DE202008017985U1

DE202008017985U1 - Optimierung eines Strömungssensors

Info

Publication number: DE202008017985U1
Application number: DE202008017985U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: WO2009056563A1; EP2229099A1; US20110046501A1

Abstract

Sensor (11) für eine Strömungsmesseinrichtung zur Lungenfunktionsdiagnostik oder Leistungsdiagnostik, der einen Innenraum aufweist, insbesondere einen in Strömungsrichtung (14) länglichen Innenraum, und einen Widerstand (13) zur Erzeugung eines Differenzdrucks zwischen einem Innenraumabschnitt, der dem Widerstand vorgelagert ist, und einem Innenraumabschnitt, der dem Widerstand nachgelagert ist, wobei der Widerstand (13) aus einem flächigen Bauteil besteht, das mit Öffnungen durchsetzt ist, und der Widerstand (13) in einem Winkel (15) zwischen 20° und weniger als 90° zur Strömungsrichtung (14) bzw. zur Längserstreckung des Innenraumes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (13) ein variabler Strömungswiderstand ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungssensor zur Messung von Atemvolumen und Strömungsgeschwindigkeit in der Lungenfunktionsdiagnostik und Leistungsdiagnostik gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sensoren zur Strömungsmessung werden in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen und Verfahren eingesetzt. Gängige Messverfahren zur Strömungsmessung arbeiten beispielsweise nach dem Prinzip des Mehrfachhitzedrahts, mit Ultraschallmessungen oder mit der Differenzdruckmessung. Zur Nutzung in der Lungenfunktionsdiagnostik und der Leistungsdiagnostik atmet hierbei der Proband durch ein Mundstück, das über entsprechende Schlauchverbindungen mit einem Strömungssensor verbunden ist, durch den Proband über das Mundstück und die Schlauchverbindung atmet. Somit kann die Strömungsgeschwindigkeit der ausgeatmeten Luft festgestellt und anhand der bekannten Querschnitte der Strömungsmesseinrichtung daraus auch das Atemvolumen berechnet werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung eines Strömungssensors für Differenzdruckmessung. Bei der Differenzdruckmessung wird ein Strömungswiderstand in den Strömungsweg eingebracht. Durch Messung des Drucks vor und nach dem Widerstand kann der Druckabfall, d. h., die Differenz zwischen Druck vor dem Widerstand und Druck nach dem Widerstand, bestimmt werden. Dieser Druckabfall stellt ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Luft durch den Widerstand tritt, dar. Die Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall hängt hierbei von der Form des Widerstands ab. Bei einem feinmaschigen Sieb als Strömungswiderstand bleibt zum Beispiel die Strömung nach dem Durchtritt durch das Sieb laminar, d. h. es entstehen keine Turbolenzen, und es ergibt sich ein lineares Verhältnis zwischen Differenzdruck und Strömungsgeschwindigkeit.
Die DE 43 25 789 A1 beschreibt einen Strömungssensor in Form einer variablen Blende zum Einsatz in einem Rohrsystem für die Messung der Lungenfunktion in der Lungenfunktionsdiagnostik oder Leistungsdiagnostik.
Bei einer derartigen variablen Blende ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, so dass ein breiterer Bereich abgedeckt werden kann. Allerdings weisen variable Blenden keinen linearen Zusammenhang zwischen Druckabfall und Strömungsgeschwindigkeit mehr auf.
Für die Lungenfunktionsdiagnostik ist es notwendig, Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich von 20 ml pro Sekunde bis 15 L pro Sekunde mit einer Genauigkeit von 3% zu messen. Hierzu ist es notwendig, eine möglichst lineare Beziehung zwischen Strömungsgeschwindigkeit und daraus resultierendem Druck zur Verfügung zu stellen. Allerdings müssen weitere Kriterien eingehalten werden, die die Herstellung eines entsprechenden Sensors erschweren. So darf der Totraum des Sensors einen Grenzwert nicht überschreiten, um Gesundheitsgefährdungen des Probanden durch das Wiedereinatmen von verbrauchter Luft auszuschließen. Daher kann der Strömungssensor nicht beliebig vergrößert werden. Der Sensorwiderstand kann aber auch nicht beliebig erhöht werden, um so den Messbereich nach oben zu erweitern, da der Rückdruck durch den Sensor auf die Lunge ebenfalls einen Grenzwert nicht überschreiten darf. Ein zu geringer Widerstand wiederum beeinflusst die Linearität der Messung nachteilig.
