DK161260B - Flowmaaler - Google Patents

Description

DK 161260 B

i

Den foreliggende opfindelse angår en flowmåler med et termoelement og en strømkilde til at tilvejebringe en temperaturforskel mellem termoelementets to loddesteder, og hvor termoelementet midlertidigt forbindes elektrisk til strømkilden via 5 en styret omskifter, som skiftevis slutter og bryder en strøm, idet en styreindgang på den styrede omskifter er tilsluttet en styreenhed, som ligeledes styrer et målekredsløb, som på sin indgang modtager et signal, der repræsenterer termoelementets EMK i det tidsperioder, hvor strømmen fra strømkilden til ter-10 moelementet er afbrudt af den styrede omskifter.

Måling af strømningshastighed, også kaldet flow, kan foregå på flere måder. Ved den metode, der anvendes her, bestemmes strømningshastigheden ud fra en temperaturmåling, idet man indfører 15 en veldefineret varmekilde og udnytter, at den strømmende væske eller gas vil afkøle det opvarmede punkt mere eller mindre afhængig af strømningshastigheden.

Fra DE A 1.928.228 kendes en flowmåler med en strømkilde, som 20 ved ohmsk opvarmning skaber en temperaturforskel mellem termoelementets to loddesteder, som er forbundet til strømkilden gennem en styret omskifter, hvis styreindgang er forbundet til en styreenhed (en multivibrator), som indirekte styrer målekredsløbet, der modtager termoelementets EMK på sin indgang i 25 en række måleperioder. Lignende apparater er desuden beskrevet i DE-A 1.648.006, US patentskrift nr. 3.485.099, 1.996.943 og 4.240.441.

Alle de kendte måleapparater kræver imidlertid en hel del 30 plads, som i forbindelse med særlige anvendelser kan være vanskelig at stille til rådighed. Specielt er det til medicinsk brug ønskeligt at udvikle meget små flowmålere. De kendte systemer kræver alle flere end to ledere fra flowmålerens føler hen til den tilhørende elektronikdel. Typisk kan der være otte 35 ledere i en kabelforbindelse mellem en føler og elektronikdelen, idet både et varmelegeme, en referenceføler og en aktiv føler skal have tilledninger og jordforbindelser. Det er desuden ønskeligt helt eller delvis at undgå tilførsel af varme.

DK 161260 B

2

Det er derfor formålet med opfindelsen at tilvejebringe en flowmåler med en særlig lille sonde med kun to tilledninger og især en sonde, der kan måle blodstrømmen i de store blodårer omkring hjertet.

5

Ifølge opfindelsen tilvejebringes en flowmåler, der er ejendommelig ved, at strømkilden og de to loddesteder i termoelementet alle forbindes i serie via den styrede omskifter og via to ledere, som er forbundet til hvert sit loddested, og at de -O samme to ledere er forbundet til indgangen af målekredsløbet.

Hermed opnår man, at termoelementet i sig selv fungerer som henholdsvis varme og køleelement, idet den ene side af termoelementet vil blive opvarmet af strømmen fra strømgeneratoren 15 samtidig med, at den anden side af termoelementet vil blive tilsvarende afkølet. I de tidsperioder, hvor den styrede omskifter har afbrudt strømmen fra strømkilden, vil termoelementet på grund af den opståede temperaturforskel afgive en måle-spænding, som repræsenterer den opståede temperaturforskel.

2c; Da den opnåede temperaturforskel samtidig vil afhænge af strømningshastigheden i termoelementets omgivelser, kan termoelementets udgangsspænding anvendes til bestemmelse af strømningshastigheden. På grund af anvendelsen af den styrede omskifter kan de samme to ledninger anvendes til strømforsyning 25 og dermed opvarmning af termoelementet, og mens omskifteren er afbrudt til overførsel af målesignalet. Dermed opnås en føler med kun to tilledninger, og dette giver mulighed for at gøre føleren ganske lille. En yderligere fordel ved den beskrevne føler er, at nettotilførslen af varme er nul.

