DE2732622A1

DE2732622A1 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung des fliesszustandes einer fliessfaehigen substanz

Info

Publication number: DE2732622A1
Application number: DE19772732622
Authority: DE
Inventors: Marco Brandestini; Hermann Lipp
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1977-01-13
Filing date: 1977-07-19
Publication date: 1978-07-20
Also published as: FR2377628A1; NL7708036A; GB1594891A; CH610111A5; FR2377628B1; DE2732622B2; US4112740A; AT357807B; ATA483877A; SU689630A3; BE857638A; IT1088792B; CA1074002A; SE7709041L; JPS5389785A; DE2732622C3; SE438913B

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Dr. rer. not. W. KÖRBER

Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS

PATENTANWÄLTE

- G-

CONTRAVES AG

Schaffhauserstr.

CH-8o52 Zürich / Schweiz

D-8C00 MÖNCHEN 22 Steinsdorfstroße 10 ^ (039) ' 29 66 8*

19. Juli 1077

Patentanmeldung

Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung des Fließzustandes einer fließfähigen Substanz

809829/0557

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feststellung des Fließzustandes einer fließfähigen Substanz durch Senden von Ultraschallwellen konstanter Frequenz auf einen räumlichen Bereich der Substanz, Empfangen von an der Substanz gestreuten Ultraschallwellen, Wandeln derselben in ein entsprechend der Streuung amplituden- und phasenmoduliertes Primärsignal und Demodulieren des Primärsignals zur Gewinnung eines Modulationssignals, das in ein Spektrum von Signalkomponenten unterschiedlicher Frequenz zerlegbar ist und Pseudoperioden aufv/eist, die als Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden und einander entsprechenden Augenblickswerten des Modulationssignals definiert sind, sowie auf eine Vorrichtung zur Feststellung des Fließzustandes einer fließfähigen Substanz, mit einem Signalgenerator zum Erzeugen eines Bezugssignals konstanter Frequenz, einem dem Signalgenerator nachgeschalteten Ultraschallsender zum Senden von dem Bezugssignal entsprechenden Ultraschallwellen auf einen räumlichen Bereich der Substanz, einem Ultraschallempfänger zum Empfangen von an der Substanz gestreuten Ultraschallwellen und zum Wandeln derselben in ein entsprechend der Streuung amplituden- und phasenmoduliertes Primärsignal, einem Demodulator zur Gewinnung eines Modulationssignals aus dem Primärsignal und einem Analysator zum Wahrnehmen von Signalkompononten des Modulationssignals.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind bereits aus der Mitteilung von Shung, Sigelmann und Schmer in

"IEEE Transactions on Biomedical Engineering" BME-22/4 (No.6/1975) pp. 334-337 bekannt, und zwar im Zusammenhang mit einer Bestimmung der Gerinnungszeit von Blut. Es wurden Ultraschallwellen sowohl an Blutproben als auch an Plasmaproben

809829/0557

gestreut, was zeigt, daß die Ultraschallwellen nicht ausschließlich von Blutkörperchen, sondern auch von andersartigen Inhomogenitäten der Probeflüssigkeit gestreut v/erden, beispielsweise von Mizellen, nichteunterschieden und dgl. Bei der gewählten Ultraschallfrequenz bewirkt jede inkohärente, beispielsweise durch einen Turbulenzzustand, durch Konvektion oder durch die Brownsche Bewegung verursachte Bewegung der untersuchten Probenflüssigkeit eine Modulation der gestreuten Ultraschallv/ellen, und zv/ar eine zufallsbeherrschte Amplituden- und Phasenmodulation mit je einer statistischen Verteilung nach Rayleigh. Aus der genannten Veröffentlichung ist bekannt, Amplitudenwerte eier gestreuten Ultraschallwellen als quadratischen Mittelwert zu erfassen, d.h. es wird die über eine vorbestimmte Zeitdauer ermittelte Intensität der gestreuten Ultraschallwellen gemessen. Wenn in der Probenflüssigkeit keine

inkohärenten Bewegungen auftreten, ist die gemessene Intensität im wesentlichen konstant, ihr Wert entspricht der Streuung der Ultraschallv/ellen durch die stillstehende Probenflüssigkeit und ist deswegen nicht gleich Null. Wenn hingegen inkohärente Bewegungen in der Probenflüssigkeit auftreten, schwankt die Intensität der gestreuten Ultraschallwellen um einen Mittelwert.

