DE2356725C3 - Strömungsmesser - Google Patents

Description

bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger- 30 verhältnismäßig große Testvolumen, das zu Fehlern bei körper durch ein stabförmiges, rundes oder kantiges Untersuchungen des Gasaustausches führt, und die Vollmaterial'gebildet wird, das an seinem dem
Meßstift zugewandten Ende scharfkantig ausgebildet ist.

6. Strömungsmesser nach einem aer Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper durch ein stabförmiges, rundes oder kantiges Vollmaterial gebildet wird, das an seinem dem Meßstift zugewandten Ende ein gerundetes, ecktges oder abgewinkeltes Blech trägt.

7. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstift in radialer Richtung des Strömungsrohrs justierbar ist, und daß die öffnungen für die Meßdruckleitungen in der Nähe seines im Strömungsrohr befindlichen Endes vorgesehen sind, wobei die öffnungen spiegelsymmetrisch zu einer oder mehreren, quer zur Strömungsachse verlaufenden scharfen Kanten des Meßstiftendes angeordnet sind.

8. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen für die Meßdruckleitungen am Meßstift in Vertiefungen verdeckt angeordnet sind.

9. Strömungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen in Schlitzen verdeckt angeordnet sind.

10. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Verdrängerkörpers quer zur Achse des Strömungsrohrs mindestens so groß wie die entsprechende Querabmessung des Meßstiftes ist.

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmesser mit einem Strömungsrohr, insbesondere zur Messung des hohen Genauigkeitsanforderungen, die auf Grund des kleinen Meßsignals an die elektrische Druckmessung gestellt werden müssen.

Ähnliche Nachteile besitzt auch ein neuerer Atemstromrezeptor (DT-OS 2044 101), der nach dem gleichen physikalischen Prinzip, wie der Pneumotachograph nach Fleisch, arbeitet und ebenfalls als Meßsignal den Druckabfall in einer Laminarströmung benutzt.

Eine weitere bekannte Ausführung eines Atemstromrezeptors (DT-OS 19 63 349) benutzt zur Erzeugung des Meßdruckes einen flächenformigen Strömungswiderstand, der den gesamten Querschnitt des Atemrohres ausfüllt. Als Strömungswiderstand wird z. B. ein Netzwiderstand vorgeschlagen. Derartige Widerstände haben aber den großen Nachteil, daß der sich an ihnen einstellende Druckabfall, dimensionsbefreit durch einen Bezugstaudruck, insbesondere bei Sieben und Netzwerken, in komplizierter Weise von der Reynoldschen Zahl der Durchströmung abhängig ist. Daher wird auch bei der Beschreibung von Atemstromrezeptoren, die nach diesem Prinzip arbeiten (DT-OS 19 63 349 und DT-OS 20 00 800), die Einschränkung gemacht, daß die zu erreichende Meßgenauigkeit nicht sehr hoch ist.

Ein weiterer bekannter für die Spirometrie verwendeter Strömungsmesser benutzt zwei in einem Atemrohr konzentrisch eingesetzte und einander entgegengerichtete Sitaurohre, deren Meßdrücke auf einen Differenzdruckaufnehmer geleitet werden (DT-AS 11 53 486). Bei dieser Anordnung erfaßt das entgegen der Strömung gerichtete Staurohr den Gesamtdruck und das in Strömuingsrichtung weisende Staurohr näherungsweise dem statischen Druck der Strömung.

Die Meßdruckdifferenz ist demnach von der Größenordnung des Staudruckes. Ein hoher Staudruck, der im Hinblick auf die Meßgenauigkeit wünschenswert wäre, läßt sich durch eine verhältnismäßig starke Einschnü-

rung des Querschnitts im Strömungsrohr erreichen. Eine solche Einschnürung bedingt aber wiederum eine Zunahme des Atemwiderstandes·, daher kommen im Atemrohr nur vergleichsweise niedrige Staudrücke in Betracht. Ein Nachteil, insbesondere bei der Messung kleiner Atemströme, ist die Abhängigkeit der Umrtrömung der beiden Staurohre von der Rynoldschcn Zahl. Bedingt durch diesen Einfluß kann im Bereich kleiner Strömungsgeschwindigkeiten der Zusammenhang zwischen Meßdruck und Volumenstrom erheblich von dem zu erwartenden parabolischen Gesetz abweichen.

