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    • 专利摘要:
    Eine Flussmessanordnung (2) mit einem venturiartigen Flussmesser (4, 14, 16, 18), der einen rohrförmigen Flusskanal (4) zum Fördern eines zu messenden Gasflusses aufweist und wobei der Flusskanal (4) mit einer Verengung (6) versehen ist. Die Anordnung weist weiterhin einen Heißdrahtflussmesser (24, 26), der ein Abfühlelement (24) aufweist, das in dem Flusskanal (4) angeordnet ist, und ein Messsystem (20) auf, das vorgesehen ist, ein Ausgangssignal von dem venturiartigen Flussmesser (18) und ein Ausgangssignal von dem Heißdrahtflussmesser (26) zu empfangen und daraus eine Gasflussrate zu bestimmen.
    公开号:DE102004009371A1
    申请号:DE200410009371
    申请日:2004-02-26
    公开日:2004-09-09
    发明作者:Kiomars Fathollahzadeh
    申请人:Maquet Critical Care AB；
    IPC主号:A61B5-087
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betriffteine Flussmessanordnung, speziell eine, die für die Messung des mit der Atmungeines Patienten verbundenen Atemgasflusses geeignet ist, und insbesondereeine Flussmessanordnung gemäß dem Oberbegriffdes Anspruchs 1.
    [0002] In Krankenhäusern wird mechanische Atemhilfebeispielsweise währendder Intensivpflege oder bei Operationen eingesetzt, um die Atmungeines Patienten zu unterstützenoder zu kontrollieren. Es ist wichtig in der Lage zu sein, den Gasflusszu und/oder von dem Patienten messen zu können, da das typischerweiseeinen Steuerparameter fürdie mechanische Atemunterstützungliefert und auch zur Ableitung von Parametern verwendet werden kann,die für dieArbeitsweise und den Metabolismus der Lunge beschreibend sind. Esist auch wichtig, speziell hinsichtlich der Messung des Exspirationsgasflusses, dassder Flussmesser fürden zu messenden Fluss einen relativ kleinen Flusswiderstand darstellt.
    [0003] Venturiartige oder sogenannte „Differentialdruck" Flussmesser sindim Stand der Technik wohlbekannt und speziell geeignet für die obengenannte klinische Anwendung. Ein derartiger Messer weist üblicherweiseeinen rohrförmigenFlusskanal zum Förderndes zu messenden Flusses auf und hat eine Verengung, die die Querschnittsfläche desFlusskanals reduziert und einen Widerstand für den Gasfluss bildet. Außerdem istein Differentialdruckmesser zum Messen des durch die Verengung verursachten Druckabfallsin dem Kanal vorgesehen. Dieser Druckabfall ist proportional zudem zu messenden Gasfluss. Fürlaminare Flüsseist die gemessene Druckdifferenz direkt proportional zu der Volumenflussrate,währendsie fürmehr typische turbulente Flüsseproportional zu dem Quadrat der Volumenflussrate ist.
    [0004] Der venturiartige Flussmesser hatden Nachteil, dass seine Empfindlichkeit und Genauigkeit bei niedrigenFlussraten relativ schwach ist. Dieser Nachteil macht sich besondersbemerkbar, wenn der Messer fürdes Messen von Gasflüssenzu und von kleinen Kindern und Neugeborenen verwendet wird.
    [0005] Gemäß der vorliegenden Erfindungwird eine Flussmessanordnung geschaffen, wie sie durch den vorliegendenAnspruch 1 beschrieben und charakterisiert wird. Durch Schaffeneiner Flussmessanordnung, bei der bei niedrigen Flüssen dasAusgangssignal von dem venturiartigen Flussmesser durch den Ausgangeines bekannten Heißdrahtflussmessers erhöht wird,wird seine Empfindlichkeit und sein dynamischer Bereich über jedender individuellen Flussmesservorrichtungen, aus denen er besteht, gesteigert.
    [0006] Das Ausgangssignal, das die von demventuriartigen Messer gemessene Flussrate repräsentiert und das Ausgangssignal,das die von dem Heißdrahtmessergemessene Flussrate repräsentiert, können schaltbarals eine Basis fürdie Bestimmung der Flussrate durch die Anordnung ausgewählt werden.Das Umschalten wird vorzugsweise in Abhängigkeit von einem Vergleicheines mit jedem Ausgangssignal verbundenen Schwellwerts derart vorgenommen,das sichergestellt wird, dass stets das Ausgangssignal von dem Messer,der die höhere Empfindlichkeithat, ausgenutzt wird.
