DE10127261A1 - Meßvorrichtung für die Strömungsrate eines Gases, insbesondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie - Google Patents

Meßvorrichtung für die Strömungsrate eines Gases, insbesondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die Strömungsrichtung eines Gases, insbesondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie. Die Meßvorrichtung weist mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Strömungs-Sensor auf, die in einem Strömungsraum angeordnet sind. Der mindestens erste Strömungs-Sensor weist eine erste, insbesondere progressive Meßkennlinie und der mindestens zweite Strömungs-Sensor eine zweite, von der ersten unterschiedliche, insbesondere degressive Meßkennlinie auf. Dies ermöglicht unter Einsatz relativ preisgünstiger Strömungs-Sensoren eine Meßvorrichtung, die einen verhältnismäßig großen Strömungsraten-Meßbereich bei ausreichender Meßgenauigkeit abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die Strömungs­ rate eines Gases nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
In der Hochfrequenzchirurgie stellt die Plasmachirurgie einen ganz speziellen Anwendungsfall dar. Hierbei wird ein hochfre­ quenter elektrischer Wechselstrom durch ein elektrisch leit­ fähiges Gas auf ein zu behandelndes biologisches Gewebe ge­ leitet. Als elektrisch leitfähiges Gas kommt Plasma zum Ein­ satz. Vorzugsweise wird hierbei das Plasma eines Edelgases, beispielsweise Argon oder Helium, eingesetzt. Die Koagulation mittels eines Argon-Plasmas ist in dem Aufsatz von G. Farm, K. E. Grund, "Technology of Argon Plasma Coagulation with particular regard to endoscopic application", Endoscopic Sur­ gery and Technologies, No 1, Vol. 2, 1994, S. 71-77, beschrieben.
Die oben genannten einatomigen Edelgase, wie Argon oder Heli­ um, werden hinsichtlich ihrer verschiedenen physikalischen Eigenschaften genutzt, beispielsweise aufgrund ihrer chemi­ schen Neutralität, die in der Plasmachirurgie eine besonders wichtige Rolle spielt. Ebenso wichtig ist die Ionisierbar­ keit, die im Gegensatz zu mehratomigen Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxyd oder Gemischen verschiedener mehratomiger Gase wie Luft deutlich besser ist.
Eine bekannte Einrichtung für die Plasmachirurgie weist eine Edelgasquelle, einen Hochfrequenzgenerator sowie einen Appli­ kator auf. Der Hochfrequenzgenerator ionisiert einerseits das Edelgas elektrisch und liefert andererseits einen hochfre­ quenten elektrischen Wechselstrom, der für chirurgische Ein­ griffe genutzt wird. Über den Applikator wird der hochfre­ quente elektrische Wechselstrom durch das elektrisch ioni­ sierte Edelgas auf ein zu operierendes biologisches Gewebe appliziert.
Der Applikator umfaßt in der Regel ein flexibles Rohr oder einen Schlauch, durch den das Edelgas in Form eines Gasstro­ mes mit einer bestimmten Strömungsrate geleitet wird. Eine möglichst konstante Strömungsrate ist für eine gleichmäßige Koagulation des biologischen Gewebes besonders wichtig.
Zur Messung der Strömungsrate kann ein Strömungs-Sensor ein­ gesetzt werden, der sich im Rohr oder Schlauch befindet, die Strömungsrate misst und ein entsprechendes elektrisches Meß­ signal erzeugt. Das Meßsignal kann zum Anzeigen der gemesse­ nen Strömungsrate und/oder zur Regelung der Strömungsrate, beispielsweise mittels eines Ventils, dienen. Nachteilig ist jedoch, daß ein herkömmlicher Strömungs-Sensor nur einen sehr kleinen Bereich hoher Sensitivität und/oder Meßgenauigkeit besitzt. Insbesondere preiswerte Strömungs-Sensoren haben oftmals ein nur sehr kleines Meßfenster, in dem genaue Meß­ werte der Strömungsrate erzielt werden. Außerhalb des Meß­ fensters liegende Meßergebnisse sind dagegen zu ungenau, um beispielsweise für eine Regelung der Strömungsrate herangezo­ gen werden zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung für die Strömungsrate eines Gases, insbe­ sondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie, vorzuschlagen, die bei einem relativ einfachen konstruktiven Aufbau eine ausreichend genaue Messung der Strömungsrate des Gases über einen möglichst großen Meßbereich ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Meßvorrichtung mit den Merkma­ len nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Meßvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mindestens zwei Strö­ mungs-Sensoren mit unterschiedlichen Meßkennlinien zur Mes­ sung der Strömungsrate eines Gases in einem Strömungsraum vorzusehen. Jeder der Sensoren deckt hierbei vorzugsweise ei­ nen unterschiedlichen Meßbereich ab. Dies ermöglicht den Ein­ satz von preiswerten Strömungs-Sensoren, die in ihrem jewei­ ligen Meßbereich genau messen.
