DE2302852B2 - Durchfluß- und Volumenme6gerät für gasförmige Medien - Google Patents

Description

Bei vielen Durchfluß- und Volumenmessungen strömender gasförmiger Medien ist es erforderlich, deren Strömungsgeschwindigkeit und deren Durchsatzvolutieren.

Derartige Durchfluß- und Volumenmessungen wer den z. B. in der Meteorologie, beim Sport, bei der Luft fahrtüberwachung und bei der Luftüberwachung in Umweltschutz zur Erfassung von Luftströmungsge schwindigkeiten und Luftströmungsvolumen durchge führt In der medizinischen Diagnostik sind derartige Messungen zur Erfassung der minimalen und maxima len Expirationsstärke beim Atemstoß, zur Erfassung des Lungenvolumens an Atemluft und damit zur Bestimmung der Vitalkapazität notwendig. Andere vielseitige Einsatzmöglichkeiten zeigt die Industriepraxis auf.

Es ist bekannt zur Erfüllung dieser Erfordernisse mechanische, elektrische und elektronische Meßgeräte einzusetzen. So werden bei Windmessungen Anemometer mit mechanischen Turbinen und Windrädern sowie Anemometer mit elektrischen Hitzedrahtdetektoren verwendet. Auf dem Gebiet der Strömungsmeßtechnik ist ferner ein Strömungsmesser bekannt bei dem ein radialer Ionenstrom in einem zylindrischen Aufnehmer durch einströmende Luft axial abgelenkt wird und diese Ablenkung als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit in elektrische Signale umgeformt wird. Bei einem anderen Durchflußmeßgerät wird ein schwingungsfähig gelagerter Körper durch eine besondere Führung der Strömung des zu messenden Mediums zu niederfrequenten mechanischen Schwingungen angeregt, die als Meßsignale elektronisch ausgewertet werden.

In der Medizin ist zur Messung und Registrierung der maximalen Expirationsstärke beim Atemstoß ein Pneumometer bekannt das auf dem Meßprinzip des Staurohrs beruht bei dem der Staudruck mit einem Manometer gemessen, angezeigt und registriert wird. Ähnliche Meßgeräte sind unter der Bezeichnung Spirometer bekannt

Mechanisch funktionierende Durchfluß- und Volumenmeßgeräte bekannter Art haben den Nachteil der Reibungs-, Korrosions- und Erschütterungsempfindlichkeit insbesondere bei Auslegungen für feine und genaue Messungen. Elektrisch funktionierende Durchfluß- und Volumenmeßgeräte mit bekannten Hitzedrahtdetektoren sind von der Umgebungstemperatur abhängig und empfindlich gegen Luftfeuchtigkeit. Elektronisch funktionierende Durchfluß- und Volumenmeßgeräte mit Ionenstromablenkung im Meßdetektor sind empfindlich gegen den Feuchtigkeitsgehalt der zu messenden gasförmigen Medien und gegen Mikropartikeln, die sich störend auf die Ionenstromablenkung auswirken können. Derartige Geräte sind außerdem in der Herstellung sehr aufwendig und dementsprechend teuer. Durchflußmeßgeräte mit einem Schwingungskörper sind einerseits lageabhängig und andererseits abhängig von der Umgebungstemperatur sowie empfindlich gegen Feuchtigkeit und Mikropartikeln in dem zu messenden Medium. Pneumatisch funktionierende Durchfluß- und Volumenmeßgeräte mit Düsenablenkdetektoren und manometrischen Meß- und Anzeigeeinheiten sind empfindlich gegen unterschiedliche äußere Umgebungsdrücke und gegen Detektorverunreinigung und Veränderung durch z. B. schleimfeuchtigkeitshaltige Atemluft.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde ein Durchfluß- und Volumenmeßgerät für gasförmige Medien mit elektronischen Detektoren zu schaffen bei dem Druck, Temperatur, Feuchtigkeit und Fremdstoffe die Detektoren nicht beinflussen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in einem Benihigungsrohr ein Verteilerkegel angeordnet ist, daß an der Stelle des größten Kegelquerschnittes Nebenschlußrohre angeschlossen sind, die in MePkammern münden, in denen keramische pie- ίο zoelektrische Aufnehmer mit Schwingungshalterungen federnd gelagert sind, und daß an die Meßkammern Nebenschlußaustrittsrohre angeschlossen sind, die in ein in Strömungsrichtung hinter dem Verteilerkegel gelegenes Hauptausflußrohr münden. ,₅

