DE19960429A1

DE19960429A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Tempertaur eines Fluids

Info

Publication number: DE19960429A1
Application number: DE19960429A
Authority: DE
Inventors: Dieter Engel
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-07-05
Also published as: US20010004372A1; FR2802635A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Fluids mit einem Messfühler (4), der durch eine Stromquelle (11) mit einem Messstrom beaufschlagt wird, soll derart verbessert werden, dass die Temperaturmessung ohne nennenswerte Eigenerwärmung des Messfühlers (4) durchgeführt werden kann. Außerdem soll ein Messverfahren zur Durchführung der Temperaturmessung angegeben werden. DOLLAR A Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, den Messfühler (4) mit Messstromimpulsen zu beaufschlagen, das am Messfühler (4) abfallende, durch die Messstromimpulse erzeugte Spannungsmaximum und Strommaximum zu erfassen und den Quotienten aus Spannungsmaximum und Strommaximum zu bilden. Der Quotient ist dabei ein Maß für die Fluidtemperatur.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines Fluids mit einem Messfühler, der durch eine Stromquelle mit einem Messstrom beaufschlagt wird.

Eine Vorrichtung zur kombinierten Messung der Strömungsgeschwindigkeit und der Temperatur eines Gases ist beispielhaft aus der US 3,645,133 bekannt. Zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit befindet sich ein in einem Gaskanal auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizter Heizdraht, der mit einer Messbrücke verbunden ist, wobei sich aus der Brückenverstimmung ein der Strömungsgeschwindigkeit des Gases proportionaler Messwert ergibt. Zur Kompensation des Temperatureinflusses der Strömungsgeschwindigkeits messung ist ein Messfühler vorhanden, der ebenfalls stromdurchflossen ist und die Stromversorgungseinheit der Messbrücke beeinflusst. Durch die Kompen sation des Temperatureinflusses stellt sich eine konstante Übertemperatur am Heizdraht gegenüber der Gastemperatur ein. Die bekannte Vorrichtung wird bevorzugt in Atemsystemen eingesetzt, um das von einem Patienten eingeatmete beziehungsweise ausgeatmete Gasvolumen oder auch das Atemminutenvolumen zu messen.

Bei der Temperaturmessung führt jedoch der durch den Messfühler fließende Strom zu einer Eigenerwärmung, so dass nicht die eigentliche Gastemperatur, sondern ein Messwert bestimmt wird, der in komplexer Weise neben der Gastemperatur auch die Eigenerwärmung des Messfühlers und die momentane Strömungsgeschwindigkeit des Gases beinhaltet. Geht man von einem üblicherweise fließenden Messstrom von etwa 10 bis 15 Milliampère aus, dann würde eine Reduktion des Stromes die Eigenerwärmung zwar erheblich reduzieren, gleichzeitig sinkt dann aber auch die Messspannung stark ab und würde sich größenordnungsmäßig nur noch um etwa 20 Mikrovolt je Grad Kelvin Temperaturdifferenz ändern. Die Weiterverarbeitung derart geringer Messspannungen erfordert einen sehr großen Schaltungsaufwand, insbesondere dann, wenn längere Zuleitungen und Kontaktverbindungen zwischen den Messfühlern und der Auswerteeinheit benötigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Messverfahren anzugeben, um eine Temperaturmessung innerhalb eines Fluidkanals ohne nennenswerte Eigenerwärmung des Messfühlers durchführen zu können.

Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Die Lösung der Aufgabe für das Messverfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass die dem Messfühler zugeführte Leistung durch Wahl einer kurzen Einschaltzeit des Messstroms stark erniedrigt werden kann, ohne dass die Amplitude des Messstroms reduziert werden muss. So bewirkt eine Einschaltzeit von beispielsweise 50 Mikrosekunden innerhalb einer Periodendauer von 5 Millisekunden eine Verringerung der zugeführten Leistung auf einen Wert von etwa 1 : 100. Dadurch kann die Auswertung mit Messströmen und Messspannungen durchgeführt werden, die mit vertretbarem Schaltungsaufwand verarbeitet werden können, ohne dass es zu einer nennenswerten Eigenerwärmung des Messfühlers kommt.

