РОТАМЕТР МЕДИЦИНСКИЙ

Полезная модель относится к приборам для измерения расхода медицинских газов в широком диапазоне значений расходов. В частности полезная модель относится к ротаметрам медицинским, преимущественно, для аппаратов ингаляционного воздействия на пациента и искусственной вентиляции легких, предъявляются специфические требования, определяющие их эффективность и отличающие их от общепромышленных ротаметров, а именно необходимость градуировки шкал в физических единицах расхода газа (л/мин), недопустимость применения во время эксплуатации графиков, таблиц, поправочных коэффициентов для определения расхода газов, значительный диаметр поплавка и трубки, что необходимо для удобства считывания показаний ротаметра на значительном расстоянии в экстремальных условиях проведения хирургических операций.
Известен ротаметр с цилиндрической трубкой с концентрическими вырезами и с кольцевым поплавком в ней. Измеряемая среда по ротаметру протекает исключительно по внутренней трубе и воздействует на поплавок /1/.
Недостатками этого ротаметра являются низкое быстродействие и неравномерность измерений, пониженная точность из-за вращения поплавка и большой турбулизации потока в зазоре, делающие не целесообразным его применение в медицинских целях.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является ротаметр медицинский, содержащий корпус, расширяющийся снизу вверх в направлении потока. Корпус служит направляющей для поплавка, который может скользить в канале корпуса. На поверхности поплавка имеется ряд продольных выемок, идущих вдоль всей длины поплавка, причем сечение выемок уменьшается от краевых точек, расположенных выше по потоку, в направлении точек, лежащих ниже по потоку [2].
Недостатками этого ротаметра является низкие быстродействие и точность, достаточно сложная технология изготовления, узость
функциональных возможностей, не позволяющая использовать для измерения расхода разных газов (с различной плотностью), узость диапазона измеряемых расходов из-за вращения поплавка в зоне турбулентности.
Технической задачей полезной модели является создание эффективного медицинского ротаметра, а также расширение арсенала ротаметров для медицинских газов.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи состоит в том, что повышены быстродействие, равномерность и точность измерений (за счет снижения результирующего закручивающего усилия и степени турбулентности, т.е. неустойчивости течения газа в зазоре), упрощена конструкция и, следовательно, технология изготовления, т.к. не требуется выполнения выемок переменного сечения на корпусе и на поплавке, расширены функциональные возможности для измерения расходов газов с различными плотностями в широком диапазоне расходов на одной и той же конической трубке.
Сущность полезной модели состоит в том, что ротаметр медицинский, содержит прямолинейную прозрачную трубку из оптически прозрачного материала с коническим каналом, снабженную шкалой и установленными по краям крышками, имеющими отверстия меньшего проходного сечения, чем конический канал трубки, а также размещенный в последней поплавок с глухим осевым каналом, состоящий из последовательно сопряженных верхней конической, средней цилиндрической и нижней конической частей, последняя из которых ориентирована скругленной вершиной навстречу направлению потока, причем средняя цилиндрическая часть выполнена с длиной большей, чем верхняя и с меньшей, чем нижняя коническая части, выполненные с одинаковым углом конусности, большим, чем угол конусности конического канала трубки.
Предпочтительно конические части поплавка выполнены с углом конусности 45°±1°, поплавок выполнен из стали, с длиной, составляющей 0,06-0,08 длины конического канала трубки, отношение длин цилиндрической и верхней конической частей поплавка выполнено в пределах 3,0-4,5, отношение длин цилиндрической и нижней конической частей, выполнено в пределах 0,75-0,9, поплавок выполнен с глухим
осевым каналом, длина которого обратно пропорциональна плотности газа, расход которого должен измеряться ротаметром.
На чертеже фиг.1 изображен ротаметр, на фиг.2 - поплавок. Ротаметр медицинский, содержит прямолинейную прозрачную трубку 1 из оптически прозрачного материала с коническим каналом 2, снабженную шкалой 3 и установленными по краям пластмассовыми крышками 4,5, имеющими отверстия 6 меньшего проходного сечения, чем конический канал 2 трубки 1, а также размещенный в последней поплавок с глухим цилиндрическим осевым каналом 7, состоящий из последовательно сопряженных верхней конической части 8, средней цилиндрической части 9 и нижней конической части 10. Последняя из которых ориентирована скругленной вершиной (не обозначена) навстречу направлению потока. Средняя цилиндрическая часть 9 выполнена с длиной большей, чем верхняя коническая часть 8 и с меньшей, чем нижняя коническая часть 10, выполненные с одинаковым (в пределах неизбежных технологических отклонений) углом конусности 45°±1°, т.е. большим, чем угол конусности конического канала 2 трубки 1, которая, предпочтительно выполнена с конусностью 1:200 (т.е. угол конусности менее 5°).
