对气体中声速的压力引发的温度影响的减小的制作方法

专利名称：对气体中声速的压力引发的温度影响的减小的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及气体混合物中声速的测量。更具体地，本发明涉及将超声波检 测器例如应用于其中压力引发的温度影响是测量精度的主导因素的环境中的气体浓度或 气体流量的测量。
背景技术：
在超声波检测的某些应用比如测量气体混合物中气体组分的浓度或比例中，气体 混合物的压力变化对测量精度有大的影响。在声速和特定于气体的参数之间存在众所周知 的关系，而基于此关系和声速测量值可计算气体成分的当前比例。此外，气体中声速对温度 有强的依赖性，而为了正确计算气体成分，亦需要对气体进行及时和精确的温度测量。在医疗呼吸设备中，为了监视和控制气体混合物中气体组分的剂量或者为了监视 患者的健康状况而精确确定例如患者吸入或呼出空气中的气体比例是至关重要的。但是， 当患者呼吸时，呼吸设备中发生显著的压力变化，因此，根据理想气体定律，气体温度大大 地变化。因此，为了精确确定气体成分的比例，通常需要执行非常精确的温度测量，并且需 要时间上接近地执行温度测量和声速测量以使它们描述气体的瞬时物理状态。当在实践中测量温度时，温度测量结果相对于真实当前温度总是存在一定程度的 延迟。该延迟取决于用于测量的温度传感器的时间常数。超声波传感器中的延迟取决于采 样频率并且通常很短以致与温度测量结果相比是不显著的和可忽略的。因此，同时测量声 速和温度将总是导致某种程度上错误的温度，这又造成错误计算的气体浓度。现有技术在现有技术中，存在不同的处理此测量问题的方法。下列出版物中有现有技术的 例子，所述出版物通过引用结合在本申请中。在 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A264 (1988) 219-234，North-Holland, Amsterdam 中的 G. Hallewell 等人的技术报告 A SONAR BASED TECHNIQUE FOR THE RATIOMETRIC DETERMINATION OF BINARY GAS MIXTURES 中，有这种测量的背景理论。US 6 202 468公开了一种通过测量磁化率和声速来确定混合物中气体的相对比 例的设备和方法。US 4 155 246公开了一种使用管状气柱上方的声波偏移的气体分析系统。US 4 932 255公开了一种使用位于气流中的衬底上方的表面声波来对气流进行 测量的方法和装置。围绕基板周边的导热路径减小了热梯度。在此篇现有技术中，结合表 面声波的传输设计了导热路径，以便减小由传感器产生的热梯度。US 5 351 522公开了一种具有L形测量室的基于超声波检测的气体传感器。此篇
3现有技术针对使测量室中的驻声波最小化的问题。JP 2002 257 801公开了一种超声波气体分析传感器，其处理避免由气体流率和 扩散导致的对声波的影响的问题。具有扩散孔的测量室位于具有气体入口和出口的气体通 道管中。EP 1 083 427公开了一种借助于测量声速来确定例如呼吸气体中的氧气的气体 成分的方法。由温度变化造成的问题通过将声速检测与呼吸周期中的一个或多个特定时间 同步来处理。EP 1 336 841公开了一种借助于位于声学气量计的超声波传播区中的细长电阻 性温度传感器来确定该气量计中的温度的方法。GB 2 195 767公开了使用超声波脉冲和第η个回波的检测来进行比如液体的物 质的浓度测量。US 5 060 506公开了一种测量二元气体混合物比如治疗用氧气/氮气混合物中 气体比率的方法和设备。该气体混合物被传送通过样品管，在样品管中，超声波以发射器/ 接收器对的谐振频率下的连续脉冲突发行进。突发之间是静止时间段，静止时间段的持续 时间的长度足以确保暂态的消散从而不形成驻波。由声音通过气体样品的渡越时间造成的 延迟产生被转换成模拟信号的电脉冲，然后模拟信号被温度校正。所得电压与渡越时间成 比例，并因此与气体组成成比例。样品管被容纳于较大圆筒之内以增强气流并且提供热绝 缘，热绝缘旨在提高温度补偿的精度。