CN102576217B - 用于向电动设备供应的供应单元和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过连接器元件(22、24、26、28)向电动设备(12)供应电力和/或电信号的供应单元(10)，该连接器元件(22、24、26、28)用于可释放地接触电动设备(12)的专用连接器装置(30、32)。根据本发明，供应单元(10)包括用于测量参数的测量设备(34)，所述参数适合用于：利用所述参数来确定在供应单元(10)的连接器元件(22、24、26、28)中的一个元件(22)和另一个元件(24)之间电气互连的外部电容的存在。本发明还涉及一种对应的电动设备(12)、一种包括供应单元(10)和电动设备(12)的电气系统(20)以及一种用于向电动设备(12)供应电力和/或电信号的方法。

Description

用于向电动设备供应的供应单元和方法

技术领域

本发明涉及一种通过连接器元件向电动设备供应电力和/或电信号的供应单元和方法，所述连接器元件用于可释放地接触所述电动设备的专用连接器装置，并且本发明还涉及一种相应的电动设备以及一种包括电动设备和供应单元的电气系统。

背景技术

电气系统例如是医疗患者监测系统，所述系统包括电动设备，该电动设备例如是电池供电的便携生理监测设备。供应单元用于通过连接器元件向电动设备供应电力和/或电信号，所述连接器元件用于可释放地接触所述电动设备的专用连接器装置，所述供应单元例如是用于对该监测设备的电池进行再充电的充电站。

生理监测设备是用于对人体的多于一个的生理参数进行测量并且可视化的设备。这些监测设备通常由用于测量各种生理信号的多个传感器元件构成。在大多数情况下，传感器是可拆卸的并且具有用于电力传输和信号传输的连接器装置，该连接器装置还用于通信和识别的目的。

在医疗环境中，清洁和杀菌是越来越重要的必要要求。法定要求限定了患者监测系统的患者漏电流和辅助电流。存在许多机械构造来满足对于患者安全所需要的要求，以防止与作为导电连接器(母)和/或连接器针(公)的连接器装置和/或连接器元件的意外接触。由于它们的设计的固有的孔、腔、拼接、通气孔等等，基于公连接器和母连接器的原理的连接器装置往往难以清洁和杀菌。

因而，例如当用于被施加部分的连接器元件不在使用中时，在患者或旁观者可能触摸诸如连接器元件和/或连接器装置之类的可导电触头时，不允许不断地向这些可导电触头施加功率。通常，通过使用连接器元件和/或连接器装置来解决该要求，该连接器元件和/或连接器装置通过适当的机械构造来确保免受意外接触的保护。所谓的“试验指”被用于该保护功效的验证。

在医疗环境中，基于机械构造原理的保护措施往往具有一个主要缺点：它们固有地不符合杀菌、清洁和防止液体进入方面的需求。杀菌容易并且高效的医疗设备一般具有平滑的表面，而没有任何的孔、腔、拼接、通气孔等。存在用于完全无接触的电力传输和通信的装置，这些装置允许完全密封的外壳，但是这些方法在一定条件下具有缺点。这些缺点使电触头成为必需，尤其对于具有高功耗的被施加部分。

随着对无线医疗传感器的不断增长的需求，需要下面这样的连接器：(a)防水的外壳构造；(b)不具有孔和腔的平滑外壳表面；(c)低插入力；(d)相对高的电池充电电流的传输；以及(e)电磁场的零发射。

EP1594024A1描述了一种包含通过控制单元来控制开关元件的方法，所述控制单元用于在测试周期期间切换数字输出以在输出点输出测试信号，并且经由输出电路的输入端读取在控制单元的输出端的返回信号，以用于通过与期望的值进行比较来进行评估。只要所读取的返回信号与期望的值一致，则中断所述测试信号的输出并且输出有用信号。

