DE2500094B2 - Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmmengen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmmengen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Meßgeräte zur Bestimmung von Urinströmmengen bzw. Urinflußraten gibt es bereits in vielfacher Art. Sie können mechanisch arbeiten, indem gravimetrische Urinvolumenbestimmungen mit mechanischen Meßauf-. nehmern durchgeführt werden. Elektrische Meßverfahren arbeiten im Gegensatz hierzu unter anderem mit elektromagnetischen Durchflußmesserri oder mit einem auf dem Urinspiegel im Meßgefäß liegenden Schwimmer, der einen Dauermagneten trägt und diesen in einer äußeren Spule einen von der Änderung der Gefäßfüllung abhängigen Strom induzieren läßt, der als Maß für die Strömungsrate ausgewertet wird.

ίο Es ist auch bereits bekannt, die elektrolytische Leitfähigkeit des Urins auszunutzen, indem diese zwei in einem Meßgefäß angeordnete Widerstände beeinflußt. Dabei wird durch die Meßflüssigkeit ein aktiver und nicht isolierter Widerstand gegenüber einer äußeren Elektrode teilweise überbrückt bzw. kurzgeschlossen, so daß sich je nach Höhe des Flüssigkeitsspiegels ein effektiver Meßwiderstand ergibt, der ein Maß für den jeweiligen Füllstand darstellt. Der andere Widerstand ist übrigens isoliert und dient zur Temperaturkompensation.

Die mechanischen Meßgeräte sind im Aufbau sowie in der Handhabung häufig recht aufwendig und kompliziert. Der Nachteil der meisten auf elektrischem Wege arbeitenden Geräte ist u. a. darin zu sehen, daß sie nur schwer zu reinigen sind. Somit ergeben sich zwangsweise auch Fehlerquellen. Diese beruhen schließlich auch noch darauf, daß es trotz sorgfältiger Reinigung beispielsweise oft vorkommt, daß Harnkristalle Widerstandswindungen der elektrischen Wider-

jo stände überbrücken und somit Meßfehler hervorrufen.

Es ist auch bekannt (DE-AS 23 05 994), den Füllstand in einem Gefäß durch ein Dielektrikum in Form von Treibstoff oder öl zwischen den Elektroden eines Kondensators und die sich mit dem Füllstand ändernde Kapazität elektrisch zu messen. Die dabei zur Anwendung kommenden Flüssigkeiten sind nicht elektrisch leitend und geben daher auch keinen Anlaß zur elektrischen Überbrückung der Kondensatorelektroden, so daß daher ohne weiteres die mit den Füllstand sich ändernden Kapazitäten zur Messung des Füllstandes heranziehbar sind.

Dem Bekannten gegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Urinströmmenge, die neben einer Dielektrizitätskonstante auch eine elektrische Leitfähigkeit aufweist, durch ein Gerät elektrisch zu messen, welches eine sichere Funktionsweise sowie genaue Messungen gewährleistet und einfach sowie billig im Aufbau und in der Herstellung ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch das

so Kennzeichen des Anspruches 1 gelöst.

Die sich durch die elektrische Leitfähigkeit ergebende Überbrückung der Elektroden mit entscheidender Herabsetzung der Kondensatorkapazität wird durch die Isolierung der einen Elektrode gegenüber der anderen und gegenüber dem zwischen den Elektroden befindlichen Urin verhindert. Auf der anderen Seite führt die elektrische Leitfähigkeit des Urins dazu, daß durch die Isolierung der einen Elektrode die Elektrodenflächen gleichsam näher aneinander gerückt werden, so daß damit neben der Erhöhung der Kapazität und durch das ansteigende Füllvolumen eine zusätzliche Kapazitätserhöhung erreicht wird, womit eindeutige, verstärkte Meßimpulse erzielt werden.
Nach einer weiteren Ausbildung besteht das Gerät nach der Erfindung darin, daß der Kondensator als koaxialer Zylinderkondensator ausgebildet ist, dessen innere Elektrode nach außen hin mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist und daß der zwischen den

beiden Elektroden gebildete freie Ringraum mit dem Meßgefäßfüllraum kommuniziert.

Die im erwähnten Ringraum beim Meßvorgang ansteigende Füllflüssigkeit beeinflußt den Wert des Meßkondensators. Die zeitabhängige Änderung der Kapazität stellt ein Maß für die Volumenfunktion V(t) dar, die schließlich zur Ermittlung des gesuchten Wertes F(t)elektrisch differenziert wird.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine elektrische Schaltung zur Messung und Anzeige von Urinströmungsraten,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform für eine Meßschaltung,

F i g. 3 schematisch die teilweise geschnittene Seitenansicht eines Meßgerätes und

Fig.4 einen Längsschnitt durch einen Teil des Meßgefäßes und des Meßkondensators, und zwar im Bereich des in Fig.3 strichpunktiert angedeuteten Kreisfeldes.

