DE2206624A1

DE2206624A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung

Info

Publication number: DE2206624A1
Application number: DE19722206624
Authority: DE
Inventors: Huntley Drummond Houston Tex. Millar (V.StA.)
Original assignee: Millar Instruments Inc
Current assignee: Millar Instruments Inc
Priority date: 1971-02-11
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1972-08-24
Also published as: DE2206624C3; DE2206624B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine als Meßumformer ausgebildete Vorrichtung zur Messung des Druckes eines fließfähigen Mediums, und insbesondere einen Miniaturmeßumformer zur Durchführung physiologischer Messungen, wie z .B. Blutdruckmessungen.
Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar bei der-Durchführung von physiologischen Druckmessungen, und die Erfindung wird unter besonderer Bezugnahme auf dieses Anwendungsgebiet beschrieben. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß es zahlreiche andere Anwendungsgebiete gibt, in denen das Grundprinzip der Erfindung verwendet werden kann.
Bei den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren zur Messung von Flüssigkeits- oder Gas drücken wird eine Membran verwendet, um den als Kraft pro Flächeneinheit auftretenden Druck des Mediums in eine Kraft umzusetzen, die man direkt auf ein Fühlelement einwirken läßt. In der Regel. umfaßt die Menbrananordnung einen Kolben, der durch ein flexibles Element mit einem Gehäuse verbunden ist. Das auf den Kolben wirkende Druckmittel bewirkt eine Bewegung des Kolbens, die durch eine Verbindungsstange auf ein Pühlelement, wie z.B.
einen Dehnungsmeßstreifen oder eine andere Meßvorrichtung, übertragen wird.
Ein Beispiel für eine weiterentwickelte Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in der USA-Patentschrift 3 490 441 beschrieben. Es handelt sich dabei um einen in den Körper einsetzbaren Blutdruckmeßumformer unter Verwendung von Dehnungsmeßstreifen, die auf einem sich biegenden Stab aufgebracht sind, um die Bewegung einer Metallhülse zu erfühlen.
Der Blutdruck wirkt direkt auf die Metallhülse, die ihrerseits eine Kraft auf den Biegestab überträgt. Die auf den Biege stab aufgebrachten Dehnungsstreifen erfühlen die Verformung des Biege stabes und ergeben eine Ablesung proportional zum Blutdruck.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß in einem derartigen Meßumformer eine Membran oder eine äußere Umhüllung zum abhalten des Mediums nicht erforderlich ist.
Ein flexibles Element, wie z.B. ein einseitig eingespannter Balken, Stab oder Hebel kann direkt dem unter Druck stehenden Medium ausgesetzt werden, um eine Biegung des Elements zu erzeugen; hierdurch kann der Meßausschlag bzw. das Ausgangssignal gegenüber bisher bekannten Blutdruckmeßumformern mindestens um das Zehnfache gesteigert werden.
Durch diese Feststellung wird es möglich, durch die Energie des zu messenden Flüssigkeits- oder Gasdruckes direkt einen einen Dehnungsmeßstreifen tragenden flexiblen Balken oder Stab durchzubiegen, anstatt eine verhältnismäßig steife Flüssigkeitssperre zu bewegen, die ihrerseits ein flexibles Element biegen muß. Da zur Verformung eines flexiblen Elementes nur eine sehr geringe Kraft nötig ist, kann der Hauptteil der Energie des Flüssigkeitsdruckes dazu dienen, die Meßfühler, wie Dehnungsmeßstreifen od. dgl., zu betätigen.
Die Erfindung kann in verschiedenen Formen verkörpert werden, insbesondere in Form eines in den Körper einsetzbaren Meßumformers, der in einer Sonde oder Katheterspitze untergebracht ist, um intraarterielle und intravenöse Blutdruckmessungen durchzuführen bzw. fortlaufende Blutdruckaufzeichnungen zu erhalten. Der Druckumformer und die Katheterspitze können klein genug konstruiert werden, so daß sie durch die menschliche oder tierische Haut in eine Arterie eingeführt und durch die Arterie direkt ins Herz geleitet werden können. Ein derartiger Meßumformer ist insbesondere geeignet für Blutdruckmessungen während chirurgischer Eingriffe im kardiovaskulären Bereich.
Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druckmeßumformer verwendet werden zur Messung von Differenzdrücken von zwei Druckmitteln und zur Messung des Druckes eines durch eine Leitung oder ein Rohr strömenden Mediums.
