DE2050442C3 - Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen abstimmbaren fluidischen Resonanzkreis nach Art eines Ventils gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Vor allem in bezug auf die fluidische Induktivität und den fluidischen Widerstand ist mit ihm die Abstimmbarkeit gegeben, wobei eine lineare Abhängigkeit zwischen der Verstellgröße und den fluidischen Größen besteht. Dies wird durch Benutzung eines Körpers als Ventil erreicht, dessen Funktionsweise ähnlich wie bei einem elektriichen Potentiometer ist. Er besitzt einen zylindrischen Hohlraum mit einem darin beweglichen Kolben und mit Kanälen im Hohlraumgehäuse für den Anschluß an die abzustimmende fluidische Leitung. Durch eine in die Innenwandung des Hohlraummanlels eingeschnittene Nute wird die fluidische Impedanz in Abhängigkeit von der Verstellbaren Lage des Kolbens abstimmbar, Die Erfindung ist mit den Ansprüchen gekennzeichnet.

Verstellbare fluidische Widerstände (siehe z. B. die Veröffentlichung von H. J, Taf e 1 und H. Schaedel »Analogien zwischen elektrischen und fluidischen

Bauelementen und Netzwerken«, FREQUENZ 23 (1969) 3, S. 68-73, und die Veröffentlichung von R. R. Vierhout »The Response of Catheter Manometer Systems used for Direct Blood Pressure Measuremems«, Dissertation Nijmegen vom 2.5.1966, Verlag Thoben Offset Nijmegen 1966) haben bisher im wesentlichen die Form von Nadelventilen oder zusammenpressbaren Kapillaren, wobei der fluidische Widerstands- und Induktivitätswert durch Länge und Querschnitt dieser Organe und durch die Viskosität des strömenden Mediums bestimmt sind. Im allgemeinen entsprach die Impedanz-Charakteristik derartiger Ventile einer Funktion höheren Grades des Verstellweges des Verstellorgans. Bei einigen Anwendungen der Fluidik, insbesondere wenn als Meßsignale Druckschwankungen übermittelt werden sollen, kommt es aber auf eine genaue Abstimmbarkeit der fluidischen Impedanzwerte an, z. B. um die Übertragungscharakteristik in einem weiten Bereich frequenzunabhängig zu gestalten, was mit bisher bekannten Mitteln nicht möglich ist.

Die genannte Forderung ist besonders für die medizinische Diagnostik wichtig, wenn intrakardiale und intraarterielle Drucke mittels Kathetermeßleiiungen gemessen werden sollen. Dabei sind nämlich Druckschwankungen relevant, deren Bereich die Größenordnung von 1 Hz und 10 Hz überdeckt.

Die vorliegende EKindung beruhte daher auf der Aufgabe, die Übertragungscharakteristik von fluidischen Leitungen für Druckschwankungen möglichst unabhängig von der Frequenz, vor allem für den genannten Frequenzbereich, zu gestalten, um reproduzierbare Messungen und eindeutige Aussagen zu erhalten. Die bisher benutzten Dämpfungsglieder, die in « die Meßleitung eingebaut werden, reichen dazu nicht aus. Sie erwirken zwar eine Dampfung und Abflachung der auftretenden Resonanzkurven. Zur vollen Wiedergabetreue ist aber eine Feinabstimmung der Dämpfungsmittel erforderlich, um die Forderungen der ■to Meßpraxis erfüllen zu können.

Der mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gekennzeichnete fluidische Resonanzkreis löst diese Aufgabe. Es handelt sich bei dem ventilartigen Dämpfungsglied um eine passive fluidische Resonanz ^4I> Bei bekannten aktiven fluidischen Oszillatoren, z. B. gemäß den US-Patentschriften 31 24 999 und 35 04 691 und gemäß einer Veröffentlichung »Kölbchen-Ele mente« in »fluid«. März 1969. Seite 22. werden zwar teilweise gleiche Konstruktionselemente, wie z. B. in >o den fluidischen Lei'ungen verschiebbare Kolben, benutzt; diese sind aber keine I.instellvorrichtungen f'ir die Impedanz, sondern sie dienen zur Schwingungser zeugung. Bei diesen aktiven fluidischen Bauelementen wiro weder das Problem der Impedanzeinstellung und >^r> somit nicht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung angesprochen, noch wird die erfin dungsgemäße Lösung nahegelegt. Ein aktives fluidischcs Element wird auch in der deutschen Offenlegungsschrift 16 00381 beschrieben, die einen fluidischen w Impulsgenerator betrifft. Die dazu vorgesehene Steuerkammer mit einem verschiebbaren Kolben dient aber zur Festlegung der Impulsbreite der erzeugten fluidischen Impulse, also zu einer anderen Aufgabenstellung als bei der Vorliegenden Erfindung. Vorteilhafte <>> Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben,

Eine Ausführungsform des fluidischen Resonanzkreises gemäß der Erfindung wird anhand der Figur näher

beschrieben. Sie stellt einen axialen schematischen Querschnitt durch den ventilartigen Körper dar (hydraulisches Potentiometer), der das für die Erfindung wesentliche Konstruktionselement darstellt.

