DE3882807T2 - Ultraschall-Detektor. - Google Patents

Ultraschall-Detektor.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Detektor, der derart eingerichtet ist, daß er das Vorhandensein eines Gases oder einer Flüssigkeit in einer Flüssigkeitszuführungsleitung feststellen kann. Der Detektor der vorliegenden Erfindung ist besonders geeignet als billiger Leitungsluftdetektor für Kontrollgeräte zur intravenösen Infusion bei Patienten.
  • Bei der Verabreichung einer intravenösen Flüssigkeitsinfusion an einen Patienten ist es wichtig, die zu infundierende Flüssigkeit auf Luft hin zu überwachen, da es zu einer Embolie kommen kann, wenn Luft in den Patienten infundiert wird. Luft kann in das System gelangen durch ein Leck im Leitungsverbindungsstück, durch einen Riß im System, oder wenn der Behälter, von dem aus die Flüssigkeit infundiert wird, leer ist. In manchen Fällen, besonders aber bei IV-Behältern mit flexiblen Wänden, wird der Behälter nicht vollständig bei der Herstellung aufgefüllt, so daß ein Luftraum entsteht. Die Luft kann in den Patienten infundiert werden, wenn die Flüssigkeit durch eine volumetrische Pumpe eingebracht wird.
  • Jedoch können optische Detektoren oftmals falsche Luftleitungssignale erzeugen, auch wenn die Infusionsleitung tatsächlich ausschließlich mit Flüssigkeit gefüllt ist. Einige Infusionslösungen streuen Licht und bündeln dasselbe nicht, insbesondere IV-Lösungen, die Partikel enthalten. Manche IV-Lösungen können halb lichtdurchlässig sein. Das Ergebnis dabei ist, daß der Detektor nicht zwischen einer flüssigkeits- oder einer luftgefüllten Leitung unterscheiden kann.
  • Darüber hinaus benötigen die Detektoren des obigen Typs die Verwendung von durchsichtigem Plastikmaterial für die Flüssigkeitsleitung. Jedoch sind viele der medizinisch nützlichen Plastikmaterialien undurchsichtig, so daß ein optischer Detektor bei diesen nicht verwendet werden kann.
  • Ein Ultraschalldetektor zum Nachweis von Gasblasen in einer Flüssigkeit ist in DE-OS-31 41 576 dargestellt. Der bekannte Detektor weist einen Sender und einen Empfänger auf, wobei beide an den gegenüberliegenden Wänden der Leitung angebracht sind. Jedoch verfügt der bekannte Detektor nach DE-OS-31 41 576 nicht über eine effektive Energiekopplung zwischen Sender und Empfänger, und hat eine geringere Meßgenauigkeit.
  • Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ultraschall-Flüssigkeitsdetektorvorrichtung zu schaffen, die kein durchsichtiges Plastikmaterial für die Flüssigkeitsleitung benötigt, so daß die Vorrichtung in zuverlässiger Weise Luft aufspürt, sogar wenn die Flüssigkeit, die durch die Leitung fließt, Partikel enthält oder halb undurchsichtig ist.
  • Im Rahmen der obigen Aufgabe ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschall-Flüssigkeitsdetektor mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger mit guter Energiekopplung zur fehlerfreien Gaserfassung in einer Flüssigkeitsleitung zu schaffen.
  • Die obengenannten Aufgaben sowie weitere Aufgaben, die später ersichtlich werden sollen, werden durch einen Ultraschall-Flüssigkeitsdetektor erfüllt, der aus einem Ultraschallgenerator und einen Ultraschallempfänger besteht, die gegeneinander so angeordnet sind, daß sie ein flüssigkeitenthaltendes Element zwischen sich aufnehmen, wie es in den beiliegenden Ansprüchen definiert wird.
  • Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die durch die nicht einschränkenden Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt wird, wobei:
  • Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Wegwerf-Pumpenkassette ist, die zusammen mit den Ultraschalldetektoren einen Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Ultraschalldetektoren aus Fig. 1 entlang der Ebene durch Linie II-II der Fig. 1 ist;
  • Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene durch die Linie III-III der Fig. 1 ist;
  • Fig. 3A eine Querschnittsansicht der Teile aus Figuren 2 und 3 im zusammengebauten Zustand ist;
  • Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene durch die Linie IV-IV der Fig. 3 ist;
  • Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des im Ultraschalldetektor der Fig. 2 verwendeten Ultraschallgenerators und/oder des Ultraschallempfängers ist;
  • Fig. 6 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene durch die Linie VI-VI der Fig. 5 ist;
  • Fig. 7 eine Querschnittsansicht entlang der Ebene durch die Linie VII-VII der Fig. 5 ist;
  • Fig. 8 eine schematische Darstellung des in dem Leitungsluftdetektor der vorliegenden Erfindung verwendeten Schaltkreises ist;
  • Fig. 9 ein Graph des Frequenzganges eines piezoelektrischen Chips.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschalldetektorsystem zur Erfassung von Leitungsluft, das insbesondere zur Verwendung mit einer Wegwerf-intravenösen Flüssigkeitspumpenkassette, die Gegenstand der europäischen Patentanmeldung EP-A-293 592 mit der Bezeichnung "Wegwerf-Flüssigkeitsinfusions-Pumpenkammerkassette" (Erfinder: Giovanni Pastrone) ist, die den gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Erfindung hat, deren Inhalt hiermit durch Verweisung in die vorliegende Beschreibung mit einbezogen wird. Die Pumpenkassette 10 enthält ein starres Vorderteil 12 und ein starres Rückteil 14 mit einem dazwischen angeordneten elastomeren Teil 16 (Figuren 3 und 4). Die Kassette beinhaltet einen Einlaß 18 zur Flüssigkeitsaufnahme aus einer (nicht dargestellten) Flüssigkeitsquelle, und einen (nicht dargestellten) Auslaß, um Flüssigkeit unter positivem Druck zum Patienten zu bringen. Zwischen dem Einlaß und dem Auslaß befindet sich der Flüssigkeitsweg 20 (Fig. 4) durch die Leitungsluft-Detektorvorrichtungen 22, 24, die von der Oberfläche des Vorderteils 12 nach außen gerichtet sind. Die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 enthält einen Ultraschalldetektor 26. Die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 24 enthält den Ultraschalldetektor 28. Die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 ist identisch mit der Leitungsluft-Detektorvorrichtung 24, so daß nur eine der beiden im Detail beschrieben wird. In gleicher Weise ist der Ultraschalldetektor 26 wie der Ultraschalldetektor 28 strukturiert, so daß nur der erste beschrieben wird. Grundsätzlich geht der Flüssigkeitsweg in der Kassette durch beide Leitungsluft-Detektorvorrichtungen 22 und 24. Die Ultraschalldetektoren 26 und 28 sind derart ausgebildet, daß sie die Anwesenheit von Luft, die durch die Pumpenkassette 10 gepumpt wird, detektieren, um zu verhindern, daß Luft in den Patienten gepumpt wird.
  • Die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 enthält eine Tasche 30, die ein integrierter Bestandteil des elastomeren Teils 16 ist. Die Tasche 30 erstreckt sich durch eine Öffnung 32 im Vorderteil 12 und ragt nach außen über die Oberfläche des Vorderteils 12 hinaus (Fig. 1, 3, 3A und 4). Die Tasche 30 hat eine hohle Vertiefung 34, die zwischen zwei Seitenwänden 35 und 35' und einer gebogenen Endwand 38 gebildet wird. Ein Vorsprung 36 ragt von der inneren Oberfläche des Rückteils 14 in die Vertiefung 34 und paßt eingreifend zwischen die Seitenwände 35 und 35', berührt je doch die Endwand 38 nicht. Vielmehr wird ein Flüssigkeitsdurchlaß 40 zwischen den inneren Flächen der Endwand 38 und der Begrenzung des Vorsprunges 36 gebildet, der einen Teil des Flüssigkeitswegs 20 durch die Kassette bildet. Der Flüssigkeitsdurchlaß 40 gestattet, daß die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitsweg 20 um die Oberfläche des Vorderteils 12 entlang in einer schleifenförmigen Bahn in die Kassette fließt, so daß jegliche Luft im Flüssigkeitsweg durch den Ultraschalldetektor 26 (oder 28) außerhalb der Kassette erfaßt werden kann. Die Ultraschalldetektoren 26 und 28 müssen auf einem Kassettenantrieb, einem wiederverwendbaren Stück, befestigt werden, wogegen die Kassette billig und nach jeder Verwendung wegzuwerfen ist.
