DE2723337A1 - Messkopf fuer gasdurchsatz-messgeraet - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 9 7 ? Q Q Q

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ING. OIPL.-CHEM. DIPL-INQ. DIPL.-ING.

MÖNCHEN

HAMBURG

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NEUER WALL IO

1 F L. (O4O) 34 OO 45

ΓΪ4 OOfifi

TfLrGDAMME: INVTNTIUS HAMBURG

23. S.77

UNSRRE ΛΚΓΚ:

IHR /riCHEN:

4159-I-3409/R.77091 Fl

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT: V.St.A. Ser. No. 709 867 vom 29.7.1976

und CIP-Anm Ser. No.779 557 vom 21.3.1977

BEZEICHNUNG: Meßkopf für Gasdurchsatz-Meßgerät

ANMELDER: Research Development Corporation Van Ness Avenue
San Francisco, Kalif. CA 94109

ERFINDER:

John Jay Osborn

Kanlrn

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Die Erfindung betrifft einen Meßkopf für ein Gasdurchsatz-Meßgerät, der aus einem Gehäuse mit Gaseinlaß- und Gasauslaßstutzen besteht.

Bei Patienten mit Atmungsbeschwerden ist besonders wichtig, den Atemdurchsatz zu messen. Zu diesem Zweck sind bereits unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die jedoch sämtlich schwerwiegende Nachteile aufweisen. Nach dem bekanntesten Verfahren zum Messen des Atemdurchsatzes wird ein Widerstands-Pneumotachograph verwendet, wobei das bekannteste Gerät dieser Art das Gerät nach Fleisch ist. Das Meßprinzip des Widerstands-Pneumotachographen beruht auf der Messung eines Differentialdrucks, der bei einem Luftdurchtritt durch ein einen Widerstand aufweisendes Rohr entsteht. Vor Einführung dieses Pneumotachographen bestand der Widerstand aus einer einfachen Öffnung oder einer Düse. Wenn die Messungen mit einfachen Öffnungen oder Düsen ausgeführt werden, bildet sich an diesen jedoch keine laminare, sondern eine turbulente Strömung aus. Aufgrund turbulenter Strömung nimmt der Widerstand mit dem Durchsatz zu, so daß die Differentialdruckmessung keine lineare Anzeige des tatsächlichen Durchsatzes erbringt. Bei laminarer Strömung bleibt jedoch der Widerstand über einen großen Durchsatzbereich nahezu konstant. Zur Erzielung einer laminaren Durchströmung des Widerstands besteht der im Widerstands-Pneumotachographen nach Fleisch verwendete Widerstand aus vielen, zueinander parallelen Rohren, die nicht nur einen Widerstand für die Strömung darstellen, sondern diese auch laminar führen, so daß Wirbelstromeffekte ausgeschaltet sind. Durch Messung des Drucks auf beiden Seiten der engen, zueinander parallelen Rohre läßt sich der Durchsatz ermitteln. Da die Strömung laminar ist, ergibt sich über einen weiten Strömungsbereich ein konstanter Strömungswiderstand, so

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daß die Differentialdruckmessung eine lineare Anzeige des tatsächlichen Gasdurchsatzes darstellt.

Der Widerstands-Pneumotachograph ist zwar theoretisch betrachtet sehr vorteilhaft, weist jedoch in der Praxis mehrere, schwerwiegende Nachteile auf, zu denen seine großen Abmessungen, sein hohes Gewicht und auch die Tatsache zählen, daß die engen Rohre sehr leicht durch Schleim oder von der feuchten Atemluft ausgeschiedene Feuchtigkeit verstopft gehen. Ein Verstopfen aufgrund Feuchtigkeit läßt sich dadurch beseitigen, daß die Vorrichtung erwärmt wird. Die Verstopfung aufgrund Schleim läßt sich dadurch jedoch nicht beseitigen. Hinzu kommen die Größe und das Gewicht des Geräts, welche dem Einsatz desselben hinderlich entgegenstehen.

