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Verfahren und Vorrichtung zur Blasenerkennung in einer
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strömenden Flüssigkeit Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Erkennen von Gasblasen in einer Flussigkeit, die in kleinen Mengen durch ein
rohrförmiges Element strömt, und auf eine Vorrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens.
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Besondere Bedeutung hat das Erkennen von Gasblasen in Flüssigkeitsströmen
bei Förder- und Infusionsvorgängen in der Medizintechnik, weil hier ungewol geförderte
Gasblasen eine Funktionsstörung bedeuten und unter Umständen eine erhebliche Gefährdung
für den Patienten darstellen können. Die eingangs genannte Vorrichtung findet ihre
Anwendung insbesondere auf dem Gebiet der medizinischen Dosiergeräte, z.B. bei implantierbaren
Insulindosiergeräten, wo nur kleine FIüssigkeitsmengen gefördert werden.
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Die bisher verwendeten Verfahren und Vorrichtungen zur Blasenerkennung
bei strömenden Flüssigkeiten ganz allgemein beruhen im wesentlichen auf optischen
Methoden. Die Vorrichtungen dazu sind nicht beliebig miniaturisierbar, was besonders
bei implantierbaren Geräten in der Medizintechnik gefordert wird.
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Aus der US-PS 3 731 679 ist es bereits bekannt, Luftblasen, die durch
den Schlauch eines Infusionsgerätes gefördert werden, mit Hilfe von zwei Elkektroden
zu erkennen. Diese zwei Elektroden sind in dem Strömungskanal eingelassen. Wird
die Luftblase an den Elektroden vorbeigeschoben, steigt der Widerstand an und die
Abschaltung einer Förderpumpe wird veranlaßt. Diese Anordnung
kann
lediglich das Vorhandensein einer Gasblase zwischen den Elektroden erkennen Sie
hat den nachteils daß auch zufällig geförderte Gasblasen die nicht aufgrund eines
systematischen Fehlers in den Förderkanal eingegangen sind, zur Abschaltung der
Förderpumpe führen Es ann also nicht differenziert werden ob eine Störung des Gerätes
vorliegt oder ob z.B eine zufallig im Speicher für das Infusionsmittel vorhandene
Luftblase mit in den Förderkanal ausgetrieben wurden Aufgabe der Erfindung ist es,
bei kleinen Flüssigkeitsströmungen durch ein verhältnismäßig enges rohrförmiges
Element eine kontinuierliche quantitative Blasenerfassung zu ermöglichen. Dabei
sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden9 die dann einwandfrei
arbeiten, wenn der Innendurchmesser des rohrförmigen Elementes im wesentlichen gleich
ist dem Durchmesser der Gasblasen, die sich in diesem rohrförmigen Element befinden.
Insbesondere sollen bei medizinischen Dosiergeräten Störungen im Fördertrakt erkannt
werden Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Verweildauer der Gasblasen auf einer Meßstrecke zwischen
zwei dicht beieinander liegenden Punkten des rohrförmigen Elementes gemessen wird
, daß aus der Verweildauer der Gasblasen und der Durchflußgeschwindigkeit der Gasblasen
das Volumen der betreffenden Gasblasen bestimmt wird und daß das in einem vorgegebenen
Zeitraum insgesamt geförderte Gasvolumen mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen
und in Abhängigkeit von dem Ergebnis des Vergleichs ein Alermsignal ausgelöst wird.
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Eine Vorrichtung zur Durchführuns dieses Verfahrens zeichnet sich
erfindungsgemäß dadurch aus, daß eine Einrichtung zur Bestimmung der Verweildauer
der Gasblasen zwischen den zwei vorgegebenen Punkten des rohrförmigen Elementes
vorgesehen ist, deren Ausgangssignal als erstes Eingangssignal einem Multiplizierglied
zugeführt ist, dem als zweites Eingangssignal eine der Geschwindigkeit der Flussigkeit
proportionale Größe aufgeschaltet ist, und daß die aber den vorgegebenen Zeitraum
addierten Ausgangssignale des Multipliziergliedes als Summensignal einem Verhältnisbildner
als Dividend zugeleitet sind, wobei dieser Verhältnisbildner mit einer dem im vorgegebenen
Zeitraum geförderten Gesamtvolumen proportionalen Größe als Divisor beaufschlagt
ist und ein Verhältnissignal abgibt.
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Unter dem Begriff "Verweildauer der Gasblasen1? wird hier jeweils
diejenige Zeitspanne verstanden, die die betreffende Gasblase benötigt, um an den
Elektroden vorbeizustreichen.
