DE2836883B2 - Vorrichtung zur temperaturkontrollierten Erwärmung von Sonden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur temperaturkontrollierten Erwärmung von Sonden, insbesondere von Meßwertaufnehmern zur transkutanen Sauerstoffbestimmung, bestehend aus Sonde, z. B. einem Aufnehmer mit Elektroden, sowie zugehörigem Betriebsgerät, wobei die Sonde einerseits ein Heizelement und andererseits einen temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler aufweist und wobei im Betriebsgerät die Temperatur des Temperaturfühlers als Widerstands wert bestimmt wird, der als Regelgröße für den Heizelementversorgungsstromkreis dient

Für viele Anwendungszwecke ist es erforderlich, Sonden temperaturkontrolliert zu erwärmen. Beispielsweise wird in »Biomedizinische Technik« 18 (1975) S. 216—221 ein Meßwertaufnehmer als Sonde für die transkutane Sauerstoffbestimmung zwecks Hyperämisierung der Haut am Meßort auf vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Dazu weist der Meßwertaufnehmer neben den Meßelektroden ein Heizelement einerseits und einen Temperaturfühler andererseits auf. Als Temperaturfühler wird bevorzugt ein Thermistor, also ein temperaturabhängiger Widerstand, verwendet Das Meßsignal bildet dabei eine Regelgröße zur Einstellung der Heizelementversorgungsspannung im Betriebsgerät.

Weiterhin ist aus dem DE-GM 74 22 154 auch bereits ein solcher Meßwertaufnehmer für transkutane Sauerstoffmessungen vorbekannt, der im Elektrodenträger- teil eine Heizwicklung mit Anschlußleitungen aufweist wobei ein Ast der Anschlußleitungen aus einem solchen Material gebildet ist, das zusammen mit der Heizwicklung ein Thermopaar für die Temperaturmessung bildet.

Die Sauerstoff elektrode nach dem genannten Gebrauchsmuster hat gegenüber den anderen Meßwertaufnehmern zur transkutanen Sauerstoffmessung, bei denen eine völlig separate Heizwicklung und Temperaturmeßfühler vorhanden sind, bereits den Vorteil, daß die Zahl der notwendigen Zuleitungen für Heizung und Temperaturfühler verringert ist Die andere Lötstelle für das Thermoelement liegt dabei im allgemeinen direkt im Betriebsgerät. Allerdings besteht immer noch der Nachteil, daß die Temperaturbestimmung nicht unmittelbar am eigentlichen Meßort erfolgen kann. Temperaturmeßort ist vielmehr die Verbindungsstelle Heizwicklung — Zuleitungsdraht; die dort gemessene Temperatur kann aber geringfügig von der mittleren Temperatur der Heizwicklung und der Meßelektrode

M> abweichen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für die temperaturkontrollierte Erwärmung von Sonden anzugeben, bei der Temperaturerfassuing und -regelung bezüglich Einstellung einer konstanten Temperatur der

h¹) Sonde so weit wie möglich vereinfacht werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäQ dadurch gelöst, daß speziell das Heizelement eine Widerstandsstiecke mit definiertem, temperaturabhängigem elektrischen

Widerstand ist welche gleichzeitig die Funktion der Heizung und des Temperaturfühlers erfüllt, und daß im Betriebsgerät unmittelbar deren Widerstandswert mit dem Wert eines vorgebbaren Widerstandes als Sollwert verglichen wird, wobei durch Veränderung des Heizstromes für das Heizelement der Widersundswert an den vorgegebenen Sollwert angepaßt wird.

Dabei enthält das Betriebsgerät vorzugsweise eine Gleichstrom-Meßbrücke, deren Diagonalspannung der Differenz vom Widerstandswert der Widerstandsstrekke und Widerstandswert des Vergleichswiderstandes proportional ist und die damit unmittelbar die Temperaturabweichung des Heizelementes vom vorgegebenen Sollwert angezeigt Die Diagonalspannung der Gleichstrom-Meßbrücke steuert dabei vorzugsweise über eine Verstärkerschaltung die Brückenspeisespannung im Sinne der Regelung der Versorgungsspannung für das Heizelement