In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Strömungsrate eines Gases, insbesondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie, sind demnach mindestens ein erster und mindestens ein zweiter Strömungs-Sensor in einem Strömungsraum angeordnet. Der min­ destens erste Strömungs-Sensor weist eine erste, insbesondere progressive Meßkennlinie auf und ist vorzugsweise zur Messung eines ersten Gas-Strömungsraten-Bereiches ausgebildet. Der mindestens zweite Strömungs-Sensor weist eine zweite, von der ersten unterschiedliche Meßkennlinie, die insbesondere de­ gressiv ist, auf. Vorzugsweise ist er zur Messung eines zwei­ ten Gas-Strömungsraten-Bereichs ausgebildet. Als Strömungs- Sensoren können beispielsweise Durchflußmesser wie ein Blende oder Staudruckmesser oder auch thermische Massenstrommesser wie ein Hitzdraht-Anemometer oder ein kalorimetrischer Sensor eingesetzt werden.
Die ersten und zweiten Strömungs-Sensoren decken vorzugsweise unterschiedliche Meßgenauigkeits- und Sensitivitätsbereiche ab. Mit anderen Worten ergänzen sich die Strömungs-Sensoren zu einer Meßvorrichtung, die einen im Vergleich zu einem ein­ zelnen Strömungs-Sensor relativ weiten Meßbereich mit relativ hoher Genauigkeit und hoher Sensitivität besitzt.
Vorzugsweise weist der mindestens erste Strömungs-Sensor eine hohe Sensitivität und Genauigkeit bei einer kleinen, der min­ destens zweite Strömungs-Sensor eine hohe Sensitivität und Genauigkeit bei einer großen Gas-Strömungsrate auf.
Der mindestens erste Strömungs-Sensor kann sich vom minde­ stens zweiten Strömungs-Sensor im Meßprinzip unterscheiden. Beispielsweise kann ein Strömungs-Sensor nach dem Prinzip der Staudruck-Messung mit einem auf dem kalorimetrischen Prinzip basierenden Strömungs-Sensor kombiniert werden. Je nach dem, in welchem Gas-Strömungsraten-Bereich der entsprechende Strö­ mungs-Sensor eingesetzt werden soll, kann dadurch der für den entsprechenden Gas-Strömungsraten-Bereich geeignetste Strö­ mungs-Sensor zum Messen eingesetzt werden.
Alternativ können erste und zweite Strömungs-Sensoren auch zur Anwendung desselben Meßprinzips gebildet sein. Sie unter­ scheiden sich dann insbesondere durch ihr Meßfenster, in dem sie genaue Messungen durchführen können; d. h. konkret, daß die ersten Strömungs-Sensoren zur Messung einer ersten Strö­ mungsrate und die zweiten Strömungs-Sensoren zur Messung ei­ ner zweiten, von der ersten unterschiedlichen Strömungsrate ausgebildet sind.