US 4 938 066公开了一种处理声传感器中长度膨胀的问题的方法和设备，该声传 感器的超声波变送器发射声音脉冲，声音脉冲从殷钢(invar)杆的近表面反射以及从该殷 钢杆远端处的第二表面反射。来自相应表面的反射脉冲的检测之间的时间差以及该杆的已 知长度被用来计算声速。US 6 481 288公开了一种采用球形测量室来测量声速的方法和设备。发明目的本发明的总体目的和要解决的问题是进一步改进其中压力引发的温度影响是测 量精度的主导因素的环境中的气体混合物中的基于声速检测的测量装置和方法的精度。尤其存在该目的和该问题的下列方面-要减小压力变化对当前经受测量的气体混合物的一部分的温度的影响。-要提供测量装置中的超声波发射器的适当声音模式。-要减小测量装置中的材料的热膨胀的影响。-要确定气体混合物中的气体浓度。-要确定气流中的流率。

发明内容
根据本发明，该问题的解决和该目的的实现是通过平衡当前经受测量的气体或气 体混合物的一部分的温度变化并由此抑制气体的温度变化来完成的。换句话说，本发明通 过使被测量实体(即气体混合物形式的测量对象)所造成的传感器装置中的温度梯度抵消 和趋平来解决该问题。如背景中所述，气体温度在压力变化期间迅速变化，这例如在本发明在医疗呼吸设备中的典型应用中、与患者的吸入或呼出换气相关地发生在管道系统中。在气体的温度 变化的同时存在以下过程通过周围物质和气体之间的热交换使气体的温度变化向着平均 温度趋平或平衡。本发明基于发明人对以下事实的认识趋平过程的速度可被增大到一程度，使得 由气体中压力变化导致的温度梯度的影响被最小化，甚至可忽略。根据本发明，声学气体测 量被由此设计成使得热交换被放大并且趋平过程的速度与对气体中温度变化的均衡的时 滞的预定要求相匹配。这与现有技术形成对照，在现有技术中，例如测量速度被增大或者突 然的温度变化在计算中被补偿以便处理由压力引发的温度变化导致的测量问题。在本发明 中，测量室本身被定制成减小或甚至消除这些测量问题。根据本发明，通过使被测量气体与热惰性的和良好导热的物质的硬性表面紧密接 触来放大热交换，使得热可从气体自由移动到周围结构。在本发明概念的一个实施中，本发 明通过提供如下测量室来实现该测量室被设计有适于放大当前存在于该室中的气体的一 部分与室限定结构之间的热交换的结构。此方案的技术效果是当以压力变化形式产生的 快能量脉冲被引入管道和所连接设备的系统中时，测量室将充当能量脉冲的低通滤波器， 且测量室中的物质将表现出在平均温度附近的小变化。由于测量室物质和气体之间的热交 换被放大，所以这样的话气体亦将被低通滤波，且温度变化将很快趋平，以致在此情况下温 度变化变得可忽略。优选地，室限定结构适于提供热交换，使得温度变化被均衡到预定时滞内的预定 水平。该时滞例如被定义为室限定结构的热交换的时间常数。室限定结构例如适于根据气 体浓度的预定最大误差来提供所需热交换效率。这被实施为本发明概念内的对测量装置进 行定制的方法。温度变化趋平过程的速度实际上取决于若干参数，比如气体的热导率、从气体原 子到周围物质表面的几何距离、周围物质的热惰性和热导率。已发现几何距离和热导率是 关于本发明的主导参数。根据本发明的第一方面，温度平衡通过设计这样的测量室来实现该测量室中腔 的形状与限定腔的材料的特性相关。根据此方面，关于要在本发明的特定应用中使用的气 体混合物的特性，将室限定结构定制有形状、尺寸和材料的组合。优选地，此定制被设计成 关于气体混合物的特性而选择测量设备中测量室的形状、尺寸和材料的组合，使得气体混 合物和测量设备之间的热交换的时滞小于或等于(O热交换的预定最大可允许时滞。热 交换的最大可允许时滞优选地根据气体混合物的发生温度变化的量值以及气体混合物中 气体的所确定比例的最大可允许误差来计算。在一个实施例中，最大可允许时滞亦根据施 加在来自测量装置中的超声波检测器的信号上的信号滤波器的时滞来计算。根据第二方面，通过将超声波变送器安装在测量室中使得变送器膨胀的影响被消 除，减小了测量装置中材料膨胀的影响。