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Meßumformer zur Umformung von Gas- bzw. Flüssigkeitsdrücken und/oder
Strömungsgeschwindigkeiten in elektrische Meßgrößen Die Erfindung betrifft einen
Meßumformer, insbesondere für Pneumotachographen, zur Umformung von vorzugsweise
kleinen Gasdrücken bzw. Druckänderungen und/oder Strömungsgeschwindigkeiten in elektrische
Meßgrößen, bei dem in einem zylindrischen Meßrohr eine durch einen Spannungserzeuger
gespeiste Spule frei beweglich angebracht ist, symmetrisch zur Ruhelage der Spule
zwei zu ihr gleichartige, entgegengesetzt gepolte Spulen angeordnet und mit einer
Anzeigeeinrichtung direkt oder über einen Meßverstärker verbunden sind.
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Zur mechanischen Messung der genannten Größen sind bereits verschiedene
Anordnungen bekanntgeworden, beispielsweise das sogenannte Pitotrohr, Staurohr,
Venturirohr u. dgl. Die Nachteile der bekannten Meßeinrichtungen bestehen darin,
daß die Anzeigegeräte relativ umfangreich sind und eine große Trägheit aufweisen.
Schnelle Druckänderungen sind damit nicht ohne weiteres festzustellen. Eine Möglichkeit
zur Umformung der zu messenden Größe in elektrische Werte besteht in der Anwendung
von Hitzdrahtsonden. Dabei wird ein Hitzdraht durch das strömende Medium abgekühlt.
Die Änderung der Spannung bzw. des Widerstandes des Hitzdrahtes läßt sich dann,
beispielsweise mit Hilfe eines Galvanometers anzeigen. Es sind auch Anordnungen
bekanntgeworden, bei welchen in einem Führungsrohr eine Blende angebracht ist und
der Druck vor und nach der Blende in einem Differentialmanometer gemessen wird.
Das Differentialmanometer kann dabei rein mechanisch den Druck anzeigen, kann aber
auch in Form eines Kondensators ausgebildet sein und einen angeschlossenen elektrischen
Kreis entsprechend beeinflussen. Es ist auch eine Anordnung zur Messung mechanischer
Schwingungen oder Verschiebungen mit Hilfe einer durch einen Spannungserzeuger gespeisten
und in einem Meßrohr freibeweglich angebrachten Spule bekannt. Die Spule wird durch
die zu messende mechanische Größe so bewegt, daß durch die Messung der in ihr induzierten
Spannung ihre genaue Lage festgestellt werden kann. Das Wechselfeld, in dem die
genannte Spule sich befindet, wird durch zwei zu ihr in der Ruhelage symmetrische
Spulen erzeugt, deren Einwirkung auf die bewegliche Spule sich nach deren jeweiliger
Lage richtet und sich entsprechend mehr oder minder stark kompensiert.
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In vielen Fällen kommt es darauf an, insbesondere bei der in der Medizin
vielfach angewendeten Pneumotachographie, schnelle und relativ kleine Druckveränderungen
genauestens und unverzögert anzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch,
daß die Spule mit einer Stauscheibe kombiniert oder der Spulenkörper selbst als
Stauscheibe ausgebildet ist, mit der Maßgabe, daß die Spule mit zwei Längsachsen
an zwei, aus nichtrostendem Stahl bestehenden Aufhängefedern befestigt ist, welche
in auf das Meßrohr aufgesetzten dichten Ausladetöpfen durch Schlitze im Meßrohr
geführt und fest bzw. bewegangebracht sind.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Spule
in zwei elektrisch hintereinandergeschaltete Teilspulen aufgeteilt wird, deren Spulenkörper
als Stauscheiben wirksam sind und deren Aufhängung zwischen den beiden Teilspulen
angreift, wobei die Aufhängevorrichtung aus einem torsionsfrei ausgebildeten, reibungsfrei
gelagerten Tragarm besteht. Für die Befestigung des Systems in dieser Ausführungsform
ist natürlich nur ein Ausladetopf erforderlich.
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Durch die Ausbildung des Meßumformers nach der Erfindung wird unter
geringstem Aufwand eine sehr große Empfindlichkeit auch für kleine Drücke bzw. Druckänderungen
erzielt. Infolge Verminderung der mechanischen Reibungen ist es auch nicht nötig,
irgendwelche Vorrichtungen zur Überwindung bzw. Kompensation der Reibung vorzusehen.
Die Messung der genannten Größen läßt sich dabei unabhängig von der Strömungseinrichtung
auch bei rascher Änderung der Strömungsrichtung mit großer Genauigkeit durchführen.
Dies ist besonders bei Atmungsmessungen von Bedeutung, da es dabei vorzugsweise
darauf ankommt, die unterschiedlichen Druckverläufe bei Inspiration und Exspiration
festzustellen.
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Die Erfindung wird an Hand der schematischen Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Meßwandlers im Zusammenhang mit einem Pneumotachographen darstellt,
in ihren Einzelheiten beschrieben und näher erläutert.
