DE3826101A1

DE3826101A1 - Einrichtung zum mechanischen erregen eines in einem behaelter befindlichen fliessfaehigen stoffes mittels ultraschall, mit einer fuellstandsueberwachung fuer den im behaelter befindlichen stoff

Info

Publication number: DE3826101A1
Application number: DE19883826101
Authority: DE
Inventors: Horst Schwank; Rolf-Michael Dipl Ing Pfeiffer; Udo Feldpausch; Thomas Dipl Ing Kriesmer; Fritz Dipl Ing Stephan
Original assignee: Heyer Carl GmbH; Carl Heyer GmbH Inhalationstechnik
Current assignee: Heyer Carl GmbH; Carl Heyer GmbH Inhalationstechnik
Priority date: 1988-08-01
Filing date: 1988-08-01
Publication date: 1990-02-15

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum mechanischen Erregen eines in einem Behälter befindlichen fließfähigen Stoffes mittels Ultraschall, z.B. zum Lösen von in einer Flüssigkeit enthaltenen oder sich bildenden Gasen, zum Reinigen von in einer Flüssigkeit befindlichen Gegen ständen oder zum Vernebeln eines pulverförmigen oder flüssigen Stoffes beispielsweise zum Erzeugen thera peutischer Aerosole, die einen in der Nähe des Bodens des Behälters angeordneten, an eine Energiequelle an schließbaren Ultraschallschwinger zum Erregen des Stoffes aufweist und die mit einer Füllstandsüberwachung für den im Behälter befindlichen Stoff versehen ist.

Bei Einrichtungen der genannten Art werden üblicherweise keramische Ultraschallgeneratoren (Ultraschallschwinger) verwendet. Diese Ultraschallschwinger sind zwar in der Lage, einen beträchtlichen Teil der elektrisch in sie induzierten Energie in Ultraschallenergie umzuwandeln und an ein umgebendes Medium abzugeben. Im Hinblick auf die relativ hohen elektrischen Anschlußleistungen, mit denen derartige Ultraschallschwinger betrieben werden, muß jedoch stets darauf geachtet werden, daß der Ultra schallschwinger mit einem entsprechenden akustischen Abschluß versehen ist. Für den Fall von sogenannten Verneblern zum Erzeugen therapeutischer Aerosole be deutet dies, daß in dem die zu vernebelnde Flüssigkeit aufnehmenden Behälter stets wenigstens ein Minimum an (zu vernebelnder) Flüssigkeit als (einseitiger) Abschluß für den Ultraschallschwinger enthalten sein muß. Bei Unterschreiten eines minimalen Füllstandes in dem Behälter und insbesondere im Fall eines vollständig leeren Behälters würde der Ultraschallschwinger mangels eines geeigneten Abschlusses sich innerhalb kürzester Zeit wenigstens partiell in einem solchen Maß erhitzen, daß die sogenannte Curie-Temperatur der Keramik des Ultraschallschwingers überschritten und damit die Leistungsfähigkeit des Ultraschallschwingers zumindest stark eingeschränkt würde. Allerdings wäre bei einer derartigen Betriebsweise des Ultraschallschwingers auch eine vollständige Zerstörung bzw. Unbrauchbarwerden des Ultraschallschwingers möglich.

Bei Einrichtungen der eingangs genannten Art, die zum Zweck des mechanischen Erregens eines in einem Behälter befindlichen fließfähigen Stoffes mittels eines keramischen Ultraschallschwingers betrieben werden, ist eine Über wachung des Füllstandes des Stoffes im Behälter - also eine Überwachung auf korrekten Abschluß für den Ultra schallschwinger - dringend erforderlich. Insbesondere gilt dies für die auf dem Gebiet der Medizin eingesetzten Vernebler zum Erzeugen therapeutischer Aerosole, weil hier noch aus anderen Gründen als dem der möglichen Zerstörung des Ultraschallschwingers auf einen stets vorhandenden, ausreichenden Vorrat an zu vernebelnder Flüssigkeit in dem Behälter des Verneblers geachtet werden muß.

