专利名称：传感器和用于流控制的控制单元以及用于受控流体递送的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量流经管路的流体速度的传感器。本发明还涉及一种与所述传感器协作的控制单元。此外，本发明涉及一种包括所述传感器和控制单元的系统。本发明还涉及在医疗应用中使用所述系统。此外，本发明涉及一种用于递送液体药物的方法。
背景技术：
在US-A 5533412中公开了一种流体流量计，其包括供流体流动的管道、处于管道 内部以用于在流体中生成热脉冲的加热元件以及处于管道内部并且位于加热元件下游的 两个间隔开的传感器，其中，流体携带热脉冲经过管道到达两个间隔开的传感器，并且其中 通过热脉冲在间隔开的传感器之间的传播时间来测量流体的流速。该流体流量计还包括附 着到管道上用于为加热元件提供功率脉冲的电路。在US-A 5533412中公开的技术不适于需要在其中定期更换管路的应用，比如在 无菌条件下所执行的医疗应用，例如静脉输注、麻醉流控制以及导尿管。在这些医疗干预期 间，通常对于每位患者相继使用多条管路。在US-A 5533412中公开的流体流量计的成本过 高，因此无法在每次更换管路时丢弃。鉴于针对另一条管路采用流体流量计所需的工作量， US-A 5533412中所公开的流体流量计的再循环也不是经济上可行的选项。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种用于在其中定期更换管路的应用(特别是无菌医疗 应用)中测量速度的传感器。本发明的第二目的是提供一种用于与传感器协作的控制单元。本发明的第三目的是提供一种包括传感器和管路的系统。本发明的第四目的和本发明的第三目的是提供一种用于在其中定期交换管路的 应用中对液体药物进行受控递送的方法。本发明的第一目的可以通过根据本发明的传感器来实现，所述传感器被设置成测 量流经管路的流体(即液体或气体)的速度，所述传感器包括芯片和传感器接收器，所述芯 片包括用于对流体加热的加热元件和用于生成表示流经管路的流体速度的测量信号的换 能器设置，所述测量信号是基于第一空间温度差与第二空间温度差的比值的，并且所述传 感器接收器被设置成接收用于为加热元件供电的电磁辐射。通过把测量信号基于第一空间温度差与第二空间温度差的比值，该测量信号独立 于被提供给加热元件的功率电平。也就是说，至少对于一定的流体流速范围，第一空间温度 差和第二空间温度差两者都以仿射方式与加热元件所耗散的功率相关。如果线性表达式的 常数项等于零，则仿射关系都相当于线性关系。因此，通过取得第一空间温度差与第二温度差的比值，就获得了独立于加热元件所耗散的功率的关系。通过把测量信号与这一关系相 关，该测量信号关于与加热元件所耗散的功率数量有关的干扰是鲁棒的。除了诸如加热元件的电阻变化以及关于包括在传感器内的芯片的制造公差之类 的干扰之外，通过电磁辐射提供功率的技术还会受到关于提供给加热元件并由之耗散的功 率数量的显著干扰。举例来说，传感器接收器相对于发送设备的位置会在机械震动或者到 期更换传感器的影响下发生改变。所述传感器包括用于接收为加热元件供电的电磁辐射的传感器接收器。在这里， 可以通过包含在电磁辐射本身之内的能量来为加热元件供电。可替换地，可以采用电磁辐 射来实现诸如小型化电池之类的能量存储装置，该小型化电池进一步为加热元件供电。在 全部两种情况下，在传感器接收器与加热元件之间都不安装整流器和伴随电路来控制电压 电平。也就是说，没有小型化整流器和伴随控制电路能够处理为加热元件供电所需的功率 电平。因此，加热元件所耗散的功率数量无法得到控制，从而可能发生波动。由于所述测量信号关于作用在加热元件所耗散的功率数量上的干扰方面是鲁棒 的，因此通过电磁辐射提供功率的技术对于精确测量流体流速的传感器中的应用已变得可 行。由于功率是通过电磁辐射来提供的这一事实，也就是说功率是通过无线方式提供 的，因此所述传感器由于没有麻烦的布线而容易处理。