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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Überwachungssystem
in einer Dialysemaschine zum Überwachen
einer Dosierpumpe, die zum Pumpen eines Konzentrats bestimmt ist,
das in Wasser verdünnt
werden soll. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Überwachungssystem
für eine
Dosierpumpe zum Pumpen eines konzentrierten Fluids in einer sehr
niedrigen Strömungsgeschwindigkeit.
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Stand der
Technik
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EP-B1-278
100 beschreibt eine Dialysemaschine, in der die vorliegende Erfindung
verwendet werden kann. Die Dialysemaschine umfasst eine Zubereitungseinheit
für ein
Dialysefluid, in der die Zubereitung rechnerabhängig ausgehend von Konzentraten
in Puderform, die sich in getrennten Patronen bzw. Kartuschen befinden,
stattfindet.
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Normalerweise
umfasst eine Dialysemaschine zwei Teile, einen ersten, Blut bearbeitenden
Teil zum Zuführen
von Blut von einem Patienten durch einen extrakorporalen Fluidkreislauf,
der einen Dialysator umfasst, und einen zweiten, Dialysefluid bearbeitenden
Teil zum Zubereiten eines Dialysefluids und dessen Transport durch
den Dialysator und weiter zu einem Ablauf. Der Dialysator umfasst
eine semipermeable Membran, die den Dialysator in einen Blut enthaltenden
Teil und einen Dialysefluid enthaltenden Teil trennt. Durch die
Membran findet Transport von Molekülen, Ionen, Substanzen und
Wasser statt, um das Blut zu reinigen und so die Funktion der Nieren
zu ersetzen.
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Das
Dialysefluid hat normalerweise eine Zusammensetzung, die, mit bestimmten
Modifikationen, im Wesentlichen mit der des Blutplasmas des Patienten übereinstimmt.
Zusätzlich
zu Wasser umfasst ein Dialysefluid normalerweise die folgenden Substanzen
in ionischer Form: Natrium, Bikarbonat, Kalium, Magnesium, Kalzium,
Chlorid und Acetat. Der pH-Wert
des Fluids ist zwischen 7,1 und 7,4 eingestellt. Zusätzlich kann
das Fluid Glukose und weitere andere Substanzen enthalten.
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Zwei
Ionen sind in großen
Mengen in dem Dialysefluid vorhanden, nämlich Natrium und Bikarbonat.
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EP-B1-278
100 beschreibt die Zubereitung eines Dialysefluids, bei der diese
zwei Ionen prozessgekoppelt von Puderpatronen erhalten werden, die Natriumbikarbonat
bzw. Natriumchlorid in Form eines trockenen Puders oder Granulums
enthalten. Wasser wird durch die Patronen geführt und ein im Wesentlichen
mit Natriumbikarbonat bzw. Natriumchlorid gesättigtes Fluid verlässt die
Patronen. Zwei Dosierpumpen gewährleisten,
dass die zutreffende Menge von konzentriertem Fluid in eine Hauptleitung
eingespeist wird, die reines Wasser enthält, das von einer Umkehrosmoseeinheit
erhalten wird.
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Das
Dialysefluid umfasst normalerweise etwa 35 mmol/l Bikarbonat und
etwa 140 mmol/l Natrium. Insgesamt werden etwa 120 Liter Dialysefluid während einer
Behandlung verbraucht, die 4 Stunden dauert und 3 Mal pro Woche
stattfindet.
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Darüber hinaus
enthält
das Dialysefluid Magnesium, Kalium, Kalzium, Essigsäure und
Glukose in geeigneten Mengen. In der Dialysemaschine nach EP-B1-278
100 werden diese anderen Bestandteile von einem Ionenbeutel erhalten.
Da diese Substanzen in dem zubereiteten Dialysefluid eine relativ
niedrige Konzentration haben, kann der Inhalt des Ionenbeutels sehr
konzentriert sein, im Verhältnis
von 1:200 bis 1:500, wobei das Volumen des Beutels klein ist, etwa
1/2 Liter.
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Die
Dosierung des Inhalts des Ionenbeutels wird durch die Verwendung
einer Dosierpumpe ausgeführt.
Die Dosierpumpe speist den Inhalt des Ionenbeutels mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von etwa 1 ml/min zu der Hauptleitung in der Dialysemaschine.
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Eine
Dialysemaschine umfasst außerdem ein
aufsichtführendes
System, das lebenswichtige Funktionen der Dialysemaschine beaufsichtigt
oder überwacht.
Eine Funktionsstörung
solcher lebenswichtiger Funktionen könnte dazu führen, dass der Patient keine
angemessene Behandlung erhält, krank
wird, verletzt wird oder sogar stirbt.
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Eine
Funktion, die überwacht
werden muss, ist die Dosierpumpe des Ionenbeutels. Eine zu hohe Dosierung
des Inhalts in dem Ionenbeutel könnte
zu Herzversagen führen,
während
eine zu niedrige Dosierung zu anderen Symptomen führen könnte.
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Es
ist nicht einfach, eine so niedrige Strömungsgeschwindigkeit wie die,
die von dem Ionenbeutel ausströmt,
in der Größenordnung
von 1 ml/min zu überwachen.
