DE4218899A1 - Stroemungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmeßvorrichtung zum Prüfen von medizinischen Infusionsgeräten.

Das britische Patent 22 00 445 beschreibt eine Strömungsmeßvor­ richtung, bei der eine Strömung in eine aufrecht stehende Röhre geführt wird und bei der eine Mehrzahl von optischen Sensoren vorgesehen sind. Dieser Stand der Technik wird hier mit in die Offenbarung eingeschlossen. Eine Recheneinheit empfängt Signale von diesen Sensoren und, wenn eine bestimmte Zeitdifferenz in­ nerhalb vorgegebener Grenzen liegt, wird eine Strömungsge­ schwindigkeit oder Strömungsrate (Menge pro Zeiteinheit) be­ rechnet. Liegt allerdings die Zeitdifferenz nicht innerhalb der Grenzen, dann wird eine andere Zeitdifferenz abgefragt, die von einem anderen Paar von Sensoren ermittelt wird und, falls diese zwischen bestimmten Zeitgrenzen liegt, wird daraus die Strö­ mungsgeschwindigkeit bzw. -rate abgeleitet. Diese Vorrichtung stellt zwar gegenüber dem Stand der Technik einen Fortschritt dar, jedoch gibt es Umstände, unter denen die von der bekannten Vorrichtung gelieferten Ergebnisse nicht optimal sind. Hat ein Infusionsgerät keine stabile, gleichförmige Strömung, wie z. B. ein kleiner Membran-Kassetten-Infusionsapparat, der eine Folge von kleinen Flüssigkeitsschüben von beispielsweise 0,03 ml lie­ fert, so kann die pulsierende Flüssigkeit den Flüssigkeitsspie­ gel an den Sensoren vorbeiführen und die berechnete Strömungs­ geschwindigkeit (bzw. -rate), welche von der ermittelten Zeit­ differenz und dem Volumen zwischen den Sensoren abhängt, kann ungenau werden. Auch ist das geringste, zwischen den ersten und zweiten Sensoren gemessene Volumen relativ gering, so daß sich eine kurze Zeitspanne vor der Berechnung der Strömungsgeschwin­ digkeit ergibt, jedoch geht dies auf Kosten der Meßgenauigkeit, welche proportional zum Volumen (Länge des Röhrchens) ansteigt. Darüberhinaus erfolgt die Messung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund einer Reihe von Volumen-Proben, wonach der Flüssig­ keitsspiegel unter die Sensoren gesenkt wird und der Vorgang sich wiederholt. Treten keine Proben-Volumen auf, so bleibt die Strömung unvermessen. Wenn nachfolgend von "Strömungsgeschwin­ digkeit" die Rede ist, umfaßt dies auch die "Strömungsrate".

Der vorliegenden Erfindung liegt das Ziel zugrunde, eine Strö­ mungsmeßvorrichtung zu schaffen, die mit einfachen Mitteln auch unter unterschiedlichen Meßbedingungen genaue Meßergebnisse liefert.

Die Strömungsmeßvorrichtung nach der Erfindung dient zum Über­ prüfen insbesondere von medizinischen Infusionsgeräten, wobei eine Strömung einer Flüssigkeit (z. B. einer wäßrigen Flüssig­ keit), welche gemessen werden soll, in ein vertikal stehendes Röhrchen oder in einen Behälter gerichtet wird, wobei eine Ein­ richtung vorgesehen ist zum Ermitteln der Höhe der Flüssigkeit und zwar im wesentlichen über die gesamte Länge des Röhrchens und im wesentlichen kontinuierlich, und wobei weiterhin eine Rechen- und Steuereinheit vorgesehen ist zum Feststellen und Setzen einer anfänglich ermittelten Flüssigkeitshöhe und zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeiten aufgrund der Geschwin­ digkeit des Anstiegs der Flüssigkeit.

Da die Ermittlung der Höhe der Flüssigkeit im wesentlichen kon­ tinuierlich ist, ist es möglich, mit hoher Genauigkeit eine mittlere Strömungsgeschwindigkeit und/oder (mit eventuell ge­ ringerer Genauigkeit) momentane Strömungsgeschwindigkeiten zu berechnen und anzuzeigen. Die Messung der gerade herrschenden Strömungsgeschwindigkeit setzt die Bedienungsperson mit Hilfe der Recheneinheit in die Lage, die sich wiederholenden Zyklen des Infusionsgerätes zu identifizieren und auf diese Weise ist es auch möglich, mit höherer Genauigkeit über längere Zeitspan­ nen die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Gerätes zu be­ rechnen.