此外，所述传感器还允许可靠的处理 和可靠的应用，这是因为在相当程度上限制了固有地存在于例如医疗应用中的电接触件污 染的风险。此外，所述传感器可以很容易被应用在一次性物品中，也就是说丢弃该传感器的 经济损失非常小。显然，也不一定需要丢弃该传感器，也就是说其允许长期使用。具体来 说，在更换管路的情况下，该传感器可以与管路一起丢弃，而作为总体系统的最昂贵部分的 其他电路则可以重复利用。有鉴于此，在其中需要定期更换管路的应用中，尤其是在无菌医 疗应用中(比如静脉输注、麻醉流控制、导尿管、呼吸控制以及肠道内和肠道外营养剂流量 测量)，采用该传感器特别具有经济上的吸引力。由于该传感器是一次性物品，因此可以有 效地避免再次使得该传感器无菌的工作量极大的处理。除了医疗应用之外，所述传感器还非常适合于在诸如净水生产、化学精炼、石油开 采和柴油引擎之类的应用中测量流体流速。本发明的第二方面可以通过根据本发明的控制单元来实现，该控制单元被配置成 与传感器协作，该控制单元包括用于向传感器接收器发送电磁辐射的控制发送器。由于包 括控制发送器，该控制单元能够提供用于为加热元件供电的电磁辐射。其结果是，在没有物 理连接的情况下实现了传感器与控制单元之间的协作。所述特性保证了在其中需要定期更 换管路的应用中具有经济上的吸引力的实施方式，这是因为可以很容易把传感器与控制单 元断开，控制单元可以被重复利用，而传感器则允许被丢弃。本发明的第三目的可以通过根据本发明的系统来实现，该系统同时包括根据本发 明的传感器和根据本发明的控制单元。本发明的第四目的可以通过根据本发明的一种方法来实现，该方法被设置成对液 体药物进行受控递送，其包括以下步骤建立预定义流速；通过可拆卸方式把控制单元连 接到管路；通过应用传感器和致动器经由管路进行液体药物的受控递送；把控制单元从管路断开；以及丢弃管路。把控制单元与管路彼此分离的步骤(即丢弃管路，而重复利用控制 单元)可以确保在其中需要定期交换管路的应用中具有经济上的吸引力的该方法的实施方 式。在根据本发明的传感器的一个实施例中，第一空间温度差是加热元件之前的流体 温度与加热元件之后的流体温度之间的数值差，而第二空间温度差是加热元件上游各位置 处的流体温度之间的数值差加上加热元件下游各位置处的流体温度之间的数值差。该实施 例的优点在于其关于加热元件的对称配置。其结果是，该实施例不必假定关于流向的特定 方向。在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器接收器由天线实现，加热 元件被集成在该天线中。在全部两种情况下，在传感器接收器与加热元件之间都不安装整流器和伴随电路 来控制电压电平。也就是说，没有小型化整流器和伴随控制电路能够处理为加热元件供电 所需的功率电平。因此，加热元件所耗散的功率数量无法得到控制，从而可能发生波动。在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器位于管壁中或管壁处。其 结果是，可以相对紧邻流经管路的流体来安装传感器，以便减小流体与流传感器之间的热 阻，其目的是提高测量信号的精确度。通过把传感器与管壁集成在一起，该传感器不与流体 发生物理接触。所述特性对于诸如静脉输注或导尿管流控制之类的医疗应用来说至关重 要。也就是说，在这些应用中至为重要的是防止出现传感器或其部件被释放并且随后被流 体流携带到人体或动物体内的紧急情况。在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述传感器被设置成基本上与管路同 轴。在本文中，同轴应当被解释成各主体或表面在轴向上共享公共轴的设置。因此，圆形及 非圆形实体和表面都允许同轴设置。通过把传感器和管路设置成基本上同轴，可以提高由 换能器设置生成的测量信号的精确度。在根据本发明的传感器的另一个实施例中，所述芯片包括用于发送测量信号的传 感器发送器。