CN117769642A - 适配装置，用于耦合至少一个传感器到管道的管壳壁以测量流体，以及包括其的传感器装置 - Google Patents

Abstract

一种适配装置(1a)，用于将至少一个传感器(5、6)耦合到管道(3)的管壳壁(2)，以测量通过管道(3)输送的流体的性质。适配装置具有适配器通道口(14)，用于经由管壳壁通道口(15)在管腔(4)和传感器(5)之间提供流体连接。传感器插槽(16)用于在适配器通道口(14)的区域中容纳传感器(5)。适配器密封部分(17)围绕适配器通道口(14)延伸，用于相对于管壳壁(2)围绕适配器通道口(14)对适配装置(1a)进行周向密封。这产生了一种适配装置，使得基本适用于测量通过管道输送的流体的流体性质的传感器能够在传感器装置内进行这样的流体测量。

Description

适配装置，用于耦合至少一个传感器到管道的管壳壁以测量 流体，以及包括其的传感器装置

本专利申请要求德国专利申请DE 10 2021 204 971.0的优先权，其内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种适配装置，用于将至少一个传感器耦合到管道的管壳壁，以测量通过管道输送的流体的性质。此外，本发明还涉及一种包括这样的适配装置的传感器装置。

背景技术

从EP 3 142 724 B1已知一种用于测量通过管道输送的流体的性质的传感器装置。此外，已知例如原理上可用于这样的流体测量的压力传感器，例如传感器型号“NovaSensor NPC-100”(参见数据表04/2018)。DE 10 2008030 802A1公开了一种用于将传感器紧固到管道的传感器插槽。DE 20 2020106 224U1公开了一种传感器系统。

发明内容

本发明的目的是使基本上适用于对通过管道输送的流体测量流体性质的传感器能够在传感器装置内进行这样的流体测量。

根据本发明，这个目标可以通过具有权利要求1所述特征的适配装置来实现。

适配装置可以完全由塑料例如硅酮制成。适配装置可以一体成型。适配装置可以设计成使得通过粘合剂粘接和/或焊接来容纳至少一个传感器。适配装置可设计成通过粘合材料和/或焊接形成适配器密封部分。这样的粘合材料的收缩可用于产生和/或改善密封效果。安装结构已被证实将适配器牢固地固定到传感器外壳上。安装结构包括复数个安装条。这些安装条夹在传感器外壳的部件和/或元件之间。

根据权利要求2，适配装置的基体的可适配设计增加了适配装置的应用可能性。适配装置则可用于不同管道直径的管道。

根据权利要求3，带有软元件和硬元件的基体设计已被证明提高了使用灵活性。塑料软元件可用于适配装置的基体的适应性设计，和/或用于相对于管壳壁和/或相对于至少外壳部件的密封。

根据权利要求5，适配凹槽还允许适配装置的基体适应不同的管道直径。在这种情况下，不需要对基体进行硬/软元件设计。适配凹槽可以设计成楔形凹槽。此凹槽可径向向外逐渐变细。

根据权利要求6，适配凹槽的实施例允许适配于管壳壁。特别是，从而可以实现管道周向适配和/或与管道引导件的各种曲率的适配。例如，这允许将借助于适配装置容纳的适配传感器进行的压力测量结果特别是与适配装置位置处的管道偏斜(deflection)无关。

根据权利要求7，定位突起允许安全、精确的定位，特别是适配器通道口关于管壳壁通道口的安全、精确的定位。适配装置包括复数个这样的定位突起。至少一个定位突起可以设计成定位销。至少一个定位突起可以设计成定位套筒，定位套筒尤其是还可以预设适配器通道口。如果适配装置存在数个定位突起，管壳壁则具有与其互补的相应的定位凹槽。

根据权利要求8，测力结构允许监控作用在适配装置的基体上的机械应力，特别是变形。这可用于校准和/或修正目的或用于警告目的，特别是例如如果管道偏斜过大超过允许的机械应力时发出警告。这样可检测到至少一个传感器的测量误差和/或测量漂移，并在必要时进行补偿。

根据权利要求9，至少一个附加传感器插槽允许在适配装置上使用数个传感器。附加传感器插槽不必与适配器通道开口相通。传感器插槽可配置成使得适配装置容纳由共用电路板承载的复数个传感器。传感器插槽的尺寸使得适配装置能够额外容纳用于控制至少一个传感器的电子单元，特别是处理器，例如微控制器。