Λ

u O

I en foretrukken udførelsesform ifølge opfindelsen omfatter målekredsløbet en forstærker og et sample/holdkredsløb og styreenheden kan være et tidsstyringskredsløb. Udgangen af forstærkeren er forbundet til sample/hold-kredsløbets indgang.

35 Styreenheden styrer omskifteren således, at sample/holdkreds-løbets indgang modtager udgangsspændingen fra forstærkeren i de tidsperioder, hvor strømmen fra strømkilden til termoelementet er afbrud-t af den styrede omskifter.

DK 161260 B

3 I en anden udføre 1 sesform ifølge opfindelsen er målekredsløbet opbygget således, at det omfatter en A/D-konverter og en mikroprocessor med tilhørende taktgenerator, hukommelse og ind/ ud-porte. I denne udførelsesform kan mikroprocessoren samtidig 5 udgøre styreenheden til styring af omskifteren.

I en foretrukken udførelsesform er termoelementet indbygget i en sonde, og strømgenerator, styret omskifter, forstærker, sample/hold-kredsløb og styreenhed opbygget i en eller flere * 8 enheder i afstand fra selve sonden, der er forbundet til forstærkerens indgang via et tolederkabel, der kan være ganske tyndt. Hermed opnås man en særlig enkel opbygning af selve føleren eller sonden.

«5 Typisk vil termoelementet bestå af en metaltråd af et første metal, der i et loddepunkt er forbundet til en metaltråd af et andet metal, der i et nyt loddepunkt er forbundet til en metaltråd af det første metal. I en særlig fordelagtig udførelsesform er en del af den ene metaltråd, fortrinsvis hovedpar-20 ten af den mellemste metaltråd af det andet metal, viklet som et varmelegeme omkring en varmeledende stav eller rør, der er i termisk forbindelse med det varme loddepunkt. Hermed opnår man en yderligere opvarmning af det pågældende loddepunkt og dermed en større følsomhed for føleren; dog på bekostning af 25 nogen tilførsel af varme. Varmetilførslen er dog stadig mindre end ved de kendte flowmålere af kalorimetertypen.

Typisk vil termoelementet bestå af kobber, konstantan og kobber, og en del af konstantantråden kan være kraftig med lille 30 modstand, mens en anden del af tråden med fordel kan være tyndere og være viklet rundt om den varmeledende stav.

Andre materialekombinationer ligger inden for opfindelsens rammer, f.eks. Fe/cu-Ni, Ni-Cr/Cu-Ni, Ni-Cr/Ni-Al-Μη-Si, 35 Pt/Pt-Rh, C/SiC. Sådanne materialekombinationer må vælges ud fra de krav den specifikke opgave stiller. Skal sonden således i kontakt med blod i levende væv, stiller dette specielle krav 4

DK 161260 B

til materialernes ugiftighed og forligelighed med blod. Således vil det ligge inden for opfindelsens rammer, at belægge sondens ledende dele med et vævsvenligt metal, såsom sølv eller guld eller en tynd overfladebehandling af et andet vævsven-5 1igt materiale.

I en udførelsesform ifølge opfindelsen er de to ledere, der forbinder forstærkerindgangen og sonden, udformet som et koak-sialkabel, og sonden omfatter en kobberstang eller -rør, som '0 er monteret i forlængelse af koaksialkablets inderleder, og er omviklet ved en varmespiral af konstantantråd, sqm samtidig forbinder kobberstangens og dermed sondens ydre ende med koaksialkablets yderleder af kobber.

-g I en yderligere udførelsesform ifølge opfindelsen er termoelementet et Pel tier-element af halvledertypen, dvs. termoelementet består af et eller flere halvledende materialer.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under hen-20 visning til tegningen, hvor

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor 25 fig. 1 viser den principielle opbygning af en særlig simpel udførelsesform for en flowmåler ifølge opfindelsen, fig. 2 en spændingskurve som funktion af tiden, for flowmåle-ren i fig. 1, 30 fig. 3 en temperaturkurve, for flowmåleren i fig. 1, fig. 4 den principielle opbygning af en anden udførelsesform for en flowmåler ifølge opfindelsen, fig. 5 en dertil hørende temperaturkurve, 35 5

DK 161260 B

fig. 6 en udførelsesform for en sonde til en flowmåler ifølge opfindelsen, og fig. 7 et eksempel på en sonde med et halvlederelement.