根据第三方面，借助于放置在测量室开口的端面和变送器的有效表面之间的声学 阻尼密封(dampening seal)构件，减小了起源于超声波变送器的结构声(structure borne sound)。该密封构件优选地以硅橡胶制成。根据本发明的第四方面，通过允许超声波在变送器表面之间回弹并且检测第η个 回波，提高了其中超声波变送器之间距离短的小尺寸测量室中的测量的分辨率。从而超声波脉冲行进较长距离。根据本发明的第五方面，设计了被传输通过测量室中的气体的超声波的模式，以 便减少暂态并且导致和谐的暂稳态过程。这是通过重复发送脉冲列突发并且从1/4脉冲周 期开始每个列来实现的。这使得施加到变送器的频率在数学意义上不等于变送器的谐振频率。本发明的其它方面在实施例的详细描述中解释。发明优,点除了上述技术效果和优点以外，本发明还带来如下技术效果和优点。具有较大时间常数的简单温度传感器可在测量装置中使用，这是因为温度变化的 速度通过温度平衡效应而被减小。本发明的测量装置是对基于碳燃烧电池(燃料电池、电化学电池)的传感器的一 种更环保的替选技术方案。基于碳燃烧电池的传感器必须每年更换一次，并且产生相当大 量的铅废料。此外，本发明实现了对不仅昂贵而且机械敏感的顺磁性传感器的一种替选方案。阐释和解释在本文中，使用术语“平衡”以及同义表达如“均衡”、“趋平”等来描述交换热能以 便抑制气体的被测量部分中的温度梯度的动作。气体和气体混合物是用来描述被测量的气体实体的表达。医疗呼吸设备应用中的 典型气体混合物是由普通空气混合物和某种其它气体如氧气或氮气组成的所谓二元气体。本发明涉及确定和监视气体混合物中气体组分的浓度。对此有各种可替选表达， 例如气体比例、气体相对比例、气体成分等。在用于确定二元气体混合物(即两种气体的混合物)中气体比例的方法中，可使 用下面的众所周知的关系。气体混合物中的声速可根据如下方程来描述其中C=声速[m/s]cp =等压比热[kJ/kgK]cv =等容比热[kJ/kgK]Rm =气体常数 8314. 5 [J/kmolK]T =温度[K]M=分子量且其中气体的cp、cv和M(分子量)已替换成取自物理特性气体表中的气体的混 合物的对应值。替换的量cp *、和M*取决于气体的比例。气体之一的当前浓度可通 过以本身公知的方式求解M *的方程来计算。时间常数通常是使仪表指示产生自输入信号的最终读数的给定百分比所需的时 间，即仪表的驰豫时间。在比如温度计的仪表(其对所施加信号的阶跃变化的响应呈指数 特性)的情形下，时间常数等于使该仪表指示总变化的63. 2% (即当暂态误差减小到原始 信号变化的Ι/e时)所需的时间。亦称为滞后系数。[来源=Webster的在线词典]。在本
Cp Rm T CvM*发明中，时滞可例如被定义为时间常数。在本发明实施例的描述中，根据此阐释为测量室定 义了时间常数tau。


将参考附图进一步解释本发明，在附图中图1示出了根据本发明实施例的测量系统的示意图。图2示出了其中测量室的声音传播区中有硬性结构法兰的本发明实施例。图3示出了其中测量室的声音传播区中有多孔结构的本发明实施例。图4示出了根据本发明实施例的测量装置组件的分解图。图5示出了图4的实施例中的测量装置组件的横截面。图6示出了测量室管的透视图，以及图7示出了根据图5的实施例的横截面侧视图。图8示出了具有平衡上游气体通道部分的实施例的略图。图9示意性地示出了根据本发明一方面的变送器安装到测量室的方式；图10A-D图示了检测超声波脉冲的第η个回波的方式；以及图IlA-D图示了根据本发明一方面的激励发射变送器的方式；图12示出了由引入的压力暂态导致的温度干扰的曲线图；以及图13示出了在用时间常数归一化的时间上绘制的相对温度干扰的减小的曲线 图。
