DE68923939T2

DE68923939T2 - Durchflussmesser mit veränderbarer Blendenöffnung.

Info

Publication number: DE68923939T2
Application number: DE68923939T
Authority: DE
Inventors: Douglas F Devries; Darrell W Guillaume; Michael Norton
Original assignee: Bird Products Corp
Current assignee: Bird Products Corp
Priority date: 1988-12-16
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2009-12-13
Also published as: DE68923939D1; EP0373886B1; JPH0328717A; JP2968970B2; EP0373886A1; US4993269A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Erfassung einer Fluidströmung durch einen rohrförmigen Kanal. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Fühleranordnung, die eine durch ein Hindernis in dem Kanal erzeugte Druckdifferenz erfaßt und diese Druckdifferenz in eine Messung der Durchflußmenge durch den Kanal umwandelt. Die Erfindung ist insbesondere zum Einsatz in Verbindung mit medizinischen Ventilatoranordnungen geeignet.
Die Bezeichnung "Fluid" umfaßt sowohl Gase als auch Flüssigkeiten. Die Fluiddurchflußmenge ist das Fluidvolumen, das in einer vorgegebenen Zeitspanne eine Stelle passiert. Die genaue Erfassung der Fluiddurchflußmenge ist im Medizinbereich für viele mechanische und chemische Systeme ein wichtiger Parameter.
Ein übliches Beispiel eines Geräts zur Erfassung einer Fluidströmung besitzt einen Kanal mit einem starren Strömungshindernis, welches eine Durchflußöffnung bildet. Der Durchtritt des Fluids durch die von dem Hindernis geschaffene verringerte Öffnung setzt den Druck des Fluids herab. Die Differenz zwischen dem Fluiddruck vor dem Hindernis und unmittelbar hinter dem Hindernis ist als Druckdifferenz bekannt. Die Größe der Druckdifferenz ist von der Fluiddurchflußmenge abhängig. Eine kleine Durchflußmenge erzeugt eine kleine Druckdifferenz und eine große Durchflußmenge erzeugt eine große Druckdifferenz.
Typische Strömungsmeßgeräte weisen eine Öffnung in dem Kanal unmittelbar vor und unmittelbar hinter dem Strömungshindernis auf. Der Druck an diesen Öffnungen wird erfaßt und mittels eines Druckumwandlers verglichen. Der Differentialdruck kann zu dem Fluiddurchfluß in Beziehung gesetzt und durch eine beliebige Einrichtung angezeigt werden, etwa durch ein einfaches kalibriertes Meßgerät oder einen Mikroprozessor mit einer internen Tabelle.
Ein kostengünstiger, leicht zu montierender und vielfach eingesetzter Widerstand zur Strömungsmessung ist die feste Öffnung. Dieser Widerstand hat im allgemeinen die Form einer dünnen Scheibe aus Metall oder Kunststoff mit einem scharfkantigen Loch und wird in dem Strömungskanal zwischen Flanschen üblicherweise so eingebaut, daß das Loch konzentrisch zu dem Kanal liegt. Die feste Öffnung veranlaßt den Fluidstrom, nahezu in gleicher Form zu konvergieren, wie es bei einem Venturirohr oder einer Strömungsmeßdüse der Fall ist. Der Strom konvergiert noch ein kurzes Stück hinter der Öffnungsscheibe und divergiert dann wieder zurück auf den vollen Kanaldurchmesser. Die Stelle des geringsten Strömungsquerschnittes und die Stelle des niedrigsten Druckes werden als Strahleinschnürung bezeichnet.
An den zwei Öffnungen vor und hinter der Öffnung kann ein Druckdifferenzgerät angeschlossen werden. Übliche Anordnungsstellen sind ein Kanaldurchmesser vor der Öffnung und dahinter an der Strahleinschnürung.
Die Beziehung zwischen dem Gesamt-Fluidstrom und der Druckdifferenz an einer festen Öffnung ist allgemein bekannt. Zum Beispiel ist diese Beziehung in T. Baumeister, E. Avallone & T. Baumeister III, Marks' Standard Handbook for Mechanical Engineers, section 16, S. 15-16 (8. Ausg. 1978) erläutert. Als wichtig ist zu beachten, daß ein Durchflußmesser mit fester Öffnung normalerweise eine quadratische Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung und der Durchflußmenge durch die Öffnung aufweist. Das besagt, daß unter konstanten Systemverhätnissen und Enthalpiebedingungen die Druckdifferenz über der Öffnung proportional zum Quadrat der Durchflußmenge durch die Öffnung und damit auch durch den Kanal ist. Beispielsweise stellt die maximale Durchflußmenge durch eine feste Öffnung eine gegebene Druckdifferenz über die Öffnung dar. Diese Druckdifferenz wird als maximale Druckdifferenz bezeichnet. In gleicher Weise stellt die minimale Durchflußmenge durch eine feste Öffnung eine einheitliche Druckdifferenz über die Öffnung dar. Diese Druckdifferenz wird als minimale Druckdifferenz bezeichnet.
Das "Turndown-Verhältnis" ist das Verhältnis zwischen der maximal meßbaren Durchflußmenge durch die Öffnung und der minimal meßbaren Durchflußmenge durch die Öffnung. Da die maximal und minimal meßbaren Durchflußmengen spezifische Druckdifferenzen über der Öffnung darstellen, kann das Turndown-Verhältnis auch als das Verhältnis zwischen der maximalen Druckdifferenz und der minimalen Druckdifferenz ausgedrückt werden.
Da die Druckdifferenz proportional zu dem Quadrat der Durchflußmenge durch eine feste Öffnung ist, ist das Turndown- Verhältnis durch eine feste Öffnung, ausgedrückt durch die Werte der Druckdifferenzen, ein hohes Turndown-Verhältnis. Ein hohes Turndown-Verhältnis stellt in Strömungsmeßgeräten eine Schwierigkeit dar. Diese Schwierigkeit ist in dem US-Patent 4688433 (Silverwater) angesprochen, worin erläutert wird, daß ein hohes Turndown-Verhältnis unerwünscht ist, weil geringe Druckdifferenzen mit großer Genauigkeit gemessen werden müssen, um eine zuverlässige Durchflußmengenanzeige zu erhalten. Bei geringen Durchflußmengen ist die Druckdifferenz außerordentlich klein und schwer meßbar. Wie ferner in dem US-Patent 4006634 (Billette u.a.) angesprochen, ist der prozentuale Fehler bei kleinen Durchflußmengen größer als bei größeren Durchflußmengen.
Eine Vorrichtung zum Messen einer Fluidströmung ist in dem US-Patent 4006634 (Billette u.a.) erläutert. Diese Druckschrift von Billette u.a. zeigt ein mit veränderbarer Öffnung ausgestattetes Strömungsmeßgerät, mit einem einen äußeren Ringbundteil aufweisenden Widerstand, mehreren davon nach innen verlaufenden flexiblen Lamellen und einem inneren Öffnungsteil. Bei geringer Strömung ist die innere Öffnung relativ klein und dementsprechend der Widerstandsbereich relativ groß. Wenn der Druck des Fluids zunimmt, beginnen die Lamellen sich zu verbiegen und dabei den Widerstandsbereich zu verringern und den Strömungsbereich zu vergrößern. Die Billette-Vorrichtung dient dazu, die Schwierigkeiten der Strömungsmeßgeräte mit fester Öffnung hinsichtlich eines hohen Turndown-Verhältnisses und Fehlern bei niedrigen Durchflußmengen zu beheben.
Eine andere Art eines Fluidströmungsmeßgerätes mit veränderbarer Öffnung ist in dem US-Patent 4083245 (Osborn) beschrieben. Diese Druckschrift zeigt einen am Umfang eines Gehäuses angeordneten Widerstand, an dem ein ausgeschnittener Klappenteil scharnierartig befestigt ist. Diese Klappe öffnet sich mit zunehmendem Fluidstrom, um den effektiven Strömungsquerschnitt zu vergrößern.
Ungeachtet der Verbesserungen gegenüber den bekannten festen Öffnungen sind die Anordnungen nach Billette u.a. und Osborn dagegen anfällig, am Umfang ihrer Widerstandsteile Verunreinigungen anzusammeln. Ein solcher Aufbau ist für die Genauigkeit dieser Geräte abträglich.
