DE69434859T2

DE69434859T2 - Durchfluss-messgerät

Info

Publication number: DE69434859T2
Application number: DE69434859T
Authority: DE
Inventors: L. Russell Olathe HOLSCHER
Original assignee: Puritan Bennett Corp
Current assignee: Puritan Bennett Corp
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-02
Also published as: ATE341274T1; EP0687161B1; DE69434859D1; JP3595337B2; US5443075A; AU678455B2; ES2273331T3; CA2157184A1; EP0687161A4; WO1994020018A1; CA2157184C; JPH08507379A; EP0687161A1; AU6356594A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen einer Vorrichtung zur Messung des Flüssigkeitsflusses und insbesondere eine neue und verbesserte Vorrichtung zum Messen des Gasflusses in einem Atemtherapiesystem zur Behandlung der Schlafapnoe und anderer Atemstörungen.
Beschreibung des Stands der Technik
Es gibt zahlreiche Anwendungen in der modernen Technik, welche die Messung des Flüssigkeitsflusses erfordern. Im Laufe der Zeit sind Rohre verschiedener Größe und Form zu diesem Zweck entworfen und konstruiert worden.
Die erste Beschreibung eines Rohrs, das verwendet wurde, um Flüssigkeitsdruckwerte zur Geschwindigkeitsbestimmung zu messen, wird Henri Pitot zugeschrieben, und Rohre mit diesem Zweck sind häufig nach ihm benannt worden. Heute gibt es viele verschiedene Anordnungen und geometrische Formen von Pitotrohren, die für eine große Vielzahl von Anwendungen ausgelegt sind.
Eine typische Pitotrohr-Anordnung besteht aus einem zylindrischen Rohr mit einem offenen Ende, welches in dem Flüssigkeitsstrom angeordnet ist und stromaufwärts zeigt, um eine Stagnation oder einen Staudruck zu messen (wo die Strömung auf eine Geschwindigkeit von null gebremst ist), sowie aus einer oder mehreren Seitenwandöffnungen in der Flussleitung zum Messen des örtlichen statischen Drucks in der Strömung. Die Differenz zwischen dem Staudruck und dem statischen Druck ist eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit.
Stromaufwärtige Störungen in der Flüssigkeitsströmung neigen dazu, zu großen Fehlern in der Durchflussmessung zu führen, teilweise aufgrund der erzeugten Turbulenz und ihrer Wirkung auf die Messung des statischen Drucks. Ein Beruhigungsabschnitt von wenigstens einigen Rohrdurchmessern oder mehr wird häufig verwendet, um genaue Messungen zu erzielen. Ein pulsierender Fluss kann ebenfalls einen negativen Effekt auf die Genauigkeit der Durchflussmessung haben; dies kann soweit gehen, dass manchmal Dämpfmechanismen verwendet werden, um signifikante Messfehler zu vermeiden.
Durchflussmessgeräte werden im Allgemeinen in einer großen Vielzahl moderner medizinischer Systeme verwendet. Ein Typ eines solchen Systems ist ein Beatmungsgerät, das für die Behandlung der obstruktiven Schlafapnoe eingesetzt wird.
Die obstruktive Schlafapnoe ist eine Schlafstörung, welche durch die Erschlaffung der Atemwege einschließlich des Rachenmuskels Genioglossus während des Schlafs gekennzeichnet ist. Wenn dies geschieht, kann der erschlaffte Muskel die Atemwege des Patienten teilweise oder vollständig blockieren. Eine partielle Blockade kann zu Schnarchen oder Hypopnea führen. Eine vollständige Blockade führt zur obstruktiven Schlafapnoe.
Tritt eine vollständige Blockade auf, so führen die Inhalationsversuche des Patienten nicht zur Aufnahme von Luft und der Patient erleidet einen Sauerstoffmangel. Als Reaktion beginnt der Patient aufzuwachen. Beim Erreichen eines nahezu wachen Zustands erreicht der Genioglossus-Muskel eine nahezu normale Spannung, was die Atemwege befreit und ein Einatmen ermöglicht. Der Patient fällt dann in einen tieferen Schlaf, woraufhin der Genioglossus-Muskel erneut erschlafft und sich der Apnoe-Zyklus wiederholt. Folglich erlebt der Patient keinen vollständig entspannten tiefen Schlaf, da es wiederholt fast zum Aufwachen kommt. Menschen mit obstruktiver Schlafapnoe sind ständig müde, selbst nach einer anscheinend normal durchgeschlafenen Nacht.
