專利名稱：用于檢測流過流徑的液體中的氣泡的傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于檢測流過流徑的液體中存在的氣相氣泡的傳感器。本發明還涉及用于與所述傳感器協作的控制單元。本發明還涉及包括所述傳感器和所述控制單元的系統。
背景技術：
在美國專利4555940中，公開了一種用于測量和監測流過流徑的液體的體積和流量的裝置。US-A 4555940中公開的裝置包括用于修改一部分液體流徑的溫度的模塊。在遞送了固定量的熱量并且液體流徑及其中的液體的溫度已經被充分修改后，溫度變化檢測器模塊被激活。所述檢測器模塊監測作為穿過液體流徑的溫度修改部分的液體流量的函數的溫度變化。根據US-A 4555940的裝置可以基于以下事實來檢測氣泡，S卩，假設傳遞到液體流徑的溫度修改部分的熱量保持基本不變，則液體流徑的溫度修改部分在氣泡經過時的溫度與在僅液體流過所述溫度修改部分時的溫度相比將增加。US-A 4555940中所公開的技術不能夠在可設想液體流速交替變化的情況下檢測氣相氣泡的存在。亦即，US-A 4555940中所公開的技術不能夠區別液體流徑或其中的液體的溫度變化的各種原因。換句話說，假設傳遞到液體流徑的溫度修改部分的熱量保持基本不變，則溫度變化可歸因于液體流量的變化以及氣泡的存在。因此，不能基于所記錄的溫度變化部署任何適當的動作。
發明內容
本發明的目標是提供一種能夠檢測在流過流徑的液體中存在的氣相氣泡的傳感器，這種檢測不管流過流徑的所述液體的速度如何變化都是穩健的。這一目標是通過根據本發明的傳感器來實現的，在權利要求1中限定該傳感器。 根據本發明的傳感器包括用于加熱液體的加熱元件，該加熱元件至少在檢測過程中具有預定功率水平，該傳感器還包括被布置為生成代表指示加熱元件的溫度的測量值的測量信號的換能器裝置，以及用于比較該測量信號的測量值和預定閾值水平的比較器裝置。在此，預定閾值水平對應于可由加熱元件響應于所述預定功率水平以及可由流徑中的液體獲得的最小速度而獲得的基準溫度。比較器裝置還被配置用于在測量信號的測量值超過預定閾值水平時生成輸出信號。通過使輸出信號基于由測量信號代表的測量值與預定閾值水平的比較，其中所述預定閾值水平對應于可由加熱元件響應于所述預定功率水平以及可由流徑中的液體獲得的最小速度而獲得的基準溫度，不管流過流徑的液體的速度的可假定的變化如何，對氣泡的檢測都是穩健的。亦即，在供應到所述加熱元件的功率被保持在預定水平的條件下，加熱元件的溫度隨著流過流徑的液體的速度降低而增加。雖然如此，加熱元件的溫度將不會超過可由加熱元件響應于所述預定功率水平和最小速度可獲得的基準溫度。通過選擇預定閾值以使其對應于所述基準溫度，并且通過采用流體的熱導率超過氣泡的熱導率的特性，加熱元件的溫度對預定閾值水平的可設想的超過僅可歸因于流過流徑的液體中存在氣相氣泡。由此，根據本發明的傳感器允許準確檢測流過流徑的液體中氣相氣泡的可能存在。因此，對于醫學應用，諸如靜脈內輸注、麻醉流控制和導尿管，有效地防止對患者供應有害量的例如氣泡。在本文中，液體的熱擴散率被定義為液體的熱導與所述液體的體積熱容的比率。對于氣泡的熱擴散率應用等價的定義。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述換能器裝置被布置為生成代表指示流過流徑的液體的速度的另外的測量值的另外的測量信號。這一實施例是有益的，特別是對于醫學介入，諸如靜脈內輸注、麻醉流控制和導尿管，因為它提供了關于例如藥物被供應的速率的信息或者關于供應到患者的藥物的積累量的信息。在根據本發明的傳感器的優選實施例中，所述輸出信號指示所述測量信號的測量值超過所述預定閾值的持續時間。這一實施例的優勢在于，它提供了在已經經過換能器裝置的流過流徑的液體中存在的氣相氣泡量的度量。亦即，通過監測指示液體流過流徑的速度的另外的測量值并結合測量信號的測量值超過預定閾值的持續時間，可以獲得已經經過換能器裝置的氣泡量的估計。