Schließlich ist noch ein Gerät zum Bestimmen des Atemwegwiderstandes vorgeschlagen worden (DT-OS 22 33 829), bei dem ein mit dem Pulsgenerator erzeugter Druckpuls durch Bohrungen in das Atemrohr eindringt und zu beiden Enden des Atemrohrs hin ausbreitet. Da mit diesem Gerät jedoch keine Durchflußmessungen durchgeführt werden können, kann es nicht zur Messung des Aiemstromes eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungsmesser der angegebenen Gattung zu schaffen, der bei einfachem Aufbau sowohl die Forderung nach geringem Totraumvolumen und geringem Strömungswiderstand, insbesondere Atemwiderstand, als auch nach vergleichsweise hohem Meßsignal auch bei geringen Strömungsstärken, insbesondere Alemstiomstärken, erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Strömungsrohr in radialer Richtung ein ^o Meßstift mit /wei Öffnungen für Meßdruckleitungcn und dem Meßstift gegenüber ein Verdrängerkörper angeordnet sind, wobei sich die öffnungen auf den beiden Seiten eines durch Meßstift und Verdrängerkörper gebildeten, verengten, scharfkantigen Strömungsquerschnittes befinden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in folgender Wirkungsweise: Mit diesem Strömungsmesser wird die Druckdifferenz gemessen, die sich an einer geeignet angeordneten ersten Druckmeßstelle vor einer Querschnittsverengung des Strömungsrohrs sowie einer zweiten Druckmeßstellc hinter der Querschnittsverengung ergibt. Dabei folgt die Strömung bei Durchströmung dieser Querschnittsverengung, die im Bereich zwischen Verdrängerkörper und Meßstift entsteht, nicht der Wand, sondern wird von der Wand, d. h. also, von der Oberfläche des Meßstiftes und des Verdrängerkörpers abgelöst, um einen vernachlässigbaren Einfluß der Reynoldschen Zahl auf das Strömungsgeschehen zu erreichen.

Außerdem ist der eigentliche Meßquerschnitt kleiner als der Gesamtquerschnitt des Strömungsrohrs. Die hohe Beschleunigung der Strömung, die ;:ur Erzielung eines hohen Meßsignales angestrebt wird, tritt also nur in einem vergleichsweise kleinen Querschnittsbereich, nämlich nur in dem Bereich zwischen Verdrängerkörper und Meßstift, auf. Weiterhin ist auch die Projektionsfläche von Meßstift und Verdrängerkörper klein im Vergleich zum Querschnitt des Strömungsrohres, so daß sich ein sehr geringer Strömungswiderstand, insbesondere Atemwiderstand ergibt, wie insbesondere für die Messung des Atemstromes bei der Lungenfunktionsdiagnose wesentlich ist.

