DE3020265C2 - Pneumotachograph - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Pneumotachograph gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher Pneumotachograph ist aus der Literaturstelle »Anesthesiology«, Bd. 51, Nr. 2, Aug. 1979, Seiten 149—153, insbesondere Fig. 1, aber auch aus der US-PS 40 83 245 bekannt. Der dort gezeigte Pneumotachograph hat eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung, die einen Strömungsweg für die Atmungsgase bilden. Auf diesem Strömungsweg sind im Abstand voneinander zwei Pitotrohre angeordnet zwischen denen eine Druckdifferenz gemessen wird. Im Bereich zwischen den beiden Pitotrohren ist eine Einrichtung zur Messung einer Druckdifferenz angeordnet, die bei dem in der genannten Literaturstelle in Fig. 1 dargestellten Pneumotachograph aus einem Bund und bei dem in der US-PS 40 83 245 gezeigten Pneumotachograph aus einem in den Strömungsweg ragenden elastischen Lappen besteht

Auch die DE-OS 22 33 829 zeigt einen Pneumotachograph, bei welchem zwischen den beiden Pitotrohren in dem von einem Rohr gebildeten Strömungsweg Luftöffnungen vorgesehen sind, die von einem Rohr umschlossen sind, welches mit einem Pulsgenerator zur Erzeugung von sinusförmigen Druck- und/oder Strömungsschwankungen verbunden ist

Die vorbekannten Pneumotachographen haben den Nachteil, daß ihre Meßempfindlichkeit nicht besonders günstig ist und sich bei längerem Betrieb verschlechtert

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den gattungsgemäßen Pneumotachograph so auszubilden, daß er eine erheblich gesteigerte Empfindlichkeit aufweist, die auch während langer Einsatzzeiten erhalten bleibt

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Mittel erzielt

Der erfindungsgemäße Pneumotachograph hat den Vorteil einer überraschend günstigen Meßempfindlichkeit die auch während langer Zeiträume erhalten bleibt, da ein Zusetzen der Pitotrohre durch Schleim und dgl. wirksam verhindert wird.

Auch aus der DE-AS 23 56 725 ist ein Strömungsmesser mit einem Strömungsrohr bekannt, das zur Messung des Atemstromes verwendet wird und in welchem in radialer Richtung ein Meßstift mit zwei öffnungen für Meßdruckleitungen und dem Mt'Js'ift gegenüber ein Verdrängungskörper angeordnet sind, wobei sich die Öffnungen auf den beiden Seiten eines durch Meßstift und Verdrängungskörper gebildeten verengten scharfkantigen Strömungsquerschnitts befinden. Dieser Strömungsmesser arbeitet nach dem an sich bekannten Meßprinzip einer Blende.

Ferner ist aus der DE-AS 20 34 097 ein Strömungsmesser mit zwei einem Strömungsrohr im Abstand zugeordneten Druckableitstutzen sowie einem dazwischen angeordneten Strömungswiderstand bekannt, der aus einem Blechstapel mit definierten Leitungscharakteristiken besteht. Auch in der Literaturstelle »Encyclopedia of Science and Technology«, 1977, Seiten 336—342 sind nach an sich bekannten Prinzipien mittels Blenden oder einer Reduzierung des Rohrquerschnittes arbeitende Strömungsmesser beschrieben.

Durch die in Patentanspruch 6 angegebenen Maßnahmen entsteht eine lineare Beziehung zwischen dem gemessenen Differenzdrucksignal und der Strömung, ohne daß ein Mikroprozessor oder eine analoge Technik eingesetzt wird.

Mit den im Patentanspruch 7 beschriebenen Maßnahmen wird die Meßempfindlichkeit noch weiter erhöht Außerdem wird auch der Vorteil eines größeren Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht. Der erfindungsgemäße Pneumotachograph erhält mit diesen Maßnahmen auch den Vorteil eines relativ kleinen Aufbaus und eines geringen Totraumes. Seine Arbeitsweise besteht in einem Druckaufbau stromauf in der Nähe des einen Rohres und dann stromab in einem Venturieffekt für

den niedrigen Druck in der Nähe des anderen Rohres.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 im Querschnitt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pneumotachographen;

Fig.2 eine Stirnansicht des Pneumotachographen von F i g. 1;

F i g. 3 in einem Teilquerschnitt wie F i g. 1 eine alternative Ausführungsform;

Fig.4 im Längsschnitt eine zweite Ausfühningsform eines Pneumotachographen;

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 von F i g. 4;

F i g. 6 eine Draufsicht auf ein Bauteil der Anordnung von F i g. 4 und

Fig.7 in einem Diagramm Kennlinien, die diets Verbesserung der Empfindlichkeit, aufgrund der Erfindung darstellen.

Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Pneumotachograph hat ein Gehäuse 11, das vorzugsweise aus zwei Abschnitten 13 und 15 besteht, die miteinander durch Aneinanderpassen der Flansche 17 and 19 sowie Verbindungsschrauben 21 verbunden sind. Das Gehäuse hat ein Paar von Einlaß-Auslaßöffnungen 23 und 25, die jeweils mit flexiblen Schläuchen 27 bzw. 29 verbunden werden können. Die Schläuche 27 und 29 können mit einem Beatmungsgerät bzw. einer Beatmungsmase verbunden werden.

Wenn ein Patient atmet, geht beim Ausatmen der Atmungsgasstrom in eine Richtung, während beim Einatmen die Gase in die entgegengesetzte Richtung strömen.

Die öffnungen 23 und 25 bilden einen insgesamt linearen Weg des Beatmungsstroms, der durch den Pfeil 31 dargestellt ist Ein Paar von Pitotrohren 33 und 35, die sich durch die Gehäusewände erstrecken, sind mittels flexibler Schläuche 37 und 39 an ein nicht gezeigtes, an sich bekanntes Differenzdruckmeßgerät angeschlossen. Unter jedem Pitotrohr ist in allgemeiner Ausrichtung zu dessen Achse jeweils eine Ablenkplatte 41 bzw. 43 angeordnet. Jede der Ablenkplatten 41 und 43 ist in einem Winkel für eine Gasstromreflexion zwischen dem zugeordneten Pitotrohr und der Richtung des Strömungswegs für die unterschiedlichen öffnungen 23 und 25 angeordnet. Bei einem linearen Strömungsweg, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, sind die Ablenkplatten ideal in einem Winkel von 60° bis 70° zum Strömungsweg angeordnet. Wenn die öffnung 23 als Einlaßöffnung dient und die Strömungsrichtung dem Pfeil 31 entspricht, wird ein Teil der Gase durch die Ablenkplatte 41 zum Pitotrohr 33 reflektiert. Zu diesem Zeitpunkt >n reflektiert die Ablenkplatte 43 kein Gas oder nur sehr wenig Gas zv. dem zugehörigen Pitotrohr 35. Wenn sich die Strömangsrichtung umkehrt, reflektiert die Ablenkplatte 43 einen Teil des Stroms zum Pitotrohr 35, während das Pitotrohr 33 passiv wird, da die Ablenkplatte 41 kein Gas oder nur sehr wenig Gas zu ihm reflektiert.

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform sind die Stützen 45 und 47 relativ starr, so daß die Ablenkplatten 41 und 43 fest in der gezeigten Stellung gehalten so werden. Wie aus F Ϊ g. 2 zu ersehen ist, können die Ablenkplatten 41 und 43 die Form von relativ kleinen flachen Platten haben und im wesentlichen als Reflektoren dienen. Beim Einsatz richtet die stromaufliegende Ablenkplatte Luft in eines der Pitotrohre, das als ein positiver Druckfühier proportional zum Strom der Gase dient. Das stromablie^ende Rohr empfängt keinen oder nur einen sehr geringen reflektierten Strom und wirkt somit als passiver Druckfühler. Während des Verlaufs der Atmung wechseln sich die Ablenkplatten 41 und 43 als stromaufliegende und stromabliegende Ablenkplatten ab. Somit wechseln sich die Pitotrohre als aktive Drucksensoren und passive Drucksensoren ab.