Eine große
Abweichung muss schnell genug angezeigt werden können, damit eine geeignete
Korrekturmaßnahme
jedenfalls innerhalb einer Minute, vorzugsweise innerhalb 10 Sekunden unternommen
werden kann. Die Genauigkeit muss hoch sein und zumindest innerhalb
der Spanne von +/–5%
liegen.
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Der
Inhalt des Ionenbeutels umfasst Salze, die eine hohe Ionenkonzentration
aufweisen. Mechanische Strömungsmessgeräte drohen
zu verstopfen, wenn sich Salzkristalle ablagern, wozu ein großes Risiko
besteht.
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Es
ist vorbekannt, solche geringen Strömungen zu messen, indem thermische
Strömungssensoren
verwendet werden, vgl. beispielsweise
DE
412 76 75 . Diese Sensoren werden jedoch in hohem Maße durch
eine Änderung
in der Außentemperatur
beeinflusst und falsche Alarme können
leicht ausgelöst werden.
Eine Dialysemaschine muss bei Temperaturen von etwa 20°C genauso
gut funktionieren wie bei Umgebungstemperaturen von 35°C, wie sie
in bestimmten Ländern
vorkommen können.
Zusätzlich kommt
es innerhalb einer Dialysemaschine zu großen Temperaturunterschieden
und Temperaturänderungen,
beispielsweise während
oder kurz nach einer Hitzesterilisation, was zu Problemen führen kann.
In bestimmten Fällen
muss wegen verschiedener Dichtegrade und Wärmekapazitäten, die von der Konzentration
der enthaltenen Substanzen abhängen,
ein thermischer Strömungsmesser
für verschiedene
Arten von Fluid kalibriert werden.
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US-A-4,137,168
beschreibt ein Gerät
für die Blutdialyse.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein System und ein Verfahren
zum Überwachen
einer Dosierpumpe für
niedrige Strömungsgeschwindigkeiten
in der Größenordnung
von 1 ml/min zur Verfügung
zu stellen, das genau und in der Lage ist, innerhalb einer vernünftigen
Zeit ein Alarmsignal auszulösen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Überwachungssystem
für eine
Dosierpumpe für
niedrige Strömungsgeschwindigkeiten
zur Verfügung
zu stellen, das robust ist und kaum beeinflusst von der Umgebung,
wie etwa den Umgebungstemperaturen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die oben genannten Ziele erreicht durch ein Verfahren
und ein System zum Überwachen
einer Dosierpumpe, insbesondere in einer Dialysemaschine, in dem
die Dosierpumpe einen Saughub zum Saugen eines Fluids von einer
Quelle des Fluids in die Dosierpumpe und einen Austragshub zum Austragen des
Fluids von der Dosierpumpe aufweist. Das System weist eine zweite
Pumpe auf, die zwischen der Quelle des Fluids und der Dosierpumpe
angeordnet ist, eine Nebenkammer, die zwischen der Dosierpumpe und
der zweiten Pumpe angeordnet ist, einen Pegeldetektor, der in der
Nebenkammer angeordnet ist, zum Ausgeben eines Signals, wenn der
Pegel des Fluids in der Nebenkammer unterhalb des Pegels des Pegeldetektors
ist, und eine Steueranordnung zum Aktivieren der zweiten Pumpe,
wenn der Pegeldetektor während
und/oder nach einem Saughub der Dosierpumpe ein Signal ausgibt,
zum Wiederauffüllen
der Nebenkammer auf einen vorbestimmten Pegel vor Einleitung des
nächsten Saughubs,
wobei die Beziehung zwischen der Strömung von der Nebenkammer zu
der Dosierpumpe während
ihres Saughubs und der Strömung
von der zweiten Pumpe zu der Nebenkammer während desselben Saughubs derart
ist, dass der Pegel in der Nebenkammer während des Saughubs niemals über den
Pegeldetektor hinaus reicht.
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Vorzugsweise
ist die Steueranordnung so angeordnet, die Nebenkammer mit einem
vorbestimmten Volumen über
den Pegel des Pegeldetektors zu füllen. Darüber hinaus gibt es eine Regelanordnung
zum Regeln der Dosierpumpe, um einen schnellen Saughub und einen
geregelten Austrags hub zu erhalten, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit
des Austragsfluids im Wesentlichen konstant ist.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst die zweite Pumpe eine Messanordnung zum Messen
des Volumens des durch die zweite Pumpe strömenden Fluids für jeden
Zyklus, wobei die Steueranordnung eine Zeitmessvorrichtung zum Messen der
Zeit zwischen aufeinander folgenden Zyklen und eine Berechnungsanordnung
zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids durch die Dosierpumpe umfasst, indem das Verhältnis zwischen der
Volumenmessung und der Zeitmessung bestimmt wird.
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Vorzugsweise
ist die zweite Pumpe eine Dosierpumpe mit einem bekannten Volumen
pro Umdrehung, pro Teilumdrehung oder dergleichen, und die Nebenkammer
besteht aus einer Kammer mit einem Einlass von der zweiten Pumpe,
wobei der Einlass unmittelbar benachbart der Seite der Kammer angeordnet
ist.
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Weitere
Probleme, Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen ersichtlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines Dialysefluidzubereitungsabschnitts
einer Dialysemaschine ausgestattet mit einem Überwachungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine detaillierte Ansicht von zwei Pumpen und einer dazwischen liegenden
Nebenkammer in dem Überwachungssystem
gemäß 1.