其结果是，该传感器在物理上与驱动该传感器并且对包括在该传感器内的换 能器设置所生成的测量信号做出响应的任何电路完全断开。在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述控制单元包括用于控制流经管 路的流体的流速的致动器。其结果是，可以规避流速对诸如重力之类的外部环境的依赖性。在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述控制单元与用于通过可拆卸方 式把控制单元连接到管路的设施一起提供。有鉴于此，该控制单元和包括在其中的致动器 能够在不妨碍传感器和管路的可丢弃性的情况下控制管路中的流体速度。这种特性对于其 中需要定期(通常是一天一次)更换包括传感器的管路的医疗应用是特别有利的。也就是 说，通过按照可拆卸方式连接管路与控制单元，该管路允许被丢弃，而控制单元则可以被重 复利用。显而易见的是，由于没有布线，因此在很大程度上便于更换包含传感器的管路。
在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，可以通过关于预定义流速与包括在 传感器内的换能器设置所生成的测量信号之间的偏差的信号来控制致动器。其结果是，不 需要例如医生或急救员的干预，基于测量信号的数值来调节致动器的设置，以便令流体流 与预定义的药物流态相符。 在根据本发明的控制单元的另一个实施例中，所述致动器包括致动器接收器，其用于接收由包括在传感器内的换能器设置所生成的测量信号。有鉴于此，该传感器和致动 器可以在没有任何硬件连接的情况下操作。
图1示意性地显示出根据本发明的系统的第一实施例，其中传感器包括由两个热 电堆构成的换能器设置。图2示意性地描绘了根据本发明的传感器的第二实施例，其中传感器位于管壁 中。图3示意性地显示出根据本发明的系统的第三实施例，其中由传感器接收器所接 收到的电磁辐射实现了为加热元件供电的电池。图4示意性地提供了关于可以由包括在根据本发明的传感器的第一和第三实施 例中的换能器设置测量的参量的解释。图5示意性地描绘了根据本发明的传感器的第四实施例，其中传感器位于管壁 中，并且其中传感器包括由三个热电堆构成的换能器设置。图6示意性地示出了根据本发明的传感器的第五实施例的截面图，其中传感器与 管路同轴对准。图7示意性地示出了根据本发明的系统的实施例，其中根据本发明的控制单元被 设置成与根据本发明的传感器协作。图8示意性地示出了代表根据本发明的方法的实施例的流程图，其中控制单元被
重复利用。
具体实施例方式图1显示出包括芯片104的传感器102，芯片104具有由聚酰亚胺制成的基板。该 材料的好处在于其相对较低的RF功率损耗。在这里，RF表示射频，其意味着从近似IMHz 到大约IOGHz的频率范围。传感器102还包括用于接收电磁辐射的天线110。包含在电磁 辐射中的能量被用来为加热元件106供电，加热元件106被设置成加热流体。通过在局部 为天线110提供相对较大的电阻而把加热元件106与天线110集成在一起。在局部为天线 110提供具有更高电阻的材料，或者可替换地在局部为天线110提供较小的截面积。其结果 是，功率将沿着相对较大的电阻耗散，该耗散将导致加热。天线110 (至少其未被设置成加 热流体的部分)不位于芯片104上。芯片104包括换能器设置108，换能器设置108包括第一热电堆112和第二热电堆 114。在本文中，热电堆表示多个热电偶的串联连接。热电堆产生与局部温度梯度或温度差 相关的输出而不是测量绝对温度。第一热电堆112记录线A与线B处的温度之间的差。因 此，第一热电堆112测量加热元件106的温度与参考位置处的温度(该温度也被称作参考温 度)之间的差。同样地，第二热电堆114测量线C与线D处的温度之间的差。因此，第二热 电堆114测量经过加热元件106之后的流体温度与经过加热元件106之前的流体温度之间 的差。换能器设置108被设置成基于第一热电堆112和第二热电堆114的输出生成表示流 经管路的流体的速度的测量信号。该芯片还包括传感器发送器116，其用于发送由换能器设 置108所生成的测量信号。此外，该芯片还包括存储器118。在存储器118内存储数据，该[I], 其中