    [0007] Darüber hinaus kann als eine Sicherheitsmaßnahme dasAusgangssignal des Flussmessers, der für die Bestimmung der Flussratedurch die Anordnung verwendet wird, mit dem Ausgangssignal des anderenMessers verglichen werden und eine Warnung durch die Anordnung abgegebenwerden, wenn eine Differenz zwischen den zwei Ausgangssignalen,oder von diesen Signalen abhängigenWerten, einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt.
    [0008] Am Nützlichsten kann das Abfühlelement desHeißdrahtmessersin dem Flusskanal an einem Ort angebracht werden, um den Fluss indem Bereich durch die Verengung hervorgerufener erhöhter Flussgeschwindigkeitzu messen. Das steigert die Empfindlichkeit des Messers auf kleine Änderungen indem zu messenden Gasfluss.
    [0009] Diese und andere Vorteile ergebensich aus dem Studium einer Beschreibung eines Ausführungsbeispielseiner Anordnung gemäß der vorliegendenErfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren, in denen:
    [0010] 1 einDiagramm einer Messanordnung gemäß der vorliegendenErfindung zeigt;
    [0011] 2(a) einDiagramm einer Druckantwort, die für einen venturiartigen Flussmesser,wie er in der Anordnung der 1 verwendetwird, charakteristisch ist; (b) ein Diagramm einer Spannungsantwort, diefür einenHeißdrahtmesser,wie er in der Anordnung der 1 verwendetwird, charakteristisch ist, zeigt; und
    [0012] 3 einDiagramm einer Messantwort zeigt, die für eine Anordnung gemäß 1 charakteristisch ist.
    [0013] Betrachten wir nun die Flussmessanordnung 2 in 1. Ein rohförmiger Flusskanal 4 hateine Einengung 6, ausgebildet als eine Einschnürung, undist zum Transportieren eines zu messenden Gasflusses durch ihn ineiner durch die Pfeile angedeuteten Richtung vorgesehen. Der Flusskanal 4 istauch mit einem ersten Druckanschluss 8 und einem zweiten Druckanschluss 10 ausgebildet,die fürdie Druckkommunikation mit dem Gas in dem Kanal 4 an jeweiligenOrten vor und nach einem Eintritt 12 in die Einengung 6 vorgesehensind, um eine Messung des Druckabfalls in dem Kanal 4,der durch das Strömen desGases durch die Einengung 6 verursacht wird, zu ermöglichen.Ein erster Drucksensor 14 und ein zweiter Drucksensor 16 sindin dem ersten Druckanschluss 8 beziehungsweise dem zweitenDruckanschluss 10 angeordnet, um ein Maß für den Druck P1 beziehungsweiseP2 an diesen Orten an eine Differenzbildungseinheit 18 abzugeben.
    [0014] Die Differenzbildungseinheit 18 desvorliegenden Ausführungsbeispielsist in bekannter Art ausgebildet, um einen Druckdifferenzwert ΔP zu bildenals: ΔP = P1 – P2 (1)deran das Messsystem 20 abgegeben wird. Alternativ kann einbekannter Differentialdrucksensor (nicht dargestellt) direkt andie beiden Druckanschlüsse 8, 10 angeschlossensein und ein Ausgangssignal haben, das indikativ für den Druckdifferenzwert ΔP ist unddas direkt an das Messsystem 20 geleitet werden kann.
    [0015] Es wird von Fachleuten verstandenwerden, dass der oben beschriebene Aufbau als der bekannte venturiartigeFlussmesser arbeitet.
    [0016] Es ist wohl bekannt, dass die Druckdifferenz ΔP zu derGasflussrate in dem Kanal 4 gemäß der Gleichung: ΔP = K·(δϕ/δt)2 (2)in Beziehungsteht, wobei K eine Konstante ist, die unter anderem von der Querschnittsfläche desFlusskanals 4 im Bereich der Druckanschlüsse 8, 10 abhängt; und δϕ/δt die Volumenflussratedes Gases ist, dessen Flussrate zu messen ist.
    [0017] Eine typische Druckantwort, die für diesen venturiartigenFlussmesser charakteristisch und nach der Gleichung (2) berechnetist, wird durch die graphische Darstellung von ΔP (mbar) über δϕ/δt (1 min–1) illustriert, die in 2a gezeigt wird. Wie aus der charakteristischenKurve 22 ersichtlich, ergibt der venturiartige Messer beihohen Flussraten ein hohe Empfindlichkeit, aber die Auflösung istviel geringer bei niedrigen Flussraten.
