DE3932395A1 - Verfahren zur eichung von stroemungsmessern zur erfassung zeitlich veraenderter luftstroeme sowie geraet zur durchfuehrung dieser verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ei­ chung von Strömungsmessern zur Erfassung zeit­ lich veränderlicher Luftströme, insbesondere zur Atemstoßmessung, mit einem Stromerzeuger und einer Meßanordnung zur Aufnahme des Aus­ gangssignals des Strömungsmessers sowie Geräte zur Durchführung dieser Verfahren.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur Eichung von Strömungsmessern werden die einzelnen Kenn­ punkte statisch ermittelt. Den Messungen lie­ gen statische Strömungen zugrunde, d. h. prin­ zipiell veränderbare, stationäre Ströme. Die statische Strömung tastet der Strömungsmesser ab und liefert bei dieser definierten Strömung ein entsprechendes Ausgangssignal in Form einer Druckdifferenz, die eine Funktion der Strömung ist. Einsatz finden diese statischen Kennlinien u. a. zur Eichung von dynamischen Kennlinien, die für eine dynamische Strömung, d. h. prin­ zipiell unterschiedliche, zeitlich beliebig veränderliche Strömungen, eingesetzt werden. So werden beispielsweise diese statischen Kennlinien auch zur Eichung von Strömungskenn­ linien aus Atemstoßmessungen herangezogen, bei denen sich der Strömungsverlauf in extrem kur­ zer Zeit stark ändert.

Die zur Erstellung statischer Kennlinien benö­ tigte, einigermaßen konstante Strömung zu er­ zeugen und längere Zeit aufrecht zu erhalten, erfordert einen hohen technischen Aufwand. Der gewichtigere und entscheidende Nachteil dieses Eichprinzips ist die Tatsache, daß im Einsatz dynamische Strömungen auftreten und die aufge­ nommene dynamische Kennlinie bzw. die einzel­ nen Kennpunkte geeicht werden sollen. Die Ei­ chung der dynamischen Strömungskennlinie auf Basis von statischen Kennlinien führt notwen­ digerweise zu einer nur sehr groben Eichung und damit zu einer Fehlinterpretation der tat­ sächlich vorliegenden Strömungsverhältnisse.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Eichung von Strömungsmessern dahingehend zur Aufgabe gemacht, daß sie dynamische, d. h. zeit­ lich beliebig veränderliche Strömungen exakt zu erfassen gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß da­ durch, daß ein Stromerzeuger einen definierten dynamischen Luftstrom erzeugt, dem das Aus­ gangssignal zugeordnet wird.

Die so vorgenommene Eichung ergibt gegenüber dem Stande der Technik eine exakte dynamische Kennlinie oder Kennpunkte für letztlich belie­ bige dynamische Strömungen für alle Arten von Strömungsmessern. Der hierbei zu treibende technische Aufwand ist außerordentlich gering. Die exakte Erfassung des dynamischen Luftstro­ mes ist insbesondere deshalb von besonderer Bedeutung, als auf verschiedenen technischen Gebieten, beispielsweise dem der Lungenfunk­ tionsanalyse und -diagnose, die unterschied­ lichsten zu messenden Größen aus dem Wert des Luftstromes abgeleitet werden. Seine präzise Erfassung hat eine entsprechend höhere Genau­ igkeit auch der abgeleiteten Meßwerte zur Fol­ ge.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mittels einer Kolbenpumpe ein bestimmter, dynamisch veränderbarer Luftstrom erzeugt. Durch Änderung eines beweglichen Kolbens, der sich im Inneren eines Zylinders befindet, wird durch eine Öffnung, die sich auf der dem Kol­ ben gegenüberliegenden Seite befindet, ein de­ finierter Luftstrom erzeugt. Entsprechend der Kolbenbewegung strömt Luft aus dem Zylinder aus oder ein. Die Geschwindigkeit der Verstel­ lung des Kolbens bestimmt die Volumenänderung pro Zeiteinheit und damit die Stärke der Strö­ mung. Wenn man nun das Volumen der Pumpe in genügend kleine konstante Teilvolumina unter­ teilt und beim Pumpvorgang das Zeitintervall für jedes gepumpte Teilvolumen bestimmt, kann bei genauer Ausführung der Kolbenpumpe die jeweilige Stromstärke berechnet werden. Zur Berechnung des Teilvolumens benötigt man den Innendurchmesser des Pumpzylinders, die Hub­ länge und den Durchmesser der Austrittsöff­ nung.

Es beeinflussen Maßhaltigkeit des Pumpkol­ bens, des Pumpzylinders und die Oberflächenbe­ arbeitung beider Bauteile die Genauigkeit der Volumenänderung pro Zeitintervall und damit die Stromstärke. Liegen gehohnte Flächen vor, fallen Ungenauigkeiten durch Unebenheiten der Flächen kaum ins Gewicht.

Mit der vorgeschlagenen Kolbenpumpe können be­ liebige dynamische Strömungen in einfachster Weise erzeugt werden.

Die Unterteilung der Pumpe in Teilvolumina erfolgt mit Hilfe von Markierungen auf der mittleren Pumpenstange, auch Führungsstange des Pumpkolbens genannt. Bei konstantem Querschnitt der Pumpe ist somit das Produkt von Weginter­ vall, d. h. Abstand der Markierungspunkte auf der Führungsschiene und der Querschnittsfläche gleich dem Teilvolumen. Die mechanischen, licht­ durchlässigen Markierungen sind in Form von Bohrungen ausgeführt, da sie sich bei hohen Pumpgeschwindigkeiten hinsichtlich ihrer mecha­ nischen Stabilität als zweckmäßig erweisen. Zur Bestimmung der Stärke des Luftstromes in der Austrittsöffnung des Zylinders wird das für ein Teilvolumen benötigte Zeitintervall, d. h. die beim Pumpenhub von Markierung zu Markierung vergehende Zeitdauer, gemessen.

