DE102010045193A1

DE102010045193A1 - Steuervorrichtung zur Steuerung der Heizleistung einer elektrischen Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE102010045193A1
Application number: DE201010045193
Authority: DE
Inventors: Marcello Lanfranchi; Holger Milnikel
Original assignee: WILAMED GmbH
Current assignee: WILAMED GmbH
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-03-08

Abstract

Spannungsschwankungen einer Versorgungsspannungsquelle (UN, US) kompensierende Steuervorrichtung zur Steuerung der von der Versorgungsspannungsquelle (UN, US) abhängigen Heizleistung einer elektrischen Heizvorrichtung zur Beheizung einer heizbedürftigen Einrichtung, insbesondere eines Atemluftschlauchs (19, 20), über welchen einem zu beatmenden Patienten von einem Beatmungsgerät befeuchtete Atemluft zuführbar ist, wobei die Steuervorrichtung aufweist: eine mittels eines Steuersignals steuerbare Schaltungseinrichtung, dazu ausgebildet, der Heizvorrichtung eine von einer Versorgungsspannung der Versorgungsspannungsquelle (UN, US) abgeleitete Heizspannung zuzuführen, die in Abhängigkeit von dem Steuersignals modifiziert ist; eine Messvorrichtung, dazu ausgebildet, ein einem jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert entsprechendes Messsignal (25) zu liefern; und eine Messsignalauswertungsvorrichtung, dazu ausgebildet, ein dem jeweiligen Messsignal (25) entsprechendes Modifikationssignal (27) zu generieren, welches ein der Schaltungseinrichtung zugeführtes Steuersignal (29, 31) bewirkt, welches die Schaltungseinrichtung zum Erhalt einer hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle (UN, US) kompensierten Heizleistung steuert.

Description

Beim normalem Atmen wird die Atemluft auf ihrem Weg durch Nase, Rachen und Luftröhre konditioniert, d. h. erwärmt und befeuchtet. Etwa drei Viertel der Wärme und Feuchtigkeit werden der Atemluft von den Schleimhäuten im Nasen-Rachen-Raum zugefügt, das restliche Viertel in der Luftröhre. An der Luftröhrengabelung im Lungenbereich ist ein „Isothermische Sättigungsgrenze” genannter Gleichgewichtszustand von Wärme und Feuchtigkeit erreicht. Dort hat die eingeatmete Luft eine Temperatur von 37°C und 100% relative Luftfeuchtigkeit, ist also mit Wasserdampf gesättigt und enthält 44 mg Wasserdampf pro Liter Luft, womit die unteren Atemwege befeuchtet werden. Durch diese natürliche Aufbereitung der Atemluft werden die Lungenflügel gegen Austrocknung geschützt.
Im klinischen Bereich, z. B. während der Anästhesie bei einer Operation oder bei nicht ausreichender Eigenatmungsfähigkeit eines Patienten kann eine aktive Beatmung des Patienten mittels eines Beatmungsgerätes erforderlich sein. Die aktive Beatmung kann nicht-invasiv, d. h. über eine Atemmaske, oder invasiv, d. h. über Intubation mit Trachealkanüle oder über Mund- oder Nasensonde, erfolgen. Während bei nicht-invasiver Beatmung eine Voll- oder Teilkonditionierung des Beatmungsgases in Form von Erwärmung und Befeuchtung auf natürliche Weise erhalten bleibt, gelangt bei invasiver Beatmung das Beatmungsgas nicht über den Nasen- und Rachenraum des Patienten und daher fällt ein großer Teil der bei natürlicher Atmung erfolgenden Konditionierung des Beatmungsgases weg.
Bei der aktiven Beatmung in Krankenhäusern wird üblicherweise aus einer zentralisierten Beatmungsgasquelle Beatmungsgas geliefert, das so kalt und trocken ist, dass es von den oberen Atemwegen allein nicht ausreichend konditioniert werden kann. Denn zum Schutz des Leitungssystems dieser zentralen Beatmungsgasversorgung liefert diese üblicherweise trockenes Beatmungsgas und zwar etwa bei Zimmertemperatur. Daher ist eine externe Konditionierung des bei der aktiven Beatmung verabreichten Beatmungsgases, d. h. eine aktive Erwärmung und Sättigung des Beatmungsgases mit Wasserdampf vor dessen Verabreichung an den Patienten, weit verbreitet.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine bekannte Beatmungseinrichtung 11 zur aktiven Beatmung mit einer Beatmungsgaskonditionierungseinrichtung 13 zur Konditionierung des der Lunge 15 eines Patienten zugeführten Beatmungsgases. Dieses stammt von einem nicht gezeigten Auslassanschluss einer nicht gezeigten Beatmungsgasquelle, z. B. von einer zentralen Beatmungsgasversorgung eines Krankenhauses. Aus den genannten Gründen muss das vom Auslassanschluss abgenommene Beatmungsgas mittels der Beatmungsgaskonditionierungseinrichtung 13 konditioniert, d. h. auf eine derartige Temperatur und einen derartigen Feuchtigkeitsgehalt gebracht werden, dass das Beatmungsgas in der Lunge 15 des Patienten mit richtiger Temperatur und Feuchtigkeit ankommt, welche den bei natürlicher Atmung mit Hilfe des Nasen-Rachen-Raums erhaltenen Werten in etwa entsprechen. Die Beatmungsgaskonditionierungseinrichtung 13 erhält eingangsseitig über einen Verbindungsschlauch 17 das von der Beatmungsgasquelle gelieferte Beatmungsgas, konditioniert das angelieferte Beatmungsgas hinsichtlich Temperatur und Feuchtigkeit mittels in der Beatmungsgaskonditionierungseinrichtung 13 befindlichen und mittels einer Heizeinrichtung 33 erwärmten Wassers 31 und liefert das konditionierte Beatmungsgas über einen ausgangsseitig angeschlossenen inspiratorischen Atemluftschlauch 19 an den Patienten. Das vom Patienten ausgeatmete Beatmungsgas wird über einen expiratorischen Atemluftschlauch 20 zum Beatmungsgerät zurückgeführt.