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Mit diesem Verfahren und dieser Vorrichtung können Gasblasen, die
sich in dem Flüssigkeitsstrom befinden, sicher erkannt werden. Dadurch, daß das
Volumen der Gasblasen ins Verhältnis gesetzt wird zu der in dem Zeitraum durchströmenden
Gas- und Flüssigkeitsmenge wird das Alarmsignal abgeleitet. Kriterium hierfür ist
ein vorgegebener Grenzwert. Ein solches Alarmkriterium kann z.8. darin bestehen,
daß die Gasmenge in der Flüssigkeitsmenge mehr als 10% des Volumens ausmacht. Auf
diese Weise kann sicher unterschieden werden zwischen zufällig geförderten Gasblasen
und solchen, die aufgrund einer systematischen Störung im Fördertrakt vorhanden
sind.
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Mögliche Störungen können sich dadurch ergeben, daß das Reservoir,
in welchem die Flüssigkeit bevorratet ist und von welchem sie durch das rohrförmige
Element gefördert wird, geleert ist, und daß die Fördereinrichtung nur noch den
im Reservoir enthaltenen Gasanteil fördert. In einem solchen Störfall, der insbesondere
bei mediinischen Dosiergeräten eintreten Ranns werden sich lang ausgebildete, großvolumige
Gasblasen bilden, die durch kleinere Flüssigkeitsmengen voneinander getrennt sind.
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Weiterhin können sich Störungsfälle ergeben, wenn die Förderstrecke
mit Ubergangsetellen versehen ist. Eine solche Ubergangsstelle besteht z.B. im Anschluß
eines Schlauches an eine Pumpe. Ist an dieser Stelle eine Undichtigkeit vorhanden,
so dringt Luft in den Schlauch oder das rohrförmige Element ein. Es bilden sich
mehrere kleinere Gasblasen, die in kürzeren Abständen hintereinanderliegen. Ein
ähnliches Storungsbild ergibt sich, wenn der Mantel des Förderkanals beschädigt
ist und z.B.
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Luft eindringen kann, Speziell beim Einsatz von Medikamentendosiergeräten
in der Medizintechnik stellt sich das Problem der Dichtigkeit des Förderkanals.
So können z.B. bei gebräuchlichen Rollenpumpen Silikonkautschukschläuche verwendet
werden, bei denen eine Diffusion von Gas in das Schlauchinnere nicht auszuschließen
ist Gasblasen können dann dadurch entstehen, daß sich im Medikamententrakt unzulässig
hohe Unterdrucke im Vergleich zur Umgebung einstellen.
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Die hier beschriebene Vorrichtung stellt sicher, daß solche Fehler
erkannt werden können Gasblasen, die aufgrund eines systematischen Fehlers im Gerät
gefördert werden, können unterschieden werden von
solchen, die
aufgrund von Zufälligkeiten in den Strömungskanal gelangt sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung der Figuren in Verbindung mit den Unteransprüchen.
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Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Blasenerkennung
in einem Dosiergerät, und Figur 2 zeigt den gleichen Aufbau wie Figur 1 mit geänderter
Anordnung der Meßpunkte.
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In den Figuren 1 und 2 ist ein rohrförmiges Element oder Förderkanal
1 dargestellt, der z.B. auch im Verlauf eines Katheters liegen kann. Der Förderkanal
1 ist an eine Pumpe 2 angeschlossen. Die Pumpe 2 fördert aus einem Reservoir 3 heraus
eine Flüssigkeit 4 durch den Förderkanal 1. Der betrachtete Förderkanal 1 hat einen
Innendurchmesser von ca. 0,1 bis 2 mm. Dieser Innendurchmesser ist ausreichend,
um die in Frage kommenden Volumenströme von ca. 1 bis 1000,ul/h zu fördern. Eine
aufgrund einer Störung in das Fördersystem eingedrungene Gasblase 5 ist groß genug,
um den Querschnitt des Förderkanals 1 voll auszufüllen. Bei der angegebenen geringen
Fördergeschwindigkeit kann davon ausgegangen werden, daß es nicht zu Turbùlenzen
oder anderen Strömungsunregelmäßigkeiten kommt.
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Im Verlauf des Förderkanals 1 befinden sich zwei Elektroden Ml, M2,
die in Figur 1 an zwei Punkten Pl, P2 einander gegenüberliegen und normalerweise
mit der Flüssigkeit 4 in Kontakt stehen. Die Elektroden können stattdessen auch
dicht nebeneinander plaziert sein, vorzugsweise mit einem Abstand zwischen 0,1 und
2 mm, wobei ein
Abstand von 1- mm für viele Zwecke besonders geeignet
ist. Dieses ist anhand der Elektroden M3, M4 in Figur 2 gezeigt, die sich an den
Punkten P3, P4 befinden Die beiden Elektroden Ml, M2 oder M3, M4 sind angeschlossen
an eine Einrichtung 6 zur Bestimmung der Verweildauer tg der Gasblasen 5 zwischen
den Elektroden M1, M2 bzw.
