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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet spirometrischer Messungen, insbesondere auf die thermostatische
Kontrolle von Pneumotachographen.
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Weiterhin ist sie sowohl zur Anwendung
in der Mikrokalorimetrie wie zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines
Fluids in einem Rohr geeignet.
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Stand der Technik
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Es ist allgemeine Praxis, die Lungenfunktion
zu überwachen,
indem die Atmungsleistung probeweise analysiert wird. Beim Atmen
eines Menschen ist leicht feststellbar, dass unsere Atemzüge nicht
alle genau gleich sind, und dass selbst die Lungenfunktion sich
in Abhängigkeit
eines großen
Bereichs variabler Faktoren ändern
kann. Dies trifft insbesondere im Fall einer bestimmten Umgebung
oder bei besonderen Reaktionen auf flüchtige oder suspendierte Mittel
oder bei fortgeschrittenen Atmungserkrankungen zu.
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Das Lungenvolumen stellt eine der
informativsten Messungen dar, welche aufgrund der Atmung durchgeführt werden
können. Änderungen
des Volumens erlauben eine Beurteilung und Vorhersage des Profils
der Lungenfunktionalität
und sind deshalb für
eine geeignete und schnelle Behandlung entscheidend.
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Da das Lungenvolumen in der Größenordnung
von einigen Litern ist, ist es unpraktisch, es direkt zu messen.
Stattdessen kann die Strömungsgeschwindigkeit,
beispielsweise aufgrund des Druckabfalls durch einen Widerstand
gemessen und dann integriert werden, um die Volumenablesungen zu
erhalten. Dies kann zuverlässig
nur in dem Ausmaß erfolgen,
in dem die Strömungsmesseinrichtung
linear und genau ist. Die Messung der Strömung anstelle des Volumens
ermöglicht
es, die Größe und das
Gewicht spirometrischer Vorrichtungen herabzusetzen. Die Messung
der Strömung
zieht jedoch eine Vielzahl von technischen Problemen nach sich,
die hauptsächlich
von der thermostatischen Regulierung abhängen, welche wir nachstehend
untersuchen.
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1925 machte A. Fleisch einen Vorschlag,
der nach wie vor eine der genauesten Methoden zur Durchführung der
Spirometrie durch Messung laminarer Strömungsgeschwindigkeiten darstellt.
Zu diesem Zweck verwendete Fleisch eine Bienenwabenstruktur. Die
häufigste
Form der Bienenwabenstruktur besteht aus einem Zylinder, der durch
Verbinden und Wickeln von zwei dünnen
Metallblechen um eine dünne
Nabe besteht, wobei eines gewellt und das andere eben ist.
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Die Metallbleche bestehen aus Messing
und die Abmessungen des gebildeten Zylinders können einen Durchmesser von
42 mm und eine Höhe
von 32 mm haben (Fleisch Nr. 4), wobei der Druckabfall um den äußeren Ring
des Zylinders in einem Abstand von 20 mm gemessen wird.
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Die Bienenwabenstruktur ist eine
von vielen möglichen
physikalischen Filtern, die in der Lage sind, eine laminare Strömung in
einer Leitung aufrechtzuerhalten, so dass der Druckabfall und die
Strömungsgeschwindigkeits werte
linear voneiander abhängen.
Nach der Fleisch-Methode
wurden einige andere unterschiedliche Strukturen eingeführt. Das
am meisten bekannte ist das mit einer feinmaschigen Gitterstruktur. Diese
ist leichter als die Bienenwabenstruktur, jedoch „werden
eine häufige
Reinigung und neue Kalibrierung als wesentlich angesehen, um die
Genauigkeit der Messung aufrechtzuerhalten".
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Die Temperatur der Luft in einer
menschlichen Lunge beträgt
37°C und
sie ist mit Wasserdampf gesättigt.
Beim Ausatmen kondensiert Luft und ihre Verdampfungsenthalpie wird
freigesetzt.
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Um die Temperatur auf 37°C zu halten,
haben Fleisch und seine Nachfolger ihre Strukturen mit einer äußeren Heizeinrichtung
erwärmt.