Das erfindungsgemäße Messverfahren besteht darin, den Messfühler mit Messstromimpulsen zu beaufschlagen, die am Messfühler abfallende, durch die Messstromimpulse erzeugte Messspannung U_M und den zugehörigen Mess strom I_M zu erfassen und den Quotienten aus Messspannung U_M und Mess strom I_M zu bilden. Der Quotient gibt den ohmschen Widerstand des Messfühlers an und ist ein Maß für die Fluidtemperatur. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, die Messspannung und den Messstrom synchron am Ende des Messstrom-Impulses abzutasten, wenn Einschwingvorgänge abgeschlossen sind. Alternativ kann als Spannung das Spannungsmaximum U_M und als Messstrom das Messstrom- Maximum I_M mit Spitzenspannungs- bzw. Spitzenstromdetektoren bestimmt werden.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Figur gezeigt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung,

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der am Messfühler abfallenden Messspannung und den Messstrom in Abhängigkeit von der Impulsspannung,

Fig. 3 schematisch die Eigenerwärmung des Messfühlers in Abhängigkeit vom Quadrat des Messstroms und dem Verhältnis von Einschaltzeit zu Periodendauer.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Messvorrichtung 1, mit der die Strömungsge schwindigkeit in Kombination mit der Gastemperatur gemessen wird. In einem von einem Gas durchströmten Kanal 2 sind ein Heizdraht 3 für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit und ein Messfühler 4 für die Temperaturmessung angeordnet. Der Heizdraht 3 wird dabei durch eine Steuerschaltung 8 auf eine konstante Übertemperatur gegenüber der Gastemperatur aufgeheizt. Die Durchströmungsrichtung des Kanals 2 ist beispielhaft durch einen Pfeil 5 veranschaulicht. Der Heizdraht 3 und der Messfühler 4 bestehen aus dünnen Platindrähten, die an Stützdrähten 6, 7 innerhalb des Kanals 2 befestigt sind. Die Steuerschaltung 8 enthält eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Regelschaltung, mit der der ohmsche Widerstand des Heizdrahtes 3 auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird. Bei einer Gasdurchströmung des Kanals 2 kühlt sich der Heizdraht 3 ab, so dass durch die Steuerschaltung 8 der durch den Heizdraht 3 fließende Strom erhöht wird. Die Änderung des Heizstroms ist ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Da mit der Steuerschaltung 8 der Heizdraht 3 auf einer konstanten Übertemperatur gegenüber der Gastemperatur geregelt wird, muss zusätzlich mit dem Messfühler 4 die Gastemperatur erfasst werden. Der Messfühler 4 ist über einen Vorschaltwiderstand 9 und einen Schalter 10 mit einer Stromquelle 11 verbunden. Der Schalter 10, der aus drei Kontaktzungen 12, 13, 14 besteht, wird von einer Impulsspannungsquelle 15 mit Steuerimpulsen U_s derart angesteuert, dass die Kontaktzungen 12, 13, 14 für kurze Zeitintervalle t_e geschlossen und danach wieder geöffnet werden. Dadurch entstehen Strom- und Spannungsimpulse an dem Meßfühler 4, die mit den Verstärkern 16, 17 erfasst werden. Der Verstärker 16 misst dabei den Spannungsabfall über dem Vorschaltwiderstand 9 und damit eine dem Strom proportionale Größe, während der Verstärker 17 den Spannungsabfall am Messfühler 4 auswertet. Die Ausgangssignale der Verstärker 16, 17 gelangen über die Kontaktzungen 13, 14 zu einem Spannungs-Detektor 18 und einem Strom-Detektor 19. Mit den Detektoren 18, 19 werden bei geschlossenen Kontaktzungen 12, 13, 14 die am Messfühler 4 abfallende Messspannung U_M und der Messstrom I_M bestimmt. Die Detektoren 18, 19 erhalten von einer Auswerteeinheit 21 Synchronimpulse, um die Messspannung U_M und den Messstrom I_M zum gleichen Zeitpunkt zu erfassen. Der Zeitpunkt wird dabei so gewählt, dass er am Ende des Steuerimpulses liegt, wenn Einschwingvorgänge abgeschlossen sind. In einem den Detektoren 18, 19 nachgeschalteten Schaltkreis 20, der Teil der Auswerteeinheit 21 ist, wird der Quotient aus U_M und I_M gebildet, welcher den ohmschen Widerstand des Messfühlers 4 und damit die Temperatur des Gases angibt. Dieses Temperatur-Messsignal wird über eine Leitung 22 an die Steuerschaltung 8 weitergegeben, damit die für die Regelung auf die konstante Übertemperatur erforderliche Gastemperatur in der Steuerschaltung 8 berücksichtigt werden kann.