Bei dor bekannten Meßmethode ist nachteilig, daß der Zeitpunkt »inoG Unachl ;κ;;->π vom inkohärenten 7.un kohärenten Fliesszustand nur ungenau bestimmbar ist; übrigens wird dies in der genannten Veröffentlichung ausdrücklich erwähnt. Bei der Bildung des Intonsitätswertes als quadratischen Mittelwert der

809829/0557

Amplitude findet cine Unterdrückung von hohen Frequenzen statt, die nicht mehr rückgängig zu machen ist: dadurch wird eine Unscharfe der Zeitbestimmung in die Messmethode eingebaut, und diese Unscharfe ist ein Hindernis für eine Automatisierung der Messmethode; in der genannten Veröffentlichung wird keine Lösung zur Ueberwindung dieses Hindernisses vorgeschlagen.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Messmethode überwindet und zudem eine Automatisierung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs genannten Art gekennzeichnet durch die im Verfahrensanspruch angegebenen Massnahmen, während eine Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Vorrichtungsanspruch angegebenen Massnahmen gekennzeichnet ist. Vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

809829/0557

IP

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Ausbildung einer Vorrichtung zur Feststellung eines Fliesszustandes einer Substanz;

Fig. 2 eine schematisch dargestellte Ausbildung eines in Fig. 1 dargestellten Analysators;

Fig. 3 Ladungskurven eines in Fig. 2 dargestellten Integrators;

Fig. H eine schematisch dargestellte Ausführungsvariante eines Analysators; und

Fig. 5 eine schematisch dargestellte Ausführungsvariante der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

In der gesamten Zeichnung sind einander entsprechende oder äquivalente Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Behälter 1 für eine fliessfühige Substanz 2, deren Fliesszustand festzustellen ist. Es handelt sich beispielsweise um Blut in einer Küvette, wobei festzustellen ist, ob das Blut gerinnt bi".w. geronnen ist,. Iv; kann .-,ich abt.-r auch um Substanzen handeln, die fliessfähig aber nicht flüssig sind, beispielsweise um ein in der chemischen Industrie verwendetes Fluidat in einem Wirbelbettreaktor, wobei festzustellen ist, ob da:. Fluidat vorhanden ist, d.h. ob Gas und Feststoffteilchen

Β09829/Π557

ein turbulentes, mikroskopisch-inhomogenes aber makroskopisch-homogenes Gemisch bilden oder ob sich eine ruhende Schicht von Feststoffteilchen gesetzt hat. Ganz allgemein handelt es sich um Substanzen mit mikroskopischen Inhomogenitäten, deren Verteilung - makroskopisch betrachtet homogen oder inhomogen sein kann bzw. einen Ruhe- und einen Bewegungszustand aufweisen kann.

Ein Ultraschallsender 3 ist am Behälter 1 angeordnet. Ein

konstanter Frequenz Signalgenerator ¹J erzeugt ein Bezugssignal/zur Ansteuerung des Senders 3, das letzterem über eine Leitung 5 eingegeben wird. Der Sender 3 erzeugt einen Strahl von Ultraschallwellen, die mit dem welligen Pfeil 6 symbolisiert werden, während der Strahl symbolisch durch die gestrichelten Linien 7 und 8 abgegrenzt ist. Ein Ultraschallempfänger 9 ist am Behälter 1 so angeordnet, dass er von durch die Substanz 2 gestreuten, mit dem welligen Pfeil 10 symbolisierten Ultraschallwellen, jedoch nicht von den gesendeten Ultraschallwellen 6 getroffen wird. Der Empfänger 9 gibt auf einer Ausgangsleitung 11 ein Primärsignal ab. Das Bezugssignal wird also in gesendete U]trascha]]wellen gewandelt, und die gestreuten Ultraschallwellen werden in das Primärsignal gewandelt. Die nötigen Massnahmen zur Kopplung des Sender.". 3 und des Empfängers 9 mit der Substanz 2 durch den Behälter 1 hindurch sind wohlbekannt und werden daher nicht angedeutet. Im beschriebenen

809829/0557

Beispiel sind das Bezugssignal und das Primärsignal elektrische Signale, deren Eingabe bzw. Ausgabe bekannte Anpassungsmassnahmen wie Impedanzwandlung, Verstärkung und dergleichen erfordert, die ebenfalls nicht angedeutet werden; es besteht aber keine prinzipielle Beschränkung auf elektrische Signale, sofern andersartige Signale bzw. andersartige Signalübertragungen brauchbar sind, die beispielsweise zum Bereich der Optik, der Akustik oder der Mechanik gehören.

