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Verfahren und Vorrichtung zur Druckmessung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine als Meßumformer ausgebildete Vorrichtung zur Messung des
Druckes eines fließfähigen Mediums, und insbesondere einen Miniaturmeßumformer zur
Durchführung physiologischer Messungen, wie z .B. Blutdruckmessungen.
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Die Erfindung ist bevorzugt anwendbar bei der-Durchführung von physiologischen
Druckmessungen, und die Erfindung wird unter besonderer Bezugnahme auf dieses Anwendungsgebiet
beschrieben. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß es zahlreiche andere Anwendungsgebiete
gibt, in denen das Grundprinzip der Erfindung verwendet werden kann.
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Bei den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren zur Messung von
Flüssigkeits- oder Gas drücken wird eine Membran verwendet, um den als Kraft pro
Flächeneinheit auftretenden Druck des Mediums in eine Kraft umzusetzen, die man
direkt auf ein Fühlelement einwirken läßt. In der Regel. umfaßt die Menbrananordnung
einen Kolben, der durch ein flexibles Element mit einem Gehäuse verbunden ist. Das
auf den Kolben wirkende Druckmittel bewirkt eine Bewegung des Kolbens, die durch
eine Verbindungsstange auf ein Pühlelement, wie z.B.
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einen Dehnungsmeßstreifen oder eine andere Meßvorrichtung, übertragen
wird.
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Ein Beispiel für eine weiterentwickelte Vorrichtung nach dem Stand
der Technik ist in der USA-Patentschrift 3 490 441 beschrieben. Es handelt sich
dabei um einen in den Körper einsetzbaren Blutdruckmeßumformer unter Verwendung
von Dehnungsmeßstreifen, die auf einem sich biegenden Stab aufgebracht sind, um
die Bewegung einer Metallhülse zu erfühlen.
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Der Blutdruck wirkt direkt auf die Metallhülse, die ihrerseits eine
Kraft auf den Biegestab überträgt. Die auf den Biege stab aufgebrachten Dehnungsstreifen
erfühlen die Verformung des Biege stabes und ergeben eine Ablesung proportional
zum Blutdruck.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß in einem
derartigen Meßumformer eine Membran oder eine äußere Umhüllung zum abhalten des
Mediums nicht erforderlich ist.
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Ein flexibles Element, wie z.B. ein einseitig eingespannter Balken,
Stab oder Hebel kann direkt dem unter Druck stehenden Medium ausgesetzt werden,
um eine Biegung des Elements zu erzeugen; hierdurch kann der Meßausschlag bzw. das
Ausgangssignal gegenüber bisher bekannten Blutdruckmeßumformern mindestens um das
Zehnfache gesteigert werden.
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Durch diese Feststellung wird es möglich, durch die Energie des zu
messenden Flüssigkeits- oder Gasdruckes direkt einen einen Dehnungsmeßstreifen tragenden
flexiblen Balken oder Stab durchzubiegen, anstatt eine verhältnismäßig steife Flüssigkeitssperre
zu bewegen, die ihrerseits ein flexibles Element biegen muß. Da zur Verformung eines
flexiblen Elementes nur eine sehr geringe Kraft nötig ist, kann der Hauptteil der
Energie des Flüssigkeitsdruckes dazu dienen, die Meßfühler, wie Dehnungsmeßstreifen
od. dgl., zu betätigen.
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Die Erfindung kann in verschiedenen Formen verkörpert werden, insbesondere
in Form eines in den Körper einsetzbaren Meßumformers, der in einer Sonde oder Katheterspitze
untergebracht ist, um intraarterielle und intravenöse Blutdruckmessungen durchzuführen
bzw. fortlaufende Blutdruckaufzeichnungen zu erhalten. Der Druckumformer und die
Katheterspitze können klein genug konstruiert werden, so daß sie durch die menschliche
oder tierische Haut in eine Arterie eingeführt und durch die Arterie direkt ins
Herz geleitet werden können. Ein derartiger Meßumformer ist insbesondere geeignet
für Blutdruckmessungen während chirurgischer Eingriffe im kardiovaskulären Bereich.
