DE19651355A1 - Gasblasendetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasblasendetektor, bestehend aus einer mit einem Oszil­ lator gekoppelten Elektrodenanordnung, deren Elektroden eine eine Flüssigkeit füh­ rende Leitung einfassen und deren Kapazität entsprechend dem Anteil an ungelö­ stem Gas an der Flüssigkeit geändert wird, die zur Bestimmung des Gasanteils ge­ messen wird.

Derartige Gasblasendetektoren sind beispielsweise aus "The spatial filtering effect of capacitance transducer electrodes", E.A. Hammer und R.G. Green, J. Phys. E 16, 438 (1983) und "A frequency-modulated capacitance transducer for on-line measu­ rement of two-component fluid flow", R.G. Green und J.M. Cunliffe, Measurment 1, 191 (1983) bekannt und dienen der Messung des Anteils an ungelösten Gasen in Flüssigkeiten und insbesondere in Öl.

In der Medizintechnik und besonders in der Infusionstechnik und der Hämodialyse besteht das Problem, ungelöste Luft in durch Leitungen strömenden Blut- und Infusi­ onslösungen genau zu erfassen, um Embolien bei Patienten zu vermeiden. In der Medizintechnik werden zur Erfassung von Luftbläschen in Blut- oder Infusionslösun­ gen führenden Leitungen Ultraschallmeßsysteme verwendet, bei denen Detektoren vorgesehen sind, die entweder in Reflexion oder Transmission Signale eines Sen­ ders aufnehmen. Die Ankopplung von Schläuchen an die Meß- und Sendeköpfe ist jedoch problematisch. Weiterhin treten selbst im Rahmen der zulässigen Schlauch­ toleranzen Abweichungen auf, aufgrund derer sich die Signale identischer Gasbläs­ chen verändern. Werden optische Sensoren zur Erfassung von Luftbläschen in durch Schlauchleitungen strömenden Blut- oder Transfusionslösungen verwendet, ist es schwierig, den gesamten Schlauchquerschnitt gleichmäßig zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Meßsystem anzugeben, mit dem sich der Anteil an ungelöster Luft in durch Schläuchen oder Leitungen strömenden Flüssigkei­ ten der Medizintechnik mit hoher Genauigkeit erfassen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Verwendung einer mit einem Oszilla­ tor gekoppelten Elektrodenanordnung, deren Elektroden eine eine Flüssigkeit füh­ rende Leitung einfassen, und deren Kapazität entsprechend dem Anteil an ungelö­ stem Gas an der Flüssigkeit geändert wird, die zur Bestimmung des Gasanteils ge­ messen wird, als Gasblasendetektor für biologische Flüssigkeiten führende Leitun­ gen gelöst.

Aus unerfindlichen Gründen wurden Elektrodenanordnungen mit Einrichtungen zur Erfassung der Kapazitätsänderung der Elektroden in der Medizintechnik als Gasbla­ sendetektoren für biologische Flüssigkeiten nicht verwendet, vermutlich weil niemand auf den Gedanken gekommen ist, derartige Gasblasendetektoren auf dem Gebiet der Medizintechnik einzusetzen oder weil diese als ungeeignet angesehen wurden. Versuche haben jedoch ergeben, daß Gasblasendetektoren mit das durch die Schlauchleitung gebildete Dielektrikum einfassenden Elektroden eine sehr genaue Erfassung des Gasblasenanteils an biologischen Flüssigkeiten ermöglichen.

Besonders gute Meßergebnisse werden mit einer Elektrodenanordnung nach dem Patentanspruch 2 erzielt, für die selbständiger Schutz beansprucht wird. Eine derar­ tige Elektrodenanordnung weist zwei ringförmige Elektroden auf, deren Geometrie sich an dem Durchmesser der durch die Elektroden eingefaßten Leitung orientiert. Demgemäß sollte die Länge einer einzelnen Elektrode größer als der Durchmesser der Leitung und der Abstand der beiden Elektroden wiederum kleiner als die Elektro­ denlänge sein. Besonders vorteilhafte Elektrodenanordnungen ergeben sich, wenn die Elektrodenlänge das 2- bis 5-fache des Leitungsdurchmessers und der Abstand der beiden Elektroden das 0,1- bis 0,5-fache des Leitungsdurchmessers beträgt.

Durch eine derartige Anordnung der Elektroden entstehen also im Verhältnis zum Durchmesser der Leitung bzw. des Schlauches ausgedehnte Rohrelektroden. Hier­ durch läßt sich eine erhöhte Empfindlichkeit zur Bestimmung des Gasanteils in der jeweiligen Flüssigkeit sowie eine schärfere Detektion einzelner Bläschen erzielen. Die bessere Empfindlichkeit läßt sich dadurch erklären, daß aufgrund der langen Elektroden und damit der Vergrößerung der Kondensatoroberfläche der Anteil der Übergangskapazität zwischen den Elektroden und der Flüssigkeit abgesenkt wird. Die schärfere Auflösung einzelner Bläschenanteile erklärt sich wiederum dadurch, daß bei langen Rohrelektroden der Eintrift eines Bläschens in eine Elektrode eine zu vernachlässigende Kapazitätsverringerung bewirkt, während am Sensorspalt weiter­ hin eine scharfe Detektion möglich ist. Bei kurzen Elektroden würde dagegen das Eintauchen eines Luftbläschens in die erste Elektrode bereits aufgrund einer merkli­ chen Kapazitätsverringerung registriert. Ein Bläschen würde somit ein breites, ver­ waschenes Signal erzeugen, so daß dicht aufeinanderfolgende Bläschen, die sich innerhalb der Elektroden befinden, verfälscht detektiert würden.

