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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Herzpuls-
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frequenz eines Menschen mit einer Pulssensoreinrichtung und einer
Pulsfrequenzanzeigeeinrichtung.
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Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art ist die Pulsfrequenzanzeigeeinrichtung
ein relativ großes Gerät, das nicht geeignet ist, von einer Person ständig oder
zeitweilig mitgeführt zu werden. Dies gilt auch filr die zugehörige Pulssensoreinrichtung,
welche mehrere Elektroden oder einen Ohrpulsaufnehmer aufweist. Ungeeignet sind
die bekannten Vorrichtungen auch für die Pulsmessung dann, wenn die Person, deren
Puls zu messen ist, sich während der Messung bewegt, beispielsweise einen Trainingslauf
absolviert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung
der llerzpulsfrequenz eines Menschen zu schaffen, welche die Bewegungsmöglichkeit
einer Person nicht beeinträchtigt und daher von ihr ständig mit sich geführt werden
kann sowie in der Lage ist, auch dann zuverlässige Messungen durchzuführen, wenn
die betreffende Person sich bewegt. Diese Aufgabe läßt sich mit einer Vorrichtung
lösen, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
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Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung wie eine Armbanduhr
am Handgelenk getragen werden kann, tritt sie nicht störend in Erscheinung, selbst
wenn sie ständig getragen wird. Außerdem ist die Anordnung am Handgelenk für die
Pulsabnahme besonders zweckmäßig.
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Filr die Pulsabnahme ist eine enge Anlage der Pulssensoreinrichtung
am Handgelenk vorteilhaft. Um zu vermeiden, daß der Träger ständig das Handgelenk
eng umfassen muß, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform eine mit einem Schalter
zur Auslösung der Pulsfrequenzmessung kombinierte Spannvorrichtung für den Träger
vorgesehen.
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Die Pulsfrequenzanzeigeeinrichtung weist vorzugsweise ein Display
mit wenigstens einem Anzeigefeld auf, um den Aufwand und den Platzbedarf
für
die Anzeigeeinrichtung so klein wie möglich zu halten und die ermittelte Zahl der
Herzschläge pro Minute leicht ablesbar anzeigen zu können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
zusätzlich einen elektronischen Uhrenbaustein auf.
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Sie braucht dann nicht zusätzlich zu einer Armbanduhr getragen zu
werden. Außerdem kann es bei manchen Pulsmessungen, beispielsweise während der Absolvierung
eines Trainings, vorteilhaft sein, eine Zeitanzeige oder eine Stoppuhr zur Verfügung
zu haben.
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Damit die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zusammen mit externen
Geräten verwendet werden kann, kann wenigstens eine eine vorzugsweise für einen
Klinkenstecker ausgebildete Steckvorrichtung vorgesehen sein, über die eine Dateneingabe
von einem externen Gerät und eine Datenausgabe zu einem externen Gerät möglich ist.
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Die Ausbildung der Pulssensoreinrichtung ist in verschiedener Weise
möglich. Besonders vorteilhaft ist eine Ausbildung als Drucksensor, da ein solcher
Sensor wenig Energie benötigt und der Druck sich von der Ader nach außen ausbreitet,
so daß der Sensor nicht so genau auf die Ader ausgerichtet zu sein braucht wie bei
einem optischen, aus Sender und Empfänger bestehenden Sensor.
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Soweit Funktionstasten für die erfindungsgemäße Vorrichtung und eine
gegebenenfalls mit ihr kombinierte Uhr erforderlich sind, werden diese vorzugsweise
neben dem Anzeigefeld der Anzeigeeinrichtung angeordnet. Entsprechendes gilt für
Solarzellen, die vorteilhafterweise vorgesehen werden, um aus Gründen des Raumbedarfes
und Gewichtes mit einer möglichst kleinen Batterie auszukommen.
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Um Störungen, die zu einer falschen Pulsfrequenz führen würden, möglichst
weitgehend auszuschalten, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform ein Operationsverstärker
vorgesehen, dessen nicht
invertierender Eingang über einen Kondensator
mit Masse verbunden ist und dessen beide Eingänge, denen Widerstände gleieher Größe
vorgeschaltet sind, gleichzeitig mit den gleichen, von der Pulssensoreinrichtung
kommenden Signalen angesteuert werden. Mittels eines in dieser Weise beschalteten
Operationsverstärkers erhält man eine schwimmende Triggerschwelle.