Zur Behandlung der obstruktiven Schlafapnoe ist ein System kontinuierlich Atemwegüberdrucks (CPAP) entwickelt worden, bei welchem auf die Atemwege des Patienten ein vorgeschriebenes Niveau Atemwegüberdrucks kontinuierlich ausgeübt wird. Das Vorhandensein eines solchen Überdrucks sorgt für eine Druckweitung des Atemwegs, um den Einatmungsunterdruck auszugleichen, welcher das erschlaffte Atemwegsgewebe in einen Okklusivzustand bringen kann.
Die am stärksten erwünschte Vorrichtung zum Erreichen einer Atemwegsüberdruckverbindung ist die Verwendung eines Nasenkissens, wie dem in dem US-Patent Nr. 4,782,832 beschriebenen, welches hier als Referenz erwähnt wird. Das Nasenkissen schließt mit den Nasenlöchern des Patienten ab und übt den Atemwegüberdruck über die Nasenwege aus. Das Nasenkissen umfasst auch ein kleines Ventil zum kontinuierlichen Abgeben einer kleinen Menge Luft zum Verhindern einer Anhäufung von Kohlendioxid und Feuchtigkeit.
In dem CPAP-System muss der Patient gegen den vorgeschriebenen Überdruck ausatmen. Dies kann dazu führen, dass sich der Patient unwohl fühlt, insbesondere bei höheren Druckwerten. Aus diesem Grund wurde das so genannte Bi-Level-Atemwegsüberdruck (BiPAP)-System entwickelt, bei welchem der Druck während der Ausatmungsphase des Atmungszyklus verringert wird.
Bei einem BiPAP-System wird der Luftstrom zum Patienten mittels eines pneumatisch an das Nasenkissen gekoppelten Durchflussmessgeräts gemessen. Das Messgerät ist mit einem Durchflusssensor mit einem Wandler verbunden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches für den dem Patienten gelieferten Luftstrom repräsentativ ist. Das Signal wird von einem Elektroschaltkreis verwendet, um den Druck des dem Patienten gelieferten Atemgases zu steuern. Ein Drucksensor wird ebenfalls verendet, um den Schaltkreis mit einem Signal zu versorgen, welches für den dem Patienten gelieferten Druck repräsentativ ist.
Diese Typen von Beatmungssystemen können einen turbulenten und pulsierenden Fluss in dem gelieferten Zustrom des Atemgases aufweisen. Turbulenz resultiert häufig aus Biegungen im Durchflussweg und unzureichendem Raum für Beruhigungsabschnitte, die die Rückkehr zu einer laminaren Strömung ermöglichen. Zusätzlich kann sich die Fließrichtung unter bestimmten Bedingungen umkehren, was zu Problemen bei unidirektionalen Durchflusssensoren führt.
Es ist ersichtlich, dass die genaue Messung des dem Patienten zugeführten Luftstroms ein wichtiges Merkmal bei einem Beatmungssystem ist. Idealerweise sollte die Messung die Dynamik in einem bi-direktionalen Durchflusssystem genau wiedergeben und sollte derart erfolgen, dass sowohl bei turbulenten als auch bei laminaren Strömungsbedingungen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erzielt wird. Die Durchflussmessung sollte auch lineare Eigenschaften mit Proportionalität zum Gesamtfluss im System aufweisen.
Konstruktionszwänge machen es manchmal erforderlich, dass die Durchflussmessung in einem begrenzten Raum erfolgt, mit einem resultierenden, vernachlässigbarem Druckabfall. Es ist ferner manchmal wünschenswert, dass das Durchflussmessgerät in anderen Teilen des Systems integriert ist, um die Gesamtanzahl der Teile zu verringern. Dies sollte in einer Weise erfolgen, welche die Herstellung mit geringen Kosten fördert.
Das bei vorhergehenden Beatmungsgerätkonstruktionen verwendete traditionelle Pitotrohr verwendete ein rechtwinkliges Rohr mit einer zu dem Eingangsstrom gerichteten Öffnung und ein zweites rechtwinkliges Rohr mit einer von der Strömung abgekehrten Öffnung. Ein Seitenfluss wurde erzeugt, wenn diese zwei Rohre in eine Leitung getaucht wurden, welche die Luftströmung enthielt. Dieser Seitenfluss wurde zu einem Sensor/Wandler geleitet. Der Sensor entwickelte ein Signal, welches wiederum derart verarbeitet wurde, dass es die gesamte Durchflussmenge des Systems genau wiedergab.