根据权利要求10，连接器插槽便于将至少一个传感器连接到外部元件，例如用于测量控制的控制/调节单元。

根据权利要求11，传感器通道口允许使温度传感器与管道中输送的流体和/或管壁的热接触良好。

根据权利要求12，传感器装置的优点与上文关于适配装置的解释相对应。至少一个传感器可以是压力传感器、温度传感器、流量传感器或光学传感器。数个这样的传感器也可以任意组合方式容纳在适配装置的相应插槽中。传感器装置尤其适用于ECMO应用。

在使用压力传感器作为传感装置的传感器时，这个传感器可配置为既能测量负压也能测量正压。传感器的压力测量范围可以是-200mmHg至700mmHg。根据压力传感器的设计，这个压力测量范围也可以介于-50mmHg至300mmHg之间。

适配装置可包括用于接收其他元件的结构，如光学窗口或膜结构等。

根据权利要求13，传感器装置的设计便于将传感器外壳的内部空间与外部密封和/或将适配装置在适配通道开口周围相对于管壳壁进行密封。

附图说明

下面将参照附图更详细地解释本发明的实施例，其中：

图1表示传感器装置的透视图，传感器装置包括经由适配装置耦合到管道的管壳壁的传感器单元；

图2表示图1中观察方向II的视图；

图3表示图1中观察方向III的视图；

图4表示该传感器装置和管道的管段根据图3中的线IV-IV的纵向剖面图；

图5表示传感器装置和管道根据图4中的线V-V的横向剖面图；

图6表示与图1相对应的透视图，移除外壳盖使得适配装置和传感器单元的细节可见；

图7表示图6的组件从观察方向VII的透视图，其中还省略了用于将传感器单元与外部部件进行电连接的连接器；

图8表示与图7类似视角的组件，还省略了传感器单元的传感器；

图9表示与图8类似的视角，仅示出了传感器装置的下外壳半壳；

图10表示传感器装置的外壳盖的透视图；

图11表示从斜下方即从管道的视角所看的适配装置的透视图；

图12表示从斜上方所看的适配装置；以及

图13表示传感器装置的下外壳半壳。

具体实施方式

图1至图5表示传感器装置1的整体视图或剖视图。传感器装置1包括适配装置1a(参见图2)，用于将至少一个传感器耦合到管道3的管壳壁2，在每个附图中分段示出。管道3是塑料管道，特别是用于医疗应用的塑料管道。管道3可以是ECC管道(体外循环ExtraCorporal Circulation，体外部循环)。

至少一个传感器是传感器单元的一部分，用于测量通过管道3的管腔4输送的流体的性质。适配装置1a载有压力传感器5和温度传感器6(例如，参见图4)。这些传感器5和6是适配装置1a的传感器单元的一部分。关于传感器6，这个传感器的电路板朝向观察者，例如在图6中，在其朝向管壳壁2定向的侧面上载有温度传感器。温度传感器可以是表面贴装器件SMD元件或者有线元件。

传感器装置1具有多部件式的传感器外壳7，传感器外壳具有设计为半壳体的外壳盖8和下外壳部件9。传感器外壳一方面包围具有适配装置1a的传感器单元，另一方面包围管道3的轴向管段10。传感器单元还可以包括控制器或处理器，控制器或处理器具有数据存储器(图中未示出)。连接器1和温度传感器6焊接到传感器单元的电路板12的两侧，温度传感器6面向传感器外壳7中的管壳壁2。连接器11用于接触供电线路。特别是，电路板12经由导线(wire)(图中未示出)与压力传感器5接触。作为替代或补充，压力传感器5可以与连接器11接触。替代地，压力传感器5、温度传感器和连接器11可以位于公用电路板上。

与传感器5、6其中之一相关的每个电路板或公用电路板可以具有至少一个其他电子元件，例如控制器，特别是微控制器。控制器则可以与传感器5或6以及连接器11进行电接触。

在未示出的传感器单元的实施例中，也可以在公用电路板上布置两个传感器5和6。

适配装置1a具有连接器插槽(receptacle)13(例如，参见图7)，用于容纳机械连接器13a，例如电缆扭结保护器(例如，参见图6)。替代地，连接器插槽13可以容纳电气连接器(参见11)，用于将传感器单元电连接到传感器6、7和外部元件，外部元件例如是用于传感器装置1的控制单元和供电元件等。因此，电气连接器11一方面可以提供电源，另一方面可以提供传感器单元和外部元件之间的数据连接，并且可以位于电路板上或连接器插槽13中。这样的电气连接器11类型的电气连接器可以是连接器插头的形式。电连接器可以直接附接到外壳壁，特别是外壳盖8的外壳壁，例如图1所示电缆扭结保护13a的端面侧上。电气连接器可被设计成D-sub插头，例如9针插头。替代地，电气连接器也可以设计成相应的母连接器或插座(socket)。