例如，當被應用于靜脈內藥物供應系統時，可以在測量信號指示出臨界量的例如空氣已經被通過流徑輸送到患者之后部署專業動作，其中該空氣可設想地存在于將在靜脈內供應到患者的液體藥物中。通過建立例如空氣的所述臨界水平，可以防止對醫學專業人員的多余的通報。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，由所述另外的測量信號代表的所述另外的測量值基于第一空間溫度差與第二空間溫度差的比率。這一實施例的優勢在于可以顯著增加該另外的測量信號的準確度。亦即，通過使測量信號基于第一空間溫度差與第二空間溫度差的比率，不管供應到加熱元件的實際功率水平如何，測量信號都是穩健的。因此，不管至少在檢測氣相氣泡在液體中的可能存在的過程中供應到加熱元件的預定功率水平如何，都可以保持該另外的測量信號的準確度。在此，空間溫度差意味著在沿著流徑的不同位置處測量的溫度之間的數值差。第一空間溫度差和第二空間溫度差都至少針對一范圍的液體流速與由加熱元件以仿射方式耗散的功率相關。仿射關系實際上是假設線性表達式的常數項等于零的線性關系。因此，通過獲取第一空間溫度差與第二空間溫度差的比率，可以獲得獨立于由加熱元件耗散的功率的關系。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述傳感器包括傳感器接收器，所述傳感器接收器被布置為接收電磁輻射并且在接收所述電磁輻射之后為所述加熱元件提供功率。這一實施例的優勢在于加熱元件可以被無線地提供功率，即可以以無線方式提供電磁輻射。后一特征使得由于省卻了煩人的布線而能夠容易地操縱傳感器。在此，可以通過包含在電磁輻射本身的能量來為加熱元件提供功率。作為替代，可以采用電磁輻射來使能包括在傳感器中的能量存儲器，諸如小型化電池，該小型化電池進而為加熱元件提供功率。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述傳感器包括傳感器發射器，所述傳感器發射器用于發射由所述比較器裝置生成的所述輸出信號和/或由所述換能器裝置生成的所述另外的測量信號。這一實施例的優勢在于，傳感器在物理上與驅動傳感器并響應于輸出信號和/或另外的測量信號的任何電路斷開。因此，這一實施例允許進行可靠的操縱和可靠的應用，因為通過提供輸出信號和/或另外的測量信號的無線傳輸而在相當程度上限制了固有地存在于例如醫學應用中的電接觸污染風險。后一性質保證了在定期更換通道的應用中的經濟上吸引人的使用。亦即，由于不存在煩人的布線，該傳感器可容易地與控制單元斷開。在斷開后，控制單元可以被再使用，而傳感器可被隨意處置。特別是在定期更換通道的應用中，諸如靜脈內輸注、麻醉流控制、導尿管、呼吸控制以及腸內和腸外營養流測量，后一性質是非常有益的。由于傳感器的可隨意處置性，再次對傳感器進行消毒的極高勞動密集型過程被有效地避開。顯然，傳感器并不必然被隨意處置，即其很明顯確實允許更長時間的使用。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述傳感器接收器是天線，該天線包括所述加熱元件。這一實施例的優勢在于，不需要在傳感器接收器(即天線)與加熱元件之間安裝整流器和控制電壓的附屬電路。因此這一實施例有利地減少了安裝在傳感器中的部件的數量，這顯然降低了傳感器的制造成本。除此之外，這一實施例有利地使得傳感器能夠小型化。亦即，當前可用的小型化整流器和小型化附屬電路將不能夠處理為包括在該傳感器中的加熱元件提供功率所通常需要的功率水平。此外，這一實施例在以下意義上是有利的，即它防止在除加熱元件之外的其他位置處弓丨入加熱。亦即，前面提到的整流器將由于其電阻而被加熱。這一有利的性質不僅增加了傳感器的準確度，而且增加了傳感器的效率。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述傳感器位于所述流徑的壁中或該壁處。這一實施例的優勢在于，輸出信號和/或由換能器裝置生成的另外的測量信號的準確度被增加。