DE2703486A1

DE2703486A1 - Doppler-stroemungsmesser und verfahren

Info

Publication number: DE2703486A1
Application number: DE19772703486
Authority: DE
Inventors: Robert Kurtz; Francis Mcleod; York N Y New; Spencer Silverstein
Original assignee: Sutures Inc
Current assignee: Sutures Inc
Priority date: 1976-05-12
Filing date: 1977-01-28
Publication date: 1977-12-01
Also published as: CA1112351A; IT1212224B; GB1587151A; ES455269A1; FR2356126A1; AU2130977A; FR2351391A1; FR2356143A1; JPS52137379A; US4142412A; GB1587152A; FR2356127A1

Description

DR. J O A C H I /A S T E F .^c £ N S DIPLOM-CHEMIKER UND PATENTANWALT

0-8032 IOCHHAM MÖNCHEN MOZARTSTRASSE 74 TELEFONi (089/ 87 25 S\ TELEXi (OS) 29830 ttaff d

MEIN ZEICHENt KurtZ-36

26. Januar 1977

Sutures, Inc.
Main Street, Coventry, Connecticut / USA

Doppler-Strömungsmesser und Verfahren

Die Erfindung betrifft generell Vorrichtungen und Methoden zur Messung des Strömens von energiestreuenden Grenzflächen innerhalb eines Fließmediums in einer Leitung bzw. Röhre. Im besonderen betrifft die Erfindung Doppler-Ultraschallimpulsvorrichtungen und -methoden zur Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten.

Doppler-Ultraschallströmungsmesser zur Bestimmung des Strömens von teilchenhaltigen Fließmedien in Leitungen sind bekannt. Beispiele für solche Vorrichtungen, die sich zur Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten eignen, sind in den US-PSen 3 430 625, 3 888 238, 3 901 077, 3 554 030, 3 542 014, 3 527 115 und 3 766 517 beschrieben. Wie aus diesen Patentschriften hervorgeht, weist der Strömungsmesser gewöhnlich einen Katheter auf, der in ein Blutgefäß des Patienten eingeführt werden kann.

Ein Nachteil dieser und anderer herkömmlicher Vorrichtungen besteht darin, daß die Genauigkeit der Messungen der Ge-

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■schv/indigkcit und der (inneren) Cuerschnittsflächtf cUs> fäßes von der Orientierung des Katheters im Hinblick auf die Blatotromachse abhängt. Sämtliche herkömmlichen Anordnungen erfordern für die Bestimmung der Größe der Gefäßquerschnitosflache oder der Geschwindigkeit eine fixierte Orientierung ouer Position.

Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, daß entweder getrennte Anordnungen von Umwandlern mit spezialisierter Funktion zur Messung der Geschwindigkeit und der Cefäßquerschnittsfläche erforderlich sind oder daß empfindliche und einen hohen apparativen Aufwand erfordernde Meßmethoden zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Gefäßquerschnit-Gsfläche mit Hilfe einer einzelnen, einen Doppelzweck erfüllenden Umwandleranordnung angewendet werden müssen.

Ein weiterer Nachteil der herkömmlichen Katheter ist ihre Kompliziertheit und die dadurch bedingte schwierige Herstellung.

Diese und v/eitere Nachteile des Standes der Technik werden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtungen und Methoden überwunden. Das Verfahren der Erfindung ist unabhängig von der Orientierung und Position zur Messung des Volumendurchsatzes bzw. Strömungsvolumens.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform besteht in einem Verfahren, zur Messung der Geschwindigkeit eines in einer Leitung strömenden Fließmediums, wobei das Fließmedium und/oder die Leitung energiestreuende Grenzflächen aufweist. Das Verfahren besteht darin, daß man entweder mindestens zwei Schallstrahlen in einem vorbestimmten Winkel zueinander durch das Fließmedium sendet und zumindest einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen mit mindestens einem Empfänger auffängt oder mindestens einen Schallstrahl aussendet und die reflektierten Schallstrahlen mit mindestens zwei Empfängern auffängt. Der entsprechende Doppler-Vektor für mindestens zwei Paare von ausgesandten und aufgefangenen Schallstrahlen wird zu einem mittleren Geschwindig-

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keitsvektor vereinigt, und die zwei oder mehr zerlegten mittleren Geschwindigkeitsvektoren werden ihrerseits in ihre Komponenten zerlegt, wobei man den effektiven Geschwindigkeitsvektor erhält.

Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform bestimmt man die effektive Querschnittsfläche einer Leitung, durch welche ein Fließmedium strömt, wobei die Leitung und/oder das Fließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist (aufweisen). Bei diesem Verfahren verwendet man eine Einrichtung zum Aussenden eines Schallstrahls und eine Einrichtung zum Auffangen mindestens einer Komponente davon, wobei mindestens ein Schallstrahl pro funktionellem Apparatsatz (nachstehend als "Funktionssatz" bezeichnet) ausgesandt wird, und berechnet den Abstand zur Wand nit Hilfe von Doppler-Bereichs-Abblendmethoden (Doppler range gating techniques). Diese Stufen werden für eine Mehrzahl von Funktionssätzen wiederholt, und man bildet eine geometrische Form. Anschließend berechnet man die effektive Querschnittsfläche der gebildeten Form.