Wie bereits erwähnt, wird die Streuung der Ultraschallwellen 6 durch die Inhomogenitäten der Substanz 2 von statistischen Gesetzen beherrscht: das Primärsignal ist entsprechend der Streuung amplituden- und phasenmoduliert. Ist die Substanz 2 im Ruhezustand, so ist die Modulation gleich Null. Bei einer Flüssigkeit sind allerdings die Brownsche Bewegung und die Konvektion zu berücksichtigen: Teilchensuspensionen, Emulsionen und dergleichen können deshalb auch im "Ruhezustand" eine Modulation des Primärsignals bewirken, diese weist aber in bezug auf Amplituden und Frequenzen ein Spektrum auf, das unterscheidbar ist vom Spektrum, das einem Bewegungszustand zugeordnet ist. Zur Feststellung des Fliesszustandes der Substanz 2 ist also eine Spektralanalyse der Modulation des Primärsignals durchzuführen. Zu diesem Zweck wird vorerst die Modulation des Primärsignals in einem Demodulator 12 gewonnen und als Modulationssignal auf eine Leitung 13

809829/0567

abgegeben: im beschriebenen Beispiel ist der Demodulator 12 ein Phasendetektor, dem das Primärsignal über die Leitung 11 und das Bezugssignal über eine Abzweigung der Leitung 5 zugeführt werden. Eine besonders günstige Ausführung des Demodulators 12 als Phasendetektor besteht aus einem Feldeffekttransistor mit zwei Steuerelektroden ("dual-gate MOS-FET"), die von je einem Signal aus den Leitungen 5 und 1 gespeist werden; eine derartige Ausbildung ist wohlbekannt und braucht nicht näher gezeichnet oder beschrieben zu werden. Es wäre auch möglich, anstelle der so gewonnenen Phasenmodulation die Amplitudenmodulation zu gewinnen und ebenfalls so zu verarbeiten, wie im nachstehenden beschrieben wird.

Das auf die Leitung 13 abgegebene Modulationssignal wird einem Analysator I¹I zugeführt. Darin wird zunächst festgestellt, welche Zeitdauer für eine vorbestimmte Anzahl Pseudoperioden des Modulationssignals benötigt wird, was einer Bestimmung der mittleren Frequenz des Spektrums des Modulationssignals äquivalent ist. Anschliessend wird auf einer Ausgangsleitung 15 des Analysators I¹I ein Analysatorsignal abgegeben, wenn die festgestellte Zeitdauer eine vorbestimmte Zeitdauer überschreitet oder, wahlweise, unterschreitet. Auf bekannte

λ. Weise könnte dies durch Vergleich der Zählerstände von Zählern für die Pseudoperioden und für Zeitimpulse bewerkstelligt werden; es wird jedoch eine andere, besonders günstige Ausbildung im nachfolgenden beschrieben.

809829/0567

Diese besonders günstige Ausbildung des Analysators 1Ί der Fig. 1 wird in Fig. 2 dargestellt, in welcher die Leitungen 13 und 15 der Fig. 1 eingezeichnet sind. Das Modulationssignal wird durch die Leitung 13 einem Detektor 20 zugeführt, der auf einer Leitung 21 ein Detektorsignal abgibt, wenn das Modulationssignal einen vorbestimmten Augenblickswert erreicht. Der Detektor 20 ist beispielsweise ein als Nullwertdetektor wirkender Schmitt-Trigger, der ein Detektorsignal abgibt, wenn das Modulationssignal einen Nulldurch gang von einem negativen zu einem positiven Wert aufweist. Falls der Mittelwert des Modulationssignals nicht gleich Null ist, oder falls das Detektorsignal nicht beim Nulldurchgang des Modulationssignals, sondern bei einem anderen Wert erzeugt werden soll, kann der Arbeitspunkt des Schmitt-Triggers auf bekannte Weise verschoben werden; auch könnte als Detektor 20 ein an sich bekannter Spitzenwert-Detektor verwendet werden, um das Detektorsignal zu erzeugen, wenn das Modulationssignal ein Maximum oder, wahlweise, ein Minimum erreicht. Das Detektorsignal wird durch die Leitung 21 einem Impulsgeber 22 zugeführt, der jeweils auf einer Leitung 23 einen Impuls abgibt, wenn ein Detektorsignal eintrifft; sowohl die Höhe als auch die Dauer des Impulses ist vorbestimmt, es wird somit eine Impulsfolge von einander gleichen Impulsen gebildet. Die Dauer der Impulse wird so gewählt, dass sie viel kürzer ist als die Dauer der Pseudoperioden, deren Vorkommen im Modulationssignal auszuwerten

809829/0557

ist; für kürzere Pseudoperioden wird nämlich nur mehr das Vorkommen selbst festgestellt, die Auswertung wird aber gesättigt und gibt dann eine maximale Vorkommensrate an, weil nämlich der zeitliche Abstand der Impulse verschwindend klein wird. Im Normalfall, wo der Abstand zwischen Impulsen wesentlich grosser ist als die Dauer eines Impulses, stellt die Anzahl der während einer vorbestimmten Zeitdauer erzeugten Impulse einen Mittelwert der im Prequenzspektrum des Modulationssignals vorkommenden Frequenzen dar; auch erfüllt die beschriebene Vorrichtung den Zweck, einen Einfluss der Amplitude der Signalkomponenten auf die Auswertung auszuschliessen.

