DE3544674A1

DE3544674A1 - Vorrichtung und verfahren zur beruehrungslosen messung des spezifischen gewichtes einer fluessigkeit

Info

Publication number: DE3544674A1
Application number: DE19853544674
Authority: DE
Inventors: Frank W. Ingle; Alan R. Palo Alto Calif. Selfridge
Original assignee: Kendall Co
Current assignee: Kendall Co
Priority date: 1984-12-20
Filing date: 1985-12-18
Publication date: 1986-07-24
Also published as: CA1249363A; US4664124A

Description

Beschreibung

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit, insbesondere Urin, wobei eine Ultraschall-Oszillatorschaltung verwendet wird.

Es ist bekannt, die Eigenschaften einer Flüssigkeit, insbesondere Urin, berührungslos in einer Sammelvorrichtung mit Hilfe von Ultraschall-Wandlern zu messen.

Beispielsweise wird in der US-PS 4 418 565 eine solche Vorrichtung beschrieben, bei der zwei Ultraschall-Wandler an gegenüberliegenden Längsseiten eines flexiblen Rohres angeordnet sind und die durchströmenden Luftblasen erfassen.

Ebenfalls wird in der US-PS 4 448 207 ein automatisches Überwachungsgerät für Urinabgabe beschrieben, in dem ein Ultraschall-Wandler verwendet wird, um über die Laufzeit der reflektierten Ultraschallwellen den Füllstand der Flüssigkeit zu bestimmen.

Jedoch ist es häufig wünschenswert, auch das spezifische Gewicht einer Flüssigkeitsprobe zu ermitteln. Das ist jedoch mit den bekannten Meßvorrichtungen nicht möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit unter Verwendung von Ultraschall-Wandlern zu schaffen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit, insbesondere Urin, geschaffen wird, die sich durch eine Meßkammeranordnung mit einer Meßkammer zum Auffangen von. Proben aus der Flüssigkeit, Ultraschall-Wand-

ler, eine Ultraschall-Oszillatorschaltung mit einem über eine Rückkopplungsleitung angeschlossenen und einen der Ultraschall-Wandler steuernden Impulsgeber zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer mittleren Frequenz, die von der mittleren Laufzeit eines ausgesendeten, durch die Urinprobe laufenden und wieder empfangenen Ultraschallimpulses bestimmt wird und durch einen Mikrocomputer auszeichnet, der aus der Frequenz des Ausgangssignals das spezifische Gewicht der Urinprobe ermittelt und anzeigt, wobei die Höhe d^er Laufzeit und der Frequenz vom spezifischen Gewicht der Urinprobe abhängen.

Vorzugsweise sind zwei Ultraschallwandler vorgesehen, die an ■ den gegenüberliegenden Seiten der Meßkammer angeordnet sind.

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Ferner wird zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit, insbesondere Urin, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschaffen, welches sich dadurch auszeichnet, daß Proben aus dem Urin entnommen werden, eine Oszillatorschaltung mit einer vom spezifischen Gewicht der ürinprobe abhängigen Frequenz betrieben wird und das spezi-■ fische Gewicht aus der Frequenz ermittelt und angezeigt wird.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erläutert. Es zeigen:

Figur 1A eine perspektivische Ansicht eines auto-

a on matischen Überwachungsgerätes für die

jj Urinabgabe (AUOM) mit einem daran be

festigten, elastischen Urinsammelbehälter;

te · «

Figur 1B eine weitere perspektivische Ansicht des

automatischen Überwachungsgerätes für die Urinabgabe aus Figur 1A, wobei zur Darstellung der innenliegenden Bauteile "^:; «der Urinsammelbehälter und die Frontplatte

-entfernt worden sind?

Figur 2 eine Vorderansicht der ü-aäie->- und Anzeigetafel des Überwachungsgerätes?
10

Figur 3A einen Querschnitt durch die Meßkanimer-

anordnung;

Figur 3B einen Längsschnitt durch die Meßkammer-

anordnung;

Figur 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht

einer zweiten Ausführungsform der Meßkammeranordnung i
20

Figur 5 einen Längsschnitt durch eine Sensorein

heit i

Figur 6 ein seheinatisches Blöckschaltbild der

Ultraschall-Oszillatorschaltung;

Figur 7 ein schematisches Blockschaltbild der

gesamten Meß- und Steuerschaltung des

automatischen Überwachungsgerätes aus Figur 1B> und

Figuren 8, 9A, 9B, Flußdiagramme, die die Arbeitsweise des 10, 10A bis C . automatischen Überwachungsgerätes verdeutlichen.

In den Figuren 1A und 1B ist ein automatisches Überwachungsgerät 20 (AUOM) für Orinabgabe mit einem aus einem elastischen Beutel bestehenden Urinsammelbehälter 22 dargestellt, der über eine Meßkammeranordung 24 und eine Entkopplungsvorrichtung 26 am automatischen Überwachungsgerät 20 gehaltert ist. Wie weiter unten noch näher erläutert wird, dienen die Meßkammeranordnung 24 und die Entkopplungsvorrichtung 26 als Verbindung zwischen dem distalen Ende eines in den Körper eines Patienten eingesetzten Katheters 28 und dem ^% ~J0 Ürinsammelbehälter 22. Der Katheter 28 ist mit einem ''^ψ f-. Katheteranschlußteil 29 an ein Schlauchanschlußteil 31 eines elastischen Entwässerungsschlauches 30 aus Kunststoff ange- ·■■;. schlossen. Das vom Patienten entfernte Ende des Entwässe- *-· rungs Schlauches 30 ist über ein Verbindungsteil mit der •j5 Oberseite der Meßkammeranordnung 24 verbunden. Die Körperflüssigkeit fließt von der Meßkammeranordnung 24 durch ein Jy₁

elastisches Verbindungsteil in der Entkopplungsvorrichtung 26 und weiter durch ein abgewinkeltes Einlaufrohr 32 des Behälteranschlusses 34.