Es ist zwar vom Prinzip her bereits bekannt, aus dem Widerstandsverlauf eines Heizelementes luch eine Temperaturmeßgröße abzuleiten. Im Rahmen der Erfindung dient diese Temperaturmeßgröße aber gleichzeitig als Regelgröße, die durch Vergleich mit einem Sollwertwiderstand das Heizelement auf die gewünschte Temperatur regelt Dieses läßt sich im gewünschten Bereich der Körpertemperatur ohne große Leistungsanforderung der zugehörigen Schaltung realisieren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Unteransprüchen. Es zeigen

F i g. 1 einen an einem Meßort applizierten Meßwertaufnehmer zusammen mit dem zugehörigen Betriebsgerät in Prinzipdarstellung,

Fig.2 den Meßwertaufnehmer mit Betriebsgerät nach F i g. 1 schaltbildmäßig,

F i g. 3 die Versorgungsschaltung für die in F i g. 1 dargestellte Heizeinrichtung, die Teil des Betriebsgerätes ist

In der F i g. 1 ist mit 1 das Trägerteil eines Meßwertaufnehmers mit Meßelektroden bezeichnet der auf der Hautoberfläche eines Patienten als Meßort 20 für eine transkutane Sauerstoffmessung aufgesetzt und fixiert ist Das Trägerteil ist dabei zweckmäßigerweise als flache zylindrische Scheibe ausgebildet und hat einen Anschluß 2 mit gleichzeitiger Zugentlastung für elektrische Leitungea Der Anschluß 2 ist an ein externes Betriebsgarät 25 angeschlossen.

Das Trägerteil 1 besteht aus gut wärmeisolierendem Kunststoffmaterial und hat zur Applikationsseite eine ringförmige Auflagefläche 3, die bei Applikation eine genügende Standsicherheit gegen Verkippungen, Verschiebung od. dgl. gewährleistet Zentrisch im Trägerteil 1 ist ein Hohlzylindertopf 4 als Anode eingegossen. Dieser Elektrodentopf 4 besteht aus Silber und ist in geeigneter Weise mit seiner Grundfläche ausgeformt. Die Zylinderwandung schließt mit ihrer unteren Kante bündig mit der Ringfläche 3 des Trägerteils I ab. Die Grundfläche 5 des Topfes 4 ist dabei als Teil einer Kugelfläche ausgebildet so daß sie gegenüber der Ringfläche 3 eine konvexe Auswölbung bildet. Die konvexe Grundfläche weist etwa in der Mitte eine kleine zentrale Ausnehmung 6 auf, in der ein Draht 7 als Kathode isoliert eingesetzt ist Der Kathodendraht 7 ist durch einen Platindraht mit 20 μπι Durchmesser gebildet, dessen Stirnfläche poliert ist und als wirksame Kathodenfläche dient. Zwischen Zylinderwand des Anodentopfes 4 und dem Kathooendraht 7 ist ein Element mit einer definierten Widerstandsstrecke angeordnet das gleichzeitig die Funktion einer Heizung und eines Temperaturfühlers erfüllt ■j Als Material für die Widerstandsstrecke 8 werden beispielsweise Kupfer- oder Platindrähte verwendet Ebenfalls möglich sind auch auf Keramiksubstraten durch Aufdampfen, elektrolytische Abscheidung od. dgL aufgebrachte Widerstandsschichten, vorzugsweise

ίο aus Nickel. Derartige Elemente lassen sich in befriedigendem Maß gleichermaßen als Heizelement und als Temperaturmeßfühler verwenden. Dabei kommt es lediglich darauf an, daß der vom Element definierte Widerstand sowie der spezifische Tempera turkoeffizient des Widerstandsmaterials bekannt ist

In F i g. 1 sind Anode 4, Kathode 7 und Heizwicklung über elektrische Zuleitungen 9 bis 12 mittels Kabelanschluß mit dem Betriebsgerät 25 verbunden, das sowohl den Heizspannungsversorgungsteil als auch den Meß wertverarbeitungsteil beinhaltet Dabei sind 9 und 11 die Meßleitungen für die Elektroden,- 10 und 12 sind dagegen die einzigen Leitungen für das Heiz- und Temperaturmeßelement Die Leitung 9 ist an die Leitung 10 angeschaltet so daß lediglich drei Leitungen aus dem Meßwertaufnehmer herausgeführt werden müssen.