Nach F i
g. 1 ist in einem Meßrohr 1, welches an seiner einen Öffnung mit einem Schlauch
2 versehen ist, eine Spule 3 frei beweglich aufgehängt. Der Schlauch 2 ist dabei
beispielsweise ein Gummischlauch, der an seinem anderen Ende mit einem Mundstück
versehen sein kann. In dem Spulenkörper 4 der Spule 3 sind zwei Längsachsen
5 bzw. 6
befestigt. Diese Längsachsen 5 und 6 sind an Aufhängedrähten
7 bzw. 8 befestigt. Die Achsen 5, 6 und die Aufhängedrähte 7 und 8 können vorzugsweise
aus nichtrostendem Stahl hergestellt sein. Durch Schlitze 9 im Meßrohr 1 sind die
Aufhängefedern 7, 8 senkrecht zur Längsachse des Meßgehäuses 1 herausgeführt und
in Ausladetöpfen 10 befestigt. Diese Ausladetöpfe 10 sind dicht mit dem Meßrohr
1 verbunden. Die Aufhängefedern 7, 8 und die Achsen 5, 6 dienen gleichzeitig
zur Zuführung einer Wechselspannung an die Spule 3 über die Lötverbindungen
11 bzw. 12. Die Wechselspannung für die Spule 3 kann dabei beispielsweise
aus einem Transistor-Generator entnommen werden.
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Auf dem Meßrohr 1 sind symmetrisch zur Ruhelage der Spule 3 zwei weitere
Spulen 13 und 14 angebracht. Dabei sind die Spulen vorzugsweise derart geschaltet,
daß ihre einander benachbarten Wicklungsenden 15 und 16 miteinander verbunden und
an Masse 17 geführt sind, während die entgegengesetzten Enden 18 und 19 an
einen Meßverstärker, beispielsweise einen Transistorverstärker, oder direkt an eine
Anzeigevorrichtung geführt werden.
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Am Ende des Meßrohres 1 sind verstellbare oder auswechselbare Blenden
zur Veränderung des Strömungswiderstandes vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel bestehen
diese Blenden aus Bohrungen 20 in einer drehbaren Scheibe21. Diese Bohrungen,
Stenosen genannt, sind auf der Einrichtung22, dem Stenosenrevolver, in aufeinanderfolgender
Reihenfolge derart angebracht, daß durch Drehung des Stenosenrevolvers
22 jeweils andere Bohrungen 20 zur Wirksamkeit gebracht werden. Die
Öffnungen der Bohrungen 20 aufeinanderfolgender Blenden können dabei je nach dem
Verwendungszweck des Meßwandlers bestimmten funktionalen Zusammenhängen gehorchen.
So ist es möglich, die Flächen linear bzw. logarithmisch oder nach anderen Gesetzmäßigkeiten
zu vergrößern. Als Beispiel sei genannt, daß sich die aufeinanderfolgenden Blenden
in ihren Flächen wie V-2 : 1 verhalten. Die Bohrungen sind dabei in
Längsrichtung vorzugsweise gekrümmt ausgebildet, um beim Saugvorgang Wirbelbildung
zu verhindern.
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Der Spulenkörper 4 der Spule 3 ist dabei an den der Längsrichtung
des Meßrohres 1 entsprechenden Flächen verschlossen, und die Fläche ist im
Verhältnis zum Querschnitt des Meßrohres 1 derart bemessen, daß eine nahezu wirbelfreie
Strömung erhalten bleibt und ein eichbares Verhältnis zwischen Druck bzw. Geschwindigkeit
und Auslenkung der Spule 3 eingestellt werden kann.
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Als besonders vorteilhaft erweist es sich, das Meßrohr 1 aus zwei
Halbschalen zu bilden, welche nach Einführung der Spule 3 und Montage der Aufhängefedern
bzw. der Achsen miteinander dicht verbunden werden. Dadurch wird die Montage erheblich
erleichtert. Als Material für das Meßrohr 1 ist besonders Kunststoff geeignet, der
sich leicht pressen oder spritzen läßt. Gleichzeitig ist keinerlei Oberflächenbehandlung
mehr erforderlich. In bestimmten Fällen kann es sich jedoch als zweckmäßig erweisen,
die Innenteile des Meßrohres 1, der Spule 3 und der Aufhängevorrichtung
mit einem vorzugsweise feuchtigkeitsabweisenden Schutzlack zu versehen. Zur Verhinderung
von Turbulenz ist es zweckmäßig, vor bzw. hinter den Schlitzen 9 im Meßrohr
1 Verkleidungen 23 anzubringen. Diese Verkleidungen können gleichzeitig mit
dem Rohr 1 durch entsprechende Gestaltung der Form mitgegossen bzw. mitgespritzt
werden.
