DE102004017403B4 - Messvorrichtung zur Messung des Volumenstromes eines Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Messung des Volumenstromes und Charakterisierung eines Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann, enthaltend eine Anordnung mit einem Y-Stück (2), von dem ein Ende an ein gasdurchströmtes Bauteil angeschlossen ist, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, dessen andere Enden mit gasdurchströmten Bauteilen verbunden sind, in denen kein Wechsel der Strömungsrichtung erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Y-Stück (2) über getrennte im Wesentlichen entkoppelte Strömungswege (6, 7) für Gasströme unterschiedlicher Strömungsrichtung verfügt,
– die zumindest teilweise parallel verlaufen,
– im Bereich des parallelen Verlaufes durch eine ebene Trennwand (5) voneinander getrennt sind und
– im Bereich des parallelen Verlaufes mit Mitteln zur Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases ausgestattet sind.
dadurch gekennzeichnet, dass
– das Y-Stück (2) über getrennte im Wesentlichen entkoppelte Strömungswege (6, 7) für Gasströme unterschiedlicher Strömungsrichtung verfügt,
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung des Volumenstromes eines strömenden Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann. Typische Anwendungen für derartige Messvorrichtungen finden sich auf dem Gebiet der künstlichen Beatmung, wo die Überwachung verschiedener Parameter der Atemluft häufig Bestandteil des Patienten-Monitoring ist und/oder zur Erhöhung der Betriebssicherheit der Beatmungsgeräte beiträgt. Aus diesem Grund soll die Darstellung der Erfindung am Beispiel der Beatmungstechnik erfolgen.
- Bei einer der natürlichen Atmung nachempfundenen maschinellen Beatmung erfolgen Inspiration und Exspiration über einen in die Luftröhre des Patienten eingeführten einkanaligen Tubus. In Patientennähe erfolgt über ein Y-Stück eine Aufspaltung in separate Strömungswege, die über ansteuerbare Ventile freigegeben werden können und so eine entsprechend dem gewählten Beatmungsmodus gewünschte Entkopplung der während Exspiration und Inspiration anfallenden Volumenströme ermöglichen.
- Die Entkopplung der Volumenströme kann aus anatomischen und technologischen Gründen nie vollständig erfolgen. Bereits bei der natürlichen Atmung ergibt sich ein anatomisch bedingtes Totvolumen, das unter anderem durch das Volumen der Luftröhre bestimmt wird. Im Fall der künstlichen Beatmung stellt das Volumen des Tubus ein technologisch bedingtes Totvolumen dar. Befinden sich zwischen dem äußeren Ende des Tubus und dem Beginn der getrennten Strömungsführung weitere von beiden Volumenströmen durchströmte Volumenbereiche, so erhöhen diese automatisch das Totvolumen während der Beatmung. Üblicherweise wird, um einen geringen Strömungswiderstand während der Beatmung zu erzielen, bereits im Übergangsbereich zwischen Tubus und Y-Stück eine Erweiterung des Querschnittes vorgenommen. Dadurch kann das Y-Stück selbst bereits nennenswert zum technologisch bedingten Totvolumen beitragen. Werden zwischen Tubus und Y-Stück weitere durchströmte Bauteile eingesetzt, wie beispielsweise Sensorköpfe mit Flow-Sensoren, erhöhen auch diese das Totvolumen der Beatmungseinheit.
- Das Totvolumen kann in der Regel toleriert werden, wenn das Atemzugvolumen deutlich größer als das Totvolumen ist. Bei der maschinellen Beatmung im medizinischen Bereich kommen jedoch häufig Fälle vor, in denen ein geringes Atemzugvolumen für eine vollständige Beatmung genügen muss. Das kann durch verschiedene Beeinträchtigungen der Funktionalität des Atmungssystems oder durch ein kleines Lungenvolumen bedingt sein. Letzteres liegt zumeist im Bereich der Neonatologie vor. In diesen Fällen ist anzustreben, das Totvolumen während einer künstlichen Beatmung möglichst klein zu halten.
