DE3718111A1 - Behruehungsfreier leitfaehigkeitsfuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum berührungs­ freien Messen der Leitfähigkeit einer in einer Leitung strömenden Flüssigkeit, insbesondere zum Messen der Leitfähigkeit von Dialyseflüssigkeit in einer Dialyse­ einrichtung.

Die Leitfähigkeit von Dialyseflüssigkeit in einer Dialyseeinrichtung wird üblicherweise mit Fühlern gemessen, die in die Dialyseflüssigkeit in einen Kanal oder in einer Leitung eingetaucht sind. Deren Eigenschaften sind einer Langzeitverschiebung unter­ worfen, aufgrund der Bildung eines Filmes oder von Ablagerungen auf den Elektroden und aufgrund anderer Mängel.

Für die Kontrolle der Wasserqualität und für Prozeß­ steuerungen sind elektrodenlose Leitfähigkeitsfühler verwendet worden, wie sie z.B. bei Great Lakes Instruments, Inc., Milwaukee, Wisconsin, USA erhältlich sind. Bei einem solcher Sensoren wird die Leitfähigkeit eines in einem Strömungskanal fließenden Fluids berührungs­ frei gemessen, indem eine mit dem Kanal verbundene Schleife des Fluids oder der Flüssigkeit geschaffen wird und zwei Übertrager mit der Schleife verbunden werden, wobei mit einem Übertrager ein elektrischer Strom in der Flüssigkeitsschleife induziert wird, der in dem anderen Übertrager durch den Strom in der Flüssigkeitsschleife induzierte Strom gemessen wird, und die Leitfähigkeit in der Flüssigkeit unter Verwendung der Beziehungen für Widerstand, Strom und Spannung bestimmt wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Streukopplung zwischen dem Erregungsübertrager und dem Meßübertrager eines berührungsfreien Leitfähigkeitsfühlers mit einer Anordnung von zwei Übertragern und einer Flüssigkeits­ schleife durch die Verwendung koplanarer torusförmiger Ferritkerne in dem Erregungsübertrager und in dem Fühlübertrager reduziert.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird vorteilhafterweise ein niedriges Verhältnis von Flüssigkeitsschleifenlänge zu Flüssigkeitsquerschnittsfläche erreicht, indem ein Flüssigkeitsströmungskanal mit zwei kreisförmigen Bereichen, die durch die beiden torusförmigen Magneten hindurchgehen und welche miteinander durch einen ersten und einen zweiten Verbindungsbereich verbunden sind, vorgesehen ist, wobei die Innendurchmesser der torus­ förmigen Magneten und der Drahtwindungen um diese ungefähr gleich sind mit den Außendurchmessern der kreisförmigen Strömungskanalbereiche, die Strömungsverbindungsbereiche in ihrer Länge ungefähr gleich sind mit dem Durchmesser der torusförmigen Magneten und der Drahtwindungen um diese; die Verbindungsbereiche sich in einer geraden Linie außerhalb der kreisförmigen Strömungsbereiche zum Einlaß und zum Auslaß erstrecken, um Ecken zu verhindern, in denen sich Blasen sammeln könnten; und die Verbindungs­ bereiche gegenüberliegende flache äußere Oberflächen aufweisen, um die torusförmigen Übertrager an ihrem Platz zu halten.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein einfacher und kostengünstiger Treiber für den Anregungs­ übertrager eines berührungsfreien Leitfähigkeitsfühlers mit einer Anordnung von zwei Übertragern und einer Flüssigkeitsschleife geschaffen, bei dem ein rechteck­ förmiges Anregungssignal durch einen digitalen Zeit­ geber und ein Flip-Flop erzeugt wird.

Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der Anregungs­ übertrager bifilar gewickelt und mit dem direkten und dem komplementären Ausgang des Flip-Flop verbunden; ist ein Strom/Spannungs-Wandler, ein Wechselspannungs­ verstärker und ein Synchrondetektor mit dem Meßüber­ trager verbunden; sind zusätzliche Wicklungen auf den Übertragern zur Kalibrierung des Fühlers vorgesehen.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein elektrodenloser Leitfähigkeitsfühler zum Messen der Leitfähigkeit von Dialyseflüssigkeit verwendet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Leitfähig­ keitsmeßzelle gemäß der Erfindung.

Fig. 2 eine, teilweise geschnittene, Aufsicht auf die Meßzelle der Fig. 1.

Fig. 3 eine Aufsicht auf die in Fig. 1 dargestellte Meßzelle.

Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 2, der in Fig. 1 dargestellten Zelle.

Fig. 5 im Schnitt eine schematisierte Explosionsansicht der in Fig. 1 dargestellten Zelle.

Fig. 6 ein elektrisches Schaltschema der elektrischen Bauteile einer mit der in Fig. 1 dargestellten Meßzelle verbundenen Anregungs- und Meßschaltung.

In den Fig. 1-5 ist eine Leitfähigkeitsmeßzelle (10) dargestellt, die einen aus Kunststoff bestehenden Strömungskanal (12), einen Anregungsübertrager (14) und einen Meßübertrager (16) enthält. Der Anregungsübertrager (14) und der Meßübertrager (16) enthalten jeweils einen torusförmigen Kern (18) und um den Kern gewickelte Drähte (20). Die Meßzelle (10) ist im Strömungsweg der Dialyseflüssigkeit einer Einrichtung zum Bereiten und Zuführen von Dialyseflüssigkeit, wie sie in der US-PS 43 71 385 beschrieben ist, an einer Position längs des Dialyseflüssigkeitsversorgungsstromes unterhalb der Stelle, an der das Konzentrat mit Wasser gemischt wird, angebracht und mit einer Signalverarbeitungs­ schaltung zur Steuerung des Zusatzes von Konzentrat zum Wasser verbunden.

Der Kanal (12) hat einen Einlaß (22), einen Auslaß (24), kreisförmige Strömungsbereiche (26, 28) (durch die Übertrager (14, 16)) mit dazwischenliegenden Verbindungs­ bereichen (30, 32). Fluchtend mit dem Verbindungsbereich (30) und sich jenseits des kreisförmigen Strömungs­ bereiches (26) zum Einlaß (22) erstreckend befindet sich eine Verlängerung (31). Fluchtend mit dem Verbindungs­ bereich (32) und sich jenseits des kreisförmigen Strömungsbereiches (28) zum Auslaß (24) erstreckend befindet sich eine Verlängerung (35). Die Verbindungs­ bereiche (30, 32) haben ebene äußere Oberflächen und kreisförmige innere Oberflächen (33), welche die Strömungskanäle darin begrenzen (vgl. Fig. 4). Wie am besten aus Fig. 4 ersichtlich, stimmt der äußere Durchmesser des kreisförmigen Strömungsbereiches (26) in seiner Größe nahezu mit dem inneren Durchmesser des torusförmigen Kerns (18) und den Drahtwindungen darauf überein, woraus die größte praktisch mögliche, durch die Abmessungen der Kerne erlaubte Querschnittsfläche des Flüssigkeitsströmungsweges resultiert. Auch ist die Höhe des kreisförmigen Strömungsbereiches nur gering­ fügig größer als die Dicke des torusförmigen Kerns (18) und der Drahtwindungen darauf, und es gibt nur eine geringe Entfernung zwischen den Übertragern (14) und (16) (die Länge der Verbindungsbereiche zwischen den kreis­ förmigen Strömungsbereichen ist nur geringfügig größer als der Durchmesser der torusförmigen Kerne mit den Drahtwicklungen darauf). Diese beiden Faktoren führen zu einem niedrigen Wert des Verhältnisses der Länge der Flüssigkeitsströmungsschleife (38) (gestrichelte Linie in Fig. 3), welche durch die Verbindungsbereiche (30, 32) und die kreisförmigen Bereiche (26, 28) geschaffen wird, zu der Querschnittsfläche des Strömungsweges, wodurch wiederum eine gute Empfindlichkeit gegeben ist. Obwohl die Übertrager körperlich noch näher zusammenge­ bracht werden könnten, bis zu dem Punkt, an dem die Wicklungen auf dem einen Kern sich mit den Wicklungen an dem anderen Kern überlappen und sogar den anderen Kern berühren, wird dies nicht getan, weil dadurch die Wahrscheinlichkeit für eine Streukopplung zwischen den Übertragern erhöht werden würde.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist der Kanal (12) aus zwei identischen Teilen (34) und (36) hergestellt, welche durch Lösungsmittelklebung miteinander verbunden werden, nachdem die Übertrager (14, 16) dazwischen eingefügt worden sind.

