DE1923071A1 - Inductive flow meter - Google Patents
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Description
N. 153N. 153
Augsburg, den 5· Mai 1969Augsburg, May 5, 1969
national Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London, S.V/.l, Englandnational Research Development Corporation, Kingsgate House, 66-74 Victoria Street, London, S.V / .l, England
Induktives Durchfluß-MeßgerätInductive flow meter
Die Erfindung betrifft Durchfluß-Meßgeräte und insbesondere eine Geräteart, bei welcher ein Plüssigkeitsstrom indirekt dadurch gemessen wird, daß diese Flüssigkeit durch ein Magnetfeld geleitet wird, wobei die in der Flüssigkeit induzierte elektromotorische Kraft als Maß für die Flüssigkeitsströmung dient.The invention relates to flow meters and, more particularly, to a type of device in which a fluid flow is measured indirectly in that this liquid is passed through a magnetic field, the in the Fluid induced electromotive force is used as a measure of fluid flow.
f? /f? /
Bekannte Durchfluß-Meßgeräte dieser Art verwenden zur Erzeugung des Magnetfeldes einen Elektromagneten, bei welchem die Windungen der Erregerwicklung entweder auf einen hufeisenförmigen Eisenkern aufgebracht sind oder bei welchem kein Eisenkern Verwendung findet. Schließlich ist noch eine Geräteart bekannt, bei v/elcher die Windungen in einem bestimmten Bereich eines Eisenkernes konzentriert sind, jedoch über den Eisenkern nicht gleichförmig verteilt sind. Solche bekannte Durchfluß-Meßgeräte haben jedoch den Nachteil, daß sie nicht in gleichem Maße auf eine Laminarströnung und eine turbulente Strömung des zu untersuchenden Flüssigkeitsstromes ansprechen. Known flow meters of this type use an electromagnet to generate the magnetic field, in which the turns of the excitation winding are either applied to a horseshoe-shaped iron core or at which no iron core is used. Finally, another type of device is known in which the turns in are concentrated in a certain area of an iron core, but are not uniformly distributed over the iron core. However, such known flow meters have the disadvantage that they are not to the same extent on a laminar flow and address a turbulent flow of the liquid flow to be examined.
Durch die Erfindung soll demgemäß die Aufgabe gelöst werden, ein induktives Durchfluß-Meßgerät zu schaffen, dessen Empfindlichkeit gegenüber laminarer und turbulenter Strömung im wesentliehen gleich ist.The invention should accordingly achieve the object of creating an inductive flow meter, the Sensitivity to laminar and turbulent flow is essentially the same.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke beruht auf der Erkenntnis, daß der obige Nachteil bekannter Geräte, insbesondere bei Meßgeräten zur Bestimmung eines durch eine Röhre geführten Blutstromes, dadurch im wesentlichen beseitigt werden kann, daß die magnetische Feldverteilung verändert und in geeigneter Weise gestaltet wird.The idea on which the invention is based is based on the knowledge that the above disadvantage of known devices, in particular in measuring devices for determining a blood flow guided through a tube, thereby essentially eliminated can be that the magnetic field distribution is changed and designed in a suitable manner.