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3 und 4 sind
detaillierte Ansichten von alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
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5 ist
eine Seitenansicht in Perspektive und teilweise Schnittansicht einer
Nebenkammer gemäß der Erfindung.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ganz ausführlich beschrieben mit Bezug
zu einer bevorzugten Ausführungsform,
die zur Verwendung in einer Dialysemaschine, GAMBRO AK 200, vorgesehen
ist, die von GAMBRO AB, Schweden verkauft wird. Die der Erfindung
zugrunde liegenden Prinzipien können
in anderen Arten von Dialysemaschinen eingesetzt werden, mit Modifikationen,
die einem Fachmann offensichtlich sind.
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In 1 ist
ein Flussdiagramm für
die oben genannte Dialysemaschine gezeigt, in dem nur der Teil der
Ausstattung gezeigt ist, der für
die vorliegende Erfindung relevant ist, nämlich der Teil, in dem die Zubereitung
des Dialysefluids stattfindet.
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Die
Dialysemaschine ist mit einer Austrittsöffnung für reines Wasser verbunden,
das normalerweise in einer Dialyseklinik verfügbar ist. Das Wasser kommt
normalerweise von einer RO-Einheit (Umkehrosmoseeinheit, reverse
osmosis unit) und ist im Wesentlichen frei von Ionen oder anderen
Unreinheiten.
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Das
Wasser fließt
in eine Hauptleitung 1 in der Dialysemaschine gemäß 1 über eine
Einlassleitung 2. Die Einlassleitung 2 mündet in
ein Wasserreservoir 3, in dem das Wasser erhitzt wird auf eine
zur Verwendung richtige Temperatur, normalerweise etwa 37°C.
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Während einer
normalen Dialysebehandlung, die 4 Stunden dauert, werden etwa 120
Liter Wasser verwendet. Somit ist es notwendig, dass 1/2 Liter Dialysefluid
pro Minute zubereitet wird (500 ml/min). Andere Strömungsgeschwindigkeiten
von Dialysefluid können
verwendet werden, obwohl sie normalerweise im Bereich von 300–700 ml/min
liegen.
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Das
Wasser von dem Wasserreservoir 3 fließt entlang einer Leitung 4 und
erreicht einen ersten Dosierpunkt 5, wo der Hauptströmung ein
erstes Konzentrat zugefügt
wird, normalerweise ein A-Konzentrat. Zusätzlich ist ein zweiter Dosierpunkt 6 vorgesehen,
wo ein B-Konzentrat zugefügt
wird. Eine erste Dosierpumpe 11 ist mit dem ersten Dosierpunkt 5,
und eine zweite Dosierpumpe 12 mit dem zweiten Dosierpunkt 6 verbunden.
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Die
Dosierpumpen 11, 12 sind über Leitungen 19, 25 mit
Quellen für
Konzentrate verbunden. In der gezeigten Ausführungsform werden Patronen verwendet,
die Natriumchloridpuder 16 und Natriumbikarbonatpuder 22 enthalten.
Wasser strömt
durch die Puderbetten und bildet Konzentrate dieser Substanzen.
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Zusätzlich ist
ein kleiner Beutel 27, nachstehend Ionenbeutel genannt,
vorgesehen, der etwa 1/2 Liter Fluid mit den verbleibenden Bestandteilen
umfasst, die nicht über
die Puderpatronen zur Verfügung gestellt
werden. Der Ionenbeutel 27 ist in einem Halter 28 angeordnet.
Eine Leitung 29 führt
von dem Ionenbeutel zu einer dritten Konzentratpumpe oder Dosier pumpe 30.
Die Dosierpumpe 30 pumpt den Inhalt von dem Ionenbeutel über eine
Leitung 31, die in die Leitung 19 mündet.
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Die
Dosierpumpe 30 pumpt das Fluid in dem Ionenbeutel in einer
Geschwindigkeit, die von der Computerausstattung der Dialysemaschine
bestimmt wird. Normalerweise ist die Dosierpumpe 30 eine
so genannte Keramikpumpe von der Art einer Kolbenpumpe. Während eines
Saughubs findet das Saugen von Fluid in die Pumpenkammer der Pumpe
statt. Während
eines Austragshubs findet der Austrag des Fluids statt, wobei die
Dosierpumpe so betrieben wird, dass der Saughub so kurz wie möglich ist,
und der Austragshub so bemessen ist, dass die Austragsströmungsgeschwindigkeit
relativ konstant ist. Die Pumpe wird mittels eines Computers 36,
in den die oben genannten Funktionen programmiert sind, von einem
Schrittmotor betrieben.
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Das Überwachen
der Dosierpumpe 30 findet gemäß der vorliegenden Erfindung
durch eine identische oder ähnliche
zweite Pumpe 32 statt und eine dazwischen liegende Nebenkammer 33,
die sich in der Leitung 29 von dem Ionenbeutel zu der Dosierpumpe 30 befinden,
wie in 1 gezeigt wird.