5

Fig. 1 viser et eksempel på den principielle opbygning af en særlig simpel udførelsesform for flowmåler med en føler 20 i-følge opfindelsen. I føleren indgår en Cu-tråd 21, der er loddet sammen med den ene ende af en tyk konstantantråd 23 ved :o et loddested 24. Den anden ende af den tykke konstantantråd 23 er loddet sammen med endnu en Cu-tråd 22 ved et andet loddested 25. Loddestederne 24, 25 er i varmel edende forbindelse med et varmeledende materiale, f.eks. en Cu-stang 29, som rager ind i en kanal 28 med et strømmende medie, hvis strømnings-:5 hastighed skal måles. Hele føleren omgives af et elektrisk og varme-isolerende materiale 26, 27, der tillader følerens montering i kanalen 28.

Konstantantråden 23 er tegnet og betegnet som "tyk", fordi den 20 skal kunne lede en strøm, der er så kraftig, at loddestedernes temperatur ændrer sig mærkbart. 1 praksis vil konstantantråden dog ikke være særlig tyk.

De to Cu-tråde 21, 22 er tilsluttet hver sin leder 31, 32, der 25 er forbundet til indgangen af en forstærker 33, hvis udgang er forbundet til et sample/hold-kredsløb 34, hvis udgangsspænding U er et mål for temperaturforskellen ΔΤ = T2 - TI, hvor TI og T2 er temperaturen af de to loddesteder 24, 25. En styreenhed i form af et tidsstyringskredsløb, 35, der kan være en såkaldt 30 "timer", styrer en topolet omskifter 36, der kan bryde og slutte en strøm i ledningerne 31, 32, der er forbundet til en konstant strøms generator 37. Omskifteren 36 er fortrinsvis en elektronisk omskifter, såsom en transistor, og kan f.eks. være en FET.

Flowmåleren virker på følgende måde: 35 6

DK 161260 B

Timeren 35 slutter omskifteren 36, og strømgeneratoren 37 sender derefter strøm gennem lederen 32, Cu-tråden 22, loddeste-det 25, konstantantråden 23, loddestedet 24, Cu-tråden 21 og lederen 31 tilbage til strømgeneratoren 37. Mens der går strøm 5 i dette kredsløb, vil det ene Itfddested blive opvarmet og det andet vil blive afkølet, og den varmemængde henholdsvis kuldemængde, der udvikles per sekund, er proportional med den elektriske strømstyrke Ik. Kaldes temperaturen i den strømmende væske TO, temperaturen af det afkølede loddested for TI og 20 temperaturen af det opvarmede loddested for T2, gælder følgende relation: TO - TI = T2 - TO = Ka x Ik, 15 hvor Ka er en konstant, der afhænger af de termiske forhold på stedet og af det anvendte termoelement. Ik er strømstyrken gennem termoelementet. Efter en forudbestemt tid åbner timeren 35 omskifteren 36, og strømmen til 1 oddestederne 24, 25 afbrydes. De to loddesteder 24, 25 har nu hver sin temperatur hen-20 holdsvis TI og T2, og termoelementet vil derfor udvise en elektromotorisk kraft, således at der vil være en spændingsforskel mellem lederne 31 og 32, og dermed på indgangen af forstærkeren 33. Denne spændingsforskel forstærkes i forstærkeren 33, og det forstærkede signal videreføres til sample/ 25 hold-kredsløbet 34, som styres af timeren 35, således at kredsløbet netop opsamler signalet, dvs. termospændingen Us, i det tidsinterval 50, hvor omskifteren 36 er åben. Spændingen Ui på indgangen af forstærkeren er skitseret som funktion af tiden ved hjælp af den i fig. 2 viste spændingskurve, og umid-30 delbart under denne kurve er de tilsvarende samplingperioder S og holdeperioder H for sample/hold-kredsløbet anført. Det er den relativt lave spænding Us, der er termospændingen, som optræder i det korte tidsinterval 50, hvor omskifteren 36 er åben.