Zur Überwachung des Flüssigkeitsstandes in den erwähnten Verneblern hat man bisher Temperaturfühler eingesetzt, die in der Nähe des Ultraschallschwingers oder auf diesem angeordnet waren und deren Ausgangssignal dem entsprechend abhängig von der Temperatur des Ultra schallschwingers ist. Äußerst nachteilig bei dieser Lösung für die Überwachung des Füllstandes in dem betreffenden Behälter ist die Tatsache, daß schon eine wenigstens partielle Überhitzung des Ultraschallschwingers aufgetreten sein muß, bevor ein entsprechendes Signal von dem Temperaturfühler an eine Auswerteschaltung gegeben wird. Als weiterer Nachteil dieser Lösung kommt die an sich bekannte thermische Trägheit der zumeist in Form eines Widerstandes mit negativem Temperatur koeffizienten (NTC) hinzu. Außerdem bereitet die im Fall der Verwendung eines NTC mögliche übermäßige Selbstaufheizung zusätzliche Probleme.

Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Einrichtungen der eingangs genannten Art für die Füllstandsüberwachung des in dem Behälter befindlichen, mittels Ultraschall mechanisch zu erregenden Stoffes eine Lösung zu finden, die geeignet ist, für den Fall des Unterschreitens eines vorgegebenen Füllstandes im Behälter ein von möglichen Störeinflüssen weitest gehend unabhängiges, sicher definierbares Signal zu erhalten, bei möglichst geringem technischen und wirt schaftlichen Aufwand für die Lösung dieser Aufgabe.

Lösung

Die vorstehend umrissene Aufgabenstellung wird für eine Einrichtung der genannten Art nach Maßgabe des kenn zeichnenden Teils des Anspruches 1 erfindungsgemäß gelöst durch eine als Signalträger Ultraschall benutzende Sender-Empfänger-Anordnung für die Füllstandsüberwachung, bei der als Sender für Ultraschallsignale der für die mechanische Erregung des Stoffes vorgesehene Ultraschall schwinger dient, dem mindestens ein in vorbestimmter Höhe über dem Boden des Behälters an der Behälterwandung gelagerter Empfänger für Ultraschallsignale zugeordnet ist, der über eine elektrische Auswerteschaltung mit Mitteln zum Unterbrechen der Energiezufuhr zum Ultra schallschwinger und/oder mit Anzeigemitteln für den Füllstand des Stoffes im Behälter verbunden ist.

Im Fall von Einrichtungen der genannten Art, die zum Lösen von in einer Flüssigkeit enthaltenen oder sich bildenden Gasen, insbesondere auf dem Gebiet der Galvanisiertechnik, eingesetzt werden, kann es zweckmäßig sein, den oder die Empfänger für die Ultraschallsignale in einer größeren Höhe über dem Boden des betreffenden Behälters anzuordnen, z.B. um mit Hilfe zweier höhenmäßig in geringem Abstand voneinander angeordneter Empfänger eine Füllstands regelung (Zweipunkt-Regelung) für den Füllstand im Behälter durchzuführen. Bei einer Einrichtung, die zum Vernebeln eines Stoffes, insbesondere einer Flüssigkeit, zum Zweck der Erzeugung therapeutischer Aerosole ein gesetzt wird mit einem im Querschnitt etwa rohrförmigen Behälter für den Stoff bzw. die Flüssigkeit ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung entsprechend dem Vorschlag nach Anspruch 2 zweckmäßig, wonach der Empfänger in der Nähe des an tiefster Stelle im Boden gelagerten Ultraschallschwingers an der Behälterwandung angeordnet ist. Einerseits wird auch im Fall einer derartigen Zu ordnung von Sender und Empfänger eine sichere, d.h. rechtzeitig vor einer möglichen Zerstörung des Ultra schallschwingers erfolgende Signalgabe erreicht, anderer seits kann aber auch der im Behälter befindliche, zu vernebelnde Stoff - zumeist eine Flüssigkeit - praktisch vollständig verbraucht, also in therapeutisches Aerosol umgewandelt werden, bevor eine Signalgabe erfolgt.

In weiterer Ausgestaltung des Vorschlages nach Anspruch 2 ist es gemäß Anspruch 3 zweckmäßig, daß der Empfänger in einem zum Boden unter einem stumpfen Winkel verlaufenden Teil der Behälterwandung angeordnet ist, an die unmittel bar der Ultraschallschwinger anschließt. Diese Lösung hat zum einen den Vorteil, daß sich auch Restmengen des zu vernebelnden Stoffes über dem Ultraschallschwinger sammeln und daß ein das Unterschreiten eines vorbestimmten Füllstandes markierendes Signal erst bei einer relativ geringen Restmenge des Stoffes im Behälter abgegeben wird.