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Die angesehene Aufgabe wird bsi einem induktiven Durehfiuß-rleSgerät sur Bestinmung ύ&τ Strömungsgeschwindigkeit von elektrisch leitenden Flüssigkeiten,, insbesondere von ilufcc, rait einen den Flüssigkeitsstrom aufnehmenden Röhrenj rmi2 und einen ZZlektroHiagneten zu:? Erzeugung eines I-lagnet-'"■-Mes in Bereich des Höhrenraunes ~emäß der Erfindung '.-.UiIr1CiI gelöst,, daß dar Elektromagnet einen ferronagoetischen . τη in 7c*ra eines dlnnwandi^en. ~*3Γ- Hc-hfenrauKi unigebsnden :.-njes enthälts der in Clueprichtnj:- gleichnäßig aufgebrachte ":: ndungen tv'ic&a öie jedoch auf disnatFal eiiianäe? gsssn-""."-■ erlie^endeii Ilemiiiälften /gesensiini^ ^etriekelt sinds unci :l.a3 Eiifc der. su untersuchenden Flüssiglseitsstr-oin meiirere Elektroden in elektrischem Kontakt stehena die so angeordnet :-'.näs daß bei einei? Flüssigkeitssferönuns und beim Durchleiten oines elektrischen Stromes durch den Elektromagneten eine induzierte Spannung siiisclieii den is Bereich je einer Hälfte los Elektromagneten gelegenen Elektroden auftritt <>The considered task is an inductive flow meter to determine ύ & τ flow velocity of electrically conductive liquids, especially ilufcc, a tube jrmi2 and a ZlektroHiagneten to :? Generating an I-lagnet -.. '"■ -MES in the region of the Höhrenraunes ~ emäß the invention' .- UiIr dissolved 1 CII ,, that is solenoid τη a ferronagoetischen in 7c * ra a dlnnwandi ^ s ~ * 3Γ- Hc. -hfenrauKi unigebsnden: .- njes s containing in Clueprichtnj: - gleichnäßig applied ": but inventions tv'ic & a ÖIE on disnatFal eiiianäe? "." - gsssn "- ■ Erlie ^ endeii Ilemiiiälften / gesensiini ^ ^ etriekelt s are unci: l.a3 Eiifc the su examined Flüssiglseitsstr-oin meiirere electrodes in electrical contact with a disposed so: -.. 's nä that when A liquid holiday and when an electric current is passed through the electromagnet, an induced voltage occurs across the electrodes located halfway away from the electromagnet
■yorsugsx-reise hat das Durchfluß-Meßgerät zylindrische Forsi und ist nit einera axialen Selslitz versehen, v/elcher das Innere und das Äußere des Meßgerätes miteinander verbindet, so daß unmittelbar eine unverletzte Arterie oder Vene in das Gerät eingesetzt werden kann. Gemäß einer anderen Bauart des erfxndungsgeniäßen Gerätes kann aber auch die Zylinderform geschlossen sein, wobei geeignete Endanschlüsse■ yorsugsx-Reise has the flow meter cylindrical Forsi and is provided with an axial slit, v / elcher the inside and the outside of the measuring device connects with each other, so that immediately an uninjured artery or Vein can be inserted into the device. According to another type of device according to the invention, however, the Cylindrical shape closed with suitable end connections
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zur Verbindung mit aufgeschnittenen Arterien, Venen oder anderen röhrenförmigen Kanälen vorgesehen sind.for connection with cut arteries, veins or other tubular channels are provided.
Der Kern des Elektromagneten weist vorzugsweise hohe magnetische Permeabilität auf und wird zweckmäßig unter Verwendung des unter dem Warennahmen "Permalloy C" im Handel erhältlichen Werkstoffes geblecht ausgeführt. Der Wieklunsssinn der auf den Kern aufgebrachten Windungen wird bei Erreichen des halben Umfangsweges umgekehrt. Vorteilhafterweise erfolgt diese Umkehr des WicklungsSinnes im Falle geschlitzter Ausführungsformen des Gerätes an einer der Schlitzöffnung gegenüberliegenden Stelle und die Windungen erzeugen bei Erregung durch Wechselstrom ein entsprechendes Hord-Süd-Magnetfeld.The core of the electromagnet preferably has high magnetic permeability and is expediently under Use of the material that is commercially available under the trade name "Permalloy C" is laminated. Of the The sense of the direction of the windings applied to the core is reversed when half of the circumferential path is reached. Advantageously this reversal of the winding sense takes place in Case of slotted embodiments of the device on a the position opposite the slot opening and the windings generate a corresponding one when excited by alternating current Hord south magnetic field.
Es hat sich herausgestellt, daß von der Strömungsgeschwindigkeit und der Stärke des Magnetfeldes diejenigen Bereiche innerhalb des Gerätes am meisten beeinflußt werden., welche an den Enden einer Durehmesserlinie gelegen sind, welche senkrecht zur Hauptrichtung des Magnetfeldes eingezeichnet wird. Die Elektroden werden vorzugsweise in diesen Bereichen angeordnet. Es können nun entweder zwei Elektroden verwendet werden, welche jeweils an den Enden der vorstehend erwähnten Durehmesserlinie gelegen sind, oder es können mehrIt has been found that of the flow velocity and the strength of the magnetic field those Areas within the device are most affected., which are located at the ends of a diameter line which is drawn perpendicular to the main direction of the magnetic field will. The electrodes are preferably arranged in these areas. Either two electrodes can now be used may be used which are respectively located at the ends of the above-mentioned diameter line, or more may be used
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als zwei Elektroden verwendet werden. In diesem Falle ist dafür Sorge zu tragen, daß die Mitte jedes Elektrodensystems an oder nahe bei dem betreffenden Ende der erwähnten Durchmesserlinie angeordnet wird.can be used as two electrodes. In this case, care must be taken that the center of each electrode system at or near the relevant end of the aforementioned diameter line is arranged.