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Gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druckmeßumformer
verwendet werden zur Messung von Differenzdrücken von zwei Druckmitteln und zur
Messung des Druckes eines durch eine Leitung oder ein Rohr strömenden Mediums.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen
näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäß verwendeten Biegestabes; Fig. 2 ist ein Längsschnitt längs
der Linie 2-2 von Fig. 1;
Fig. 3 zeigt in perspektivischer Darstellung
eine Ausführungsform eines in einer Katheterspitze untergebrachten Druckmeßumformers;
Fig. 4 ist ein Längsschnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3; Fig. 5 ist ein Querschnitt
längs der Linie 5-5 von Fig. 3; Fig. 6 zeigt in gleicher Ansicht wie Fig. 4 die
Vorrichtung mit durch den anliegenden Druck durchgebogenem Meßstab; Fig. 7 zeigt
ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brückenschaltung für eine elektrische Meßanzeige
von dem an dem Biegestab befestigten Dehnungsmeßinstrument; Fig. 8 zeigt im Querschnitt
eine als Differensdruckmeßumformer ausgebildete Ausftihrungsform der Erfindung;
Fig. 9 zeigt einen Schnitt längs der Linie 9-9 von Fig. 8; Fig. 10 zeigt im Schnitt
eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der als Katheterspitze ausgebildete
Meßumformer
zur Druckmessung an einer von der Druckquelle entfernten
Stelle verwendet wird; Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung
zur Messung des Druckes eines in einer Leitung strömenden Mediums; Fig. 12 ist ein
Querschnitt längs der Linie 12-12 von Fig. ii; Fig. 13 zeigt in Seitenansicht eine
geänderte Konstruktion des Biegestabes mit doppelten Dehnungsmeßelementen.
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In Fig. 3 - 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die
eine in den Körper einführbare Katheterspitze mit Meßumformer darstellt. Selbstverständlich
ist der tatsächliche Meßumformer in den Zeichnungen in stark vergrößertem Maßstab
dargestellt. Die Katheterspitze mit Meßumformer umfaßt ein allgemein rohrförmiges
Element 15, welches als starre Sonde dient und an welches ein flexibles Kabel 18
angeschlossen ist. Das rohrförmige Element 15 besitzt eine abgeflachte Seite 20,
in welcher ein Abschnitt der Wand, der die Spitze 22 umgibt, weggelassen ist. Auf
der abgeflachten Seite 20 ist ein langgestrecktes, flexibles Element 22 angeordnet,
welches an einem Ende 22a an dem rohrförmigen Element 15 befestigt ist. Das andere
Ende 22b des Elementes 22 kann sich
beim Anliegen eines Flüssigkeitsdruckes
frei biegen. Ein elastisches Material 26, wie z.B. Silikonkautschuk, umgibt den
Zwischenraum zwischen den Wänden des rohrförmigen Elementes 15 und dem Element 22
zur Schaffung einer abdichtenden Trennwand gegen die Plüssigkeit und einer gegen
die Flüssigkeit abgedichteten rammer 28 innerhalb der Katheterspitze. Die Kammer
28 in der Xatheterspitze steht in Verbindung mit dem umgebenden Atmosphärendruck
durch die innerhalb des flexiblen Kabels 18 vorgesehene Verbindungsleitung.
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Somit stellt der Atmosphärendruck den Referenzdruck dar, mit dem der
Druck des auf die Außenseite des Elements 22 wirkenden Mediums verglichen wird.
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Wie am deutlichsten in Fig. 6 gezeigt, bewirkt das Einwirken des
Drucks in Richtung der dargestellten Pfeile eine Biegung des Elements 22. Bei der
dargestellten Ausführungsform weist das Element 22 eine Querrille 33 auf, über die
sich ein Dehnungsmeßstreifen 34 erstreckt. Da das Element 22 mit dem einen Ende
22a eingespannt ist und am anderen Ende 22b keine feste Abstützung hat, wirkt es
als Krag- oder Biegebalken und verhält sich nach den Gesetzen der elastischen Biegung.