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M3, M4. Die Verweildauer tg ist dabei die Zeit, in welcher die Gasblase
5 an den beiden Elektroden M3, M4 vorbeiwandert. Die Einrichtung 6 umfaßt eine Einrichtung
7a zur Widerstandsmessung Die Einrichtung 7a zur Widerstandsmessung prüft anhand
der elektrischen Leitfähigkeit, der elektrischen Verschiebungsdichte, der Kapazität
oder anderer elektrischer Kenngrößen, ob sich zwischen den Elektroden M1, 2 oder
M3 M4 die Flüssigkeit 4 oder aber die Gasblase 5 befindet Bei Flüssigkeiten 4, deren
elektrische Kenngrößen denen der Gasblase 5 ähnlich sind, kann die Messung auch
mit einem (nicht gezeigten) optischen Gerät erfolgen Die Widerstandsmeßeinrichtung
7a ist elektrisch verbunden mit einer Schaltung 7b zur Bestimmung der Zeit zwischen
signifikanten Widerstandsänderungen. Diese Zeit entspricht der Verweildauer tg der
Gasblasen 5 zwischen den Elektroden M1, M2 oder M3, M4.
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Die Verweildauer g ist in der Regal für verschiedene Gasblasen 5 unterschiedlich
lang Jede Gasblase 5 besitzt somit eine ihrer Durchlaufzeit entsprechende Verweildauer
tg1, tg2, tg3,... In einem Multiplizierglied 9 werden die einzelnen Werte tg1, tg2,
tg3,... der Verweildauer jeweils mit einer der (zugehörigen) Durchflußgeschwindigkeit
vg1, vg2, vg3, ... der Flüssigkeit 4 proportionalen Größe multipliziert, die zum
Zeitpunkt der Widerstandsmessung vorgelegen hat Eine solche Größe kann zum Beispiel
der Drehwinkel α des Pumpenkopfes der Pumpe 2 sein, falls es sich um eine
Rollerpumpe handelt.
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Die Durchflußgeschwindigkeit Vg1, vg2, vg3, ... der Gasblase 5 ist
identisch mit der der Flüssigkeit 4 und ergibt sich beispielsweise aus der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Pumpe 2.
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Als Ergebnis der Multiplikation liefert das Multiplizierglied 9 fur
jede Gasblase 5 als Ausgangssignal ein Produkt Pl, P2, P3, . Diese Produkte Pl,
P2, P32.
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sind ein Maß für das Volumen der einzelnen Gasblasen 5.
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Interessiert der absolute Wert des Gasblasenvolumens, muß das jeweilige
Produkt P1, P2, p3 mit einer Konstanten multipliziert werden. Die Konstante ist
bestimmt durch die Abmessungen des Förderkanals 1 an den Meßpunkten Pl, P2 oder
P3, P4 und durch die Geometrie der Pumpe 2.
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Die Produkte Pl, P2, P31.- α werden über einen festen vorgegebenen
Meßzyklus oder Zeitraum T in einem Addierer 11 addiert. Der Addierer 11 gibt als
Ausgangssignal ein Summensignal Vg an einen Verhältnisbildner 13 weiter.
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Das Summensignal V g ist proportional zu dem im Zeitraum T an der
Meßstrecke Pl, P2 oder P3, P4 vorbeigeströmten Gasblasenvolumen.
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Der Verhaltnisbildner 13 erhalt neben dem Summensignal Vg ein weiteres
Eingangssignal eine Größe Dies. Diese Größe Dies ist proportional dem Gesamtvolumen,
also dem Flüssigkeitsvolumen plus Gasvolumen, welche an der Meßstrecke Pl, P2 oder
P3, P4 in dem vorgegebenen Zeitraum T vorbeigeströmt sind. Er kann z.B. ermittelt
werden aus der Winkeldifferenz der Winkelstellung oC zu Beginn und am Ende des Zeitraums
T. Dies geschieht in einem Differenzglied 15, welches den überstrichenen Winkel
g im jeweiligen Zeitraum T ermittelt. Das Differenzglied 15 ist dabei beaufschlagt
vom Ausgangssignal einer Pumpensteuer-
einrichtung 16, die zur
Steuerung der Pumpe 2 an dieselbe angeschlossen ist.
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Der Verhältnisbildner 13 bildet aus seinen beiden Eingangssignalen
das Verhältnis des Wertes V g zu den Wert V@es, also vom Gasblasenvolumen zum Gesamtvolumen.
Das Ergebnis geht als Verhältnissignal s in einen Vergleicher 17, der dieses mit
einem vorgegebenen Grenzwert s' vergleicht. Überschreitet das Ausgangssignals s
diesen Grenzwert s', gibt der Vergleicher 17 ein Alarmsignal A ab. Dieses Alarmsignal
A kann einer (nicht gezeigten) akustischen und/oder optischen Alarmerzeugeeinrichtung
zugeführt werden.
