CN116067561A - 具有不受干扰影响的接触侧的凝胶耦联的压力传感器器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于软管(5)、优选输液软管(5)中的内部压力监控的压力传感器器件(1)，所述压力传感器器件用于流体传递并且直接或间接地放置在压力传感器壳体(2)上。软管(5)可弹性变形并且通过接触侧(3)与压力传递元件(4)连接，所述压力传递元件处于压力传感器壳体(2)中并且所述压力传递元件将通过接触侧(3)接收的内部压力变化转发到压力传感器(9)上以用于测量。接触侧(3)的特别优选的椭圆形形状以及压力传递元件(4)的优选漏斗形的延伸被设计用于使压力传感器器件(1)在其测量精度方面尽可能鲁棒并且相对于温度波动和由此产生的材料状态独立。

Description

具有不受干扰影响的接触侧的凝胶耦联的压力传感器器件

技术领域

本公开涉及一种凝胶耦联的压力传感器器件并且尤其涉及一种凝胶耦联的压力传感器器件，压力传感器器件可以安装在(柔性的)软管、尤其医学输液软管上，用于基本无测量波动的软管内部压力检测。

背景技术

在医学技术中，柔性的软管被用于例如通过输液向患者供应、取出液体或在设备或装置之间输送液体。然而，这种类型的软管也用于例如血液治疗机、心肺机和类似的重症监护设备。在此存在的必要性是，识别柔性软管的部分的或完全的封闭，例如柔性软管由于软管的弯折而出现的那样。此外必要的是，根据设定的输液参数来监控输液软管的内部压力并根据设定的参数来调节该内部压力。

从EP 1 269 145 B1、EP 0 897 528 B1、EP 0 594 836 B1和EP 1 357 372 B1中分别已知压力传感器器件，所述压力传感器器件通常尤其由压力传感器壳体和与压力传递元件接触的压力传感器构成，在所述压力传感器壳体中布置有压力接收和压力传递介质或压力传递元件。尤其，压力传递元件被构造成与输液软管贴靠，用于检测由于当前的软管内部压力引起的径向的软管膨胀并且允许从输液软管到处于压力传感器壳体中的压力传感器的尽可能精确和敏感的压力传递，以测量输液软管的内部压力。

建议采用凝胶作为可能的合适的用于压力传递的介质，所述凝胶插入/填入传感器壳体的腔室中并且可以具有从传感器壳体中伸出的贴靠区段，在所述贴靠区段上将凝胶贴靠在软管上。凝胶/凝胶元件/凝胶垫/凝胶枕或凝胶体由此构造压力传递元件。然而，在具有有源医学设备(例如输液泵和/或透析设备)的应用领域中，对所监控的参数(例如尤其是输液软管中的内部压力)的精确度提出了特别高的要求。

然而，温度波动以及各个功能元件(尤其是基于凝胶的压力传递元件)的尺寸和材料状态的由此产生的变化恰好可能导致压力传感装置的大的测量波动。换言之，温度波动已被证明导致测量波动，其中，迄今为止还未清楚的是，哪些材料技术或几何技术上的参数受所述的温度波动影响，该温度波动对测量波动起决定性作用。

现有技术迄今未提供凝胶耦联的压力传感器器件，压力传感器器件稳定地满足输液泵和透析设备(或用于在软管中的血液或流体压力测量的其他医学应用)的高要求并且相对于温度相关的干扰影响是鲁棒的。因此迄今为止的现有技术具有的缺点是，由温度影响引起的测量波动不能被充分地补偿，以便能够借助于凝胶耦联的压力传感器器件执行可靠的且高精度的测量。

发明内容

因此，本公开的目的是提供一种压力传感器设备，压力传感器器件借助来自压力传递元件(优选凝胶体)的基于凝胶的耦联与输液软管连接或能够与输液软管连接，并且能够在尽可能宽的温度范围内连续地执行精确的测量。

