DE102010024680A1

DE102010024680A1 - Vorrichtung und Verfahren zur lageunabhängigen Füllmengenbestimmung sowie Verwendung

Info

Publication number: DE102010024680A1
Application number: DE102010024680A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur lage-unabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums (3) innerhalb eines Behälters (5), umfassend wenigstens einen Behälter (5) mit wenigstens einer Behälterwand (7), wobei der Behälter (5) eine veränderbare Füllmenge des wenigstens einen Mediums (3) aufweist, wobei die wenigstens eine Behälterwand (7) wenigstens ein Element (9) aufweist, welches zur Durchführung einer Impedanzmessung geeignet bzw. elektrisch leitfähig ist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums (3) innerhalb wenigstens eines Behälters (5) und die Verwendung der genannten Vorrichtung (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur lage-unabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums innerhalb eines Behälters, umfassend wenigstens einen Behälter mit wenigstens einer Behälterwand, wobei der Behälter eine veränderbare Füllmenge des wenigstens einen Mediums aufweist, ein Verfahren zur Füllmengenbestimmung und die Verwendung der Vorrichtung, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1, 4 und 7.
Es sind aus dem Stand der Technik verschiedenartige Messverfahren und Vorrichtungen zur Erfassung von Füllständen bzw. Füllmengen bekannt. Dabei handelt es sich im Allgemeinen um Verfahren und Vorrichtungen, welche die Füllstände über optische, mechanische, beispielsweise mittels Schwimmer oder durch Gewichtsmessung oder elektrische Verfahren bestimmen, beispielsweise über Leitfähigkeiten oder akustische Verfahren, beispielsweise Ultraschall. DE 19516789 beschreibt die Anwendung der Mikrowellentechnik. Bei diesen Verfahren werden Sensoren in das Medium eingebracht, wie in DE 10 2006 045 654 oder DE 10 2008 027 921 beschrieben, und/oder am Behältnis des Mediums oder durch Sichtfenster angebracht, wie in DE 19934041 offenbart.
Dabei ergibt sich aber häufig das Problem, dass diese bisherigen Verfahren bzw. Sensoranordnungen mit sich während des Gebrauchs ändernden Geometrien, wie beispielsweise bei flexiblen Behältnissen, zu erheblichen Messfehlern führen. Außerdem ist die Lageunabhängigkeit dieser Systeme nicht gegeben und/oder sind diese nicht für flexible bzw. verformbare Behälterwände geeignet.
Daher können derartige Systeme nicht bei Problemstellungen eingesetzt werden, wo mindestens einer der beiden genannten Aspekte zu beachten ist, beispielsweise bei Bluttransfusionsbeuteln. Besonders aber beim Zusammentreffen beider Anforderungen, das heisst der weitestgehenden Lageunabhängigkeit und der Notwendigkeit von flexiblen oder zumindest teil-flexiblen Behälterwandungen muss ein anderer Ansatz gefunden werden. Dies ist beispielsweise bei einem im menschlichen Körper implantierten flexiblen Harnreservoir der Fall, welches beispielsweise aufgrund der krebs- oder unfallbedingten vollständigen Entfernung der natürlichen Harnblase zum Einsatz kommt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zur lage-unabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums innerhalb eines Behälters bereit zu stellen, wobei der Behälter eine veränderbare Füllmenge des wenigstens einen Mediums aufweist und wobei eine Füllmengenmessung auch an einem zumindest teilweise verformbaren Behälter in hoher Genauigkeit, schnell und einfach durchführbar ist. Ferner liegt der Erfindung die Bereitstellung eines Verfahren zur Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums innerhalb wenigstens eines Behälters und die Verwendung der genannten Vorrichtung zugrunde.
Diese Aufgaben werden vorrichtungs- und verfahrensseitig durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 4 sowie bezüglich der Verwendung der genannten Vorrichtung durch den nebengeordneten Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung zur lage-unabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums innerhalb eines Behälters wenigstens einen Behälter mit wenigstens einer Behälterwand, wobei der Behälter eine veränderbare Füllmenge des wenigstens einen Mediums aufweist und wobei insbesondere die wenigstens eine Behälterwand wenigstens ein Element aufweist, welches zur Durchführung einer Impedanzmessung geeignet bzw. elektrisch leitfähig sind.
Dabei kann sich das Behältnis selbst wieder in einem anderen ihn umgebenen Medium, beispielsweise Gasen, Flüssigkeit oder körnigem Feststoff befinden. Als Medium kommen z. B. Flüssigkeiten und körnige Feststoffe in Frage. Die Raumlage des Behältnisses ist dabei unerheblich.
