DE10126821C1

DE10126821C1 - Ventilanordnung zur Regelung der Durchflussrate eines Gases

Info

Publication number: DE10126821C1
Application number: DE10126821A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Ludwig; Tilman Blumenthal; Ralf Lorenzen
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2001-06-01
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2003-02-20
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: FR2825484B1; US20020179147A1; FR2825484A1; US6729343B2

Abstract

Die erfindungsgemäße Ventilanordnung mit sehr kurzer minimaler Ventileinstellzeit eignet sich besonders für die Verwendung in Beatmungs- oder Anästhesiegeräten für die Gasdosierung beatmeter Patienten. Sie weist ein Ventil (3, 4) mit einem Krater (3) und einem Ventilverschlussmittel (4) zur Einstellung der Gasdurchflussrate auf, eine Zuflussleitung (1) und eine Abflussleitung (2) sowie ein Antriebssystem (5) zur Steuerung der Position des Ventilverschlussmittels (4) relativ zum Krater (3) und schließlich einen Gasdurchflussratenmessaufnehmer (8) und eine Steuereinheit (9) für die Steuerung des Antriebssystems (5) mittels eines Steuersignals. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Geschwindigkeitsmessaufnehmer (7) zur Messung der Geschwindigkeit des Ventilverschlussmittels (4) relativ zum Krater (3) vorhanden ist, dessen Ausgangssignal zur Berechnung des Steuersignals (40) für das Antriebssystem (5) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung zur Regelung der Durchflussrate eines Gases mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Eine bekannte Ventilanordnung geht beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,265,594 hervor. Derartige Anordnungen werden speziell in Beatmungsgeräten eingesetzt, um über die Gasdosierung für den Patienten unterschiedliche zeitabhängige Beatmungsmuster, welche durch den Gasfluss sowie den Beatmungsdruck am Patienten gekennzeichnet sind, zu erzeugen. Hierzu sind die Geräte mit einer zentralen Gasversorgung verbunden. Dem Dosierventil kommt hierbei die Aufgabe zu, den Patienten mit einem definierten Gasfluss zu versorgen oder ihn mit einem bestimmten Überdruck zu beaufschlagen. Hierzu wird im Allgemeinen der benötigte Massen- oder Gasvolumenstrom über eine Veränderung der Querschnittsfläche der durchströmten Gasleitung eingestellt. Die Querschnittsfläche der durchströmten Gasleitung ist dabei speziell als eine Zylindermantelfläche ausgebildet, die sich aus dem kreisförmigen Ventilquerschnitt und dem dazu senkrecht stehenden linearen Ventilöffnungsweg ergibt. Zur Einstellung der Querschnittsfläche der durchströmten Gasleitung wird vorzugsweise ein elektrisch betätigtes Linearantriebssystem eingesetzt, dessen Kraft den Ventilöffnungsweg verstellt. Die Bewegung des Verschlussmittels dieser bekannten elektromechanischen Ventilanordnungen ist prinzipbedingt sehr schwach gedämpft und neigt deshalb zu Schwingungen, insbesondere wenn die Ventilanordnung innerhalb eines einfachen Regelkreises für den Ventilöffnungsweg, den Gasfluss oder den Patientendruck betrieben wird. Eine weitere bekannte Anordnung weist auch das Handbuch für das Intensivbeatmungsgerät Hamilton Veolar, Ausgabe 1988, auf. Dort wird eine Ventilanordnung beschrieben, die aus einem Reservoir mit veränderlichem Druck einen Volumenstrom dosiert. Die Anordnung stützt sich im Regelkreis für die Gasdurchflussrate auf einen Wegsensor, der den Ventilöffnungsweg misst. Es wird versucht, die Stabilität dieses Regelkreises zu erhöhen, indem das Signal des Ventilöffnungsweges differenziert wird und dem Ansteuersignal des Antriebssystems überlagert wird. Bei dieser Art der Signalgewinnung werden durch die Differenzierung sowohl die Signalstörungen verstärkt als auch das Signal zudem zeitlich verzögert, so dass die Verwendung eines auf diese Weise gewonnen Signals zur Dämpfung nur eine eingeschränkte Wirksamkeit erbringt. Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Ventilanordnung besteht daher darin, daß ein akzeptables Einschwingverhalten nur bis zu einer minimalen Ventileinstellzeit von einigen Millisekunden gegeben ist.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer verbesserten bekannten Ventilanordnung, welche bei gleichem Einschwingverhalten eine deutliche Verkürzung der minimalen Ventileinstellzeit, auf etwa die Hälfte, ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstands nach Anspruch 1 an.

