DE3827444A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachweis einer fluessigkeitsstroemung in einer leitung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis einer Flüssigkeitsströmung in einer Leitung, insbesondere in einem Schlauch eines Druckinfusionsapparates oder einer Schwerkraftinfusionseinrichtung.

Druckinfusionsapparate werden eingesetzt, um Infusionsflüssigkeiten, die sich in einem Vorratsbehälter befinden, mit einer entsprechend der Therapie gewünschten Geschwindigkeit parenteral oder enteral zu applizieren. Hierbei kann es vorkommen, daß beispielsweise die Kanüle verstopft oder die Pumpe ausfällt. In diesen Fällen muß dafür vorgesorgt werden, daß die Infusion unterbrochen wird und ein entsprechendes Warnsignal für das Bedienungspersonal abgegeben wird. Dies erfordert entsprechende Durchflußmeßeinrichtungen, die in dem zwischen Kanüle und Druckinfusionsapparat angeordneten Schlauchabschnitt ein- oder angebaut sind.

Es ist beispielsweise bekannt, daß der Volumenstrom im Schlauch eines Druckinfusionsapparates mit Hilfe einer Tropfkammer überwacht und gemessen wird. Hierbei wird der Tropfenfall optisch, beispielsweise über eine Lichtschranke, detektiert und daraus auf einen Volumenstrom im Schlauch des Druckinfusionsapparates geschlossen. Die gewonnene Information aus dem Tropfenfall liegt allerdings nur zeitdiskret vor. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß keine Aussagen über den aktuellen Volumenstrom gemacht werden können, da die Tropfengröße von der Beschaffenheit der verwendeten Flüssigkeit abhängt. So kann bei gleicher Tropfenzahl aufgrund unterschiedlicher Tropfengröße der Volumenstrom um bis zu 200% schwanken.

Eine weitere Möglichkeit, den Volumenstrom zu erfassen, ist die Messung des Druckes im Schlauch zwischen dem Druckinfusionsapparat und dem Patienten. Dazu wird entweder der Absolutdruck oder der Druckanstieg als Funktion der Zeit gemessen. Damit ist eine Aussage möglich, ob ein Verschluß der Infusionsleitung vorliegt oder nicht. Nachteilig ist, daß insbesondere bei langen Infusionsleitungen diese Druckmeßeinrichtung, die beispielsweise aus einem Druckkissen im Überleitgerät besteht, relativ spät anspricht, und zwar erst dann, wenn der Druck in der gesamten Leitung soweit angestiegen ist, daß ein bestimmter Schwellwert überschritten ist. Weitere Einflußgrößen, die ein meist verspätetes Ansprechen der Druckmeßeinrichtung bewirken, sind die Förderrate des Druckinfusionsapparates und die Elastizität des Schlauches der Infusionsleitung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit dem eine verbesserte Erkennung und kontinuierliche Messung eines Flüssigkeitsstromes in einer Leitung, insbesondere in einem Schlauch, der zwischen einem Druckinfusionsapparat und dem Patienten angeordnet ist, möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und einer Vorrichtung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer Temperaturmessung des in der Leitung befindlichen Mediums, zum Beispiel einer Flüssigkeit oder eines Gases. Hierzu wird die Flüssigkeit oder das Gas lokal aufgeheizt und die Temperatur der Flüssigkeit oder des Gases an zwei von der Heizstelle beabstandeten Punkten gemessen. Beide Temperaturen werden miteinander verglichen, und aus dem Ergebnis wird auf die Strömung in der Leitung geschlossen.

Vorzugsweise wird die eine Temperatur T 1 stromauf der Heizstelle und die andere Temperatur T 2 stromab der Heizstelle gemessen.

Wenn in der Leitung kein Volumenstrom vorliegt, ist allein die Wärmeleitung der Flüssigkeit für den Meßeffekt verantwortlich. Bei konstantem Wärmestrom Q der Wärmequelle sind im stationären Zustand und gleicher Umgebungstemperatur an den beiden Temperaturfühlern die an den Temperaturfühlern gemessenen Temperaturen T 1 und T 2 gleich.