在寻找技术任务的解决方案方面，在经验实验中已经证实，尤其是压力传递元件的接触侧几何形状(软管被放置到所述接触侧几何形状上并且在所述接触侧几何形状上在压力传递元件和软管之间构造接触面)对压力传感器器件中的测量精度具有大的影响并且在压力传递元件的接触侧上构造的接触面在温度变化时可以强烈地变化。

在此，在进一步进行的试验中还证实，压力传递元件的确定的接触侧几何形状朝向软管构造接触面，该接触面与其他接触侧几何形状的接触面相比在温度作用下不那么强烈地变化。换言之，接触侧几何形状对在温度波动下接触侧与软管之间构造的接触面的变化程度有很大影响并且因此相应地触发测量波动。

可以推断，接触面随温度变化而变化越小，压力传感器可以越精确地输出对应于软管中实际存在的压力的输出电压。在试验中确定的观察可以基于用于压力计算的公式P＝F×A来进行合理解释。如果在接触侧和软管之间构造的接触面几乎保持恒定，则能够通过所测量的力恒定地精确地求取压力变化。

对于本发明执行的试验证明，如果压力传递元件的接触侧几何形状的贴靠在软管上的接触面在温度变化时略微变化，则压力传感器器件的测量精度尤其更高。

然而，现有技术中的已知的接触侧几何形状(例如圆形或泪珠形状)沿着软管方向(如在EP 1 269 145 B1中所公开的那样)并不导致在温度波动时获得基于凝胶的压力传感器器件的令人满意的测量结果。

因此解决所提出的任务的具体的技术问题在于，提供一种接触侧几何形状，接触侧几何形状与其余的空间上的压力传递元件设计方案共同作用地可以朝向软管构造接触面，所述接触面在温度波动的情况下尽可能保持恒定。

用于解决开头所提任务的技术问题通过根据本发明的凝胶耦联的压力传感器器件来具体解决。

根据本发明的第一方面，压力传感器器件具有支承在压力传感器壳体中的凝胶作为压力接收和压力传递元件，该凝胶在从压力传感器壳体中自由伸出的压力导入区段上具有用于置入到或可置入到压力传感器器件中的流体压力软管的限定置入方向的贴靠侧或接触侧，并且从接触侧出发穿过压力传感器壳体优选在构造漏斗式或阶梯式的收缩形状的情况下延伸直至压力传感器。在此，压力导入区段、尤其是接触侧具有既相对于其纵轴线又相对于其横轴线对称的形状，并且接触侧的平行于置入方向的纵向延伸大于其横向方向上。

具有前述接触侧(该接触侧在软管的纵向方向上大于在环周方向上并且在此在其纵轴线以及横轴线上是对称的)的比例关系的几何形状提供的优点是，该几何形状也可以在压力传感器器件环境的显著的温度波动的情况下补偿由此产生的材料状态并且在此几乎不改变其总面积。同时，在软管中出现的压力变化一如既往无失真地被转发到压力传递元件和连接到压力传递元件上的压力传感器上。

接触侧的关于软管的纵轴线延伸的轴对称的造型确保了软管在接触侧的两个半部上的均匀分布的压力传递。相对于接触侧的横轴线的轴对称性同样有助于沿着接触面的纵向方向的均匀的压力分布并且防止可能通过不对称的面分布引起的不均匀分布的应力状态。

此外，根据本发明的另一方面优选规定，压力导入区段、尤其接触侧在其纵向延伸上朝其各自的端部渐缩。因此进一步改善了更高的耐温度波动性的上述效果，

根据本发明的另一方面，压力导入区段、尤其接触面在其纵向延伸上呈尖形收缩或者具有菱形形状。

此外，接触侧能够形成没有角部的外线。

没有角部的接触侧提供的优点是，在软管与压力传递元件之间的应力状态通过接触侧的倒圆的形状而比在具有尖锐的或有棱角的过渡部的角部区域的情况更均匀地分布，从而由于更均匀的应力分布，也出现接触侧的更少的局部集中的扭曲和由此产生的测量失真。