Поплавок выполнен из стали, с длиной, например, 11 мм, составляющей, предпочтительно, 0,06-0,08 длины, например, 160 мм конического канала 2 трубки. 1 Отношение длин, предпочтительно составляющих 4,5 мм и 1,2 мм, соответственно, цилиндрической и верхней конической частей 9,8 поплавка выполнено в пределах 3,0-4,5. Отношение длин, предпочтительно составляющих 4,5 и 5,5 мм, соответственно, цилиндрической и нижней конической частей 9,10, выполнено в пределах 0,75-0,9. Так как нужно учитывать, что номинальные размеры частей 8-10 поплавка неизбежно имеют технологические отклонения от номинального значения, соотношения размеров не могут быть даны иначе, чем в виде соответствующих диапазонов. Поплавок выполнен с глухим осевым каналом 7 со стороны основания верхней конической части 8 поплавка. Длина канала 7 предпочтительно составляет от 2 мм до 5,5 мм и обратно пропорциональна плотности газа, расход которого должен измеряться ротаметром.
Ротаметр работает следующим образом.
Газ, расход которого надо измерить, через отверстие 6 крышки 4 поступает в канал 2 прозрачной трубки 1. Поплавок при этом начинает движение вверх по трубке 1 за счет перепада давления на входе в ступенчатый зазор (между поплавком и каналом 2 трубки 1) и на выходе из этого зазора. Поток газа сжимается на конических участках 8, 10 поплавка, а расширяется на цилиндрическом участке 9. На каждом коническом участке 8, 10 в результате увеличения скорости формируется закручивающее усилие, которое стремится вращать поплавок вокруг оси, что в известных устройствах препятствует прямолинейному рабочему перемещению поплавка, турбулизирует протекающий поток, замедляет формирование установившегося показания и может привести к перекосу поплавка и искажению результатов измерений. Однако на цилиндрическом участке 9 в результате уменьшения скорости одновременно формируется закручивающее усилие, которое стремится вращать поплавок вокруг оси в противоположном направлении (относительно аналогичного усилия на конических участках). Противоположные закручивающие усилия на конических участках 8, 10 и на цилиндрическом участке 9 взаимно уравновешиваются, по меньшей мере, частично, что обеспечивает устойчивое прямолинейное перемещение поплавка вдоль оси канала 2 и оперативное получение максимально достоверных результатов измерений.
В зависимости от условий использования ротаметра, соотношение размеров частей 8-10 поплавка, обеспечивающее уравновешивание закручивающих усилий на конических и цилиндрической частях 8-10 и минимальную турбулизацию потока, может быть разным. Для целей измерения расхода дыхательных газов (воздух, кислород), инертных газов (ксенон, гелий и др.), а также их смесей эмпирически выявлены оптимальные соотношения, указанные выше.
В целом по мере движения поплавка вверх скорость среды в ступенчатом зазоре между поплавком и стенками трубки 1 уменьшается. В момент, когда вес поплавка уравновесится силой гидродинамического воздействия потока, подъем поплавка прекращается и расход среды регистрируется по высоте подъема поплавка, для чего непосредственно
считываются показания со шкалы 3 измерительной трубки прозрачной 1, оттарированной для измеряемого газа.
Для реализации медицинских целей относительный диапазон измерения ротаметров должен быть в пределах 50:1, допускается по требованию потребителя 25:1.
В данном ротаметре, как показали натурные испытания, за счет эмпирического выбора оптимальной формы и геометрических параметров поплавка и соотношений, формирующих продольную конфигурацию зазора, поплавок в установившемся положении не вращается в потоке, поток газа в зазоре не закручивается и не турбулизируется во всем диапазоне измерений, центрирование идет за счет статического давления, поле статического давления в зазоре симметрично вокруг оси поплавка и не вызывает перекоса последнего.
За счет выбора углов конусов поплавка и канала уменьшен коэффициент лобового сопротивления, и, как следствие, увеличен коэффициент расхода.
Погрешность измерения расхода находится в пределах 2,5% и ниже, что является регламентированной точностью.
Таким образом создан эффективный медицинский ротаметр, а также расширен арсенал ротаметров для медицинских газов.
При этом повышены быстродействие, равномерность и точность измерений (за счет снижения результирующего закручивающего усилия и степени турбулентности, т.е. неустойчивости течения газа в зазоре), упрощена конструкция и, следовательно, технология изготовления, расширены функциональные возможности.
Источники информации.
1.DE №3905085, 1997.
2. RU №2019198, 1994 (прототип).