Wenn in der Leitung ein Volumenstrom vorliegt, ist die Wärmekapazität der Flüssigkeit für den Meßeffekt verantwortlich. Bei konstantem Wärmestrom Q der Wärmequelle wird die Flüssigkeit in Flußrichtung des Volumenstroms stärker erwärmt als entgegen der Flußrichtung. Dadurch ist die gemessene Temperatur am stromab angeordneten Temperaturfühler größer als die Temperatur am stromauf angeordneten Temperaturfühler.

Weiterhin ist durch den Vergleich der beiden Temperaturen T 1 und T 2 eine Bestimmung der Flußrichtung möglich. Da in Flußrichtung jeweils die Temperatur höher ist als entgegen der Flußrichtung, braucht somit nur der Temperaturfühler ermittelt zu werden, der die höhere Temperatur anzeigt. Aus der Anordnung dieses Temperaturfühlers bezüglich der Heizeinrichtung läßt sich dann eine Aussage über die Strömungsrichtung machen.

Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß eine kontinuierliche Messung des Volumenstromes möglich ist, wobei ein Verschluß der Infusionsleitung im Gegensatz zum Stand der Technik sofort erkannt wird. Außerdem bietet dieses Verfahren die Möglichkeit, eine Aussage über die Strömungsrichtung des Mediums zu machen.

Schließlich lassen sich auch aus den Änderungen der Temperaturen T 1 und T 2 Aussagen über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung machen. Unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur und der Heizleistung kann aus der Änderung der Temperaturen T 1 und T 2 die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Durchflußmenge bestimmt werden. Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird zusätzlich noch die Umgebungstemperatur Tu gemessen und die Änderung der Temperaturen T 1 und T 2 registriert. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit nimmt die Temperatur T 1 immer mehr ab und nähert sich der Umgebungstemperatur TU. Die Temperatur T 2 hingegen nimmt mit steigender Strömungsgeschwindigkeit immer weiter zu, weil dann das erhitzte Medium schneller zum entsprechenden Temperaturfühler transportiert wird. Die Temperatur T 2 in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit durchläuft danach jedoch ein Maximum, das bei einer Strömungsgeschwindigkeit liegt, die im wesentlichen durch die Heizleistung der Heizeinrichtung bestimmt wird. Die maximale Temperatur Tmax, die die Temperatur T 2 erreichen kann, ist diejenige Temperatur, die das Medium an der Stelle der Heizeinrichtung aufweist. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit nimmt die Temperatur T 2 wieder ab und nähert sich ebenfalls der Umgebungstemperatur Tu. Dies beruht darauf, daß die Heizleistung nunmehr nicht mehr ausreicht, um das Medium innerhalb der immer kürzer werdenden Zeit, in der das Medium an der Heizeinrichtung verweilt, aufzuheizen. Bei extrem hohen Durchflußgeschwindigkeiten nähern sich beide Temperaturen T 1 und T 2 somit der Umgebungstemperatur und eine Differenz der beiden Temperaturen ist dann nicht mehr gegeben. Dies bedeutet aber auch, daß die Heizleistung auf die Art der Flüssigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit eingestellt sein muß. Anhand der Temperaturänderungen der Temperaturen T 1 und T 2 und durch die zusätzliche Messung der Temperatur Tu lassen sich somit Aussagen über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit machen. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn bei einer Infusion die Infusionslösung mit einer bestimmten Rate infundiert werden soll. Bei Abweichung von der vorgegebenen Infusionsrate kann somit ein Signal gegeben werden, anhand dessen das Bedienungspersonal erkennt, daß hier Abweichungen vorliegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit die Möglichkeit, einerseits festzustellen, ob überhaupt eine Strömung stattfindet und wenn ja, in welcher Richtung die Strömung sich bewegt. Zusätzlich lassen sich dann noch Aussagen über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine Änderung der Durchflußmenge nachweisen.