亦即，通過將傳感器嵌入流徑的壁中，傳感器可以相對地非常靠近流過流徑的液體安裝。因此，液體與傳感器之間的熱阻被最小化，該減小的熱阻對于減少液體溫度變化可被傳感器檢測到的時間長度是有益的。這一實施例的進一步優勢在于，傳感器不與液體物理接觸。后一性質對于諸如靜脈內輸注或導尿管流量控制的醫學應用來說是至關重要的。亦即，在這些應用中非常重要的是防止以下緊急狀況，即傳感器或其部分被釋放并且隨后被液流帶向人體或動物體。在根據本發明的傳感器的另一優選實施例中，所述傳感器被布置為與所述流徑基本同軸。在本文中，同軸應該解釋為主體或表面被布置成在軸向上共享公共軸線。因此，圓形以及非圓形的主體和表面允許進行同軸布置。這一實施例的優勢在于，輸出信號和/或由換能器裝置生成的另外的測量信號的準確度被增加。本發明的另一目標是提供一種與根據本發明的傳感器協作的控制單元。這一目標是通過根據本發明的控制單元實現的，該控制單元的特征在于向傳感器接收器發射電磁輻射的控制發射器。通過包括該控制發射器，該控制單元能夠供應電磁輻射以便為加熱元件提供功率。由此，傳感器和控制單元之間的協作可以在沒有物理連接的情況下實現。在根據本發明的控制單元的優選實施例中，所述控制單元包括用于將所述控制單元可分離地連接到所述流徑的設備。這一實施例的優勢在于，控制單元和傳感器能夠有效地協作，同時確保傳感器本身以及傳感器被優選嵌入其中的流徑的可隨意處置性。亦即，通過將控制單元可分離地連接到流徑，傳感器和控制單元可彼此非常靠近地安裝以增強電磁輻射到傳感器接收器的傳輸，而不阻礙傳感器或傳感器的成分以及傳感器被優選嵌入其中的流徑的可隨意處置性。亦即，通過可分離地連接通道和控制單元，該通道可被容易地隨意處置，而控制單元能夠被再使用。這一性質對于定期更換(通常一天一次)包括傳感器的流徑的醫學應用來說是特別有益的。此外，由于優選借助控制發射器通過電磁輻射為加熱
5元件無線供應功率，相對于控制單元斷開包括傳感器的流徑是非常方便的。在根據本發明的控制單元的優選實施例中，所述控制單元包括用于響應于由所述比較器裝置生成的所述輸出信號而生成報警信號的報警致動器。這一實施例的優勢在于， 在傳感器檢測到液體中存在氣相氣泡的情況下能夠采取適當的動作。由報警致動器生成的報警信號可以是醫學專業人員可聽見的或可看到的，或者可以體現為可聽和可見現象的組
在根據本發明的控制單元的優選實施例中，所述控制單元包括用于響應于由所述比較器裝置生成的所述輸出信號而中斷液體流過所述流徑的中斷致動器。這一實施例的優勢在于，例如藥物的靜脈內供應被自動中斷，即在沒有醫學專業人員監督的情況下可中斷液體流。后一特征極大地增強了以例如靜脈內方式向患者供應藥物的安全性。亦即，如果傳感器觀測到流過流徑的液體中存在臨界量的例如空氣，則需要立即關斷到患者的液體供應。 在根據本發明的控制單元的優選實施例中，所述控制單元包括用于控制流過所述流徑的液體的流速的控制致動器。這一實施例的優勢在于，液體流過流徑的速度獨立于外部環境，例如重力。后一性質有效地增加了例如靜脈內供應系統的易于使用性；通過采用根據本發明的控制單元的這一實施例，可以極大地獨立于醫學專業人員的連續監督來使用所述系統。優選地，可以由與流過流徑的液體的預定義流速與由傳感器中包括的換能器裝置生成的另外的測量信號之間的偏差有關的信號來控制所述控制致動器。后一特征的優勢在于，不需要例如醫生或護理人員的介入來調節控制致動器的設定以便使液體流速與預定義藥物方案相適應。本發明的又一目標是提供一種包括根據本發明的傳感器和根據本發明的控制單元的系統。
圖1示意性顯示根據本發明的傳感器的第一實施例，其中該傳感器包括由兩個熱電堆構建成的換能器裝置；圖2示意性描述根據本發明的傳感器的第二實施例，其中該傳感器位于通道的壁內；圖3示意性提供可由根據本發明的傳感器的第一實施例中包括的換能器裝置測量的量值的解釋；圖4示意性示出根據本發明的傳感器的第三實施例的截面視圖，其中該傳感器與通道同軸對準；圖5示意性示出根據本發明的系統的實施例，其中根據本發明的控制單元被布置成與根據本發明的傳感器協作。
