DE3016684C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Gasströmungszyklen - Google Patents

Description

werden soll.

Die Vorrichtung ist ebenfalls zur Anwendung im medizinischen Feld geeignet, um Atmungszyklen zu simulieren, die gemessen wurden, wenn ein Patient in Nor-

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeu- bo malbedingung ist, und die dann an dem Patienten wangen von vorbestimmten Gasströmungszyklen und ist rend abnormaler Bedingungen angewendet werden, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, beim Testen beispielsweise während einer Operation. Die Vorrichvon Einheiten verwendbar, die beim Betrieb Druck-und tung kann auch zur Unterstützung bei Emphysemen Strömungszyklen unterworfen sind, wie z. B. Atmungs- verwendet werden.

systeme oder Regulaloren. b5 Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Er-

Zur Zeit werden Atmungssysteme mit Vorrichtungen findung ergeben sich aus den Untci ansprüchen, Kombiüberprüft und getestet, bei denen die Betriebsbedingun- nationen von Untcransprüc'nen, der folgenden Beschrei- I gen von Hand eingestellt werden. Derartige Tests sind bung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand I

der Zeichnung. Hierbei zeigt

F i g. 1 schematisch die allgemeine Konstruktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung:

F i g. 2 einen vereinfachten Querschnitt eines druckgeregelten, zur Verwendung bei der Vorrichtung nach F i g. 1 geeigneten Magnetventils.

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Testen von Masken und Sauerstoffbedarfsreglern, in einer gesteuerten Umgebung, die ein eine Umgebung simulierendes Gehäuse 10, eine elektropneumatische Einheit 11 und eine Steuereinheii 12 enthält.

Das Gehäuse 10 besitzt eine herkömmliche Bauweise. Das nur schematisch dargestellte Gehäuse 10 ist dazu bestimmt, die zu testende Ausrüstung aufzunehmen, in diesem Beispiel eine Maske 83 mit einem Ausatemventil 85, die über ein herkömmliches flexibles Rohr 84 mit einem Bedarfsregulator 82 verbunden ist Die Maske 83 ist auf ein Formteil aufgesetzt, das das Gesicht eines Trägers simuliert Die Wand des Gehäuses 10 ist mit elektrischen und pneumatischen Verbindern versehen, die durch die Wand hindurchführen und deren Funktion unten beschrieben wird.

Die Bauart der elektropneumatischen Einheit 11 hängt von den durchzuführenden Tests ab. Sie enthält ein Gerät 16 zum Erzeugen eines Zyklus, das dazu bestimmt ist, über eine Leitung 17 und einen durch die Wand des Gehäuses 10 hindurchgehenden Verbinder mit der zu testenden Ausrüstung verbunden zu werden, hier mit der Maske 83 und dem Regulator 82.

Das Gerät 16 besitzt ein Gehäuse 74, das aus mehreren zusammengesetzten Teilen hergestellt ist und eine Kammer 80 definiert, die Versorgungsverbindungen 100 und 101 und eine in die Leitung 17 übergehende öffnung 76 aufweist. Das Gerät 16 enthält weiterhin eine bewegbare Einheit 75 mit einem Meßelement zum Drosseln des Duichgangs 75, wobei das in F i g. 1 dargestellte Drosselelement eine Nadel ist, während jedoch andere Arten von Elementen, beispielsweise eine Spindel, verwendet werden können.

Das Gerät 16 enthält weiterhin elektrisch betätigbare Einrichtungen 77 zur Steuerung der Stellung des Drosselelementes. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 enthält die Einrichtung 77 einen Elektromagnet, dessen Wirkung von der Intensität des durch ihn fließenden elektrischen Stromes abhängt. Es können jedoch auch andere Arten von Steuerung verwendet werden, beispielsweise ein Schrittmotor. Schließlich enthält das Gerät 16 elektrische Sensoreinrichtungen zur Bestimmung der Stellung der Anordnung 75, wobei diese Sensoreinrichtungen beispielsweise durch in dem Gehäuse angeordnete Detektorspulen 78 gebildet sind, die ein elektrisches Signal liefern, das von der Stellung eines mit der bewegbaren Anordnung 75 verbundenen Ankers 79 abhängig ist.