Das Behältermaterial kann unter Umständen aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen, solange die Elemente der Leiterschleife dazu isoliert sind. Bei nicht leitfähigem Behältermaterial kann daher das wenigstens eine Element auch aus einem nicht isolierten Draht bestehen. Der Behälter selbst kann zumindest in Teilbereichen aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dies ist sowohl für Materialkombinationen aus elektrisch leitfähigen als auch elektrisch nicht leitfähigen Materialien vorgesehen.
In das vorzugsweise flexible, beliebig geformte Behältnis wird als Element mindestens ein Leiter bestehend aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht, beispielsweise aus Aluminium, Kupfer, Silber, Gold oder zumindest ein flexibles leitfähiges Material, beispielsweise elektrisch leitfähiger Kunststoff derart in die Behälterwand eingebracht, dass sich die Leiterschleife spiralförmig, beispielsweise horizontal und/oder vertikal oder in beliebiger Lage um den Hohlkörper, den das Behältnis als Reservoir bildet, gewickelt wird oder in dessen Wandung nach oder während der Herstellung eingebettet wird. Der Behälter kann dabei vorteilhaft aus einem elektrisch nicht leitenden Material bestehen. Der Behälter kann für körnige Materialien auch als Gewebesack ausgebildet sein, in welchen bei der Herstellung eine leitende Faser mit eingewebt wurde oder nachträglich durchgezogen wurde. Dabei können nicht nur eine, sondern mehrere Elemente bzw. Leiterschleifen eingesetzt werden. Dies können in der gleichen axialen Lage zur ersten Spule liegen, jedoch sind je nach Anforderung an die Genauigkeit bzw. nach Form des Behälters auch alle denkbaren Zwischenlagen möglich, d. h. zwischen 0° und 90° zur Hauptachse der ersten Spule.
Die Windungsdichte der Spule, d. h. die Anzahl Windungen je Flächeneinheit, kann zur besseren Anpassung bezüglich Auflösung bzw. Genauigkeit and die Form des jeweiligen Behälters angepasst werden. Beispielsweise können in Bereichen, wo größere Verformungen bzw. Lageveränderungen beim Befüllen bzw. Entleeren des Behälters auftreten, mehr oder weniger Windungen je Flächeneinheit in die Behälterwand eingebracht bzw. auf die Behälterwand aufgebracht werden. Die Windungsdichte liegt bevorzugt im Bereich von 1/m² bis ungefähr 100/m² Damit wird vorteilhaft eine Anpassung an die eingesetzten Materialien und Formen des Behälters sowie dies Mediums unterstützt.
In jeder Form entsteht eine elektrische Spule, die je nach Füllmenge im Behältnis eine andere Impedanz aufweist. Die Spule wird vorteilhaft mit einer Impedanzmessvorrichtung verbunden. Die Anordnung der Spule ist vorteilhaft im Innern des Behälters bzw. der Behälterwand vorgesehen, sofern das Element zum zu bestimmenden Medium elektrisch isoliert angebracht ist. Gegebenenfalls kann die Spule auch auf die Außenwand des Behälters aufgebracht werden. Somit kann das erfindungsgemäße System vorteilhaft auch für bereits bestehende Behältnisse nachgerüstet werden. Der Behälter selbst kann selbstverständlich auch feste Behälterwandungen aufweisen, so dass die Erfindung jede denkbare Behälterform umfasst.
Zur Anpassung an das Medium und zur etwaigen Verdeutlichung der Impedanz kann zusätzlich ein Kondensator in Reihe oder parallel in die Anschlussleitungen der Spule eingebracht werden.
Durch das Erfassen der Impedanzwerte bei verschieden Füllmengen des Behältnisses kann die Füllstandserkennung an das Material des Behältnisses, an das zu messende Medium und an das das Behältnis umgebende Medium angepasst werden.
Bei Verwendung eines flexiblen Behältnisses können die Seitenwände nach der vollständigen Entleerung aneinander liegen, vergleichbar einer Plastiktüte. Es kann sich, in dem Behältnis ein weiteres Medium befinden, beispielsweise Luft oder ein anderes Gas oder Gasgemisch, welches beispielsweise bei einem zumindest teilweise starren Behältnis bei Entleerung nachströmt bzw. bei der Befüllung wieder entweicht.