Die etwa 6,5 W, die erforderlich sind, um einen klassichen Fleisch-Zylinder der
Größe 4 zu
erwärmen,
was auf Wärmeineffizienzfaktoren
und die hohe thermische Trägheit
der gesamten Anordnung zurückzuführen ist,
hat es in der Tat bis vor kurzem schwierig gemacht, ein wirklich
tragbares beheiztes pneumotachisches System herzustellen.
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Da tragbare Instrumente verständlicherweise
beispielsweise keinen hohen Stromverbrauch aufweisen können, sind
in den letzten Jahren mehrere nicht beheizte spirometrische Instrumente
und Pneumotachographen vorgeschlagen worden.
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Eine besonders ernste Schwierigkeit,
welche bei dem weit verbreiteten Gebrauch von nicht beheizten Strömungsmesswandlern
aufgetreten ist, ist die Dampfkondensation.
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Dieser Faktor beeinträchtigt etwas
die Strömungsabkühlung, da
kondensierender Dampf Dampfenthalpie freisetzt, obgleich der Hauptpunkt
der ist, dass Turbulenz auftritt und diese bedeutet, dass die Strömung nicht
mehr linear ist. Da Turbulenz zu einer quadratischen Abhängigkeit
zwischen dem Druckabfall und der Strömungsgeschwindigkeit führt, kann
die Strömungsablesung
ernsthaft verfälscht
werden. Diese Fehlerquelle macht nicht beheizte Systeme auf sehr
feine Art unzuverlässig.
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Die Spirometrie ist ein Test, der
aus mehreren wiederholten Versuchen besteht, wobei bei jedem Versuch
kondensierender Dampf Verdampfungsenthalpie freisetzt. Nach einer
kleinen Anzahl von Manövern,
die sich auf einen einzigen Patiententest beziehen, neigt das Instrument
dazu, Wasserdampf anzusammeln, wodurch die Luftströmung turbulent
wird und zu hohe Messungen zunehmen. Nach den Regeln, welche von
der American Thoracic Society und der European Respiratory Society
vorgeschlagen werden, wird der höchste
erzielte Wert in einer Serie von Manövern für das spirometrische Messergebnis
gehalten. Jeder Überschätzungsfehler,
der während
des Tests auftritt, führt
damit weltweit zu falschen Ergebnissen. Die Zunahme unzuverlässiger spirometrischer
Ergebnisse in der letzten Zeit hängt
eng mit dem weitverbreiteten Gebrauch nicht beheizter pneumotachischer
Systeme zusammen.
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Keramische Bienenwaben sind als Versuch,
dieses Problem zu lösen,
eingeführt
worden, jedoch ohne Erfolg, da diese dazu führen, Wasserdampf zu absorbieren
. Sie sind außerdem recht schwer und die
Temperatur muss mit sehr empfindlichen, leichten Elementen gemessen
werden, abgesehen davon treten Schwierigkeiten bei der Desinfektion
auf.
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Der gegenwärtige Stand der Technik stellt
eine große
Auswahl von Lösungen
zur Verfügung,
welche technische Nachteile aufweisen, welche die Produktion eines
einfachen, zuverlässigen,
kleinen, leichten, wenig Strom verbrauchenden, leicht zu reinigenden
und wirklich tragbaren pneumotachischen Systems erheblich verzögert haben.
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Ähnliche
Probleme treten auch mit jenen Instrumenten auf, welche den Wärmeaustausch
in physikalischen (Fluidströmungsgeschwindigkeitsmessung)
und/oder chemischen Prozessen, insbesondere bei Gas-Fest-Wechselwirkungen
(Palladium-Wasserstoff-Wechselwirkung) messen.
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Bei Fluidströmungsgeschwindigkeitsmessungen
mit konstanten direkten Messtechniken treten Probleme auf, wenn
die Strömungsgeschwindigkeit
sich schnell ändert
und die Fluidtemperatur variabel ist (z. B. im Fall von Blut, das
durch ein Gefäß strömt
).