Wie Figur 1B zeigt, weist das automatische Überwachungsgerät 20 ein Gehäuse 36 mit einer abnehmbaren Frontplatte 38 auf. In diesem Gehäuse 36 ist eine elektronische Meß- und Steuereinheit 40 untergebracht, die einen Computer mit verschiedenen Schnittstellen enthält. Über die Schnittstellen erhält der Computer Signale aus einer ersten und zweiten Meßwandlereinheit 42 und 44, die in die Meßkammeranordnung 24 steckbar sind und in dieser berührungslos das spezifische Gewicht und die Temperatur des Urins messen, so daß die Eigenschaften und das Verhalten des Urins nicht beeinflußt werden. Der Computer empfängt über weitere Schnittstellen, elektronische Signale aus Sensoren, die mit zwei Befestigungsarmen 46 und 48 von einer Behälterhalterung 50 gekoppelt sind, um somit das Gewicht des im Behälter 22 gesammelten Urins zu ermitteln. Der Computer ermittelt ebenfalls die Körpertemperatur aufgrund von Signalen aus

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einem Temperatursensor, der im Katheter 28 angeordnet und über ein elektrisches Kabel 52 am Computer angeschlossen ist. Der Computer erhält ebenfalls Signale von Meßsensoren, die die Umgebungstemperatur und den Ladezustand einer tragbaren Gleichspannungsbatterie (hier nicht dargestellt) anzeigen, und ferner Signale von einer Schalttafel 54 einer Bedien- und Anzeigetafel 56 (siehe Figur 2). Die Schalttafel 54 enthält manuell betätigbare Schalter, und zwar einen Rucks et ζ schalter 58, einen Startschalter 60, einen Wahl- ^^ schalter 52 für den Temperatur-Anzeigemaßstab und einen Schalter 64 für die Beleuchtung der Bedien- und Anzeigetafel

Der Computer ermittelt in periodischen Intervallen automa-

"*^ tisch das spezifische Gewicht, die Temperatur, das Volumen und die Zeit aufgrund der Signale von den Meßsensoren und von der Schalttafel 54. Ferner steuert der Computer die visuelle Anzeige dieser Signale auf verschiedenen elektronischen Digitalanzeigeeinheiten eines Anzeigebereichs 66 auf der Bedien- und Anzeigetafel 56. Das Volumen in Millilitern des im Behälter 22 gesammelten Urins für die betrachtete und die vorige Stunde sowie für die gesamte bereits vergangene Meßzeit wird auf einer ersten bis dritten Anzeige 68, 70, 72 angezeigt. Nach Betätigung des Startschalters 60 oder Rücksetzschalters 58 zeigt der Computer, gesteuert von einer internen Uhr, die vergangenen Minuten der betrachteten Stunde und die gesamte, bereits seit Meßbeginn vergangene Zeit auf einer vierten und fünften Anzeige 74 und 76 an. Das Spezifische Gewicht wird auf einer sechsten Anzeige 78 und die Körpertemperatur in Abhängigkeit von der Stellung des Wahlschalters 62 entweder in Fahrenheit oder in Grad Celsius auf einer siebten Anzeige 80 angezeigt. Bei einem kritischen Ladezustand der Batterie wird die achte Anzeige 82 aktiviert. Bestimmte Betriebszustände werden auch über eine alphanumerische Anzeigeeinheit 84 sowie über eine Alarmanzeigelampe 86 angezeigt.

In der Regel wird das Überwachungsgerät 20 lösbar an einer aufrechtstehenden Befestigungsstange 90 mittels einer auf der Rückseite des Gehäuses 22 angeordneten Schraubklemme 92 befestigt. Obwohl die Befestigungsstange 90 gemäß den 5Figuren IA und 1B auf einer Grundplatte 93 befestigt ist, kann sie ebenfalls lösbar am Bett des Patienten befestigt werden.

,., , Das automatische Überwachungsgerät 20 für Urinabgabe mit der Ή^Λ *'Λ 0Meßkammeranordnung 24, der Entkopplungsvorrichturig 26, dem -¹ (' Behälteranschluß 34 und dem Urinauf fangbeutel 22 wird in der ι Nähe des Patienten aufgestellt, bevor in dessen Körper der Katheter 28 eingeführt und an den Katheter 28 der Entwäs- - ^:"^v serungsschlauch 3 0 angeschlossen wird. Dabei wird der 15Urinauffangbeutel 22 am Überwachungsgerät 20 angeordnet, das ' sich außerhalb der sterilen Zone befindet.

■ " Die Entkopplungsvorrxchtung 26 weist ein Kopfteil 94 mit zwei Aufnahmeteilen 96 und 98 auf, die in Eingriff mit dem ersten und zweiten Befestigungsarm 46 und 48 bringbar sind, ; damit der Auffangbeutel 22 schwebend aufgehängt wird. Wie in "' der amerikanischen Patentanmeldung US SN 06/684 234 näher erklärt wird, sind an den Aufnahmeteilen 96 und 98 Mittel zum Verriegeln der Befestigungsarme 46 und 48 vorgesehen.