Im Hinblick auf möglichst gute Funktion des Ultraschall schwingers zum mechanischen Erregen des betreffenden Stoffes und als Sender für die Füllstandsüberwachung einerseits und des Empfängers für die Ultraschallsignale andererseits sind sowohl der Ultraschallschwinger bzw. Sender als auch der Empfänger mittels einer Dichtung aus schwingungsdämpfendem Material an der Behälter wandung befestigt. Vorteilhaft sind dabei gemäß Anspruch 5 Sender und Empfänger als keramische Ultraschallschwinger ausgebildet. Dabei ist es ferner nach Anspruch 6 zweck mäßig, Sender und Empfänger auf der dem Behälterinnern zugekehrten Seite mit einer Schutzschicht gegen die Einwirkung aggressiver Stoffe zu versehen. In Anpassung an die Aufgaben des Ultraschallschwingers zur Abgabe akustischer Leistung einerseits und von Ultraschall signalen für die Füllstandsüberwachung andererseits und des Empfängers für die lediglich passive Aufnahme von Ultraschallsignalen ist zweckmäßig gemäß Anspruch 7 der als Sender für die Füllstandsüberwachung dienende Ultraschallschwinger mit einer Schicht aus elastischem Kunststoff überzogen, z.B. einer aus TEFLON bestehenden Schicht, bzw. gemäß Anspruch 8 der Empfänger mit einer dünnen Schicht aus einem keramischen Material überzogen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Anzeigen der Füllstandshöhe eines gas- oder dampfförmigen bzw. fließ- oder rieselfähigen, eine gegenüber der Dichte von Luft oder einem anderen umgebenden Medium erheblich größere Dichte aufweisenden Stoffes in einem Behälter, welches sich nach Anspruch 9 dadurch kennzeichnet, daß in den Stoff Ultraschallsignale eingeleitet werden, daß an einer vorbestimmten Stelle im Füllstandsbereich des Stoffes aus diesem bzw. dem umgebenden Medium (Luft) über eine vorgegebene Fläche Ultraschallsignale ent nommen und in eine elektrische Größe umgeformt werden und daß sodann die erhaltenen Werte der elektrischen Größe in einer elektrischen Auswerteschaltung mit vor gegebenen Werten verglichen werden. Dabei kann entweder gemäß Anspruch 10 Ultraschallenergie in den Stoff kontinuierlich oder aber gemäß Anspruch 11 in vorbe stimmter Weise impulsförmig eingeleitet werden.

Schließlich betrifft die Erfindung die Anwendung eines keramischen Ultraschallschwingers als passives Über wachungselement für den Füllstand eines mittels Ultra schall erregten, in einem Behälter befindlichen Mediums. Die Vorteile der Anwendung des für andere Zwecke, nämlich für die mechanische Erregung des im Behälter befindlichen Stoffes ohnehin vorgesehenen Ultraschallschwingers als Sender für eine auf der Basis der Verwendung von Ultra schall arbeitenden Sender-/Empfänger-Anordnung ergeben sich aus dem Vorstehenden für einen Fachmann ohne weiteres.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Anhand der einzigen Figur der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen Vernebler 1 zum Erzeugen therapeutischer Aerosole, wie sie insbesondere für die medizinische Behandlung der Atemwege angewendet werden. Der Vernebler 1 besteht im wesentlichen aus einem Behälter 2, der mit einem Einlaß 3 und einem Auslaß 4 für die üblicher weise als Transportmedium für das Aerosol verwendete Luft sowie einem im Bereich des Bodens 5 des Behälters 2 an der Behälterwandung 6 angeordneten Ultraschallschwinger 7 für die Vernebelung einer im Behälter 2 befindlichen Flüssigkeit 8. - Über dem Behälter 2 des Verneblers 1 befindet sich ein Vorratsbehälter 9 für zu vernebelnde Flüssigkeit, der mit dem Behälter 2 des Verneblers 1 über ein Gewinde 10 unter Anwendung einer Dichtung 11 luft- und flüssigkeitsdicht verbindbar ist. Der Vorrats behälter 9 steht über eine im oberen Abschluß 12 des Behälters 2 befindliche Öffnung 13 und ein Ventil 14 sowie über einen an das Ventil 14 anschließenden, rohr förmigen Zuführkanal 15 mit dem lnnenraum des Behälters 2 in Verbindung. Dieses an sich bekannte Nachlaufsystem ermöglicht es, den Flüssigkeitsstand 16 im Behälter 2 auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Höhe zu halten.