Wenn während des Einsatzes die Atmungsgase zur Ablenkplatte 41 oder 43 gerichtet werden, werden die Gase selbst nach oben zu dem Pitotrohr 33 oder 35 gerichtet, die schweren Schleimteilchen, Wasser oder anderes nicht gasförmiges Material steigt jedoch nicht so leicht, sondern läuft tatsächlich nur die Ablenkplatte hinaus und über die Oberseite hinweg und fällt über ihre stromabliegende Seite nach unten. Somit sind die das Pitotrohr erreichenden Gase relativ rein und haben keinen Verstopfungseffekt.

In Betrieb ist der Pneumotachograph von F i g. 1 an ein Differenzdruckmeßgerät angeschlossen. Das Ausgangssignal ist nicht linear, sondern eher exponentiell, so daß der gemessene Differenzdruck eine Exponentialfunktion der Strömungsgeschwindigkf"; (F i g. 7) ist Da die Beziehung zwischen dem DiffereiKd^jck und der Strömungsgeschwindigkeit exponentiell ist ist es relativ einfach, in bekannter Weise eine Linearisierung entweder durch einen Mikroprozessor oder auf analoge Weise herbeizuführen.

Der erfindungsgemäße Pneumotachograph hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber den als Meßblendenpneumotachographen bekannten Vorrichtungen, da die erfindungsgemäße Bauweise ein stärkeres Signal und einen niedrigeren Strömungswiderstand aufweist Außerdem hat die Vorrichtung keine beweglichen Teile und kann sehr leicht durch Formen hergestellt werden, so daß eine Serienfertigung des Pneumotachographen für Atmungsmessungen wirtschaftlich sinnvoll wird.

In bestimmten Fällen soll das Ausgangssignal eine lineare Beziehung zur Strömung haben, ohne daß ein Mikroprozessor oder eine analoge Technik eingesetzt werden müssen. Diese Beziehung kann nach der Ausführungsform von Fig.3 erhalten werden, bei welcher die Ablenkplatten 41 und 43 an flexiblen Stützen 49 bzw. 51 gehalten sind.

Die Stützen 49 und 51 bestehen aus Kunststoff in Form eines thermostabilen Polyimids (Kapton). Die Stützen haben eine Stärke von 0,08 mm. Bei dieser Bauweise ändert sich das gemessene Diffcrenzdracksignal linear mit dem Fluidstrom durch den Pneumotachographen unabhängig von der Geschwindigkeit Wenn die Geschwindigkeit in Fig.3 von links nach rechts zunimmt, biegen sich die Stützen 49 und 51 derart, daß sie und die von ihnen getragenen Ablenkplatten in die strichpunktiert gezeigte Stellung bewegt werden, wodurch die zu dem Pitotrohr 33 reflektierte Gasmenge verringert wird, während etwas Gas zu dem Pitotrohr 33 reflektiert wird. Somit wird das aktive, von dem Pitotrohr 33 erzeugte Signal reduziert, während gleichzeitig das Signal am Pitotrohr 35, welches in der mit ausgezogenen Linien in Fig.3 gezeigten Stellung im wesentlichen Null ist, sich zum positiven Bereich verschiebt. Die durc^u die Bewegung der Ablenkplatten 4) und 43 vorgesehene Korrektur ist für sich selbst exponentiell und hebt somit die exponentiell Änderung des Differenzdrucksignals aus den beiden Rohren auf.

Der in den F i g. 4 und 5 gezeigte Pneumotachograph hat ein Gehäuse 61 mit einem linken und einem rechten Abschnitt 62 bzw. 6"?, die an der Stelle 64 durch vorspringende und einspringende Abschnitte verbunden sind. Das Gehäuse hat ein Paar von Einlaß-Auslaßöffnungen 66,67, die mit flexiblen Schläuchen 68 bzw. 69

verbindbar sind. Bei der Ausführungsform von Fig. I können diese Schläuche mit einer Beatmungsvorrichtung bzw. einer Beatmungsmaske verbunden werden. Durch die Gehäusewände erstreckt sich ein Paar von Rohren 68 und 69 derart, daß ihre Achsen senkrecht zu dem nominalen Strömungsweg der Gase verlaufen, der durch den Pfeil 71 veranschaulicht ist. Die Rohre 68 und 69 sind mit einem Differenzdruckmeßgerät in der angezeigten Weise verbunden.