Zur Prüfung der Funktion der Lungen sind auch andere, am Mund eines Patienten einsetzbare Durchsatzmeßvorrichtungen bekannt. Diese Vorrichtungen sind jedoch nur für kurzzeitige Untersuchungen ausgelegt, weisen in vielen Fällen ein großes Totvolumen auf und/außerdem durch das Vorhandensein von Wasser oder Feuchtigkeit im System beeinträchtigt, so daß sich instabile Anzeigen ergeben.

Zur Messung des Atmungsdurchsatzes wurde auch bereits der Einsatz von Ultraschall-Durchsatzmeßgeräten, Heißdraht-Meßgeräten, Wirbelstromzählern und anderen Geräten vorgeschlagen, die jedoch alle jeweils mit bestimmten Nachteilen behaftet sind.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Meßkopfes für ein Durchsatz-Meßgerät, dessen Gesamtströmungswiderstand bei Zunahme turbulenter Strömung konstant bleibt, und das somit eine einwandfreie, genaue Durchsatz-

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messung ermöglicht.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Meßkopf für ein Gasdurchsatz-Meßgerät, welcher aus einem Gehäuse mit einem Gaseinlaß- und einem Gasauslaßstutzen besteht, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine quer über den Innenraum des Gehäuses zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung angeordnete Blendenmembran aus einem elastischen Werkstoff mit einem eine öffnung vorgebenden, teilweise ausgeschnittenen Abschnitt und einer in einem Stück mit der Membran ausgebildeten, scharniermäßig mit dieser verbundenen und in Form und Größe der öffnung entsprechenden Klappe mit konvergierenden Seitenrändern und einer Stelle geringster Breite an der am weitesten von der Scharnierverbindung mit der Blendenmembran entfernten Stelle, wobei die Größe der öffnung in Abhängigkeit von dem Gasdurchsatz veränderlich ist, und auf beiden Seiten der Blendenmembran angeordnete Druckmeßvorrichtungen.

Weitere Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Meßkopfes bilden den Gegenstand der Unteransprüche 2-5.

Der Meßkopf wird einfach in eine Strömungsleitung für Gas wie z.B. Atemluft eingesetzt, wird in waagerechter Richtung von dem Gas oder der Luft durchströmt und weist an der Blendenmembran eine einzige öffnung auf, wobei die am oberen Ende der öffnung angelegte, einzige Klappe elastisch in eine die öffnung verschließende Stellung beaufschlagt ist. Bei Zunahme des Gasdurchsatzes durch die Strömungsleitung und den Meßkopf verlagert sich die angelenkte Klappe in eine Öffnungsstellung, wodurch der Widerstand der öffnung herabgesetzt wird. Diese, auf die Zunahme der Öffnungsgröße zurückzuführende Wider-

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Standsverringerung gleicht den erhöhten Widerstand aufgrund der Zunahme von Turbulenζströmung aus.

Somit wird der Gesamtströmungswiderstand bei Zunahme
turbulenter Strömung konstant gehalten.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßkopf ist im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Meßkopf veränderlicher Öffnungsgröße für ein Gasdurchsatz-Meßgerät.

Fig. 2 ist eine Ansicht entlang der Linie 2-2
von Fig. 1 und zeigt die Formgebung der Klappe in der Blendenmembran.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung des Volumendurchsatzes in Abhängigkeit vom Spitzendurchsatzwert, gemessen vermittels eines Durchsatz-Meßgeräts, und zeigt die mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Meßkopf erhaltenen Werte im Vergleich zu denen eines bekannten Meßkopfes.

Fig. 4 ist eine grafische Darstellung des vermittels eines linearen Durchflußmessers und vermittels des erfindungsgemäßen Meßkopfs gemessenen zeitlichen Durchsatzverlaufs .

Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des vermittels eines linearen Durchflußmessers und vermittels eines Prototyps des Meßkopfes gemessenen zeitlichen Durchsatzverlaufs .