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendeten Biegestabes; Fig. 2 ist ein Längsschnitt längs der Linie 2-2 von Fig. 1; Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines in einer Katheterspitze untergebrachten Druckmeßumformers; Fig. 4 ist ein Längsschnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3; Fig. 5 ist ein Querschnitt längs der Linie 5-5 von Fig. 3; Fig. 6 zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 4 die Vorrichtung mit durch den anliegenden Druck durchgebogenem Meßstab; Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brückenschaltung für eine elektrische Meßanzeige von dem an dem Biegestab befestigten Dehnungsmeßinstrument; Fig. 8 zeigt im Querschnitt eine als Differensdruckmeßumformer ausgebildete Ausftihrungsform der Erfindung; Fig. 9 zeigt einen Schnitt längs der Linie 9-9 von Fig. 8; Fig. 10 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer zur Druckmessung an einer von der Druckquelle entfernten Stelle verwendet wird; Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Messung des Druckes eines in einer Leitung strömenden Mediums; Fig. 12 ist ein Querschnitt längs der Linie 12-12 von Fig. ii; Fig. 13 zeigt in Seitenansicht eine geänderte Konstruktion des Biegestabes mit doppelten Dehnungsmeßelementen.
In Fig. 3 - 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die eine in den Körper einführbare Katheterspitze mit Meßumformer darstellt. Selbstverständlich ist der tatsächliche Meßumformer in den Zeichnungen in stark vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Katheterspitze mit Meßumformer umfaßt ein allgemein rohrförmiges Element 15, welches als starre Sonde dient und an welches ein flexibles Kabel 18 angeschlossen ist. Das rohrförmige Element 15 besitzt eine abgeflachte Seite 20, in welcher ein Abschnitt der Wand, der die Spitze 22 umgibt, weggelassen ist. Auf der abgeflachten Seite 20 ist ein langgestrecktes, flexibles Element 22 angeordnet, welches an einem Ende 22a an dem rohrförmigen Element 15 befestigt ist. Das andere Ende 22b des Elementes 22 kann sich beim Anliegen eines Flüssigkeitsdruckes frei biegen. Ein elastisches Material 26, wie z.B. Silikonkautschuk, umgibt den Zwischenraum zwischen den Wänden des rohrförmigen Elementes 15 und dem Element 22 zur Schaffung einer abdichtenden Trennwand gegen die Plüssigkeit und einer gegen die Flüssigkeit abgedichteten rammer 28 innerhalb der Katheterspitze. Die Kammer 28 in der Xatheterspitze steht in Verbindung mit dem umgebenden Atmosphärendruck durch die innerhalb des flexiblen Kabels 18 vorgesehene Verbindungsleitung.
Somit stellt der Atmosphärendruck den Referenzdruck dar, mit dem der Druck des auf die Außenseite des Elements 22 wirkenden Mediums verglichen wird.
Wie am deutlichsten in Fig. 6 gezeigt, bewirkt das Einwirken des Drucks in Richtung der dargestellten Pfeile eine Biegung des Elements 22. Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Element 22 eine Querrille 33 auf, über die sich ein Dehnungsmeßstreifen 34 erstreckt. Da das Element 22 mit dem einen Ende 22a eingespannt ist und am anderen Ende 22b keine feste Abstützung hat, wirkt es als Krag- oder Biegebalken und verhält sich nach den Gesetzen der elastischen Biegung. Eine Biegung des Elements 22 ergibt eine Verformung längs seiner Längsachse. Diese Verformung wird im Bereich der Querrille 33 verstärkt. Eine Einwärtsbewegung des Hebelarms zwischen dem eingespannten Ende 22a und der Rille 33 bewirkt eine Kompression des Dehnungsmeßelements 34. Der Dehnungsmeßstreifen 34 ist durch Elektroden mit Drähten verbunden, die innerhalb des flexiblen Kabels 18 zu einer geeigneten Meßschaltung geführt sind, mit der die Impedanz des Dehnungsmeßstreifens 34 gemessen, überwacht, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden kann.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine vergrößerte Darstellung einer speziellen Ausführungsform des Biegeelementes in Form eines beschichteten Stabes oder Streifens 40. Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Meßumformer kann von ähnlicher Art sein wie der unter dem Handelsnamen PIXIE von der Firma Endevco Laboratories, Mountain View, Kalifornien/USA, vertriebene Meßumformer.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Balken oder Stab umfaßt ein Dehnungsmeßelement 34 und ein Temperaturkompensationselement 36. Der Stab 40 kann aus keramischem Material, wie z.B. Aluminiumoxyd, bestehen, welches an seiner oberen und unteren Fläche mit je einem Überzug 42, 44 aus Edelmetall versehen ist. Das Dehnungsmeßelement 34 umfaßt ein Paar von Endblöcken 34a und 34b, die durch eine Brücke 34c von verringertem Querschnitt verbunden sind. Jeder der Endblöcke 34a und 34b ist z.B. durch Ankitten oder Anlöten an dem Stab 40 befestigt. Wenn der Stab 40 zwecks Biegung belastet ist, verändert sich die Breitenabmessung der Rille 33 unterhalb der Brücke 34c. Kompression bzw. Dehnung des Dehnungsmeßelementes 34 verursachen Änderungen seiner Impedanz, die durch die äußere Meßschaltung erfaßt werden. Eine Elektrode ist gebildet durch den Anschluß eines Drahtes 46 an der leitenden Oberfläche 42, wodurch ein elektrischer Anschluß zu dem Endblock 34b auf der einen Seite des Dehnungsmeßelementes 34 geschaffen ist. Eine gemeinsame Elektrode wird geschaffen durch den Draht 48, der z.B. durch Löten oder Schweißen an der leitfähigen Oberfläche zwischen dem Endblock 34a und dem Endblock 36a des Temperaturkompensationselementes verbunden ist. Die von dem Endblock 36b gebildete andere Seite des Temperaturkompensationselementes ist durch die obere Beschichtung und ein die beiden Schichten überbrückendes leitfähiges Material 49 am Ende des Stabes mit der unteren leitfähigen Oberfläche 44 verbunden. Ein Elektrodendraht 50 ist z.B. durch Löten oder Schweißen mit der unteren leitfähigen Schicht 44 verbunden und schafft dadurch den elektrischen Anschluß zum Endblock 36b.
Selbstverständlich können auch andere Mittel verwendet werden, um die Verformung des Elements 22 zu messen. Beispielsweise können Dehnungsmeßelemente in Form von dünnen Metalldrähten auf einer Oberfläche des Elementes 22 aufgebracht werden.
Der Widerstand des Dehnungsmeßelementes 34 kann mit jeder geeigneten Meß- oder Überwachungsschaltung gemessen werden; ein Beispiel einer solchen Schaltung ist in Fig. 7 in Form einer Wheatstoneschen Brückenschaltung dargestellt. Die Widerstände 34' und 56' stellen die Widerstände des Dehnungsmeßelementes 34 und des Temperaturkompensationselementes 36 dar. Die Widerstände 54 und 55 sind so eingestellt, daß die Brücke temperaturkompensiert ist, und die Widerstände 50 und 51 sind so gewählt, daß die Brücke ausgeglichen ist. Eine Einrichtung zur elektrischen Erregung, z.B. in Form einer Gleichspannungsquelle 56, liegt an der Brücke an. Eine Meßeinrichtung, wie z.B. ein Meßinstrument 58, liegt quer über dem anderen Arm der Brücke. Wenn das Element 22 belastungsfrei ist, ist die Wheatstonesche Brücke ausgeglichen und der elektrische Strom durch das Meßinstrument 58 ist Null, Wenn an dem Element 22 eine Belastung durch Einwirken eines Flüssigkeitsdruckes anliegt, wird eine Widerstandsänderung des Dehnungsmeßelementes 34 verursacht, die ihrerseits eine Veränderung des Widerstandes 34t und damit das Fließen eines elektrischen Stromes durch das Meßgerät 58 verursacht. Der Stromfluß durch das Meßinstrument 58 ist direkt proportional zu dem die Biegung des Elements 22 bewirkenden Flüssigkeitsdruck.
Die dargestellte Wheatstonesche Brückenschaltung ist eine Gleichstrombrücke; selbstverständlich ist es möglich und häufig auch vorteilhaft, statt dessen eine Erregung mit Wechselstrom vorzusehen. Ferner kann eine Ablesung in Form einer direkt sichtbaren Wellenform erfolgen, indem man das Meßinstrument 58 im Nullzweig der Brücke durch ein Oszilloskop ersetzt. Ferner kann eine Aufzeichnung erfolgen, indem man die Arme der Wheatstoneschen Brückenschaltung an den Eingang eines Schreibgerätes anschließt und die Aufzeichnung als Funktion der Zeit vornimmt.