- Häufig wird angestrebt, für ein „Real-Time-Monitoring”, also für die Echtzeitüberwachung eines Patienten, erforderliche Daten möglichst patientennah aus einer Vermessung der durch die Beatmungseinheit geführten Gasströme zu gewinnen. Werden Flow-Sensoren oder Sensoren zur Messung bestimmter Eigenschaften strömender Gase direkt dem zu vermessenden Gasstrom ausgesetzt, liefern sie oftmals nur dann auswertbare Signale, wenn in ihrer direkten Umgebung gleichmäßige Strömungsverhältnisse herrschen und die Sensoren selbst den Gasstrom nicht in undefinierter Weise beeinflussen. Aus diesem Grunde werden Sensoren teilweise in speziellen Bauteilen untergebracht, die nur im Hinblick darauf optimiert sind, in der Umgebung des Sensors definierte Strömungsverhältnisse zu garantieren. Die Integration zusätzlicher Bauteile bedingt jedoch einen erhöhten Aufwand bei der Installation, erweitert möglicherweise das Totvolumen und kann zu Optimierungsproblemen im Gesamtsystem führen, wenn einzelne Bauteile zwar bezüglich ihrer Einzelfunktion optimiert wurden, nicht aber bezüglich eines optimalen Zusammenwirkens.
- Ein Beispiel einer derartigen Optimierung bezüglich einzelner Funktionen ist die Ausgestaltung herkömmlicher Y-Stücke. Diese enthalten einen unverzweigten Bereich, welcher als Sockelbereich bezeichnet werden kann, der in beiden Richtungen durchströmt wird und dessen Dimensionierung im Wesentlichen durch die Anschlussbedingungen an den Tubus bzw. einen Tubusadapter bestimmt wird. Des Weiteren umfassen Y-Stücke zwei Abgänge zum Anschluss getrennter Schläuche, die jeweils nur in einer Richtung durchströmt werden. Bei der Gestaltung dieser Abgänge stehen meist Flexibilitätsforderungen im Mittelpunkt. Die Anschlussstellen müssen aus Gründen der Handhabbarkeit einen gewissen Mindestabstand haben und sollen eine schnelle Montage erlauben. Dadurch können sich schwer definierbare Strömungsverhältnisse im Sockelbereich der Y-Stücke, wo die getrennten Strömungswege zusammengeführt werden, ergeben.
- Aus der
WO 84/01704 A1 - Es ist bekannt, im Sockelbereich eines Y-Stückes Differenzdruckmessungen zur Charakterisierung der Strömung der Atemgase durchzuführen. Die erforderliche Mindestverstetigung der Strömungsverhältnisse führt dabei jedoch zu einem relativ großen Totvolumen (
WO 95/06234 A1 - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Messung des Volumenstromes eines Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann, anzugeben, die eine patientennahe Gewinnung der Messdaten ermöglicht und mit einem sehr geringen Totvolumen auskommt, wobei eine einfache Integration in bestehende Systeme möglich sein soll.
- Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Volumenstromes eines Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann, enthält eine Anordnung mit Y-Stück, von dem ein Ende an ein gasdurchströmtes Bauteil angeschlossen ist, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, dessen andere Enden mit gasdurchströmten Bauteilen verbunden sind, in denen kein Wechsel der Strömungsrichtung erfolgt, wobei das Y-Stück über getrennte im Wesentlichen entkopptelte Strömungswege für Gasströme unterschiedlicher Strömungsrichtung verfügt, die zumindest teilweise parallel verlaufen, im Bereich des parallelen Verlaufes durch eine ebene Trennwand voneinander getrennt sind und im Bereich des parallelen Verlaufes mit Mitteln zur Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung der Strömung des strömenden Gases ausgestattet sind.
- Die Erfindung beruht also im Hinblick auf beatmungstechnische Anwendungen darauf, den in herkömmlichen Y-Stücken unverzweigten Bereich in Tubusnähe als patientennahen Messort zu erschließen und diesen Bereich gleichzeitig nicht mehr als Totvolumen wirken zu lassen. Zu diesem Zweck wird der tubusnahe Sockelbereich des Y-Stückes durch eine in Strömungsrichtung verlaufende Trennwand in zwei Bereiche geteilt. Jeder dieser Bereiche mündet auf der dem Tubus abgewandten Seite in den jeweiligen Ast des Y-Stückes, über den entweder die Zufuhr frischer Atemgase erfolgt oder während der Exspiration der Abtransport der verbrauchten Atemgase vorgenommen wird. Die Trennwand kann auf der tubusnahen Seite des Y-Stückes bis in den Anschlussbereich zum Tubus reichen. In diesem Fall trägt das Y-Stück selbst nicht mehr zum Totvolumen bei.