Die beiden im System verwendeten Atemluftschläuche 19 und 20 müssen beheizt werden, um zum einen die Atemluft für den Patienten anzuwärmen und um zum anderen Kondensation in den Atemluftschläuchen 19 und 20 zu vermeiden, die eine Beschädigung des Beatmungsgerätes bewirken könnte. Die Atemluftschläuche 19 und 20 führen von der Beatmungsgaskonditionierungseinrichtung 13 (Luftbefeuchter) zum Patienten (inspiratorischer Zweig) und vom Patienten zurück zum Beatmungsgerät (expiratorischer Zweig). Die Erwärmung geschieht über sich im jeweiligen Atemluftschlauch befindliche Heizdrähte. Um den Schaltungsaufwand zu verringern und um die Verlustleistung im Gerät zu minimieren werden die Heizdrähte direkt über Halbleiterschalter an der Sekundärseite des Transformators betrieben. Die Ansteuerung der Heizdrähte erfolgt hinsichtlich des inspiratorischen Heizdrahtes mittels Software in Abhängigkeit von der Temperatur des Patienten und hinsichtlich des expiratorischen Heizdrahtes entsprechend einem vom Benutzer einstellbaren Wert. Man verzichtet im Falle dieser Ansteuerung auf eine Stabilisierung der Versorgungsspannung für die Heizdrähte. Bei Netzspannungsschwankungen schwankt diese Versorgungsspannung und somit auch die Heizleistung. Da die Spannung quadratisch in die Heizleistung eingeht (siehe Gl. 1 unten), ist die Heizleistungsschwankung über den zulässigen Bereich der Netzspannungsschwankung erheblich.
Diesem Problem tritt eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung gemäß Patentanspruch 1 entgegen, wobei Ausführungsformen entsprechend den unabhängigen Patentansprüchen ausgebildet sein können.
Die Erfindung schafft eine Spannungsschwankungen einer Versorgungsspannungsquelle kompensierende Steuervorrichtung zur Steuerung der von der Versorgungsspannungsquelle abhängigen Heizleistung einer elektrischen Heizvorrichtung zur Beheizung einer heizbedürftigen Einrichtung, insbesondere eines Atemluftschlauchs, über welchen einem zu beatmenden Patienten von einem Beatmungsgerät befeuchtete Atemluft zuführbar ist Die Steuervorrichtung weist eine mittels eines Steuersignals steuerbare Schaltungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, der Heizvorrichtung eine von einer Versorgungsspannung der Versorgungsspannungsquelle abgeleitete Heizspannung zuzuführen, die in Abhängigkeit von dem Steuersignals modifiziert ist. Eine Messvorrichtung liefert ein einem jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert entsprechendes Messsignal. Eine Messsignalauswertungsvorrichtung generiert ein dem jeweiligen Messsignal entsprechendes Modifikationssignal, welches ein der Schaltungseinrichtung zugeführtes Steuersignal bewirkt, welches die Schaltungseinrichtung zum Erhalt einer hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle kompensierten Heizleistung steuert.
Auf diese Weise erreicht man, dass die Heizleistung der Heizvorrichtung, bei einer Ausführungsform der Erfindung in Form mindestens eines Heizdrahtes, von Schwankungen der Versorgungsspannung, bei einer Ausführungsform der Erfindung in Form einer Netzspannung, insbesondere der Sekundärspannung eines primärseitig mit Netzspannung versorgten Transformators, unabhängig und somit gleich bleibend ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung derart, dass es sich bei der gleich bleibenden Heizleistung um eine maximale Heizleistung handelt, die nicht überschritten werden soll, um eine schädigende Überhitzung, insbesondere der mit der Heizleistung beheizten Atemluftschläuche, zu vermeiden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Modifikationssignal in Abhängigkeit von dem aktuellen Versorgungsspannungswert derart generiert, dass bei einer Versorgungsspannung vorbestimmten minimalen Wertes eine Heizleistung vorbestimmten maximalen Wertes erreicht und bei höheren Versorgungsspannungswerten durch entsprechende Änderung des Modifikationssignals nicht höher wird sondern gleich bleibt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltungseinrichtung eine Schalteinrichtung auf, die in einem leitend geschalteten Zustand die Heizeinrichtung mit der Versorgungsspannungsquelle verbindet und in einem nichtleitend geschalteten Zustand die Heizeinrichtung von der Versorgungsspannungsquelle trennt. Eine Schaltsteuereinrichtung steuert ein hin und her Schalten der Schalteinrichtung zwischen leitendem Zustand und nichtleitendem Zustand in einem von dem Modifikationssignal abhängenden Tastverhältnis, welches zur Abgabe einer hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle kompensierten Heizleistung führt. Die Messeinrichtung liefert zu vorbestimmten Zeiten nichtleitend gesteuerter Schalteinrichtung ein dem jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert entsprechendes Messsignal. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Einflussnahme auf die Heizleistung, indem das Tastverhältnis entsprechend dem für eine bestimmte aktuelle Versorgungsspannung ermittelten Modifikationssignal auf gleich bleibendem Niveau gehalten wird. Das heißt, wenn bei einer minimalen Versorgungsspannung auf eine erwünschte maximale Heizleistung gesteuert wird, welcher ein bestimmtes Tastverhältnis entspricht, wird bei höheren Werten der Versorgungsspannung über ein entsprechendes Modifikationssignal das Tastverhältnis verringert, so dass die Heizvorrichtung während der jeweiligen Tastperiode im Mittel kürzer eingeschaltet ist, was zu einer Heizleistung führt, die gegenüber einer Heizleistung, die ansonsten bei einer solchen höheren versorgungsspannung erhalten würde, effektiv verringert ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist ausgebildet zur Steuerung der Heizleistungung einer inspiratorischen Heizvorrichtung zur Beheizung eines inspiratorischen Atemluftschlauchs, über welchen einem zu beatmenden Patienten von einem Beatmungsgerät befeuchtete Atemluft zuführbar ist, und zur Steuerung der Heizleistungung einer expiratorischen Heizvorrichtung zur Beheizung eines expiratorischen