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Vorrichtung zur temperaturkontrollierten Erwärmung
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von Sonden Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur temperaturkontrollierten
Erwärmung von Sonden, insbesondere von Meßwertaufnehmern zur transkutanen# Sauerstoffbestimmung,
bestehend aus Sonde, z.B. einem Aufnehmer mit Elektroden, sowie zugehörigem Betriebsgerät.
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Es ist bekannt, für eine transkutane Sauerstoifmssung die Haut am
Meßort zu hyperämisieren. Dieses wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß der Meßwertaufnehmer
mit seinen Elektroden beheizt ist. Aus dem DE-GM-74 22 154 ist beispielsweise bereits
ein solcher Meßwertaufnehmer, insbesondere für die transkutane Sauerstoffmessung,
vorbekannt, bei der im Elektrodenträgerteil eine Heizwicklung mit Anschlußleitungen
eingelassen ist. Dabei ist ein Ast der Anschlußleitungen zweckmäßigerweise aus einem
solchen Material gebildet, das
zusammen mit der Heizwicklung ein
Thermopaar für die Temperaturmessung bildet. Der Temperaturmeßwert wird dabei einem
zugehörigen Betriebsgerät zugeführt und dient als Regelgröße zur Einstellung der
Versorgungsspannung für die Heizwicklung. Die Sauerstoffelektrode nach dem genannten
Gebrauchsmuster hat gegenüber anderen Meßwertaufnehmern zur transkutanen Sauerstoffmessung,
bei denen eine völlig separate Heizwicklung und Temperaturmeßfühler vorhanden sind,
bereits den Vorteil, daß die Zahl der notwendigen Zuleitungen für Heizung und Temperaturfühler
verringert ist. Die andere Lötstelle für das Thermoelement liegt dabei im allgemeinen
direkt im Betriebsgerät. Allerdings besteht immer noch der Nachteil, daß die Temperaturmeßwerterfassung
nicht unmittelbar am eigentlichen Meßort erfolgen kann. Temperaturmeßort ist vielmehr
die Verbindungsstelle Heizwicklung - Zuleitungsdraht; die dort gemessene Temperatur
kann aber geringfügig von der mittleren Temperatur der Heizwicklung und der Meßelektrode
abweichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für die temperaturkontrollierte
Erwärmung eines Meßwertaufnehmers mit Meßelektroden und zugehörigem Betriebsgerät
anzugeben, bei der Temperaturerfassung und -regelung bezüglich der Einstellung von
Heizstromspannung so weit wie möglich vereinfacht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßwertaufnehmer
eine Widerstandsstrecke mit definiertem, temperaturabhängigem elektrischem Widerstand
enthält, welche gleichzeitig die Funktion einer Heizung und eines Temperaturfühlers
erfüllt, daß im Betriebsgerät der Wert des temperaturabhängigen Widerstandes der
Widerstandsstrecke mit dem Wert eines
vorgebbaren Widerstandes verglichen
und daß das Betriebsgerät einen veränderbaren Heizstrom liefert, mit dem die Temperatur
der Widerstandsstrecke und damit der Wert des temperaturabhängigen Widerstandes
an den vorgegebenen Sollwert angepaßt wird.
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Dabei enthält das Betriebsgerät vorzugsweise eine.
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Gleichstrom-Meßbrücke, deren Diagonalspannung der Differenz vom Widerstandswert
der Widerstandsstrecke und Widerstandswert des Vergleichswiderstandes proportional
ist und die damit unmittelbar die Temperaturabweichung des Heizelementes vom vorgegebenen
Sollwert anzeigt.
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Die Diagonalspannung der Gleichstrommeßbrücke steuert dabei vorzugsweise
über eine Verstärkerschaltung die Brückenspeisespannung im Sinne der Regelung der
Versorgungsspannung für das Heizelement.
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Es ist zwar vom Prinzip her bereits bekannt, aus dem Widerstandsverlauf
eines Heizelementes auch eine Temperaturmeßgröße abzuleiten. Im Rahmen der Erfindung
dient diese Temperaturmeßgröße aber gleichzeitig als Regelgröße, die durch Vergleich
mit einem Sollwertwiderstand das Heizelement auf die gewünschte Temperatur regelt.
Dieses läßt sich im gewünschten Bereich der Körpertemperatur ohne große Leistungsanforderung
der zugehörigen Schaltung realisieren.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren
Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 einen an einem Meßort applizie#rten Meßwertaufnehmer
zusammen mit dem zugehörigen Betriebsgerät in Prinzipdarstellung, Fig..2 den Meßwertaufnehmer
mit Betriebsgerät nach Fig. 1 schaltbildmäßig, Fig. 3 die Versorgungsschaltung für
die in Fig. 1 dargestellte Heizeinrichtung, die Teil des Betriebsgerätes ist.