Auf der anderen Seite weisen Techniken, welche die Wärmequelle
(emitter) von dem Messgerät
(sensor) trennen, offensichtliche Nachteile auf, da der Sensor nur
einen kleinen Teil des emittierten Signals aufnimmt.
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Ein anderer Fall, bei dem die thermostatische
Regulierung entscheidend ist, ist die Wechselwirkung Palladium-Wasserstoff. In diesem
Fall betrifft die Messung die Enthalpie, die bei der Absorption
des Wasserstoffs in einer Palladiumschicht freigesetzt wird, und
(auf der Basis von Literaturdaten) die Bestimmung der durch die
Probe absorbierten Wasserstoffmenge
.
In diesem Fall zeigt das Kalorimeter, das verwendet wird, um die
Umgebung einzu schließen,
in der die Reaktion stattfindet, und das ziemlich voluminös ist, eine
langsame Reaktion und seine Kosten sind proportional zu der durch
die Messung erreichten Genauigkeit. Auf der anderen Seite zeigt
die Verwendung kleiner Elemente, wie Thermistoren
, Palladiumdrähte
oder größerer maschinell
bearbeiteter Strukturen Schwierigkeiten, die mit der Oberfläche zusammenhängen, wo
die Reaktion stattfindet. Immer wenn eine große Oberfläche zur Messung von Gasabsorptionsenthalpien
erforderlich ist, werden genaue Messungen problematisch. Diese Bestimmungen
können
in der Tat sehr niedrige thermische Effekte sowie gering wärmeleitfähige Substrate
umfassen, wobei punktuelle Messungen nicht angewendet werden können.
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Offenbarung
der Erfindung
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Der Zweck der Erfindung ist es, eine
Vorrichtung mit wenigstens einem aktiven Element, das eine niedrige
Wärmekapazität aufweist,
herzustellen, welche insbesondere als platzsparendes Instrument
zur Messung und Kontrolle von Wärmeaustauschvorgängen verwendet
werden kann.
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Die Erfindung bezieht sich, wie im
Anspruch 1 definiert, auf eine Vorrichtung, die auf einem Element mit
niedriger Wärmekapazität beruht,
das zur Überwachung
und Kontrolle der Temperatur einer bestimmten Umgebung geeignet
ist. Der Strom wird in Pulsen diesem Element zugeführt, während eine
thermische Relaxationsanalyse während
der Intervalle zwischen den Pulsen an dem Element selbst durchgeführt wird.
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Wenn es auf Spirometrie eingestellt
und auf die normale Körpertemperatur
kalibriert ist, stellt die Vorrichtung ein Gerät in Taschenformat dar, welches
eine hohe Genauigkeit und einen niedrigen Stromverbrauch aufweist.
Mit geeigneten Anpassungen kann diese Vorrichtung auch entweder
für hochgenaue
Strömungsgeschwindigkeitsmessungen
oder hochempfindliche Kalorimetrie verwendet werden.
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Weitere einzigartige Merkmale der
Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung zu entnehmen.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Nachstehend wird eine detaillierte
Beschreibung mit mehreren Anwendungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren
zur Verfügung
gestellt.
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Beigefügte Darstellungen:
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1 eine
Bienenwabenstruktur, welche erfindungsgemäß aufgebaut und durch Zusammenwickeln zweier
verschiedener Folien erhalten worden ist.
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2 eine
elektrisches Schaltungsdiagramm, welches die Mikrosteuerung und
den digitalen Schalter zur Heizung der Bienenwabenstruktur gemäß 1 zeigt.
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3 stellt
ein Betriebsschema des Systems nach der Erfindung dar.
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4 zeigt
ein elektrisches Schaltungsdiagramm mit den MOSFET Transistoren,
welche die Temperatur der Bienenwabenstruktur steuern.
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5 zeigt
eine Schaltung, welche in einem Experiment für die Reaktion zwischen Palladium
und Wasserstoff verwendet wurde.
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6 zeigt
eine Schaltung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten.
