DE3941012A1 - Stroemungsmessvorrichtung fuer gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmeßvorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt. In dieser Vorrichtung sind an zwei Seiten Öffnungen vorgesehen, die mit einer Meßvorrich­ tung zum Feststellen einer Druckdifferenz in Verbindung stehen.

In Krankenhäusern müssen Menschen in der Intensivstation oder bei Operationen mit einem mechanischen Beatmungsgerät künstlich beatmet werden. Lebenswichtige Bedeutung hat da­ bei natürlich die ungehinderte Strömung der Gase aus den Lungen und in die Lungen. Durch das Messen des Inhaltes der ausgeatmeten Gase und durch das Messen der Strömungen und des Drucks kann überwacht werden, ob die Gaskanäle und Durchlässe ordnungsgemäß funktionieren. Die Überwachung des Kohlendioxidgehalts im Ausatemgas gehört zur weitverbreite­ ten Routine in Operationssälen. Strömungs- und Druckmessun­ gen sind jedoch wesentliche zusätzliche Größen sowohl vom Standpunkt der Sicherheit als auch um die Berechnung von Größen zu ermöglichen, die das mechanische Funktionieren und den Gasaustausch der Lungen beschreiben.

Im Prinzip sind verschiedene Arten von Strömungsmeßfühlern geeignet. Am häufigsten verwendet werden Turbinen-, Heiß­ draht-, Ultraschall- und Druckverlust-Sensoren. Bei Messun­ gen unter klinischen Bedingungen ergeben sich jedoch zahl­ reiche Probleme. Die Strömung wird am Ende eines sogenann­ ten Intubationsschlauches gemessen, der in die Luftröhre des Patienten eingeschoben ist. Der Meßfühler ist deshalb der Feuchtigkeit und dem Schleimhautsekret aus der Luft­ röhre des Patienten ausgesetzt. Daher ist klar, daß der Be­ trieb insbesondere bei Turbinen- und Heißdraht-Sensoren sehr leicht beeinträchtigt wird. Ultraschall-Sensoren sind etwas weniger empfindlich gegenüber einer Verschmutzung, hängen jedoch von Veränderungen des Strömungsprofils sowie der Temperatur und Zusammensetzung des Gases ab und erfor­ dern deshalb einen komplizierten Ausgleich.

Es ist allgemein bekannt, daß die Strömung in einem Rohr laminar oder turbulent sein kann. Im Fall laminarer Strö­ mung ist der Druckunterschied an einem im Strömungsweg an­ geordneten, die Strömung drosselnden Körper direkt propor­ tional zur Durchflußmenge. Bei turbulenter Strömung ist der Druckunterschied eine Funktion des Quadrates des Strömungs­ durchsatzes. Der allgemein bekannte und gewöhnlich benutzte Strömungsmeßfühler vom Typ Fleisch beruht auf dem laminaren Strömungswiderstand und ist so aufgebaut, daß der Raum in­ nerhalb eines Rohres in eine Vielzahl kleiner Rohre unter­ teilt ist, in denen jeweils die Strömung über den fragli­ chen Meßbereich hinweg laminar bleibt. Das hat aber zur Folge, daß dieser Meßfühler sehr leicht verstopft.

Der einfachste Widerstand gegen turbulente Strömung ist eine Platte, die rechtwinklig zum Rohr angeordnet ist und in der Mitte ein Loch hat oder ein Gegenstück zu einer sol­ chen Platte, das heißt ein Körper, bei dem eine kreisför­ mige Scheibe in der Mitte des Strömungsweges hängend ange­ bracht ist. Eine Prallplatte dieser Art ist zwar gegenüber Verschmutzung einigermaßen unempfindlich, aber je größer das bei gegebenem Strömungsdurchsatz erwünschte Signal, das heißt der Druckunterschied ist, um so kleiner muß das Loch sein, womit sich wieder eine größere Gefahr der Verschmut­ zung einstellt. Das größte Problem besteht jedoch in der Abhängigkeit vom Strömungsprofil. Da der Intubations­ schlauch gekrümmt ist, ist das Strömungsprofil des Gases zur Mittelachse des Schlauches nicht symmetrisch, weil die Zentrifugalkraft die Gasmoleküle zur Wand an der Außenseite der Kurve drängt. Damit ist das Signal von der Krümmung des Schlauchs und dem Drehwinkel des Meßfühlers in Bezug auf den Schlauch abhängig. Die Konstruktion des Meßfühlers selbst ist im allgemeinen durch die Eingangsöffnungen der Druckunterschied messenden Schläuche asymmetrisch zur Längsachse.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Schwierigkeiten eine Vorrichtung zu schaffen, mit der Gasströme eingeengt und gelenkt werden können, und zwar insbesondere die Ströme von Atmungsgasen, wobei die Vorrichtung vom Strömungsprofil der Gase unabhängig ist und darüber hinaus sogar unter schmutzigen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeitet.