Die magnetische Feldstärke ist im Bereich der Elektroden größer als im Bereich der Achse des Meßgerätes und bezüglich einer gleichbleibenden Empfindlichkeit des Meßgerätes bei Änderungen des Strömungsprofiles kann dadurch eine Verbesserung erzielt werden, daß die magnetische Feldstärke im Bereich der Elektroden herabgesetzt wird. Diese Verminderung der Feldstärke wird vorzugsweise vermittels Streifen aus ferromagnetisehern Material, beispielsweise aus den Werkstoff "Permalloy B" erreicht, welche zwischen den Elektroden und dem magnetischen System angeordnet sind.The magnetic field strength is greater in the area of the electrodes than in the area of the axis of the measuring device and with regard to a constant sensitivity of the measuring device with changes in the flow profile can thereby an improvement can be achieved that the magnetic field strength is reduced in the area of the electrodes. These The field strength is preferably reduced by means of strips of ferromagnetic material, for example achieved from the material "Permalloy B", which are arranged between the electrodes and the magnetic system.
Die Größe dieser Streifen beeinflußt das Maß der Verringerung der magnetischen Feldstärke und mit einigen Versuchen läßt sich für den jeweiligen Anwendungsfall die optimale Streifengröße bestimmen. Die magnetische Feldstärke kann auch dadurch verringert werden, daß im Bereich des elektrischen Zentrums der Elektrodenanordnungen ein Spalt in der Wicklung vorgesehen wird oder daß an den betreffenden Stellen geeignete Hilfswindungen angeordnet werden.The size of these stripes affects the degree of reduction in the magnetic field strength and with some Can be tried for the respective application determine optimal strip size. The magnetic field strength can also be reduced by the fact that in the area of the electrical center of the electrode assemblies a gap is provided in the winding or that at the relevant Place suitable auxiliary windings.
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Die Elektroden können aus Edelmetall, insbesondere aus Platin, bestehen und blanke Oberfläche besitzen oder die Elektroden können Oberflächen mit einer aus einem Kolloid aufgebrachten Edelmetallbeschichtung besitzen. Die Elektroden können mit der Wandung des Gefäßes oder Röhrensysteins, durch welches der zu untersuchende Flüssigkeitsstrom fließt, in Verbindung stehen und sind vorzugsweise in Ausnehmungen auf der Wandungsinnenseite untergebracht.The electrodes can be made of noble metal, in particular made of platinum, and have a bare surface, or the electrodes can have surfaces made of a colloid have applied noble metal coating. The electrodes can go through with the wall of the vessel or tubular system which the liquid stream to be examined flows, are connected and are preferably in recesses housed on the inside of the wall.
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser stellen dar:In the following the invention is illustrated by the description of a preferred embodiment with reference explained in more detail on the accompanying drawing. In this represent:
Pig. I eine perspektivische Ansicht eines Pig. I a perspective view of one
erfindungsgemäßen, zylindrischen, geschlitzt ausgeführten Blut- Durchflußmeßgerätes undinventive, cylindrical, slotted blood flow meter and
Fig. 2 eine Stirnansicht dieses Gerätes.Fig. 2 is an end view of this device.