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'_f Mit den Bef estigungsarmen 46 und 48 ist ein Sensor,

beispielsweise ein Dehnungsmeßsensor, für die Gewichtsmessung mechanisch fest verbunden, der an eine zugehörige Sensorschaltung 368 (siehe Figur 7) elektrisch angeschlossen ist.

Bezüglich der Entkopplungsvorrichtung 26 wird ebenfalls auf die amerikanische Patentanmeldung US SN 06/684 234 verwiesen.

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Nachdem zwei Scjhuti;kappen 102, von denen nur eine in Figur 3A dargestellt ist, von einem ersten und zweiten Meßwandlerhalterungsteil 104 und 106 entfernt worden sind, können nun die erste und zweite Meßwandlereinheit 42 und 44 in Eingriff mit dem ersten und zweiten Meßwandlerhalterungsteil 104 und 106 gebracht werden. Außerdem kann nun die Meßkammeranordnung 24 in eine Meßstellung 108 gebracht werden, wobei die erste und zweite Meßwandlereinheit 42 und 44 entsprechend gegenüber dem ersten und zweiten Meßwandlerhalterungsteil

-,JO 104 und 106 angeordnet v/erden. Der Sammelbehälter 22 'iird ' ' dann am ersten und zweiten Befestigungsarm 46 und 48 gehaltert.

Anschließend können die erste und zweite Meßwandlereinheit 42 und 44 durch manuelle Betätigung eines Verstellorgans 110 aufeinanderzu bewegt werden. Wird das Verstellorgan 110 von einer Stellung gemäß Figur 1B in eine Arbeitsstellung gemäß Figur 1A verdreht, werden beide Meßwandlereinheiten 42 und 44 aufeinanderzubewegt und jeweils mit einem der Meßwandlerhalterungsteile 104 und 106 in Eingriff gebracht. Da der Entwässerungsschlauch 30 an der Meßkammeranordnung 24 angeschlossen ist, werden somit der Entwässerungsschlauch 30 und sein entsprechendes Ende 166 am Gehäuse 36 festgehalten. Dann wird der Startschalter 60 geschlossen, und die automatische Überwachungseinrichtung 20 beginnt mit ihrem Betrieb.

Wie die Figuren 3A und 3B zeigen, enthält die Meßkammeranordnung 24 eine Meßkammer 170, die innerhalb eines Meßkammergehäuses 172 zwischen einer Einlaßöffnung 174 und einer Auslaßöffnung 176 angeordnet ist. An die Einlaßöffnung 174 ist über ein ringförmiges, oberes Meßkammeransehlußteil 178 das Ende 177 des Entwässerungsschlauches 30 angeschlossen. Dabei kann das Ende 177 des Entwässerungsschlauches 30 mit dem oberen Meßkammeransehlußteil 178 beispielsweise verklebt oder verschweißt sein. Die Auslaßöffnung 176 des

Meßkammergehäuses 172 ist mit der Eintrittsöffnung des unteren Meßkammeranschlußteils 148 verbunden, das mit seiner Austrittsöffnung 142 an das Verbindungsrohr 140 angeschlossen ist. An dem anderen Ende des Verbindungsrohres 140 ist das elastische, manschettenförmige Verbindungsteil der Entkopplungsvorrichtung 26 befestigt, so daß ein geschlossenes fluides System zwischen der Einlaßöffnung 174 des Meßkammergehäuses 172 und dem Urinsammelbehälter 22 gebildet wird.

Wie aus Figur 3B ersichtlich, hat die Meßkammer 170 eine Trogform mit einer offenen Oberseite 171, die durch eine erste und zweite Kante 180 und 182 einer ersten und zweiten Seitenwand der Meßkammer 170 begrenzt wird. Da sich die offene Oberseite 171 der Meßkammer 170 unterhalb der Einlaßöffnung 174 des Meßkammergehäuses 172 befindet, gelangt Flüssigkeit aus dem offenen Ende 177 des Entwässerungsschlauches 30 direkt in die Meßkammer 170, so daß die offene Oberseite 171 als Eintrittsöffnung in die Meßkammer 170 dient. Durch die Einlaßöffnung 174 fließende, neue Flüssigkeit vermischt sich dabei mit der bereits in der Meßkammer 170 befindlichen Flüssigkeit, Ist die Meßkammer 170 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, bewirken weitere Mengen an nachfolgender Flüssigkeit ein überlaufen der Meßkammer 170, wobei die bereits in der Meßkammer 170 befindliche Flüssigkeit über eine oder beide Kanten 180 und 182 zur Auslaßöffnung 176 des Meßkammergehäuses 172 fließt. Somit dient die offene Oberseite 171 ebenfalls als Austrittsöffnung aus der Meßkammer 170.

Vorzugsweise bestehen die gegenüberliegenden Seitenwände der Meßkammer 170 aus Kunststoff und sind einstückig mit dem Meßkammergehäuse 172, dem ringförmigen, oberen Meßkammeranschlußteil 178 und dem länglichen unteren Meßkammeranschlußteil 148 ausgebildet. Der Kunststoff sollte durchsichtig

sein, so daß die Flüssigkeit im Meßkammergehäuse 172 und in der Meßkammer 170 sichtbar ist.

