DE2216281B2

DE2216281B2 - Verfahren und Anordnung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2216281B2
Application number: DE2216281A
Authority: DE
Inventors: Antonius Cornelis Maria Gieles; Gerardus Henricus Johannus Somers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-04-21
Filing date: 1972-04-05
Publication date: 1979-06-07
Also published as: FR2133973B1; NL7105351A; JPS5844374B1; DE2216281C3; AU4127772A; FR2133973A1; GB1330618A; BE782339A; AU469636B2; DE2216281A1; CA958561A; US3798967A; NL165926B; IT983152B; NL165926C

Description

bO

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer durch einen Kanal strömenden Flüssigkeit, insbesondere von durch ein Blutgefäß strömendes Blut, wobei die Flüssigkeit örtlich erwärmt und die hierdurch verursachte Temperaturerhöhung der Flüssigkeit gemessen wird, und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt (siehe beispielsweise S. Katsura u. a., IRE Transactions on Medical Electronics, Dezember 1959, S. 283-285), die Flüssigkeit örtlich dadurch zu erwärmen, daß ein Widerstand in die Flüssigkeit eingeführt und durch einen elektrischen Strom erhitzt wird.

Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß sowohl die Wärmezufuhr als auch die Temperaturmessung auf elektrische Weise ausgeführt werden können, wodurch die erforderliche Apparatur verhältnismäßig einfach sein kana Außerdem brauchen der Flüssigkeit zur Messung keire HUMüssigkeiten beigegeben zu werden, wodurch die Flüssigkeit verunreinigt werden könnte.

Das bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß manche Flüssigkeiten durch Berührung mit der heißen Widerstandsoberfläche nachteilig beeinflußt werden können. Blut neigt beispielsweise unter derartigen Umständen zum Gerinnen.

Die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zu schaffen, das diesen Nachteil unter Erhaltung der erwähnten Vorteile beseitigt Dieses Ziel wird entsprechend der Erfindung dadurch erreicht, daß die Erwärmung der Flüssigkeit durch die örtliche Zufuhr von von einem HochfrequenzgenerrUor herrührender Energie zur Flüssigkeit erreicht wird, die in der Flüssigkeit selbst in Wärme umgesetzt wird. Die Energie kann beispielsweise in Form von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von einigen GHz zugeführt werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Energie über einen Kondensator zuzuführen, dessen zu erwärmende Flüssigkeit das Dielektrikum bildet.

Die Erfindung bezweckt ferner, eine Anordnung zur Durchführung des erwähnten Verfahrens zu schaffen. Hierzu wird von einer Anordnung mit in den Flüssigkeitsstrom einzuführenden temperaturempfindlichen Widerständen, deren beide Anschlußdrähte mit einer Schaltung zum Messen von Widerstanden in Verbindung stehen, ausgegangen, die erfindungsgemäß mit einem in die Flüssigkeit einzuführenden, mit einem Hochfrequenzgenerator verbundenen Element zur Übertragung von Hochfrequenzenergie versehen ist. Dieses Element kann als ein elektromagnetischer Strahler ausgeführt sein, der vorzugsweise die Form eines Stäbchens aufweist, dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die elektromagnetische Strahlung der verwendeten Frequenz in der Flüssigkeit hat. Für eine elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 2,5 GHz beträgt die Wellenlänge im Blut 16 mm, so daß sich ein Stäbchen mit einer Länge von 8 mm eignet. Ein Stäbchen derartiger Abmessungen kann leicht in ein Blutgefäß eingeführt werden.

