DE2302852C3 - Durchfluß- und Volumenmeßgerät für gasförmige Medien - Google Patents

Description

»ei vielen Durchfluß- und Volumenmessungen strömender gasförmiger Medien ist es erforderlich, deren Strömungsgeschwindigkeit und deren Durchsatzvolumen pro Zeiteinheit (Mengenmessung) unabhängig vom äußeren Umgebungsdruck und von der Umgebungstemperatur sowie von dem eigenen Feuchtigkeitsgehalt des betreffenden Mediums zu messen und das Meßergebnis direkt anzuzeigen oder zu dokumentieren.

Derartige Durchfluß- und Volumenmessungen werden z. B. in der Meteorologie, beim SporCoei der Luftfahrtüberwachuüg und bei der Luftüberwachung im

ίο Umweltschutz zur Erfassung von Luftströmungsgeschwindigkeiten und Luftströmungsvoiumen durchgeführt In der medizinischen Diagnostik sind derartige Messungen zur Erfassung der minimalen und maxima- len Expirationsstärke beim Atemstoß, zur Erfassung

IS 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 me·

chanische, elektrische und elektronische Meßgeräte einzusetzen. So werden bei Windmessungen Anemometer n*it mechanischen Turbinen und Windrädern sowie Anemometer mit elektrischen Hitzedrahtdetektoren verwendet Auf dem Gebiet der Strönungsmeß-

2s technik ist ferner ein Strömungsmesser bekannt bei dem ein radialer lonenstrom in einem zylindrischen Aufnehmer durch einströmende Luft axial abgelenkt wird und diese Ablenkung als Μ^α·* fn«· 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 Erschutternngscmpfiiiulichkeit, insbesondere bei Auslegungen für feine und gcr.aue 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 Volumennießgeräte mit Düsenablenkdctcklorcn und manometrischen Meß- und An/.cigccin-

6s heilen sind empfindlich gegen unterschiedliche äußere Umgcbungsdrücke und gegen Detektorverunreinigung und Veränderung durch z. B. schleimfeuchtigkeitshaltige Atemluft.

Der Erfindung liegt 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 beinflusscn. S

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

Durch die Anordnung der Detektoren in Meßkammern, die im Nebenschluß liegen, werden sie von Fremdstoffteilchen jeglicher Art des zu messenden Mediums nicht getroffen und nicht verunreinigt. Durch die Ausbildung der Detektoren als keramische piezoelektrische Aufnehmer, die in den Meßkammern mit Schwingungshalterungcn federnd gelagert sind, wirken der Staudruck, Strömungsgeräusche und Körperschallschwingungen auf die Detektoren ein und rufen gemeinsam das Meßsignal hervor. Daraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, daß bei Durchfluß- und Volumenmessungen verschiedener gasförmiger Medien mit elektronischen Detektoren und mit einem direkt anzeigenden elektronischen Meßgerät Umgebungsdrücke. Umgebungstemperaturen, Feuchtegehall 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 leistungslose 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 Delektoren in Verbindung mit einem einzigen elektronischen Meßgerät einsetzen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in vereinfach-ι r Form eines elektronischen Durchfluß- und Volumenmeßgerätes für die medizinische Diagnostik zur Erfassung von Expirationsstärken beim Atomstoß ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben:

Fig.l zeigt im Schnitt den Aufbau und die Funktionsweise einer Aufnahme-Einheit XA. Die zu messen- so de Atemluft des Patienten gelangt durch e<n auswechselbar steckbares Einmalgebrauchsmundstück 1, das als EinlaOaufsatz 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_t 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 werden, wobei gleichzeitig die Atemluft durch freie Durchlässe der Schwinghalterungen 15 durch die beiden Nebenschlußaustrittsrohre' 16 in ein Hauptauslaßrnhr 7 a".r Aufnahme-Einheit A geleitet wird. ₍

Ein dimensioniertes Teilvoluraen der Atemluft gelangt dabei durch einen durch die Ausbildung des Verteilerkegels 3 im Turbulationsrohr ϊ bedingten Durchlaßraum 9 und durch die Zwischenräume einer speziell ausgebildeten Kegelhaltung 5 direkt in das Hauptauslaßrohr 7 und befördert bedingt durch die strömungsdynamische Ausbildung des Verteilerkegels 3 auf dessen Oberfläche angesammelte Feuchtigkeitskondensate ins Freie.

Die Hauptströmung der Atemluft wird von den Seiten des Verteilerkegels 3 in nach oben abgewinkelte Nebenschlußeintrittsrohre 8 geleitet, wobei Kondensatablagerungen von der Oberfläche des Verteilerkegels 3 in den abgewinkelten Teilen der Nebenschlußeintrittsrohre 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 Aufnehmerunterteile 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 Einlaßaufsatz 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 3 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-, Mchrmal- oder Daucr'gebrauch auslegbar.

Wie F i g. 2 schematisch zeigt, ist die klemtnbare Kegelhalterung 5 des Vcrteilcrtegels 3 mehrfach als Stege, Rondcn, Spitzen und mit anderen Formtcilcn im Hinblick auf die Dimensionierung der DurchlaBräume 9 auslegbar.

Wie F i g. 3 schematisch zeigt, kann die Schwinghai· terung 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 Ober Verbind'Jngskabel 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 Fig.4 ein elektrischer Analogschreiber oder mittels bekannter Wandler eine Digitalanzeigeeinheit oder ein Digitaldrucker zur Dokumentation der Meßwerte einfach oder mehrfach wahlweise angeschlossen werden.

ίο Wie Fig.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.

i$ Bedingt durch die Auslegung der Aufnahme-Einheit A ist das elektronische Durchfluß- und VolumenmeÖgerät 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 verfälschen und die stoß- und erschütterungsunempfindlichen Detektoren beeinflussen können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1. Patentansprüche:

   ÜeHnalsthes DurchfluP-ümi Mumernneßgerät

   ψτgasförmige Medien, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Beruhigungsrohr (2) ein Verteilcrkegcl (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 Schwinghalterungcn (15) federnd . gelagert sind, und daß an die Meßkammern (10) Nebcnschlußaustriitsrohre (16) angeschlossen sind, die in ein in Strömungsrichtung hinter dem Verteilerkegel (3) gelegenes Hauptauslaßrohr (7) münden.
2. 2. Gerät nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (5) des Verteilerkegfels (3) im Rohr (2) einen Durchlaß (9) aufweist.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußrohre (8) nach oben abgewinkelt an das Rohr (2) angeschlossen sind.
4. 4. Gerat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mittets steckbarer Konen (4,6; 17) in Längsrichtung teilbar ist
5. 5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußrohre (8) Ober Exponentialtrichter (U) in .die Meßkammern (10) munden.
6. 6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die keramischen piezoelektrischen Aufnehmer (12) auf als Gegenmasse fungierenden Aufnehmeruntirteilen (14) angeordnet sind.
7. 7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gckennzeichntt, daß die keramischen piezo* elektrischen Aufnehmer (12) jeweils durch ein mittels einer Abdeckung (13) verschlossenes Aufnehmergehäuse (18) geschützt sind.
8. 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. 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.

   to. 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, Spitzen oder ähnlichen Formteilen besteht.

   :;. 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, Dreiekkcn, Halbrondcn, Spitzen oder ähnlichen Formtcilcn in einfacher öder mehrfacher Anordnung ausg& bildet ist.