Es gibt eine Vielzahl von Durchflussmessprinzipien, also Möglichkeiten, den Volumendurchfluss (Flow) oder den Massendurchfluss von gasförmigen Stoffen zu messen. Jede Methode hat Vor- und Nachteile, und kein Messprinzip ist für alle Anwendungen gleichermaßen geeignet.
Volumendurchflussmessungen liefern bei Luft und anderen gasförmigen Stoffen als Messergebnis ein Verhältnis Volumen/Zeiteinheit, das den Einwirkungen von Druck und Temperatur unterliegt.
Volumendurchflussmessgeräte:
- Schwebekörperdurchflussmesser
- Staurohre
- Ultraschalldurchflussmesser
- Wirkdruckverfahren
Massendurchflussmessungen für Gase liefern eine Aussage in Normliter/Zeiteinheit (besser Gramm/Zeiteinheit, ist aber ungebräuchlich bei Gasen).
Hier sind zwei in der Medizintechnik häufig anzutreffende Verfahren beschrieben:
Schwebekörperdurchflussmesser:
Aus der allgemeinen Schwebekörpergleichung (1) ergibt sich für Gase mit geringer Dichte, verglichen mit der Dichte des Schwebekörpers, folgende Abhängigkeit des Massestroms von der Dichte des Gases im Betriebszustand bei einer bestimmten Höhe des Schwebekörpers:
Massestrom qM ~ Quadratwurzel (Gleichung 1)
= Dichte des Gases im Betriebszustand
Wie oben erwähnt, muss bei Gasen zur Umrechnung von Massenfluss in den volumetrischen Fluss (und umgekehrt) die druck- und temperaturabhängige Dichteänderung gegenüber den Norm- oder Referenzbedingungen (Tabelle 1) bekannt sein. Mit dem idealen Gasgesetz ist die Dichteänderung:
a / s = Ts / Ta (Gleichung 2)
a = Dichte bei Umgebungsbedingungen
s = Dichte bei Standardbedingungen (Referenz)
Ta = absolute Temperatur bei Umgebungsbedingungen (K)
Ts = absolute Temperatur bei Standardbedingungen (K) (Referenz)
Ebenso hängt die Dichteänderung der Gase vom Druck ab:
a / s = Pa / Ps (Gleichung 3)
a = Dichte bei Umgebungsbedingungen
s = Dichte bei Standardbedingungen (Referenz)
Pa = Absoltdruck bei Umgebungsbedingungen
Ps = Absolutdruck bei Standardbedingungen (Referenz)
Wirkdruckverfahren:
Hier wird der Druckabfall über eine in einem Strömungskanal eingebaute Restiktion gemessen. Bei Laminarfluss (alle Gasmoleküle bewegen sich entlang der gesamten Messstrecke parallel) ist der Zusammenhang zwischen Druckabfall und Volumenfluss des Gases linear.
Q = (P1 - P2) r4 /  k L (Gleichung 4)
Q = Volumetrische Flussrate
P1 = Statischer Druck am Eingang
P2 = Statischer Druck am Ausgang
r = Radius der Restriktion
= (absolute) Viskosität des Gases
L = Länge der Restriktion
Fast man diejenigen, die Geometrie der Restriktion bestimmenden Parameter zur Konstante K zusammen, ist der lineare Zusammenhang p)zwischen Volumetrischer Flussrate und Differenzdruck ( offensichtlich.
) p / Q = K ( (Gleichung 5)
Werden gleichzeitig der Luftdruck und die Temperatur des Gases gemessen, lässt sich die Masse des Gases errechnen.
m = V x  (Gleichung 6)
m = Masse
V = Volumen
= Dichte
Wie beschrieben, ist es üblich, die Massenflussrate in SPLM (Standardliter pro Minute) anzugeben. Das heißt, dass die Massenflussrate durch Normalisieren der Volumetrischen Flussrate auf Standardtemperatur und ) bei diesem–druck (STP) berechnet wird. Ist die Dichte ( Standard bekannt, kann die Massenflussrate z.B. in Gramm pro Minute bestimmt werden.
Tabelle 1
Es existieren viele Standard- (Referenz-) Bedingungen für die Flussmessung von Luft:
ATP (Ambiet Temperature and Pressure):
Geometrisches Volumen. Es wird das Volumen angezeigt, welches das Gas bei aktuellem Umgebungsdruck und aktueller Gastemperatur anzeigt.