In einem zylindrischen Körper I aus festem, formbeständigen Material, z. B. aus Metall, ist ein zylindrischer Hohlraum 7 eingearbeitet, der wie bei einer Kolbenspritze oder wie bei einem Kolbenventil einen Kolben 3 aufnimmt Auf der einen Stirnseite Xb des Hohlraums steht dieser Kolben über einen Schaft 6 mit dem Bedienungseride 4a in Verbindung. Vorzugsweise kann am Bedienungsende ein Mikrometer 4 vorgesehen sein, um die axiale Kolbenstellung im Hohlraum 7 fein einstellen zu können. Der Hohlraum 7 ist über zwei Kanäle 8 und 9 in seinem Gehäuse 1, von welchen ein Kanal 8 zweckmäßig etwa au f halber Länge des Hohlraums 7 einmündet, in den anzustimmenden Strömungskreis, der zur Übertragung hydraulischer Signale diesen soll, eingeschaltet In der gezeigten Endstellung des Kolberts 3 soll der Hohlraumteil 76 die volle Verbindung zwischen den beiden Kanalmündungen freigeben. Der andere Kanal 9 kann in der dem Koibenschafi abgewandten Stirnseite Xa des Hr.hlraumes 7 einmünden oder im Mantelteil Ic, der dieser Stirnseite benachbart ist.

LJm nun eine Einstellung des Strömungswiderslandes und damit eine Justierbarkeit der fluidischen Induktivität und des fluidischen Widerstandes zu ermöglichen, stehen die Mündungen der beiden Kanäle 8 und 9 in den Hohlraum 7 noch über eine in die Innenseite des Mantelteils Xc des Gehäuses eingeschnittene, zum Hohlraum hin offene nutenförmige Vertiefung 2 in Verbindung. Zweckmäßig erstreckt sich diese Verbindungsnute 2 wendelförmig von der einen Kanaleinmündung 8 zur anderen Kanaleinmundung 9 bzw. bis zu der diesem Kanal benachbarten Stirnseite Xa. Bei der gezeigten Ausführungsform, bei welcher der zweite Kanal 9 stirnseitig, und zwar in der Stirnwandung 1 a des Gehäuses in den Hohlraum 7 einmündet, muß sich demnach diese Verbinclungsnute von der Einmündung des Kanals 8 ¹Ms zur Innenseite der !Stirnwand Xa erstrecken. Wird dann der Kolben von seiner gezeigten Ausgangslage axial verschoben, so deckt er allmählich einen größer werdenden Teil der Verbindungsnute 2 ab. und diese bildet dann die fluidische Impedanz mit veränderbarem Induktivitäts- und Widers.tandswert. In dieser Endlage des Kolbens 3 wird bei der gezeigten Ausführung die Verbindungsleitung ganz gesperrt, was einer Abschaltung oder Ausschaltung gleichkommt.

Bekanntlich ist der fluidische Widerstand proportional der Länge eines Sirömungskanals und umgekehrt proportional dem Quadrat seines Querschnittes, außerdem proportional der kinematischen 2'ahigkcit des Mediums. Die fluidische Induktivität isi proportional der Kanallänge und umgekehrt proporlional dem Querschnitt des Kanals. Schließlich ist die fluidische Kapazität proporlional dem Volumen der Leitung und umgekehrt proportional der Schallgeschwindigkeit im Medium. Mit der allmählichen Abdeckung der Verbindungsnute 2 durch die Kolbenverschiebung wird somit die Länge dieses fluidischen Widerstandes verändert, während der Querschnitt unverändert bleibt. Für den lluidischen Induktivitäts- und Widerstandswert ergibt sich somit eine lineare Abhängigkeit von der Kolbenstellung. Dagegen würde bei der bis jetzt beschriebenen Ausführungsform allmählich auch das Volumen reduziert bzw. verändert, was wegen der weitgehenden Inkompressibilität der benutzten Fluidik-Medien meistens untragbar ist, es sei denn, die Verbindungsleitungen in Form von Schläuchen oder Kathetern sind aus dehnbarem Material, was jedoch die Störung der anderen Widerstandswerte mit sich bringen würde. Deshalb sind im allgemeinen Ausgleichsvolumina über Nebenflüsse oder Abflüsse vorgesehen, z. B. bei Kathetern, Behälter für Infusionsflüssigkeiten, die über Kapillaren in die Meßleitung einmünden.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist nun dieses Ausgleichsvolumen unmittelbar in das hydraulische Potentiometer eingebaut, so ergibt sich eine vorteilhafte Möglichkeit zur Gewinnung eines Aus^ichsvolumens genau in derselben Größe wie Flu*5igkeitsnenge verdrängt wird. Diese weiterentwickelte Ausführung kennzeichnet sich durch einen Verbindungskanal 3a im

