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Sensor für die Volumenstrommessung eines Atemgases
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Die Erfindung betrifft einen Sensor tür die Volumenstrommessung eines
Atemgasen, dessen das Meßfluid führende Strömungsrohr einen wirbelerzeugenden Strömungskörper
mit dreieckigem Querschnitt aufweist und mit einer quer zum Strömungsrohr angeordneten
Ultraschallstrecke versehen ist. Der Sensor wird insbesondere zur Überwachung einer
automatischen oder kontrollierten Beatmung benutzt, wobei die vom Strömungskörper
ablösenden Wirbel beim Durchgang durch die Ultraschallstrecke ein akustisches Trägersignal
mit der Wirbelfrequenz entstehen lassen. Dieses Ultraschallsignal wird dann elektronisch
aufbereitet, so daß ein meßbares, dem Volumenstrom des Atemgases proportionales
Signal anliegt.
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Es ist ein Strömungsmesser mit einem wirbelerzeugenden Element bekannt,
das einen mit seinen beiden Seiten kommunizierenden Durchgang aufweist, welcher
vom Meßfluid durchströmbar ist, und das in eine das Meßfluid führende Rohrleitung
eingefügt ist, sowie mit einem Ultraschallgenerator und einem Ultraschallempfänger,
die in der Weise an der Rohrleitung montiert sind, daß sich das erzeugte Ultraschallsignal
durch den Durchgang hindurch ausbreitet (DE-OS 25 17 533). Damit die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Durchflußmenge des Fluids meßbar wird, ist die Zahl der I'odulationen des vom
Ultraschallgenerator er zeugt en Ultraschallsignals
durch die Schwankungen
des Fluids im Durchgang zu messen. Dazu wird ein in das Meßfluid eingeschaltetes,
säulenförmig gestaltetes Element verwendet, dessen Querschnitt rechteckig, kreisförmig
oder dreieckig ist. Seine Anordnung in der Strömungsmittel führenden Rohrleitung
bewirkt, daß an der stromabseitigen Fläche des wirbelerzeugenden Elements "Karmansche
Wirbel" erzeugt werden. Dies hat zur Folge, daß sich der Druck zu beiden Seiten
dieses Elements entsprechend der Wirbelerzeugung ändert, wodurch das Fluid im Durchgang
verdrängt wird. Das heißt, die Frequenz der Verdrängung des Fluids im Durchgang
entspricht der Zahl der erzeugten Wirbel, so daß mit deren Bestimmung die Strömungsgeschwindigkeit
bzw. Durchflußmenge des Fluids gemessen werden kann.
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Damit die erzeugten Wirbel eine ausreichende Stärke und Stabilität
besitzen und die vom wirbelerzeugenden Element abreißenden Strömungen aufgefangen
bzw. unterbrochen werden können, müssen dann noch zusätzlich Vorsprunge in der Rohrleitung
vorhanden sein, wenn der Ultraschallgenerator und -empfänger unmittelbar an ihrer
Wand montiert sind. Diese sind mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden, der
die Zahl der Phasen-oder Frequenzmodulation des vom Ultraschallempfänger empfangenen
Signals zählt.
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Es hat sich gezeigt, daß innerhalb des für Atemgasströme bestimmen
Geschwindigkeitsbereiches die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Frequenz
der Wirbelerzeugung nicht befriedigend bestimmt werden kann, daß die entwickelte
Vorrichtung des Strömungsmessers für den besonderen Fall der Überwachung einer automatischen
oder kontrollierten Beatmung nicht die gewtinschte Signalqualität und damit nicht
die entsprechende Meßgenauigkeit erreicht. Obwohl es bei dieser bekannten Kontruktion
zur Aufgabe gehörte, die Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Durchflußmengen auch in
einem Bereich niedriger Geschwindigkeiten zu messen, ist sie dennoch zur Messung
des Atemluftstromes von Patienten ungeeignet.
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Diese Messung soll eine Einrichtung ermöglichen, die einen in
die
Atemluftleitung eingebauten Meßkopf aufweist, der einerseits mit einem rohrförmigen
Gehäuse versehen ist (DS-OS 29 33 116). Der Luftströmungskanal des Gehäuses, in
dessen Mitte sich ein Luftwiderstandskörper befindet, ist ein- und auslaßseitig
kegelförmig gestaltet. Mit dieser Gestaltung des Kanals wird zwar eine Einengung
der Strömungen erreicht, nicht aber das Linearitätsverhalten zwischen der Wirbelfrequenz
und dem Volumenstrom bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten verbessert.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Beschleunigung der Strömungen
vor dem Strömungskörper zu erreichen, fernerhin ein Rechteckprofil der Verteilung
der Strömungsgeschwindigkeit über dem Rohrtuerschnitt der Meßstrecke entstehen zu
lassen und durch eine turbulente Anströmung des Strömungskörpers die Wirbelbildung
vor allem bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten zu verbessern.