Ein anderes Beispiel eines Meßgerätes mit veränderbarer Öffnung ist in dem US-Patent 4688433 (Silverwater) gezeigt. Diese Druckschrift beschreibt ein U-förmiges, starres Teil, das abstromseitig einer dünnen, kreisförmigen Scheibe angeordnet ist. Das starre Teil ist symmetrisch in dem Durchlaß mittels eines Stiftes angebracht, der mit beiden Enden am Inneren des Durchlasses befestigt ist. Dieser Aufbau setzt die Wahrscheinlichkeit des Bildens von Verunreinigungen deutlich herab. Jedoch sind diesem Aufbau andere Nachteile zu eigen. Das Silverwater-Gerät arbeitet als Gerät mit veränderbarer Öffnung, bis die Strömung ein bestimmtes festliegendes Maximum erreicht, an welchem Punkt sich die flexible Scheibe flach an das starre Teil anlegt, woraus sich eine feste Öffnung ergibt. Diese feste Öffnung besitzt einen effektiven Strömungsbereich, der wesentlich kleiner als der des Gehäuses selbst ist. Das Silverwater-Gerät bewirkt dadurch bei hohen Durchflußmengen einen hohen Strömungswiderstand und damit eine hohe Druckdifferenz.
Die mit einem Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung verbundenen Schwierigkeiten sind mit dem Entstehen von Verunreinigungen an der starren Durchlaßscheibe verbunden, die die verringerte Öffnung bildet. Das Vorliegen eines ständig rechtwinklig zu der Strömungsrichtung in dem Kanal liegenden Bereiches verändert die Strömung in der Weise, daß sich in dem Strom befindliche Fremdkörper an dem ständig rechtwinklig ausgerichteten Bereich ablagern können. Dieses Aufbauen von Verunreinigungen kann die Strömungscharakteristiken in dem Gerät durch Hinzufügen von Masse an die Widerstandseinrichtung verändern oder die Druckerfassungsöffnungen behindern, wodurch die Beziehung zwischen der Durchflußmenge und der Druckdifferenz verändert wird. Eine geringe Änderung in dieser Beziehung macht die Kalibrierung des Gerätes fehlerhaft und verringert die Genauigkeit des Gerätes.
Die Erfassung der Durchflußmenge und der Menge des übertragenen Fluids ist in medizinischen Ventilatoren von wesentlicher Bedeutung. Beispielsweise muß das Volumen der in die Lungen übertragenen Luft aus folgenden Gründen genau erfaßt werden: (1) Sichern der Übereinstimmung mit den Anweisungen des behandelnden Arztes; (2) Festlegen einer Grundlage für die Ventilatoreinstellungen, um die Gasgehalte im arteriellen Blut zu optimieren; (3) Schaffung einer Beurteilungsmöglichkeit für die Fähigkeit des Patienten, eine nicht unterstützte Beatmung ertragen zu können; und (4) Sicherstellung der Abgabe einer ausreichenden Luftmenge, um einen teilweisen Kollaps der Lungen zu verhindern. Zusätzlich zu den vorgenannten Gründen muß auch die Menge der von den Lungen ausgeatmeten Luft genau erfaßt werden, um mögliche Luftundichtigkeiten in dem Ventilatorkreislauf, dem Endotrachealtubus und den Lungen beurteilen zu können. Das in medizinischen Ventilatoren verwendete Strömungsmeßgerät muß deshalb eine genaue Messung der Durchflußmenge ermöglichen.
Ein Durchflußmeßgerät in medizinischen Ventilatoren unterliegt jedoch verschiedenen gegensätzlichen Bedingungen. Diese Bedingungen umfassen eine große Schwankungsbreite der Durchflußmengen, das Einleiten von Fremdkörpern in den Strom, was Störungen des Strömungsmeßgerätes verursachen und zu gefährlichen Fehlanzeigen führen kann, und die Notwendigkeit eines regelmäßigen Reinigens und Sterilisierens des Strömungsmeßgerätes.
Außerdem haben die medizinischen Durchflußleitungen, an die ein Strömungsmeßgerät angeschlossen wird, oft einen deutlich anderen Durchmesser als der Kanal des Strömungsmeßgerätes. Die plötzliche Durchmesseränderung in dem Strömungsweg zwischen der medizinischen Leitung und dem Strömungsmeßgerät erzeugt in dem Strom Druckwellen, die sich nachteilig auf die Genauigkeit der Druckmessung auswirken.
Es besteht somit ein Bedarf an einem Strömungsmeßgerät, das ein hohes Turndown-Verhältnis aufweist und bei niedrigen Durchflußmengen eine relativ hohe Druckdifferenz und bei hohen Durchflußmengen eine relativ niedrige Druckdifferenz ausbildet, d.h. ein niedriges Turndown-Verhältnis, ferner eine größere Meßgenauigkeit durch Vermindern von Druckwellen in der Strömung und Vermindern des Anlagerns von Verunreinigungen in dem Gerät, sowie eine ausreichende Widerstandsfähigkeit gegenüber der erforderlichen Wartung und dem regelmäßigen Sterilisierungsvorgang.
Gegenstand der Erfindung ist ein Strömungsmeßgerät entsprechend dem Anspruch 1.
In einer ersten Ausführungsform ragen die aufstromseitige und die abstromseitige Druckerfassungsöffnung über den Umfang des Kanals und enden innerhalb des Kanals. Die aufstromseitige und die abstromseitige Öffnung ragen ausreichend weit über die Wand des Kanals hinaus, um außerhalb der Grenzschicht zu enden. Die Druckerfassungsöffnungen sind somit derart angeordnet, daß der Druck außerhalb der Grenzschicht gemessen wird.
In einer zweiten Ausführungsform besitzt die Einlaßöffnung des Gehäuses eine in dem Kanal angeordnete Prallanordnung, um die Strömungsturbulenzen zu mindern, die aus dem Durchmesserwechsel zwischen der medizinischen Zufuhrleitung und dem erfindungsgemäßen Gerät resultieren. Die Prallanordnung weist ein zentrales Teil auf, das koaxial in dem Kanal und rechtwinklig zu dem Strömungsweg angeordnet ist. Das zentrale Teil wird in dem Kanal durch radial verlaufende Speichen gehalten, die am Umfang des Kanals befestigt sind. Die Prallanordnung dient zum Reduzieren der Druckwellen, die dort in den Strom eingebracht werden, wo der Strömungsdurchmesser zwischen der einleitenden medizinischen Leitung (Endotrachealtubus) und dem Strömungsmeßgerät wechselt.
Bei der zweiten Ausführungsform weist der vordere Druckerfassungseinlaß zusätzlich ein hohles, den Kanal vertikal durchsetzendes Rohr auf. Dieses hohle Rohr enthält vier horizontale Öffnungen, die an der Oberfläche des Rohres vertikal ausgerichtet und gegen den Strom gerichtet sind. Diese Anordnung ermöglicht eine durchschnittliche Druckerfassung der Strömung über den Kanal.
Die Widerstandsanordnung bei beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen liegt zwischen der vorderen und der hinteren Druckerfassungsöffnung und besteht aus einem Widerstandselement, einem Scharnierelement und einem befestigten Element, wobei die Längsausdehnung des Scharnierelements deutlich geringer als der Umfang des Kanals ist. Das befestigte Element der Widerstandsanordnung befindet sich in dem Gehäuse, so daß das Widerstandselement und nur ein Teil des Scharnierelements sich in dem Kanal befinden. Außer dem mit dem Scharnierelement verbundenen Teil ist der Umfang des Widerstandselements vom Umfang des Kanals abgesetzt, um einen statischen Strombereich zu definieren, wenn keine Strömung durch den Kanal vorhanden ist. Wenn die Fluidströmung eine bestimmte Geschwindigkeit überschreitet, bilden das Widerstandselement und der Kanalumfang einen dynamischen Strombereich, der größer als der statische Strombereich ist. Bei keiner und bei sehr niedriger Stromgeschwindigkeit wirkt der Erfindungsgegenstand als feste Öffnung, wenn jedoch die Strömung einen bestimmten Wert überschreitet, wächst der dynamische Strombereich mit dem Anwachsen der Stromgeschwindigkeit. Diese Anordnung beseitigt die quadratische Beziehung zwischen der Durchflußmenge und der Druckdifferenz bei einem Meßgerät mit fester Öffnung.
In beiden Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes enthält das Gehäuse vorzugsweise eine Rippe, die in dem Kanal angeordnet ist und sich teilweise über den Umfang des Kanals erstreckt. Die Rippe hat einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt und liegt angrenzend an den bogenförmigen Teil des Widerstandselementes, wenn keine Strömung in dem Kanal vorhanden ist. Die Rippe hat eine Radialabmessung, die im wesentlichen um den gebogenen Teil des Kanals verläuft, und eine Axialabmessung, die ausreichend klein ist, daß bei einer minimal meßbaren Fluidströmungsgeschwindigkeit durch den Kanal der bogenförmige Umfang des Widerstandselementes über die Axialabmessung der Rippe hinaus liegt. Der statische Strömungsbereich wird durch den Umfang des Kanals, die Rippe und den in dem Kanal angeordneten Teil der Widerstandseinrichtung definiert. Bei einer größeren Strömungsgeschwindigkeit als die minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit wird der bogenförmige Umfangsbereich des Widerstandselementes in der Strömungsrichtung von der Rippe weggebogen. Der dynamische Strömungsbereich wird somit durch den Teil der in dem Kanal befindlichen Widerstandseinrichtung gebildet, der rechtwinklig zu der Strömung und dem Umfang des Kanals liegt. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit wird der dynamische Strömungsbereich größer.
