DE2854056A1

DE2854056A1 - Durchflussmessgeraet

Info

Publication number: DE2854056A1
Application number: DE19782854056
Authority: DE
Inventors: Per-Olof Graende
Original assignee: BORGSTROEM
Current assignee: BORGSTROEM
Priority date: 1977-12-16
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1979-06-28
Also published as: GB2011626B; JPS5499671A; SE7714338L; FR2412058A1; CA1122436A; FR2412058B1; SE421349B; GB2011626A; US4240294A

Description

- 5 - U.Z.:842.25

Per-Olof Grande, Per Gösta Borgström

S:t Petri Kyrkogata 15 Möllebacken 15 S-222 21 Lund, Schweden S-222 50 Lund, Schweden

DÜRCHFLUSSMESSGERÄT

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Durchflußmeßgerät zur Ermittlung von schwankenden Flüssigkeitsstromen, vorzugsweise zur Ermittlung von kleinen Strömen, z.B. Blutströmen in Verbindung mit Tierversuchen, wobei das Durchflußmeßgerät mit Hilfe von Differentialdruckmessung über einen festen Strömungswiderstand den Durchfluß mißt und daher eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite umfaßt.

Bei Messung von pulsierenden Blutströmen an der Arterien- oder Venenseite hat man bisher hauptsächlich elektromagnetische

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Durchflußmeßgeräte verwendet. Diese sind jedoch zur Messung von kleinen Strömen, beispielsweise in der Größenordnung < 10 ml/min auf Grund der zu großen Nullpunktsabwanderung ungeeignet, die eine sehr schelchte Genauigkeit bei den erwähnten Strömungsmengen bewirkt. An der Venenseite werden als Blutstrommesser auch Tropfenzähler verwendet, aber die Genauigkeit ist sehr schlecht.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine exakte und kontinuierliche Durchflußmessung von pulsierenden Flüssigkeitsströmen unabhängig von der Frequenz der Pulsationen vor allem innerhalb des Bereiches kleiner Ströme zu erzielen und nicht nur eine Messung mittlerer Ströme bei pulsierenden Strömungen zu ermöglichen.

Dies wird gemäß der Erfindung hauptsächlich dadurch erreicht, daß die Strömungswiderstände R., R₂ und R₃ des Durchflußmeßgerätes und seine Elastizitätmoduln k₁, k₂und k₃ (Bezeichnungen gemäß Fig. 1) gemäß der Formel

R₂ R₃ + R₁
k₂ k₃

gewählt sind, wobei r- etwa gleich 0 ist, d.h. das Material

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der Fluidleitung ist im wesentlichen unelastisch.

Die Erfindung wird nachstehend mit Hinweis auf die anliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Durchflußmeßgerät gemäß der Erfindung schematisch;

Fig. 2 und 3 Eichkurven für zwei Ausführungsformen des Durchflußmeßgerätes gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt durch das Durchflußmeßgerät gemäß der Erfindung;

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Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V in Figur 4;

Fig. 6 und 7 eine alternative, speziell für Blutstrommessung für klinischen Gebrauch geeignete Konstruktion.