- Durch die Trennung der Strömungswege bereits im Sockelbereich des Y-Stückes ist es möglich, die Baulänge des Y-Stückes im Sockelbereich zu vergrößern, ohne damit eine Vergrößerung des Totvolumens zu bewirken. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Vergrößerung der Baulänge in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Trennwand bewirkt, dass in den durch die Trennwand getrennten parallel verlaufenden Bereichen des Y-Stückes Strömungsverhältnisse auftreten, die eine zuverlässige Gewinnung interessierender Messwerte aus den Gasströmen in diesem patientennahen Bereich gestatten.
- Die Einführung einer erfindungsgemäßen Trennwand verringert grundsätzlich das Totvolumen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ebene Trennwand bis an den Bereich reicht, in dem der Anschluss an das gasdurchströmte Bauteil erfolgt, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können. Dieser Bereich ist meist durch einen Tubusadapter bestimmt.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
- Eine besonders gute Entkopplung der getrennten Strömungswege erreicht man, wenn am Ende der Trennwand eine bewegliche Klappe befestigt ist, die zwischen zwei Positionen bewegbar ist, wobei sie bei einer Strömungsrichtung vom Y-Stück zum gasdurchströmten Bauteil, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, eine Position einnimmt, die den Strömungsquerschnitt möglichst wenig reduziert, und bei umgekehrter Strömungsrichtung eine Position einnimmt, in der sie das Einströmen in den für diese Strömungsrichtung vorgesehenen Strömungsweg erleichtert.
- Vorteilhaft ist, wenn mindestens eine der beiden Positionen der beweglichen Klappe durch einen Endanschlag bestimmt ist. Eine besonders zweckmäßige und einfache Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn die bewegliche Klappe so befestigt ist, dass die Einstellung der Position der beweglichen Klappe durch auf die Klappe einwirkende Strömungskräfte erfolgt. Vorteilhafterweise kann die Beweglichkeit der Klappe durch elastische Befestigungsmittel zwischen beweglicher Klappe und ebener Trennwand realisiert werden.
- Besonders günstige Strömungsverhältnisse, die zu guten Messergebnissen führen, ergeben sich, wenn der Querschnitt des Y-Stückes im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege annähernd kreisförmig ist. Das gestattet außerdem eine besonders einfach Anpassung an herkömmliche Tubusadapter.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Querschnitt des Y-Stückes im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege annähernd rechteckig. Das ermöglicht, in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege Chip-Sensoren zur Strömungsmessung in/an der Außenwand des Y-Stückes besonders strömungsneutral anzuordnen, da die planare Chip-Geometrie der Geometrie der strömungsbegrenzenden Fläche entspricht.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege Chip-Sensoren zur Strömungsmessung in/an der Trennwand angeordnet sind. Dabei können die für den Betrieb der Chip-Sensoren erforderlichen elektrischen Leitungen in das Innere der Trennwand integriert werden.
- Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zur Strömungsmessung ergibt sich, wenn in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege Hitzdraht-Sensoren zur Strömungsmessung angeordnet sind.
- Es kann vorteilhaft sein, wenn in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege in der Außenwand des Y-Stückes Bohrungen angeordnet sind, durch die eine Druckmessung erfolgen kann, wenn die Bohrungen über Druckleitungen mit Druckmessmitteln verbunden sind.