    [0018] Zurückkehrend nun zu der Flussmessanordnung 2 der 1, ist ein Abfühlelement 24 einesbekannten Heißdrahtflussmessersinnerhalb des Flusskanals 4 angeordnet, vorzugsweise nahean dem Eintritt 12 in die Verengung 6, d.h. indem Bereich gesteigerter Flussgeschwindigkeit in dem Kanal 4.Eine Steuereinheit 26 des Heißdrahtflussmessers ist elektrischmit dem Abfühlelement 24 verbundenund arbeitet in bekannter Weise, um einen dem Sensorelement 24 zugeführten Stromso zu variieren, dass es auf einer bekannten Temperatur gehaltenwird, wenn Gas in dem Flusskana 14 fließt, und um ein Ausgangssignalzu erzeugen, das fürden zugeführten StromIndikativ ist, zum Beispiel ein Maß der Ausgangsspannung Vs des Abfühlelements 24,die gemäß der bekanntenGleichung: Vs = [C0RsA(Ts – Tf) + C1RsA(Ts – Tf)(δm/δt)0.5]0.5 (3)Wobei Rs der Widerstand des Abfühlelements 24 ist; Ts die Temperatur des Elements 24 ist; Tf die Temperatur des Gasflusses ist; Adie Wärmeübertragungsfläche ist; C0 und C1 Konstantensind, die von den Gaseigenschaften abhängen; und δm/δt die Massenflussratedes Gases ist, ausgedrücktwerden kann.
    [0019] Wie aus Gleichung (3) gesehen werden kann,steht das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 mit derGasflussrate überdie ¼ Potenzin Beziehung. Eine typische, fürdiesen Heißdrahtflussmessercharakteristische Antwort, berechnet gemäß Gleichung (3), wird durchdie graphische Darstellung von Vs (mbar) über δm/δt (1 min_1) illustriert, die in 2b gezeigt wird. Wie aus der charakteristischen kurve 28 ersichtlich,ergibt der Heißdrahtflussmesser beiniedrigen Flussraten eine hohe Empfindlichkeit, verliert aber schnellan Empfindlichkeit, wenn die Flussrate ansteigt.
    [0020] Zurückkehrend nun zu der Flussmessanordnung 2 der 1, ist das Messsystem 20 indem vorliegenden Ausführungsbeispielprogrammiert, um das Ausgangssignal entweder der Differenzbildungseinheit 18 oderder Steuereinheit 26 bei der Bestimmung der Gasflussrateauf eine Art zu verwenden, die unten näher beschrieben wird, und umein fürdiese indikatives Ausgangssignal 30 zu erzeugen.
    [0021] Ein Komparator 32 ist alsein Teil des Messsystems 20 vorgesehen und kann durch passende Programmierungdes Mikroprozessors des Systems 20 realisiert werden. DerKomparator 32 ist angepasst, die Ausgangssignale von denEinheiten 18, 26 des venturiartigen Flussmessersbeziehungsweise des Heißdrahtflussmessersmit einem dazugehörigenSchwellwert zu vergleichen, der in dem Speicher 34, derin dem Messsystem 20 enthalten ist, gespeichert werdenkann. Die Wahl des Ausgangssignals entweder von der Differenzbildungseinheit 18 oder derSteuereinheit 26 als Stromausgangssignal, aus der die Flussratezu bestimmen ist, wird in dem Messsystem 20 in Abhängigkeitvon dem Ergebnis des von dem Komparator 32 durchgeführten Vergleichserzeugt. Das Messsystem 20 arbeitet, um eine Auswahl zutreffen, die eine beste Empfindlichkeit für die Flussmessanordnung 2 beidem herrschenden Gasfluss in dem Flusskanal 4 basierend aufden Charakteristika des venturiartigen Flussmessers und des Heißdrahtflussmesserserzeugt.
