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Verfahren zur Erkennung von G#.#blasen in einem f1üs#igen
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Medium und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur #rkennung von Gasblasen in einet flüssigen Nediuin,
dao in einer rohrförmigen Leitung aus elastischem Material gefördert wird. Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Insbesondere auf dem Gebiet der medizinischen Technik wird vielfach
geforderte Luftblasen in einem von einer Flüssigkeit durchströmten dünnen Schlauch
oder Rohr rechtzeitig erkennen zu können. So dürfen beispielsweise bei der Uberwachung
von Patienten, die an einen Tropfer angeschlossen sind, in dem mit Flüssigkeit gefüllten
Schlauch keine Luftblasen auftreten, die zum Patienten gelangen könnten Zur Uberwachung
derartiger von Flüssigkeiten durchströmter Schläuche oder Rohre im Hinblick auf
Gasblasen werden sogenannte optische Koppler eingesetzt, vorausgesetzt, daß die
Flüssigkeit wie auch der Schlauch optisch durchsichtig sind Diese optischen Koppler
arbeiten im wesentlichen nach zwei Betriebsarten. Zum einen wird die Änderung des
Brechungswinkels zwischen einem gefüllten und einem leeren Schlauch ausgenutzt.
Dazu muß jedoch eine entsprechende Lichtschranke sehr genau positioniert werden.
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Hierzu ist ein spezieller Mechanismus zum exakten Fixieren des Schlauches
notwendig. Außerdem muß der Empfänger mit einer Schlitz-Apertur in Schlauchrichtung
ausgestattet
sein. Zum anderen wird die Reflektion an den Menisken der Luftblasen in der geförderten
Flüssigkeit ausgenutzt. Da die Form der Menisken von den Benetzungseigenschaften
des Schlauches, von dem geförderten Medium und den Druckverhältnissen abhängt, kann
nur mit einer sehr schmalen Apertur senkrecht zur Flußrichtung gemessen werden.
Durch in die Flüssigkeit eingeleitetes Licht ergibt sich aufgrund der Zerstreuungs
wirkung der Menisken eine sehr große Fremdlichtabhängigkeit. Eine quantitative Messung
der Gasmenge in der Flüssigkeit wird bei vielen Blasen wie z.B.
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bei Schaumbildung unmöglich, da mit der Vorrichtung nur sehr kurze
Iielligkeitssprünge erkannt werden.
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Da beide optische Verfahren mit hoher Fremdlichtabhängigkeit behaftet
sind, muß diese Abhängigkeit durch Verwendung von Wechsellichtschranken und aufwendigen
Filtern reduziert werden. Die entsprechenden Maßnahmen sind jedoch konstruktiv verhältnismäßig
aufwendig. Außerdem können die beiden Verfahren bei Verwendung von undurchsichtigen
Schläuchen oder von durchsichtigen Schläuchen und undurchsichtigen Flüssigkeiten
nicht eingesetzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum
Erkennen von Gasblasen in einem von einer Flüssigkeit durchströmten elastischen
Schlauch oder Rohr zu schaffen, bei dem die genannten Schwierigkeiten der optischen
Verfahren zumindest weitgehend nicht auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das eingangs genannte Verfahren
dadurch gelöst, daß über die elastische Wand der Leitung ein von einem Ultra schallsenderelement
hervorgerufenes Ultraschallsignal senkrecht zur Ausdehnung der Leitung in das flüssige
Medium eingekoppelt wird und daß an einem dem Ultraschallsenderelement gegenüberliegenden
Wandbereich der Leitung das über das flüssige Medium übertragende Ultraschallsignal
von einem Ultraschallempfängerelement über die Wand abgenommen und zur Auswertung
weitergeleitet wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von der an sich bekannten
Tatsache Gebrauch gemacht, daß ein Ultraschallsignal in einer Flüssigkeit bei Vorhandensein
von Gasblasen wesentlich stärker abgeschwächt wird als bei Abwesenheit solcher Gasblasen.