Es folgt eine kurze Erläuterung der Zeichnungen.

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Strömungsmessers.

Fig. 2a ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen intravenösen Katheters mit einer ersten Ausführungsform von Umwandlern 22.

Fig. 2b ist ein Querschnitt durch den in Fig. 2a gezeigten Katheter längs der Linie A-A.

Fig. 2c ist ein Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 3a ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Katheters von Fig. 2a mit einer dritten Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 3b ist ein Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform

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der Umwandler 22.

Pig. 4a iüt eine perspektivische Ansicht einer fünften Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 4b ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform der in Pig. 4a dargestellten Umwandler 22.

Fig. 4c ist ein Querschnitt durch die in Fig. 4a und 4b veranschaulichte Ausführungsform von Umwandlern 22 längs den Linien A-A.

Fig. 5a ist eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 5b ist ein Längsschnitt durch die in Fig. 5a gezeigte Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 5c ist eine Draufsicht auf die in den Fig. 5a und 5b veranschaulichte Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 6 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Katheters mit einer daran angebrachten siebenten Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch eine achte Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 8a ist ein Längsschnitt durch eine neunte Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 8b ist ein Querschnitt durch die aus Fig. 8a ersichtliche Ausführungsform der Umwandler 22 längs der Linie A-A.

Fig. 9a ist ein Längsschnitt durch eine zehnte Ausführungsform der Umwandler 22.

Fig. 9b ist eine Endansicht der in Fig. 9a gezeigten Ausfüh rungsform der Umwandler 22.

Es folgt eine Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform. Der mathematische Ausgangspunkt für die Bestimmung der Strömung

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ist die Doppler-Verschiebungsvektorgleichung: f₀ V.(T-R)

Dabei bedeuten:

f = Frequenzänderung

fQ = Grundfrequenz

V = Vektorgeschwindigkeit des Fließmediums C = Schallgeschwindigkeit im Medium

T = Einheitsvektor, welcher die Richtung des ausgesandten Schallstrahls wiedergibt

R = Einheitsvektor, welcher die Richtung des empfangenen Schallstrahls wiedergibt

(x-R) = Richtungsvektor des untersuchten Doppler-Strahls

Der Volumendurchsatz durch eine beliebige Leitung ist das innere Vektorprodukt (Skalarprodukt) aus dem mittleren Geschwindigkeitsvektor und einer Querschnittsfläche, durch die das Medium mit der betreffenden Geschwindigkeit strömt. Beiden erfindungsgemäßen Methoden und Vorrichtungen werden zur Geschwindigkeits- und Querschnittsflächenbestimmung Methoden angewendet, welche von der Orientierung und Position der Umwandler (Wandler) unabhängig sind. Um zu verhindern, daß die Orientierung der Umwandler einen Faktor bei der Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit darstellt, verwendet man zwei Schallstrahlen. Der Grund hierfür besteht darin, daß das Feldstrahlungsdiagramm bei der bevorzugten Ausführungsform nicht genügend einheitlich ist, um die Verwendung nur eines Umwandlers zu gestatten. Diese Schallstrahlen können entweder in Form von zwei oder mehr getrennten Strahlen ausgesandt und an einem oder mehreren Empfängern aufgefangen oder aber in Form von zwei oder mehr getrennten Strahlen aufgefangen werden, welche von einem oder mehreren Sendern ausgesandt wurden. Jeder (jede) Umwandler empfängt (empfangen) Signale vom gesamten Querschnitt der Leitung. Sin Bereichsgitter (range gate) wird rechtzeitig aus den Umwandlern ausgefahren, um einen ausgewählten 3ereich der Leitung zu messen. Wahlweise kann das

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empfangene Signal entweder nacheinander mit Hilfe eines einzelnen beweglichen Gitters (gate) oder aber parallel mit mehreren Gittern bzw. Blenden oder Kombinationen davon ausgewertet v/erden. Jede Messung ist repräsentativ für die mittlere Geschwindigkeit durch den abgetasteten Bereich. Alle einzelnen_;unter Bereichs-Abblendung durchgeführten Geschwindigkeitsmessungen werden mit Hilfe einer Bewertungsfunktion zu einer Durchschnittsgeschwindigkeitsmessung summiert. Die Bewertungsfunktion ist unter Berücksichtigung der Radargleichung berechnet, d.h., sie berücksichtigt das Strahlungsdiagramm bzw. den Strahlungsverlauf des Uiriwandlers, die Dämpfungsverluste und die Streumerkrr.ale der reflektierenden Grenzfläche. Gleichzeitig oder anschließend (stufenweise) tastet bzw. tasten der andere Umwandler oder die anderen Umwandlersätze die Leitung ab, wobei mit Hilfe dieses (dieser) Umwandler(s) eine analoge Messung der mittleren Geschwindigkeit erfolgt. Die Abtastgeschwindigkeit der Umwandler muß genügend groß sein, daß während der Meßperiode keine merkliche Geschwindigkeitsänderung erfolgt. Mit Hilfe der erhaltenen beiden Geschwindigkeitsvektoren kann in diesen Falle die Zerlegung der effektiven Geschwindigkeitskomponente längs der Achse der Sonde vorgenommen werden. Zu diesem Zweck bestimmt man nach den Methoden der Vektoralgebra die Summen und Differenzen der Vektoren. Es sei festgestellt, daß dieser effektive bzw. wirksame Geschwindigkeitsvektor nicht zur Sonde oder zu den Umwandlern parallel zu verlaufen braucht. Der effektive Geschwindigkeitsvektor stellt einen mittleren Geschwindigkeitsvektor für die fragliche effektive bzw. wirksame Querschnittsfläche dar, wie nachstehend"erläutert wird.

