PL244335B1

PL244335B1 - Breathing gas stream measuring head

Info

Publication number: PL244335B1
Application number: PL439087A
Authority: PL
Inventors: Marek Darowski; Maciej KOZARSKI; Maciej Kozarski
Original assignee: Inst Biocybernetyki I Inzynierii Biomedycznej Im Macieja Nalecza Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2024-01-15
Also published as: PL439087A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest głowica pomiarowa strumienia gazu o zmiennej powierzchni kryzy, charakteryzująca się tym, że jest zbudowana z pokrywy górnej zaopatrzonej w końcówkę pneumatyczną (7) i w pierwszą końcówkę impulsową oraz z pokrywy dolnej zaopatrzonej w końcówkę pneumatyczną (8) i w drugą końcówkę impulsową przy czym osie końcówek (7) oraz (8) są do siebie równoległe i leżą w jednej płaszczyźnie a między pokrywami górną i dolną znajduje się dociśnięta nimi bez luzu płaska folia sprężysta (3) mająca U-kształtną szczelinę, przy czym fragment folii (3) w postaci swobodnego listka sprężystego o szerokości h oraz długości l, znacznie większej od szerokości h, nie podlega dociskowi między pokrywami górną oraz dolną i może się swobodnie odchylać pod wpływem strumienia q gazu wprowadzonego przez końcówki pneumatyczne (7) oraz (8), a na wewnętrznych ściankach pokryw oraz znajduje się przylegająca do tych ścianek nakładka linearyzująca (5) położona naprzeciwko ruchomej krawędzi folii (3) a jej krzywoliniowy, zewnętrzny profil pr o tworzącej równoległej do płaszczyzny przechodzącej przez osie końcówek pneumatycznych (7) oraz (8) i prostopadłej do płaszczyzny folii (3), dający zwiększającą się wraz z wychyleniem listka szczelinę, linearyzuje charakterystykę pomiarową głowicy pomiarowej poprzez, w przybliżeniu, proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego ze strumienia q zwiększenie powierzchni efektywnej A<sub>ƒ</sub> szczeliny, przy czym wychylenie listka folii (3) następuje pod wpływem działania strumienia q przepływającego gazu, dzięki czemu w efekcie uzyskuje się pożądaną, proporcjonalną zależność pomiarowego spadku ciśnienia Dp od strumienia q gazu.The subject of the application is a gas flow measuring head with a variable orifice area, characterized by the fact that it is composed of an upper cover equipped with a pneumatic tip (7) and a first impulse tip, and a lower cover equipped with a pneumatic tip (8) and a second impulse tip, with the axes of the ends (7) and (8) are parallel to each other and lie in one plane, and between the upper and lower covers there is a flat elastic foil (3) pressed without play, having a U-shaped slot, with a fragment of foil (3) in in the form of a free elastic leaf with a width h and a length l, much larger than the width h, is not subject to pressure between the upper and lower covers and can freely deflect under the influence of the gas stream q introduced through the pneumatic terminals (7) and (8), and on the internal walls of the covers and there is a linearizing overlay (5) adjacent to these walls, located opposite the movable edge of the foil (3), and its curvilinear, external profile forming parallel to the plane passing through the axes of the pneumatic terminals (7) and (8) and perpendicular to the plane foil (3), giving a gap that increases with the deflection of the leaf, linearizes the measurement characteristics of the measuring head by increasing the effective area A<sub>ƒ</sub> of the gap approximately proportional to the square root of the stream q, while the deflection of the foil leaf (3) occurs under the influence of the flowing gas stream q, which results in the desired, proportional dependence of the measured pressure drop Dp on the gas stream q.

Description

Przedmiotem wynalazku jest głowica pomiarowa z kryzą o zmiennym przekroju służącą do pomiaru strumienia gazu oddechowego w systemach sztucznej wentylacji płuc i w układach diagnostycznych właściwości mechanicznych płuc.The subject of the invention is a measuring head with an orifice with a variable cross-section used to measure the respiratory gas stream in artificial lung ventilation systems and in diagnostic systems for the mechanical properties of the lungs.