EP 0,049,756 offenbart ein Messgerät mit zwei identischen Messfühlern, welche in eine Vorlaufleitung hineinragen. Beide Vorlaufleitungen weisen einen polygonalen Querschnitt mit wenigstens sechs Seiten auf. Jeder Messfühler umfasst eine Öffnung, welche über einen inneren Hohlraum an ein externes Messgerät gekoppelt ist.
In einem Artikel von Brakenberry mit dem Titel „Non-steady airflow measurement using pressure differential techniques", veröffentlicht in Medical and Biological Engineering, 10. Ausgabe, Nr. 2, 1972, Seiten 241-252, XP002074737, erschienen bei Pergamon Press, GB, wird eine Methode zur direkten Messung schwacher Luftströmungen in besonderen physiologischen Situationen vorgestellt. Bei dieser Methode wird das Peto-Prinzip flussinduzierter Druckdifferentiale in eine nicht-lineare Vorrichtung integriert. Dieser Artikel diskutiert die Identifizierung, Erläuterung und praktische Reduzierung von Artefakten und ihrem Einfluss auf die Aufzeichnung von Niedrigdruckdifferentialen mittels Luftübertragungskanülen-Monometer Anordnungen mit einer relativ hohen Zeitkonstante des Ansprechverhaltens.
US 3,312,106 betrifft eine Methode zum Messen der Durchflussrate einer Flüssigkeit durch Pumpen der Flüssigkeit in einen Durchfluss durch zwei Öffnungen, wobei der Differentialfluss der Flüssigkeit aus den zwei Öffnungen ein Maß der Durchflussrate der Flüssigkeit des Behälters ist. Der Differentialfluss wird durch die Verwendung eines miniaturisierten Rotormeters in dem Rohr, welches zu einer der Öffnungen führt, erzielt.
US 4,047,521 offenbart einen Durchflussmesser, welcher ein Durchflussrohr umfasst, das an diametral entgegen gesetzten Seiten einen durch Druckmessbohrungen vorgesehenen Messstift und einen Verlagerungskörper gegenüber dem Stift aufweist.
SU 888937 offenbart eine mit einem pneumatischen Konvektor ausgestattete Vorrichtung, an welcher elektrische Verbindungssätze angebracht sind, welche die Durchflussrate in einem Rohr in einen Druck konvertieren.
In einer Veröffentlichung von Puritan Bennett, Companion 318 Nasal CPAP System, Service Manual Rev B (1/93), Service Manual Part No. 799725 wird ein Durchfluss- und Druckwandler in einem Instrumentierungsmuster beschrieben, welcher den Durchfluss in ein analoges Signal konvertiert, insbesondere zum Messen des Nasaldrucks bei der Verwendung einer CPAP-Einheit.
Diese existierenden Durchflussmessvorrichtungen haben ihren Zweck erfüllt; es sind jedoch weiterhin weitere Verbesserungen erforderlich. Insbesondere besteht die Notwendigkeit einer verbesserten Durchflussmessvorrichtung, welche genauere und zuverlässigere Messungen in turbulentem oder pulsierendem Fluss mit hohem Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht und welche bei einem Fluss in beide Richtungen gut funktioniert. Die vorliegende Erfindung erfüllt all diese Erfordernisse.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Im Wesentlichen und allgemein gesprochen sieht die vorliegende Erfindung ein neues und verbessertes Durchflussmessgerät zum genauen und zuverlässigen Messen der Flüssigkeitsströmung, insbesondere unter turbulenten oder pulsierenden Strömungsbedingungen vor und stellt einen deutlichen Fortschritt bezüglich des oben beschriebenen Stands der Technik dar. Insbesondere misst das Gerät zuverlässig die Flüssigkeitsströmung mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis unter Verwendung einer symmetrischen Konstruktion, welche bei einem Durchfluss in jeder Richtung funktioniert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Durchflussmessgerät nach Anspruch 1 vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Durchflussmessgerät vor, welches besonders gut zum Messen eines Luftstroms in einem Bi-Level-Beatmungssystem geeignet ist. In dieser Anmeldung sieht die Erfindung ein Durchflussmessgerät vor, welches die Auswirkungen von Turbulenzen und eines pulsierenden Flusses auf die Genauigkeit der Durchflussmessung wesentlich verringert und welches das effektive Signal-Rausch-Verhältnis signifikant vergrößert.
