DE4018254C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungswächter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

In der Intensivmedizin werden Medikamente mit sehr kurzen Halbwertszeiten eingesetzt, speziell in der Anästhesie und in der Analgesie. Die geringen Wirk­ zeiten solcher Medikamente erfordern bei kleinen Infusionsraten eine sehr schnelle Erkennung eines aus­ bleibenden Medikamentenflusses.

Bei Infusions- und Spritzenpumpen, mit denen ein Medi­ kament einem Patienten über eine Schlauchleitung zuge­ führt wird, werden Druckwächter benutzt, um Okklusionen der Schlauchleitung zu erkennen. Wenn die Medikamenten­ zufuhr mit sehr geringen Fließraten erfolgt, ist die Strömungsüberwachung mit Schwierigkeiten verbunden.

DE 31 04 874 A1 beschreibt einen Strömungswächter für eine Infusionsleitung. Dabei ist ein Leitungsabschnitt der Infusionsleitung elastisch, so daß er sich durch den bei Schlauchokklusion entstehenden Innendruck aufweitet. Diese Aufweitung wird durch Messung des Abstandes zwischen den sich gegenüberliegenden Wandabschnitten des Schlauchs erkannt. Dadurch, daß sich bei einer Schlauchokklusion der Druck erst aufbauen muß, entstehen erhebliche Alarmverzögerungen, die mehr als eine Stunde betragen können. Nachteilig ist weiterhin, daß sich der in dem elastischen Schlauchabschnitt befindliche Flüssigkeitsbolus nach Aufhebung der Okklusion schlagartig zum Patienten hin entlädt. Die kumulierte Medikamentenmenge wird dann dem Patienten stoßartig zugeführt und nicht in der vorgeschriebenen Dosierungsrate. Dies kann zu einer erheblichen Patientengefährdung führen.

Bekannt sind ferner kalorimetrische Strömungswächter, die ein in der Flüssigkeit befindliches Heizelement enthalten und die durch die strömende Flüssigkeit bewirkte Wärmeabfuhr von dem Heizelement messen, sowie Anemometer-Strömungswächter, die ebenfalls auf dem Prinzip der Wärmeableitung durch die strömende Flüssigkeit beruhen. Dieses Prinzip ist nur bei relativ schnellströmenden Flüssigkeiten anwendbar.

Aus US 28 90 405 ist ein Strömungswächter bekannt, der in einen Bohrstrang eingesetzt werden kann, um festzustellen, ob im Bohrloch vorhandenes Wasser in das Bohrgestänge hineingedrückt wird. An einer seitlichen Öffnung des Bohrgestänges ist ein Rückschlagventil montiert, das durch eindringendes Wasser geöffnet wird. Der Ventilkörper des Rückschlagventils bildet eine erste Elektrode, die im Schließzustand des Rückschlag­ ventils mit einer zweiten Elektrode in Berührung kommt und einen Stromkreis schließt. Eine Überwachungsschaltung stellt das Schließen des Stromkreises fest und ermittelt dadurch, ob das Ventil geöffnet oder geschlossen ist. Ein derartiger Strömungswächter eignet sich nicht für solche Fälle, in denen auch bereits sehr kleine Strömungsmengen erkannt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungswächter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der selbst für kleinste Strömungsraten von wenigen Millilitern pro Stunde anwendbar ist und einen Flüssigkeitsstillstand mit hoher Sicherheit in kurzer Zeit feststellt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Strömungswächter ist in der zu überwachenden Leitung ein Rückschlagventil enthalten. Dieses Rückschlagventil besteht ganz oder überwiegend aus elektrisch isolierendem Material. Es isoliert die Flüssigkeiten, die in den durch das Rückschlagventil voneinander getrennten Leitungsabschnitten enthalten sind, elektrisch voneinander. Auf beiden Seiten des Rückschlagsventils ist jeweils mindestens eine Elektrode angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden läßt sich durch eine geeignete Meßeinrichtung der sich ausbildende Widerstand bzw. dessen reziproker Wert, die Leitfähigkeit der Flüssigkeit, bestimmen. Bei geöffnetem Rückschlagventil liegt eine deutlich höhere Leitfähigkeit vor, als bei einem geschlossenen Ventil. Dieses Verhalten läßt sich wie folgt erklären: Bei fehlender Strömung schließt das mit Federkraft vorgespannte Rückschlagventil selbsttätig. Daraus resultiert eine Veränderung des Strömungsquerschnittes und somit eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Meßelektroden. Das geschlossene Rückschlagventil wirkt als strömungsabhängiges Isolierelement zwischen den Elektroden. Das Rückschlagventil ist ein nur in einer Richtung durchlässiges Ventil, zu dessen Öffnung eine Druckdifferenz erforderlich ist. Es gibt Rückschlagventile, die sehr empfindlich sind und bereits bei sehr geringen Druckdifferenzen ansprechen.