具体实施例方式测量室在优选实施例中，本发明借助于用于暂时容纳要测量的气体的测量室来实现。优 选地，该室被安装成使得气流通过该室并且在流动的气体上断续地进行测量采样。对测量 室的功能要求是室限定物质应充当热缓冲器并且与气体分子有高效的热交换。所实现的热 交换效率越高，则温度平衡过程的速度增大得越多，且本发明的效果越好。图1示意性地示出了根据本发明的测量装置1。由室限定结构5限定的测量室2 具有腔4，腔4具有其中超声波从超声波发射器传播到超声波接收器的气体的空间。在图1 的实施例中，超声波以本身公知的方式在两个相对安装的具有发射器以及接收器功能的第 一和第二超声波变送器6Α、6Β之间传播。该室设有气体入口 8和气体出口 10，气体入口 8 和气体出口 10被设计用于使气体从气流路径12通过测量室2的腔4。温度传感器14被 设计用于检测该室中气体的温度。温度必须在合适的区(即声音传播通过的区)中进行测 量。这可例如借助于包括被拉紧而穿过测量区的细钼线的温度传感器来实现。一个可替选 方案是感测与声音测量区有已知关系的一点处的温度并计算气体中的温度。优选地，应选 择具有尽可能小的时间常数的温度传感器。该示例性钼温度传感器具有小的时间常数并且 是实现本发明的合适选择。然而，本发明具有如下效果借助于高效温度交换而使温度变化 趋平，使得温度变化被低通滤波并因此可使用具有较大时间常数的简单温度传感器。当前 优选的实施例设有标准NTC型热敏电阻(NTC =负温度系数)。在图1中还存在根据一个实施例的电子控制电路的框图。中央处理单元CPU 16 7设有专为本发明定制的程序代码，并且经由温度信号输入端18和温度信号放大器20耦合 到温度传感器14。第一超声波变送器6A经由超声波接收器信号放大器22耦合到计时器级 26的输入端24。第二超声波变送器6B经由超声波发射器驱动信号放大器30耦合到计时 器级26的输出28。计时器级耦合到中央处理单元16或者借助于中央处理单元16来实现， 并且具有如下功能寄存和比较来自接收超声波变送器6A的检测器信号的到达时间、信号 之间的时间差、以及用于激励发射超声波变送器6B的驱动信号的输出时间。数字/模拟 (D/A)转换器36耦合到中央处理单元，以便于在显示器上输出例如测量结果或者产生警报 信号。来自超声波变送器6A、6B的信号亦被传送通过或被施加于未示出的信号滤波器，该 信号滤波器具有通常用时间常数表达的特定时滞。中央处理单元16进一步耦合到I2C总线 32以便于与其它电路部件连通。电源34按需要耦合到所述部件。该传感器装置由此被操 作为发送超声波脉冲通过该室中的气体混合物(例如空气和氧气的混合物)，并且测量该 脉冲的传播时间。所测量的时间对应于处理器中的计时器值(例如数4534)。结合所测量 的气体温度，根据预编程的关系计算气体浓度，并且以例如对应于21% -100%氧气O2的模 拟电压的形式产生输出信号。室2的腔4由物理室限定结构5限定和界定，物理室限定结构5以适当形状和适 当材料来设计并且具有与通过该室的气流相接触的表面。该结构的热导率确定热交换速度，并且取决于该结构的物理尺寸、形状和材料的 特性。热导率在国际单位制中以瓦每米开尔文(W ^nT1 -Γ1)度量，各材料的热导率可从表中 得知。对于形状和物理尺寸，热导率例如用间接方法比如对独立参数进行建模和实验测量 来估算。该结构的材料应由此具有高热导率，且优选地是比如热导率为236W .m-1 -T1的铝 或热导率约为50W ^nT1 ^r1的钢的金属。亦可考虑其它材料，例如添加有金属碎片(chip) 的导热塑料。热缓冲材料的重量应关于其它设计参数以及该室中气体成分的重量、体积和 分子密度而选择，使得热交换效率是足够的。根据本发明，应采用可用的设计参数，以使室 限定结构适于提供热交换，使得气体的温度变化被均衡到预定时滞内的预定水平。在此情 况下，将时滞或室限定结构的热交换的时间常数定义为对该室的热交换效率的度量是有用 的。本发明概念包括根据本发明的对测量设备进行定制的方法。该方法在如下意义上 是间接的其根据测量结果的期望精度逼近用来定制的参数，并返回以寻找对用来定制的 参数的要求。因此，确定了气体混合物中气体的所确定比例的最大可允许误差。该可允许误差 取决于应用，其在本发明在呼吸设备中的应用中例如在所确定氧气浓度(O2浓度)的5% 误差的范围内。估算了气体混合物的最大发生压力变化的量值。在该示例性应用中，最 大发生压力变化例如在50cmH20的范围内。在患者的实际换气中，最常见的压力变化在 25-30cmH20的范围内。然而，例如，当患者咳嗽时，压力变化可达到高达约IOOcmH2O的极值。借助于根据气体混合物的发生压力变化的所估算量值的计算，来估算气体混合物 的最大发生温度变化的量值。为了进行此估算，确定导热过程的模型，并将该模型表达为包 括表示变化的压力所作的压缩功的项的方程。在一示例性实施例中，此方程表达为ρΟρ^- = λΨΤ^ρ