Insbesondere und in einer derzeit bevorzugten Ausführungsform umfasst das Durchflussmessgerät mit verschiedenen Merkmalen der vorliegenden Erfindung beispielhaft und nicht notwendigerweise einschränkend eine Durchflussleitung, ein in die Durchflussleitung ragendes Fühlerrohr in stromaufwärtiger Richtung mit einer zur Fließströmung hin zeigenden halbzylindrisch geformten Kerbenöffnung, ein in die Durchflussleitung ragendes Fühlerrohr in stromabwärtiger Richtung mit einer von der Fließströmung weg zeigenden halbzylindrisch geformten Kerbenöffnung und einen in Verbindungsleitungen zwischen den Rohren in stromaufwärtiger und stromabwärtiger Richtung angeordneten Durchfluss-Sensor/Wandler zum Erzeugen eines elektrischen Signals, welches für den hindurch erfolgenden Seitenfluss und dadurch für den Gesamtgasfluss in der Durchflussleitung repräsentativ ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist anstelle des Durchflusssensors ein Differentialdruck-Sensor/Wandler in den Verbindungsleitungen zwischen den stromaufwärts und den stromabwärts ausgerichteten Rohren zum Messen eines Druckabfalls zwischen den Richtungsrohren proportional zu der Fließgeschwindigkeit und somit zu dem Gesamtfluss der durch die Durchflussleitung gelieferten Luft vorgesehen.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen deutlich, welche beispielhaft die Merkmale der Erfindung zeigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Einzel- oder Bi-Level-Beatmungssystems zum Erleichtern der Atmung eines Patienten;
2 ist eine schematische Darstellung eines Durchflussmesssystems, welches einige der neuartigen Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpert;
3 ist eine teilweise weg geschnittene perspektivische Ansicht der Durchflussleitung und der stromaufwärts und stromabwärts ausgerichteten Fühlerrohre aus 2, wobei die Verbindungsrohre und der Durchflusssensor zur besseren Darstellung entfernt sind;
4 ist ein Seitenriss der Vorrichtung aus 3;
5 ist eine Endansicht des Gerätes aus 4;
6 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines der Fühlerrohre aus 3, welches zu Illustrationszwecken aus der Durchflussleitung entfernt ist;
7 ist eine vergrößerte Vorderrissansicht des Fühlerrohrs aus 6;
8 ist eine Seitenrissansicht des Fühlerrohrs aus 7;
9 ist eine Endansicht des Fühlerrohrs aus 7;
10 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Form eines Durchflussmessgerätes, welches eine winkelförmige Durchflussleitung verwendet; und
11 ist eine Endansicht des Gerätes aus 10, von der Oberseite in 10 abwärts gesehen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug zu den Zeichnungen und insbesondere zu 1 wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise in einem Patientenbeatmungssystem 10 des Typs verwendet, welcher eine Gasquelle 12, ein Steuerungsventil 14, einen Drucksensor 16 und einen Durchflusssensor 18 umfasst, welcher an einen bei der Puritan-Bennett Corporation Lenexa, Kansas, erhältlichen, sogenannten ADAM-Kreislauf gekoppelt ist, umfassend einen Druckluftschlauch 20 und ein Nasenkissen 22. Das System 10 umfasst ferner einen Phasenerkennungsschaltkreis 24 und eine Drucksteuerung 26. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Komponenten 12–18 und 24–26 in einem einzigen Gehäuse eingeschlossen, an welches der ADAM-Kreislauf gekoppelt ist.
Die Gasquelle 12 umfasst typischerweise ein Gebläse mit variabler Geschwindigkeit, welches betreibbar ist, um ein Zufuhratemgas in der Größenordnung von 120 Litern pro Minute bei 30 cm Wasserdruck zu erzeugen. Der bevorzugte Drucksensor 16 ist bei Sensym Company als Modell SCX01 erhältlich. Der bevorzugte Durchflusssensor 18 ist das bei Microswitch Corp. erhältliche Modell AWM2300V und umfasst einen Wandler, welcher betreibbar ist, um ein elektrisches Signal auf der Leitung 30 zu erzeugen, welches für den Luftfluss durch den Sensor repräsentativ ist und somit für den Luftfluss in dem mit dem Patienten verbundenen Druckluftkreislauf repräsentativ ist.