Nach dem Wechsel des Strömungsbereiches vom statischen Strömungsbereich in den dynamischen Strömungsbereich definiert die Rippe nicht mehr den Strömungsbereich. Zusätzlich zu dem von dem Widerstandselement rechtwinklig zu der Strömung nach dem Wechsel des Strömungsbereiches vom statischen Strömungsbereich in den dynamischen Strömungsbereich reduzierten Bereich nimmt daher der Strömungsbereich um den von der Rippe eingeschlossenen Bereich zu. Bei der Übergangsgeschwindigkeit ist der nicht mehr von der Rippe eingeschlossene Bereich wesentlich größer als der reduzierte rechtwinklige Bereich des Widerstandselementes. Der um den Bereich der Rippe vergrößerte Strömungsbereich bei der Übergangsgeschwindigkeit ermöglicht mit dem Erfindungsgegenstand genauere Messungen bei niedrigen Durchflußmengen als beim Stand der Technik. Die Rippe schafft dabei eine niedrigere minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit.
Das erfindungsgemäße Widerstandselement bildet ferner einen kleinstmöglichen Bereich, der ständig rechtwinklig zur Strömungsrichtung liegt, wodurch die Ablagerung von Verunreinigungen an dem Durchflußmeßgerät verringert wird, die letztlich die Genauigkeit des Gerätes herabsetzen können. Durch die Erfindung wird somit ein Strömungsmeßgerät mit einem niedrigen Druck-Turndown-Verhältnis geschaffen, das heißt mit einer relativ hohen Druckdifferenz bei niedrigen Durchflußmengen und einer relativ niedrigen Druckdifferenz bei hohen Druckdifferenzen, und mit einer verbesserten Genauigkeit. Außerdem erzeugt der Erfindungsgegenstand weniger Gegendruckwellen in der Strömung als ein Meßgerät mit einer festen Öffnung. Die bevorzugte Stahlbauweise der Widerstandseinrichtung führt auch die plastische Deformation der Widerstandseinrichtung auf ein Minimum zurück, wenn sie dem Einfluß der Strömung ausgesetzt wird.
Das Widerstandselement in der Widerstandseinrichtung ist ein im wesentlichen ebenes, vollständig innerhalb des Kanals angeordnetes Element und liegt rechtwinklig zur Strömungsrichtung, wenn in dem Kanal keine Strömung vorhanden ist. Das Widerstandselement befindet sich im Abstand von dem Kanalumfang. Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Widerstandselement an der Oberseite des Gehäuseumfangs durch ein Scharnierelement befestigt, das eine ausreichende Steifigkeit aufweist, um ein Verdrehen des Widerstandselementes bei hohen Fluiddurchflußmengen zu verhindern. Das Scharnierelement kann mehrere einzelne Scharniere aufweisen, um die Flexibilität des Scharnierelements bei ausreichender Widerstandsfähigkeit gegen Torsion zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Widerstandselement kann zusätzlich mit parallel beabstandeten Schlitzen versehen sein, die das Widerstandselement bei geringerer Krafteinwirkung leichter biegbar machen und dabei die Empfindlichkeit der vorliegenden Strömungsmeßanordnung verbessern. Das Scharnierelement kann mehrere einzelne Scharniere aufweisen, um die Flexibilität des Scharnierelements bei ausreichender Widerstandsfähigkeit gegen Torsion zu erhöhen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Merkmal ist die Verbindung der Widerstandseinrichtung mit dem Gehäuse des Strömungsmeßgeräts. Die Widerstandseinrichtung weist ein befestigtes Element auf, das gegenüber dem Gehäuse festgelegt ist. In der ersten Ausführungsform liegt das befestigte Element rechtwinklig zu dem Scharnierelement und ist mit dem Scharnierelement an dem entgegengesetzten Ende der Verbindung des Scharnierelements mit dem Widerstandselement verbunden. In der zweiten Ausführungsform sind das befestigte Element und eine Aufnahmeausnehmung in dem Gehäuse ringförmig gestaltet. Das Scharnierelement jeder Widerstandseinrichtung verläuft dann von dem befestigten Element in dem Gehäuse über den Kanalumfang zu dem zugehörigen Widerstandselement und verbindet das befestigte Element scharnierartig mit dem Widerstandselement.
Da die Erfindung einen nahezu unbehinderten Strömungsweg schafft hinsichtlich des statischen Strömungsbereiches am Umfang des Kanals bei keiner Strömung und äußerst geringen Strömungsbedingungen, unterliegt der Erfindungsgegenstand keinen Fehlern aus Verschmutzungen der Strömungsmeßöffnung bei geringen Durchflußmengen. Es ist somit ein statischer Strömungsbereich zwischen dem Umfang des Widerstandselementes und dem Umfang des Kanals vorhanden.
Bei hohen Durchflußmengen, wenn Fremdkörper in der Strömung transportiert werden, wird das erfindungsgemäße Widerstandselement verlagert, so daß die Widerstandsanordnung rechtwinklig zur Strömung wesentlich kleiner ist als dieser Bereich bei geringen Durchflußmengen. Der verkleinerte Bereich des Widerstandselementes rechtwinklig zu der großen Durchflußmenge verringert die Ablagerung von Fremdkörpern an dem Widerstandselement. Die geringere Verschmutzung des Widerstandselementes stellt die Genauigkeit des Erfindungsgegenstandes sicher und ermöglicht einen weniger aufwendigen Sterilisationsvorgang.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein schematischer Teilschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes mit variabler Öffnung.
Figur 2 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Widerstandseinrichtung.
Figur 3 ist ein schematischer Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strömungsmeßgerätes mit variabler Öffnung.
Figur 4 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform mit der Widerstandseinrichtung.
Figur 4a ist eine Flächenansicht einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Widerstandseinrichtung.
Figur 4b ist eine Flächenansicht einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Widerstandseinrichtung.
Figur 5 ist eine Teilschnittansicht der Vorrichtung gemäß Figur 4 in der Linie 5-5.
Figur 6 ist eine Teilschnittansicht der Vorrichtung gemäß Figur 4 in der Linie 6-6.
Figur 7 ist eine Diagrammdarstellung der Druckdifferenz gegenüber den Durchflußmengen zum Vergleich des Erfindungsgegenstandes mit einem bekannten Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung.
Figur 8 ist eine Diagrammdarstellung der Druckdifferenz gegenüber der Durchflußmenge zum Vergleich des Erfindungsgegenstandes in der vierten Ausführungsform der Widerstandseinrichtung und in der dritten Ausführungsform der Widerstandseinrichtung mit einem bekannten Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung.
Figur 9 ist eine Diagrammdarstellung der Druckdifferenz gegenüber der Durchflußmenge für den Erfindungsgegenstand in der zweiten Ausführungsform der Widerstandseinrichtung.
Figur 10 ist eine Diagrammdarstellung der Druckdifferenz gegenüber der Durchflußmenge für den Erfindungsgegenstand in der ersten Ausführungsform der Widerstandseinrichtung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß Figur 1 und 3 weist das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung ein Gehäuse 4 mit einer Einlaßöffnung 6 auf, die über einen Kanal 18 mit einer Auslaßöffnung 8 in Verbindung steht. Der Kanal 18 wird von einem Innenumfang mit im wesentlichen U-förmigem Querschnitt gebildet und ist mit der Einlaßöffnung 6 und der Auslaßöffnung 8 koaxial ausgerichtet. Mit dem Kanal 18 stehen durch diesen verlaufende Druckmeßöffnungen 14, 16 in Verbindung.