适配装置1a的控制器(例如，微控制器)可能具有数字串行接口。

适配装置1a具有适配器通道口14(例如，参见图4、图5和图8)，用于经由管壳壁通道口15(例如，参见图9)在管腔4和适配装置1a的传感器单元的压力传感器5之间提供流体连接。

适配装置1a进一步具有传感器插槽16，用于在适配器通道口14的区域中容纳压力传感器5。

此外，适配装置1a具有围绕适配器通道口14延伸的适配器密封部分17，用于在适配器通道口14周向区域中相对于管壳壁2密封适配装置1a。此适配器密封部分17是通过适配装置1a在管壳壁通道口15周围区域中以及适配器通道口14周围区域中面对面地紧靠接触管壳壁2而形成的(参见图11)。

适配装置1a还包括额外的适配器外壳密封件18，适配器外壳密封件18围绕适配器通道口14并面向外壳盖8，用于以围绕适配器通道口14的方式相对于外壳盖8密封适配装置1a。这样，流体就不会经由管壳壁通道口15从管腔4泄漏到传感器外壳7周围的区域中。适配器外壳密封件18可以是垫圈(特别是O型密封圈)、密封焊珠(sealing bead)或粘合接缝(adhesive seam)。

适配器密封部分17可以由适配装置1a的塑料软元件形成，与适配装置1a的另一个塑料硬元件相比，塑料软元件在适配装置1a径向相邻的管壳壁2的区域中的邵氏硬度较小。在图2中，对于适配装置1a的第一相应的2K(双元件)设计，用虚线21表示这样的塑料软元件19和径向外侧塑料硬元件20之间的过渡区域。

塑料软元件19的邵氏A硬度可介于30和60之间，例如介于50和60之间或介于30和50之间。

塑料软元件19的材料可以是硅酮(silicone)。作为硅酮的替代品，对于塑料软元件19也可以使用具有相应邵氏硬度的不同材料。

塑料硬元件20的邵氏A硬度可以介于60和98之间，特别是介于80和98之间或介于60和80之间。

传感器外壳7和/或塑料硬元件20可以由硅酮、聚氨酯(polyurethane；PUR)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene copolymer；ABS)制成。

适配装置1a在与管道3紧邻区域中的塑料设计可以是使得适配装置1a的基体22被设计成能够适配于所用的各个管道的管壳壁的不同外径。

塑料软元件19可以形成为基体22的整个半壳部分，与管壳壁2紧邻(abut)并整体模塑在基体22针对传感器单元的支撑部分上，传感器单元则形成为塑料硬元件。

替代地，为了使适配装置1a的基体22能够适配于管壳壁2的不同外径，基体22可以在与管壳壁2径向相邻的区域中具有适配凹槽23，图2中三个位置标出了适配凹槽23。适配凹槽23沿基体22的纵向延伸，即与管道轴线平行。适配凹槽23具有楔形的横截面，沿管道3的径向向外逐渐变细到凹槽底座(recess base)，凹槽底座形成楔形的顶缘。经由这些适配凹槽23，可以实现基体22与管壳壁2的周向适配。适配凹槽23形成在基体中，以沿管道3的周向分布。

如图4中三个位置所示，在适配装置1a的基体22中还可以设置相应的适配凹槽24，这些凹槽24沿轴线纵向分布。这些额外的适配凹槽24沿周向围绕管道的纵轴L延伸，并且也具有径向向外逐渐变细的楔形横截面。

适配装置1a的基体22具有至少一个定位突起(positioning protrusion)25，用于通过与管壳壁2中的至少一个定位凹槽配合，来预设适配装置1a相对于管壳壁2的位置，定位凹槽被设计成与定位突起25互补。这种定位使适配器通道口14与管壳壁通道口15对准。在附图所示的实施例中，管壳壁2的定位凹槽由管壳壁通道口15形成。定位突起25形成为适配装置1a的定位套筒，整体模制在基体22上并伸出基体22外，同时定义适配器通道口14。