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Die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Substrat, das aus einem Streifen aus einer rostfreien
Stahlfolie mit einer Dicke von 5 bis 20 μm besteht, welche entsprechend
der Art der Anwendung geformt ist.
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Das Substrat wird mittels einer Pulsbreitenmodulations-Stromversorgungseinheit
erregt, und es werden Messungen der Temperatur der Heizeinrichtung
selbst während
der thermischen Relaxationsphase zwischen benachbarten Pulsen durchgeführt.
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1 zeigt
eine Bienenwabenstruktur (1) nach Fleisch entsprechend
der Erfindung.
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Diese besteht aus einer Struktur,
welche durch Zusammenrollen zweier überlappender Folien (2),
(3) erhalten wird, wobei eine davon gewählt ist, um eine Bienenwabenstruktur
zu erhalten. Eine der beiden Folien ist leitfähig (2) (d. h aus
rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 0,01 bis 0,05 mm, vorzugsweise
0,02 mm) und besitzt einen Widerstand (2 bis 3 Ohm
mit einem Temperaturkoeffizienten von einigen Hundert Mikroohm per°C), so dass
es sich zum schnellen Aufheizen auf Betriebstemperatur mit von Hand
gehaltenen Batterien geringer Spannung eignet. Die andere Folie
ist ein rostfreier Isolator (3), der in der Lage ist, Wärmebelastungen
bis zu 120°C
standzuhalten, um eine thermische Desinfektion zu ermöglichen.
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2 zeigt
ein elektrisches Schaltungsdiagramm, das die Erfindung wiedergibt.
Diese Schaltung wird verwendet, um eine Bienenwabenstruktur nach
Fleisch, die in 1 dargestellt
ist, sowie für
andere Anwendungen zu erwärmen.
Sie besteht aus einer Mikrosteuerung (4), einer Brücke (5)
mit einem Heiz/Sensorelement (6) in einer Zweigleitung
und temperaturunabhängigen
Widerständen
(7), (8) und (9) in den anderen Zweigleitungen,
einem Schalter (10) zur Verbindung der Stromquelle mit
dem Heiz/Sensorelement (6) für die Heizphase, einem Doppelschalter
(11) zur Stromversorgung der Brücke (5) zur Messung
der thermischen Relaxation des Heiz/Sensorelements selbst (6),
wenn die Heizphase nicht aktiv ist, einem Messgeräteverstärker (12)
zur Aufnahme der Brückensignale,
welcher dann mit einem Analog-Digital-Umwandler (13), der
in der Mikrosteuerung (4) enthalten ist, verbunden ist.
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3 stellt
eine allgemeine Beschreibung dar, wie das System funktioniert. Der
digitale Stromschalter wird für
150 μs eingeschaltet,
wobei eine thermische Relaxation des Elements während der verbleibenden 850 μs eines Gebrauchszyklus
verbleibt. Während
der 150 μs,
in denen Strom zugeführt
wird, erwärmt
sich das Element. Der Temperaturverlauf hängt von der Spannung und der
Zeit ab. Das Zeitintervall von 150 μs kann erhöht oder erniedrigt werden,
je nach dem, ob mehr oder weniger Wärme erforderlich ist, wobei
die 1-Millisekunde Zeitunterbrechung zwischen den Pulsen konstant
aufrechterhalten wird.
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Am Ende des Heizpulses beginnt die
Messphase. Diese besteht aus einer oder mehreren Messungen während der
thermischen Relaxation. Beispielhaft sind zwei Messungen am Anfang
und Ende der Relaxationsphase (3)
angegeben.