Durch die Leitung 23 wird die Impulsfolge einem Integrator 24 zugeführt, der sowohl mit einer Ladungs-Zeitkonstante als auch mit einer Selbstentladungs-Zeitkonstante versehen ist. In Fig. 2 wird davon ausgegangen, dass die Signale an einem Eingang 25 und an einem Ausgang 26 des Integrators 2Ί beide in bezug auf das Massepotential definiert sind; zwischen dem Eingang 25 und dem Ausgang 26 ist ein Widerstand 27 geschaltet, während ein Widerstand 28 und ein Kondensator 29 parallel zwischen dem Ausgang 26 und Masse geschaltet sind. Die Ladungs-Zeitkonstante ist gleich dem Produkt der Werte des Widerstandes 27 und des Kondensators 29, während die Selbstentladungs-Zeitkonstante gleich dem Produkt der

809829/0557

Werte des Widerstandes 28 und des Kondensators 29 ist. Beim Eingeben einer Impulsfolge auf den Integrator 2k entsteht eine Wechselwirkung zwischen den beiden Zeitkonstanten, dem momentanen und dem mittleren Abstand der Impulse; als Ergebnis dieser Wechselwirkung erscheint am Ausgang 26 des Integrators 2k eine Spannung, die über eine Leitung 30 einem Vergleicher 31 zugeführt wird. Diesem wird noch eine vorbestimmte Spannung, die einen vorbestimmten Schwellenwert darstellt, über eine Leitung 32 zugeführt. Der Vergleicher 31 gibt auf die Ausgangsleitung 15 ein Analysatorsignal ab, wenn die Spannung auf der Leitung 30 die Spannung auf der Leitung 32 überschreitet oder, wahlweise, unterschreitet; dieses Analysatorsignal dient der Feststellung des Fliesszustandes der Substanz 2, wie im nachfolgenden erläutert wird.

In Fig. 3 ist der Verlauf der Spannung Vp,- am Ausgang des Integrators 2k als Funktion der Zeit t abgebildet. Die Ladungs-Zeitkonstante T, ist grafisch dargestellt, sowie je eine, auf eine zugeordnete Kurve A bzw. B bezogene Selbstentladungs-Zeitkonstante T_. bzw. T„ . Es wird angenommen, dass eine Impulsfolge auf den Integrator 2k eingegeben wird, die aus Impulsen besteht, deren Höhe gleich einen Wert von lOOj gesetzt wird, und die während jeweils einer Zeitkonstante T, je 5 Impulse und 5 Intervalle von gleicher Dauer

809829/0557

T./10 enthält; dies würde einem Modulationssignal entsprechen, das lediglich die Signalkomponente von Frequenz 5/T. enthält. Es ist ersichtlich, dass die Spannung V_g im Laufe der Zeit einen konstanten Mittelwert erreicht, um den sie im Takt der Impulse schwankt. Falls, wie eingezeichnet, ein Schwellenwert bei 66% der Impulshöhe gesetzt wird, wird dieser Schwellenwert von der Kurve B nach 12 Impulsen überschritten, von der Kurve A wird er niemals überschritten. Bei gleichbleibenden Zeitkonstanten bewirkt eine Erhöhung der Wiederholungsfrequenz der Impulse eine Verkürzung der Zeitabschnitte, während deren sich der Kondensator 29 entladen kann und die Spannung V„g zurückfällt: folglich wird der Kondensator 29 schneller geladen, und die entsprechende Ladungskurve liegt oberhalb der Kurve B. Wenn die Impulse praktisch lückenlos aneinander anschliessen, geht die Ladungskurve in eine exponentielle Ladungskurve über; es kann jeder vorbestimmte Schwellenwert mit Ausnahme von 100% erreicht und überschritten werden, aber die dazu benötigte Zeit ist dann vorbestimmt und nicht mehr von der Wiederholungsfrequenz der Impulse abhängig, was im vorangehenden als Sättigung bezeichnet wurde. Wenn hingegen die Wiederholungsfrequenz der Impulse niederiger wird, wird der Kondensator 29 langsamer geladen, und die entsprechende Ladungskurve liegt unterhalb der Kurve B: der Schwellenwert von 66% wird später erreicht. Es lässt sich berechnen, dass bei periodisch wiederkehrenden Impulsen von Impulsdauer T,/10

