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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 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung
ist Gegenstand der Hauptpatentanmeldung P 28 36 883.4-35.
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Gemäß der Hauptanmeldung dient eine Widerstandsstrecke mit temperaturabhängigen
Widerstand gleichzeitig als Heizung und Temperaturfühler. Die Diagonalspannung der
dabei vorzugsweise verwendeten Gleichstrom-Meßbrücke gibt die Abweichung von Temperaturmeßwert
und Sollwert an und wird gleichzeitig als Regelgröße für die Heizspannung für den
in der Meßbrücke befindlichen temperaturabhängigen Widerstand verwendet. Mit derartiger
Proportional-Regelung läßt sich beispielsweise eine Sonde für transkutane Sauerstoffmessungen
in vorteilhafter Weise auf die zur Messung notwendige Hyperämisierungs-Temperatur
einregeln. Unbefriedigend bei der Vor-
richtung nach der Hauptpatentanmeldung
ist allerdings noch, daß bei Defekten von elektronischen Bauteilen der Brückenschaltung
die Temperatur der Sonde über den durch den Sollwertwiderstand R5 vorgegebenen Wert
ansteigen könnte. Obwohl ein solcher Fall vergleichsweise selten auftreten wird,
muß doch bei der medizinischen Anwendung dafür gesorgt werden, daß im Störfall ausreichender
Schutz vor unerwünschter Überwärmung der Sonde gewährleistet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Vorrichtung nach der Hauptpatentanmeldung
derart weiterzubilden, daß insbesondere ein unkontrolliertes Aufheizen des Heizelementes
mit der Widerstandsstrecke R ¢ über einen oberen Grenzwert erkannt wird. Gegebenenfalls
soll die Zuführung der Betriebsspannung zur Heizung unterbrochen werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs
1 gelöst. Die vorzugsweise Realisierung der Zusatz erfindung in einer Gleichstrom-Meßbrücke
ist im Anspruch 2 angegeben.
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Mit einem zweiten Brückenkreis wird also eine zusätzliche Temperaturkontrolle
des temperaturabhängigen Widerstandes erzielt. Der in diesem Brückenkreis maßgebliche
Widerstand ist genau so dimensioniert, daß mit dem Komparator durch Vergleich des
Brückensignals mit einstellbaren Referenzwerten Grenzwerte für die Temperatur der
Sonde erfaßbar sind. Vorzugsweise ist dabei dem Komparator zum Feststellen von Übertemperaturen
eine Verzögerungsschaltung mit einem monostabilen Multivibrator und Verknüpfungsgliedern
nachgeschaltet, so daß die Schalteinrichtung zur Unterbrechung der Heizspannung
erst nach bestimmter Dauer der
Störung betätigt wird. Gleichzeitig
wird dann mittels Leuchtdiode ein optischer Alarm gegeben.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung
in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen.
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Die Figur zeigt die Versorgungsschaltung für die Heizeinrichtung nach
der Hauptanmeldung, die mit einer zusätzlichen Schaltung gemäß vorliegender Erfindung
komplettiert ist.
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In der Figur sind mit 36 bis 47 die Elemente der Meßbrücke mit der
Brückenspeisespannungs-Versorgungsschaltung nach der Hauptanmeldung bezeichnet.
Sie besteht im einzelnen aus den Widerständen 36 bis 39, die die Brücke mit dem
temperaturabhängigen Widerstand Rt und Sollwiderstand R5 sowie den Hilfswiderständen
R1, R2 bilden, und dem Leist#ungsverstärker 42 bis 44 mit zugehörigen Beschaltungswiderständen
40 bis 43, 45 bis 47.
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Beim Regelvorgang mit dem so gebildeten Proportionalregler ergibt
sich im wesentlichen folgender Regelablauf: Am Widerstand 37 wird ein Sollwert R5
eingestellt. Über den Widerstand 45 wird von der Gleichspannungsquelle die Brücke
mit einer geringen Spannung beaufschlagt. Dabei ergibt sich an der Brücke bereits
eine geringe , dementsprechende Diagonalspannung UD1, die im Verstärker 42 verstärkt
wird.