Atemluftabführschlauchs, über welchen von dem Patienten ausgeatmete Atemluft abführbar ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die inspiratorische Heizvorrichtung über eine mittels eines inspiratorischen Schaltsteuersignals steuerbare inspiratorische Schalteinrichtung und die expiratorische Heizvorrichtung über eine mittels eines expiratorischen Schaltsteuersignals steuerbare expiratorische Schalteinrichtung mit der Versorgungsspannungsquelle verbindbar. Die Messsignalauswertungsvorrichtung generiert ein dem jeweiligen Messsignal entsprechendes inspiratorisches Modifikationssignal, welches der inspiratorischen Schalteinrichtung als inspiratorisches Schaltsteuersignal zugeführt deren Tastverhältnis zur Abgabe einer vorbestimmten, hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle kompensierten inspiratorischen Heizleistung steuert, und generiert ein dem jeweiligen Messsignal entsprechendes expiratorisches Modifikationssignal, welches der expiratorischen Schalteinrichtung als expiratorisches Schaltsteuersignal zugeführt deren Tastverhältnis zur Abgabe einer vorbestimmten, hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle kompensierten expiratorischen Heizleistung steuert. Infolge der separaten Steuerung der beiden Heizvorrichtungen mit je einem zugehörigen eigenen Modifikationssignal und damit je einem zugehörigen eigenen Tastverhältnis kann die Gesamt-Steuervorrichtung unterschiedlichen Heizleistungsbedürfnissen für die inspiratorische Heizvorrichtung für den inspiratorischen Atemluftschlauch einerseits und für die expiratorische Heizvorrichtung für den expiratorischen Atemluftschlauch andererseits Rechnung tragen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind beide Heizvorrichtungen über ihre jeweilige Schalteinrichtung mit derselben Versorgungsspannungsquelle verbindbar. Es ist natürlich auch möglich, jeder der beiden Heizvorrichtungen je eine eigene Versorgungsspannungsquelle zuzuordnen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Versorgungsspannungsquelle durch eine Sekundärseite eines primärseitig mit Netzspannung beaufschlagbaren Spannungswandlers, insbesondere Transformators, gebildet. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass die Heizvorrichtungen und die Schalteinrichtungen, bei denen es sich vorzugsweise um Halbleiterschalter wie Schalttransistoren handelt, mit Niederspannung betrieben werden können.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist mindestens eine der Heizvorrichtungen mit einem elektrischen Heizdraht aufgebaut. In praktischen Ausführungsformen, die zur Heizung von Atemluftschläuchen dienen, sind beide Heizvorrichtungen als Heizdrähte ausgebildet.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung generiert die Messsignalauswertungsvorrichtung das Modifikationssignal in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messsignal der Messeinrichtung anhand einer elektronischen Tabelle, aus dem englischsprachigen Raum auch als look-up table bekannt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Messsignalauswertungsvorrichtung zur Generation des Modifikationssignals unter Anwendung des Algorithmus x = U_min ²/U_x ² ausgebildet. Dabei bedeuten x einen Modifikationsfaktor, U_min einen minimalen Versorgungsspannungswert und U_x den jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist jede der Heizvorrichtungen, beispielsweise in Form von Heizdrähten, je einen elektrischen Widerstand auf, welcher im eingeschalteten Zustand den aktuellen Wert der Versorgungsspannung beeinflusst. Dabei sind die Schaltsteuereinrichtungen derart steuerbar, dass sie in vorbestimmten Messperioden jeweils während eines ersten Messperiodenabschnittes die beiden Schalteinrichtungen für beide Heizvorrichtungen leitend schalten, während eines zweiten Messperiodenabschnittes nur die Schalteinrichtung für eine der beiden Heizvorrichtungen leitend schalten, und während eines dritten Messperiodenabschnittes nur die Schalteinrichtung für die andere der beiden Heizvorrichtungen leitend schalten. Die Messeinrichtung ist dabei derart ausgebildet, dass sie während jedes dieser Messperiodenabschnitte den jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert ermittelt und bis zu einer nächsten Messperiode festhält. Es ist eine Versorgungsspannungsmittelwertbildungsvorrichtung vorgesehen, die während der auf die jeweilige Messperiode jeweils folgenden Heizperioden, in denen jede der beiden Schalteinrichtungen jeweils für eine bestimmte Zeitdauer leitend und für eine bestimmte Zeitdauer nichtleitend geschaltet ist, unter Heranziehung der in der vorausgehenden Messperiode ermittelten aktuellen Versorgungsspannungswerte für die jeweilige Heizperiode einen jeweiligen Versorgungsspannungsmittelwert bestimmt und der Messsignalauswertungsvorrichtung zur Generierung der Modifikationssignale zuführt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden hinsichtlich der Steuerung der Heizleistung nicht nur Versorgungsspannungsschwankungen ausgeglichen sondern auch Veränderungen der Versorgungsspannung, die verursacht werden durch eine unterschiedliche Widerstandbelastung der Versorgungsspannungsquelle in Abhängigkeit davon, ob in einem betrachteten Moment nur eine der beiden Heizvorrichtungen, beide Heizvorrichtungen oder keine der Heizvorrichtungen eingeschaltet sind. Beispielsweise bei Ausbildung der Heizvorrichtungen als Heizdrähte ändert sich der ohmsche Gesamtwiderstand, mit welchem die Versorgungsspannungsquelle jeweils belastet wird, in Abhängigkeit davon, wieviele Heizdrähte gerade eingeschaltet und somit an die Versorgungsspannungsquelle angeschlossen sind, und im Fall von unterschiedlichen Drahtwiderständen der beiden Heizdrähte auch in Abhängigkeit davon, welcher der beiden Heizdrähte gerade eingeschaltet ist. Mit den Maßnahmen dieser Ausführungsform lassen sich also sowohl durch Versorgungsspannungsschwankungen als auch durch Heizdrahtwiderstände verursachte Heizleistungsschwankungen vermeiden.