- Eine besonders hohe Messsicherheit ergibt sich, wenn die Bohrungen in der Außenwand in mindestens ein Puffervolumen führen, dessen Innendruck gemessen werden kann. Die Zahl der Bohrungen kann relativ groß gewählt werden, da die einzelnen Bohrungen nicht mit Druckleitungen versehen werden müssen. Dadurch kommt es zu einer hohen Toleranz gegenüber Verstopfungen einzelner Bohrungen und kleinere Schwankungen oder Inhomogenitäten im Strömungsverlauf zeigen ebenfalls einen geringeren Einfluss auf die Druckmessung. Vorteilhafterweise ist jedem Druckmessmittel ein derartiges Puffervolumen zugeordnet.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege in der Trennwand Öffnungen angeordnet, die über im Inneren der Trennwand verlaufende Kanäle mit Druckmessmitteln verbunden werden können. Dadurch wird die Zahl der in Patientennähe zu führenden Schläuche verringert.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei gleichartige Mittel zur Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases in den getrennten Strömungswegen so gekoppelt sind, dass sie eine Differenzmessung zwischen den getrennten Strömungswegen ermöglichen. Durch eine Differenzmessung ist es in der Regel möglich, bei Überlagerung einer kontinuierlichen Basisströmung mit einer Strömung wechselnder Richtung den Anteil der Strömung wechselnder Richtung zu bestimmen. In manchen medizinischen Anwendungen ist eine Totraumspülung durch eine Basisströmung erforderlich. Durch eine Differenzmessung erweitert sich somit der Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
- Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung mit der Möglichkeit der Messung der Druckdifferenz zwischen den getrennten Strömungswegen ergibt sich, wenn in die Trennwand ein beweglicher Teil integriert und mit Messmitteln versehen ist, der bei einer Druckdifferenz zwischen den getrennten Strömungswegen durch seine Auslenkung ein von der Druckdifferenz abhängiges Signal liefert. Das kann beispielsweise durch ein Piezo-Druckmesselement realisiert werden.
- Ein alternative Ausführungsform mit der Möglichkeit der Messung der Druckdifferenz zwischen den getrennten Strömungswegen ergibt sich, wenn in der Trennwand und den Außenwänden des Y-Stückes im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege ultraschalldurchlässige Fenster angeordnet sind, die annähernd auf einer Geraden liegen, die gegen die Strömungsrichtung geneigt ist, vor den Fenstern außerhalb der Strömungswege Ultraschall-Transducer angeordnet sind, die zwischen sich eine Messstrecke bilden, über die per Laufzeitmessung eine Strömungsmessung erfolgen kann. Dieses Messverfahren zeichnet sich durch eine besonders geringe Beeinflussung der Strömung aus.
- Eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit ergibt sich, wenn in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Ort der Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases Strömungsgleichrichter angeordnet sind. Das können verschiedene Strömungsleitschaufeln sein, die auch bei komplizierten Anströmverhältnissen für eine ausreichend stabile laminare Strömung am jeweiligen Messort sorgen.
- An Ausführungsbeispielen werden im Folgenden erfindungsgemäße Vorrichtungen näher beschrieben.
- Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 : Eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes, -
2 : zwei Querschnitte erfindungsgemäßer Y-Stücke im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege, -
3 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit Bohrungen zur Druckmessung im Bereich der Außenwand, -
4 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Trennwand mit eingearbeiteten Kanälen zur Druckmessung, -
5 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Trennwand mit integriertem Piezo-Druckmesselement, -
6 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Trennwand mit integrierten Chip-Sensoren, -
7 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit integrierter Ultraschall-Messstrecke, -
8 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit integrierten Hitzdraht-Sensoren zur Strömungsmessung, -