Die zu ermiitelnde Strömungsrate F(t) wird durch Differentiation des jeweiligen Füllvolumens V nach der Zeit t in Form von dV/dt erhalten. Da bei der kapazitiven Messung nach der Erfindung die Kondensatorkapazität C dem Füllvolumen V proportional ist, ist also auch C(t) ein Maß für F(t). Die zeitliche und füllstandsabhängige Änderung der Kapazität C(t) kann man dadurch ermitteln, daß eine elektrische Größe durch die Kapazitätsänderung beeinflußt und ausgewertet wird. Andererseits kann durch die Kapazitätsänderungen auch ein elektrisches Zeitglied beeinflußt werden, an dessen Ausgang Werte C (t) und damit F(t) entsprechende Werte abgenommen werden können. Zwei praktische Beispiele für diese Meßmethoden zeigen die F i g. 1 und 2.

Nach Fig. 1 wird der Meßkondensator 1 von einem Oszillator 2 mit konstanter Wechselspannung gespeist. Der durch den Meßkondensator fließende Strom stellt dann ein meßbares elektrisches Signal dar, das der Volumenfunktion V(t) proportional entspricht. Je größer Cist, desto kleiner ist der kapazitive Widerstand und desto größer ist der fließende Strom. Mittels des Übertragers 3 wird das Signal auf die Sekundärseite des Meßkreises übertragen und dem Verstärker 4 zugeführt.

Die über den Kondensator 5 kommende und am Widerstand 6 stehende Wechselspannung wird durch den Gleichrichter 7 gleichgerichtet, so daß am Meßinstrument 8 eine elektrische Größe angezeigt wird, die der Volunienfunktion V(t) entspricht, wobei vorausgesetzt wird, daß mit Hilfe des regelbaren Eichwiderstandes 9 vorab eine Eichung des Meßinstrumentes unter Einschluß der Meßschaltung durchgeführt wurde, derart, daß ein bestimmtes Füllvolumen im Meßgefäß jeweils einem bestimmten elektrischen Wert am Meßinstrument 8 zugeordnet wird. Die hierzu erforderlichen Maßnahmen sind geläufig und brauchen deshalb nicht näher erläutert zu werden.

Um von V(t) auf F(t)zu kommen, wird nur noch das V(t)-S\gna\ in einem Differenzierkreis 10 differenziert, wobei dann am Meßinstrument 11 die zu ermittelnde Urinströmungsrate F(t) abgelesen werden kann. Dem Differenzierkreis wird ein Schreiber 12 angeschlossen, um eine fortlaufende grafische Aufzeichnung der Strömungsraten über die Meßzeit zwecks späterer Auswertung zu bekommen.

Die Meßschaltung gemäß F i g. 2 arbeitet mit einem Taktgeber in Form eines Impulsgenerators 13, der mit ImDulsen 13a von konstanter Freauenz eine monostabile Kippstufe 14 als Zeitglied ansteuert. Im Zeitkreis dieser Kippstufe liegt der Meßkondensator 15, so daß die Breite der Ausgangsimpulse dieser Stufe in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapazität beeinflußt wird. In diesem Falle werden z. B. die Impulse 14a mit steigender Kapazität länger, wobei allerdings die Pulsfolge konstant und mit den Ausgangssignalen des Generators 13 synchronisiert bleibt.

Die pulsdauermoduüerten Ausgangssignale 14a werden einem Sägezahngenerator 16 zugeführt, der diese Impulse in bekannter Weise in pulsamplitudenmodulierte Signale 16a umwandelt. Diese werden in der Stufe 17 gleichgerichtet und geglättet, und zwar mit Hilfe des Gleichrichters 18 und des Kondensators 19, so daß auch hier wieder eine der Volumenfunktion V(I) proportionale Gleichspannung an einem Meßgerät 20 abgelesen werden kann.

Die Funktion der Urinströmmenge F(t) erhält man durch elektrische Differentiation im Differenzierkreis 21, so daß F(t) dann am Meßinstrument 22 erscheint. Schließlich wird die gesuchte Größe /"^kontinuierlich mittels des Schreibers 23 aufgezeichnet.

Auch in diesem Falle wird übrigens eine entsprechende Eichung erforderlich sein, indem man bestimmte Füllvolumina bestimmten Anzeigewerten zuordnet.