Die nächste Stufe der Strömungsmessung besteht in der'Bestimmung eines effektiven Durchmessers oder einer effektiven Querschnittsfläche. Eine Methode macht sich die von einem Doppler-Signal zurückkehrende Leistung (Leistungsrückgabe) zunutze. Diese Leistung ist der Größe des abgetasteten Volumens direkt proportional. Wenn der gesamte abgetastete Bereich, über welchen diese Messung vorgenommen wird, größer als die Querschnitts-

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fläche der Leitung ist und die fragliche Leitung einschließt, wird die gesamte ungeeichte Querschnittsfläche bestimmt. Die Messung kann als Einzelbestimmung oder in Form summierter gesonderter Bestimmungen durchgeführt werden. Die ungeeichte bzw. unkalibrierte Fläche ist eine Funktion des Winkels, welchen die Sonde mit der Leitungswand einschließt. Diese ungeejLChte Fläche schwankt auch bei verschiedenen Ultraschallum-/vandlem. Zur Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche der Leitung muß die ungeeichte Fläche geeicht werden, was nach der folgenden Methode möglich ist: man bestimmt die Leistungsrückgabe bzw. wiederkehrende Leistung von einem bekannten, völlig innerhalb der Leitung befindlichen Bereich. Bei der bevorzugten Ausführungsform erreicht man dies mit Hilfe von sehr engen Bereichs-Abblend- bzw.-Durchlaßniethoden. Diese Arbeitsweise erlaubt gleichzeitig die Eichung jedes einzelnen Umwandlershinsichtlich der Aufnahme (gain) und gibt .die für ein(e) bekannte(s) Fläche (Volumen) des Fließmediums reflektierte Leistung bzw. Energie wieder. Indem man die vorgenannte geeichte Leistungsfläche durch diesen neuen Faktor dividiert, erhält man die effektive Querschnittsfläche.

Der effektive Geschwindigkeitsvektor und die effektive Querschnitt sf lache müssen nicht zwangsläufig senkrecht (orthogonal) aufeinander stehen. Wenn dies tatsächlich nicht der Fall ist, muß der Winkel zwischen den beiden Vektoren bekannt sein, damit man das innere Produkt (Skalarprodukt) bestimmen kann.

Da bei der bevorzugten Ausführungsform die effektive Querschnittsfläche bekannt und rechtwinklig zu den Umwandlern geeicht ist und der effektive Geschwindigkeitsvektor bekanntlich parallel zur Achse der Umwandler verläuft, stellt die Strömung in der Leitung das Produkt dieser Faktoren dar, wobei keinerlei andere Faktoren bekannt sein müssen oder berechnet zu werden brauchen.

Eine zweite Methode zur Bestimmung der Querschnittsfläche besteht in der Untersuchung der Wand mit Hilfe mehrerer Sätze von

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Umwandlern. Kan kann zu diesem Zweck zwei oder mehr Empfänger und einen oder mehrere Sender oder aber einen oder mehrere Empfänger mit zwei oder mehr Sendern pro Punktionssatz verwenden. Bei dieser Arbeitsweise können die von der Wand zurückkehrenden Niederfrequenz-Doppler-Signale zur Bestimmung der Wandposition verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform verwendet man Sätze von Umwandlern, um die Errichtung eines auf den Katheter senkrechten Strahlungsdiagramms bzw. -Verlaufs zu ermöglichen. Aus diesen Vektoren kann eine Oberflächenebene mit bekannten Dimensionen gebildet werden. Wenn diese effektive Querschnittsfläche einmal bekannt ist, kann sie mit dem effektiven Geschwindigkeitsvektor multipliziert werden, wobei man den Volumendurchsatz bzw. das Strömungsvolumen durch die Leitung erhält. Zur Abtastung der Wand auf irgendwelche ausgeprägte Unregelmäßigkeiten und zur Bestimmung des Abstands der Wand von den Umwandlersätzen muß eine genügend große Zahl von Umwandlersätzen verwendet werden. Sodann kann die Errichtung einer oder mehrerer Ebene(n) aus den Umwandlersätzen erfolgen. Die Winkel, mit welchen die Strahlen ausgesendet und empfangen werden, sind aus der Geometrie der Sonden bekannt. Da die Wand genügend ausgestrahlt wurde, lassen sich die Gefäßform, die Position des Katheters sowie der Querschnitt sämtlich nach bekannten algebraischen und geometrischen Methoden bestimmen.

Durch Verwendung von zwei oder mehr Umwandlern läßt sich ein bekanntes Strahlungsfeld errichten. Wenn ein bekanntes, einheitliches Strahlungsdiagramm mit einem Sender/Empfänger errichtet werden könnte, würde dies zur Bestimmung des Volumendurchsatzes in einer noch zu beschreibenden Weise genügen.