STP (Standard Conditions USA):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 21 °C und 1013 mbar
(70 °F / 760 mmHg).
BTPS (Body Temperature and Pressure Saturated):
Es wir das Volumen angezeigt, welches mit 100 % gesättigtem feuchtem Gas bei aktuellem Umgebungsdruck und 37 °C (99 °F) gemessen würde.
BTPD (Body Temperature and Pressure Dry):
Es wir das Volumen angezeigt, welches mit trockener Luft (0 %), bei aktuellem Umgebungsdruck und 37 °C (99 °F) gemessen würde.
NTP (Normal Temperature and Normal Pressure):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 0 °C und 1013 mbar
(32 °F / 760 mmHg). Normbedingung nach DIN 1343.
20/981 (Normbedingung nach ISO 1-1975 (DIN 102)):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 20 °C und 981 mbar
(68 °F / 736 mmHg).
15/1013 (API Standard Conditions):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 15 °C und 1013 mbar
(60°F / 14,7 psia).
25/991 (Cummings Standard):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 25 °C und 991 mbar (77 °F / 500 ft altitude).
20/1013 (20 °C / 1013 mbar):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 20 °C und 1013 mbar
(68 °F / 760 mmHg).
Die Viskosität der Gase (Gleichung 4) wird von Feuchtigkeit und Wasserdampf beeinflusst.
Deshalb wird zusätzlich noch bei einigen dieser Standards nach dem Feuchtigkeitsgehalt der
Luft – D (dry) und –S (saturated) unterschieden.
Für den Nutzer eines Beatmungsgerätetesters ist es also wichtig zu wissen, ob er die für seine Messaufgabe zutreffende Normierung des Gasgemisches Luft gewählt hat. Anderenfalls ist mit Abweichungen von bis zu 20% vom richtigen Ergebnis zu rechnen.
Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Wozniak, Geschäftsführer KSW Kalibrierservice Wozniak.
Das vom DKD akkreditierte Labor kalibriert für die Industrie und als Partner von
mtk biomed medizinische Mess- und Prüfgeräte.
Quellen:
[1] Frank Rittner, Martin Döring „Kurven und Loops in der Beatmung“
Volumendurchflussmessungen liefern bei Luft und anderen gasförmigen Stoffen als Messergebnis ein Verhältnis Volumen/Zeiteinheit, das den Einwirkungen von Druck und Temperatur unterliegt.
Volumendurchflussmessgeräte:
- Schwebekörperdurchflussmesser
- Staurohre
- Ultraschalldurchflussmesser
- Wirkdruckverfahren
Massendurchflussmessungen für Gase liefern eine Aussage in Normliter/Zeiteinheit (besser Gramm/Zeiteinheit, ist aber ungebräuchlich bei Gasen).
Hier sind zwei in der Medizintechnik häufig anzutreffende Verfahren beschrieben:
Schwebekörperdurchflussmesser:
Aus der allgemeinen Schwebekörpergleichung (1) ergibt sich für Gase mit geringer Dichte, verglichen mit der Dichte des Schwebekörpers, folgende Abhängigkeit des Massestroms von der Dichte des Gases im Betriebszustand bei einer bestimmten Höhe des Schwebekörpers:
Massestrom qM ~ Quadratwurzel (Gleichung 1)
= Dichte des Gases im Betriebszustand
Wie oben erwähnt, muss bei Gasen zur Umrechnung von Massenfluss in den volumetrischen Fluss (und umgekehrt) die druck- und temperaturabhängige Dichteänderung gegenüber den Norm- oder Referenzbedingungen (Tabelle 1) bekannt sein. Mit dem idealen Gasgesetz ist die Dichteänderung:
a / s = Ts / Ta (Gleichung 2)
a = Dichte bei Umgebungsbedingungen
s = Dichte bei Standardbedingungen (Referenz)
Ta = absolute Temperatur bei Umgebungsbedingungen (K)
Ts = absolute Temperatur bei Standardbedingungen (K) (Referenz)
Ebenso hängt die Dichteänderung der Gase vom Druck ab:
a / s = Pa / Ps (Gleichung 3)
a = Dichte bei Umgebungsbedingungen
s = Dichte bei Standardbedingungen (Referenz)
Pa = Absoltdruck bei Umgebungsbedingungen
Ps = Absolutdruck bei Standardbedingungen (Referenz)
Wirkdruckverfahren:
Hier wird der Druckabfall über eine in einem Strömungskanal eingebaute Restiktion gemessen. Bei Laminarfluss (alle Gasmoleküle bewegen sich entlang der gesamten Messstrecke parallel) ist der Zusammenhang zwischen Druckabfall und Volumenfluss des Gases linear.