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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 Widerstandsstrecke entsprechend der eingespeisten Leistung
aufgeheizt und dementsprechend der Wert des Widerstandes gemäß seinem Temperaturkoeffizienten
geändert wird.
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Die Brückenspeisespannung UBK ist dabei ein Maß für die Heizleistung
im Widerstand 36.
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Die Brückenspannung wird desto kleiner, je geringer die Differenz
zwischen den Widerständen 36 und 37 und je kleiner damit die Diagonalspannung UD1
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. 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 Gleichstrom-Meßbrücke
den Sollwiderstand R5 und zugehörigen Festwiderstand R2 einerseits sowie den Meß/Regelwiderstand
Rt und zugehörigen Festwiderstand R1 jeweils gleich groß zu dimensionieren. Dadurch
ergibt sich die optimale Meßempfindlichkeit der Brücke. Dabei ft vorzugsweise der
Sollwiderstand etwa 10 mal so groß wie der Widerstand der Widerstandsstrecke. Bei
einer derartigen Dimensionierung wird bei optimaler Empfindlichkeit ein maximal
möglicher Teil der in die Brücke eingespeisten elektrischen Leistung, nämlich fast
50 %, als Heizleistung umgesetzt.
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An den Brückenzweig mit Widerständen 36 und 38 ist ein zusätzlicher
Brückenzweig mit Widerständen 48 und 49 angeschaltet. Die zwischen den Widerstandszweigen
der
durch die Widerstände 36, 38, 48, 49 gebildeten Meßbrücke abfallende
Diagonalspannung UD2 wird über die Widerstände 50, 51 auf die Eingänge eines Operationsverstärkers
52 gegeben, der als Differenzverstärker mit Widerständen 53 und 54 beschaltet ist.
Das so im Differenzverstärker 52 verstärkte Brückensignal wird über einen Widerstand
56 auf einen als Komparator geschalteten Operationsverstärker 59 gegeben. Am Vergleichseingang
des Komparators 59 liegt über den Widerstand 57 sowie ein Potentiometer 58 eine
einstellbare Vergleichsspannung als Referenzwert. Dem Komparator 59 ist ein monostabiler
Multivibrator 60 mit einstellbarer Impulszeit nachgeschaltet, von dem ein logisches
Verknüpfungsglied 61 gleichzeitig mit dem Komparatorsignal angesteuert wird. Dieses
Verknüpfungsglied 61 ist ein NOR-Gatter. Vom NOR-Gatter 61 wird der erste Eingang
eines logischen Verknüpfungsgliedes 62 angesteuert, dessen zweiter Eingang mit dem
Ausgang eines zweiten Verknüpfungsgliedes 63 verbunden ist. Der erste Eingang des
Verknüpfungsgliedes 63 ist wiederum anEsAusgangssignal des Verknüpfungsgliedes 62,
während der zweite Eingang über einen Schalter 71 mit angeschalteter RC-Kombination
64, 65 an Betriebsspannung angeschlossen ist. Die logischen Verknüpfungsglieder
62/63 bilden zusammen ein sog. RS-Flipflop. Vom Ausgang des ersten Verknüpfungsgliedes
62 wird ein Relais 69 gesteuert, mit dem der Leistungsverstärker 42 bis 44 des Brückenspeisekreises
über einen Schalter 70 an die Betriebsspannung angeschaltet ist. Vom Ausgang des
zweiten Verknüpfungsgliedes 64 wird über einen Widerstand 66 ein Schalttransistor
67 angesteuert, in dessen Kollektorstrecke eine Lumineszenzdiode 68 liegt.