US6194869B1描述了一种用于外部电池组的电池保护电路，所述电池保护电路包括用于控制电池输出与负载的连接的开关、以及用于检测在负载输出端子的电阻的检测器。第一比较器将所检测的电阻与预先确定的最大值进行比较，并且第二比较器将所检测的电阻与预先确定的最小值进行比较。如果所检测的电阻处于该最小值和该最大值之间的范围内，则产生控制信号来使能电池输出与负载的连接。如果所检测的电阻在该范围之外，则该开关被禁止并且没有电流可以流向负载。

DE102005046569A1描述了一种具有切换设备的设备，其中基于该设备的切换状态来经由电路的传导路径将电信号传导到信号检测器单元。基于对该电信号的检测，中断或闭合在电源与用户负载之间延伸的主线路。

US2009/0128165A1描述了一种用于测量电容器的电容的测量装置，该测量装置包括微处理器、耦合到该电容器的控制电路以及模数(A/D)转换电路。控制电路接收来自微处理器的控制信号，并且输出电容器的模拟电压信号，并且控制电路根据该控制信号对电容器进行充放电。A/D转换电路接收来自控制电路的模拟电压信号，并且输出数字电压信号。微处理器接收来自A/D转换电路的数字电压信号，并且根据该数字电压信号以及充放电时间来计算电容器的电容。

发明内容

本发明的目的是提供一种供应单元、一种电动设备、一种电气系统以及一种用于通过连接器元件向电动设备供应电力和/或电信号的方法。

本发明的目的由权利要求1、7、11和13中的特征来实现。

供应单元包括用于测量参数的测量设备，该参数适合用于：利用所述参数来确定在供应单元的多个连接器元件中的一个元件与另一个元件之间电气互连的外部电容的存在。该外部电容优选是电动设备的预先确定的特征电容(characteristic capacitance)。

对于连接器元件和对应的连接器装置的如此布置，要求至少一个连接器元件来检测剩余的连接器元件是否被覆盖并且是否被保护以免受被施加部分的意外接触。

向电动设备的电力和/或电信号的供应是依据参数的供应，该参数适合用于确定在多个连接器元件中的一个连接器元件与另一个连接器元件之间电气互连的外部电容的存在。

利用根据本发明的供应单元，可以通过电动设备的特征电容来确定电动设备的特定类型和/或单个电动设备，该特征电容是所述类型和/或所述单个电动设备的特性。

不同类型的电动设备和/或单个电动设备本身具有位于不同的单个电容范围内的特征电容，例如，在从100nF到700nF的具有7个单个电容范围的总电容范围内，每个单个电容范围具有100nF的宽度。例如，在第一单个电容范围(例如从100nF到200nF)内的每个被测量的电容将被分配给电动设备的类型和/或单个电动设备。

根据本发明的第一实施例，该参数是时间相关电流和/或时间相关电压和/或基于所述时间相关电流和/或时间相关电压的时间常数。所测量的参数尤其是对脉冲生成设备生成的脉冲进行响应的参数。该脉冲优选是矩形脉冲。在该参数是应答参数(reply parameter)的情况下，该应答参数是应答电压和/或应答电流。

根据本发明的另一实施例，供应单元还包括脉冲生成设备和控制器单元，该控制器单元用于控制脉冲生成设备和测量设备。该参数是可测量的应答参数，该应答参数作为对发送到连接器元件的脉冲的应答。

根据本发明的另一实施例，供应单元还包括识别设备，该识别设备用于通过分析所测量的参数来识别供应单元与电动设备的电连接。

根据本发明的又一实施例，供应单元包括保护设备，该保护设备用于电隔离多个连接器元件中的至少一个和/或将多个连接器元件中的至少一个与地短路。在连接器元件未被覆盖的情况下，保护设备确保了具有潜在危险电压的所有连接器元件是零电势或者悬浮的。

优选地，供应单元是用于对作为电池供电的设备的电动设备的电池进行再充电的充电站。

本发明还涉及一种用于与上述供应单元协作的电动设备。该电动设备包括连接器装置，其中所述电动设备具有能够在两个连接器装置之间测量的特征电容，所述两个连接器装置被专用于该供应单元的一个连接器元件和另一个连接器元件。