809829/0557

(wie in Fig. 3) und mit denselben Zeitkonstanten T₁ und T_ wie in Fig. 3 der Schwellenwert von 66% nicht erreichbar ist, wenn der Abstand zwischen den Impulsen länger wird als etwa Tpg/20, d.h. wenn die Wiederholungsfrequenz der Impulse niedriger wird als etwa 2,86/T,. Eine derartige Schlussfolgerung ist auf statistisch eintreffende Impulse ebenfalls anwendbar, vorausgesetzt, die Dauer eines Impulses sei wesentlich kurzer als die Ladungs-Zeitkonstante des Integrators und der Abstand zwischen den Impulsen sei wesentlich kürzer als die Selbstentladungs-Zeitkonstante des Integrators, wobei unter "wesentlich" beispielsweise ein Faktor 100 zu verstehen ist: sind nämlich diese Voraussetzungen erfüllt, so kann mit Mittelwerten gerechnet werden. Es ist ersichtlich, dass bei der beschriebenen Ausbildung des Analysators 14 die mittlere Wiederholungsperiode der Impulse mit einem vom Schwellenwert bestimmten Anteil der Selbstentladungs-Zeitkonstante verglichen wird, was nichts anderes ist als der Vergleich zweier Zeitintervalle: die eine Zeitdauer ist die mittlere Zeitdauer einer Pseudoperiode und kann ebensogut als die einer vorbestimmten Anzahl Pseudoperioden des Modulationssignals entsprechende Zeitdauer betrachtet werden, die andere Zeitdauer ist durch die Wahl der Impulsdauer und der beiden Zeitkonstanten bestimmt und kann daher selbst als vorbestimmt betrachtet werden. Die mit dieser Ausbildung erreichte Bestimmung eines Frequenzmittelwertes ist zwar nicht

809829/0557

so präzis wie eine echte Zählung von Pseudoperioden während einer abgezählten Zeit, sie genügt aber vollauf für die Peststellung eines Fliesszustandes und wird auf sehr wirtschaftliche Weise erreicht.

Zur Peststellung des Zeitpunktes, an dem die Substanz 2 von einem "Ruhezustand" in einen "Fliesszustand" übergeht, ist der Analysator 14 mit solchen Kennwerten zu versehen, mit denen ein Ueberschreiten des Schwellenwertes durch den Ladungszustand des Integrators von relativ hochfrequenten Signalkomponenten des Modulationssignals, jedoch nicht von relativ niederfrequenten Signalkomponenten bewerkstelligt wird. Beispielsweise können für Blut oder Serum Kennwerte gewählt werden, mit denen 50 Impulse in 0,5 Sekunden erforderlich sind, um ein Analysatorsignal zu erzeugen; die ruhende Probenflüssigkeit erzeugt dann kein Analysatorsignal,während eine Injektion von Thrombin-Lösung eine Turbulenz verursacht und das Analysatorsignal auslöst.

Zur Peststellung des Zeitpunktes, an dem die Substanz 2 von einem Fliesszustand in einen Ruhezustand übergeht, ist der Analysator mit Kennwerten zum Erreichen der umgekehrten Funktionsweise zu versehen. Beim gerinnenden Blut oder Plasma verschwinden nicht nur die Turbulenz und die Konvektion, sondern auch ein Teil der Brownschen Bewegung; wenn zudem, wie im nachstehenden beschrieben wird, zur Unterdrückung von

809829/0557

Störeinflüssen niederfrequente Signalkomponenten unterhalb von etwa 3 Hz unterdrückt werden, so ist das Analysatorsignal auszulösen, wenn kein Impuls während einer vorbestimmten Zeitdauer eingetroffen ist. Zu diesem Zweck ist der Integrator mit einer Ladungs-Zeitkonstante zu versehen, die in derselben Grössenordnung liegt wie die Impulsdauer, so dass jeder Impuls den Integrator bis über den Schwellenwert auflädt; nach dem Eintreffen eines Impulses entlädt sich der Integrator, und wenn bis zum Unterschreiten des Schwellenwertes kein weiterer Impuls eingetroffen ist, wird das Analysatorsignal ausgelöst. Die vorbestimmte Zeitdauer ist hier die zur Entladung des Integrators vom Ladungswert bis zum Schwellenwert benötigte Zeitdauer, beispielsweise 0,5 Sekunden. Zur Feststellung des Zusammenbrechens eines Fluidats ist kein Sieben des Modulationssignals bei 3 Hz erforderlich, weil hier die Feststoffteilchen entweder sich im aufgewirbelten Zustand befinden oder eine stillstehende Schicht bilden, die kein Modulationssignal erzeugt.