    [0022] In einer Ausführungsform der Anordnung 2 der 1 und unter Bezug auf seinecharakteristische Messantwortskurve, dargestellt in 3, speichert der Speicher 34 einenSchwellwert T, der mit dem Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 ver bundenist und füreine Flussrate durch den Kanal 4 Indikativ ist, bei derdie Empfindlichkeiten des venturiartigen Flussmessers und des Heißdrahtflussmessersim wesentlichen gleich sind. Wie aus den charakteristischen Antwortkurven 22, 28 ersichtlich, nimmtdie Empfindlichkeit des venturiartigen Flussmessers (Kurve 22)für Flussratenniedriger als dieser Schwellwert T ab, wohingegen die Empfindlichkeitdes Heißdrahtflussmessers(Kurve 28) fürhöhereFlussraten als dieser Schwellwert T abnehmen. Der Komparator desMesssystems 20 ist programmiert, um den Schwellwert T mitdem Ausgangssignal von einem oder beiden der Differenzbildungseinheit 18 undder Steuereinheit 26 zu vergleichen (im vorliegenden Beispielwird nur das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 verwendet).Das Messsystem 20 ist so programmiert, das es ausgehendvon diesem Vergleich das Ausgangssignal der Differenzbildungseinheit 18 beider Bestimmung der Gasflussrate in dem Kanal 4 verwendet,wenn das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 größer istals der Schwellwert T, und das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 beider Bestimmung der Gasflussrate in dem Kanal 4 verwendet,wenn das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 kleinerist als der Schwellwert T.
    [0023] Gemäß einer weiteren Ausführungsformder Anordnung 2 der 1 kanndas Messsystem 20 so angepasst sein, dass der Komparator 32 zweiverschiedene Schwellwerte Ta und Tb verwendet, einen auf jeder Seite des ursprünglichenSchwellwerts T. Instabilitätin der Anordnung 2, wenn der zu messende Gasfluss im Bereichdes Flusswertes liegt, fürden der Schwellwert T eingestellt wurde, können so vermieden werden. Dasist ebenfalls in 3 dargestellt.Wie gezeigt, wird das Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 desHeißdrahtsensorsin dem Bereich von Null bis zum Schwellwert Ta verwendet.Von diesem Punkt (Kurve(a)) und aufwärts wird das Ausgangssignalvon der Differenzbildungseinheit 18 des venturiartigenFlussmessers verwendet. Wenn das aktuell ausgewählte Ausgangssignal von derDifferenzbildungseinheit 18 stammt, wird der Schwellwert Tb in dem Komparator verwendet, um zu bestimmen, wannvon dem aktuell gewähltenAusgangssignal auf das von der Differenzbildungseinheit 18 umgeschaltetwerden sollte. Von diesem Punkt (Kurve (b)) und abwärts wirddas Ausgangssignal von der Steuereinheit 26 des Heißdrahtflussmessersverwendet.
    [0024] Der Speicher 34 speichertdie Schwellwerte T, Ta oder Tb,auf die der Komparator 32 Zugriff haben muss. Nachschlagtabellen,die die Werte der Ausgangssignale von der Differenzbildungseinheit 18 undder Steuereinheit 26 mit aktuellen Flussraten indizieren,könnenauch in dem Speicher 34 gespeichert werden. Das Messsystem 20 kanndann angepasst sein, auf die passende Tabelle in dem Speicher abhängig vondem Ergebnis des Vergleichs in dem Komparator 32 zuzugreifen,um ein Ausgangssignal 30 zu schaffen, das den Wert derFlussrate, die in dem rohrförmigenKanal 4 gemessen wird, anzeigt. Diese Nachschlagtabellenkönnendurch Kalibrieren der Ausgangssignale von den Einheiten 18, 26 jedes Messersmit bekannten Gasflussraten durch den Kanal 4 und Eingabeder Ergebnisse in den Speicher 34 erstellt werden. Daskann natürlichfür jedeAnordnung individuell oder schubweise unter Ausnützung einer allgemeinen Nachschlagtabellefür theoretisch identischeMesser erfolgen.
    [0025] Als eine Sicherheitsvorkehrung kanndas Messsystem 20 weiter so modifiziert werden, dass es zumBeispiel in dem Komparator 32 Werte wie z.B. durch Verwendender Nachschlagtabellen erhaltene Flusswerte, abhängig von den Ausgangssignalen vonbeiden Einheiten 18, 26, vergleicht und als eine Komponentedes Ausgangssignals 30 eine Warnung in dem Fall erzeugt,dass die Differenz zwischen den Werten einen vorbestimmten Schwellwert(Ts) übersteigt,der auch im Speicher 34 enthalten sein kann.