权利要求
1.一种用于测量流经管路(206)的流体(208)的速度的传感器(102)，所述传感器包 括芯片(104)和传感器接收器(310)，所述芯片包括用于对流体加热的加热元件(106)和用 于生成表示流经管路的流体速度的测量信号的换能器设置(108)，所述测量信号是基于第 一空间温度差与第二空间温度差的比值的，并且所述传感器接收器被设置成接收用于为加 热元件供电的电磁辐射。
2.根据权利要求1的传感器，其中，第一空间温度差是加热元件之前的流体温度与加 热元件之后的流体温度之间的数值差，并且第二空间温度差是加热元件之前的各位置处的 流体温度之间的数值差加上加热元件之后的各位置处的流体温度之间的数值差。
3.根据权利要求1的传感器，其中，所述传感器接收器是天线(110)，所述天线包括加 热元件。
4.根据权利要求1的传感器，其中，所述芯片包括用于发送测量信号的传感器发送器 (116)。
5.根据权利要求1的传感器，其中，所述传感器位于管路的管壁中或管壁处。
6.根据权利要求5的传感器，其中，所述传感器被设置成基本上与管路同轴。
7.根据权利要求1的传感器，其中，所述芯片包括用于存储数据的存储器118。
8.一种用于与根据权利要求1的传感器协作的控制单元(602)，其中，所述控制单元 包括用于向传感器接收器发送电磁辐射的控制发送器(6 )。
9.根据权利要求8的控制单元，其中，所述控制单元包括用于通过可拆卸方式把该控 制单元连接到管路的设施。
10.根据权利要求8的控制单元，其中，所述控制单元包括用于控制流经管路的流体 的流速的控制致动器(6M)。
11.根据权利要求10的控制单元，其中，可以通过关于预定义流速与由包括在根据权 利要求1的传感器中的换能器设置生成的测量信号所表示的速度之间的偏差的信号来控 制所述控制致动器。
12.根据权利要求11的控制单元，其中，所述致动器包括致动器接收器(534)，其用于 接收由包括在根据权利要求1的传感器中的换能器设置所生成的测量信号。
13.—种系统，其包括根据权利要求1的传感器和根据权利要求8的控制单元。
14.根据权利要求13的系统在医疗应用中的使用。
15.一种用于对液体药物进行受控递送的方法，其包括以下步骤建立预定义流体流 速(702)；通过可拆卸方式把根据权利要求4的控制单元连接到管路(704)；通过应用根 据权利要求1的传感器和根据权利要求8的致动器，经由管路进行液体药物的受控递送 (706)。
全文摘要
本发明涉及一种传感器(102)和用于与该传感器协作的控制单元(702)。该传感器(102)用于测量流经管路(306)的流体(308)的速度。该传感器(102)采用热测量原理，该测量原理关于加热元件(106)所耗散的功率数量上的干扰方面是鲁棒的。传感器接收器(110)被设置成接收由包括在用于与传感器(102)协作的控制单元(702)中的控制发送器(722)所生成的电磁辐射。该电磁辐射被用来为加热元件(106)供电，加热元件(106)被设置成对流体加热。基于由包括在传感器(102)中的换能器设置所生成的测量信号，控制致动器(724)控制流体的速度。为此，传感器发送器(116)被设置成把该测量信号发送到控制接收器(734)。
文档编号G01F1/688GK102089632SQ200980126434
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月2日 优先权日2008年7月8日
发明者J. M. 图伊尔 A., M. H. 汤比尔 A., R. 哈尔特森 J., 德格拉夫 P., 德克 R. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司