Q = (P1 - P2) r4 /  k L (Gleichung 4)
Q = Volumetrische Flussrate
P1 = Statischer Druck am Eingang
P2 = Statischer Druck am Ausgang
r = Radius der Restriktion
= (absolute) Viskosität des Gases
L = Länge der Restriktion
Fast man diejenigen, die Geometrie der Restriktion bestimmenden Parameter zur Konstante K zusammen, ist der lineare Zusammenhang p)zwischen Volumetrischer Flussrate und Differenzdruck ( offensichtlich.
) p / Q = K ( (Gleichung 5)
Werden gleichzeitig der Luftdruck und die Temperatur des Gases gemessen, lässt sich die Masse des Gases errechnen.
m = V x  (Gleichung 6)
m = Masse
V = Volumen
= Dichte
Wie beschrieben, ist es üblich, die Massenflussrate in SPLM (Standardliter pro Minute) anzugeben. Das heißt, dass die Massenflussrate durch Normalisieren der Volumetrischen Flussrate auf Standardtemperatur und ) bei diesem–druck (STP) berechnet wird. Ist die Dichte ( Standard bekannt, kann die Massenflussrate z.B. in Gramm pro Minute bestimmt werden.
Tabelle 1
Es existieren viele Standard- (Referenz-) Bedingungen für die Flussmessung von Luft:
ATP (Ambiet Temperature and Pressure):
Geometrisches Volumen. Es wird das Volumen angezeigt, welches das Gas bei aktuellem Umgebungsdruck und aktueller Gastemperatur anzeigt.
STP (Standard Conditions USA):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 21 °C und 1013 mbar
(70 °F / 760 mmHg).
BTPS (Body Temperature and Pressure Saturated):
Es wir das Volumen angezeigt, welches mit 100 % gesättigtem feuchtem Gas bei aktuellem Umgebungsdruck und 37 °C (99 °F) gemessen würde.
BTPD (Body Temperature and Pressure Dry):
Es wir das Volumen angezeigt, welches mit trockener Luft (0 %), bei aktuellem Umgebungsdruck und 37 °C (99 °F) gemessen würde.
NTP (Normal Temperature and Normal Pressure):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 0 °C und 1013 mbar
(32 °F / 760 mmHg). Normbedingung nach DIN 1343.
20/981 (Normbedingung nach ISO 1-1975 (DIN 102)):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 20 °C und 981 mbar
(68 °F / 736 mmHg).
15/1013 (API Standard Conditions):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 15 °C und 1013 mbar
(60°F / 14,7 psia).
25/991 (Cummings Standard):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 25 °C und 991 mbar (77 °F / 500 ft altitude).
20/1013 (20 °C / 1013 mbar):
Umrechnung des Volumens auf Umgebungsbedingungen von 20 °C und 1013 mbar
(68 °F / 760 mmHg).
Die Viskosität der Gase (Gleichung 4) wird von Feuchtigkeit und Wasserdampf beeinflusst.
Deshalb wird zusätzlich noch bei einigen dieser Standards nach dem Feuchtigkeitsgehalt der
Luft – D (dry) und –S (saturated) unterschieden.
Für den Nutzer eines Beatmungsgerätetesters ist es also wichtig zu wissen, ob er die für seine Messaufgabe zutreffende Normierung des Gasgemisches Luft gewählt hat. Anderenfalls ist mit Abweichungen von bis zu 20% vom richtigen Ergebnis zu rechnen.
Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Jürgen Wozniak, Geschäftsführer KSW Kalibrierservice Wozniak.
Das vom DKD akkreditierte Labor kalibriert für die Industrie und als Partner von
mtk biomed medizinische Mess- und Prüfgeräte.
Quellen:
[1] Frank Rittner, Martin Döring „Kurven und Loops in der Beatmung“