Wie bereits erwähnt, weist die Meßkammeranordnung 24 zwei gegenüberliegende Sensorwände 186 und 188 auf, die Teil der äußeren Wände des Meßkammergehäuses 172 sind, so daß außerhalb des Meßkammergehäuses 172 Meßwandler wie beispielsweise ein Ultraschallsender in der ersten Meßwandlereinheit 42 an diesen angeordnet werden können, wobei die durch die Meßkammer 170 fließende Flüssigkeit während der Messung nicht beeinflußt wird. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen den beiden Sensorwänden 186 und 188 so gewählt werden, daß sich eine optimale Messung der Flüssigkeit ergibt. Beispielweise sollte der Abstand für die Messung des spezifischen Gewichtes von menschlichem Urin mit Hilfe der Ultraschall-Oszillatorschaltung 300 aus Figur 6 etwa 2,54 cm betragen.

Da die Flüssigkeit in der Meßkammer 170 kontinuierlich aufgefrischt wird, werden somit immer die augenblicklichen Eigenschaften der Flüssigkeit gemessen. Dabei werden Meßfehler aufgrund einer Anhäufung von aus der Flüssigkeit ausgefallenen Feststoffpartikeln vorzugsweise dadurch vermieden, daß unterhalb der Meßebene der Sensorwände 186, 188 ein Auffangbereich 190 für Feststoffpartikel in der Meßkammer 170 vorgesehen ist.

Die Sensorwände 186 und 188 bestehen aus relativ dünnen, elastischen, federnden Membranen, die an ersten und zweiten festen Vorsprüngen 192 und 194 befestigt sind und somit kreisförmige Öffnungen in den gegenüberliegenden Seiten des Meßkammergehäuses 172 und der Meßkammer 170 verschließen. Diese Membranen bestehen aus elastischem Kunststoff oder einem ähnlichen, geeigneten Material, das ungefähr dieselben Ultraschalleigenschaften wie die zu messende Flüssigkeit besitzt. Für die Messung von menschlichem Urin ist das

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geeignete Material Urethan-Kunststoff mit einer Dicke von 127/um.

Wird an der Meßkammer 170 ein Temperatursensor 299 gemäß Figur 5 angeordnet, sollten die elastischen Sensorwände 186 und 188 eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die nicht geringer als der übrige Teil der Seitenwände der Meßkammer 170 ist. In einem solchen Fall ist Kunststoff ebenfalls das geeignete Material.

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Wie die Figuren 3 A und 3 B zeigen, wird für die luftdichte Abtrennung der Sensorwände 186 und 188 gegenüber den Meßwandlereinheiten 42 und 44 jeweils eine Trennscheibenanordnung vorgesehen, indem ein auf Schallwellen ansprechendes Kopplungsmedium 196 an die Außenfläche der Sensorwände 186 und 188 angeordnet und darüber eine relativ dünne Trennscheibe 198 gelegt ist. Die dünne Trennscheibe 198 besteht vorzugsweise aus absorbierendem, elastischem, papierähnlichem Material, so daß ein Teil des Kopplungsmediums 196 in der Trennscheibe 198 absorbiert wird. Für die akustische Kopplung mit den Sensorwänden 186 und 188, die dieselben akustischen Eigenschaften wie menschlicher Urin haben sollen, hat sich die Verwendung von Silikonflüssigkeit als Kopplungsmedium 196 und von Papier in der Trennscheibe 198, insbesondere derjenigen Papierart, die auch in Teebeuteln verwendet wird, als geeignet herausgestellt.

Die dünne Trennscheibe 198 besitzt eine Kreisform, die mit dem Querschnitt der Meßwandlereinheit 42 und 44 überein-30 stimmt und in die Sensorwände 186 und 188 paßt. Vorzugsweise besitzt die Trennscheibe 198 Einschnitte , die tortenförmige Einkerbungen oder einfach radial verlaufende Schlitze bilden, um einen elastischen Sitz der Trennscheibe 198 in den

j Sensorwänden 186 und 188 zu ermöglichen, so daß Falten oder

35 Luftspalte vermieden werden.

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Gemäß den Figuren 3A und 3B sind an der MeSkammeranordnung 24 zwei relativ steife Verbindungsteile 228 angeordnet, die jeweils eine der Sensorwände 186, 188 umschließen. Diese Verbindungsteile 228 weisen eine Öffnung 230 auf, durch die eine Meßwandlerspitze 232 (siehe Figur 5) einer Meßwandlereinheit 42 oder 44 geführt wird. Zusätzlich weisen die Verbindungsteile 228 jeweils einen ringförmigen, vorstehenden Rand 234 auf, der über dem Kopp lung smeciium \Z^r, ^mA der dünnen Trennscheibe 198 liegt. Dieser vorstehende Rand 234 verhindert, daß die Trennscheibe 198 durch die Öffnung 230 herausfällt und das Kopplungsmedium 196 von den SensorwSr.den 186 und 188 durch die Öffnung 130 ausläuft. Der Durchmesser der Trennscheibe 198 ist größer als der Durchmesser der Öffnung 230.

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Die Verbindungsteile 228 weisen eine halbkugelförmige Innenfläche 238 auf, durch die der vordere Teil eines halbkugelförmigen Meßwandlergehauses 240 der jeweiligen Meßwandlereinheit 42 oder 44 geführt und in einer Stellung bündig gehaltert wird, in der sich die Meßwandlerspitze 232 durch die jeweilige Öffnung 230 erstreckt (siehe Figur 3A).