此外，接触侧可以具有近似于直角的形状，其中，窄侧与长侧之间的过渡部是弧形的。

几乎矩形的接触面提供了沿着条带实现尽可能多的放置面的优点，同时，窄侧与长侧之间的实施为曲线或半径的过渡区域提供了如下可能性，即，取消锋利的或尖锐的角部，所述角部导致局部集中的应力状态并且因此可能导致测量结果中的扭曲和改变或失真。

此外，接触侧的几何形状可以从其横轴线开始朝向其端部连续地渐缩。

在另一方面，该接触侧的几何形状可以具有椭圆的形状，其主轴线或纵轴线平行于该软管的纵轴线延伸。

在此，在试验中已经证实，尤其是椭圆的几何形状对于由温度引起的表面变化是极其鲁棒的，并且因此是特别优选的。总体上，并且换句话说，特别优选的第一实施方式的本发明基于凝胶耦联的压力传感器的凝胶表面或凝胶接触侧的椭圆形几何形状，椭圆形几何形状导致优化的软管-凝胶-传感器-耦联，以便降低尤其由于温度波动引起的性能参数的环境相关性。

软管-传感器-耦联对于传感器的性能是决定性的，因为现有的传感器例如具有温度相关性，所述温度相关性归因于不稳定的接触侧和接触面以及界面。而在现有技术中，在灵活性/恒定性能方面在温度范围内不考虑接触侧和所构造的接触面的形状。因此，迄今为止没有凝胶耦联的传感器，该传感器满足在有源的医学设备(例如输液泵和/或透析设备)中的高的性能稳定性的要求。

为了能够降低压力传感器器件的温度相关性，现在根据本公开，不可缺少的是识别软管和凝胶或凝胶垫之间的接触面的最优的形状或几何形状，以便基于在不同的环境条件下的最优的和稳定的接触面确保恒定的传感器输出电压。

凝胶耦联的压力传感器器件的凝胶的高度由于温度影响而改变。通过改变高度，凝胶和软管之间的接触侧和接触面不是恒定的。然而，如上所述，软管的接触面具有对凝胶耦联的压力传感器的输出水平的直接影响。在软管纵向方向上伸长的(关于X和Y轴)轴对称的侧面/面形状和尤其是凝胶耦联的压力传感器器件的凝胶面的椭圆形形状或几何形状出乎意料地导致优化的软管-凝胶-传感器-耦联，以便降低传感器输出电压的环境相关性(例如温度漂移)。由此得到的较小的公差和较小的输出波动开辟了例如用于针对这种类型传感器的输液泵和透析设备的新的应用领域。

在从软管到压力传递元件的优选布置中，软管恰好处于椭圆形接触侧的主轴线上。压力传递元件和软管之间的耦联面或接触面是恒定的并且由此保持恒定，即使压力传递元件中的凝胶材料由于温度变化而收缩或膨胀。

为了密封并且作为保护措施，可以在压力传感器器件中在压力传递元件的凝胶和软管之间附加地使用硅树脂罩和另外的优选以膜片形式的分隔材料，所述分隔材料由于其相对薄的壁厚或者材料厚度而对根据本公开的效果没有影响。

在本发明的特别优选的方面中，压力传感器器件可以具有椭圆形的接触侧，其中，压力传递元件的处于压力导入区段下方的横截面漏斗形地、优选单调递减地朝压力传感器的方向减小。

恰好在组合中，椭圆形的接触侧和具有漏斗形横截面的压力传递元件彼此互补。因为所述椭圆形的接触侧在温度变化的情况下稳定地保持其朝向软管构造的接触面，而漏斗形的横截面由于压力传递元件中的凝胶体积减小而较少地受到温度波动的影响并且同时将从接触侧导入的力在压力传感器上集中地转发到较小的横截面上。