Som det fremgår af fig. 1 er de to loddesteder 24 og 25 i var-meledende forbindelse med det indre af kanalen 28. I fig. 3 s 35 7

DK 161260 B

viser den fuldt optrukne kurve temperaturforholdene ved lod-destederne 24, 25, når strømningshastigheden for væsken eller gassen i kanalen er 0. Som det velkendt inden for kalorimetriske flowmålere vil den strømmende væske, når strømningshas-5 tigheden er forskellig fra 0, delvis udligne den opståede temperaturforskel mellem de to loddesteder 24, 25 og med en strømningshastighed, der er større end 0, vil man derfor få en temperaturkurve som antydet med punkteret streg. Jo kraftigere strømning, jo mindre vil den opnåede temperaturforskel være.

10 Temperaturforskellen kan derfor anvendes so* et mål for strøm ningshastigheden i kanalen 28.

Den her beskrevne flowmåler er fordelagtig ved, at den kun kræver to ledere til selve føleren i modsætning til en lignen-15 de kendt føler, hvor temperaturforskellen mellem de to loddesteder opnås ved et varmeelement, der er indbygget ved det ene loddested. Dette varmeelement kræver separat spændingsforsyning.

20 En særlig fordel ved flowmåleren ifølge opfindelsen er, at det ene loddepunkt afkøles ligeså meget som det andet, opvarmes, dvs. at den væske, der måles på, ikke tilføres yderligere energi. En sådan energitilførsel via en målesonde vil i de fleste tilfælde være uønsket.

25

Fig. 4 viser en videreudvikling af det i fig. 1 til 3 viste princip. Alle de tilsvarende dele i fig. 4 har samme henvisningstal som i fig. 1 og vil ikke blive beskrevet på ny. Udførelsesformen i fig. 4 adskiller sig fra fig. 1 ved, at den 30 tykke konstantantråd 23 fortsætter i en tyndere tråd 23a, der er viklet rundt om den varmeledende stav 29, og tråden 23a udgør et varmelegeme med en given modstand R. Varmetråden 23a er ved loddestedet 25 forbundet med Cu-tråden 22. Konstantantråd-en 23 kan også. være en lang relativt tynd tråd af i hovedsagen 35 konstant diameter. Omskifter 36 er her vist som en enpolet omskifter, der blot bryder strømkredsen gennem strømgeneratoren.

8

DK 161260 B

Den i fig. 5 fuldt optrukne kurve viser temperaturforholdene i vasken eller gassen i kanalen 28 med strømningshastigheden 0. Temperaturen ved det afkølede loddested vil være bestemt af 5 TO - TI = Ka · Ik, og temperaturen ved det andet loddested, som opvarmes til T2, vil kunne bestemmes efter ligningen 10 T2-T0=Ka · Ik+Kfc *(R · Ik2) hvor Ka stadig er en konstant, der afhænger af det anvendte termoelement og de termiske forhold på stedet, og Kb er en anden konstant, der afhænger af de termiske forhold omkring sta-15 ven 29, mens R er modstanden i den del af konstantantråden, der danner varmelegemet omkring staven 29. Med en strømningshastighed, der er større end 0, fås mindre temperaturudsving, som antydet med den punkterede kurve. Som i det foregående eksempel vil temperaturforskellen mellem de to loddesteder 20 derfor være et mål for strømningshastigheden.

Det tilhørende målekredsløb kan være identisk med det kredsløb, der er beskrevet i forbindelse med fig. 1. Den i fig. 4 viste føler inklusive varmelegeme vil vise sig mere følsom end 25 den i fig. 1 viste føler. Også denne føler kræver kun et tole-derkabel mellem føler og målekreds. Den strømmende væske tilføres mindre energi end ved den tilsvarende kendte flowmåler.

Under henvisning til fig. 6 skal der i det følgende beskrives 30 en praktisk udførelsesform for en sonde, der udnytter det måleprincip, der er beskrevet rent skematisk i det foregående eksempel. Den i fig. 6 viste udførelsesform er specielt beregnet til flowmåling i tynde rør, f.eks. i blodårer omkring hjertet i et menneske.