Bei einer Variante dieser Ausführungsform der Erfindung wird der jeweilige Versorgungsspannungsmittelwert algorithmisch ermittelt. Wenn in einer Heizperiode die inspiratorische Einschaltdauer t_insp größer ist als die expiratorische Einschaltdauer t_exp, wenn also gilt t_insp > t_exp, erfolgt die Bestimmung des Versorgungsspannungsmittelwerts U mithilfe des Algorithmus
Ansonsten erfolgt die Bestimmung des Versorgungsspannungsmittelwerts mithilfe des Algorithmus
In beiden Fällen ergibt sich daraus ein Modifikationsfaktor x = U_min ²/U².
Dabei bedeuten U_min den minimalen Versorgungsspannungswert, U den jeweiligen Versorgungsspannungsmittelwert, t_both die Zeitdauer, in welcher beide Schalteinrichtungen leitend geschaltet sind, T die Periodendauer der jeweiligen Heizperiode und U_insp, U_exp und U_both die während der vorausgehenden Messperiode von der Messeinrichtung bei leitend Schalten nur der inspiratorischen Schalteinrichtung bzw. nur der expiratorischen Schalteinrichtung bzw. beider Schalteinrichtungen ermittelten aktuellen Versorgungsspannungswerte.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen zusätzlich erläutert. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
1 in schematischer Darstellung die bereits erwähnte bekannte Beatmungseinrichtung;
2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizleistungssteuervorrichtung, teilweise in Blockschaltbilddarstellung;
3 ein Beispiel einer maximalen Heizdrahtleistung in Abhängigkeit einer Netzspannung; und
4 bei einer Ausführungsform der Erfindung auftretende Spannungsverläufe in Abhängigkeit von der Zeit.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizleistungssteuervorrichtung zur Steuerung der Heizleistung von Heizdrähten dient als Versorgungsspannung eine an einer Sekundärseite eines Transformators 11 abgenommene Sekundärspannung U_S, wobei die Primärseite des Transformators 11 an eine Netzspannungsquelle angeschlossen ist, welche eine Netzspannung UN in Form einer Wechselspannung AC von nominal 230 V liefert. Von der Sekundärspannung U_S werden ein inspiratorischer Heizdraht 13 und ein expiratorischer Heizdraht 15 mit Heizenergie versorgt. Der inspiratorische Heizdraht 13 befindet sich in einer inspiratorischen Reihenschaltung mit einem inspiratorischen Schalter 17 und der expiratorische Heizdraht 15 befindet sich in einer expiratorischen Reihenschaltung mit einem expiratorischen Schalter 19. Die beiden Reihenschaltungen sind in Parallelschaltung an die Sekundärseite des Transformators 11 angeschlossen. Bei praktischen Ausführungsformen sind die beiden Schalter 15 und 19 als Halbleiterschalter ausgebildet, beispielsweise in Form von Schalttransistoren oder Thyristoren.
Schaltsteueranschlüsse der beiden Schalter 17 und 19 sind je mit einem zugehörigen Steuersignalausgang einer Schaltsteuereinrichtung 21 verbunden, die eingangsseitig mit einem Signalausgang 27 einer Messsignalauswertungseinrichtung 23 verbunden ist. Diese ist eingangsseitig mit dem Ausgang einer Messeinrichtung V verbunden, mittels welcher die aktuelle Sekundärspannung U_S gemessen werden kann.