通过将这两个结构特征、即椭圆形的接触侧和漏斗形的横截面相结合，一方面提高了测量可靠性，另一方面提高了压力传感器的测量精度和测量灵敏度。两个结构特征的效果因此协同地彼此作用并且总体上降低压力传感器器件的温度相关性。

下面借助于优选的实施方式参照附图对本公开进行更详细解释。

附图说明

图1是具有从现有技术中已知的接触侧几何形状的压力传感器单元1的俯视图，

图2是根据本公开的第一实施方式的压力传感器器件的立体图，

图3是根据第一实施方式的压力传感器器件的立体图，具有压力传递元件的细节图，

图4是具有压力传递元件的枕状压力导入区段的根据第一实施方式的压力传感器器件的局部剖视图，压力传递元件单调漏斗形地朝压力传感器渐缩，

图5是具有压力传递元件的枕状压力导入区段的第二实施方式的局部剖视图，其中，压力传递元件在压力导入区段下方柱形地向着压力传感器延伸，

图6是压力传感器器件的压力传递元件的支承体以及接触侧和接触面的俯视图，

图7是具有带有阶梯式收缩形状的压力传递元件的根据第三实施方式的压力传感器器件的局部剖视图，

图8是根据第四实施方式的压力传感器器件的立体图，

图9是具有突出的接触侧的压力传感器器件的软管的立体图，

图10是垂直于根据第四实施方式的压力传感器器件的软管的纵轴线的剖视图。

具体实施方式

下面基于所属的图对本公开的实施例进行描述。相同的元件设有相同的附图标记。各个实施例的特征可以彼此交换。

在图1中示出具有压力传感器壳体2和压力传递元件4的接触侧3的压力传感器器件1。流体压力软管5(以下称为软管)处于压力传递元件4的接触侧3上。接触侧3的几何形状在此对应于现有技术中已知的应用几何形状。

在有利的温度条件下，在压力传递元件4的接触侧3与软管5之间在接触侧3的整个面上形成接触面3a，然而在温度波动的情况下，在压力传递元件4与软管5之间形成的接触面3a变化非常大，使得接触面3a可以明显小于接触侧3，如在图1中所示。由于压力传递元件的接触侧3上的接触面3a的表面表观中的这些不期望的波动，因此在现有技术中也导致压力传感器1的测量精度中的强烈的波动。

图2示出根据本发明的压力传感器1的立体图，本发明解决了针对图1所反映的问题。压力传感器1具有压力传感器壳体2，压力传感器壳体具有在图3中更详细地示出的压力传递元件4的接触侧3，软管5、优选输液软管5处于压力传递元件上。在此特别突出的是接触侧3的椭圆形几何形状，接触侧相对于温度波动是极其面稳定的，从而压力传递元件4与软管5之间形成的接触面3a是恒定的，几乎对应于接触侧3的面积。

在图3中示出根据本发明的压力传感器1，该压力传感器没有软管5并且具有从压力传感器壳体2中伸出的漏斗形的压力传递元件4的细节图。取决于实施方式，漏斗形状可以是不同表观的，并且例如也可以具有阶梯式的收缩形状，如图7中所示。压力传递元件4的朝向软管的压力导入区段6也能够朝向软管5凸形地或也凹形地成形，如在图5和图7中示出的那样。

在图4中，第一实施方式的压力传感器1以沿着软管5的纵轴线L的局部剖视图示出，该软管本身未被剖切。软管5由弹性的并因此具有复原能力的柔性材料制成。软管5的横截面是圆形的。在软管5中存在被供应给患者的液体，例如输液溶液。如从图4中可以得知的那样，软管5仅间接地靠置在压力传感器壳体2上并且直接地靠置在压力传递元件4的枕状成形的自由伸出的压力导入区段6上。压力传递元件4从压力导入区段6上的接触侧3漏斗形地并且以椭圆形基面延伸穿过压力传感器壳体2并且支撑在电路板8以及布置在其上的压力传感器9上，软管5经由所述接触侧放置在压力传递元件4上。