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Die Mikrosteuerung (4) gibt
einen Messpuls ab, der lang genug ist, um eine Stabilisation des
Geräteverstärkers (12)
für die
Messphase (d. h. 20 μs)
sicherzustellen. Während
dieser Zeit kehrt der gleiche Puls, verzögert durch die Verstärkerstabilisierungszeit
(12), zu der Proben- und
Halteschaltung (S/H) des 10-Bit-Analog-Digital-Konverters (13) zurück, der
in der Mikrosteuerung selbst (4) enthalten ist. Die Stromversorgung
zu der Brücke
wird 10 μs
nach dem S/H-Puls abgeschaltet, um das Brückenverstärkungssignal zu erhalten. Dieses
Versorgungszeitintervall wird kurz gehalten, verglichen mit der
gesamten Relaxationszeit, um eine Interferenz in dem Heiz/Sensorelement
herabzusetzen.
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4 zeigt
das elektrische Schaltungsdiagramm zur Temperaturkalibrierung der
Bienenwabenstruktur nach Fleisch. In diesem Fall sind die digitalen
Schalter durch MOSFET Transistoren (19), (20)
ersetzt. Die Fleisch-Stromversorgung arbeitet wie ein Schalter,
wie in 2 dargestellt,
wohingegen die Brückenspannung mit
einem zweiten MOSFET zugeführt
wird. Eine schnelle Diode (21), welche an der Spitze der
Brücke
gegenüber
dem Zweig der Fleisch-Struktur
liegt, vervollständigt
die Doppelschalterfunktion, da sie verhindert, dass der Strom aus
den anderen Zweigleitungen der Brücke austritt, während die
Fleisch-Struktur
(1) in Betrieb ist.
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Eine zweite schnelle Diode (22),
welche der ersten ähnlich
ist, ist an der Spitze der Brücke
angeordnet, welche dem anderen Zweig gegenüberliegt, um den gleichen Spannungsabfall
in beiden Zweigen sicherzustellen, während die Brücke in Betrieb
ist. Der Verstärkungswert
(23) ist programmierbar. Er kann erhöht werden, wenn ein Signal
gering ist und die 10-Bit-Definition des Konverters unzu reichend
ist, um ausreichend genaue Messungen sicherzustellen.
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Die Schaltung nach 5 wird als Kalorimeter für das Palladium-Wasserstoff-Wechselwirkungsexperiment
verwendet. Sie weist ein Solenoid-Ventil auf, das verwendet wird,
um 200 mbar Wasserstoff in das Kalorimeter einzuspeisen. Die Brücke hat
zwei gegenüberliegende
Zweigleitungen (27, 28), die während Heizzeitintervallen aktiviert
werden, die unterschiedlich sein können, so dass die Brücke im Gleichgewicht
gehalten werden kann, was nachstehend näher erläutert wird.
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Die Schaltung, die in 6 gezeigt ist, ist der ähnlich,
die in 4 gezeigt ist,
außer
dem Referenzelement (26), welches den temperaturunabhängigen Widerstand
in der Brückenzweigleitung
ersetzt, in der das Heiz/Sensor-Element angeordnet ist, und das
die die Fluidtemperatur betreffenden Daten sammelt und ein Ausgangssignal
liefert, aus dem der Temperatureinfluß bereits gefiltert ist.
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Was das Bienenwabenfilter nach Fleisch
in 1 angeht, ist ersichtlich,
dass die thermische Trägheit des
leitenden Blechs (2) gering ist (sein Gewicht beträgt weniger
als 10 g) und eine schnelle Erwärmung
der Körpertemperatur
ermöglicht.
Die Kaltstarteinstellung des Instruments kann mit einer Fleisch-Struktur
der Größe Nr. 4
innerhalb von 30 s vorgenommen werden, und die Temperaturkalibrierung
kann sofort nach dem Test beendet werden, ebenso die zugehörige Stromzufuhr,
die auf ihre neuen leichteren Aufgaben reduziert werden kann. Der
Transducer oder Messwandler wird frei von kondensiertem Dampf gehalten,
was im Hinblick darauf, die Messung gegenüber Umweltbedingun gen (Feuchtigkeit)
robust zu halten, entscheidend und bei intensiven Testvorgängen (augeatmete
Luft ist mit Wasserdampf gesättigt)
unerlässlich
ist. Darüber
hinaus kann er an Ort und Stelle durch Erwärmen auf 120°C für einige
Sekunden sterilisiert oder zum Reinigen mit einem Desinfektionsmittel
entfernt werden.
