-
Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Elektrodenanordnung, deren Kapazität entsprechend dem Anteil an
ungelöstem
Gas an einer in einer Leitung geführten Flüssigkeit geändert wird.
-
In der Medizintechnik und besonders
in der Infusionstechnik und der Hämodialyse besteht das Problem,
ungelöste
Luft in durch Leitungen strömenden
Blut- und Infusionslösungen
genau zu erfassen, um Embolien bei Patienten zu vermeiden. In der Medizintechnik
werden zur Erfassung von Luftbläschen in
Blut- oder Infusionslösungen
führenden
Leitungen Ultraschallmeßsysteme
verwendet, bei denen Detektoren vorgesehen sind, die entweder in
Reflexion oder Transmission Signale eines Senders aufnehmen. Die
Ankopplung von Schläuchen
an die Meß- und
Sendeköpfe
ist jedoch problematisch. Weiterhin treten selbst im Rahmen der
zulässigen
Schlauchtoleranzen Abweichungen auf, aufgrund derer sich die Signale
identischer Gasbläschen
verändern.
Werden optische Sensoren zur Erfassung von Luftbläschen in durch
Schlauchleitungen strömenden
Blut- oder Transfusionslösungen
verwendet, ist es schwierig, den gesamten Schlauchquerschnitt gleichmäßig zu ertassen.
-
Aus der
EP 0 511 651 B1 ist ein
Gasblasendetektor bekannt, der auf einem elektromagnetischen Prinzip
beruht. Die Druckschrift zeigt eine Meßeinrichtung zur Detektion
von Luftblasen in einer eine Flüssigkeit
führenden
Leitung, die einem elektromagnetischen Resonanzfeld ausgesetzt ist.
Die Leitung kann dabei in einer Hohlraumkammer eingebracht oder
auf einer Streifenleitungsschaltung aufgesetzt sein. Durch den Eintritt
von Luftblasen wird die Impedanz und damit auch die Frequenz des
elektromagnetischen Hochfrequenzoszillators geändert.
-
Die
U.S.
4,887,040 betrifft eine Hochfrequenzeinrichtung zur Impedanzmessung.
Die Vorrichtung umfaßt
einen Kern sowie darauf aufgewickelte Leitungen, denen jeweils eine
Ringelektrode zugeordnet ist. Die Ringelektroden dienen dazu, die
Impedanz einer Hochfrequenzleitung zu verändern. Die Vorrichtung wird
eingesetzt, um nähere
Informationen über den
Aufbau von Sedimentschichten des Meeresbodens zu erhalten.
-
Gasblasendetektoren, bestehend aus
einer mit einem Oszillator gekoppelten Elektrodenanordnung, deren
Elektroden eine 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, 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-Iine measurement of two-component fluid flow",
R.G. Green und J.M. Cunlifffe, Measurment 1, 191 (1983)
bekannt und dienen der Messung des Anteils an ungelösten Gasen
in Flüssigkeiten
und insbesondere in Öl.
-
Aus der
FR 2 422 161 ist eine Elektrodenanordnung
bekannt, deren Kapazität
entsprechend dem Anteil an ungelöstem
Gas an einer in einer Leitung geführten Flüssigkeit geändert wird. Zusammen mit einer
Spule bildet die Elektrodenanordnung einen Schwingkreis, der über einen
Kopplungstransformator durch einen Frequenzgenerator gespeist wird. Über eine
den Abstand der Kondensatorplatten verändernde Stellschraube können die
Resonanzfrequenz und damit auch die Empfindlichkeit der Elektrodenanordnung
verändert
werden. Die Auswertung des Luftanteils erfolgt durch eine einfache
Gleichrichtung, wobei der frequenzabhängige Amplitudengang des Schwingkreises
ausgenutzt wird.
-
Durch die in dieser Druckschrift
gezeigte klappenförmige
Elektrodenanordnung läßt sich
nur eine verhältnismäßig geringe
Empfindlichkeit erzielen, da die Ankopplung an die in der Leitung
geführte Flüssigkeit
verhältnismäßig schlecht
ist. Darüber
hinaus besteht ein Problem in der ungenauen elektronischen Auswertung
des an der Elektrodenanordnung anliegenden Amplitudensignals. Die
Entgegenhaltung offenbart eine Gleichrichtung mit einem nachfolgenden
Komparator, so daß nur
eine einfache Binärinformation über den
Eintritt von Luftbläschen
in der Leitung zur Verfügung
steht.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher,
ein Meßsystem
anzugeben, mit dem sich der Anteil an ungelöster Luft in durch Schläuchen oder
Leitungen strömenden
Flüssigkeiten
der Medizintechnik mit hoher Genauigkeit erfassen läßt.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
Elektrodenanordnung der eingangs genannten Art gelöst, wobei
die Elektrodenanordung aus zwei die Leitung ringförmig einfassenden
Elektroden besteht, wobei die axiale Länge der ringförmigen Elektroden
mindestens den Durchmesser der Leitung beträgt, und wobei der Abstand der
ringförmigen
Elektroden voneinander kleiner ist als die Länge der Elektroden.