In der Mitte des Strömungswegs 71 und senkrecht zu ihm ist eine scheibenförmige Ablenkplatte 72 angeordnet, wodurch, wie in F i g. 5 zu sehen ist, eine ringförmige öffnung 73 zwischen dem zylindrischen Gehäuse 61 und der scheibenförmigen Ablenkplatte 72 gebildet wird. Die Ablenkplatte 72 ist an den Wänden des Gehäuses mittels einer festgelegten Stange 77 aufgehängt. Darüber hinaus ist sie im wesentlichen unter den unteren öffnungen der Rohrstutzen 68 und 69 angeordnet, so daß an der stromauf liegenden Seite, d. h. bei 74, wenn man annimmt, daß die Strömung in Richtung des Pfeils 71 erfolgt, ein hoher Druck in der Nähe der Stirnseite des Rohrstutzens 68 erzeugt wird. An der Stelle 75 wird auf der stromabliegenden Seite zusätzlich ein niedriger Druck infolge des Venturieffekts erzeugt

Nach der Strömungsmessungstheorie ist die Druckdifferenz zwischen den beiden Rohrstutzen eine Anzeige für die Strömungsgeschwindigkeit Dies wird im einzelnen in Fig.7 dargestellt, in welcher die Druckdifferenz APzuf der horizontalen Achse und der Strom auf der vertikalen Achse aufgetragen sind.

Die nicht lineare Kurve, die mit »NEU« bezeichnet ist ist der Kurve sehr ähnlich, die mit der Ausführungsform von Fig.4 erreicht wird. Sie kann in einfacher Weise durch Einsatz eines Mikroprozessors kompensiert werden. Die andere mit »ALT« bezeichnete Kurve steüt den Stand der Technik dar, insbesondere bei Messungen mit Meßblenden, bei denen bei niedrigen Mengenströmen aufgrund der steileren Kurve die Meßempfindlichkeit stark reduziert ist Fig.7 zeigt somit die Verbesserung nach der Ausführung von F i g. 4 in Form einer erhöhten kleinen Signalempfindlichkeit verglichen mit einem äquivalenten Blendenströmungsmeßgerät mit dem gleichen Strömungswiderstand.

Erfindungsgemäß wird auch der Vorteil eines größeren Signal-Rausch-Verhältnisses erreicht Der als wahrscheinliche Ursache des niedrigeren Drucks an der Stelle 75 in der Nähe des Rohrstutzens 69 erwähnte Venturieffekt ist vielleicht nicht der vollständige Grund für diesen niedrigen Druck. Vergleicht man die Ausführungsformen der F i g. 1 und 4, so kann F i g. 4 als eine abmessungsverringerte reflektierte Pitotkonstruktion betrachtet werden, bei welcher zwei Reflektoren 41 und 43 zu einer Ablenkplatte verschmolzen wurden.

Man kann auch annehmen, daß, wenn die Ablenkplatten 41 und 43 von Fig. 1 vertikal angeordnet werden, 70% des »Reflexionseffekts« erhalten bleiben. Somit können die Rohrstutzen 68 und 69 von F i g. 4 als pitotrohrähnli ehe Rohre in einem Sinn oder als Druckabgriffe im Sinne der üblichen Meßblenden angesehen werden. Erfindungsgemäß könnte auch von einer Hybridanordnung zwischen der üblichen Meßblende und der üblichen Pitotrohrmeßvorrichtung gesprochen werden.

Die Erfindung ist jedoch nicht durch die Standortdefinition eines Pitotrohres beschränkt, welches sich direkt in den zu messenden Gasstrom erstreckt

Um zu gewährleisten, daß der Gasstrom relativ stabil ist. d. h. ein falsch eingepaßtes Eingangsrohr 68 verursacht einen unerwünschten Strahleffekt, bei welchem die Strömung nicht gleichförmig über dem Querschnitt ist, wird ein Paar von horizontalen Strömuiigsrichtplatten 78 und 79 vorgesehen. In Fig.6 ist eine Draufsicht auf diese beiden Platten. Sie werden in Aussparungen in den Seitenwänden der Gehäusehälften 62 und 63 mit einer stirnseitigen Aussparung 81 bzw. 82 befestigt, wodurch sie gegen ein Herausrutschen aus der Vorrichtung und in den Atmungsweg des Patienten gesichert sind. Die Strömungsrichtplatten sind horizon tal und koplanar zu dem Strömungsweg 71. Sie sorgen für eine stabile Strömung.

