DD219381A1

DD219381A1 - Sensor fuer die volumenstrommessung eines atemgases

Info

Publication number: DD219381A1
Application number: DD83257059A
Authority: DD
Inventors: Manfred Abendroth; Steffen Seifert; Rudolf Mueller; Johannes Schmidt
Original assignee: Medizin Labortechnik Veb K
Priority date: 1983-11-24
Filing date: 1983-11-24
Publication date: 1985-03-06
Also published as: SE8404170D0; HUT35508A; HU189949B; SE8404170L; DE3430577A1

Abstract

Die Erfindung dient der Bereitstellung eines Sensors fuer die Volumenstrommessung, der bevorzugt zur Ueberwachung einer automatischen und kontrollierten Beatmung eingesetzt werden kann, der sich aber auch fuer die Erfassung anderer schwacher Volumenstroeme gasfoermiger Medien eignet. Die bekannten, nach dem Prinzip der Karmanschen-Wirbelstrasse arbeitenden Sensoren sind bei kleinen Stroemungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet durch periodische Schwankungen, einen unzureichenden Signal-Rausch-Abstand und einen ebenso unbefriedigenden linearen Zusammenhang zwischen Wirbelfrequenz und Volumenstrom. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, diese negativen Eigenschaften unwirksam zu machen, so dass fuer einen weiten Bereich von Stroemungsgeschwindigkeiten, einschliesslich der schwacher Gasbewegungen, ein Sensor mit hoher Messgenauigkeit entsteht. Das wird geloest mit einem Sensor, dessen Messstrecke einlassseitig mit einer parabel- oder hyperbelfoermig gestalteten Verengung Versehen ist, die eine bessere Wirbelbildung eines ihr nachgeordneten Stroemungskoerpers mit prismatischem Querschnitt bewirkt.

Description

Sensor für die Volumenstrommessung eines Atemgases Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Volumenstrommessung eines Atemgases,' dessen das Meßfluid führende Strömungsrohr einen wirbelerzeugenden Strömungskörper mit dreieckigem Querschnitt aufweist und mit einer quer zum Strömungsrohr angeordneten Ultraschallstrecke versehen ist* Der Sensor wird insbesondere zur Überwachung einer automatischen oder kontrollierten Beatmung benutzt, wobei die vom Strömungskörper ablösenden Wirbel beim Durchgang durch die Ultraschallstrecke ein akustik sches Trägersignal mit der Wirbelfrequenz entstehen lassen« Dieses Ultraschallsignal wird dann elektronisch aufbereitet, so daß ein meßbares, dem Volumenstrom des Atemgases proportionales Signal anliegt«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:

Es ist ein Strömungsmesser mit einem wirbelerzeugenden Element bekannt, das einen mit seinen beiden Seiten kommunizierenden Durchgang aufweist, welcher vom Meßfluid durchströmbar ist, und das in eine das Meßfluid führende Rohrleitung eingefügt ist, sowie mit einem Ultraschallgenerator und einem Ultraschallempfänger, die in der Weise an der Rohrleitung montiert sind, daß sich das erzeugte Ultraschallsignal durch den Durchgang hindurch ausbreitet (DE-OS 25 17 533). Damit die Strömungsge-

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schwindigkeit bzw_e Durchflußmenge des Fluids meßbar wird, ist die Zahl der Modulationen des vom Ultraschallgenerator erzeugten Ultraschallsignals durch die Schwankungen des Fluids im Durchgang zu messen. Dazu wird ein in das Meßfluid eingeschaltetes j säulenförmig gestaltetes Element verwendet, dessen Querschnitt rechteckig, kreisförmig oder dreieckig ist· Seine Anordnung in der Strömungsmittel führenden Rohrleitung bewirkt» daß an der stromabseitigen Fläche des wirbelerzeugenden Elements "Karmansche Wirbel" erzeugt werden« Dies hat zur Folge, daß sich der Druck zu beiden Seiten dieses Elements entspre-^· chend der Wirbelerzeugung ändert ₉ wodurch das Fluid im Durchgang verdrängt wird· Das heißt» die Frequenz der Verdrängung des_y Fluids im Durchgang entspricht der Zahl der erzeugten Wirbel, so daß mit deren Bestimmung die Strömungsgeschwindigkeit bzw* Durchflußmenge des Fluids gemessen werden kann· Damit die erzeugten Wirbel eine ausreichende Stärke und Stabilität besitzen und die vom wirbelerzeugenden Element abreißenden Strömungen aufgefangen bzw. unterbrochen werden können, müssen dann noch zusätzlich Vorsprünge in der Rohrleitung vorhanden sein» wenn der Ultraschallgenerator und -empfänger unmittelbar an ihrer Wand montiert sind» Diese sind mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden_s der die Zahl der Phasenoder Frequenzmodulation des vom Ultraschallempfänger empfangenen Signals zählt*