具體實施例方式圖1顯示包括芯片104的傳感器102，該芯片104具有由例如本身已知的聚酰亞胺材料制成的襯底。后一材料的益處在于它們相對低的RF功率損耗。在此RF指的是射頻， 其意指從大約IMHz至高達大約IOGHz的頻率。傳感器102還包括用于接收電磁輻射的天線110。電磁輻射中包含的能量被用于為加熱元件106提供功率，該加熱元件106被布置為加熱液體，該液體沿著加熱元件106流動。提供給加熱元件106的功率水平至少在檢測液體中可能存在的氣相氣泡的過程中具有預定水平。通過向天線110局部提供相對大的電阻，加熱元件106與天線110集成在一起。所述相對大的電阻是通過局部提供具有更高電阻的材料而實現的，或者可替代地通過局部提供更小橫截面積而實現。因此，功率將沿著相對大的電阻耗散，該耗散將導致發熱。芯片104包括換能器裝置108，該換能器裝置108包括第一熱電堆112和第二熱電堆114。在本文中，熱電堆指的是多個熱電偶的串聯。熱電堆產生與局部溫度梯度或溫度差相關的輸出，而不是測量絕對溫度。第一熱電堆112記錄線A與線B處的溫度之間的差值。 因此，第一熱電堆112測量加熱元件106的溫度與加熱元件106上游的遠端基準位置處的溫度之間的差值，后一溫度還被稱為基準溫度。基于第一熱電堆112的輸出，換能器裝置108生成代表測量值的測量信號114，該測量值114指示加熱元件106的溫度。比較器裝置116被布置用于比較測量信號114的測量值和預定義閾值水平，并且用于監測由測量信號114代表的測量值超過預定閾值水平的持續時間。所述預定閾值水平對應于可由加熱元件106響應于預定功率水平以及可由流過流徑的液體獲得的最小速度而獲得的基準溫度。在此，液體沿著垂直于線A的方向從線A流到線D。建立的從線A指向線B。可以根據實驗為手邊的液體建立該預定閾值水平，且其數值可以被存儲在包括于傳感器102中的存儲器118中。比較器裝置116生成輸出信號120。 輸出信號120指示測量信號114超過預定閾值水平的時間的長度。由此，輸出信號120指示已經穿過加熱元件106的氣相氣泡的量。第二熱電堆122測量線C與線D處的溫度之間的差值。因此，第二熱電堆122測量經過加熱元件106后的液體溫度與經過加熱元件106前的液體溫度之間的差值。基于第一熱電堆112生成的輸出與第二熱電堆122生成的輸出的比率，換能器裝置108生成另外的測量信號124，該另外的測量信號IM指示液體的速度。傳感器102還包括用于發射輸出信號120和另外的測量信號IM的傳感器發射器 126。圖2中公開了采用傳感器102與流徑協作，該圖與根據本發明的傳感器的第二實施例相關。圖2顯示根據本發明的傳感器的實施例，其中傳感器202位于通道206的壁或壁部分204處以便測量流過通道206的液體208的速度v[m/s]。在此，液體208是醫學應用中常見的液體，諸如水溶性藥物或液相營養物。加熱元件210被布置用于加熱液體208。包括在傳感器中的功率源(未示出)，例如小型化電池，向加熱元件210提供預定功率水平。 第一熱電堆212被布置用于測量加熱元件210的溫度Twft [K]和在與加熱元件210相距χ 1的遠端下游位置處記錄的基準溫度Taa [K]之間的差值，還參見圖4。基于第一熱電堆 212的輸出，即Twft-Taa，包括在傳感器中的換能器裝置(未示出)生成指示加熱元件210 的溫度的測量信號。包括在傳感器中的比較器裝置(未示出)被布置用于比較測量信號和預定閾值水平，并用于監測測量信號114超過預定閾值水平的持續時間。所述預定閾值水平對應于可由加熱元件210響應于預定功率水平獲得的基準溫度，并且對應于可由通道 206中的液體獲得的最小速度。比較器裝置生成指示測量信號對預定閾值水平的可設想的超過的輸出信號。由此，輸出信號120指示氣相氣泡在液體208中的可能存在。
此外，第一熱電堆212的輸出根據以下關系式與供應到加熱元件210的功率P[W] 和液體208在通道206中的流速ν相關
權利要求
