-
Ergometer mit einem von einem Patienten in Umdrehungen versetzten
Rad Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer mit einem von einem Patienten in
Umdrehungen versetzten Rad, auf das eine einstellbare Bremskraft einwirkt.
-
Ergometer dienen dazu, einen zu untersuchenden Patienten einer meßbaren
Belastung zu unterwerfen. Häufig sind solche Ergometer nach Art eines Fahrrades
aufgebaut, d. h. das Ergometer besitzt eine Tretkurbel, mit der der Patient ein
Rad beziehungsweise eine Scheibe in Umdrehungen versetzen kann. Das Rad kann mit
einer einstellbaren Kraft abgebremst werden, beispielsweise durch ein den Umfang
des Rades teilweise umschließendes endloses Bremsband. Für die von dem Patienten
aufgebrachte mechanische Leistung gilt dann folgende Beziehung: N = K ~ 2n ~ r ~
n, worin N die Leistung, K die Bremskraft am Umfang des Rades, r der Radius des
Rades und n die Zahl der Umdrehungen des Rades pro Zeiteinheit bedeuten. Da in der
vorgenannten Beziehung die Faktoren 2, it und r konstante Werte sind, ergibt sich,
daß die Leistung N « K ~ n ist (das Symbol « wird im folgenden in der Bedeutung
proportional zu" verwendet).
-
Zum
Zum Messen und Anzeigen der Bremskraft K dient
beispielsweise eine Federwaage, deren freies Ende mit dem Bremsband fest verbunden
ist. Die jeweilige Drehgeschwindigkeit des Rades kann mit einem mit dem Rad gekuppelten
Drehzahlmeßgerät bestimmt werden, das die Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro
Minute anzeigt. Aus der angezeigten Drehgeschwindigkeit n und Bremskraft K läßt
sich dann an Hand der obigen Beziehung die Leistung N ermitteln.
-
Eine auf diese Weise vorgenommene Leistungsmessung ist nicht nur verhältnismäßig
umständlich, sondern auch zeitraubend.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer zu schaffen,
das eine möglichst problemlose und schnelle Leistungsmessung ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Ergometer der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß eine die von dem Patienten momentan aufgebrachte
Leistung anzeigende Meß- und Anzeigevorrichtung zur Anzeige dieser Leistung eine
von der Drehgeschwindigkeit des Rades abgeleitete erste elektrische Größe und eine
von der Bremskraft abgeleitete zweite elektrische Größe gleichzeitig auswertet.
-
Bei einem solchen Ergometer erhält man also zwei elektrische Größen,die
entweder unmittelbar oder nach einer Verstärkung
Verstärkung mittels
eines, zum Beispiel in Einheiten der Leistung geeichten, elektrischen Meßgerätes
angezeigt werden können. Die von dem Patienten aufgebrachte Leistung braucht dann
also nur noch an einem einzigen Meßinstrument abgelesen zu werden, so daß bei der
Messung eine Reihe von Fehlerquellen entfällt.
-
In Weiterbildung der Erfindung ist ein mit dem Rad gekuppelter Generator
vorgesehen, der die erste elektrische Größe als der momentanen Drehgeschwindigkeit
des Rades proportionalen Spannungs-, Strom- oder Frequenzwert abgibt.
-
Auf diesem Wege erhält man die erste elektrische Größe in einer Form,
die sich auf verschiedene Weise auswerten läßt.
-
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist zum Ableiten der
zweiten elektrischen Größe ein elektrisches Bauteil vorgesehen, dessen einer elektrischer
Wert wenigstens annähernd proportional zu der Bremskraft gesteuert wird.
-
Wenn in Weiterbildung der Erfindung das elektrische Bauteil ein passives
elektrisches Bauteil ist, so kann das Ergometer so ausgebildet sein, daß es in einem
von dem Tachogenerator gespeisten Stromkreis liegt und der durch das Bauteil fließendeStrom
oder die an dem Bauteil abfallende Spannung der zu messenden Leistung wenigstens
annähernd proportional ist und mit einem Strom- oder einem Spannungsmeßgerät gemessen
wird.
-
Diese
Diese Schaltungsanordnung hat den großen Vorteil,
daß das Ergometer keine äußere Stromquelle für die elektrische Leistungsmessung
benötigt, sondern daß der Tacliogenerator allein zur Stromversorgung ausreicht.