Eine Phasenreihe (phased array) ist ein Mehrfachsatz von Umwand lern, die im Rahmen einer festgelegten Zeitbeziehung derart arbeiten, daß ein komplexer Umwandler oder Reflektor, eine komplexe Linse oder ein komplexes Feld simuliert wird. Nach Errichtung des Feldes können die Messung der effektiven Geschwindigkeit und der Querschnittsfläche sowie die Eichungen in der vorstehend

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beschriebenen Weise stattfinden.

Die bevorzugte Ausführungsforni wird in Fig. 2a und 2b veranschaulicht. Es sei festgestellt, daß die hier beschriebenen Methoden nicht zwangsläufig die Anwendung einer der beispielhaften Umwandleranordnungen erfordern. Das einzige Erfordernis für das Schallfeld besteht darin, daß die Richtungsvektoren nicht parallel verlaufen dürfen. Der Richtungsvektor ist als die Vektorgröße (T-R) definiert.

An den Kathetern werden mehrere einmalige Merkmale verwirklicht. D.h., zur Geschwindigkeitsmessung können funktionelle Paare von Ultraschallstrahlen mit nicht-parallelen Dcppler-Richtungsvektoren angewendet werden. Wie erwähnt, arbeitet jede beliebige Anordnung aus einem oder mehreren Sendern mit zwei oder mehr Empfängern ebensogut wie ein oder mehrere Empfänger mit zwei oder mehr Sendern. Als Sender/Empfänger kann (können) ein einzelner Umwandler oder mehrere Umwandler dienen.

Ein weiteres einmaliges Merkmal besteht in einer Linse oder einem Prisma, mit deren bzw. dessen Hilfe ein ausgewähltes Feld errichtet wird. Diese Linse bzw. dieses Prisma kann aus (einem) beliebigen Material(ien) bestehen, das (die) ein empfangenes oder ausgesendetes Ultraschallsignal brechen oder beugen würde(n). Ein drittes einmaliges Merkmal besteht in der Anwendung eines Reflektors. Der Reflektor besteht aus einem beliebigen Material, von welchem Ultraschallsignale so reflektiert oder abgelenkt werden, daß den Strahlen der gewünschte Winkel oder Feldverlauf verliehen wird. Die Form des (der) Reflektor(en) kann zur Erzielung des gewünschten Strahlungsfeldes oder Empfangs variiert werden. Es sei festgestellt, daß auch Kombinationen der genannten Effekte anwendbar sind.

Natürlich können alle erwähnten Konzepte außerhalb des Hohlraums (Lumens) verwirklicht werden. Man kann Reihen bzw. Sätze von zwei oder mehr Sendern und einem oder mehreren Empfängern

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oder aber von zwei oder mehr Empfängern und einem oder mehreren Sendern verwenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform verwendet man drei oder mehr Umwandlersätze und einen oder mehrere Empfänger oder aber drei oder mehr Empfänger mit einem oder mehreren Sendern. Auf diese Weise verhindert man eine falsche Ausrichtung zwischen der Leitung und den Umwandlern und damit fehlerhafte Ergebnisse.

Sämtliche funktioneilen Kombinationen von zu zweit angeordneten Umwandlern müssen bei der Strahlung einen die Leitung einschließenden Feldverlauf erzeugen, und die Doppler-Richtungsvektoren dürfen nicht parallel sein. Die Methoden zur Bestimmung der Geschwindigkeit und der Querschnittsfläche sind sämtlich vorstehend beschrieben.

Bei Verwendung eines einzelnen Umwandlers wird ein bekanntes, einheitliches Ultraschallfeld zur Ausstrahlung des Gesamtquerschnitts der Leitung errichtet. Da der Feldverlauf definiert ist, können Geschwindigkeitsmessungen vorgenommen werden. Die Impulslänge und Abtastperiode werden so gewählt, daß ein auf die Fortpflanzungsrichtung des Schallstrahls senkrechter Abtastbereich gebildet wird. Unter diesen Bedingungen steht die Geschwindigkeitskomponente überall senkrecht auf die Abtastoberfläche. Durch Integration über diese Oberfläche wird ein Signal erhalten, dessen erstes Moment proportional zur Strömung ist. Die Eichung erfolgt nach der vorstehend beschriebenen Methode

Zur Erläuterung wird nun eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß konstruierten Strömungsmessers, welcher die Messung des Blutstroms im Kreislaufsystem eines Patienten unter Verwendung eines intravenösen Katheters gemäß der bevorzugten Ausführungsform gestattet, beschrieben.

Gemäß Fig. 1 beinhaltet der generell das Bezugszeichen 10 aufweisende Strömungsmesser den Katheter 20, in welchem sich der erste und zweite Umwandler 22A bzw. 22B (kollektiv als "Um-

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wandler 22" bezeichnet) zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen befinden, den Generator 30 zur Impulsgabe an die Umwandler 22, den Empfänger 40 zum Empfangen der von den Umwandlern 22 ausgesendeten Signale und den Datenanalysator 50 zur Bestimmung der Blutstromgeschwindigkeit und einer effektiven Querschnittsfläche des Gefäßhohlraums im Meßbereich.