Für die Einzelheiten der mechanischen Konstruktion der in Fig. 3 bis 6 gezeigten Katheterspitze gilt folgendes. Das rohrförmige Gehäuse kann aus jedem ausreichend steifen Material wie z.B. Metall bestehen, wobei jedoch für medizinische Zwecke vorzugsweise rostfreier Stahl gewählt wird. Bei der Herstellung der Katheterspitze wird das rohrförmige Element 15 zuerst einem Bearbeitungsschritt unterworfen, bei dem im Bereich 20 der Teil der Wandung, der oberhalb der Mittelachse des Rohres längs einer parallel zur Mittelachse verlaufenden Schnittebene liegt, entfernt wird. Das Biegeelement 22 wird in die Öffnung des Trennwandbereiches eingesetzt und an dem rohrförmigen Element 15 durch einen Kitt 60, wie z.B. Epoxyharz, befestigt. Der umgebende Bereich wird mit einem elastischen Material 26, wie z.B. Silikonkautschuk, ausgefüllt. Somit ist das Element 22 frei, um sich unter Belastung, z.B.
durch Anliegen eines äußeren Flüssigkeitsdruckes, durchzubiegen. Das elastische Material 26 dehnt sich, ohne die Biegung des länglichen Elementes 22 unter Belastung wesentlich zu behindern.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Ende der Katheterspitze mit Epoxyharz 62 abgedichtet, und ein Stab 64 ist quer über das Ende des rohrförmigen Elementes 15 verlaufend angeordnet und durch Verklebung mit dem Epoxyharz 62 festgehalten.
Das flexible Kabel 18 ist in den Schaft des rohrförmigen Elementes 15 eingeführt und durch Epoxymaterial 66 verankert, welches das Kabel 18 konzentrisch umgibt und in Kontakt mit dem Ende des rohrförmigen Elementes 15 steht.
Der als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer entsprechend Fig. 3 bis 6 kann so konstruiert werden, daß er eine beträchtlich größere Ausgangsspannung liefert als jeder andere derzeit auf dem Markt erhältliche Meßumformer. Bei einer tatsächlich hergestellten Äusführungsform lag die getestete Empfindlichkeit in der Größenordnung von 1 Millivolt pro cm Quecksilbersäule pro Volt angelegter Brückenspannung. Die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik mit Draht-Dehnungsmeßelementen haben ein Ausgangssignal von nur 50 Mikrovolt pro cm Quecksilbersäule pro Volt angelegter Brückenspannung.
Wegen des höheren Ausgangsßignals des als Katheterspitze ausgebildeten Meßumformers nach der Erfindung ist normalerweise eine Abschirmung nicht erforderlich, und man benötigt eine wesentlich geringere elektronische Verstärkung vor der Weiterverarbeitung der Signale. Deshalb kann der erfindungsgemäße, als Katheterspitze ausgebildete Umformer mit extrem flexiblen, unabgeschirmten Kabelzuführungen versehen werden, ohne daß hierdurch unzulässige elektrische Beeinflussungen des Ausgangssignals auftreten. Mit einem Wort, das Signalzu Rauschverhältnis eines Meßumformers für physiologische Verwendung wird durch Anwendung der Erfindung wesentlich verbessert.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung hat vom praktischen Standpunkt her zahlreiche Vorteile. Ein Meßumformer von derartiger Konstruktion ist relativ leicht herzustellen und kann wegen der Möglichkeit, bereits vormontierte Silikon-Dehnungsmeßstreifen zu verwenden, nach bereits voll entwickelten Massenherstellungsmethoden und mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Bei den meisten bekannten Meßumformern müssen zur Miniaturisierung die Silikon-Dehnungsmeßelemente an auslenkbaren Membranen befestigt werden. Da durch die vorliegende Erfindung die Verwendung von Membranen vermieden wird, wird auch die Befestigung der Silikonelemente an der Membran und der damit verbundene Arbeits- und Kostenaufwand ausgeschaltet.
Der vorstehend anhand der Fig. 3 bis 6 beschriebene, als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer ist außer für intraarterielle und intravenöse Messungen auch für zahlreiche andere Anwendungen geeignet. Er kann beispielsweise gemäß Fig. 10 in ein gesondertes Meßgehäuse eingeführt werden.