Die kennzeichnenden Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung gehen aus den Ansprüchen hervor.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt und zur Strömungsmessung bestimmt ist. Mittels dieser Vorrichtung wird das an der Meßvorrichtung ankommende Signal maximiert, und die Auswirkungen eines asymmetrischen Strömungsprofils werden automatisch elimi­ niert.

Gemäß der Erfindung weist die Strömungsmeßvorrichtung, wel­ che Gasströme einengt und lenkt und im Weg der Gasströmung angeordnet ist, wo die Druckdifferenz gemessen werden soll, Flügel auf, die in Bezug auf die Strömungsrichtung seitlich angeordnet sind und einen Teil der Gasströmung in eine Öff­ nung lenken, die zu einer Meßvorrichtung führt. Bei dieser Meßvorrichtung handelt es sich vorteilhafterweise um eine Vorrichtung, welche die Druckdifferenz mißt und dabei die an beiden Seiten der Vorrichtung zum Einengen und Lenken der Strömung herrschenden Drücke vergleicht. Die im Strö­ mungsweg angeordneten Flügel sind vorteilhafterweise radial um die Öffnung angeordnet, die zu der Meßvorrichtung führt. Im bevorzugten Fall sollten mindestens drei Flügel vorgese­ hen sein, und diese sollten vorzugsweise symmetrisch um die Öffnung angeordnet sein. Die Breite der Flügel oder der Oberflächenbereich, der der Strömung entgegengesetzt ist, sowie die Anzahl der Flügel sind voneinander abhängige Fak­ toren. Ein geeigneter Winkel zwischen den Flügeln ist 360° geteilt durch die Anzahl der Flügel. Die Flügel können ent­ weder senkrecht oder gegenüber der auf der Längsachse des Schlauches senkrecht stehenden Ebene um beispielsweise 20° geneigt sein.

Die stromaufwärtsweisende Oberfläche der Flügel sollte vor­ zugsweise Rinnen aufweisen, die zu der genannten Öffnung führen, um es den Flügeln zu erleichtern, einen Teil der Strömung, beispielsweise den der Grenze des Rohres oder Schlauchs folgenden Teil in die zur Meßvorrichtung führende Öffnung zu lenken. Ein besonders gut geeigneter Ort für die Öffnung ist die Mitte des Rohres.

Wenn die Gasströmung ihre Richtung ändert, wie das bei der menschlichen Atmung der Fall ist, ist es von Vorteil, ähn­ liche die Strömung einengende und lenkende Vorrichtungen so anzuordnen, daß sie jeweils in Richtung stromaufwärts zur Gasströmung weisen. Diese Vorrichtungen lenken also die Gasströmung aus der einen oder anderen Richtung längs der über den Strömungspfad des Gases seitlich angeordneten Flü­ gel zur Meßvorrichtung.

Ein Vorteil von seitlich über den Gasströmungsweg angeord­ neten Flügeln im Vergleich zu den vorstehend genannten be­ kannten Vorrichtungen besteht darin, daß sich an ihnen nicht sehr viel Flüssigkeit und Schleim aus den Atemwegen des Patienten ansammelt. Flüssigkeit und Schleimabsonderun­ gen, die sich hauptsächlich an den Grenzen des Rohres ent­ langbewegen, können ferner dadurch daran gehindert werden, die zur Meßvorrichtung führende Öffnung zu erreichen, daß die in unmittelbarer Nachbarschaft der Rohrgrenze auftre­ tende Strömung aus den Pfaden weggeleitet wird, die zur Öffnung führen, oder daß möglicherweise die in unmittelba­ rer Nachbarschaft der Grenze des Rohres auftretende Strö­ mung ihren Pfad ungehindert fortsetzen darf. Aus diesem Grund wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Lenken und Einengen der Strömung auch nicht blockiert.