Bei einer in den Pig. 2a und 2b dargestellten ersten Ausführungsform weist der Katheter 20 das Kathetergehäuse 24 auf, welches so dimensioniert ist, daß es in ein Blutgefäß des Patienten eingeführt werden kann. Die Umwandler 22A und 22B sind im Kathetergehäuse 24 koaxial an der Längsachse des Katheters 20 angeordnet. Wie dargestellt, kann das Kathetergehäuse 24 rohrförmig sein und das stumpfe Ende 24a aufweisen. In der zentralen Bohrung 26 sind die (nicht gezeigten) elektrischen Leiter angebracht, welche die Umwandler 22a und 22b mit dem Generator 30 und dem Empfänger 40 verbinden.

Bei der in Fig. 6 dargestellten zweiten Ausführungsform weist der Katheter 20 den Träger bzw. Support 28 mit der zentralen Bohrung 26* und der Basis 28A, auf welcher die Umwandler 22A und 22B angebracht sind, auf.

Die Umwandler 22A und 22B sind so ausgebildet und angeordnet, daß der erste und zweite Strahl von Ultraschallwellen in einem vorbestimmten Winkel zueinander ausgesendet werden, so daß die den Schallstrahlen entsprechenden Doppler-Vektoren nicht-parallel sind.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 9 können die Umwandler (einen) piezoelektrische(n) Umwandler 110, welche(r) die unterschiedlich ausgebildeten aussendenden/empfangenden Flächen aufweist (aufweisen), sowie die Einrichtung 120 beinhalten, mit deren Hilfe die Schallwellen vom Katheter 20 nach außen in entweder konvergierenden oder divergierenden Richtungen

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ausgesendet werden. Bei der in den Fig. 2a und 2b dargestellten Ausführungsform der Umwandler 22 sind die Umwandler 110 im Abstand voneinander und im wesentlichen koaxial angeordnet, wobei die ebenen Umwandlerflächen 112 einander gegenüberliegend angeordnet und gegenseitig zugekehrt sind und auf die Achse des Katheters 20 im wesentlichen senkrecht stehen. Wie aus Pig. 2b hervorgeht, können die Umwandlerflächen 112 einen kreisrunden Umfang oder eine beliebige andere Umfangsform aufweisen. Die Schallenkeinrichtung 120 beinhaltet den Reflektor 122, der im wesentlichen koaxial zwischen den Umwandlern 110 angeordnet ist. Der Reflektor 122 kann die Form von zwei Rükken an Rücken angeordneten Kegelstümpfen 122A und 122B aufweisen, welche an ihren breiten Basen miteinander verbunden sind und die beiden entgegengesetzt gerichteten reflektierenden Oberflächen 124A und 124B aufweisen (vgl. Fig. 2a). Die von den Umwandlerflächen 112 ausgesandten Schallstrahlen werden auf diese Weise vom Katheter 20 nach außen reflektiert.

Der Reflektor 122 kann auch eine solche Form besitzen, daß die reflektierenden Oberflächen 124A und 124B der Kegelstümpfe 122A und 122B gekrümmt sind (wie Fig. 2c im Längsschnitt zeigt), damit die Errichtung eines unterschiedlichen Ultraschallfeldes ermöglicht wird.

Gemäß Fig. 3a, in welcher die entsprechenden Elemente wie in der Ausführungsform der Fig. 2a und 2b dieselben Bezugszeichen (mit hinzugefügten Strichen) aufweisen, sind die Umwandler 110* im wesentlichen koaxial in einander benachbarter und voneinander elektrisch isolierter Form derart angeordnet, daß die Umwandlerflächen 112· in entgegengesetzten Richtungen voneinander abgekehrt sind. Die Kegelstümpfe 122A» und 122B' des Reflektors 122' sind im Abstand voneinander angeordnet, wobei die kleinere Basis an die entsprechende Umwandlerfläche angrenzt bzw. dieser benachbart ist (vgl. Fig. 3a). Fig. 3b zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform des Reflektors 122· mit gekrümmten

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reflektierenden Oberflächen.

Bei der in den Fig. 4a bis 4c dargestellten Ausführungsform der Umwandler 122 ist ein einzelner, hohler zylindrischer Umwandler 114 quer in zwei elektrisch isolierte koaxiale Teile 114A und 114B unterteilt. Wenn ein piezoelektrischer Umwandler auf Basis von Bleititanatzirkonat verwendet wird, sind sowohl dessen innere als auch dessen äußere Wand mit Silber beschichtet. Die Teile 114Aund 114B werden dann durchfeine)Bruchstelle(n) im Silberüberzug einer Wand oder beider Wände oder durch Zusammenfügen von zwei getrennten, im wesentlichen koaxial angeordneten Formteilen gebildet. Es sei festgestellt, daß der Umwandler 114 eine beliebige gewünschte Gestalt aufweisen kann und nicht unbedingt die Form eines Hohlzylinders besitzen muß.

Die äußere zylindrische Oberfläche des Umwandlers 114 ist von einer Brechungslinse oder einem Refraktor 116 umgeben, der die Form von zwei Kegelstümpfen mit einer gemeinsamen breiten Basis aufweist, so daß der Umfang ein Dreieck oder Prisma bildet, wie im Längsschnitt dargestellt ist. Der Refraktor 116 ist derart im Hinblick auf den Umwandler 114 ausgerichtet, daß der Scheitel 118 des Refraktors 116 im wesentlichen koplanar mit der Trennlinie 110 zwischen den Umwandlerteilen 114A'und 1143 ausgerichtet ist. Die von den Umwandlerteilen 114A und 114B ausgesandten Schallwellen werden daher abhängig von den Medien und vom Brechungsindex des Materials in divergierenden oder konvergierenden Richtungen gebrochen (beispielsweise wie durch die Pfeile D angezeigt ist). Der Refraktor 116 kann eine Schichtbauweise oder eine Zusammensetzung mit unterschiedlicher Dichte aufweisen, damit ein höherer oder niedrigerer Brechungsgrad erzielt wird.