Das Sensorsystem kann eine kontinuierliche Anordnung von photo­ empfindlichem Material, wie Photodioden, sein, die extern des Röhrchens und parallel zu dessen Mittelachse angeordnet sind und die durch das Röhrchen oder den Behälter mittels einer Lichtquelle beleuchtet werden, so daß das Ausgangssignal des Sensors proportional ist zur Höhe der Flüssigkeit in dem Röhr­ chen. Andererseits kann das Sensorsystem auch eine Reihe von optischen Sensoren aufweisen, die so nahe beieinander angeord­ net sind, daß der Meniskus im wesentlichen kontinuierlich ver­ folgt werden kann. Dies kann zum Beispiel erreicht werden durch eine lineare Anordnung von Festkörper-Lichtsensoren (CCD), wie sie beispielsweise in FAX-Geräten verwendet wird. Gemäß einer anderen Ausführung kann das Sensorsystem auch eine Kapazitäts­ meßeinrichtung sein, welche die Kapazität beispielsweise zwi­ schen einer äußeren, metallischen Beschichtung auf dem Röhrchen oder dem Behälter und einer Elektrode mißt, die im oder nahe dem Zentrum des Röhrchens angeordnet ist. In diesem Falle hängt die momentane Kapazität vom Spiegel (Meniskus) der Flüssigkeit im Röhrchen ab. Eine Kapazitätsmessung kann temperaturabhängig sein oder auf andere Weise Verschiebungen unterliegen. Jedoch sind geeignete automatische Eichverfahren und Drift-Korrekturen möglich mit einem Paar von optischen Sensoren, die nahe dem Boden und dem oberen Ende des Röhrchens angeordnet sind.

Die Recheneinrichtung kann so ausgelegt sein, daß sie den Start einer Flüssigkeitsbewegung an jedem Punkt entlang dem Röhrchen ermittelt und unter bestimmten Umständen können die Start- und Endpunkte benutzt werden, um einen Bolus nach einer Occlusion anzuzeigen.

Vorzugsweise mißt die Vorrichtung auch andere Meßparameter, insbesondere den Bolus (das ist die anfänglich auftretende Flüssigkeit nach Aufhebung einer Sperre im Strömungsweg des Infusionsgerätes) und die Strömung bei Betrieb des Gerätes gegen einen konstanten Gegendruck (negativ oder positiv).

Weiterhin ermöglicht die Ausnutzung der gesamten Länge des Rohres eine Reduzierung der Anzahl der Entleerungen des Rohres, wodurch das Flüssigkeitsvolumen reduziert werden kann, welches während der nicht für eine Messung benutzten Zeitspannen abge­ geben wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Meßeinrichtung ver­ wendet zwei Meßrohre, die abwechselnd eingesetzt werden, so daß im wesentlichen alle abgegebene Flüssigkeit gemessen wird. Dabei wird ein Rohr für die Messung verwendet, während das andere Rohr entleert wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch einen Vertikalschnitt einer Meßvorrich­ tung mit optischen Hilfsmitteln;

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Recheneinheit zur Verwendung mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Einzelheit eines schematischen Vertikalschnittes einer Meßvorrichtung, bei der eine Kapazitätsmessung erfolgt;

Fig. 4 ein Blockdiagramm einer Auswerteschaltung zur Ver­ wendung bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 3; und

Fig. 5 eine Einzelheit einer Anordnung mit zwei Röhrchen, die entweder zusammen mit einer optischen Meßeinrich­ tung oder einer Kapazitätsmeßeinrichtung gemäß den Fig. 1 bzw. 3 einsetzbar ist.

