DE4131721A1

DE4131721A1 - Vol. flow measuring device esp. for breathing apparatus - has light source, optical fibre clamped at one end in flow channel, with stop between vibrating free end and light receiver

Info

Publication number: DE4131721A1
Application number: DE4131721A
Authority: DE
Inventors: Claus Dr Rer Nat Renschen; Hans-Dieter Kuhl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1993-03-25

Abstract

The device includes an optical fibre (1) clamped at one end in the flow channel, a light source (2) and light receiver (3). A stop (4) mounted between the freely vibrating end of the fibre and the light receiver has its edge approximately perpendicular to the flow direction. For use in a breathing apparatus, the light reflecting stop is aligned parallel with the main direction of motion of the patient. Alternatively, the stop may be of electrically resistive material and be connected to a voltage supply. ADVANTAGE - Adapted to be more suitable for use in breathing apparatus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Volumenstroms von strömenden gasförmigen Medien mit einer im Strömungskanal einseitig eingespannten Lichtleitfaser, einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger vorzugsweise für Beatmungseinrichtungen in der Medizintechnik.The invention relates to a device for measuring the volume flow of flowing gaseous media with one side in the flow channel clamped optical fiber, a light source and a light receiver preferably for ventilation devices in medical technology.

Vorrichtungen zur Messung des Volumenstroms von strömenden gasförmigen Medien der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Gemessen wird die Auslenkung der Lichtleitfaser unter dem Druck des Volumenstroms, und zwar entweder direkt die Elongation des Austrittsquerschnitts der Lichtleitfaser mit einem positionsempfindlichen Lichtempfänger oder indirekt in Auswertung der Intensität des Lichteinfalls, die beispielsweise mit der Auslenkung zunimmt.Devices for measuring the volume flow of flowing gaseous Media of the type mentioned are already known. The is measured Deflection of the optical fiber under the pressure of the volume flow, namely either directly the elongation of the exit cross section of the optical fiber with a position-sensitive light receiver or indirectly in evaluation the intensity of the incidence of light, for example with the deflection increases.

Für den speziellen Anwendungsfall in Beatmungseinrichtungen hat sich gezeigt, daß die geringen Volumenströme nur mit sehr empfindlichen Lichtleitfasern nachweisbar sind. Durch die geringe Federsteifigkeit überlagern sich den volumenstrombedingten Auslenkungen Faserschwingungen, die das Meßergebnis verfälschen. Diese störenden Faserschwingungen haben im wesentlichen zwei Ursachen. Einmal durch Strömung hervorgerufene höherfrequente Schwingungen im Bereich der Eigenfrequenz der Lichtleitfaser und zum anderen niederfrequente Schwingungen infolge von Bewegungen des Patienten. Die höherfrequenten Schwingungen lassen sich mit einem Tiefpaß in einfacher Weise ausblenden. Die niederfrequenten Schwingungen dagegen liegen in der Größenordnung der Frequenz der zu messenden Elongationen. Sie verfälschen das Meßergebnis stark.For the special application in ventilation equipment shown that the low volume flows only with very sensitive Optical fibers are detectable. Due to the low spring stiffness superimposed on the volume flow-related deflections fiber vibrations, that falsify the measurement result. These disturbing fiber vibrations have two main causes. Once caused by current higher-frequency vibrations in the range of the natural frequency of the optical fiber and secondly low frequency vibrations due to movements of the Patient. The higher frequency vibrations can be with a low pass hide in a simple way. The low-frequency vibrations, however are in the order of magnitude of the frequency of the elongations to be measured. they strongly falsify the measurement result.

