DE2030775C3 - Strömungsmesser, insbesondere für Atemstromrezeptor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strömungsmesser, insbesondere Atemstromrezeptor für die Lungenfunktionsdiagnostik, mit einem Stromungsrohr, von dem die durch eine eingebaute Blende beim Durchblasen erzeugte Druckdifferenz abgenommen wird, wobei als Blende ein elastischer Körper eingesetzt ist, dessen Blendenöffnung sich im Arbeitsbereich des Strömungsrohres durch elastische Deformation in Abhängigkeit vom Anströmdruck verändert.

Für die Lungenfunktionsdiagnostik werden vorwiegend Atemstromrezeptoren nach Fleisch verwendet.

Diese Rezeptoren bestehen im Bereich der Meßstrecke aus einer großen Anzahl von Kapillaren, womit eine große Gleichmäßigkeit, also eine wirbelfreie Strömung, und damit auch eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

S Die Rezeptoren nach Fleisch haben jedoch den Nachteil, daß sie ein großes Gewicht haben und deshalb ein eigenes Stativ benötigen, daß ihr Totvolumen groß ist wodurch es notwendig ist, für die einzelnen Meßbereiche verschiedene Düsen zu verwenden, daß es notwendig ist, die Düsen zu beheizen, daß sie ferner schwierig zu reinigen sind und daß letztlich wegen des großen Fertigungsaufwandes sich ein entsprechend hoher Preis ergibt Die einfachste Ausführungsform für einen Strömungsmesser könnte nun unter Verwendung

is einer Lochblende realisiert werden. Der gemessene Druck über einer derartigen starren Blende wächst jedoch etwa mit dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit Es wäre deshalb denkbar, anstelle einer starren Blende eine steuerbare Blende, z. B. eine Irisblende gemäß US-PS 24 02 585, einzusetzen, die über einen geeigneten Antrieb in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit geöffnet oder geschlossen wird. Damit könnte man die Kennlinie des Strömungsmessers entsprechend verändern, insbesondere linearisieren. Es ist jedoch einleuchtend, daß ein Steuer- bzw. Regelkreis für eine solche veränderbare Blende einen entsprechend hohen technischen Aufwand erfordert und mit großer Wahrscheinlichkeit doch nicht den Anforderungen genügt, weil die Nachsteuerung der Blendenöffnung nicht hinreichend rasch und genau erfolgt. Weniger aufwendig in diesem Sinne sind zwar Strömungsmesser, die z. B. gemäß US-PS 34 03 556 sogenannte Federblenden als elastisch deformierbare Blendenkörper einsetzen; solche Strömungsmesser mit derartigen Federblenden besitzen jedoch wegen der relativ großen Bewegungsmasse der Feder eine schlechte Frequenzauflösung; die Federblenden weisen zudem Lageabhängigkeit bei zusätzlicher Schwingneigung auf und sie haben außerdem einen zu hohen Strömungswiderstand bei schlechter Linearität der Kennlinie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser anzugeben, der einen einfachen und preiswert zu erstellenden Aufbau hat und möglichst so leicht gebaut werden kann, daß er unmittelbar vom Probanden, z. B. mit den Zähnen, gehalten werden kann, wobei mit der Möglichkeit einfacher Reinigung und Sterilisation zugleich mit einfachsten Mitteln eine weitgehende Anpassung der Kennlinie des Strömungsrohres samt eingebauter Blende an die gewünschte Charakteristik möglich ist.

Die Aufgabe wird mit einem Strömungsmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Blendenkörper eine Membran dient, die in an sich bekannter Weise aus einzelnen, an den Innenwandungen des Strömungsrohres befestigten Lamellen besteht, wobei jedoch in der Mehrzahl die Lamellen zur Ausbildung untereinander unterschiedlicher Anströmflächen unterschiedlich lang und/oder breit ausgebildet sind.

Mit einem solchen Strömungsmesser können die Strömungen nach beiden Richtungen im Strömungsrohr gleichmäßig erfaßt werden, d. h. das Strömungsrohr ist für die Inspirationsphase ebenso gut geeignet wie für die Exspirationsphase. Durch die Anpassung der Blendenöffnung an die Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich außerdem ein sehr weiter Arbeitsbereich, d. h. mit ein und demselben Querschnitt des Strömungsrohres und den gleichen Membranschnitten ergeben sich einwand-

