DE1934583A1

DE1934583A1 - Vorrichtung zum Messen der Stroemungsgeschwindigkeit einer Fluessigkeit in einer Leitung

Info

Publication number: DE1934583A1
Application number: DE19691934583
Authority: DE
Inventors: Dawids Steen Gamwell; Andreasen Dipl-Ing Mogen Myrup; Boe Dipl-Ing Christia Thorkild
Original assignee: INSTITUTTER fur PORDUKTUDVIKL
Current assignee: INSTITUTTER fur PORDUKTUDVIKL
Priority date: 1968-07-10
Filing date: 1969-07-08
Publication date: 1970-01-29
Also published as: NL6910601A; FR2012689A1; US3592057A; GB1241349A

Description

PIPL INQ. LEONH. HAIN

Patentanwalt «Flowmaline«

ι München 2 Jfiownaiing

TAL 11 ■ T. *M7?8 1934583

INSTITUTTET FOR PRODUKTUDVIKLING, Danmarks Tekniske H0jskole, Lyngby, Dänemark

Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Leitung.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Leitung durch Einführen einer Blase aus einem spezifisch leichteren und mit der Flüssigkeit nicht mischbaren Medium , insbesondere eines Gases, in die Leitung und Messen der Zeit, die die Blase benötigt, um eine durch zwei feste Messpunkte in der Leitung definierte Wegstrecke zurückzulegen.

Bei Messungen der Strömungsgeschwindigkeit besonders empfindlicher oder steriler Flüssigkeiten, z.B. im extrakorporalen Blutkreislauf in einer Hämodialysevorrichtung, hat das Blasenverfahren gegenüber anderen Messverfahren, wie dem elektrodynamischen oder dem Doppler-Effekt-Verfahren, den Vorteil, dass die Flüssigkeit nicht mit Flächen in Messapparaturen in Berührung kommt, die sich nur schwer sterilisieren lassen oder ein unerwünschtes Ausfällen von Bestandteilen aus der Flüssigkeit verursachen können, z.B. Fibrin aus dem Blut, welches bekanntlich zur Koagulation des Blutes führen kann. Dafür weist dieses Verfahren jedoch-den Nachteil auf, dass es schwierig ist, die Blase in einer solchen Weise in das Messgut einzuführen, dass sie die Leitung ganz ausfüllt. Bisher hat man manuell und mit Hilfe einer Kanüle eine gewisse Luftmenge in die Leitung eingeführt, doch lässt es sich nur schwierig vermeiden, dass diese Luftmenge in mehrere Blasen aufgeteilt wird, die jeweils zu klein sind, um die Leitung ganz auszufüllen, und es ist erforderlich, während des Einführens der Luft den Flüssigkeitsstrom zu unterbrechen, welches die stationäre Strömung ändert, die man zu messen wünscht.

Die genannten Nachteile, sind bei· der erfindungsgemässen Vorrichtung beseitigt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der Steigstrom- und auf der Fallstromseite der Messpunkte in die" Leitung je eine Kammer eingeschaltet ist, deren lichte Weite grosser als die der Leitung ist, dass die Kammer auf der FaIl-

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stromseite tiefer gelegen ist als die auf der Steigstromseite und dass die Kammer auf der Steigstromseite einen Flüssigkeitseintritt und einen höher als dieser befindlichen Flüssigkeitsaustritt sowie neben dem Flüssigkeitsaustritt einen nach unten wendenden Rezess aufweist, in dessen Boden eine Bohrung vorgesehen ist, die durch eine Leitung mit dem oberen Teil der Kammer auf der Fallstromseite der Messpunkte in Verbindung steht.

Mit einer derartig ausgebildeten Vorrichtung ist es möglich, ohne den Flüssigkeitsstrom zu stören Mediumblasen kontinuierlich zu bilden und diese Blasen in einer solchen Weise in die Flüssigkeit einzuführen, dass jede Blase die Leitung an den Messpunkten ganz ausfüllt. Aus der in der Strömungsrichtung gesehen letzten Kammer strömt das Blasenmedium, das in dieser Kammer durch den Unterschied im spezifischen Gewicht aus dem Messgut ausgeschieden wird, kontinuierlich zurück zur ersten Kammer, in der es sich in der Form einer ständig wachsenden Blase im Rezess ansammelt, bis die Blase so gross geworden ist, dass sie unter dem Einfluss des statischen Ueberdrucks aus dem Rezess entweicht und sich zusammen mit der Flüssigkeit an den Messpunkten vorbeibewegt. Da ein und dieselbe Mediummenge die ganze Zeit in der Vorrichtung zirkuliert, braucht man lediglich vor dem Beginn des Messens dafür zu sorgen, dass sich in dem ansonsten mit Flüssigkeit gefüllten System ein passendes Quantum Medium befindet, das z.B. ein für allemal mit Hilfe einer Kanüle eingeführt werden kann. Die Vorrichtung ist äusserst einfach in ihrer Konstruktion und lässt sich daher so billig herstellen, dass sie nach Gebrauch verworfen werden kann. Falls erforderlich kann sie vor der Verwendung leicht sterilisiert werden, z.B. durch Bestrahlung.