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Das
Fluid von dem Ionenbeutel 27 strömt über die Leitung 29 zu
der zweiten Pumpe 32 und weiter zu der Nebenkammer 33 und
zu der Dosierpumpe 30. Wie aus 1 ersichtlich
ist, ist das obere Ende der Nebenkammer über eine Leitung 34 mit
der Atmosphäre über eine
Verbindung 18 zum Zwecke der Entlüftung verbunden. Auf diese
Weise werden irgendwelche Luftbläschen
in dem Fluid von dem Ionenbeutel vor der Dosierung abgetrennt, was
dazu führt,
dass die Dosierpumpe besser funktioniert.
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Die Überwachungsanordnung
funktioniert folgendermaßen.
Die Dosierpumpe 30 wird von einem Schrittmotor betrieben,
der von dem Computer 36 gesteuert wird. Der Computer 36 ist
programmiert, den Schrittmotor und die Dosierpumpe 30 während des
Austragshubs während
der ersten 180 Grad Umdrehung des Schrittmotors mit einer Geschwindigkeit zu
betreiben, die dazu führt,
dass die Strömungsgeschwindigkeit
nach der Dosierpumpe im Wesentlichen konstant ist, was bedeutet,
dass die Winkelgeschwindigkeit des Schrittmotors am Anfang und Ende
der halben Umdrehung hoch und in der Mitte der halben Umdrehung
niedrig ist.
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Dann
findet ein Saughub statt, bei dem der Dosierpumpe von der Nebenkammer
Flüssigkeit
zugeführt
wird. Dieser Saughub findet so schnell wie möglich statt, was bedeutet,
dass der Schrittmotor während
der zweiten halben Umdrehung mit hoher Geschwindigkeit betrieben
wird. Diese hohe Geschwindigkeit ist durch Bedingungen wie Gegendruck,
Viskosität
der Flüssigkeit
etc. begrenzt. Wenn die Geschwindigkeit zu hoch ist, besteht ein
Risiko, dass die Pumpenkammer der Dosierpumpe während eines Saughubs nicht
vollständig
gefüllt
wird. Wenn die Geschwindigkeit zu niedrig ist, wird die Unterbrechung
in der Strömung
von der Dosierpumpe zu lang.
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Die
Nebenkammer 33 ist mit einem Pegeldetektor 35 ausgestattet,
wie aus 2 klarer erkennbar ist. Während des
Saughubs zu der Dosierpumpe fällt
der Pegel in der Nebenkammer unter den Pegeldetektor 35 und
dieser gibt ein Signal aus. Das Signal aktiviert die zweite Pumpe 32,
die beginnt, Flüssigkeit von
dem Ionenbeutel 27 zu der Nebenkammer zu pumpen. Die Beziehung
zwischen der Strömung
von der Nebenkammer zu der Dosierpumpe während ihres Saughubs und der
Strömung
zu der Nebenkammer von der zweiten Pumpe ist derart, dass der Pegel in
der Nebenkammer niemals über
den Pegeldetektor hinaus reicht. Das bedeutet normalerwei se, dass die
Strömung
zu der Dosierpumpe immer größer ist als
die Strömung
von der zweiten Pumpe zu der Nebenkammer, wenn beide Pumpen gleichzeitig
betrieben werden.
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Wenn
der Saughub zu der Dosierpumpe beendet ist, d.h. wenn der Schrittmotor
sich von 180 Grad bis 360 Grad gedreht hat, geht die Strömung von
der Nebenkammer zu der Dosierpumpe auf Null. Da der Pegeldetektor 35 immer
noch ein Signal ausgibt, wird die zweite Pumpe weiter betrieben,
bis der Pegel in der Nebenkammer den Pegeldetektor erreicht. Danach
wird die zweite Pumpe 32 für eine weitere kurze Zeit betrieben,
bis ein vorbestimmtes Flüssigkeitsvolumen
zu der Nebenkammer gepumpt wurde. Der Pegel in der Nebenkammer steigt
somit um ein vorbestimmtes Volumen über den Pegeldetektor. Auf
diese Weise wird eine Hysterese in dem Signal des Pegeldetektors
erreicht.
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Durch
die Art und Weise dieser Anordnung der zweiten Pumpe und der Nebenkammer
kann die Strömung
durch die Dosierpumpe 30 überwacht werden. Die Strömung durch
die zweite Pumpe ist bekannt, da die zweite Pumpe auch eine Dosierpumpe ist,
z.B. von derselben Art wie die Dosierpumpe 30. Die Zeit
für jeden
Zyklus kann von dem elektrischen Signal von dem Pegeldetektor erhalten
werden. Die Strömung
ist somit das Verhältnis
zwischen dem Pumpvolumen und der Zyklusdauer.
