米的測量距離110到接收變送器108。圖10B圖示了以第一發射振幅在1發射并以第二較低振幅(由通過氣體行進期間的能量損失所導致)在2接收的聲音脈沖。在圖10C中，發射和接收變送器以例如2厘米的較短間距來定位。如箭頭所示，聲音脈沖被允許在變送器之間回彈或回聲兩次，并在行進了變送器間距三次之后被接收變送器檢測。如圖10D所示，優選地使接收器在時間段1中的聲音脈沖發射期間受阻尼，以便抵消干擾振蕩。該脈沖在時間段2中第一次回彈，在時間段3中第二次回彈，隨之被接收變送器檢測。通常，檢測第n個回波，并適當考慮信號阻尼。然而，在優選實施例中，根據測量室的設計，檢測第二回波。檢測超聲波脈沖的第n個回波例如第二個回波使得超聲波行進較長距離，并因此提高了小尺寸測量室的測量分辨率。本發明的又另一方面處理如下問題實現傳感器裝置的適當信號模式。根據本發明實施例，發射變送器被操作為發射重復頻率為200Hz的超聲波脈沖。這樣的話，該變送器被激勵以振蕩和發射的脈沖實際上是例如包括3個脈沖的脈沖列突發，每個突發具有2.25個周期的持續時間，從而對應于0.0050秒。為了減少暫態并導致和諧的暫穩態過程，變送器激勵電壓被控制為僅在變送器振蕩的上升時段期間具有高電壓和振蕩。即，當變送器輸出具有正導數并因此激勵電壓的第一振蕩具有僅1/4脈沖周期的長度時。這在圖11A-11D中示出。圖11A是示例性示波器測量的屏幕信息轉儲，其圖示了聲音脈沖如何在測量室中的變送器表面之間回彈，由接收變送器所檢測。該聲音受阻尼而在2.4亳秒之后完全消逝，新的脈沖發射可開始。在圖11B中，上圖示出檢測到的超聲波脈沖，下圖示出到發射變送器的激勵電壓輸入。借助于如上所述的微處理器中的計時器來測量^UL射開始到例如接收器接收到第二回波的時間。圖11C示出了圖11B中的激勵振蕩的部分放大圖。第一振蕩僅l/4脈沖周期長，而隨后的振蕩具有1/2脈沖周期的長度，因此所施加的信號在數學意義上偏離變送器的諧振頻率。這亦在激勵振蕩與發射變送器輸出的關系圖中示出。根據圖IID，激勵電壓以從1/4脈沖周期開始的方波振蕩112的突發的形式輸入到變送器，由此在變送器輸出信號114的正導數部分期間具有高電壓?？扇绫景l明實施例中所說明的那樣使用此概念，或者與超聲波變送器的其它配置相結合獨立地使用此概念。本發明的流量計應用本發明概念還可應用于借助于超聲波的氣體流量測量?；诔暡ǖ牧髁坑嬂昧藴y量區上游和下游的聲速之差。上游測量值和下游測量值的平均值給出了對氣體組成和氣體溫度的間接度量。對于施加在流量計測量區中的根據本發明的溫度緩沖器，測量值僅是對流量和氣體組成的度量。這可例如用于確定患者的肺的機能性余氣量(FRC)。特定測量采樣的時間不必與溫度測量同步。標號1測量裝置46傳感器殼2測量室3048電路板4室腔50保護蓋5室限定結構52主氣流管6A、6B超聲波變送器54主氣流管中的開口8氣體入口56唇形構件10氣體出口3558圓筒管12氣-姊徑60入口和出口14溫度傳感器620形圈16中央處理單元CPU66領形密封物18溫度信號輸入端68彈性鉤環片20溫度信號放大器4082法蘭22超聲波接收器信號放大器84凹部24計時器級輸入端90通道部分26計時器級94變送器的有^面28計時器級輸出102彈性裝置30驅動信號放大器45106發射超聲波變送器32I2C總線108接收超聲波變送器34電源34110測量距離38法蘭112方波振蕩40聲音傳播方向114變送器輸出信號42主氣流方向44多孔結構權利要求1.一種用于確定氣體混合物中氣體的比例的設備，包括測量室(2)，具有室限定結構(5)、氣體入口(8)和氣體出口(10)；超聲波源(6A、6B)和超聲波檢測器(6A、6B)，被安裝成使得超聲波源(6A、6B)能夠將超聲波通過所述測量室傳輸到超聲波檢測器(6A、6B)；溫度傳感器(14)，被安裝成使得所述傳感器能夠感測所述測量室(2)中的溫度；其特征在于室限定結構(5)適于放大與所述測量室(2)中的氣體成分的熱交換，以便抑制室(2)中的溫度變化。2.根據權利要求1所述的設備，其中室限定結構(5)適于提供熱交換，使得溫度變化被均衡到預定時滯內的預定水平。3.根據權利要求2所述的設備，其中所述時滯是室限定結構(5)的熱交換的時間常數。4.根據權利要求1所述的設備，其中室限定結構(5)適于根據氣體濃度的預定最大誤差來提供所需熱交換效率。5.根據權利要求1所述的設備，其中關于所述氣體混合物的特性而將室限定結構(5)適于具有形狀、尺寸和材料的組合，使得所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(￡)熱交換的預定最大可允許時滯。6.根據權利要求1所述的設備，其中室限定結構(5)被設計成使得所述測量室中氣體分子和室限定結構(5)的表面之間的距離被最小化。