-
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden an Hand mehrerer in der Zeichnung
dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung bedeuten: Fig. 1
eine schematische Darstellung des Ergometer-Prinzips mit mechanischer Leistungsmessung,
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung
mit einem Tachogenerator, einem durch eine Fremdspannungsquelle gespeisten induktiven
Geber und einem Leistungsmesser, Fig. 3 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung
zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, einem Xonstantstromgenerator,
einem induktiven Geber und einem Spannungsmesser, Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer
Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, einer Spule,
einem induktiven Geber und einem Spannungsmesser, Fig. 5 ein Prinzipschaltbild einer
Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, mit einem
induktiven Geber und mit einem Leistungsmesser, Fig. 6
Fig. 6 ein
Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem
Tachogenerator, einem Potentiometer und einem Spannungsmesscr, Fig. 7 ein Prinzipschaltbild
einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, einem
Einstellwiderstand und einem Strommesser, Fig. 8 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung
zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, einer Brückenschaltung
mit Dehnungsmeßstreifen und einem Strommesser, Fig. 9 eine Ansicht eines Streifens
dehnbaren Materials mit Dehnungsmeßstreifen und Festwiderständen, Fig. 10 ein Prinzipschaltbild
einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Tachogenerator, einem
Engewiderstand und einem Strommesser, Fig. 11 eine Kennlinie eines Engewiderstandes
nach Fig. 10, Fig. 12 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung
mit einem Tachogenerator, mit einem in Abhängigkeit von der Bremskraft beleuchteten,
lichtempfindlichen Widerstand und einem Strommesser, Fig. 13 ein Prinzipschaltbild
einer Einrichtung zur elektrischen Leistungsmessung mit einem Übertrager mit veränderbare
Kupplung und einem Tachogenerator sowie einem Spannungsmesser und Fig. 14
Fig.
14 ein Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur elektrischen Leistungs#flessung #hnlich
der Fig. 13.
-
Ein bekanntes Ergometer hat nach Fig. 1 ein Rad 1, das an einem Rahmen
2 gelagert ist und durch einen Patienten in Umdrehungen versetzt werden kann.
-
Um einen Teil des Umfanges des Rades 1 ist ein biegsames, endloses
Bremsband 3 geschlungen, das über eine Umlenkrolle 4 geführt ist, deren Abstand
von einer Nabe S des Rades 1 einstellbar ist. Dadurch kann das Bremsband 3 mehr
oder weniger straff gezogen und die am Umfang des Rades wirksame Bremskraft K verändert
werden. Ein tangential an das Bremsband herangeführtes und einseitig mit dem Bremsband
fest verbundenes weiteres Band 6 steht mit einem Ende einer Zugfeder 7 in Verbindung,
deren anderes Ende fest eingespannt ist. Die Zugfeder 7 gehört zu einer Federwaage
8. Das mit dem weiteren Band 6 verbundene Ende der Zugfeder 7 trägt einen Zeiger
9, der einer zur Anzeige der Bremskraft K dienenden und zum Beispiel in Kilopond
geeichten Skala 10 gegenübersteht.
-
Eine mit der Nabe 5 verbundene biegsame Welle 1 überträgt die Umdrehungen
des Rades 1 auf einen Drehzahlmesser 12, dessen Skala zum Beispiel in Umdrehungen
pro Minute geeicht ist. Aus der Anzeige der Federwaage 8 und des Drehzahlmessers
12 läßt sich an Hand der Beziehung N = K ~ 2r ~ r ~ n die von dem Patienten jeweils
aufgebrachte Leistung ermitteln.
-
Während
Während die vorstehend beschriebene Leistungsmessunq
auf mechanischem Wege stattfindet, werden bei dem erfindungsgem#ßen Ergometer zum
Messen der Kraft und der Drehgeschwindigkeit ausschließlich elektrische rlittel
angewendet.
-
In einem ersten AusfGhrungsbeispiel (Fig. 2) wird an Stelle des Kraftmessers
8 nach Fig. 1 ein induktiver Geber 13 mit einstellbarer Induktivität L verwendet.
Zum Einstellen des Induktivitätswertes des induktiven Gebers 13 dient zum Beispiel
ein ferromagnetischer'Kern, der in einer Spule des Gebers verschiebbar angeordnet
ist und der in gewissen Grenzen eine Induktivitätsänderung proportional zu der Eintauchtiefe
des Kerns erzeugt.
-
Ein Ende des Kerns unterliegt einer linearen Rückstellkraft, die zum
Beispiel ein Federelement entsprechend der Zugfeder 7 in Fig. 1 liefert, und das
andere Ende des Kerns ist mit dem freien Ende des weiteren Bandes 6 fest verbunden.