Der Meßwertaufnehmer nach F i g. 1 ist auf der Hautoberfläche 20 als Meßort appliziert. Zwischen Elektrodenmeßfläche und Hautoberfläche 20 sind dabei für die Messung ein Elektrolyt 16 sowie eine sauerstoffdurchlässige Membran 13 angeordnet Zwischen ringförmigem Trägerteil 3 und Haut 20 befindet sich dabei zur Fixierung des gesamten Meßwertaufnehmers eine Klebehalterung 14. Durch die konvexe Ausbildung der Anodenunterfläche 5 wird beim Aufbringen der sauerstoffdurchlässigen Membran 13 und Fixieren mittels Klebehalterung 14 gleichzeitig eine gewisse Vorspannung der formelastischen Membran erreicht Dadurch ist in befriedigender Weise gewährlei stet daß bei Applikation mittels Klebehalterung keine Luftblasen im Elektrolyten 16 zwischen Elektrodenunterfläche 5 und Membran 13 verbleiben. Gleichzeitig ist bei einem derartigen.Aufbau ein guter Wärmeübergang von Heizelement über die metallische Anode 4 zur Hautoberfläche 20 sichergestellt so daß die Haut am Meßort aktiv hyperämisiert ist

In der F i g. 2 sind Meßwertaufnehmer und Betriebsgerät schaltbildmäßig dargestellt: Im Meßwertaufnehmer 1 sind mit 21 und 22 die Elektroden (Kathode und

so Anode der polarographischen Meßzelle) und mit 23 die definierte Widerstandsstrecke bezeichnet. Der eine Anschluß der Widerstandsstrecke 23 liegt dabei auf Anodenpoteritial, so daß sich eine weitere Zuleitung zum Aufnehmer erübrigt. Als Anschlußleitungen zum Betriebsgerät 25 werden also insgesamt nur drei Leitungen 26 bis 28 benötigt

Im gestrichelt angedeuteten Betriebsgerät 25 bedeuten 29 eine Gleichstrom-Brückenschaltung, 30 ein Stellglied für einen Widerstand in der Brücke, 31 eine Verstärkerschaltung, 33 eine Meßwerterfassungsschaltung für den polarographischen Meßstrom sowie 32 und 34 Anzeigegeräte. Im einzelnen stellt dabei die Widerstandsstrecke 23 den Meßwiderstand der Meßbrücke 29 dar, was in F i g. 3 näher erläutert wird.

Mittel., Stellglied 30 ist dabei ein weiterer Widerstand im Sinne einer Sollwerteinstellung veränderbar. Damit lassen sich Sollwerte für die Heizung im Körpertemperaturbereich, beispielsweise in 2^CC-Schritten von 36 bis

42°C vorgeben. Die Verstärkerschaltung 31 liefert die Versorgungsspannung für die Meßbrücke 29; sie arbeitet also als Regler in dem Sinne, daß der temperaturabhängige Widerstand der Widerstandsstrecke 23 an den vorgegebenen Sollwiderstand angepaßt wird. Am ersten Anzeigegerät 32 wird die Heizleistung für die Widerstandsstrecke 23 angezeigt, die ein Maß für die Wärmeabfuhr am Meßwertaufnehmer 1 ist und damit gleichzeitig eine Aussage über die Durchblutung der Haut angibt. Die Messung des Stromes in der polarographischen Meßzelle erfolgt nach dem üblichen Prinzip der Messung kleiner Ströme. Im Betriebsgerät wird ein Anschluß der Widerstandsstrecke auf floatendes Massepotential gelegt, was mit dem Bezugszeichen 35 gekennzeichnet ist.

In der Fig. 3 sind mit 36 bis 39 vier Widerstände bezeichnet, die als Gleichstrommeßbrücke geschaltet sind. Dabei sind 38 und 39 zwei Konstantwiderstände, während 36 und 37 veränderliche Widerstände sind. Der Widerstand 36 wird im einzelnen durch die definierte Widerstandsstrecke 23 nach F i g. 2 gebildet. Sein Widerstandswert ändert sich also mit der jeweils vorliegenden Temperatur des Meßwertaufnehmers 1. Der Widerstand 37 ist dagegen ein Potentiometer, dessen Widerstandswert von der Bedienungsperson im Sinne der Einstellung eines Sollwertes veränderbar ist.