Bei der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Druckmeßeinlässe 14, 16 über einen ausreichenden Abstand vertikal abwärts in den Kanal 18, so daß die Öffnungen 14, 16 jenseits der mit der Wand des Kanals 18 verbundenen Grenzschicht enden.
Wie in Figur 3 gezeigt, weist der stromaufseitige Druckmeßeinlaß 14 bei der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform einen hohlen, vertikal ausgerichteten Zylinder 140 auf, der den Kanal 18 durchsetzt und mit dem Boden des Kanals 18 in Berührung ist. Der Zylinder 140 enthält vier horizontale Löcher 144, die in einer vertikalen Reihe an der stromaufseitigen Seite des Zylinders 140 liegen. Die Löcher 144 bilden eine Fluidverbindung zwischen dem Kanal 18 und der stromaufseitigen Druckmeßöffnung 14.
Gemäß Figur 6 weist die Einlaßöffnung 6 der zweiten Ausführungsform eine Prallanordnung 160 auf. Die Prallanordnung 160 enthält ein zentrales Prallteil 162, das koaxial in dem Kanal 18 angeordnet und durch mehrere Speichen 164 in dem Kanal 18 ausgerichtet ist. Das Prallteil 162 ist im ungefähren Querschnittszentrum des Kanals 18 ausgerichtet. Die Speichen 164 verlaufen radial von dem Prallteil 162 und verbinden das Prallteil 162 fest mit dem Umfang des Kanals 18.
Wie in Figur 1 und 3 gezeigt, bringen die Druckmeßöffnungen 14 und 16 das Innere des Kanals 18 in Fluidverbindung mit einem Druckmeßwertwandler 20. Das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät enthält ferner eine zwischen der Einlaßöffnung 6 und der Auslaßöffnung 8 angeordnete Widerstandseinrichtung 13. Die Widerstandseinrichtung 13 ist zwischen den Druckmeßöffnungen 14, 16 angeordnet. Der Druckmeßwertwandler 20 gemäß Figur 1 und 3 gibt die Druckdifferenz zwischen dem durch die Öffnung 14 an einer Seite der Widerstandseinrichtung 13 gemessenen Druck und dem durch die Öffnung 16 an der entgegengesetzten Seite der Widerstandseinrichtung 13 gemessenen Druck wieder. Als Druckmeßwertwandler 20 kommt jeder geeignete, bekannte Druckmeßwertwandler wie etwa der Microswitch Pressure Transducer Model No. 163TC01D36 in Betracht, der geeignet ist, eine Druckdifferenz zwischen den Öffnungen 14, 16 aufzunehmen und ein der Druckdifferenz entsprechendes elektrisches Signal abzugeben. Die Druckdifferenz wird an ein Meßgerät 22 übertragen, das das elektrische Signal in einen numerischen Wert umwandelt, so daß es angezeigt werden kann. Das Meßgerät 22 kann lediglich den Druckdifferenzwert anzeigen, der dann vom Benutzer mit einer Bezugstabelle verglichen wird, oder es kann die Durchflußmenge unmittelbar durch eine von mehreren möglichen Einrichtungen anzeigen. Wie für einen Fachmann ersichtlich, kann das Meßgerät ein einfaches kalibriertes Meßgerät sein oder es kann mit einem Mikroprozessor versehen sein, der eine interne, auf die Widerstandseinrichtung abgestellte Tabelle aufweist.
Figur 2 stellt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht des Kanals 18 mit der ersten Ausführungsform 72 der Widerstandseinrichtung 13 dar. Wie aus Figur 3 und 4 ersichtlich, besteht die Widerstandseinrichtung 13 aus drei Elementen. Das erste Element ist ein befestigtes Element 28, das in dem Gehäuse 4 festgelegt ist und vollständig außerhalb des Umfangs des Kanals 18 liegt. Das nächste Element der Widerstandseinrichtung 13 ist ein Widerstandselement 26, das vollständig innerhalb des Umfangs des Kanals 18 angeordnet ist. Das dritte Element der Widerstandseinrichtung 13 ist ein Scharnierelement 34, das von dem befestigten Element 28 in dem Gehäuse 4 über den Umfang des Kanals 18 zu dem Widerstandselement 26 in dem Kanal 18 verläuft, um das befestigte Element 28 mit dem Widerstandselement 26 scharnierartig zu verbinden.
Wie aus Figur 2, 3, 5 und 6 ersichtlich, wird der Querschnitt des Kanals 18 von einem oberen horizontalen Teil mit rechtwinkligen Seitenteilen gebildet, die von den beiden Enden des horizontalen Teiles aus abwärts verlaufen. Die parallelen Seitenteile sind durch einen konvexen Bogenteil verbunden und bilden damit einen im wesentlichen U-förmigen Kanalquerschnitt. Wie jedoch für einen Fachmann ersichtlich, können die Seitenteile entfallen, so daß der konvexe Bogenteil den horizontalen Teil überbrückt, wodurch der Kanal 18 einen im wesentlichen halbkreisförmigen Querschnitt erhält.
In jeder Ausführung des Kanals 18 weist der Kanal eine Rippe 19 auf. Wie in Figur 2 und 4 gezeigt, hat die Rippe 19 die Form eines Bogens und ist unmittelbar unter dem bogenförmigen Umfang des Widerstandselements 26 angeordnet, wenn dieses sich in einem statischen Strömungszustand befindet. Die erfindungsgemäße Rippe 19 hat in einer parallel zur Strömungsrichtung gesehenen Ebene einen allgemein halbkreisförmigen Querschnitt, wie in Figur 1 und 3 gezeigt. Die Rippe 19 verläuft im wesentlichen an dem bogenförmigen Teil des Umfangs des Kanals 18. Die Rippe 19 liegt angrenzend an den bogenförmigen Teil des Widerstandselementes, wenn keine Strömung durch den Kanal vorhanden ist. Die Rippe 19 hat eine Radialabmessung, d.h. eine Bogenlänge oder Umfangsabmessung, die sich im wesentlichen über den bogenförmigen Teil des Kanals 18 erstreckt. Die Rippe 19 hat eine Axialabmessung, d.h. ein Abmessung in der Axialrichtung über die Länge des Kanals 18, die ausreichend klein ist, daß bei einer Strömung durch den Kanal 18 der bogenförmige Umfang des Widerstandselementes jenseits der Axialabmessung der Rippe 19 liegt. Der statische Strömungsbereich wird durch den Umfang des Kanals 18, die Rippe 19 und die Widerstandseinrichtung 13 definiert. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit, die größer ist als die minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit, wird jedoch der bogenförmige Umfangsteil des Widerstandselementes 26 von der Rippe 19 stromabwärts gebogen. Der dynamische Strömungsbereich wird deshalb von der Widerstandseinrichtung 13 und dem Umfang des Kanals 18 definiert. Beim Übergang von einem statischen Strömungsbereich in einen dynamischen Strömungsbereich wächst der Strömungsbereich um den von der Rippe 19 eingenommenen Bereich an. Der dynamische Strömungsbereich nimmt in dem Maß zu, in dem die Strömungsgeschwindigkeit anwächst. Die Rippe 19 schafft dabei eine niedrigere minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit. Der Kanal 18 und die Rippe 19 können in Kombination mit dem Widerstandselement 26 in unterschiedlicher Weise ausgestaltet sein, wie bereits erläutert wurde.
Gemäß Figur 4 und 5 geht von dem befestigten Element 28 in dem Gehäuse 4 das Scharnierelement 34 aus, das den Umfang des Kanals 18 kreuzt und sich zu dem Widerstandselement 26 erstreckt. Wie in Figur 4 gezeigt, enthält die zweite Ausführungsform der Widerstandseinrichtung 13 zwei beabstandete Scharniere 34, um eine Verdrehung des Widerstandselementes 26 um eine vertikale Achse zu verhindern. Wie in Figur 2, 4a, und 4b gezeigt, kann das Scharnierelement 34 ein einziges Scharnier aufweisen, jedoch muß das Scharnierelement 34 eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um die genannte Verdrehung des Widerstandselementes 26 zu verhindern. Die Verwendung mehrerer Scharniere wie in der zweiten Ausführungsform 88 der Widerstandseinrichtung 13, wie in Figur 4 und 5 gezeigt, verhindert auch ein Verdrehen des Widerstandselementes 26. Wenn mehrere Scharniere vorgesehen werden, ist es im allgemeinen vorteilhaft, die Scharniere ausreichend voneinander zu beabstanden, um ein Verdrehen des Widerstandselementes 26 zu vermeiden, jedoch mit so wenig Material wie möglich, um eine möglichst kleine Fläche in die Strömung zu bringen, damit die Verschmutzung des Strömungsmeßgerätes 10 durch in den Strom eingebrachte Fremdkörper verringert wird. Wie in Figur 2, 4a, 4b und 5 gezeigt, nimmt die Überlagerung des Scharnierelementes 34 mit dem Umfang des Kanals 18 einen Umfangsabschnitt ein, der weniger als 25% des Umfangs des Kanals 18 ausmacht.
