DE102011084171A1

DE102011084171A1 - Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden in flexiblen Schläuchen

Info

Publication number: DE102011084171A1
Application number: DE201110084171
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Münch; Tobias Fritsche; Nicki Bader; Santer zur Horst-Meyer; Jürgen Kahle; Werner Krause
Original assignee: SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH
Current assignee: SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2031-10-08
Also published as: DE102011084171B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden in flexiblen Schläuchen, deren Durchmesser deutlich unter 12 mm liegt. Die Vorrichtung besteht aus einem kompakten Gehäuse (3) mit einem fixierbaren Klappdeckel (17) unter welchem sich auf dem oberen Gehäuseabschluss unter dem Klappdeckel (17) ein Messkanal (2) mit einer Messzelle (9) zur Einlage eines flexiblen Schlauches (18) befindet, gekennzeichnet dadurch, dass die Messzelle (9) sich in einem Messkanal (2) mit einem rechteckigen Querschnitt befindet, wobei der Messkanal (2) über die gesamte Breite des Gehäuses (3) verläuft und in dem der zu detektierende flexible Schlauch (18), definiert verformt, einlegbar ist, die Messzelle (9) in der Mitte des Messkanals (2) angeordnet ist und umfasst: zwei paarweise diagonal gegenüberliegend und schallentkoppelt integrierte Keramiken I, II, III, IV (10, 11, 13, 14), die in Seitenteilen links und rechts (12, 15) der Messzelle (9) gelagert sind und eine die Messzelle (9) nach unten in Richtung eines Bauraumes für eine Auswerteelektronik (7) abschließende Grundplatte (16), wobei Letztere auch den übrigen Bereich des Messkanals (2) von unten her abschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden in flexiblen Schläuchen, deren Durchmesser deutlich unter 12 mm liegt. Die Messung des Durchflusses von schalltransparenten Flüssigkeiten auf nichtinvasivem Wege an flexiblen Schlauchen ist aus dem Stand der Technik bekannt und sie wird bis zu den, wie oben angeführten Durchmesserbereichen, betrieben wobei auch das Laufzeit-Differenz-Verfahren hier eine bekannte Methode darstellt, mit einer derartigen Vorrichtung zu arbeiten.
Der Stand der Technik kann beispielhaft an Produkten der Firmen em-tec GmbH, D-86923 Finning oder Transonic Systems Inc., New York 14850, USA dargelegt werden.
So bietet die Firma em-tec GmbH einen Clamp-On Transducer (anklemmbaren Wandler) zur Messung eines Flusses in extrakorporalen Schlauchsystemen an, wie auf der Internetseite http://www.em-tec.de der genannten Fa. nachlesbar ist. Mit einem Klickverschluss wird der in einem Gehäuse gelagerte Sensor an einen Schlauch geklemmt und es erfolgt die Messung somit nichtinvasiv. Anwendungen finden sich hierbei in der Medizin, z. B. bei Messungen, die an einer Herz-Lungen-Maschine in der Intensivmedizin erfolgen müssen.
Ein ähnlicher Transducer (Wandler) wird als Bypassflussmesser und Schlauchsensor von der Firma Transonic Systems Inc. genannt, wie in HT100 Bypass Flowmeter & Tubing Sensor, „Surgery/ICU Products” auf der Internetseite http://www.transonic.com beschrieben. Auch diese Lösung bedient sich eines Clamp-On-Schlauchsensors, der sterilisiert in OP-Räumen an flexible Schläuche anbringbar ist. Ein Abschnitt eines flexiblen Schlauches befindet sich hier, ohne Anwendung von äußerem mechanischem Druck, in einem Messkanal, wobei die Ultraschallsignale in Richtung mit dem Flüssigkeitsstrom oder diesem entgegen eingekoppelt werden.
Die bisher bekannten Lösungen des beispielhaft dargelegten Standes der Technik bedienen sich eines Aufbaus von Clamp-On-Sensoren, bei denen Sender-/Empfängerwandler und die Auswertelektronik räumlich getrennt sind, wobei es zum Übersprechen der Signale auf der Verbindungsleitung zwischen diese kommen kann. Eine Messung an kleineren Schlauchgrößen wird bisher nicht angeboten. Die genannten Nachteile der stellvertretend genannten Beispiele des Standes der Technik müssen daher überwunden werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden für Anwendungen in der Medizin, der Industrie und anderen vorzuschlagen, bei der die schallemittierenden und -empfangenden Keramiken (Piezoelemente) in, von den übrigen Bauteilen, entkoppelter Bauweise eingebunden sind mit dem Ziel, dass sich die Signale der Keramiken gegenseitig nicht überlagern, durch den Einsatz von Komposit-Keramiken mit optimiertem Breiten-/Dickenverhältnis weniger Querschwingungen oder Richtwirkungen hervorgerufen werden und eine vergleichsweise einfache Auswerteelektronik – ohne Nutzung eines A/D-Wandlers – für die Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird sowie der Messraum im Gehäuse der Vorrichtung als ein Messkanal so ausgebildet sein soll, dass durch Austausch weniger Bauelemente im Sinne eines Baukastenprinzips die Einlage eines flexiblen Schlauches in definiertem Bereich verwendbarer Durchmesser in den bevorzugt rechteckigen Messkanal so erfolgt, dass die Einkoppelfläche für Schallsignale in das in einem flexiblen Schlauch strömende Fluid möglichst groß ist, wobei die Bewertung von empfangenen Messsignalen – auch unter Berücksichtigung wechselnder Temperatur und einer dadurch anderen Viskosität – des durch den flexiblen Schlauch hindurch fließenden Fluids eine hohe Aussagekraft erbringen soll.