Gemäß Fig. 1 tritt eine zu messende Strömung in eine Strömungs­ meßvorrichtung über ein Mehrweg-Ventil 10 (oder eine Kombina­ tion von Ventilen mit entsprechendem Ergebnis) in das Gerät ein und wird in ein vertikales, transparentes Rohr 11 geführt. Das Rohr wird von der Seite durch eine Streifen-Lichtquelle 12 beleuchtet. Es ist auch möglich, das Licht einer Lampe mittels einer optischen Linsenanordnung so zu steuern, daß das Licht durch das Rohr gelenkt wird und zwar zur gegenüberliegenden Seite, wo eine Anordnung 14 aus dicht nebeneinander liegenden Sensoren positioniert ist, beispielsweise Festkörper-Lichtwand­ ler, wie CCDs. Es kann auch ein kontinuierlicher Streifen eines photoempfindlichen Materials, wie eine Photodiode, vorgesehen sein.

Die Ventilanordnung weißt mehrere Wege auf, derart, daß unter Steuerung durch eine Steuereinheit 17 die Strömung zum Beispiel unterbrochen werden kann oder ein Durchfluß zum Ablauf 15 durchgeschaltet werden kann, so daß das Rohr zum Ablauf ent­ leert werden kann. Der Ablauf kann mit dem oberen Ende des Roh­ res oder des Behälters verbunden werden, so daß eine geschlos­ sene Schleife gebildet wird, die unter Druck gesetzt werden kann. Das obere Ende des Rohres ist in Form einer sich verjün­ genden Düse 18 ausgebildet, die in ein Rohr 19 mit einer weiten Bohrung ragt. Die Düse reduziert die Größe der Flüssigkeits­ tropfen, welche das obere Ende des Rohres 11 verlassen und das Rohr 19 hat eine Bohrung mit zum Beispiel 8 mm Durchmesser, so daß die Tropfen dieses Rohr nicht überbrücken, jedoch an der Seite ablaufen können, so daß die Gefahr reduziert wird, daß eine Luft/Flüssigkeit-Mischung in das Rohr 11 eintritt. Das Rohr 19 führt abwärts zum Sumpf 20, in den auch der Ablauf 15 führt. Dieser Sumpf ist abgedichtet und kann mittels einer Pumpe 21 unter Druck gesetzt werden.

Fig. 2 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm der Steuer- und Aus­ werteeinheit 17. Diese empfängt Eingangssignale von dem Fest­ körper-Photosensor 14 und verwendet einen Pulsgenerator oder eine entsprechende Einrichtung 23 zum Umwandeln der Ausgangs­ signale der optischen Sensoranordnung (z. B. CCD) oder eines photoempfindlichen Streifens in ein elektrisches Signal, wel­ ches proportional ist zur Höhe der Flüssigkeit im Rohr oder Behälter. Eine zentrale Verarbeitungseinrichtung 24 empfängt Eingangssignale von einem Zeitgeber 25 und das Ausgangssignal der Wandlereinrichtung 23. Die zentrale Verarbeitungseinheit 24 verwendet Eichfaktoren, um Geräteparameter, insbesondere des Rohres, und andere Fehlerquellen zu berücksichtigen und um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das zur Anzeigeeinrichtung 26 über­ tragen wird. Die Rechenschaltungen in der zentralen Verarbei­ tungseinheit ermitteln, ob eine Änderung des Signals vorliegt und stellen fest, ob die Höhe der Flüssigkeit sich positiv ändert und nur dann, wenn sich die Höhe ändert, ist eine Mes­ sung der Bewegung und der Zeit, ggf. nach einer kurzen Verzö­ gerung, erlaubt und es wird eine Berechnung begonnen. Die zen­ trale Verarbeitungseinheit stellt auch Steuersignale für das Ventil 10 auf der Leitung 27 bereit und empfängt Positionssig­ nale des Ventils auf einer Leitung 28. Diese Positionssignale können auch dazu verwendet werden, einen Startpegel der Flüs­ sigkeit zu ermitteln und eine Meßoperation einzuleiten. Das Ventil wird üblicherweise betätigt, wenn die Flüssigkeit ent­ weder in das obere Ende des Rohres 11 eindringt, um dann den Inhalt des Rohres in den Abfluß abzulassen, oder wenn Flüssig­ keit am Boden in das Rohr eindringt, um den Beginn einer Strömung in das Rohr 11 einzuleiten. Darüberhinaus kann ein Schalter 29 betätigt werden, um das Ventil zu schließen, so daß die Strömung in das Rohr unterbrochen wird, wonach dann eine momentane Öffnung möglich ist, so daß ein Bolus auftritt und die Verarbeitungseinheit mißt dann nur die Änderung im Flüssig­ keitspegel. Der Schalter kann Teil einer Steuerkonsole 29a für die Bedienungsperson sein, wobei der Bedienungsperson ermög­ licht ist, die folgenden Informationen auf der Anzeigeeinrich­ tung abzufragen:

• 1) die mittlere Strömung
• 2) die momentane (inkrementale) Strömung
• 3) das Bolus-Volumen und
• 4) den Occlusionsdruck.