Zwischen den Widerstandszweigen der Meßbrücke fällt eine Diagonalspannung Ud ab. Diese Diagonalspannung Up wird über Widerstände 40 und 41 auf einen Operationsverstärker 42 gegeben, der an eine Spannungsquelle +15 V angeschaltet ist. Der Ausgangswert wird über einen Widerstand 43 und einen npn-Transistor 44 in Kollektorschaltung auf den Brückenspeisespannungsversorgungszweig zurückgekoppelt. Dafür sind weiter die Widerstände 46 und 47 zur Beschallung des Operationsverstärkers 42 notwendig. Weiterhin ist noch ein Widerstand 45 dem Brückenspeisespannungsversorgungszweig parallelgeschaltet.

Mittels der in Fig.3 beschriebenen Schaltung wird also die Brückenspeisespannung Ubk in Abhängigkeit von der Brückendiagonalspannung Ud geregelt Für die Schaltung nach F i g. 3 gelten im einzelnen folgende Beziehungen:

U_BK =-{/„■ V.

wobei R» Widerstand 36, R_s Widerstand 37, Ri und R₂ die Widerstände 38, 39 gemäß. F ig. 3 sowie V der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 42 bedeuten. V ist im wesentlichen aus dem Verhältnis der Widerstände 46 und 41 sowie 47 und 40 bestimmt Gleichung (2) in Gleichung(l) ergibt:

R, -fit)

(L

1 -

R,

Aus der Analyse der für Brücke und Verstärkerschaltung gültigen Gleichungen (1), (2) und (3) ergibt sich die Funktion zur gleichzeitigen Temperaturmessung und -regelung: Der Widerstand des Heizelementes Re hat im interessierenden Temperaturbereich eine bekannte Temperaturfunktion. Unter der Voraussetzung, daB die Hilfswiderstände Ri, R₂ sowie der Verstärkungsfaktor V konstant sind, läßt sich also Ro allein durch R_s bestimmen bzw. einregeln. Je nach Wärmeabfuhr im Meßwertaufnehmer regelt dann die Brücken- und

■-, Verstärkerschaltung die Brückenspeisespannung U_Bk und damit den Strom durch den Heizwiderstand; im Ergebnis ist also die Temperatur der Widerstandsstrekke 23 nach F i g. 2 mit Widerstand 36 unabhängig von der Wärmeabfuhr im Aufnehmer 1. Die Widerstände 40

in und 41 sowie 46 und 47 zur Beschallung des Operationsverstärkers sind jeweils gleich groß, so daß sich ein symmetrischer Differenzverstärker ergibt. Der Widerstand 43 ist im wesentlichen notwendig als Vorschaltwiderstand für den Leistungstransistor 44,

r, wogegen der Widerstand 45 zum Anlaufen der Schaltung benötigt wird.

Beim Regelvorgang ergibt sich im wesentlichen folgender Funktionsablauf: Am Widerstand 37 wird ein Sollwert eingestellt. Über den Widerstand 45 wird von der Gleichspannungsquelle die Brücke mit einer geringen Spannung beaufschlagt. Dabei ergibt sich an der Brücke bereits eine kleine dementsprechende Diagonalspannung U_a die gemäß Gleichung (2) im Verstärker 42 verstärkt wird. Der nachgeschaltete Transistor 44 wird dann durchgesteuert, so daß an der Brücke als Speisespannung eine entsprechend dem Verstärkungsgrad des Verstärkers 42 verstärkte Spannung anliegt. Es fließt also durch den Widerstand 36 ein Strom, wobei die Widerstandsstrecke entsprechend der eingespeisten Leistung aufgeheizt und dementsprechend der Wert des Widerstandes gemäß seinem Temperaturkoeffizienten geändert wird. Die Brückenspeisespannung Ubk ist also ein Maß für die Heizleistung im Widerstand 36 und damit gleichzeitig für die im

J5 Heizwiderstand 23 nach F i g. 2 abgeführte Wärmemenge-
Diese Brückenspannung wird desto kleiner, je

geringer die Differenz zwischen den Widerständen 36 und 37 und je" kleiner damit die Diagonalspannung Ud ist. Für den Fall, daß der Widerstandswert des Widerstandes 36 größer als der Widerstandswert des Widerstandes 37 ist, wird sich am Ausgang des Verstärkers 42 eine negative Ausgangsspannung ergeben, den den Transistor 44 sperrt In diesem Fall fließt nur noch der Strom über den Widerstand 45, der zum Anlaufen der Brücke notwendig ist. Dieser Strom ist aber vernachlässigbar gering, so daß er nicht wesentlich zur Heizung beiträgt

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, bei der

so Gleichstrom-Meßbrücke den Sollwiderstand R₅ und zugehörigen Festwiderstand A₂ einerseits sowie den Meß/Regelwiderstand R* und zugehörigen Festwiderstand A₁ jeweils gleich groß zu dimensionieren. Dadurch ergibt sich die optimale Meßempfindlichkeit der Brücke.