Das Widerstandselement 26 hat gemäß Figur 2, 4a, 4b und 5 einen horizontalen Randbereich 37, an dem das Widerstandselement 26 seine volle Breite erreicht. Das Scharnierelement 34 ist an dem horizontalen Bereich 37 unter Ausbildung von Schultern 36 befestigt. An dem Übergang zwischen der Schulter 36 und dem Scharnierelement 34 sind abgerundete Ausnehmungen 35 vorhanden. Die Ausnehmungen verringern die Spannungskonzentration am Übergang zwischen dem Scharnierelement 34 und dem Widerstandselement 26. Rechtwinklig zu dem horizontalen Teil 37 sind in der Ausführungsform 72 der Widerstandseinrichtung 13 gerade Randteile 40 vorhanden, die von jedem Ende des horizontalen Teiles 37 abwärts verlaufen und gegenüber dem horizontalen Teil 37 in ein konvexes, bogenförmiges Teil 42 übergehen, wobei eine Umfangsform des Widerstandselementes 26 entsteht, die mit dem Umfang des Kanals 18 an der Stelle der Rippe 19 mit generell U-förmiger Ausbildung übereinstimmt. Das bogenförmige freie Ende 42 bildet den bogenförmigen Teil des Widerstandselementes 26, der auf der anderen Seite der Verbindung des Scharnierelementes 34 mit dem horizontalen Teil 37 liegt.
Das gerade Teil 40 kann entfallen und stattdessen das bogenförmige freie Ende 42 in den horizontalen Teil 37 übergehen, wodurch das Widerstandselement 26 ein allgemein halbkreisförmiges Profil erhält. Ein solches Widerstandselement 26 mit halbkreisförmiger Gestalt kann in einem Kanal mit einem halbkreisförmigen Querschnitt, wie er bereits erläutert wurde, angeordnet werden. Der horizontale Teil 37 des Widerstandselementes 26 kann somit eine kleinere Bogenlänge einnehmen als die von der Oberseite des halbkreisförmigen Kanals 18 eingenommene Bogenlänge. Die kleinere Bogenlänge des äußeren Endes 42 des Widerstandselementes 26 erlaubt es, das Widerstandselement 26 innerhalb eines halbkreisförmigen Kanals 18 anzuordnen, so daß der Umfang des Widerstandselementes 26 mit Abstand von der Rippe 19 und dem Umfang des Kanals 18 liegt.
Wie in Figur 2, 4 und 5 gezeigt, ist das Widerstandselement 26 so ausgebildet, daß es ohne in dem Kanal 18 vorhandene Strömung den Kanal 18 im wesentlichen ausfüllt und dabei einen statischen Strömungsbereich bildet. Während hier Kanäle mit U-förmigem und halbkreisförmigem Querschnitt erörtert wurden, ist für einen Fachmann leicht ersichtlich, daß der Kanalquerschnitt eine von vielen möglichen Querschnittsformen aufweisen kann, wie etwa dreieckige, quadratische, rechteckige oder vieleckige. In jeder Ausführungsform kann eine Rippe 19 in dem Kanal angrenzend an den Umfang des Widerstandselementes 26 angeordnet werden, um eine verbesserte minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit zu ermöglichen.
Für einen Fachmann ist verständlich, daß die Ausbildungsform des Widerstandselementes 26 abgewandelt werden kann, um den Umfang des Widerstandselementes 26 an den Umfang des jeweiligen Kanals 18 anzupassen und dabei den statischen Strömungsbereich zu definieren. Desgleichen ist es für einen normalen Fachmann verständlich, daß die Gesamtform des Widerstandselementes 26 verändert werden kann. Im statischen Strömungszustand beträgt ein üblicher Abstand zwischen dem Umfang des Widerstandselementes 26 und dem Umfang des Kanals 18 einschließlich der Rippe 19 bei Endotrachealtuben für Erwachsene ungefähr 0,035 inch. Dieser Abstand kann jedoch entsprechend der gewünschten minimal meßbaren Strömungsgeschwindigkeit durch die Einrichtung verändert werden. Dies besagt, daß je kleiner der Abstand zwischen dem Umfang des Widerstandselementes 26 und dem Umfang des Kanals 18 mit der Rippe 19 ist, umso kleiner ist in einem statischen Strömungszustand die minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit durch die Einrichtung. Wenn umgekehrt in einem statischen Strömungszustand der Abstand zwischen dem Umfang des Widerstandselementes 26 und dem Umfang des Kanals 18 mit der Rippe 19 vergrößert wird, nimmt die minimal meßbare Strömungsgeschwindigkeit durch die Einrichtung zu. Der Abstand zwischen dem bogenförmigen freien Ende 42 und der Rippe 19 am Boden des Kanalumfangs kann entsprechend dem gewünschten Druck/Strömungs-Verhältnis und den Eigenschaften des durchgeleiteten Fluids abgewandelt werden. Wenn beispielsweise das Fluid ein Gas ist, das gelegentlich Flüssigkeitstropfen enthält, wird ein normaler Fachmann die Notwendigkeit erkennen, einen relativ großen Abstand zwischen dem freien Ende 42 und der Rippe 19 zu ermöglichen, um die Flüssigkeit ungehindert unter dem Widerstandselement 26 passieren zu lassen.
Vorzugsweise befindet sich im statischen Strömungszustand der bogenförmige Teil des Widerstandselementes 26 in gleichbleibendem Abstand vom Umfang des Kanals 18 an der Stelle der Rippe 19. Der Umfang des bogenförmigen Teils des Widerstandselementes 26 ist demnach äquidistant zu der Rippe 19.
Wenn auch die Widerstandseinrichtung 13 aus dem befestigten Element 28, dem Widerstandselement 26 und dem Scharnierelement 34 besteht, so kann doch die Widerstandseinrichtung 13 einstückig ausgebildet sein, vorzugsweise aus einem einheitlichen flächigen Material gebildet. Beispielsweise wird die gesamte Widerstandseinrichtung 13 der bevorzugten Ausführungsformen aus einem nichtrostenden Stahlblech mit einer Dicke von 0,0012 inch geätzt. Ein bevorzugter nichtrostender Stahl ist Sandvik 11R51, hergestellt von Sandvik, Svenska Försäljnings AB, Schweden. Wenn die Widerstandseinrichtung 13 aus einem thermoplastischen Film hergestellt wird, kann die Einrichtung 13 aus einem Stück des thermoplastischen Filmes gestanzt werden.
Gemäß Figur 2 und 4 kann das Gehäuse 4 des Strömungsmeßgerätes 10 mit variabler Öffnung in üblicher Weise aus einer Einlaufhälfte 80 bestehen, die mit einer Auslaufhäflte 82 dichtend verbunden ist, und darin den Kanal 18 mit U-förmigem oder halbkreisförmigem Querschnitt bildet. Die Einlaufund die Auslaufhälfte 80, 82 können aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, diese Teile aus einem Kunststoffmaterial wie etwa Polysulfone herzustellen, dessen Hochtemperatur-Eigenschaften es ermöglichen, wiederholte Sterilisationsvorgänge auszuhalten.
Gemäß Figur 2 ist in der ersten Ausführungsform das befestigte Element 28 in einer komplementär geformten Ausnehmung 46 aufgenommen, die in die Auslaufhälfte 82 eingeätzt ist, so daß das befestigte Element 28 in einer vorgegebenen Ausrichtung in dem Gehäuse 4 angeordnet ist. Das Scharnierelement 34 verläuft durch den Umfang des Kanals 18 und verbindet dadurch das befestigte Element 28 mit dem Widerstandselement 26. Die Einlaufhälfte 80 kann einen Lappen 48 aufweisen, der zur Aufnahme in die Ausnehmung 46 bemessen ist. Die Höhe des Lappens 48 und die Dicke des befestigten Elements 28 gleichen zusammengenommen die Tiefe der Ausnehmung 46 aus. Das befestigte Element 28 kann andererseits auch durch bekannte Anordnungen in dem Gehäuse 4 festgelegt werden. Diese Anordnungen schließen das Einbringen der Einrichtung bei dem Formprozeß des Gehäuses 4 oder dem Verbinden der Einlauf- und Auslaufhälften 80, 82 ein, um das befestigte Element 28 dazwischen festzulegen.
Wie in Figur 4 gezeigt, steht in der zweiten Ausführungsform der Einlaufhälfte 80 die Einlaßöffnung 6 durch den Kanal 18 in Fluidverbindung mit einer Patrizenöffnung 112. Die Einlaufhälfte 80 enthält eine ebene Paßfläche 90, die in einer Ebene mit der Patrizenöffnung 112 der Einlaufhälfte 80 und rechtwinklig zu dem Kanal 18 liegt.
Die Auslaufhälfte enthält eine Matrizenenöffnung 114, die durch den Kanal 18 mit der Auslaßöffnung 8 in Fluidverbindung steht. Die Auslaufhälfte 82 enthält eine ebene Paßfläche 92, die in einer Ebene mit der Matrizenöffnung 114 der Auslaufhälfte 82 und rechtwinklig zu dem Kanal 18 liegt.