  • Der Ultraschalldetektor 26 beinhaltet zwei im wesentlichen spiegelsymmetrische Gehäuseteile 42 und 44. Das Gehäuseteil 42 ist allgemein L-förmig und ist mit dem spiegelsymmetrischen Gehäuseteil 44, das ebenfalls L-förmig ist, am Boden des L's verbunden, um eine U-förmige Gehäusekonstruktion mit der Vertiefung 46 zwischen den Armen des U's zu bilden, damit die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 aufgenommen werden kann. Auf einer Seite der Vertiefung 46 hat das Gehäuseteil 42 eine Öffnung 48, während an der anderen Seite der Vertiefung 46 das Gehäuseteil 44 eine Öffnung 50 aufweist. Die Gehäuseteile 42 und 44 sind hohl und jeder enthält einen Durchlaß 52 für die nötigen elektrischen Kontaktstifte, die nachstehend beschrieben werden. Über der Öffnung 48 befindet sich ein Ultraschallgenerator 54, der gegenüber einem sich in der Öffnung 50 über der Vertiefung 46 befindlichen Ultraschallempfänger 56 angeordnet ist. Der Ultraschallgenerator 54 ist wie der Ultraschallempfänger 56 strukturiert, so daß nur der Ultraschallgenerator 54 beschrieben wird.
  • Der Ultraschallgenerator 54 (Figuren 5 bis 7) weist ein Substrat 58 auf, das vorzugsweise aus Glas hergestellt ist und auf einer Seite mit einer leitenden Schicht 60 beschichtet ist, vorzugsweise einer Schicht aus Gold. Die leitende Schicht 60 weist drei Abschnitte 62, 64 und 66 auf, die durch eine Fuge 68 zwischen den Regionen 62 und 64 und zwischen den Regionen 64 und 66 elektrisch voneinander getrennt sind, sowie eine Fuge 70 zur Trennung der Regionen 60 und 62. Ein Chip 72 aus piezoelektrischem Material, wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), vorzugsweise ein Murata P7 oder Valpey-Fisher PZT-5H piezoelektrischer Kristall, ist auf die leitende Schicht 60 mit einem leitenden Epoxykleber aufgebracht und ist derart positioniert, daß eine Seite des Chips 72 zumindest einen Teil der Schichtregion 64 überlappt, daß jedoch die gleiche Seite nicht die Schichtregion kontaktiert. Ein leitender Überbrückungsdraht 74 reicht von der entgegengesetzten Seite des Chips 72 zur Schichtregion 66 und stellt somit eine elektrische Verbindung zwischen beiden her.
  • Ein elektrisch leitender Kontaktstift 76 wird elektrisch mit der Schichtregion 64 verbunden, während ein Kontaktstift 78 elektrisch mit der Schichtregion 66 verbunden ist. Diese elektrische Verbindung wird durch Aufkleben eines jeden Kontaktstiftes auf die entsprechende Region mit einem elektrisch leitenden Epoxykleber 75 (Fig. 2, 3A und 5) erreicht. Wenn die Vorrichtung nach Figuren 5 bis 7 als Ultraschallgenerator verwendet wird, wird ein elektrisches Signal der gleichen Frequenz wie die resonante Frequenz des piezoelektrischen Chips 72 über die Kontaktstifte 76 und 78 an den Chip 72 über die Schaltung, die später beschrieben wird, zu den leitenden Regionen 60 und 64 über den Überbrückungsdraht 74 angelegt, um den Chip zur Erzeugung eines Hochfrequenzschalles anzuregen. Wie in Fig. 1, 2 und 3A dargestellt, ragen die Kontaktstifte 76 und 78 aus dem Gehäuse 72 und 74 heraus. Die Gehäuseteile 42 und 44 sind auf einer (nicht dargestellten) gedruckten Leiterplatte montiert, durch welche sich die Kontaktstifte 76 und 78 zur Verbindung mit dem unten beschriebenen Schaltkreis erstrecken.
  • Zum Zusammenbau eines Ultraschallgenerators oder eines Ultraschallempfängers wird der Chip 72 auf dem Substrat 58 durch einen leitenden Klebstoff befestigt. Der Überbrükkungsdraht 74 wird wie oben beschrieben daran angebracht. Das Substrat 58 wird dann in die Öffnung 48 (oder 50) eingeführt. Der Kontaktstift 78 (oder 76) wird durch eine enge Öffnung 81 (Fig. 2) im rückwärtigen Teil des Gehäuses 42 (oder 44) eingeschoben, bis das proximale Ende des Kontaktstiftes über der entsprechenden leitenden Region auf dem Substrat zu liegen kommt. Durch eine große Öffnung 83 (Fig. 2 und 3A) im Seitenteil des Gehäuses 42 (oder 44) wird leitender Klebstoff 75 eingebracht, um das proximale Ende jedes Kontaktstiftes 78 (oder 76) an die entsprechende leitende Region auf dem Substrat zu kleben. Diese Kontaktstifte 76 und 78 werden innerhalb der Gehäuse 42 und 44 durch Auffüllung der Gehäuse mit einem nichtleitenden Epoxykleber 85 (Fig. 2 und 3A) "eingegossen". Somit halten die Öffnungen 81 und der Kleber 85 die Kontaktstifte 76 und 78 unbeweglich innerhalb der Gehäuseteile 42 und 44, so daß sie nicht aus der elektrischen Kontaktstellung mit den Substraten 56 und 58 verschoben werden können.