Es besteht daher ein Bedürfnis, einen Sensor zur Verfügung zu stellen, der bei geringem Totraum einen niedrigen Widerstand bei gleichzeitig guter Linearität aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Sensor gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Sensor weist einen Innenraum auf, in dem ein flächig ausgebildeter Widerstand gegen die Luftströmung angeordnet ist. Dieser flächige Widerstand weist einen Winkel seiner Widerstandsebene gegen die Strömungsrichtung auf, der sich von 90 Grad unterscheidet. Durch die Anordnung des Widerstands im Winkel zur Strömungsrichtung kann bei gleich bleibendem Sensorvolumen eine größere Widerstandfläche benutzt werden, wodurch der Widerstand und damit der Rückdruck auf die Lunge verringert wird, ohne dabei die Linearität des Widerstandes negativ zu beeinflussen. Das Verhältnis von Sensorfläche des gewinkelt angeordneten Widerstands zur senkrechten Querschnittsfläche des Strömungssensors, die der Fläche eines konventionell angeordneten Widerstands entspricht, entspricht einem Faktor 1 / sinα , wobei Alpha der Winkel des gewinkelt angeordneten Widerstands zur Strömungsrichtung der Luft ist.
Der Winkel, in dem der Widerstand zur Strömungsrichtung angeordnet ist, kann dabei im Bereich von 20 bis unter 90 Grad variieren. Winkel, die flacher als 20 Grad zur Strömungsrichtung sind, bringen keine erhebliche Verbesserung mehr, da in den flachen Ecken zwischen Innenraumwand und Widerstand keine nennenswerte Strömung mehr stattfinden kann. Ein bevorzugter Bereich für den Winkel zur Strömungsrichtung liegt zwischen 30 und 80, weiter vorzugsweise zwischen 40 und 50 Grad. Besonders vorzugsweise kann der Widerstand im Winkel von 45 Grad angeordnet werden.
Für die senkrechte Querschnittsfläche des Innenraums ist bei einem erfindungsgemäßen Sensor zur Strömungsmessung eine Fläche von etwa 1200 bis 2400 qmm vorgesehen, wobei die Querschnittsfläche vorzugsweise im Bereich von 1600 bis 2000 qmm liegen sollte. Die Form des Querschnitts ist grundsätzlich relativ frei wählbar, wobei ein kreisförmiger oder ovaler Querschnitt bevorzugt wird. Besonders bevorzugt wird ein elliptischer Querschnitt verwendet, bei dem die kürzere Hauptachse zwischen 17 und 24 mm, vorzugsweise zwischen 19 oder 22 mm, und besonders bevorzugt bei 21 mm, und eine längere Hauptachse zwischen 22 und 32 mm, bevorzugt zwischen 25 und 29 mm und besonders bevorzugt von 28 mm, lang ist.
Der Sensor kann dabei einen Winkel lediglich zu einer der beiden Hauptachsen oder zu beiden Hauptachsen aufweisen.
Weitere Merkmale, Merkmalskombinationen, Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und aus den Zeichnungen. Diese zeigen in:
1: Einen Schnitt durch einen Strömungssensor nach dem Stand der Technik,
2: Einen erfindungsgemäßen Strömungssensor in Längsschnitt,
3: Einen erfindungsgemäßen Strömungssensor in Querschnitt entlang der Linie A aus 2.
1 zeigt einen Strömungssensor 1, wie er im Stand der Technik üblich ist. Der Strömungssensor 1 besteht aus einem Gehäuse 2, das als Hohlprofil in der Art eines Rohres ausgeführt ist. Die Ausführungsform in 1 zeigt dabei ein einteiliges Gehäuse, mehrteilige Gehäuse sind aber ebenso möglich. Im Gehäuseinneren ist ein Strömungswiderstand 3 angeordnet, der im Stand der Technik senkrecht, d. h. mit einem Winkel 5 von 90 Grad zur Strömungsrichtung 4 angeordnet ist. In Strömungsrichtung 4 vor und nach dem Widerstand 3 befinden sich Anschlüsse zum Anschluss der Druckmesseinrichtungen (in der Zeichnung nicht dargestellt).
2 zeigt den Strömungssensor 11 gemäß der Erfindung. Im Gehäuse 12 ist der Widerstand 13 angeordnet, der zur Strömungsrichtung 14 einen Winkel 15 aufweist, der kleiner als 90 Grad ist. Auch bei erfindungsgemäßen Strömungssensor befinden sich in Strömungsrichtung 14 vor und nach dem Widerstand 13 Anschlüsse nicht gezeichnet zur Verbindung der Druckmesseinrichtungen, mittels derer die Druckdifferenz bzw. der Druckabfall am Strömungswiderstand gemessen werden kann. Das Gehäuse 12 kann ebenfalls ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Gehäuse im Spritzgussverfahren integriert mit dem Strömungswiderstand hergestellt. Je nach Anforderung kann hierbei ein konstanter oder ein variabler Strömungswiderstand verwendet werden.
3 zeigt einen Schnitt durch den Strömungssensor in 2 entlang der Linie A. Das Gehäuse 12 weist einen elliptischen Querschnitt auf, in dem der Strömungswiderstand 13 unter einem Winkel angeordnet ist, so dass die Schnittlinie A den Strömungssensor 13 ungefähr in der Mitte schneidet.
Bezugszeichenliste

