DE102016009596B4

DE102016009596B4 - Pumpenaggregat mit Drucksensoren und Verfahren zum Betrieb des Pumpenaggregats

Info

Publication number: DE102016009596B4
Application number: DE102016009596.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Lotz; Lukas Mitterfellner; Uwe Schlesinger; Simon Weber-Münker; Wolfgang Hamm
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2016-08-06
Filing date: 2016-08-06
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2036-08-07
Also published as: DE102016009596A1

Abstract

Ein Pumpenaggregat (1) zur Förderung und/oder Dosierung eines in einem Schlauch (9) befindlichen Fluids mit zwei Sensoren zur Überwachung des einlassseitigen Drucks und des auslassseitigen Drucks im Schlauch (9), wobei die Sensoren (2,3) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) zusammen mit einer Schlauchpumpe (5) aufgenommen sind, wobei die Sensoren (2, 3) jeweils mindestens aus einer Magnetspule (6), einer von dem Druck im Schlauch (9) verformbaren Metallplatte (7), einer elektronischen Schaltung (8) und einem Temperaturaufnehmer (13) bestehen, wobei der Schlauch (9) durch eine Schlauchfixierung (10) einerseits und eine Schlauchlagerung (11) andererseits mit einer geometrisch begrenzten Vorspannung, die den Schlauch verformt, belastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenaggregat (1) zusätzlich einen Sensor (14) enthält, der zur Luftblasenerkennung aus zwei Teilsensoren besteht, nämlich aus einem kapazitiven Sensor (15) und einem kontaktlosen Leitfähigkeitssensor (16).

