DE2500094A1

DE2500094A1 - Geraet zur elektrischen messung von urinstroemungsmengen

Info

Publication number: DE2500094A1
Application number: DE19752500094
Authority: DE
Inventors: Helmut Wurster
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1975-01-03
Filing date: 1975-01-03
Publication date: 1976-07-08
Also published as: GB1527671A; FR2296839A1; DE2500094B2; DE2500094C3; US4051431A; FR2296839B1

Description

Dipl.-lng. Thomas Wikdmi DipL-Chem. Dr. Wolfgang Lauft* -

Richard Wolf GmbH, 7134 Knittlingen, Pforzheimer Str. 22 Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmungsmengen.

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmungsmengen F (t) unter Verwendung eines Meßgefäßes, dessen jeweiliges Füllvolumen V als Funktion V (t) der Zeit t ermittelt wird, um durch Differentiation dieser Funktion nach der Zeit die Urinströmungsmengen F (t) - dV/dt zu erhalten.

Meßgeräte zur Bestimmung von Urinströmungsmengen bzw. Urinflußraten gibt es bereits in vielfacher Art. Sie können mechanisch arbeiten, indem gravimetrische Urinvolumenbestimmungen mit mechanischen Meßaufnehmern durchgeführt werden. Elektrische Meßverfahren arbeiten im Gegensatz hierzu unter anderem mit elektromagnetischen _ Durchflußmessern oder mit einem auf dem Urinspiegel im Meßgefäß liegenden Schwimmer, der einen Dauermagneten trägt und diesen in einer äußeren Spule einen von der Änderung der Gefäßfüllung abhängigen Strom induzieren läßt, der als Maß für die Strömungsrate ausgewertet wird.

Es ist auch bereits bekannt, die elektrolytische Leitfähigkeit des Urins auszunutzen, indem diese zwei in einem Meßgefäß angeordnete Widerstände beeinflußt. Dabei wird durch die Meßflüssigkeit ein aktiver und nicht isolierter Widerstand gegenüber einer äußeren

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Elektrode teilweise überbrückt bzw. kurzgeschlossen, so daß sich je nach Höhe des Flüssigkeitsspiegels ein effektiver Meßwiderstand ergibt, der ein Maß für den jeweiligen Füllstand darstellt. Der andere Widerstand ist übrigens isoliert und dient zur Temperaturkompensation.

Die mechanischen Meßgeräte sind im Aufbau sowie in der Handhabung häufig recht aufwendig und kompliziert. Der Nachteil der meisten auf elektrischem Wege arbeitenden Geräte ist u.a. darin zu sehen, daß sie nur schwer zu reinigen sind. Somit ergeben sich zwangsweise auch Fehlerquellen. Diese beruhen schließlich auch noch darauf, daß es trotz sorgfältiger Reinigung beispielsweise oft vorkommt, daß Harnkristalle Widerstandswindungen der elektrischen Widerstände überbrücken und somit Meßfehler hervorrufen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß in der Schaffung eines Gerätes zur Messung von Urinströmungsraten, das eine sichere Funktionsweise sowie genaue Messungen gewährleistet und einfach sowie billig im Aufbau und in der Herstellung ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs erwähnte Meßgerät nach der Erfindung so ausgebildet, daß wenigstens ein vom Urinstand im Gefäß beeinflußter elektrischer Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität C (t) vom zeitabhängigen Füllstand des als elektrischer Leiter und als Dielektrikum wirkenden Urins beeinflußt wird und bei entsprechender Eichung des Gerätes als Maß für die elek-

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trisch zu differenzierende Füllvolumenfunktion V (t) herangezogen

Der Kondensator wird zweckmäßigerweise als koaxialer Zylinderkondensator ausgebildet, dessen innere Elektrode, mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist, wobei der zwischen beiden Elektroden gebildete Ringraum mit dem Meßgefäßfüllraum kommuniziert.

Die im erwähnten Ringraum beim Meßvorgang ansteigende Füllflüssigkeit beeinflußt den Wert des Meßkondensators. Die zeitabhängige Änderung der Kapazität stellt ein Maß für die Volumenfunktion V (t) dar, die schließlich zur Ermittlung des gesuchten Wertes F (t) elektrisch differenziert wird.

In der anliegenden Zeichnung sind Ausführungebeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltung zur Messung und Anzeige von Urinströmungsraten,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform für eine Meßschaltung,

Fig. 3 schematisch die teilweise geschnittene Seitenansicht eines Meßgerätes und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil des Maßgefäßes und des Meßkondensators« und zwar im Bereich des in Fig. 3 strichpunktiert angedeuteten Kreisfeldes.