Durch die A.^rdnung der Detektoren in Meßkammern, die im Nebenschluß liegen, werden sie von Fremdstoffteilchen jeglicher Art des zu n.essenden Mediums nicht getroffen und nicht verunreinigt Durch die Ausbildung der Detektoren als keramische piezoelektrische Aufnehmer, die in den Meßkammern mit Schwingungshalterungen federnd gelagert sind, wirken der Staudruck, Strömungsgeräusche und Körperschailschwingungen auf die Detektoren ein und rufen gemeinsam das Meßsignal hervor. Daraus ergeben sich 2< insbesondere die Vorteile, daß bei Durchfluß- und Volumenmessungen verschiedener gasförmiger Medien mit elektronischen Detektoren und mit einem direkt anzeigenden elektronischen Meßgerät Umgebwmgsdrücke. Umgebungstemperaturen, Feuchtegehalt und Gehalt an viskosen Partikeln sowie Beimengungen elektrisch störender Mikropartikel des Meßmediums weder das Meßergebnis noch die Detektoren beeinflussen können und daß die Detektoren stoß- und erschütterungsunempfindlich sind. Es sind auch leistungs- lose Feinmessungen möglich, woraus sich ein sehr großer Meßbereich ergibt Das Meßgerät gemäß der Erfindung läßt sich leicht für die unterschiedlichsten Messungen ausgestalten und beispielsweise für eine Vielfachmessung mit einer größeren Anzahl von Detekto- ren in Verbindung mit einem einzigen elektronischen Meßgerät einsetzen.

Ein Ausfühmngsbeispiel der Erfindung in vereinfachter Form eines elektronischen Durchfluß- und Volumenmeßgerätes für die medizinische Diagnostik zur Erfassung von Expirationsstärken beim Atemstoß ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

F i g. 1 zeigt im Schnitt den Aufbau und die Funktionsweise einer Aufnahme-Einheit M. Die zu messen- de Atemluft des Patienten gelangt durch ein auswechselbar steckbares Einmalgebrauchsmundstück 1, das als Einlaßaufsatz auf ein zylindrisches Turbulationsrohr 2 aufgesteckt ist, in das Turbulationsrohr 2 der Aufnahme-Einheit.

Die feuchte und zum Teil schleimhaltige Atemluft wird im Turbulationsrohr 2 strömungstechnisch durch einen feuchtigkeitsabsorbierenden Verteilerkegel 3 so abgelenkt, daß sie über die beiden Nebenschlußeintrittsrohre 8 durch die beiden Expotentialtrichter 11 in zwei Meßkammern 10 gelangen und auf äußerlich geschützte keramische piezoelektrische nicht stoßempfindliche angeordnete Aufnehmer 12, die mit Schwinghalterungen 15 federnd in beiden Meßkammern 10 gelagert sind, einwirken kann, wobei detektorisch sowohl der Strömungsdruck der Atemluft als auch die durch die Strömung hervorgerufenen Eigenschwingungen der Schwinghalterungen 15 piezoelektrisch durch die Aufnehmer 12 als analoge Signalgrößen gewandelt wer den, wobei gleichzeitig die Atemluft durch freie Durch lasse der Schwinghalterungen 15 durch die beiden Ne btnschlußaustrittsrohre 16 in ein Hauptauslaßrohr : der Aufnahme-Einheit A geleitet wird.

Ein dimensioniertes Teilvolumen der Atemluft ge langt dabei durch einen durch die Ausbildung des Ver teilerkegels 3 im Turbulationsrohr 2 bedingten Durch laßraum 9 und durch die Zwischenräume einer speziel ausgebildeten Kegelhaltung 5 direkt in das Hauptaus laßrohr 7 und befördert bedingt durch die strömungs dynamische Ausbildung des Verteilerkegels 3 auf des sen Oberfläche angesammelte Feucbtigkeitskondensat« ins Freie.