7.根據權利要求6所述的設備，其中室限定結構(5)設有位于所述聲音傳播區中的法蘭(38)。8.根據權利要求6所述的設備，其中室限定結構(5)設有位于所述聲音傳播區中的多孔結構(44)。9.根據權利要求6所述的設備，其中室限定結構(5)是具有根據熱交換效率的預定規則選擇的直徑的管。10.根據權利要求9所述的設備，其中室限定結構(5)設有同軸定位的細長入口和出口(60)。11.根據權利要求1所述的設備，還設有位于所述測量室上游的溫度平衡氣體通道部分(90)。12.根據權利要求1所述的設備，其中超聲波變送器(6A、6B)的有效表面(94)覆蓋測量室(2)的開口，使得所述變送器的膨脹的影響纟皮消除。13.根據權利要求12所述的設備，其中聲學阻尼密封構件(62)乾改置在所述測量室開口的端面和變送器(6A、6B)的有效表面(94)之間，使得起源于所述超聲波變送器的結構聲被減小。14.根據權利要求1所述的設備，其中允許超聲波脈沖在超聲波變送器表面之間回彈并且檢測第n個回波，從而允許所述超聲波脈沖行進較長距離，以《更提高測量精度。15.根據權利要求1所述的設備，其中被傳輸通過測量室(2)中的氣體的超聲波的模式被設計成使得脈沖列突發被重復發送且每個列從1/4脈沖周期開始，以便減少暫態并且導致和諧的暫穩態過程。16.—種為借助于超聲波檢測來確定氣體混合物中氣體的比例的測量設備定尺寸的方法，包括下列步驟確定所述氣體混合物中氣體的所確定比例的最大可允許誤差；估算所述氣體混合物的最;UL生壓力變化的量值；根據所述氣體混合物的發生壓力變化的所估算量值，來計算所述氣體混合物的最;UL生溫度變化的量值；根據所述氣體混合物的發生溫度變化的量值以及所述氣體混合物中氣體的所確定比例的最大可允許誤差，來計算所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。將所述測量設備定制成使得所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(^)熱交換的所計算最大可允許時滯。17.根據權利要求16所述的方法，還包括如下步驟關于所述氣體混合物的特性而選擇所述測量設備中測量室的形狀、尺寸和材料的組合，使得所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的時滯小于或等于(S)熱交換的所計算最大可允許時滯。18.根據權利要求16所述的方法，還包括如下步驟根據對所述測量設備的響應時間的預定要求，選擇施加在來自所述測量設備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯。19.根據前述權利要求所述的方法，其中亦根據施加在來自所述測量設備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯來計算所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。20.根據權利要求16所述的方法，其中計算所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯包括下列步驟根據所述氣體混合物中的發生溫度變化的量值來計算所述氣體混合物中氣體的所確定比例的發生誤差的量值；計算由壓力變化導致的最大可允許檢測溫度變化；確定由壓力變化導致的所述氣體混合物的最大發生溫度變化和最大可允許檢測溫度變化之間的關系；確定所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的時滯和施加在來自所述測量設備中的超聲波檢測器的信號上的信號濾波器的時滯之間的關系；確定所述溫度關系和所述時滯關系之間的關系；根據所述溫度關系和所述時滯關系之間的所述關系來計算所述氣體混合物和所述測量設備之間的熱交換的最大可允許時滯。21.根據權利要求16所述的方法，其中所述時滯是時間常數。全文摘要一種用于確定氣體混合物中氣體的比例的設備(1)，包括測量室(2)，該室具有室限定結構(5)、氣體入口(8)和氣體出口(10)；超聲波源(6A)和超聲波檢測器(6B)，被安裝成使得該超聲波源能夠將超聲波傳輸通過該室到該超聲波檢測器；溫度傳感器(14)，被安裝成使得該傳感器能夠感測該室中的溫度；其中該室限定結構適于放大與該室中的氣體成分的熱交換，以便抑制該室中的溫度變化。文檔編號G01N29/024GK101203750SQ200580050144公開日2008年6月18日申請日期2005年6月17日優先權日2005年6月17日發明者埃里克·卡爾德柳斯申請人:馬奎特緊急護理公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