Das erfindungsgemäße Durchfluß-Meßgerät weist ein Rohr oder eine Kanüle T auf, durch welche ein Blutstrom geführt werden kann, oder der Blutstrom wird über eine unbeschädigte Arterie oder Vene geleitet, die über einen The flow meter according to the invention has a tube or a cannula T, through which a blood flow can be passed, or the blood flow is passed through an undamaged artery or vein that is passed through a
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Schlitz A-A' in das Gerät eingelegt wird. Die Röhre bzw. Kanüle ist mit Elektroden E1 und Ep ausgestattet, welche aus mit Platin beschichtetem Gold bestehen und Vielehe zur Erzielung einer besseren Basislinienstabilität am Grunde schmaler, in Umfangsriehtung verlaufender Schlitze angeordnet sind, die einen Winkel von etwa 20 mit Bezug auf die Achse der Röhre überspannen. Die zuletztgenannte Anordnung hat den Vorteil eines niedrigen Rauschpegels oder Störpegels. Das Magnetfeld wird mittels eines magnetischen Stromkreises geschaffen, welcher aus einem geblechten Kern aus dem erwähnten Werkstoff "Permalloy C" besteht und bei C-C angedeutet ist. Um diesen Ila.^netkern sind Drahtwindungen Ii in bestimmter Anzahl gewickelt, welche den Erregerstrora führen. Die Windungen sind auf je eine der Kernhälften gegensinnig gewickelt, wodurch sich ein magnetischer Fluß ergibt, dessen Hauptrichtung der Nord-Süd- · Richtung entspricht. Die Verteilung des magnetischen Flusses innerhalb der Röhre bzw. Kanüle ist so9 daß die magnetische Feldstärke im Bereiche der Elektroden E1 und E2 größer als die magnetische Feldstärke im Bereiche des Schlitzes A-A' kleiner als im Äeiisenbereich ist. Schließlich ist die magnetische Feldstärke auf der abgeschlossenen Seite des Kernes größer als im Achsenbereich. Diese magnetische Feldverteilung hat insgesamt noch die Wirkung, daß sich eine erhöhte Empfindlichkeit bei turbulenter .Strömung gegenüberSlot AA 'is inserted into the device. The tube or cannula is equipped with electrodes E 1 and Ep, which are made of gold coated with platinum and polygons are arranged at the bottom of narrow, circumferential slots at an angle of about 20 with respect to the axis to achieve better base line stability span the tube. The latter arrangement has the advantage of a low level of noise or interference. The magnetic field is created by means of a magnetic circuit, which consists of a laminated core made of the aforementioned material "Permalloy C" and is indicated by CC. A certain number of wire windings are wound around this core of the net, which conduct the excitation current. The turns are wound in opposite directions on each of the core halves, which results in a magnetic flux, the main direction of which corresponds to the north-south direction. The distribution of the magnetic flux within the tube or cannula is 9 that the magnetic field strength in the regions of the electrodes E 1 and E 2 is greater 'smaller than the magnetic field strength in the region of the slot than in the AA Äeiisenbereich. After all, the magnetic field strength on the closed side of the core is greater than in the axial area. Overall, this magnetic field distribution has the effect of increasing sensitivity in the case of turbulent .Strömung
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der Empfindlichkeit bei Laminarströmung ergibt. Dieser Unterschied kann bis auf einen Restwert von 1 % vermindert werden, indem die magnetische Feldstärke im Bereich der •Elektroden herabgesetzt wird. Dies geschieht durch Anordnen schmaler, aus dem Werkstoff "Permalloy B" bestehender Streifen S. und S2 außerhalb der Röhre bzw. Kanüle, jedoch innerhalb des magnetischen Systems derart, daß die Streifen jeweils über den Elektroden liegen und ihrer Länge nach jeweils parallel zu der Röhrenachse verlaufen. Die Wirkung verschiedener Streifenbreiten auf die induzierte Spannung zwischen Elektroden, welche 10 mm voneinander entfernt waren, wurde bei verschiedenen Strömungen bzw. Strömungsarten untersucht, und es stellte sich heraus, daß eine Streifenbreite von 3,3 mm sowohl für Laminarströmung als auch für turbulente Strömungen und für Zwischenbereiche nahezu gleiche Empfindlichkeit ergibt, wobei eine Achsensymmetrie des Strömungsprofiles aufrechterhalten wird.the sensitivity to laminar flow. This difference can be reduced to a residual value of 1 % by reducing the magnetic field strength in the area of the • electrodes. This is done by arranging narrow strips S and S 2 made of the material "Permalloy B" outside the tube or cannula, but within the magnetic system in such a way that the strips each lie over the electrodes and their length is parallel to the Run the tube axis. The effect of different strip widths on the induced voltage between electrodes, which were 10 mm apart, was investigated for different flows or types of flow, and it was found that a strip width of 3.3 mm for both laminar flow and turbulent flows and results in almost the same sensitivity for intermediate areas, whereby an axial symmetry of the flow profile is maintained.
Das oben beschriebene Durchfluß-Meßgerät eignet sich insbesondere als Durchfluß-Meßgerät für Blut, doch grundsätzlich lassen sich Geräte nach der Erfindung auch zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit anderer elektrisch leitender Flüssigkeiten verwenden. .The flow measuring device described above is particularly suitable as a flow measuring device for blood, but in principle devices according to the invention can also be used to measure the flow rate of others electrically Use conductive liquids. .