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Die
Bedingungen, die überwacht
werden müssen,
sind unter anderem die folgenden:
- 1) dass die
Strömung
von der Dosierpumpe zu der Leitung 19 immer innerhalb bestimmter
Fehlertoleranzgrenzen, wie etwa +/–5%, liegt;
- 2) dass keine Undichtigkeit in den Leitungen vorhanden ist,
so dass die Dosierpumpe keine Luft pumpt;
- 3) dass während
des Saughubs zu der Dosierpumpe keine Kavitation stattfindet, was
zu einer Reduzierung der Verdrängung
der Dosierpumpe führen
würde,
oder dass die Dosierpumpe nicht an einer mechanischen oder elektrischen
Funktionsstörung
leidet;
- 4) dass ein individueller Fehler in dem Kreislauf von dem Ionenbeutel 27 zu
der Einlassleitung 31 detektiert wird, wie etwa wenn kein
Ionenbeutel angeschlossen ist, der Ionenbeutel leer ist, es eine
vollständige
oder teilweise Blockade gibt, ein kleines Loch oder eine Undichtigkeit
in dem Ionenbeutel, in der Verbindung oder in den Schläuchen ist;
- 5) dass ein Fehler beim Betrieb der zweiten Pumpe auftritt,
wie etwa dass sie in der falschen Geschwindigkeit arbeitet, die
Schritte verpasst oder in die falsche Richtung rotiert;
- 6) dass ein Fehler in der Nebenkammer auftritt, wie etwa eine
Blockade oder eine Undichtigkeit in der Nebenkammer oder in der
Entlüftungsleitung;
- 7) dass ein Fehler in dem Pegeldetektor auftritt, wie etwa ein
konstant hohes, niedriges, umgekehrtes oder ein schwankendes Signal.
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Durch
das Einsetzen einer Nebenkammer wird gewährleistet, dass ein Zustand,
in dem nur Luft durch die Dosierpumpe strömt, erkennbar ist und dazu
führt,
dass kein Signal vom Pegeldetektor erhalten wird.
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Durch
das Verwenden einer zweiten Pumpe, in der die Strömung zu
der Nebenkammer völlig
unabhängig
von der Betriebsweise der Dosierpumpe überwacht und gemessen werden
kann, kann überwacht
werden, dass sich die Dosierpumpe innerhalb der festgestellten Spanne
von +/–5%
oder in der gewünschten
Spanne befindet.
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Wenn
eine Funktionsstörung
auftritt, wie etwa dass eine Undichtigkeit in der Leitung zwischen der
Nebenkammer und der Dosierpumpe derart auftritt, dass die Dosierpumpe
Luft einzieht, wird diese Funktionsstörung innerhalb eines Hubs der
Dosierpumpe detektiert, da der Pegeldetektor kein Signal ausgibt.
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Wenn
eine plötzliche Änderung
in der Zuliefergeschwindigkeit der Dosierpumpe stattfindet, z.B. aufgrund
eines dramatisch erhöhten
Gegendrucks in der Leitung 31, wird eine Anzeige von der
zweiten Pumpe erhalten, die während
des nächsten
Hubs erheblich weniger Flüssigkeit
pumpt oder alternativ verändert
sich das Zeitsignal für
den Pegeldetektor.
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Die Überwachungsanordnung,
die die zweite Pumpe und den Pegeldetektor umfasst, wird entsprechend
einem bestimmten Algorithmus betrieben.
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Der
Algorithmus für
die Überwachungsanordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass er nicht nur das Volumen überwacht,
das von der zweiten Pumpe 32 gepumpt wird, sondern er dieses
Volumen auch zu einem geeigneten Zeitintervall in Beziehung setzt.
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Dadurch,
dass das Volumen, das von der zweiten Pumpe 32 gepumpt
wird, zu einer Zeitspanne der Dosierpumpe 30 in Beziehung
gesetzt wird, erhält
man eine stabile und korrekte Schätzung in Bezug auf den zu erwartenden
Wert der Strömung durch
die Dosierpumpe.
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Die
Dosierpumpe 30 hat ein festgelegtes Zeitintervall, typischerweise
+/–200
ms in einer Zeitspanne von etwa 11 Sekunden.
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Ein
Zyklus des komplexen Systems der Dosierpumpe 30, der zweiten
Pumpe 32 und der Nebenkammer 33 ist durch folgendes
gekennzeichnet:
Wenn die Dosierpumpe 30 ihre Saugperiode
einleitet, fällt
der Pegel in der Nebenkammer 33 schnell von einem gut bestimmten
Pegel über
dem Pegel des Pegeldetektors.
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Nach
einer kurzen aber festgelegten Zeitverzögerung nach dem Einleiten des
Saughubs durch die Dosierpumpe 30 übersteigt der Flüssigkeitspegel in
der Nebenkammer 33 den Pegeldetektor 35. Wenn dies
von dem Detektor festgestellt wird, beendet der Überwachungscomputer die Zeitfeststellung
des vorhergehenden Zyklus der Dosierpumpe 30 und beginnt
die nächste.
Da die Verzögerung
festgelegt ist und von einem Zyklus zum nächsten nicht in irgendeinem
größeren Ausmaß differiert,
wird die resultierende Zeitfeststellung ein stabiles Ergebnis zur Verfügung stellen.
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Der Überwachungscomputer
führt danach eine
Zeitverzögerung
ein, während
der er eine Strömungsgeschwindigkeitsschätzung berechnet,
die auf Schätzungen
des während
der vorhergehenden Zeitspanne gepumpten Volumens und der Zeitdauer
beruht. Danach beginnt der Überwachungscomputer wieder
mit dem Wiederauffüllen
der Nebenkammer 33. Diese Verzögerung beeinflusst die Funktionsfähigkeit
des Systems nicht, solange das Wiederauffüllen beendet ist, bevor der
nächste
Saughub eingeleitet wird.
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In
der Zwischenzeit hat die Dosierpumpe 30 ihren Saughub fortgesetzt.