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Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens verbundenen
Vorteile sind insbesondere in ihrer Einfachheit zu sehen. Eingriffe in das Fördersystem
und eine exakte Positionierung der entsprechenden Vorrichtung sind nämlich nicht
erforderlich. Da das in die Flüssigkeit quer zur Strömungsrichtung eingekoppelte
Ultraschallsignal entsprechend dem Anteil an Luftblasen bei Durchqueren der Flüssigkeit
mehr oder weniger geschwächt wird, sind auch quantitative Aussagen bezüglich dieses
Anteils möglich.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
ist durch ein flächenhaft ausgedehntes Ultraschallsenderplättchen aus piezoelektrischem
Material als Setlderelement und durch
ein entsprechendes, parallel
dazu angeordnetes Ultraschallempfängerplättchen als Empfängerelement gekennzeichnet,
wobei ihr gegenseitiger Abstand kleiner als die Querabmessung der das flüssige Medium
führenden Leitung ist und die Plättchen großflächig an der Leitung anliegen. Die
Leitung kann somit zwischen das Sender- und Empfängerplättchen eingequetscht werden,
wobei sie sich unter Deformation flächenhaft an das Sender- und Empfängerplättchen
anlegt. Auf diese Weise wird eine besonders gute Einkopplung bzw. Auskopplung des
Ultraschallsignals über die entsprechenden Wandbereiche der Leitung gewährleistet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung nach
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen
gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen in deren
Fig. 1 schematisch ein Teil einer Vorricha tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Erkennung von Gasblasen in einer Flüssigkeit veranschaulicht ist.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild mit einer Vorrichtung nach Fig. 1.
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Mit der in Fig. 1 in Schrägansicht nur teilweise ausgeführten Vorrichtung
nach der Erfindung wird zur Ermittlung von Gasblasen in einem in einem Schlauch
geführten flüssigen Medium Ultraschall in die Flüssigkeit ein- und wieder ausgekoppelt.
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Die Vorrichtung ist gabelförmig gestaltet, so daß sie auch als ein
Ultraschallgabelkoppler bezeichnet
werden kann, Der Ultraschall
für di@sen allgemein mit 2 bezeichneten Gabelkoppler wird beispieLsweise mit einer
Piezokeramik erzeugt. Hierzu ist auf der Innenseite einer der beiden freien Schenkel
3 und 4 eines U- oder gabelförmigen Trägerkörpers 5 als Ultr<aschallsenderelement
ein piezokeramisches Plättchen 6 befestigt, beispielsweise angeklebt0 Dieses Plättchen
dient als Ultraschallquelle0 An der gegenüberliegenden Innenseite des anderen freien
Schenkels 4 des gabelförmigen Tra'#gerköi'pers 2 ist ein weiteres piezokeramisches
Plättchen 7 befe9t#gt9 welches als Empfängerelement für die ankommende Ultraschallenergie
vorgesehen ist0 Auf den Flach seiten dieser Keramikplättchen sind die für eine Ultraschallübertragung
erforderlichen Elektroden angebracht. Beispielsweise können die Keramikplättchen
6 und 7 auf den einander zugewandten Seiten im Inneren des Trä.gerkörpers 5 auf
Nullpotential liegende bzw. geerdete Elektroden 8 bzw, 9 haben. Wie in Fig. 1 ferner
angedeutet ist, weist das Senderplättchen 6 zu seiner Erdungselektrode 8 eine unterteilte
Gegenelektrode mit Elektroden 11 und 12 auf Die Elektrode 11 dient dabei z0B. zur
Ubertragung des Sendesignals u5 wa#hrend an der Elektrode 12 ein Referenzsignal
ur abgenommen werden kann. Das Empfängerplättchen 7 weist im allgemeinen nur eine
Gegenelektrode 13 zu seiner geerdeten Elektrode 9 auf, Mit dieser Gegenelekw trode
wird das empfangene Ultraschallsignal ue abgenommen Zwischen diesen beiden piezokeramischen
Plättchen 6 und 7, die einen vorbestimmten Abstand a voneinander haben, ist an einer
beliebigen Stelle der mit 15 bezeichnete Schlauch eirlgespannt, durch den
die
auf Gasblasen zu überwachende Flüssigkeit F hindurchgeleitet wird. Der Schlauch
15 besteht aus einem elastischen Material wie z.B. Polyvinylchlorid (PVC) und hat
im nichtverformten Zustand einen Durchmesser, der etwas größer als der Abstand a
zwischen den beiden piezokeramischen Plättchen 6 und 7 isl. Die Größe des Abstandes
a bzw. des Schlauchdurchmessers ist dabei so gewählt, daß zum einen die Schlauchwand
im eingepreßten Zustand des Schlauches 15 zwischen den beiden piezokeramischen Plättchen
6 und 7 großflächig an den beiden Plättchen anliegt, zum anderen jedoch der Strömungswiderstand
für die Flüssigkeit F im Inneren des Schlauches nicht wesentlich erhöht ist.