Vorzugsweise kann dabei der mindestens zweite Strömungs-Sen­ soren als Umgehung bzw. Bypass in dem mindestens ersten Strö­ mungs-Sensor ausgebildet sein, der mit der Umgehung bzw. dem Bypass vorzugsweise bei großen Strömungsraten betrieben wird. Diese Ausführungsform ist besonders kostengünstig, da ein er­ ster und ein zweiter Strömungs-Sensor im Prinzip durch einen einzigen Sensor realisiert werden, dessen Meßbereich durch die Umgehung bzw. den Bypass vorzugsweise an große Strömungs­ raten anpaßbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Auswerteein­ richtung zum Verarbeiten der von den Strömungs-Sensoren er­ zeugten elektrischen Meßsignale vorgesehen. Die Auswerte­ einrichtung wählt in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Strö­ mungsrate das Meßsignal des mindestens einen ersten oder zweiten Strömungs-Sensors zur Bestimmung der Gas-Strömungs­ rate im Strömungsraum aus. Das bedeutet, daß die Auswerteein­ richtung anhand der von den Strömungs-Sensoren gelieferten Meßsignale bestimmt, welcher der Strömungs-Sensoren zur Mes­ sung herangezogen werden soll.
In einer Weiterbildung der Meßvorrichtung kann eine Regelvor­ richtung vorgesehen sein, welche die Gas-Strömungsrate im Strömungsraum in Abhängigkeit von dem ausgewählten Meßsignal regelt.
Zusätzlich, aber auch anstelle einer Auswahl eines Meßsignals kann eine Auswerteeinrichtung zum Verarbeiten der von den Strömungs-Sensoren erzeugten elektrischen Signale vorgesehen sein, welche die Meßsignale zur Bestimmung der Gas- Strömungsrate im Strömungsraum addiert. Hieraus kann eine Li­ nearisierung der Gesamt-Meßkennlinie der Meßvorrichtung re­ sultieren. Dies bewirkt eine Verbesserung, vor allem eine Er­ höhung der Sensitivität und/oder Genauigkeit von Messungen.
Vorzugsweise ist ferner eine Warneinrichtung vorgesehen, wel­ che die von den Strömungs-Sensoren erzeugten Meßsignale kor­ reliert und bei einem Abweichen eines der Meßsignale von der Meßkennlinie des entsprechenden Strömungs-Sensors ein Warnsi­ gnal erzeugt. Sollte die Strömungsrate der Gasströmung im Strömungsraum den durch die Strömungs-Sensoren abgedeckten Meßbereich verlassen, kommt es üblicherweise zu Meßabweichun­ gen, die durch das Warnsignal signalisiert werden können. Vorzugsweise kann die Warneinrichtung daher bei einem Abwei­ chen eines der Meßsignale von der Meßkennlinie des entspre­ chenden Strömungs-Sensors den Strömungsraum sperren, um die Gasströmung zu unterbrechen.
Die Abweichung eines Meßsignals von der Meßkennlinie des ent­ sprechenden Strömungs-Sensors kann auch zur Bestimmung des Gases im Strömungsraum herangezogen werden. Dies funktioniert dann besonders gut, wenn die Wahrscheinlichkeit von Fehlern in den Strömungs-Sensoren sehr gering ist oder diese Fehler auf eine andere Art und Weise festgestellt werden. Insbeson­ dere in diesem Fall kann eine Gaserkennungseinrichtung aus der Abweichung eines Meßsignals automatisch das Gas bestim­ men. Schließlich ist die Meßvorrichtung vorzugsweise Teil ei­ ner Vorrichtung zur Plasmachirurgie.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Meßvorrichtung gemäß der Erfindung und
Fig. 2 die Meßkennlinien der Strömungs-Sensoren der in Fig. 1 dargestellten Meßvorrichtung.
In Fig. 1 sind ein erster Strömungs-Sensor 10 und ein zweiter Strömungs-Sensor 12 hintereinander in der durch den Pfeil 30 angedeuteten Strömungsrichtung eines Gases in einem Strö­ mungsraum 14 in Form eines Kanals angeordnet. Die Strömungs- Sensoren 10 und 12 können beispielsweise Hitzdraht- oder Dünnschicht-Anemometer sein. Vorzugsweise wird der für kleine Strömungsraten bzw. -geschwindigkeiten vorgesehene Strömungs- Sensor ein Differenzial-Anemometer sein. Der Vorteil von der­ artigen Anemometern liegt darin, daß sie direkt ein elektri­ sches Signal zur Auswertung mittels elektronischer Vorrich­ tung erzeugen.
