DE19820853C1

DE19820853C1 - Schaltung zur Messung einer Impedanz und ihre Verwendung

Info

Publication number: DE19820853C1
Application number: DE1998120853
Authority: DE
Inventors: Peter Rother
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1998-05-09
Filing date: 1998-05-09
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2018-05-10

Abstract

Vorgestellt wird eine Schaltung (50) zur Messung einer Impedanz (Z¶m¶), die eine erste (I¶1¶) und eine zweite (I¶2¶) Wechselstromquelle, jeweils zum Einprägen eines gleichfrequenten gegeneinander um 180 DEG phasenverschobenen Stroms in die zu messende Impedanz (Z¶m¶), und einen an die zu messende Impedanz (Z¶m¶) gekoppelten Wechselspannungssubtraktor (100) zum Subtrahieren einer Wechselspannung (U¶r¶) mit einer Referenzamplitude und der gleichen Frequenz wie die ersten (I¶1¶) und zweiten (I¶2¶) Wechselstromquellen von der an der zu messenden Impedanz (Z¶m¶) abfallenden Spannung (U¶m¶), aufweist. DOLLAR A Die Schaltung findet Anwendung, insbesondere bei der Messung geringer Änderungen der Impedanz (Z¶m¶), wie z. B. bei der Messung der Atemtätigkeit bei Menschen.

Description

Die Erfindung betrifft die Messung von Impedanzen und insbesondere die Messung geringer Impedanzänderungen.

Zur Messung von Impedanzen werden vielfach sogenannte Meßbrücken ver wendet, wobei die zu messende Impedanz aus Symmetrieänderungen inner halb der Brücke mit einem bekannten eingeprägten Strom in einer Seite abge leitet werden kann. Probleme treten jedoch dann auf, wenn extrem geringe Impedanzänderungen, z. B. < 1‰ bei hoher geforderter Meßgenauigkeit (z. B. 10^-5) gemessen werden sollen.

Eine Anwendung, bei der extrem geringe Impedanzänderungen mit hoher Meßgenauigkeit zu messen sind, ist die Messung der Atemtätigkeit (Respirati on) insbesondere bei Menschen, wie sie z. B. in den Druckschriften Hörnchen, H.: Möglichkeiten der neonatologischen Betreuung heute. In: Medizinische Klinik, 1982, Jg. 77, Nr. 20, S. 16-22, DE 29 49 887 A1, oder WO 97/20 499 A1 beschrieben ist. Diese geschieht zumeist durch die Messung des Widerstands des Brustkorbes. Dazu wird typischerweise eine Wechselspannung auf zwei Elektroden gegeben, welche auf dem Oberkörper des Patienten, quer über dem Brustkorb, befestigt sind und so ein Wechselstrom eingeprägt. Für die Messungen werden Wechselspannungen verwendet, da eine Gleichspannung eine Elektrolyse und damit eine Zerstörung von Zellen zur Folge hätte. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, daß eine Atmungsbeobachtung sich zumeist über eine längere Zeit erstreckt. Aus diesem Grund darf auch ein Wechselstrom, abhängig von seiner Frequenz, nur einen bestimmten Wert aufweisen, wobei der Strom um so größer sein kann, je höher die gewählte Frequenz ist. Durch die Atmung des Patienten ändert sich der Widerstand zwischen den Elektroden. Die dadurch erfolgte Änderung einer angelegten Spannung wird im allgemeinen (z. B. über einen Differenzverstärker) verstärkt und anschlie ßend gleichgerichtet. Dieses Signal wird auf einen Tiefpaß gegeben, wodurch man eine Ausgangsgleichspannung erhält, welche in ihrer Größe von dem Widerstand über dem Patientenbrustkorb abhängt.

Besonders schwierig gestaltet sich die Messung der Atemtätigkeit dadurch, daß die Widerstandsänderung beim Atmen bei Erwachsenen typischerweise 1 bis 2 Ω und bei Neugeborenen nur 300 mΩ bis 1 Ω beträgt. Da die Meßge nauigkeit über die kleinste Änderung hinausgehen soll, sollte eine Änderung von 50 mΩ gemessen werden können. Diese geringe Änderung muß allerdings in einem Meßbereich zwischen 2 und 4 kΩ gemessen werden. Dieser Meßbe reich kommt regelmäßig dadurch zustande, daß sich zunächst in den Meßlei tungen zwei 1 kΩ Widerstände zum Schutz der Schaltung für Hochspannung (z. B. beim Hochfrequenzschneiden) befinden. Darüber hinaus beträgt der Widerstand zwischen den beiden Elektroden auf dem Patienten, abhängig von der Güte der Kontakte, im allgemeinen zwischen wenigen Ohm und 2 kΩ. Dadurch ergibt sich eine Meßgenauigkeit von 5 × 10^-6. Gleichzeitig muß aus Sicherheitsgründen, wie oben erwähnt, ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 10 bis 100 kHz verwendet werden mit einer geringen Amplitude von etwa 100 µA.