Eine lineare Beziehung zwischen der Stellung der bewegbaren Anordnung 75 und des durch die elektromagnetischen Einrichtungen 77 fließenden elektrischen Stromes ist nicht wesentlich, jedoch muß unter normalen Bedingungen die Stellung praktisch nur von dem Strom oder von der an den Einrichtungen 77 anliegenden elektrischen Spannung abhängen.

Die Verbindungen 100 und 101 werden durch mit elektrisch gesteuerten Verschlußeinrichtungen versehene Kreise mit Gasquellen unter verschiedenen Drücken verbunden, um den Druck in der Kammer 80 auf einen b5 bestimmten und auswählbaren Wert zu bringen.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist zum Testen von Masken entweder unter einem partiellen Vakuum (Höhen-Tests) oder unter einem Überdruck (Tests in einer unter Druck stehenden Umgebung) geeignet- Zu diesem Zweck ist die Verbindung 100 zur Verbindung durch eine Leitung entweder mit einer Vakuumquelle oder mit Atmosphärendruck vorgesehen, während die Verbindung 101 zur Verbindung mit einem Druckkreis vorgesehen ist

Der erste Schaltungskreis enthält eine Vakuumpumpe 95, die von der Verbindung 100 durch ein Magnetventil 103 getrennt ist, sowie eine von der Verbindung 100 durch ein Magnetventil 94 getrennte öffnung in die Atmosphäre.

Der der Verbindung 101 zugeordnete Schaltungskreis enthält, startend von einem Versorgungszylinder 86 mit unter Hochdruck (beispielsweise 250 bar) stehenden Sauerstoff, zwei in Kaskadenschaltung angeordnete Druckreduzierer 87 und 88, die typischerweise gleich aufgebaut sind. Jeder der Druckreduzierer 87 und 88 ist mit einem Ausgangsdrucksensor 89 bzw. 90 versehen. Zwei Magnetventile 91 und 92 sind angeordnet, um die Verbindung 101 mit einem Ausgang des Druckreduzierers 87 (beispielsweise mit 20 bar) bz-w. dem Ausgang des Druckreduzierers 88 (beispielsweise bei einem Druck von 1 bar oberhalb atmosphärischen Drucks) zu verbinden. Die Magnetventile 91 und 92 können infolgedessen einen vorbestimmten Druck in der Kammer 80 aufrechterha'ten, der höher ist als normaler Atmosphärendruck bei Meereshöhe. Nur die Bauweise des Druckreduzierers 87 ist im Detail in der F i g. 1 dargestellt Er enthält ein druckreduzierendes Servoventil 21, das von zwei Magnetventilen 19 und 20 gesteuert wird, die eine Öffnungs- und eine Verschlußstellung besitzen.

Es ist wichtig, daß der von der Druckreduziereinrichtung 21 gelieferte Druck konstant ist, damit die Beziehung zwischen der Durchflußleistung und dem von dem Drosselelement in der öffnung 76 begrenzten Querschnitt exakt aufrechterhalten wird. Zu diesem Zweck können für die Druckreduziereinrichtungen Magnetventile eingesetzt werden, falls sie druckgeregelt sind.