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und ein Verfahren zum Betrieb des Pumpenaggregats. Solche Pumpenaggregate werden vorzugsweise mit einer Schlauchpumpe versehen und als medizintechnische Geräte zur Versorgung von Patienten eingesetzt.
Stand der Technik:
Schlauchpumpen mit Sensoren sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 102013020560 B3 , der Druckschrift WO 2013165094 A1 , der Druckschrift DE 19525926 C1 , der Druckschrift US 5720721 A und der Druckschrift US 20150238677 A1 . Die Sensoren sind sehr zuverlässig, aber sie behindern den schnellen Wechsel des Schlauches und die Reinigung der Schlauchlagerung. Aus verschiedenen Bereichen der Technik sind induktive Sensoren und Wirbelstromsensoren bekannt, hier werden beispielshaft die Druckschriften DE 102008044125 A1 , JP H02-21232 A , DE 906625 B , DE 3510746 A1 und DE 3604088 A1 genannt.
Aufgabe:
Das Pumpenaggregat soll so weiterentwickelt werden, dass der Wechsel des Schlauchs und die Reinigung der Schlauchlagerung erleichtert wird. Auch sollen Luftblasen im Schlauch zuverlässig erkannt werden.
Lösung:
Die Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der letzte Anspruch beschreibt ein Verfahren zum Betrieb des Pumpenaggregats.
Aus anderen Bereichen der Technik sind induktive Sensoren bekannt, die eine Veränderung der Induktivität einer Magnetspule zur Gewinnung eines elektrischen Messsignals nutzen. Die Induktivität wird in der Regel dadurch verändert, dass ein Eisenkern in die Magnetspule eingeschoben wird oder dass der magnetische Rückschluss der Magnetspule verstärkt wird, beispielsweise durch die Annäherung eines Flussleitelements. Der Eisenkern oder das Flussleitelement vermindern den magnetischen Widerstand und erhöhen die Induktivität der Magnetspule.
Ebenfalls bekannt sind mechanisch-elektrische Sensoren, die Wirbelströme in Metallplatten zur Abstandsmessung nutzen.
Eine solche Wirkung kann man erzielen, wenn man eine Metallplatte an die Stirnseite einer mit Wechselstrom erregten Magnetspule heranführt. In der Metallplatte bilden sich Wirbelströme, die auf die Magnetspule zurückwirken, indem sie frequenzabhängig die scheinbare Induktivität der Magnetspule verändern. In diesem Fall kann die Metallplatte auch aus einem anderen Werkstoff als Eisen bestehen, denn es kommt auf die elektrische Leitfähigkeit an.
In beiden Fällen (induktiver Sensor, Wirbelstromsensor) wird die veränderliche Induktivität der Magnetspule ausgewertet, vorzugsweise durch eine Messung des zeitlichen Verzugs zwischen dem elektrischen Spannungsverlauf und dem elektrischen Stromverlauf.
Eine elektronische Steuerung mit einer geeigneten Auswerteschaltung ist geeignet, die oben beschriebene Rückwirkung auszuwerten und daraus den Abstand der Metallplatte von der Spule zu bestimmen. Durch eine vorteilhafte Formgebung der Magnetspule und durch die Anordnung von anderen Flussleitelementen aus Eisen oder einem anderen magnetisierbaren Werkstoff kann die Wirkung verstärkt werden.
Die genannte Metallplatte wird hier vorteilhafterweise sehr dünn ausgeführt, damit kann es sich bei dem Aufbringen einer Kraft leicht verformen und durch seine Verformung mit einem Teil seiner Masse auf die Spule hin bewegen. Die Verformung bewirkt auch eine wegabhängige Rückstellkraft.
Eine günstige Dicke der Metallplatte liegt erfahrungsgemäß zwischen 0,08 und 0,6 mm, besonders günstig zwischen 0,1 und 0,2 mm. Zum Schutz der Metallplatte wird vorteilhafterweise die Durchbiegung der Metallplatte durch einen Anschlag begrenzt.
Damit ergeben sich zwei für diese Anwendung bedeutsame Vorteile; die Metallplatte braucht nicht verschiebbar gelagert und geführt zu werden und es ist keine zusätzliche Rückstellfeder erforderlich.
Wenn die Metallplatte auch die Schlauchlagerung bildet oder die Schlauchlagerung stützt, ergibt sich eine glatte Fläche für die Schlauchlagerung, was die Reinigung der Schlauchlagerung und den Wechsel des Schlauchs erleichtert.
Der Druck im Inneren des Schlauchs soll eine messbare Verformung des Metallplatte ergeben, dazu ist es vorteilhaft, den Schlauch schon vor der Beaufschlagung mit einem Innendruck leicht aus seiner Kreisform zu verformen, also abzuplatten. Dies wird durch eine haubenartige Schlauchfixierung bewirkt, die den Schlauch gegen die Schlauchlagerung drückt.
Unter Druck stellen sich für den Schlauch eine teilweise Rückkehr zur Kreisform und eine Durchmesservergrößerung ein, wobei die Rückkehr zur Kreisform eine erheblich stärkere Verformung der Metallplatte bewirkt, als die reine Durchmesservergrößerung des runden Schlauchs.
Die genannte Verformung aus der Kreisform durch die Schlauchfixierung wird vorteilhafterweise geometrisch begrenzt, damit der Schlauch vor zu starker Verformung geschützt wird.
Das Messsignal der Magnetspule ist nicht nur von dem Abstand der Metallplatte, sondern auch von der Temperatur der Magnetspule abhängig, denn die Temperatur verändert den elektrischen Widerstand der Magnetspule und die meisten relevanten Längenmaße.
Daher ist es notwendig, die Temperatur der Magnetspule auch zu messen und das Messsignal der Temperatur zur Korrektur des Signals aus der Verformung der Metallplatte zu verwenden. Erst nach dieser Korrektur kann man aus dem Signal der Verformung einen Messwert für den Druck im Schlauch ableiten. Die temperaturabhängige Korrektur und die Umrechnung von der Verformung auf den Druck im Schlauch erfolgen in einer elektronischen Schaltung, die mit der Magnetspule fest verbunden ist, damit die besonderen Merkmale der Magnetspule berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise sind die Magnetspule und die elektronische Schaltung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Weiter vorteilhafterweise besteht die Magnetspule überwiegend oder vollständig aus Leiterbahnen der Leiterplatte.
Für die Befestigung der Metallplatte in oder an dem Gehäuse des Pumpenaggregats bieten sich die folgenden Varianten an:

- Das Gehäuse besteht aus Metall und die verformbare Metallplatte ist Teil des Gehäuses.
- Das Gehäuse ist durch Spritzgießen aus Kunststoff hergestellt und die Metallplatte ist in das Gehäuse eingespritzt.
- Das Gehäuse besteht aus Kunststoff und die Metallplatte ist auf das Gehäuse aufgeklebt, wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung bildet.
- Das Gehäuse besteht aus Kunststoff und die Metallplatte ist in das Gehäuse eingespannt.
- Das Gehäuse besteht aus Kunststoff und die Metallplatte ist in das Gehäuse eingeklebt, wobei das Gehäuse die Schlauchlagerung bildet.