Um diese hohen Anforderungen erfüllen zu können, wird standardmäßig eine Meßbrücke verwendet, die in einem Arm die Impedanz des Patienten plus Kabel umfaßt (typischerweise getrennt durch einen Isolationstransformator) und in dem anderen Arm einen Referenzwiderstand von ca. 3 kΩ . Um einen Spannungsabfall auf der Patientenimpedanz zu messen, wird ein Strom einge prägt. Fig. 1 zeigt eine derartige Meßbrücke 10, die im Prinzip u. a. aus DE 36 34 053 C2 bekannt ist. Der linke Arm besteht aus einer Stromquelle I₁ in Serie mit der zu messenden Impedanz Z_m, die in Fig. 1 aus der Patientenimpedanz R_pat in Serie mit zwei Kabelimpedanzen von jeweils 1 kΩ getrennt durch einen Isolationstransformator besteht. Der rechte Arm der Brücke 10 weist ebenfalls eine Stromquelle 12 auf in Serie mit einem Referenzwiderstand R_ref von 3 kΩ . Jeweils zwischen Spannungsquelle und Impedanz wird das Potential abge griffen und bildet die Meßspannung ΔU = U_m - U_r.

Um einen Strom in die Impedanzen einprägen zu können, werden für die Stromquellen I₁ und I₂ sehr große Widerstände verwendet, typischerweise im Bereich von 10 × der Referenzimpedanz R_ref. Die gesamte Brücke wird dann von einem in der Amplitude sehr stabilen Generator gespeist.

Nachteilig an der beschriebenen Meßbrückenschaltung ist, daß die benötigte Amplituden der Wechselspannungen wegen der großen Widerstände in den oberen Brückenarmen große Werte annehmen müssen, was wiederum eine hohe Versorgungsspannung der Generatorschaltung(en) erfordert. Nachteilig ist ferner, daß die Meßimpedanz unsymmetrisch angeschlossen ist, d. h. daß ein Ende an Masse, ein anderes mit der Stromquelle verbunden ist, wohinge gen der Patient eine symmetrische Impedanz darstellt. Aus dem Übergang unsymmetrisch zu symmetrisch durch den Trenntransformator entstehen bei den verwendeten hohen Frequenzen Meßfehler. Auch die elektromagnetische Einstrahlfestigkeit (EMC) leidet darunter, weil eine Elektrode, zumindest kapa zitiv, mehr geerdet ist als die andere.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schal tung zur Messung von Impedanzen und vorzugsweise zur Messung geringer Impedanzänderungen zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung löst dies durch eine Schaltung gemäß Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen. Erfindungsgemäße Verwendungen der Schaltung sind in den Ansprüchen 12 und 13 angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird im folgenden weiter unter Heranziehung der Zeichnungen erläutert, in denen:

Fig. 1 eine Meßbrücke gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Meßschaltung gemäß der Erfindung, und

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigen.

DETAILLIERTERE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung 50 gemäß der Erfin dung. In eine zu messende Impedanz Z_m werden zwei gleichfrequente Wech selströme I₁ und I₂ eingeprägt, wobei die Quelle I₁gegenüber der Quelle I₂ um 180° phasenverschoben ist. Die an der Impedanz Z_m abfallende Spannung U_m wird in einen Wechselspannungssubtraktor 100 eingekoppelt. In Fig. 2 wird die Quelle I₁ an einen Knoten 60 und die Quelle I₂ an einen Knoten 70 der Impe danz Z_m gekoppelt, wobei die Knoten 60 und 70 auch die Eingänge des Sub traktors 100 darstellen.

Der Subtraktor 100 subtrahiert von der Spannung U_m eine Wechselspannung U_r mit einer Referenzamplitude und der gleichen Frequenz wie die Spannungs quellen I₁ und I₂. Die zwischen Ausgängen 110 und 120 des Subtraktors 100 gestellte Differenzwechselspannung U_m - U_r entspricht der an der Brücke in Fig. 1 abgegriffenen Differenzspannung U_m - U_r und kann entsprechend wei terverarbeitet werden, z. B. durch Einkoppeln in einen Verstärker 150 und Gleichrichten des verstärkten Signals in einem Synchrondetektor 160. Die Subtraktion des Referenzsignals U_r in dem Wechselspannungssubtraktor 100 kann entsprechend auch durch Addition eines um 180° gedrehten Referenzsi gnals U_r realisiert werden.

