DE19516789A1 - Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Vorratsbehälters - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Vorratsbehälters, insbesondere eines Blutreservoirs.

Derartige Vorrichtungen dienen dazu in dem Vorratsbehälter das Unterschreiten eines Mindestfüllstands zu erfassen und ein optisches oder akustisches Signal abzugeben, damit geeignete Gegenmaßnahmen veranlaßt werden können. Das Signal kann im Sinne eines Regelkreises auch direkt eine Gegenmaßnahme auslösen. Insbesondere bei einem Blut­ revervoir, das während eines chirurgischen Eingriffs die Versorgung des Patienten mit Blut sicherstellen soll, ist eine zuverlässige Überwachung und frühzeitige Alarmierung erforderlich.

Aus EP-A-0 361 023 ist ein Füllstandsmeßgerät für Blut­ reservoire bekannt, mit dem ein bestimmter Füllstand des Vorratsbehälters überwacht werden kann. In Höhe des zu überwachenden Niveaus ist außen an der Wand des Behälters als Sensor ein Bauteil angebracht, das füllstandsabhängig reagiert und das elektrisch in die Schaltung eines Oszillators so integriert ist, das in Abhängigkeit vom Über- oder Unterschreiten des Füllstandes der Oszillator schwingt bzw. nicht schwingt. Beim Durchschreiten des vorgegebenen Füllstandes wird die für das Schwingen des Oszillators maßgebliche Phasen- oder Amplitudenbedingung verändert. Die Änderung des Schwingzustandes des Oszillators wird ausgewertet und beim Unterschreiten des kritischen Füllstandes ein Anzeigesignal ausgelöst.

Obwohl die dieses bekannte Prinzip nutzenden Meßgeräte zuverlässig arbeiten, existiert ein insbesondere die Handhabung beeinträchtigendes Problem, wenn der Behälter ausgetauscht oder das Meßgerät an einem anderen Behälter eingesetzt werden soll. Denn die Funktion des bekannten Füllstandsmeßgeräts wird in starkem Maße von den elektrischen Eigenschaften der Behälterwand bzw. des Materials der Behälterwand beeinflußt. Das Füllstands­ meßgerät eignet sich nur für Behälter aus einem bestimmten Material oder aus einem elektrisch ähnlichen Material. Es muß daher stets darauf geachtet werden, daß entweder keine Behälter aus einem anderen Material zusammen mit dem Füllstandsmeßgerät verwendet werden oder daß das Füllstandsmeßgerät an das neue Material angepaßt wird. Der Einfluß des Materials macht sich in gewissem Umfang auch nachteilig bei der mit dem bekannten Meßgerät erreichbaren Auflösung bemerkbar.

Ferner kann praktisch nur ein Niveau, also nur ein bestimmter Füllstand überwacht werden, da die gegenseitige Beeinflussung zweier nahe nebeneinander an der Behälter­ wand angebrachter Sensoren verhindert, daß mehrere dicht benachbarte Niveaus mit Hilfe mehrerer Sensoren erfaßt werden. Aber nur durch die Erfassung von unmittelbar oberhalb bzw. unterhalb des kritischen Füllstandes liegenden Niveaus könnten sehr zweckdienliche Aussagen über die Annäherungsrichtung des tatsächlichen Füllstandes an das kritische Niveau gewonnen werden. Die gegenseitige Beeinflussung verhindert praktisch auch den Aufbau redundanter Systeme, bei denen das kritische Niveau mit Hilfe von zwei Sensoren überwacht wird.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Überwachung des Füllstandes eines Vorratsbehälters, insbesondere eines Blutreservoirs zu schaffen, die eine vom Material des Vorratsbehälters weit­ gehend unabhängige Erfassung ermöglicht, die eine höhere Auflösung erreicht, die den Aufbau redundanter Systeme erlaubt und die bei einfacher Handhabung flexibel einsetzbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung spielt das Material des Behälters keine ausschlaggebende Rolle mehr, solange kein elektrisch leitendes Material verwendet wird. Insbesondere wenn die Dielektrizitätskonstante des Behältermaterials sehr viel kleiner als die des Füll­ mediums ist, was auf Kunststoff- und Glas-Behälter stets zutrifft, ist der Einfluß auf die Mikrowellen vernachlässigbar und läßt keine Probleme entstehen. Das Behältermaterial kann verändert werden, ohne daß eine Anpassung des Sensor vorgenommen werden müßte.

Die Verwendung eines Mikrowellensensors führt zu einer hohen Auflösung, da die Strahlungskeule in den hier eine Rolle spielenden Abständen noch sehr eng ist und damit das kritische Niveau sehr genau festgelegt wird.