1: Strömungssensor
2: Gehäuse Strömungssensor
3: Strömungswiderstand
4: Strömungsrichtung
5: Winkel Strömungswiderstand zur Strömungsrichtung
11: Strömungssensor
12: Gehäuse
13: Strömungswiderstand
14: Strömungsrichtung
15: Winkel Strömungswiderstand zur Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4325789 A1 [0004]

Claims

Sensor (11) für eine Strömungsmesseinrichtung zur Lungenfunktionsdiagnostik oder Leistungsdiagnostik, der einen Innenraum aufweist, insbesondere einen in Strömungsrichtung (14) länglichen Innenraum, und einen Widerstand (13) zur Erzeugung eines Differenzdrucks zwischen einem Innenraumabschnitt, der dem Widerstand vorgelagert ist, und einem Innenraumabschnitt, der dem Widerstand nachgelagert ist, wobei der Widerstand (13) aus einem flächigen Bauteil besteht, das mit Öffnungen durchsetzt ist, und der Widerstand (13) in einem Winkel (15) zwischen 20° und weniger als 90° zur Strömungsrichtung (14) bzw. zur Längserstreckung des Innenraumes angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (13) ein variabler Strömungswiderstand ist.
Sensor (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (13) im Winkel (15) zwischen 30° und 80°, vorzugsweise im Winkel (15) zwischen 40° und 50°, besonders vorzugsweise im Winkel (15) von 45° zur Strömungsrichtung angeordnet ist.
Sensor (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum eine Querschnittsfläche senkrecht zur Strömungsrichtung (14) bzw. zur Längserstreckung des Innenraums von 1200 bis 2400 Quadratmillimetern, vorzugsweise von 1600 bis 2000 Quadratmillimetern aufweist.
Sensor (11) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum senkrecht zur Strömungsrichtung (14) bzw. Längserstreckung einen ovalen, insbesondere elliptischen Querschnitt aufweist.
Sensor (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzere Hauptachse des ovalen bzw. elliptischen Querschnitts zwischen 17 mm und 24 mm, insbesondere zwischen 19 mm und 22 mm, und die längere Hauptachse zwischen 22 mm und 32 mm, insbesondere zwischen 25 mm und 29 mm lang sind.
Sensor (11) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzere Hauptachse 21 mm und die längere Hauptachse 28 mm lang ist.
Sensor (11) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand (15) zu beiden Hauptachsen einen Winkel (15) von größer als 20° und kleiner als 90° aufweist.