Das Prinzip der Erfindung besteht darin, daß sich selbst bei kleinsten Flüssen zumindest in gewissen Zeitabständen ein Stromfaden durch das Rückschlagventil hindurch bildet. Dieser Stromfaden wird anhand der Leitfähigkeit zwischen den Meßelektroden erkannt. Die Detektorschaltung spricht zweckmäßigerweise nicht bei jeder kurzzeitigen Unterbrechung des Stromfadens an sondern erst dann, wenn eine gewisse Zeit lang, z. B. fünf Sekunden, eine signifikante Leitfähigkeitsverände­ rung erkannt wird. Bei Stillstand der Flüssigkeit kommt es zum Schließen des Rückschlagventils und die Leit­ fähigkeit geht gegen Null.

Der erfindungsgemäße Strömungswächter ist insbesondere für den Einsatz in Infusionsleitungen bestimmt, die von einer Pumpe zu einem Patienten führen und die aus flexiblen Schlauchleitungen bestehen. Infusionslösungen sind generell elektrisch leitfähig, obwohl die spezi­ fische Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Zusammen­ setzung der Lösung in relativ weiten Bereich variieren kann. Zur Vermeidung elektrolytischer Zersetzungen ist die Stromquelle vorzugsweise eine Wechselstromquelle.

Aufgrund der Beurteilung der elektrischen Leitfähig­ keit, stellt sich bei sich ändernden Flüssigkeiten nicht notwendigerweise ein eindeutiges Meßergebnis ein. Die Varianz der spezifischen Leitfähigkeit verändert das Meßergebnis bei konstanter Strömung ebenfalls. Durch eine dritte Elektrode (Referenzelektrode) kann dieser Effekt kompensiert werden. Sie liefert in Verbindung mit einer der Meßelektroden ein vom Rückschlagventil unabhängi­ ges, zur spezifischen Leitfähigkeit proportionales Signal. In einer geeigneten Meßverstärkerelektronik kann der Einfluß von unterschiedlichen Leitfähigkeiten von Infusionslösungen kompensiert werden.

Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Detektions­ genauigkeit des Strömungswächters besteht darin, strom­ auf von dem Rückschlagventil ein Absperrventil vorzu­ sehen, das von Zeit zu Zeit geschlossen wird. Dieses Absperrventil darf kein Volumen verdrängen. Wenn bei durchlässigem Absperrventil ein Flüssigkeitsfluß vor­ handen war, muß es durch das Schließen dieses Absperr­ ventils zum Abfall der Leitfähigkeit kommen, weil der Fluß zum Stillstand kommt und das Rückschlagventil schließt. Ist aber vorher schon ein Stillstand vorhan­ den gewesen, beispielsweise durch Schlauchokklusion, bleibt die Leitfähigkeit durch das Schließen des Rück­ schlagventils unverändert. Eine solche Abfrage kann in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise alle fünf Minuten, erfolgen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnun­ gen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strömungs­ wächters,

Fig. 2 eine konstruktive Ausführungsform eines weite­ ren Strömungswächters und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels.

Der Strömungswächter nach Fig. 1 ist in eine aus einem Kunststoffschlauch bestehende Leitung 10 integriert. Die Leitung 10 enthält ein Rückschlagventil 11 aus einem Ventilsitz 12, dessen Öffnung von einem beweg­ baren Ventilkörper 13 verschlossen werden kann, einer den Ventilkörper 13 gegen die Öffnung des Ventilsitzes drückenden Feder 14 und einer Lochwand 15 zum Abstützen der Feder. Die Teile des Rückschlagventils 11 bestehen aus Kunststoff, so daß das Rückschlagventil den stromab von ihm angeordneten Leitungsabschnitt gegen den strom­ auf angeordneten Leitungsabschnitt elektrisch isoliert und im geschlossenen Zustand auch die Flüssigkeiten in den beiden Leitungsabschnitten elektrisch voneinander isoliert hält.

Stromab von dem Rückschlagventil 11 ist die Versor­ gungselektrode 16 im Inneren der Leitung 10 angeordnet. Diese Elektrode 16 besteht beispielsweise aus einer Metallbeschichtung der Leitungswand. Die Versorgungs­ elektrode 16 ist über einen Kondensator 17 an eine Wechselspannungsquelle 18 angeschlossen.

Stromauf von dem Rückschlagventil 11 ist die Meßelek­ trode 19 in der Leitung 10 angeordnet. Diese Meßelek­ trode ist über einen Kondensator 20 und einen Verstär­ ker 21 mit einer Detektorschaltung 22 verbunden, die hier aus einem Mikroprozessor besteht. Der Eingang des Mikroprozessors enthält einen Strom-/Spannungswandler und Analog/Digital-Umsetzer 23.

