DE2216281A1 - Verfahren und Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten - Google Patents

Verfahren und Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten

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DE2216281A1 DE19722216281 DE2216281A DE2216281A1 DE 2216281 A1 DE2216281 A1 DE 2216281A1 DE 19722216281 DE19722216281 DE 19722216281 DE 2216281 A DE2216281 A DE 2216281A DE 2216281 A1 DE2216281 A1 DE 2216281A1
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Description

.. t Scholl
PHN.5551» BOSS/EVE.
λ..... : N. V. Philips' Gloeüampenfabrieken
Akte Na PHN- 5551
Anmeldung vorm 2Λ, April 1972
"Verfahren und Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten".
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer durch einen Kanal strömenden Flüssigkeit, insbesondere von durch ein Blutgefäss strömendes Blut, wobei die Flüssigkeit örtlich erwärmt und die hierdurch verursachte Temperaturerhöhung der Flüssigkeit gemessen wird, und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens,
Es ist bekannt (siehe beispielsweise S.Katsura u.a., IRE Transactions on Medical Electronics, Dezember 1959» S. 283-285), die Flüssigkeit örtlich dadurch zu erwärmen, dass ein Widerstand in die Flüssigkeit ©ingeführt und durch einen elektrischen Strom erhitzt wird«
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ORiQfNAL INSfS
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Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sowohl die Wärmezufuhr als auch die Temperaturmessung auf elektrische Weise ausgeführt werden können, wodurch die erforderliche Apparatur verhältnismässig einfach sein kann. Ausserdem brauchen der Flüssigkeit zur Messung keine HiIfsflüssigkeiten beigegeben zu werden, wodurch die Flüssigkeit verunreinigt werden könnte.
Das bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass manche Flüssigkeiten durch Berührung mit der heissen WiderstandsoberflSche nachteilig beeinflusst werden können. Blut neigt beispielsweise unter derartigen Umständen zum Gerinnen.
Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, das diesen Nachteil unter Erhaltung der erwähnten Vorteile beseitigt. Dieses Ziel wird entsprechend der Erfindung dadurch erreicht, dass die Erwärmung der Flüssigkeit durch die örtliche Zufuhr von von einem Hochfrequenzgenerator herrührender Energie zur Flüssigkeit erreicht wird, welche Energie in der Flüssigkeit selbst in Wärme umgesetzt wird. Die Energie kann beispielsweise in Form von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von einigen GHz zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Energie über einen Kondensator zuzuführen, dessen zu erwärmende Flüssigkeit das Dielektrikum bildet.
Die Erfindung bezweckt ferner, eine Anordnung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens zu schaffen. Hierzu ist die erfindungsgemSsse Anordnung mit einem in die Flüssigkeit einzuführenden, mit einem Hochfrequenzgenerator ver-
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- 3 - PHN.5551.
bundenen Element zur Uebertragung von Hochfrequenzenergie versehen. Dieses Element kann als ein elektromagnetischer Strahler ausgeführt sein, der vorzugsweise die Form eines Stäbchens aufweist, dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die elektromagnetische Strahlung der verwendeten Frequenz in der Flüssigkeit hat. Für eine elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 2,5 GHz beträgt die Wellenlänge im Blut 16 mm, so dass sich ein Stäbchen mit einer Länge von 8 mm eignet. Ein Stäbchen derartiger Abmessungen kann leicht in ein Blutgefäss eingeführt werden.