Werden beide Meßwandlereinheiten 42 und 44 aufeinanderzu in ihre Meßstellung bewegt, werden die halbkugelförmigen Meä-Wandlergehäuse 240 in Eingriff mit den halbkugelförmigen Innenflächen 238 gebracht, die die durch die Öffnung 230 geführten Meßwandlerspitzen 232 automatisch ausrichtet. Das Verbindiangsteil weist ferner eine zylindrische Außenfläche 241 auf, über die die Schutzkappe 102 geschoben wird.

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Die zweite Ausführung 24' einer Meßkammer gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der bisher behandelten Ausführung durch ein zusätzlich angeordnetes Siphonrohr 220. Anders als bei der ersten Ausführung wird hier die Meßkammer 222 über das Siphonrohr 220 und die Auslaßöffnung 224 vollständig entleert, wenn die Flüssigkeit die Füllhöhe 226 des Siphon-

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rohres 220 erreicht. Dabei fließt die gesamte Flüssigkeit ^f:

durch die Meßkammer 222, da keine weitere Verbindung I

zwischen der Einlaßöffnung 227 und der Auslaßöffnung 224

besteht. |

Wie Figur 5 zeigt, weist jede der Meßwandlereinheiten 42 und ί 44 einen elektrischen Wandler 284 auf, der in einem i Meßwandlerrohr 286 liegt, das mit seinem einen Ende in einer | axialen Bohrung 288 des Meßwandlergehäuses 240 gleitend <·?, gehaltert ist. Das andere Ende des Meßwandlerrohres 286 ist -Cf an einem Befestigungsarm 295 gehaltert. Wie bereits oben beschrieben, haben sowohl das Meßwandlergehäuse 240 als auch die Innenfläche 238 des Verbindungsteils 228 die gleiche " Form, so daß die Meßwandlereinheiten 42 und 44 gegenüber der Meßkammeranordnung 24 korrekt ausgerichtet werden. Anstelle der Halbkugelform können die Innenfläche 238 des Verbindungsteils 228 und das Meßwandlergehäuse 240 auch eine konische Form aufweisen.

Werden die Meßwandlereinheiten 42 und 44 an der Meßkammeranordnung 24 gehaltert, wird eine weitere Bewegung der Meßwandlergehäuse 240 wegen der Berührung der Innenflächen 238 der ' Verbindungsteile 228 gestoppt, während die Meßwandlerrohre 286 weiter aufeinanderzubewegt werden, bis ein festgelegter Abstand erreicht ist. Dabei wird jedes Meβwandlerrohr 286 in der Bohrung 288 von einer Ruhestellung, bei* der die Meßwandlerspitze 232 innerhalb der Bohrung 288 zurückgezogen j liegt (siehe Figur 5), in eine Meßstellung 290 vorgeschoben, \ bei der sich die Meßwandlerspitze 232 aus dem Ende des ί Meßwandlergehäuses 240 hinauserstreckt (in Figur 5 durch die § unterbrochene Linie angedeutet). Jev/eils eine über dem f Meßwandlerrohr 286 angeordnete Spulenfeder 292 berührt mit f ihrem einen Ende einen ersten Absatz 293 in der Bohrung 288 | und mit ihrem anderen Ende einen Meßwandlerbefestigungsarm 295, an dem das Meßwandlerrohr 286 gehaltert ist, so daß die ?_r elektrischen Meßwandler 284 in die schützende Ruhestellung |

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geschoben werden-. Somit verschwindet der elektrische Meßwandler 284 automatisch in der Bohrung 288, wenn das Meßwandlergehäuse 240 der jeweiligen Meßwandlereinheit 42 oder 44 von der Innenfläche 238 des Verbindungsteils 228 getrennt wird.

In der Ruhestellung berührt ein auf den Meßwandlerrohren 286 angeordneter, ringförmiger Kragen 296 einen kreisförmigen zweiten Absatz 294 am vorderen Ende der Bohrung 288.

Bestehen die Sensorwände 186 und 188 aus unelastischem Material, sollten diese einen Abstand zueinander aufweisen, der etwas größer als der eingestellte Abstand zwischen den in die Meßstellung bewegten Meßwandlerspitzen 232 ist. Dabei werden die Meßwandlerspitzen 232 federnd gegen die Sensorwände 186 und 188 gedrückt, so daß dazwischen kein Zwischenraum mehr verbleibt. Wenn die Sensorwände 186 und 188 dagegen aus elastischem Material bestehen, ist der Abstand zwischen den Meßwandlerspitzen 232 nicht von den Abmessungen 'der Meßkammeranordnung 24 abhängig. Dieser kritische Abstand -kann während verschiedener Messungen mit verschiedenen Meßkammern trotz geringer Unterschiede in den Abständen zwischen deren Sensorwänden beibehalten werden.

Bei Einsatz eines Ultraschallsenders ist vor der Meßwandlerspitze 232 eine das offene Ende des Meßwandlerrohres 286 verschließende Quarzscheibe 286 befestigt. Zur Erzeugung und Aussendung von Ultraschallwellen wird eine elektrische Spannung über elektrische Kabel 297 an die Quarzscheibe 298 gelegt, während zum Empfang von Ultraschallwellen diese durch die Quarzscheibe 298 in entsprechende elektrische Signale umgewandelt und dann an einen Verstärker 3D δ weitergeleitet werden (siehe Figur 6).