Alternativ oder gleichzeitig kann auch angefordert werden, die Ergebnisse an eine andere Anzeigeeinrichtung zu übertragen, wie beispielsweise einen Drucker, und es ist auch möglich, den Druck im Sumpf zu steuern. Die Anzeige der mittleren Strömung kann für eine vorgegebene Zeitspanne gesperrt werden und/oder für ein gewisses Strömungsvolumen, um sicherzustellen, daß eine geforderte Genauigkeit hinsichtlich der mittleren Strömungsge­ schwindigkeit bzw. -rate erzielt wird.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen Ausge­ staltung dahingehend, daß das Rohr (oder ein entsprechender Behälter) mit einer leitfähigen Schicht 31 ummantelt ist und eine zentrale Metallelektrode 32 aufweist sowie eine Kapazi­ tätsmeßeinrichtung 33. Zwei optische Sensoren 34 und 35 sind angeordnet, um die Position des Meniskus (Flüssigkeitsspiegels) nahe dem Boden des Rohres bzw. nahe dessen oberem Ende festzu­ stellen. Kleine Löcher sind in der äußeren leitfähigen Schicht 31 vorgesehen und die zentrale Elektrode wird geringfügig ex­ zentrisch (das Wort "zentral" ist somit nur angenähert zu ver­ stehen) angeordnet, so daß der optische Weg für die Sensoren nicht behindert ist. Die Ventilanordnung ist ähnlich der Fig. 1 mit entsprechenden Funktionen. Es sind Abwandlungen hinsicht­ lich der Kapazitätsmessung möglich, beispielsweise kann das Rohr einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei gegenüber­ liegende großflächige Seiten mit einer Metallbeschichtung ver­ sehen sind. Das dargestellte Ausführungsbeispiel wird jedoch bevorzugt.

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Steuer- und Auswerteeinheit, die bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 einge­ setzt wird. Der Flüssigkeitsspiegel wird mittels der Kapazi­ tätsmessung zwischen der äußeren Metallschicht und der inneren Elektrode bestimmt. Die Kapazitätsmessung kann unter Berück­ sichtigung von Randeffekten durch die nachfolgende Gleichung beschrieben werden:

C = Ll(Cg + Cw)/(Cg × Cw) + (Lt - Ll) (Cg + Ca)/(Cg × Ca)

wobei:
Cg = Kapazität/Einheitslänge des Glasrohres,
Ca = Kapazität/Einheitslänge des Luftraumes,
Cw = Kapazität/Einheitslänge von Wasser.

Die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit (wäßrig) hängt ab von der Temperatur und der Verunreinigung der wäßrigen Lösung (e.g. eines Salzes unbekannter Konzentration). Die Meßvorrich­ tung wird geeicht durch Messung des Inhaltes des Rohres 11 zwi­ schen zwei optischen Sensoren mittels der Kapazitätsmeßeinrich­ tung 33 und anschließendem Vergleich des Meßergebnisses mit der genau bekannten, vorab gemessenen Menge. Entsprechend werden Parameter in die Berechnung der Strömungsgeschwindigkeiten und des Bolus eingeführt. Das Flüssigkeitsvolumen, das zwischen diesen beiden Punkten eingeführt wird, wird während einer Eichung beim Hersteller festgelegt. Das Volumen steht in Be­ ziehung zur Kapazitätsänderung, um die Einheit für die verwen­ dete Flüssigkeit zu eichen und zwar vor jeder Verwendung des Gerätes. Jedesmal dann, wenn Flüssigkeit bei einer normalen Verwendung die Strecke zwischen den optischen Sensoren durch­ läuft, wird die Eichung der Kapazitätsänderung korrigiert, um die Genauigkeit des angezeigten Ergebnisses zu verbessern, be­ vor die Flüssigkeit den oberen Sensor beim nachfolgenden Meß­ zyklus erreicht. In Praxis wird die Kapazitätsänderung keine lineare Funktion der Länge der Flüssigkeitssäule sein und vor­ gegebene Eichtafeln werden der zentralen Verarbeitungseinheit zur Justierung zur Verfügung gestellt.