Im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten Brückenschaltung wird erfindungsge mäß der Meßstrom direkt in die zu messende Impedanz Z_m eingeprägt und die Meßspannung abgegriffen. Die in der Meßbrücke nach Fig. 1 erfolgte Subtrak tion der Grundimpedanz wird in Fig. 2 durch den Wechselspannungssubtraktor 100 durchgeführt. Somit muß der nachfolgende Verstärker 150 und der Syn chrondetektor 160 lediglich eine kleine Differenzwechselspannung verarbeiten.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meß schaltung 50. Die Stromquelle I₁ ist implementiert durch eine Spannungsquelle U₁ in Serie mit einer Impedanz Z₁. Die Stromquelle I₂ ist entsprechend durch eine gegenüber U₁ um 180° phasenverschobene Spannungsquelle U₁' in Serie mit einer Impedanz Z₁' implementiert, wobei vorzugsweise Z₁' = 21 ist. Zwi schen den Knoten 60 und 110 ist eine Impedanz Z₂ gekoppelt. An den Knoten 70 koppelt eine Impedanz Z₂' zu dem Knoten 120, wobei vorzugsweise Z₂' = Z₂ ist. Ein zwischen Impedanz Z₁' und Spannungsquelle U₁' liegender Knoten 200 wird über eine Impedanz Z_f an den Knoten 110 gekoppelt. Ein zwischen Spannungsquelle U₁ und Impedanz Z₁ liegender Knoten 210 wird über eine Impedanz Z_f' an den Knoten 120 gekoppelt, wobei vorzugsweise Z_f' = Z_f ist.

Falls die Impedanzen Z₁ = Z₁', Z₂ = Z₂' und Z_f = Z_f' sind, bestimmt das Verhält nis der Impedanz Z_f zu Z₂ wie groß der Strom ist, der als Referenzgröße von der Meßgröße subtrahiert wird. Dieser Strom entspricht der Funktion der Impedanz Ref in der konventionellen Brücke gemäß Fig. 1.

Die an den Knoten 110 und 120 auftretenden Differenzströme werden vor zugsweise in einem Differenzverstärker als Verstärker 150 eingekoppelt. Dabei wird der Ausgang des Differenzverstärkers über eine Impedanz Z₃ an den Knoten 110 rückgekoppelt und der Knoten 120 ebenfalls über eine Impedanz Z₃' an Masse gelegt, wobei vorzugsweise Z₃ = Z₃' ist.

Gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Meßbrückenschaltung weisen die erfin dungsgemäßen Schaltungen nach Fig. 2 und 3 den Vorteil auf, daß die zu messende Impedanz Z_m symmetrisch angesteuert wird. Ferner erfolgt die Subtraktion des Referenzsignals U_r direkt über Z_f von den Spannungsquellen die den Meßstrom generieren, lange bevor das Differenzsignal den Verstärker 150 erreicht. Er muß nur das (kleinere) symmetrische Differenzsignal verar beiten können. In der konventionellen Brücke gemäß Fig. 1 geschieht die Subtraktion in dem Verstärker 150 selbst, das heißt, der Verstärker 150 erhält die (größeren) unsymmetrischen einzelnen Signale U_m und U_r auf dessen Eingängen. Die Gleichtaktlinearität des Verstärkers 150 muß somit um so größer sein, je kleiner das Differentialsignal gegenüber des Gleichtaktsignals einer konventionellen Brücke ist. Auch der Aussteuerungsbereich des Verstär kers 150 in der Schaltung nach Fig. 1 muß wesentlich größer sein.

Während bei der Schaltung nach Fig. 1 im allgemeinen eine Versorgungs spannung von +/-12 V bis +/-15 V, also 24-30 V erforderlich ist, reichen bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung z. B. 5 V (bei CMOS ICs) als Versorgungsspannung aus, um den gleichen Patienten strom zu erzeugen, was in etwa eine zehnmal geringere Versorgungslei stungsaufnahme bedeutet. Ferner erfordert die erfindungsgemäße Schaltung nach Fig. 2 lediglich etwa die Hälfte der Bauteile einer konventionellen Brüc kenschaltung.