  • Die Öffnungen 83 in den Gehäuseteilen 42 und 44 sind mit Abdeckteilen 87 (Fig. 1) abgedeckt, bevor der Kleber 85 hart wird. Die Ultraschalldetektoren 26 und 28 werden auf eine (nicht gezeigte) gedruckte Leiterplatte montiert, durch die die Kontaktstifte 76 und 78 gehen. Die distalen Enden der Kontaktstifte 76 und 78 werden dann verlötet, um die elektrische Verbindung mit der nachstehend beschriebenen Schaltung auf der gedruckten Leiterplatte herzustellen. Um als Ultraschallempfänger 56 zu funktionieren, empfängt die Vorrichtung der Figuren 5 bis 7 den Ultraschall, der durch den Ultraschallgenerator 54 erzeugt wird. Die Ultraschallschwingung wird dann von dem Chip 72' aufgenommen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das über den Überbrückungsdraht 74 und durch die Schichten 60 und 64 zu den Kontaktstiften 76 und 78 (Fig. 1) gesendet wird, wo das hochfrequente elektrische Signal durch die nachstehend beschriebene Schaltung in ein verwendbares Signal umgewandelt und verstärkt wird, um in dem Fall einen Alarm auslösen, wenn Luft sich im Flüssigkeitsdurchlaß 40 befindet.
  • Die elastomere Tasche 30 hat zwei federnde Lappen 37, 37' (Figuren 1 und 3), die von den Seitenwänden 35 nach außen ragen. Die Breite der Tasche 30 zwischen den Lappen 37, 37' ist etwas geringer als die Breite der Vertiefung 46 zwischen dem Ultraschallgenerator 54 und dem Ultraschallempfänger 56, so daß die Lappen 37 und 37' nach innen aufeinander zu gedrückt werden, wenn die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 in den Ultraschalidetektor 26, wie in Fig. 3A gezeigt, eingeschoben wird. Dies sorgt für einen guten akustischen Kontakt zwischen dem Ultraschallgenerator 54 und der Tasche 30 und zwischen dem Ultraschallempfänger 56 und der Tasche 30.
  • Diese Anordnung erlaubt ebenso ein leichtes Entfernen der Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 von der Vertiefung 46. Wie in der Fig. 3A dargestellt, liegen die Chips 72 und 72' am Flüssigkeitsdurchlaß 40 derart an, daß ein Ultraschallsignal quer zum Flüssigkeitsdurchlaß 40 übermittelt wird, wenn die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 in die Vertiefung 46 eingebracht wird. Die Übertragung des Ultraschalls zwischen dem Ultraschallgenerator 54 und dem Ultraschallempfänger 56 wird in hohem Maße gesteigert, wenn Flüssigkeit im Durchlaß 40 vorhanden ist. Wenn sich jedoch Luft im Durchlaß 40 befindet, wird die Übertragung des Ultraschallsignals durch den Flüssigkeitsdurchlaß 40 gedämpft. Der Unterschied bei der Ultraschallübertragung wird durch den Ultraschallempfänger 56 gemessen. Bei Anwesenheit von Luft fällt das Signal vom Ultraschallempfänger 56 ab. Wenn das Signal abfällt, ertönt ein Alarm (nicht dargestellt), um das Durchpumpen der Flüssigkeit durch die Kassette anzuhalten, wenn die Kassette sich im Flüssigkeitszufuhrzyklus befindet.
  • Wie in der mitanhängigen und gleichzeitig eingereichten Anmeldung EP-A-293 593, mit der Bezeichnung "Wegwerf-Flüssigkeitsinfusions-Pumpenkammerkassette" (Erfinder: Giovanni Pastrone) offenbart, können die Ultraschalldetektoren und die Leitungsluftdetektoren, die dort beschrieben sind, ebenso dafür verwendet werden, um die Unversehrtheit einiger Kassettenteile zu überprüfen, wenn sich die Kassette nicht in der Flüssigkeitseinspeisungsphase ihres Pumpenzyklus befindet.