Der Phasenerkennungsschaltkreis 24 erzeugt eine logisch hohe Ausgabe während des Ausatmens und eine logisch niedrige Ausgabe während des Einatmens. Die Steuerung 26 empfängt die Ausgangssignale von dem Phasenerkennungsschaltkreis 24 und ebenfalls die Ausgabe des Drucksensors 16 und betreibt als Reaktion das Ventil 14, um die dem Patienten von der Gasquelle 12 zugeführten Einatmungs- und Ausatmungsdrücke zu erhalten.
Eine genauere Beschreibung des Atemsystems und seiner zugehörigen Leitungen ist in der ordnungsgemäß erteilten Patentanmeldung mit dem Titel „Inhalation/Exhalation Respiratory Phase Detection Circuit" von Stephen L. Phillips, Seriennummer 08/003,129, eingereicht am 12. Januar 1993, enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wirkt der Durchflusssensor 18 aus 1 mit dem Durchflussmessgerät 32 aus 2 zusammen, um den Gesamtgasfluss von der Gasquelle 12 durch das Ventil 14 zu dem Patienten und umgekehrt zu erfassen und zu messen.
Das Durchflussmessgerät 32 umfasst eine gerade, zylindrische Durchflussleitung 34, welche in der Strömungsbahn zwischen dem Ausgang des Steuerungsventils 14 und dem Eingang der Druckluftleitung 20 angeordnet ist. Die Durchflussleitung 34 kann in Form einer Leitung oder eines Rohrs vorliegen, wie in den 3–5 dargestellt ist.
Ein stromaufwärtiges Fühlerrohr 36 ragt durch eine erste Seitenwandöffnung in der Durchflussleitung 34 in die Fließströmung hinein. Eine Presspassung sichert das Rohr 36 vor Ort. Das innere Ende des Rohrs 36 weist eine darin gebildete viereckige, halbzylindrische Kerbenöffnung 38 auf, welche sich ungefähr in der Mitte der Fließströmung befindet und direkt zu dem Strom hin gerichtet ist. Das externe Ende des Fühlerrohrs 36, welches sich außerhalb der Fließströmung 34 erstreckt, weist eine ähnlich konstruierte Endgeometrie auf. Ein identisches stromabwärtiges Fühlerrohr 40 ragt durch eine zweite Seitenwandöffnung in der Durchflussleitung 34 stromabwärts der ersten Seitenwandöffnung in die Fließströmung hinein und wird durch eine Presspassung vor Ort gehalten. Das stromabwärtige Rohr 40 weist eine ähnliche Kerbenöffnung 42 am internen Ende auf, welche ungefähr in der Mitte der Fließströmung angeordnet ist, aber direkt von der Flussrichtung durch die Leitung 34 weg weist. Das externe Ende des stromabwärtigen Fühlerrohrs 40 weist eine ähnliche Endgeometrie auf. Die Kerbenöffnungen in den externen Enden der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Fühlerrohre 36, 40 weisen stromaufwärts bzw. stromabwärts. Diese Merkmale sind am besten in den 2–5 gezeigt.
Erneut mit Bezug zu 2 ist das externe Ende des stromaufwärtigen Fühlerrohrs 36 durch ein Verbindungsrohr 46 mit der Eingangs- oder Hochdruckseite eines Durchfluss-Sensors/Wandlers 44 verbunden. Die Ausgangs- oder Niedrigdruckseite des Durchfluss-Sensors/Wandlers 44 ist durch ein weiteres Verbindungsrohr 48 mit dem externen Ende des stromabwärtigen Fühlerrohrs 40 verbunden. Beide Verbindungsrohre sind vorzugsweise aus Silikon gebildet. Diese Anordnung erzeugt einen Seitenfluss des Beatmungsgases durch den Sensor 44 und die Verbindungsrohre 46, 48. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Durchflusssensor 44 der zuvor erwähnte, von Microswitch Corp. hergestellte Wandler, Modell AWM2300V. Der Seitenfluss ist proportional zum Gesamtfluss durch die Leitung 34. Der Sensor 44 erzeugt ein elektrisches Signal, welches für diesen Gesamtfluss repräsentativ ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) ist der Durchflusssensor 44 durch einen Differentialdrucksensor, wie beispielsweise den Microswitch Corp. Modell 24EFA1D Differentialdrucksensor, ersetzt. Der Differentialdrucksensor misst einen Druckabfall, welcher proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und somit zum Gesamtgasfluss durch die Durchflussleitung 34 ist. Bei dieser Anordnung findet kein Seitenfluss durch die Verbindungsrohre 46, 48 statt.