Über elektrische Anschlüsse 17, 18 ist der Ultraschall schwinger 7 an eine ggfs. steuerbare elektrische Energie quelle anschließbar und in einem Leistungsbereich betreib bar, daß sich infolge der mechanischen Erregung der sich über dem Ultraschallschwinger 7 befindlichen Flüssigkeit 8 ein mehr oder weniger hoher Flüssigkeitskegel bzw. Stoffkegel 19 einstellt, aus dem mehr oder weniger kleine, das Aerosol bildende Flüssigkeitspartikel aus treten. Eine konusförmige Umlenkplatte 20 bewirkt nach Maßgabe der Pfeile 21, 22 das Umlenken der Flüssigkeit partikel im oberen Bereich des Behälters 2; die vom Einlaß 3 dem Behälterinnern über einen ringförmigen Zuströmkanal 23 im Sinne der Pfeile 24, 25 zugeführte Luft strömt über einen ebenfalls ringförmigen Abström kanal 26 nach Maßgabe der Pfeile 27, 28 unter Mitnahme der Flüssigkeitspartikel und damit Bildung des Aerosols über den Auslaß 4 und eine nicht dargestellte Ver bindungsleitung zum Patienten.

In einem unter einem stumpfen Winkel zum Boden 5 des Behälters 2 liegenden Wandungsteil 29 ist eine Ausnehmung 30 vorgesehen, in der ein Empfänger 31 für Ultraschallsignale angeordnet ist. Der Empfänger 31 ist ebenso wie der Ultraschallschwinger 7 als keramischer Ultraschallschwinger ausgebildet, wobei der Empfänger 31 allerdings nicht für die Abgabe einer größeren Leistung konzipiert sein muß wie der Ultraschallschwinger 7. Um ein einwandfreie Funktion sowohl des Ultraschall schwingers 7 als auch des Empfängers 31 sicherzustellen, sind diese über eine Dichtung 32 bzw. 33 aus schwingungs dämpfendem Material mit den benachbarten Bereichen der Wandung des Behälters 2 bzw. des Abschlußstückes 34 des Behälters 2 verbunden. Als Schutz gegen aggressive Flüssigkeit ist der Ultraschallschwinger 7 mit einer Schutzschicht 35 aus einem elastischen Kunststoff, insbesondere TEFLON, überzogen, während der Empfänger 31 mit einer aus keramischem Material bestehenden Schutz schicht 36 überzogen ist. Auf diese Weise werden nicht nur Ultraschallschwinger 7 und Empfänger 31 gegen möglicherweise aggressive Flüssigkeiten geschützt, sondern weiterhin ist auch der Behälter 2 und insbesondere der Bereich des Bodens 5 des Behälters 2 leicht und un problematisch zu reinigen.

Sobald die im Behälter 2 befindliche, zu vernebelnde Flüssigkeit den Flüssigkeitsstand 37 erreicht oder unterschritten hat, wird sich - spätestens im Fall des Betriebes des Ultraschallschwingers 7 mit sich dann ergebendem Flüssigkeitskegel bzw. Stoffkegel 38 - eine Situation ergeben, in der gegenüber der Situation mit einem höheren Flüssigkeitsstand nur noch eine erheblich niedrigere Menge an Ultraschallenergie an den Empfänger 31 abgegeben wird, was entsprechend geringe elektrische Ausgangssignale des Empfängers 31 zur Folge hat.

Die gefundene Lösung für eine Füllstandsüberwachung im Behälter 2 des Verneblers 1 ist nicht nur technisch einfach und wirtschaftlich kostengünstig, sondern auch relativ unempfindlich gegen Störeinflüsse, die im Fall anderer, theoretisch denkbarer Lösungen für die Füll standsüberwachung, beispielsweise nach dem Prinzip der optischen Schranke, Anwendung des Echolot-Verfahrens, der Anwendung eines durch Schwimmer betätigten Schalters oder Leckstromkontakte zu erheblichen Problemen führen können.

Selbstverständlich ist es möglich, unabhängig von dem im erläuterten Ausführungsbeispiel für die mechanische Erregung des im Behälter befindlichen Stoffes zwecks Vernebelung vorgesehenen Ultraschallschwingers einen gesonderten, Ultraschallsignale abgebenden Sender ähnlich dem Empfänger 31 im Behälter anzuordnen; bevorzugt wird jedoch eine Lösung entsprechend dem Ausführungsbei spiel verwendet, bei der als Ultraschallsignale abgebender Sender der ohnehin für die Vernebelung vorgesehene Ultraschallschwinger angewendet wird.