Der erste Strömungs-Sensor 10 besitzt eine erste Meßkennlinie 16, deren Verlauf in Fig. 2 dargestellt ist. Die Meßkennlinie ist progressiv, d. h. die Stärke eines vom Strömungs-Sensor 10 abgegebenen Signals steigt progressiv mit der am Sensor vorbeifließenden Gasmenge bzw. -masse, und damit der Strö­ mungsrate. Im Gegensatz hierzu weist der zweite Strömungs- Sensor 12 eine degressive Kennlinie auf - wie in Fig. 2 im rechten Diagramm dargestellt ist. Gemäß dieser degressiven Kennlinie 18 nimmt die Stärke eines vom zweiten Strömungs- Sensors 12 abgegebenen Signals unterproportional mit zuneh­ mendem Gasstrom, also am Sensor vorbeifließender Gasmenge bzw. -masse zu. Damit ist der erste Strömungs-Sensor 10 für größere, der zweite Strömungs-Sensor 12 für kleinere Strö­ mungsraten ausgelegt. Die Kennlinie 16 des ersten Strömungs- Sensors entspricht im wesentlichen der Meßkennlinie einer Differenzdruckmessung. Eine degressive Kennlinie 18 des zwei­ ten Strömungs-Sensors 12 weist typischerweise ein kalorime­ trischer Sensor auf.
Die von den beiden Strömungs-Sensoren abgegebenen elektri­ schen Signale 11 und 13 werden einer Auswerteeinrichtung 20 zugeführt. Ferner wird dieser ein Signal 22 zugeführt, das einer vorgebbaren Gas-Strömungsrate entspricht. Diese vorgeb­ baren Gas-Strömungsrate wird aus den kritischen Gas-Strö­ mungsraten der Strömungs-Sensoren 10 und 12 für das jeweilige im Strömungsraum 14 befindliche Gas ermittelt.
Hierzu wird für jeden Strömungs-Sensor 10 und 12 bestimmt, bei welcher Gas-Strömungsrate sie trotz unterschiedlicher Kennlinien 16 und 18 die gleiche Sensitivität und/oder Genau­ igkeit besitzen. Entsprechend den festgestellten Gas-Strö­ mungsraten für die beiden Strömungs-Sensoren 10 und 12 erge­ ben sich zwei charakteristische Signalstärken, die durch zwei Schwellwerte in der Auswerteeinrichtung 20 über das Signal 22 festgelegt werden.
Die Auswerteeinrichtung 20 wählt nun zur Auswertung das zuge­ führte Signal 11 oder 13 der Strömungssensoren 10 bzw. 12 aus, das größer oder kleiner als die jeweilige Gas-Strömungs­ rate ist. Mit anderen Worten wird der Strömungs-Sensor zur Messung ausgewählt, dessen ermittelte kritische Strömungsrate näher der tatsächlich gemessenen Gas-Strömungsrate im Strö­ mungskanal 14 liegt.
Das so ausgewählte Meßsignal 11 oder 13 wird von der Auswer­ teeinrichtung 20 einer Regeleinrichtung 24 zugeführt, die zur Regelung der Strömungsrate im Strömungsraum 14 vorgesehen ist. Diese leitet aus dem zugeführten Signal ein Regelsignal 25 ab, das die Stellung einer Drosselklappe 32 im Strömungs­ kanal 14 steuert. Mittels der Drosselklappe 32 läßt sich die Strömungsrate des Gases im Strömungskanal 14 einstellen. Das Regelsignal 25 wird nach einem vorgegebenen Regelalgorithmus in der Regeleinrichtung 24 aus dem von der Auswerteeinrich­ tung 20 zugeführten Signal abgeleitet.
Die Meßsignale 11 und 13 der Strömungs-Sensoren 10 bzw. 12 werden ferner einer Warneinrichtung 26 zugeführt. Diese si­ gnalisiert über eine Warnlampe 28 ein Abweichen eines der Meßsignale 11 und 13 von der Meßkennlinie des entsprechenden Strömungssensors 10 bzw. 12. Außerdem erzeugt die Warnein­ richtung 26 ein Warnsignal 27, das die Gasströmung im Strö­ mungsraum 14 unterbrechen kann, indem es die Drosselklappe 32 im Strömungsraum 14 in eine Sperrstellung bringt, in welcher der Strömungsraum 14 gesperrt ist.