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Die irs'findung stellt sich die Aufgabe, einen Sensor für die Volumenstrommessung
eines Atemgases zu schaffen, dessen Ansprechschwelle herabgesetzt ist, der eine
gute liangzeitsta bilität aufweist und unabhängig ist von Gaseigenschaften wie Temperatur,
Feuchte, Gaszusammensetzung und dgl. sowie unempfindlich ist gegen Verschmutzungen.
Die Konstruktion des Sensors soll mit hoher Meßgenauigkeit arbeiten, wobei das gewonnene
Signal frei von störenden Schwankungen und der Signal-Rausch-Abstand verbessert
sein soll. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung gehen von einem Sensor aus, dessen
das Meßfluid führende Strömungsrohr einen wirbelerzeugenden Strömungskörper mit
dreieckigem Querschnitt aufweist und mit einer quer zum Strömungsrohr angeordneten
Ultraschallstrecke versehen ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem solchen
Sensor dadurch gelöst, daß eine vor dem im Strömungsrohr angeordneten Strömungskörper
befindliche Einlaufstrecke eine aus zwei kurvenförmigen Übergängen und einem kogelförmigen
WIittelteil bestehende Verengung ist, daß die Übergänge parabel- oder
hyperbelförmig
gestaltet sind sowie das Mittelteil durch eine die Übergänge an Berührungspunkten
verbindende Tangente hergestellt ist und daß der Strömungskörper sich im vorderen
Deil des Strömungsrohres in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke befindet,
dessen Länge durch den von der Tangente mit der Mittelachse des Strömungsrohres
gebildeten Schnittpunkt begrenzt ist.
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Eine zweckmäi3ige Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß
die Übergänge aus einem oberen Kurventeil sowie einem unteren Kurventeil einer gleichseitigen
Hyperbel gebildet sind, deren zwischen den beiden Hauptscheiteln bestehende Abstand
kleiner ist als der reelle Abstand der gleichseitigen Hyperbel. s ist weiterhin
zweckmäßig, wenn die Kurventeile den Schnittkurven des Mantels eines geraden Kreisdoppelkegels
entsprechen, dessen Kegelschnitt einen Neigungswinkel aufweist, welcher gleich dem
von der Tangente und der Mittelachse gebildeten Winkel α entspricht und dessen
Kreisfläche nicht größer als der Innendurchmesser des Rohres von der Atemgasleitung
und nicht kleiner als der Innendurchmesser des Strömungsrohres ist. ebenso können
die beiden Kurventeile aus kongruenten Kurventeilen von zwei gleichen Parabel gebildet
sein, deren Lage durch ihre seitenverkehrte Anordnung auf der Mittelachse und ihren
Abstand, der dem der Hyperbelanordnung entspricht, festgelegt ist.
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Der von der Tangente und der Mittelachse des Strömungsrohres gebildete
Winkel α beträgt # 35 Grad. Ein besonderer Vorteil kann im Zusammenhang mit
der Verengung gegeben sein, wenn der in Strömungsrichtung vor der Ultraschallstrecke
angeordnete Strömungskörper sich in einem Abstand zur Ultraschallstrecke befindet,
der dem einfachen bis 2,5-fachen Durchmesser des Strömungsrohres entspricht.
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Weitere Merkmale im Kahmen der Erfindungen bestehen darin, daß das
Strömungsrohr einen eckigen, bevorzugt einen quadratischen Querschnitt aufweist,
dessen angrenzender, parabel oder hyperbelförmiger Übergang unter Beibehaltung dieser
Kurvenform der Eckform des Strömungsrohres angepaßt ist. Dabei bilden
der
eckförmig und doch parabel- oder hyperbelförmig Sestaltete Übergang und das kegelformige
Mittelteil die Verengung, d.
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h., das Mittelteil grenzt direkt an das Gaszuführungsrohr an.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung
Figur 1 einen Teil eines Sensors mit Verengung seines Strömungsrohres, Strömungskörper
und Ultraschallstrecke im vergrößerten Maßstab, Figur 2 den Sensor mit Ein- und
Ausgang der Atemgas führenden Rohrleitung in zwei Darstellungen und Figur 3 den
Sensor nach Figur 1, Jedoch mit quadratisch profiliertem Strömungsrohr.
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Der in Figur 1 nur teilweise und in Figur 2 schematisch dargestellte
Sensor, dessen das Meßfluid führende Strömungsrohr 1 einen wirbelerzeugenden Strömungskörper
2 mit dreieckigem Querschnitt aufweist, ist einlaßseitig mit einer aus zwei kurvenförmigen
Übergängen 3, 4 und einem kegelförmigen Mittelteil 5 bestehenden Verengung versehen.