Die Genauigkeit der Zeitmessung und damit die Messung der Stromstärke hängt entscheidend von der Maßgenauigkeit der mechanischen Markierun­ gen, im Ausführungsfalle Bohrungen mit 1 mm Durchmesser, ab. Eine höhere Maßgenauigkeit der Markierungen läßt sich dadurch erzie­ len, wenn die Markierungen optisch mit Laser eingebrannt oder bei etwas verändertem Auf­ bau Glasmeßstäbe eingesetzt würden. Der Be­ griff "mechanische Markierung" ist im Sinne der Erfindung weit auszulegen und umfaßt insbesondere auch in Farbe aufgemalte und gezeichnete Markierungen.

Die Messung der Zeitintervalle zwischen je zwei Markierungspunkten erfolgt vorteilhafterweise nach dem Lichtschrankenprinzip. Die von einem Sender durch die Markierungen der Führungs­ schiene modulierten Lichtsignale werden von einem Mikroprozessor, der ergänzt durch einen Timerbaustein das benötigte Zeitauflösungsver­ mögen aufweist, in ein Zeitsignal transfor­ miert. Um Störungen auf der Übertragungsstrec­ ke durch Umgebungslicht zu vermeiden, ist das Gerät mit einem Lichtsignalgeber hoher Pulsfre­ quenz ausgestattet. Die Aufgabe des Lichtsig­ nalempfängers ist es, das durch die Lochmar­ kierungen modulierte Trägersignal aufzunehmen, das Nutzsignal auszufiltern und aus diesem Signal Impulse zur Weiterverarbeitung im Rech­ ner zu erzeugen. Das dem Rechner gelieferte Zeitsignal ist bei entsprechender Eichung ein Maß für die Stromstärke und wird dem entspre­ chenden Ausgangssignal des Strömungsmessers zugeordnet.

Die entwickelte Zeitintervallmessung mit Hilfe einer Lichtleiterstrecke ermöglicht aufgrund der hohen Pulfrequenz der Lichtsignale eine störungsfreie Messung der Zeitintervalle. Mit dem gewählten Mikroprozessor, der durch einen Timerbaustein ergänzt wird, sind Zeitmessungen von +/- einer Mikrosekunde möglich. Damit kann die Stromstärke außerordentlich genau gemessen werden.

Das Gerät gemäß der Erfindung eignet sich zur Eichung prinzipiell aller Arten von Strömungs­ messern, insbesondere Atemstromrezeptoren, die bereits so geschaltet sind, daß sie ein druck­ proportionales elektrisches Ausgangssignal liefern.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Be­ schreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird.

Die Zeichnung zeigt eine Kolbenpumpe als Strom­ erzeuger, die besteht aus einem Zylinder (1) und einem darin bewegbaren Kolben (2), der über zwei Kolbenstangen (3) nach außen geführt und hierdurch im Inneren definiert verschiebbar ist. An ihrem dem Kolben (2) gegenüberliegen­ den Ende ist ein Bedienungselement (4) befes­ tigt.

Zwischen den beiden Kolbenstangen (3) findet sich eine Führungsschiene (5), welche zur Fest­ legung der exakten Position des Kolbens (3) mit einer aus Lichtquelle und -empfänger bestehen­ den Lichtschranke (6) erfaßt werden. An der den Kolbenstangen (3) gegenüberliegenden Stirnseite des Zylinders (1) befindet sich die Austritts­ öffnung (7), durch welche der durch die Bewe­ gung des Kolbens (2) exakt definerte und be­ stimmbare Luftstrom austritt und zu Eichzwecken benutzbar wird.

Mit den gewählten Daten ergibt sich ein Teil­ volumen von 15,7 ml und bei der angegebenen effektiven Hublänge von 320 mm ein Gesamtvolu­ men von 2,51 l. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser Pumpengröße Stromstärken von etwa 20 ml pro Sekunde bis zu 20 l pro Sekunde erzeugt werden können. Das ergibt bei einer Ausström­ öffnung mit 23 mm Durchmesser eine Strömungs­ geschwindigkeit von 48,1 m pro Sekunde, ent­ sprechend einer Volumenänderung von 20 l pro Sekunde.

Claims (6)

1. Verfahren zur Eichung von Strömungsmessern zur Erfassung zeitlich veränderlicher Luftströ­ me, insbesondere zur Atemstoßmessung mit einem Stromerzeuger und einer Meßanordnung zur Auf­ nahme des Ausgangssignals des Strömungsmessers, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromerzeuger einen definierten dynami­ schen Luftstrom erzeugt, dem das Ausgangssignal zugeordnet wird.

2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kolbenpumpe der Stromerzeuger ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange oder Führungsschiene (2) aus festem Material mechanische Markie­ rungen, insbesondere Bohrungen aufweist, die der Zeitintervallmessung dienen.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Messung der Zeitintervalle zwischen jeweils zwei Markierungspunkten mittels Lichtschrankenprinzip erfolgt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Markierungen modulierten Lichtsignale ein hinreichend hohes Zeitauflösungsvermögen aus­ werten.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, gekenn­ zeichnet durch Lichtsignale ho­ her Pulsfrequenz.