-
Aus unerfindlichen Gründen wurden
Elektrodenanordnungen mit Einrichtungen zur Erfassung der Kapazitätsänderung
der Elektroden in der Medizintechnik als Gasblasendetektoren 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.
-
Eine Elektrodenanordnung gemäß Patentanspruch
1 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 Elektrodenlänge 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. Hierdurch 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 Eintritt eines Bläschens in eine Elektrode eine
zu vernachlässigende
Kapazitätsverringerung
bewirkt, während am
Sensorspalt weiterhin eine scharfe Detektion möglich ist. Bei kurzen Elektroden
würde dagegen das
Eintauchen eines Luftbläschens
in die erste Elektrode bereits aufgrund einer merklichen Kapazitätsverringerung
registriert. Ein Bläschen
würde somit ein
breites, verwaschenes Signal erzeugen, so daß dicht aufeinanderfolgende
Bläschen,
die sich innerhalb der Elektroden befinden, verfälscht detektiert würden.
-
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, daß die Leitung ein aus Kunststoff
bestehender Schlauch ist.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine
Elektrodenanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1,
wobei Elektroden der Elektrodenanordnung einen Kondensator bilden,
der mit einem weiteren Kondensator in einer Spannungsteilerschaltung derart
verschaltet ist, daß zwischen
den Elektroden hindurchtretende, ungelöste Gasanteile im Wege der Amplitudenmodulation
eines Hochfrequenz-Trägersignals
erfaßbar
sind. Auf diese Weise läßt sich
eine besonders kostengünstige
Bestimmung des Gasanteils realisieren.
-
Bisher bekannte Glasblasendetektoren
bestimmen die Kapazitätsänderung
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
Eintritt eines Gasbläschens
in die Elektrodenanordnung sich die Kapazität des durch die Elektrodenanordnung
gebildeten Kondensators verringert. Auf der anderen Seite hängt bei
einem 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
Hochfrequenzträgersignal
eines Oszillators an der Spannungsteilerschaltung anliegt und daß die amplitudenmodulierte
Spannung an den Elektroden des Meßkondensators abgreifbar ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
-
1 eine
Seitenansicht zweier eine Schlauchleitung einfassender Elektroden,
-
2 die
Schaltung des Oszillators mit Signalwandler und
-
3 einen
AC-DC-Signalkonverter.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, fassen den aus Kunststoff
bestehenden Schlauch 1 zwei ringförmige Elektroden 2, 3 ein,
deren axiale Länge
b größer ist als
der Durchmesser 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
Elektrodenobertläche
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 ertassende Gasbläschen
sich in der Schlauchmitte oder im Bereich der Schlauchwandung befinden.
-
Der Spalt a zwischen den Elektroden 2, 3 bestimmt
die Auflösung
zweier aufeinander folgender Bläschen.
-
Die Länge der beiden Elektroden 2, 3 wird
so gewählt,
daß beim
Eintritt eines Bläschens
in eine Elektrode die Erhöhung
des Blindwiderstandes zwischen den beiden Elektroden gering bleibt.
Bei einer großen
Oberfläche
der Elektroden, die durch deren Länge geschaffen wird, verursacht
der Eintritt einer Gasblase eine vernachlässigbar geringe Erhöhung des
Blindwiderstandes, weil der Bläschenquerschnitt im
Verhältnis
zur Elektrodenoberfläche
gering ist.
-
Betrachtet man das homogene Feld
in axialer Richtung, so erscheint eine Kreisscheibe. Das Verhältnis zwischen
der Größe der durchtretenden Luftbläschen zur
Größe der Kreisscheibe
bestimmt die elektronische Ausgangsamplitude, die nachstehend noch
näher erläutert wird.
-
Aus 2 ist
die Schaltung des Oszillators 4 und des Signalwandlers 5 ersichtlich.
-
Der Oszillator erzeugt aus der Betriebsspannung
UB von beispielsweise 4,5 Volt eine Sinus-Wechselspannung
von etwa 10 VSS. Aufgrund der Drainschaltung
des Feldtransistors T1 erfolgt keine Phasendrehung und die Verstärkung beträgt etwa 1.
Die Schwingungsbedingung ertordert außer der Phasenbedingung (Drehung
0°) eine
Gesamtverstärkung,
die nach Abzug aller Schwingkreisverluste mindestens 1 beträgt. 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 Wechselspannungssignal. Dabei entspricht die
Amplitudenmodulation den Kapazitätsänderungen
an den Meßelektroden,
verursacht durch Leitwertänderungen
der zu überwachenden
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 3 ersichtlichen 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 unteren 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 subtrahiert. 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, stabilisierte, sowie rauscharme Gleichspannung.
-
In der Schalterstellung DC werden
sowohl einzelne Bläschen
als auch der gesamte Luftanteil zwischen den kapazitiv gekoppelten
Elektroden proportional dargestellt.