Die Rückstellkraft kann beispielsweise auch auf elektrischem Wege erzeugt werden.
-
Da der induktive Geber 13 ein passives Bauteil ist, wird eine an ein
Klemmenpaar 14 anzuschließende Stromquelle benötigt, um eine dem jeweiligen Induktivitätswert
des induktiven Gebers proportionale elektrische Größe, d. h. zum Beispiel einen
Strom iK « K oder eine entsprechende Spannung UK « K, messen zu können.
-
Für die elektrische Messung der Drehgeschwindigkeit des Rades 1 kann
ein Tachogenerator 15 bekannter Ausführung dienen, der eine der jeweiligen Drehzahl
des Rades 1 proportionale Spannung Un i n liefert. Die Spannung Un des Generators
15 wird dem einen x leminenpaar
Klemmenpaar und der durch den induktiven
Geber 13 fließende Strom #K dem anderen Klemmenpaar eines Leistungsmeßgerätes 16
zugeführt, das das Produkt von Un # iK mißt und anzeigt. Das Leistungsmeßgerät 16
kann so geeicht sein, daß es die von dem Patienten momentan aufgebrachte Leistunq
in Watt anzeigt.
-
Nach Fig. 3 kann bei einem Ergometer die Leistungsmessung auch ohne
eine zusätzliche Stromquelle erfolgen, wenn die Spule des induktiven Gebers 13 folgendermaßen
gespeist wird. Der Tachogenerator 15 liefert an einen Konstantstromgenerator 17
eine Wechselspannung mit einer Frequenz f, die der Drehzahl proportional ist; f
« n. Der Induktivitätswert L des induktiven Gebers 13 ist wie in dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 2 der Bremskraft K proportional; L « K. Für die Spannung UL an dem induktiven
Geber 13 ergibt sich dann folgende Beziehung: UL = i a>L beziehungsweise UL ac
i ~ K ~ n. Da der Strom i durch den Konstantstromgenerator 17 einen konstanten Wert
hat, gilt UL « K ~ n beziehungsweise UL « N. Die Spannung an der Spule des induktiven
Gebers 13 verhält sich also direkt proportional zu der zu messenden Bremsleistung
N. Ein der Spule parallel geschaltetes Spannungsmeßgerät 18 kann somit unmittelbar
in Einheiten der Leistung, also zum Beispiel in Watt, geeicht werden.
-
Eine ähnliche Art der Leistungsmessung zeigt das Schaltbild in Fig.
4, in welchem ein Tachogenerator und ein induktiver Geber ebenso wie in den Fig.
2 und. 3 mit 15 bzw. 13 bezeichnet sind.
-
In diesem Fall wird der für den induktiven Geber 13 benötigte konstante
konstante
Strom durch eine Spule 19 hoher Güte erzwungen, so daß wieder die Spannung an der
Spule des Gebers 13 der Beziehung UL = i ~ wL folgt. Geht man davon aus, daß die
von dem Tachogenerator 15 abgegebene Spannung U = d ~ n ist, wobei d eine Konstante
bedeutet, und die Frequenz f = b ~ n ist, wobei b eine andere Konstante bedeutet,
so erhält man für den durch die Spule 19 fließenden Strom die Beziehung i
Der Spulenstrom i ist somit unabhängig von der Drehzahl n des Tachogenerators 15
und umgekehrt proportional zu der Induktivität L der Spule 19, d. h. der Strom ist
konstant. Dabei wird vorausgesetzt, daß für eine einwandfreie Messung die Induktivität
des induktiven Gebers 13 verhXltnismäßig klein gegenüber der Induktivität der Spule
19 sein muß.
-
Wie bereits erwähnt, erfordert die Meßmethode nach Fig. 4 keine von
außen zuzuführende Spannung, so daß sie deshalb filr den praktischen Einsatz eines
Ergometers besonders vorteilhaft ist.
-
Durch den Verzicht auf eine durch ein Netzgerät gebildete Stromquelle
wird auch diese Art der Leistungsmessung für den Patienten gefahrlos. Als Meßgerät
für die Leistungsmessung wird ebenso wie in dem Beispiel nach Fig. 3 ein Spannungsmeßgerät
18 verwendet, das in Einheiten der Leistung geeicht sein kann und eine unmittelbare
Ablesung der momentanen Leistung des Patienten ermöglicht.
