DE2447529B2

DE2447529B2 - Druckwandler

Info

Publication number: DE2447529B2
Application number: DE2447529A
Authority: DE
Inventors: Bertil Uppsala Hoek (Schweden)
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-10-17
Filing date: 1974-10-04
Publication date: 1978-11-16
Also published as: SE381985B; US3942382A; SE7314083L; FR2248496A1; GB1484364A; FR2248496B1; DE2447529C3; NL7413702A; AU7429874A; DE2447529A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckwandler für die Erzeugung eines elektrischen Signals, das einem Flüssigkeitsdruck entspricht der eine Meßzelle enthält die teilweise mit einer Flüssigkeit und im übrigen mit einem Gas füllbar ist, bei dem von der Meßzelle eine mit der Flüssigkeit ausgefüllte Leitung wegführt, die an ihrem der Meßzelle abgewandten .Ende offen ist und in dem Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Größe, die dem jeweiligen Gasvolumen entspricht angeordnet sind.

Ein Druckwandler dieser Art ist in der Druckschrift

ίο »Industrial Laboratory«, 1973, Seiten 1297 bis 1298 beschrieben. Ein solcher Druckwandler ist aufgrund seines Aufbaus und deshalb, weil er mit Quecksilber gefüllt ist nicht für medizinische Zwecke, z.B. zur Blutdruckmessung, geeignet

is Für medizinische und physiologische Druckmessungen werden in der Regel flüssigkeitsgefüllte Kunststoffkatheter für die hydraulische Übertragung der Drucksignale von dem zu messenden Bereich auf einen äußeren Druckwandler verwendet, der den Flüssigkeits druck in ein elektrisches Signal umwandelt Der Nachteil dieser Meßanordnungen besteht darin, daß das vom Druckwandler erzeugte elektrische Drucksignal aufgrund der unzureichenden Übertragungseigenschaften nicht exakt dem gemessenen Druck entspricht Aus diesem Grund sind bereits Miniaturdruckwandler entwickelt worden, die direkt am Meßbereich, z. B. in einem Blutgefäß, appliziert werden können. Bei einer Ausführungsform eines solchen Miniaturdruckwandlers werden die Bewegungen einer in der Katheterspitze angeordneten Membran durch Dehnungsgeber, z. B. Halbleiterelemente, erfaßt und in elektrische Signale umgeformt. Trotz guter Ergebnisse haben sich diese Druckwandler in der Praxis nicht durchsetzen können, weil die Kosten hoch sind und mit dem Einführen von elektrisch gespeisten Bauelementen in die Nähe von vitalen Organen gewisse Risiken für den Patienten verbunden sind.

In dem DE-GM 18 79 384 ist ein Miniaturdruckwandler beschrieben, bei dem die Meßzelle von einem Rohr

<to umhüllt und ganz mit leitfähiger Flüssigkeit gefüllt ist. Das der Meßzelle abgewandte Ende des Rohres ist mittels einer Membran geschlossen, und die Membranbewegung wird über die Flüssigkeit auf ein in der Meßzelle liegendes Glasrohr übertragen, das entspre chend deformiert wird. Zwischen zwei Drähten in der Meßzelle wird der Widerstand, der von der Form des Glasrohres abhängt und ein Maß für den zu messenden Druck ist, gemessen. Die Messung erfolgt a'so über ein elastisches Übertragungsmedium, und die Meßergebnis se können durch die elastischen Eigenschaften des Übertragungsmediums verfälscht werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Miniaturdruckwandler für medizinische und physiologische Druckmessungen zu schaffen, dessen Aufbau sehr einfach ist und der deshalb in der Herstellung wesentlich billiger ist als die bisherigen. Ferner soll bei der Anwendung des Druckwandlers absolute Sicherheit für den Patienten gegeben sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch zwei

M) konzentrische, dicht miteinander verbundene Kunststoffkatheter, von denen der innere mit seiner Stirnseite eine zylindrische Kammer als Meßzelle begrenzt und mit dem eine Kapillare dicht verbunden ist, die den Innenraum des inneren Katheters mit der Kammer verbindet und in diese Kammer hineinragt, und von denen der äußere mit einem Stutzen zum Einführen in ein Flüssigkeitsgefäß versehen ist, und daß zur Bildung der elektrischen Größe zwischen den Kathetern zwei

Drähte als Elektroden vorgesehen sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Wie aus der Figur hervorgeht, besieht der Druckwandler aus zwei konzentrischen Kunststoffkathetern 1 und 2, zwischen denen zwei Platindrähte 3 angeordnet sind. Der dünnere Katheter 2 begrenzt mit semer Stirnseite eine zylindrische Kammer 4, die die eigentliche i/ießzelle ist