Die in den Fig. 5a bis 5c dargestellte Ausführungsform der Umwandler 22 beinhaltet ähnliche Elemente wie die in den Fig. 4a bis 4c veranschaulichte Ausführungsform; diese Elemente weisen dieselben Bezugszeichen mit hinzugefügten Strichen auf. Der Refraktor 116' besitzt eine ähnliche Doppelkegel-

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stumpfform wie der Refraktor 116, wobei die Kegelstümpfe jedoch an ihren schmäleren Basen verbunden sind. Der Refraktor 116· ist im Hinblick auf den Umwandler 114* derart ausgerichtet, daß die Verbindungslinie 118* der beiden Kegelstumpfteile des Refraktors 116¹ in der gleichen Ebene (koplanar) wie die Trennlinie 119' zwischen den Kristallteilen 114A' und 114B'verläuft. Die von den Umwandlerteilen 114A' und 114B¹ nach außen gestrahlten Schallwellen werden daher abhängig von den Medien und vom Brechungsindex des Materials in konvergierenden oder divergierenden Richtungen gebrochen.

Gemäß Fig.6 und 7 können die gewünschten Schallstrahl-Fortpflanzungsverläufe und -richtungen auch mit Hilfe der Umwandler 22Λ und 22B, welche (einen) piezoelektrische(n) Umwandler 70 mit geeignet ausgebildeten und/oder orientierten sendenden/empfangenden Flächen 72 beinhalten, anstatt mit Hilfe gesonderter brechender oder reflektierender Schallenkeinrichtungen erzielt werden. In Fig. 6 und 7 sind beispielhafte Ausführungsformen dargestellt, bei welchen die Umwandler 70 kegelförmig sind, wobei die äußeren konischen Oberflächen die Umwandlerflächen 72 bilden. Die in Fig. 6 gezeigten Umwandler 70 sind derart gegenseitig angeordnet, daß die jeweiligen von ihnen ausgesandten Schallstrahlen konvergieren, während die aus Fig. 7 ersichtlichen Umwandler 70 so angeordnet sind, daß die betreffenden Schallstrahlen divergieren.

In Fig. 8 und 9 sind Ausführungsformen der Umwandler 22 dargestellt, welche in vorteilhafter Weise für die Erzielung von "Realzeif'-Geschwindigkeitsprofilen eingerichtet sind. Sie beinhalten ein erstes und ein zweites Paar von gesonderten Umwandlern 80A und 80B, welche sendende/empfangende Flächen 82 mit einer beliebigen gewünschten Umfangsform aufweisen und auf den Träger- bzw. Stützflächen 84 angebracht sind. Die Flächen 84 sind geneigt, damit die jeweils von den Umwandlerpaaren 80A und 80B ausgesandten Schallstrahlen die gewünschten Orientierungen erfahren.

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Es sei festgestellt, daß die nachstehend erläuterten Methoden nicht die Verwendung einer der vorstehend beschriebenen, beispielhaften Umwandleranordnungen erfordern.

Die vorstehende detaillierte Erfindungsbeschreibung bezieht sich lediglich auf beispielhafte Ausführungsformen; dem Fachmann werden sich jederzeit mannigfaltige Abwandlungen und Änderungen erschließen, welche ebenfalls innerhalb des erfindungsgemäßen Rahmens liegen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines energiestreuende Grenzflächen aufweisenden Fließmediums in einer Leitung, dadurch gekennzeichnet , daß man

a) zwei oder mehr Schallstrahlen in einem vorbestimmten Winkel zueinander durch das Fließmedium sendet,

b) mindestens einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen mit einem oder mehreren Empfänger(n) auffängt, wobei jeder gesendete Schallstrahl und aufgefangene Schallstrahl eine Sender/ Empfänger-Gruppe bildet,

c) die Doppler-Vektoren zu einem mittleren Geschwindigkeitsvektor für jede Sender/Empfänger-Gruppe vereinigt und

d) durch Zerlegung der zwei oder mehr vereinigten mittleren Geschwindigkeitsvektoren in ihre Komponenten den effektiven Geschwindigkeitsvektor bestimmt.

2. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines energiestreuende Grenzflächen aufweisenden Fließmediums in einer Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen oder mehrere Schallstrahl(en) in vorbestimmten Winkeln zueinander durch das Fließmedium sendet,

b) mindestens einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen mit zwei oder mehr Empfängern auffängt, wobei jeder gesendete Schallstrahl und aufgefangene Schallstrahl eine Sender/Empfänger-Gruppe bildet,

c) die Doppler-Vektoren zu einem mittleren Geschwindigkeitsvektor für jede Sender/Empfänger-Gruppe vereinigt und

d) durch Zerlegung der zwei oder mehr vereinigten mittleren Geschwindigkeitsvektoren in ihre Komponenten den effektiven Geschwindigkeitsvektor bestimmt.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) zwei Schallstrahlen in vorbestimmtem Winkel zueinander durch das Fließmedium sendet,

b) mindestens einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen mit zwei Empfängern auffängt,

c) die Doppler-Vektoren zu einem mittleren Geschwindigkeitsvektor für jede Sender/Empfänger-Gruppe vereinigt und

d) durch Zerlegung der beiden mittleren Geschwindigkeitsvektoren in ihre Komponenten den effektiven Geschwindigkeitsvektor bestimmt.