在本发明的优选实施例中，该电动设备是生理监测设备。在医疗环境中，清洁和杀菌是越来越重要的必要要求。法定要求限定了患者监测系统的患者漏电流和辅助电流。

根据本发明的另一实施例，电动设备是电池供电的设备。

本发明还涉及一种电气系统，该电气系统包括上述供应单元和上述电动设备。根据本发明的优选实施例，该电气系统是医疗环境。

本发明还涉及一种通过连接器元件向电动设备供应电力和/或电信号的方法，所述连接器元件用于可释放地接触所述电动设备的专用连接器装置。依据对参数的测量来向电动设备供应，该参数适合用于确定在多个连接器元件中的一个连接器元件与另一个连接器元件之间电气互连的外部电容的存在。

根据本发明的优选实施例，该参数是时间相关电流和/或时间相关电压和/或基于所述时间相关电流和/或时间相关电压的时间常数。

该连接器元件尤其是用于向电动设备供应电力和/或电信号的供应单元的连接器元件。

上述部件以及所要求保护的部件和在所描述的实施例中根据本发明所要使用的部件并不受制于与它们的尺寸、形状、材料选择和技术概念相关的任何特定例外，从而可以不受限制地应用在相关领域中已知的选择准则。

在从属权利要求、附图和对相应的附图及示例(其以示例的方式示出了根据本发明的一个实施例)的以下描述中公开了本发明的目的的附加细节、特征、特性及优点。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的优选实施例的用于向电动设备供应的供应单元的测量设备的电路图；

图2示出了电压矩形脉冲和作为响应的电容器电压与时间的图；以及

图3示出了对应的电流矩形脉冲和作为响应的电容器电流与时间的图。

具体实施方式

图1在左侧示出了用于向电动设备12供应电力和/或电信号的供应单元10，并且在右侧示出了可能与该供应单元相互作用的三个不同的项：相关联的电动设备12，其具有可在两个连接器装置之间测量的预先确定的特征电容(被表示为电容器14)；电阻性路径16(尤其是通过人体的一部分的电阻性路径)；以及所谓的测试指18(尤其根据国际标准IEC 60601)。

供应单元10和电动设备12是公共电气系统20中的部分。电动设备12优选是生理监测设备或传感器，优选是电池供电的设备，并且供应单元10优选是用于对该电池供电的设备的电池进行再充电的充电站。

供应单元10通过连接器元件22、24、26、28向电动设备12供应电力和/或电信号，该连接器元件22、24、26、28可释放地接触电动设备12的专用连接器装置30、32。供应单元10还包括用于测量参数的测量设备34，该参数适合用于：利用所述参数来确定在供应单元10的连接器元件22、……、28中的一个元件22与另一个元件24之间电气互连的外部电容的存在。

供应单元10还包括脉冲生成设备36和控制器单元38，该控制器单元38用于控制脉冲生成设备36和测量设备34。尤其在供应单元10的控制器单元38内实现该测量设备34。供应单元10还包括识别设备(由控制器38实现)和保护设备40，该识别设备用于通过分析所测量的参数来识别供应单元10与电动设备12的电连接，而该保护设备40用于电隔离连接器元件26、28中的至少一个和/或将连接器元件26、28中的至少一个与地短路。

电动设备12包括具有预先定义的固定值的识别电容器14，该识别电容器14被电布置于两个连接器装置30、32之间的电流路径42中。

基本上，检测机制是基于对位于该(或每个)电动设备12内部的具有预先定义的固定值的识别(ID)电容器14的肯定识别(positiveidentification)。为了实现可靠的检测，必须能够可靠地将电动设备12存在的状态与其他状态区别开来。该系统可能具有以下状态：

(1)存在有效的电动设备12：可以施加功率，只要控制器单元38没有因为其他原因禁止功率；

(2)存在非有效的电动设备12：断电，禁止控制线；

(3)一个连接器元件22与另一连接器元件24之间的电阻性路径16：连接器元件22、24两者同时被患者/护士触摸，或者连接器元件22、24被诸如水/盐溶液或清洁剂之类的导电物质污染：断电，禁止控制线；