Mit dem Katheter 2 ist eine Kapillare 5 dicht verbunden, die den Innenraum des hohlen Katheters 2 mit dem Innenraum der Kammer 4 verbindet und in diese Kammer hineinragt

Die Katheterteile sind mittels eines Epoxydharzes (Äthoxylinharzes) 6 miteinander verbunden, das auch eine dichtende Funktion hat Wenn eine physiologische Kochsalzlösung 7 durch den dünneren Katheter 2 in die Kammer 4 eingespritzt wird, wird ein Luttvolumen 8 eingeschlossen, das sich von dem Stutzen 9 in die zylindrische Kammer 4 erstreckt Wenn danach der Hahn 10 geschlossen und der Katheter mit dem an seinem linken Ende offenen Stutzen 9 in ein Flüssigkeitsgefäß, z. B. ein Blutgefäß, eingeführt wird, ändert sich das eingeschlossene Luftvolumen 8 nach dem Boyle-Mariotteschen Gesetz. Das jeweilige Luftvolumen entspricht also dem Druck der Kochsalzlösung 7 und damit dem zu messenden Druck und wird in ein elektrisches Signal Ober die Platinelektroden 3, die in einer Brücke zur Widerstandsmessung liegen, umgewandelt

Der Widerstand zwischen den Drähten 3 ist nämlich von der Länge der Säule der Kochsalzlösung, die das Luftvolumen 8 begrenzt, abhängig. Die Widerstandsbrücke 12,13 wird mittels einer Wechselspannungsquelle 11 gespeist, um eine Polarisation der Elektroden 3 zu vermeiden. Zur Erfassung des Ausgangssignals der Brücke 12, 13 dient ein Verstärker 14. Das elektrische Drucksignal wird von einer Anordnung 15 weiter verarbeitet, z. B. angezeigt Die Dimensionen des Wandlers 1 bis 10 können sehr klein gehalten werden. Bei einem Ausführungsbeispiel war dei äußere Durchmesser 1,3 mm und die !Länge der Kapillare 5 1,9 mm.

Der Druckwandler unterscheidet sich von den meisten in der Literatur beschriebenen Konstruktionen dadurch, daß ein geschlossenes elastisches Gasvolumen anstatt einer Membran verwendet wird. Der Vorteil ist, daß eine hohe Empfindlichkeit aufgrund der Elastizität des Gasvolumens erreicht werden kann und daß die herstellungstechnisch schwierige Membranmontierung entfällt

Zur Ausschaltung von Temperatureinflüssen aufgrund der Temperaturexpansion des Gasvolumens kann die Anordnung mit einem Widerstand, der einen negativen Temperaturikoeffizienten hat, ergänzt werden. Da Elektrolyte, z. B. Kochsalzlösungen, zu dieser Art von Widerstandsmedien gehören, können durch die Verwendung des Elektrolyten in der beschriebenen Art sehr gute Temperaturbetriebseigenschaften erhalten werden. Der Elektrolyt selbst bildet dabei den Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten. Die gemessenen Temperatureinflüsse sind mit den besten veröffentlichten Werten, etwa 0,5 mm Hg/" C zu vergleichen.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausnutzung einer ohmschen Widerstandsänderung zur Erzeugung des elektrischen Drucksignals beschränkt So kann z. B. ein kapazitiver Druckwandler mit einem gleichartigen Aufbau wie der eben beschriebene konstruiert werden. Dies wird erreicht, wenn die Drähte 3 in der > Meßkammer 4 durch einen Isolierstoffzylinder 16 von der Flüssigkeit 7 isoliert werden. Der Isolierstoffzylinder 16 darf nur für kapazitive Messung vorgesehen werden und ist deshalb gestrichelt gezeichnet Die Flüssigkeit soll in diesem Fall einen hohen spezifischen

ίο Widerstand und eine hohe Dielektrizitätszahl haben. Die Druckvariationen werden dabei in Variationen der Kapazität zwischen den Elektroden 3 umgewandelt Der Temperaturausgleich ist vorhanden, wenn die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit die Temperaturausdehnung des Gases ausgleicht

Da das Boyle-Mariottesche Gesetz eine nichtlineare Relation ist, wird der Geber eine gewisse Nichtlinearität aufweisen, die jedoch eine einfache analytische Form

2ü hat

U =

1 + ii ■ ρ

Oi

u = Ausgangsspannung der Anordnung 15, χ und β = Konstante, ρ = applizierter Druck. Messungen haben gezeigt, daß die obengenannte Funktion mit einer Genauigkeit von besser als ±1% über denjenigen Druckbereich stimmt, der bei biomedizinischen Messungen in Frage kommt

