DE10133120A1

DE10133120A1 - Vorrichtung zur Auswertung von Hitzdrahtsignalen eines Hitzdrahtanemometers

Info

Publication number: DE10133120A1
Application number: DE2001133120
Authority: DE
Inventors: Henning Gerder; Rainer Kunz
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 2001-07-07
Filing date: 2001-07-07
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2021-07-08
Also published as: DE10133120C2

Abstract

Eine Auswertevorrichtung für Hitzdrahtsignale eines Hitzdrahtanemometers, speziell eines Atemstromsensors, mit einer ersten Brückenschaltung (100) für die Auswertung des elektrischen Signals eines ersten Hitzdrahtes (1) und für die Auswertung einer mit einem Messfühler (2) erfassten Einflussgröße für das elektrische Signal soll derart verbessert werden, dass auch das elektrische Signal eines zweiten Hitzdrahtes (7) ausgewertet werden kann bei gleichzeitiger Kompensation derselben Einflussgröße für das elektrische Signal des zweiten Hitzdrahtes (7). DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass DOLLAR A - eine zweite Brückenschaltung (300) vorgesehen ist für die Auswertung des elektrischen Signals eines zweiten Hitzdrahtes (7), wobei DOLLAR A - in der zweiten Brückenschaltung (300) der Messfühler für die erfasste Einflussgröße durch einen Festwiderstand (8) gleicher Größe ersetzt ist, und wobei zusätzlich DOLLAR A - eine Wandlerschaltung (200) zwischen der ersten und zweiten Brückenschaltung (100, 300) vorhanden ist, die die in der ersten Brückenschaltung (100) mit dem Messfühler erfasste Einflussgröße für das elektrische Signal als Stromsignal in die zweite Brückenschaltung (300) einspeist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung geht aus der DE 25 05 669 C3 hervor und wird speziell in der Medizintechnik eingesetzt, um bei der Messung des Atemgasvolumenstroms in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung den Einfluss der mittels eines als Draht ausgebildeten Messfühlers erfassten Temperatur des Messgases auf das Messsignal des Hitzdrahtes zu kompensieren. Die Messung des Atemgasvolumenstroms ist Bestandteil praktisch aller heutigen Beatmungsmaschinen einschließlich Anästhesiegeräte.

Bei der Hitzdrahtanemometrie wird ein dünner, beheizter Draht, der sogenannte Hitzdraht, durch den vorbeiströmenden Mess- oder Atemgasvolumenstrom abgekühlt. Dabei ist die Widerstandsänderung des Hitzdrahtes ein Maß für den vorbeiströmenden Gasvolumenstrom. Hitzdrahtanemometer haben einen großen Messbereich und verursachen nur einen geringen Druckverlust; etwas nachteilig ist jedoch deren relativ schwaches, elektrisches Messsignal. Zur analogen Auswertung wird eine Wheatstone'sche Brückenschaltung oder eine davon abgeleitete Brückenschaltung eingesetzt. Das elektrische Messignal kann von einer oder mehreren Einflussgrößen beeinflusst sein, zum Beispiel von der Messgastemperatur und/oder von der Messgaszusammensetzung.

In einem Hitzdrahtanemometer werden vorzugsweise zwei Hitzdrähte verwendet, wobei mittels des ersten Hitzdrahtes ein für den Betrag des gemessenen Gasvolumenstroms repräsentatives, elektrisches Signal ermittelt wird. Ein zweiter Hitzdraht dient zur Bestimmung der Strömungsrichtung des gemessenen Gasvolumenstroms. Dabei ist dieser zweite Hitzdraht so im Hitzdrahtanemometer angeordnet, dass er nur in einer der beiden Durchflussrichtungen des Gasvolumenstroms im Strömungsschatten eines Strömungshindernisses liegt und damit ein von der Strömungsrichtung abhängiges, unterschiedlich starkes, elektrisches Signal abgibt.