4. Verfahren zur Bestimmung einer ungeeichten Querschnittsfläche einer ein Fließmedium mit energiestreuenden Grenzflächen enthaltenden Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen oder mehrere Schallstrahl(en) durch das Fließmedium sendet, wobei das (die) gesamte(n) Strahlungsdiagramm(e) die gesamte Querschnittsfläche der Leitung einschließt (einschließen),

b) mindestens einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen mit einem oder mehreren Empfanger(n) auffängt und

c) die gesamte Leistungsrückgabe zu den Empfängern bestimmt, wobei die Gesamtleistung einen Maßstab für die ungeeichte Fläche der Leitung darstellt.

5. Verfahren zur Bestimmung eines Eichfaktors für sowohl ein Fließmedium als auch für zur Bestrahlung des Fließmediums mit Schallstrahlen verwendete Umwandler, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen oder mehrere Schallstrahl(en) durch ein energiestreuende Grenzflächen aufweisendes Fließmedium inner-

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halb einer Leitung sendet,

b) das Signal derart abblendet bzw. hindurchläßt, daß sich das abzutastende Gesamtvolumen völlig innerhalb der Leitung befindet, und

c) die Leistungsrückgabe des von diesem bekannten Volumen innerhalb der Leitung reflektierten Signals mißt, wobei die Gesamtleistung den Eichfaktor für das Fließmedium und die Umwandler darstellt.

6. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche einer ein Fließmedium enthaltenden Leitung, wobei zumindest das Fließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) die gesamte ungeeichte Fläche der Leitung bestimmt,

b) den Eichfaktor für das Fließmedium und die Umwandler bestimmt und

c) die ungeeichte Fläche durch den Eichfaktor dividiert, wobei der Quotient die effektive Querschnittsfläche der Leitung darstellt.

7. Verfahren zur Bestimmung des Volumendurchsatzes bzw. Strömungsvolumens eines energiestreuende Grenzflächen aufweisenden Fließmediums durch eine Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) die effektive Querschnittsfläche der Leitung bestimmt,

b) den effektiven Geschwindigkeitsvektor des Fließmediums in der Leitung bestimmt und

c) den Volumendurchsatz durch die Leitung berechnet, indem man das innere Vektorprodukt des effektiven Geschwindigkeitsvektors und der effektiven Querschnittsfläche bildet.

8. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche einer ein Fließmedium enthaltenden Leitung, wobei das Fließmedium und/oder die Leitung energiestreuende Grenzflächen aufweist (aufweisen) und wobei die Einrichtung zum Senden eines Schallstrahls sowie die Einrichtung

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zum Auffangen mindestens einer reflektierten Komponente davon einen funktioneilen Apparatsatz (Funktionssatz) darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen oder mehrere Schallstrahl(en) pro Funktionssatz durch das Fließmedium sendet,

b) die von den Wänden der Leitung zurückkehrenden Signale mit zwei oder mehr Empfängern pro Funktionssatz auffängt ,

c) den Abstand zur Wand nach Doppler-Bereichs-Abblend- bzw. -Durchlaßmethoden bestimmt,

d) die vorgenannten Stufen für eine Mehrzahl von Funktionssätzen wiederholt,

e) aus der Mehrzahl von Funktionssätzen eine geometrische Form bildet und

f) die effektive Querschnittsfläche der gebildeten Ebene berechnet.

Verfahren zur Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche einer ein Fließmedium enthaltenden Leitung, wobei das Fließmedium und/oder die Leitung energiestreuende Grenzflächen aufweist (aufweisen) und wobei die Einrichtung zum Senden eines Schallstrahls sowie die Einrichtung zum Auffangen mindestens einer reflektierten Komponente davon einen funktioneilen Apparatsatz (Funktionssatz) darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) zwei oder mehr Schallstrahlen pro Funktionssatz durch das Fließmedium sendet,

b) die von den Wänden der Leitung zurückkehrenden Signale mit einem oder mehreren Empfänger(n) pro Funktionssatz auffängt,

c) den Abstand zur Wand nach Doppler-Bereichs-Abblend- bzw. -Durchlaßmethoden bestimmt,

d) die vorgenannten Stufen für eine Mehrzahl von Funktionssätzen wiederholt,

e) aus der Mehrzahl von Funktionssätζen eine geometrische Form bildet und

f) die effektive Querschnittsfläche der gebildeten Ebene berechnet. 709848/0708

10. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Geschwindigkeit durch eine Leitung mit Hilfe einer Phasenreihe (phased array), wobei zumindest das Fließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) aus einer Phasenreihe Schallstrahlen aussendet, welche das Pließmedium durchdringen,

b) mit Hilfe der Phasenreihe mindestens einige der von den energiestreuenden Grenzflächen reflektierten
Schallstrahlen auffängt,

c) die Doppler-Vektoren bestimmt,

d) die Doppler-Vektoren in mindestens zwei mittlere Geschwindigkeitsvektoren zerlegt und

e) diese beiden oder mehr mittlere Geschwindigkeitsvektoren in ihre Komponenten zerlegt, wobei man den effektiven Geschwindigkeitsvektor erhält.