Eine Biegung des Elements 22 ergibt eine Verformung längs seiner Längsachse. Diese
Verformung wird im Bereich der Querrille 33 verstärkt. Eine Einwärtsbewegung des
Hebelarms zwischen dem eingespannten Ende 22a und der Rille 33 bewirkt
eine
Kompression des Dehnungsmeßelements 34. Der Dehnungsmeßstreifen 34 ist durch Elektroden
mit Drähten verbunden, die innerhalb des flexiblen Kabels 18 zu einer geeigneten
Meßschaltung geführt sind, mit der die Impedanz des Dehnungsmeßstreifens 34 gemessen,
überwacht, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden kann.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine vergrößerte Darstellung einer speziellen
Ausführungsform des Biegeelementes in Form eines beschichteten Stabes oder Streifens
40. Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Meßumformer kann von ähnlicher Art sein wie der
unter dem Handelsnamen PIXIE von der Firma Endevco Laboratories, Mountain View,
Kalifornien/USA, vertriebene Meßumformer.
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Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Balken oder Stab umfaßt ein Dehnungsmeßelement
34 und ein Temperaturkompensationselement 36. Der Stab 40 kann aus keramischem Material,
wie z.B. Aluminiumoxyd, bestehen, welches an seiner oberen und unteren Fläche mit
je einem Überzug 42, 44 aus Edelmetall versehen ist. Das Dehnungsmeßelement 34 umfaßt
ein Paar von Endblöcken 34a und 34b, die durch eine Brücke 34c von verringertem
Querschnitt verbunden sind. Jeder der Endblöcke 34a und 34b ist z.B. durch Ankitten
oder Anlöten an dem Stab 40 befestigt. Wenn der Stab 40 zwecks Biegung belastet
ist, verändert sich die Breitenabmessung der Rille 33 unterhalb
der
Brücke 34c. Kompression bzw. Dehnung des Dehnungsmeßelementes 34 verursachen Änderungen
seiner Impedanz, die durch die äußere Meßschaltung erfaßt werden. Eine Elektrode
ist gebildet durch den Anschluß eines Drahtes 46 an der leitenden Oberfläche 42,
wodurch ein elektrischer Anschluß zu dem Endblock 34b auf der einen Seite des Dehnungsmeßelementes
34 geschaffen ist. Eine gemeinsame Elektrode wird geschaffen durch den Draht 48,
der z.B. durch Löten oder Schweißen an der leitfähigen Oberfläche zwischen dem Endblock
34a und dem Endblock 36a des Temperaturkompensationselementes verbunden ist. Die
von dem Endblock 36b gebildete andere Seite des Temperaturkompensationselementes
ist durch die obere Beschichtung und ein die beiden Schichten überbrückendes leitfähiges
Material 49 am Ende des Stabes mit der unteren leitfähigen Oberfläche 44 verbunden.
Ein Elektrodendraht 50 ist z.B. durch Löten oder Schweißen mit der unteren leitfähigen
Schicht 44 verbunden und schafft dadurch den elektrischen Anschluß zum Endblock
36b.
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Selbstverständlich können auch andere Mittel verwendet werden, um
die Verformung des Elements 22 zu messen. Beispielsweise können Dehnungsmeßelemente
in Form von dünnen Metalldrähten auf einer Oberfläche des Elementes 22 aufgebracht
werden.