Zwar könnte prinzipiell die Auswertung von Hitzdrahtsignalen auch digital erfolgen, indem die gemessenen Widerstände oder die zugehörigen Spannungen des ersten und des zweiten Hitzdrahtes und die des unbeheizten, für die Erfassung der Einflussgröße Temperatur und/oder Gaszusammensetzung vorgesehenen Messfühlers verstärkt, in digitale Signale gewandelt und mit einem Mikroprozessor verrechnet werden. Diese Vorgehensweise ist jedoch elektronisch aufwendig und erfordert die genaue Kenntnis des funktionalen Zusammenhangs zwischen der Gastemperatur und dem Gasvolumenstrom in Abhängigkeit vom Hitzdrahtwiderstand oder der Hitzdrahtspannung, gegebenenfalls noch in Abhängigkeit von unterschiedlicher Gaszusammensetzung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Auswertevorrichtung der eingangs genannten Art, mit der auch das elektrische Signal eines zweiten Hitzdrahtes ausgewertet werden kann bei gleichzeitiger Kompensation derselben Einflussgröße für das elektrische Signal des zweiten Hitzdrahtes.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 an.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist den wesentlichen Vorteil auf, dass nur ein einziger Messfühler zur Erfassung der Einflussgröße für beide Hitzdrähte benötigt wird. Da für die Sensoren zur Messung des Atemgasvolumenstroms speziell in medizintechnischen Anwendungen nur ein relativ begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, kann der für einen zweiten Messfühler ansonsten erforderliche, konstruktive und fertigungstechnische Aufwand unterbleiben. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung im Vergleich zur Verrechnung von digitalisierten Messsignalen besteht darin, dass eine Verzögerungszeit und ein damit einhergehender Messfehler bei der Regelung der Heizleistung der Hitzdrähte im Falle veränderlicher Gastemperaturen vermieden wird, weil die für die Analog/Digital- und Digital/Analog-Wandlungen sowie für die Verrechnung der Messsignale im Mikroprozessor erforderliche Zeit entfällt. Zusätzlich kommt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung mit einfachen analogen Bauelementen aus und benötigt keinen Mikroprozessor und keine AD- und DA- Wandler.

Der Einsatz erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist besonders im Bereich der Anästhesie vorteilhaft, weil hier hohe Hitzdrahttemperaturen aufgrund der Gefahr der Narkosemittelzersetzung im gemessenen Atemgasstrom zu vermeiden sind und deshalb die Kompensation schwankender Gastemperaturen unbedingt notwendig ist, um Fehler bei der Bestimmung des gemessenen Gasvolumenstroms in Bezug auf Betrag und Strömungsrichtung auszuschließen.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Figuren erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 eine Detaildarstellung einer Wandlerschaltung 200 aus Fig. 1.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die gleichzeitige Auswertung zweier Hitzdrahtsignale unter Berücksichtigung des Signals eines Messfühlers 2, der speziell als temperaturabhängiger, unbeheizter Drahtwiderstand ausgebildet ist und beispielsweise die Temperatur als Einflussgröße erfasst. Die Vorrichtung besteht aus der speziellen Kombination von zwei Brückenschaltungen 100, 300 und einer zwischengeschalteten Wandlerschaltung 200.
Die erste Brückenschaltung 100 besteht aus dem ersten Hitzdraht 1, dem unbeheizten Messfühler 2, den Ersatzwiderständen 3, 4 und dem ersten Regler 5. Die zweite Brückenschaltung 300 besteht aus dem zweiten Hitzdraht 7, den Ersatzwiderständen 9, 10, dem Festwiderstand 8 und dem zweiten Regler 11. Die Ersatzwiderstände 3, 4, 9, 10 stehen für einzelne Festwiderstände oder Stellwiderstände, das heißt Potentiometer, oder Netzwerke von Fest- und/oder Stellwiderständen. In der zweiten Brückenschaltung ist der Messfühler 2 aus der ersten Brückenschaltung 100 durch den Festwiderstand 8 ersetzt.
Die erste Wheatstone'sche Brückenschaltung 100 dient zum Betrieb und zur Auswertung des mit dem ersten Hitzdraht 1 erfassten Messsignals, wobei das mit dem Messfühler 2 erfasste Signal zur Kompensation des Einflusses der Einflussgröße, speziell der Gastemperatur, verwendet wird. Die Spannung, die am Abgriffpunkt 6 abgegriffen wird, ist ein Maß für die Widerstandsänderung des unbeheizten Messfühlers 2, die sich durch eine Änderung der Gastemperatur im Messbetrieb ergibt. Sie wird in der Wandlerschaltung 200 in einen Strom gewandelt. Der Strom, der somit ein Maß für die mit dem unbeheizten Messfühler 2 erfasste Gastemperaturänderung ist, wird am Einspeisepunkt 12 in die zweite Brückenschaltung 300 eingeprägt, so dass der Strom durch den Festwiderstand 8 dem Strom entspricht, der dort fließen würde, wenn in der zweiten Brückenschaltung 300 statt des Festwiderstandes 8 ebenfalls ein temperaturbeeinflusster Messaufnehmer positioniert würde. Dadurch kann auch beim Signal, das mit dem zweiten Hitzdraht 7 erfasst wird, der Einfluss veränderlicher Gastemperatur kompensiert werden.
Die Wandlerschaltung 200 (Fig. 2) besteht im einfachsten Fall aus einem ersten Trennverstärker 13 und einem Spannungs-/Stromwandler 17. Der Trennverstärker 13 arbeitet idealerweise rückwirkungsfrei, damit die Regelung der ersten Brückenschaltung 100 nicht durch die zweite Brückenschaltung 300 beeinflusst wird. Die Umwandlung der Spannung in einen Strom erfolgt im einfachsten Fall linear. Darüber hinaus kann die Umwandlung nach einer Kennlinie 18 erfolgen, die beispielsweise in Form einer Tabelle in einem nur auslesbaren, elektronischen Speicherelement (ROM) abgelegt oder durch analoge Kompensationsschaltungen, das heißt aktive Netzwerke, realisiert sein können.
Weiterhin kann der Einfluss einer zweiten Einflussgröße, zum Beispiel der veränderlichen Gaszusammensetzung, auf die Spannungs-/Stromwandlung berücksichtigt werden. In Anästhesiegeräten kommen Atemgase stark unterschiedlicher Zusammensetzung zum Einsatz. Die Zusammensetzung des Atemgases bestimmt dessen thermophysikalische Eigenschaften und damit den Wärmeübergang von den im allgemeinen aus Platin bestehenden Hitzdrähten 1, 7 an das Atemgas. Die bei der Spannungs-/Stromwandlung verwendete Kennlinie 18 gilt nur für eine bestimmte Gaszusammensetzung. Sauerstoff O₂, Stickstoff N₂ und eine Reihe anderer Gase haben eine ähnliche, kinematische Viskosität, so dass die unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit im Wesentlichen zu einer Verschiebung, nicht aber zu einer Formänderung der Kennlinie 18 führt. Soll der Einfluss veränderlicher Gaszusammensetzung berücksichtigt werden, wird daher die extern vorgebbare Spannung 14, die ein Maß für die Kennlinienverschiebung ist, über einen zweiten Trennverstärker 15 am Summationspunkt 16 zur eigentlichen Spannung addiert, und die so modifizierte Spannung wird in einen Strom gewandelt.