Das befestigte Element 28 der Widerstandseinrichtung 13 wird zwischen die Gehäusehälften 80 bzw. 82 gelegt, die dann auf irgendeine geeignete Weise miteinander verbunden werden. Beispielsweise hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Hälften 80, 82 durch Ultraschall miteinander zu verschweißen.
Um gemäß Figur 4 die Einlauf- und die Auslaufhälfte 80, 82 in der zweiten Ausführungsform miteinander zu verbinden, kann die ebene Paßfläche 92 an der Auslaufhälfte 82 mit einer ringförmigen Ausnehmung 34 mit einem etwas größeren Durchmesser als der Außendurchmesser des befestigten Elements 28 versehen sein. Die Ausnehmung ist so bemessen, daß sie das befestigte Element 28 aufnimmt. Der Innendurchmesser der Ausnehmung 94 sollte etwas kleiner als der Innendurchmesser des befestigten Elements 28 sein, um die Positionierung des befestigten Elements 28 in der Ausnehmung zu erleichtern. Über dem oberen horizontalen Teil des Kanals 18 durchsetzt die Ausnehmung 94 in der Auslaufhälfte 82 einen koplanaren Schlitz 96, der auch den Umfang des Kanals 18 durchsetzt. Der Schlitz sollte etwas breiter als die Außenabmessung des Scharnierelements 34 sein. Die Anordnung des Schlitzes 96 ermöglicht die Positionierung und Lagesicherung des Scharnierelements 34 in einer genauen Ausrichtung, wobei das Widerstandselement 26 in dem Kanal 18 in einer vorgegebenen Ausrichtung angeordnet wird, um die Bildung des erwünschten statischen Strömungsbereiches sicherzustellen. Die ringförmige Ausnehmung 94 und der Schlitz 96 können in herkömmlicher Weise durch irgendein geeignetes Verfahren in der Auslaufhälfte 82 ausgebildet werden, beispielsweise durch Formverfahren.
Das befestigte Element 28, das als kreisförmiger Haltering 86 wie in der zweiten Ausführungsform 88 ausgebildet sein kann, liegt in der ringförmigen Ausnehmung 94, wobei das Scharnierelement 34 von dem befestigten Element 28 durch den Schlitz 96 und über den Umfang des Kanals 18 verläuft. Die ringförmige Ausnehmung 94 nimmt dann eine ringförmige Rippe 98 auf, die sich an der ebenen Paßfläche 90 der Einlaufhälfte 80 befindet und eine solche Höhe aufweist, daß die Höhe der ringförmigen Rippe 98 und des befestigten Elements 28 zusammen mit der Tiefe der Ausnehmung gleich sind. Beim Zusammensetzen der Einlaufhälfte 80 und der Auslaufhälfte 82 mit dem in der ringförmigen Ausnehmung 94 befindlichen kreisförmigen Haltering 86 liegen die auslaufseitige Paßfläche 92 und die einlaufseitige Paßfläche 90 in einer gemeinsamen Ebene.
Das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät kann mittels Schraubverbindungen oder Reibungspaßkupplungen an der Einlaßöffnung 6 und der Auslaßöffnung 8 in ein medizinisches System eingefügt werden. Wie in Figur 2 und 4 gezeigt, hat das Einlaßende der Einlaufhälfte 80 einen verringerten Durchmesser, um die Verbindung mit den engen medizinischen Ventilationsleitungen (Endotrachealtuben) zu erleichtern. Das Auslaßende der Auslaufhälfte 82 hat ebenfalls einen verringerten Außendurchmesser, um die Verbindung mit einer medizinischen Fließleitung zu erleichtern. Die Einlaßöffnung 6 und die Auslaßöffnung 8 können gleitend in das Rohr des medizinischen Ventilationssystems mit Reibpassung eingesetzt werden. Die Einzelheiten solcher Anordnungen sind bekannt und bedürfen keiner näheren Erläuterung.
Bei der ersten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes kann die Fluidströmung in dem Kanal 18 in beiden Richtungen verlaufen, wie durch die Pfeile II und III in Figur 1 angegeben. Wenn in einer der beiden Richtungen eine Strömung vorhanden ist, erzeugt die Widerstandseinrichtung 13 zwischen den Druckerfassungsöffnungen 14, 16 eine Druckdifferenz, die dann von dem Druckmeßwertwandler erfaßt wird. Wenn das Fluid in dem Kanal 18 nicht strömt, befindet sich das Widerstandselement 26 in einer vertikalen Lage, wie in Figur 1 gezeigt. In dieser vertikalen Lage hat das Widerstandselement 26 einen Abstand gegenüber der Rippe 19 und dem Umfang des Kanals 18, um auf diese Weise den statischen Strömungsbereich zu bilden. Die Normale zu der Flächenebene des Widerstandselementes 26 verläuft parallel zu dem Kanal 18, wenn in dem Kanal 18 keine Strömung vorhanden ist. Wenn die Fluidströmung in dem Kanal 18 anfängt, tendiert die Normale zu der Flächenebene des Widerstandselementes 26 aus ihrer parallel zu dem Kanal 18 verlaufenden Ausrichtung in eine Ausrichtung, in der die Normale im wesentlichen rechtwinklig zum Kanal 18 liegt, wenn eine maximale Fluidströmungsgeschwindigkeit durch den Kanal 18 vorhanden ist.
Wenn das Fluid durch den Kanal 18 strömt, wird das Widerstandselement 26 stromabwärts gebogen, wie beispielsweise in Figur 1 und 3 gezeigt. Beim Biegen des Widerstandselementes 26 stromabwärts schwenkt das Widerstandselement 26 um eine horizontale Achse, die rechtwinklig zu dem Strömungsweg verläuft, und verringert dabei den Querschnittsbereich des Widerstandselementes 26 gegenüber dessen Lage rechtwinklig zum Strom. Diese Abbiegung des Widerstandselementes 26 vergrößert den effektiven Strömungsbereich durch die Öffnung 24 um das Widerstandselement 26. Dabei bilden das Widerstandselement 26 und der Umfang des Kanals 18 bei einer Strömung durch den Kanal 18 einen dynamischen Strömungsbereich.
Gemäß Figur 1 und 3 erzeugt das von der Einlaßöffnung 6 durch das Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung zu der Auslaßöffnung 8 fließende Fluid eine Druckdifferenz an der Widerstandseinrichtung 13. Bei anfänglichen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten biegt sich das freie Ende 42 des Widerstandselementes 26 aus der vertikalen Lage des statischen Strömungsbereiches und schwenkt dabei das Widerstandselement 26 von der Rippe 19 weg und um eine horizontale, rechtwinklig zur Strömung verlaufende Achse. Diese horizontale Achse liegt auch rechtwinklig zu der Längsachse des Scharnierelementes 34. Die Verschwenkung des Widerstandselementes 26 vergrößert den effektiven Bereich der Öffnung 24, durch den das Fluid fließen kann. Die zum Verschwenken des Widerstandselementes 26 aus der vertikalen Lage erforderliche Kraft nimmt mit dem Ausmaß der Abbiegung des Widerstandselementes 26 aus seiner vertikalen statischen Strömungsstellung zu.
Bei niedrigen Durchflußmengen setzt das Strömungsmeßgerät 10 die geringen Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit leicht in meßbare Änderungen des Differenzdruckes um, so daß sehr geringe Durchflußmengen genau erfaßt werden können. Die Untergrenze des erfaßbaren Strömungsbereiches wird zumindest teilweise durch den statischen Strömungsbereich und durch die Elastizität des Scharnierelementes 34 bestimmt. Der statische Strömungsbereich wird durch den Querschnittsbereich des Kanals 18 bestimmt, der von dem Widerstandselement 26, dem Scharnierelement 34 und der Rippe 19 eingenommen wird, wenn in dem Kanal 18 keine Strömung vorhanden ist.
Die Elastizität des Widerstandselementes 26 ist abhängig von dem Material, aus dem das Widerstandselement 26 und das Scharnierelement 34 bestehen, von der Materialdicke und von der Ausbildung der Widerstandseinrichtung 13. Beispielsweise können in dem Widerstandselement 26 parallele Schlitze ausgebildet sein, wie aus Figur 4b ersichtlich. Es ist auch zu erwähnen, daß die Dicke der Widerstandseinrichtung 13 über ihre Ausdehnung variieren kann. Zum Beispiel kann die Dicke des ebenen Widerstandselementes 26 zu dem bogenförmigen freien Ende 42 hin gegenüber dem Scharnierelement 34 verringert werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Widerstandseinrichtung 13 aus elastisch biegsamem Material wie etwa nichtrostendem Stahl herzustellen. Für einen normalen Fachmann ist ersichtlich, daß stattdessen im einzelnen viele Materialien eingesetzt werden können. Die bei der Materialauswahl zu beachtenden Parameter sind Biegsamkeit, Haltbarkeit und Inertanz gegenüber dem durch das Gerät geleiteten Fluid.