Dabei ist vorzugsweise der Sollwiderstand etwa lOmal so groß wie der Widerstand der Widerstandsstrecke. Bei einer derartigen Dimensionierung wird bei optimaler Empfindlichkeit ein maximal möglicher Teil der in die Brücke eingespeisten elektrischen Leistung, nämfich fast 50%, als Heizleistung umgesetzt

Im Ausführungsbeispiel wurde speziell die temperaturkontrollierte Beheizung einer transkutanen Sanerstoffelektrode beschrieben. In weiteren Ausführungsformen sind mit einer derartigen erfindungsgemäßen Vorrichtung auch andere Sonden, beispielsweise Handstücke für die Dentaltechnik, auf geregelte Konstanttemperatur unabhängig von der jeweils vorliegenden Wärmeabfuhr beheizbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur temperaturkontrollierten Erwärmung von Sonden, insbesondere von Meßwert- aufnehmern zur transkutanen Sauerstoffbestimmung, bestehend aus Sonde, z. B. einem Aufnehmer mit Elektroden, sowie zugehörigem Betriebsgerät, wobei die Sonde einerseits ein Heizelement und andererseits einen temperaturabhängigen Widerstand als Temperaturfühler aufweist und wobei im Betriebsgerät die Temperatur des Temperaturfühlers als Widerstandswert bestimmt wird, der als Regelgröße für den Heizelementversorgungsstromkreis dient, dadurch gekennzeichnet, daß speziell das Heizelement (1) eine Widerstandsstrek ke (23) mit definiertem, temperaturabhängigem elektrischen Widerstand (36) ist, welche gleichzeitig die Funktion der Heizung und des Temperaturfühlers erfüllt, und daß im Betriebsgerät (25) unmittel- bar deren Widerstandswert (Rt) mit dem Wert (R_s) eines vorgebbaren Widerstandes (37) als Sollwert verglichen wird, wobei durch Veränderung des Heizstromes für das Heizelement (1) der Widerstandswert (Re) an den vorgegebenen Sollwert (R₅) angepaßt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betriebsgerät (25) eine Gleichstrom-Meßbrücke (29, 36 bis 39) enthält, deren Diagonalspannung (Ud) der Differenz vom Wert M (R») des Widerstandes (36) der Widerstandsstrecke (23) und Widerstandswert (R₅) des Vergleichswiderstandes (37) proportional ist und die damit unmittelbar die Temperaturabweichung des Heizelementes vom vorgegebenen Sollwert angibt J >

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Diagonalspannung (Ud) der Gleichstrommeßbrücke (29, 36 bis 39) über eine Verstärkerschaltung (42 bis 47) die Brückenspeisespannung (Ubk) als Heizelement-Versorgungsspannung steuert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gleichstrom-Meßbrücke (36 bis 39) Sollwiderstand (R₅) und zugehöriger Festwiderstand (R2) einerseits und Meß-/Regelwiderstand (Rt) und zugehöriger Festwiderstand (Ri) andererseits jeweils die gleiche Größenordnung haben und daß der Sollwiderstand (R_s) wesentlich größer als der Meß-/Regelwiderstand (R₀), vorzugsweise etwa lOmal so groß, ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsstrecke (23) mit einem Anschluß auf dem Potential einer der Elektroden (21,22) hegt

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential ein floatendes Massepotential is*.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkerschaltung (42 bis 44,46, 47) als rückgekoppelter Leistungsverstärker ausgebildet ist

8. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet daß der Leistungsverstärker aus einem Operationsverstärker (42) besteht, wobei im Rückkopplungszweig des Operationsverstärkers ein Leistungstransistor (44) in Kollektorschaltung geschaltet ist dessen Basis-Emitter-Strecke im durchgeschalteten Zustand Teil des Rückkopplungszweiges ist