DE2447529C3 - Druckwandler - Google Patents
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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 dar Flüssigkeit ausgefüllte Leitung wegführt die an
ihrem der Meßzelle abgewandten Ende offen ist und in dem Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Größe, die
aem jeweiligen Gasvolumen entspricht angeordnet sind.
Ein Druckwandler dieser Art ist in der Druckschrift »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
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 Flüssigkeitsdruck 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
r> 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
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-
4r> 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 also über ein elastisches Übertragungsmedium, und die Meßergebnis-
•)0 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
bo 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
b5 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
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispieles näher erläutert
Wie aus der Figur hervorgeht, besteht der Druckwandler aus zwei konzentrischen Kunststoffkathetern 1
und 2, zwischen denen zwei Platindrähte 3 angeordnet sind. Der dünnere Katheter 2 begrenzt mit seiner
Stirnseite eine zylindrische Kammer 4, die die eigentliche Meßzelle 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 Luftvolumen 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 der äußere Durchmesser 13 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 Temperaturkoeffizienten 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
-'ο hat
u =
1 +fi-p
(D
υ = Ausgangsspannung der Anordnung 15, α 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 korrigierL 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 erfolgen, die die Steuerung eines netzbetriebenen Schreibers oder dergleichen
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.
Claims (9)
1. 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
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 (U 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.
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