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In der Fig. 1 ist mit 1 das Trägerteil eines Meßwertaufnehmers mit
Meßelektroden bezeichnet, der auf der Hautoberfläche eines Patienten als Meßort
20 für eine transkutane Sauerstoffmessung aufgesetzt und fixiert ist. Das Trägerteil
ist dabei zweckmäßigerweise als flache zylindrische Scheibe ausgebildet und hat
einen Anschluß 2 mit gleichzeitiger Zugentlastung für elektrische Leitungen. Der
Anschluß 2 ist an ein externes Betriebsgerät 25 angeschlossen.
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Das Trägerteil 1 besteht aus gut wärmeisolierendem Kunststoffmaterial
und hat zur Applikationsseite eine ringförmige Auflagefläche 3, die bei Applikation
eine genügende Standsicherheit gegen Verkippungen, Verschiebung od.dgl. gewährleistet.
Zentrisch im Trägerteil 1 ist ein Hohlzylindertopf 4 als Anode eingegossen. Dieser
Elektrodentopf 4 besteht aus Silber und ist in geeigneter Weise mit seiner Grundfläche
ausgeformt.
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Die Zylinderwandung schließt mit ihrer unteren Kante bündig mit der
Ringfläche 3 des Trägerteils 1 ab. Die Grundfläche 5 des Topfes 4 ist dabei als
Teil einer
Kugelfläche ausgebildet, so daß sie gegenüber der Ringfläche
3 eine- konvexe Auswölbung bildet. Die konvexe Grundfläche weist etwa in der Mitte
eine kleine zentrale Ausnehmung 6 auf, in der ein Draht 7 als Kathode isoliert eingesetzt
ist. Der Kathodendraht 7 ist durch einen Platindraht mit 20/um Durchmesser gebildet,
dessen Stirnfläche poliert ist und als wirksame Kathodenfläche dient. Zwischen Zylinderwand
des Anodentopfes 4 und dem Kathodendraht 7 ist ein Element mit einer definierten
Widerstandsstrecke angeordnet, das gleichzeitig die Funktion einer Heizung und eines
Temperaturfühlers erfüllt.
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Als Material für die Widerstandsstrecke 8 werden beispielsweise Kupfes
oder Platindrähte verwendet. Ebenfalls möglich sind auch auf Keramiksubstraten durch
Aufdampfen, elektrolytische Abscheidung od.dgl. aufgebrachte Widerstandsschichten,
vorzugsweise aus Nickel.
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Derartige Elemente lassen sich in befriedigendem Maß gleichermaß#en
als Heizelement und als Temperaturmeßfühler verwenden. Dabei kommt es lediglich
darauf an, daß der vom Element definierte Widerstand sowie der spezifische Temperaturkoeffizient
des Widerstandsmaterials bekannt ist.
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In Fig. 1 sind Anode 4, Kathode 7 und Heizwicklung über elektrische
Zuleitungen 9 bis 12 mittels Kabelanschluß mit dem Betriebsgerät 25 verbun#den,
das sowohl den Heizspannungsversorgungsteil als auch den Meßwertverarbeitungsteil
beinhaltet. Dabei sind 9 und 11 die Meßleitungen für die Elektroden; 10 und 12 sind
dagegen die einzigen Leitungen für das Heiz- und Temperaturmeßelement. Die Leitung
9 ist an die Leitung 10 angeschaltet, so daß lediglich drei Leitungen aus dem Meßwertaufnehmer
herausgeführt werden müssen.
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Der Meßwertaufnehmer nach Fig. 1 ist auf der Hautoberfläche 20 als
Meßort appliziert. Zwischen Elektrodenmeßfläche und Hautoberfläche 20 sind dabei
für die Messung ein Elektrolyt 16 sowie eine sauerstoffdurchlässige Membran 13 angeordnet.
Zwischen ringförmigem Trägerteil 3 und Haut 20 befindet sich dabei zur Fixierung
des gesamten Meßwertaufnehmers eine Klebehalterung 14. Durch die konvexe Ausbildung
der Anodenunterfläche 5 wird beim Aufbringen der sauerstoffdurchlässigen Membran
13 und Fixieren mittels Klebehalterung 14 gleichzeitig eine gewisse Vorspannung
der formelastischen Membran erreicht. Dadurch ist in befriedigender Weise gewährleistet,
daß bei Applikation mittels Klebehalterung keine Luftblasen im Elektrolyten 16 zwischen
Elektrodenunterfläche 5 und Membran 13 verbleiben. Gleichzeitig ist bei einem derartigen
Aufbau ein guter Wärmeübergang von Heizelement über die metallische Anode 4 zur
Hautoberfläche 20 sichergestellt, so daß die Haut am Meßort aktiv hyperämisiert
ist.