Znane są od dawna liczne rozwiązania pneumatycznych czujników pomiarowych strumienia gazu, w których jako element oporowy stosuje się kryzy o zmiennej powierzchni efektywnej dla uzyskania liniowej zależności pomiarowego spadku ciśnienia od strumienia gazu przepływającego przez kryzę i tym samym stałej czułości pomiarowej w całym zakresie pomiarowym czujnika. Do takich rozwiązań należą czujniki strumienia przedstawione np. w patentach US20060207658A1 lub US4083245A. Ich cechą wspólną jest wprowadzanie strugi gazu przez końcówki dolotowe prostopadle do płaszczyzny sprężystego listka kryzy - uginającego się pod wpływam oddziaływania gazu. Z takim, wzajemnym usytuowaniem końcówek dolotowych i listka kryzy są związane ograniczenia konstrukcyjne utrudniające jednoczesne uzyskanie dużej czułości pomiarowej i dobrych właściwości dynamicznych czujnika strumienia. Jest to konsekwencją konieczności zachowania wzajemnych proporcji między rozmiarami listka i wewnętrznej komory czujnika. Ma to także związek z dążeniem do ograniczenia turbulencji przepływu w obszarze wokół kryzy i tym samym minimalizowania szumów pomiarowych czujnika. Opisane rozwiązania czujników pomiarowych, zawierających kryzy o zmiennej powierzchni efektywnej, różnią się między sobą przede wszystkim sposobem wyprowadzenia sygnałów pomiarowych spadku ciśnienia i różnym kształtem listka kryzy.Numerous solutions for pneumatic gas flow measurement sensors have been known for a long time, in which orifices with a variable effective area are used as the resistance element to obtain a linear dependence of the measurement pressure drop on the gas stream flowing through the orifice and thus constant measurement sensitivity throughout the entire measuring range of the sensor. Such solutions include flow sensors presented, for example, in patents US20060207658A1 or US4083245A. Their common feature is the introduction of a gas stream through the intake nozzles perpendicular to the plane of the flexible orifice leaf - which bends under the influence of the gas. This mutual location of the inlet nozzles and the orifice leaf is associated with design limitations that make it difficult to simultaneously achieve high measurement sensitivity and good dynamic properties of the flux sensor. This is a consequence of the need to maintain mutual proportions between the sizes of the leaf and the internal sensor chamber. This is also related to the desire to limit flow turbulence in the area around the orifice and thus minimize the sensor measurement noise. The described solutions of measurement sensors, containing orifices with a variable effective area, differ primarily in the method of deriving pressure drop measurement signals and the different shape of the orifice leaf.

Są także znane rozwiązania oporowych, pneumatycznych czujników pomiarowych strumienia gazu oddechowego o niezmiennej geometrii, w których, aby uzyskać liniową zależność pomiarowego spadku ciśnienia od strumienia gazu, kształtuje się drogę przepływu strugi w sposób zapobiegający powstawaniu turbulencji przepływu, czyli laminaryzujący przepływ. Do takich przykładowych rozwiązań należy czujnik opisany w patencie US5925831. Są to jednak konstrukcje odpowiednie przede wszystkim dla małych strumieni gazu w warunkach, gdy liczba Reynoldsa charakteryzująca przepływ gazu nie przekracza wartości krytycznej dla danego kształtu drogi strumienia gazu. Ponadto stosowalność czujników laminarnych jest ograniczona w zasadzie tylko do pomiarów przepływu wdechowego, z czystym powietrzem bez plwociny itp.There are also known solutions of resistive, pneumatic sensors for measuring the breathing gas stream with unchanging geometry, in which, in order to obtain a linear dependence of the measurement pressure drop on the gas stream, the flow path of the stream is shaped in a way that prevents the formation of flow turbulence, i.e. laminarizing the flow. Examples of such solutions include the sensor described in patent US5925831. However, these structures are suitable primarily for small gas streams in conditions where the Reynolds number characterizing the gas flow does not exceed the critical value for a given shape of the gas stream path. Moreover, the applicability of laminar sensors is basically limited only to measurements of inspiratory flow, with clean air without sputum, etc.