Wenn der gewünschte Massen- oder Gasvolumenstrom, das heißt die Gasdurchflussrate, schnell und genau eingestellt werden soll, muss die Bewegung des Verschlussmittels der Ventilanordnung zusätzlich von außen bedämpft werden; denn ein hoher Dämpfungsgrad verbessert die Möglichkeit, das Ventil überschwingungsarm und schnell einstellen zu können. Erfindungsgemäß wird die Dämpfung vorzugsweise durch eine negative Aufschaltung der Geschwindigkeit des Verschlussmittels auf das Antriebssystem erzielt. Um hierbei die erforderliche, maximale Wirksamkeit der Dämpfung zu erzielen, wird ein Geschwindigkeitssignal verwendet, welches hochdynamisch und insbesondere störungs- und verzögerungsarm ist. Entsprechend verwendet die Erfindung eine Einrichtung, die das Geschwindigkeitssignal durch Messung direkt gewinnt und die dabei sicherstellt, dass dies mit nur minimalen zeitlichen Verzögerungen und Störungen geschieht. Hierdurch ergibt sich bei konstruktiv ansonsten unveränderter Ventilanordnung eine deutliche Verringerung der Ventileinstellzeit um etwa 50%.

Bedingt durch die Verringerung der Ventileinstellzeit für die gewünschte Gasdurchflussrate ist es dadurch ebenfalls möglich, die Geschwindigkeit des Druckanstieges am Patienten zu erhöhen.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass das Ventil durch die erhöhte Dämpfung in der Lage ist, einen ausgedehnten Vordruckbereich mit annähernd konstanter Ventileinstellzeit für die Gasdurchflussrate abzudecken.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe der Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ventilanordnung mit elektrodynamischem Ventilantrieb und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Regelkreises einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung.

Eine erfindungsgemäße Ventilanordnung gemäß Fig. 1 verfügt über eine Zuflussleitung 1 für das zu dosierende Gas und über eine Abflussleitung 2. Die Steuerung der Gasdurchflussrate, das heißt des Massen- oder Gasvolumen stroms, erfolgt über das Ventil 3, 4 mit den Teilelementen Krater 3 und Ventilverschlussmittel 4, hier eine Membran, und Antriebssystem 5, hier ein elektrodynamischer Linearantrieb. Der vorteilhaft verwendete elektrodynamische Linearantrieb verwendet eine bewegte Spule in einem feststehenden Magnetfeld. Er zeichnet sich somit durch extrem kleine bewegte Massen aus sowie die Möglichkeit, Antriebskräfte in beide Wirkrichtungen zu entwickeln. Der Massen- bzw. Gasvolumenstrom wird über die Position der Membran relativ zum Krater 3 über den elektrodynamischen Linearantrieb eingestellt. Dieser verfügt neben seiner Antriebswicklung zusätzlich über eine zweite Wicklung zur induktiven Geschwindigkeitsmessung, das heißt über einen Geschwindigkeitsmess aufnehmer 7. In der Fig. 1 befindet sich in der Abflussleitung 2, mit dem Hinterdruck 48, oder alternativ in der Zuflussleitung 1, mit dem Vordruck 47, ein an sich bekannter Gasdurchflussratenmessaufnehmer 8, zum Beispiel ein Hitzdraht- Anemometer. Eine Steuereinheit 9 empfängt einen Gasdurchflussratensollwert 30, einen Drucksollwert 31, den Gasdurchflussratenmesswert 34 von dem Gasdurchflussratenmessaufnehmer 8, den Geschwindigkeitsmesswert 33 der Membran und der damit verbundenen bewegten Massen von dem Geschwindigkeitsmessaufnehmer 7 sowie den Druckmesswert 35 von dem Druckmessaufnehmer 10. Die Steuereinheit 9 erzeugt daraus ein Steuersignal 40 für den elektrodynamischen Linearantrieb.