Dargestellt ist ein als Katheterspitze ausgebildetes Umformerelement 80 innerhalb eines Druckgefäßes 82, welches eine Druckkammer bildet. Die Druckkammer 84 steht in Verbindung mit einem unter Druck stehenden Medium, das durch eine Leitung 86 Zugang hat. Das Druckgehäuse 82 hat ein Außengewinde, auf welches eine Kappe 88 paßt. Ein Dichtungsring 90 ist innerhalb der Kappe 88 im Anschluß an das Ende des Druckgefäßes 82 angeordnet. Durch Festziehen der Kappe 88 auf dem Gewinde wird der Dichtungsring 90 gegen die Seitenflächen der Katheterspitze 80 gepreßt und erzeugt eine Druckabdichtung innerhalb der Druckkammer 84. Das Rohr oder der Schlauch 86 kann verbunden werden mit einer Quelle für eine zu messende, unter Druck stehende Flüssigkeit, wie z.B. Blut, und der Flüssigkeitsdruck wirkt auf das Biegebalkenelement innerhalb der Katheterspitze 80. Somit kann, wie in Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben, der als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer gemäß der Erfindung ;weite Anwendungsmöglichkeiten nicht nur für MeBsungen direkt an der Druckquelle, sondern auch für Messungen eines Flüssigkeits- oder Gasdruckes entfernt von der druckerzeugenden Stelle aufweisen, und zwar durch Verwendung einer Ylüssigkeitssäule, die die Druckschwankungen zu einer Druckkammer überträgt.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere Arten von Gehäusen zum haltern des flexiblen Elementes, auf welches der Ylüssigkeits- oder Gasdruck einwirkt, vorgesehen sein. Allgemein kann jede Art eines Gehäuses verwendet werden, vorausgesetzt, daß es eine Öffnung definiert, in der das flexible Element angeordnet ist. Das Gehäuse muß Einrichtungen zum messen der Deformation des Elementes unter Belastung sowie mindestens ein Paar von Elektroden, die mit den Meßeinrichtungen elektrisch verbunden sind, aufweisen.
Ein elastisches Material bewirkt die Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Gehäuse und dem länglichen Element zur Bildung einer Trennwand. Das Gehäuse muß anschließbar sein an eine Quelle für unter Referenzdruck stehendes Medium, welches auf der einen Seite der Trennwand gegen das längliche Element einwirkt, und an eine Quelle für das unter dem Meßdruck stehende Medium, welches auf der anderen Seite der Trennwand gegen das Biegeelement wirkt.
In Fig. 11 und 12 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Leitung mit Druckmeßumformer zum messen des Druckes eines fließfähigen Mediums, welches durch ein Rohr oder eine Leitung 90 strömt. In der Wand des Rohres 90 ist ein Fenster ausgeschnitten, in welches ein langgestrecktes Element 22 eingesetzt ist, welches von gleicher Konstruktion wie oben beschrieben ist. Das Element 22 ist an einem Ende an dem Rohr 90 mittels Epoxyharz 92 befestigt. Das andere Ende des Elementes 22 ist frei, um sich entsprechend dem anliegenden Druck durchzubiegen. Ein elastisches Material 94 umgibt das Element 22 in dem Fenster und bewirkt eine Abdichtung und eine Trennwand für den Druck. In Abhängigkeit von Schwankungen des Druckes des Mediums innerhalb des Rohres 90 biegt sich das Element 22, so daß Verformungen des Dehnungsmeßelementes 34 und damit Änderungen seiner elektrischen Charakteristik auftreten, die, wie oben beschrieben, gemessen werden können.
Das Dichtungsmaterial 94 kann Silikonkautschuk sein, wie oben in Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen beschrieben. Die Leitung 90 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Für spezielle Anwendungen kann die Wheatstonesche Brückenschaltung direkt an dem Rohr 90 angeordnet und befestigt sein, wobei sie von einem Schutzrohr oder einer Abdeckung umgeben und geschützt sein kann.
In Fig. 8 und 9 ist ein Differenzdruck-Meßumformer gemäß der Erfindung dargestellt. Ein Druckgehäuse 100 ist in zwei Hälften 100a und 100b geteilt, die durch Schrauben 102, die durch einen umlaufenden Flansch 104 gesteckt sind, zusammengehalten werden. Das Druckgehäuse 100 ist in zwei Kammern unterteilt, die durch eine Drucktrennwand getrennt sind, die aus einer zwischen den Scheiben 104 eingespannten Scheibe 110 besteht. In einem ausgeschnittenen Fenster in der Scheibe 110 ist ein Biegeelement angeordnet, das in seiner Konstruktion den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen entspricht.
Das Biegeelement ist an einem Ende durch geeignete Mittel wie z.B. Epoxykitt 112 befestigt und an seinem anderen Ende frei, um sich zu biegen. Ein elastisches Material wie z.B.