Das Hauptprinzip für das :Durchflußmeßgerät gemäß der Erfindung wird schematisch in Fig. 1 gezeigt. Das Durchflußmeßgerät besteht aus einem Hauptrohr I, das den Blutstrom Q durch das Durchflußmeßgerät leitet. Der Druckabfalliber das Rohr I wird mittels eines Differantialdruckmessers 4, der praktisch keine Verschiebung aufweist (National Semiconductor Corp., LX 1601DD), über Rohre II und III gemessen, wobei das ersterwähnte Rohr mit einer inneren Rohrleitung kleinerer Größe für einen nachstehend näher angegebenen, speziellen Zweck ausgeformt ist. Es ist wesentlich, daß der Pulsdruck am Eingang des Rohres II nach beiden Seiten des Differentialdruckmessers ohne erhebliche Phasenverschiebung übertragen wird. Dies bedeutet, daß die Zeitkonstante T₂ für das Rohr II identisch mit der Zeitkonstante T₃ für die Rohre I + III sein soll, und dies kann dadurch erreicht werden, daß geeignete Werte für die drei Rohrwiderstände R., R₂ und R₃ und ihre Elastizitätsmoduln k.., k₂ und k₃ (siehe Figur 1) gemäß der nachstehenden Berechnung gewählt werden. Da die Zeitkonstanten vom Durchfluß unabhängig sind, bezieht sich die Berechnung auf einen Zustand beim durchschnittlichen Durchfluß Null, der durch ein zeitweiliges Verschließen des Auslaufes (Fig. 1) erhalten wird. Der Pulsdruck wird darauf kleinere Ströme q .. , q₂ und q₃ durch die drei Rohre I, II und III erzeugen. P_, P.., P₂ und P₃geben die Drücke an den entsprechenden Stellen in Fig. · I an, Zl V₁, <Z\ V₂ und Zw₃ sind die druckinduzierenden Volumenänderungen der Rohre I, II und III, und k.. , k₂ und k₃ sind die Elastizitätmoduln derselben. Dabei ist dp₁ = Jc₁OV₁', dp₂= k₂dV₂, dp₃ = k₃dV₃ und äV^/ät = q₁ - q₃ ; DV₂/dt = q₂; dV₃/dt = q₃ .

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Die Beziehungen zwischen dem Durchfluß, den Strömungswiderständen und dem Druckabfall für die drei Rohre können folgendermaßen geschrieben werden:

^q1^R1 ^{= p}0 ~ ^P1^{; qzRz = P}0 " ^{P2? qaR3 = P}1 ~ ^P3i

Falls 1/^-^0 (d.h. das Rohr I ist steif), geben die oben angegebenen Gleichungen, nach Laplacescher Umwandlung, die folgende Lösung:

P=P ¹ = P ¹
^² *0 = 0

R₂ 1 + T₂S '

k₂·

P₃ = P

0 = P₀

1 - T₃S

R₂
weshalb T₂ = — ; T₃ =

k₂ k₃

Falls somit k₂ und k₃ identisch ausgebildet werden, ist die Beziehung T₂ = T- gültig, wenn R₂ = R. + R₃. Man sieht, daß dies für sämtliche s, d.h. für sämtliche Frequenzen, gültig ist.

Das Durchflußmeßgerät ist gemäß dem oben angegebenen Kriterium ausgebildet. Die Beziehung k₂ = k₃ wurde durch Ausbildung des Rohres II (des äußeren Rohres) und des Rohres III in der gleichen Größe und aus demselben Material erfüllt. Die Beziehung R₂ = R₁ + R₃ wurde durch Einbau der kleineren Rohrleitung innerhalb des Rohres II mit einem Strömungswiderstand gleich R₁ erzielt. Es ist ersichtlich, daß der druckempfindliche Teil 5 des Differentialdruckmessers ohne wesentliche Verschiebung arbeiten muß, welches Kriterium mit Hilfe des gewählten piezo_elektrischen Differentialdruckmessers (National Semiconductor Corp. LX 1601DD) erfüllt wird. Die Rohre II

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und III sind mit einem niederviskosen Fluid erfüllt, u.a. um Säcke mit eingeschlossener Luft zu vermeiden. Um auch einen Kurzschluß und somit Betriebsunterbrechung des Durchflußmeßgerätes zu vermeiden, ist das Innere desselben mit dem erwähnten, vollständig inerten elektrolytenfreien Fluid FC (40-85) (3 M Brand inert fluorchemical Liquids Chemical Division 3M Company) erfüllt. Mit dieser Ausführung wird im wesentlichen keine Phasenverschiebung zwischen P₂ und P₃ (Figur 1) erzeugt, wie aus dem Mangel an Pulsdruckoszillationen bei Durchfluß Null mit äußerem Verschließen hervorgeht. Der Druckmesser wurde zusammen mit der oben erwähnten, inerten Flüssigkeit, um Beschädigungen durch Berührung mit Elektrolyten und Störungen durch Änderungen der Außentemperatur zu vermeiden, hermetisch eingeschlossen. In dieser Weise schützt die inerte Flüssigkeit die am Druckmesser befindlichen, lasergetrimmten Widerstände.