freie reproduzierbare Meßwerte, z. B. von 0 bis 101/sec. Der Einsatz geschlitzter Membranen innerhalb eines Suömungsrohres ist an sich durch die US-PS 32 32 288 vorbekannt Bei dem dort beschriebenen Strömungsmesser handelt es sich jedoch um einen sogenannten kapazitiven Klappenmesser, der also die Stärke eines Stromes durch den dabei erzeugten Auslenkweg von Klappen, der kapazitiv erfaßt wird, mißt Als Klappen werden nun beim Strömungsmesser dieser US-PS die Lamellen einer geschlitzten, metallisch beschichteten Membran verwendet Voraussetzung für die korrekte Funktionsweise eines solchen Klappenmessers ist jedoch, daß jedem Stromstärkewert ein entsprechender Auslenkweg für die einzelnen Lamellen der Schlitzmembran zugeordnet ist, wobei dieser Auslenkweg bei gleicher Stromstärke für sämtliche Lamellen gleich sein muß. Wäre dies nicht der Fall, so ergäben sich für jede Lamelle unterschiedliche Kapazitätswerte, die für die Einzellamellen unterschiedliche Strömungswer^fe anzeigen würden. Der Mittelwert der Kapazität würde dann dem tatsächlichen Strömungswert nicht mehr entsprechen. Bei vorliegender Erfindung liegt nun der Fall genau umgekehrt. Hier handelt es sich nicht um einen kapazitiven Klappenmesser, sondern um einen Blendenmesser, bei dem ein Differenzdruck über der Blende ein Maß für die Stromstärke abgibt. Der Einsatz einer Membran entsprechend jener des Klappenströmungsmessers der US-PS 32 32 288 als Blende in einem Differenzdruckströmungsmesser gemäß vorliegender Art würde nun jedoch im Hinblick auf die erwünschte Linearität der Strömungsanzeige zu unrichtigen Meßergebnissen führen. Schlitzmembranen mit völlig gleichartigen Lamellenflächen, wie sie der Strömungsmesser der US-PS aufgrund eines ganz andersartigen Meßprinzips verwenden muß, würden bei einem Differenzdruckströmungsmesser zu gegenseitiger Anregung und dadurch auch zu Schwingungen führen, die den zu erfassenden Differenzdruck verfälschen. Um solche Fehler zu vermeiden, d. h. die Strömungsanzeige tatsächlich zu linearisieren, muß deshalb zu andersartigen Mitteln gegriffen werden. Diese Mittel bestehen gemäß Erfindung darin, daß nicht gleichflächige Lamellen, sondern vielmehr in der Fläche unterschiedliche Lamellen eingesetzt werden. Diese unterschiedliche Flächenausbildung der Einzellamellen bewirkt, daß bereits schon bei geringsten Stromstärken die Lamellen mit den größten Flächen zuerst ausgelenkt werden, während Lamellen mit kleineren Flächen erst bei zunehmender Stromstärke in Aktion treten. Auf diese Weise ergibt sich eine öffnung der Schlitzblende mit zunehmender Stromstärke, die Differenzdrücke streng proportional zur Stromstärke bewirkt. Lamellen mit unterschiedlichen Strömungsflächen führen somit im Gegensatz zu Lamellen mit gleichartigen Strömungsflächen zu entkoppelten Systemen, die sich niemals gegenseitig zu Schwingungen anregen, sondern sich wegen der unterschiedlichen Strömungskennwerte (Strouhal- und Reynoldzahlen) immer exakt an die jeweiligen Gegebenheiten der Strömung anpassen. Hierdurch ergibt sich bei einfachstem technischen Aufwand nicht nur exakte Linearisierung, sondern auch Linearisierung über einen breiten Meßbereich bei großer Dynamik. Im DT-Gbm 69 23 285, das ebenfalls einen dem Strömungsmesser der US-PS 32 32 288 entsprechenden Strömungsmesser beschreibt, ist zwar auch schon ein solcher Atemstrommesser als vorbekannt angegeben, der auf der Basis der Differenzdruckmessung »lamellenbestückte Geber« verwenden soll.

Wie nun diese »lamellenbestückten Geber« im einzelnen aufgebaut sind und wie sie prinzipiell funktionieren, ist in der Gebrauchsmusterschrift jedoch nicht näher beschrieben. Nach Aufbau und Funktion ergibt sich aus dieser Druckschrift somit keine direkte Vergleichsmöglichkeit zwischen einem als bekannt vorausgesetzten »lamellenbestückten Geber« und einer Lamellenblende gemäß vorliegender Erfindung.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert
Die F i g. 1 zeigt in einem Diagramm die Kennlinie 1 eines Strömungsrohres mit einer starren Lochblende. Ferner ist in das Diagramm eine Kennlinie 2 eingetragen, die bei Verwendung eines Strömungsrohres mit veränderlicher Blendenöffnung möglich wird.
Die F i g. 2 zeigt im Seitenriß und die F i g. 3 im Aufriß ein Strömungsrohr 3, das zwischen seinen Flanschen 4 und 5 eine Membrane 6 aufnimmt Die Membrane 6 besteht aus einer dünnen Kunststoffolie von 0,05 mm Stärke, die durch Vertikalschnitte 7 und einen Diagonalschnitt 8 im Bereich des freien Rohrquer-Schnitts 9 in einzelne Lamellen unterteilt ist Die Ränder 10 und 11 des Rohres 3 sind im Bereich der Einströmöffnung 12 ebenso wie im Bereich der Auslaßöffnung 13 strömungsdynamisch geformt, um eine Wirbelbildung zu vermeiden. Die Meßgröße wird über die Anschlußstutzen 14 und 15 abgenommen und über nicht gezeichnete Leitungen auf ein geeignetes Differenzdruckmanometer gegeben. Im Bereich der Einlaßöffnung 12 ist ein Beißstück 16 sowie eine Dichtlippe 17 angeformt oder aufgesteckt, so daß das Strömungsrohr in die Mundhöhle eingeführt und mit den Zähnen frei gehalten werden kann.