Głowica pomiarowa strumienia gazu oddechowego o zmiennej powierzchni kryzy według wynalazku jest zbudowana z pokrywy górnej, zaopatrzonej w końcówkę pneumatyczną oraz z antysymetrycznej do niej pokrywy dolnej, zaopatrzonej w końcówkę pneumatyczną. Między tymi pokrywami znajduje się dociśnięta nimi cienka, sprężysta i płaska folia mająca U-kształtną szczelinę tworzącą ruchomy listek kryzy o szerokości znaczne mniejszej od długości mierzonej w kierunku równoległym do leżących w jednej płaszczyźnie osi końcówek pneumatycznych. Fragment folii w postaci ruchomego listka nie podlega dociskowi przez pokrywy głowicy i może się swobodnie odchylać pod wpływem strugi gazu przepływającego przez końcówki pneumatyczne pokryw.The measuring head of the breathing gas stream with a variable orifice area according to the invention is composed of an upper cover, equipped with a pneumatic tip, and a lower cover, antisymmetric to it, equipped with a pneumatic tip. Between these covers there is a thin, flexible and flat foil pressed against them, having a U-shaped gap creating a movable orifice leaf with a width much smaller than the length measured in a direction parallel to the axes of the pneumatic terminals lying in one plane. A fragment of the foil in the form of a moving leaf is not subject to pressure from the head covers and can freely deflect under the influence of the gas stream flowing through the pneumatic ends of the covers.

Pierwszą, istotną cechą wynalazku jest to, że na wewnętrznych ściankach pokryw jest umocowana nakładka linearyzująca, położona symetrycznie względem płaszczyzny styku pokryw naprzeciwko ruchomej krawędzi listka folii. Krzywoliniowy, zewnętrzny profil nakładki linearyzującej, o tworzącej równoległej do płaszczyzny przechodzącej przez osie końcówek i prostopadłej do płaszczyzny styku pokryw, linearyzuje charakterystykę pomiarową głowicy poprzez zwiększenie efektywnej powierzchni szczeliny między nakładką i krawędzią listka folii w przybliżeniu proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z mierzonego strumienia gazu. Zmiana szczeliny następuje pod wpływem działania strumienia gazu przepływającego przez głowicę pomiarową i doprowadzonego do jej końcówek pneumatycznych.The first important feature of the invention is that a linearizing overlay is mounted on the inner walls of the covers, located symmetrically in relation to the contact plane of the covers, opposite the movable edge of the foil leaf. The curvilinear, external profile of the linearizing overlay, with its formation parallel to the plane passing through the axes of the tips and perpendicular to the contact plane of the covers, linearizes the measurement characteristics of the head by increasing the effective gap area between the overlay and the edge of the foil leaf approximately in proportion to the square root of the measured gas stream. The change in the gap occurs under the influence of a gas stream flowing through the measuring head and supplied to its pneumatic terminals.

Drugą, istotną cechą wynalazku jest to, że końcówki pneumatyczne są do siebie równoległe i pochylone względem płaszczyzny folii korzystnie pod kątem, który jest jednocześnie kątem pochylenia prostoliniowych grzbietów ścianek wewnętrznych pokryw, co zapewnia równomierny rozpływ strugi gazu wzdłuż szczeliny kryzy. Otwory w folii, usytuowane wzdłuż wewnętrznych krawędzi pokryw, bocznikujące główny przepływ gazu, dają dodatkową możliwość kształtowania charakterystyki głowicy pomiarowej.The second important feature of the invention is that the pneumatic tips are parallel to each other and inclined relative to the plane of the foil, preferably at an angle, which is also the angle of inclination of the rectilinear ridges of the inner walls of the covers, which ensures even distribution of the gas stream along the flange gap. Holes in the foil, located along the inner edges of the covers, bypassing the main gas flow, provide an additional opportunity to shape the characteristics of the measuring head.