Beide Fühlerrohre 36, 40 sind identisch konstruiert. Die Konstruktion des stromaufwärtigen Fühlerrohrs 36 ist detailliert in den 6–9 gezeigt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie in den 6–9 gezeigt, ist das Fühlerrohr 36 ein maschinell hergestelltes, vorzugsweise aus Edelstahlmaterial gefertigtes Rohr mit einem Außendurchmesser von 2,362 mm (0,093'') und einer Wanddicke von 0,254 mm (0,010''). Ein passiviertes Finish wird angebracht.
Eine viereckige, halbzylindrische Kerbenöffnung 38 ist an beiden Enden des Rohrs 36 gebildet. Vorzugsweise weisen beide Kerben eine identische Größe und Form auf und zeigen in dieselbe Richtung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Rohr 36 eine Gesamtlänge von ungefähr 29,464 mm (1,160'') und jede Kerbe eine Länge von ungefähr 3,81 mm (0,150'') auf, womit ungefähr 21,844 mm (0,860'') Rohr zwischen den zwei Kerben verbleiben. Die Tiefe jeder Kerbe 36 ist geringfügig kleiner als der halbe Durchmesser des Rohrs 36 oder ungefähr 1,168 mm (0,046'') in der bevorzugten Ausführungsform.
Die speziellen Endgeometrien wurden gewählt, um beim Eintauchen in eine turbulente Strömung hohe Strömungswiderstandskoeffizientenwerte zu erzielen, was zu einem größeren Druckdifferential zwischen den zwei Fühlerrohren 36, 40 und einem größeren Seitenfluss durch den Fühler 44 führt.
Im Falle der in den Fluss hinein gerichteten, stromaufwärtigen Kerbenöffnung 38 erzeugt ein hoher Strömungswiderstandskoeffizient einen Hochdruckbereich, in welchem der Fluss das Rohr 36 beeinträchtigt. Das stromaufwärtige Fühlerrohr 36 öffnet sich in diesen Bereich des Flusses und überträgt den höheren Druck auf die Eingangsseite des Sensors 44. Falls die Kerbenöffnung 42 von der Strömung weg gerichtet ist, kommt es zu einer maximalen Strömungstrennung auf der stromabwärtigen Seite der Kerbe 42. Diese Strömungstrennung erzeugt einen Niedrigdruckbereich. Das stromabwärtige Fühlerrohr 40 öffnet sich in diesen Bereich und überträgt den niedrigeren Druck auf die Ausgangsseite des Sensors 44. Die Kombination aus Hochdruck am Sensoreingang und Niedrigdruck am Sensorausgang erzeugt einen starken Seitenfluss, was zu einem hohen Durchflusssignal durch den Sensor 44 führt.
Es ist bekannt, dass eine halbzylindrische Form eine große Differenz beim Strömungswiderstandskoeffizienten führt, abhängig davon, ob sie stromaufwärts oder stromabwärts ausgerichtet ist. So sieht die viereckige Kerbe in den Rohren 36, 40, wie in den 6–9 gezeigt, ein wesentliches Druckdifferential vor, was zu einem optimierten Durchflusssignal am Sensor 44 führt.
Die Dimensionsmerkmale des Rohrs mit viereckiger Kerbe verleihen dem durch den Leitungsfluss entwickelten Differentialdruck Stabilität, was zu einem niedrigen Geräuschsignal in einem Umfeld mit turbulentem Fluss führt. Das Sensorsignal (d.h. der Seitenfluss) könnte verändert werden, indem die Größe und möglicherweise das Höhe-zu-Breite-Verhältnis der Kerben verändert werden, aber die hierin beschriebene besondere Größe sieht eine optimale Empfindlichkeit und einen optimalen Bereich für die besondere Beatmungsvorrichtung des Anmelders vor, wie nachfolgend beschrieben.