Im Betrieb dieser Heizleistungssteuervorrichtung werden die beiden Schalter 17 und 19 unter Steuerung je eines Ausgangssignals 31 bzw. 29 der Schaltsteuereinrichtung 21 je periodisch leitend und nicht leitend gesteuert, und zwar mit einem Tastverhältnis, welches von dem je zugehörigen Ausgangssignal der Schaltsteuereinrichtung 21 abhängt. Zu vorbestimmten Zeiten, zu welchem keiner der beiden Schalter 17 und 19 leitend gesteuert ist, wird mittels der Messeinrichtung V der jeweils aktuelle Sekundärspannungswert U_S gemessen und der Messsignalauswertungseinrichtung 21 als Messsignal 25 zugeführt. Die Messsignalauswertungseinrichtung 23 generiert ein von dem Messsignal 25 abhängendes Modifikationssignal 27, genauer ein inspiratorisches Modifikationssignal 27a und ein expiratorisches Modifikationssignal 27b, und führt diese Signaleingängen der Schaltsteuereinrichtung 21 zu. Diese erzeugt in einem inspiratorischen Teil 21a ein von dem inspiratorischen Modifikationssignal 27a abhängendes Schaltsteuersignal 29, welches dem Steueranschluss des inspiratorischen Schalters 17 zugeführt wird, und erzeugt in einem expiratorischen Teil 21b ein von dem expiratorischen Modifikationssignal 27b abhängendes Schaltsteuersignal 31, welches dem Steueranschluss des expiratorischen Schalters 19 zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich für jeden der beiden Schalter 17 und 19 individuell ein von dem jeweiligen aktuellen Sekundärspannungswert abhängendes Tastverhältnis steuern, welches in dem je zugehörigen Heizdraht 13 bzw. 15 eine Heizleistung bewirkt, die von dem jeweiligen Tastverhältnis abhängt, das seinerseits von dem jeweiligen Modifikationssignal 27a bzw. 27b abhängt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Heizleistungssteuervorrichtung derart konzipiert, dass unabhängig vom jeweils aktuellen Wert der Sekundärspannung U_v – mindestens solange dieser sich in einem Bereich befindet, welcher bei den maximal zulässigen Schwankungen der Netzspannung auftreten kann – mit dem jeweiligen Heizdraht 13 beziehungsweise 15 eine je vorbestimmte maximale Heizleistung erreicht wird, welche einerseits sicherstellt, dass in dem jeweiligen Atemluftschlauch 19 bzw. 20 einerseits Kondenswasserbildung und andererseits eine unerwünschte Überhitzung vermieden werden. Zu diesem Zweck wird die Heizleistungssteuervorrichtung derart eingestellt, dass bei einem minimalen Sekundärspannungswert eine solche vorbestimmte maximale Heizleistung sichergestellt ist. Diese vorbestimmte maximale Heizleistung wird bei dem minimalen Sekundärspannungswert mit einem bestimmten Tastverhältnis der Schaltvorgänge des jeweiligen Schalters erreicht. Um diese vorbestimmte maximale Heizleistung auch bei höheren Werten der Sekundärspannung U_S nicht zu überschreiten, wird das Tastverhältnis des jeweiligen Schalters 17 bzw. 19 so modifiziert, dass die resultierende Heizleistung gleich der maximalen Heizleistung bleibt.
Um Heizleistungsschwankungen infolge von Netzspannungsschwankungen zu vermeiden, also für die Heizleistung Netzspannungsschwankungen auszugleichen, wird zunächst die aktuelle Sekundärspannung U_v im ausgeschalteten Zustand beider Heizdrähte 17 und 19 gemessen. Dadurch kann man über den Koppelfaktor des Transformators die Netzspannung ermitteln. Die Messung der Sekundärspannung U_v erfolgt vorteilhafterweise bei ausgeschalteten Heizdrähten, um den Einfluss des Heizdrahtwiderstandes des jeweiligen Heizdrahtes auf ein Absinken der Sekundärspannung zu vermeiden. Der Widerstand der beiden Heizdrähte wird so ausgewählt, dass bei permanenter Ansteuerung (ein Heizdraht immer an) und minimaler Netzspannung die maximal zulässige Temperatur an den Innenwänden der Atemluftschläuche bei einer Atemgasgeschwindigkeit von Null erreicht wird. Bei höherer Netzspannung bis zu dem maximal zulässigen Wert wird für jeden Heizdraht 13 bzw. 15 über das Tastverhältnis seines Schalters 17 bzw. 19 die maximale Einschaltdauer des Heizdrahtes derart gesteuert, dass sich eine gleich bleibende Heizleistung und somit eine gleichbleibende Maximaltemperatur ergibt. Die Regelung wird nur insofern beeinflusst als die Maximalleistung begrenzt wird.
Allgemein gilt:
mit P = Heizleistung, U = Netzspannung und R = Heizdrahtwiderstand.
Da die Heizdrahtwiderstände gleich bleiben, ergibt sich für eine minimale Netzspannung U_min folgende Heizleistung P_min:
Wenn die Vorrichtung für 230 V ± 10% spezifiziert ist, folgt mit U_min = 207 V; U_max = 253 V und einer geforderten Heizleistung von P_max = 30 W:
Das heißt, im Vergleich zum Nennwert der Netzspannung werden bei der zulässigen minimalen Netzspannung U_min die Heizdrähte nur mit 66% der zulässigen Heizleistung angesteuert. Die entsprechend fehlende Heizleistung führte in der Vergangenheit oft zu Kondensation in den Atemluftschläuchen.
Für das erfindungsgemäße Vorgehen gilt folgende Herleitung: P₁₉₅ = x·P_x (Gl. 4) mit P₁₉₅ = Leistung einem angenommenen Wert von 195 V für die minimale Netzspannung und P_x = Leistung bei aktueller Netzspannung U_X
Dann folgt:
Das bedeutet, dass man mit Gleichung Gl. 5 für einen Wert U_X der Netzspannung die Einschaltdauer berechnen kann, mit welcher die Atemluftschläuche 19 bzw. 20 mit der gleichen Leistung beheizt werden wie bei einer Netzspannung von 195 V bei permanenter Einschaltung.