Ponadto w głowicy pomiarowej strumienia gazu według wynalazku nakładka linearyzująca jest sztywno związana tylko z jedną pokrywą głowicy pomiarowej, natomiast przylega suwliwie do drugiej pokrywy głowicy pomiarowej.Moreover, in the gas flow measuring head according to the invention, the linearizing cap is rigidly connected only to one cover of the measuring head, but slides to the second cover of the measuring head.

Rozwiązanie głowicy pomiarowej strumienia gazu według wynalazku pozwala na uzyskanie właściwości metrologicznych lepszych niż w typowych, obecnie powszechnie stosowanych rozwiązaniach.The solution of the gas stream measuring head according to the invention allows for obtaining better metrological properties than in typical, currently commonly used solutions.

PL 244335 BIPL 244335 BI

Przede wszystkim, dzięki swobodzie doboru profilu nakładki linearyzującej i jednocześnie powiększeniu długości I listka folii oraz skróceniu jego szerokości h można istotnie zwiększyć częstotliwość rezonansową listka a przez to zwiększyć dynamiczne pasmo przenoszenia głowicy pomiarowej przy jednoczesnym zachowaniu małego dopuszczalnego spadku ciśnienia odpowiadającemu górnemu zakresowi pomiarowemu strumienia gazu. Ponadto, usytuowanie końcówek pneumatycznych pokryw tak, że doprowadzają one strugę gazu wzdłuż szczeliny kryzy, pozwala na jej spokojny, równomierny rozpływ wzdłuż szczeliny zmniejszając turbulencje przepływu.First of all, thanks to the freedom to select the profile of the linearizing overlay and at the same time increasing the length of the foil leaf I and shortening its width h, it is possible to significantly increase the resonant frequency of the leaf and thus increase the dynamic bandwidth of the measuring head while maintaining a low permissible pressure drop corresponding to the upper measuring range of the gas stream. Moreover, the location of the pneumatic ends of the covers in such a way that they supply a stream of gas along the flange gap allows for its quiet, even distribution along the gap, reducing flow turbulence.

Ponadto, dzięki temu, iż profil p_r nakładki linearyzującej zawsze może być dobrany do aktualnych właściwości sprężystych folii, z której jest wykonany listek sprężysty, istotnie zmniejszają się wymagania dotyczące zachowania parametrów mechanicznych materiału folii - głównie jej modułu sprężystości i grubości.Moreover, due to the fact that the profile p _r of the linearizing overlay can always be matched to the current elastic properties of the foil from which the elastic leaf is made, the requirements for maintaining the mechanical parameters of the foil material - mainly its elastic modulus and thickness - are significantly reduced.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny C-C głowicy pomiarowej dokonany w osi końcówek pneumatycznych 7 oraz 8 w płaszczyźnie prostopadłej do folii 3, następnie fig. 2 przedstawia przekrój głowicy pomiarowej w płaszczyźnie A-A prostopadłej do nakładki linearyzującej 5, a fig. 3 przedstawia przekrój głowicy pomiarowej w płaszczyźnie B-B równoległej do płaszczyzny folii 3 obrazujący U-kształtne wycięcie 9 tworzące listek sprężysty 3a o krawędzi 3b położonej naprzeciwko profilu pr nakładki linearyzującej 5.The subject of the invention is shown in an example embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a cross-section C-C of the measuring head made in the axis of the pneumatic tips 7 and 8 in a plane perpendicular to the foil 3, then Fig. 2 shows a cross-section of the measuring head in the A-A plane perpendicular to the linearizing overlay. 5, and Fig. 3 shows a cross-section of the measuring head in the B-B plane parallel to the plane of foil 3, illustrating the U-shaped cutout 9 forming an elastic leaf 3a with an edge 3b located opposite the profile pr of the linearizing overlay 5.