2'> Kolben, der die beiden durch den Kolben getrenr.ien Teile 7a und Tb des Hohlraums 7 verbindet, so daß die beim Verschieben des Kolbens auf der Seite Tb verdrängte Flüssigkeit in den größer werdenden Teihaum 7a überfließen kann, vorausgesetzt daß der

Ju Strömungskanal 3a keinen zu geringen Querschnitt hat und keinen im Vergleich zur Verstellgeschwindigkeit zu hohen Strömungswiderstand bildet. In einem Ersatzschaltbild für diesen fluidischen Resonanzkreis müßte der Strömungswiderstand und die Induktivität, die

^ durch diese Ausbildung des hydraulischen Potentiometers gebildet und veränderlich sind. Serienglieder darstellen, während die Kapazität dieser Ausbildung einer Querkapazität entspräche, die unveränderlich ist. Serienkapazitäten sind im allgemeinen fluidisch nicht darstellbar.

Die Verbindungsnute 2 kann selbstverständlich auch achsenarallel verlaufen, dies würde jedoch nur eine grobe Einstellmöglichkeit schaffen. Bei der gezeigten wendeiförmigen Ausbildung ist eine feinere Abstim-

Ίί mung möglich, wenn — wie vorgesehen - ein Mikrometer 4 zum Justieren der Kolbenstellung angebracht ist.

Die kolbenseitige Stirnseite des Hohlraums 7 bzw. 7a ist mittels einer Scheibe Xbund einer Überwurfmutter 5

■)» verschlossen, die eine /entrische Öffnung für den Durchtritt des Kolbenschaftes 6 und seiner Führungsteile besitzen.

Das beschriebene hydraulische Potentiometer kommt in vorteilhafter Weise der Forderung nach einem linear

'>' absiimmuaren fluidischen Resonanzkreis entgegen, und es hat sich besonders in der Anwendung bei intrakardialen oder inlravaskulären Druckmessungen mittels Katheter bewährt, um eine frequenzunabhängige Übertragungscharakteristik zu erreichen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis nach Art eines Ventils mit einem in die abzustimmende fluidische Leitung über Anschlußkanäle eingefügten Körper aus formbeständigem, festen Material, in dem ein zylindrischer Hohlraum mit einem darin sitzenden, von außen zwecks Einstellung des Impedanzwertes für die Strömung verschiebbarer Kolben eingearbeitet ist, der über die das Gehäuse des Hohlraumes durchdringenden Kanäle mit der fluidischen Leitung in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanal (8) mantelseitig etwa auf halber Länge des Hohlraumes (7) mündet und von seiner inneren Mündung aus eine in die mantelseitige Innenwandung des Hohlraumes (7) eingeschnittene, nutenförmige Vertiefung (2) ausgeht, die sich bis zur Mündung des zweiten Anschlußkanals (9). wenigstens aber bis zu der diesem Kanal benachbarten Stirnwandung (la) des Hohlraumes<7>erstreckt.
2. 2. Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlußkanal (9) auf der dem Kolbenschaft gegenüberliegenden Stirnseite (la) in den Hohlraum (7) mündet.
3. 3. Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) etwa halb so lang wie der Hohlraum (7) ist.
4. 4. Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis nach einem der Ansprüche 1 bis i, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) c ncn du .'hgehenden Kanal (3a) zur Verbindung der durch ihn getrennten Hohlraumteile (7a) und {70,1 besitz.
5. j. Abstimmbarer fluidischer Resonanzkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenlage mittels eines au' den Kolbenschaft (6) wirkenden Mikrometers (4) justierbar ist.
6. 6. Abstimmbarcr fluidischer Resonanzkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nutenförmige Vertiefung (2) an der Innenwandung des Hohlraumes (7) Wendelform hat.