Beispiel:
Wenn die Netzspannung ihren Nominalwert von 230 V hat ergibt sich:
Das bedeutet: Wenn man bei der minimalen Netzspannung von 195 V eine vorbestimmte Heizleistung mit einer Heizdraht-Einschaltdauer von 100% erreicht, darf man bei 230 V Netzspannung die Heizdrähte über die Steuerung mit den Schaltern 17 und 19 mit 71,8% Einschaltdauer betreiben, um die gleiche Heizleistung zu erzielen.
Das in 3 gezeigte Diagramm veranschaulicht diesen Sachverhalt. Geht man wieder davon aus, dass bei der minimalen Netzspannung von 195 V die vorbestimmte Heizleistung mit einer Einschaltdauer von 100% erreicht wird, muss bei zunehmenden Werten der Netzspannung V die prozentuale Einschaltdauer dem Diagramm entsprechend verringert werden, um die Heizleistung auf dem vorbestimmten Wert zu halten. Aus diesem Diagramm kann man also den Modifikationsfaktor x entnehmen und daraus das Tastverhältnis bestimmen, mit dem man eine trotz sich ändernder Netzspannung V eine gleichbleibende Heizleistung erzielen kann.
Wenn man bei einer minimalen Netzspannung von 195 V bei einer Einschaltdauer von 100% eine maximale Heizleistung von 100% erhält, bleibt diese maximale Heizleistung bei bis zu einer maximalen Netzspannung von 253 V zunehmender Netzspannung auf ihrem 100%-Wert, wenn man für den jeweiligen tatsächlichen Netzspannungswert die Einschaltdauer entsprechend den sich aus 3 ergebenden Werten für x reduziert. Beispielsweise erreicht man gemäß diesem Diagramm bei einer Netzspannung von 215 V die vorbestimmte Heizleistung mit einer Einschaltdauer von 82% und bei einer Netzspannung von 230 V die vorbestimmte Heizleistung mit einer Einschaltdauer von 72%. Das heißt, wenn die vorbestimmte Heizleistung bei der minimalen Netzspannung von 195 V mit einer maximalen Einschaltdauer von 100%, also mit einem Tastverhältnis von 100% des jeweiligen Schalters erreicht, kommt man bei einer Netzspannung von 215 V zu dieser vorbestimmten Heizleistung, indem man eine Einschaltdauer von 82%, also ein Tastverhältnis von 82% des jeweiligen Schalters, einstellt, und kommt man bei einer Netzspannung von 230 V zu dieser vorbestimmten Heizleistung, indem man eine Einschaltdauer von 72%, also ein Tastverhältnis von 72% des jeweiligen Schalters, einstellt. Bei dem Wert x, welcher dem Prozentwert der Einschaltdauer entspricht, handelt es sich um das Modifikationssignal, in Abhängigkeit von welchem die Einschaltdauer beziehungsweise das Tastverhältnis des jeweiligen Schalters gesteuert wird, um trotz Netzspannungsschwankungen gleichbleibende Heizleistung zu erreichen.
Die bisher betrachtete Lösung bezieht sich auf die Netzspannungund bewirkt ein Eliminieren der Auswirkungen der Netzspannungsschwankungen auf die Heizleistung. Damit erreicht man eine wesentliche Verbesserung der Effizienz der Heizung im Vergleich zu den bisherigen Systemen und hat eine Sicherheit, dass die Schlauchinnenwände nicht durch Hitzeeinwirkung beschädigt werden.
Dabei werden die Heizdrahtwiderstände allerdings nicht berücksichtigt.
Das heißt, bei der bisher betrachteten Lösung ist nicht berücksichtigt, dass die Sekundärspannung U_S des Transformators 11 sich nicht nur entsprechend den Netzspannungsschwankungen ändert sondern auch durch unterschiedliche Widerstandsbelastung abhängig davon, ob einer, beide oder keiner der Heizdrähte eingeschaltet ist. Dabei bezieht man sich auf die Heizleistung bei einem dauernd eingeschalteten Heizdraht bei einer bestimmten Spannung, bei welcher die maximale Heizleistung erreicht werden soll. Das heißt diese Heizleistung (und somit Temperatur an der Schlauchinnenwand des mit diesem Heizdraht beheizten Atemluftschlauches) ist die größte, die im Betrieb vorkommen soll. Wenn man nun noch den zweiten Heizdraht für den zweiten Atemluftschlauch einschaltet, bricht die Sekundärspannung U_S des Transformators 11 aufgrund des Ausgangsinnenwiderstandes dieses zweiten Heizdrahts etwas ein. Dadurch verringert sich die Heizleistung entsprechend.
Dem begegnet eine Ausführungsform mit der in 4 dargestellten Funktionsweise. Zur Kompensation des Einbrechens der Sekundärspannung wird die Sekundärspannung U_S unter folgenden drei Bedingungen gemessen:

1. Expiratorischer Heizdraht eingeschaltet
2. Inspiratorischer Heizdraht eingeschaltet
3. Beide Heizdrähte eingeschaltet

Eine derartige Messung der Sekundärspannung U_S unter diesen drei Bedingungen findet während einer in 4 als Messperiode T_M bezeichneten Phase statt. Dann kann man anhand der von dem Regelalgorithmus geforderten Einschaltdauer der inspiratorischen Heizungvorrichtung und expiratorischen Heizungvorrichtung die maximal zulässige Einschaltdauer t_insp bzw. t_exp berechnen.
In der bisher realisierten Lösung bezieht man sich auf die Netzspannung und macht sich unabhängig von den Heizdrahtwiderständen (diese haben bei verschiedenen Systemen unterschiedliche Werte).
In dem Lösungsansatz der Ausführungsform gemäß 4 bezieht man sich auf die Sekundärspannung U_S und bezieht die Widerstände der Heizdrähte mit ein und hat die Möglichkeit, die Heizleistung immer mit dem höchsten zulässigen Wert zu betreiben, wenn dies gefordert ist.