Es hat sich gezeigt, daß innerhalb des für Atemgasströme bestimmten Geschwindigkeitsbereiches die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Frequenz der Wirbelerzeugung nicht befriedigend bestimmt werden kann» daß die entwickelte Vorrichtung des Strömungsmessers für den besonderen Fall der Überwachung einer automatischen oder kontrollierten Beatmung nicht die gewünschte Signalqualität und damit nicht die entsprechende Meßgenauigkeit erreicht» Obwohl es bei dieser bekannten Konstruktion zur Aufgäbe gehörte, die Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Durchflußmengen auch in einem Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu messen, ist sie dennoch zur Messung des Atem-, luftstromes von Patienten ungeeignet«

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Diese Messung soll eine Einrichtung ermöglichen, die einen in die Atemluftleitung eingebauten Meßkopf aufweist, der einerseits mit einem rohrförmigen Gehäuse versehen ist (DB-OS 29 33 116), Der Luftströmungskanal des Gehäuses, in dessen Mitte sich ein Luftwiderstandskörper befindet, ist ein- und auslaßseitig kegelförmig gestaltet· Mit dieser Gestaltung des Kanals wird zwar eine Einengung der Strömungen erreicht, nicht aber das Lineari«- tätsverhalten zwischen der Wirbelfrequenz und dem Volumenstrom bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten verbessert.

Ziel der Erfindung:

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Beschleunigung der Strömungen vor dem Strömungskörper zu erreichen, fernerhin ein Rechteckprofil der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Rohrquerschnitt der Meßstrecke entstehen zu lassen und durch eine turbulente Anströmung des Strömungskörpers die WirbelbÜdüng vor allem bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten zu verbessern,»

Wesen der Erfindung:

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Sensor für die Volumens trommessung eines Atemgases zu schaffen, dessen Ansprechschwelle herabgesetzt ist, der eine gute Langzeitstabilität aufweist und unabhängig ist von Gaseigenschaften wie Temperatur, Feuchte, Gaszusammensetzung und dgl. sowie unempfindlich ist gegen Verschmutzungen· Die Konstruktion des Sensors soll mit hoher Meßgenauigkeit arbeiten, wobei das gewonnene Signal frei von störenden Schwankungen und der Signal-Rausch-Abstand verbessert sein soll» Die wesentlichen Merkmale der Erfindung gehen von einem Sensor aus, dessen das Meßfluid führende Strömungsrohr ei~ nen wirbelerzeugenden Strömungskörper mit dreieckigem Querschnitt aufweist und mit einer quer zum Strömungsrohr angeordneten Ultraschallstrecke versehen ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem solchen Sensor dadurch gelöst, daß eine vor dem im Strö-

mungsrohr angeordneten Strömungskörper befindliche Einlaufstrecke eine aus zwei kurvenförmigen Übergängen und einem kegelförmigen Mittelteil bestehende Verengung ist, daß die Übergänge paraböl- oder hyperbelförmig gestaltet sind sowie das Mittelteil durch eine die Übergänge an Berührungspunkten verbindende Tange»??· te hergestellt ist und daß der Strömungskörper sich im vorderen Teil des Strömungsrohres in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke befindet, dessen Länge durch den von der Tangente mit der Mittelachse des Strömungsrohres gebildeten Schnittpunkt begrenzt ist* ; · . . \ " ' ;

Eine zweckmäßige Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß die Übergänge aus einem oberen Kurventeil sowie einem unteren Kurventeil einer gleichseitigen Hyperbel gebildet sind, deren zwischen den beiden Hauptscheiteln bestehende Abstand kleiner ist als der reelle Abstand der gleichseitigen Hyperbel«, Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Kurventeile den Schnittkurven des Mantels ©ines geraden Kreisdoppelkegels entspreche^ dessen Kegelschnitt einen Neigungswinkel aufweist, welcher gleich dem von der Tangente und der Mittelachse gebildeten Winkel od entspricht und dessen Kreisfläche nicht größer als der Innendurchmesser des Rohres von der Atemgasleitung und nicht kleiner als der Innendurchmesser des Strömungsrohres ist* Ebenso können die beiden Kurventeile aus kongruenten Kurventeilen vonsssrei gleichen Parabeln gebildet sein, deren Lage durch ihre seitenverkehrte Anordnung auf der Mittelachse und ihren Abstand, der dem der Hyperbelanordnung entspricht, festgelegt ist»

'Der von der Tangente und der Mittelachse des Strömungsrohres gebildete Winkel o£ beträgt *~z 35 Grad» Ein besonderer Vorteil kann im Zusammenhang mit der Verengung gegeben sein, wenn der in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke angeordnete Strö*. mungskörper sich in einem Abstand zur Ultraschallstrecke befindet, der den ©infachen bis 2,5~fachen Durchmesser des Strömungsrohres entspricht.