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Der in der Zeichnung dargestellte Meßkopf 11 wird in einer Strömungsleitung für Gas angeordnet, welche von Gas in waagerechter Richtung entsprechend den Pfeilen 15 durchströmt wird. Der Meßkopf weist Einlaß- und Auslaßstutzen 17, 18 mit entsprechenden Einlaß- und Auslaßöffnungen 19, 20 auf, und beide Teile des Meßkopfes sind vermittels Flansche 21, 23 miteinander verbunden. Zwischen den Flanschen 21, 23 ist vermittels Schrauben 27 oder dgl. eine Blendenmembran 25 gehalten.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, bildet die Blendenmembran 25 eine öffnung 29, in welcher sich eine Klappe 31 befindet. In ihrer einfachsten Form ist die Blendenmembran 25 aus Gummi oder einem anderen elastischen Werkstoff hergestellt, wobei die Klappe 31 in einem Stück mit der Membran ausgebildet und über einen elastischen Scharnierbereich 33 mit dieser verbunden ist. Zur elastischen Beaufschlagung der Klappe 31 in die Schließstellung können jedoch auch andere, entsprechende Mittel vorgesehen sein.

Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, weist die öffnung 29 eine solche Formgebung auf, daß sie bei verhältnismäßig niedrigem Gasdurchsatz nur teilweise geöffnet ist und somit einen verhältnismäßig hohen Strömungswiderstand bietet. Bei Zunahme des Gasdurchsatzes wird die Klappe wie in Fig. 1 dargestellt weiter nach außen abgelenkt. Auf diese Weise nimmt bei Zunahme des Durchsatzes die Größe der öffnung zu, wobei der Strömungswiderstand abnimmt. Wenngleich die Strömung an der öffnung turbulent ist und normalerweise bei zunehmendem Durchsatz einen erhöhten Strömungswiderstand zur Folge hat, wird der Widerstand aufgrund der öffnung veränderlicher Größe ausgeglichen, so daß der Gesamtwiderstand an der öffnung konstant bleibt, die Beziehung zwischen Gasdurchsatz und Differentialdruck

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an diesem Widerstand linear ist und der Durchsatz unmittelbar an einem Differentialdruckmesser abgelesen werden kann.

Zur Messung des Differentialdrucks und damit des Durchsatzes weist der Meßkopf 11 die Druckmeßöffnungen 35 und 37 auf, welche mit dem Differentialdruckmesser 39 über die hier teilweise schematisch dargestellten Schlauchleitungen 41 und 43 verbunden sind.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, befinden sich die Druckmeßöffnungen 35 und 37 und der Scharnierbereich 33 der Klappe 31 im oberen Bereich des Meßkopfs. Folglich befindet sich der Scheitel 45 der Öffnung im unteren Bereich. Diese Anordnung ermöglicht, daß Wassertröpfchen oder sogar auch Wasserrinnsale am Scheitel 45 durch die Öffnung 29 hindurchtreten können, ohne daß sich dabei die Eichung des Gasdurchsatzes in nennenswerter Weise ändern würde.

Wenn die Klappe 31 aufgrund eines hohen Gasdurchsatzes durch den Meßkopf zur Seite verschwenkt wird, deckt sie die abstromseitige Druckmeßöffnung (entsprechend der Darstellung in Fig. 1 die Druckmeßöffnung 37) ab, so daß diese Öffnung vor Wirbelströmen im Bereich der Öffnungen geschützt ist. Aufgrund dieses Schutzes der abstromseitigen Druckmeßöffnung vor Wirbelströmen wird nicht nur eine größere Störsignalquelle in den vom Meßkopf ermittelten Drucksignalen ausgeschaltet, sondern auch ein asymmetrischer Pitotrohreffekt vermieden, der sich bei direkter Abschirmung der Druckmeßöffnung einstellen würde.

Eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßkopfes wurde hergestellt und verschiedenen Versuchen

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unterworfen, wobei ausgezeichnete Meßergebnisse erhalten wurden. Die Blendenmembran 25 bestand dabei aus einem hochelastischen, für medizinische Zwecke geeigneten Silasticgummi niedriger Hysterese in einer Stärke von 0,9 mm. Die Breite der Klappe zwischen den Ecken 47 und 49 entsprechend der Darstellung von Fig. 2 betrug 1,5 cm, und der senkrechte Abstand vom Scheitel 45 zum Scharnierbereich 33 zwischen den Enden 51 und 53 betrug ebenfalls 1,5 cm. Die Breite des Scharnierbereichs betrug 0,6 cm, und der senkrechte Abstand vom Scharnierbereich zu der breitesten Stelle der Klappe an einer die Ecken 47 und 49 verbindenden Linie betrug 0,6 cm. Die Breite des Schlitzes zwischen der Klappe 31 und der Öffnung 29 betrug 0,7 mm. Die Durchmesser der Öffnungen 19 und 20 entsprechend der Darstellung von Fig. 1 betrugen 1,1 cm und waren somit etwas kleiner als die in einer beliebigen Richtung gemessenenen Abmessungen der Klappe 31.