Obwohl das Hauptanwendungsgebiet die Messung des Atemstromes bei der Lungcnfunklionsdiagnosc sein (15 dürfte, läßt sich der Strömungsmesser auch in industrielle Strömungskreisläufe einbauen. Bei solchen Anlagen ist es oft erforderlich, den Volumcnstroni, beispielsweise in Rohren, zu messen und/oder zu regeln. Dabei werden üblicherweise pneumatische Meßgeräte, insbesondere Normblenden und Venturidüsen eingesetzt. Neben der aufwendigen und teuren Herstellung dieser Geräte haben sich die erforderlichen langen Beruhigungsstrecken vor und hinter der Meßstelle als besonders nachteilig herausgestellt und schließen meist einen nachträglichen Einbau in vorhandene Anlagen aus. Außerdem bedingt der gewünschte hohe Wirkdruck bei Normblenden einen sehr hohen Druckverlust. Diese Nachteile werden mit dem Strömungsmesser nach der Erfindung vermieden. Insbesondere verursachen Störungen, die sich nur in einem geringen Abstand stromauf der Meßstelle befinden, nur kleine Fehler bei der Messung des Volumenstroms. Wird beispielsweise der Strömungsmesser nach der Erfindung etwa drei Rohrdurchmesser stromab eines Kniekrümmers eingebaut, so beträgt der Fehler der Messung des Volumenstroms ca. 3%, ist also vergleichsweise gering.

Zur Vereinfachung des Einbaus des Strömungsmessers nach der Erfindung in industrielle Strömungskreisläufe können Verdrängerkörper und Meßstift auch zu einer Einheit verbunden ausgeführt werden, so daß ein nachträglicher Einbau nur durch eine in die Rohrleitung einzubringende Bohrung möglich ist. Durch eine entsprechende Abstimmung von Meßstift- und Vercliängerkörpcrabniijssung auf den jeweiligen Rohrdurchinesser können einmal aufgenommene Eichkurven für unterschiedliche Anordnungen verwendet werden, es ist also nicht jeweils eine Einzelcichung erforderlich.

Schließlich läßt sich der Strömungsmesser nach der Erfindung einfach handhaben und auch während des Betriebs leicht reinigen; er hat nur geringe Abmessung und ein geringes Gewicht, so daß sich bei der Anwendung für die Lungenfunktionsdiagnose die /u untersuchende Person während der Untersuchung relativ frei bewegen kann; dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der Strömungsmesser mit dem Atemmundstück verbunden und/oder in dieses eingebaut wird und ohne Zuhilfenahme eines Stativs oder einer Halterung getragen werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

F i g. I Verglcichskurven von Messungen mit dem Pneumotachographen nach Fleisch und dem Strömungsmesser nach der Erfindung;

F i g. 2 einen Längsschnitt durch den Strömungsmesser nach der Erfindung,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Strömungsmesser nach der Erfindung,

F i g. 4a bis 4d Ausführungsformen des Verdrängerkörpers,

F i g. 5 Ausführungsformen des Meßstiftes,

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform des Strömungsmessers nach der Erfindung, und

Fig.7 eine für die industrielle Anwendung geeignete Ausführungsform des Strömungsinessers nach der Erfindung.

Die F i g. 2 zeigt im Längsschnitt und die F i g. 3 im Querschnitt einen Strömungsmesser nach der Erfindung. Die Meßdrückc, welche die beiden Druckbohrungen am Ende des Meßstiftes aufnehmen, werden durch Bohrungen im Meßstift in Leitungen, an die Druckschläuche angeschlossen werden, zum Differenzdruckmesser weitergeführt. Der Verdrängerkörper — bei der Ausführungsform nach den F i g. 2 und 3 ein einfacher

Zylinder — ist, wie in Fig.2 durch den Doppelpfeil angedeutet wird, in Richtung seiner Achse definiert verschiebbar angeordnet.

Durch diese Verschiebung kann die Größe der Übergeschwindigkeit im Bereich des Meßstiftkopfes definiert verändert und damit die Empfindlichkeit des Strömungsmessers einfach verstellt werden. Durch die Kombination von Meßstift und Verdrängerkörper wird erreicht, daß das Geschwindigkeitsprofil im Meßrohr keine merkliche Bedeutung für das Meßergebnis hat. Die Verformung des Geschwindigkeitsprofils durch Meßstift und Verdrängerkörper im Bereich der Druckmeßbohrungen ist nämlich sehr groß im Vergleich zu den Variationen des Geschwindigkeitsprofils, wie sie bei unterschiedlicher Anströmung des Slrömungsrohres vorkommen können. Durch diesen Effekt und durch die scharfkantige Ausführung der Enden von Meßstifi und Verdrängerkörper wird die mit dem erfindungsgemäßen Strömungsmesser gemessene Meßdruckdifferenz in der mit dem Bezugstaudruck dimensionsfrei gemachten Form praktisch unabhängig von der Rcynoldschen Zahl. Es gilt also der theoretisch zu erwartende parabolische Verlauf der Meßdruckdifferenz über dem Volumenstrom auch praktisch. Dies ist von Bedeutung für die elektronische Linearisierung des elektrisch verstärkten Meßsignals.