    [0026] Es ist auch einzusehen, dass, obwohldie Differenzbildungseinheit 18, die Steuereinheit 26 und dasMesssystem 20 im Hinblick auf die Anordnung 2 der 1 als physisch separateEinheiten dargestellt sind, einige oder alle der Funktionalitäten einerVielzahl dieser verschiedenen Einheiten in einer einzigen Einheitwie z.B. einem passend unter Verwendung bekannter Programmierungstechnikenprogrammierten Mikroprozessor zusammengefasst sein können, ohnevon der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
    [0027] Darüber hinaus ist es auch erkennbar,dass die Ausgangssignale von dem venturiartigen Flussmesser unddem Heißdrahtflussmesserin einer Anzahl verschiedener Weisen ausgenutzt werden können, wiez.B. durch Addition und Normalisation der zwei Signale, um eineFlussmessanordnung zu erzielen, die eine Empfindlichkeit über ihrenMessbereich hat, die gegenüberder Empfindlichkeit jedes der einzelnen Messer erhöht ist,ohne von der beanspruchten Erfindung abzuweichen. Passende, empirischabgeleitete Nachschlagtabellen oder Formeln können ohne übermäßigen Aufwand konstruiert werden,um die Ergebnisse einer speziellen Verwendung mit der aktuellenGasflussrate in dem Kanal 4 zu indizieren.
    权利要求:
    Claims (5)
    [1] Eine Flussmessanordnung (2) mit einemventuriartigen Flussmesser (4, 14, 16, 18),der einen rohrförmigenFlusskanal 4 zum Förderneines zu messenden Gasflusses aufweist und wobei der Flusskanal(4) mit einer Verengung (6) versehen ist; dadurchgekennzeichnet, dass auch ein Heißdrahtflussmesser (24, 26)vorgesehen ist, der ein Abfühlelement(24) aufweist, das in dem Flusskanal (4) angeordnetist, und dass ein Messsystem (20) vorgesehen ist, das einAusgangssignal von dem venturiartigen Flussmesser (18)und ein Ausgangssignal von dem Heißdrahtflussmesser (26)empfängtund daraus eine Gasflussrate bestimmt.
    [2] Eine Flussmessanordnung nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, dass das Messsystem (20) einen Komparator(32) aufweist, der angepasst ist, die Ausgangssignale voneinem oder beiden Flussmessern (18; 26) mit einemzugehörigenSchwellwert (T; Tb; Ta)zu vergleichen und abhängigvon dem Vergleich schaltbar einen der Flussmesser (18; 26)auszuwählen,um sein Ausgangssignal als ein aktuell ausgewähltes Ausgangssignal zu nehmen,aus dem die Gasflussrate bestimmt wird.
    [3] Eine Flussmessanordnung nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, dass der Komparator (32) angepasst ist,das Ausgangssignal von einem oder beiden Flussmessers (18; 26)mit einem zugehörigen Schwellwert(T), der ein Wert ist, bei dem die Empfindlichkeit des venturiartigenFlussmessers (4, 14, 16, 18)für denGasfluss im wesentlichen der des Heißdrahtflussmessers (24, 26)für denGasfluss ist, zu vergleichen.
    [4] Eine Flussmessanordnung nach Anspruch 2 , dadurchgekennzeichnet, dass das Messsystem (20) mit einem Speicher(34) versehen ist, der einen mit dem Ausgangssignal desventuriartigen Flussmessers (18) verbundenen Schwellwert(Tb) und einen Schwellwert (Ta),der mit dem Ausgangssignal des Heißdrahtflussmessers (26)verbunden ist, enthält, wobeijeder Wert (Tb; Ta)für eineunterschiedliche Gasflussrate Indikativ ist, und dass der Komparator (32)angepasst ist, auf den Speicher (34) zuzugreifen und dasaktuell gewählteAusgangssignal mit dem gespeicherten, damit verbundenen Schwellwert(Tb; Ta) zu vergleichen.
    [5] Eine Flussmessanordnung nach einem der vorhergehendenAnsprüche,dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (20) angepasstist, das Ausgangssignal von dem venturiartigen Flussmesser (18)und das Ausgangssignal von dem Heißdrahtflussmesser (26)zu vergleichen, um zu bestimmen, ob ein darauf bezogener Differenzwerteinen vorbestimmten Schwellwert (Ts) übersteigt.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
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    2013-04-02| R002| Refusal decision in examination/registration proceedings|
    2013-08-01| R003| Refusal decision now final|Effective date: 20130509 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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