Wenn die zweite Pumpe 32 zu pumpen beginnt, findet dies
mit einer Strömung statt,
die niedriger ist als die, die die Dosierpumpe 30 während ihrer
Saugperiode hat. Somit wird der Pegel in der Nebenkammer 33 eine
monoton abnehmende Zeitfunktion sein. Auf diese Weise gibt es keine
Möglichkeit,
dass der Pegel in der Nebenkammer während des Saughubs der Dosierpumpe
den Detektor 35 übersteigen
kann.
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Die
zweite Pumpe 32 füllt
weiter die Nebenkammer 33 auf, wenn die Dosierpumpe 30 vom Saughub
zum Austragshub wechselt, steigt der Pegel in der Kammer.
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Wenn
der Pegel den Pegel des Detektors übersteigt, gibt der Detektor
ein Signal aus und der Überwachungscomputer
reagiert dadurch, dass er berechnet, um wie viel länger das
weitere Auffüllen andauern
sollte. Sollte der Detektor eine Vielzahl von kurz hintereinander
folgenden Signalen ausgeben, wird der Überwachungscomputer 36 eine
neue Berechnung der fortgesetzten Auffüllzeit für jedes neue Signal ausführen. Somit
wird die Auffüllzeit
widerstandsfähig
gegen mögliche
Beeinträchtigungen
aufgrund einer Vielzahl von aufeinander folgenden Signalen des Pegeldetektors
sein. Wenn die zweite Pumpe 32 eine keramische Dosierpumpe
mit einem Schrittmotor ist, wird die Berechnung der fortgesetzten
Auffüllzeit
davon abhängen,
wo in der Umdrehung das Detektorsignal empfangen wird. Das fortgesetzte
Auffüllen
findet statt, um ein konstantes, vorbestimmtes Hysteresevolumen
oberhalb des Umstellungspegels des Sensors zu erzielen. Das Hysteresevolumen
vermindert das Risiko falscher Detektorsignale.
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Wenn
das Hysteresevolumen erreicht ist, stoppt der Überwachungscomputer 36 die
zweite Pumpe 32 und berechnet das gepumpte Volumen. Die Dosierpumpe 30 befindet
sich jetzt in ihrer relativ langen Austragsperiode, während der Überwachungscomputer
auf den nächsten
Saughub und das sich dabei ereignende Pegeldetektorsignal wartet.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Nebenkammer ist in 3 gezeigt. Die Nebenkammer besteht
aus zwei Teilen, einem ersten, niedrigeren Teil 40 mit
großem
Durchmesser und einem zweiten, oberen zylindrischen Teil 41 mit
engem Durchmesser, dessen oberes Ende über die Leitung 34 mit
dem Außendruck
verbunden ist. Der Pegeldetektor 35 ist an dem oberen zylindrischen
engen Teil gelegen. Wegen des oben genannten Hystereseeffektes ist der
Flüssigkeitspegel
in der Nebenkammer 40, 41 über dem Pegeldetektor 35 in
dem engen Teil, wie durch die Linie 42 in 3 angezeigt
wird.
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Während der
in 3 gezeigten Verweilposition wird kontinuierlich
Flüssigkeit
von der Dosierpumpe 30 zu der Leitung 31 ausgetragen,
während die
Strömung
zu der Dosierpumpe 30 gleich Null ist, d.h. der Schrittmotor
für die
Dosierpumpe bewegt sich zwischen 0 Grad und 180 Grad. Dies wird
durch den Pfeil 51 angezeigt.
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Wenn
der Schrittmotor sich über
180 Grad dreht, wird der Austrag gleich Null und stattdessen findet
ein Sog von Flüssigkeit
zu der Dosierpumpe statt, wie von dem Pfeil 52 angezeigt
wird. Dies führt dazu,
dass der Pegel 42 in der Nebenkammer 40, 41 abfällt, wie
von dem Pfeil 53 angezeigt wird. Wenn der Pegel 42 unter
den Pegeldetektor 35 abfällt, wird ein Signal ausgegeben,
das, wenn auch mit einer bestimmten Zeitverzögerung, die Pumpe 32 aktiviert, wie
von dem Pfeil 54 angezeigt wird. Wenn der Saughub zu der
Dosierpumpe abgeschlossen ist, d.h. der Schrittmotor sich über 360
Grad dreht, wird die Strömung
gemäß dem Pfeil 52 gleich
Null und der Pegel in der Nebenkammer 40, 41 erhöht sich,
bis er über den
Pegeldetektor 35 steigt. Schließlich findet ein Nachfüllen eines
vorbestimmten Hysteresevolumens statt, wie durch die schraffierten
Linien in 3 gekennzeichnet ist.
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Wie
oben erwähnt,
wird die zweite Pumpe 32 mit einer bestimmten Zeitverzögerung aktiviert.
Der Grund hierfür
ist, dass es notwendig ist, zu gewährleisten, dass die Dosierpumpe
tatsächlich
360 Grad überschreitet,
bevor der Pegel wieder über
den Pegeldetektor 35 reicht. Der sicherste Weg, dies zu
erreichen, ist, zu gewährleisten,
dass die zweite Pumpe 32 eine niedrigere oder im Wesentlichen
dieselbe Strömungsgeschwindigkeit
aufweist wie die Dosierpumpe, und kurze Zeit nachdem der Pegel unter
den Pegeldetektor gefallen ist, gestartet wird.