  • Wie oben beschrieben, sind die Ultraschalldetektoren 26 und 28 Teile eines wiederverwendbaren Kassettenantriebs, wogegen Kassette 10 ein Wegwerfteil ist. Wenn die Kassette 10 auf dem Antrieb befestigt wird, gleitet die Leitungsluft- Detektorvorrichtung 22 und 24 leicht in die Vertiefung 46 in den Ultraschalldetektoren 26 und 28; nichtsdestotrotz entsteht durch die Lappen 37 und 37' ein sicherer Schallübertragungskontakt zwischen jeder der Leitungsluft-Detektorvorrichtungen und dem angeschlossenen Detektor. Die Lappen 37, 37' werden nach innen geschoben, sobald der Leitungsluftdetektor in die Vertiefung 46 eingeschoben wird, wodurch der erwünschte Kontakt hergestellt wird, wobei die Lappen aber nicht das Hineingleiten der Leitungsluftdetektoren in die Ultraschalldetektoren beeinträchtigen.
  • Die Schaltung für das Leitungsluft-Detektorsystem für den Kassettenantrieb der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Die Sendekristalle 72 und 72" der Ultraschalldetektoren 26 bzw. 28 werden durch ein Paar von Verstärkerschaltkreisen 302 und 302' angesteuert. Die Verstärkerschaltkreise 302 und 302' werden wiederum durch einen Wobbeloszillator 300 betrieben, der einen spannungsgesteuerter Oszillator 301 und einen Dreieckskurvenform- Oszillator 301a aufweist.
  • Jeder der Kristalle (72 bis 72"') tritt in Resonanz bei mehreren Frequenzen; jedoch hat jeder der Kristalle mehrere maximale Resonanzfrequenzen inklusive einer, die einen Nominalwert von ungefähr 5,0 MHz hat. Die Resonanzfrequenz eine jeden Kristalls kann jedoch von den Nominalwerten abweichen. Weiterhin kann die Resonanzfrequenz eines Kristalls sich verändern, wenn dieser auf dem Substrat 58 aufgebracht wird. Um die Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen der Sende- und Empfangskristalle zu reduzieren, sollte jedes Paar dieser Kristalle aus dem gleichen Stück piezoelektrischen Materials herausgeschnitten sein. Weiterhin sollte jedes Paar auf Substrate montiert sein, die aus dem gleichen größeren Materialstück herausgeschnitten sind. Solche Vorsichtsmaßnahmen verringern die Frequenzunterschiede zwischen den Sende- und Empfangskristallen in ausreichender Weise, die anderenfalls bei ungenügend zusammenpassenden Kristallen zu einem falschen Alarm, daß sich Luft in der Kassette befindet, führen könnte.
  • Es ergibt sich jedoch ein Problem dergestalt, daß die Resonanzfrequenz eines jeden Paars von Sende- und Empfangskristallen von Paar zu Paar variieren kann. Fig. 9 zeigt den Frequenzgang eines gegebenen Kristalls mit einer 5 MHz maximalen Resonanzfrequenz sowie mit mehreren niedrigeren Resonanzfrequenzen. Wie in Fig. 9 dargestellt, werden z.B. die Paare aus Materialien ausgewählt, die nominale Maximalfrequenzen von ungefähr 5 MHz haben; jedoch können die Maximalfrequenzen in einer Größenordnung von ±10 % (d.h. 4,5 bis 5,5 MHz) variieren, so daß die Resonanzschaltung der Kristalle derart ausgebildet werden muß, daß sie ein jegliches ausgewähltes Paar innerhalb dieses Bereiches zur Resonanzschwingung bringt, wenn eine Kalibrierung eines jeden Schaltkreises mit jedem Paar von Kristallen vermieden werden soll. Diese individuelle Kalibrierung würde extrem aufwendig sein.