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Um Störungen, wie sie beispielsweise bei heftigen Körperbewegungen
auftreten, auszuschalten, ist vorteilhafterweise der Pulssensore inrichtung ein
Operationsverstärker nachgeschaltet, dessen einer Eingang als Abschlußwiderstand
einen Kondensator aufweist. Die von der Pulssensoreinrichtung kommenden Signale,
denen Störungen mit einem sehr hohen Gleichspannungsanteil überlagert werden, wie
dies beispielsweise bei heftigen Körperbewegungen auftreten kann, werden dann ohne
den Gleichspannungsanteil verstärkt.
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Um die Zahl der Pulsschläge pro Minute möglichst genau ermitteln zu
können, ist eine vorteilhafte Ausführungsform mit zwei eine vorgegebene, feste Zählfrequenz
aufweisenden Zählern versehen, aufgrund deren Zählfrequenz und Zählerstand ein nachgeschalteter
Rechner beim Eintreffen jedes einem Pulsschlag entsprechenden Signals eine der Pulsfrequenz
entsprechende Impulszahl errechnet.
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Den beiden Zählern ist vorzugsweise ein Speicher mit zwei Speichereinheiten
nachgeschaltet, wobei nach dem Einlesen des ersten vom Rechner errechneten Wertes
in beide Speichereinheiten die folgenden errechneten Werte nur in die erste Einheit
eingelesen werden. Hierdurch ist es in besonders einfacher Weise möglich, Störungen
zu unterdrücken, welche zu starken Schwankungen der ermittelten Pulsfrequenz führen.
Es kann nämlich mit Hilfe derartiger Speicher die Anzeige des neuesten Meßwertes
unterdrückt werden und der zuvor errechnete Wert nachwievor angezeigt werden, wenn
der neueste Wert von dem zuvor errechneten um mehr als eine
vorgegebene
Anzahl von Impulsen abweicht.
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Im folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels im einzelnen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivisch
und scllematiseh dargestellte Ansicht des Ausführungsbeispiels, Fig. 2 einen ersten
Teil des Schaltbildes des Ausführungsbeispiels, Fig. 3 einen zweiten Teil des Schaltbildes,
Fig. 4 einen dritten Teil des Schaltbildes.
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Eine in der Art einer Armbanduhr ausgebildete Vorrichtung zur Messung
der Herzpulsfrequenz eines Menschen am Handgelenk weist ein flaches, im Ausführungsbeispiel
aus drei in Umfangsrichtung des Handgelenkes aneinander anschließenden Aschnitten
bestehendes Gehäuse 1 auf, das im Zuge eines Armbandes 2 liegt. Das Armband 2 ist,
wie Fig. 1 zeigt, an einer dem Gehäuse 1 etwa gegenüberliegenden Stelle geteilt
und hier mit einer Spannvorrichtung3 versehen, die im geschlossenen Zustand das
Armband 2 fest an das einen Scha ter bildendebildende Handgelenk presst und beim
Schließen zwei/Kontakte in Anlage aneinander bringt. Im geschlossenen Zustand des
Schalters 4 ist, wie Fig. 2 zeigt, der Sender 14 an den Stromversorgungsteil 53
angeschlossen und damit eingeschaltet. Die Spannvorrichtung 3 weist im Ausführungsbeispiel
einen Kippbügel auf, der in der Freigabestellung die beiden Enden des Armband es
2 im Abstand voneinander hält und beim Spannen diesen Abstand beseitigt.
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Die nach außen weisende Seite des Gehäuses 1 bildet drei Anzeigefelder
5,6 und 7. Das erste Anzeigefeld 5 und das dritte Anzeigefeld 7 sind einem in bekannter
Weise ausgebildeten, elektronischen Uhrenbaustein zugeordnet, der ebenfalls im Gehäuse
1 angeordnet ist. Die Zeitanzeige erfolgt im Anzeigefeld 7, die Anzeige des Datums
und eventuell mögliche andere Zeitanzeigen, wie zum Beispiel
die
beim Betrieb als Stoppuhr gemessene Zeit, im Anzeigefeld 5.
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Mit Hilfe von drei seitlich neben dem mittleren Anzeigefeld 6 angeordneten
Uhrfunktionstasten 8 können in bekannter Weise die Uhrfunktionen abgefragt und auf
den Anzeigefeldern zur Anzeige gebracht werden.
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Auf der anderen Seite sind neben dem mittleren Anzeigefeld 6 drei
weitere Tasten 9 bis 11 angeordnet, die wie die Uhrfunktionstasten ausgebildet sind.