Das Pumpenaggregat enthält vorteilhafterweise auch einen Sensor, der Luftblasen im Schlauchinhalt erkennen kann.
Dazu besteht der Sensor zur Luftblasenerkennung bevorzugt aus zwei Teilsensoren, nämlich aus einem kapazitiven Sensor und einem kontaktlosen Leitfähigkeitssensor. Der kontaktlose Leitfähigkeitssensor kann beispielsweise ein induktiver Sensor sein, der die Änderung einer Spuleninduktivität durch die Beeinflussung des magnetischen Feldes durch eine veränderliche Flussleitung nutzt, oder es kann ein Wirbelstromsensor sein, der das Auftreten von Wirbelströmen im Schlauchinhalt durch das Messen ihrer Rückwirkungen auf eine mit Wechselspannung oder Wechselstrom beaufschlagte Magnetspule nutzt, wobei die Rückwirkung des Wirbelstroms als frequenzabhängige Änderung der Induktivität der Magnetspule gemessen werden kann, oder als Verzug des Stromverlaufs relativ zum Spannungsverlauf.
Im ersten Fall (induktiver Sensor) wird der Unterschied in der magnetischen Leitfähigkeit zwischen einer wässrigen Lösung und Luft ausgenutzt, im zweiten Fall (Wirbelstromsensor) wird der Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit ausgenutzt. In beiden Fällen muss der Sensor sehr empfindlich ausgeführt werden, damit auch kleine Unterschiede in der Leitfähigkeit entdeckt und ausgewertet werden können.
Vorteilhafterweise sind die beiden Teilsensoren durch eine metallische Abschirmung in oder an der Schlauchfixierung vor einer das Signal verfälschenden Beeinflussung geschützt, insbesondere vor einer Beeinflussung durch die Hand eines Bedieners.
Bilder:

1: Pumpenaggregat mit Schlauchdrucksensoren aufgeklebter Metallplatte und einem Luftblasensensor, Sensor zur Luftblasenerkennung.
2: Kunststoffgehäuse mit eingespritzter Metallplatte, zwei Schlauchdrucksensoren
3: Kunststoffgehäuse mit metallischem Gehäuse, nur ein Sensor

