DE19943022A1

DE19943022A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Druckübertragungsverhaltens eines flüssigkeitsgefüllten Systems

Info

Publication number: DE19943022A1
Application number: DE1999143022
Authority: DE
Inventors: Matthias Nietzsch; Martin Kruegel
Original assignee: DEUTSCHES HERZZENTRUM BERLIN STIFTUNG BUERGL RECHTS; Medserv GmbH; Deutsches Herzzentrum Berlin
Current assignee: "eurotronics" Gesellschaft fur Wissenschaflic De
Priority date: 1999-09-09
Filing date: 1999-09-09
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2019-09-10
Also published as: DE19943022B4; WO2001018518A1

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Druckübertragungsverhaltens eines flüssigkeitsgefüllten Systems, bei dem nach Einbringen desselben an den Meßort die Druckmessung an der dem Meßort abgewandten Seite erfolgt, in der Weise, daß der komplexe Strömungswiderstand des Systems durch Vergleich der Signalaufteilung zwischen einer konstanten, bekannten Impedanz und der unbekannten hydraulischen Impedanz dieses Systems über den interessierenden Frequenzbereich bestimmt und rechnergestützt in das komplexe Übertragungsverhalten umgerechnet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und Überwachung des Druckübertragungsverhaltens eines flüssigkeitsgefüllten Systems, bei dem die Druckmessung an der dem Meßort abgewandten Seite des flüssigkeitsgefüllten Systems erfolgt.

Solche flüssigkeitsgefüllten Systeme sind ihrer Bestimmung nach entweder ursächlich als Meßsyste me zur Übertragung von Druckinformationen zwischen Meßort und Druckwandler oder als hydrauli sche Systeme zur Kraftübertragung ausgeführt, in denen ebenfalls eine Druckmessung stattfindet und das Meßsignal vom Meßort über die Hydraulikstrecke zum Druckwandler übertragen wird.

Bei der Übertragung von Druckinformationen von dem Meßort bzw. der Meßstelle zu einem Druckwandler über eine Distanz mittels eines flüssigkeitsgefüllten Systems, beispielsweise bei inva siver Druckmessung mit Katheter, treten in Abhängigkeit von den mechanischen Eigenschaften des übertragenden Systems Signalverfälschungen ein, welche die Qualität der Meßergebnisse beeinträchtigen können. Um diese Verfälschungen zu kompensieren oder nachträglich zu korrigieren, sind verschiedene Verfahren bekannt.

Digitale mathematische Verfahren erlauben theoretisch eine vollständige Korrektur dieser Verfälschungen in Echtzeit während der Messung, unter der Voraussetzung, daß das Übertragungsverhalten des Systems zu jedem Zeitpunkt über den gesamten interessierenden Frequenzbereich in Betrag und Phase bekannt ist und das Meßsignal digitalisiert vorliegt.

Bisher bekannte Verfahren ermitteln dieses Übertragungsverhalten des Systems, indem anstelle des unbekannten Meßsignals ein künstlich erzeugtes, also genau bekanntes, Test-Drucksignal als Refe renzsignal am Meßort eingespeist wird und aus dessen Verfälschung dann auf die Systemeigenschaften geschlossen wird (DE 198 20 844 A1).

Nachteilig ist, daß es bei einer Vielzahl von Meßaufgaben jedoch aus den verschiedensten Gründen nicht möglich ist, das Testsignal direkt am vorgesehenen Meßort einzuspeisen, etwa weil der Meßort für einen Testsignalgenerator nicht zugänglich ist oder - zum Beispiel aus Sicherheitsgründen - dort keine fremden Drucksignale eingespeist werden dürfen. In diesen Fällen kann eine Bestimmung des Übertragungsverhaltens nach dem o. a. Verfahren nur extern und zeitlich getrennt vor der Messung erfolgen.