Das Element kann auch ein Kondensator mit der zu erwärmenden Flüssigkeit als Dielektrikum sein. Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten \usführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus einer erfindungsgemässen Anordnung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Flüssigkeitskanal, in dem die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit entsprechend der Erfindung gemessen wird.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Generator 1 zur Erzeugung von Energie in Form von elektromagnetischen Schwingungen mit einer Frequenz von einigen GHz, TJeber ein Koaxialkabel 3 wird diese Energie einem stabförinigen Strahler 5 zugeführt, dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die Strahlung der verwendeten Frequenz in der zu uniersuchenden Flüssigkeit hat. Dor Strahler 5 äst zusammen mit einigen anderen Einzelteilen
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zu einem Messkopf 7 zusammengesetzt, der in einen Flüssigkeitskanal eingeführt werden kann. Zu diesen Einzelteilen gehören zwei temperaturempfindliche Widerstände 9 und 11. Der Strahler 5 strahlt Energie aus, die in der Flüssigkeit in Wärme umgesetzt wird. Es sei angenommen, dass der temperaturempfindliche Widerstand 9 in bezug auf den Strahler stromabwärts liegt. Dann wird die entlang diesem Widerstand strömende Flüssigkeit wärmer, wodurch auch der Widerstand wärmer wird und sich der Widerstandswert ändert. Um den iinfluas von nicht durch die Ausstrahlung des Strahlers 5 verursachten Temperaturänderungen in der Flüssigkeit auszugleichen, ist stromaufwärts vom Strahler der temperaturemr>findliche Widerstand 11 vorgesehen. Der Temperaturunterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 ist bei einer bestimmten, durch den Strahler 5 ausgestrahlten Leistung von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit abhängig, Widerstandsänderungen des Widerstands 9 in bezug auf den Widerstand 11 können dadurch gemessen werden, dass beide Widerstände mit einer an sich bekannten Schaltung 13 zum .lessen von Widerständen, beispielsweise einer Wheatstone-Brücke, verbunden sind. Der Widerstand 11 ist hierzu unmittelbar über einen Leiter 15 mit der Brücke 13 verbunden, während der Widerstand 9 über eine erste Trenndrosselspule mit dem Strahler 5 und mithin mit dem Innenleiter des Koaxialkabels 3 verbunden ist, welcher Innenleiter wieder über eine zweite Trenndrosselspule 19 mit der Brücke 13 in Verbindung steht. Die Widerstände 9 und Ί1 sind ferner miteinander verbunden, da sie geerdet sind.
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Die Trenndrosselspulen 17 und 19 verhindern, dass die durch den Generator 1 erzeugten Hochfrequenzströme den Widerstand 9 und die Brücke 13 erreichen. Hierdurch ist es möglich, den Innenleiter des Koaxialkabels sowohl für diese Hochfrequenzströme als auch für die in der Brücke 13 angewendeten Ströme zu verwenden. Die Brücke 13 wird mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom niedriger Frequenz (beispielsweise einigen kHz) gespeist.
Die vom Unterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 abhängige Ausgangsspannung der Brücke 13 wird über einen Verstärker 21 zur Regelung der durch den Generator 1 abgegebenen Leistung verwendet. Diese Regelung ist an sich bekannt, und sie wird hier deshalb nicht näher ausgeführt. Vorzugsweise wird die vom Generator 1 abgegebene Leistung so geregelt, dass der Temperaturunterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 konstant bleibt. Die Leistung, die der Generator abgeben muss, um diese Temperatur konstant zu halten, ist dann proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Der eingestellte Temperaturunterschied hängt selbstverständlich von der Art der Flüssigkeit ab. Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Blut hat sich ein Temperaturunterschied von 0,10C bewährt.
Fig. 2 zeigt den mechanischen Aufbau des Messkopfs 7. Das Koaxialkabel 3 ist in eine Röhre 23, beispielsweise ein Blutgefäss, eingeführt, das von Flüssigkeit in Richtung des Pfeils 25 durchflossen wird. Der Strahler 5 kann ein an den Innenleiter des KoaxiaLkabels 3 gelötetes Stäbchen oder ein Teil dieses Innenleiters .-sein,
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von dem der Mantel entfernt ist. Der Strahler 5 ist von einer Manschette 27 als Uebergang zwischen dem Strahler und der Flüssigkeit unigeben. Vorzugsweise hängt die Dielektrizitätskonstante E des Materials der Manschette 27 folgendermassen mit den Dielektrizitätskonstanten S^ der Luft und £ der Flüssigkeit zusammen:
Für Blut ist E = 6h, während &- = 1 ist, so dass vorzugsweise <f =8 ist. Eine gute Annäherung hieran ist die Dielektrizitätskonstante von Polytetrafluoräthylen, die 7,7 beträgt.