Die Aufgabe der Erfindung wird wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt gemäß der Ansprüche 2 bis 8.
Die Vorrichtung ist prinzipiell als ein Sensor zur Messung der Durchflussmenge eines schalltransparenten Mediums in einem flexiblen Schlauch geringen Durchmessers, bevorzugt in einem Durchmesserbereich von minimal 3,5 mm Außendurchmesser, in einer sogenannten Clamp-On-Ausführung ausgelegt. Sie besteht aus einem kompakten, insbesondere Kunststoffgehäuse mit einem an ihrer Oberseite angebrachten Klappdeckel gleichen Materials, der mittels eines federbelasteten Rasthakens im geschlossenen Zustand des Gehäuses fixiert ist.
Außen am Gehäuse, gegenüber dem Verschluss des Klappdeckels gelegen, befindet sich eine Serviceschnittstelle zur Anbindung an periphere bildgebende Systeme bzw. zur Spannungsversorgung. Bei geöffnetem Klappdeckel wird im oberen Gehäusebereich ein nach außen offener, rechteckiger Messkanal sichtbar, der über die gesamte Breite dieser Oberfläche verläuft. Seine Dimensionierung ist derart vorgenommen, dass ein flexibler Schlauch definierten Durchmessers mit leichtem mechanischen Druck in ihn einbringbar ist, wodurch die Wandung des flexiblen Schlauches bei geschlossenem Klappdeckel in Rechteckform an den Wänden des Messkanals und an der, den Messkanal von oben bedeckenden Unterseite des Klappdeckels anliegt. In der Mitte des Messkanals ist in dem das kompakte Gehäuse nach oben abschließenden oberen Gehäusebereich eine Messzelle mit paarweise, diagonal gegenüberstehenden Keramiken (Piezoelementen), die in Seitenteilen gehalten sind, vorhanden, die von unten im Bauraum des kompakten Gehäuses durch eine Grundplatte abgeschlossen ist. Die Grundplatte bildet in ihrer Durchgängigkeit dabei auch insgesamt einen den Messkanal abschließenden Boden.
Weiterhin ist ein Merkmal der Erfindung darin zu sehen, dass das Gehäuse der Vorrichtung, bezogen auf die Breite des Messkanals, mindestens doppelt so lange Wegstrecken für einen Schlauchein- und für einen -auslauf zur Einlage des flexiblen Schlauches besitzt. Dadurch trägt ein definiert langer Schlauchein- bzw. -auslauf als Abschnitt des Messkanals zur Beruhigung des durch den flexiblen Schlauch strömenden Fluids bei, wodurch die Messstabilität verbessert wird. Damit ein Messergebnis empfangener Signale stets ein reales Abbild des Durchflussvolumens eines schalltransparenten Fluids erbringt, muss auch die Temperatur des letzteren berücksichtigt werden, denn temperaturbedingte Viskositätsänderungen können den Durchfluss beschleunigen oder verlangsamen. Es ist daher auf einer Seite der Messzelle ein Temperaturfühler angebracht, dessen Messwerte rechnerisch als Koeffizient zur Bestimmung des Durchflussvolumens genutzt werden.
Ein hervorzuhebendes Merkmal der Erfindung ist es auch, dass der Messkanal durch den baukastenartigen Austausch der Grundplatte, welche diesen und die Messzelle bodenseitig abschließt – ohne seine Breite zu verändern – in seinem Querschnitt, ausgehend von einem Quadrat bis hin zu einem stehenden Rechteck vergrößerbar ist, wodurch in definierten Grenzen flexible Schläuche mit einem geringen Außendurchmesser, minimal ab 3,5 mm und darüber hinaus, detektiert werden können. Dabei bleibt, bis zu einem technisch vertretbaren Maße, die Dimensionierung der Messzelle, bestehend insbesondere aus den in definiertem Abstand in den Seitenteilen eingebundenen Keramiken, unverändert. Die Keramiken sind insbesondere als Kompositkeramiken ausgeführt und es sind die einzelnen Elemente der Messzelle nicht in einem kompakten Verguss miteinander verbunden. Auch ein gemeinsamer Verguss mit der Auswerteelektronik, die sich unterhalb der Messzelle im Bauraum für Elektronikbausteine befindet, ist nicht gegeben. Mit einer derartig entkoppelten Bauweise der Vorrichtung, die auch als Miniaturisierung in dieser Größenordnung angesehen werden darf, werden negative Beeinflussungen des Übersprechens der Keramiken für das Senden und Empfangen von Messsignalen vermieden. Zusätzlich ist zur Verbesserung der Messqualität vorgesehen, dass das kompakte Gehäuse der Vorrichtung, nebst Klappdeckel aus einem Material besteht, das gegen elektromagnetische Wellen aus der Umgebung eine Abschirmung bewirkt. Dafür eignet sich ein entsprechender Kunststoff.
Unterhalb der Messzelle befindet sich im Gehäuse der Vorrichtung ein Bauraum für Elektronikbausteine. Er umfasst:

a) einen Multiplexer für ein Sendesignal,
b) einen Multiplexer für ein Empfangssignal,
c) einen regelbaren Verstärker für Empfangssignale in Verbindung mit einem Zero-Crossing-Komparator,
d) einen Time-to-Digital-Converter (TDC), der von einem Microcontroller (MC) konfiguriert und gesteuert ist,
e) einen Sender,
f) einen Microcontroller (MC) als zentrale Steuereinheit,
g) eine Ausgangsschaltung,
h) eine Serviceschnittstelle und
i) eine Betriebsspannungsversorgung.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu wird auf die 1 bis 6 verwiesen.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit geschlossenem Deckel,
2 Aufsicht von oben gemäß 1,
3 Längsschnitt A-A gemäß 1,
4 Messzelle in Aufsicht,
5 Seitenansicht von links mit Teilschnitt Messzelle und
6 Lage der Keramiken und Blockbild für die elektronischen Bausteine der Vorrichtung.
Nach 1 ist die Vorrichtung als ein Sensor 1 mit kompaktem Gehäuse 3 mit geschlossenem Klappdeckel 17 dargestellt, wobei jeweils links und rechts unter dem Klappdeckel 17 im oberen Bereich der Seitenwände des Gehäuses 3 ein Schlauchein- bzw. ein Schlauchauslauf 5, 6 in definierter Länge ins Innere des Gehäuses 3 führend, einen Messkanal 2 bildet. Der Messkanal 2 hat in dieser Ausführungsform einen quadratischen Querschnitt, an welchem sich ein flexibler Schlauch 18 mittels leichten mechanischen Drucks beim Schließen des Klappdeckels 17 anlegt. Dadurch wird eine möglichst große Einkoppelfläche für die Schallsignale in ein durch den flexiblen Schlauch 18 strömendes Fluid generiert. Die Verformung des flexiblen Schlauches 18 wird nach 5 verdeutlicht.
In 2 ist in Aufsicht die Länge des Messkanals 2 mit Schlauchein- bzw. -auslauf 5, 6 zu sehen, wobei zentral mittig im Messkanal 2 gelegen, die Messzelle 9 angeordnet ist. Die Messzelle 9 besteht aus paarweise, jeweils in einem Seitenteil, links und einem Seitenteil, rechts 12, 15 eingesetzten Keramiken, das heißt Piezoelementen, Keramik I bis IV; 10, 11, 13, 14, die als Sende- und Empfangselemente für die Schallsignale dienen. Den Abschluss der Messzelle nach unten bildet eine, sowie auch den Messkanal 2 von unten her, variabel bezüglich ihrer Dicke einsetzbare Grundplatte 16. Unter dem Messkanal 2 bzw. der Messzelle 9 befindet sich ein Bauraum für eine Auswerteelektronik 7, die ihrerseits über einen Sensoranschluss 8 mit peripher und nicht weiter dargestellten bildgebenden Systemen und einer Betriebsspannungsversorgung 25 verbunden ist.
Nach 6 ist in schematischer Darstellung abgebildet, wie die Messzelle 9 mit der Auswerteelektronik 7 in Wirkverbindung steht und welche Bausteine die Auswerteelektronik 7 umfasst. Es sind in dieser Ausführung insbesondere ein Multiplexer Sendesignal 20, ein Multiplexer Empfangssignal 21, ein Verstärker Empfangssignal 22, ein TDC 23, ein Microcontroller 24, eine Betriebsspannungsversorgung 25, eine Serviceschnittstelle 26, eine Ausgangsschaltung 27 und ein Sender für US-Signale 28 vorgesehen. Die Bauweise der Messzelle 9 und der Bauteile der Auswerteelektronik 7 ist eine entkoppelte, das heißt ein kompakter Verguss aller Bauteile findet nicht statt. Dadurch wird ein Übersprechen, wie bereits dargelegt, der Sende- und Empfangssignale verhindert und es wird die Qualität der Detektion verbessert.
Die Vorteile der Erfindung werden zusammenfassend darin gesehen:

– entkoppelte Bauweise der Bauteile der Messzelle,
– variabel veränderbarer Querschnitt des Messkanals für mehrere flexible Schlauchdurchmesser in definierten Grenzen,
– Messungen an flexiblen Schläuchen mit geringem Außendurchmesser ab 3,5 mm gegeben,
– gegen Einflüsse aus der Umgebung optimaler Schutz des Sensors mittels abgeschirmtem Gehäuse.

Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Messkanal
3: Gehäuse
4: Rasthaken
5: Schlaucheinlauf
6: Schlauchauslauf
7: Auswerteelektronik
8: Sensoranschluss
9: Messzelle
10: Keramik I
11: Keramik II
12: Seitenteil, links
13: Keramik III
14: Keramik IV
15: Seitenteil, rechts
16: Grundplatte
17: Klappdeckel
18: flexibler Schlauch
19: Temperaturfühler(-sensor)
20: Multiplexer Sendesignal
21: Multiplexer Empfangssignal
22: Verstärker Empfangssignal
23: TDC
24: Microcontroller
25: Betriebsspannungsversorgung
26: Serviceschnittstelle
27: Ausgangsschaltung
28: Sender für US-Signale

Claims

Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden in flexiblen Schläuchen (18), bestehend aus einem kompakten Gehäuse (3) mit einem fixierbaren Klappdeckel (17) unter welchem sich auf dem oberen Gehäuseabschluss unter dem Klappdeckel (17) ein Messkanal (2) mit einer Messzelle (9) zur Einlage eines flexiblen Schlauches (18) befindet, gekennzeichnet dadurch, dass die Messzelle (9) sich in einem Messkanal (2) mit einem rechteckigen Querschnitt befindet, wobei der Messkanal (2) über die gesamte Breite des Gehäuses (3) verläuft und in dem der zu detektierende flexible Schlauch (18), definiert verformt, einlegbar ist, die Messzelle (9) in der Mitte des Messkanals (2) angeordnet ist und umfasst: zwei paarweise diagonal gegenüberliegend und schallentkoppelt integrierte Keramiken I, II, III, IV (10, 11, 13, 14), die in Seitenteilen links und rechts (12, 15) der Messzelle (9) gelagert sind und eine die Messzelle (9) nach unten in Richtung eines Bauraumes für eine Auswerteelektronik (7) abschließende Grundplatte (16), wobei Letztere auch den übrigen Bereich des Messkanals (2) von unten her abschließt.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Gehäuse (3) der Vorrichtung, bezogen auf die Breite des Messkanals (2), mindestens doppelt so lange Wegstrecken für einen Schlaucheinlauf (5) und für einen Schlauchauslauf (6) zur Einlage des flexiblen Schlauches (18) besitzt.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass auf einer Seite des Messkanals (2), neben der Messzelle (9), ein Temperaturfühler (19) angebracht ist.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Grundplatte (16) im Baukastenprinzip austauschbar ausgebildet ist und damit eine Veränderung der Geometrie des Messkanals (2) bezüglich seines Querschnitts von der Form eines Quadrates bis hin zur Form eines stehenden Rechteckes ausführbar ist.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das kompakte Gehäuse (3) nebst Klappdeckel (17) aus einem Material besteht, das gegen elektromagnetische Wellen aus der Umgebung eine abschirmende Wirkung besitzt.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass als Material für das Gehäuse (3) und für den Klappdeckel (17) PMMA verwendet wird.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach Anspruch 1 oder Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Außendurchmesser des von einem Fluid durchströmten flexiblen Schlauches (18) minimal 3,5 mm beträgt sowie bei gleichbleibender Breite des Messkanals (2) mittels Veränderung seines Querschnitts zur Rechteckform auch ein flexibler Schlauch (18) definiert größeren Außendurchmessers in ihn einlegbar ist.
Vorrichtung zur berührungslosen Durchflussmessung von Fluiden nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Auswerteelektronik im Bauraum für Elektronikbausteine umfasst: a) einen Multiplexer für ein Sendesignal (20), b) einen Multiplexer für ein Empfangssignal (21), c) einen regelbaren Verstärker für Empfangssignale in Verbindung mit einem Zero-Crossing-Komparator, d) einen Time-to-Digital-Converter (TDC) (23), der von einem Microcontroller (MC) konfiguriert und gesteuert ist, e) einen Sender (28), f) einen Microcontroller (MC) (24) als zentrale Steuereinheit, g) eine Ausgangsschaltung (27), h) eine Serviceschnittstelle (26) und i) eine Betriebsspannungsversorgung (25).