Die Größe des Strömungswiderstandes R₁ im Rohr I (und somit auch R₂) kann innerhalb eines weiten Bereiches variiert werden. Der gewählte Wert ist von dem Bereich abhängig, in dem der Durchfluß gemessen werden soll, sowie von der oberen Grenze für den arteriellen, zulässigen Blutdruckabfall über das Rohr I, und von der Empfindlichkeit und Präzision des Differentialdruckmessers. R₁ soll so klein wie möglich sein, um den Druckabfall über das Durchflußmeßgerät zu begrenzen. Dies gilt vor allem bei Blutstrommessung. Mit der vorliegenden Ausführungsform des gewählten Differentialdruckmessers für Blutstrommessung können Durchflüsse innerhalb des Bereiches C 50ml/min für einen Druckabfall über das Durchflußmeßgerät von <10 Millimeter Hg korrekt gemessen werden.

Die Figuren 2 und 3 zeigen Eichkurven für zwei Ausführungsformen von Blutstrommeßgeräten, und zwar eine mit einem verhältnismäßig hohen R. zur Messung im niedrigen Durchflußbereich (Länge des Rohres I 85 Mm, Innendurchmesser 1.15 Mm)

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und eine andere mit einem niedrigeren R₁ für größere Durchflüsse (Länge des Rohres I 85 Mm, Innendurchmesser 1.75 Mm). Der Blutstrom (für Eichzwecke mittels Maßglas gemessen) wird im Verhältnis zum Ausgangssignal Uq vom Differentialdruckmesser aufgezeicnnet. Längs der Abszisse wird der Druckunterschied über das Rohr I (P_ - P₁) aufgezeichnet. Daraus ergibt sich, daß die Nichtlinearität für Blut sehr mäßig ist. Diese Tatsache zeigt auch, daß Viskositätsänderungen im Blut innerhalb dieser Geschwindigkeitsbereiche von geringer Bedeutung sind. Die vorliegende Konstruktion des Durchflußmeßgerätes erzeugt eine Nullpunktsabwanderung/Stunde <2 % der Abweichung in vollem Maßstab, entsprechend einem maximalen Druckabfall von 10 Millimeter Hg über das Durchflußmeßgerät bei standardisierten Verhältnissen mit verhältnismäßig konstanter Umgebungstemperatur und konstanter Blutviskosität.

Das Durchflußmeßgerät gemäß den Figuren 4 und 5 kann einen Außenbehälter 6 aufweisen, in dem der Differentialdruckmesser eingebaut ist. Die Flüssigkeit gelangt über den Einlauf 7 an einen etwas erweiterten Teil 8, der von der Hochdruckseite II mit Hilfe einer sehr dünnen, beweglichen Membran 9, vorzugsweise aus silikonisiertem Latexgummi bei Blutstrommessung, abgeschirmt ist. Das Rohr I geht vom erweiterten Teil 8 aus und verläuft in Bogenform bis an einen ähnlichen, erweiterten Teil 10, der von der Niederdruckseite III durch eine ähnliche Membran 11 abgeschirmt ist. Die Flüssigkeit strömt durch den Auslauf 12 des Durchflußmeßgerätes heraus, der an den erweiterten Teil 10 angeschlossen ist. Der ganze Durchflußkanal von Einlauf bis Auslauf 12 ist vorzugsweise in einer Einheit gegossen. Bei Blutstrommessung soll dieses Gießen mit einem blutkompatiblen Material ohne scharfe, blutkörperzerstörende Unebenheiten durchgeführt werden.