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Der Widerstand des Dehnungsmeßelementes 34 kann mit jeder geeigneten
Meß- oder Überwachungsschaltung gemessen werden; ein Beispiel einer solchen Schaltung
ist in Fig. 7 in Form einer Wheatstoneschen Brückenschaltung dargestellt. Die Widerstände
34' und 56' stellen die Widerstände des Dehnungsmeßelementes 34 und des Temperaturkompensationselementes
36 dar. Die Widerstände 54 und 55 sind so eingestellt, daß die Brücke temperaturkompensiert
ist, und die Widerstände 50 und 51 sind so gewählt, daß die Brücke ausgeglichen
ist. Eine Einrichtung zur elektrischen Erregung, z.B. in Form einer Gleichspannungsquelle
56, liegt an der Brücke an. Eine Meßeinrichtung, wie z.B. ein Meßinstrument 58,
liegt quer über dem anderen Arm der Brücke. Wenn das Element 22 belastungsfrei ist,
ist die Wheatstonesche Brücke ausgeglichen und der elektrische Strom durch das Meßinstrument
58 ist Null, Wenn an dem Element 22 eine Belastung durch Einwirken eines Flüssigkeitsdruckes
anliegt, wird eine Widerstandsänderung des Dehnungsmeßelementes 34 verursacht, die
ihrerseits eine Veränderung des Widerstandes 34t und damit das Fließen eines elektrischen
Stromes durch das Meßgerät 58 verursacht. Der Stromfluß durch das Meßinstrument
58 ist direkt proportional zu dem die Biegung des Elements 22 bewirkenden Flüssigkeitsdruck.
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Die dargestellte Wheatstonesche Brückenschaltung ist eine Gleichstrombrücke;
selbstverständlich ist es möglich und
häufig auch vorteilhaft,
statt dessen eine Erregung mit Wechselstrom vorzusehen. Ferner kann eine Ablesung
in Form einer direkt sichtbaren Wellenform erfolgen, indem man das Meßinstrument
58 im Nullzweig der Brücke durch ein Oszilloskop ersetzt. Ferner kann eine Aufzeichnung
erfolgen, indem man die Arme der Wheatstoneschen Brückenschaltung an den Eingang
eines Schreibgerätes anschließt und die Aufzeichnung als Funktion der Zeit vornimmt.
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Für die Einzelheiten der mechanischen Konstruktion der in Fig. 3
bis 6 gezeigten Katheterspitze gilt folgendes. Das rohrförmige Gehäuse kann aus
jedem ausreichend steifen Material wie z.B. Metall bestehen, wobei jedoch für medizinische
Zwecke vorzugsweise rostfreier Stahl gewählt wird. Bei der Herstellung der Katheterspitze
wird das rohrförmige Element 15 zuerst einem Bearbeitungsschritt unterworfen, bei
dem im Bereich 20 der Teil der Wandung, der oberhalb der Mittelachse des Rohres
längs einer parallel zur Mittelachse verlaufenden Schnittebene liegt, entfernt wird.
Das Biegeelement 22 wird in die Öffnung des Trennwandbereiches eingesetzt und an
dem rohrförmigen Element 15 durch einen Kitt 60, wie z.B. Epoxyharz, befestigt.
Der umgebende Bereich wird mit einem elastischen Material 26, wie z.B. Silikonkautschuk,
ausgefüllt. Somit ist das Element 22 frei, um sich unter Belastung, z.B.
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durch Anliegen eines äußeren Flüssigkeitsdruckes, durchzubiegen.
Das
elastische Material 26 dehnt sich, ohne die Biegung des länglichen Elementes 22
unter Belastung wesentlich zu behindern.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Ende der Katheterspitze
mit Epoxyharz 62 abgedichtet, und ein Stab 64 ist quer über das Ende des rohrförmigen
Elementes 15 verlaufend angeordnet und durch Verklebung mit dem Epoxyharz 62 festgehalten.
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Das flexible Kabel 18 ist in den Schaft des rohrförmigen Elementes
15 eingeführt und durch Epoxymaterial 66 verankert, welches das Kabel 18 konzentrisch
umgibt und in Kontakt mit dem Ende des rohrförmigen Elementes 15 steht.
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Der als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer entsprechend Fig.
3 bis 6 kann so konstruiert werden, daß er eine beträchtlich größere Ausgangsspannung
liefert als jeder andere derzeit auf dem Markt erhältliche Meßumformer. Bei einer
tatsächlich hergestellten Äusführungsform lag die getestete Empfindlichkeit in der
Größenordnung von 1 Millivolt pro cm Quecksilbersäule pro Volt angelegter Brückenspannung.