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In der Fig. 2 sind Meßwertaufnehmer und Betriebsgerät schaltbildmäßig
dargestellt: Im Meßwertaufnehmer 1 sind mit 21 und 22 die Elektroden (Kathode und
Anode der polarographischen Meßzelle) und mit 23 die definierte Widerstandsstrecke
bezeichnet. Der eine Anschluß der Widerstandsstrecke 23 liegt dabei auf Anodenpotential,
so daß sich eine weitere Zuleitung zum Aufnehmer erübrigt. Als Anschlußleitungen
zum Betriebsgerät 25 werden also insgesamt nur drei Leitungen 26 bis 28 benötigt.
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Im gestrichelt angedeuteten Betriebsgerät 25 bedeuten 29 eine Gleichstrom-Brückenschaltung,
30 ein Stellglied für einen Widerstand in der Brücke, 31 eine Verstärkerschaltung,
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eine Meßwerterfassungsschaltung für den polarographischen Meßstrom sowie 32 und
34 Anzeigegeräte. Im einzelnen stellt dabei die Widerstandsstrecke 23 den Meßwiderstand
der Meßbrücke 29 dar, was in Fig. 3 näher erläutert wird. Mittels Stellglied 30
ist dabei ein weiterer Widerstand im Sinne einer Sollwerteinstellung veränderbar.
Damit lassen sich Sollwerte für die Heizung im Körpertemperaturbereich, beispielsweise
in #? C-Schritten von 36 bis 420C vorgeben.
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Die Verstärkerschaltung 31 liefert die Versorgungsspannung für die
Meßbrücke 29; sie arbeitet also als Regler in dem Sinne, daß der temperaturabhängige
Widerstand der Widerstandsstrecke 23 an den vorgegebenen Sollwiderstand angepaßt
wird. Am ersten Anzeigegerät 32 wird die Heizleistung für die Widerstandsstrecke
23 angezeigt, die ein Maß für die Wärmeabfuhr am Meßwertaufnehmer 1 ist und damit
gleichzeitig eine Aussage über die Durchblutung der Haut angibt. Die Messung des
Stromes in der polarographischen Meßzelle erfolgt nach dem üblichen Prinzip der
Messung kleiner Ströme. Im Betriebsgerät wird ein Anschluß der Widerstandsstrecke
auf floatendes Massepotential gelegt,was mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet
ist.
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In der Fig. 3 sind mit 36 bis 39 vier Widerstände bezeichnet, die
als Gleichstrommeßbrücke geschaltet sind.
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Dabei sind 38 und 39 zwei Konstantwiderstände, während 36 und 37 veränderliche
Widerstände sind. Der Widerstand 36 wird im einzelnen durch die definierte Widerstandsstrecke
23 nach Fig. 2 gebildet. Sein Widerstandswert ändert sich also mit der jeweils vorliegenden
Temperatur des Meßwertaufnehmers 1. Der Widerstand 37 ist dagegen ein Potentiometer,
dessen Widerstandswert von der Bedienungsperson im Sinne der Einstellung eines Sollwertes
veränderbar ist.
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Zwischen den Widerstands zweigen der Meßbrücke fällt eine Diagonalspannung
UD ab. Diese Diagonalspannung UD wird über Widerstände 40 und 41 auf einen Operationsverstärker
42 gegeben, der an eine Spannungsquelle 1 15 V angeschaltet ist. Der Ausgangswert
wird über einen Widerstand 43 und einen npn-Transistor 44 in Kollektorschaltung
auf den Brückenspeisespannungsversorgungszweig zurückgekoppelt. Dafür sind weiter
die Widerstände 46 und 47 zur Beschaltung des Operationsverstärkers 42 notwendig.
Weiterhin ist noch ein Widerstand 45 dem Brückenspeisespannungsversorgungszweig
parallelgeschaltet.
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Mittels der in Fig. 3 beschriebenen Schaltung wird also die Brückenspeisespannung
UBK in Abhängigkeit von der Brückendiagonalspannung UD geregelt. Für die Schaltung
nach Fig. 3 gelten im einzelnen folgende Beziehungen:
(2) UBK - - UD V wobei R~ Widerstand 36, R5 Widerstand 37, R1 und R2 die Widerstände
38, 39 gemäß Fig. 3 sowie V der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 42
bedeuten.