Bezugszeichen
10
Erster Strömungs-Sensor
11
Meßsignal
12
Zweiter Strömungs-Sensor
13
Meßsignal
14
Strömungsraum
16
Erste Meßkennlinie
18
Zweite Meßkennlinie
20
Auswerteeinrichtung
22
vorgebbares Gas-Strömungsratensignal
24
Regeleinrichtung
25
Regelsignal
26
Warneinrichtung
27
Warnsignal
28
Warnlampe
30
Strömungsrichtung
32
Drosselklappe

Claims (12)

1. Meßvorrichtung für die Strömungsrate eines Gases, insbe­ sondere zum Einsatz in der Plasmachirurgie, mit minde­ stens einem ersten und mindestens einem zweiten Strö­ mungs-Sensor (10, 12), die in einem Gas-Strömungsraum (14) angeordnet sind, wobei der mindestens erste Strö­ mungs-Sensor (10) eine erste, insbesondere progressive Meßkennlinie (16) und der mindestens zweite Strömungs- Sensor (12) eine zweite, von der ersten unter­ schiedliche, insbesondere degressive Meßkennlinie (18) aufweist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens erste Strömungs-Sensor (10) eine hohe Sensitivität und Genauigkeit bei einer kleinen und der mindestens zweite Strömungs-Sensor (12) eine hohe Sensi­ tivität und Genauigkeit bei einer großen Gas-Strömungs­ rate aufweist.
3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mindestens erste Strömungs-Sensor (10) und der mindestens zweite Strömungs-Sensor (12) im Meßprinzip.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens erste Strömungs-Sensor (10) und der min­ destens zweite Strömungs-Sensor (12) dasselbe Meßprinzip anwenden und zur Messung unterschiedlicher Strömungsra­ ten ausgebildet sind.
5. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens zweite Strömungs-Sensor (12) als Umgehung bzw. Bypass in dem mindestens ersten Strömungs-Sensor (10) ausgebildet ist, mit der bzw. dem der mindestens erste Strömungs-Sensor (10) bei großen Strömungsraten betrieben wird.
6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung (20) zum Verarbeiten von den Strömungs-Sensoren (10, 12) abgeleiteten elektrischen Meßsignalen (11, 13) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von einer vorgebbaren Gas-Strömungsrate (22) das Meßsi­ gnal (11, 13) eines Strömungs-Sensors (10, 12) zur Be­ stimmung der Gas-Strömungsrate im Strömungsraum (14) auswählt.
7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (24) vorgesehen ist, welche die Gas-Strömungsrate im Strömungsraum (14) in Abhängigkeit vom ausgewählten Meßsignal (11, 13) regelt.
8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrichtung zum Verarbeiten der von den Strömungs-Sensoren (10, 12) erzeugten elektrischen Meß­ signale (11, 13) vorgesehen ist, welche die Meßsignale (11, 13) zur Bestimmung der Gas-Strömungsrate im Strö­ mungsraum (14) addiert.
9. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warneinrichtung (26) vorgesehen ist, welche die von den Strömungs-Sensoren (10, 12) erzeugten elektrischen Meßsignale (11, 13) korreliert und bei einem Abweichen eines der Meßsignale (11, 13) von der Meßkennlinie (16, 18) des entsprechenden Strömungs-Sensors (10, 12) ein Warnsignal (27) erzeugt.
10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Warneinrichtung (26) bei einem Abweichen eines der Meßsignale (11, 13) von der Meßkennlinie (16, 18) des entsprechenden Strömungs-Sensors (10, 12) den Strömungs­ raum (14) sperrt, um die Gasströmung zu unterbrechen.
11. Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gaserkennungseinrichtung vorgesehen ist, die aus der Abweichung eines der Meßsignale (11, 13) von der Meßkennlinie (16, 18) des entsprechenden Strömungs-Sen­ sors (10, 12) das Gas bestimmt.
12. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer Vorrichtung zur Plasmachirurgie ist.
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