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Die zu ermittelnde Strömungsrate F (t) wird durch Differentiation des jeweiligen Füllvolumens V nach der Zeit t in Form von dV/dt erhalten. Da bei der kapazitiven Messung nach der Erfindung die Kondensatorkapazität C dem Füllvolumen V proportional ist, ist also auch C (t) ein Maß für F (t). Die zeitliche und füllstandsabhängige Änderung der Kapazität C (t) kann man dadurch ermitteln, daß eine elektrische Größe durch die Kapazitätsänderung beeinflußt und ausgewertet wird. Andererseits kann durch die Kapazitätsänderungen auch ein elektrisches Zeitglied beeinflußt werden, an dessen Ausgang Werte C (t) und damit F (t) entsprechende Werte abgenommen werden können. Zwei praktische Beispiele für diese Meßmethoden zeigen die Figuren 1 und 2.

Nach Fig. 1 wird der Meßkondensator 1 von einem Oszillator 2 mit konstanter Wechselspannung gespeist. Der durch den Meßkondensator fließende Strom stellt dann ein meßbares elektrisches Signal dar, das der Volumenfunktion V (t) proportional entspricht. Je größer C ist, desto kleiner ist der kapazitive Widerstand und desto größer ist der fließende Strom. Mittels des Übertragers 3 wird das Signal auf die Sekundärseite des Meßkreises übertragen und dem Verstärker 4 zugeführt.

Die über den Kondensator 5 kommende und am Widerstand 6 stehende Wechselspannung wird durch den Gleichrichter 7 gleichgerichtet,

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so daß am Meßinstrument 8 eine elektrische Größe angezeigt wird, die der Volumenfunktion V (t) entspricht, wobei vorausgesetzt wird, daß mit Hilfe des regelbaren Eichwiderstandes 9 vorab eine Eichung des Meßinstrumentes unter Einschluß der Meßschaltung durchgeführt wurde, derart, daß ein bestimmtes FüLlvolumen im Meßgefäß jeweils einem bestimmten elektrischen Wert am Meßinstrument 8 zugeordnet wird. Die hierzu erforderlichen Maßnahmen sind geläufig und brauchen deshalb nicht näher erläutert zu werden.

Um von V (t) auf F (t) zu kommen, wird nur noch das V (t)-Signal in einem Differenzierkreis 1o differenziert, wobei dann am Meßinstrument 11 die zu ermittelnde Urinströmungsrate F (t) abgelesen werden kann. Dem Differenzierkreis wird ein Schreiber 12 angeschlossen, um eine fortlaufende grafische Aufzeichnung der Strömungsraten über die Meßzeit zwecks späterer Auswertung zu bekommen.

Die Meßschaltung gemäß Figur 2 arbeitet mit einem Taktgeber in Form eines Impulsgenerators 13, der mit Impulsen 13a von konstanter Frequenz eine monostabile Kippstufe 14 als Zeitglied ansteuert. Im Zeitkreis dieser Kippstufe liegt der Meßkondensator 15, so daß die Breite der Ausgangsimpulse dieser Stufe in Abhängigkeit von der jeweiligen Kapazität beeinflußt wird. In diesem Falle werden z.B. die Impulse 14a mit steigender Kapazität länger, wobei allerdings die Pulsfolge konstant und mit den Ausgangssignalen des Generators 13 synchronisiert bleibt.

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Die pulsdauerraodulierten Ausgangssignale 14a werden einem Sägezahngenerator 16 zugeführt, der diese Impulse in bekannter Weise in pulsamplitudenmodulierte Signale 16a umwandelt. Diese werden in der Stufe 17 gleichgerichtet und geglättet, und zwar mit Hilfe des Gleichrichters 18 und des Kondensators 19, so daß auch hier wieder eine der Volumenfunktion V (t) proportionale Gleichspannung an einem Meßgerät 2o abgelesen werden kann.

Die Funktion der Urinstrommenge F (t) erhält man durch elektrische Differentiation im Differenzierkreis 21, so daß F (t) dann am Meßinstrument 22 erscheint. Schließlich wird die gesuchte Größe F (t) kontinuierlich mittels des Schreibers 23 aufgezeichnet.

Auch in diesem Falle wird übrigens eine entsprechende Eichung erforderlich sein, indem man bestimmte Füllvolumina bestimmten Anzeigewerten zuordnet.

Die Figur 3 zeigt das Bauprinzip des gesamten Gerätes. Es besteht aus einem Meßgefäß 24, dem der Urin über den Trichter 25 zugeleitet wird. Der Meßkondensator 26 ist als koaxialer Zylinderkondensator_ ausgebildet und steht nach Art einer Meßsonde im Behälter 24, und zwar aus Platzgründen exzentrisch bzw. seitlich zur Mittelachse des Meßgefäßes.