In Fig. 6 ist die elektronische Schaltung dargestellt, die die Erregungssignale für den Erregungsübertrager (14) erzeugt und die mit der Flüssigkeitsleitfähigkeit in Beziehung stehenden Signale vom Meßübertrager (16) aufnimmt. Der Übertrager (14) ist so geschaltet, daß er ein 10 kHz-Rechteck-Anregungssignal vom Oszillator (39) und vom Treiber (40) auf der linken Seite der schematisierten Darstellung zugeführt bekommt. Auf der rechten Seite ist der Meßübertrager (16) mit einem Strom/Spannungs-Wandler (42), einem Wechselstrom­ verstärker (44), einem Synchrondetektor (46) und einer Filter/Puffer-Schaltung (48) verbunden, welche jeweils Verstärker (58, 60, 62) bzw. (64) (z.B. LF347) enthalten.

Der Oszillator (39) enthält einen Zeitgeber (41) (z.B. 7555) und ein Flip-Flop (43) (z.B. 74HC74). Sowohl der direkte (Q) als auch der komplementäre () Ausgang des Flip-Flop (43) sind mit einer Treiberschnittstelle (45) (z.B. 75451) verbunden, dessen direkter und komplementärer Ausgang an den Wandler (14) angeschlossen sind. Der direkte Ausgang (Q) des Flip-Flop (43) ist weiter über eine Leitung (50) mit einem Synchrondetektor (46) verbunden. Der Erregungsübertrager (14) ist ein bifilar gewickelter Übertrager mit 43 Wicklungen. Der Meßübertrager (16) hat 89 Wicklungen. Sowohl der Erregungsübertrager (14) als auch der Meßübertrager (16) weisen jeweils um diese herumgewickelte einzelne Draht­ wicklungen (52, 54), die mit Kalibrierungsanschlüssen (56) verbunden sind, über die sie an einen Widerstand zur Kalibrierung der Einrichtung angeschlossen sind. Die Werte oder Bezeichnungen der übrigen Komponenten in Fig. 6 sind aus der folgenden Tabelle ersichtlich:
KomponenteWert oder Bezeichnung

Kondensatoren
C 80.0056 µF C 100.001 C 1, C 2, C 5, C 6, C 13,
C 14, C 150.1 C 90.47 C 12, C 161.0 C 3, C 4, C 710.0 C 1110.0 pf

Widerstände
R 6 13.0 Ω R 13100.0 R 100.28 K R 7, R 112.4 K R 410.2 K R 9, R 1214.0 K R 1, R 223.7 K R 828.0 K R 349.9 K R 14100.0 K R 5274.0 K

Transistor Q 12N3904

Beim Betrieb strömt die Dialyseflüssigkeit in den Einlaß (22) durch die Schleife (38) und aus dem Auslaß (24), wobei der gesamte Strömungspfad zwischen dem Einlaß (22) und dem Auslaß (24) aufgefüllt und eine mit den Übertragern (14) und (16) verbundene Flüssigkeits­ schleife gebildet wird. Da die Meßzelle (10) so angebracht ist, daß die Strömungspfade durch die Verbindungsbereiche (30, 32) einen Winkel von 45° gegenüber der Horizontalen bilden, gibt es keine Ecken, in denen sich Luftblasen (welche die Meßwerte verzerren würden) eingeschlossen werden könnten; irgendwelche Luftblasen werden verdrängt.

Der Oszillator (39) erzeugt eine 10 kHz-Rechteck­ schwingung, welche dem Anregungsübertrager (14) über den Treiber (40) zugeführt wird. Eine Rechteck­ schwingung ist vorteilhaft, da sie einfach aus kosten­ günstigen Komponenten erzeugt werden kann, welche eine konstante Amplitude liefern, die nicht wie bei sinus­ förmigen Wellen geregelt werden muß. Der Treiber (40) erhöht die Spannung der vom Oszillator (39) erhaltenen Rechteckschwingung vom 5 Volt-Logikpegel auf 12 Volt.

Der Anregungsübertrager (14) induziert in der Flüssigkeitsschleife (38) einen elektrischen Strom, welcher dann durch einen Meßübertrager (16) gemessen wird. Der im Übertrager (16) induzierte Strom ist proportional zur Leitfähigkeit der Flüssigkeit in der Schleife (38).

Der Übertrager (16) ist über einen Kondensator C 9 mit dem Verstärker (58) kapazitiv gekoppelt, so daß die Gleichstrom-Offsetspannung gesperrt wird und nur das Wechselstromsignal verstärkt wird. Das Ausgangssignal des Verstärkers (58) ist eine der Leitfähigkeit der Flüssigkeit in der Schleife (38) proportionale Spannung. Ein Kondensator C 12 wird verwendet, um die Gleichstrom- Offsetspannung zu sperren, so daß der Verstärker (60) nur die Wechselstromspannung verstärkt.