Die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik mit Draht-Dehnungsmeßelementen haben
ein Ausgangssignal von nur 50 Mikrovolt pro cm Quecksilbersäule pro Volt angelegter
Brückenspannung.
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Wegen des höheren Ausgangsßignals des als Katheterspitze ausgebildeten
Meßumformers nach der Erfindung ist normalerweise eine Abschirmung nicht erforderlich,
und man benötigt eine wesentlich geringere elektronische Verstärkung vor der Weiterverarbeitung
der Signale. Deshalb kann der erfindungsgemäße, als Katheterspitze ausgebildete
Umformer mit extrem flexiblen, unabgeschirmten Kabelzuführungen versehen werden,
ohne daß hierdurch unzulässige elektrische Beeinflussungen des Ausgangssignals auftreten.
Mit einem Wort, das Signalzu Rauschverhältnis eines Meßumformers für physiologische
Verwendung wird durch Anwendung der Erfindung wesentlich verbessert.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung hat vom
praktischen Standpunkt her zahlreiche Vorteile. Ein Meßumformer von derartiger Konstruktion
ist relativ leicht herzustellen und kann wegen der Möglichkeit, bereits vormontierte
Silikon-Dehnungsmeßstreifen zu verwenden, nach bereits voll entwickelten Massenherstellungsmethoden
und mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Bei den meisten bekannten Meßumformern
müssen zur Miniaturisierung die Silikon-Dehnungsmeßelemente an auslenkbaren Membranen
befestigt werden. Da durch die vorliegende Erfindung die Verwendung von Membranen
vermieden wird, wird auch die Befestigung der Silikonelemente an der Membran und
der damit verbundene Arbeits- und Kostenaufwand ausgeschaltet.
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Der vorstehend anhand der Fig. 3 bis 6 beschriebene, als Katheterspitze
ausgebildete Meßumformer ist außer für intraarterielle und intravenöse Messungen
auch für zahlreiche andere Anwendungen geeignet. Er kann beispielsweise gemäß Fig.
10 in ein gesondertes Meßgehäuse eingeführt werden.
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Dargestellt ist ein als Katheterspitze ausgebildetes Umformerelement
80 innerhalb eines Druckgefäßes 82, welches eine Druckkammer bildet. Die Druckkammer
84 steht in Verbindung mit einem unter Druck stehenden Medium, das durch eine Leitung
86 Zugang hat. Das Druckgehäuse 82 hat ein Außengewinde, auf welches eine Kappe
88 paßt. Ein Dichtungsring 90 ist innerhalb der Kappe 88 im Anschluß an das Ende
des Druckgefäßes 82 angeordnet. Durch Festziehen der Kappe 88 auf dem Gewinde wird
der Dichtungsring 90 gegen die Seitenflächen der Katheterspitze 80 gepreßt und erzeugt
eine Druckabdichtung innerhalb der Druckkammer 84. Das Rohr oder der Schlauch 86
kann verbunden werden mit einer Quelle für eine zu messende, unter Druck stehende
Flüssigkeit, wie z.B. Blut, und der Flüssigkeitsdruck wirkt auf das Biegebalkenelement
innerhalb der Katheterspitze 80. Somit kann, wie in Zusammenhang mit Fig. 10 beschrieben,
der als Katheterspitze ausgebildete Meßumformer gemäß der Erfindung ;weite Anwendungsmöglichkeiten
nicht nur für MeBsungen direkt an der Druckquelle, sondern auch für Messungen eines
Flüssigkeits- oder Gasdruckes entfernt von der druckerzeugenden Stelle aufweisen,
und zwar
durch Verwendung einer Ylüssigkeitssäule, die die Druckschwankungen
zu einer Druckkammer überträgt.