Daraus resultieren verschiedene Nachteile, da das Übertragungsverhalten nur zum Testzeitpunkt exakt erfaßt wird. Alle Veränderungen, die zum Beispiel durch den Einbau am Meßort die Eigenschaften des Systems beeinflussen, sowie Veränderungen der Systemeigenschaften über der Zeit, der Temperatur usw. sind damit nicht unter Kontrolle zu halten. Außerdem kostet ein vorheriges Einmessen zusätzliche Zeit, welche den Meßbeginn unvertretbar verzögern kann, und erfordert ggf. umständliche Umbauten oder qualifizierte Handlungen des Meßpersonals.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, welches nach dem Einbringen des flüssigkeitsgefüllten Systems an den Meßort eine Bestimmung des Übertragungsverhaltens sowie dessen ständige Überwachung auf etwaige Veränderungen ohne Zugriff auf die Meßstelle ermöglicht und damit die Voraussetzung für eine exakte Fehlerkorrektur schafft und ein exaktes Meßergebnis gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der komplexe frequenzabhängige Strö mungswiderstand des flüssigkeitsgefüllten Systems von der dem Meßort abgewandten Seite aus bestimmt und in das komplexe Übertragungsverhalten durch Vergleich der Signalaufteilung zwischen einer konstanten, bekannten Impedanz und der unbekannten hydraulischen Impedanz des flüssigkeitsgefüllten Systems im interessierenden Frequenzbereich umgerechnet wird.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtungen sind in Fig. 1 und Fig. 2 darge stellt.

In Fig. 1 ist der Meßort 1 mit einem flüssigkeitsgefüllten System 2 verbunden, dessen Übertra gungsverhalten unbekannt ist und welches eine Impedanz Z₂ darstellt. An dieselbe ist ein Druck wandler 3 (P₂) angeschlossen, dem wiederum ein hydraulisches Bauelement 4 nachgeschaltet ist, welches eine bekannte Referenzimpedanz Z₁ darstellt. An dieses hydraulische Bauelement 4 ist in Reihe ein Druckwandler 5 und an diesen ein Drucksignalgenerator 6 angeschlossen.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, bei der an den Druck wandler 3 (P₂) ein Drucksignalgenerator 7 angeschlossen ist, in welchen die Refenzimpendanz Z₁ in tegriert ist.

Nachfolgend ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Anwendung der erfin dungsgemäßen Vorrichtungen beschrieben.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, daß ein mathematischer Zusammenhang besteht zwischen dem Übertragungsverhalten des flüssigkeitsgefüllten Systems 2 für Signale vom Meßort 1 (im folgenden Spitze genannt) zum Druckwandler 3 und der komplexen hydraulischen Impedanz des flüssigkeitsgefüllten Systems, also des frequenzabhängigen komplexen Strömungswiderstandes, welcher von der Druckwandlerseite aus meßbar ist und mittels einer der er findungsgemäßen Vorrichtungen gemessen wird.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen ermöglichen die Bestimmung des frequenzabhängigen Strö mungswiderstandes von der Druckwandlerseite aus, indem ein hydraulisches Bauelement 4 mit defi nierter, idealerweise im interessierenden Frequenzbereich konstanter und frequenzunabhängiger Referenzimpedanz mit dem zu identifizierenden unbekannten flüssigkeitsgefüllten System 2 druck wandlerseitig, also auf der dem Meßort abgewandten Seite, in Serie geschaltet und diese gesamte Anordnung vor der bekannten Referenzimpedanz Z₁ des hydraulischen Bauelementes 4 mit einem Drucksignalgenerator 6 beaufschlagt wird, wobei die Spitze 1 am Meßort offen bleibt (allg. Reservoire mit vernachlässigbarer Impedanz).

Der gesamte beaufschlagte Druck teilt sich nun entsprechend dem Verhältnis der Strömungswider stände zwischen bekannter und unbekannter Strömungsimpedanz auf. Wird nun vor und nach dem definierten Strömungswiderstand der Druck mittels zwei Druckwandlern 3 und 5 gemessen, läßt sich für jede interessierende Frequenz der komplexe Strömungswiderstand des unbekannten flüssigkeits gefüllten Systems nach folgender Gleichung 1 errechnen:

Dabei ist es prinzipiell gleichermaßen möglich, entweder bei einzelnen Frequenzen zu messen oder ein geeignetes Frequenzgemisch zu verwenden, welches zweckmäßigerweise alle interessierenden Frequenzen enthalten sollte.