Figuren viser kun selve sonden, der er opbygget for enden af et 1,2 mm koaksialt kabel. Kablets inderleder 122 er i et lod- 35 9

DK 161260 B

depunkt 120 forbundet til den ene ende af en - forhold til in-derlederen - "tyk" kobberstang, eller -rør for f.eks med en diameter på ca. lmm , der udgør det varmeledende materiale 129. Ved den anden ende af kobberstangen i et "varmt lodde-5 punkt" 125 er kobberstangen forbundet til en konstantantråd 123, der er viklet rundt om kobberstangen og dermed danner en varmespiral. Konstantantråden 123 ender i et "koldt lodde-punkt" 124, hvor den er forbundet til koaksialkablets yderleder af kobber 121. Yderlederen 121 og inderlederen 122 er på 10 sædvanlig vis isoleret fra hinanden af et isolerende materiale 140 og er omgivet af en ydre plastkappe 143. Varmespiralen 123 og kobberstangen 129 er ligeledes elektrisk isolerede, som antydet på tegningen, af et lag 141, der kan være en isolerende lak eller en tynd plastbelægning. Af hensyn til den ønskede 15 varmetransmission fra varmespiralen 123 til kobberstangen 129 bør det elektrisk isolerende lag vælges så tyndt, at det ikke i væsentlig grad hindrer varmetransmission.

Sondeenden er indesluttet i tyndt elektrisk isolerende men 20 gerne varmeledende lag 142, og hele sonden er omgivet af en kappe 143, der helt eller delvis kan være kablets egen plastkappe .

Den anden ende af koaksialkablet tilsluttes den elektroniske 25 strømforsyning og målekreds, der kan være opbygget som i fig.

1, idet lederne 21, 22 erstattes af kablet 121, 122. Kablet med flowmålersonden kan indføres i en blodåre i armen og kan under røntgenopfølgning eller anden form for overvågning føres frem til en af de store årer ved hjertet og vil her kunne måle 50 blodets flow. En sådan måling kan blandt andet bruges til bedømmelse over, hvor langt en åreforkalkning er fremskreden.

I endnu en udførelsesform ifølge opfindelsen vist i fig. 7 er føleren opbygget med et halvledertermoelement, også kaldet et 35 Pel tier-element. Den i fig. 7 viste føler består af to varmeledende metalbøjler 228, 229, der støder op til hver sin side af et halvleder-Peltier-element 230. Det hele er omgivet af et 10

DK 161260 B

varmeisolerende materiale 240. Ti 1 si iltnings! edni nger 221, 222 er forbundet til hver side af halvleder-Peltier-elementet og er i den anden ende forbundet til en målekreds og strømgenerator. Målekredsen kan være opbygget som vist fig. 1 og 4, men i 5 en alternativ udførelsesform, der er vist fig. 7 omfatter målekredsløbet en A/D-konverter 234, der omformer spæiidingssig-nalet fra termoelementet til et digitalt signal, som tilføres en mikroprocessor 235. Mikroprocessoren 235 kan indrettes således, at en af mikroprocessorens udgangsporte kan anvendes 10 til styring af den elektroniske omskifter 36. Mikroprocessoren 235 indrettes til at afgive et udgangssignal, der repræsenterer strømni ngshastigheden.

Halvleder-Peltier-elementet opfører sig i princippet som et-15 hvert andet termoelement: Når en strøm sendes gennem elementet, vil det blive koldt på den ene sideflade og varmt på den anden sideflade. Når elementet ikke er tilsluttet en strømgenerator, og når der er en temperaturforskel mellem de to sideflader, vil elementet udvise en spænding, som er proportional 20 med temperaturforskellen ΔΤ. Den følsomhed, der kan opnås med halvleder-Peltier-elementet er bedre end de følsomheder, der kan opnås med metalliske termoelementer, idet både den opnåede temperaturforskel i °C per ampere ved køling/opvarmning og den opnåede udgangsspænding i volt per °C i temperaturdifferens er 25 langt bedre for halvleder-Peltier-elementet end for det metalliske termoelement.