Eine besonders kostengünstige Bestimmung des Gasanteils ist mit einer Elektro­ denanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 möglich, wofür ebenfalls selbständiger Schutz beansprucht wird. Diese Elektrodenanordnung zeichnet sich dadurch aus, daß diese mit einem weiteren Kondensator in einer Spannungsteiler­ schaltung derart verschaltet ist, daß zwischen den Elektroden hindurchtretende, un­ gelöste Gasanteile im Wege der Amplitudenmodulation eines Hochfrequenzträgersi­ gnals erfaßbar sind. Bisher bekannte Glasblasendetektoren bestimmen die Kapazi­ tätsänderung der Elektrodenanordnung und damit auch den Gasanteil mit Hilfe einer Frequenzmodulation. Dies bedingt allerdings eine aufwendige und damit teure Schaltung der Meßelektroden. Im Gegensatz dazu kann eine Auswerteschaltung mit einer Amplitudenmodulation sehr kostengünstig realisiert werden. Eine derartige Amplitudenmodulation beruht dabei auf der Erkenntnis, daß beim Eintrift eines Gas­ bläschens in die Elektrodenanordnung sich die Kapazität des durch die Elektroden­ anordnung gebildeten Kondensators verringert. Auf der anderen Seite hängt bei ei­ nem kapazitiven Spannungsteiler die Ausgangsspannung umgekehrt proportional von der Meßkapazität ab, so daß sich beide Effekte gerade derart kompensieren, daß am Ausgang einer die Amplitudenmodulation auswertenden Schaltung der Luftanteil proportional dargestellt werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Hochfrequenzträ­ gersignal eines Oszillators an der Spannungsteilerschaltung anliegt und daß die amplitudenmodulierte Spannung an den Elektroden des Meßkondensators abgreif­ bar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung nä­ her erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht zweier eine Schlauchleitung einfassender Elek­ troden,

Fig. 2 die Schaltung des Oszillators mit Signalwandler und

Fig. 3 einen AC-DC-Signalkonverter.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, fassen den aus Kunststoff bestehenden Schlauch 1 zwei ringförmige Elektroden 2, 3 ein, deren axiale Länge b größer ist als der Durch­ messer des Schlauches und deren Abstand a voneinander kleiner ist, als die axiale Länge der Elektroden 2, 3.

Die Elektrodenanordnung mit den beiden ringförmigen Elektroden 2, 3 zeichnet sich durch einen geringen kapazitiven Übergangswiderstand aus, da die große Elektro­ denoberfläche zu einer großen Kapazität führt. Zwischen den Elektroden 2, 3 wird ein homogenes elektrisches Feld erzeugt. Innerhalb dieses Feldes spielt es keine Rolle, ob zu erfassende Gasbläschen sich in der Schlauchmitte oder im Bereich der Schlauchwandung befinden.

Der Spalt a zwischen den Elektroden 2, 3 bestimmt die Auflösung zweier aufeinan­ der folgender Bläschen.

Die Länge der beiden Elektroden 2, 3 wird so gewählt, daß beim Eintritt eines Bläs­ chens in eine Elektrode die Erhöhung des Blindwiderstandes zwischen den beiden Elektroden gering bleibt. Bei einer großen Oberfläche der Elektroden, die durch de­ ren Länge geschaffen wird, verursacht der Eintritt einer Gasblase eine vernachläs­ sigbar geringe Erhöhung des Blindwiderstandes, weil der Bläschenquerschnitt im Verhältnis zur Elektrodenoberfläche gering ist.

Betrachtet man das homogene Feld in axialer Richtung, so erscheint eine Kreis­ scheibe. Das Verhältnis zwischen der Größe der durchtretenden Luftbläschen zur Größe der Kreisscheibe bestimmt die elektronische Ausgangsamplitude, die nach­ stehend noch näher erläutert wird.

Aus Fig. 2 ist die Schaltung des Oszillators 4 und des Signalwandlers 5 ersichtlich.

Der Oszillator erzeugt aus der Betriebsspannung U_B von beispielsweise 4,5 Volt eine Sinus-Wechselspannung von etwa 10 V_SS. Aufgrund der Drainschaltung des Feldtransistors T1 erfolgt keine Phasendrehung und die Verstärkung beträgt etwa 1. Die Schwingungsbedingung erfordert außer der Phasenbedingung (Drehung 0°) eine Gesamtverstärkung, die nach Abzug aller Schwingkreisverluste mindestens 1 be­ trägt. Diese Bedingung wird mit dem induktiven Spannungsteiler L1 und L2 erfüllt.