Weitere Merkmale im Rahmen der Erfindungen bestehen darin, daß das Strömungsrohr einen eckigen, bevorzugt einen quadratischen

Querschnitt aufweist, dessen angrenzender, parabel- oder hyperbelförmige Übergang unter Beibehaltung dieser Kurvenform der Eckform des Strömungsrohres angepaßt ist* Dabei den der eckförmig und doch parabel- oder hyperbelförmig gestaltete Übergang und das kegelförmige Mittelteil die Verengung, de h_e, das Mittelteil grenzt direkt an das Gaszuführungsrohr

Ausführungsbeispielί

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden· In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung

Figur 1 einen Teil eines Sensors mit Verengung seines Strömungs-!' rohres, Strömungskörper und Ultraschallstrecke iia vergrößerten Maßstab,

Figur 2 den Sensor mit Bin- und Ausgang der Atemgas führenden Rohrleitung in zwei Darstellungen und

Figur 3 den Sensor nach Figur 1, jedoch mit quadratisch profiliertem Strömungsrohr»

Der in Figur 1 nur teilweise und in Figur 2 schematisch dargestellte Sensor, dessen das ^eßfluid führende Strömungsrohr 1 einen wirbelerzeugenden Strömungskörper 2 mit dreieckigem Querschnitt aufweist, ist einlaßseitig mit einer aus zwei kurvenförmigen Übergängen 3, 4· und einem kegelförmigen Mittelteil 5 bestehenden Verengung versehen· Die Kurvenformen der beiden Übergänge 3, 4· sind aus Kurventeilen 6, 7 einer gleichseitigen Hyperbel gebildet worden, deren zwischen den beiden Hauptscheiteln 8, 9 bestehende Abstand 10 jedoch kleiner ist als der reelle Abstand der Hyperbel wäre· Das Mittelteil 3 ist kegelstumpfartig zwischen den Übergängen 3, 4- angeordnet und hat einen Neigungswinkel, der durch eine die Berührungspunkte 11, 12 verbindende Tangente 13 entstand· Die Kurventeile 6, 7 entsprechen den Schnittkurven des Mantels eines geraden Kreisdoppelkegels ₉ dessen Kegelschnitt

jenen Neigungswinkel aufweist, welcher gleich dem von der Tangente 13 und der Mittelachse 15 des Strömungsrohres 1 gebildeten WinkeloC entspricht und dessen Kreisfläche nicht größer als der Innendurchmesser des Gaszuführungsrohres 18 und nicht kleiner als der Innendurchmesser des Strömungsrohres 1 iet. . . . ; .

Der Strömungskörper 2 befindet sich im vorderen Teil 17 des Strömungsrohres 1, und zwar in Strömungsrichtung vor einer Ultraschallstrecke 14, über die ein von einem bekannten Ultraschallgenerator erzeugtes Signal zu einem ebenfalls bekannten Ultraschallempfänger signalisiert wird (Ultraschallgenerator und Ultraschallempfänger sind nicht gezeichnet· Die Länge des Teiles 17 ist durch den von der Tangente 13 mit der Mittelachse 15 gebildeten Schnittpunkt 16 begrenzt, der Mittelpunkt des Winkels oC *~k 35 Grad ist*

Die Übergänge 3, 4 können auch parabelformig gestaltet sein, wobei dann die beiden Kurventeile 6, 7 aus kongruenten Kurventeilen von zwei gleichen Parabeln gebildet sind, deren Lage durch ihre seitenverkehrte Anordnung auf der Mittelachse 15 und. ihren Abstand, der dem Abstand 10 der Hyperbelanordnung entspricht, festgelegt ist· Unabhängig davon, ob die Kurventeile 6₉ 7 aus zwei Parabeln oder aus der Hyperbel eines Kreisdoppelkegels gebildet sind, befindet sich der in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke 14 im Teil 17 des Strömungsrohres angeordnete Strömungskörper 2 in einem Abstand zur Ultraschallstrecke 14, der den einfachen bis 2,5-fachen Durchmesser des Strömungsrohres 1 entspricht.