Głowica pomiarowa strumienia gazu oddechowego przedstawiona na rysunku w przykładzie wykonania, jest zbudowana z dwóch sztywno ze sobą związanych pokryw. Górna pokrywa 1 ma końcówkę pneumatyczną 7 doprowadzającą mierzony strumień q gazu oraz pierwszą końcówkę impulsową 6 służącą do pomiaru spadku ciśnienia na głowicy pomiarowej. Dolna pokrywa 2 ma końcówkę pneumatyczną 8 doprowadzającą mierzony strumień q gazu oraz drugą końcówkę impulsową 4 służącą do pomiaru spadku ciśnienia na głowicy pomiarowej. Między końcówkami impulsowymi 6 oraz 4 dokonuje się pomiaru różnicy ciśnień Dp będącej miarą strumienia q. Pomiędzy górną pokrywą 1 i dolną pokrywą 2 znajduje się dociśnięta nimi płaska folia sprężysta 3 z U-kształtnym wycięciem 9 tworzącym ruchomy listek sprężysty 3a. Naprzeciwko krawędzi 3b listka 3a znajduje się, co pokazano na fig. 2, symetryczna względem płaszczyzny folii 3 nakładka linearyzująca 5, przymocowana sztywno do jednej z pokryw (korzystnie za pomocą połączenia klejowego) i przymocowana suwliwie w stosunku do drugiej pokrywy. Opisane sztywne połączenie pokryw 1 oraz 2, nakładki linearyzującej i folii sprężystej 3 (z U-kształtnym wycięciem) tworzy kryzę pomiarową o zmiennej szczelinie 9.The measuring head of the breathing gas stream shown in the drawing in an exemplary embodiment is composed of two covers rigidly connected to each other. The upper cover 1 has a pneumatic tip 7 supplying the measured gas stream q and the first impulse tip 6 used to measure the pressure drop on the measuring head. The lower cover 2 has a pneumatic tip 8 supplying the measured gas stream q and a second impulse tip 4 used to measure the pressure drop on the measuring head. The pressure difference Dp is measured between the impulse terminals 6 and 4, which is a measure of the flow q. Between the upper cover 1 and the lower cover 2 there is a flat elastic foil 3 pressed against them with a U-shaped cutout 9 forming a movable elastic leaf 3a. Opposite the edge 3b of the leaf 3a, as shown in Fig. 2, there is a linearizing overlay 5, symmetrical in relation to the plane of the foil 3, rigidly attached to one of the covers (preferably by means of an adhesive connection) and slidably attached to the other cover. The described rigid connection of covers 1 and 2, the linearizing cover and the flexible foil 3 (with a U-shaped cutout) creates a measuring flange with a variable gap 9.

Profil pr (fig. 2) nakładki linearyzującej 5, znajdujący się od strony krawędzi 3b listka sprężystego 3, linearyzuje charakterystykę pomiarową głowicy pomiarowej w wyniku zmieniającej się wraz z ugięciem listka sprężystego 3a powierzchni efektywnej Af szczeliny 9 kryzy. Powierzchnia Af zmienia się w przybliżeniu proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego ze strumienia q gazu. W efekcie uzyskuje się pożądaną, liniową charakterystykę pomiarową głowicy w postaci proporcjonalnej zależności między strumieniem q objętości gazu i spadkiem ciśnienia Dp mierzonym między końcówkami impulsowymi 4 oraz 6 pokryw głowicy pomiarowej, czyli w postaci zależności:The profile pr (Fig. 2) of the linearizing overlay 5, located on the side of the edge 3b of the elastic blade 3, linearizes the measurement characteristics of the measuring head as a result of the effective surface Af of the slot 9 of the orifice changing with the deflection of the elastic blade 3a. The area Af varies approximately in proportion to the square root of the gas flow q. As a result, the desired linear measurement characteristic of the head is obtained in the form of a proportional relationship between the gas volume flow q and the pressure drop Dp measured between the impulse terminals 4 and 6 of the measuring head covers, i.e. in the form of the relationship:

Dp = Kq w której Kjest współczynnikiem proporcjonalności zależnym jedynie od gęstości gazu.Dp = Kq where K is the proportionality coefficient depending only on the gas density.