Die Bildung der Mediumblase kann erfindungsgemäss dadurch erleichtert werden, dass die nach unten zeigende Kante des Rezesses in der Draufsicht hauptsächlich kreisförmig ist.

Erfindungsgemäss kann der Durchmesser des Rezesses etwa halb so gross wie der Durchmesser der Kammer in derselben waagerechten Höhe sein, da die Blase dadurch eine solche Grosse annimmt, dass sie den neben dem Rezess befindlichen Querschnitt des Flüssigkeitsaustritts der Kammer ausfüllen kann.

Erfindungsgemäss hat es sich als zweckmässig erwiesen, dass die Kante des Rezesses ein weich abgerundetes Querschnittprofil aufweist. Die Grosse der Kantenrundung, die für die Sta-

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bilität der Blase von Bedeutung ist, ist u.a. von der Oberflächenspannung in der Grenzfläche zwischen dem Blasenmedium und dem Messgut sowie vom Durchmesser und von der Tiefe des Rezesses abhängig.

Erfindungsgemäss kann die Bohrung im Boden des Rezesses eine wesentlich kleinere lichte Weite aufweisen als die angeschlossene, zur anderen Kammer führende Leitung, da das Messgut dadurch effektiv daran gehindert wird, in die angeschlossene Leitung aufzusteigen.

In die' Mediumleitung kann zwischen den beiden Kammern ein verstellbares Drosselorgan eingeschaltet sein, mit dessen Hilfe man durch Aendern der Strömungsgeschwindigkeit des Blasenraediums in der Leitung die Häufigkeit der Blasenbildung regeln kann.

Die auf der Steigstromseite der Messpunkte befindliche Kammer besteht zweckmässigerweise aus einem sich nach unten verjüngenden Unterteil, in dessen Boden der Flüssigkeitseintritt vorgesehen ist, und einem Oberteil, das eine sich in der Hauptsache nach oben verjüngende Austrittpassage sowie den genannten Rezess umfasst, dessen Unterkante dabei etwa in Höhe des grössten Durchmessers der Kammer liegt. Durch diese Ausbildung der Kammer wird eine geeignet niedrige Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an derjenigen Stelle der Kammer erreicht, an der die Blasen gebildet und von der Flüssigkeit mitgenommen werden, so. dass die Blase weniger Gefahr läui't, in kleinere Blasen zerschlagen zu werden, und im Austritt wird die Flüssigkeit wieder auf ihre normale Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt, während gleichzeitig die Blase eingeengt und dadurch mit Sicherheit dazu gebracht wird, den Leitungsquerschnitt auszufüllen.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch wiedergibt, näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 einen lotrechten Schnitt durch die Vorrichtung und einen Teil der zugehörigen Messausrüstung und

Fig. 2 einen waagerechten Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

Die auf der Zeichnung veranschaulichte Vorrichtung ist zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit des Blutkreislaufs in einer Hämodialysevorrichtung*gedacht, in der das Blut eines Pa-