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Ein typischer Ablauf einer Störungserkennung sieht folgendermaßen
aus: Die Gasblase 5 wird von dem Flüssigkeitsstrom vor sich hergeschoben. Die Elektroden
Ml, M2 (Figur 1) oder M3, M4 (Figur 2) sind durch die Flüssigkeit 4 leitend miteinander
verbunden Gelangt nun die Gasblase 5 zwischen die Elektroden Ml, M2 oder M3, M4,
so wird die leitende Verbindung unterbrochen. Diese Unterbrechung wird nun von der
Einrichtung 7a zur Widerstandsmessung registriert. Die Zeitdauer der Unterbrechung,
welche der Verweildauer t tg2, tg3, ... der Gasblase 5 zwischen den Elektroden Ml,
M2 oder M3, M4 entspricht, wird von der Einrichtung 7b zur Bestimmung der Verweildauer
tgl, tg2, tg3 ... ermittelt. Aus der Verweildauer tgl, tg2, , t93 und der zugehörigen
Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 4, die gleich ist der Strömungsgeschwindigkeit
Vg1, Vg2, Vg3... der Gasblase 5, wird jetzt im Multiplizierglied 9 der zum Volumen
der Gasblase 5 proportionale Wert P1, P2, p3 bestimmt. Uber den eingestellten Zeitraum
T hinweg addiert das Addierglied 11 die einzelnen Blasenvolumina p1, p2, p3 zu :u
einem Summensignal Vg Der Verhältnis-
bildner 13 setzt die Summe
Vg ins Verhältnis zu dem im gleichen Zeitraum T geförderten Gesamtvolumen Vges.
Die Größe des Verhältnisses wird als Ausgangssignal s an den Vergleicher 17 weitergegeben.
Ubersteigt dieses Ausgangssignal s den eingestellten kritischen Wert, so wird das
Alarmsignal A ausgelöst. Das Alarmsignal A steht zur weiteren Verwendung bereit,
so z.B. zu einem automatischen Abschalten der Pumpe 2 oder zur Betätigung eines
(nicht gezeigten) Absperrventiles oder zur voranstehend erwähnten Alarmanzeige.
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Im beschriebenen Beispiel wird das Volumenverhältnis Vg/Vges über
den nach Bedarf eingestellten Zeitraum T ermittelt. Danach beginnt der Meßvorgang
von neuem wiederum über den eingestellten Zeitraum T. Die Messung erfolgt also in
periodischen oder aber in nichtperiodischen Zeiträumen.
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Ist eine kontinuierliche überwachung des Verhältnisses Vg/Vges angebracht,
so kann die Messung über den Zeitraum T auch kontinuierlich erfolgen. Dies geschieht
mittels eines Schieberegisters, in welchem ausreichend Platz ist, um die im Zeitraum
T gemessenen Widerstandswerte und zugehörige Geschwindigkeitswerte v g oder aber
- was vorteilhafter ist - die Volumenwerte Vg1, Vg2, Vg3 zu speichern. Alte Werte
Vg1, V92, V93 machen dabei jeweils den neuen Werten Vgl, Vg2, V93 Platz. Die im
Schieberegister zu einem beliebigen Zeitpunkt gespeicherten Werte Vgl, Vgç, Vg3
sind gleich denjenigen Werten Vg1, Vg2, V93. die im Zeitraum T vor diesem Zeitpunkt
angefallen sind.
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Anstelle der Leitfähigkeit können bei leitenden Flüssigkeiten auch
andere charakteristische elektrische Größen gemessen werden. So z.B. kommt die Kapazität
zwischen
den beiden Elektroden Ml, M2 oder M3, M4 in Betracht.
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Alternativ kann auch über eine Bestimmung der elektrischen Verschiebungsdichte
die Änderung der Elektrizitätskonstanten des Mediums zwischen den Elektroden bestimmt
werden. Für den Fall, daß die Flüssigkeit nicht elektrisch leitend ist, können die
Elektroden Ml, M2 oder M32 M4 durch optische Gerate ersetzt werden.
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In beiden Fällen, also bei elektrisch leitenden und nichtleitenden
Flüssigkeiten, braucht die Einrichtung 7a nur zwischen zwei Zuständen zu unterscheiden
und zwar zwischen einem Zustand 1, wo sich Flüssigkeit 4 zwischen den Meßpunkten
Pl, P2, oder P32 P4 befindet, und einem Zustand 2, wo sich eine Gasblase 5 zwischen
diesen Meßpunkten Pl, P2 bzw. P3, P4 befindet. Die optische oder elektrische Widerstandsmeßeinrichtung
7a braucht deswegen nicht besonders hochempfindlich ausgelegt zu sein.
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Dies wird als ein weiterer Vorteil angesehen.
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21 Patentansprüche 1 Figur
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