Bei Versuchen mit dem hier dargestellten und beschriebenen Meßkopf, sowie Prototypen desselben wurde gefunden, daß mit einer einzigen, angelenkten Klappe Druckmessungen mit einem wesentlich niedrigeren Störsignalpegel möglich sind als bei Verwendung von zwei oder mehreren derartiger Klappen. Die im Meßkopf angeordnete einzige Klappe ist in ihren Abmessungen etwas größer als die Einlaß- und Auslaßöffnung, so daß sie im Meßkopf selbst zurückgehalten wird und nicht in die Lungen eines Patienten gelangen kann, wenn der Fall eintreten sollte, daß die Klappe etwa aus Alterungsgründen nach langem Gebrauch abreißt. Außerdem fällt der größteDurchmesser der Klappe 31 nicht mit der Mitte der Klappengesamtfläche zusammen, so daß sich die Klappe, falls sie abreißen sollte und sich im Auslaßstutzen verkeilt, in Art einer Windfahne in Strömungsrichtung dreht und somit den Gasdurchtritt zu und

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von den Atemwegen eines Patienten nicht behindern kann.

Die grafische Darstellung von Fig. 3 zeigt einen Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Gasdurchsatz-Meßkopf und einem Prototyp desselben von bekannter Ausführung. Der Prototyp wies mehrere, fingerartige Klappen unterschiedlicher Länge und entsprechend unterschiedlichen Strömungswiderstands auf. Die Kurven von Fig. 3 wurden vermittels einer Kolbenpumpe erstellt,deren effektives Hubvolumen 0,7 Liter betrug, und die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten angetrieben wurde, um einen zwischen 0,5 bis 2,0 Liter pro Sekunde betragenden Spitzendurchsatz zu liefern. Das Volumen wurde durch Integration der von den untersuchten Durchsatz-Meßköpfen gelieferten Durchflußsignale bestimmt. Die Kurve 55 zeigt das Ergebnis für den Meßkopf-Prototyp und weicht für Durchsätze über 1,0 1/sec deutlich von der Linearität ab. Die Kurve 57 zeigt die Ergebnisse für den hier beschriebenen Meßkopf, welche deutlich wesentlich besser linear sind.

Es wurden noch weitere Vergleiche mit dem Prototyp und dem hier beschriebenen Meßkopf ausgeführt, und die Ergebnisse sind in den Figuren 4 und 5 dargestellt. In diesen beiden Figuren ist eine Meßkurve des jeweils untersuchten Meßkopfes überlagert der mit einem als Standard dienenden Referenz-Durchsatzmesser erhaltenen Kurve, wobei der Luftdurchsatz von einer Kolbenpumpe erzeugt wurde, die sinusförmig angetrieben war und einen Spitzendurchsatz von 1 1/sec lieferte. Die Kurven wurden mit einem elektronischen Mehrkanal- Aufzeichnungsgerät (Electronics for Medicine DR-8) unter Verwendung eines Differentialdruckwandlers nach Statharn Typ P5-0.2D-350 mit freiem Dehnungsmesser aufgezeichnet. Als Bezugsdurchsatzwandler wurde ein Differential-Druck- und Durchsatzwandler für

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laminare Strömung nach Fleisch (Hersteller Dynasciences, Division of Whittaker Corporation) verwendet, der mit einem entsprechenden Dehnungsmesser nach Statham verbunden war.

In Figur 4 stellt die Kurve 59 die Messung des Standard-Bezugsdurchsatzmessers, und die Kurve 61 die Messung mit dem erfindungsgemäßen Meßkopf dar. In Fig. 5 zeigt die Kurve 63 den Meßwert des Standardgeräts, und Kurve 65 den Meßwert des Meßkopf-Prototyps. Aus dem Vergleich der Figuren 4 und 5 läßt sich ersehen, daß bei Anwachsen des Durchsatzes gegen 1 1/sec der Prototyp instabil ist, wohingegen der erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßkopf genau der Kurve des Standard-Bezugsdurchsatzmessers folgt.