Das Element kann auch ein Kondensator mit der zu erwärmenden Flüssigkeit als Dielektrikum sein. Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Flüssigkeitskanal, in dem die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit gemessen wird.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält einen Generator 1 zur Erzeugung von Energie in Form von elektromagnetischen Schwingungen mit einer Frequenz von einigen GHz. Über ein Koaxialkabel 3 wird diese Energie einem stabförmigen Strahler5 zugeführt,

dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die Strahlung der verwendeten Frequenz in der zu untersuchenden Flüssigkeit hat. Der Strahler 5 ist zusammen mit einigen anderen Einzelteilen zu einem Meßkopf 7 zusammengesetzt, der in einen Flüssigkeitskanal eingeführt werden kann. Zu diesen Einzelteilen gehören zwei temperaturempfindüche Widerstände 9 und 11. Der Strahler 5 strahlt Energie aus, die in der Flüssigkeit in Wärme umgesetzt wird. Es sei angenommen, daß der temperaturempfindliche Widerstand 9 in bezug auf den Strahler 5 stromabwärts liegt Dann wird die entlang diesem Widerstand strömende Flüssigkeit wärmer, wodurch auch der Widerstand wärmer wird und sich der Widerstandewert ändert. Um den Einfluß von nicht durch die Ausstrahlung des Strahlers 5 verursachten Temperaturänderungen in der Flüssigkeit auszugleichen, ist stromaufwärts vom Strahler der tempersturempfindliche Widerstand 11 vorgesehen. Der Temperaturunterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 ist bei einer bestimmten, durch den Strahler 5 ausgestrahlten Leistung von der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit abhängig. Wtf erstar.dsänderungen des Widerstands 9 in bezug auf den Widerstand 11 können dadurch gemessen werden, ciaß beide Widerstände mit einer an sich bekannten Schaltung 13 zum Messen von Widerständen, beispielsweise einer Wheatstone-Brücke, verbunden sind. Der Widerstand 11 ist hierzu unmittelbar über einen Leiter 15 mit der Brücke 13 verbunden, während der Widerstand 9 über eine erste Trenndrosselspule 17 mit dem Strahler S und jo mithin mit dem Innenkiter des Koaxialkabels 3 verbunden ist, welcher Innenleiter wieder über eine zweite Trenndrosselspule 19 mit der Brücke 13 in Verbindung steht. Die Widerstände 9 und 11 sind ferner miteinander verbunden, da „i geerdet sind. r>

Die Trenndrosselspulen 17 und 19 verhindern, daß die durch dsn Generator 1 erzeugten Hochfrequenzströme den Widerstand 9 und die Brücke 13 erreichen. Hierdurch ist es möglich, den Innenleiter des Koaxialkabels sowohl für diese Hochfrequenzströme als auch fur die in der Brücke 13 angewendeten Ströme zu verwenden. Die Brücke 13 wird mit Gleichstrom oder mit Wechselstrom niedriger Frequenz (beispielsweise einigen kHz) gespeist

Die vom Unterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 abhängige Ausgangsspannung der Brücke 13 wird über einen Verstärker 21 zur Regelung der durch den Generator 1 abgegebenen Leistung verwendet. Diese Regelung ist an sich bekannt, und sie wird hier deshalb nicht näher ausgeführt. Vorzugsweise wird die >o vom Generator 1 abgegebene Leistung so geregelt, daß der Temperaturunterschied zwischen den Widerständen 9 und 11 konstant bleibt. Die Leistung, die der Generator abgeben muß, um diese Temperatur konstant zu halten, ist dann proportional der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit. Der eingestellte Temperaturunterschied /längt selbstverständlich von der Art der Flüssigkeit ab. Zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit von Blut hat sich ein Temperatu,-unterschied von 0,1⁰C bewährt

Fig. 2 zeigt den mechanischen Aufbau des Meßkopfs 7. Das Koaxialkabel 3 ist in eine Röhre 23, beispielsweise ein Blutgefäß, eingeführt, das von Flüssigkeit in Richtung des Pfeils 25 durchflossen wird. Der Strahler 5 kann ein an den Innenleiter des Koaxialkabels 3 gelötetes Stäbchen oder ein Teil dieses Innenleiters sein, von dem der Mantel entfernt ist Der Strahler 5 ist von einer Manschette 27 als Übergang zwischen dem Strahler und der Flüssigkeit umgeben. Vorzugsweise hängt die Dielektrizitätskonstante c_m des Materials der Manschette 27 folgendermaßen mit den Dielektrizitätskonstanten c, der Luft und ε_ν der Flüssigkeit zusammen:

Für Blut ist ε_ν = 64, während C₁ = 1 ist, so daß vorzugsweise e„ = 8 ist Eine gute Annäherung hieran ist die Dielektrizitätskonstante von Polytetrafluorethylen, die 7,7 beträgt

Zur Verhinderung von Stehwellen entlang der Außenoberfläche des Mantels des Koaxialkabels 3 ist eine Motallabschirmung 29 vorgesehen, die über den Mantel geerdet ist und die den Übergang vom Koaxialkabel zum Strahler 5 umgibt

Der Strahler 5 wird etwa in der Mitte der Röhre 23 gehalten durch Verwendung eines aus elastischen
Rippen 31 bestehenden Käfigs. Über diesen (Metall-) Käfig ist auch der Widerstand 9 mit dem Mantel des Koaxialkabels 3 verbunden. Die Rippen 31 schirmen zugleich die Wirkung des Hochfrequenzfeldes nach außen ab.

Etwa der gleiche Meßkopf wie oben für die Zufuhr der Energie in Form von Strahlung beschrieben, kann für die Energiezufuhr über das elektrische Feld eines Kondensators verwendet werden. Die beiden Elektroden des Kondensators werden in dem Fall durch das Stäbchen 5 und die Rippen 31 gebildet Die Abmessung des Stäbchens 5 kann in diesem Fall von der verwendeten Frequenz unabhängig sein. Auch kann eine niedrigere Frequenz genügen, beispielsweise einige hundert MHz, wodurch die Möglichkeit von Stehwellen entlang der Manteloberfläche verringert wird, so daß die Abschirmung 29 entfallen kann. Auch die Manschette 27 ist fur den Kondensator überflüssig. Die Form der Kondensatorelektroden ist nicht kritisch, und sie kann daher ohne Nachteile von der hier beschriebenen abweichen, fads dies erwünscht ist. In der allgemeinsten Form besteht der Kondensator einfach aus zwei Leitern, zwischen denen sich Flüssigkeit befindet, VLW ,/eichen Leitern einer mit dem Innenleiter des Koaxialkabels 3 und der zweite mit dem Mante¹ des Koaxialkabels verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer durch einen Kanal strömenden Flüssigkeit, insbesondere von durch ein Blutgefäß strömendem Blut, wobei die Flüssigkeit örtlich erwärmt und die hierdurch verursachte Temperaturerhöhung der Flüssigkeit gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der Flüssigkeit durch die örtliche Zufuhr von einem Hochfrequenzgenerator herrührender Energie zur Flüssigkeit erreicht wird, die in der Flüssigkeit selbst in Wärme umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Flüssigkeit in Form von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von einigen GHz zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie über einen Kondensator zugeführt\wrd, dessen Dielektrikum von der zu erwärmenden Flüssigkeit gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, da die Energiezufuhr zur Flüssigkeit so geregelt wird, daß die Temperaturerhöhung der Flüssigkeit konstant auf einem festgestellten Wert bleibt

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit in den Flüssigkeitsstrom einzuführenden temperaturempfindliehen Widerständen, deren beide Anschlußdrähte mit einer Schaltung zum Messen von Widerständen in Verbindung stehen, zladurc* .gekennzeichnet, daß die Anordnung mit eine*n in den Flüssigkeitsstrom einzuführenden, mit einem K shfrequenzgenerator (1) verbundenen Element zur Übertragung der Hochfrequenzenergie versehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein elektromagnetischer Strahler (5) ist

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (5) die Form eines Stäbchens aufweist, dessen Länge gleich der Hälfte der Wellenlänge ist, die die elektromagnetische Strahlung der angewendeten Frequenz in der Flüssigkeit hat.

8. Anordnung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Kondensator mit der zu erwärmenden Flüssigkeit als Dielektrikum ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Anschlußdrähte zwischen einem temperaturempfindlichen Widerstand (9) und der Meßschaltung (13) über das Element und einer mit diesem Element verbundenen Hochfrequenz-Zufuhrungsleitung verläuft, und « daß zwischen dem Element einerseits und dem Widerstand bzw. der Meßschaltung andererseits Trenndrosselspulen (17 bzw. 19) angeordnet sind.