Eine gegenseitige Beeinflussung zweier Sensoren findet praktisch nicht statt, sofern die Sensoren nebeneinander angeordnet werden.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß Mikrowellensensoren allgemein bekannt sind und in vielen Bereichen eingesetzt werden, beispielsweise zur Erfassung von Fahrzeugen vor Ampeln oder des gesamten Verkehrsflusses einer Straße, zur Messung des Abstandes zwischen Fahrzeugen und zur Geschwindigkeitsmessung, aber auch bereits zur Messung von Füllständen in Großbehältern und zur Pegelmessung auf offenen Gewässern (Flüssen oder Stauseen). Bei den Füll­ standsmessungen handelt es sich bisher immer um Abstands­ meßungen; dabei bedient man sich verschiedener Verfahren, die alle zum Ziel haben, die sehr kurze Laufzeit der elektromagnetischen Wellen zwischen Antenne und Objekt in eine relative einfach meßbare Größe umzusetzen. Dadurch ist die Auflösung beschränkt; im ISM-Band bei 24 GHz kann beispielweise eine Linien­ auflösung von Δd = 0,6 m und durch zusätzliche Schwer­ punktberechnungen eine Genauigkeit von ca. 10 cm erreicht werden, wie in Elektronik 1/1995, Seiten 50 bis 53 beschrieben ist.

Bisher wurde nicht erkannt, daß Mikrowellensensoren auch unterhalb ihrer Auflösungsschwelle sinnvoll einsetzbar sind. Abweichend von den herkömmlichen Anwendungen derartiger Mikrowellensensoren wird erfindungsgemäß der Mikrowellensensor in unmittelbarer Nähe bzw. direkt an der Wand des Vorratsbehälters angeordnet. Die äußere Grenz­ schicht der zu detektierenden Flüssigkeit, die durch die Innenwand des Behälters festgelegt wird, liegt bei gefülltem Behälter in einem Abstand unterhalb der Auflösungsgrenze dem Sensor gegenüber und damit nach herkömmlichen Maßstäben zu nahe am Sensor. Bei geleertem Behälter liegt Luft im Abstrahlungs- oder Überwachungs­ bereich des Sensors.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen genauer beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 zeigt den Mikrowellensensor der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt die Anordnung des Mikrowellensensors in Bezug auf die Innenwand eines Vorratsbehälters.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Füllstandsüberwachung umfaßt eine Auswerteeinheit 1 und einen Sensor 2, der an einem Blutreservoir 3 angebracht und an die Auswerteeinheit 1 angeschlossen ist. Der Sensor 2 wird von der Auswerte­ einheit 1 mit der erforderlichen Betriebsenergie versorgt und liefert an die Auswerteeinheit 1 ein Sensorausgangs­ signal, das anzeigt, ob Füllstand 4 oberhalb oder unter­ halb des in der Figur gestrichelt dargestellten, kritischen Füllstands 5 liegt. Die Auswerteeinheit 1 wertet das zugeführte Sensorausgangssignal aus und gibt, wenn das Unterschreiten des kritischen Füllstandes 5 fest­ gestellt wird, ein optisches oder akustisches Signal oder ein Steuersignal ab, so daß geeignete Gegenmaßnahmen ein­ geleitet werden.

Der Sensor 2 besteht, wie in Fig. 2 genauer gezeigt ist, aus einem das Mikrowellensignal erzeugenden Element 6 (Sender), vorzugsweise eine Gunn-Diode 6a und ein speziell dimensionierter Hohlraumresonator 6b, und einem das reflektierte Mikrowellensignal empfangenden Element 7 (Empfänger), vorzugsweise eine ebenfalls in dem Hohlraum­ resonator angebrachte HF-Mischerdiode. Aus Gunn-Diode, Hohlraumresonator und HF-Mischerdiode kann ein kompakter und robust aufgebauter Sensor realisiert werden, dessen Einsatz sich besonders unproblematisch gestaltet, da der Sender 6 nur mit einer Gleichspannung, typischerweise 5V, versorgt werden muß und der Empfänger 7 direkt ein die Differenz zwischen gesendeten und empfangenen Mikrowellen widerspiegelndes Signal, typischerweise niederfrequent und im Bereich zwischen 0 und 500 mV, abgibt. Aus einer Austrittsöffnung 6c des Hohlraumresonators tritt das erzeugte Mikrowellensignal aus und wird abgestrahlt. In dieselbe Öffnung fällt das reflektierte Mikrowellensignal ein und erreicht den Empfänger 7. Die Austrittsöffnung 6c legt die horizontale Detektionsebene des Sensors, d. h. die den kritischen Füll­ stand bestimmende Ebene und ferner die Bezugsebene fest, die für die Anordnung des Sensor im Hinblick auf die Innenwand des Blutreservoirs als Referenz dient.