Die Fig.3 zeigt das Bauprinzip des gesamten Gerätes. Es besteht aus einem Meßgefäß 24, dem der Urin über den Trichter 25 zugeleitet wird. Der Meßkondensator 26 ist als koaxialer Zylinderkondensa-

jo tor ausgebildet und steht nach Art einer Meßsonde im Behälter 24, und zwar aus Platzgründen exzentrisch bzw. seitlich zur Mittelachse des Meßgefäßes.

Die äußere Elektrode des Meßkondensators wird durch den Metallzylinder 27 gebildet, während die

j5 innere Elektrode durch den metallischen Zylinder 28 dargestellt wird, der mit einer aus Isoliermaterial, wie etwa Polytetrafluoräthylen, bestehenden Beschichtung 29 gegenüber der äußeren Elektrode 27 und auch gegenüber dem im Meßgefäß 24 befindlichen Urin 30 vollständig isoliert ist. Somit ist eine unmittelbare Überbrückung der Kondensatorzylinder durch die Meßflüssigkeit ausgeschlossen.

Der zwischen beiden Zylindern 27 und 28 befindliche Ringraum 31 kommuniziert über untere öffnungen 32 im Zylinder 27 mit dem übrigen Füllraum des Meßgefäßes, so daß der Füllstand im Ringraum stets dem im Meßgefäß entsprechen wird. Im übrigen hat der Zylinder 27 am oberen Endbereich Öffnungen 33, über die im Ringraum befindliche Luft beim Ansteigen der Flüssigkeit abströmen kann, um so einen ungehinderten Zustrom in den erwähnten Ringraum zu ermöglichen.

Der rohrförmige äußere Zylinder des Meßgefäßes 24, zweckmäßigerweise eine Mensur, steht auf einem vorzugsweise von ihm lösbaren Fuß 34, während die obere Gefäßöffnung mit einem Stopfen bzw. Verschluß 35 abgeschlossen ist, durch den das untere Trichterausflußrohr und der Zylinderkondensator geführt sind. Auf dem oberen Ende des Zylinderkondensators sitzt in einem Gehäuse 36 ein Teil der Meßschaltungen nach den F i g. 1 oder 2. Dieser Schaltungsteil ist über die Leitung 37 mit dem extern gelegenen Differenzierkreis 38 und dem Schreiber 39 verbunden, wobei diese Teile ebenfalls gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht und an einem geeigneten Ort aufgestellt werden können.

Wenn kein Urin als Meßfüllung im Meßgefäß ist, befinden sich zwischen den Zylinderelektroden 27 und 28 Luft und die Beschichtung 29 als Dielektrikum.

Dieser Zustand wird bei der Eichung des Gerätes als Nullstellung mit V(t) = 0 und F(t) = 0 bewertet. Sobald von dem zu untersuchenden Patienten Urin über den Trichter 25 in das Meßgefäß 24 gelangt, wird der Ringraum 31 der Volumenfunktion V(t) entsprechend mit Urin aufgefüllt, wobei der Flüssigkeitsspiegel 30a ansteigt. Hierdurch bedingt wird auch die Kapazität des Meßkondensators 26 größer, weil die zwischen seinen Elektroden aufsteigende Flüssigkeit eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten bewirkt.

Diesem Vorgang überlagert sich im Sinne einer Kapazitätserhöhung ein weiterer Effekt, der dadurch gegeben ist, daß Urin eine elektrisch leitende Flüssigkeit ist. Also wird man davon ausgehen können, daß die wirksamen Elekirodenflächen im Bereich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 30a durch die im Ringraum 31 befindliche Flüssigkeit quasi näher aneinander gerückt werden, da im Prinzip die innere Fläche der Außenelektrode 27 über die leitende Flüssigkeit an den Außenumfang der Beschichtung 29 verlegt wird und da somit der Elektrodenabstand im erwähnten Bereich geringer wird mit der Folge einer höheren Kapazität. Es ist klar, daß diese Überlegungen im wesentlichen nur für den Fall unmittelbar und ideal zutreffen werden, daß die Urinflüssigkeit die gleiche Leitfähigkeit hat wie die Elektrode 27. Auf jeden Fall bedingt aber die steigende Flüssigkeitssäule zwischen den Kondensatorelektroden sowohl eine Kapazitätsänderung durch die Stärkeänderung der Dielektrizitätskonstanten als auch durch ihre reine Leitfähigkeit, die im Grunde genommen zu einer Änderung der Kondensatorgeometrie führt.

Die durch das Eintreten von Urin in das Meßgefäß gegebene Kapazitätsänderung des Meßkondensators wird zur Bestimmung von F(t) ausgewertet, und zwar beispielsweise mit den Schaltungen nach den F i g. 1 und 2.