Wie in Figur 1 und 3 dargestellt, erfolgt die Verlagerung des Widerstandselementes 26 um die horizontale Achse bei einer Fluidströmung durch den Kanal 18 in erster Linie durch flexibles Biegen des Scharnierelementes 34. Eine ausreichende Länge des Scharnierelementes 34 ragt in den Kanal 18, um sicherzustellen, daß die Verschwenkung des Widerstandselementes 26 im wesentlichen durch Biegen des Scharnierelementes 34 erfolgt. Wenn auch eine gewisse Verbiegung des Widerstandselementes 26 über dessen Länge erfolgen kann, wird eine solche Verbiegung durch das Ausmaß der Verbiegung des Scharnierelementes 34 dominiert, so daß das Widerstandselement 26 in einer im wesentlichen ebenen Ausbildung verbleibt, wenn eine Fluidströmung durch den Kanal 18 vorhanden ist.
Gemäß Figur 1 und 3 verschwenkt das gestrichelt dargestellte Widerstandselement 26 weiter um eine horizontale Achse, bis bei der maximalen Durchflußmenge das freie Widerstandsende 42 parallel zur Strömung liegt, so daß die Flächenebene des Widerstandselementes 26 parallel zu dem Strömungsweg liegt. Die Normale zur Flächenebene des Widerstandselementes 26 nimmt somit eine rechtwinklige Lage zum Fluidstrom innerhalb des Kanals 18 ein. Für den Fachmann ist ersichtlich, daß bei einer maximalen Durchflußmenge durch den Kanal 18 das Widerstandselement 26 einen sehr niedrigen Widerstand gegen die Fluidströmung ausübt. Diese Eigenschaft unterscheidet sich von der Wirkungsweise des Strömungsmeßgerätes nach dem US- Patent 4688433 (Silverwater). Bei jenem Aufbau erreicht der Widerstand einen spezifischen festen Durchmesser und wirkt dann als eine Öffnung mit festem Durchmesser. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, nahezu den gesamten Kanalquerschnitt für große Durchflußmengen auszunutzen und damit das Auftreten von Verschmutzungen an der Widerstandseinrichtung 13 zu reduzieren.
Zusätzlich zur Ausbildung eines verkleinerten Bereiches zur Anlagerung von mit der Strömung eingetragenen Verschmutzungen ermöglicht die Erfindung ein Säubern der Druckerfassungsöffnungen 14, 16. Ein Strom kann unmittelbar durch die Öffnungen 14, 16 geleitet werden, um aus den Durchlässen alle Fremdstoffe auszuspülen. Eine Durchflußmenge von 5 Liter pro Minute über 250 Millisekunden bewirkt eine Entfernung von Fremdkörpern, die sich in den Öffnungen 14, 16 abgesetzt haben könnten.
In Figur 7 ist eine Kurve zur Darstellung der Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Fluiddurchflußmenge durch den Kanal 18 gezeigt. Die vertikale Achse 50 gibt die Druckdifferenz an der Öffnung 24 an. Die horizontale Achse 52 gibt die Durchflußmenge durch den Kanal 18 an. Die durchgezogene Linie 54 stellt die Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Durchflußmenge durch den Kanal 18 bei der vorliegenden Erfindung dar. Die gestrichelte Linie 56 zeigt die Beziehung zwischen einer Druckdifferenz an einer Öffnung und die Durchflußmenge durch einen Kanal bei einem bekannten Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung.
Die mit P&sub1; bezeichnete Linie gibt die Druckdifferenz der mindestmöglichen Durchflußmenge an, die gemessen werden kann. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung eine Druckdifferenz bei gegebener Durchflußmenge, z.B. Q&sub2;, ermöglicht, die beträchtlich höher ist als bei dem bekannten Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung, wobei genauere Durchflußmengenmessungen bei geringen Durchflußmengen ermöglicht werden.
Die horizontale Linie P&sub2; stellt eine willkürliche Druckdifferenz dar, die höher ist als P&sub1;. Es ist leicht zu verstehen, daß erfindungsgemäß zu dieser Druckdifferenz P&sub2; eine Durchflußmenge Q&sub4; in Beziehung steht, wobei die Durchflußmenge Q&sub4; wesentlich größer ist als bei der festen Öffnungsausbildung gemäß Q&sub3; beim Stand der Technik. Die Erfindung schafft damit genaue Messungen von Durchflußmengen über einen größeren Durchflußmengenbereich als bekannte Meßgeräte mit fester Öffnung.
Das erfindungsgemäße Strömungsmeßgerät mit veränderbarer Öffnung erzeugt somit ein starkes Drucksignal bei niedrigen Durchflußmengen und einen niedrigen Strömungswiderstand bei großen Durchflußmengen. Diese Vorteile kommen in dem niedrigen, durch die Erfindung erreichten "Turndown-Verhältnis" zum Ausdruck. Die veränderliche Widerstandseigenschaft der Widerstandseinrichtung 13 aufgrund ihrer Ausbildung ist in den Figuren 8, 9 und 10 verdeutlicht.
In Figur 8 ist eine Kurve zur Darstellung der Druckdifferenz über der Öffnung 24 und der Durchflußmenge gezeigt. Die senkrechte Achse 50 stellt die Druckdifferenz in Zentimeter Wassersäule an der Öffnung 24 dar. Die horizontale Achse 52 stellt die Durchflußmenge durch den Kanal 18 in Liter pro Minute dar. Die ausgezogene Kurve 60 stellt die empirische Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Durchflußmenge durch den Kanal 18 dar, wenn die vierte Ausführungsform der Widerstandseinrichtung 26, der geschlitzte Widerstand 78 mit einstückigem Scharnier, wie in Figur 4b gezeigt, in das Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung eingesetzt ist.
Die gestrichelte Kurve 62 stellt die empirische Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Durchflußmenge durch den Kanal 18 dar, wenn die dritte Ausführungsform der Widerstandseinrichtung 26, der durchgehende Widerstand 76 mit einstückigem Scharnier, wie in Figur 4a gezeigt, in das Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung eingesetzt ist.
Die strichpunktierte Kurve 58 in Figur 8 stellt die empirische Beziehung zwischen der Druckdifferenz an einer Öffnung und der Durchflußmenge durch einen Kanal bei einem Strömungsmeßgerät mit fester Öffnung entsprechend dem Stand der Technik dar.
In Figur 9 ist eine Kurve zur Darstellung der empirischen Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Fluiddurchflußmenge gezeigt. Die senkrechte Achse 50 stellt die Druckdifferenz in Zentimeter Wassersäule an der Öffnung 24 dar. Die horizontale Achse 52 stellt die Durchflußmenge durch den Kanal 18 in Liter pro Minute dar. Die ausgezogene Kurve 64 stellt die Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Durchflußmenge durch den Kanal 18 dar, wenn die zweite Ausführungsform der Widerstandseinrichtung 26 in das Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung eingesetzt ist.
In Figur 10 ist eine Kurve empirischer Werte zur Darstellung der Druckdifferenz über der Öffnung 24 und der Durchflußmenge gezeigt. Die senkrechte Achse 50 stellt die Druckdifferenz in Zentimeter Wassersäule an der Öffnung 24 dar. Die horizontale Achse 52 stellt die Durchflußmenge durch den Kanal 18 in Liter pro Minute dar. Die ausgezogene Kurve 66 stellt die Beziehung zwischen der Druckdifferenz an der Öffnung 24 und der Durchflußmenge durch den Kanal 18 dar, wenn die zweite Ausführungsform der Widerstandseinrichtung 26, der Widerstand 78 mit zwei Scharnieren, wie in Figur 4, 5 gezeigt, in das Strömungsmeßgerät 10 mit veränderbarer Öffnung eingesetzt ist.
Wenn die Erfindung auch anhand von einzelnen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Andere, von der Entgegenhaltung mit umfaßte Ausführungen und Abwandlungen können durch einen Fachmann erfolgen, insbesondere im Licht der vorstehenden Ausführungen. Alternative Ausführungen, Abwandlungen oder Äquivalente sind in das Wesen und den Umfang der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen bezeichnet ist, eingeschlossen.