Im folgenden ist die Erfindung mit vorteilhaften Einzelhei­ ten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine direkte Frontalansicht aus Strömungsrichtung auf eine Strömungsmeßvorrichtung gemäß der Erfin­ dung, welche Gasströme einengt und lenkt;

Fig. 2 den Schnitt längs der Linie A-A durch die Vorrich­ tung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine allgemeine Ansicht, bei der die Vorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt und zur Strö­ mungsmessung bestimmt ist, gemäß der Erfindung in einem Rohr angeordnet und an eine Meßvorrichtung an­ geschlossen ist.

Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Gasströme einengt und lenkt und zur Strömungsmessung bestimmt ist, geht aus Fig. 1 und 2 hervor. In diesen Figuren ist insbe­ sondere ein Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt, die zum Messen einer Strömung geeignet ist, die abwechselnd aus entgegengesetzten Richtungen kommt, beispielsweise zum Mes­ sen der Atmung. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der Druckkolbenwirkung. An beiden Seiten der Vorrichtung sind in einem Rohr 1 Öffnungen 2 vorgesehen. Von diesen Öffnungen führen zur Strömung rechtwinklige Schläuche 3 zu einer Meßvorrichtung 4, die vorteilhafterweise zum Messen des Druckunterschieds geeignet ist. Um die Öffnungen 2 an den Enden der Schläuche 3 sind Flügel 5 angeordnet, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel insgesamt drei. Der Winkel zwischen ihnen beträgt 120°. Bei dieser Anordnung wird Kol­ bendruck gleichmäßig aus jeder Richtung gesammelt, und eine Verlagerung des Strömungsprofils beeinträchtigt das Ergeb­ nis nicht.

An den in Stromaufwärtsrichtung weisenden Oberflächen der Flügel 5 sind vorzugsweise Rinnen 6 vorgesehen, welche die zu den Flügeln kommende Strömung zur Öffnung 2 lenken. Die Rinnen sollten am Boden vorzugsweise rechtwinklig zur Strö­ mungsrichtung verlaufen. Bei einer Neigung besteht die Ten­ denz, daß die radiale Komponente des Drucks möglicherweise am Boden der Rinne angesammelte Ausscheidungen mit sich führt zur Öffnung 2 und von dort weiter in den Schlauch 3.

Da zum Messen des Gasinhaltes aus der Gasströmung eine kon­ tinuierliche Probe abgesaugt und in eine Meßvorrichtung 7 für den Gasinhalt geleitet wird, wofür ein eigenes Paßstück am Ende des Intubationsschlauches befestigt werden muß, ist es besonders vorteilhaft, die Strömungsmessung in dem für diese die Gasströmung lenkende und einengende Vorrichtung erforderlichen Raum vorzunehmen. Das gelingt mit der vor­ liegenden Erfindung. Hier wird die Gasprobe aus einem Schlauch 8 abgesaugt, der zwischen den zur Meßvorrichtung 4 führenden Schläuchen 3 angeordnet ist.

Wenn man zusätzlich an einen der Druckmeßschläuche eine Meßvorrichtung 9 für den absoluten Druck anschließt, wie in Fig. 3 gezeigt, kann auch der Bronchialdruck gemessen wer­ den. Hierdurch werden zusätzliche Informationen über den jeweiligen Zustand erhalten, beispielsweise im Fall eines unterbrochenen Anschlusses oder einer Blockierung eines Schlauches. Anhand dieser Informationen können im Zusammen­ hang mit Strömungsdaten ferner mechanische Lungengrößen be­ rechnet werden.

Im Zusammenhang mit der vorstehenden Beschreibung ist von einer Meßvorrichtung die Rede gewesen, mit der ein Druckun­ terschied gemessen wird. Es liegt auf der Hand, daß auch gesonderte Druckmeßvorrichtungen oder eine sonstige Meßvor­ richtung an jeden der Schläuche 3 angeschlossen werden kann.