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Zusätzlich zum Ultraschallwandler kann innerhalb des Meßwandlerrohres 286 auch noch ein Temperatursensor 299 wie beispielsweise ein Thermistor vorgesehen werden, dessen Ende sich in physischem Kontakt mit der Innenseite der Quarz-5 scheibe 298 befindet und über diese die Temperatur der Sensorwände 186, 188 und somit der Flüssigkeit erfaßt. Durch diese Anordnung wird die Meßverzogerungszeit herabgesetzt,

wobei jedoch gleichzeitig die Ultraschalleigenschaften der , Quarzscheibe 298 unverändert bleiben. Vorzugsweise sollte ~? S -'-"" s Mo',der Temperatursensor 299 vom Meßwandlerrohr 286 umgeben sein ,„( (, V' und sowohl die Quarzscheibe 298 als auch die Sensorwände 186, 188 die gleiche Wärmeleitfähigkeit besitzen.

' >< ' Wie in Figur 6 dargestellt, sind die Meßwandlereinheiten 42 ^r _v -I5 und 44 Teil einer Ultraschall-Oszillatorschaltung 300. Diese ·, >i ' Schaltung 300 erzeugt über eine erste Ausgangsleitung 302 ein Ausgangssignal, das eine Frequenz hat, die sich in einem bekannten Verhältnis zu den Schwankungen des spezifischen Gewichtes der Flüssigkeitsprobe in der Meßkammeranordnung 24 ändert. Insbesondere schwankt die Frequenz entsprechend der Laufzeit eines Ultraschallimpulses, der von der als Sender arbeitenden ersten Meßwandlereinheit 42 erzeugt wird, durch ,; - die Flüssigkeitsprobe innerhalb der Meßkammeranordnung 24 läuft und von der als Empfänger arbeitenden zweite Meßwandlereinheit 44 empfangen wird. Dabei hängt die Ultraschallcharakteristik der Flüssigkeit in der Meßkammeranordnung 24 von ihrem spezifischen Gewicht oder ihrer relativen Dichte ab. Die von der zweiten Meßwandlereinheit 44 empfangenen Ultraschallimpulse werden in elektrische Signale umgewandelt und über eine erste Leitung 304 einem Verstärker 306 zugeführt. Die übrigen Bauteile der Ultraschall-Oszillator- * schaltung 300 haben die Aufgabe, aufgrund dieser Signale

weitere Impulssignale zu erzeugen, die von einem Impulsgeber 310 über eine zweite Leitung 308 ausgegeben werden. Diese Impulssignale werden von der ersten Meßwandlereinheit 42 in Ultraschallwellen umgewandelt, die durch die Flüssigkeits-

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probe in der Meßkammeranordnung 24 laufen, so daß eine geschlossener Kreis entsteht.

Die Rückkopplungsschleife zwischen dem Verstärker 306 und dem Impulsgeber 310 enthält einen Spitzenwertdetektor 312, einen Komparator 314, einen Detektor 316, ein ODER-Gatter 318 und eine Rückkopplungleitung 320, die den Ausgang des ODER-Gatters 318 mit dem Eingang des Impulsgebers 310 verbindet.

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vor der Aktivierung der Ultraschall-Oszillatorschaltung 300

.'.-. " , r<l r können keine Impulse vom Komparator 314 empfangen werden,

- *_,^Λ-~ ,,„- und somit können auch keine Impulse vom ODER-Gatter 318 in ^₁, "_r' ' Zusammenwirken mit dem Detektor 316 erzeugt werden. Erkennt

. .;,J\, * 15 der Detektor 316, daß der Komparator 314 keine Impulssignale $<■"'V-*" U- erhält, gibt er ein Signal über eine dritte Leitung 324 an

- -'t-"^r '_t}~ einen Startoszillator 322 und schaltet diesen ein. Ist der

Startoszillator 322 eingeschaltet, erzeugt dieser Startimpulse, die über eine vierte Leitung 326 ausgegeben werden. Diese Impulse laufen durch das ODER-Gatter 318 zum Impulsgeber 310.

Falls sich keine Flüssigkeit in der Meßkammeranordnung 24 befindet oder ein anderes Problem besteht, aufgrund dessen keine geeigneten Impulse von der zweiten Meßwandlereinheit 44 empfangen werden können, und der Detektor 316 diesen Zustand erkennt, wird der Startoszillator 322 die Erzeugung von Startimpulsen fortsetzen.

Ergeben sich dagegen korrekte Betriebszustände, wird der erste vom Impulsgeber 310 ausgesendete Impuls ein verstärktes Signal am Eingang des Spitzenwertdetektors 312 zur Folge haben. Dieser Impuls wird einen Kondensator (hier nicht dargestellt) im Spitzenwertdetektor 312 zu einem Teil aufladen. Nach weiteren Startimpulsen wird der Kondensator im Spitzenwertdetektor 312 auf einen mittleren Gleichspan-

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nungswert aufgeladen sein. Dadurch erzeugt der Komparator 314 als Folge der Signale aus dem Verstärker 306 an seinem Ausgang sehr schmale Impulse, die dem Detektor 316 zugeführt werden.
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Der Detektor 316 erkennt nun, ob die Impulsfolgefrequenz der Signale vom Komparator 314 innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches für die Flüssigkeitsmessung liegt. Ist dieser Zustand gegeben, gibt der Detektor 316 ein Signal über die dritte Leitung 324 an den Startoszillator 322, wodurch dieser nun abgeschaltet wird. Dabei schaltet der Startoszillator 322 seinen mit der vierten Leitung 326 verbundenen Ausgang auf einen Zustand, daß das ODER-Gatter 318 die Impulse vom Detektor 316 durchläßt und auf die Rückkopplungsleitung 320 und zum Impulsgeber 310 weiterführt .