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Der Meßvorgang selbst verläuft nun derart, daß durch einen beispielsweise
von links eintretenden Luftstrom der Spulenkörper dem Luftdruck entsprechend nach
rechts ausgelenkt wird. Dadurch erhält die Spule 18 auf dem Meßrohr
1 eine höhere Spannung induziert als die daneben angebrachte Spule 13. Durch
den nachfolgenden Gegentakt-Transistorverstärker 24 können dann die beiden
elektrisch gewonnenen Meßwerte annähernd linear verstärkt und an eine Schreibeinrichtung
übertragen werden. Nach Aufhören des Druckes in der beschriebenen Richtung nimmt
die Spule 3 wieder ihre in bezug auf die Spulen 13 und 14 symmetrische Mittellage
ein. Sobald, beispielsweise bei einer Atmungsmessung, ein Sog auftritt, d. h. eine
Luftbewegung von rechts nach links, wird die Spule3 in entgegengesetzter Richtung,
d. h. nach links ausgelenkt und eine entsprechende entgegengesetzte Spannung in
den Spulen 13 und 14
erzeugt. Durch geeignete Ausbildung der Spule
3 und der Aufhängevorrichtung läßt sich eine sehr kleine Rückstellzeit und eine
vernachlässigbar kleine Schwingungsdauer des Systems erzielen.
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In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Meßumformers dargestellt. Gleiche Teile sind entsprechend den Teilen in F i g. 1
beziffert. Auf dem Meßrohr 1, an dessen einem Ende der Schlauch 2 befestigt ist
und dessen anderes Ende durch den Stenosenrevolver 21 mit den Öffnungen
20
abgeschlossen ist, sind zwei Spulen 13 und 14 aufgebracht, von denen je
ein Anschluß 15 und 16 an Masse 17 gelegt ist, während die anderen Anschlüsse 18
und 19 an einen Verstärker 24 geführt werden. Die als Stauscheibe wirkende Spule
3 ist in zwei Teilspulen 25 und 26 aufgeteilt, welche elektrisch hintereinandergeschaltet
sind. Die Spulen 25 bzw. 26 sind dabei durch die Ausbildung ihres Spulenkörpers
selbst als Stauscheiben wirksam. Die Stromzuführung erfolgt über einen Tragarm 27,
welcher vorzugsweise torsionsfrei ausgebildet ist und beispielsweise ein Doppel-U-Profil
aufweist. Der Tragarm 27 bzw. die Achse 31 ist in an sich bekannter Weise durch
Spitzenlager nahezu reibungsfrei gelagert. ZurAusschaltung eines eventuell auftretenden
Tangensfehlers ist es in manchen Fällen vorteilhaft, das Meßrohr 1 im Bereich der
Bewegung der Spule 25 und 26 gekrümmt auszubilden. über die Leitungen
11 und 12 wird von einem nicht gezeichneten Generator, vorzugsweise
einem mit Transistoren ausgestatteten HF-Generator, die Wechselspannung von beispielsweise
10 kHz an die Spulen 25 und 26 geliefert. Zur elektrischen Dämpfung der Schwingung
der Spule ist in einem Magnetsystem 29 eine Rahmenspule30 angeordnet, welche auf
der horizontalen Achse 31 befestigt ist. Die Rahmenspule 30 ist kurzgeschlossen
und wirkt in an sich bekannter Weise bei Auslenkung aus ihrer horizontalen Lage
als Dämpfungsmittel. Durch einen Schalter, der in der Zeichnung nicht dargestellt
ist, läßt sich der Kurzschluß der Spule30 aufheben, wodurch die Dämpfung außer Wirksamkeit
gesetzt wird. Zur Bremsung der Bewegung
der Spulen 25 und 26 sind
mechanische bzw. elektrische Mittel vorgesehen. Die elektrischen Mittel können beispielsweise
aus zusätzlichen Kurzschlußwindungen bestehen. Es ist auch möglich, vom Meßverstärker
eine Gegenkopplungsspannung, beispielsweise an die Spule 30, zu führen. In manchen
Fällen kann es zweckmäßig sein, mechanische Bremsmittel vorzusehen. Diese können
durch Federn 32 und 33 realisiert werden, welche sich an oberhalb der Drehachse
31 befindlichen Dreharmen 28 anlegen. Durch nicht gezeichnete zusätzliche mechanische
Mittel lassen sich diese Federn 32, 22 wahlweise außer Betrieb setzen, wodurch die
volle Empfindlichkeit der Spulenanordnung ausgenutzt werden kann. Es ist natürlich
auch möglich, an Stelle der Federn 32 und 33 andere an sich bekannte Bremsmittel
vorzusehen, wie beispielsweise Luftflügel, Kammerbremsen u. dgl.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt. Es läßt sich beispielsweise gleichzeitig mit der Druck-bzw. Geschwindigkeitsmessung
eine Volumenmessung kombinieren, indem an das rechte Ende des Meßrohres 1 mit bzw.
ohne Stenosenrevolver 22 ein Volumenmesser, beispielsweise ein Spirometer, angeschlossen
wird. Es ist natürlich auch möglich, das Meßrohr 1 aus Metall, Holz oder
Glas herzustellen. Ebenso können auch die Spulen in und auf dem Meßrohr ihre Funktionen
vertauschen, derart, daß die hochfrequente Meßspannung den festen Außenspulen zugeführt
und die induzierte Spannung von der beweglichen Innenspule abgenommen wird. Konstruktive
Änderungen im Detail sind möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.