F i g. 2 zeigt ein druckgeregeltes Servoventil 114 von einem Typ, das geschlossen ist, wenn es nicht angesteuert wird, wobei in der Figur die angesteuerte Stellung dargestellt ist. Das Ventil 114 enthält ein etwa zylindrisch ausgebildetes Gehäuse mit einer Elektromagnetspule 115, wobei das Gehäuse eine innere zylindrische Kammer aufweist, die gleitend eine Spindel 116 aufnimmt. Eine Endwand der Kammer ist mit einem Ventilsitzelement 117 versehen, das einen ringförmigen Einlaß 119 von einem zentralen Auslaß 118 trennt. Die andere Endwand der Kammer enthält eine Bohrung mit verringertem Durchmesser, die gleitend einen Vorsprung der Spindel 116 aufnimmt, dessen Durchmesser identisch ist mit dem Durchmesser des Ventilsitzes 117. Ein piezoelektrischer Sensor 120 ist abdichtend in der Bohrung befestigt und infolgedessen dem Druck unterworfen, der in der Bohrung herrscht. Ein zentraler Durchgang 121 in der Spindel 116 legt den Auslaßdruck an den Sensor 120 an. Die aus ferromagnetischem Material bestehende Spindel 116 bildet den Anker des elektromagnetischen Steuerungssystems des Ventiles. Das Ansteuern der Spule 115 zwingt die Spindel 116 gegen die Rückstellkraft einer Feder 122 von dem Ventilsitz in die in F i g. 2 gezeigte Stellung. Eine Flachdichtung 123 aus eineir unter Hochdruck kriechwiderstandsfähigem Material, beispielsweise aus Torion, und Rundschnurringe 124 sind vorgesehen, um das Ventil abzudichten.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung enthält weiterhin eine Einrichtune zur Stabilisierune des in dem Ge-

häuse 10 herrschenden Drucks durch Einstellung des Strömungsquersehnittes zwischen dem Gehäuse 10 und der umgebenden Atmosphäre. Das Gerät 22 ist ähnlich aufgebaut wie das Gerät 16. Jedoch enthält seine Kammer 22a nur eine einzige Verbindung, die in die Atmosphäre führt. Ein Drucksensor 23 ist wieder vorgesehen, um ein dem Druck in dem Gehäuse 10 entsprechendes Signal zu liefern.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält weiterhin die Steuereinheit 12, dessen wesentliches Bauteil ein Mikroprozessor 105 ist, der die Ausgangssignale von den Sensoren 23, 89, 90, 78 sowie möglicherweise von zusätzlichen Steuerungssensoren empfängt, die die Drükke in den Kammern 80 und 22a messen. Der Mikroprozessor 105 liefert über Leistungsverstärker Steuerströme an die Elektromagneten der Geräte 16 und 22 sowie an die Magnetventile.

Die beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, zyklische Tests bei einer in dem Gehäuse 10 angeordneten Ausrüstung anzuv/enden. Es wird angenommen, daß die Ausrüstung eine Maske 83 und einen zugehörigen Regulator 82 mit einem Verdünnungslufteinlaß 102 enthält.

Es wird zunächst angenommen, daß altimetrische Tests ausgeführt werden sollen. Dann bleibt das Magnetventil 94 ständig geschlossen. Bei der Simulierung eines Atmungszyklus wird die Einatemphase dadurch dargestellt, daß in der Maske dadurch eine durch den Sensor 99 gemessene Druckverminderung hergestellt wird, daß durch die öffnung 66 Luft herausgezogen wird. Die Steuereinheit veranlaßt das Magnetventil 103 zu öffnen, um in der Kammer 80 eine Druckverminderung vorzusehen, die dem von der Vakuumpumpe 95 geschaffenen Vakuum entspricht, Anschließend betätigt die Steuereinheit 12 die bewegbare Anordnung 75 des Gerätes 16 derart, daß sie eine sich als Funktion der Zeit ändernde Querschnittsfläche vorsieht, entsprechend dem zu simulierenden Strömungsdruckzyklus. Die Bewegung der bewegbaren Anordnung 75 aus ihrer Ruhestellung wird von dem von dem Stellungssensor gelieferten Signal dargestellt, wobei dieses Signal an einen Eingangsvergleicher der Steuereinheit durch einen Analog/Digitalumwandler angelegt wird. Da der in dem Gehäuse 10 vorherrschende von dem Sensor 23 gemessene Druck konstant gehalten wird, indem der von dem Drosselelement de« Gerätes 22 begrenzte Strömungsquerschnitt moduliert oder gemessen wird, kann die Durchflußleistung durch die öffnung 76 durch Steuerung des Strömungsquerschnittes in Übereinstimmung mit einer vorher in der Steuereinheit 12 abgespeicherten Standardkurve gemessen werden. Die Veränderung des Strömungsquersehnittes als Funktion der Zeit kann ihrerseits als Funktion des zu simulierenden Zyklus gesteuert werden. Das System kann als in einem geschlossenen Kreislauf befindlich betrachtet werden, da die Bewegung der bewegbaren Einheit 75 aus ihrer Ruhestellung von dem von dem Stellungssensor 78 gelieferten Signal dargestellt wird.