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V ist im wesentlichen aus dem Verhältnis der Widerstände 46 und 41
sowie 47 und 40 bestimmt.
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Gleichung (2) in Gleichung (1) ergibt:
Aus der Analyse der für Brücke und Verstärkerschaltung gültigen
Gleichungen (1), (2) und (3) ergibt sich die Funktion zur gleichzeitigen Temperaturmessung
und -regelung: Der Widerstand des Heizelementes R J hat im interessierenden Temperaturbereich
eine bekannte Temperaturfunktion. Unter der Voraussetzung, daß die Hilfswiderstände
R1, R2 sowie der Verstärkungsfaktor V konstant sind, läßt sich also Rt allein durch
Rs bestimmen bzw. einregeln. Je nach Wärmeabfuhr im Meßwertaufnehmer regelt dann
die Brücken- und Verstärkerschaltung die Brückenspeisespannung UBK und damit den
Strom durch den Heizwiderstand; im Ergebnis ist also die Temperatur der Widerstandsstrecke
23 nach Fig. 2 mit Widerstand 36-unabhängig von der Wärmeabfuhr im Aufnehmer 1.
Die Widerstände 40 und 41 sowie 46 und 47 zur Beschaltung des Operationsverstärkers
sind jeweils gleich groß#, so daß sich ein symmetrischer Differenzverstärker ergibt.
Der Widerstand 43 ist im wesentlichen notwendig als Vorschaltwiderstand für den
Leistungstransistor 44, wogegen der Widerstand 45 zum Anlaufen der Schaltung benötigt
wird.
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Beim Regelvorgang ergibt sich im wesentlichen folgender .Funktionsablauf:
Am Widerstand 37 wird ein Sollwert eingestellt. Über den Widerstand 45 wird von
der Gleichspannungsquelle die Brücke mit einer geringen spannung beaufschlagt. Dabei
ergibt sich an der Brücke bereits eine kleine dementsprechende Diagonalspannung
UD, die gemäß Gleichung (2) im Verstärker 42 verstärkt wird. Der nachgeschaltete
Transistor 44 wird dann durchgesteuert, so daß an der Brücke als Speisespannung
eine entsprechend dem Verstärkungsgrad des Verstärkers 42 verstärkte Spannung anliegt.
Es fließt also durch den Widerstand 36 ein Strom, wobei die Wider-
standsstrecke
entsprechend der eingespeisten Leistung aufgeheizt und dementsprechend der Wert
des Widerstandes gemäß seinem Temperaturkoeffizienten geändert wird.
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Die Brückenspeisespannung UBK ist also ein Maß für die Heizleistung
im Widerstand 36 und damit gleichzeitig für die im Heizwiderstand 23 nach Fig. 2
abgeführte Wärmemenge.
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Diese Brückenspannung wird desto kleiner, je geringer die Differenz
zwischen den Widerständen 36 und 37 und je kleiner damit die Diagonalspannung UD
ist. Für den Fall, daß der Widerstandswert des Widerstandes 36 größer als der Widerstandswert
des Widerstandes 37 ist, wird sich am Ausgang des Verstärkers 42 eine negative Ausgangsspannung
ergeben, die den Transistor 44 sperrt.
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In diesem Fall fließt nur noch der Strom über den Widerstand 45, der
zum Anlaufen der Brücke notwendig ist.
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Dieser Strom ist aber vernachlässigbar gering, so daß er nicht wesentlich
zur Heizung beiträgt.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, bei der Gleich strom-Meßbrücke
den Sollwiderstand R5 und zugehörigen Festwiderstand R2 einerseits sowie den Meß/Regelwiderstand
R und zugehörigen Festwiderstand R1 jeweils gleich groß zu dimensionieren. Dadurch
ergibt sich die optimale -Meßempfindlichkeit der Brücke. Dabei ist vorzugsweise
der Sollwiderstand etwa 10 mal so groß wie der Widerstand der Widerstandsstrecke.
Bei einer derartigen Dimensionierung wird bei optimaler Enipfindlich keit ein maximal
möglicher Teil der in die Brücke eingespeisten elektrischen Leistung, nämlich fast
50 %, als Heizleistung umgesetzt.
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Im Ausführungsbeispiel wurde speziell die temperaturkontrollierte
Beheizung einer transkutanen Sauerstoffelektrode beschrieben. In weiteren Ausführungsformen
sind mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere Sonden, beispielsweise
Handstücke für die Dentaltechnik, auf geregelte Konstanttemperatur unabhängig von
der jewe#ils vorliegenden Wärmeabfuhr beheizbar.