Ferner ist, im Ausführungsbeispiel neben dem ersten Anzeigefeld 5, eine vierpolige
Klinkensteckbuchsngeordnet, die dem Anschluß eines Ladegerätes für die im Gehäuse
1 angeordnete Batterie dient, aber auch eine Eingabe und Ausgabe von Daten, wie
z.B. Puls, Datum und Zeit, von einem externen Gerät bzw. zu einem externen Gerät
ermöglicht. Die Pnlserfassung am IIandgelenk erfolgt im Ausführungsbeispiel mit
Hilfe eines optisehen Senders 14, der in das Armband 2 an der Trennstelle eingebaut
ist, und eines neben dem Sender angeordneten Empfängers 15, der das vQm Sender ausgesandte
und dann von den Gefäßen reflektieremfängt.
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te Licht /Der Sender ist im Ausführungsbeispiel eine Leuchtdiode,
der Empfänger ein Fototransistor.
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Die Randzonen seitlich neben den Anzeigefeldern 5, 6 und 7 sind, soweit
dieser Platz nicht für Tasten und Stecker benötigt wird, mit Solarzellen 16 belegt,
welche bei ausreichender Beleuchtung die Batterie aufladen. Wird auf die Anzeigefelder
5 und 7 verzichtet, dann können auch diese Flächen mit Solarzellen belegt werden.
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Die den Sender 14 bildende Leuchtdiode wird über einen Verstärker
17 pulsierend angesteuert, um einerseits den Stromverbrauch möglichst gering zu
halten und andererseits eine ausreichende Störsicherheit gegenüber Fremdlichteinwirkung
zu erhalten. Das vom Sender 14 auf den Empfänger 15 gerichtete Licht wird entsprechend
dem Pulsschlag moduliert. Die aufgrund der Pulsschläge vom Empfänger 15 erzeugten
Signale werden über ein Bandpaßfilter 18
einem Verstärker 19 zugeführt,
der so beschaltet ist, daR er einen nachgeschalteten Verstärker 20 mit genügend
großem Signal ansteuert. Der Verstärker 20 hat anstelle des Abschlußwiderstandes
einen Kondensator 21. Hierdurch wird erreicht, daß die ankommenden Signale, die
zum Beispiel infolge heftiger Körperbewegungen als Störungen einen sehr hohen Gleichspannungsanteil
aufweisen können, ohne diesen Gleichspannungsanteil verstärkt werden. Die Signale
werden also mit Hilfe des Verstärkers 20 von Störungen zumindest teilweise befreit.
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Der Ausgang des Verstärkers 20 ist über ein Bandpaßfilter 22 mit dem
einen Pol von zwei Widerständen 23 verbunden, die gleiche Größe haben und deren
anderer Pol mit dem einen bzw. anderen Eingang eines Operationsverstärkers 24 verbunden
ist. Der nicht invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers 24 ist über einen
Kondensator 25 mit Masse verbunden. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers
24 wird über einen Kondensator 26 zum nicht invertierenden Eingang zurückgeführt.
Durch diese Beschaltung des Operationsverstärkers, welche eine gleichzeitige Ansteuerung
beider Eingänge mit den gleichen Signalen zur Folge hat und dem Operationsverstärker
ein Schmitt-Trigger-Verhalten gibt, wird erreicht, daß Signale unterhalb eines Spannungswertes,
im Ausführungsbeispiel unterhalb 1,2 Vss nicht zum Ausgang des Operationsverstärkers
24 gelangen, diesen also nicht triggern. Nur Signale oberhalb der gewählten Schwelle
werden verstärkt, und zwar auf maximales Signal. Das Eingangssignal am Operationsverstärker
24 kann einen positiven oder negativen Gleichspannungsanteil bis zur Höhe der Versorgungsspannung
aufweisen, ohne die spezielle Funktion des Operationsverstärkers zu beeinträchtigen.
Der Operationsverstärker 24 bildet mit der vorgesehenen Beschaltung eine Triggerstufe
mit schwimmender Triggerschwelle. Er trägt deshalb ebenfalls zur Beseitigung von
Störeinflüssen bei. Die Empfindlichkeit des Ope-25 rationsverstärkers 24 ist von
der Größe des Kondensators/abhängig.
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Die Ausgangssignale des Operationsverstärkers 24 gelangen über einer
Schmitt-Trigger 27 zu einem ersten Flip-Flop 28 und gleichzeitig
zu
einem UND-Gatter 29, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des ersten Flip-Flops
verbunden ist. Gesteuert wird das erste Flip-Flop 28 mit einer Frequenz f3, die
ebenso wie weitere Frequenzen fl, f2 und f4 mit hoher Genauigkeit von einem quarzgesteuerten
Oszillator 30 erzeugt werden.