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Es
ist möglich
zuzulassen, dass die vorgenannte Zeitverzögerung so groß ist, dass
die zweite Pumpe 32 erstmals gestartet wird, nachdem sich
die Dosierpumpe über
360 Grad gedreht hat, d.h. der Saughub beendet ist und der Austragshub
wieder beginnt.
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Aus
Sicherheitsgründen
ist der niedrigere Teil 40 der Nebenkammer so dimensioniert,
dass er ein Volumen hat, das genauso groß oder größer ist als die Verdrängung der
Dosierpumpe 30.
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Durch
das Vorsehen eines Nachfüllvolumens über den
Pegel des Pegeldetektors werden verschiedene Vorteile erzielt.
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Es
ist möglich
zu verhindern, dass der Pegeldetektor das Wiederauffüllen beendet,
bevor der Pegel tatsächlich
den Pegeldetektor aufgrund von vorübergehenden Störungen erreicht,
wie etwa wenn der Pegeldetektor zeitweise ein Signal ausgibt, z.B.
weil die Einlassströmung
die Pegelmessung beeinflusst. Wenn solche beeinflussten Signale
vorkommen, wird das Signal, das zuletzt erhalten wurde, verwendet, um
das Hysteresevolumen zu berechnen.
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Zusätzlich ist
es möglich,
eine sehr genaue Bestimmung der Zyklusdauer zu erhalten. Wenn ein Saughub
für die
Dosierpumpe beginnt, d.h. wenn sich die Dosierpumpe über 180
Grad hinaus dreht, findet in der Nebenkammer ein schneller und deutlicher
Abfall des Pegels an dem Pegeldetektor vorbei statt. Die Strömungsgeschwindigkeit
ist in der Mitte des Saughubs am größten, d.h. bei etwa 270 Grad. Wenn
das Hysteresevolumen der Nebenkammer somit etwa die Hälfte der
Verdrängung
der Dosierpumpe beträgt,
wird ein Signal von dem Pegeldetektor erhalten, wenn die Fließgeschwindigkeit
am größten ist,
wodurch angedeutet wird, dass der Wechsel erkennbar ist. Darüber hinaus
ist die zweite Pumpe inaktiv, bis so ein Wechsel erreicht ist, d.h.
die zweite Pumpe stört
die Bestimmung der Zyklusdauer nicht.
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Da
die Zyklusdauer bestimmt wird durch die Zeit zwischen zwei aufeinander
folgenden Signalen, wenn der Pegel in der Nebenkammer unter den
Pegeldetektor fällt,
wird die Zeitbestimmung so genau wie möglich. Dies ist von großer Wichtigkeit
dafür, dass
das Überwachungssystem
zufrieden stellend arbeitet. Eine Ungenauigkeit bei der Zeitbestimmung spiegelt
sich im Nenner in der Strömungsbestimmung
wieder, was zu einer nichtlinearen Funktion führt, die nicht leicht zu berichtigen
ist.
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In
einem bevorzugten Prototyp der Erfindung wird eine Dosierpumpe von
keramischem Typ verwendet, die eine Verdrängung von 250 μl, einen
Austragshub, der etwa 11 Sekunden dauert und einen Saughub, der
ein paar Zehntel Sekunden dauert, aufweist. Eine zweite Pumpe von
derselben Bauart wird ebenfalls verwendet. Das Hysteresevolumen,
d.h. die schraffierte Fläche
in 3, hat ein Volumen von etwa 125 μl.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform der
Nebenkammer gemäß der Erfindung
ist in 4 gezeigt. Die Nebenkammer 60 hat eine
Einlassleitung 61 von der zweiten Pumpe 32 und
eine Auslassleitung 62 zu der Dosierpumpe 30.
Zumindest die Einlassleitung 61 ist tangential angeordnet.
Auf diese Weise fließt
das Fluid über
die Einlassleitung 61 über die
innere Oberfläche
der Nebenkammer 60 entlang der Oberfläche ein und nach unten, bis
das Fluid den Pegel der Nebenkammer erreicht. Durch die Art und Weise
dieser Anordnung der Einlassleitung wird gewährleistet, dass der Pegeldetektor 35 nur
reagiert, wenn der Pegel des Fluids in der Kammer über dem Pegeldetektor
ist, ohne dass er durch den Einlass von Fluid über die Einlassleitung beeinflusst
wird.
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Noch
eine andere alternative Ausführungsform
der Nebenkammer ist in 5 gezeigt. Die Nebenkammer besteht
aus einem Rohr 70, das der Kammer 60 in 4 entspricht,
wobei nur der obere Teil des Rohrs 70 in 5 gezeigt
ist. Ein Pegeldetektor 35 ist gezeigt in der Form eines
Senders 71 und eines Empfängers 72 für Infrarotstrahlung.