Silikonkautschuk 114 bildet eine Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Biegeelement und der Scheibe 110. Das Biegeelement trägt Dehnungsmeßelemente 34 und ein Temperaturkompensationselement 36, ähnlich wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Eine Biegung des Biegeelementes führt zu Druck oder Zug in dem Dehnungsmeßelement 34, die durch entsprechende Änderungen der elektrischen Eigenschaften gemessen werden können. Die obere Druckkammer wird mit einem Stutzen 116 mit einer ersten Quelle für Flüssigkeits- oder Gasdruck verbunden, während die untere Druckkammer durch einen Stutzen 118 mit einer zweiten Quelle für Flüssigkeits-oder Gasdruck verbunden wird. Der resultierende Differenzdruck zwischen den beiden angelegten Drücken bewirkt eine Biegung des Biegeelementes in Richtung auf die eine oder andere Druckkammer. Die entsprechende Änderung der elektrischen Eigenschaften des Dehnungsmeßelementes 54 ergibt eine direkte Messung der Druckdifferenz.
In Fig. 13 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Biegeelementes dargestellt, wobei doppelte Dehnungsmeßfühler als aktive Elemente verwendet werden. Mit 120 ist der Balken bezeichnet, der in gleicher Weise montiert werden kann, wie bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben. Der Balken 120 ist an seiner oberen und unteren Fläche mit einem Überzug 122 und 124 aus leitfähigem Material versehen. Leitfähiges Material 125 ist am Ende des Balkens 120 angebracht, um eine Leitungsbrücke zwischen der oberen und unteren Beschichtung 122 und 124 zu bilden.
Ein erstes druck- oder zugspannungsempfindliches Element 128 ist an der unteren Fläche des Balkens 120 befestigt und überbrückt eine Quernut 134 in dem Balken. An der oberen Fläche des Balkens 120 ist ein zweites spannungsempfindliches Element 126 befestigt. Das Element 126 ist gegenüber dem Element 128 und auf der Rückseite der Nut 134 befestigt. Jedes der Elemente 126 und 128 hat somit die gleiche Hebelarmlänge zur Spitze des Balkens 120. Wenn der Balken 120 durch Anlegen von Druck unter Belastung gesetzt wird, wird das eine der Elemente 126 und 128 unter Zug und das andere unter Druck gesetzt.
Der kombinierte Effekt der Elemente 126 und 128 kann dazu dienen, die effektive Empfindlichkeit des Druckmeßumformers zu verdoppeln. Der Abgriff am Element 126 erfolgt durch einen Draht 133, der an einer Elektrodenstelle mit der oberen leitfähigen Beschichtung 122 verbunden ist, und einen Draht 130, der an einer Elektrodenstelle mit der unteren leitfähigen Beschichtung 124 verbunden ist. Der Abgriff vom Element 128 erfolgt durch einen Draht 132, der an einer Elektrodenstelle mit der unteren leitfähigen Beschichtung 124 auf einer Seite der Nut verbunden ist. Der Draht 130 dient als gemeinsame Elektrode für beide Elemente. Eine Unterbrechung 136 ist in der oberen gleitfähigen Beschichtung 122 vorgesehen, damit sich Änderungen der Impedanz des Elements 126 über den Gelenkpunkt der Nut 134 ausbilden können.
Die Elemente 126 und 128 können in bezüglich Druck und Zug entgegengesetzter Anordnung in jede geeignete Meßschaltung geschaltet werden. Beispielsweise können sie in eine Wheatstonesche Brückenschaltung gemäß Fig. 7 einbezogen werden in der gleichen Weise, wie die bei Fig. 3 bis 6 beschriebenen Elemente 34 und 36. Jedes der Elemente 126 und 128 bewirkt die Temperaturkompensierung des jeweils anderen Elementes.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wird die Deformierung eines flexiblen Elementes durch ein daran befestigtes, gesondertes Element gemessen.
Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, ein flexibles Element z.B. in Form eines Biegebalkens zu verwenden, welches aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist. Die Biegung eines derartigen Elementes erzeugt ein elektrisches Potential, welches in einer geeigneten Schaltung gemessen werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Zahlreiche Änderungen und Ausgestaltungen sind möglich und fallen in den Rahmen der Erfindung.

Claims

Patent ansprüche

Verfahren zum messen des Druckes eines fließfähigen Mediums, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man das zu messende Druckmedium gegen die Oberfläche eines länglichen Elementes einwirken läßt und dadurch eine Biegung des Elementes verursacht, und daß man die Längsverformung des Elementes unter Biegung mißt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das längliche Element ein einseitig eingespannter Biegebalken od. dgl. ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß man die Änderung der elektrischen Impedanz eines mit dem Biegeelement verbundenen Meßelementes mißt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß man die Änderung der elektrischen Impedanz als Funktion der Zeit überwacht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß man die Änderung der elektrischen Impedanz als Funktion der Zeit aufzeichnet.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß man die Zug- oder Druckspannung längs des unter Biegung stehenden Elementes mißt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß man ein mit der Deformierung des Biegeelementes verknüpftes elektrisches Signal erzeugt.