Am Ende der Einatmungsperiode veranlaßt die Steuereinheit das Magnetventil 103 zu schließen und das Magnetventil 92 zu öffnen. Dadurch wird ein vorbestimmter Druck in der Kammer 80 eingestellt. Der gesteuerte Druckreduzierer 88 sendet dann einen Gegendruck in die Kammer 80. Dieser durch die öffnung 76 geförderte Gegendruck verursacht das Ausatmungsventil 85 sich zu öffnen. Der Zyklus wird anschließend während der für die Tests vorgesehenen Zeit wiederholt.

Durch Schalten der elektromagnetischen Ventile 91 und 92 und durch Modulieren der Stellung der bewegbaren Anordnung 75 kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sinusförmige Zyklen, stufenförmige Druckoder Strömungsveränderungen oder auch Wattdiagramme, die den Einatmungs- und Ausatmungszyklus eines Maskenträgers simulieren.

Bei Tests unter normalem atmosphärischem Druck kann das Gerät 22 geschlossen bleiben, während das Gehäuse 10 über ein zusätzliches Magnetventil 104 mit der Atmosphäre verbunden wird.

Für Tests in einer Druckumgebung kann schließlich die Vakuumpumpe 95 angehalten werden. Der Druck in der Kammer 80 wird dann durch Steuerung der Magnetventile 94 und 92 gesteuert, bzw. 94 und 91, wenn ein Hochdruck erforderlich ist, während das Magnetventil 103 geschlossen bleibt.

Die Steuereinheit 12 kann aus im Handel verfügbaren Komponenten bestehen. Wie in Fi g. 1 dargestellt, kann die Mikroprozessoreinheit 105 einen Zilog Z 80 mit einem 2214 RAM sowie einem 2708 ROM zum Abspeichern der Programme enthalten. Der Massenspeicher kann sogenannte Floppy-Disks enthalten.

Die von den Drucksensoren 23, 99, 89, 90 und 78 erzeugten elektrischen Signale werden von Analog/Digitalumwandlern in digitale Form umgewandelt. Da eine Genauigkeit von etwa einem Prozent im allgemeinen ausreicht, können typischerweise acht-bit-Umwandler verwendet werden. Während ein Multiplexbetrieb vorgesehen ist, kann es vorzuziehen sein, eine Anzahl von Umwandlern vorzusehen, die gleich ist der maximalen Anzahl von Sensoren, die gleichzeitig verwendet werden können. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein einzelner Umwandler 106 dargestellt.
Die Ausgänge aller Umwandler werden an eine Kupplungseinheit 107 angelegt, um die von den Sensoren abgefühlten Werte in den RAM-Speicher zu schreiben. Die tatsächlichen Werte der zu steuernden Parameter werden in dem Vergleicher 108 mit von der MPU 105 bestimmten gesetzten Werten verglichen. Die Werte der zu testenden Parameter, z. B. der Druck in der Maske 83, werden in dem Massenspeicher abgespeichert.