压力传感器9例如可以具有连接成电桥电路的应变测量条或者压电式压力传感器。应变测量条和压电式压力传感器都产生电信号，该电信号与作用到压力传感器9上的力F成比例。

如果在软管5中由于例如流体的成分的改变或者由于软管5的弯折引起压力变化，那么所述压力变化通过压力传递元件4的接触侧3接收并且经由凝胶状的力传递器件4传递到压力传感器9上，所述压力传感器与起作用的力成比例地发出可测量的电信号。

压力传递元件4优选由不可压缩的凝胶构成，该凝胶特别良好地适合于在软管5与压力传感器9之间的力传递。然而，温度波动可能对压力传递元件4的体积产生显著的影响，使得凝胶的高度在压力传递元件4中可以改变。通过改变高度，凝胶和软管之间的接触侧3a和接触面3a在迄今为止在现有技术中使用的几何形状中不是恒定的。

通过根据本发明的椭圆形的耦联面3或者接触侧3，即使当凝胶材料由于温度变化而收缩或膨胀时，在接触侧3和软管5之间构造的接触面3a也保持恒定。因此，即使在不同的温度影响下，也可以实现精确的测量结果，这与输液和透析应用的关于测量精度的高标准相对应。

压力传感器1的第一实施方式的压力传递元件4的漏斗形的、单调减小的横截面尤其允许一方面在压力导入区段6上朝向软管5的相对大的接触侧3的设计并且另一方面在朝向压力传感器9的方向上允许明显的横截面渐缩，使得压力传递元件4的围绕压力传感器9的支撑区域保持尽可能小。因此，利用压力传递元件4的横截面的漏斗形状，可以在相对大的面积上确定软管5中的压力变化并且所述压力变化通过漏斗形状的渐缩的横截面尽可能集中地传递到压力传感器9上，而不将传递的力的显著部分导入到压力传感器9周围的外围区域中。压力传递元件4的漏斗形的横截面因此有助于，压力传感器9能够高度灵敏地测量。

漏斗形的横截面的另外的有利效果是，与从接触侧3到压力传感器9具有恒定横截面的压力传递元件4相比，可以节省压力传递元件4中的凝胶体积。通过压力传递元件4中的与温度相关的凝胶的体积减小，由此降低了对压力传感器1的温度变化的灵敏度并且提高了测量可靠性。

总体上可以说椭圆形的接触侧3和压力传递元件4的漏斗形横截面的积极效果彼此互补。所述椭圆形的接触侧3在温度变化的情况下稳定地保持其朝向软管5构造的接触面3a，而所述漏斗形的横截面由于压力传递元件4中的凝胶体积减小而较少地受到温度波动的影响并且同时将从接触侧3导入的力集中地转发到压力传感器上。

在图5中以沿着软管5的纵轴线L的局部剖视图示出第二实施方式的压力传感器单元1，该软管本身未被剖切。如从图5中可以得知的那样，软管5仅间接地靠置在压力传感器壳体2上并且直接地靠置在压力传递元件4的枕状成形的自由伸出的压力导入区段6上。在此，压力传递元件4在枕状的压力导入区段6下方以具有椭圆形的基本形状的恒定的柱形横截面(从上方看)延伸穿过直至压力传感器壳体2并且支撑在电路板8以及布置在其上的压力传感器9上。

在图6中以俯视图示出在压力传感器壳体2的背景前的接触侧3的横截面。由接触侧3形成的椭圆的主轴线H平行于软管5的纵轴线L(图6中未示出)，由此在软管5中的压力变化均匀地分布在接触侧3的椭圆的主轴线H的两侧。接触侧3在此具有在压力传递元件4和软管5之间构造的接触面3a的几乎相同的面积，如图6中所示。