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Die vorstehende Beschreibung, die
sich auf das Bienenwabenfilter bezieht, ist auch für ein feinmaschiges
Sieb in gleicher Weise anwendbar, wobei der einzige Unterschied
darin besteht, dass in diesem Fall Drähte anstelle von dünnen Lagen
vorliegen.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform,
die geeignet ist, um hochempfindliche kalorimetrische Messungen
(wie in 5 angegeben)
durchzuführen,
wird durch den folgenden Versuch beschrieben. Das Heiz/Sensor-Element
ist in einer Reaktionskammer eingeschlossen worden, welche mit Einlaß/Auslassventilen
versehen ist, um entweder eine Evakuierung der Kammer oder die Zufuhr
eines ausgewählten
Gases zu ermöglichen.
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Das Sensorelement besteht aus einer
rostfreien 5 μm
Stahlfolie. Bei einem Gewicht von 8 g/cm3 und einer
spezifischen Wärmekapazität von 0,1
cal/g, bezogen auf eine Einheitsfläche von 1 cm2,
erhalten wir dann eine thermische Kapazität ≅ 400 μcal/°C cm2.
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Wenn die gleiche Streifenfläche auf
60°C erwärmt wird
(eingedenk dessen, dass die Austauschoberfläche des Streifens zweimal der
Einheitsfläche
entspricht), haben wir in einer Heliumatmosphäre bei 25°C einen Wärmestrom von 2,4 mW/°C cm2 ≅ 576 μcal/°C cm2 s (was einen Wärmestrom durch die Austauschoberfläche für einen
35°C Gra dienten
von 20160 μcal/cm2 s ergibt). Der Strahlungsverlust pro cm2 beträgt
bei einem Emissionsfaktor einer polierten Oberfläche von 4% 5,67 × 10–12 × 0,04 × 3334 27,89 × 10–4 Wo ≅ 669,31 μcal/cm2 s.
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Die Heiz/Sensor-Temperatur (Feststoff/Gas-Phase)
ist kalibriert auf 60°C
mit einer PWM-Stromquelle bei Anwendung eines Frequenzbereichs von
1 bis 10 kHz und einer Welligkeit von weniger als 1°C bei einem mittleren
Wert von 60°C.
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Mit einem mit Palladium beschichteten
(0,1 μm)
Streifen erhalten wir ein Gewicht von 0,12 mg/cm2 und eine
Wärmekapazität von 7 μcal/°C cm2. Sobald ein stabiler Zustand erreicht ist,
werden 200 mbar Wasserstoff in die Kammer geleitet und die Probentemperatur
wird nach dem beschriebenen Verfahren überwacht. Da 0,12 mg Palladium
1,12 × 10–6 Mol
entsprechen und die Wasserstoffabsorptionsenthalpie 9 kcal/mol beträgt, ermöglicht es
eine gemessene Enthalpie von 3000 μcal zu bestimmen, dass die Pd-Beschichtung
in Pd-Hydrid umgewandelt worden ist, welches durch die stöchiometrische
Formel Pd H0,6 wiedergegeben wird. Die Geschwindigkeit
dieses Prozesses passt gut zu den geometrischen Merkmalen der Probe
entsprechend der ungefähren Formel
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Auch dadurch werden die Vorteile,
die die Vorrichtung mit sich bringt, beschrieben, welche in der
Lage ist, selbst rasch ablaufende Prozesse zu überwachen.
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Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit
der Messung kann erreicht werden, wenn die Vorrichtung in differenzieller
Weise, wie in 5 angegeben,
eingesetzt wird. Dabei werden zwei Streifen, ein Pd-beschichteter
(27) und der andere als Referenz (28), mit unabhängigen Stromkreisen
gleichzeitig an die PWM-Quelle angeschlossen. Die PWM-Frequenz reicht
von 1 bis 10 kHz und die thermische Relaxation wird zweimal am Anfang
und am Ende der freien Wärmeentwicklung
des Elements gemessen.