Claims

1. Einrichtung zum mechanischen Erregen eines in einem Behälter befindlichen fließfähigen Stoffes mittels Ultraschall, z.B. zum Lösen von in einer Flüssigkeit enthaltenen oder sich bildenden Gasen, zum Reinigen von in einer Flüssigkeit befindlichen Gegenständen oder zum Vernebeln eines pulverförmigen oder flüssigen Stoffes beispielsweise zum Erzeugen therapeutischer Aerosole,

a) mit einem in der Nähe des Bodens (5) des Behälters (2) angeordneten, an eine Energiequelle anschließ baren Ultraschallschwinger (7) zum Erregen des Stoffes (8), und
b) mit einer Füllstandsüberwachung für den im Behälter (2) befindlichen Stoff (8),

gekennzeichnet durch

c) eine als Signalträger Ultraschall benutzende Sender-/ Empfänger-Anordnung (7, 31) für die Füllstands überwachung, bei der als Sender für Ultraschall signale der für die mechanische Erregung des Stoffes (8) vorgesehene Ultraschallschwinger (7) dient, dem mindestens ein in vorbestimmter Höhe über dem Boden des Behälters (2) an der Behälter wandung (6) gelagerter Empfänger (31) für Ultraschall signale zugeordnet ist, der über eine elektrische Auswerteschaltung mit Mitteln zum Unterbrechen der Energiezufuhr zum Ultraschallschwinger und/oder mit Anzeigemitteln für den Füllstand des Stoffes (8) im Behälter (2) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 zum Vernebeln eines Stoffes, insbesondere einer Flüssigkeit, zum Zweck der Erzeugung therapeutischer Aerosole, mit einem im Querschnitt etwa rohrförmigen Behälter für den Stoff bzw. die Flüssig keit, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (31) in der Nähe des an tiefster Stelle im Boden (5) gelagerten Ultraschallschwingers (7) an der Behälter wandung (6) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (31) in einem zum Boden (5) unter einem stumpfen Winkel verlaufenden Wandungsteil (29) der Behälterwandung (6) angeordnet ist, an die unmittelbar der Ultraschallschwinger (7) anschließt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Sender (Ultraschallschwinger 7) als auch Empfänger (31) mittels einer Dichtung (32 bzw. 33) aus schwingungsdämpfendem Material an der Behälter wandung (6) befestigt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (Ultraschallschwinger 7) und Empfänger (31) keramische Ultraschallschwinger sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (Ultraschallschwinger 7) und Empfänger (31) auf dem dem Behälterinnern zugekehrten Seite mit einer Schutzschicht (35 bzw. 36) gegen die Einwirkung aggressiver Stoffe (8) versehen sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als Sender (Ultraschallschwinger 7) für die Füllstandsüberwachung dienende Ultraschallschwinger (7) mit einer Schicht (Schutzschicht 35) aus elastischem Kunststoff überzogen ist, z.B. einer aus TEFLON bestehenden Schicht.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (31) mit einer dünnen Schicht (Schutzschicht 37) aus einem keramischen Material überzogen ist.

9. Verfahren zum Anzeigen der Füllstandshöhe eines gas- oder dampfförmigen bzw. fließ- oder rieselfähigen, eine gegenüber der Dichte von Luft oder einem anderen umgebenden Medium erheblich größere Dichte auf weisenden Stoffes in einem Behälter, dadurch gekenn zeichnet, daß in den Stoff Ultraschallsignale ein geleitet werden, daß an einer vorbestimmten Stelle im Füllstandsbereich des Stoffes aus diesem bzw. dem umgebenden Medium (Luft) über eine vorgegebene Fläche Ultraschallsignale entnommen und in eine elektrische Größe umgeformt werden und daß sodann die erhaltenen Werte der elektrischen Größe in einer elektrischen Auswerteschaltung mit vorgegebenen Werten verglichen und ggfs. angezeigt und/oder weiter verarbeitet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stoff kontinuierlich Ultraschallenergie ein geleitet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stoff Ultraschallenergie in vorbestimmter Weise impulsförmig eingeleit wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Ergebnis des in der Auswerteschaltung vor genommenen Vergleiches der erhaltenen Werte mit vor gegebenen Werten ggfs. die Zufuhr von elektrischer Energie zum außerdem auch für die mechanische Er regung des Stoffes eingesetzten Ultraschall-Sender unterbrochen wird.

13. Anwendung eines keramischen Ultraschallschwingers als passives Überwachungselement für den Füllstand eines mittels Ultraschall erregten, in einem Behälter befindlichen Mediums.