Die Kurvenformen der beiden Übergänge 3, 4 sind aus Kurventeilen 6, 7 einer gleichseitigen
Hyperbel gebildet worden, deren zwischen den beiden Hauptscheiteln 8, 9 bestehende
Abstand 10 jedoch kleiner ist als der reelle Abstand der Eypertel wäre. Das Mittelteil
5 ist kegelstumpfartig zwischen den Übergängen 3, 4 angeordnet und hat einen Neigungswinkel,
der durch eine die Berührungspunkte 11, 12 verbindende Tangente 13 entstand. Die
Kurventeile 6, 7 entsprechen den Schnittkurven des Mantels eines geraden Kreisdoppelkegels,
dessen Kegelschnitt jenen Neigungswinkel aufweist, weleher gleich dem von der Tangente
13 und der Mittelachse 15 des Strömungsrohres 1 gebildeten Winkel<entspricht
und dessen Kreisfläche nicht größer als der Innendurchmesser des Gaszuführungsrohres
18 und nicht kleiner als der Innendurchmesser des Strömungsrohres 1 ist,
Der
Strömungskörper 2 befindet sich im vorderen Teil 17 des Strömungsrohres 1, und zwar
in Strömungsrichtung vor einer Ultraschallstrecke 14, über die ein von einem bekannten
Ultraschallgenerator erzeugtes Signal zu einem ebenfalls bekannten Ultraschallempfänger
signalisiert wird (Ultraschallgenerator und Ultraschallempfänger sind nicht gezeichnet).
Die Länge des Teiles 17 ist durch den von der Tangente 13 mit der Mittelachse 15
gebildeten Schnittpunkt 16 begrenzt, der Mittelpunkt des Winkels α # 35 Grad
ist.
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Die Übergänge 3, 4 können auch parabelförmig gestaltet sein, wobei
dann die beiden Kurventeile 6, 7 aus kongruenten Kurventeilen von zwei gleichen
Parabeln gebildet sind, deren Lage durch ihre seitenverkehrte Anordnung auf der
Mittelachse 15 und ihren Abstand, der dem Abstand 10 der Hyperbelanordnung entspricht,
festgelegt ist. Unabhängig davon, ob die Kurventeile 6, 7 aus zwei Parabeln oder
aus der Hyperbel eines Kreisdoppelkegels gebildet sind, befindet sich der in Strömungsrichtung
vor der Ultraschallstrecke 14 im Teil 17 des Strömungsrohres 1 angeordnete Strömungskörper
2 in einem Abstand zur Ultraschallstrecke 14, der da einfachen bis 2,5-fachen Durchmesser
des Strömungsrohres 1 entspricht.
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Bevorzugt kann auch das Strömungsrohr 1 einen eckigen, insbesondere
einen quadratischen Querschnitt aufweisen, wie dieser beispielsweise im Vergleich
zu Figur 2 in Figur 3 gezeigt wird.
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Dabei ist der an den eckigen Durchlaß des Strömungsrohres 1 angrenzende,
parabel- oder hyperbelförmig gestaltete Übergang 4 unter Beibehaltung dieser Kurvenform
der Eckform des Strömungsrohres 1 angepaßt, Diese Lösung kann vereinfacht auch bestehen
aus einer Verengung, die nur aus dem eckförmig und doch parabel- oder hyperbelförmig
gestalteten Übergang 4 und dem kegelförmigen Mittelteil 5 gebildet ist, wodurch
dann das Mittelteil 5 direkt an das Gaszuführungsrohr 18 angrenzt. Die so gestaltete
Verengung bewirkt gleichfalls eine Beschleunigung der Gasströmung, wodurch vor dem
Strömungskörper 2 ein Rechteckprofil der Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit
über den Rohrquerschnitt der Meßstrecke entsteht.
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Mit diesem gestalteten Formteil eines Sensors, das erfindungsgemäß
eine Verengung ist und die so Einfluß auf einen prismatisch geformten Strömungskörper
2 nimmt, daß er turbulent angeströmt wird und eine sichere Ausbildung sogenannter
Karman-Wirbel gewährleistet, erfolgt nicht nur eine wesentliche Verbesserung des
linearen Zusammenhanges zwischen der Wirbelfrequenz und dem Volumenstrom, sondern
vor allem eine Herabsetzung der Ansprechschwelle des Sensors. Damit ist für die
bevorzugte Anwendung bei einer Narkose- oder Therapiebeatmung ein Sensor entwickelt
worden, der selbst noch bei relativ schwacher Gasbewegung mit hoher Meßgenauigkeit
arbeitet.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen: 1 Strömungsrohr 2 Strömungskörper
3 Übergang, kurvenförmig 4 uebergang, kurvenförmig 5 Mittelteil, kegelförmig 6 Kurventeil
einer Hyperbel oder Parabel 7 Kurventeil einer Hyperbel oder Parabel 8 Hauptscheitel
der Hyperbel 9 Hauptscheitel der Hyperbel 10 Abstand, zwischen 8 und 9 11 Berührungspunkt,
von 6 und 13 12 Berührungspunkt, von 7 und 13 13 Tangente 14 Ultraschallstrecke
15 Mittelachse, von 1 16 Schnittpunkt, von 13 und 15 17 Teil des Strömungsrohres
18 Gaszuführungsrohr
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