Oftmals ist es wünschenswert, eine Strömung auch dann aufrecht­ zuerhalten, wenn das Rohr entleert wird. Dies kann dadurch er­ reicht werden, daß gleichzeitig die Eingangsströmung zum Abfluß geführt wird, während das Rohr entleert wird. Während dieser Zeit ist aber keine Messung möglich und bisweilen ist es nütz­ lich, Strömungsgeschwindigkeiten über eine längere Zeitspanne zu beobachten. Dies kann erreicht werden durch die in Fig. 5 ge­ zeigte Anordnung, die zusammen mit den Einrichtungen gemäß den Fig. 1 und 2 oder 3 und 4 verwendbar ist. Bei diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind zwei Rohre 11a und 11b und zugehörige Ven­ tilanordnungen vorgesehen mit einem Hauptventil 10a zum Richten der Strömung in das eine oder das andere Rohr 11a bzw. 11b. Ventile 10b und 10c sind vorgesehen zum Steuern der Entleerung in den Sumpf.

In den Figuren sind die Ventile jeweils als Drehventile darge­ stellt, jedoch sind diesbezüglich Abwandlungen möglich.

Claims (9)

1. Strömungsmeßvorrichtung, insbesondere zum Prüfen von medi­ zinischen Infusionsgeräten, bei der eine Strömung einer zu mes­ senden Flüssigkeit in ein vertikales Rohr (11) oder einen Be­ hälter gerichtet wird, mit einem zugeordneten Sensor (12, 14) zum Ermitteln der Höhe des Flüssigkeitsspiegels im wesentlichen über die gesamte Länge des Rohres und im wesentlichen konti­ nuierlich, und mit einer Recheneinheit (17) zum Setzen einer anfänglich ermittelten Flüssigkeitshöhe und zum Berechnen der Strömungsgeschwindigkeiten und/oder Strömungsraten aufgrund der Geschwindigkeit des Anstiegs der Flüssigkeit.

2. Strömungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ein­ richtung (14) zum Ermitteln des Flüssigkeitsspiegels einen Streifen aus photoempfindlichem Material aufweist, der extern und parallel in bezug auf eine Mittelachse des Rohres ange­ ordnet ist und durch das Rohr mittels einer Lichtquelle (12) beleuchtet wird, so daß das Ausgangssignal dieses Sensors eine Funktion der Höhe der Flüssigkeit ist.

3. Strömungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Reihe aus dicht beieinander stehenden optischen Einzelsensoren ist.

4. Strömungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor Elektroden (31, 32) eines Kondensators aufweist, die derart an­ geordnet sind, daß die Flüssigkeit ein Dielektrikum bildet, und mit einer Einrichtung zum Messen der Kapazität des Kondensa­ tors.

5. Strömungsmeßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Recheneinheit (17) den Start einer Flüssigkeitsver­ schiebung an jedem Punkt entlang des Rohres ermittelt und so­ dann aufgrund der anschließenden Bewegung die Strömungsge­ schwindigkeit oder Strömungsrate berechnet.

6. Strömungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Recheneinheit so gesetzt werden kann, daß ein Bolus-Volumen ge­ messen wird.

7. Strömungsmeßvorrichtung gemäß einem der vorangehenden An­ sprüche, wobei die Recheneinheit die mittlere Strömungsge­ schwindigkeit, die momentane, inkrementale Strömungsgeschwin­ digkeit, das Bolus-Volumen und den Occlusionsdruck berechnen und anzeigen kann.

8. Strömungsmeßvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rohr Teil einer geschlossenen Schleife ist.

9. Strömungsmeßvorrichtung gemäß einem der vohergehenden An­ sprüche, wobei zwei Rohre (11a, 11b) vorgesehen sind sowie eine Ventileinrichtung (10a, 10b, 10c) zum Richten der Strömung in eines der Rohre, während das andere Rohr entleert wird, und um­ gekehrt.