Wie Fig. 1 zeigt, ist der Sensor 2 mit der Austritts­ öffnung zum Behälterinnenraum gerichtet an dem Behälter 3 angeordnet, wodurch der gestrichelt angedeutete, kritische Füllstand 5 in Höhe der Austrittsöffnung fest­ gelegt wird. Dem Sensor 2 wird von der Auswerteeinheit 1 die für den Betrieb erforderliche Versorgungsspannung zugeführt, so daß der Sensor-Sender das Mikrowellensignal in das Innere des Behälters 3 abstrahlt; von dort wird das Mikrowellensignal in Abhängigkeit vom Füllstand 4 unter­ schiedlich zurückgeworfen. Der Auswerteeinheit 1 wird das Ausgangssignal des Sensor-Empfängers zugeführt, der das aus dem Inneren des Behälters 3 reflektierte Mikrowellen­ signal empfängt. Liegt der Füllstand 4 oberhalb des kritischen Füllstandes 5, wie in Fig. 1 gezeigt, wird aufgrund der Dämpfung der Mikrowellen durch das Füllmedium ein deutlich geringerer Anteil der Mikrowellen zum Sensor 2 reflektiert, als dies bei einem Füllstand unterhalb des kritischen Füllstands 5 der Fall ist. Das hat zur Folge, daß bei einem Füllstand oberhalb des kritischen Niveaus das Ausgangssignal kleiner ist als bei einem Füllstand unterhalb des kritischen Niveaus. In Versuchen mit kommerziell verfügbaren Mikrowellensensoren, die allesamt für einen herkömmlichen Einsatz vorgesehen waren und die für den erfindungsgemäßen Einsatz nicht weiter optimiert wurden, konnten bei überschrittenem und unterschrittenem kritischen Füllstand niederfrequente Ausgangssignale gemessen werden, die um ca. 500 mV auseinanderlagen.

Dieser Unterschied ist ohne weiteres ausreichend, um mit einer vergleichsweise einfachen Schaltung in der Auswerte­ einheit 1 zuverlässig eine Überwachung durchzuführen.

Die Anbringung des Sensors 2 an der Außenwand des Vorrats­ behälters 3 kann auf verschiedene Weise erfolgen. Der Sensor kann direkt mit seiner Austrittsöffnungsfläche auf die Behälteraußenwand aufgeklebt werden. Alternativ kann eine Halterung an der Behälteraußenwand befestigt oder integral damit ausgestaltet werden, in die der Sensor eingeschoben, vorzugsweise eingerastet wird. Die Halterung kann so gestaltet sein, daß die Lage der Austritts­ öffnungsebene des Sensors in Bezug auf die Innenwand des Blutreservoires verändert werden kann. Die Halterung kann zwei parallel zueinander verlaufende Schienen umfassen, zwischen denen der Sensor so gehalten wird, daß eine Verschiebung des Sensors entlang der Behälteraußenwand und damit eine Verschiebung des kritischen Füllstandes leicht möglich ist. Selbstverständlich muß dabei sicher­ gestellt werden, daß der Sensor sich nicht ungewollt verschiebt.

Besonderes Augenmerk verdient die Beabstandung des Sensors 2 von der Innenwand 3a des Blutreservoirs. Wie genauer in Fig. 3 gezeigt, ist der Sensor 2 an dem Behälter 3 vorzugsweise so angebracht, daß die Austrittsöffnungsebene 2a des Sensors in einem Abstand von nλ/2 zur Innenwand 3a des Blutreservoirs angeordnet ist, wobei λ die Wellenlänge der abgestrahlten Mikrowellen und n eine natürliche Zahl, vorzugsweise kleiner 5 ist. Durch diese Anordnung wird ein besonders deutliches Ausgangssignal am Ausgang des Sensor- Empfängers erzielt. Aber auch wenn die Anordnung nicht wie beschrieben erfolgt, wenn also der Sensor nicht in einem nλ/2-Abstand angeordnet wird, kann das Ausgangssignal des Sensor zur Füllstandsüberwachung genutzt werden, sofern ein etwas gesteigerter Aufwand bei der Gestaltung der das Sensorsignal verarbeitenden Schaltung in der Auswerte­ einheit in Kauf genommen wird.