Fig. 2 zeigt die Regelung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung mit elektrodynamischem Ventilantrieb. Die Regelung des Ventils 3, 4 erfolgt damit wie folgt:
Das Steuersignal 40 erzeugt in der Antriebsinduktivität 24 den Ansteuerstrom 41 für das Antriebssystem 5. Dessen Antriebskraft 42 ergibt zusammen mit den Störkräften 43 die auf die beweglichen Teile wirkende Beschleunigung 44, die über den ersten Streckenintegrator 25 zur Geschwindigkeit 45 der Membran führt. Ausgangsseitig ergibt sich aus der Geschwindigkeit 45 durch den zweiten Streckenintegrator 26 die Membranposition 46. Aus Membranposition 46, Vordruck 47 und Hinterdruck 48 ergibt sich durch die Ventilcharakteristik 27 die Gasdurchflussrate 49. Diese ergibt im Schlauchsystem 11 zusammen mit dem Patientenfluss 50 den Patientendruck 51. Der Ansteuerstrom 41 wird mittels des Strommessaufnehmers 6 gemessen und der Strommesswert 32 wird dem Stromsignalkonditionierer 20 zugeführt. Die Geschwindigkeit 45 wird mittels des Geschwindigkeitsmessaufnehmers 7 gemessen und der Geschwindigkeits messwert 33 wird dem Geschwindigkeitssignalkonditionierer 21 zugeführt. Die Gasdurchflussrate 49 wird mittels des Gasdurchflussratenmessaufnehmers 8 gemessen und der Gasdurchflussratenmesswert 34 wird dem Gasdurchfluss ratensignalkonditionierer 22 zugeführt.

Für den Fall, dass die Gasdurchflussrate eingestellt werden soll, wird an der Summierstelle 28 durch Differenzbildung zwischen dem Gasdurchfluss ratensollwert 30 und dem Ausgangssignal 36 des Stromsignalkonditionierers 20 sowie dem Ausgangssignal 37 des Geschwindigkeitssignalkonditionierers 21 sowie dem Ausgangssignal 38 des Gasdurchflussratensignalkonditionierers 22 das Steuersignal 40 für das Antriebssystem 5 ermittelt. Der Drucksollwert 31 ist in diesem Falle Null.

Für den Fall, dass der Patientendruck eingestellt werden soll, wird an der Summierstelle 28 durch Differenzbildung zwischen dem Drucksollwert 31 und dem Ausgangssignal 36 des Stromsignalkonditionierers 20 sowie dem Ausgangssignal 37 des Geschwindigkeitssignalkonditionierers 21 sowie dem Ausgangssignal 39 des Drucksignalkonditionierers 23 das Steuersignal 40 für das Antriebssystem 5 ermittelt. Der Gasdurchflussratensollwert 30 ist in diesem Falle Null.

Sowohl der Stromsignalkonditionierer 20 als auch der Geschwindigkeitssignal konditionierer 21, der Gasdurchflussratensignalkonditionierer 22 und der Drucksignalkonditionierer 23 haben in ihrer einfachsten Ausgestaltung proportionales Übertragungsverhalten. Natürlich können hier auch andere, insbesondere nichtlineare Übertragungsverhalten vorteilhaft eingesetzt werden. So werden zur Filterung der Messwerte analoge oder digitale Tiefpässe verwendet, wobei die Gewichtung der Signale über einen proportionalen Faktor erfolgt. Die Amplitude der resultierenden Signale wird durch einen Begrenzer innerhalb eines gewünschten Bereiches gehalten.

Der analoge Geschwindigkeitsmesswert 33 wird einer analogen Signalverarbeitung zugeführt. Diese beinhaltet eine analoge Verstärkung sowie eine analoge Summierstelle 28. Die Ausführung dieser Signalverarbeitung in analoger Schaltungstechnik ermöglicht eine maximale Signalübertragungs geschwindigkeit und stellt somit die geforderte maximale Wirksamkeit der Dämpfung sicher. Der sich durch das Steuersignal 40 im Antriebssystem 5 einstellende Ansteuerstrom 41 wird mittels eines Widerstands in eine Spannung gewandelt und gemessen. Um eine maximale Signalübertragungsgeschwindig keit zu erzielen, erfolgt auch hier die Signalübertragung analog. Nach einer analogen Vorverarbeitung erfolgt die Signalverarbeitung für den Gasdurch flussratenmesswert 34 sowie für den Druckmesswert 35 in digitaler Form, um in der weiteren Signalverarbeitung möglichst flexibel zu sein. Bauteile
1 Zuflussleitung
2 Abflussleitung
3 Krater
4 Ventilverschlussmittel
5 Antriebssystem
6 Strommessaufnehmer
7 Geschwindigkeitsmessaufnehmer
8 Gasdurchflussratenmessaufnehmer
9 Steuereinheit
10 Druckmessaufnehmer
11 Schlauchsystem
Regelungsblöcke
20 Stromsignalkonditionierer
21 Geschwindigkeitssignalkonditionierer
22 Gasdurchflussratensignalkonditionierer
23 Drucksignalkonditionierer
24 Antriebsinduktivität
25 erster Streckenintegrator
26 zweiter Streckenintegrator
27 Ventilcharakteristik
28 Summierstelle
Signale
30 Gasdurchflussratensollwert
31 Drucksollwert
32 Strommesswert
33 Geschwindigkeitsmesswert
34 Gasdurchflussratenmesswert
35 Druckmesswert
36 Ausgangssignal des Stromsignalkonditionierers
37 Ausgangssignal des Geschwindigkeitssignalkonditionierers
38 Ausgangssignal des Gasdurchflussratensignalkonditionierers
39 Ausgangssignal des Drucksignalkonditionierers
40 Steuersignal
41 Ansteuerstrom
42 Antriebskraft
43 Störkräfte
44 Beschleunigung
45 Geschwindigkeit
46 Membranposition
47 Vordruck
48 Hinterdruck
49 Gasdurchflussrate
50 Patientenfluss
51 Patientendruck