Der vorgeschlagene Meßkopf veränderlicher Öffnung für ein Gasdurchsatz-Meßgerät gestattet somit die Messung von Gasdurchsatz durch Differentialdruckmessung an einem Widerstand, wobei die mit diesem Gerät erhaltenen Meßkurven praktisch den mit den Widerstands-Pneumotachographen erhaltenen Meßkurven entsprechen. Beim erfindungsgemäßen Meßkopf sind jedoch die Schwierigkeiten ausgeschaltet, die sich beim Widerstands-Pneumotachograpfen aufgrund der engen Rohre ergeben. Außerdem läßt sich der erfindungsgemäße Meßkopf in wesentlich kleineren Abmessungen, mit geringerem Gewicht und wesentlich preiswerter als bekannte Meßköpfe oder Meßvorrichtungen dieser Art ausbilden und braucht nicht beheizt zu sein. Da anstelle der zahlreichen engen Rohre des Widerstands-Pneumotachographen nur eine einzige, einfache Öffnung verwendet wird, ist der Meßkopf gegen jede Verstopfung durch Wasser oder Schleim immun. Für weite Bereiche von Luft- oder Gasdurchsatz und Temperaturen kann der Meßkopf in kleinen Abmessungen, mit äußerst geringem Gewicht und

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hoher Stabilität ausgebildet werden. Er ist praktisch unempfindlich gegenüber Änderungen der Eichung aufgrund des Vorhandenseins von Wasser, Schleim oder Feststoffteilchen und in seiner Herstellung derart wirtschaftlich, daß er praktisch als Einweg-Meßkopf, d.h. nur für eine einmalige Benutzung, geeignet ist.

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Claims (5)

Patentansprüche :

1.) Meßkopf für ein Gasdurchsatζ-Meßgerät, bestehend aus einem Gehäuse mit Gaseinlaß- und Gasauslaßstutzen, gekennzeichnet durch eine quer über den Innenraum des Gehäuses (11) zwischen der Einlaß- und der Auslaßöffnung (19, 20) angeordnete Blendenmembran (25) aus einem elastischen Werkstoff mit einem eine öffnung (29) vorgebenden, teilweise ausgeschnittenen Abschnitt und einer in einem Stück mit der Membran ausgebildeten, scharniermäßig mit dieser verbundenen und in Form und Größe der öffnung entsprechenden Klappe (31) mit konvergierenden Seitenrändern und einer Stelle geringster Breite an der am weitesten von der Scharnierverbindung mit der Blendenmembran entfernten Stelle, wobei die Größe der öffnung (29) in Abhängigkeit von dem Gasdurchsatz veränderlich ist, und auf beiden Seiten der Blendenmembran (25) angeordnete Druckmeßvorrichtungen (35, 37).

2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (31) zwei obere und zwei untere Seitenränder aufweist, die Scharnierverbindung (33) im oberen Bereich der Blendenmembran (25), und die Stelle geringster Breite der Klappe (31) im Bodenbereich der Blendenmembran ausgebildet ist.

3. Meßkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf beiden Seiten der Blendenmembran (25) angeordneten Druckmeßvorrichtungen aus im Bereich des oberen Endes der Membran in den Gehäuseinnenraum mündenden Druckmeßöffnungen (35, 37) bestehen, und die Klappe (31) bei hohem Gasdurchsatz vor die abstromseitige Druckmeßöffnung verschwenkbar ausgebildet ist.

ORIGINAL

4. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenmembran (35) nur eine einzige Klappe (31) aufweist.

5. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klappe (31) an ihrem Fußpunkt (33) breit, und an ihrem Scheitel (45) schmal ausgebildet ist, wobei die Elastizität des Scharnierbereichs (33) auf die Formgebung der Klappe derart abgestimmt ist, daß der Widerstand an der öffnung (29) über einen großen Durchsatzbereich konstant ist.

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