Der Schlauch mit dem Rückschlagventil und den Elektro­ den ist ein Einmalartikel, der nach Gebrauch fortge­ worfen wird.

Die Spannungsquelle liefert an die Versorgungselektrode 16 eine Wechselspannung konstanter Amplidute in Bezug auf Erdpotential. Daraus resultiert ein Strom, der bei geöffnetem Rückschlagventil 11 durch die Flüssigkeit zur Meßelektrode 19 übertragen und von der Detektor­ schaltung 22 erkannt wird. Ist in der Leitung 10 kein Flüssigkeitsfluß vorhanden, so entsteht an dem Rück­ schlagventil 11 keine Druckdifferenz und das Rück­ schlagventil bleibt geschlossen. In diesem Zustand ge­ langt nur ein geringer Stromfluß zur Meßelektrode 19. Dies wird von der Detektorschaltung 22 erkannt, die daraufhin einen Alarm an Leitung 24 abgibt, wenn dieser Zustand länger als eine vorbestimmte Zeit dauert.

Im Abstand von der Versorgungselektrode 16 ist in der Leitung 10 stromab vom Rückschlagventil 11 eine Refe­ renzelektrode 25 angeordnet, deren Stromfluß über einen Kondensator 26 und einen Verstärker 27 einem weiteren Eingang der Detektorschaltung 22 zugeführt wird. Wenn elektrisch leitende Flüssigkeit in der Leitung 10 vor­ handen ist, entsteht an der Elektrode 25 ein Strom, dessen Amplitude von der spezifischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängt. Der Wert dieses Stromes wird in der Detektorschaltung 22 als Schwellenwert für die Be­ wertung des Stromes der Meßelektrode 19 benutzt.

Im Strömungsweg ist vor dem Rückschlagventil 11 und den Elektroden ein Absperrventil 28 angeordnet, das von der Detektorschaltung 22 gesteuert wird. Dieses Absperr­ ventil 28 wird in regelmäßigen Zeitabständen kurzzeitig geschlossen, beispielsweise wird es alle fünf Minuten für drei Sekunden geschlossen. Wenn während der Schließ­ zeit des Absperrventils 28 an der Meßelektrode 19 eine Stromänderung gegenüber dem Öffnungszustand des Absperr­ ventils auftritt, wird erkannt, daß das Rückschlag­ ventil 11 geöffnet und ein Flüssigkeitsfluß vorhanden ist. Tritt dagegen an der Meßelektrode 19 keine Ände­ rung zwischen dem Öffnungs- und dem Schließzustand des Absperrventils 28 auf, dann wird erkannt, daß kein Flüssigkeitsfluß vorhanden ist und an Leitung 24 Alarm ausgelöst.

Die Berechnung der Leitfähigkeit LF als Funktion der Durchflußrate Q, und somit die Erfassung von Q, kann wie folgt erfolgen:

Unter der vereinfachenden Annahme, daß

ist,
und daß

ist,
folgt:

Es bedeutet:

LF₁ = Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 16 und 19,
LF₂ = Leitfähigkeit zwischen den Elektroden 16 und 25,
Q = Durchflußrate,
k = spezifische Leitfähigkeit der Infusionslösung,
A₁(Q) = fiktiver Strömungsquerschnitt im Bereich zwischen den Elektroden 16 und 19 (verein­ fachende Annahme, daß die Änderung des Rück­ schlagventils als reine Querschnittsveränderung wirkt),
A₂ = Strömungsquerschnitt im Bereich zwischen den Elektroden 16 und 25,
l₁ = Abstand zwischen den Elektroden 16 und 19,
l₂ = Abstand zwischen den Elektroden 16 und 25.

Man erhält eine infusionslösungsunabhängige Leitfähig­ keit, wenn man Gleichung [1] durch Gleichung [2] divi­ diert.