Zum Zweck einer weiteren Verringerung des Druckverlustcs kann das Strömungsrohr von einem zylindrischen Mittelteil ausgehend, in welchem sich Meßstift und Verdrängerkörper befinden, nach beiden Meßrohrenden hin diffusorartig erweitert werden, so daß der größte Teil der Bewegungsenergie im engsten Querschnitt des Meßrohres in Druckenergie zurückgewonnen wird.

Fig.4a —4d zeigt verschiedene mögliche Ausführungsformen des Verdrängerkörpers. Charakteristisch ist die scharfkantige Ausbildung des Verdrängerkörperendes, das dem Meßstift zugewandt ist. Das Vcrdrangerkörpcrcndc kann auch als dünnwandiges Blechprofil ausgeführt sein, das den Meßstift seitlich umschließt (F ig. 4c).

Fig. 5 zeigt verschiedene Ausführungsformen des Meßstiftes. Charakteristisch ist, daß der Meßstift unterhalb seiner (im Sinne der Fig. 5 betrachtet) Oberkante zwei spiegelbildlich zu dieser Oberkante angeordnete Entnahmeöffnungen für den Meßdruck aufweist. Die Oberkante des Meßstiftes ist scharfkantig ausgeführt. Sie kann auch durch einen zwischen den beiden Druckbohrungen eingesetzten Blechstreifen (Fig. 5b) verwirklicht werden. Die Druckcntnahmcöffnungen können, wie in Fig.5c dargestellt, auch die Form von Schlitzen mit verdeckt angebrachten Bohrungen haben. Dies ist insbesondere dann angebracht, wenn ein Verschluß der Druckenlnahmcöffnungen durch Schmulzteilchen oder Schlcimpartikclchcn zu erwarten ist. Der Meßstift wird in das Strömungsrohr so eingesetzt, daß die Verbindungslinie der beiden Meßbohrungen der Meßrohrachse parallel ist.

Zur Verringerung des Totvolumens kann das Strömungsrohr unmittelbar mit einem Mundstück verbunden werden. Eine solche Anordnung isi in F i g. 6 schematise)! dargestellt.

Zur Vermeidung von Kondenswasserbildung am Meßstift und am Verdrängerkörper kann das Meßrohr, z. B. durch eine Widerstandswicklung, elektrisch beheizt werden.

Für industrielle Anwendungen, beispielsweise bei der Mengenmessung in Rohren oder als Meßwertgeber für eine Regelung, können Verdrängerkörper und Meßstift auch zu einer Einheit verbunden ausgeführt werden, wie in F i g. 7 dargestellt ist. Dabei sind der Verdrängerkörper und der Meßstift durch eine gemeinsame, beispielsweise in der Mitte des Rohrquerschnitts angeordnete Halterung verbunden, so so daß sie als Einheit bewegt werden können.