Claims

1. Vorrichtung zur Auswertung von Hitzdrahtsignalen eines Hitzdrahtanemometers mit einer ersten Brückenschaltung für die Auswertung des elektrischen Signals eines ersten Hitzdrahtes und für die Auswertung einer mit einem Messfühler erfassten Einflussgröße für das elektrische Signal, dadurch gekennzeichnet, dass
eine zweite Brückenschaltung (300) vorgesehen ist für die Auswertung des elektrischen Signals eines zweiten Hitzdrahtes (7),
wobei in der zweiten Brückenschaltung (300) der Messfühler für die erfasste Einflussgröße durch einen Festwiderstand (8) gleicher Größe ersetzt ist und
wobei zusätzlich eine Wandlerschaltung (200) zwischen der ersten und zweiten Brückenschaltung (100, 300) vorhanden ist, die die in der ersten Brückenschaltung (100) mit dem Messfühler (2) erfasste Einflussgröße für das elektrische Signal als Stromsignal in die zweite Brückenschaltung (300) einspeist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (2) für die Erfassung der Einflussgröße ein temperaturabhängiger Widerstand ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung (200) eine nichtlineare Kennlinie (18) aufweist für die Wandlung von eingehender Spannung in ausgehenden Strom, insbesondere eine durch die jeweilige Gaszusammensetzung bestimmte Kennlinie (18).

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerschaltung (200) zusätzlich zu einem ersten Trennverstärker (13) einen zweiten Trennverstärker (15) aufweist, welcher mittels einer extern vorgegebenen Spannung (14) die Kennlinie (18) und den Strom verschiebt.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hitzdraht (1) zur Bestimmung des Betrages des gemessenen Gasvolumenstroms und der zweite Hitzdraht (8) zur Bestimmung der Strömungsrichtung des gemessenen Gasvolumenstroms dient.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Hitzdrähte (1, 7) und der Messfühler (2) in einem medizinischen Atemstromsensor angeordnet sind, insbesondere in einem Anästhesie- oder Beatmungsgerät.