Zur Bestimmung der Gerinnungszeit von Blut ist eine Zeitzählung zu starten, wenn die Injektion von Thrombin den Gerinnungsvorgang auslöst und gleichzeitig eine Turbulenz der Probenflüssigkeit verursacht, während die Zeitzählung zu stoppen ist, wenn die Gerinnung erfolgt ist und dadurch die Flüssigkeit wieder zum Stillstand gebracht wird. Eine günstige Ausbildung der entsprechenden Vorrichtung wird in Fig. ¹I

809829/0557

gezeigt, in welcher dieselben Elemente 13, 20, 21, 22 und 23 wie in Fig. 2 eingezeichnet sind. Das von der Leitung 13 geführte Modulationssignal wird also wie in Fig. 2 dem Nullwertdetektor 20 zugeführt, welcher über die Leitung 21 den Impulsgeber 22 bei jedem gleichartigen Nulldurchgang des Modulations signals ansteuert, so dass die Leitung 23 eine Impulsfolge führt, die dem Modulationssignal entspricht. Es werden zwei Integratoren 2¹IA und 2¹JB vorgesehen, von denen jeder die gleiche Struktur aufweist wie der Integrator 2k der Fig. 2; es braucht aber etwa 50 Impulse in 0,5 Sekunden, um den Integrator 24A auf 66ί einer Impulshöhe zu laden, während der Integrator 24B mit einem einzigen Impuls auf ca. 63Ϊ der Impulshöhe geladen wird.Beide Integratoren entladen sich um etwa 63* in 1 Sekunde. Die Integratoren 24A und 24B sind mit je einer Ausgangsleitung 30A bzw. 30B versehen, welche den Ladungszustand des entsprechenden Integrators je einem Eingang 40A bzw. 40B eines zweifachen Vergleichers Il zuführen. Der Vergleicher 41 ist ein handelsübliches Element mit einem Ausgang 42: dieser Ausgang 42 führt anfänglich keine Spannung; im Moment, wo die dem Eingang ¹IOA zugeführte Spannung einen ersten Schwellenwert von 66< einer Impulshöhe überschreitet, führt der Ausgang 42 eine Spannung, und zwar solange, bis die dem Eingang ¹IOB zugeführte Spannung einen zweiten Schwellenwert von 33* einer Impulshöhe unterschreitet, worauf die Spannung am Ausgang 42 wieder auf Null zurückkehrt. Die Spannung am Ausgang 42 bildet .ein Analysatorsignal, das durch

809829/0557

die Leitung 43 einem Zeitzähler 44 zugeführt wird und diesen steuert: es wird die Zeit gemessen, während der eine Spannung durch die Leitung 43 geführt wird. Es ist ersichtlich, dass die Zeitzählung anfängt, sobald etwa 50 Impulse in 0,5 Sekunde erzeugt werden, und dass die Zeitzählung endet, wenn in etwa 0,5 Sekunde kein Impuls erzeugt wurde. Die beiden Zeitverzögerungen um ca. 0,5 Sekunde beim Starten und beim Stoppen der Zeitzählung kompensieren einander weitgehend, und es besteht zudem die Möglichkeit, dem Zeitzähler einen Korrekturbetrag einzugeben, was erlaubt, die benötigte Präzision der Messmethode bei weitem zu erreichen.

In Fig. 5 ist eine Ausbildungsvariante der Vorrichtung gemäss Fig. 1 mit einer Abtastschaltung für das Modulationssignal dargestellt. Das Modulationssignal muss abgetastet werden, wenn der Ultraschallsender im Pulsbetrieb gesteuert wird, beispielsweise zur Schonung des Senders bei hohen Intensitäten oder zur Verwendung desselben Wandlers zum Senden und zum Empfangen. Zudem, und wie aus der genannten Veröffentlichung bekannt, ermöglicht eine Synchronisierung der Abtastung mit dem Takt der Ultraschallpulse eine selektive Auswertung der Streuung der Ultraschallwellen und somit eine Untersuchung eines vorbestimmten und räumlich beschränkten Bereiches der Substanz. In Fig. 5 sind Elemente der Fig. 1 eingezeichnet; die Leitung 13 zwischen dem