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Die so beschriebene, komplettierte Schaltung hat folgende Funktion:
Der
Leistungsverstärker 42 bis 44 wird von der Diagonalspannung UD1 der Gleichstrom-Meßbrücke
36 bis 39 gesteuert und speist eine entsprechende Brückenspeisespannung UBK in die
Meßbrücke ein. Wie beschrieben, ist durch die Schaltglieder 40 bis 47 ein Proportional-Regler
realisiert, wobei aber aufgrund der Regelabweichung des Reglers kein vollständiger
Brückenabgleich erreicht werden kann. Bei Normalbetrieb ist daher die in der zusätzlich
angeschalteten Meßbrücke aus den Widerständen 56, 38, 48, 49 auftretende Diagonalspannung
UD2 gegen Massepotential positiv. Dabei sind die Widerstände 48 und 49 zweckmäßigerweise
so gewählt, daß R3 dem Widerstand R2 entspricht und RU gleich oder größer dem Maximalwert
von R5 entsprechend gewählt wird.
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Bei Ausfall der Regelschaltung kann die Heizstrecke des Abnehmers
entweder zu kalt oder aber zu heiß sein. Da mit der Überwachungsschaltung primär
eine Schädigung der Haut durch Übererwärmung verhindert werden soll, wird zunächst
lediglich der Fall einer Übertemperatur beachtet: Bei ständigem Stromfluß durch
die Heizstrecke 36 mit Widerstand RJ steigt aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten
der Widerstandswert über den Widerstandswert RU des Widerstandes 48. Die Diagonalspannung
UD2 sowie die Ausgangsspannung am Differenzverstärker 52 werden dann negativ. Dieser
Wert wird im Komparator 59 mit einer mittels Potentiometer 58 einstellbaren Referenzspannung
verglichen. Bei Unterschreiten der durch die Referenzspannung festgelegten Schwelle
kippt der Komparator 59 in seine negative Lage. Durch dessen Ausgangssignal wird
der einstellbare Monoflop 60 gesetzt. Die Impulsdauer des Monoflops 60 ist bei beispielsweise
5 Sekunden eingestellt. Ist nach Ablauf dieser Verzögerungszeit die Störung in der
Regel,schaltung nicht beseitigt, wird
über das Gatter 61 das RS-Flipflop
62/63 vom ersten in den zweiten Zustand geschaltet. Das Relais 69 fällt ab und der
Schalter 70 öffnet; die Betriebsspannung wird unterbrochen. Über den Schalttransistor
67 wird die Leuchtdiode 68 zur Anzeige der Störung aktiviert.
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Im zweiten Brückenkreis mit den Widerständen 36, 38, 48, 49 wurde
zweckmäßigerweise R3 = R2 und RU = Rs gewählt. Eine andere Wahl von R3 und RU ist
prinzipiell möglich; in einem solchen Fall muß die Schwellenspannung am Potentiometer
58 für das Umschalten des Komparators 59 auf einen entsprechenden Wert eingestellt
werden.
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Während im beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen der Fall
der Ubertemperatur betrachtet wurde, kann durch Zuschalten eines weiteren Komparators
und Vergleich des Signals von Verstärker 52 mit engem positiven Referenzwert auch
eine Untertemperatur des Widerstandes R J erfaßt und signalisiert werden. Eine solche
Schaltungsgruppe 75 ist fakultativ im gestrichelten Kasten der Figur angedeutet.
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Bei erstmaliger oder erneuter Inbetriebnahme der Heizvorrichtung wird
durch die Kondensatorkopplung 65 gewährleistet, daß das RS-Flipflop 62/63 in dem
Zustand gesetzt ist, der ein Einschalten des Relais 69 bewirkt. Nach Beseitigung
der Störung kann die Regelung durch Schließen des Schalters 71 über einen Drucktaster
od.dgl. wieder in Betrieb gesetzt werden.
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Mit vorliegender Schaltung ist also eine wirksame Temperaturüberwachungsvorrichtung
geschaffen worden, ohne daß etwa ein weiterer Temperaturmeßfühler benötigt wird.