Zur Reinigung des Gerätes kann beispielsweise zunächst das Meßgehäuse 36 vom oberen Kondensatorende abgenommen werden. Außerdem kann das Ausflußrohr des Trichters 25 aus dem Verschluß 3i gezogen werden, bevor dieser selbst entfernt wird. Dei Kondensator 26 kann dann insgesamt aus den Verschluß 35 herausgenommen werden. Die Innenelek trode 28 läßt sich ebenfalls aus der Außenelektrode 2Ί herausziehen. Die Reinigung kann dann mit bekannter Mitteln auf übliche Weise erfolgen. Der Meßzylindei wird dann nach Abnahme des Verschlusses 3i ausgeschüttet und ebenfalls auf einfache Weise gerei nigt. Da alle diese Teile glatte und ebene Flächen haben wird die Reinigung vollkommen und vor allem einfad sein.

Um den Kondensator beim Vorbereiten eines neuer Meßvorgangs genau an einer bestimmten Stelle in Meßgefäß fixieren zu können, wird zweckmäßigerweisi im Fuß 34 eine nach oben und zum Meßgefäßinnenraun hin gerichtete Ausnehmung vorgesehen, in die da: untere Ende der Elektroden 27 und 28 gesteckt unc festgelegt wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß nebei den beschriebenen elektrischen Meßverfahren natürlicl auch andere Meßprinzipien in Betracht komrnei können. Hierbei wird es sich teilweise um Verfahrei handeln, die auf elektrischem Wege Kapazitätsänderun gen als proportionale Größe zur Volumenfunktioi ermitteln.

Im übrigen ist das beschriebene Gerät auch nicht ai die koaxiale Zylinderform für den Meßkondensato gebunden. Obwohl die dargestellte Ausführungsforn für den Kondensator aus praktischen grwägungen al: optimal anzusehen ist, können beispielsweise aucl Plattenkondensatoren zur Anwendung gelangen, be denen eine Elektrodenplatte mit der erwähntet isolierenden Beschichtung versehen ist. Diese Beschich tung müßte dann allerdings so geschaltet sein, daß sii die eine Elektrode gegenüber der Meßflüssigkeit um auch gegenüber der anderen Elektrode vollständij isoliert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmmengen F(t) unter Verwendung eines Meßgefäßes, dessen jeweiliges Füllvolumen VaIs Funktion V(t) der Zeit / dadurch ermittelt wird, daß im Meßgefäß wenigstens ein elektrischer Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität eine Funktion des zeitabhängigen Füllstandes im Meßgefäß ist und gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (28) des oder der Kondensatoren (26) gegenüber der anderen Elektrode (27) und dem zwischen den Elektroden befindlichen Urin isoliert ist und daß die sich aus dem zeitabhängigen Füllstand des Urins im Meßgefäß ergebende Kapazitätsänderung bei entsprechender Eichung des Gerätes als Maß für die elektrisch zu differenzierende Füllvolumenfunktion herangezogen wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als koaxialer Zylinderkondensator ausgebildet ist, dessen innere Elektrode (28) nach außen hin mit einer isolierenden Beschichtung (29) versehen ist und daß der zwischen beiden Elektroden gebildete freie Ringraum mit dem Meßgefäßfüllraum kommuniziert.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (1) über einen Oszillator (2) mit Konstantspannung gespeist wird und daß der durch den Kondensator (1) fließende, die Volumenfunktion V(O beinhaltende Strom elektrisch differenziert wird.

4. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das am Kondensator (1) mittels eines Übertragers (3) abzunehmende Wechselstromsignal über einen Verstärker (4) geleitet und anschließend gleichgerichtet wird und daß das gleichgerichtete Signal einem Differenzierkreis (10) mit angeschlossenem Strömungsanzeiger (11) und/ oder -schreiber (12) zugeleitet wird.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsänderungen ein durch Steuerimpulse angesteuertes Zeitglied beeinflussen, dessen Ausgangsimpulse als Maß für die elektrisch zu differenzierende Volumenfunktion V(O herangezogen werden.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Impulsgenerator (13) mit konstanter Impulsfrequenz eine monostabile Kippstufe (14) als Zeitglied ansteuert, daß die am Ausgang des Zeitgliedes abzunehmenden und in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen pulsdauermodulierten Signale über einen Sägezahngenerator (16) in amplitudenmodulierte Signale umgewandelt werden und daß die amplitudenmodulierten Signale zur Bildung einer V(t) entsprechenden Gleichspannung U(t) gleichgerichtet und elektrisch differenziert werden.