根据适配装置1a的设计，还可以形成复数个定位突起，例如接合到定位凹槽中的定位销，定位凹槽与定位销互补并形成在管壳壁2中，一旦适配装置1a相对于管壳壁2在轴向和周向实现正确定位，使得适配器通道口14与管壳壁通道口15对准。

这样的定位突起/定位凹槽还可以起到适配装置1a相对于管壳壁2的密封作用。

适配装置1a可以进一步包括至少一个测力结构26(参见图4)。测力结构26位于基体22与管壳壁2的紧邻区域中，以及用于测量在其用于流体性质测量期间作用在适配装置1a的基体22上的应力。测力结构26的测量数据可用于校准和/或修正压力传感器5的测量数据。

测力结构26可以被设计成应变计(strain gauge)。

测力结构26与处理器11或电气连接器13a或其他传感器5、6之一以未示出的方式进行信号连接。

除了用于容纳压力传感器5的传感器插槽16之外，适配装置1a还包括另一个用于容纳温度传感器6的传感器插槽27(参见图8)。在底侧上，传感器插槽27具有传感器通道口28(例如，参见图4和图11)，传感器通道口28朝向管壁2开口。传感器通道口28用于确保温度传感器6与通过管腔4输送的流体或与管壳壁2的良好热接触。也可以在基体22中设置凹槽来代替通道口28，如此这样在温度传感器6和管壳壁2之间只保留小壁厚的壁部分，壁厚介于100微米(μm)到1毫米(mm)之间。这样的壁部分用于保护温度传感器6。

在具有传感器通道口28的实施例中，可以用导热膏填充传感器通道口28，以改善温度传感器与管壳壁2的热耦合。

温度传感器6可以是电阻式传感器，例如Pt 100型传感器。

温度传感器6作为压力传感器5之外的另一传感器，替代地或者除了温度传感器6之外，适配装置1a还可以安装用于测量流经管腔4的流体的传感器和/或光学传感器(例如，用于对通过管腔输送的流体进行光谱分析的传感器)。相应的光谱传感器的光谱范围可以是紫外波长范围、可见光波长范围、中红外波长范围和/或红外波长范围。

连接器插槽13中装有电气连接器13a，在图示的实施例中是双针的母连接器。

在安装传感器装置1时，首先，在用于测量的管道3的管壳壁2中引入管壳壁通道口15。然后，利用与管壳壁通道口15接合的定位突起25，将适配装置1a定位在管壳壁2上。

预装配的适配装置1a配备有传感器单元，传感器单元包括压力传感器5、温度传感器6、处理器11和连接器13a。

在正确定位的位置，传感器外壳7的下外壳部件(lower housing part)9和上外壳部件8现在分别从下方和上方附接到适配装置1a。安装条29和30一体成型在适配装置1a的基体22的两侧，一方面夹在下外壳部件9的夹持面之间，另一方面夹在上外壳部件8的夹持面之间(参见图5)。安装条29和30形成安装结构，用于支撑传感器外壳7上的适配装置1a。这个安装结构还用于将两个外壳半部8和9相对于彼此密封。这确保没有介质不合需要地从外部渗入传感器外壳7的内部。

上外壳部件8在安装条29、30的两侧设有闩钩31、32，闩钩31、32互补设计的闩杆33、34后方接合，闩杆33、34在下外壳部件9上一体成型。闩钩31、32一体成型在上外壳部件8上。适配装置1a在外壳部件8、9之间的闩锁/夹紧支撑将适配器外壳密封件18在周向上与上外壳部件8压紧，从而实现外壳内部与外部的密封。此外，此支撑还使适配装置1a的基体22的适配器密封部分17与管壳壁2产生接触压力，从而使适配装置1a在管壳壁通道口15周围密封管壳壁2。

例如，密封件可以符合IP 44标准。

塑料软元件19和/或适配凹槽23、24确保适配装置1a与管壳壁2的各个外周适配。

适配装置1a和外壳7装配之后，适配装置1a的传感器单元经由连接器13a与外部元件连接，传感器装置1准备好进行测量。

在传感器装置1的运行过程中，可以测量并监控通过管腔4输送的流体的压力及其温度。经由压力传感器5进行压力测量时，流体经由适配器通道口14与压力敏感传感器表面5a进行压力耦合。压力传感器5的压力测量范围可以介于为-200mmHg和700mmHg之间，特别是-50mmHg和300mmHg之间。