Die Änderung der Impedanz ist auf die Mengenänderung der sich in der Spule befindlichen Materialien und/oder auf die sich ändernde effektiven Spulenfläche zurückzuführen.
Die Messung bei vorher festgelegten Füllständen, beispielsweise leer, voll und in gewünschten Zwischenständen, je nach erforderlicher Auflösung bzw. Genauigkeit, ergibt die Kalibrierwerte für die entsprechenden Volumina bzw. Füllmengen.
Diese Kalibrierwerte werden in einem Datenspeicher hinterlegt und später als Referenzwerte verwendet.
Es wird jeweils zur Füllstandbestimmung eine Impedanzmessung durchgeführt, bei der die Real- und Imaginärteile des komplexen Widerstandes ermittelt werden und mit den Werten bei der Kalibrierung verglichen werden. Damit ergibt sich die Füllmenge. Der Messbereich ist dabei automatisch auf das zu messende Medium und den Behälter abgestimmt.
Der ermittelte Wert wird entweder elektronisch in darstellbare Zeichen umgewandelt und beispielsweise auf einem Display angezeigt oder einer Steuerung zugeführt, die beispielweise den Zu- und Ablauf des Behälters beeinflussen oder Signale, beispielsweise Notrufsignale, absetzen kann.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 in Schrägansicht schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
2 in Draufsicht schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit zugeschalteter Impedanzmesseinrichtung;
3 in Seitenansicht in einer Ausführungsform einen flexiblen Infusionsbeitel als Bestanteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 in Schrägansicht in einer Ausführungsform ein flexibles Pellet Sacksilo als Bestanteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
5 in Schrägansicht in einer Ausführungsform eine implantierbare künstliche Harnblase als Bestanteil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Vorteile der in 1 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind unter anderem darin zu sehen, dass diese an verschiedenste zu messende Medien 3 anpassbar, beispielsweise Flüssigkeiten und/oder körnige Feststoffe, ist. Weiterhin sind verschiedenste Materialien als Behälter 5 denkbar, beispielsweise elektrisch leitende oder, bevorzugt, elektrisch nicht leitende.
Ein wesentliche Aspekt der Erfindung liegt darin, dass die Lage des Behälters 5 für das Ergebnis der Messung unerheblich ist; dabei ist die Auflösung und damit auch die Genauigkeit in weiten Bereichen an den Einsatzfall anpassbar. Das Verfahren ist darüber hinaus einsetzbar sowohl für brennbare als auch für nicht brennbare Medien 3.
Die 3, 4 und 5 zeigen Verwendungsbeispiele der Erfindung. Ein Anwendungsbeispiel ist gemäß 4 beispielsweise eine künstliche Blase, die im menschlichen Körper implantiert wird und als Ersatz für die natürliche Blase, die beispielsweise aufgrund einer Krebserkrankung oder eines Unfalls entfernt wurde, den Harn, der von den Nieren produziert wird, bis zur Entleerung aufnimmt. Hierbei muss die Füllmenge in diesem Harnreservoir ermittelt werden.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die in 3 dargestellte Erfassung der Füllmengen von Infusions- oder Transfusionsbeuteln, beispielsweise zur Überwachung während Operationen oder auf Intensivstationen. Damit kann eine zusätzliche Sicherheit für den Patienten erreicht werden, indem rechtzeitig ein Signal zum Wechsel ausgegeben werden kann.
5 zeigt als Verwendungsbeispiel die Überwachung von Harnsammelbeuteln bei Dauerkatherisierung außerhalb des Körpers. Dadurch kann vorteilhaft eine ständige manuelle Kontrolle und so eine Entlastung des Klinikpersonals erreicht werden.