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tienten durch Vorbeiströmen an einer Membran gereinigt wird» auf deren anderen Seite eine geeignete Dialysenflüssigkeit strömt. Die Vorrichtung umfasst ein in der Hauptsache doppelt konisches Gefäss 1, an dessen Boden ein Eintritt 2 vorgesehen ist, an den ein nicht gezeigter Schlauch angeschlossen werden kann, durch welchen das Blut in der durch den Pfeil 3 angegebenen Richtung in die Vorrichtung einströmt. Das Gefäss 1 hat oben einen exzentrisch gelegenen Austritt U^ der durch einen durchsichtigen Schlauch 5 mit dem oberen Teil eines anderen Gefässes 6 in Verbindung steht, das einen Austritt 7 für den Blutstrom aufweist. An zwei in geeignetem Abstand voneinander befindlichen Messpunkten längs des Schlauches 5 sind zwei Lichtquellen 8 mit zugehörigen Kollimatoren 9 und Detektoren 10 angeordnet. In einer im Folgenden näher beschriebenen Weise wird mit geeigneten Zwischenräumen jeweils eine Luftblase in die durch das Gefäss 1 strömende Flüssigkeit eingeführt und wenn sich die Luftblase an den beiden Messpunkten vorbeibewegt, ruft sie ein Signal in den respektiven Detektoren 10 hervor. Der zeitliche Abstand der beiden Signale ist somit ein Mass für die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Schlauch 5.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das Gefäss 6 tiefer.angebracht als das Gefäss 1, genauer gesagt um so viel tiefer, dass die hierdurch bedingte statische Druckdifferenz grosser ist als der durch das Strömen der Flüssigkeit vom Gefäss 1 zum Gefäss 6 verursachte Druckverlust. Ausserdem hat das Gefäss 6 ein so grosses Volumen, dass das Innere des Gefässes nicht ganz von der hindurchströmenden Flüssigkeitsmenge ausgefüllt wird, sondern dass sich über der Flüssigkeit im Gefäss ein mit Luft gefüllter Raum 11 befindet. Der Raum 11 ist durch einen Schlauch 12 an den oberen Teil des Gefässes 1 neben dem Austritt 4 angeschlossen. Die Wand des Gefässes 1 weist an dieser Stelle eine Verdickung 13 mit einer lotrechten Bohrung auf, an die der Schlauch 12 angeschlossen ist. Der untere Teil 14 der Bohrung ist in bezug auf den Schlauch 12 verengt und mündet in der ebenen Bodenfläche eines Rezesses 15, der längs seines Umfanges von einem Wulst 16 abgegrenzt wird, der in der Draufsicht kreisförmig und dessen nach unten zeigende Kante abgerundet ist.

Wenn die durchströmende Flüssigkeitsmenge eine gewisse ,Menge Luft enthält, die den Raum 11 im Gefäss 6 und den Schlauch

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12 ausfüllt, strömt auf Grund der oben erwähnten statischen Druckdifferenz zwischen den Gefässen 6 und 1 Luft aus dem Raum 11 durch den Schlauch 12 und die Bohrung 14 zum Rezess 15. Die Strömungsgeschwindigkeit der Luft wird mit Hilfe eines am Schlauch angebrachten, einstellbaren Drosselorgans 17, das aus einer einfachen, verstellbaren Klemme bestehen kann, geregelt. Die zum Rezess 15 strömende Luftmenge kann auf Grund des Wulstes 16 nicht sofort in die das Gefäss 1 durchströmende Flüssigkeit gelangen, sondern sammelt sich statt dessen in einer ständig wachsenden Blase, die in Fig. 1 mit 18 bezeichnet ist. Wenn die Blase so gross geworden ist, dass sie im wesentlichen den Rezess 15 ausfüllt und unter der Kante des Wulstes 16 hervorzuwachsen beginnt, welches auf Grund des oben erwähnten Ueberdrucks in der Blase möglich ist, wird sie zu einem gewissen Zeitpunkt vom Flüssigkeitsstrom mitgenommen und verlässt seitwärts den Rezess 15. Wenn sich die Blase vom Rezess freigemacht hat, folgt sie dem Flüssigkeitsstrom nach oben durch den Austritt 4, wo ihr Querschnitt nach und nach verengt wird, so wie es in Fig. 1 durch die Blase 18^T angedeutet ist. In Fig. 1 ist ausserdem noch eine Blase 18»^f gezeigt, die den Querschnitt des Schlauches 5 beim Passieren der Detektoren 10 in den beiden Messpunkten ganz ausfüllt.

Die Dimensionen des Rezesses 15 und die Konturen des ihn abgrenzenden Wulstes 16 sind u.a. von der Oberflächenspannung in der Grenzfläche der Blase gegen die Flüssigkeit abhängig, und zwar hat es sich insbesondere als zweckmässig erwiesen, die Wulstkante auf geeignete Weise abzurunden, um das Risiko auszuschalten, dass die gebildete Blase in mehrere kleine Blasen zerfällt, wenn sie sich aus dem Rezess in die durchströmende Flüssigkeit begibt. Die Häufigkeit der Blasenbildung lässt sich, wie oben erwähnt, mit Hilfe des Drosselorgans 17 regeln. Die doppelt konische Form des Gefässes 1 ist auch dazu mitwirkend, das Risiko des Zerschlagens der Blase zu reduzieren, da die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in Höhe des grössten Durchmessers des Gefässes, wo die Blase in die durchströmende Flüssigkeit eingeführt wird, relativ niedrig ist.