Beispielhafte Ausführung:
Ein Pumpenaggregat (1) zur Förderung und/oder Dosierung eines in einem Schlauch (9) befindlichen Fluids gemäß 1 oder 2 weist zur Überwachung des einlassseitigen Drucks und des auslassseitigen Drucks im Schlauch (9) zwei Sensoren (2, 3) auf, die in einem gemeinsamen Gehäuse (4) zusammen mit einer Schlauchpumpe (5) aufgenommen sind.
Dabei bestehen die Sensoren (2, 3) jeweils aus einer Magnetspule (6), einer von dem Druck im Schlauch (9) verformbaren Metallplatte (7), einem Temperaturaufnehmer (13) und einer elektronischen Schaltung (8).
Damit die Metallplatte auch bei geringen Drücken ausreichend stark verformt wird, ist eine Dicke der Platte zwischen 0,08 und 0,6 mm vorgesehen.
Der Schlauch (9) wird durch eine Schlauchfixierung (10) einerseits und eine Schlauchlagerung (11) andererseits mit einer geometrisch begrenzten Vorspannung belastet, die den Schlauch verformt. Die geometrische Begrenzung ist vor allem durch die innere Gestaltung der Schlauchfixierung vorgegeben, die innere Höhe der Schlauchfixierung ist geringer als der Durchmesser des Schlauchs.
Die Verformung des Schlauchs bewirkt, dass ein Innendruck im Schlauch eine erhebliche Kraft zur Aufhebung dieser Verformung hervorruft.
In einer ersten Ausführung gemäß 3 ist die Metallplatte (7) ein Bestandteil des Gehäuses (4), wobei das Gehäuse aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
In einer zweiten Ausführung gemäß 2 ist die Metallplatte (7) in das Gehäuse (4) eingespritzt, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei das Gehäuse die Schlauchlagerung (11) bildet.
In einer dritten Ausführung gemäß 1 ist die Metallplatte (7) auf das Gehäuse aufgeklebt, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
In einer vierten Ausführung gemäß 1 ist die Metallplatte (7) in das Gehäuse mechanisch eingespannt, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
In einer fünften Ausführung gemäß 2 ist die Metallplatte (7) in das Gehäuse eingeklebt, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Gehäuseoberfläche die Schlauchlagerung (11) bildet.
Vorteilhafterweise wird in einer der genannten Ausführungen die Durchbiegung der Metallplatte (7) durch einen mechanischen Anschlag auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt.
Vorzugsweise ist die elektronische Schaltung (8) zusammen mit der Magnetspule (6) und dem Temperaturaufnehmer (13) auf einer Leiterplatte (12) aufgenommen.
In vorteilhafter Weise ist die Magnetspule durch Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgeführt.
Weiter vorzugsweise ist die elektronische Schaltung (8) so ausgelegt und programmiert, dass eine Änderung der Induktivität der Magnetspule (6) infolge einer Verformung der Metallplatte (7) eine Änderung eines elektrisches Ausgangssignals bewirkt, das wegen der schlauchdruckabhängigen Verformung der Metallplatte (7) in funktionalem Zusammenhang mit dem Druck im Schlauch (9) steht.
Weiter vorzugsweise ist elektronische Schaltung (8) so ausgelegt und programmiert, dass sie den Einfluss der Temperaturen des Gehäuses (4) des Schlauchs (9) und der Umgebung mittels des Temperaturaufnehmers (13) erfasst und damit das zu erzeugende elektrische Signal für den Druck im Schlauch (9) hinsichtlich des Temperatureinflusses anhand einer in der elektronischen Schaltung (8) abgelegten Wertetabelle kompensiert.
Vorteilhafterweise enthält das Pumpenaggregat zusätzlich gemäß 1 einen Sensor (14), der Luftblasen im Schlauchinhalt erkennen kann.
Dazu besteht der Sensor (14) zur Luftblasenerkennung bevorzugt aus zwei Teilsensoren, nämlich aus einem kapazitiven Sensor (15) und einem kontaktlosen Leitfähigkeitssensor (16).
Vorteilhafterweise ist der Sensor (14) durch eine metallische Abschirmung (17) in oder an der Schlauchfixierung (10) vor einer das Signal verfälschenden Beeinflussung geschützt
Zum Betrieb des Pumpenaggregats (1) wird eine elektronische Schaltung (8), die jeweils Bestandteil der Sensoren (2, 3) ist, so programmiert wird, dass sie sich nach dem Einschalten des Pumpenaggregats oder nach dem Einlegen eines neuen Schlauchs oder nach einer Pumpunterbrechung bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck im Schlauch (9) initialisiert, indem sie die nach dem Einschalten gemessene Werte für die Induktivität einer Magnetspule (6) und die Temperatur an einem Temperaturaufnehmer (13) als zugeordnete Ausgangswerte abspeichert.
Im laufenden Betrieb wird ein elektrisches Signal für den Druck im Schlauch (9) aus der aktuellen Induktivität der Magnetspule (6) und der Temperatur an dem Temperaturaufnehmer (13) ermittelt und mit den abgespeicherten Ausgangswerten verglichen, wobei die Induktivität der Magnetspule durch eine Verformung einer Metallplatte (7) verändert wird und wobei die Metallplatte durch den Druck im Schlauch (9) verformt wird und wobei das zu erzeugende elektrische Signal für den Druck im Schlauch (9) anhand einer in der Schaltung (8) abgelegten Wertetabelle hinsichtlich des Temperatureinflusses kompensiert wird.
Bezugszeichenliste

1.: Pumpenaggregat
2.: Sensor
3.: Sensor
4.: Gehäuse
5.: Schlauchpumpe
6.: Magnetspule
7.: Metallplatte
8.: Elektronische Schaltung
9.: Schlauch
10.: Schlauchfixierung
11.: Schlauchlagerung
12.: Leiterplatte
13.: Temperaturaufnehmer
14.: Sensor zum Erkennen von Luftblasen
15.: Kapazitiver Sensor
16.: Leitfähigkeitssensor
17.: Abschirmung