(4)由于患者或护士(仅仅)触摸这一连接器元件22、24或者由于该连接器元件22、24以及供应单元10的外壳被污染，高充电触头和保护性接地之间的电阻性路径：断电，禁止控制线。

(注意，状态3和状态4可以与状态1或状态2同时发生，其中后一情况未必导致对状态1的错误肯定决定。)

图2示出了脉冲生成设备36生成的电压矩形脉冲42和可由测量设备34测量的电动设备12的作为响应的电容应答电压44的图，绘制了信号42、44两者与时间t的关系。

图3示出了脉冲生成设备36生成的对应的电流矩形脉冲46和可由测量设备34测量的电动设备12的作为响应的电容应答电流48的图，绘制了信号46、48两者与时间t的关系。

如图2所示，在检测期间，脉冲生成设备36生成的矩形波信号42、46将周期性地激励电动设备12。如图2和图3所示，激励信号具有非对称的占空比。在短周期期间，经由脉冲生成设备的高串联阻抗50来对电容或ID电容器14进行充电，而更长的放电时间(使用低阻抗的放电路径52、54)将防止在识别电容器14两端积聚偏移电压。

如果存在电动设备12，则在电动设备12的激励期间，被驱动的一个连接器元件22(电力触头)处的应答电压44将近似线性上升，并且应答电流48将几乎保持恒定。在每个激励脉冲期间将进行多次电流测量和电压测量56，并且该多次电流测量和电压测量56必须位于特定范围之内，这被认为是真正的ID电容器14的结果，并且由此被认为是所连接的电动设备12的结果。

为了实现非常可靠并且安全的检测，测量经过其他连接器元件24(低触头)流回的电流以及在一个连接器元件22(高触头)处的电压。仅如果对于多个连续激励脉冲周期，施加于应答电流48的波形和应答电压44的波形上的所有多个条件都被满足，才声明识别出了电动设备12。

在已经检测到电动设备12之后，接通电力线58和其他控制线60，直到所监测的应答电压44或应答电流48不在它们的指定界限内。在激励脉冲的上升沿之后立即通过具有高阻抗的电流感应分流器(shunt)62在返回路径中以高分辨率对应答电流48进行测量。如果所测量的电流不在预先定义的范围内，则这将被认为是空插槽。

如果没有电动设备12存在，或者如果在一个连接器元件(触头)22和其他连接器元件(触头)24和/或保护性接地之间存在电阻性路径16，则电压和/或电流的测量结果(应答电压44、应答电流48)将偏离那些预期的测量波形。这将被认为不存在电动设备12。在施加电力之后，该检测机制不再可行。因此，应答电流48的电流监测被用于检测电动设备12的移除。一旦电流脉冲46的电流和/或应答电流48下降到预设的最小阈值之下，则认为电动设备12被移除。

为了提高安全性，每个电力开关处的附加硬件确保了充电电力仅在来自微控制器的相关控制信号连续翻转(toggling)时才接通。如果该控制信号是静态的高或静态的低，则切断充电电力(并且保持切断)以避免如果微控制器在任一状态挂起而疏忽地接通电力。

在医疗环境下，清洁和杀菌是越来越重要的必要要求。法定要求限定了患者监测系统的患者漏电流和辅助电流。

所提出的检测方法具有以下优点：

-它允许在不利用附加的感测方法或附加针的情况下进行检测和分类；

-可以与电力线结合使用，例如用于电池充电；

-满足对于患者漏电流和辅助电流的医疗要求；

-仅向传感器添加最少的额外硬件；以及

-重量轻的并且鲁棒的。

尤其对于作为无线医疗设备的电动设备12，该电动设备12可以被对接以在形成为充电站的供应单元10中进行电池充电，所提出的方法提供了得到完全平滑并且防水的外壳设计的机会，而不需要任何附加的感测方法或检测针。完全平滑的设备外壳使得杀菌和清洁变得容易。在触头针未被覆盖(例如由于传感器移除引起)的情况下，所有可触摸的针满足法定的漏电流和辅助电流的要求。