其中T是温度，ρ是压力，P是密度，Cp是等压比热，λ是热导率。下列力学和热 学参数值对25°C的空气适用
权利要求
一种用于确定气体混合物中气体的比例的设备，包括测量室，具有包含导热材料的室限定结构、气体入口和气体出口；超声波源和超声波检测器，被安装成使得所述超声波源能够将超声波经过所述测量室传输到所述超声波检测器；温度传感器，被安装成使得所述传感器能够感测所述测量室中的温度，其中所述测量室中的气体分子与所述室限定结构的表面之间的距离被定制成使得所述室限定结构充当与所述气体分子有高效的热交换的热缓冲器。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述室限定结构被设计成使得所述测量室内的任 何气体分子与所述室限定结构的表面之间的最大距离是4. 5mm。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述测量室被成形为具有在9mm范围内的内直径 的管。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述管是圆筒形的。
5.根据权利要求1所述的设备，其中室壁的主要部分的材料厚度是3mm。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述室限定结构的材料是金属。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述室限定结构的材料是钢。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述气体入口和气体出口是细长形的。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述测量室被成形为圆筒管，所述圆筒管包括沿 着所述圆筒管的壳套定位的、彼此相对的细长入口和出口。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述测量室包括位于超声波传播路径中的热缓 冲材料。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述测量室包括所述超声波传播路径中的热缓 冲材料的法兰。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述法兰被布置成与经过所述测量室的主气流 方向以及超声波传播方向平行，而所述主气流方向与所述超声波传播方向垂直。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述测量室包括所述超声波传播路径中的热缓 冲材料的多孔结构。
14.根据权利要求1所述的设备，还包括利用导热材料来设计的上游气体通道部分。
15.根据权利要求1所述的设备，还包括利用导热材料来设计的、具有相对于主气流通 道的尺寸而言较小的横截面尺寸的上游气体通道部分。
全文摘要
一种用于确定气体混合物中气体的比例的设备，包括测量室，具有包含导热材料的室限定结构、气体入口和气体出口；超声波源和超声波检测器，被安装成使得所述超声波源能够将超声波经过所述测量室传输到所述超声波检测器；温度传感器，被安装成使得所述传感器能够感测所述测量室中的温度，其中所述测量室中的气体分子与所述室限定结构的表面之间的距离被定制成使得所述室限定结构充当与所述气体分子有高效的热交换的热缓冲器。
文档编号G01N29/32GK101949893SQ20101050319
公开日2011年1月19日 申请日期2005年6月17日 优先权日2005年6月17日
发明者埃里克·卡尔德柳斯 申请人:马奎特紧急护理公司