Die Hauptströmung der Atemluft wird von den Sei ten des Verteilerkegels 3 in nach oben abgewinkelte Nebenschlußeintrittsrohre 8 geleitet, wobei Kondensat ablagerungen von der Oberfläche des Verteilerkegels 3 in den abgewinkelten Teilen der Nebenschlußeinttittsrohre 8 so abgefangen werden, daß sie nicht mit der Atemluft in die Meßkammern 10 gelangen und durch den Durchlaßraum 9 im Turbulationsrohr 2 sowie durch die Zwischenräume der Kegelhalterung 5 in das Hauptauslaßrohr 7 abfließen.

Die Aufnahme-Einheit A kann mittels steckbarer Konen in zwei Hauptteile zum Auswechseln des Verteilerkegels 3 mit seiner klemmbaren Kegelhalterung 5 zerlegt werden, und dadurch wird eine leichte Reinigung des Verteilerkegels 3 oder der Einsatz eines neuen Verteilerkegels mit wenigen Handgriffen ermöglicht, wobei als steckbare Einheiten einerseits der Konusflansch 4 des Turbulationsrohres 2 mit dem Rohrwandkonus 6 des Hauptauslaßrohres 7 unter Einklemmung der Kegelhalterung 5 und andererseits die Steckkonen 17 der Nebenschlußaustrittsrohre 16 dominieren.

Die durch die Nebenschlußeintrittsrohre 8 strömende Atemluft wird durch die Expotentialtrichter 11 in den Meßkammern 10 ohne Strömungswirbel so gleichströmungsmäßig verteilt und kann dadurch potentiell ausgeglichen auf die Aufnehmer 12 einwirken.

Die keramischen piezoelektrischen Aufnehmer 12 sind auf als Gegengewichte fungierende Aufnehinerunterteile 14 gelagert und werden sowohl durch ein Aufnehmergehäuse 18 als auch durch eine Abdeckung 13, die als Metallstück oder Kunststoffstück oder als Membran ausgebildet sein kann, ohne Funktionsbeeinträchtigung gegen äußerliche Einflüsse durch die Atemluft wie z. B. noch vorhandener geringer Feuchtegehalt geschützt.

Der Strömungsdruck der Atemluft wirkt einerseits frontal auf die Oberfläche der Abdeckung 13 der Aufnehmer 12 ein, und andererseits werden die durch den Strömungsdruck definierten Eigenschwingungen der federnden Schwinghalterungen 15 auf die Aufnehmerunterteile 14 übertragen, wodurch gleichzeitig sowohl der Strömungsdruck als auch die Schwingungen in bekannter Weise piezoelektrisch in analoge Signalgrößen detektorisch gewandelt werden.

Der Einlaßauvsatz 1 in Form eines zylindrischen Hygiene-Mundstückes für Einmalgebrauch, der aus verschiedenen Materialien beschaffen sein kann, ist auf das Turbulationsrohr 2 der Aufnahme-Einheit A aufsteckbar und in seiner Form dem Meßverfahren angepaßt.

Der Verteilerkegel 5 kann zur Absorption von Feuchte, Schleim oder Fremdpartikelbeimengungen der Atemluft innen hohl und seine Oberfläche mit oder ohne Poren oder Sieblochungen, oder mit oder ohne Imprägnierungen ausgebildet sein, er ist auch für Ein-

mal-, Mehrmal- oder Dauergebrauch auslegbar.

Wie F i g. 2 schematisch zeigt, ist die klemmbare Kegelhalterung 5 des Verteilerkegels 3 mehrfach als Stege, Ronden, Spitzen und mit anderen Farmteilen im Hinblick auf die Dimensionierung der Durchlaßräume 9 auslegbar.

Wie F i g. 3 schematisch zeigt, kann die Schwinghalterung 15, die mit den Aufnehmerunterteilen 14 der Aufnehmer 12 verbunden ist, zur Erzeugung von Eigenschwingungen durch die durchströmende Atemluft aus verschiedenen Materialien beschaffen und ihre Form als Stege, Dreiecke, Halbronden, Spitzen oder andere Formteile einfach oder mehrfach ausgelegt sein.