Anschließend schwingt die Ultraschall-Oszillatorschältung 300 mit Eigenfrequenz oder erzeugt ein Rückkopplungssignal mit einer Frequenz, die der Laufzeit der durch die Flüssigkeit laufenden Impulse entspricht. Dabei ist die Laufzeit innerhalb der elektronischen Schaltung vorzugsweise geringer als 0,3% der Laufzeit der Impulse durch die Meßkammeranordnung 24 und hat somit nur geringen Einfluß auf die Oszillatorfrequenz.

Amplitudenveränderungen der empfangenen Ultraschallsignale, die durch unterschiedliche akustische Eigenschaften von verschiedenen verwendeten Meßkammeranordnungen hervorgerufen werden, sowie Temperatur Schwankungen werden zwar vom Spitzenwertdetekror 312 erkannt, jedoch ist der Spitzenwertdetektor 312 ein Hochgeschwindigkeitsdetektor, der für einen weiten Amplitudenschwankungsbereich automatisch denselben Schwellpunkt für die aufgenommenen Impulse bildet. Dadurch können auch unter schlechten Bedingungen aufgenommene Ultraschallsignale genau eingelesen und weiterverarbeitet werden. Ein

1 · fit

Zwei-Punkt-Kalibrierungssystem ist vorgesehen, bei dem für die Kalibrierung jedes Instrumentes der eine Kalibrierungspunkt ungefähr bei 1,000 und der andere ungefähr bei 1,040 liegen. Die Schaltung ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sie gegenüber Spannungsschwankungen unempfindlich ist, wobei ein Störunterdrückungsfaktor von ungefähr 58 db als geeignet erscheint-

Die zweite Meßwandlereinheit 44 enthält ebenfalls einen Temperatursensor 299, der ein der Temperatur der Flüssigkeitsprobe in der Meßkammeranordnung 24 entsprechendes Signal über eine fünfte Leitung 328 an eine erste Sensorschaltung 330 für die Messung der Probentemperatur abgibt, die das Analogsignal in ein oszillierendes Signal umwandelt und dieses über eine zweite Ausgangsleitung 332 ausgibt. Dieses oszillierende Signal hat eine Frequenz, die der Probentemperatur entspricht, und wird einem Mikrocomputer 334 des automatischen Überwachungsgerätes 20 eingegeben, der aus den beiden Signalen auf der ersten und zweiten Ausgangsleitung 302 und 332 das spezifische Gewicht der Flüssigkeit ermittelt, wobei noch bei Abweichung der gemessenen Temperatur von einer Standard-Temperatur eine Kompensation erfolgt. Die Frequenz des Temperatur-Kompensationssignals entspricht der Höhe der für eine gegebene Temperatur erforderlichen Kompensation.

In Figur 7 ist die elektronische Meß- und Steuerschaltung des automatischen Überwachungsgerätes 20 dargestellt. Die Schaltung enthält den Mikrocomputer 334 mit einer Zentralprozessoreinheit (CPU) 336, zwei EPROMs 338 und zwei RAMs 340 sowie einen die genannten Bauteile verbindenden Datenbus 342 und Adreßbus 344. Eine Taktsteuerungsschaltung 346 versorgt die Zentralprozessorexnhext 336 mit entsprechenden Taktsignalen und erzeugt ebenfalls auf Leitungen 348 Steuersignale für die Spannungsversorgung. Die Taktsteuerungsschaltung 346 wird von Batterien 350 o. ä. über einen entsprechen-

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den Regler 352 mit Gleichspannung versorgt. Ein-/Ausgangskanäle 354 sind über eine asynchrone Steuerschaltung (UART) 356 mit dem Datenbus 342 und dem Adreßbus 344 verbunden. Verschiedene Elemente der Bedien- und Anzeigetafel 56 wie der Rücksetzschalter 58, der Startschalter 60/ der Wahlschalter 62 für den Temperatur-Anzeigemaßstab und der Schalter 64 für die Beleuchtung sowie die erste bis siebte Anzeige 68 bis 80 und die alphanumerische Anzeigeeinheit 84 sind am Mikrocomputer 334 angeschlossen. Die alphanumerische Anzeigeeinheit 84 und weitere Anzeigen sind dabei direkt mit dem Datenbus 342 verbunden, über den sie serielle Daten erhalten, während zwischen den Schaltern 58 bis 64 und dem Datenbus 342 eine Schalttafel- Schnittstelle 358 geschaltet ist«

Die Signale von den verschiedenen Sensoren werden über eine Schnittstelle 364 und einen Frequenzzähler 360 zu den Eingängen des Mikrocomputers 334 geleitet. Der Frequenzzähler 360 ist an einen Taktgeber 362, an den Datenbus 342 und an den Adreßbus 344 angeschlossen und erhält über die Schnittstelle 364 sämtliche Meßwerte der Sensoren einschließlich der Meßwerte für das spezifische Gewicht aus der • Ultraschall-Oszillatorschaltung 300 gemäß Figur 6 sowie ferner für die Probentemperatur aus der zugehörigen Sensorschaltung 330.