  • Der Wobbeloszillator 300 variiert die Frequenz des elektrischen Signals, das an die Sendekristalle (72 und 72") übertragen wird, über dieses relativ breite Frequenzspektrum (d.h. 5 MHz ±10 %). Beobachtungsgemäß umfaßt dieses Spektrum die Resonanzfrequenzen der Kristallpaare, die im Kassettenantrieb installiert werden. Anders ausgedrückt, wird der Wobbeloszillator 300 eine Frequenz für jedes Paar von Kristallen treffen, wobei eine ausreichende Antwort zur Vermeidung falscher Signale erzeugt wird. Wenn jedoch die Frequenz der elektrischen Signale an das angepaßte Kristallpaar in einem Bereich zwischen 4,5 und 5,5 MHz variiert wird (d.h. der Bereich wird überstrichen), wird eine Zwischenfrequenz innerhalb des Bereiches auftreten, bei der der Sendechip akustische Signale sendet, die eine Amplitude haben, die den Empfängerkristalls ausreichend erregt. Dieses vermeidet die Entstehung eines falschen Alarms, bei dem der Sendekristall bei einer Resonanzfrequenz angeregt wird, die sich so ausreichend von seiner natürlichen maximalen Resonanzfrequenz unterscheidet, um das System "irrezuführen", daß Luft in der Kassette vorhanden ist.
  • Der spannungsgesteuerte Oszillator (VCO) 301 besteht aus einem 74HC4046 Phasenregelschliefeoszillator U1 (PLL- Oszillator), wobei nur das spannungsgesteuerte Oszillatorteil verwendet wird. Der Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 301 ist mit den Sendekristalltreibern Q&sub1; und Q&sub2; überden Kondensator C&sub6; gekoppelt.
  • Der spannungsgesteuerte Oszillator 301 wird durch den Dreieckskurvenform-Oszillator (TW-Oszillator) 301a angesteuert, der aus dem Verstärker U2 mit dem Kondensator C&sub9; und den Widerständen R&sub1;&sub3;-R&sub1;&sub6; besteht. Der Dreieckskurvenform-Oszillator 301a verwendet ein Exklusiv-ODER-Gatter innerhalb des spannungsgesteuerten Oszillators 301 als Spannungspuffer, der die Symmetrie seiner Ausgangskurvenform steigert.
  • Der Dreieckskurvenform-Oszillator 301a hat eine Frequenz von ungefähr 3 kHz und eine Spitze-Spitze-Amplitude von ungefähr 1,0 V mit einem Durchschnittswert von 2,5 V. Dies veranlaßt den spannungsgesteuerten Oszillator 301 einen Bereich von 2MHz zu überstreichen, wobei der erforderliche 4,5 bis 5,50 MHz-Bereich eingeschlossen ist und zusätzlich Komponententoleranzen im Oszillator möglich sind.
  • Die Taktgeberelemente des spannungsgesteuerten Oszillators 301, nämlich der Widerstand R&sub2; und der Kondensator C&sub1;&sub0;, sind derart gewählt, daß der überstrichene Bereich des spannungsgesteuerten Oszillators 301 Frequenzen einschließt, bei denen das für die Sende- und Empfangskristalle verwendete Keramikmaterial in Resonanz tritt.
  • Die Leitung A vom spannungsgesteuerten Oszillator 301 verzweigt sich in die Leitung B und C, von denen jede Signale, die vom spannungsgesteuerten Oszillator 301 erzeugt werden, zum Verstärkerschaltkreis 302 oder 302' überträgt, wobei beide Signale identisch sind. Jeder Verstärkerschaltkreis 302 oder 302' (im Detail unten beschrieben) verstärkt das Signal zu identischen 10 V Spitze-zu-Spitze- Sinuswellensignalen an den Leitungen 76 bzw. 76'. Die Frequenz des Signals an den Leitungen 77 und 77' variiert innerhalb des Streubereiches des Wobbeloszillators 300. Der Verstärkerschaltkreis 302 beinhaltet einen Transistor Q&sub1;. Der Transistor Q&sub1; bildet zusammen mit den Widerständen R&sub3;, R&sub4; und R&sub5;, den Kondensatoren C&sub1; und C&sub2; und der Spule L&sub1; einen C-Klasse-Verstärker. Somit bilden L&sub1;, C&sub1; und der Kristall 72 einen abstimmbaren Schaltkreis, der nominell bei 5 MHz in Resonanz tritt. Die eigentliche Resonanz dieses abstimmbaren Schaltkreises wechselt jedoch aus oben angegebenen Gründen. Der Kristall 72 ist ein Valpey-Fisher PZT-5H oder ein Murata P7 piezoelektrischer Kristall.