Fig. 2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Steuerimpulse U_s(t) der Impulsspannungsquelle 15, obere Kurve, sowie Spannungs- und Stromverlauf U(t) und I(t) am Messelement 4, mittlere und untere Kurve. Die Einschaltzeit t_e beträgt beispielhaft 50 Mikrosekunden bei einer Periodendauer t_p von 5 Millisekunden. Innerhalb der Einschaltzeit t_e steigen Spannung und Strom auf die Maximalwerte U_M und I_M an. Die Strom-Amplitude beträgt im vorliegenden Fall 20 Milliampère. Der Einfluss des Impulsbetriebes auf die Eigenerwärmung des Messfühlers 4 ist in der Fig. 3 veranschaulicht. Auf der Ordinate ist die Eigenerwärmung als Differenz T - T₀, bezogen auf eine Bezugstemperatur T₀, aufgetragen, während auf der Abszisse das Quadrat des durch den Messfühler 4 fließenden Stroms I(t) mit dem Verhältnis von Einschaltzeit t_e zu Periodendauer t_p, t_e/t_p, angegeben ist. In der Fig. 3 sind einzelne, nicht dargestellte Messpunkte zu einer Ausweichsgeraden verbunden worden. Im Idealfall stellt sich eine lineare Beziehung zwischen der Eigenerwärmung des Messfühlers 4 und dem Quadrat des Messstromes I²(t), das heißt der zugeführten Leistung, ein.

Die Auswirkungen des Strom-Impuls-Betriebs auf die Eigenerwärmung sollen anhand von zwei Zahlenbeispielen erläutert werden.

Ein Messstrom I(t) von 20 Milliampère, der ständig durch den Messfühler 4 fließt, mit t_e/t_p gleich 1, führt zu einer Eigenerwärmung von ca. 9,8 Grad Celsius; Parameter (A). Durch Takten des Messstromes mit einem Verhältnis t_e/t_p gleich 1 : 10, reduziert sich die Eigenerwärmung bei gleicher Stromamplitude auf 1,5 Grad Celsius, Parameter (B). Aus der Fig. 3 lassen sich, bei gegebener Eigenerwärmung T - T₀, geeignete Ströme I(t) und Taktverhältnisse t_e/t_p entnehmen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Fluids über den ohmschen Widerstand eines Messfühlers (4), der durch eine Stromquelle (11) mit einem Messstrom beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (11) zur Erzeugung von Messstromimpulsen ausgebildet ist, dass ein mit dem Messfühler (4) verbundener Spannungs-Detektor (18) zur Ermittlung einer am Messfühler (4) abfallenden Messspannung U_M, eine Erfassungseinrichtung (19) für den zur Spannung U_M gehörenden Messstrom I_M sowie ein Schaltkreis (20) zur Bildung des Quotienten aus der Messspannung U_M und dem Messstrom I_M vorgesehen sind, wobei der Quotient U_M/I_M den ohmschen Widerstand angibt.

2. Verfahren zur Messung der Temperatur eines Fluids über den ohmschen Widerstand eines Messfühlers (4), der durch eine Stromquelle (11) mit einem Messstrom beaufschlagt wird, gekennzeichnet durch die Schritte, den Messfühler (4) mit Messstromimpulsen zu beaufschlagen, die am Messfühler (4) abfallende, durch die Messstromimpulse erzeugte Messspannung U_M und den zugehörigen Messtrom I_M zu erfassen, den Quotienten aus Messspannung U_M und Messstrom I_M zu bilden, wobei der Quotient U_M/I_M den ohmschen Widerstand des Messfühlers (4) angibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, als Spannung das Messspannungs-Maximum U_M und als Messstrom das Messstrom- Maximum I_M zu nehmen

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, die Amplitude des Messtroms auf Werte zwischen 5 Milliampère und 20 Milliampère einzustellen.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, das Verhältnis von Impulsdauer t_e zu Periodendauer t_p des Messstroms auf Werte zwischen 1 : 10 und 1 : 100 einzustellen.