Die Vorrichtung zum Nachweis der Strömung eines Mediums in einer Leitung, insbesondere in einer Flüssigkeit, die mittels eines Druckinfusionsapparates durch einen Infusionsschlauch gepumpt wird, weist zwei in Strömungsrichtung beabstandet an der Leitung angeordnete Temperaturfühler und eine zwischen diesen Temperaturfühlern an der Leitung angeordnete Heizeinrichtung auf. Die Temperaturfühler und die Heizeinrichtung sind an eine Auswerteeinheit angeschlossen, die derart ausgebildet ist, daß die beiden Temperaturen T 1 und T 2 miteinander verglichen werden und hieraus auf die Strömung in der Leitung geschlossen werden kann.

Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung in der Mitte zwischen den Temperaturfühlern angeordnet. Die Heizeinrichtung besteht aus einer Widerstandsheizung.

Die Heizeinrichtung kann aus Heizwicklungen bestehen, die die Leitung umgreifen oder aber aus einem einfachen Metallring, der um die Leitung gelegt wird. Es kann auch ein Kunststoffring verwendet werden, in dem ein Heizelement eingelagert ist. Auf das eingelagerte Heizelement kann verzichtet werden, wenn ein elektrisch leitender Kunststoff verwendet wird. Mögliche weitere Ausführungsformen der Heizeinrichtung sind ohmsche Widerstände (u.a. Metallschichtwiderstand, Kohleschichtwiderstand) und Halbleiter (u.a. Transistor, Diode). Außerdem kann zur Heizung auch ein Peltier-Element eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch ein NTC-Heißleiter zum Einsatz kommen.

Die Temperaturfühler bestehen vorzugsweise ebenfalls aus Ringen, in denen mindestens je ein Thermoelement angeordnet ist. Diese Ringe können aus Metall oder Kunststoff bestehen, wobei die Materialien zwei Forderungen erfüllen müssen: a) geringe Wärmekapazität, damit die Änderung der Temperatur schnell gemessen werden kann und b) gute Wärmeleitung über den Umfang des Ringes, um eine mögliche inhomogene Wärmeverteilung über den Umfang auszugleichen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Temperaturfühler auch aus Halbleiterelementen bestehen, oder PTC- bzw. NTC-Elementen.

Wenn die Heizeinrichtung und die Temperaturfühler aus die Leitung umgreifenden Metall- oder Kunststoffringen bestehen, können die Thermoelemente in den Ringen auch um einen bestimmten Winkel um die Heizungsachse versetzt angeordnet sein.

Vorzugsweise sind die Heizeinrichtungen und die beiden Temperaturfühler in einer gemeinsamen Manschette angeordnet, die auf einfache Weise von dem Bedienungspersonal um den Schlauch, in dem die Strömung beobachtet werden soll, gelegt werden kann. Zu diesem Zweck sind die Ringe und die Manschette jeweils an der gleichen Stelle geschlitzt ausgeführt, so daß, wenn ein entsprechend flexibles Material verwendet wird, die Manschette mit den Ringen aufgebogen werden kann und der Schlauch eingelegt werden kann. Aufgrund der Federwirkung der Metallringe und der Manschette umschließen dann die Manschette und die Ringe den Schlauch. Vorzugsweise wird der Innendurchmesser der Metallringe etwas kleiner gewählt als der Außendurchmesser des Schlauches, so daß immer ein festes Anliegen am Schlauch und ein optimaler Wärmekontakt gewährleistet ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist an die Auswerteeinheit ein zusätzlicher dritter Temperaturfühler zur Messung der Umgebungstemperatur Tu angeschlossen. Dieser Temperaturfühler kann entweder an der Leitung stromauf beabstandet zum ersten Temperaturfühler angeordnet sein oder aber direkt in die Auswerteeinheit integriert sein. Wichtig hierbei ist, daß dieser dritte Temperaturfühler soweit von der Heizeinrichtung entfernt ist, daß die von ihm gemessene Temperatur nicht von der Heizeinrichtung beeinflußt ist.

Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die Vorrichtung mit Manschette

Fig. 3 und 4 Diagramme, in denen die Temperaturabhängigkeit von der Weglänge x aufgetragen ist, und

Fig. 5 ein Diagramm, in dem die Temperaturabhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit V aufgetragen ist.