在研究了附图、说明书和所附权利要求书之后，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解并且作出对所公开的实施例的其他变形。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”并不排除多个或多种。在相互不同的从属权利要求中记载特定手段的这一纯粹事实并不表明不能使用这些手段的组合来获利。权利要求中的任何附图标记不应被理解为是对保护范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于通过连接器元件（22、24、26、28）向电动设备（12）供应电力和/或电信号的供应单元（10），所述连接器元件（22、24、26、28）用于可释放地接触所述电动设备（12）的专用连接器装置（30、32），其中所述供应单元（10）包括用于测量参数的测量设备（34），所述参数适合用于：利用所述参数来确定在所述供应单元（10）的所述连接器元件（22、24、26、28）中的一个连接器元件（22）与另一个连接器元件（24）之间电气互连的外部电容的存在，

其中，所述参数是时间相关电流和时间相关电压，所述外部电容是所述电动设备的预先确定的特征电容，

其中，所述供应单元（10）被配置为通过所述特征电容来确定所述电动设备的特定类型。

2.根据权利要求1所述的供应单元，其中，所述参数还包括基于所述时间相关电流和/或所述时间相关电压的时间常数。

3.根据权利要求1所述的供应单元，其中，所述供应单元（10）还包括脉冲生成设备（36）和控制器单元（38），所述控制器单元（38）用于控制所述脉冲生成设备（36）和所述测量设备（34）。

4.根据权利要求1所述的供应单元，其中，所述供应单元（10）还包括识别设备（38），所述识别设备（38）用于通过对所测量的参数进行分析来识别所述供应单元（10）与所述电动设备（12）的电连接。

5.根据权利要求1所述的供应单元，其中，所述供应单元（10）包括保护设备（40、54），所述保护设备（40、54）用于电隔离所述连接器元件（26、28）中的至少一个和/或将所述连接器元件（26、28）中的至少一个与地短路。

6.根据权利要求1所述的供应单元，其中，所述供应单元（10）是用于向作为电池供电的设备的所述电动设备的电池进行再充电的充电站。

7.一种用于与根据权利要求1所述的供应单元（10）协作的电动设备（12），所述电动设备（12）包括连接器装置（30、32），其中所述电动设备（12）具有能够在所述连接器装置（30、32）中的两个连接器装置之间测量的预先确定的特征电容，所述连接器装置（30、32）中的所述两个连接器装置被专用于所述供应单元（10）的一个连接器元件（22）和另一个连接器元件（24）。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述电动设备（12）是生理监测设备。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述电动设备（12）是电池供电的设备。

10.根据权利要求7所述的设备，其中，所述电动设备（12）包括具有预先定义的固定值的识别电容器（14），所述识别电容器（14）被电布置于所述两个连接器装置（30、32）之间的电流路径中。

11.一种电气系统（20），包括根据权利要求1所述的供应单元（10）和根据权利要求7所述的电动设备（12）。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述电气系统（20）是医疗环境。

13.一种用于通过连接器元件（22、24、26、28）向电动设备（12）供应电力和/或电信号的方法，所述连接器元件（22、24、26、28）用于可释放地接触所述电动设备（12）的专用连接器装置（30、32），其中依据测量的参数来向所述电动设备（12）供应，所述参数适合用于确定在所述连接器元件（22、24、26、28）中的一个连接器元件（22）与另一个连接器元件（24）之间电气互连的外部电容的存在，其中，所述参数是时间相关电流和时间相关电压，并且所述外部电容是所述电动设备的预先确定的特征电容，

其中，通过所述特征电容来确定所述电动设备的特定类型。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述参数是时间相关电流和/或时间相关电压和/或基于所述时间相关电流和/或所述时间相关电压的时间常数。