En flowmåler ifølge opfindelsen kan anvendes på mange forskellige områder. Den kan gøres ganske lille og er derfor anvende-30 lig til medicinsk brug. Et andet potentielt anvendelsesområde er højeksplosive omgivelser, fordi føleren i sig selv kun påtrykkes en ganske lav spænding. Det tilhørende elektroniske kredsløb kan placeres uden for det eksplosionsfarlige område.

35 Det er klart for fagfolk, at den beskrevne opfindelse kan ændres på mange måder, uden at falde uden for rammerne af de vedføjede krav. Det er således ingen betingelse, at den mel-

Claims (9)

11 DK 161260 B lemste metaltråd er en tyk konstantantråd eller en kombination af en tyk og en tynd konstantantråd. Den kan meget vel være en ret tynd tråd, hvoraf eventuelt hovedparten er viklet som et varmelegeme omkring en varmeledende stav ved det varme lodde-5 punkt. Ligeledes kan de nævnte varmeledende stave være større eller mindre og kan eventuelt helt udelades, idet selve lodde-stederne kan udgøre de varmefølsomme punkter i stedet for stavene.. 10 Patentkrav.

1. Flowmåler med et termoelement (20) og en strømkilde (37) til at tilvejebringe en temperaturforskel mellem termoelemen-15 tets to loddesteder (24, 25), og hvor termoelementet (20) midlertidigt forbindes elektrisk til strømkilden (37) via en styret omskifter (36), som skiftevis slutter og bryder en strøm (1(,-), idet en styreindgang på den styrede omskifter (36) er tilsluttet en styreenhed (35), som ligeledes styrer et måle-20 kredsløb (34), som på sin indgang modtager et signal, der repræsenterer termoelementets EMK i det tidsperioder, hvor strømmen fra strømkilden (37) til termoelementet er afbrudt af den styrede omskifter (36), kendetegnet ved, at strømkilden (37) og de to loddesteder (24, 25) i termoelemen-25 tet (20) alle midlertidigt forbindes i serie via den styrede omskifter (36) og via to ledere (21, 22), som er forbundet til hvert sit loddested, og at de samme to ledere (21, 22) er forbundet til indgangen af målekredsløbet.

2. Flowmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at målekredsløbet (34), omfatter en forstærker (33) og/eller et sample/hold-kredsløb (34), og at styreenheden er et tidssty ringskredsløb (35).

3. Flowmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at målekredsløbet omfatter en A/D-konverter (234) og en mikroprocessor (235) med tilhørende taktgenerator, hukommelse og ind/ udporte. 12 DK 161260 B

4. Flowmåler ifølge krav 3, kendetegnet ved, at mikroprocessoren samtidig udgør styreenheden til styring af omskifteren (36).

5. Flowmåler ifølge krav 2, kendetegnet ved, at termoelementet er indbygget i en sonde, og at strømgenerator (39), styret omskifter (36), forstærker (33), sample/hold-kredsløb (34) og styreenhed (35) er opbygget i en eller flere enheder i afstand fra sonden med termoelementet, der kun er 10 forbundet til forstærkerens indgang via et tolederkabel.

6. Flowmåler ifølge krav 1 eller 2, og hvor termoelementet omfatter en metaltråd af et første metal, der i et loddepunkt er forbundet til en metaltråd af et andet metal, der i et an- 15 det loddepunkt er forbundet til en metaltråd af det første metal, kendetegnet ved, at en del (23) af den ene af metaltrådene, fortrinsvis den mellemste tråd af det andet metal (23), er viklet omkring en varmeledende stav (29) i var-meledende forbindelse med det loddepunkt (25), som opvarmes af 2o strømmen (1(,,) fra strømkilden (37).

7. Flowmåler ifølge krav 6 med et termoelement bestående af kobber, konstantan og kobber, kendetegnet ved, at en del af konstantantråden (23) er viklet omkring den varmele- 25 dende stav (29).

8. Flowmåler ifølge krav 7, kendetegnet ved, at det forbindende tolederkabel er et koaksialkabel, og at koak-sialkablets inderleder (122) fortsætter i en kobberstang/rør 30 (129), som er omviklet med en varmespiral (123) af konstantan- tråd, som er ført videre til koaksialkablets yderleder af kobber (121).

9. Flowmåler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at 35 termoelementet er et halvleder-Peltier-element.