Die Gleichung (1) kann herangezogen werden, um ein linearisierendes Netzwerk zu schaffen, das die Nichtlinearität des Druckwandlers korrigiert Am Netzwerk wird ein bekannter analoger Multiplikator angeschaltet, der verwendet wird, um die von der Anordnung 15 erhaltene Ausgangsspannung mit der Differenz zwischen einer einstellbaren konstanten Spannung und der Ausgangsspannung zu dividieren. Nach dieser in einer analogen Form ausführbaren arithmetischen Rechenoperation wird ein Ausgangssignal erhalten, das in bezug auf den applizierten Druck linear ist mit einer Genauigkeit, die besser ist als ±2%. Die arithmetischen Rechenoperationen können auch mit einer entsprechenden digitalen Anordnung ausgeführt werden.

Die hydrodynamische Dehnbarkeit des Druckwandlers sowie die Trägheit und Viskosität der Flüssigkeitskolonne bestimmen die dynamischen Eigenschaften des Systems. Durch Versuche mit schnellen Druckänderungen ist man zu dem Ergebnis gekommen, daß der Druckwandler mit den geschilderten Abmessungen eine Resonanzfrequenz aufweist die um 95 Hz liegt mit einem Dämpfungsfaktor von 0,5. Bei einer weiteren Verkleinerung der Abmessungen wird die Resonanzfrequenz sich wesentlich erhöhen.

Die Ausführung des Druckwandlersystems kann variieren, abhängig von dem Grad der Sicherheit, die für die Messung erforderlich ist Zweckmäßig ist es, den Druckwandler galvanisch von Erde abzuschirmen, damit Leckstrom vermieden wird. Dies kann z. B. mittels bekannter Isolationsverstärker Ci folgen, die die Steuerung eines netzbetriebenen Schreibers oder derg!c:cheⁿ mit dem Drucksignal ermöglichen.

Das Ausführungsbeispiel verbraucht wenig Energie, wobei eine von Erde isolierte Energiequelle, z. B. eine Batterie, ohne weiteres verwendet werden kann, wenn ihr ein Wechselrichter zugeordnet ist. Die Eingangsspannung der Widerstandsbrücke soll eine niedrige Amplitude, ca. 100 mV, und eine relativ hohe Frequenz, ca. 25 kHz, haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Druckwandler für die Erzeugung eines elektrischen Signals, das einem Flüssigkeitsdruck entspricht, der eine MeBzelle enthält, die teilweise mit einer Flüssigkeit und im übrigen mit einem Gas füllbar ist, bei dem von der MeBzelle eine mit der Füssigkeit ausgefüllte Leitung wegführt, die an ihrem der Meßzelle abgewandten Ende offen ist und in dem Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Größe, die dem jeweiligen Gasvolumen entspricht, angeordnet sind, gekennzeichnet durch zwei konzentrische, dicht miteinander verbundene Kunststoffkatheter (1, 2), von denen der innere (2) mit seiner Stirnseite eine zylindrische Kammer (4) als Meßzelle begrenzt, und mit dem eine Kapillare (5) dicht verbunden ist, die den Innenraum des inneren Katheters (2) mit der Kammer (4) verbindet und in diese Kammer (4) hineinragt, und von denen der äußere mit einem Stutzen (9) zum Einführen in ein Flüssigkeitsgefäß versehen ist, und daß zur Bildung der elektrischen Größe zwischen den Kathetern (1, 2) zwei Drähte (3) als Elektroden vorgesehen sind.

2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen temperaturabhängigen Widerstand enthält, welcher das elektrische Signal der jeweiligen Temperatur in der Meßzelle (4) entsprechend beeinflußt

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) ein Elektrolyt ist

4. Druckwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (7) eine physiologische Kochsalzlösung ist

5. Druckwandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Elektroden (3) in die Flüssigkeit (7) eintauchen und an eine Schaltungsanordnung (11 bis 15) zur Messung des jeweiligen ohmschen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden (3) angeschlossen sind.

6. Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus Platin bestehen.

7. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Drähte (3) als Elektroden eines Kondensators ausgebildet sind, die von der Flüssigkeit (7) isoliert sind, und daß die Drähte (3) so angeordnet sind, daß sich die Flüssigkeitsmenge zwischen ihnen dem zu messenden Druck entsprechend verändert

8. Druckwandler nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient für den spezifischen Widerstand der Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) so gewählt ist daß Temperatureinflüsse auf das Gasvolumen (8) eliminiert werden.

9. Druckwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätszahl der Flüssigkeit (7) in der Meßzelle (4) so gewählt ist, daß Temperatureinflüsse auf das Gasvolumen (8) in der Meßzelle (4) eliminiert werden.