9 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit in die Außenwand integrierten Chip-Sensoren, -
10 und11 : schematische Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer beweglichen Klappe am Ende der Trennwand im Anschlussbereich zum Tubusadapter, -
12 : eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit Puffervolumen und Strömungsleitschaufeln. -
1 : In einer Beatmungseinheit zur maschinellen Beatmung ist über einen Tubusadapter1 ein erfindungsgemäßes Y-Stück2 an einen Tubus3 angeschlossen. Der Sockelbereich4 des Y-Stückes wird durch eine ebene Trennwand5 in zwei getrennte parallel verlaufende Strömungswege6 ,7 unterteilt. Über den einen Strömungsweg6 erfolgt während der Beatmung die Inspiration, über den anderen Strömungsweg7 die Exspiration. Beide Strömungswege verlaufen zu den Anschlussstücken (hier nicht dargestellt) des Y-Stückes2 , an welche weitere gasdurchströmte Bauteile, wie Beatmungsschläuche oder ähnliches, angeschlossen werden können. Patientenseitig endet die Trennung der Strömungswege6 ,7 erst im Bereich des Tubusadapters1 . Der Sockelbereich4 des Y-Stückes2 trägt nicht zum Totvolumen der Beatmungseinheit bei. Die Entkopplung der getrennten Strömungswege wird gegenüber Beatmungseinheiten mit herkömmlichen Y-Stücken verbessert. Nur im Tubus3 herrscht eine Strömung, deren Strömungsrichtung sich umkehren kann. Die dargestellten Pfeile verdeutlichen mögliche Strömungsrichtungen in den jeweiligen Abschnitten der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In den parallel verlaufenden Strömungswegen6 ,7 im Sockelbereich4 des Y-Stückes2 herrschen Strömungsverhältnisse, die eine zuverlässige Messung verschiedener Parameter der strömenden Gase ermöglichen, wodurch ein sehr patientennaher Messort erschlossen wird, an dem Strömungen ohne Richtungsumkehr zu messen sind. Dadurch wird die benötigte Messtechnik vereinfacht. - In besonderen Ausgestaltungen des Sockelbereiches
4 des Y-Stückes2 weist dieser gemäß2 entweder einen kreisförmigen4' oder annähernd rechteckigen4'' Querschnitt auf. In beiden Fällen wird er durch eine ebene Trennwand5 geteilt. Insbesondere die Ausführungsform mit annähernd rechteckigem Querschnitt läßt sich vorteilhaft mit planaren Sensoren (nicht dargestellt) kombinieren. -
3 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der über Bohrungen8 ,8' der statische Druck in den Strömungswegen6 ,7 gemessen werden kann. Über Schläuche9 ,9' ist ein Druckmessgerät10 angeschlossen. Mit dieser Konfiguration lassen sich auch Messungen des Differenzdruckes durchführen. -
4 zeigt eine abgewandelte Form einer erfindungsgemäßen ebenen Trennwand5 , in welche Kanäle11 ,11' eingearbeitet sind, die mit einem Druckmessgerät10 verbunden sind. Mit dieser Anordnung lässt sich ebenfalls eine Messung des statischen Druckes in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege messen. Ein Vorteil dieser Bauform ist die geringe Anzahl der in unmittelbare Patientennähe zu führenden Schläuche und die Möglichkeit eines sehr kompakten Aufbaus. -
5 zeigt eine abgewandelte Form einer erfindungsgemäßen ebenen Trennwand5 , in welche ein Piezo-Druckmesselement12 integriert ist. Bei Anliegen einer Druckdifferenz erzeugt die resultierende Krafteinwirkung eine Auslenkung aus der Ruheposition des Piezo-Druckmesselements12 in eine andere Position12' . Dadurch entsteht eine auswertbare Spannung, die mit einem Spannungsmessgerät13 oder entsprechenden Auswerteeinheiten (nicht dargestellt) verarbeitet werden kann. -
6 zeigt eine abgewandelte Form einer erfindungsgemäßen ebenen Trennwand5 , in welche planare Messelemente14 ,14' zur Strömungsmessung integriert sind. Jedes dieser Messelemente liefert über in die Trennwand integrierte elektrische Leitungen15 ,15' ein Signal, das mit einem Spannungsmessgerät13 oder entsprechenden Auswerteeinheiten (nicht dargestellt) verarbeitet werden kann. Diese Ausführungsform zeichnet sich ebenfalls durch eine sehr kompakte Bauform aus und kann zur Messung einzelner Strömungen sowie von Strömungsdifferenzen verwendet werden. -