传感器装置1特别用于体外膜氧合(ECMO；extracorporeal membraneoxygenation)。待测量的流体可以是呼吸气(respiratory air)和/或血液/血浆。传感器5、6可用于测量血压和血液温度。

为了将适配装置1a连接到外壳部件8、9，作为替代或补充，可以使用粘合剂。特别是，可以使用在固化期间收缩的粘合剂，从而增加元件1a、8和9之间的接触压力，由此提高各个密封结构的密封效果。

作为替代或补充，也可以通过塑料焊接(plastic welding)的方式实现元件1a、8和9的连接。

如图所示，适配装置1a可以覆盖管壳壁2的一半周长，即以180°的周向延伸部与管道3重叠。根据适配装置1a的设计，特别还根据管道的直径，这个周向重叠区域也可以有不同的角度范围，例如在150°和210°之间。然后，相应地设计传感器外壳7，从而特别是外壳下部件9围绕剩余的管道圆周接合。

Claims (13)

1.一种适配装置(1a)，用于将至少一个传感器(5、6)耦合到管道(3)的管壳壁(2)，以测量通过管道(3)输送的流体的性质，

-包括基体(22)，

-包括适配器通道口(14)，用于经由管壳壁通道口(15)在管腔(4)和传感器(5)之间提供流体连接，

-包括传感器插槽(16)，用于在所述适配器通道口(14)的区域中容纳传感器(5)，

-包括围绕所述适配器通道口(14)延伸的适配器密封部分(17)，用于以围绕所述适配器通道口(14)的方式相对于所述管壳壁(2)密封所述适配装置(1a)，

-其中，所述适配装置(1a)包括用于支撑传感器外壳(7)的安装结构(29、30)，所述安装结构(29、30)包括夹在所述传感器外壳(7)的部件之间和/或元件之间的复数个安装条。

2.根据权利要求1所述的适配装置，其特征在于，所述适配装置(1a)的基体(22)被设计成能够适配管壳壁(2)的不同外径。

3.根据权利要求1或2所述的适配装置，其特征在于，与所述管壳壁(2)径向相邻的区域中的基体(22)由塑料软元件(19)制成，所述基体(22)的塑料硬元件(20)存在于所述基体(22)的径向远端区域中，与所述塑料硬元件(20)相比，所述塑料软元件(19)的邵氏硬度较小。

4.根据权利要求3所述的适配装置，其特征在于，所述塑料软元件(19)被设计成使其能够用于所述基体(22)和适配装置(1a)的能够适配的设计，和/或用于相对于管壳壁(2)和/或相对于传感器外壳(7)的至少一个外壳部件将所述基体(22)密封。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的适配装置，其特征在于，所述基体(22)在所述管壳壁(2)的径向相邻的区域具有适配凹槽(23)，允许所述基体(22)与所述管壳壁(2)周向适配。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的适配装置，其特征在于，为了与所述管壳壁(2)适配，所述基体(22)在与管壳壁(2)径向相邻的区域中具有适配凹槽(23、24)，所述适配凹槽(23、24)分布在基体(22)的周向和/或轴线纵向上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的适配装置，其特征在于，包括至少一个定位突起(25)，用于通过与管壳壁(2)中的至少一个定位凹槽(15)配合来预设所述适配装置(1a)相对于管壳壁(2)的位置，定位凹槽(15)被设计成与定位突起(25)互补。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的适配装置，其特征在于，包括至少一个测力结构(26)，用于测量机械应力，特别是作用在所述适配装置(1a)的所述基体(22)上的机械变形。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的适配装置，其特征在于，包括至少一个附加传感器插槽(27)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的适配装置，其特征在于，包括用于电气连接器的至少一个连接器插槽(13)，用于将至少一个传感器(5、6)与外部元件的电气连接。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的适配装置，其特征在于，包括至少一个传感器通道口(28)，用于将传感器(6)耦合到所述管道(3)的所述管壳壁(2)。

12.一种传感器装置(1)

-包括根据权利要求1至11中任一项所述的适配装置，

-包括至少一个传感器(5、6)，容纳在所述适配装置(1a)的至少一个传感器插槽(16)中，

-包括容纳所述至少一个传感器(5、6)的传感器外壳(7)。

13.根据权利要求12所述且根据权利要求2所述的传感器装置，其特征在于，传感器外壳(7)被设计为多部件式外壳(8、9)，以及安装结构(29、30)被设计成使得经由适配器外壳密封件(18)同时进行对外壳部件(8、9)至少其一的密封。