Die gezeigte Vorrichtung lässt sich mit Vorteil völlig aus Kunststoff herstellen und vor dem Gebrauch durch Bestrahlung sterilisieren. Da die Vorrichtung sehr billig herzustellen ist, kann sie ohne Bedenken nach Gebrauch verworfen werden, insbeson-

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dere wenn sie in Verbindung mit Hämodialyse verwendet wird. Eine in Uebereinstimmung mit der Erfindung ausgebildete Vorrichtung kann jedoch auch zu anderen Strömungsgeschwindigkeitsmessungen benutzt werden. Zur Bildung der Blasen kann atmosphärische Luft oder ein anderes, mit der Flüssigkeit vereinbares Gas, z.B. Argon, dienen. Auf gewissen Anwendungsgebieten kann auch davon die Rede sein, Blasen aus einer Flüssigkeit zu bilden, die nicht mit derjenigen Flüssigkeit mischbar ist, deren Strömungsgeschwindigkeit gemessen werden soll, und die spezifisch leichter als diese Flüssigkeit ist. Die Vorrichtung wird in diesem Fall in einer der gezeigten entsprechenden Weise mit einer Kammer oder einem Gefäss aufgebaut, worin die Blasenbildung vor sich geht, und einer in der Strömungsrichtung gesehen darauffolgenden Kammer, in der die spezifisch leichtere Flüssigkeit aus dem Messgut ausgeschieden werden kann und worin ein Ueberdruck herrscht, der dazu ausreicht, das Blasenmedium zurück in die Blasenkammer' strömen zu lassen und die Bildung und das Einführen der Blasen in das Messgut zu sichern. Auch wenn der Austritt der Blasenkammer in der gezeigten Ausführungsform lotrecht nach oben verläuft, ist dieses keine Bedingung, denn der Austritt kann auch so angeordnet werden, dass er eine weniger grosse Steigung in bezug auf die Blasenkammer hat."

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Claims

Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Leitung (5) durch Einführen einer Blase aus einem spezifisch leichteren und mit der Flüssigkeit nicht mischbaren Medium, insbesondere eines Gases, in die Leitung und Messen der Zeit, die die Blase benötigt, um eine durch zwei feste Messpunkte in der Leitung definierte Wegstrecke zurückzulegen, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Steigstrom- und auf der Fallstromseite der Messpunkte in die Leitung (5) je eine Kammer (1,6) eingeschaltet ist, deren lichte Weite grosser als die der Leitung ist, dass die Kammer (6). auf der Fallstromseite tiefer gelegen ist als die Kammer (1) auf der Steigstromseite und dass die Kammer (1) auf der Steigstromseite einen Flüssigkeitseintritt (2) und einen höher als dieser befindlichen Flüssigkeitsaustritt (4) sowie neben dem Flüssigkeitsaustritt einen nach unten weisenden Rezess (15) aufweist, in dessen Boden eine Bohrung (14) vorgesehen ist, die durch eine Leitung (12) mit dem oberen Teil der Kammer (6) auf der Fallstromseite der Messpunkte in Verbindung steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nach unten zeigende Kante (16) des Rezesses in der Draufsicht hauptsächlich kreisförmig ist;
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rezesses etwa halb so gross wie der Durchmesser der Kammer (1) in derselben waagerechten Höhe ist.
4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (16) des Rezesses ein weich abgerundetes Querschnittprofil aufweist.
5. ' Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (14) im Boden des Rezesses eine wesentlich kleinere lichte Weite aufweist als die angeschlossene, zur anderen Kammer (6) führende Leitung (12).
6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Mediumleitung (12) zwischen den beiden Kammern ein verstellbares Drosselorgan (17) eingeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Steigstromseite der Messpunkte

909885/0268 BADORK₃₁NAL

• - s -

befindliche Kammer (1) aus einem sich nach unten verjüngenden
Unterteil, in dessen Boden der Flüssigkeitseintritt (2) vorgesehen ist, und einem Oberteil besteht, das eine sich in der Hauptsache nach oben verjüngende Austrittpassage (4) sowie den genannten Rezess (15) umfasst, dessen Unterkante (16) etwa in Höhe des grössten Durchmessers der Kammer liegt.

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