Claims

Ein Pumpenaggregat (1) zur Förderung und/oder Dosierung eines in einem Schlauch (9) befindlichen Fluids mit zwei Sensoren zur Überwachung des einlassseitigen Drucks und des auslassseitigen Drucks im Schlauch (9), wobei die Sensoren (2,3) in einem gemeinsamen Gehäuse (4) zusammen mit einer Schlauchpumpe (5) aufgenommen sind, wobei die Sensoren (2, 3) jeweils mindestens aus einer Magnetspule (6), einer von dem Druck im Schlauch (9) verformbaren Metallplatte (7), einer elektronischen Schaltung (8) und einem Temperaturaufnehmer (13) bestehen, wobei der Schlauch (9) durch eine Schlauchfixierung (10) einerseits und eine Schlauchlagerung (11) andererseits mit einer geometrisch begrenzten Vorspannung, die den Schlauch verformt, belastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenaggregat (1) zusätzlich einen Sensor (14) enthält, der zur Luftblasenerkennung aus zwei Teilsensoren besteht, nämlich aus einem kapazitiven Sensor (15) und einem kontaktlosen Leitfähigkeitssensor (16).
Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) zur Luftblasenerkennung durch eine metallische Abschirmung (17) in oder an der Schlauchfixierung (10) vor einer das Signal verfälschenden Beeinflussung geschützt ist.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) ein Bestandteil des Gehäuses (4) ist, wobei das Gehäuse aus einem Metallwerkstoff hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) in das Gehäuse (4) eingespritzt ist, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei das Gehäuse die Schlauchlagerung (11) bildet.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) auf das Gehäuse aufgeklebt ist, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) in das Gehäuse mechanisch eingespannt ist, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Metallplatte die Schlauchlagerung (11) bildet.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (7) in das Gehäuse eingeklebt oder eingespannt ist, wobei das Gehäuse aus Kunststoff durch Spritzgießen hergestellt ist, und wobei die Gehäuseoberfläche die Schlauchlagerung (11) bildet.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbiegung der Metallplatte (7) durch einen mechanischen Anschlag auf einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt wird.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung (8) zur Verarbeitung der Signale der Magnetspule (6) und des Temperaturaufnehmers (13) zusammen mit der Magnetspule (6) und dem Temperaturaufnehmer (13) auf einer Leiterplatte (12) aufgenommen ist.
Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (8) so ausgelegt und programmiert ist, dass eine Änderung der Induktivität oder der scheinbaren Induktivität der Magnetspule (6) infolge einer Verformung der Metallplatte (7) eine Änderung eines elektrisches Ausgangssignals bewirkt, das wegen der schlauchdruckabhängigen Verformung der Metallplatte (7) in funktionalem Zusammenhang mit dem Druck im Schlauch (9) steht.
Pumpenaggregat nach Anspruch 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (8) so ausgelegt und programmiert ist, dass sie den Einfluss der Temperaturen des Gehäuses (4) des Schlauchs (9) und der Umgebung mittels des Temperaturaufnehmers (13) erfasst und damit das zu erzeugende elektrische Signal für den Druck im Schlauch (9) anhand einer in der Schaltung (8) abgelegten Wertetabelle hinsichtlich des Temperatureinflusses kompensiert.
Verfahren zum Betrieb eines Pumpenaggregats (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 zur Förderung und/oder Dosierung eines in einem Schlauch (9) befindlichen Fluids , wobei die elektronische Schaltung (8) der Sensoren (2, 3) so programmiert wird, dass sie • sich nach dem Einschalten des Pumpenaggregats oder nach dem Einlegen eines neuen Schlauchs oder nach einer Pumpunterbrechung bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck im Schlauch (9) initialisiert, indem sie die nach dem Einschalten gemessene Werte für den Abstand einer Metallplatte (7) von der Magnetspule (6) und die Temperatur an einem Temperaturaufnehmer (13) als zugeordnete Ausgangswerte abspeichert • im laufenden Betrieb ein elektrisches Signal für den Druck im Schlauch (9) aus dem aktuellen Abstand der Metallplatte von der Magnetspule (6) und der Temperatur an dem Temperaturaufnehmer (13) ermittelt und mit den abgespeicherten Ausgangswerten vergleicht, wobei der Abstand der Metallplatte von der Magnetspule durch eine Verformung der Metallplatte (7) verändert wird und wobei die Metallplatte durch den Druck im Schlauch (9) verformt wird, wobei das zu erzeugende elektrische Signal für den Druck im Schlauch (9) anhand einer in der Schaltung (8) abgelegten Wertetabelle hinsichtlich des Temperatureinflusses kompensiert wird.