Die Schnittstelle 364 erhält Meßwertsignale von einer zweiten Sensorschaitung 366 für die Messung der Körpertemperatur, einer dritten Sensorschaltung 368 für die Messung des Gewichtes, einer vierten Sensorschaltung 370 für die Messung der Umgebungstemperatur und einer Licht-Meßschaltung 372. Die Eichung erfolgt über eine Kalibrxerungsschaltung 374. Die Frequenz der Meßwertsignale wird von der Schnittstelle 364 und dem Frequenzzähler 360 in entsprechende Digitalsignale umgewandelt, die vom Mikrocomputer 334 eingelesen werden. Diesbezüglich wird auf die Flußdiagramme in den

Figuren 8, 9A, 9B, 10 und 10A bis C verwiesen.

Für den Betrieb des automatischen Überwachungsgerätes 20 entsprechend den Flußdiagrammen der Figuren 8, 9A und 9B ist in einem der EPROMs 338 eine Kurve mit dem spezifischen Gewicht in Abhängigkeit von der Temperatur abgespeichert. Nachdem zwei Temperaturwerte erfaßt worden sind, werden die eingelesenen Werte gemittelt und dazu benutz"* da.,?: r>it Hilfe der gespeicherten Kurve das durch die Messung ermittelte spezifische Gewicht in einen temperaturkompensierten Wert umgerechnet wird. Ebenfalls kann eine empirisch ermittelte Formel abgespeichert werden, mit deren Hilfe das tatsächlich gemessene spezifische Gewicht in einen temperaturkompensierten Wert umgerechnet wird.

Der Mikrocomputer 334 erhält über die Schnittstelle 364 von der zweiten Sensorschaltung 366 für die Messung der Körpertemperatur entsprechende Signale, ermittelt daraus die Körpertemperatur und zeigt den Temperaturwert entweder in Grad Celsius oder Fahrenheit an.

Die Frequenz des Signals auf der ersten Ausgangsleitung 302 zur Bestimmung des spezifischen Gewichtes wird während einer festgelegten Zeitdauer in der Größenordnung von einer Sekunde erfaßt, um auf Einschwingvorgänge oder sonstige Störungen beruhende Fehler zu minimieren. Die Ultraschall-Oszillatorschaltung 300 ist nur dann aktiv, wenn neue Meßwerte ermittelt werden müssen. Die Anzeige für das spezifische Gewicht erhält ebenfalls automatisch und periodisch etwa nach jeder halben Stunde neue, gemittelte Daten.

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit, insbesondere Urin, gekennzeichnet durch

- eine Meßkammeranordnung (24) mit einer Meßkammer (170) zum Auffangen von Proben aus der Flüssigkeit?

Ultraschall-Wandler (42, 44)?

eine Ultraschall-Oszillatorschaltung (300) mit einem über eine Rückkopplungsleitung (320) angeschlossenen und einen der Ultraschall-Wandler (42) steuernden Impulsgeber (310) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer mittleren Frequenz, die von einer mittleren Laufzeit eines ausgesendeten, durch die Urinprobe laufenden und wieder empfangenen Ultraschallimpulses bestimmt wird? und
einen Mikrocomputer (334), der aus der Frequenz des Ausgangssignals das spezifische Gewicht der Urinprobe ermittelt und anzeigt, wobei die Höhe* der Laufzeit und der Frequenz vom spezifischen Gewicht des Urins abhängen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Ausgangssignals während einer festgelegten Zeitdauer in der Größenordnung von einer Sekunde erfaßbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (334) automatisch und periodisch die neu ermittelten Meßwerte für das spezifische Gewicht auf einer Anzeige (78) anzeigt.

■ -'' -it. 4. ^Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzezchnet, ... """.';' ,1- "'-"'daß die Anzeige (78) nach ungefähr jeder halben Stunde -- ... - automatisch die neuen Daten amseigt.

,',-> \ 5. ■ Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

.*..,. - daß der Mikrocomputer (334) die Anzeige des ' '- '- spezifischen Gewichtes in Übereinstimmung mit der ' ; neuen Messung periodisch erneuert; und

" -'- daß Speichermittel (340) zur Speicherung der Meßwerte für das spezifische Gewicht vorgesehen sind.

'6. Vorrichtung nach Anspruch λ, gekennzeichnet durch

- einen Sammelbehälter (22) zum Sammeln von Urinproben }

- Mittel zum Wiegen car gesammelten Urinproben; den Mikrocomputer (334) zur Berechnung des Volumens der gesammelten Flüssigkeitsproben aus dem

f Gewicht; und

die Anzeigen (68, 70, 72) zum Anzeigen des gesamten Volumens.

\ ■ 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, f daß die Ultraschall-Wandler (42, 44) an gegenüberlie-

genden Seiten der Meßkaitimer (70) angeordnet sind.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ultraschall-Wandler (42, 44) an gegenüberliegenden Seiten der Meßkammer (170) angeordnet sind und

; der eine Wandler (42) Ultraschallwellen aussendet und der andere Wandler (44) diese empfängt/ wobei die Ultraschallwellen die Urinprobe durchlaufen.

9. Verfahren zur berührungslosen Messung des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß eine Probe aus dem Urin entnommen wird*

- daß eine Oszillatorschaltung mit einer vom spezifischen Gewicht der Urinprobe abhängigen Frequenz betrieben wird? und

- daß das spezifische Gewicht der Urinprobe aus der Frequenz ermittelt und angezeigt wird.