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Die so erhaltenen Differentialsignale
liefern die Wärmeveränderung
an einem Zweig der Brücke
mit hoher Empfindlichkeit. Die Technik kann sogar weiter verbessert
werden, indem eine Servo-Schleife und eine entsprechende Verarbeitung
durch die Mikrosteuerung eingeführt
wird. In diesem Fall wird der Arbeitszyklus der PWM-Quelle zu dem
mit Pd beschichteten Streifen kontinuierlich angepasst, um die Brücke im Gleichgewicht
zu halten, wobei die Stromdifferenz zwischen den beiden PWM-Quellen
eine sofortige Anzeige der Größe der ausgetauschten
Wärme liefert
.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist
insbesondere zur Anwendung als vielseitige hochpräzise Strömungsmessvorrichtung
einsetzbar. Der Wärmeverlust
durch Konvektion in einem gemessenen Strom von einem Streifen, der
entlang der Richtung des Fluids orientiert ist, hängt von
dem Temperaturgradienten zwischen dem Streifen und dem Fluid ab,
entsprechend
Q/S = h (tpl – tF)
worin bedeuten
Q = Wärmeverlust
S
= Oberfläche
tpl, tF = Platten-
und Fluidtemperatur
h = Wärmeverlustkoeffizient.
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Nimmt man auf empirischer Grundlage
an, dass für
Wasser, das mit einer Geschwindigkeit u (Fluidgeschwindigkeit in
cm/s) unter 200 cm/s fließt,
h gegeben ist durch
h ≅ 2,8 × 10–6 u
cal/°C cm2 s,
ist es möglich zu bestimmen, dass innerhalb
typischer Grenzbedingungen von tpl = 47°C, tF =
37°C eine
Fluidgeschwindigkeit von 1 bis 100 cm/s zu einer Wärmeaustauschgeschwindigkeit
führt,
die von 28 bis 2800 μcal pro
Millisekunde pro Quadratzentimeter reicht. Solche großen Wärmeaustauschwerte
führen
zu einer großen Flexibilität im Hinblick
auf mehrere unterschiedliche realen Weltprobleme durch Handhabung
sowohl der PWM-Frequenz wie der Substratabmessung. Die gleiche Technik
ist auch zur Messung der Blutgeschwindigkeit in vivo in Blutgefäßen anwendbar.
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Die oben angegebene Berechnung kann
offensichtlich vereinfacht werden, indem lediglich einer der temperaturunabhängigen Widerstände auf
der gleichen Seite des geheizten Streifens durch einen identischen Streifen
ersetzt wird, der nur in dem Messprozess eine Rolle spielt, jedoch
nicht in dem Heizprozess, wie in 6 dargestellt.
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Bezugszahlen
in den Figuren
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- 1
- Bienenwabenstruktur
(aktives Element)
- 2
- gewellte
Leiterfolie
- 3
- Isolatorfolie
- 4
- Mikrosteuerung
- 5
- Brücke für Messungen
(hochpräzise
Widerstandsbrücke)
- 6
- Heiz/Sensor-Element
- 7
- temperaturunabhängiger Widerstand
- 8
- temperaturunabhängiger Widerstand
- 9
- temperaturunabhängiger Widerstand
- 10
- Digitalschalter
- 11
- Doppeldigitalschalter
- 12
- Signalverstärker
- 13
- Analog/Digital-Umwandler
- 14
- Zeitverzögerungseinrichtung
- 15
- verzögerte Meßpulsausgangsgröße
- 16
- Meßpulsausgangsgröße
- 17
- Heizpulsausgangsgröße
- 18
- Proben- & Halteeingangsgröße
- 19
- MOSFET
Transistor
- 20
- MOSFET
Transistor
- 21
- Diode
- 22
- Diode
- 23
- Signalverstärker
- 24
- Solenoid-Ventil
- 25
- aktives
Heizelement (Strommesseinrichtung)
- 26
- Bezugselement
- 27
- aktives
Bezugselement
- 28
- aktives
Element zur Differentialoperation