7 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der in der Trennwand5 und den Außenwänden des Y-Stückes2 im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege6 ,7 ultraschalldurchlässige Fenster16 ,16' ,16'' angeordnet sind, die annähernd auf einer Geraden liegen, die gegen die Strömungsrichtung geneigt ist. Vor den äußeren Fenstern16 ,16'' sind außerhalb der Strömungswege6 ,7 Ultraschall-Transducer17 ,17' angeordnet, die zwischen sich eine Messstrecke bilden, über die per Laufzeitmessung eine Strömungsmessung erfolgen kann. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass kein Sensor direkt einer zu messenden Strömung ausgesetzt werden muss und somit keine Verfälschung der Strömung durch geometrische Einflüsse bewirken kann. -
8 ,9 zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Y-Stückes mit integrierten Hitzdraht-Sensoren18 ,18' direkt in der zu messenden Strömung bzw. planaren Chip-Sensoren19 ,19' zur Strömungsmessung an den die Strömungswege6 ,7 begrenzenden Außenwänden des Y-Stückes2 . In beiden Fällen werden die Messsignale einem Spannungsmessgerät oder einer entsprechenden Auswerteeinheit zugeleitet. Es sind Einzel- oder Differenzmessungen möglich. -
10 ,10.1 und11 ,11.1 zeigen schematische Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer beweglichen Klappe20 am Ende der ebenen Trennwand5 im Anschlussbereich zum Tubusadapter1 während der Inspiration (10 ) und während der Exspiration (11 ) sowie zugehörige vergrößerte Darstellungen (10.1 ,11.1 ) des Bereiches der Verbindung zwischen der beweglichen Klappe20 und der ebenen Trennwand5 . Während der Inspiration befindet sich die bewegliche Klappe20 in einer Position, in der sie den Strömungsquerschnitt des Strömungsweges6 , durch den die Inspiration erfolgt, nur wenig verengt. Wechselt die Strömungsrichtung, stellt die gegen die bewegliche Klappe20 anströmende Gasströmung die bewegliche Klappe20 auf, bis diese eine durch einen festen Anschlag bestimmte Position einnimmt, in der sie den Strömungsquerschnitt des Strömungsweges6 für die Inspiration deutlich verringert. Gleichzeitig wirkt sie für den Strömungsweg7 für die Exspiration als Leitschaufel und erleichtert auf diese Weise ein Einströmen des Exspirationsstromes in den Strömungsweg7 . Dadurch wird eine besonders effektive Entkopplung der getrennten Strömungswege6 ,7 erreicht. - Aus den
10.1 und11.1 lässt sich ein konstruktives Prinzip entnehmen, das eine soeben beschriebene Klappenbewegung ermöglicht. Die Stirnseite der ebenen Trennwand5 weist die Form einer flachen Kerbe auf. Die Flanken22 ,23 dieser Kerbe stehen in einem stumpfen Winkel zueinander. An Stellen, wo sich die Flanken22 ,23 berühren, ist die bewegliche Klappe20 mit elastischen Befestigungsmitteln21 an der ebenen Trennwand5 befestigt. Die Lage der Flanken22 ,23 bestimmt die Lage zweier Anschlagpositionen. Die elastischen Befestigungsmittel21 sind so vorgespannt, dass sich ohne eine Gasströmung oder während der Inspiration die bewegliche Klappe20 in der einen Anschlagposition in Kontakt zu Flanke23 befindet und durch Anströmung während der Exspiration in die andere Anschlagposition bewegt werden kann, in der Kontakt zur Flanke22 besteht. -
12 zeigt eine Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der Bohrungen8 ,8' in der Außenwand des Y-Stückes in Puffervolumina24 ,24' führen, deren Innendruck überwacht wird. Wird eine einzelne Bohrung durch eine Verstopfung verschlossen, hat das kaum einen Einfluss auf die Druckmessung, da jedes der Puffervolumina24 ,24' über mehrere Bohrungen8 ,8' mit dem zu vermessenden Gasstrom kommuniziert. In Strömungsrichtung vor dem Ort der Druckmessung, also in diesem Fall vor dem Ort der Bohrungen8 ,8' , der gleichzeitig dem Ort der Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases im Sinne von Anspruch 16 entspricht, sind Strömungsgleichrichter in Form von Leitschaufeln25 ,25' angeordnet, die für ein besonders gleichmäßiges Strömungsverhalten sorgen, was wiederum besonders verlässliche und reproduzierbare Messwerte bedingt.