Durch eine solche Kombination von Meßstift und Verdrängerkörper wird also bei dem Strömungsmesser die für eine vergleichsweise hohe Meßdruckdifferenz erforderliche hohe Strömungsgeschwindigkeit nur lokal in einem kleinen Bereich des Strömungsrohr-Querschnittes erreicht. Dadurch können Meßdru.kdifferenzcn erreicht werden, die den Staudruck im Atemrohr beträchtlich überschreiten. In Fig. 1 sind Meßergebnisse gegenübergestellt, die mit dem Strömungsmesser nach der Erfindung bzw. dem bekannten Pneumotachograph nach Fleisch erreicht wurden. Dabei sind jeweils über dem Volumenstrom der Meßdruck, der Druckvcrlust und das Verhältnis von Druckverlust zu Meßdruck aufgetragen. Für beide Strömungsmesser wurden die gleichen Einbauverhältnisse zugrundcgelcgt, wie sie etwa bei einer üblichen Pleythysmographcnkammer vorliegen. Der Druckvcrlust von Mundstück und Zuleitungen ist also mit berücksichtigt. Bei dem Pneumotachographcn nach Fleisch handelt es sich um ein Serien- und käuflich erhältliches Gerät. Der absolute Wert des Druckverlustcs im Strömungsmesser ist beim Strömungsmesser nach der Erfindung im gesamten Volumenstrombereich wesentlich geringer als für den Pneumotachographen nach IM e i se h. Entsprechend günstiger ist für den Durehriußmcsser nach der Erfindung auch der Verlauf des Verhältnisses von Druckvcrlusi /u Meßdruckdifreren/. über dem Volumenstrom.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Strömungsmesser mit einem Strömungsrohr, insbesondere zur Messung des Atemstromes bei der Lungenfunktionsdiagnose, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungsrohr in radialer Richtung ein Meßstift mit zwei öffnungen für Meßdruckleitungen und dem Meßstift gegenüber ein Verdrängerkörper angeordnet sind, wobei sich die öffnungen auf den beiden Seiten eines durch Meßstift und Verdrängerkörper gebildeten, verengten, scharfkantigen Strömungsquerschnittes befinden.

?.. Strömungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt vom zylindrischen Mittelteil aus, in dem sich Meßstift und Verdrängerkörper befinden, zu den beiden Strömungsrohrenden hin diffusorartig erweitert.

3. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper in radialer Richtung des Strömungsrohres verschiebbar ist.

4. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkörper und der Meßstift zu einer Einheit verbunden sind.

5. Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1

Atemstromes bei der Lungenfunktionsdiagnose.

In der Lungenfunktionsdiagnostik werden solche Strömungsmesser als Pneumotachographen bezeichnet. Sehr bekannt ist der Pneumotachograph nach

FI e i s c h, bei dem ein theoretisch linearer Zusammenhang zwischen Meßdruck und Volumenstrom dadurch erreicht wird, daß in den vielen parallel geschalteten Lamellen kleinen Querschnitts zwischen den beiden Entnahmeöffnungen für die Meßdruckdifferenz die

ίο Strömung im gesamten Meßbereich laminar bleibt. Nachteilig ist bei diesem verhältnismäßig aufwendigen und teuren Gerät der hohe Aufwand für Reinigung und Desinfektion das vergleichsweise hohe Gewicht und das relativ kleine Meßsignal. Als Meßsignal steht nämlich

nur die Druckdifferenz zur Verfügung, die sich bei der Strömung durch die vielen parallel geschalteten Lamellen-Kanäle einstellt Eine Vergrößerung des Meßsignales ist demnach mit einer entsprechenden Vergrößerung des Strömungswiderstandes verbunden,

der aber bei Lungenfunkiionsunlersuchungen möglichst niedrig gehalten werden soll. Weitere Schwierigkeiten ergeben sich im praktischen Betrieb dadurch, daß die Anströmung der Lamellenkanäle nicht gleich und insbesondere beim Einatmen und beim Ausatmen unterschiedlich sein kann, daß in die Druckdifferenz bei der laminaren Strömung die Zähigkeit des Strömungsmediums direkt eingeht und daß Verunreinigungen, etwa durch Auswurf beim Husten, das Meßergebnis

erheblich verfälschen. Nachteilig sind ferner das