Der Schwingkreis, der aus den Induktivitäten L1 und L2 und dem Kondensator C2 besteht, erzeugt durch Energieeinspeisung zwischen den Induktivitäten L1 und L2 eine Spannungstransformation. Das Gate des Transistors T1 nimmt das verstärkte Signal auf und führt es nach erfolgter Impedanzerniedrigung über den Source- Anschluß des Transistors T1 in den Schwingkreis zurück. Der Kondensator C1 blockt die Betriebsspannung ab.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine bewußt hohe Frequenz von 74 MHz gewählt, um den Übergangs-Blindwiderstand zur Flüssigkeit niedrig zu halten. Bei 2,5 pF Übergangskapazität beträgt der Blindwiderstand circa 806 Ohm.

Der Signalwandler 5 erzeugt mit dem kapazitiven Spannungsteiler, bestehend aus dem Kondensator C3 und den Meßelektroden, ein amplitudenmoduliertes Wech­ selspannungssignal. Dabei entspricht die Amplitudenmodulation den Kapazitätsän­ derungen an den Meßelektroden, verursacht durch Leitwertänderungen der zu über­ wachenden Flüssigkeit. Die Dioden D1 und D2 demodulieren das Signal durch Gleichrichtung und verdoppeln zugleich das Nutzsignal. Der Ladekondensator C4 bildet mit R1 einen Tiefpaß und dämpft die Oszillatorfrequenz und bestimmt darüber hinaus zugleich die obere Grenzfrequenz des Sensors (die beispielsweise etwa 330 Hz betragen kann). Über den Widerstand R2, der der Verminderung der HF- Einstreuung dient, wird das von der Gleichspannung überlagerte Signal an dem Ausgang A1 ausgekoppelt. Der Ausgangswiderstand kann beispielsweise etwa 40 Kilo-Ohm betragen.

Das in dem Signalwandler erzeugte Signal wird sodann in dem aus Fig. 3 ersichtli­ chen AC-DC-Signalkonverter gewandelt.

Mit dem HF-Filter, bestehend aus den Widerständen R14, den Induktivitäten L11 und L12 und dem Kondensator C12, werden die HF-Reste des Sensorausgangs A1 unterdrückt.

Der Kondensator C13 und der Widerstand R15 bilden einen Hochpaß mit einer unte­ ren Grenzfrequenz von beispielsweise 4,8 Hz.

In der Schalterstellung AC können am Ausgang Wechselsignale gemessen werden, die von einzelnen Luftbläschen hervorgerufen werden.

In der Schalterstellung DC wird der Offset des Sensors in Höhe von etwa 5 Volt sub­ trahiert. Dies geschieht durch serielles Anlegen einer gleich großen Gleichspannung in Gegenrichtung. Der Transistor T11 erzeugt mit den Widerständen R11, R12 und R13 (10-Gang-Potentiometer) und dem Kondensator C11 eine einstellbare, stabili­ sierte, sowie rauscharme Gleichspannung.

In der Schalterstellung DC werden sowohl einzelne Bläschen als auch der gesamte Luftanteil zwischen den kapazitiv gekoppelten Elektroden proportional dargestellt.

Claims (5)

1. Verwendung einer mit einem Oszillator gekoppelten Elektrodenanordnung, de­ ren Elektroden eine Flüssigkeit führende Leitung einfassen und deren Kapazität entsprechend dem Anteil an ungelöstem Gas an der Flüssigkeit geändert wird, die zur Bestimmung des Gasanteils gemessen wird, als Gasblasendetektor für biologische Flüssigkeiten führende Leitungen.

2. Elektrodenanordnung, insbesondere zur Verwendung nach dem Patentan­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung aus zwei eine Leitung (1) ringförmig einfassen­ den Elektroden (2, 3) besteht, wobei die axiale Länge (b) der ringförmigen Elektroden (2, 3) mindestens den Durchmesser der Leitung (1) beträgt und wo­ bei der Abstand (a) der ringförmigen Elektroden (2, 3) voneinander kleiner ist, als die Länge (b) der Elektroden (2, 3).

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lei­ tung ein aus Kunststoff bestehender Schlauch (1) ist.

4. Elektrodenanordnung, insbesondere zur Verwendung nach dem Patentan­ spruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der durch die Elektrodenanordnung (2, 3) gebildete Kondensator mit einem weiteren Kondensator in einer Spannungsteilerschaltung derart verschaltet ist,
daß zwischen den Elektroden (2, 3) hindurchtretende, ungelöste Gasanteile im Wege der Amplitudenmodulation eines Hochfrequenzträgersignals erfaßbar sind.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hochfrequenzträgersignal an der Spannungsteilerschaltung anliegt und daß die amplitudenmodulierte Spannung an den Elektroden (2, 3) abgreifbar ist.