Da zwei unmittelbar nebeneinander liegende und in den Behälterinnenraum abstrahlende Mikrowellensensoren sich gegenseitig praktisch nicht störend beeinflussen, kann erfindungsgemäß eine redundante Vorrichtung realisiert werden. Dazu werden zwei Sensoren benachbart so angeordnet, daß die Detektionsebenen übereinstimmen, d. h. daß ihre Austrittsöffnungen auf gleicher Höhe liegen. Zusätzlich kann oberhalb der beiden Sensoren oder eines einzelnen Sensors ein weiterer Sensor vorgesehen werden, wodurch ein sinkender Füllstand, der sich dem kritischen Füllstand annähert, erfaßt werden kann. Die Auswerteeinheit kann in diesem Fall so ausgestaltet sein, daß beim Durchschreiten der Detektionsebene des oberen Sensors bereits ein erstes Signal und beim Durchschreiten der Detektionsebene des zweiten Sensors, also beim Unter­ schreiten des kritischen Füllstandes ein zweites Signal abgegeben wird. Vorzugsweise sind die zwei oder drei gemeinsam angeordneten Sensor zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt und an eine Auswerteeinheit, in der die für die Auswertung erforderlichen Schaltungen aber getrennt realisiert sind, angeschlossen.

Der Mikrowellensensor kann auch zur Längsachse des Behälters geneigt angeordnet sein, so daß die Mikrowellen schräg nach oben abgestrahlt werden. Durch diese Anordnung ist es möglich, die obere, horizontale Oberfläche des Füllmediums ebenfalls zu erfassen. Ein sich an den kritischen Füllstand annähernder Füllstand ist auf diese Weise überwachbar, ohne daß ein zusätzlicher Sensor benötigt wird.

Um die Beeinflussung des Füllmediums durch die Mikrowellen klein zu halten, wird die Ausgangsleistung des Mikrowellensensors soweit wie möglich gesenkt. Aufgrund der neuartigen Anordnung des Sensors gemäß der Erfindung in unmittelbarer Nähe zur Innenwand des Behälter und damit zum Füllmedium kann mit sehr kleinen Ausgangsleistungen gearbeitet werden. Die von den gesendeten und den empfangenen Mikrowellen zurückzulegenden Strecken sind kurz und verlaufen im wesentlichen nur durch die Behälterwand bzw. das Füllmedium. Eine weitere Reduzierung der Mikrowellen kann durch eine gepulste Ansteuerung, beispielsweise mit einem 1 ms - Impuls jede Sekunde erzielt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Überwachung des Füllstandes eines Vorratsbehälters, insbesondere eines Blutreservoirs, mit

• - einem Sensor, der an der Außenwand des Behälters angebracht werden kann, und
• - einer Auswerteeinheit, an die der Sensor angeschlossen ist, der ein Sensorausgangssignal zugeführt wird und die zur Überwachung des Füllstandes das Sensorausgangssignal auswertet,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Sensor ein Mikrowellensensor (2) ist,
  • - der einen Sender (6) und einen Empfänger (7) umfaßt,
  • - der oberhalb einer Frequenz von 5 GHz, vorzugsweise in einem ISM-Band und vorzugsweise in einem Intervall von 24,000 bis 24,250 GHz oder von 61,000 bis 61,500 GHz arbeitet,
  • - der mit geringem Abstand zur Innenwand (3a) des Behälters (3) angeordnet ist und
  • - der durch die Behälterwand in das Innere des Behälters (3) abstrahlt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) mit einem Abstand von nλ/2 zwischen einer Bezugsebene (2a) des Sensors und der Innenwand (3a) des Behälters (3) angeordnet ist, wobei λ die Wellenlänge der abgestrahlten Mikrowellen und n eine natürliche Zahl, vorzugsweise kleiner 5 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) aus einer Gunn-Diode (6a) und einem darauf abgestimmten Hohlraumresonator (6b) als Sender (6) und einer HF-Miscerdiode als Empfänger (7) aufgebaut ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Austrittsöffnung (6c) des Mikrowellensensors (2) in einem Abstand von nλ/2 von der Innenwand (3a) des Behälters (3) angeordnet ist, wobei λ die Wellenlänge der abgestrahlten Mikrowellen und n eine natürliche Zahl, vorzugsweise kleiner 5 ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) direkt an der Außenwand des Behälters (3) anbringbar, insbesondere aufklebbar, ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) in einer Halterung angeordnet ist, die an der Außenwand des Behälters (3) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) direkt oder in der Halterung so verschiebbar ist, daß der Abstand der Bezugsebene (2a) bzw. der Ebene der Austrittsöffnung des Sensors (2) zur Innenwand (3a) des Behälters (3) veränderbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung zwei parallele
Führungselemente umfaßt, an denen entlang der gehaltene Mikrowellensensor verschiebbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrowellensensor (2) in Bezug auf eine Längsachse des Behälters (3) geneigt anbringbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Mikrowellensensoren (2) nebeneinander oder übereinander angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Mikrowellensensoren (2) vorgesehen sind, von denen zwei vertikal nebeneinander und einer oberhalb davon angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor (2) impulsweise angesteuert wird.