Claims

1. Gerät zur Erzeugung von Druckdifferenzen bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten, mit:

einem Gehäuse (4), dessen Innenoberfläche einen dieses durchsetzenden, an einer Einlaßöffnung (6) beginnenden und an einer Auslaßöffnung (8) endenden Kanal (18) bildet;

einer in dem Gehäuse (4) zwischen dem Einlaß (6) und dem Auslaß (8) angeordneten Widerstandsanordnung (13), die ein in dem Gehäuse (4) befestigtes Element (28) und ein in dem Kanal (18) angeordnetes bewegliches Laminarwiderstandselement (26) aufweist, wobei das Widerstandselement so ausgebildet ist, daß es den Fluidstrom durch den Kanal begrenzt, wenn es sich in einer quer zu der Kanalachse verlaufenden Ebene befindet, dadurch gekennzeichnet, daß:

das befestigte Element (28) vollständig außerhalb des Kanals (18) angeordnet ist;

ein Scharnierelement (34) das Widerstandselement (26) mit dem befestigten Element (28) verbindet, das Scharnierelement (34) derart biegsam ausgebildet ist, daß das Widerstandselement (26) bei jeder Strömungsgeschwindigkeit im wesentlichen eben bleibt, das Scharnierelement elastisch biegsam ist, so daß das Widerstandselement auf eine Fluidströmung durch den Kanal (18) mit einer vorbestimmten ersten Strömungsgeschwindigkeit hin sich stromabwärts zu verschwenken beginnt und den Kanal (18) gleichmäßig weiter öffnet als eine Funktion der zunehmenden Strömungsgeschwindigkeit durch den Kanal (18) bis zu einer zweiten vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit, bei der das Widerstandselement (26) eine im wesentlichen parallele Lage zu der Fluidströmung erreicht; das Widerstandselement (26) ist im wesentlichen halbkreisförmig oder im wesentlichen U-förmig mit einer geraden Kante (35), die breiter als die Breite des Scharnierelements (34) ist;

die Wand des Kanals in dem Teil des Kanalumfangs, der in einer quer verlaufenden Ebene gesehen der geraden Kante (35) gegenüberliegt, eine durchgehende flache Ebene ohne vorstehende Rippen in der axialen Strömungsrichtung bildet;

der Kanal an der axialen Stelle des Widerstandselements durch nichts anderes eingeengt wird als durch das Widerstandselement und das Scharnierelement und ggfs. eine Rippe, die von der Innenwand des Gehäuses in den Kanal ragt.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Widerstandsanordnung (13) aus elastischem Material besteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, bei dem das elastische Material nichtrostender Stahl ist.

4. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Scharnierelement (34) ausreichend starr ist, um bei einer Fluidströmung durch den Kanal (18) eine Verdrehung des Widerstandselementes (26) in einer normal zur Biegeachse des Scharnierelementes verlaufenden Querachse zu verhindern.

5. Gerät nach Anspruch 4, bei dem das Scharnierelement (34) mit dem oberen Ende des Widerstandselementes (26) verbunden ist.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Breite des Scharnierelementes weniger als 25% der Umfangslänge des Kanals beträgt.

7. Gerät nach Anspruch 1, bei dem in dem Widerstandselement (26) eine Öffnung (70) ausgebildet ist.

8. Gerät nach Anspruch 7, bei dem die Öffnung (70) aus mehreren voneinander beabstandeten, parallelen, vertikalen Schlitzen (70) besteht.

9. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse eine erste und eine zweite Öffnung (14, 16) aufweist, um den Druck an der ersten (14) bzw. der zweiten Öffnung (16) zu erfassen;

wobei die erste Öffnung (14) und die zweite Öffnung (16) in Fluidverbindung mit dem Kanal (18) und zwischen der Einlaßöffnung (6) und der Auslaßöffnung (8) angeordnet sind; und

die Widerstandsanordnung (13) in der Mitte zwischen der ersten Öffnung (14) und der zweiten Öffnung (16) angeordnet ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, das ferner eine Einrichtung zum Messen einer Druckdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Erfassungsöffnung aufweist.

11. Gerät nach Anspruch 10, bei dem die erste Öffnung (14, 140) sich durch den Kanal (18) erstreckt und mehrere Öffnungen (144) enthält, die eine Fluidverbindung zwischen dem Kanal (18) und der ersten Öffnung (14, 140) bilden.

12. Gerät nach Anspruch 9, bei dem die erste (14, 140) und die zweite Öffnung (16) mit einem Abstand in den Kanal (18) ragen, der größer als die Grenzschicht der Fluidströmung durch den Kanal (18) ist.

13. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Umfang des Kanals (18) im Querschnitt im wesentlichen U-förmig ist.

14. Gerät nach Anspruch 1, bei dem der Umfang des Kanals (18) im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmig ist.

15. Gerät nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Kanal eine Rippe (19) aufweist, die an dem bogenförmigen Umfang des Kanals (18) angeordnet und von dem bogenförmigen Umfang des Widerstandselementes (26) beabstandet ist.

16. Gerät nach Anspruch 1, bei dem das Widerstandselement (26) eine bogenförmige Ausnehmung (35) angrenzend an jeden Übergang zwischen dem Scharnierelement (34) und dem Widerstandselement (26) aufweist.