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Aufgrund der Elastizität des Schlauches 15 wird die in ihn eingeschallte
Energie zumindest weitgehend absorbiert, falls in ihm keine Flüssigkeit geführt
wird. Ist jedoch der Schlauch mit einer Flüssigkeit F gefüllt, so wird die von dem
Senderplättchen 6 erzeugte Ultraschallenergie unter Abschwächung über die Schlauchwand
in die Flüssigkeit F eingekoppelt, in der Flüssigkeit zu der gegenüberliegenden
Seite übertragen und dort über die Schlauchwand an das Empfängerplättchen 7 abgegeben.
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Die auf das Empfängerelement übertragbare Energie wird besonders groß,
wenn das piezokeramische Senderplättchen 6 zu einer Dickenschwingung angeregt wird.
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Hierbei sind die Schwingungsamplituden in Normalen-Richtung bezüglich
der freien Oberfläche des Plättchens, d.h. in Richtung auf das Empfängerplättchen
hin, besonders groß. Vorteilhaft wird dabei im Resonanzfall gearbeitet, d.h., der
Ultraschallsender
hat die Aufgabe, die Dickenresnanfrcluenz seines
piezokeramischen Senderplättchens 6 anzuregerl. Um den Einfluß durch den Anpreßdruck
des Schlauches 15 auf die piezokeramischen Plättchen 6 und 7 gering zu halten, soll
die Gifte des Dickenresonanzkreises verhältnismäßig klein sein.
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In Fig, 2 ist ein Prinzipschaltbild fijr eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt, bei welcher zoBo ein U-oder gabelförmigerUltraschallkoppler
vorgesehen ist, der weitgehend dem Ultraschallkoppler 2 gemäß Fig. 1 entspricht.
Lediglich die Erdungselektroden des Ultraschallsenderelementes und des -empfängerelementes
sind auf der Außenseite der jeweiligen piezokeramischen Plättchen und die übrigen
Elektroden auf den einander zugewandten Innenseiten angebracht. Mit Fig. 1 übereinstimmende
Teile sind in Figur 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in Fig. 2
angedeuteten Vorrichtung wird die Resonanzfrequenz für die Dickenschwingung des
piezokeramischen Ultraschallsenderplättchens 6 von einem spannungsgesteuerten Oszillator
17 erzeugt, welcher das Senderplättchen 6 mittels der an diesem anliegenden Elektroden
8 und 11 zu der Dickenschwingung anregt. Es wird vorteilhaft eine verhältnismäßig
hohe Resonanzfrequenz von mindestens 1 MHz, vorzugsweise mindestens 2 MHz, vorgesehen,
da hiermit ein guter Wirkungsgrad der Vorrichtung erreicht werden kann. Die Resonanzfrequenz
des Sendesignals u5 wird vorteilhaft automatisch ein gestellt, um so Abgleicharbeiten
und Alterungsprozesse zu umgehen. Hierzu dient ein elektronisches Regelsystem, das
unter der Bezeichnung '2Phase looked loop" (PLL) bekannt ist. Dieses Regelsystem
syn-
chronisiert deJL O.4;ziLltltols 17 in Frequenz und Phase mit
dem Referenzsinl ur, das an der weiteren Elektrode 12 des Senderplättchens 6 abgenommen
wird.
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Sind Oszillatorsignal u5 und Referenzsignal ur synchronisiert, so
ist die Phasenverschiebung zwischen ihnen praktisch null bzw. ein Minimum. Sind
hingegen beide Signale nicht in Phase, so wird der Oszillator 17 solange nachgeregelt,
bis die Phasenverschieburig wi#eder ein Minimum hat. Ein solches Regelsystem besteht
somit im wesentlichen aus einem spannungsgesteuerten Oszillator 17, einem Phasenvergleichsglied
18 und einem Filter bzw. Glättungsglied 19 zwischen diesen beiden Geräten. Das Phasenvergleichsglied
18 vergleicht also die Phasenlage des mittels der Elektrode 12 an dem Senderplättchen
abgenommenen Referenzsignals ur mit dem von dem spannungsgesteuerten Oszillator
17 gelieferten Sendesignal us. Das Phase vergleichsglied 18 gibt ein definiertes
Ausgangssignal ab, das proportional zur Phasenverschiebung ist. Dieses in dem Glättungsglied
19 geglättete Signal dient dann zur Steuerung des Oszillators 17.
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Mit den beiden Widerstandsgliedern 20 und 21 wird dabei die obere
bzw. untere Eckfrequenz des Bereichs festgelegt, in dem die Schwingungsfrequenz
des Oszillators einstellbar ist. Die Bauteile 6 89 11, 12 und 17 bis 21 stellen
den gesamten Ultraschallsender dar.