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Ein dem UND-Gatter 29 nachgeschaltetes Monoflop 31 liefert Triggerimpulse
mit steiler Flanke, weil die Flanke der ankommenden Impulse zu flach sein könnte
. Dem Monoflop 31 ist ein zweites Flip-Flop 32 nachgeschaltet, das durch den ersten
vom Monoflop 31 kommenden Impuls gesetzt wird. Hierdurch wird die Schaltung betriebsbereit
gemacht.
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Die Ausgangssignale des zweiten Flip-Flops 32 werden über zwei hintereinander
geschaltete Monoflops 33 und 34 einem dritten Flip-Flop 35/gefUhrt, das wie das
erste Flip-Flop von der Frequenz f gesteuert wird. Das dritte Flip-Flop 35 erlaubt
die Erkennung der Impulse ab dem dritten Impuls.
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Die Ausgangsimpulse des dritten Flip-Flop 35 werden zwei Zählern 36
und 37 zugeführt, welche vom ersten, die beiden Flip-Flops 28 und 32 setzenden Pulssignal
freigegeben werden und dann mit der Zählfrequenz f4 zu zählen beginnen. Zu diesem
Zwecke ist der Eingang des Monoflops 31 mit dem einen Eingang eines UND-Gatters
38 verbunden, dessen anderer Eingang mit Impulsen der Frequenz f4 angesteuert wird.
Der Ausgang dieses UND-Gatters 38 ist mit dem Zähler .36 und über diesen mit dem
Zähler 37 verbunden.
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Den beiden Zählern 36 und 37 ist ein Rechner 39 nachgeschaltet, der
über ein UND-Gatter 40 gesteuert wird, dessen einer Eingang mit einer Kontrolleinheit
41 verbunden ist, welche den richtigen Funktionsablauf der gesamten Schaltung überwacht.
Der andere Eingang des UND-Gatters 40 ist mit dem Ausgang eines weiteren UND-Gatters
42 verbunden, das einen zweiten Ausgang des Monoflops 34 mit den beiden Frequenzen
f1 und f2 logisch verknüpft. Von dem
mit dem Monoflop 34 verbundenen
Eingang führt außerdem eine Verbindungsleitung zur Kontrolleinheit 41.
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Die beiden Zähler werden beim Eintreffen des zweiten Pulssignales
gestoppt. Zur gleichen Zeit beginnt die Errechnung und Auswertung der Pulsfrequenz.
Dieser Vorgang spielt sich in einem sehr kurzen Zeitraum, im Ausführungsbeispiel
von 40 ms ab. Der Rechenvorgang ist daher 6000 Mal schneller als die maximale Pulsfrequenz,
was einen maximalen Meßfehler von weit unter 1 0/ovo ergibt.
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Innerhalb der Zeitspanne von im Ausführungsbeispiel 40 ms, in welcher
die Errechnung und Auswertung der Pulsfrequenz erfolgt, geschieht folgendes: Der
Zählerstand der beiden Zähler 36 und 37 wird in den Rechner 39 eingegeben. Der Rechner
errechnet anhand des Zählerstandes und der Frequenz f4 eine bestimmte Anzahl von
Impulsen, die der Pulsfrequenz entspricht. Diese vom Rechner ermittelte Impulszahl
wird an einen dem Rechner 39 nachgeschalteten Zähler 43 übergeben' w#elcher von
der Kontrolleinheit 41 gesteuert wird. Der Zähler 43 übergibt die Impulszahl, aufgeteilt
in Hunderter, Zehner und Einer, auf drei getrennten Leitungen zu einem Speicher
44 mit zwei Speichereinheiten. Der Speicher 44 wird durch ein Taktsignal gesteuert,
das von einem UND-Gatter 45 kommt, dessen beide Eingänge mit der Kontrolleinheit
41 bzw. dem Ausgang des Monoflops 34 verbunden sind.
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Die beiden Einheiten des Speichers 44 werden beim Eintreffen des ersten
Impulses mit den gleichen Daten belegt. Zu diesem Zeitpunkt findet noch keine Ausgabe
dieser Daten zur Anzeige auf dem Anzeigenfeld 6 statt, obwohl die Pulsfrequenz bereits
errechnet wurde.
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Mit dem Eintreffen des dritten Pulssignales am dritten Flip-Flop 35
beginnt erneut die Berechnung und Auswertung der Pulsfrequenz innerhalb des Zeitraums
von 40 ms. Nachdem der Rechner aufgrund des Zählerstandes der beiden Zähler 36 und
37 und der Frequenz f die zugehörige Impulszahl berechnet hat, wird jedoch diese
Impulszahl nur in die erste Speichereinheit 44' des Speichers 44 übergeben.