Die äußere Elektrode des Meßkondensators wird durch den Metallzylinder 27 gebildet, während die innere Elektrode durch den metallischen Zylinder 28 dargestellt wird, der mit einer aus Isolier-

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material, wie etwa Polytetrafluoräthylen, bestehenden Beschichtung 29 gegenüber der äußeren Elektrode 27 und auch gegenüber dem im Meßgefäß 24 befindlichen Urin 3o vollständig isoliert ist. Somit ist eine unmittelbare überbrückung der Kondensatorzylinder durch die Meßflüssigkeit ausgeschlossen.

Der zwischen beiden Zylindern 27 und 28 befindliche Ringraum 31 kommuniziert über untere öffnungen 32 im Zylinder 27 mit dem übrigen Füllraum des Meßgefäßes, so daß der Füllstand im Ringraum stets dem im Meßgefäß entsprechen wird. Im übrigen hat der Zylinder 27 am oberen Endbereich öffnungen 33, über die im Ringraum befindliche Luft beim Ansteigen der Flüssigkeit abströmen kann, um so einen ungehinderten Zustrom in den erwähnten Ringraum zu ermöglichen .

Der rohrförmige äußere Zylinder des Meßgefäßes 24, zweckmäßigerweise eine Mensur, steht auf einem vorzugsweise von ihm lösbaren Fuß 34, während die obere Gefäßöffnung mit einem Stopfen bzw. Verschluß 35 abgeschlossen ist, durch den das untere Trichterausflußrohr und der Zylinderkondensator geführt sind. Auf dem oberen Ende des Zylinderkondensators sitzt in einem Gehäuse 36 ein Teil der Meßschaltungen nach den Figuren 1 oder 2. Dieser Schaltungsteil ist über die Leitung 37 mit dem extern gelegenen Differenzierkreis 38 und dem Schreiber 39 verbunden, wobei diese Teile ebenfalls gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht und an einem geeigneten Ort aufgestellt werden können.

Wenn kein Urin als Meßfüllung im Meßgefäß ist, befinden sich zwi-

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sehen den Zylinderelektroden 27 und 28 Luft und die Beschichtung ~~ 29 als Dielektrikum. Dieser Zustand wird bei der Eichung des Gerätes als Nullstellung mit V (t) = O und F (t) = O bewertet. Sobald von dem zu untersuchenden Patienten Urin über den Trichter in das Meßgefäß 24 gelangt, wird der Ringraum 31 der Volumenfunktion V (t) entsprechend mit Urin aufgefüllt, wobei der Flüssigkeitsspiegel 3oa ansteigt. Hierdurch bedingt wird auch die Kapazität des Meßkondensators 26 größer, weil die zwischen seinen Elektroden aufsteigende Flüssigkeit eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten bewirkt.

Diesem Vorgang überlagert sich im Sinne einer Kapazitätserhöhung ein weiterer Effekt, der dadurch gegeben ist, daß Urin eine elektrisch leitende Flüssigkeit ist. Also wird man davon ausgehen können, daß die wirksamen Elektrodenflächen im Bereich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 3oa durch die im Ringraum 31 befindliche Flüssigkeit quasi näher aneinander gerückt werden, da im Prinzip die innere Fläche der Außenelektrode 27 über die leitende Flüssigkeit an den Außenumfang der Beschichtung 29 verlegt wird und da somit der Elektrodenabstand im erwähnten Bereich geringer wird mit der Folge einer höheren Kapazität. Es ist klar, daß diese Überlegungen im wesentlichen nur für den Fall unmittelbar und ideal zutreffen werden, daß die Urinflüssigkeit die gleiche Leitfähigkeit hat wie die Elektrode 27. Auf jeden Fall bedingt aber die steigende Flüssigkeitssäule zwischen den Kondensatorelektroden sowohl eine Kapazitätsänderung durch die starke Änderung der Dielektrizitätskonstanten

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als auch durch ihre reine Leitfähigkeit, die im Grunde genommen zu einer Änderung der Kondensatorgeometrie führt.

Die durch das Eintreten von Urin in das Meßgefäß gegebene Kapazitätsänderung des Meßkondensators wird zur Bestimmung von F (t)

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ausgewertet, und zwar beispielsweise mit den Schaltungen nach den Figuren 1 und 2.