  • Der Verstärkerschaltkreis 302' ist identisch mit dem Schaltkreis 302, wobei Q&sub1;', R&sub3;', R&sub4;', etc. mit Q&sub1;, R&sub3;, R&sub4;, etc. korrespondieren. Der Verstärkerschaltkreis 302 legt ein veränderlich hochfrequentes, sinusförmiges Signal über die Leitung 77 an eine Seite des piezoelektrischen Kristalles 72 des Ultraschallgenerators 54 des Leitungsluftdetektors 26 an. Die andere Seite des Kristalls 72 des Ultraschallgenerators 54 ist mit einer (nicht dargestellten) 5 V- Stromquelle über Leitung 78 verbunden. Das 5 MHz-Signal, das am Kristall 72 angelegt ist, erregt den Kristall 72, um ein hochfrequentes, veränderliches Ultraschallsignal über die Trennfuge zwischen dem Ultraschallgenerator 54 und dem Ultraschallempfänger 56 zu erzeugen.
  • Wie oben ausgeführt, wird das erzeugte Ultraschallsignal praktisch ungedämpft durch den Ultraschallempfänger 56 empfangen, wenn sich Wasser im Flüssigkeitsweg des Leitungsluftdetektors 26 befindet. Jedoch wird der hochfrequente Schall, der durch den Ultraschallgenerator 54 erzeugt wird, stark abgeschwächt, wenn sich Luft im Leitungsluftdetektor 56 befindet.
  • Der Transistor Q&sub2; und die Widerstände R&sub1;&sub2; , R&sub1;&sub1;, R&sub1;&sub0;, R&sub6; und R&sub8; sowie der Kondensator C&sub3; bilden einen AC-(Wechselstrom)-gekoppelten emittergeschalteten Verstärker 304. Der Verstärker 304 ist mit dem Kristall 72' des Empfängers 54 verbunden. Der Kondensator C&sub4; ist ein Ausgangskoppelungskondensator, der mit dem Transistor Q&sub3; verbunden ist. Der Transistor Q&sub3; bildet zusammen mit dem Widerstand R&sub7; und dem Kondensator C&sub8; einen Schwellenspannungsdetektor 306.
  • Wenn sich Wasser im Leitungsluftdetektor 26 befindet, wird der Kristall 72' durch eine oder mehrere der akustischen Frequenzen, die durch den Kristall 72 erzeugt werden, erregt. Das Spannungssignal, das vom Verstärker 304 von der Basis Q&sub3; empfangen wird, ist sinusförmig mit einem 100 bis 200 mV Pegel. Der Verstärker Q&sub3; verstärkt diese Spannung auf einen Wert, der ausreicht, um die Schwelle der Basis-Emitter-Vorwärtsspannung von Q&sub3; zu übersteigen. Somit zeigt die Ausgangsspannung am Kollektor von Q&sub3; die Anwesenheit von Wasser an.
  • Wenn sich Luft im Leitungsluftdetektor 26 befindet, wird der Kristall 72' durch keine der Frequenzen, die durch den Kristall 72 erzeugt werden, erregt. Das Signal, das an der Basis von Q&sub3; empfangen wird, fällt tiefer als das Basis- Emitter-Schwellwertsignal von Q&sub1;. Die Ausgangsspannung am Kollektor von Q&sub3; zeigt die Anwesenheit von Luft an. Der Kollektor von Q&sub3; ist mit dem Mikroprozessor verbunden, der den Spannungsunterschied zwischen den Wasser-/Luftzuständen erfaßt. Wenn sich Luft im Sensor befindet, löst der Mikroprozessor Alarm aus.
  • In der Praxis überstreicht der Wobbeloszillator 300 elektrische Signale in einem Frequenzbereich zwischen ungefähr 4,5 MHz und ungefähr 5,5 MHz. Das Signal wird durch den Verstärker 302 verstärkt und das Frequenz-variable Signal wird an die Sendekristalle übertragen. Eine oder mehrere dieser Frequenzen erregt die Sendekristalle. Wenn sich Wasser in der Kassette befindet, wird eines oder mehrere der hochfrequenten, veränderlichen Signale, die durch die Sendekristalle erzeugt werden, von den Empfangskristallen empfangen werden und diese erregen. Die Signale, die von den Empfangskristallen erzeugt werden, werden verstärkt und zeigen dem Mikroprozessor an, daß sich Wasser in der Kassette befindet. Wenn sich Luft in einem der beiden Leitungsluft-Detektorvorrichtungen 22 oder 24 befindet, reicht keine der akustischen Frequenzen, die von den Sendekristallen 72 oder 72"' ausgestrahlt werden, aus, um einen der Empfangskristalle 72' oder 72"', die an die Leitungsluft-Detektorvorrichtung 22 oder 24 angrenzen, zu erregen. In diesem Fall wird der Mikroprozessor Alarm auslösen.