11. Verfahren nach Anspruch 3 zur Bestimmung der ungeeichten Querschnittsfläche einer ein Pließmedium enthaltenden Leitung mit Hilfe einer Phasenreihe, wobei das Pließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen Schallstrahl durch das Pließmedium sendet,
wobei das gesamte Strahlungsdiagramm die gesamte
Querschnittsfläche der Leitung einschließt,

b) mindestens einige der von den energiestreuenden
Grenzflächen reflektierten Schallstrahlen auffängt
und

c) die gesamte Leistungsrückgabe zu den Empfängern bestimmt, wobei die Gesamtleistung einen Maßstab für
die ungeeichte Fläche der Leitung darstellt.

12. Verfahren nach Anspruch 5 zur Eichung des Fließmediums innerhalb einer Leitung sowie der Umwandler einer Phasenreihe, wobei das Pließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen oder mehrere Schallstrahl(en) derart durch das Pließmedium sendet, daß sich das abzutastende Gesamt-7098A8/0708

volumen völlig innerhalb der Leitung befindet, und b) die Leistungsrückgabe vom abgetasteten Volumen innerhalb der Leitung mißt, wobei die Gesamtleistung den Eichfaktor für das Fließmedium in den Umwandlern der Phasenreihe darstellt.

13. Verfahren zur Bestimmung der effektiven Querschnittsfläche einer ein Fließmedium enthaltenden Leitung mit Hilfe einer Phasenreihe, wobei das Fließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) die gesamte ungeeichte Fläche der Leitung bestimmt,

b) den Eichfaktor für das Fließmedium in den Umwandlern bestimmt und

c) die ungeeichte Fläche durch den Eichfaktor dividiert, wobei der Quotient die effektive Querschnittsfläche der Leitung darstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 7 zur Bestimmung des Volumendurchsatzes eines Fließmediums durch eine Leitung mit Hilfe einer Phasenreihe, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) einen effektiven Geschwindigkeitsvektor durch das Fließmedium und die Leitung bestimmt,

b) die effektive Querschnittsfläche der Leitung bestimmt und

c) das innere Vektorprodukt des effektiven Geschwindigkeitsvektors und der effektiven Querschnittsfläche bildet, wobei man den Volumendurchsatz durch die Leitung erhält.

15. Verfahren zur Bestimmung des Volumendurchsatzes eines Fließmediums innerhalb einer Leitung mit Hilfe eines einzelnen Senders/Empfängers, wobei das Fließmedium energiestreuende Grenzflächen aufweist, daduroh gekennzeichnet, daß man

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a) ein bekanntes, einheitliches Ultraschallfeld errichtet und aussendet bzw. überträgt, wobei das Schallfeld die Gesamtquerschnittsfläche der Leitung ausstrahlt bzw. ausleuchtet,

b) die Impulslänge und Abtastperiode des empfangenden Signals auswählt, um einen auf die Portpflanzungsrichtung der abzutastenden Oberflächen senkrecht stehenden Abtastbereich zu erzeugen,

c) die Leistung über dieser Oberfläche integriert,

d) das gänzlich innerhalb der Leitung befindliche bekannte Volumen des Pließmediums auf die Leistungsrückgabe vom ausgesandten Schallfeld im bekannten Volumen abtastet, wobei man einen Eichfaktor erhält,

e) das erste Moment des erhaltenen Integrals berechnet und

f) das erste Moment durch den Eichfaktor dividiert, wobei der Quotient den Volumendurchsatz durch die Leitung darstellt.

16. Kathetersonden- oder -reihenströmungsmesser aus einem Schallstrahlsender und einem Material zur Formung der Schallwellen unter Bildung eines speziellen Schallstrahls.

17. Strömungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Schallwellen reflektiert.

18. Strömungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich-■ net, daß das Material die Schallwellen bricht.

19· Strömungsmesser mit einem Schallwellensender und -empfänger aus einem ersten und einem zweiten koaxialen Umwandler zum Senden und Empfangen der Schallwellen nach bzw. von außen»

20. Strömungsmesser mit einem Schallwellensender und -empfänger aus einem ersten und einem zweiten koaxialen Umwandler zum Senden und Empfangen der Schallwellen, und

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einer Einrichtung zum Lenken der ausgestrahlten Schallwellen von den betreffenden Umwandlern nach außen.

21. Strömungsmesser nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandler derart im Abstand voneinander angeordnet sind, daß die strahlende Oberfläche des ersten Umwandlers relativ zur strahlenden Oberfläche des zweiten Umwandlers entgegengerichtet ist und daß die Lenkeinrichtung zwischen den Umwandlern angeordnete reflektierende Oberflächen beinhaltet.

22. Strömungsmesser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkeinrichtung eine erste und eine zweite reflektierende Oberfläche, welche im Abstand voneinander angeordnet sind, aufweist, und daß die Umwandler zwischen den reflektierenden Oberflächen angeordnet sind.

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