Die Errechnung des komplexen Strömungswiderstandes für die jeweiligen Frequenzen erfolgt dabei rechnergesteuert.

Eine mögliche Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 1) ermöglicht die Bestimmung des frequenzabhängigen Strömungswiderstandes von der Druckwandlerseite aus, indem ein hydraulisches Bauelement 4 mit definiertem Strömungswiderstand (Referenzimpedanz) mit dem zu identifizierenden unbekannten flüssigkeitsgefüllten System 2 druckwandlerseitig in Serie geschaltet und diese gesamte Anordnung vor dem bekannten Strömungswiderstand des hydrauli schen Bauelements 4 mit einem steuerbaren Drucksignalgenerator 6 beaufschlagt wird. Ist letzterer ausreichend genau und reproduzierbar, erübrigt sich zudem die Messung des beaufschlagten Druckes, so daß ein einziger Druckwandler 3 ausreicht, und zwar derselbe, welcher auch für die Erfassung des zu korrigierenden Meßsignals benutzt wird. Die absolute Größe der Referenzimpedanz sollte zweckmäßigerweise in der Größenordnung der mittleren zu untersuchenden Impedanz im interessierenden Frequenzbereich gewählt werden.

Eine weitere mögliche Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig. 2) ermöglicht die Bestimmung des frequenzabhängigen Strömungswiderstandes von der Druckwandlerseite aus, indem die Referenzimpedanz in die Drucksignalquelle verlagert, also in diese integriert wird, so daß das Test-Drucksignal schon mit einem exakt definierten Innenwiderstand auf das unbekannte flüssig keitsgefüllte System beaufschlagt wird, wobei dieser Innenwiderstand im Drucksignalgenerator 7 so wohl elektronisch als auch mechanisch erzeugt werden kann. Auch hier kann wieder durch mathematische Auswertung der Aufteilung des anregenden Signals zwischen bekannter und unbekannter Impedanz der gesuchte komplexe Strömungswiderstand errechnet werden.

Die Gewinnung der Übertragungsfunktion aus dem mit einer solchen Vorrichtung gewonnenen komplexen Impedanzvektor baut auf einer mathematischen Modellbildung der Übertragungsstrecke mit konzentrierten Elementen auf. Die Koeffizienten der beiden zusammengehörigen Modellfunktionen für Übertragungsverhalten und komplexe Impedanz lassen sich bei geeigneter Wahl des Modells ineinander überführen, da sie aus denselben konzentrierten Elementen aufgebaut sind. Somit läßt sich jederzeit die aktuelle Übertragungsfunktion errechnen und zur Korrektur der verfälsch ten Meßwerte nach bekannten Verfahren heranziehen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß nun das Übertragungsverhalten in der originalen Meßkonfiguration ohne konstruktive Veränderungen bestimmt und diese Bestimmung zudem ohne Umbauten beliebig oft wiederholt werden kann, wodurch auch zeitliche Veränderungen des Übertragungsverhaltens erfaßt werden können.

Durch Verwendung statistischer Auswerteverfahren ist es mit diesem Verfahren außerdem möglich, zeitgleich, ohne Unterbrechung, parallel zu einer laufenden Messung die Systemparameter zu bestimmen. Dies ist in solchen Fällen zwingend erforderlich, in denen nicht verhindert werden kann, daß gleichzeitig mit dem Test-Drucksignal auch schon ein Meßsignal anliegt, z. B. in lebenden Orga nismen.