  • Während eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt wurde, werden weitere Ausführungsformen ohne Weiteres dem Durchschnittsfachleuten ersichtlich. Diese Ausführungsformen sind in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung einzubeziehen, außer die nachstehenden Ansprüche setzen dies ausdrücklich anders fest.
  • Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden. Dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Umfangs solcher Elemente dar, die beispielsweise durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims (7)

1. Ultraschall-Flüssigkeitsdetektor bestehend aus einem Ultraschallgenerator (54) und einem Ultraschallempfänger (56), die gegeneinander so angeordnet sind, daß sie ein flüssigkeitenthaltendes Element (22) zwischen sich aufnehmen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallgenerator (54) und Schallempfänger (56) ein Substrat (58) und eine leitende Schicht (60) enthält, wobei die leitende Schicht (60) zumindest zwei Regionen (64,66) enthält, die elektrisch voneinander isoliert sind; einen piezoelektrischen Chip (72), der in elektrischem Kontakt mit mindestens einem Teil einer ersten Region (64) der leitenden Schicht (60) angeordnet ist; und eine leitfähiges Element (74), das sich zwischen dem piezoelektrischen Chip (72) und einer zweiten Region (66) der leitfähigen Schicht (60) erstreckt, wobei der piezoelektrische Chip (72) am Schallgenerator (54) erregt wird und Ultraschall erzeugt, sobald ein elektrisches Signal zwischen der ersten Region (64) und der zweiten Region (66) angelegt wird, und wobei die Amplitude des Ultraschalls, die durch den piezoelektrischen Chip (72) am Schallempfänger (56) empfangen wird elektrisch erfaßt wird, durch Überwachung des elektrischen Signals, das zwischen der ersten Region (64) und der zweiten Region (66) der leitfähigen Schicht (60) des Schallempfängers (56) erzeugt wird, wobei die Amplitude des empf angenen Ultraschalls sich erheblich erhöht, wenn sich eine Flüssigkeit in dem Element (22) befindet.
2. Ultraschalldetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser weiterhin ein Gehäuseelement (26) mit zwei Gehäuseteilen (42,44) für den Schallgenerator (54) und Schallempfänger (56) enthält, wobei das Substrat (58) des Generators (54) und des Empfängers (56) über entsprechende Öffnungen (48,50) der entsprechenden Gehäuseteile positioniert ist.
3. Ultraschalldetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gehäuseteile (42,44) zusammen befestigt sind und eine U-Form bilden, wobei sich die Gehäuseöffnungen (48,50) auf den gegenüberliegenden Armen der U- Form gegenüber stehen.
4. Ultraschalldetektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieser einen Druckkontaktstift (76,78) enthält, der an jeder der Regionen (64,66) angebracht ist und an dem elektrische Leitungen angeschlossen werden können.
5. Ultraschalldetektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (58) vorzugsweise aus Glasmaterial gefertigt ist.
6. Ultraschalldetektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (58) in das Gehäuseelement (26) derart eingebaut ist, daß ein direkter Kontakt mit dem flüssigkeitsenthaltenden Element (22) besteht, wobei ein guter akustischer Kontakt zwischen dem flüssigkeitsenthaltenden Element (22) und dem Substrat (58) gewährleistet ist.
7. Ultraschalldetektor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallempfänger (56) eine oder mehrere Resonanzfrequenzen aufweist, wobei der Schallempfänger (56) so eingerichtet ist, um akustische Signale, die über eine Leitung (20) übermittelt werden, zu empfangen, wobei der Schallgenerator (54) die akustischen Signale über die Leitung (20) in einem Bereich erzeugt, der die Resonanzfrequenzen des Schallempfängers (56) einschließt; wobei das Gerät enthält:
eine Oszillatorvorrichtung (300), um die elektrischen Signale kontinuierlich über den Bereich zu verteilen, und um die elektrischen Signale am Schallgenerator (54) anzulegen; und
eine abstimmbare Last (L&sub1;,C&sub1;,72) mit einem Element (72), das auf die elektrischen Signale anspricht, um die akustischen Signale innerhalb des Bereichs zur Übertragung auf und zum Empfang durch den Schallempfänger (56) zu erzeugen.
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