Ein Einsatz 73 befindet sich in dem Rohr 70. Eine
Dichtung (nicht in 5 gezeigt) befindet sich zwischen dem
oberen Ende des Rohrs 70 und dem Einsatz. Der Einsatz 73 umfasst
ein Entlüftungsrohr 74,
das der Leitung 34 in 1 entspricht,
und ein Zuführungsrohr 75,
das Flüssigkeit
von der zweiten Pumpe liefert. Das Zuführungsrohr 75 entlädt sich
unterhalb des Entlüftungsrohrs 74 und
direkt an die Wand des Rohrs 70, so dass das gelieferte
Fluid über
die Wand des Rohrs zu dem Flüssigkeitspegel
in dem Rohr 70 fließt
und dadurch den Pegeldetektor so wenig wie möglich beeinflusst. Es muss
klar sein, dass das Rohr 70 und der Einsatz 73 in
einem Stück
hergestellt werden können,
wobei das Zuführungsrohr 75 abgeschrägt sein
kann, so dass eine noch bessere Passform in die innere Wand des
Rohrs erreicht wird.
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Die
Entlüftungsleitung 74, 34 endet
in der Atmosphäre.
Alternativ ist es jedoch möglich,
zuzulassen, dass die Leitung 74, 34 zu irgendeinem
anderen Behälter
führt,
z.B. einem Druckausgleichsbehälter oder
einem erweiterbaren Behälter.
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Innerhalb
des Schutzumfangs der Erfindung ist es möglich, eine zweite Pumpe zu
verwenden, die eine von der Konzentratdosierpumpe verschiedene Bauart
hat, da es nur notwendig ist, dass die zweite Pumpe von der Art
einer Zählpumpe
ist, d.h. dass die Strömungsgeschwindigkeit
eine bestimmte Beziehung zu der Zahl der Umdrehungen oder Teilumdrehungen
des Antriebsmotors hat.
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Die
zweite Pumpe dient dazu, die Nebenkammer so zu füllen, dass sie niemals leer
ist, und das Volumen zu messen, das notwendig ist, um die Kammer
während
jedes Zyklus zu füllen.
Jede Pumpe oder Konstruktion, die diesen Zweck erfüllt, kann als
Alternative zu der zweiten Pumpe verwendet werden.
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Das Überwachen
der Dosierpumpe findet über
einen Überwachungscomputer
statt. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Überwachungscomputer 36 eingerichtet,
seine Information von der zweiten Pumpe zu erhalten. Die zweite
Pumpe ist mit einem Umdrehungsanzeiger ausgestattet, der anzeigt,
wenn die Pumpenachse in einer Anfangsposition ist, z.B. 0 Grad.
Wenn der Umdrehungsanzeiger innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne,
die in Bezug gesetzt ist zu dem Füllvolumen der Nebenkammer,
kein Signal ausgibt, wird ein Alarmsignal ausgegeben.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist die zweite Pumpe von der Art einer Dosierpumpe und wird von
einem Schrittmotor angetrieben. Der Überwachungscomputer 36 detektiert
die Position des Schrittmotors und bestimmt das Volumen, das der Nebenkammer
während
eines Zyklus zugeführt
wurde. Durch die Teilung des Eingabevolumens durch die Zyklusdauer
wird eine Schätzung
der Strömung für die Dosierpumpe
erzielt. Wenn diese Schätzung außerhalb
von vorherbestimmten Grenzen liegt, wird ein Alarmsignal ausgegeben.
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Eine
Funktionsstörung,
die in Betracht gezogen werden muss, ist, wenn die Steueranordnung teilweise
zu arbeiten aufhört.
Es ist z.B. denkbar, dass sie beim Wiederauffüllen der Nebenkammer nicht
funktioniert, während
sie fortfährt,
die letzte und akzeptierte Strömungsschätzung an
das Überwachungssystem
zu senden. In so einem Fall würde
die Dosierpumpe Luft pumpen, während
die Steueranordnung der zweiten Pumpe anzeigen würde, dass alles wie beabsichtigt
arbeitet.
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Eine
Art, in der so eine Funktionsstörung
entdeckt werden kann, ist die folgende: die zweite Pumpe hat einen
Umdrehungsermittler, der einen Impuls pro Umdrehung ausgibt. Diese
Impulse werden normalerweise von der Steueranordnung gespeichert und
eine Kopie des Berechnungswertes wird für jeden neuen Impuls zu dem Überwachungscomputer der
Dialysemaschine gesendet. In dem Überwachungscomputer wird die
Zeitspanne zwischen den Umdrehungsimpulsen verwendet, um eine grobe Strömungsschätzung zur
Verfügung
zu stellen. Wenn keine Impulse beim Überwachungscomputer ankommen,
wird er z.B. nach einer Minute die grobe Schätzung als Null bestimmen. Solange
die Strömungsschätzung, die
von der Steueranordnung gesendet wird, nahe genug, z.B. +20%, an
der groben Strömungsschätzung liegt,
wird der Überwachungscomputer die
zuerst erwähnte
Schätzung
verwenden. Anderenfalls wird die letztgenannte Schätzung verwendet.
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Die
Erfindung wurde oben in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben. Die verschiedenen Eigenschaften und Merkmale,
die beschrieben wurden, können
auf andere Arten kombiniert werden, als die, die in Bezug auf die
Ausführungsformen
beschrieben wurden. Solche Abweichungen, die für einen Fachmann offensichtlich
sind, sind beabsichtigt und sollen in den Schutzumfang der Erfindung
fallen. Die Erfindung ist nur durch die angefügten Ansprüche begrenzt.