Die bekannten Vorrichtungen sind bisher schlecht an die Hygiene bestimmungen in der Medizintechnik angepaßt. Die durch die notwendige exakte Justage zwischen dem Austrittsende der Lichtleitfaser und dem Lichtempfänger bedingte konstruktive Einheit hat zur Folge, daß die empfindliche Elektronikeinheit nach jeder Anwendung erneut aufwendig sterilisiert werden muß, da sie als Wegwerfartikel zu teuer ist. The known devices are so far poor in hygiene provisions in medical technology adapted. The through the necessary exact adjustment between the exit end of the optical fiber and the Constructive unit due to the light receiver has the consequence that the sensitive electronic unit again expensive after each application must be sterilized since it is too expensive as a disposable item.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Vorrichtungen zur Messung des Volumenstroms mit einer im Strömungskanal einseitig eingespannten Lichtleitfaser, einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger so zu ändern, daß sie wesentlich besser an einen Einsatz in einer Beatmungseinrichtung angepaßt sind.The object of the invention is to provide the known devices for measuring the Volume flow with a one-sided clamped in the flow channel Optical fiber, a light source and a light receiver so change that they're much better at being used in a ventilator are adjusted.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen dem frei schwingenden Ende der Lichtleitfaser und dem Lichtempfänger eine Blende angeordnet ist, deren Kante etwa senkrecht zum Volumenstrom liegt.According to the invention this object is achieved in that between the free oscillating end of the optical fiber and the light receiver Orifice is arranged, the edge of which is approximately perpendicular to the volume flow.

Mit dieser Blende werden zwei Probleme gelöst. Einmal werden alle von außen, insbesondere durch Patientenbewegungen, und nicht durch den Flow verursachten Schwingungen der Lichtleitfaser parallel zu ihrer Kante ausgeblendet und damit der Einfluß dieses Störsignals wesentlich verringert. Zum anderen müssen jetzt nur das Austrittsende der Lichtleitfaser und die Blende genau zueinander positioniert werden und das ist in einem einfachen Bauelement, vorzugsweise einem Rohr, getrennt von den elektronischen Bauteilen, in einfacher Weise möglich. Das Rohr mit Lichtleitfaser und Blende ist billig und kann nach einer Anwendung weggeworfen werden.Two problems are solved with this aperture. Once all of outside, especially through patient movements, and not through the flow caused vibrations of the optical fiber parallel to its edge faded out and thus the influence of this interference signal significantly decreased. On the other hand, now only the exit end of the Optical fiber and the aperture are positioned exactly to each other and that is separated from in a simple component, preferably a tube the electronic components, easily possible. The pipe with Optical fiber and aperture is cheap and can be used after one application to be thrown away.

Die Wirkung der Blende kann erhöht werden, wenn ihre Kante bei einer Beatmungseinrichtung parallel zur Hauptbewegungsrichtung des Patienten angeordnet ist. Der auf dem Rücken liegende Patient bewegt sich beim Atmen vor allem in der Körperlängsrichtung. Quer dazu bewegt er sich nur in größeren Abständen.The effect of the aperture can be increased if its edge at a Ventilation device parallel to the main direction of movement of the patient is arranged. The patient lying on his back moves while breathing especially in the longitudinal direction of the body. At right angles he only moves in larger distances.

Eventuell doch noch störende niederfrequente Schwingungen der Lichtleitfaser durch Bewegungen des Patienten können dadurch eliminiert werden, daß parallel zu der vom Volumenstrom beaufschlagten Lichtleitfaser und der ihr zugeordneten Blende eine zweite Lichtleitfaser und eine parallel zur ersten liegende zweite Blende in einem nichtdurchströmten Raum angeordnet werden. Die senkrecht zur Kante der Blende gemessenen niederfrequenten Schwingungen der zweiten Lichtleitfaser resultieren allein aus Patientenbewegungen. Durch subtraktive Überlagerung des Meßsignals mit dem am zweiten Lichtempfänger gemessenen Signal werden die aus den Störschwingungen resultierenden Fehler kompensiert.Possibly still disturbing low-frequency vibrations of the Optical fibers caused by patient movements can be eliminated be that parallel to the optical fiber acted upon by the volume flow and the aperture assigned to it, a second optical fiber and one parallel to the first second screen in a room with no flow to be ordered. The measured perpendicular to the edge of the aperture low-frequency vibrations of the second optical fiber result alone from patient movements. By subtracting the measurement signal with the signal measured at the second light receiver are the from Interference vibrations resulting errors compensated.