Durch den Einsatz eines Mikroprozessors kann somit eine Kompensation des Einflusses der spezifischen Leitfähig­ keit vorgenommen werden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Strö­ mungswächter in ein Anschlußstück 30 eines Schlauchs 31 integriert ist. Dieses Anschlußstück 30 besteht aus einem Kunststoffkörper, der eine Aufnahme 32 für einen Konnektor aufweist. Das Rückschlagventil 11 weist einen plattenförmigen Ventilkörper 13 auf, der von einer Feder 14 gegen einen Sitz 12 im Inneren des Anschluß­ stücks 30 gedrückt wird. Die Elektroden 16, 19 und 25 sind durch die Wand des Anschlußstücks 30 hindurchge­ führt. Die Versorgungselektrode 16 ist an die Span­ nungsquelle angeschlossen und die Meßelektrode 19 und die Referenzelektrode 25 sind an die Detektorschaltung 22 angeschlossen. Im Unterschied zum ersten Ausfüh­ rungsbeispiel ist die Meßelektrode 19 über einen Wider­ stand 33 mit Masse verbunden und die Referenzelektrode 25 ist über einen Widerstand 34 mit Masse verbunden. Wenn das Rückschlagventil 11 geschlossen ist und an der Meßelektrode 19 über die Flüssigkeit keine Spannung anliegt, wird die Meßelektrode über den hochohmigen Widerstand 33 an Massepotential gelegt. In gleicher Weise wird die Referenzelektrode 25 über den hoch­ ohmigen Widerstand 34 an Massepotential gelegt, wenn keine elektrisch leitende Flüssigkeit im Anschlußstück enthalten ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 wird in der Detektorschaltung 22 die Differenz der Spannungen an den Elektroden 19 und 25 gebildet. Übersteigt diese Differenz einen Schwellenwert, dann wird erkannt, daß das Rückschlagventil 11 gesperrt ist und daß kein Flüs­ sigkeitsfluß vorhanden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird die Wechselspannung der Wechselstromquelle 18 über einen hochohmigen Widerstand 40 und einem Kondensator 41 an die in der Leitung 10 angeordnete eine Elektrode 42 gelegt, während die andere Elektrode 43 mit festem Potential, z. B. Massepotential, verbunden ist. Zwischen beiden Elektroden 42, 43 befindet sich das elektrisch isolierende Rückschlagventil 11. Die Auswerteschaltung 22 mißt die Spannung zwischen der Elektrode 42 und Massepotential. Bei dieser Schaltung wird die Elektrode 42 als Versorgungselektrode und gleichzeitig als Meß­ elektrode benutzt, während die Elektrode 43 eine Gegen­ elektrode bildet.

Wenn kein Flüssigkeitsfluß durch das Rückschlagventil 11 vorhanden ist, gelangt die volle Ausgangsspannung der Stromquelle 18 an die Spannungsdetektorschaltung 22. Ist dagegen ein Flüssigkeitsfluß durch das Rück­ schlagventil 11 vorhanden, dann entsteht ein Stromfluß von der Elektrode 42 zur Elektrode 43 und damit ein Spannungsabfall am Widerstand 40. Damit fällt das Signal am hochohmigen Eingang der Spannungsdetektor­ schaltung 22 ab und an Leitung 24 wird Alarm erzeugt.

Claims (6)

1. Strömungswächter zur Ermittlung des Vorhandenseins einer Strömung einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in einer Leitung (10), insbesondere einer Infusionsleitung, mit einem in der Leitung (10) vorgesehenen Rückschlagventil (11), einer ersten Elektrode und einer stromab von dieser angeordneten zweiten Elektrode, von denen eine Elektrode als Versorgungselektrode (16) an eine Spannungsquelle (18) und dieselbe Elektrode oder eine andere Elektrode als Meßelektrode (19) an eine Detektorschaltung (22) angeschlossen ist, wobei die Detektorschaltung das Vorhandensein einer Strömung in Abhängigkeit davon signalisiert, ob in dem Strömungsweg durch das Rückschlagventil (11) ein elektrischer Strom fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode stromauf und die zweite Elektrode stromab von dem Rückschlagventil (11) angeordnet ist, daß das Rückschlagventil (11) die angrenzenden Leitungsabschnitte voneinander elektrisch isoliert und daß die Detektorschaltung das Vorhandensein der Strömung signalisiert, wenn die das Rückschlagventil durchströmende Flüssigkeit einen elektrischen Stromfluß durch das Rückschlagventil hindurchleitet.

2. Strömungswächter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand von der Versorgungselektrode (16) auf derselben Seite des Rückschlagventils (11) eine Referenzelektrode (25) angeordnet ist, die an die Detektorschaltung (22) eine der Leitfähigkeit der Flüssigkeit entsprechenden Referenzstrom liefert, und daß die Detektorschaltung (22) einen Schwellenwert für die von der Meßelektrode (19) gelieferten Strom in Abhängigkeit von dem Referenzstrom festlegt.

3. Strömungswächter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf von dem Rückschlagventil (11) ein Absperrventil (28) angeordnet ist und daß der Strom an der Meßelektrode (19) bei geöffnetem und gesperrtem Absperrventil (28) gemessen wird, wobei das Vorhandensein einer Strömung signalisiert wird, wenn der Strom bei geöffnetem Absperrventil größer ist als bei gesperrtem Absperrventil.

4. Strömungswächter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (11) und die Elektroden (16, 19, 25) in einem Schlauch-Anschlußstück enthalten sind.

5. Strömungswächter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (18) eine Wechselspannungsquelle ist.

6. Strömungswächter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (10) stromauf von dem Rückschlagventil (11) ein Partikelfilter vorgesehen ist.