Die Verwendung des Durchflußmeßgerätes für Blutstrommessung in klinischem Gebrauch, z.B. Blutstrommessung bei Nierendialyse oder Blutstrommessung bei Verwendung einer Herz-Lungen-

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Maschine u.a., würde eine andere Ausbildung bezüglich der Anforderung an Sterilität und an eine leichte Auswechselbarkeit des das Blut berührenden Materiales erfordern (gegebenenfalls für einmaligen Gebrauch). Figur 6 zeigt, wie dieses Durchflußmeßgerät ausgeformt werden kann. Die Fluidleitung I gemäß Fig. 7 ist als eine leicht auswechselbare Einheit ausgeformt, deren innere Fläche, die das Blut berührt, mit einer Schicht aus Silikongummi bedeckt ist. Dabei ist das Gegenstück zur Membran 9 und 11 in Fig. 4 doppenwandig ausgebildet, wobei die das Blut berührende Wand in der Fluidleitung I enthalten ist und die andere Membranwand an Zwischenstücken 15 und 16 gemäß Fig. 6 mittels eines O-Ringes 23 befestigt ist. Die Zwischenstücke sind am Deckel mittels Muttern 24 festgeschraubt und gegen den Deckel durch einen O-Ring 25 abgedichtet. Die Fluidleitung I ist mittels einer Befestigungsvorrichtung 26 leicht montierbar und kann daher leicht ausgewechselt werden, wobei die Fluidleitung I für einmaligen Gebrauch hergestellt werden kann.

Differentialdruckmesser mit großer Meßgenauigkeit können teils gegen TemperatürSchwankungen, teils gegen äußere und innere Beeinflussung von ionenenthaltenden Lösungen, wie z.B. gewöhnlichem Wasser oder Blut, empfindlich sein. Um dieses Problem zu eliminieren, enthält sowohl der Außenbehä]ter 6 als auch das Innere des Druckmessers die inerte Flüssigkeit (FC 40-85). Durch eine geeignete Unterbringung des Durchflußmeßgerätes vermeidet man, daß Flüssigkeit sich mit Blut bei einer eventuellen Membranbeschädigung vermischt, da die vorgeschlagene inerte Flüssigkeit mehrfach schwerer als Wasser und Blut ist.

Druckänderungen, die von Temperaturänderungen im Außenbehälter 6 erzeugt werden, können entweder dadurch eliminiert werden, daß der Behälter einen elastischen Wandbereich 13

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aufweist, der mit Volumenänderungen seine Form ändert, wodurch der Druck im Außenbehäüier 6 konstant bleibt. Der Außenbehälter 6 hat eine Öffnung 14, die eine Formveränderung des Wandbereiches 13 widerstandslos ermöglicht. Diese Lösung ist in Figur 4 gezeigt. Alternativ kann der Außenbehälter 6 außer Flüssigkeit eine kleinere Menge von Gas enthalten. Da das Gas leicht komprimierbar ist, kann der Druck trotz der Volumenänderung der Flüssigkeit mit der Temperatur etwa konstant gehalten werden. Diese Lösung ist in Fig. 6 gezeigt.

Die inerte Flüssigkeit innerhalb des Druckmessers ändert ihr Volumen mit Temperaturänderungen, die eine unterschiedliche Ausdehnung der Membran 9 und 11 bewirken, wodurch eine starke Nullpunktsabwanderung entstehen kann. Um dies zu vermeiden, wenn der Niederdruckteil des Druckmessers ein erheblich größeres Volumen als sein Hochdruckteil hat, ist der ganze Hochdruckseitenraum II und Niederdruckseitenraum III volumenmäßig gleich groß ausgeführt.