Die Steuerung der Magnetventile kann ganz unkompliziert sein, da sie durch logische Spannungswerte aus einer Ausgangskupplungseinheit 109 durchgeführt werden kann. Andererseits erfordert die proportionale Steuerung jeden elektromagnetischen Motors einen Digital-Analogumwandler 110 und einen Leistungsverstärker 111.

Die Eingabe von Programmen kann über eine alphanumerische Tastatur i \2 durchgeführt werden, während die Anzeige der Ergebnisse von einem Drucker 113 durchgeführt werden kann.
Zum Testen von Sauerstoff-Atmungssystemen kann es ausreichend sein, alle 0,1 see eine Messung durchzuführen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen ist dann von der gleichen Größenordnung wie die Anspruchszeit der Magnetventile. Die Testergebnisse bestehen dann aus einer graphischen Darstellung des von dem Sensor 99 abgelesenen Druckes in Abhängigkeit von der Durchflußleistung, die von dem Strömungsquerschnitt der öffnung 76 unter Verwendung einer abgespeicherten Kalibrierungs-Kurve abgeleitet wird, die vorher vorbereitet wurde und periodisch überprüft werden kann.

Wenn die Vorrichtung zur Unterstützung einer Atmung verwendet werden soll, kann sic mil Hilfe von vorher bei einem Patienten gesammelten Daten pro-

grammiert werden. Ihre Vorteile umfassen die Anpassungsfähigkeit an die speziellen Erfordernisse eines Patienten, ob es ein Kind oder ein Erwachsener ist, und an die Krankheit. Bei einem Emphysem kann beispielsweise die Vorrichtung verwendet werden, um unter Druck stehende Luft während der Einatmungsphase durchzuführen, während die Ausatmung bei atmosphärischem Druck aufrechterhalten wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die speziellen beschriebenen Anwendungsmethoden und Ausführungsformen.

Die Erfindung schlägt eine Vorrichtung zum Erzeugen von Gasströmungszyklen vor, die ein Gehäuse enthält, das eine mit Gasverbindungen und einer Öffnung zur Verbindung mit einer zu testenden Ausrüstung versehene Kammer definiert. Eine bewegbare Einheit drosselt in dem Gehäuse die Öffnung ab. Die Stellung der Einheit wird von elektrischen Signalen gesteuert, die von einer Steuereinheit empfangen werden. Sensoren liefern elektrische Signale, die der Stellung der bewegbaren Einheit und dem Druck entsprechen. Die Verbindungen sind zur Verbindung mit Gasquellen bei unterschiedlichen pneumatischen Drücken über Magnetventile vorgesehen.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

1 2 langdauernd und erlauben keine ausreichende Verschie-Patentansprüche: denartigkeit der zu simulierenden Betriebszyklen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor-

1. Vorrichtung zum Erzeugen von vorbestimmten richtung zur Erzeugung reproduzierbarer Zyklen mit Gasströmungszyklen, gekennzeichnet 5 einer breiten Unterschiedlichkeit und zur Anwendung durch dieser Zyklen auf in irgendeine beliebige Umgebung

gebrachte Einheiten zu schaffen, insbesondere in Umge-

a) ein Gehäuse (70), das eine innere, mit einer Gas- bungen mit verringertem oder erhöhtem Druck.
Strömungsöffnung (76) versehene Kammer (80) Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine begrenzt, 10 Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, die durch

b) eine bewegbare Einheit (75) mit einem Drossel- folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
element, das mit der öffnung (76) zur Bildung

eines Durchgangs mit einem von der Stellung a) ein Gehäuse, das eine innere, mit einer Gasströ-

der bewegbaren Einheit (75) abhängigen Strö- mungsöffnung versehene Kammer begrenzt,

mungsquerschnitt zusammenwirkt, 15 b) eine bewegbare Einheit mit einem Drosselelement,