809829/0557

Phasendetektor 12 und dein Analysator I¹I wird in Fig. 5 durch zwei Leitungen 50 und 51 ersetzt. Die Leitung 50 verbindet den Ausgang des Phasendetektors 12 mit einem Eingang einer Abtastschaltung 52, welche an sich bekannt ist und grundsätzlich wie ein Schalter wirkt, der nur während kurzen, periodisch wiederholten Zeitabschnitten geschlossen ist und dabei die Leitung 50 mit einer Leitung 53 verbindet. Auf der Leitung 53 erscheint eine Folge von Abtastwerten der auf der Leitung 50 geführten Phasenmodulation des Primärsignals. Diese Folge von Abtastwerten wird über ein Filter 51» zur Leitung 51 geführt und dadurch dem Analysator 14 eingegeben. Die Abtastfrequenz, d.h. der Takt der Abtastung, wird durch eine Steuervorrichtung 55 gesteuert, die zu diesem Zweck über eine Leitung 56 mit der Abtastschaltung verbunden ist. Die Steuervorrichtung 55 ist auch noch über eine Leitung 57 mit dem Signalgenerator H verbunden, um diesen im Pulsbetrieb zu steuern. Auf diese Weise sind die Pulse der Ultraschallwellen mit dem Takt der Abtastung synchronisiert, derart, dass die Abtastwerte der Phasenmodulation einer genau vorbestimmten Laufzeit der Ultraschallwellen, d.h. einem räumlich beschränkten Bereich der zu untersuchenden Substanz entsprechen. Das Filter 5*1 ist ein Bandpassfilter, das einerseits die Abtastfrequenz und andererseits konstantbleibende Abtastwerte unterdrückt. Zu diesem Zweck wird das Bandpassfilter 5Ί mit je einer unteren und einer oberen Grenzfrequenz versehen. Beispielsweise kann

809829/0557

bei einem Pulsbetrieb und einer Abtastfrequenz von 2000 Hz die untere Grenzfrequenz bei etwa 3 Hz und die obere Grenzfrequenz bei etwa 300 Hz gesetzt werden: auf der Leitung 51 am Ausgang des Filters 5^ erscheint dann ein Modulationssignal, dessen Zeitverlauf eine Umhüllende der Abtastwerte der Phasenmodulation ist, wobei gleichbleibende oder langsam ändernde Werte unterdrückt werden. Die angegebenen Grenzfrequenzen sind besonders für die Bestimmung der Gerinnungszeit von Blut geeignet; der obere Grenzwert ist hoch genug, um eine deutliche Unterscheidung zwischen dem flüssigen und dem geronnenen Zustand zu gewährleisten, während er auch tief genug ist, um mit brauchbaren Werten der Impulsdauer und der Integratoren-Zeitkonstanten eine Sättigung der Auswertung noch mit Sicherheit auszuschliessen; der untere Grenzwert ist tief genug, um die Erfassung der Brownschen Bewegung und/oder der Konvektion noch zu ermöglichen, während er auch hoch genug ist, um Störungen der Bestimmung durch äussere Einflüsse wie leichte Erschütterungen des Gerätes durch Bewegungen der Bedienungsperson, Strassenlärm u. dergl. zu vermeiden. Zudem bewirkt die Unterdrückung von Frequenzen unterhalb des unteren Grenzwertes auch die Unterdrückung von gleichbleibenden Signalen, die beispielsweise von Echos an den Wandungen des Behälters 1 oder vom elektrischen Uebersprechen zwischen dem Sender und dem Empfänger verursacht werden: es werden nur Echos von sich bewegenden

809829/0557

Ultraschallstreuern verarbeitet. Die Unterdrückung von Frequenzen unterhalb eines unteren Grenzwertes und die richtige Pestsetzung dieses unteren Grenzwertes aufgrund physikalischer Erkenntnisse ist somit eine Massnahme, die einen entscheidenden Beitrag zur Anwendbarkeit des Verfahrer und der Vorrichtung liefert.

Der Patentanwalt

809829/0557

eerse ite

Claims

Patentansprüche

Θ Verfahren zur Feststellung des Fliesszustandes einer

fliessfähigen Substanz durch Senden von Ultraschallwellen

konstanter Frequenz
/auf einen räumlichen Bereich der Substanz, Empfangen von an der Substanz gestreuten Ultraschallwellen, Wandeln derselben in ein entsprechend der Streuung amplituden- und phasenmoduliertes Primärsignal und Demodulieren des Primär signals zur Gewinnung eines Modulationssignals, das in ein Spektrum von Signalkomponenten unterschiedlicher Frequenz zerlegbar ist und Pseudoperioden aufweist, die als Zeitabstand zwischen aufeinanderfolgenden und einander entsprechenden Augenblickswerten des Modulationssignals definiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die einer vorbestimmten Anzahl Pseudoperioden entsprechende Zeitdauer mit einer vorbestimmten Zeitdauer verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit der Zeit abnehmendem Mittelwert der Pseudoperioden ein erster Zeitpunkt festgestellt wird, an dem die Zeitdauer der vorbestimmten Anzahl Pseudoperioden kurzer wird als eine erste vorbestimmte Zeitdauer.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit der Zeit zunehmendem Mittelwert der Pseudoperioden ein zweiter Zeitpunkt festgestellt wird, an dem solche Pseudoperioden, deren Dauer· kürzer ist als der Kehrwert