Claims

1. Ventilanordnung zur Regelung der Durchflussrate eines Gases mit einem Ventil (3, 4), mit einem Krater (3) und einem Ventilverschlussmittel (4) zur Einstellung der Gasdurchflussrate, mit einer Zuflussleitung (1) und mit einer Abflussleitung (2), mit einem Antriebssystem (5) zur Steuerung der Position des Ventilverschlussmittels (4) relativ zum Krater (3) sowie einem Gasdurchffussratenmessaufnehmer (8) und einer Steuereinheit (9) für die Steuerung des Antriebssystems (5) mittels eines Steuersignals (40), dadurch gekennzeichnet, dass ein Geschwindigkeitsmessaufnehmer (7) zur Messung der Geschwindigkeit des Ventilverschlussmittels (4) relativ zum Krater (3) vorhanden ist, dessen Ausgangssignal zur Berechnung des Steuersignals (40) für das Antriebssystem (5) verwendet wird.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch Differenzbildung aus dem Gasdurchflussratensollwert (30), dem Ausgangssignal (37) des Geschwindigkeitssignalkonditionierers (21) und dem Ausgangssignal (38) des Gasdurchflussratensignalkonditionierers (22) ermittelt wird.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch zusätzliche Differenzbildung aus dem Ausgangssignal (36) des Stromsignal konditionierers (20) ermittelt wird.

4. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch Differenzbildung aus dem Drucksollwert (31), dem Ausgangssignal (37) des Geschwindigkeitssignal konditionierers (21) und dem Ausgangssignal (39) des Drucksignal konditionierers (23) ermittelt wird.

5. Ventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch zusätzliche Differenzbildung aus dem Ausgangssignal (36) des Stromsignal konditionierers (20) ermittelt wird.

6. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch Differenzbildung aus dem Drucksollwert (31), dem Gasdurchflussratensollwert (30), dem Ausgangs signal (37) des Geschwindigkeitssignalkonditionierers (21), dem Ausgangs signal (38) des Gasdurchflussratensignalkonditionierers (22) und dem Ausgangssignal (39) des Drucksignalkonditionierers (23) ermittelt wird.

7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (40) für das Antriebssystem (5) durch zusätzliche Differenz bildung aus dem Ausgangssignal (36) des Stromsignalkonditionierers (20) ermittelt wird.

8. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (5) als elektrodynamischer Antrieb ausgebildet ist.

9. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (5) als elektromagnetischer Antrieb ausgebildet ist.

10. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (5) als piezoelektrisches Antriebssystem ausgebildet ist.

11. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchflussratenmessaufnehmer (8) ein thermischer Massenstromsensor ist.

12. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchflussratenmessaufnehmer (8) ein Sensor auf Basis einer Differenzdruckmessung über einem festen pneumatischen Widerstand ist.

13. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchflussratenmessaufnehmer (8) ein Sensor auf Basis einer Differenzdruckmessung über dem Öffnungsspalt zwischen Krater (3) und Ventilverschlussmittel (4) ist, wobei der Öffnungsspalt über einen Positionssensor gemessen wird.

14. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Geschwindigkeitsmessaufnehmer (6) ein elektrodynamischer Sensor ist und vorzugsweise im Magnetfeld des Antriebssystems (5) platziert ist.

15. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Vordruck (47) vor dem Ventil (3, 4) und Hinterdruck (48) hinter dem Ventil (3, 4) zwischen 2 und 10 liegt.

16. Ventilanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Vordruck (47) vor dem Ventil (3, 4) und Hinterdruck (48) hinter dem Ventil (3, 4) zwischen 1 und 2 liegt.

17. Ventilanordnung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung in Beatmungs- oder Anästhesie geräten für die Gasdosierung beatmeter Patienten.