Zudem ist die erfindungsgemäße Schaltung auch phasengenauer, da zum einen die Subtraktion in den passiven Elementen geschieht, anstatt in einem vielfach durch Nichtlinearität gekennzeichneten aktiven Element, wie dem Verstärker 150. Zum anderen erfolgt erfindungsgemäß die Subtraktion sym metrisch, was bei unvermeidlichen Schaltungskapazitäten und z. B. bei einer geforderten Meßgenauigkeit von 10^-5 bei einer Meßfrequenz von 10 bis 100 kHz, ausschlaggebend sein kann.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte zu messende Impedanz Z_m kann ent weder unmittelbar die zu messende Impedanz darstellen oder ein Ersatz schaltbild für eine beliebige Schaltung repräsentieren, wie z. B. die in Fig. 1 gezeigte und über einen Isolationstransformator gekoppelte Respirationsmes sungsschaltung.

Claims

1. Schaltung (50) zur Messung einer Impedanz (Z_m), aufweisend:
eine erste (I₁) und eine zweite (I₂) Wechselstromquelle, jeweils zum Einprägen eines gleichfrequenten gegeneinander um 180° phasenver schobenen Stroms in die zu messende Impedanz (Z_m), und
einen an die zu messende Impedanz (Z_m) gekoppelten Wechselspan nungssubtraktor (100) zum Subtrahieren einer Wechselspannung (U_r) mit einer Referenzamplitude und der gleichen Frequenz wie die ersten (I₁) und zweiten (I₂) Wechselstromquellen von der an der zu messenden Im pedanz (Z_m) abfallenden Spannung (U_m).

2. Schaltung (50) nach Anspruch 1, worin die erste Wechselstromquelle (I₁) an einen ersten Knoten (60) und die zweite Wechselstromquelle (I₂) an einen zweiten Knoten (70) der zu messenden Impedanz (Z_m) und der Wechselspannungssubtraktor (100) an den ersten (60) und den zweiten (70) Knoten gekoppelt sind.

3. Schaltung (50) nach Anspruch 2, worin die erste Wechselstromquelle (I₁) eine erste Spannungsquelle (U₁) in Serie mit einer ersten Impedanz (Z₁) und die zweite Wechselstromquelle (I₂) eine zweite Spannungsquelle (U₁') in Serie mit einer zweiten Impedanz (Z₁') aufweist.

4. Schaltung (50) nach Anspruch 3, worin die erste Impedanz (Z₁) den gleichen Impedanzwert wie die zweite Impedanz (Z₁') aufweist.

5. Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 2-4, mit einer zwischen dem ersten Knoten (60) und einem ersten Ausgang (110) des Wechselspan nungssubtraktors (100) gekoppelten dritten Impedanz (Z₂) und einer zwi schen dem zweiten Knoten (70) und einem zweiten Ausgang (120) des Wechselspannungssubtraktors (100) gekoppelten vierten Impedanz (Z₂').

6. Schaltung (50) nach Anspruch 5, worin die dritte Impedanz (Z₂) den gleichen Impedanzwert wie die vierte Impedanz (Z₂') aufweist.

7. Schaltung (50) nach Anspruch 5 oder 6, mit einer fünften Impedanz (Z_f'), die zwischen dem zweiten Ausgang (120) des Wechselspannungssub traktors (100) und einem dritten Knoten (210) zwischen der ersten Span nungsquelle (U₁) und der ersten Impedanz (Z₁) gekoppelt ist, und mit ei ner sechsten Impedanz (Z_f), die zwischen dem ersten Ausgang (110) des Wechselspannungssubtraktors (100) und einem vierten Knoten (200) zwischen der zweiten Spannungsquelle (U₁') und der zweiten Impedanz (Z₁') gekoppelt ist.

8. Schaltung (50) nach Anspruch 7, worin die fünfte Impedanz (Z_f') den gleichen Impedanzwert wie die sechste Impedanz (Z_f) aufweist.

9. Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Ausgang des Wechselspannungssubtraktors (100) an einen Verstärker (150) und der Ausgang des Verstärkers (150) an einen Gleichrichter gekoppelt ist.

10. Schaltung (50) nach Anspruch 9, wobei der Verstärker (150) einen Diffe renzverstärker aufweist.

11. Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 9-10, wobei der Gleichrichter einen Synchrondetektor aufweist.

12. Verwendung der Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 9-11 zur Messung geringer Änderungen der Impedanz (Z_m).

13. Verwendung der Schaltung (50) nach einem der Ansprüche 9-11 zur Messung der Atemtätigkeit, insbesondere bei Menschen.