Der Synchrondetektor (46) wandelt die Wechselstrom­ spannung vom Verstärker (44) in ein Gleichspannungs- Ausgangssignal um, wobei nicht dazugehörende Frequenzen eliminiert werden. Wenn ein durch das Flip-Flop (43) angesteuerter Transistor Q 1 leitfähig geschaltet ist, bewirkt er ein Kurzschließen auf das Massepotential und der Verstärker (62) arbeitet als invertierender Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor -1. Zu diesem Zeitpunkt ist das Ausgangssignal des Wechselstrom­ verstärkers (44) negativ, was zu einem positiven Ausgangs­ signal vom Synchrondetektor (46) führt. Wenn der Transistor Q 1 abgeschaltet ist, wirkt er wie ein offener Schalter und der Verstärker (62) hat eine Verstärkung von +1. Zu dieser Zeit ist das Ausgangs­ signal des Wechelstromverstärkers (44) positiv, was wiederum zu einem positiven Ausgangssignal des Synchrondetektors (46) führt.

Das Ausgangssignal des Synchrondetektors (46) lädt einen Kondensator C 16 über einen Widerstand R 14. Wenn von 10 kHz verschiedene Frequenzen auftreten, mitteln sich über eine längere Periode die negativen und positiven Komponenten heraus. Nur das Signal mit der Frequenz 10 kHz lädt gleichbleibend den Kondensator C 16 und wird durch den Verstärker (64) der Filter/Puffer- Schaltung (48) übertragen. Das Ausgangssignal der Filter/Puffer-Schaltung (48) ist eine Gleich­ spannung proportional zur Leitfähigkeit. Sie wird durch einen Analog/Digital-Wandler in ein Digital­ signal umgewandelt, das durch einen (nicht dargestellten) Digitalprozessor verwendet wird, um eine Dialyse­ einrichtung zur Bereitung und Versorgung von Dialyse­ flüssigkeit zu steuern, wie sie in der US-PS 43 71 385 beschrieben ist. Die Schaltung der Fig. 6 kann kalibriert werden, indem zwischen die Anschlüsse (56) ein Widerstand mit einem bekannten Wert geschaltet wird, die Flüssigkeit aus der Schleife (38) entleert wird, so daß die Übertrager (14, 16) nur noch durch die Einzelwicklungen (52, 54) verbunden sind, und das Ausgangssignal der Filter/Puffer-Schaltung (48) mit dem bekannten Widerstandswert verglichen wird.

Claims (13)

1. Meßzelle zum berührungsfreien Messen der Leitfähig­ keit einer durch diese fließenden Flüssigkeit,
gekennzeichnet durch
eine Strömungskanaleinrichtung (12) zum Begrenzen eines Strömungspfades in einer Leitung, wobei die Einrichtung (12) einen Einlaß (22) und einen Auslaß (24) und zwei zwischen diesen liegende Flüssigkeits­ pfade (26, 28) enthält, so daß eine Flüssigkeits­ schleife (38) gebildet wird,
einen Anregungsübertrager (14) mit einem ersten torusförmigen Kern (18) mit einem durch diesen verlaufenden Loch und um diesen gewundenen Draht­ wicklungen (20), wobei der Kern (18) einen Bereich (26) der Strömungskanaleinrichtung (12) und der Flüssigkeitsschleife (38) darin umgibt, und
einen Meßübertrager (16) mit einem zweiten torus­ förmigen Kern (18) mit einem durch diesen verlaufenden Loch und um diesen gewundenen Drahtwicklungen (20), wobei der Kern (18) einen Bereich (28) der Strömungs­ kanaleinrichtung (12) und der Flüssigkeitsschleife (38) darin umgibt,
wobei die Symnetrieebene des zweiten torusförmigen Kerns (18) senkrecht zur Achse von dessen Öffnung in einer Ebene liegt mit der Symmetrieebene des ersten torusförmigen Kerns (18) senkrecht zur Achse von dessen Loch, so daß die Streukopplung zwischen den Überträgern (14, 16) reduziert wird.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanaleinrichtung (12) zwei kreisförmige Strömungsbereiche (26, 28) einer ersten Länge und zwei Verbindungsbereiche (30, 32) zwischen den Enden der kreisförmigen Strömungs­ bereiche (26, 28) einer zweiten, zwischen den Mitten der beiden kreisförmigen Strömungsbereiche (26, 28) gemessenen Länge enthält, wobei der äußere Durchmesser der beiden Strömungsbereiche (26, 28) ungefähr gleich ist dem inneren Durchmesser der Kerne (18) mit dem darauf gewickelten Draht (20), die erste Länge ungefähr gleich ist der Dicke des Kerns (18) und des darauf gewickelten Drahts (20), und die zweite Länge ungefähr gleich ist dem äußeren Durchmesser des Kerns (18) mit dem darauf gewickelten Draht (20).

3. Meßzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (30, 32) darin ent­ haltene kreisförmige Strömungspassagen umgrenzen und ebene, einander gegenüberliegende Oberflächen aufweisen, um dazwischen Bereiche für die torusförmigen Kerne (18) zu begrenzen.

4. Meßzelle nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungskanaleinrichtung (12) aus identischen Teilen hergestellt ist, und daß jedes der Teile einen der Verbindungsbereiche (30; 32) und eine Hälfte eines jeden der kreisförmigen Strömungsbereiche (26, 28) aufweist.

5. Meßzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine erste Verlängerung (31), die mit einem der Verbindungsbereiche (30) fluchtet und sich jenseits eines Einganges zu einem kreisförmigen Strömungsbereich (26) zum Einlaß (22) erstreckt, und durch eine zweite Verlängerung (35), die mit dem anderen Verbindungsbereich (32) fluchtet und sich in die andere Richtung jenseits eines Einganges zu dem anderen kreisförmigen Strömungsbereich (28) zum Auslaß (24) erstreckt, wobei die Strömungspfade in den Verbindungsbereichen (30, 32) und in den entsprechenden Verlängerungen (31, 35) so ineinander übergehen, daß das Einfangen von Blasen verhindert wird, wenn die Meßzelle in einem geneigten Winkel gegenüber der Horizontalen angebracht ist.

6. Einrichtung zum berührungsfreien Messen der Leit­ fähigkeit einer durch diese fließenden Flüssigkeit, gekennzeichnet durch
eine Meßzelle (10), die eine Strömungskanaleinrich­ tung (12) mit einer Flüssigkeitsschleife (38), einen Anregungsübertrager (14) und einen Meßübertrager (16) enthält, welche jeweils einen einen Bereich (26, 28) der Flüssigkeitsschleife (38) umgebenden Kern (18) aufweisen, und
einen digitalen Zeitgeber (41) und ein Flip-Flop (43), die so geschaltet sind, daß sie ein rechteck­ förmiges Anregungssignal für den Anregungsübertrager (14) erzeugen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungsübertrager (14) bifilar gewickelt ist und sowohl mit dem direkten (Q) als auch mit dem komplementären () Ausgang des Flip-Flop (43) verbunden ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen mit dem Meßübertrager (16) verbundenen Strom/Spannungs-Wandler (42).

9. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen mit dem Strom/Spannungs-Wandler (42) verbundenen Wechselstromverstärker (44).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine Wicklung (52) um den Anregungsübertrager (14) und eine Wicklung (54) um den Meßübertrager (16) zum Kalibrieren der Einrichtung.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch einen mit dem digitalen Zeitgeber (41) und dem Wechselstromverstärker (44) verbundenen Synchrondetektor (46), welcher ein Gleichspannungs­ ausgangssignal erzeugt.

12. Einrichtung zur Bereitung und Versorgung von Dialyseflüssigkeit, gekennzeichnet durch
eine Dialyseflüssigkeitsversorgungsleitung,
eine Strömungskanaleinrichtung (12), die einen Strömungspfad in der Versorgungsleitung umgibt, mit einem Einlaß (22) und einem Auslaß (24) und zwei zwischen diesen liegenden Strömungspfaden (26, 28), so daß eine Flüssigkeitsschleife (38) gebildet wird,
einen Anregungsübertrager (14) mit einem ersten Kern (18) mit einem durch diesen verlaufenden Loch und mit um diesen gewundenen Drahtwicklungen (20),
wobei der Kern (18) einen Bereich (26) der Strömungskanaleinrichtung und der Flüssigkeits­ schleife (38) darin umgibt, und
einen Meßübertrager (16) mit einem zweiten Kern (18) mit einem durch diesen verlaufenden Loch und mit um diesen gewundenen Drahtwicklungen (20),
wobei der Kern (18) einen Bereich (28) der Strömungs­ kanaleinrichtung (12) und der Flüssigkeitsschleife (38) darin umgibt.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kern (18) torusförmig sind.