Zur Trennung des zu korrigierenden Meßsignals und des durch das flüssigkeitsgefüllte System verän derten Testsignals, die miteinander vermischt das gemessene Drucksignal bilden, bieten sich verschiedene Verfahren an, deren jeweiliger Realisierungsaufwand im allgemeinen von der Komplexi tät des anregenden Signals abhängt. Im einfachsten Fall erfolgt die Anregung für einen frequenzab hängig bestimmten Zeitraum mit genau einer Einzelfrequenz, die dann schrittweise verändert wird, um den interessierenden Bereich zu überstreichen. Es werden insbesondere zwei parallel anzuwen dende Methoden vorgeschlagen, welche im Fall einer Anregung mit Einzelfrequenzen zu relativ einfachen Lösungen führen. Die Erzeugung des Anregungssignals durch denselben Rechner, der auch die Auswertung durchführt, gewährleistet hierbei ideale Voraussetzungen für beliebige Korrelationsverfahren in Echtzeit, das heißt, phasenstarre Kopplung von Anregung und Messung.

Methode 1: Für die Bestimmung des Übertragungsverhaltens muß der Anteil des Meßsignals aus dem Signalgemisch entfernt werden. Dazu wird auf das Signalgemisch ein digitaler Lock-In- Algorithmus - abgestimmt auf die gerade aktuelle Anregungsfrequenz - angewandt, in dessen Ergebnis der Anteil des Testsignals in Betrag und Phase vorliegt, wobei sich die nichtkorrelierten Signalanteile herausheben. Dabei kann die Genauigkeit erhöht werden, wenn statistische Informationen über den Energieinhalt des reinen Meßsignals bei dieser Frequenz vorliegen. Die Genauigkeit steigt dann mit wachsender Meßzeit, was sich besonders bei Langzeitüberwachungen vorteilhaft auswirkt.

Methode 2: Für die Weiterverarbeitung des Meßsignals muß der Anteil des Testsignals aus dem Signalgemisch entfernt werden. Dazu werden im Spektrum des Signalgemisches die den interessierenden Anregungsfrequenzen entsprechenden komplexen Werte durch jeweils mittels Interpolation aus einem oder mehreren Nachbarwerten oder alternativ durch anderweitig statistisch gewonnene Werte ersetzt.

Bezugszeichenliste

1

Meßort

2

unbekanntes flüssigkeitsgefülltes System (Impedanz Z₂

)

3

Druckwandler P₂

4

hydraulisches Bauelement (Referenzimpedanz Z₁

)

5

Druckwandler P₁

6

Drucksignalgenerator

7

Drucksignalgenerator mit integrierter Referenzimpedanz

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung und Überwachung des Druckübertragungsverhaltens eines flüssigkeitsgefüllten Systems, bei dem die Druckmessung an der dem Meßort abgewandten Seite des flüssigkeitsgefüllten Systems erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der komplexe frequenzabhängige Strömungswiderstand des flüssig keitsgefüllten Systems als komplexe hydraulische Impedanz des Systems von der dem Meßort abgewandten Seite aus im interessierenden Frequenzbereich bestimmt und in das komplexe Übertragungsverhalten umgerechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komplexe hydraulische Impedanz eines flüssigkeitsgefüllten Systems durch Vergleich der Signalaufteilung zwischen einer konstanten, bekannten Impedanz und der unbekannten hydraulischen Impedanz des flüssigkeitsgefüllten Systems im interessierenden Frequenzbereich ermittelt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite zuerst mit einer konstanten Referenzimpedanz Z₁ des hydraulischen Bauelements (4) und dann mit einem Drucksignalgenerator (6) in Serie geschaltet wird, daß diese gesamte Anordnung mit einem dem interessierenden Frequenzbereich entsprechenden Testsignal aus dem Drucksignalgenerator (6) beaufschlagt wird und daß dabei der Druck jeweils zwischen Drucksignalgenerator (6) und Referenzimpedanz Z₁ sowie zwischen Referenzimpedanz Z₁ und unbekannter Impedanz Z₂ des flüssigkeitsgefüllten Systems (2) gemessen wird (Fig. 1).

