DE3718111C2

DE3718111C2 -

Info

Publication number: DE3718111C2
Application number: DE3718111A
Authority: DE
Inventors: Francis Tsutomo Lakewood Col. Us Ogawa; George Jugen Evergreen Col. Us Eilers; Michael Randolph Littleton Col. Us Manes; Donn Douglas Englewood Col. Us Lobdell; Terry Dean Littleton Col. Us Boucher
Original assignee: Cobe Laboratories Inc
Current assignee: Terumo BCT Inc
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-05-29
Publication date: 1989-06-15
Also published as: GB2226141A; FR2599515A1; JPH076947B2; GB8928473D0; GB2226141B; GB2191293A; DE3718111A1; GB2191293B; JPS631961A; GB8711173D0; FR2599515B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßzelle zum berührungsfreien Messen der Leitfähigkeit einer durch diese fließenden Flüssigkeit gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft sie eine Einrichtung zum Messen der Leitfähigkeit von Dialyseflüssigkeit in einer Dialyseeinrichtung.

Die Leitfähigkeit von Dialyseflüssigkeit in einer Dialyseeinrichtung wird üblicherweise mit Fühlern gemessen, die in einem Kanal oder in einer Leitung in die Flüssigkeit eingetaucht sind. Die Eigenschaften der Fühler sind aufgrund der Bildung eines Filmes oder von Ablagerungen auf den Elektroden und wegen anderen Effekten einer Langzeitverschiebung unterworfen.

Weiter ist es bekannt, zur Kontrolle der Wasserqualität und für Prozeßsteuerungen elektrodenlose Leitfähigkeitsfühler zu verwenden, wie sie z.B. bei Great Lakes Instruments, Inc., Milwaukee, Wisconsin (USA), erhältlich sind. Bei einem solchen Fühler wird die Leitfähigkeit einer in einem Strömungskanal fließenden Flüssigkeit gemessen, indem eine mit dem Kanal verbundene Schleife für die Flüssigkeit geschaffen und zwei Übertrager mit der Schleife verbunden werden, wobei mit einem Übertrager ein elektrischer Strom in der Flüssigkeitsschleife induziert und dieser mittels des anderen Übertragers gemessen wird, woraus sich die Leitfähigkeit der Flüssigkeit durch die bekannten Beziehungen für Widerstand, Strom und Spannung bestimmen läßt.

Eine nach dem gleichen Prinzip arbeitende Einrichtung zum berührungsfreien Messen der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit ist aus der DE-OS 28 22 943 bekannt, bei der die beiden koaxial unmittelbar nebeneinander angeordneten Spulen in ein die Flüssigkeit aufnehmendes Gehäuse eingetaucht sind. Diese Anordnung macht es jedoch notwendig, die Spulen sowohl kapazitiv als auch induktiv abzuschirmen, um die Streukopplung zu vermindern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßzelle zum berührungsfreien Messen der Leitfähigkeit einer durch diese fließenden Flüssigkeit mit hoher Empfindlichkeit und geringer Streukopplung zwischen den Übertragern zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Meßzelle eine Anordnung eines Anregungsübertragers und eines Meßübertragers mit Wicklungen auf, die auf torusförmige, in einer Ebene liegende Kerne gewickelt sind, wodurch die Streukopplung zwischen den Übertragern auf ein Minimum reduziert wird, jedoch die Empfindlichkeit so groß wie möglich ist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich vorteilhafterweise ein niedriges Verhältnis von Flüssigkeitsschleifenlänge zu Flüssigkeitsquerschnittsfläche erreichen, was zu einer besonders großen Empfindlichkeit führt.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Insbesondere wird die Erfindung vorteilhaft ausgebildet durch einen einfachen und kostengünstigen Treiber für den Anregungsübertrager, bei dem ein annähernd rechteckförmiges Anregungssignal durch einen digitalen Zeitgeber und ein Flipflop erzeugt wird.

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:

Komponente
Wert oder Bezeichnung
Kondensatoren
C 8	0,0056 µF
C 10	0,001
C 1, C 2, C 5, C 6, C 13, C 14, C 15	0,1
C 9	0,47
C 12, C 16	1,0
C 3, C 4, C 7	10,0
C 11	10,0 pf
Widerstände @	R 6	13,0 Ω
R 13	100,0
R 10	0,28 K
R 7, R 11	2,4 K
R 4	10,2 K
R 9, R 12	14,0 K
R 1, R 2	23,7 K
R 8	28,0 K
R 3	49.9 K
R 14	100,0 K
R 5	274,0 K
Transistor Q 1	2N3904

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

1. Meßzelle zum berührungsfreien Messen der Leitfähigkeit einer durch diese fließenden Flüssigkeit, enthaltend
eine Strömungskanaleinrichtung zur Aufnahme der fließenden Flüssigkeit mit einem Einlaß und einem Auslaß und einer dazwischenliegenden Flüssigkeitsschleife mit einem ersten und einem zweiten Strömungsbereich mit jeweils kreisförmigem Querschnitt und zwei Verbindungsbereichen,
einem Anregungsübertrager mit einem ersten torusförmigen Kern mit um diesen gewundenen Drahtwicklungen, wobei der erste Kern den ersten Strömungsbereich der Flüssigkeitsschleife umgibt, und
einem Meßübertrager mit einem zweiten torusförmigen Kern mit um diesen gewundenen Drahtwicklungen, wobei der zweite Kern den zweiten Strömungsbereich der Flüssigkeitsschleife umgibt, wobei die Achsen der beiden torusförmigen Kerne eine senkrecht zu ihren Öffnungen liegenden Ebene bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden von den Kernen (18) umgebenen Strömungsbereiche (26, 28) der Flüssigkeitsschleife äußere Durchmesser haben, die ungefähr gleich sind dem inneren Durchmesser der Kerne, wobei die Längen der Strömungsbereiche (26, 28) ungefähr gleich sind der Dicke der torusförmigen Kerne (18) mit den darauf gewundenen Drahtwicklungen, und daß die Länge der Verbindungsbereiche (30, 32) der zwischen den Mitten der beiden Strömungsbereiche (26, 28) gemessenen Länge entspricht und ungefähr gleich ist dem äußeren Durchmesser der Kerne (18) mit den darauf gewundenen Drahtwicklungen.

2. Meßzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsbereiche (30, 32) kreisförmige Strömungspassagen enthalten und ebene, einander gegenüberliegende Oberflächen aufweisen, welche dazwischen Bereiche für die torusförmigen Kerne (18) begrenzen.

3. Meßzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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.

4. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine erste Verlängerung (31), die mit dem einen Verbindungsbereich (30) fluchtet und sich vom Eingang des einen kreisförmigen Strömungsbereichs (26) zum Einlaß (22) erstreckt, und durch eine zweite Verlängerung (35), die mit dem anderen Verbindungsbereich (32) fluchtet und sich vom Ausgang des anderen kreisförmigen Strömungsbereichs (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 gegenüber der Horizontalen geneigt angebracht ist.

5. Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Einrichtung zur Bereitung von Dialyseflüssigkeit.

6. Einrichtung zum Betrieb einer Meßzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen digitalen Zeitgeber (41) und ein Flip-Flop (43), die so geschaltet sind, daß sie ein rechteckförmiges 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 Gleichspannungsausgangssignal erzeugt.