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Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können andere Arten von
Gehäusen zum haltern des flexiblen Elementes, auf welches der Ylüssigkeits- oder
Gasdruck einwirkt, vorgesehen sein. Allgemein kann jede Art eines Gehäuses verwendet
werden, vorausgesetzt, daß es eine Öffnung definiert, in der das flexible Element
angeordnet ist. Das Gehäuse muß Einrichtungen zum messen der Deformation des Elementes
unter Belastung sowie mindestens ein Paar von Elektroden, die mit den Meßeinrichtungen
elektrisch verbunden sind, aufweisen.
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Ein elastisches Material bewirkt die Abdichtung des Zwischenraums
zwischen dem Gehäuse und dem länglichen Element zur Bildung einer Trennwand. Das
Gehäuse muß anschließbar sein an eine Quelle für unter Referenzdruck stehendes Medium,
welches auf der einen Seite der Trennwand gegen das längliche Element einwirkt,
und an eine Quelle für das unter dem Meßdruck stehende Medium, welches auf der anderen
Seite der Trennwand gegen das Biegeelement wirkt.
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In Fig. 11 und 12 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung
dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine Leitung mit Druckmeßumformer zum messen
des Druckes eines fließfähigen Mediums, welches durch ein Rohr oder eine Leitung
90
strömt. In der Wand des Rohres 90 ist ein Fenster ausgeschnitten,
in welches ein langgestrecktes Element 22 eingesetzt ist, welches von gleicher Konstruktion
wie oben beschrieben ist. Das Element 22 ist an einem Ende an dem Rohr 90 mittels
Epoxyharz 92 befestigt. Das andere Ende des Elementes 22 ist frei, um sich entsprechend
dem anliegenden Druck durchzubiegen. Ein elastisches Material 94 umgibt das Element
22 in dem Fenster und bewirkt eine Abdichtung und eine Trennwand für den Druck.
In Abhängigkeit von Schwankungen des Druckes des Mediums innerhalb des Rohres 90
biegt sich das Element 22, so daß Verformungen des Dehnungsmeßelementes 34 und damit
Änderungen seiner elektrischen Charakteristik auftreten, die, wie oben beschrieben,
gemessen werden können.
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Das Dichtungsmaterial 94 kann Silikonkautschuk sein, wie oben in
Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen beschrieben. Die Leitung 90 ist vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl hergestellt. Für spezielle Anwendungen kann die Wheatstonesche
Brückenschaltung direkt an dem Rohr 90 angeordnet und befestigt sein, wobei sie
von einem Schutzrohr oder einer Abdeckung umgeben und geschützt sein kann.
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In Fig. 8 und 9 ist ein Differenzdruck-Meßumformer gemäß der Erfindung
dargestellt. Ein Druckgehäuse 100 ist in zwei
Hälften 100a und
100b geteilt, die durch Schrauben 102, die durch einen umlaufenden Flansch 104 gesteckt
sind, zusammengehalten werden. Das Druckgehäuse 100 ist in zwei Kammern unterteilt,
die durch eine Drucktrennwand getrennt sind, die aus einer zwischen den Scheiben
104 eingespannten Scheibe 110 besteht. In einem ausgeschnittenen Fenster in der
Scheibe 110 ist ein Biegeelement angeordnet, das in seiner Konstruktion den vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen entspricht.
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Das Biegeelement ist an einem Ende durch geeignete Mittel wie z.B.
Epoxykitt 112 befestigt und an seinem anderen Ende frei, um sich zu biegen. Ein
elastisches Material wie z.B.