8. Druckmeßumformer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g e k e n n z e i c h -n e t durch ein eine Öffnung umschließendes Gehäuse, einem in der Öffnung des Gehäuses angeordneten langgestreckten Element (22), das durch anliegenden Druck eines fließfähigen Mediums biegbar ist, Mittel (34) zum messen der Durchbiegung des Elementes (22), die mit einem Paar von Elektroden (46,50) ~elektrisch verbunden sind, und eine Trennwand (26) aus elastischem Material zur Abdichtung des Zwischenraums zwischen dem Gehäuse und dem langgestreckten Element (22), wobei das Gehäuse (15) einerseits an eine Quelle für unter einem Referenzdruck stehendes, auf der einen Seite der Trennwand gegen das Element (22) wirkendes fließfähiges Medium und andererseits an eine Quelle für das zu messende fließfähige Medium, das auf der anderen Seite der Trennwand gegen das Element (22) wirkt, anschließbar ist.
9. Druckmeßumformer nach Anspruch 8, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Ende des Elements (22) starr an dem Gehäuse (15) befestigt und das andere Ende des Elements (22) in Abhängigkeit von dem anliegenden Druck frei abbiegbar ist.
10. Druckmeßumformer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Element (22) die Form eines rechteckigen Stabes oder Streifens hat, der als einseitig eingespannter Balken befestigt ist.
11. Druckmeßumformer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Element (22) eine Quernut (33) ausgebildet ist und daß die Mittel zum messen der Deformation aus einem zug- oder druckspsnnungsempfind lichen Element (34) bestehen, welches an dem Element (22), die Nut überbrückend, befestigt ist.
12. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel zur Messung der Deformierung des Elements (22) aus einem ersten, auf einer der Hauptflächen des Elements (22) befestigten Element (126) und aus einem diesem gegenüber auf der anderen Hauptfläche des Elements (22) befestigten Meßelement (128) bestehen.
Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, g e k e n n z e i c h n e t durch ein an dem Element (22) befestigtes Temperaturkompensationselement (36).
14. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 8 bis 13, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Katheterspitze mit rohrförmiger Wand mit einem Spitzenteil und einem Schaftteil, wobei ein Teil des Wandquerschnittes entfernt ist und das Element (22) in der Katheterspitze unterhalb des entfernten Querschnittsteiles angeordnet und in Abhängigkeit von dem anliegenden Mediumdruck frei biegbar ist, Einrichtungen (34) in der Katheterspitze zum messen der Deformation des Elements (22), eine Abdichtung (26) aus elastischem Material in dem Zwischenraum zwischen der Katheterspitze und dem Element (22) zur Bildung einer abgedichteten Kammer (28) in der Katheterspitze, wobei ein am Schaftteil der Katheterspitze befestigtes flexibles Kabel (18) einen Luftzutritt von einer Referenzdruckquelle zu der abgedichteten Kammer (28) bildet, und ein Paar von Leitern (46, 48) in dem flexiblen Kabel (18), die elektrisch gegeneinander isoliert und in elektrischer Verbindung mit der Einrichtung (34) zum messen der Deformation des Elements (22) sind.
15. Druckmeßumformer nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Ende des Elements (22) starr an dem Schaftteil der Katheterspitze befestigt und das andere Ende frei bewegbar ist, um sich in Abhängigkeit von dem anliegenden Mediumdruck zu biegen.
16. Druckmeßumformer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Element (22) die Form eines rechteckigen Stabes bzw. Streifens hat.
17. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gek e n n z e i c h n e t , daß das Element (22) eine Quernut (33) aufweist und daß die Einrichtung (34) zum messen der Verformung des Elements (22) aus einem spannungsempfindlichen Element besteht, das an dem Element (22),die Nut überbrückend, befestigt ist.
18. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der entfernte Teil des Querschnitts der Rohrwand sich bis zum Ende der Katheterspitze erstreckt.
19. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 14 bis 18, g e k e n n z e i c h n e t durch ein an dem Element (22) befestigtes Temperaturkompensationselement (36).
20. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Mittel zum messen der Deformation des Elements (22) aus einem ersten Meßelement (126), welches auf der einen größeren Fläche des Elements (22) befestigt ist, und aus einem zweiten Meßelement (128), welches gegenüber auf der anderen größeren Fläche des Elements (22) befestigt ist, bestehen.
21. Druckmeßumformer nach Anspruch 8 für Blutdruckmessungen, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Katheterspitze, deren Abmessungen die Einführung in eine Arterie gestatten, wobei die Katheterspitze aus einem an einem Ende geschlossenen Rohr mit abgeflachter Seite besteht, wobei in der abgeflachten Seite eine Öffnung ausgebildet ist, einen rechteckigen Stab od. dgl., der an dem hohlen Rohr entfernt von der Spitze befestigt ist, wobei das andere Ende des Stabes entsprechend dem Flüssigkeitsdruok frei biegbar ist, eine Quernut in dem Stab in Abstand von dem frei biegbaren Ende, ein Dehnungsmeßelement, ,das an der inneren Seite des Stabes, die Nut überbrückend, befestigt ist, eine Abdichtung aus elastischem Material in dem Zwischenraum zwischen dem Stab und dem hohlen Rohr zur Bildung einer abgedichteten Kammer innerhalb der Katheterspitze, ein an dem Rohr an dem von der Spitze entfernten Ende befestigtes flexibles Kabel, welches einen Luftkanal von der abgedichteten Kammer der Katheterspitze zur Umgebungsluft bildet, ein Paar von elektrischen Leitern in dem flexiblen Kabel, die elektrisch gegeneinander isoliert und mit der Dehnungsmeßeinrichtung auf beiden Seiten der Nut verbunden sind.
22. Druckmeßumformer nach Anspruch 21, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß ein Temperaturkompensationselement (36) an der Innenseite des Stabes befestigt ist.
23. Druckmeßumformer nach Anspruch 8, g e k e n n -s e i c h n e t durch eine Leitung für die zu messende Flüssigkeit, eine Öffnung in der Wand der Leitung, ein in der Öffnung angeordnetes langgestrecktes Element, dessen eines Ende starr an der Leitung befestigt und dessen anderes Ende frei ist, um sich entsprechend dem Druck der Flüssigkeit in der Leitung zu biegen, Mittel zum messen der Verformung des langgestreckten Elementes, Elektroden in elektrischer Verbindung mit den Meßmitteln, und eine Abdichtung aus elastischem Material in dem Zwischenraum zwischen der Wandung und dem langgestreckten Element zur Bildung einer' Trennwand.
24. Druckmeßumformer nach Anspruch 23, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das langgestreckte Element die Form eines rechteckigen Stabes oder Balkens hat.
25. Druc#meßumformer nach Anspruch 23 oder 24, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Element eine Quernut aufweist und daß die Mittel zum messen der Verformung des Elementes aus einem druck- oder zugspannungsempfindlichen Element bestehen, welches an dem sich biegenden Element, die Nut überbrückend, befestigt ist.
26. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 23 bis 25, g e k e n n z e i c h n e t durch ein an dem Element befestigtes Temperaturkompensationselement.
27. Druckmeßumformer nach Anspruch 8 zum messen eines Differenzdruckes, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Druckgehäuse (ion) mit zwei durch eine Trennwand getrennten Kammern, Anschlüssen zum verbinden des Druckgehäuses mit einer ersten und einer zweiten Quelle von zu messendem Druckmedium, einen Durchlaß in der Trennwand (110), ein in dem Durchlaß angeordnetes langgestrecktes Element, dessen eines Ende starr an der Trennwand befestigt und dessen anderes Ende frei biegbar ist in Abhängigkeit von den in den beiden Kammern gegen das Element wirkenden Drücken, Mittel (34) zum messen der Verformung des Elementes, ein Paar von Elektroden in elektrischer Verbindung mit den Meßmitteln und eine Abdichtung (114) aus elastischem Material in dem Zwischenraum zwischen dem langgestreckten Element und dem Rand des Durchlasses in der Trennwand (110).
28. Druckmeßumformer nach Anspruch 27, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß das langgestreckte Element die Form eines rechteckigen Stabes, Balkens oder Streifens hat.
29. Druckmeßumformer nach Anspruch 27 oder 28, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das langgestreckte Element eine Quernut aufweist und daß die Mittel zum messen der Verformung aus einem druck oder zugspannungsempfindlichen Element bestehen, das an dem langgestreckten Element, die Nut überbrückend, befestigt ist.
30. Druckmeßumformer nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Temperaturkompensationselement (36) an dem langgestreckten Element be-Befestigt ist.