Das Rohr mit viereckiger Kerbe ist ferner relativ leicht herzustellen. Die Möglichkeit, dieselbe Rohrkonfiguration für das stromaufwärtige und das stromabwärtige Fühlerrohr 36, 40 zu verwenden, ermöglicht ökonomische Einkaufsmengen und minimiert potenzielle Montagefehler. Die Rohre weisen an beiden Enden Kerben auf, um den Herstellungsprozess zu erleichtern und ferner eine gute Sichtbarkeit der Kerbenposition und Kerbenausrichtung während der Montage zu bieten. Falls gewünscht, könnte die Kerbe am externen Ende des Fühlerrohrs wegfallen.
Die Entfernung zwischen dem stromaufwärtigen Fühlerrohr 36 und dem stromabwärtigen Fühlerrohr 40 in der Durchflussleitung 34 ist nicht kritisch. Jedoch sollten die Rohre 36, 40 ausreichend getrennt sein, um die Entwicklung einer Strömung um das stromabwärtige Rohr herum zu ermöglichen, wodurch Strömungstrennungswirkungen und die resultierende Druckdifferenz zwischen den zwei Rohren 36, 40 erzeugt werden.
Das Durchflussmessgerät 32 ist aufgrund der Anordnung in der Mitte der Fließströmung und aufgrund der Mittelungswirkungen der Kerbenöffnungen 38, 42 am Rohr besonders gut für die Durchführung genauer Messungen in turbulentem Fluss geeignet.
Mit Bezug zu den 10 und 11 ist eine zweite Ausführungsform des Durchflussmessgerätes 50 gezeigt. Es ähnelt dem Durchflussmessgerät 32 der 2–4 und funktioniert auf ähnliche Weise. Die Vorrichtung 50 in den 10 und 11 ist speziell für die Verwendung mit dem Companion 320I/E Bi-Level Beatmungssystem von Puritan-Bennett konstruiert.
Wie in den 10 und 11 gezeigt, umfasst das Durchflussmessgerät 50 eine winklige Durchflussleitung 52 mit einem ersten zylindrischen Abschnitt 54 und einem zweiten zylindrischen Abschnitt 56, welcher bezüglich des ersten Abschnitts 54 winklig ausgerichtet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel bei 14,5 Grad. Zweck des Winkels ist es, dass die Vorrichtung 50 in die gewünschte Umhüllung passt.
Das Durchflussmessgerät 50 verwendet stromaufwärtige 58 und stromabwärtige 60 Fühlerrohre, welche genauso konstruiert sind wie das in den 6–9 gezeigte und beschriebene Fühlerrohr 36. Das stromaufwärtige Fühlerrohr 58 erstreckt sich durch eine erste Seitenwandöffnung an der Verbindung zwischen dem ersten 54 und dem zweiten 56 zylindrischen Abschnitt. Das stromabwärtige Fühlerrohr 60 ist durch eine zweite Seitenwandöffnung in dem ersten zylindrischen Abschnitt 54 aufgenommen. Die inneren Enden beider Fühlerrohre 58, 60 ragen durch die Leitung 52 in die Fließströmung hinein. Die Kerbenöffnungen an den inneren Enden der Fühlerrohre 58, 60 sind ungefähr in der Mitte der Fließströmung angeordnet, wobei das stromabwärtige Fühlerrohr 60 derart ausgerichtet ist, dass seine Kerbenöffnung in dem ersten zylindrischen Abschnitt 54 direkt stromabwärts zeigt und wobei das stromaufwärtige Fühlerrohr 58 derart ausgerichtet ist, dass seine Kerbenöffnung in dem zweiten zylindrischen Abschnitt 56 direkt stromaufwärts zeigt. Die Entfernung zwischen den zwei Fühlerrohren 58, 60 ist nicht kritisch solange zwischen ihnen ein ausreichender Abstand vorliegt, um Strömungstrennungswirkungen und die resultierende Druckdifferenz zwischen den zwei Rohren 36, 40 zu erzeugen. Die externen Enden beider Fühlerrohre 58, 60 sind durch Verbindungsrohre (nicht gezeigt) mit einem Durchflusssensor (nicht gezeigt) auf identische Weise wie in 2 gezeigt verbunden.