Bevorzugt kann auch das Strömungsrohr 1 einen eckigen, insbesondere einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie dieser beispielsweise im Vergleich zu Figur 2 in Figur 3 gezeigt wird· Dabei ist der an den eckigen Durchlaß des Strömungsrohres 1 angrenzende, parabel- oder hyperbelförmig gestaltete Übergang unter Beibehaltung dieser Kurvenform der Eckform des Strömungsrohres 1 angepaßt· Diese Lösung kann vereinfacht auch bestehen

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aus einer Verengung, die nur aus dem eckförmig und doch parabel- oder hyperbelförmig gestalteten Übergang 4 und dem kegelförmigen Mittelteil 3 gebildet ist, wodurch dann das Mittelteil 5 direkt an das Gaszuführungsrohr 18 angrenzt« Die so gestaltete Verengung bewirkt gleichfalls eine Beschleunigung der Gasströmung, wodurch vor dem Strömungskörper 2 ein Rechteckprofil der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über dem Rohrquerschnitt der Meßstrecke entsteht· Mit diesem gestalteten Formteil eines Sensors, das erfindungsgemäß eine Verengung ist und die so Einfluß auf einen prismatisch geformten Strömungskörper 2 nimmt, daß er turbulent angeströmt wird und eine sichere Ausbildung sogenannter KarmaniVirbel gewährleistet, erfolgt nicht nur eine wesentliche Verbesserung des linearen Zusammenhanges zwischen der Wirbelfreguenz und dem Volumenstrom, sondern vor allem eine Herabsetzung der Ansprechschwelle des Sensors· Damit ist für die bevorzugte Anwendung bei einer Narkose- oder Therapiebeatmung ein Sensor entwickelt worden, der selbst noch bei relativ schwacher Gasbewegung mit hoher Meßgenauigkeit arbeitete

Claims

Erfindungsänspruoh:

1_β Sensor für die ,Volumenstrommessung eines Atemgases, dessen das Meßfluid führende Strömungsrohr einen wirbelerzeugenden Strömungskörper mit dreieckigem Querschnitt aufweist und mit einer quer zum Strömungsrohr angeordneten- Ultraschallstrecke versehen ist_s gekennzeichnet dadurch ₉- daß die .vor dem im Strömungsrohr (1) angeordneten Strömungskörper (2) befindlich© Einlaufstrecke eine aus awei kurvenförmigen Übergängen (3* 4) und einem kegelförmigen Mittelteil (5) bestehende Ver^ " eagung ist, daß die Übergänge O$ 4) parabel- oder hyperbe1-förmig gestaltet sind sowie das Mittelteil (5) durch eine die Berührungspunkte '(11, 12) verbindende Tangente (13) hergestellt, ist und daß der Strömungskörper (2) sich im vorderen Teil (17) des Strömungsrohres (1) in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke (14) befindet^ dessen Länge durch den von der Tangente (13) mit der Mittelachse (15) des Strömungsrohres (1) gebildeten Schnittpunktes (16) begrenzt ist»
2· Sensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Übergänge (3, 4) aus einem oberen Kurventeil (6) sowie einem unteren Kurventeil (7) einer gleichseitigen Hyperbel gebildet sind, deren zwischen den beiden Hauptscheiteln (8, 9) be~ stehende Abstand (10) kleiner ist als der reelle Abstand der Hyperbel«
3« Sensor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Kuxventeile (6, 7) den Schnittkurven des Mantels eines geraden Kreisdoppelkegels entsprechen, dessen Kegelschnitt einen Neigungswinkel aufweist, welcher gleich dem von der Tangente (13) und der Mittelachse (15) gebildeten Winkel oC entspricht und dessen Kreisfläche nicht größer als der Innendurchmesser des Gaszuführungsrohres (18) und nicht kleiner als der Innendurchmesser des Strömungsrohres (1) ist»
4» Sensor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden Kurventeile (6₉ 7) aus kongruenten Kurventeilen von

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zwei gleichen Parabeln gebildet sind, deren Lage durch ihre seitenverkehrte Anordnung auf der Mittelachse (15) und ihren Abstand, der dem der Hyperbelanordnung entspricht, festgelegt ist. ·
5«, Sensor nach Punkt 1 und einem der Punkte 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der von der Tangente (13) und der Mittelachse (15) gebildete WinkeloC —35 Grad 1st.
6„ Sensor nach Punkt 1 und einem der Punkte 2 oder 3, daß der in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke (14) angeordnete Strömungskörper (2) sich in einem Abstand zur Ultraschallstrecke (14) befindet, der den einfachen bis 2,5-fachen Durchmesser des Strömungsrohres (1) entspricht.
7« Sensor nach Punkt 1* 2 oder 3 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß das Strömungsrohr (1) einen eckigen» bevorzugt einen quadratischen Querschnitt aufweist, dessen angrenzender, parabel- oder hyperbeiförmige Übergang (4) unter Beibehaltung dieser Kurvenform der Eckform des Strömungsrohres (i) angepaßt ist.
8« Sensor nach Punkt 1 und 7» gekennzeichnet dadurch, daß der eckförmig und doch parabel- oder hyperbelförmig gestaltete Übergang (4) und das kegelförmige Mittelteil (5) die Verengung bilden, so daß das Mittelteil (5) direkt an das Gaszuführungsrohr (18) angrenzt.

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