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite mit einem Drucksignalgenerator (7) mit exakt definiertem Innenwiderstand - in welchen also bereits eine konstante Referenzimpedanz Z₁ integriert ist - in Serie geschaltet wird, daß diese gesamte Anordnung mit einem dem interessierenden Frequenzbereich entsprechenden Testsignal aus dem Drucksignalgenerator (7) beaufschlagt wird und daß dabei der Druck zwischen innenwiderstandsbehaftetem Drucksignalgenerator (7) und unbekannter Impedanz Z₂ des flüssigkeitsgefüllten Systems (2) gemessen wird (Fig. 2).

5. Verfahren nach Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Drucksignalgenerator (7) integrierte Innenwiderstand so gewählt wird, daß eine Flüssigkeitsstromquelle entsteht und so das Testsignal von einer gesteuerten oder geregelten Flüssigkeitsstromquelle aus auf das unbekannte flüssigkeitsgefüllte System beaufschlagt wird, wobei eine Druckmessung zwischen Flüssigkeitsstromquelle und der unbekannten Impedanz erfolgt und die unbekannte Impedanz des unbekannten flüssigkeitsgefüllten Systems aus dem Verhältnis von gemessenem Druck und beaufschlagtem Flüssigkeitsstrom bestimmt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Spektrum des Signalgemisches die durch das beaufschlagte Testsignal verfälschten komplexen Werte, die den jeweiligen Anregungsfrequenzen entsprechen, durch Werte ersetzt werden, die mittels Interpolation aus jeweils einem oder mehreren unverfälschten Nachbarwerten oder alternativ durch anderweitige statistische Verfahren gewonnen werden.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß - zwecks Ermittlung der Anteile des Testsignals an den Druckwandlern (3) und (5) - das Meßsignal aus dem Signalgemisch entfernt wird, indem auf das Signalgemisch ein digitaler Lock-In-Algorithmus angewandt wird, der auf die jeweils beaufschlagte Anregungsfrequenz des Testsignals abgestimmt ist und in dessen Ergebnis der Anteil des Testsignals in Betrag und Phase vorliegt, wobei sich die nichtkorrelierten Signalanteile herausheben.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich statistische Informationen über die Energieinhalte des reinen, nicht durch ein Testsignal beaufschlagten, Meßsignals bzw. des mit einem Testsignal beaufschlagten Meßsignals bei dieser Frequenz verwendet werden, um die Genauigkeit dieser Meß größen mit wachsender Meßzeit zu erhöhen.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite mit einem Druckwandler (3) zur Messung der unbekannten hydraulischen Impedanz dieses Systems, einem hydraulischen Bauelement (4) mit definiertem Strömungswiderstand zur Erzeugung der Referenzimpedanz, einem Druckwandler (5) zur Messung der bekannten Impedanz und einem bezüglich seiner Intensität unkalibrierten, im interessierenden Frequenzbereich steuerbaren Drucksignalgenerator (6) in Serie geschaltet ist (Fig. 1).

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite mit einem Druckwandler (3) zur Messung der unbekannten hydraulischen Impedanz dieses Systems, einem hydraulischen Bauelement (4) mit definiertem Strömungswiderstand zur Erzeugung der Referenzimpedanz und einem kalibrierten, ausreichend genauen und reproduzierbaren Drucksignalgenerator (6) in Serie geschaltet ist.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite mit einem Druckwandler (3) zur Messung der unbekannten hydraulischen Impedanz dieses Systems und einem Drucksignalgenerator (7) in Serie geschaltet ist, in welchem eine mechanisch oder elektronisch realisierte konstante Referenzimpedanz integriert ist (Fig. 2).

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1, 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu identifizierende unbekannte flüssigkeitsgefüllte System (2) an der dem Meßort (1) entgegengesetzten Seite mit einem Druckwandler (3) zur Messung der unbekannten hydraulischen Impedanz dieses Systems und einem Signalgenerator (7) in Serie geschaltet ist, der zum Zwecke der Bereitstellung des Testsignals als gesteuerte oder geregelte Flüssigkeitsstromquelle ausgebildet ist.