Die Membrane 6 kann, wie im Ausführungsbeispiel gezeigt, zwischen die Flansche 4 und 5 eingelegt und befestigt werden. Damit ist ein leichter Austausch der Membrane möglich. Alle Teile des Strömungsrohres können in einfacher Weise gereinigt und desinfiziert werden. Bei Verwendung entsprechend billiger Kunststoffspritzkörper ist es aber auch möglich, die Membrane 6 direkt zwischen zwei Hälften des Strömungsrohres einzuschweißen, womit sich Atemstromrezeptoren als Wegwerfartikel erstellen lassen.

Die F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform von geschnittenen Membranen für den Einsatz in rechteckige Strömungsrohre. Die F i g. 5 und 6 zeigen hingegen Schnittformen für Membranen für Strömungsrohre mit kreisrundem Querschnitt. Es ist ersichtlich, daß durch die entsprechende Lage der Schnittlinien Lamellen mit großer Fläche und kleinen Einspannbreiten ebenso gewonnen werden können, wie etwa Lamellen mit verhältnismäßig kleiner Fläche und großer Einspannbreite. Je kleiner die Fläche, desto geringer wird auch die Kr„ft sein, die auf die Lamellen wirkt und je größer die Einspannbreite, desto größer werden auch die Rückstellkräfte sein, so daß sich hierbei Lamellen ergeben, die die Blende schon bei geringer Strömungsgeschwindigkeit öffnen, und solche, die erst bei hoher Strömungsgeschwindigkeit wirksam werden. Zusammengenommen ergeben diese Lamellenschnitte eine entsprechende Form der Kennlinie, die sich, wie einleitend bereits angegeben, nicht nur linearisieren, sondern sogar unterproportional krümmen läßt.

Werden die Schnittlinien durch die Membrane nicht durchgezogen, sondern nur Teilschnitte bzw. Ausschnit-

te vorgenommen und die Membrane aus gummielastischem Material gefertigt, so kann die Blendenöffnung auch durch Auswölben der Membrane verändert werden, weil durch die Wölbung ein öffnen der Schlitze oder Löcher gegeben ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser, insbesondere Atemstromrezeptor für die Lungenfunktionsdiagnostik mit einem Strömungsrohr, von dem die durch eine eingebaute Blende beim Durchblasen erzeugte Druckdifferenz abgenommen wird, wobei als Blende ein elastischer Körper eingesetzt ist, dessen Blendenöffnung sich im Arbeitsbereich des Strömungsrohres durch elastische Deformation in Abhängigkeit vom Anströmdruck verändert, dadurch gekennzeichnet, daß als Blendenkörper eine Membran (6) dient, die in an sich bekannter Weise aus einzelnen, an den Innenwandungen des Strömungsrohres (3) befestigten Lamellen (7) besteht, wobei jedoch in der Mehrzahl die Lamellen (7) zur Ausbildung untereinander unterschiedlicher Anströmflächen unterschiedlich lang und/oder breit ausgebildet sind.

2. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Lamellen insbesondere im Bereich der Einspannstelle am Strömungsrohr unterschiedliche Breite haben.

3. Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Lamellen neben unterschiedlicher Anströmfläche auch unterschiedliche Steifigkeit besitzen.

4. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (7) durch Schlitzen eines einheitlichen Membrankörpers, z. B. einer Folie, gewonnen sind.

5. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran als gummielastischer Körper mit z. B. schlitzartigen öffnungen ausgebildet ist, die sich unter der Wirkung des Strömungsdruckes verwölbt und damit öffnungen entsprechend erweitert.

6. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (3) samt eingesetzter Membrane (δ) als Beißstück zum Einsetzen in die Mundhöhle ausgebildet ist.

7. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsrohr (3) aus zwei mit Flanschen (4, 5) versehenen Teilen besteht und die Membrane (6) im Bereich der Flansche montiert ist.

8. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7 unter Verwendung eines Vierkantrohres, dadurch gekennzeichnet, daß Druckabnahmestutzen (14,15) an einer Seitenwandung des Vierkantrohres (3) angesetzt sind, an der die Lamellen (7) mit der kleinsten Anströmfläche angeordnet sind.