009829/0557

QMQfNAL INSPECTED

einer vorgegebenen Grenzfrequenz, während einer zweiten vorbestimmten, am zweiten Zeitpunkt endenden Zeitdauer völlig ausgeblieben sind.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3> dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitzählung am ersten Zeitpunkt gestartet und am zweiten Zeitpunkt gestoppt wird.
5- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Impuls jeweils beim Vorkommen eines vorbestimmten Augenblickswertes des Modulationssignals erzeugt wird, mindestens eine von den Impulsen gebildete Impulsfolge unter Mitwirkung von Ladungs- und Entladungs-Zeitkonstanten integriert wird und ein Ergebnis der Integration mit einem Schwellenwert verglichen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmte Augenblickswert ein Nulldurchgang des Modulationssignals ist.
7- Verfahren nach den Ansprüchen ^ und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Integrationen derselben Impulsfolge parallellaufend durchgeführt werden und dass die Zeitzählung gestartet wird, wenn das Ergebnis der einen Integration einen ersten Schwellenwert überschreitet, worauf die Zeitzählung gestoppt wird, wenn das Ergebnis der anderen Integration einen zweiten Schwellenwert unterschreitet,

809829/055?
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daoc Phasenwerte des Primärsignals zur Gewinnung einer Phasenmodulation des Primärsignals demoduliert werden und dass ein der Phasenmodulation entsprechendes Modulationssignal gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenmodulation mit einer periodischen Abtastfunktion von vorgegebener Abtastfrequenz multipliziert und das Ergebnis gesiebt wird, um sowohl die Abtastfrequenz als auch konstantbleibende Abtastwerte zu unterdrücken und ein die Abtastwerte der Phasenmodulation umhüllendes Modulationssignal zu gewinnen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschallwellen in periodisch wiederholten Pulsen synchron mit der Abtastfunktion gesendet werden.
11. Vorrichtung zur Feststellung des Fliesszustandes einer

fliessfähigen Substanz, mit einem Signalgenerator zum Erkonstanter Frequenz zeugen eines Bezugssignals/ einem dem Signalgenerator nachgeschalteten Ultraschallsender zum Senden von dem Bezugssignal entsprechenden Ultraschallwellen auf einen räumlichen Bereich der Substanz, einem Ultraschallempfänger zum Empfangen von an der Substanz gestreuten Ultraschallwellen und zum Wandeln derselben in ein entsprechend

809829/0557

der Streuung amplituden- und phasenmoduliertes Primärsignal, einem Demodulator zur Gewinnung eines Modulationssignals aus dem Primärsignal, und einem Analysator zum Wahrnehmen von Signalkomponenten des Modulationssignals, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Analysators (14) mit einem Detektor (2o), der jeweils beim Vorkommen eines vorbestimmten Augenblickswertes des Modulationssignals ein Detektorsignal abgibt, einem dem Detektor nachgeschalteten Impulsgeber (22), der jeweils bei Erhalt eines Detektorsignals einen vorbestimmten Impuls abgibt, und mindestens einer dem Impulsgeber nachgeschalteten, aus einem mit Ladungs- und Entladungs-Zeitkonstanten versehenen Integrator (24; 24Λ, 24B) und einem diesem nachgeschalteten Vergleicher (31; 41) bestehenden Analysiervorrichtung zum Integrieren einer von den Impulsen gebildeten Impulsfolge, zum Vergleichen des Ergebnisses der Integration mit einem vorbestimmten Schwellenwert und zur Abgabe eines Analysatorsignals beim Vorliegen eines bestimmten Ergebnisses des Vergleiches.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Analysators (14) mit zwei Analysiervorrirhtungnn (24.A, 24B) und oinen Zeitzähler (44), dor den jeweiligen Vergleichern (41) der Analysiervorrichtungen nachgeschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Detektors (2o) als Nullwertdetektor zum

809829/0557

Feststellen eines Nulldurchganges des Modulationssignals.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Demodulators (12) mit einem Phasendetektor, der mit je einem Eingang zur Eingabe des Bezugssignals und des Primärsignals versehen ist, und mit einem Ausgang zur Abgabe eines der Phasenmodulation des Primärsignals entsprechenden Modulationssignals.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Demodulators (12) mit einer dem Phasendetektor nachgeschalteten Abtastschaltung (52) von vorbestimmter Abtastfrequenz und mit einem der Abtastschaltung nachgeschalteten Bandnassfilter (54) zum Unterdrücken sowohl der Abtastfrequenz als auch konstant bleibender Abtastwerte und zum Abgeben eines die Abtastv/erte der Phasenmodulation umhüllenden Modulationssignals an einem Ausgang des Demodulators.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine dem Signalgenerator (4) und der Abtastschaltung (52) vorgeschaltete Steuervorrichtung (55) zum Erzeugen einos mit der Abtastfrequenz synchronisierten Pulsbetriebes des Signalgenerators.
17. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-1 ο zur Bestimmung der Gerinnungszeit von Blut.

809829/0557