In der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt. Durch die Leitung 1 fließt ein Medium von links nach rechts (s. die eingetragene Pfeilrichtung). An dieser Leitung 1 ist eine Heizeinrichtung 4 angeordnet, zu der im Abstand A zwei Temperaturfühler 2 und 3 an der Leitung 1 angeordnet sind. Die Temperaturfühler 2, 3 und die Heizeinrichtung 4 sind an eine gemeinsame Auswerteeinheit 5 angeschlossen. Die Temperaturfühler 2 und 3 dienen zur Messung der beiden Temperaturen T 1 und T 2. Zusätzlich ist an die Auswerteeinheit 5 ein Temperaturfühler 11 angeschlossen, der zur Messung der Umgebungstemperatur Tu dient.

In der Fig. 2 ist eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung dargestellt. Sowohl die Heizeinrichtung 4 als auch die Temperaturfühler 2 und 3 sind als Ringe 8 bzw. 6, 7 dargestellt, die die Leitung 1 umschließen. Der Innendurchmesser dieser Ringe 6, 7, 8 ist vorzugsweise kleiner als der Außendurchmesser der Leitung 1. Die Ringe 6, 7 und 8 sind in einer Manschette 9 angeordnet, die aus einem wärmeisolierenden Material gefertigt ist. An diese Manschette 9 ist ein Anschlußkabel 10 angeordnet, in dem die Anschlüsse für die Heizeinrichtung und die Temperaturfühler zusammengefaßt sind und das an die Auswerteeinheit 5 angeschlossen ist. Die Manschette 9 und die Ringe 6, 7 und 8 sind längs der Leitungsachse geschlitzt ausgeführt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes 12 kann ein Scharnier angeordnet sein (nicht gezeigt), so daß die gesamte Manschette mit den Ringen aufgeklappt werden kann und somit auf einfache Weise von dem Schlauch entfernt werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, insbesondere bei Leitungen mit kleinem Durchmesser, ein Material zu wählen, das es erlaubt, die Manschette und die Ringe lediglich aufzubiegen, um diese von der Leitung (1) zu entfernen.

In der Fig. 3 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Temperatur T in Abhängigkeit von der Weglänge x, die in Fig. 1 eingezeichnet ist, dargestellt ist. Am Ort X 2, an dem sich die Heizeinrichtung (4) befindet, ist die Temperatur maximal. Wenn nun keine Strömung in der Leitung vorliegt, ist die Temperatur an den Orten X 1 und X 3, die jeweils im Abstand A von der Heizeinrichtung entfernt sind, jeweils gleich groß. In diesem Fall beruht der gemessene Effekt lediglich auf der Wärmeleitung der Flüssigkeit. Die Temperaturen T 1 und T 2 sind größer als die Umgebungstemperatur Tu, die von dem Temperaturfühler (11) gemessen wird.

In der Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Temperatur T in Abhängigkeit von X für den Fall einer Strömung in X-Richtung dargestellt ist. In diesem Fall ist die Temperatur auch am Ort X 2, an dem sich die Heizeinrichtung (4) befindet, maximal, die Temperatur T 2 in Strömungsrichtung ist jedoch höher als die Temperatur T 1, die entgegengesetzt der Strömungsrichtung gemessen wird. Bei großen Strömungsgeschwindigkeiten, wie im vorliegenden Fall, ist die Temperatur T 1 in etwa gleich der Umgebungstemperatur Tu.

In der Fig. 5 ist die Temperatur T in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit V dargestellt. Wenn keine Strömung vorliegt, d.h. V = 0 ist, dann ist die Temperatur T 1 gleich T 2, aber größer als die Umgebungstemperatur Tu. Dies entspricht dem Diagramm der Fig. 3. Wenn die Strömungsgeschwindigkeit V zunimmt, dann nimmt zunächst auch die Temperatur T 1 zu, bis ein Maximalwert Tmax erreicht ist. Gleichzeitig nimmt die Temperatur T 1 ab, bis die Umgebungstemperatur Tu erreicht ist. Wenn eine Heizeinrichtung mit einer großen Heizleistung gewählt wird, ist diese Maximaltemperatur Tmax erst bei einer größeren Strömungsgeschwindigkeit V erreicht. Nach Durchlaufen dieses Maximums nimmt die Temperatur T 2 wieder ab und nähert sich bei extrem großen Strömungsgeschwindigkeiten ebenfalls der Umgebungstemperatur Tu, da die Heizleistung dann nicht mehr ausreicht, um bei der kurzen Verweildauer im Bereich der Heizeinrichtung das Medium entsprechend aufzuheizen. Aufgrund der Temperaturänderung T 1 und T 2 und durch die zusätzliche Messung der Temperatur Tu lassen sich somit Aussagen über die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung 1 machen.