Bei der bevorzugten Anwendung dient der erste zylindrische Abschnitt 54 als ein Ausgangsverbindungselement für den Druckluftschlauch 20 aus 1. Der zweite zylindrische Abschnitt 56 dient als ein Verbindungselement zu der Ausgangsöffnung der Ventilanordnung 14.
Wie in 11 gezeigt, ist der erste zylindrische Abschnitt 54 ferner mit einer Seitenwandöffnung 62 gegenüber des stromabwärtigen Fühlerrohrs 60 versehen. Ein Nippelverbindungselement 64 ist an der Außenfläche des Abschnitts 54 um die Öffnung 62 herum für eine Verbindung mit einem PVC-Verbindungsrohr (nicht gezeigt) gebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungsrohr mit einem Druckrohr verbunden, welches mit der Einlassseite des Drucksensors 16 in Verbindung steht. Unter Verwendung dieser Konfiguration sieht das Durchflussmessgerät 50 einen Eingang sowohl zu dem Drucksensor 16 als auch zu dem Durchflusssensor 18 in dem Beatmungssystem aus 1 vor.
Aus dem Vorangehenden wird deutlich, dass das Durchflussmessgerät der vorliegenden Erfindung genaue Messungen des Gesamtflusses in einem turbulenten oder pulsierenden Umfeld, wie beispielsweise einem Beatmungssystem, vorsieht und dies mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Ferner sieht das Durchflussmessgerät ein symmetrisches Design vor, welches in der Lage ist, mit einem Fluss in beiden Richtungen zu funktionieren.
Während mehrere besondere Formen der Erfindung erläutert und beschrieben worden sind, wird deutlich, dass verschiedene Modifikationen erfolgen können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Entsprechend ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung außer durch die beigefügten Ansprüche eingeschränkt wird.

Claims

Durchflussmessgerät (32, 50), umfassend: eine Durchflussleitung (34, 52); ein Fühlerrohr mit einer in der Durchflussleitung in einem Durchflussstrom angeordneten, halbzylindrisch geformten Kerbenöffnung (38); und einen Wandler, welcher betriebsmäßig mit dem Fühlerrohr verbunden ist, um von diesem ein Signal zu empfangen.
Durchflussmessgerät nach Anspruch 1, umfassend: ein stromaufwärtiges Fühlerrohr (36, 58) mit einer halbzylindrisch geformten Kerbenöffnung, welche dazu angeordnet ist, zu dem Durchflussstrom hin zu zeigen, und ein stromabwärtiges Fühlerrohr (40, 60) mit einer halbzylindrisch geformten Kerbenöffnung, welche dazu angeordnet ist, von dem Durchflussstrom weg zu zeigen; und wobei der Wandler betriebsmäßig mit dem stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Fühlerrohr verbunden ist.
Gerät nach Anspruch 2, wobei der Wandler einen Durchflussfühler (44) umfasst.
Gerät nach Anspruch 2, wobei der Wandler einen Differenzdruckfühler umfasst.
Gerät nach Anspruch 2, wobei die Durchflussleitung (34) eine gerade Leitung ist.
Gerät nach Anspruch 2, wobei die Durchflussleitung (52) eine winkelförmige Leitung ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Kerbenöffnungen (38) eine Länge in Längsrichtung von ungefähr 3,81 mm aufweisen, die jeweiligen Fühlerrohre einen Durchmesser von ungefähr 2,362 mm aufweisen und die Kerbenöffnungen (38) eine Tiefe von ungefähr 1,168 mm (0,046'') aufweisen.
Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das stromaufwärtige und das stromabwärtige Fühlerrohr (36, 58, 40, 60) an beiden Enden Kerbenöffnungen (38) aufweisen.
Gerät nach Anspruch 8, wobei Kerbenöffnungen (38) identischer Größe und Form an beiden Enden des stromaufwärtigen und des stromabwärtigen Fühlerrohrs vorgesehen sind.
Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei jedes der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Fühlerrohre einen inneren Abschnitt umfasst, welcher in der Durchflussleitung angeordnet ist, und einen äußeren Abschnitt umfasst, welcher außerhalb der Durchflussleitung angeordnet ist, wobei jeder der inneren und der äußeren Abschnitte eine in einem Ende desselben gebildete Kerbenöffnung (38) aufweist.
Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kerbenöffnungen (38) ungefähr in einer Mitte des Durchflussstroms in der Durchflussleitung angeordnet sind.