Die gleich großen Volumina der Hochdruck- und Niederdruckseitenräume II, III können vorzugsweise mit Hilfe von Zwischenstücken 16, 15 mit großem bzw. kleinerem innerem Volumen erreicht werden sowie dadurch, daß das ursprünglich verhältnismäßig viel größere Volumen des Niederdruckseitenraumes außerdem mit Hilfe eines durchbohrten, im eigenen Niederdruckkupplungsrohr des Druckmessers 4 eingebauten Einsatzes 17 reduziert wird, wobei der Einsatz 17 vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit die Gleichgewichtstemperatur so schnell wie möglich erreicht wird.

Um eine konstruktiv einfache und gleichzeitig effektive Ausführung zu erhalten, können die angestrebten Strömungswiderstände mit Hilfe der Zwischenstücke 16, 15 erreicht werden, die Vertiefungen 18, 19 für die Membranen 9, 11 aufweisen, die vom Durchfluß beeinflußt sind, dessen Druck gemessen werden soll.

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Um bei Blutstrommessung die Bildung von Blutsäcken zu vermeiden, in denen das Blut gehemmt wird und koagulieren kann {mit Emboliegefahr und Reinigungsproblemen als Folge), können die Membranen 9, 11 derart im Blutstrom angeordnet sein, daß sie dauernd von vorüberströmendem Blut bespült werden und scharfe Kanten und eine turbulenzbildende Ausformung vermieden werden.Die Membranen sollen dünn, elastisch und aus einem für Blutberührung kompatiblen Material hergestellt sein.

Im Blutstrommesser enthaltene, für die Erfindung jedoch weniger wesentliche Einzelheiten sind nicht gezeigt oder beschrieben worden. Es kann jedoch erwähnt werden, daß die Einsätze 16, 15 im Rohr des Druckmessers festgeschraubt sind und daß sie Dichtungsringe 20, 21 zur Abdichtung gegen umgebende Wände aufweisen. Der Differentialdruckmesser 4 ist an eine elektrische Spannungsquelle und ein Aufzeichnungsgerät (nicht gezeigt) über ein Kabel 22 angeschlossen. Wie dargestellt, zeigen die beiden Durchflußmeßgeräte gemäß den Figuren 4 und 6 zwei verschiedene Ausführungsarten für die Befestigung des Druckmessers.

Das Durchflußmeßgerät gemäß der Erfindung kann mit Vorteil zur Messung von anderen Durchflüssen als Blutströmen verwendet werden. Die Erfindung ist, mit anderen Worten, nicht auf die oben beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführung beschränkt, sondern kann innerhalb des Rahmens der nachstehenden Patentansprüche geändert werden.

Schließlich kann erwähnt werden, daß die Flüssigkeit im Behälter 6 vorzugsweise eine Temperaturpufferwirkung hat. Um zu verhindern, daß Strahlungswärme eine Temperaturabwanderung bewirkt, kann der Außenbehälter wärmeisoliert sein und reflektierende Flächen aufweisen.

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Das dargestellte und beschriebene Durchflußmeßgerät eignet sich, wie oben erwähnt, zur Messung von pulsierenden Fluiden verschiedener Art, also auch Benzin. So kann das Durchflußmeßgerät beispielsweise zur kontinuierlichen Benzinstrommessung in Fahrzeugen verwendet werden, wobei das erhaltene Durchfluß-Signal mittels einer analogen Teilerzahl durch ein zur Geschwindigkeit des Fahrzeuges proportionales Signal dividiert werden kann, wodurch der Benzinverbrauch kontinuierlich als Verbrauch je Wegeinheit gemessen werden kann.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Durchflußmeßgerät zur Ermittlung von pulsierenden Flüssigkeitsströmen, vorzugsweise zur Ermittlung von kleinen Blutströmen, wobei der Durchfluß mit Hilfe von Differentialdruckmessung über eine erste Fluidleitung (I)mit einem ersten Strömungswiderstand R₁ gemessen wird und das Durchflußmeßgerät eine Hochdruckseite in Form einer zweiten Fluidleitung (II) und eine Niederdruckseite in Form einer dritten Fluidleitung (III) mit je einem zweiten bzw. dritten Strömungswiderstand (R₂ bzw. R₃) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswiderstände (R^, R₂ und R₃) so gewählt sind, daß die Drücke an jeder Seite des Differentialdruckmessers unabhängig von der Frequenz der Strömungspulsationen miteinander in Phase sind.