Zunächst wird die maximal zulässige Sekundärspannung U_s bestimmt, mit der die Heizdrähte 26 und 28 noch sicher betrieben werden können, ohne die Atemluftschläuche 19 und 20 zu schädigen. Für die vorliegende Betrachtung wird U_{s max} = 22 V gewählt.
Während des Betriebs wird mittels Software periodisch während jeweiliger Messperioden T_M die Sekundärspannung U_s des Transformators 11 gemessen, wenn jeweils nur der eine der beiden Heizdrähte 26 und 28, wenn nur der andere der beiden Heizdrähte 26 und 28 und wenn beide Heizdrähte 26 und 28 angesteuert sind (U_insp, U_exp und U_both). Dann kann man den Mittelwert U der Sekundärspannung U_s während einer Heizperiode T berechnen, wenn man während des Einschaltens eines der beiden Heizdrähte 26 bzw. 28 die Einschaltdauer des jeweilig anderen Heizdrahtes kennt:
Andernfalls gilt:
Daraus folgt dann:
mit x als Modifikationsfaktor oder Modifikationssignal, welches der jeweiligen Schalteinrichtung als Schaltsteuersignal zugeführt wird und deren Tastverhältnis zwischen leitend und nicht leitend Schalten steuert.
Auch bei dieser Lösung kann man den Wert von x einem 3 entsprechendem Diagramm für den Bereich der anzunehmenden Werte der Sekundärspannung entnehmen.
Zusammengefasst kann gesagt werden:

– Die zuerst betrachtete Lösung bezieht sich auf die Netzspannung. Dadurch werden Netzspannungsschwankungen eliminiert. Die Heizdrahtwiderstände werden nicht berücksichtigt. Damit erreicht man eine wesentliche Verbesserung der Effizienz der Heizung im Vergleich zu den bisherigen Systemen und hat eine Sicherheit, dass die Schlauchinnenwände der Atemluftschläuche nicht durch Hitzeeinwirkung beschädigt werden.
– Die zuletzt betrachtete erweiterte Lösung bezieht sich auf die Sekundärspannung des Transformators und berücksichtigt sowohl Netzspannungsschwankungen als auch die auf die Heizdrahtwiderstände zurückgehenden Einflüsse der Einschaltdauer der Heizdrähte auf die Sekundärspannung. Dadurch kann man eine zusätzliche Verbesserung hinsichtlich der Ausschöpfung der maximalen Heizleistung erzielen. Hierfür werden im Unterschied zur ersten Lösung während des Betriebs drei Spannungen anstatt einer gemessen, wofür die Regelung unterbrochen wird.

Claims

Spannungsschwankungen einer Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) kompensierende Steuervorrichtung zur Steuerung der von der Versorgungsspannungsquelle abhängigen Heizleistung einer elektrischen Heizvorrichtung zur Beheizung einer heizbedürftigen Einrichtung, insbesondere eines Atemluftschlauchs (19, 20), über welchen einem zu beatmenden Patienten von einem Beatmungsgerät befeuchtete Atemluft zuführbar ist, wobei die Steuervorrichtung aufweist: eine mittels eines Steuersignals (29, 31) steuerbare Schaltungseinrichtung, dazu ausgebildet, der Heizvorrichtung eine von einer Versorgungsspannung (U_N, U_S) der Versorgungsspannungsquelle abgeleitete Heizspannung zuzuführen, die in Abhängigkeit von dem Steuersignal (29, 31) modifiziert ist; eine Messvorrichtung (V), dazu ausgebildet, ein einem jeweiligen, aktuellen Versorgungsspannungswert entsprechendes Messsignal (25) zu liefern; und eine Messsignalauswertungsvorrichtung (23), dazu ausgebildet, ein dem jeweiligen Messsignal (25) entsprechendes Modifikationssignal (27) zu generieren, welches ein der Schaltungseinrichtung zugeführtes Steuersignal (29, 31) bewirkt, welches die Schaltungseinrichtung zum Erhalt einer hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) kompensierten Heizleistung steuert.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Modifikationssignal (27) in Abhängigkeit von dem aktuellen Versorgungsspannungswert derart generiert wird, dass bei einer Versorgungsspannung vorbestimmten minimalen Wertes eine Heizleistung vorbestimmten maximalen Wertes erreicht und bei höheren Versorgungsspannungswerten beibehalten wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltungseinrichtung aufweist: eine Schalteinrichtung (17, 19), dazu ausgebildet, in einem leitend geschalteten Zustand die Heizeinrichtung mit der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) zu verbinden und in einem nichtleitend geschalteten Zustand die Heizeinrichtung von der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) zu trennen; eine Schaltsteuereinrichtung (21), dazu ausgebildet, die Schalteinrichtung (17, 19) zwischen leitendem Zustand und nichtleitendem Zustand in einem von dem Modifikationssignal (27) abhängenden Tastverhältnis hin und her zu schalten, welches zur Abgabe einer hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) kompensierten Heizleistung führt; und wobei die Messvorrichtung (V) dazu ausgebildet ist, zu vorbestimmten Zeiten nichtleitend gesteuerter Schalteinrichtung (17, 19) ein dem jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert entsprechendes Messsignal (25) zu liefern.