Claims (16)
- Vorrichtung zur Messung des Volumenstromes und Charakterisierung eines Gases, dessen Strömungsrichtung sich umkehren kann, enthaltend eine Anordnung mit einem Y-Stück (
2 ), von dem ein Ende an ein gasdurchströmtes Bauteil angeschlossen ist, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, dessen andere Enden mit gasdurchströmten Bauteilen verbunden sind, in denen kein Wechsel der Strömungsrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – das Y-Stück (2 ) über getrennte im Wesentlichen entkoppelte Strömungswege (6 ,7 ) für Gasströme unterschiedlicher Strömungsrichtung verfügt, – die zumindest teilweise parallel verlaufen, – im Bereich des parallelen Verlaufes durch eine ebene Trennwand (5 ) voneinander getrennt sind und – im Bereich des parallelen Verlaufes mit Mitteln zur Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases ausgestattet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Trennwand (
5 ) bis an den Bereich reicht, in dem der Anschluss an das gasdurchströmte Bauteil erfolgt, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zum Bauteil, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, hinweisenden Ende der im Sockelbereich (
4 ) des Y-Stücks angeordneten ebenen Trennwand (5 ) im Sockelbereich (4 ) des Y-Stücks eine bewegliche Klappe (20 ) befestigt ist, die zwischen zwei Positionen bewegbar ist, wobei sie bei einer Strömungsrichtung vom Y-Stück (2 ) zum gasdurchströmten Bauteil, in welchem wechselnde Strömungsrichtungen herrschen können, eine Position einnimmt, die den Strömungsquerschnitt möglichst wenig reduziert und bei umgekehrter Strömungsrichtung eine Position einnimmt, in der sie das Einströmen in den für diese Strömungsrichtung vorgesehenen Strömungsweg erleichtert. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Positionen der beweglichen Klappe durch einen Endanschlag bestimmt ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Klappe (
20 ) so befestigt ist, dass die Einstellung der Position der beweglichen Klappe (20 ) durch auf die Klappe einwirkende Strömungskräfte erfolgt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beweglichkeit der Klappe (
20 ) durch elastische Befestigungsmittel (21 ) zwischen beweglicher Klappe (20 ) und ebener Trennwand (5 ) realisiert wird. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Y-Stückes (
2 ) im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege (6 ,7 ) annähernd kreisförmig oder annähernd rechteckig ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege (
6 ,7 ) Hitzdraht-Sensoren (18 ,18' ) zur Strömungsmessung angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege (
6 ,7 ) Chip-Sensoren (19 ,19' ) zur Strömungsmessung in oder an der Außenwand des Y-Stückes (2 ) oder in oder an der ebenen Trennwand (5 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege (
6 ,7 ) in der Außenwand des Y-Stückes (2 ) Bohrungen (8 ,8' ) angeordnet sind, durch die eine Druckmessung erfolgen kann, wenn die Bohrungen über Druckleitungen (9 ,9' ) mit Druckmessmitteln (10 ) verbunden sind. - Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (
8 ,8' ) in jeweils ein Puffervolumen (24 ,24' ) führen, dessen Innendruck gemessen werden kann. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den parallel verlaufenden Bereichen der getrennten Strömungswege (
6 ,7 ) in der ebenen Trennwand (5 ) Öffnungen angeordnet sind, die über im Inneren der Trennwand verlaufende Kanäle (11 ,11' ) mit Druckmessmitteln (10 ) verbunden werden können. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gleichartige Mittel zur Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases in den getrennten Strömungswegen (
6 ,7 ) so gekoppelt sind, dass sie eine Differenzmessung zwischen den getrennten Strömungswegen (6 ,7 ) ermöglichen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in die ebene Trennwand (
5 ) ein beweglicher Teil integriert und mit Messmitteln versehen ist, der bei einer Druckdifferenz zwischen den getrennten Strömungswegen durch seine Auslenkung ein von der Druckdifferenz abhängiges Signal liefert. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass – in der ebenen Trennwand (
5 ) und den Außenwänden im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege (6 ,7 ) ultraschalldurchlässige Fenster (16 ,16' ,16'' ) angeordnet sind, – die annähernd auf einer Geraden liegen, die gegen die Strömungsrichtungen im Bereich des parallelen Verlaufes der getrennten Strömungswege (6 ,7 ) geneigt ist, – vor den Fenstern außerhalb der Strömungswege Ultraschall-Transducer (17 ,17' ) angeordnet sind, die zwischen sich eine Messtrecke bilden, – über die per Laufzeitmessung eine Strömungsmessung erfolgen kann. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem jeweiligen Ort der Gewinnung von Messwerten zur Charakterisierung des strömenden Gases Leitschaufeln (
25 ,25' ) für ein gleichmäßiges Strömungsverhalten (25 ) angeordnet sind.
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