Das Rohr mit Lichtleitfaser und Blende kann leicht ausgewechselt werden, wenn es von einer Klammer, in der sich die Lichtquelle, der Lichtempfänger und weitere elektronische Bauelemente, z. B. Verstärker und Tiefpaß, befinden, aufgenommen wird. Mit einem Druck auf die Klammer wird das benutzte Rohr sofort freigegeben und ein neues kann eingesetzt werden.The tube with optical fiber and screen can be easily replaced, if it is from a bracket in which the light source, the light receiver and other electronic components, e.g. B. amplifier and low pass, are recorded. With a press on the clip it will used pipe immediately released and a new one can be used.

Die Blende wird vorzugsweise als Chromschicht aufgebracht. Das hat zwei Vorteile. In Verbindung mit einem Anschluß an eine Spannungsquelle kann die Blende zugleich als Heizwiderstand wirken und einem Beschlagen der Rohrinnenwand vorbeugen. Zum anderen wirkt die Blende als Spiegel. Es kann demzufolge auch der reflektierende Lichtstrahl mit einem zusätzlichen Lichtempfänger ausgewertet werden. Das reflektierte Signal kann zur Steuerung der Heizung und/oder der Intensität der Lichtquelle genutzt werden.The screen is preferably applied as a chrome layer. That has two Advantages. In connection with a connection to a voltage source, the Aperture also act as a heating resistor and fogging the Prevent inner pipe wall. On the other hand, the aperture acts as a mirror. It can consequently also the reflecting light beam with an additional one Light receivers can be evaluated. The reflected signal can be used for Control of the heating and / or the intensity of the light source used will.

Durch die vorzugsweise Verwendung einer positionssensitiven Diode als Lichtempfänger kann die Dynamik des Meßbereichs wesentlich erhöht werden. Hierzu ist schaltungsmäßig bzw. programmtechnisch vorzusehen, daß im Bereich der Überdeckung zwischen Lichtleitfaserende und Blende das Intensitätssignal und darüber hinaus das Positionssignal ausgewertet wird. Das hohe örtliche Auflösungsvermögen der Intensitätssignalmessung in einem kleinen Elongationsbereich wird mit der Messung großer Elongationen bei guter Genauigkeit (bezogen auf den Endausschlag) verknüpft. Es ist damit möglich, mit ein und demselben Lichtempfänger sowohl kleinste als auch große Volumenströme genau zu messen.By preferably using a position sensitive diode as Light receiver, the dynamics of the measuring range can be increased significantly. For this purpose, it must be provided in terms of circuitry or programming that in Area of coverage between the optical fiber end and the aperture Intensity signal and also the position signal is evaluated. The high spatial resolution of the intensity signal measurement in one small elongation range is associated with measuring large elongations good accuracy (related to the final deflection). It is with it possible with the same light receiver, both smallest and to measure large volume flows precisely.