Zur Verhinderung von Stehwellen entlang der Aussenoberfläche des Mantels des Koaxialkabels 3 ist eine Metallabschirmung 29 vorgesehen, die über den Mantel geerdet ist und die den Uebergang vom Koaxialkabel zum Strahler 5 umgibt.
Der Strahler 5 wird etwa in der Mitte der Röhre gehalten durch Verwendung eines aus elastischen Rippen 31 bestehenden Käfigs. Ueber diesen (Metall-)Käfig ist auch der Widerstand 9 mit dem Mantel des Koaxialkabels 3 verbunden. Die Rippen 31 schirmen zugleich die Wirkung des Hochfrequenzfeldes nach aussen ab.
Etwa der gleiche Messkopf wie oben für die Zufuhr der Energie in Form von Strahlung beschrieben, kann für die Energiezufuhr über das elektrische Feld eines Kondensators verwendet werden. Die beiden Elektroden des Kondensators werden in dem Fall durch das Stäbchen 5 und die Rippen 31 gebildet. Die Abmessung des Stäbchens 5 kann in diesem Fall von der verwendeten Frequenz unabhängig sein. Auch kann eine
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niedrigere Frequenz gentigen, beispielsweise einige hundert MHz, wodurch die Möglichkeit von Stehwellen entlang der Manteloberflache verringert wird, so dass die Abschirmung 29 entfallen kann. Auch die Manschette 27 ist für den Kondensator überflüssig. Die Form der Kondensatorelektroden ist nicht kritisch, und sie kann daher ohne Nachteile von der hier beschriebenen abweichen, falls dies erwünscht ist. In der allgemeinsten Form besteht der Kondensator einfach aus zwei leitern, zwischen denen sich Flüssigkeit befindet, von welchen Leitern einer mit dem Inneiileiter des Koaxialkabels und der zweite mit dem Mantel des Koaxialkabels verbunden ist«
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Claims (9)

  1. - 8 - PHN.5551.
    PATENTANSPRÜCHE t
    ( 1,) Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer durch einen Kanal strömenden Flüssigkeit, insbesondere von durch ein Blutgefäss strömendem Blut, wobei die Flüssigkeit örtlich erwärmt und die hierdurch verursachte Temperaturerhöhung der Flüssigkeit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Flüssigkeit durch die örtliche Zufuhr von von einem Hochfrequenzgenerator herrührender Energie zur Flüssigkeit erreicht wird, welche Energie in der Flüssigkeit selbst i:i Wärme umgesetzt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Flüssigkeit in Form von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von einigen GHz zugeführt wird.
  3. 3, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie über einen Kondensator zugeführt wird, dessen Dielektrikum von der zu erwärmenden Flüssigkeit gebildet wird.
  4. k. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr zur Flüssigkeit so geregelt wird, dass die Temperaturerhöhung der Flüssigkeit konstant auf einem festgestellten Wert bleibt.
  5. 5. Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit einem in den Flüssigkeitsstrom einzuführenden, mit einem Hochfrequenzgenerator (i) verbundenen Element zu. Üebertragung der Hochfrß luenzenergie versehen ist,
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    - 9 - PHN.5551.
  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein elektromagnetischer Strahler (5) ist«
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (5) die Form eines Stäbchens aufweist, dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die elektromagnetische Strahlung der angewendeten Frequenz in der Flüssigkeit hat.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein Kondensator mit der zu erwärmenden Flüssigkeit als Dielektrikum ist.
  9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, welche Anordnung mit einem in den Flüssigkeitsstrom einzuführenden temperaturempfindlichen Widerstand versehen ist, dessen beide Anschlussdrähte mit einer Schaltung zum Messen von Widerständen in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Verbindungswege zwischen dem Widerstand (9) und der Messchaltung (13) über das Element und einer mit diesem Element verbundenen Hochfrequenz-Zuführungsleitung verläuft, welcher Verbindungsweg mit dem Widerstand (9) und der Messchaltung (13) über Trenndrosselspulen (17 bzw. 19) verbunden ist.
    209845/0723
    Leerseite
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