-
Nach einem weiteren, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Spule des induktiven Gebers 13 unmittelbar an die Klemmen
Klemmen
des Tachogenerators 15 angeschlossen. Für den durch die Spule des induktiven Gebers
13 fließenden Strom gilt dann:
In diesen Gleichungen bedeutet d eine In Konstante, n die Drehgeschwindigkeit des
Tachogenerators 15, LK die Induktivität des induktiven Gebers 13 und K die Bremskraft
an dem Rad 1 (Fig. 1). Aus dem Strom i « K und der Generatorspannung UG « n kann
mittels eines Leistungsmeßgerätes 20 die momentane Leistung ermittelt werden. Auch
diese Meßeinrichtung benötigt keine zusätzliche Stromquelle filr den induktiven
Geber.
-
Eine verhältnismäßig einfach zu realisierende Leistungsmessung bei
einem Ergometer ergibt sich durch die Anwendung eines Potentiometers 21 als passives
Bauteil; vgl. Fig. 6. Das Potentiometer liegt mit den Enden seiner Widerstandsbahn
an einem Tachogenerator 22, der eine der jeweiligen Generatordrehzahl n proportionale
Spannung UG abgibt. Die zwischen einem Schleifer 23 des Potentiometers 21 und einem
Ende von dessen Widerstandsbahn abgegriffene Spannung US hängt von der jeweiligen
Schleiferstellung ab, die durch die jeweilige Größe der Bremskraft K beeinflußt
wird. Für diese Schaltungsvariante gelten folgende Beziehungen: UG e n, K e RSR5,
US = UG c R5 n . K e N.
-
R Mit einem Spannungsmeßgerät 24 kann somit eine der Leistung N proportionale
Spannung Us gemessen werden. Ist das Spannungsmeßgerät in Einheiten der Leistung
geeicht, so läßt sich die jeweilige Leistung unmittelbar an dem Meßgerät ablesen.
-
In analoger Weise kann man auch unter Verwendung eines Strommeßgerätes
25 (Fig. 7) und eines Einstellwiderstandes 26 die Leistung N bestimmen. Hier gilt
dann die Beziehung:
UG ~ K e n ~ K e N. Da die Spannung UG des Generators 22 proportional der Drehzahl
n ist, muß, damit i « N ist, R e 1 sein. Diese Bedingung kann durch eine Kombination
eines K Einstellwiderstandes 26 mit linearer Charakteristik in Verbindung mit einer
nichtlinearen Rückstellkraft, vgl. Feder 27, erfüllt werden. Es ist jedoch auch
möglich, eine lineare Rückstellkraft in Verbindung mit einem Einstellwiderstand
zu verwenden, der der Bedingung R « 1 genügt, wobei 1 die jeweils wirksame Länge
des nicht überbrückten Teils der Widerstandsbahn ist. Allgemein gilt für einen Widerstand
R die Beziehung
worin p den spezifischen Widerstand und F die Fläche der Widerstandsbahn bedeuten.
Wenn also die Beziehung p eingehalten werden soll, dann muß die Fläche F « 12 bemessen
werden.
-
Eine verhAltnismäßig genaue Leistungsmessung ist bei Brgometern möglich,
wenn als passives Bauteil eine Brückenschaltung 28 (Fig. 8) mit zwei Dehnungsmeßstreifen
29, 30 und zwei Festwiderständen 31, 32 verwendet wird. Während an der einen Brückendiagonale
die Spannung eines Tachogenerators 33 liegt, enthalt die andere Brückendiagonale
ein Spannungsmeßgerät 34. Auch in diesem Fall ist der angezeigte Wert der zu messenden
Leistung proportional.
-
Die
Die Dehnungsmeßstreifen 29, 30 und die Festwiderstända-
31, 32 sind dabei paarweise auf einem Streifen 35 dehnbaren elatcrials (Fig. 9),
zum Beispiel durch Kleben, derart befestigt, daß die Dehnungsmeßstreifen in Längsrichtung
des Streifens 35 und die Festwiderstände quer dazu liegen. Der Streifen 35 ist mit
seinem einen Ende mit einem Federelement 36 und mit dem anderen Ende mit dem weiteren
Band 6 (vgl. Fig. 1) verbunden. Die Vorteile dieser Meßmethode bestehen in der hohen
Meßgenauigkeit und dem völligen Verzicht auf dem Verschleiß unterliegende Teile.
-
Eine Variante zu der Leistungsmessung nach Fig. 7 zeigt das Schaltbild
in Fig. 10. ilier dient als passives Bauteil ein sogenannter Engewiderstand 37 nach
Art einer Kohlemikrofonkapsel.