Die Größe der Überdeckung zwischen dem Endquerschnitt der Lichtleitfaser und der Blende kann je nach Aufgabenstellung gewählt werden. Bei gerade vollständiger Überdeckung würden bereits geringste Volumenströme zur Erhöhung des Intensitätssignals führen. Liegt die Kante der Blende, in Flowrichtung gesehen, dagegen deutlich hinter dem Endquerschnitt, so bedarf es erst eines größeren Volumenstroms (einer größeren Elongation der Lichtleitfaser) ehe sich das Intensitätssignal verändert. Soll richtungsabhängig in beiden möglichen Strömungsrichtungen gemessen werden, so können zwei Lichtleitfasern und zwei positionssensitive Dioden mit versetzter Anordnung gegenüber der Blende nebeneinander vorgesehen werden.The size of the coverage between the end cross section of the optical fiber and the aperture can be selected depending on the task. At straight complete coverage would have the lowest volume flows Increase the intensity signal. Is the edge of the bezel in Seen flow direction, on the other hand clearly behind the final cross section, so required only a larger volume flow (a larger elongation of the Optical fiber) before the intensity signal changes. Should measured in both possible flow directions depending on the direction, two optical fibers and two position-sensitive diodes can be used offset arrangement can be provided side by side with respect to the aperture.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt. In den Zeichnungen zeigenThe invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment shown. Show in the drawings

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, Fig. 1 shows a longitudinal section through an apparatus formed according to the invention,

Fig. 2 die Seitenansicht zu Fig. 1, Fig. 2 shows the side view of FIG. 1,

Fig. 3 den Schnitt A-A gemäß Fig. 1. Fig. 3 shows the section AA of FIG. 1.

In einem Rohr 5 ist eine Lichtleitfaser 1 einseitig eingespannt. Ihrem freien Ende gegenüber ist senkrecht zur Flowrichtung eine Blende 4 an der Innenwand des Rohres 5 befestigt. Die Blende 4 bedeckt den Querschnitt der Lichtleitfaser 1 in deren Ruhezustand vollständig. Das Rohr 5 wird in einer mittels Feder 7 gespannten Klammer 6 gehalten. In der Klammer befinden sich in der Achse der Lichtleitfaser 1 gegenüberliegend die Lichtquelle 2 und der Lichtempfänger 3.An optical fiber 1 is clamped on one side in a tube 5 . At its free end, a diaphragm 4 is attached to the inner wall of the tube 5 perpendicular to the flow direction. The aperture 4 completely covers the cross section of the optical fiber 1 in its idle state. The tube 5 is held in a clamp 6 tensioned by means of spring 7 . The light source 2 and the light receiver 3 are located opposite each other in the bracket in the axis of the optical fiber 1 .

Claims

1. Device for measuring the volume flow with an optical fiber clamped on one side in the flow channel, a light source and a light receiver, characterized in that an aperture ( 4 ) is arranged between the free-swinging end of the optical fiber ( 1 ) and the light receiver ( 3 ), the Edge is approximately perpendicular to the volume flow.

2. Device according to claim 1, characterized in that the edge of the diaphragm ( 4 ) is arranged parallel to the main direction of movement of the patient in a ventilation device.

3. Device according to claim 1, characterized in that the diaphragm ( 4 ) consists of a light-reflecting material.

4. The device according to claim 1, characterized in that the diaphragm ( 4 ) consists of an electrical resistance material and is connected to a voltage source.

5. The device according to claim 1, characterized in that the aperture as a light receiver ( 3 ) assigned a position-sensitive diode and the evaluation unit depending on the coverage between the aperture ( 4 ) and optical fiber ( 1 ) from the evaluation of the intensity to that of the position signal is switchable.

6. The device according to claim 1, characterized in that in addition to the optical fiber lying in the volume flow ( 1 ) with a diaphragm ( 4 ), a second non-lying in the volume flow approximately the same optical fiber is arranged with a diaphragm lying in the same direction.

7. The device according to claim 1, characterized in that the optical fiber ( 1 ) and the diaphragm ( 4 ) on the wall of a transparent tube ( 5 ) are fixed and the tube ( 5 ) is clamped in a bracket ( 6 ), the Light source ( 2 ), the light receiver ( 3 ) and elements of the electronic evaluation unit are accommodated in the bracket ( 6 ).

8. Device according to claims 1 and 3, characterized in that a light receiver collecting the reflecting light is provided.

9. The device according to claim 8, characterized in that the output of the the reflecting light collecting light receiver on one Control input is switched.