Nach
dieser Übergabe findet ein Vergleich zwischen dem Inhalt der beiden Speichereinheiten
statt. Ist die Differenz schl der gleich einer bestimmten Anzahl von größer oder
gleich einer bestimmten Anzahl von Puls/ im Ausschlägen führungsbeispiel größer
oder gleich fünf Puls/ wird der Inhalt der zweiten Speichereinheit 44", also die
zuvor berechnete Zahl der Pulsschläge pro Minute, zur Anzeige gebracht. Ist hingegen
die Differenz der beiden in den beiden Speichereinheiten gespei-Werten Werte kleiner
als der vorgegebene Grenzwert, im Ausführungsbeispiel also kleiner als fünf Pulsschläge
pro Minute, dann wird die zweite Speichereinheit auf den Wert der ersten Speichereinheit
gesetzt und dieser Wert zur Anzeige gebracht. Dieser Vergleich wiederholt sich jedesmal,
nachdem ein neuer Wert von Rechner vorliegt. Der Zweck des Vergleichs und einer
gegebenenfalls nicht erfolgten Anzeige des neuesten Wertes besteht darin, sporadisch
auftretende Störungen, also beispielsweise Störungen, wie sie bei heftigen Armbewegungen
beim Waldlauf auftreten können, auszublenden.
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Der Vergleich des Inhalts der beiden Speichereinheiten des Speichers
44 erfolgt mit Hilfe eines diesem nachgeschalteten Komparators 46, von dem aus eine
Rückmeldeleitung zur Kontrolleinheit 41 führt. Der Komparator 46 steuert über einen
zwischengeschalteten Anzeigeumschalter 47 einen Dekoder 48, an den das Anzeigefeld
6 angeschlossen ist.
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Um eine Pulsobergrenze und eine Pulsuntergrenze vorgeben zu können,
deren Überschreitung bzw. Unterschreitung ein Warnsignal auslöst, ist eine i>u#svorgabeeinheit
49 an drei mittels der Tasten 9, 10 und 11 betätigbare Schalter angeschlossen. Die
Pulsvorgabeeinheit 49 wird außerdem von der Frequenz f4 gesteuert.
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Solange die Taste 9 Iietätigt ist, erhöht sich ständig die Pulsobergrenze.
W#hrend der Betätigung der Taste 10 erhöht sich ständig die Pulsuntergrenze. Sollen
die beiden Werte vermindert werden, muß gleichzeitig mit der Taste 9 bzw. 10 die
Taste 11 gedrückt werden. Von der Pulsvorgabeeinheit 49 führt eine Leitung
zum
Anzeigeumschalter 47, damit während der Eingabe der Werte für die Pulsobergrenze
und die Pulsuntergrenze diese Werte auf dem Anzeigenfeld 6 angezeigt werden können.
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Der Pulsvorgabeeinheit 49 ist ein Zähler 50 nachgeschaltet, dessen
Ausgang zum Zwecke der Anzeige der in ihm gespeicherten Zahl für die Pulsobergrenze
und die Pulsuntergrenze mit dem Anzeigeumschalter 47 verbunden ist. Dem Zähler 50
ist ein zweiter Komparator 51 nachgeschaltet, der mit dem ersten Komparator 46 verbunden
ist und die zur Anzeige auf dem Anzeigenfeld bestimmte Zahl von Pulsschlägen pro
Minute mit den beiden im Zähler 50 gespeicherten Werten für die Pulsobergrenze und
die Pulsuntergrenze vergleicht. Werden diese Werte über- bzw. unterschritten, dann
erzeugt der zweite Komparator 51 ein Alarmsignal, das im Ausführungsbeispiel mittels
eines akustischen Signalgebers 52 hörbar gemacht wird.
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Die Klinkensteckbuchse 12 liegt im Ausführungsbeispiel, wie Fig. 2
zeigt, in der Verbindung zwischen dem Empfäner 15 und dem diesem nachgeschalteten
Bandpaßfilter. Sie ist außerdem über zwei Leitungen mit einem Umschaltelement 54
verbunden, das die für eine Dateneingabe und eine Datenausgabe erforderlichen Umschaltungen
vornimmt.
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Wie Fig. 2 weiterhin zeigt, ist das Umschaltelement an die von der
Klinkensteckbuchse 12 zum Eingang des Bandpaßfilters 18 führende Leitung angeschlossen,
und seine beiden Eingänge sind mit dem Uhrenbaustein bzw. dem Ausgang des Schmitt-Triggers
27 verbunden.