Außerhalb der Medizintechnik sind weitere Anwendungen in der Erfassung der Füllstände von Pelletsacksilos, dargestellt in 4, beispielsweise bei Heizungsanlagen, als auch im Allgemeinen von flüssigen Treib- und Brennstoffen möglich. Körnige Materialien, wie beispielsweise Kunststoffgranulate für die Herstellung von Kunststoffformteilen werden auch häufig aus siloähnlichen Behältern bzw. Trichtersäcken oder Sacksilos entnommen, wobei die Füllmenge meist schwer mit bloßem Auge zu erkennen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19516789 [0002]
DE 102006045654 [0002]
DE 102008027921 [0002]
DE 19934041 [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur lage-unabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums (3) innerhalb eines Behälters (5), umfassend wenigstens einen Behälter (5) mit wenigstens einer Behälterwand (7), wobei der Behälter (5) eine veränderbare Füllmenge des wenigstens einen Mediums (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Behälterwand (7) wenigstens ein Element (9) aufweist, welches zur Durchführung einer Impedanzmessung geeignet bzw. elektrisch leitfähig sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element (9) elektrisch leitfähig ist und/oder die wenigstens eine Behälterwand (7) in Ihrer Form zumindest teilweise veränderbar ist und/oder die elektrisch leitfähigen Elemente (9) bevorzugt innerhalb der Behälterwand (7) angeordnet sind oder die elektrisch leitfähigen Elemente (9) bevorzugt außerhalb und/oder auf der Behälterwand (7) angeordnet sind und die elektrisch leitfähigen Elemente (9) in Form einer elektrischen Spule (9) ausgebildet sind und/oder das wenigstens eine elektrische Element (9) gegenüber der wenigstens einen Behälterwand (7) elektrisch isoliert und mit einer Impedanzmesseinheit (11) verbunden sind.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (3) eine oder mehrere Substanzen wie Fluide und/oder körnige Feststoffe umfasst, deren Füllmenge bezüglich des Behälters (5) mittels vorkalibrierter Impedanzmessung lageunabhängig bestimmbar ist und/oder die Füllmenge des Mediums (3) bezüglich des Behälters (5) mittels vorkalibrierter Impedanzmessung lageunabhängig bestimmbar ist und/oder die Behälterwand (7) zumindest teilweise aus einem verformbaren, künstlichen oder natürlichem Polymerwerkstoff gefertigt ist oder die Behälterwand (7) zumindest teilweise aus netzartigem Material gefertigt ist und/oder der Behälter (5) eine künstliche Harnblase, ein Infusions- und/oder Transfusionsbeutel, Harnsammelbeutel, ein Pelletsacksilo, ein Granulatverpackungsbehälter oder dergleichen ist.
Verfahren zur lageunabhängigen Bestimmung der Füllmenge wenigstens eines Mediums (3) innerhalb wenigstens eines Behälters (5) mit einer Behälterwand (7), welche wenigstens ein elektrisch leitfähiges Element (9) aufweist, gekennzeichnet durch Bestimmen der Impedanz bezogen auf den wenigstens einen Behälter (5) und das darin in veränderbarer Menge enthaltene Medium (3).
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Ausbildung wenigstens einer elektrischen Spule (9) durch das wenigstens eine elektrisch leitfähige Element; Vergleichen der bestimmten Impedanz mit vorbestimmten Kalibrierwerten unter Berücksichtigung der spezifischen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Mediums (3); Ermitteln der relativen Füllmenge des Mediums (3) anhand der vorbestimmten Kalibrierwerte; Anzeigen und/oder Ausgeben der relativen Füllmenge des Mediums (3) innerhalb des wenigstens einen Behälters (5), bezogen auf das Volumen des Behälters bzw. mindestens einen Kalibrierwert, und/oder Anzeigen und/oder Ausgeben eines Signals bezüglich Medienzuführung und/oder -Abführung in/oder aus dem wenigstens einen Behälter (5).
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch vorhergehende Durchführung von wenigstens zwei Impedanzbestimmungen verschiedener, bekannter Füllmengen eines bekannten Mediums (3) innerhalb des wenigstens einen Behälters (5), und Speichern der erhaltenen Kalibrierwerte in einem Datenspeicher und/oder vorhergehende Durchführung von Impedanzbestimmungen verschiedener Medien unter Berücksichtigung der spezifischen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des jeweiligen Mediums (3), beispielsweise Fluide und/oder körnige Festkörper, zur Bestimmung von medienspezifischen Korrekturfaktoren.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zur Bestimmung der Füllmenge eines Mediums (3) innerhalb eines Behälters (5) gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Behälter (5) eine künstliche Harnblase, ein Infusions- und/oder Transfusionsbeutel, ein Harnsammelbeutel, ein Pelletsacksilo, ein Granulatverpackungsbehälter oder dergleichen vorgesehen ist.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium (3) wenigstens eine biologisch-medizinisch relevante Flüssigkeit und/oder ein körniger Feststoff vorgesehen ist und/oder als Medium (3) Harn, Wasser, Alkohol, Blut, Salzlösung oder dergleichen vorgesehen ist.
Verwendung nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Füllmenge des Mediums (3) innerhalb des wenigstens einen Behälters (5) unabhängig von der räumlichen Lage des Behälters (5) erfolgt.