在图7中以沿着软管5的纵轴线L的局部剖视图示出第二实施方式的压力传感器单元1，该软管本身未被剖切。在此，压力传递元件4以漏斗状的阶梯式的收缩形状实施，收缩形状与第一实施方式相比具有明显减小的凝胶体积。

压力传递器件4的压力导入区段6在此凹形地弯曲到压力传感器壳体2中并且压力传递元件4的在接触侧3下方的横截面朝向压力传感器9窄柱形地成形。压力传递元件4中的凝胶的体积减小提供的另外的可能性是，降低对压力传递元件4的与温度相关的凝胶体积的温度影响并且能够更好地控制或补偿在材料状态中的由此产生的变化。此外，通过比较窄柱形的横截面来减小凝胶围绕压力传感器9的支撑面，由此力传递更加集中地在压力传感器9上进行，从而能够提高压力传感器灵敏度。

在图8中示出压力传感器器件1的第四实施方式，其中，压力传感器壳体2以及压力传递元件4和压力传感器9通过硅树脂罩7流体密封并且防止污染。

如在图9中可以看出的那样，软管5同样以椭圆形的接触侧3放置到硅树脂罩7上。

在图10中剖切地示出垂直于软管5的纵轴线L的第四实施方式的压力传感器器件1。与压力传感器器件1的第一、第二和第三实施方式相反，软管5在第四实施方式中仅间接地放置到压力传递元件4上并且直接地放置到硅树脂罩7上。在软管5中出现的压力变化经由弹性的硅树脂罩传递到在其下连接的并且穿过压力传感器壳体2延伸的压力传递元件4上并且传递到处于电路板8上的压力传感器9上。第三实施方式的压力传感器器件1的工作方式在此除了通过硅树脂罩7的附加的覆盖和力传递外与第一和第二实施方式的压力传感器器件1的工作方式相同。

Claims (10)

1.一种压力传感器器件(1)，具有支承在压力传感器壳体(2)中的凝胶(4)作为压力接收和压力传递元件(4)，所述凝胶在所述凝胶的从所述压力传感器壳体(2)自由伸出的压力导入区段(6)上具有用于置入或可置入到所述压力传感器器件(1)中的流体压力软管(5)的限定置入方向的贴靠侧或接触侧(3)，并且从所述接触侧(3)出发穿过所述压力传感器壳体(2)优选在构造漏斗式或阶梯式的收缩形状的情况下延伸直至压力传感器(9)，其特征在于，所述压力导入区段(6)、尤其所述接触侧(3)具有既相对于所述接触侧的纵轴线也相对于所述接触侧的横轴线对称的形状并且所述接触侧的平行于置入方向的纵向延伸大于在横向方向上的延伸。

2.根据权利要求1所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述压力导入区段(6)、尤其所述接触侧(3)在所述接触侧的纵向延伸上朝所述接触侧的相应端部渐缩。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述压力导入区段(6)、尤其所述接触侧(3)在所述接触侧的纵向延伸上逐渐变尖或者具有菱形的形状。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述接触侧(3)形成没有角部的外线。

5.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述接触侧(3)具有近似矩形的形状，其中，窄侧与长侧之间的过渡部是弧形的。

6.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述接触侧(3)的几何形状从所述接触侧的横轴线开始向所述接触侧的端部连续地渐缩。

7.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述接触侧(3)的几何形状具有椭圆形的形状。

8.根据权利要求7所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述接触侧(3)的主轴线或纵轴线(H)平行于可置入的软管(5)的纵轴线(L)延伸。

9.根据权利要求1或2所述的压力传感器器件(1)，其特征在于硅树脂罩(7)和优选另外的优选呈膜片形式的分隔材料，所述分隔材料布置在所述压力传递元件(4)和所述软管(5)之间以用于密封并且作为保护措施。

10.根据权利要求7所述的压力传感器器件(1)，其特征在于，所述压力传递元件(4)的在所述压力导入区段(6)下方的横截面漏斗形地、优选单调递减地朝所述压力传感器(9)的方向渐缩。

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