c) elektrisch betätigbare Ventileinrichtungen zum das mit dieser öffnung zur iBildung eines Durch-Verbindcn der Kammer (80) mit einer oder ganges mit einem von der SteJlung der bewegbaren mehreren Gasquellen unter vorbestimmten, un- Einheit abhängigen Strömungsquerschnitt zusamterschiedlichen Drücken, menwirkt,

d) eine elektrische Motoreinrichtung (77) zur 20 c) elektrisch betätigbare Ventileinrichtungen zur Versteuerung der Stellung der bewegbaren Einheit bindung der Kammer mit einer oder mehreren ei-(75) und ner Vielzahl von Gasquellen unter vorbestimmten,

e) mit der bewegbaren Einheit (75) betrieblich ver- verschiedenen Drücken,

bundene elektrische Sensoreinrichtungen (78, d) elektrische Motoreinrichtungen zur Steuerung der 79) zur Erzeugung eines der Stellung der be- 25 Stellung der bewegbaren Einheit und
weglichen Einheit (75) in dem Gehäuse (80) ent- e) mit der bewegbaren Einheit betrieblich verbundesprechenden elektrischen Signals. ne elektrische Sensoreinrichtungen zur Erzeugung

eines der Stellung der bewegbaren Einheit in dem

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Genäuse entsprechenden elektrischen Signals,
zeichnet, daß die elektrisch betätigbaren Einrichtun- 30

gen Magnetventile (91, 92, 94, 103) mit einer öff- Eine der Gasdruckquellen kann eine Vakuumpumpe

nungs-und einer Schließstellung sind. sein, es kann aber auch eine Quelle von unter Druck

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch stehendem Gas sein, wobei ein oder mehrere Druckregekennzeichnet, daß eine der Gasdruckquellen eine duzierer, die einen konstanten abeir einstellbaren Druck Vakuumpumpe (95) enthält. 35 liefern, zwischen der Quelle von unter Druck stehendem

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Gas und dem Magnetventil eingeschaltet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gasdruck- Der Betrieb der Vorrichtung wird vorzugsweise von quellen eine Speichereinrichtung (86) für unter einer Steuer-und Dptenverarbeitungseinheit gesteuert, Druck stehendes Gas sowie mindestens einen die vorzugsweise eine digitale Einheit ist und eine zen-Druckreduzierer (87, 88) zwischen der Speicherein- 40 trale Verarbeitungseinheit (CPU) enthält, die vorzugsrichtung (86) für unter Druck stehendes Gas und weise ein Mikroprozessor ist. Die CPU erhält ihre Sidem zugeordneten Magnetventil (91,92) enthält. gnale von den elektromagnetischen Sensoreinrichtun-

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gen zur Bestimmung der Stellung und ggf. von an der dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Steuerung der Vorrichtung oder der zu testenden Einheit vorgesehe-Differentialantwort zwischen Durchflußleistung und 45 nen Drucksensoren.

Druck einer zu testenden Ausrüstung vorgesehen ist Eine besonders wichtige Anwendung der Erfindung

und ein gasdichtes Gehäuse (10) zur Aufnahme der liegt darin, Atemeinheiten zu testen. Die zu testende

Ausrüstung sowie Einrichtungen zur Herstellung ei- Einheit wird daher im allgemeinen in einem abgedichte-

nes Gasweges zwischen der Ausrüstung und der off- ten Gehäuse angeordnet, in dem ein Luftdruck herge-

nung (76) aufweist. 50 stellt werden kann, der von dem normalen atmosphäri-

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet sehen Druck unterschiedlich ist. Zum Beispiel kann diedurch eine der Ausrüstung zugeordnete und mit ihr ser Druck geringer sein als atmosphärischer Druck, verbundene Sensoreinrichtung (99) zur Erzeugung wenn eine Atemausrüstung für Flugzeugbesatzungen eines dem Druck an einer Stelle in der Ausrüstung getestet werden soll, oder er kann höher als atmosphärientsprechenden elektrischen Signals. 55 scher Druck sein, wenn eine Tauchausrüstung getestet