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Falls das an dem Senderplättchen 6 abgenommene Referenzsignal ur nur
durch die Schwingungen des Plättchens und nicht durch ein kapazitives Ubersprechen
beeinflußt ist, wird sich dann eine reine Dickenschwingung ergeben, wenn die Phasendifferenz
zum Referenzsignal ein Minimum hat.
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Die Empfindlichkeit der Schaltung läßt sich noch erheblich steigern
wenn durch eine besondere Gestaltung der Elektroden 11 und 1% den Senderplättchen
6 der Einfluß von Schalllaufzeiten zwischen dem Bereich der Sendeelektrode und dem
Bereich der Elektrode 12 zur Abnahme des Referenzsignals ausgeschaltet wird. Dies
kann beispielsweise durch kammartig@ ineinandergreifende Elektrodenstrukturen erreicht
werden Auch durch Einfügen eines Laufzeitgliedes in die Bezugsphase kann ein Laufzeiteinfluß
ausgeschaltet und somit die Dickenresonanz genau gefunden werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Ultraschallgabelkopplers zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, wie er in den Fig 1 und 2 angedeutet
ist, wurden als Senderelement und Empfängerelement jeweils ein etwa 0,65 mm dickes
Plättchen mit den Abmessungen 3 mm x 5 mm aus einem piezokeramischen Material wie
z.B. gesintertem Blei-Zirkonat-Titanat (Pb CZrTi] 03) verwendet. Ein entsprechendes
piezokeramisches Material ist unter der Bezeichnung Vibrit 420 (Warenzeichen der
Firma Siemens AG) bekannt. Prinzipiell ist jede breit bandige Piezokeramik einsetzbar,
die eine geringe Güte hat. Die Dickenresonanzfrequenz dieses Plättchen liegt bei
etwa 3 MHz. Der Kontaktierungsbelag zur Ausbildung der Elektroden des Sendeplättchens
6 wurde in der Mitte durchgeritzt , um so die beiden Elektroden 11 und 12 für das
Sende- bzw0 Referenzsignal us bzw. ur zu erhalten. Die piezokeramischen Plättchen
6 und 7 mit ihren Elektroden wurden nun auf den Innenseiten der beiden freien Schenkel
3 und 4 des gabelförmigen Trägerkörpers 5 mittels eines handelsüblichen Cyanoacry
i.at-Klebers befestigt.
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Der Trägerkörper 5 bestand vorteilhaft aus Plexiglas.
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Andere geeignete leaterialien sind z.B. atlch Aluminium oder Stahl.
ßei dieser metallischen Werkstoffen muß Jedoch eine gute elcktrische Isolierung
zwischen den Elektroden der piezokeramischen Plättchen und dem Trägerkörper gewährleistet
sein. Die Querschnittsflächen der beiden freien Schenkel 3 und 4 des verwendeten
Plexiglas-Trägerkörpers 5 hatten jeweils eine Größe von etwa 5 mm x 5 mm. Der Abstand
a zwischen den beiden piezokeramischen Plättchen 6 und 7 betrug etwa 4,8 mm. Zwischen
diese beiden Plättchen wurde anschließend ein ein flüssiges Medium wie z.B.
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Wasser führender PVC-Schlauch mit einem Durchmesser von etwa 5 mm
eingepreßt. Mit dieser Vorrichtung kann dann bei einer Sendespannung von beispielsweise
15 V55 eine Ausgangsspanrlung an dem Empfängerplättchen 7 von etwa 0,3 Vss gemessen
werden, wenn der wassergefüllte PVC-Schiauch durchschallt wird. Luftblasen in dem
Schlauch werden eindeutig durch ein Absinken des Empfängersignals bis zu etwa 35
dB registriert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Gegensatz zu den bekannten
optisch arbeitenden Vorrichtungen unabhängig von der Flüssigkeit im Schlauch sowie
von der optischen Transparenz des Schlauches. Ein Einsatz ist daher insbesondere
in der Medizin oder auch in der Chemie Überall dort vorteilhaft, wo genormte Schläuche
zum Transport verschiedenartiger flüssiger Medien verwendet werden und eine Gasblasenbildung
festgestellt werden muß. Insbesondere in der Medizin, beispielsweise für die Infusions-,
Transfusions- oder Dialyse-Technik ergibt sich somit die Möglichkeit, eine universell
einsetzbare Luftfalle zu schaffen. Der das flüssige Medium führende Schlauch brauctitdabej
nur in die Gabel des Ultraschallkopplers
gedruckt zu werden, d.h.
es ist kein Eingriff am Schlauch und keine definiert# Meßstrecke notwendig.
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9 Patentansprüche 2 Figuren
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