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Silikonkautschuk 114 bildet eine Abdichtung des Zwischenraums zwischen
dem Biegeelement und der Scheibe 110. Das Biegeelement trägt Dehnungsmeßelemente
34 und ein Temperaturkompensationselement 36, ähnlich wie bei den vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen. Eine Biegung des Biegeelementes führt zu Druck oder Zug in dem
Dehnungsmeßelement 34, die durch entsprechende Änderungen der elektrischen Eigenschaften
gemessen werden können. Die obere Druckkammer wird mit einem Stutzen 116 mit einer
ersten Quelle für Flüssigkeits- oder Gasdruck verbunden, während die untere Druckkammer
durch einen Stutzen 118 mit einer zweiten Quelle für Flüssigkeits-oder Gasdruck
verbunden wird. Der resultierende Differenzdruck zwischen den beiden angelegten
Drücken bewirkt eine Biegung des Biegeelementes in Richtung auf die eine oder
andere
Druckkammer. Die entsprechende Änderung der elektrischen Eigenschaften des Dehnungsmeßelementes
54 ergibt eine direkte Messung der Druckdifferenz.
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In Fig. 13 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Biegeelementes
dargestellt, wobei doppelte Dehnungsmeßfühler als aktive Elemente verwendet werden.
Mit 120 ist der Balken bezeichnet, der in gleicher Weise montiert werden kann, wie
bei den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben. Der Balken 120 ist an seiner
oberen und unteren Fläche mit einem Überzug 122 und 124 aus leitfähigem Material
versehen. Leitfähiges Material 125 ist am Ende des Balkens 120 angebracht, um eine
Leitungsbrücke zwischen der oberen und unteren Beschichtung 122 und 124 zu bilden.
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Ein erstes druck- oder zugspannungsempfindliches Element 128 ist
an der unteren Fläche des Balkens 120 befestigt und überbrückt eine Quernut 134
in dem Balken. An der oberen Fläche des Balkens 120 ist ein zweites spannungsempfindliches
Element 126 befestigt. Das Element 126 ist gegenüber dem Element 128 und auf der
Rückseite der Nut 134 befestigt. Jedes der Elemente 126 und 128 hat somit die gleiche
Hebelarmlänge zur Spitze des Balkens 120. Wenn der Balken 120 durch Anlegen von
Druck unter Belastung gesetzt wird, wird das eine der Elemente 126 und 128 unter
Zug und das andere unter Druck gesetzt.
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Der kombinierte Effekt der Elemente 126 und 128 kann dazu dienen,
die effektive Empfindlichkeit des Druckmeßumformers zu verdoppeln. Der Abgriff am
Element 126 erfolgt durch einen Draht 133, der an einer Elektrodenstelle mit der
oberen leitfähigen Beschichtung 122 verbunden ist, und einen Draht 130, der an einer
Elektrodenstelle mit der unteren leitfähigen Beschichtung 124 verbunden ist. Der
Abgriff vom Element 128 erfolgt durch einen Draht 132, der an einer Elektrodenstelle
mit der unteren leitfähigen Beschichtung 124 auf einer Seite der Nut verbunden ist.
Der Draht 130 dient als gemeinsame Elektrode für beide Elemente. Eine Unterbrechung
136 ist in der oberen gleitfähigen Beschichtung 122 vorgesehen, damit sich Änderungen
der Impedanz des Elements 126 über den Gelenkpunkt der Nut 134 ausbilden können.
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Die Elemente 126 und 128 können in bezüglich Druck und Zug entgegengesetzter
Anordnung in jede geeignete Meßschaltung geschaltet werden. Beispielsweise können
sie in eine Wheatstonesche Brückenschaltung gemäß Fig. 7 einbezogen werden in der
gleichen Weise, wie die bei Fig. 3 bis 6 beschriebenen Elemente 34 und 36. Jedes
der Elemente 126 und 128 bewirkt die Temperaturkompensierung des jeweils anderen
Elementes.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung
wird die Deformierung eines flexiblen Elementes
durch ein daran
befestigtes, gesondertes Element gemessen.
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Bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung ist es möglich, ein
flexibles Element z.B. in Form eines Biegebalkens zu verwenden, welches aus einem
piezoelektrischen Material hergestellt ist. Die Biegung eines derartigen Elementes
erzeugt ein elektrisches Potential, welches in einer geeigneten Schaltung gemessen
werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die Einzelheiten der vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen beschränkt. Zahlreiche Änderungen und Ausgestaltungen sind möglich
und fallen in den Rahmen der Erfindung.