Steuervorrichtung nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, zur Steuerung der Heizleistung einer inspiratorischen Heizvorrichtung (26) zur Beheizung eines inspiratorischen Atemluftschlauchs (19), über welchen einem zu beatmenden Patienten von einem Beatmungsgerät befeuchtete Atemluft zuführbar ist, und der Heizleistungung einer expiratorischen Heizvorrichtung (28) zur Beheizung eines expiratorischen Atemluftabführschlauchs (20), über welchen von dem Patienten ausgeatmete Atemluft abführbar ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 4, wobei: die inspiratorische Heizvorrichtung (26) über eine mittels eines inspiratorischen Schaltsteuersignals (31) steuerbare inspiratorische Schalteinrichtung (17) und die expiratorische Heizvorrichtung (28) über eine mittels eines expiratorischen Schaltsteuersignals (29) steuerbare expiratorische Schalteinrichtung (19) mit der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) verbindbar sind; und die Messsignalauswertungsvorrichtung (23) dazu ausgebildet ist, ein dem jeweiligen Messsignal (25) entsprechendes inspiratorisches Modifikationssignal (27a) zu generieren, welches der inspiratorischen Schalteinrichtung (17) als inspiratorisches Schaltsteuersignal (31) zugeführt deren Tastverhältnis zur Abgabe einer vorbestimmten, hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) kompensierten inspiratorischen Heizleistung steuert, und ein dem jeweiligen Messsignal (25) entsprechendes expiratorisches Modifikationssignal (27b) zu generieren, welches der expiratorischen Schalteinrichtung (19) als expiratorisches Schaltsteuersignal (29) zugeführt deren Tastverhältnis zur Abgabe einer vorbestimmten, hinsichtlich der Spannungsschwankungen der Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) kompensierten expiratorischen Heizleistung steuert.
Steuervorrichtung nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei beide Heizvorrichtungen über ihre jeweilige Schalteinrichtung (17, 19) mit derselben Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) verbindbar sind.
Steuervorrichtung nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Versorgungsspannungsquelle (U_N, U_S) durch eine Sekundärseite eines primärseitig mit Netzspannung beaufschlagbaren Spannungswandlers (11) gebildet ist.
Steuervorrichtung nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Heizvorrichtungen mit einem elektrischen Heizdraht (13, 15) aufgebaut ist.
Steuervorrichtung nach mindestens einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Messsignalauswertungsvorrichtung (23) das Modifikationssignal (27) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messsignal (25) der Messvorrichtung (V) anhand einer elektronischen Tabelle generiert.
Steuervorrichtung nach mindestens einem Ansprüche 1 bis 8, wobei die Messsignalauswertungsvorrichtung (23) zur Generation des Modifikationssignals (27) unter Anwendung des Algorithmus x = U_min ²/U_x ² ausgebildet ist, wobei x einen Modifikationsfaktor, U_min einen minimalen Versorgungsspannungswert und U_x den jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert bedeuten.
Steuervorrichtung nach Anspruch 10 in Verbindung mit mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9 zur Steuerung von Heizvorrichtungen, von denen jede einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher im eingeschalteten Zustand den aktuellen Wert der Versorgungsspannung beeinflusst, wobei die Schaltsteuereinrichtungen (21a, 21b) derart steuerbar sind, dass sie in vorbestimmten Messperioden (T_M) jeweils während eines ersten Messperiodenabschnittes die beiden Schalteinrichtungen (17, 19) für beide Heizvorrichtungen leitend schalten, während eines zweiten Messperiodenabschnittes nur die Schalteinrichtung (17) für eine der beiden Heizvorrichtungen leitend schalten und während eines dritten Messperiodenabschnittes nur die Schalteinrichtung (19) für die andere der beiden Heizvorrichtungen leitend schalten; wobei die Messvorrichtung (V) derart ausgebildet ist, dass sie während jedes dieser Messperiodenabschnitte den jeweiligen aktuellen Versorgungsspannungswert ermittelt und bis zu einer nächsten Messperiode festhält; und wobei eine Versorgungsspannungsmittelwertbildungsvorrichtung (23) vorgesehen ist, dazu ausgebildet, während der auf die jeweilige Messperiode jeweils folgenden Heizperioden (T), in denen jede der beiden Schalteinrichtungen (17, 19) jeweils für eine bestimmte Zeitdauer leitend und nichtleitend geschaltet ist, unter Heranziehung der in der vorausgehenden Messperiode (T_M) ermittelten aktuellen Versorgungsspannungswerte für die jeweilige Heizperiode (T) einen jeweiligen Versorgungsspannungsmittelwert (U) zu bestimmen und der Messsignalauswertungsvorrichtung (23) zur Generierung der Modifikationssignale (27) zuzuführen.
Steuervorrichtung nach Anspruch 11, wobei der jeweilige Versorgungsspannungsmittelwert (U) algorithmisch ermittelt wie folgt: a) wenn t_insp > t_exp, d. h in einer Heizperiode die inspiratorische Einschaltdauer t_insp größer ist als die expiratorische Einschaltdauer t_exp, unter Anwendung des Algorithmus
b) andernfalls unter Anwendung des Algorithmus
mit einem sich daraus ergebenden Modifikationsfaktor x = U_min ²/U², wobei U_min den minimalen Versorgungsspannungswert, U den jeweiligen Versorgungsspannungsmittelwert, t_both die Zeitdauer, in welcher beide Schalteinrichtungen leitend geschaltet sind, T die Periodendauer der jeweiligen Heizperiode und U_insp, U_exp und U_both die während der vorausgehenden Messperiode von der Messvorrichtung (V) bei leitend Schalten nur der inspiratorischen Schalteinrichtung bzw. nur der expiratorischen Schalteinrichtung bzw. beider Schalteinrichtungen ermittelten aktuellen Versorgungsspannungswerte bedeuten.