Claims (14)

1. Strömungsmeßvorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt und an zwei Seiten angeordnete Öffnungen (2) auf­ weist, die über einen Meßschlauch (3) mit einer Meßvorrich­ tung (4) zum Messen der Druckdifferenz in Verbindung ste­ hen, dadurch gekennzeichnet, daß von der Öffnung (2) ausgehend und zur Innengrenze des Strömungsrohres (1) führend ein oder mehrere Flügel (5) vorgesehen sind, die entweder senkrecht zur Längsachse des Rohres (1) oder nach vorn gegen die Strömungsrichtung geneigt sind, wodurch der Flügel oder die Flügel einen Teil des strömenden Gases zur Öffnung (2) lenkt/lenken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei oder vier Flügel (5) vorgesehen sind, die zu der Öffnung (2) führen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (5) radial um die Öffnung oder Öffnungen (2) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwi­ schen den um die Öffnung oder Öffnungen (2) angeordneten Flügeln (5) 360° geteilt durch die Anzahl der Flügel ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der stromauf­ wärts weisenden Oberfläche des Flügels (5) eine Rinne (6) vorgesehen ist, die die Steuerung der Strömung zur Öffnung (2) des auf die Fläche des Flügels aufprallenden Gases ver­ bessert.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von den Öffnungen (2) ausgehend an beiden Seiten der die Gasströmung lenken­ den und einengenden Vorrichtung und zur Innengrenze des Rohres (1) führend Flügel angeordnet sind, die der Strömung entgegenstehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von der Öffnung oder den Öffnungen (2) der Vorrichtung, die so an­ geordnet sind, daß sie stromaufwärts weisen und zur Innen­ grenze des Rohres (1) führen, ein oder mehrere Flügel (5) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Öffnungen (2) an der einen oder anderen Seite der die Strömung einen­ genden Vorrichtung in Verbindung stehende Meßvorrichtung (4) die Druckdifferenz mißt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein zu einer Druckdifferenzmeßvorrichtung führender Schlauch (3) an eine den absoluten Druck messende Vorrichtung (9) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnungen (2) an der einen oder anderen Seite der die Strömung len­ kenden und einengenden Vorrichtung eine getrennte Meßvor­ richtung (4) angeschlossen ist, bei der es sich um eine Druckmeßvorrichtung handelt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schlauch (8) zur Entnahme einer Gasprobe an die Vorrichtung anschließbar ist.

12. Benutzung einer die Gasströmung einengenden und len­ kenden Vorrichtung gemäß Anspruch 1 beim Messen der Strö­ mung von Gasen insbesondere beim Messen der Strömung von Atmungsgasen.

13. Strömungsmeßvorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt und an zwei Seiten angeordnete Öffnungen (2) auf­ weist, die mit einer Meßvorrichtung (4) zum Messen der Druckdifferenz in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beobachtung aus der gleichen Richtung ankommender Strömung, ausge­ hend von einer oder mehreren Öffnungen (2) oder von vor einer Öffnung (2) und zur Innengrenze des Strömungsrohres (1) führend, ein oder mehrere Flügel (5) entweder senkrecht zur Längsachse des Rohres (1) oder gegen die Strömungsrich­ tung nach vorn geneigt angeordnet sind, wodurch der Flügel einen Teil des strömenden Gases zur Öffnung (2) führt.

14. Strömungsmeßvorrichtung, welche Gasströme einengt und lenkt und an zwei Seiten angeordnete Öffnungen (2) auf­ weist, die über einen Meßschlauch (3) mit einer Meßvorrich­ tung (4) zum Messen der Druckdifferenz in Verbindung ste­ hen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beobachtung der aus der gleichen Richtung längs des Strömungsrohres (1) kommenden Strömung zu einer oder mehreren Öffnungen (2) oder zu einer Stelle vor einer Öffnung (2) führend minde­ stens zwei Flügel (5) vorgesehen sind, die einen Teil des strömenden Gases zur Öffnung (2) leiten.