Wie F i g. 4 schematisch zeigt, werden die durch zwei oder mehrere keramische piezoelektrische Aufnehmer 12 detektorisch gewandelten elektrischen Signale in bekannter Weise über Verbindungskabel 19 einer Anzeige-Einheit B zugeführt, die die Meßgrößen ohne Umrechnung direkt anzeigt

In bekannter Weise wird, wie F i g. 5 einfach schematisch aufzeigt, über einen elektronischen Brückenverstärker mit Galvanometer 20, dessen Brückenzweige die keramischen piezoelektrischen Aufnehmer 12 und die elektronischen Verstärkereinheiten 21 darstellen, eine analoge Meßwertanzeige verifiziert, wobei diese Anzeige-Einheit mit Batterie- oder Netzbetrieb arbeiten kann. In bekannter Weise kann durch eine Schaltungser- Weiterung an die Anzeige-Einheit B nach F i g. 4 ein elektrischer Analogschreiber oder mittels bekannter Wandler eine Digitalanzcigeeinheit oder ein Digitaldrucker zur Dokumentation der Meßwerte einfach oder mehrfach wahlweise angeschlossen werden.

ίο Wie F i g. 4 schematisch zeigt, besteht das elektronische Durchfluß- und Volumenmeßgerät in einfachster Ausführung aus einer Aufnahme-Einheit A und aus einer Anzeige-Einheit B, die zusammen eine geschlossene Funktionseinheit darstellen.

Bedingt durch die Auslegung der Aufnahme-Einheit A ist das elektronische Durchfluß- und Volumenmeßgerät in der Lage, unter anderen nichtaggressiven gasförmigen Medien Atemluft zu messen, ohne daß sich in normalen Grenzen bewegende Umgebungsdrücke Umgebungstemperaturen, Feuchtigkeitsgehalte, Gehalte an viskosen Partikeln und Beimengungen elektrisch störender Mikropartikeln das Meßergebnis Verfälscher und die stoß- und erschütterungsunempfindlichen Detektoren beeinflussen können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. gasförmige Medien, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Beruhigungsrohr (2) ein Verteilerkegel (3) angeordnet ist daß an der Stelle des größten Kegelquerschnittes Nebenschlußrohre (8) angeschlossen sind, die in Meßkammern (10) münden, in denen keramische piezoelektrische Aufnehmer (12) mit Schwinghalterungen (15) federnd gelagert sind, und daß an die Meßkammern (10) Nebenschlußaustrittsrohre (16) angeschlossen sind, die in ein in Strömungsrichtung hinter dem Verteilerkegel (3) gelegenes Hauptauslaßrohr (7) münden.

2. Gerät nach Anspruch i, dadurch g^kennzeichnet, daß die Halterung (5) des Verteilerkegels (3) im Rohr (2) einen Durchlaß (9) aufweist

3. Gerät nach Anspruch t oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Nebenschlußrohre (8) nach oben abgewinkelt an das Rohr (2) angeschlossen sind.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Gera! mittels steckbarer Konen (4,6; 17) in Längsrichtung teilbar ist

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußrohre

(8) über Exponentialtrichter (U) in die Meßkammern (10) münden.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen piezoelektrischen Aufnehmer (12) auf als Gegenmasse fungierenden Aufnehmerunterteilen (14) angeordnet sind

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen piezoelektrischen Aufnehmer (Ii) jeweils durch ein mittels einer Abdeckung (13) verschlossenes Aufnehmergehäuse (18) geschützt sind.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaßaufsätze (1) in Form von Zylindern, Trichtern, Filterkammern oder Einmalgebrauchsmundstücken oder ähnlichen Einheiten auf das Rohr (2) aufsteckbar sind.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteilerkegel (3) zur Absorption von Feuchte, Schleim und/oder Fremdpartikelbeimengungen des Meßmediums innen hohl ist und seine Wandung Poren- oder Sieblochungen aufweist und/oder daß seine Oberfläche mit einer Imprägnierung versehen ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die richtige Dimensionierung der Durchlaßöffnung (9) die Halterung (5) des Verteilerkegels (3) aus Stegen, Ronden, Spitien oder ähnlichen Formteilen besteht.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Schwinghalterung (15) der Aufnehmer (12) aus verschiedenen Materialien beschaffen ist und in Form von Stegen, Dreiekken, Halbronden, Spitzen oder ähnlichen Formteilen in einfacher oder mehrfacher Anordnung ausgebildet ist.

men pro Zeiteinheit (Mengenmessung) unabhängi vom äußeren Umgebungsdmck und von der Umge bungstemperatur sowie von dem eigenen Feuchtig keitsgehalt des betreffenden Mediums zu messen um das Meßergebnis direkt anzuzeigen oder zu dokumen