Eine Meßblendenvorrichtung mit einer Mittelplatte, wie die.· Scheibe 72 wurde bereits vorgeschlagen. In der vierten Ausgabe der Enclopedia of Chemical Engineer ing von Perry werden ringförmige Meßblenden be schrieben. Diese werden jedoch nur für industrielle Zwecke verwendet Der Druckabgriff an der stromabliegenden Seite ist weit genug weg von der Ablenkplatte, so dab er nicht durch irgendeine Venturiwirkung beeinflußt wird. Verglichen damit spricht bei der Erfindung, die für einen Strom in zwei Richtungen ausgelegt werden muß, der Abstand der Rohre bezogen auf ihre Außendurchmesser etwa dem der Ringöffnung 73. Man nimmt an, daß dadurch der Druckaufbau auf der stromaufliegenden Seite und der niedrigere Druck auf der stromabliegenden Seite verursacht wird, wodurch sich ein merklicher Differenzdruck einstellt Tatsächlich ist eine ausreichende Druckdifferenz vorhanden, welche die Empfindlichkeit erhöht so daß für ein lesbares Signal, das vom Differenzdruckmeßgerät erhalten wird, der Widerstand gegenüber dem Luftstrom nur halb so groß ist wie bei einem äquivalenten Strömungsmeßgerät Wie im FaJIe von F i g. 1 wird bei der Ausführungsform von F i g. 4

so das Problem der Rohrblockierung durch Sc'.leim, Wasser oder anderes nicht gasförmiges Material vermieden, das mit den Atmungsgasen mitgeführt wird. Zusätzlich ist der Aufbau nach F i g. 4 kleiner und hat einen geringeren Totraum.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Pneumotachograph, mit einem Paar von Einlaß-Auslaßöffnungen, die einen Strömungsweg für die Atmungsgase bilden, mit einem ersten und einem zweiten Pitotrohr, die längs des Strömungsweges im Abstand voneinander angeordnet sind und von dem Strömungsweg abzweigen, und mit einer im Bereich der beiden Pitotrohre angeordneten Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung einer Druckdifferenz aus mindestens einer Ablenkplatte (41, 43; 72) besteht, die im mittleren Bereich des Strömungsweges (31, 71) angeordnet ist '5

2. Pneumotachograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei jeweils einem Pitotrohr (33,35) zugeordnete Ablenkplatten (41,43) vorgesehen sind, die in einem Reflexionswinkel zum Strömungsweg (31) gegeneinander so geneigt angeordnet sind, daß entsprechend der Strömungsrichtung die jeweils vordere Ablenkplatte (41, 43) Atmungsgase zu dem zugeordneten Pitotrohr (33, 35) ablenkt

3. Pneumotachograph nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionswinkel 60° bis 70° beträgt

4. Pneumotachograph nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (41,43) ebene Platten sind.

5. Pneumotachograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (41, 43) auf starren Stützen (45, 47) fest im Strömungsweg (31) angeordnet sind.

6. Pneumotachograph nach einem der Ansprüehe 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (41,43) von flexiblen Stützen (49,51) getragen werden, so daß sich durch den Strom der Atmungsgase der Reflexionswinkel der Ablenkplatten (41,43) verändert

7. Pneumotachograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Ablenkplatte (72) vorgesehen ist, die senkrecht zum Strömungsweg (71) zwischen den beiden Pitotrohren (68, 69) angeordnet ist, wobei der Durchmesser der so gebildeten, die Ablenkplatte (72) umgebenden Ringöffnung (73) im wesentlichen dem Abstand zwischen den Pitotrohren (68,69) entspricht.

8. Pneumotachograph nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch wenigstens eine im Bereich der so Einlaßöffnung (66) parallel zum Strömungsweg (71) angeordnete Strömungsrichtplatte (78).

9. Pneumotachograph nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Auslaßöffnung (67) eine weitere zum Strömungsweg (71) parallele Strömungsrichtplatte (79) angeordnet ist.