-
Mit zunehmender Bremskraft K werden die Kohlekörner des tngewiderstandes
37 zusammengepreßt, so daß sich der Ubergangswiderstand R verringert; vgl. Kennlinie
in Fig. 11. Als Meß-und Anzeigeinstrument dient in diesem Fall ein Strommeßgerät
38, das in Reihe zu dem Engewiderstand 37 und einem Tachoqenerator 39 liegt. Das
Strommeßgerät ist zweckmäßigerweise in Einheiten der Leistung geeicht.
-
Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Leistungsmessung
auf fotoelektrischem Wege erfolgen. irierzu speist ein Tachogenerator 40 einen lichtempfindlichen
Widerstand 41, mit dem ein Strornmeßgerät 42 in Reihe liegt. Der lichtempfindliche
Widerstand, das ist zum Beispiel ein Cadmiumsulfid-Widerstand, verändert seinen
Widerstandswert in Abhängigkeit
keit von der Belichtung durch eine
Lichtquelle 43. Die Lichtstrahlen der Lichtquelle 43 passieren eine Blende 44, bevor
sie auf den lichtempfindlichen Widerstand 41 treffen.
-
Die Blende 44 ist nun derart verschiebbar gelagert, daß die auf den
Widerstand 41 fallende Lichtmenge von der jeweiligen Größe der Bremskraft K abhängt.
Der durch den Widerstand 41 fließende Strom ist somit dem Produkt aus Drehzahl (Generatorspannung)
und Bremskraft (Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes) proportional,
so daß das Strommeßgerät 42 einen der jeweiligen Leistung N proportionalen Wert
anzeigt.
-
Damit für die Lichtquelle 43, das ist vorzugsweise eine Glühlampe,
keine eigene Stromversorgung bereitgestellt werden muß, wird der erforderliche Strom
dem Tachogenerator 40 über eine den Strom konstant haltende Drossel 45 entnommen.
Zwei gegensinnig gepolte Zenerdioden 46, 47 dienen ebenfalls zur Konstanthaltung
des durch die Lichtquelle 43 fließenden Stroms.
-
Eine andere Möglichkeit zur Bildung des Produkts aus Drehzahl n und
Bremskraft K des Ergometers läßt sich durch einen Ubertrager 48 mit bremskraftabhängiger
Steuerung der Kopplung realisieren. Der Übertrager 48 hat einen etwa U-förmigen
Kern 49, dessen einer Schenkel 50 eine mit einem Tachogenerator 51 verbundene Primärspule
52 trägt. Auf einem anderen Schenkel 53 sitzt eine
eine entgegen
der Kraft eines Federelementes 54 verschiebbare Sekundärspule 55 mit einer Wicklung
56, deren Enden mit einem Spannungsmeßgerät 57 verbunden sind.
-
Je nach der Eintauchtiefe der Sekundcïrspule 55 ergibt sich dann eine
bestimmte Kopplung und damit eine bestimmte Sekund#rspannung Us. Der Aufbau des
Übertragers 48 muß so gewahlt scin, daß sich ein linearer Zusammenhang zwischen
der Bremskraft K und der Sekundärspannung U5 ergibt. Nur dann ist die mit dem Spannungsmeßgerät
57 gemessene Sekundärspannung US proportional der Leistung N.
-
An die Stelle der auf dem Schenkel 53 verschiebbaren Sekundärspule
55 kann auch eine gegenüber diesem Schenkel drehbare Spule treten, wobei dem jeweiligen
Drehwinkel ein bestimmter Kopplungsgrad entspricht.
-
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 stellt nur eine von verschiedenen
Möglichkeiten der bremskraftabhängigen Kopplungsänderung eines Ubertragers dar.
In einem Ausffthrungsbeispiel nach Fig. 14 hat ein Übertrager 58 einen Aufbau ähnlich
einem Ringspaltmagnetsystem, wobei ein koaxiales Polstück 59 des weichmagnetischen
Übertragerkerns 60 eine mit einem Tachogenerator 61 verbundene Primärwicklung 62
trägt. In einen Ringspalt 63 des Ubertragers 58 taucht eine eine Sekundrwicklung
bildende Luftspule 64 hinein. Die Luftspule 64 steht unter der Kraft eines nicht
dargestellten Federelementes und wird entgegen dieser Kraft durch die Bremskraft
des Ergometers axial verschoben. Ein mit den
den Wicklungsenden
der Luftspule 64 verbundenes SpannungnmPßgerbt 65 zeigt bei entsprechender Dimensionierung
des Ubertragers 58 einen der jeweiligen Leistung proportionalen Wert an. Das Spannungsmeßgerät
65 kann in diesem Fall auch in Linheiten der Leistung geeicht sein.