Końcówki pneumatyczne 7 oraz 8 są pochylone (fig. 1) względem płaszczyzny folii 3 korzystnie pod kątem a, równym kątowi pochylenia prostoliniowych grzbietów 1a oraz 2a odpowiednio ścianek wewnętrznych pokryw 1 oraz 2, co zapewnia równomierny rozpływ strugi gazu względem szczeliny 9 kryzy. Ponadto, w folii sprężystej 3 w pobliżu krawędzi pokryw są wykonane otwory 10 pozwalające dodatkowo kształtować rozpływ strugi gazu i tym samym charakterystykę pomiarową głowicy.The pneumatic ends 7 and 8 are inclined (Fig. 1) in relation to the plane of the foil 3, preferably at an angle a, equal to the angle of inclination of the straight ridges 1a and 2a of the internal walls of the covers 1 and 2, respectively, which ensures even distribution of the gas stream in relation to the gap 9 of the orifice. Moreover, holes 10 are made in the elastic foil 3 near the edges of the covers, which additionally allow shaping the flow of the gas stream and thus the measurement characteristics of the head.

Głowica pomiarowa strumienia gazu oddechowego według wynalazku, dzięki możliwości wykonania jej z tworzyw sztucznych w taniej, masowej technologii wtryskowej może mieć liczne zastosowania w układach sztucznej wentylacji płuc i diagnostyce chorób układu oddechowego a także w medycznych układach klimatyzacyjnych.The measuring head of the respiratory gas stream according to the invention, thanks to the possibility of making it from plastics using cheap, mass injection technology, can have numerous applications in artificial lung ventilation systems and diagnostics of respiratory diseases, as well as in medical air-conditioning systems.

Claims

1. Gas flow measuring head with a variable orifice area, composed of an upper cover (1) equipped with a pneumatic tip (7) and a first impulse tip (6) and a lower cover (2) equipped with a pneumatic tip (8) and a second tip

PL 244335 BI impulse (4), where the axes of the tips (7) and (8) are parallel to each other and lie in one plane, characterized in that on the inner walls of the covers (1) and (2) there is an overlay adjacent to these walls linearizing (5) located opposite the movable edge (3b) of the elastic leaf (3a) of the foil (3) and its curvilinear, external profile (pr) with a structure parallel to the plane passing through the axes of the pneumatic terminals (7) and (8) and perpendicular to the plane foil, giving a gap (9) that increases with the deflection of the leaf (3a), linearizes the measurement characteristics of the measuring head by increasing the effective area Af of the gap (9) approximately proportional to the square root of the y/q flux, while the deflection of the leaf ( 3a) of the foil (3) occurs under the influence of the flowing gas stream q, which results in the desired, proportional relationship in the form of the equation

Dp = K q where Dp is the pressure drop between the pneumatic impulse tips, i.e. the first impulse tip (6) located in the upper cover (1) and the second impulse tip (4) located in the lower cover (2), and ą is the volume flow gas flowing through the ends (7) and (8) and K is the proportionality coefficient depending only on the gas density, with the foil fragment (3) in the form of a free elastic leaf (3a) having a width h and a length I, much larger than the width h.

2. Gas flow measuring head according to claim. 1, characterized in that the pneumatic tips (7) and (8) have axes parallel to each other and inclined relative to the plane of the elastic foil (3), preferably at an angle a, which is also the angle of inclination, relative to the plane of the elastic foil (3), of rectilinear ridges (1a) and (2a) of the inner walls of the upper cover (1) and the lower cover (2), respectively.

3. Gas flow measuring head according to claim. 1, characterized in that the elastic foil (3) preferably has holes (10) bypassing the gas stream, located tangentially to the inner edges of the covers (1) and (2).

4. Measuring head according to claim 1, characterized in that the linearizing cap (5) is rigidly connected only to one measuring head cover, preferably by means of an adhesive connection, while it adheres slidably to the second measuring head cover.