Der oben beschriebene magnetische Stromkreis desThe magnetic circuit of the
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erfindungsgemäßen Durchfluß-Meßgerätes hat folgende Ttfesentliche Vorteile:The flow meter according to the invention has the following significant advantages:
1. Das Volumen innerhalb seiner zylindrischen Wandungen oder Umgrenzungen ist weitgehend mit Eieen und Kupfer ausgefüllt und daher hinsichtlich elektromagnetischer Gesichtspunkte außerordentlich gut ausgenützt. Weiter fallen die Begrenzungsflächen der Wicklungen mit der Innenfläche und der Außenfläche des zylindrischen Körpers des Meßgerätes zusammen, wodurch sich eine wirkungsvolle Wärmeabfuhr und ein minimaler Temperaturanstieg in den Wicklungen erzielen läßt. Hieraus ergibt sich wieder, daß das Kopfstück des erfindungsgemäßen Meßgerätes mit kleinerer Wandstärke, mit geringerem Temperaturanstieg und höherer Empfindlichkeit ausgeführt werden kann, als dies bei gebräuchlichen Meßgeräteköpfen mit kernloser Wicklung möglich ist. Auch der Vergleich mit gebräuchlichen Meßgeräten mit hufeisenförmigem Eisenkern fällt günstiger aus, was teilweise auf dem geringeren Streufluß und damit den möglichen geringeren Querschnitten beruht.1. The volume within its cylindrical walls or boundaries is largely filled with iron and copper and therefore extraordinarily well used in terms of electromagnetic aspects. They continue to fall Boundary surfaces of the windings with the inner surface and the outer surface of the cylindrical body of the measuring device together, which results in effective heat dissipation and a minimal rise in temperature in the windings leaves. From this it follows again that the head piece of the measuring device according to the invention with a smaller wall thickness, with lower temperature rise and higher sensitivity can be carried out than is the case with conventional measuring instrument heads with coreless winding is possible. Also the comparison with common measuring devices with horseshoe-shaped Iron core is cheaper, which is partly due to the lower leakage flux and thus the possible smaller cross-sections is based.
2. Erfindungsgemäße Meßgeräte können in einem weiten Bereich in verschiedenen Größen von etwa 3 mm Lumendurchmesser an aufwärts gebaut werden und die Konstruktionsdaten2. Measuring devices according to the invention can be used in a wide range Area can be built in different sizes from about 3 mm lumen diameter upwards and the design data
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und Konstruktionssleichungen lassen sich programmieren, so daß die Einzelheiten mittels Rechenmaschinen ermittelt werden können.and engineering equations can be programmed so that the details are determined using calculating machines can.
3. Der magnetische Stromkreis läßt sich leicht in seiner Gesamtheit abschirmen, wodurch Störsignale ausgeschaltet werden. Dies kann erreicht werden, indem auf der Innenseite und auf der Außenseite des magnetischen Stromkreises in Umfangsrichtung verlaufendes Streifenmaterial aufgewickelt wird, welches aus einer Legierung hohen Widerstandes, beispielsweise aus 45 % Nickel-Kupfer, besteht und eine geringe Dicke von beispielsweise von 0,01 mm besitzt.3. The magnetic circuit can easily be shielded in its entirety, whereby interfering signals are eliminated. This can be achieved by winding strip material running in the circumferential direction on the inside and on the outside of the magnetic circuit, which consists of a high-resistance alloy, for example 45 % nickel-copper, and is thin, for example 0.01 mm owns.
4. Die Elektrodenanschlußleitungen werden, soweit sie nicht miteinander verdrillt werden, innerhalb des magnetischen Strom- bzw. Schließungskreises geführt, wodurch eine wirkungsvolle Abschirmung gegenüber äußeren magnetischen Feldern erzielt wird. Beispielsweise wird der Einfluß des Streuflusses von benachbarten elektromagnetischen Durchfluß-Heßgeräten und die gegenseitige Beeinflussung zwischen diesen Meßgeräten herabgesetzt.4. The electrode connection lines are, as long as they are not twisted together, within the magnetic Current or closing circuit out, creating an effective shield against external magnetic fields is achieved. For example, the influence of the leakage flux from neighboring electromagnetic flow-through measuring devices and the interference between these meters is reduced.
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