1.一種用于檢測在流過流徑(204，406，508)的液體(208，408，527)中存在的氣相氣泡的傳感器(102，202，402，502)，所述傳感器包括-用于加熱所述液體的加熱元件(106，210)，所述加熱元件至少在檢測過程中具有預定功率水平，-換能器裝置(108，112，212)，其被布置為生成代表指示所述加熱元件的溫度的測量值的測量信號(114)，以及-比較器裝置(116)，其用于比較所述測量信號的所述測量值和預定閾值水平，其中， 所述預定閾值水平對應于可由所述加熱元件響應于所述預定功率水平以及可由所述流徑中的所述液體獲得的最小速度而獲得的基準溫度，并且所述比較器裝置還用于在所述測量信號的所述測量值超過所述預定閾值水平時生成輸出信號(118)。
2.如權利要求1所述的傳感器，其中，所述換能器裝置(108，122，214)被布置為生成代表指示流過所述流徑的所述液體的速度的另外的測量值的另外的測量信號(124)。
3.如權利要求2所述的傳感器，其中，所述輸出信號指示所述測量信號的所述測量值超過所述預定閾值的持續時間。
4.如權利要求1所述的傳感器，其中，所述另外的測量信號的所述另外的測量值基于第一空間溫度差與第二空間溫度差的比率。
5.如權利要求1所述的傳感器，其包括傳感器接收器(110)，所述傳感器接收器被布置為接收電磁輻射并且在接收所述電磁輻射之后為所述加熱元件提供功率。
6.如權利要求1所述的傳感器，其包括傳感器發射器(1 )，所述傳感器發射器用于發射由所述比較器裝置生成的所述輸出信號和/或由所述換能器裝置生成的所述另外的測量信號。
7.如權利要求5所述的傳感器，其中，所述傳感器接收器是天線(110)，其中，所述天線包括所述加熱元件。
8.如權利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器位于所述流徑004，406，50 的壁部分004)中或該壁部分(404)處。
9.如權利要求1所述的傳感器，其中，所述傳感器被布置為與所述流徑基本同軸。
10.一種控制單元(502)，其用于與根據權利要求5所述的傳感器(504)協作，其中，所述控制單元包括用于向所述傳感器接收器發射所述電磁輻射的控制發射器(522)。
11.如權利要求10所述的控制單元，其中，所述控制單元包括用于將所述控制單元可分離地連接到所述流徑的設備(514)。
12.如權利要求10所述的控制單元，其中，所述控制單元包括用于響應于由所述比較器裝置生成的所述輸出信號而生成報警信號的報警致動器(526)。
13.如權利要求10所述的控制單元，其中，所述控制單元包括用于響應于由所述比較器裝置生成的所述輸出信號而中斷所述液體流過所述流徑的中斷致動器(528)。
14.如權利要求10所述的控制單元，其中，所述控制單元包括用于控制流過所述流徑的所述液體的流速的控制致動器(528)。
15.一種系統，其包括如權利要求5所述的傳感器和如權利要求10所述的控制單元。
全文摘要
本發明涉及一種用于檢測在流過流徑(204，406，508)的液體(208，408，527)中存在的氣相氣泡的傳感器(102，202，402，502)。該傳感器包括用于加熱該液體的加熱元件(106，210)，該加熱元件至少在檢測過程中被提供有預定功率水平；以及換能器裝置(108，112，212)，其被布置為生成指示該加熱元件的溫度的測量信號(114)。該傳感器還包括比較器裝置(116)，其用于比較該測量信號的測量值和預定閾值水平，該預定閾值水平對應于可由加熱元件響應于所述預定功率水平以及可由該流徑中的液體獲得的最小速度而獲得的基準溫度。基于后一比較，比較器裝置生成指示可能存在氣相氣泡的輸出信號(118)。
文檔編號G01F1/74GK102341137SQ201080010284
公開日2012年2月1日 申請日期2010年3月3日 優先權日2009年3月5日
發明者J·R·哈爾曾, R·德克爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司