Zur Reinigung des Gerätes kann beispielsweise zunächst das Meßgehäuse 36 vom oberen Kondensatorende abgenommen werden. Außerdem kann das Ausflußrohr des Trichters 25 aus dem Verschluß 35 gezogen werden, bevor dieser selbst entfernt wird. Der Kondensator kann dann insgesamt aus dem Verschluß 35 herausgenommen werden. Die Innenelektrode 28 läßt sich ebenfalls aus der Außenelektrode"27 herausziehen. Die Reinigung kann dann mit bekannten Mitteln auf übliche Weise erfolgen. Der Meßzylinder wird dann nach Abnahme des Verschlusses 35 ausgeschüttet und ebenfalls auf einfache Weise gereinigt. Da alle diese Teile glatte und ebene Flächen haben, wird die Reinigung vollkommen und vor allem einfach sein. Um den Kondensator beim Vorbereiten eines neuen Meßvorgangs genau an einer bestimmten Stelle im Meßgefäß fixieren zu können, wird zweckmäßigerweise im Fuß 34 eine nach oben und zum Meßgefäßinnenraum hin gerichtete Ausnehmung vorgesehen, in die das untere Ende der Elektroden 27 und 28 gesteckt und festgelegt wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß neben den beschriebe-

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-Ionen elektrischen Meßverfahren natürlich auch andere Meßprinzipien in Betracht kommen können. Hierbei wird es sich teilweise um Verfahren handeln, die auf elektrischem Wege Kapazitätsänderungen
als proportionale Größe zur Volumenfunktion ermitteln.

Im übrigen ist das beschriebene Gerät auch nicht an die koaxiale Zylinderform für den Meßkondensator gebunden. Obwohl die dargestellte Ausführungsform für den Kondensator aus praktischen Erwägungen als optimal anzusehen ist, können beispielsweise auch Plattenkondensatoren zur Anwendung gelangen, bei denen eine Elektrodenplatte mit der erwähnten isolierenden Beschichtung versehen ist. Diese
Beschichtung müßte dann allerdings so geschaltet sein, daß sie
die eine Elektrode gegenüber der Meßflüssigkeit und auch gegenüber der anderen Elektrode vollständig isoliert.

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Claims

Dipl.-Chem. Dr. Wolfgang Läufer

UbMk, Breite Straße 62-54 · I* ·

3 1. Dez. 1974

Anmelder:

Richard Wolf GmbH, 7134 Knittlingen, Pforzheimer Str. 22

Ansprüche

f 1.} Gerät zur elektrischen Messung von Urinströmungsmengen F (t) unter Verwendung eines Meßgefäßes, dessen jeweiliges Füllvolumen V als Funktion V (t) der Zeit t ermittel wird, um durch Differentiation dieser Funktion nach der Zeit die Urinströmungsmenge F (t) = dV/dt zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein vom Urinstand im Gefäß beeinflußter elektrischer Kondensator vorgesehen ist, dessen Kapazität C (t) vom zeitabhängigen Füllstand des als Dielektrikum und als elektrischer Leiter wirkenden Urins beeinflußt wird und bei entsprechender Eichung des Geräts als Maß für die elektrisch zu differenzierende Füllvolumenfunktion herangezogen wird.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator über einen Oszillator mit Konstantspannung gespeist wird und daß der durch den Kondensator fließende, die Volumenfunktion V (t) beinhaltende Strom elektrisch differenziert wird.
3. Gerät nach den Ansprüchen 1 uns 2, dadurch gekennzeichnet, daß das am Kondensator mittels eines Übertragers abzunehmende Wechselstromsignal über einen Verstärker geleitet und anschlie-

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ßend gleichgerichtet wird und daß das gleichgerichtete Signal einem Differenzierkreis mit angeschlossenem Strömungsanzeiger und/oder -schreiber zugeleitet wird.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsänderungen ein durch Steuerimpulse angesteuertes Zeitglied beeinflussen, dessen Ausgangsimpulse als Maß für die elektrisch zu differenzierende Volumenfunktion V (t) herangezogen werden.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß.ein Impulsgenerator mit konstanter Impulsfrequenz eine monostabile Kippstufe als Zeitglied ansteuert, daß die am Ausgang des Zeitgliedes abzunehmenden und in Abhängigkeit von Kapazitätsähderungen pulsdauermodulierten Signale über einen Sägezahngenerator in amplitudenmodulierte Signale umgewandelt werden und daß die amplitudenmodulierten Signale zur Bildung einer V (t) entsprechenden Gleichspannung U (t) gleichgerichtet und elektrisch differenziert werden.
6. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode des Kondensators durch eine Beschichtung aus Isoliermaterial gegenüber dem Urin als Füllflüssigkeit und gegenüber der anderen Elektrode isoliert ist.

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7. Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator als koaxialer Zylinderkondensator ausgebildet ist, dessen innere Elektrode nach außen hin mit der isolierenden Beschichtung versehen ist, und daß der zwischen beiden Elektroden gebildete Ringraum mit dem Meegef&ßfüllraum kommuniziert.

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