Durchflußmeßgerät nach Anspruch 1, wobei die Fluidleitungen (I, II und III) jeweils die Elastizitätsmoduln k., k₂ bzw. k₃ aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswiderstände (R., R₂, R₃) und Elastizitätsmoduln (k^, k₂, k₃) so gewählt sind, daß sie die nachstehende Formel erfüllen:

R, + R

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Postscheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

ORIGINAl INSPECTED

worin s- etwa gleich Null ist, d.h. das Material der ersten Fluidleitung (I) ist im wesentlichen unelastisch.

3. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswiderstände (R₁, R₂, R₃) und Elastizitätmoduln (k.., k₂ , k₃) zusätzlich der Formel

R₂ = R₁ + R₃
genügen, wobei

4. Durchflußmeßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Außenbehälter (6) und einen innerhalb desselben angeordneten Differentialdruckmesser (4), wobei sowohl der Außenbehälter (6) als auch das Innere des Druckmessers (4) eine inerte, nicht elektrisch leitende Flüssigkeit mit niedriger Viskosität enthält.

5. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inerte Flüssigkeit eine andere Dichte als Wasser hat.

6. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (6) einen elastischen Wandbereich (13) aufweist, der mit Volumenänderungen seine Form ändert, wodurch der Druck im Außenbehälter (6) konstant bleibt.

7. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenbehälter (6) außer Flüssigkeit eine kleine Gasmenge enthält, die Volumenänderungen der Flüssigkeit kompensiert, wodurch der Druck im Außenbehälter etwa konstant bleibt.

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8. Durchflußmeßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckseitenraum (II) im wesentlichen ein gleich großes Volumen wie der Niederseitenraurn (III) hat.

9. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das gleich große Volumen der Hochdruckseiten- und Niederdruckseitenräume (II, III) mit Hilfe von Zwischenstücken (16, 15) mit großem bzw. kleinerem, innerem Volumen erreicht worden ist, wobei der Raum mit dem ursprünglich größten Volumen außerdem mit Hilfe eines duchbohrten, im eigenen Anschlußrohr des Druckmessers (4) eingebauten Einsatzes (17) reduziert worden ist, der vorzugsweise gute Wärmeleitfähigkeit hat.

10. Durchflußmeßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erstrebten Strömungswiderstände mit Hilfe der Zwischenstücke (16, 15) erhalten sind, die Vertiefungen (18, 19) für Membranen (9, 11) aufweisen, die in Berührung mit der Strömung sind, deren Druck gemessen werden soll.

11. Durchflußmeßgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Messung von Blutströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fluidleitung (I) aus blutkompatiblem Material, z.B. Silikongummi, besteht und so ausgeformt ist, daß sie keine für das Blut bei dessen Durchströmung schädliche Unebenheiten aufweist.

12. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fluidleitung (I) aus einem montierbar angeordneten Teil besteht.

13. Durchflußmeßgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (9, 11) die den Druck vom Strömungsweg auf den Differentialdruckmesser (4) übertragen, doppelwandig sind, wobei die Membranwand, die in Berührung mit

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der Blutbahn ist, in der ersten Fluidleitung (I) enthalten ist.

14. Durchflußmeßgerat nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (9, 11) elastisch sind und daß bei Messung der Blutströmung diejenigen Membranwände, die in der Blutbahn liegen, aus einem blutkompatiblen Material, z.B. Silikongummi, bestehen.

15. Durchflußmeßgerät nach einem der Ansprüche 4-14, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeisolierende Außenbehälter (6) eine reflektierende Fläche aufweist.

16. Durchflußmeßgerat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inerte Flüssigkeit im Außenbehälter (6) eine Temperaturpufferwirkung hat.

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