Für die parenterale Ernährung wird an ein Druckinfusionsgerät, das nicht dargestellt ist, in der Regel ein PVC-Schlauch angeschlossen, der einen Außendurchmesser von 5 mm und eine Wandstärke von ca. 1 mm aufweist. Die zu infundierende Flüssigkeit besteht im wesentlichen aus Wasser, Elektrolyten und Zucker. Die Ringe 6, 7, 8 weisen eine Breite von 5 mm auf und besitzen einen Innendurchmesser, der kleiner als 5 mm ist. Der Abstand der Temperaturfühler 2 und 3 von der Heizeinrichtung 4 beträgt 2 cm. Bei der parenteralen Ernährung werden ca. 3 l pro Tag infundiert, was einer Förderrate von 125 ml/h entspricht. Die Heizleistung der Heizeinrichtung 4 muß in diesem Fall ca. 0,15 Watt betragen. Vorzugsweise wird die Vorrichtung am intravenösen Zugang des Patienten an der Leitung angeschlossen.

Claims (13)

1. Verfahren zum Nachweis einer Strömung eines Mediums in einer Leitung, insbesondere einer Flüssigkeit in einem an einen Infusionsapparat angeschlossenen Schlauch, dadurch gekennzeichnet,

• - daß das Medium lokal aufgeheizt wird,
• - daß die Temperatur des Mediums an zwei von der Heizstelle beabstandeten Punkten gemessen wird und
• - daß die beiden Temperaturen miteinander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Temperatur T 1 stromauf der Heizstelle und die zweite Temperatur T 2 stromab der Heizstelle gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Umgebungstemperatur Tu und die Änderungen der Temperaturen T 1 und T 2 gemessen werden.

4. Vorrichtung zum Nachweis der Strömung eines Mediums in einer Leitung, insbesondere einer Flüssigkeit in einem an einen Infusionsapparat angeschlossenen Schlauch, gekennzeichnet durch

• - zwei in Strömungsrichtung beabstandet an der Leitung (1) angeordnete Temperaturfühler (2, 3)
• - eine zwischen diesen Temperaturfühlern (2, 3) an der Leitung (1) angeordnete Heizeinrichtung (4) und
• - eine an die Heizeinrichtung (4) und an die Temperaturfühler (2, 3) angeschlossene Auswerteeinheit (5), die derart ausgebildet ist, daß die beiden gemessenen Temperaturen T 1, T 2 miteinander verglichen werden und hieraus auf die Strömung in der Leitung (1) geschlossen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) in der Mitte zwischen den Temperaturfühlern (2, 3) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) aus einer Widerstandsheizung besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (4) einen die Leitung (1) umgreifenden Metall- oder Kunststoffring (8) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (2, 3) aus die Leitung umgreifenden Ringen (6, 7) bestehen, in denen mindestens je ein Thermoelement, NTC-Fühler, PTC-Fühler oder Halbleiterelement angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innendurchmesser der Ringe (6, 7 und 8) kleiner ist als der Außendurchmesser der Leitung (1).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auswerteeinheit (5) ein dritter Temperaturfühler (11) zur Messung der Umgebungstemperatur Tu angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Temperaturfühler (11) an der Leitung (1) stromauf beabstandet zum Temperaturfühler (2) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Temperaturfühler (11) an der Auswerteeinheit (5) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (2, 3, 11) und die Heizeinrichtung (4) in einer gemeinsamen Manschette (9) angeordnet sind, die die Leitung (1) umgreift.