Насосный узел для молокоотсоса
Группа изобретений относится к медицинской технике. Насосный узел для молокоотсоса для сцеживания молока из человеческой груди содержит электродвигатель для приведения в действие насосного узла, который выполнен с возможностью обеспечения сигнала обратной связи электродвигателя. Узел управления служит для обеспечения сигнала управления для управления электродвигателем. Расчетный модуль используется для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом, на основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления. Узел управления выполнен с возможностью получения требуемого давления, задаваемого пользователем посредством пользовательского интерфейса или предварительно заданного в насосном узле, и регулирования сигнала управления на основании разницы между указанным требуемым давлением и расчетным давлением. Раскрыт способ управления давлением, создаваемым насосным узлом. Изобретения обеспечивают возможность точного и надежного управления давлением, обеспечиваемым насосом. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к насосному узлу для молокоотсоса для сцеживания молока из человеческой груди и соответствующему способу и компьютерной программе.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Молокоотсосы представляют собой общеизвестные устройства для сцеживания молока из человеческой груди. Молокоотсос может использоваться, если ребенок сам не способен высасывать молоко или если мама отлучается от ребенка, например, если далеко от ребенка на работе. Использование молокоотсоса для сцеживания молока также может способствовать стимуляции лактации у женщин с малым количеством молока.
Молокоотсосы могут манипулироваться вручную, например, посредством сжимания рукоятки, или также могут приводиться в действие электрическим образом посредством небольшого электродвигателя. Приводимый в действие электрическим образом молокоотсос типично содержит один или более наборов для сцеживания для наложения на грудь. Наборы для сцеживания соединены с насосным узлом через посредство трубчатой системы. Настоящее изобретение относится к молокоотсосу с приводимым в действие электрическим образом насосным узлом.
Молокоотсосы типично создают циклический вакуум на грудях для сцеживания молока, причем профиль вакуума, предпочтительно, имитирует сосание ребенка. Сцеженное молоко собирается в приемник, например бутылочку для кормления ребенка. Мамы могут задавать свой предпочтительный вакуум посредством регулирования одной или более настроек насоса, например уровня, профиля и скорости цикла вакуума. Регулирование уровня вакуума представляет собой вопрос безопасности и качества. Во-первых, уровень вакуума должен не становиться слишком высоким для защиты мамы. Во-вторых, требуемый уровень вакуума должен применяться воспроизводимым образом.
Рынок электрических молокоотсосов может быть разделен на две группы, с насосами одинарного хода и многоходовыми насосами. В насосах одинарного хода, большой цилиндр создает вакуум. Вакуум типично управляется посредством регулирования хода большого цилиндра. Большой ход соответствует глубокому вакууму.
В многоходовых насосах, используется небольшой и компактный вакуумный насос. Насос откачивает небольшой объем несколько раз для уменьшения давления на груди. Вакуум, прикладываемый к груди, может регулироваться посредством регулирования настроек насоса, например временного интервала, во время которого электродвигатель насоса работает, и посредством регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Розничные молокоотсосы типично используют недорогие щеточные электродвигатели постоянного тока. Частота вращения электродвигателя может управляться посредством регулирования напряжения питания электродвигателя, наиболее часто посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Однако, существует несколько ограничений таких систем. Система не учитывает индивидуальную анатомию женщины, использующей устройство. Следовательно, в зависимости от размера груди и соска, объем, подлежащий откачиванию, и, таким образом, уровень вакуума, прикладываемого к груди, могут быть разными, даже если применяются одинаковые настройки насоса, например временной интервал и напряжение питания. Следовательно, некоторые производители используют принцип задания давления, например регулируемую круговую шкалу, в которой не задается абсолютное значение.
Кроме того, в больничных условиях, женщине может приходиться использовать разные молокоотсосы. Однако, одинаковые настройки насоса могут приводить к разному уровню вакуума вследствие разброса характеристик устройства между разными молокоотсосами такого же типа. Одно решение для преодоления такого разброса характеристик устройства заключается во всестороннем тестировании и калибровке во время производственного процесса. Однако, индивидуальное тестирование и калибровка всех устройств, выходящих с производственной линии, является времязатратным и дорогостоящим.
Более того, может возникать разный уровень вакуума даже для одного и того же молокоотсоса, применяемого одной и той же женщиной, использующей одинаковые настройки в случае утечки.
Известное решение для точного задания требуемого уровня вакуума заключается в использовании специального датчика давления для определения и регулирования уровня вакуума, обеспечиваемого насосным узлом. Датчик давления должен находится во взаимодействии по текучей среде с линией вакуума набора для сцеживания.
Например, US 8,052,635 и US 8,137,305 раскрывают электрический молокоотсос, который непрерывно осуществляет мониторинг за давлением вакуума, прикладываемого к системе сбора молока, с помощью датчика вакуума, прикрепленного к линии вакуума. Может использоваться твердотельный датчик давления или пьезорезистивный датчик давления. Соответственно, US 8,070,715 раскрывает молокоотсос с преобразователем давления для детектирования фактического давления. Преобразователь давления прикреплен к линии вакуума.
Однако, недостатки использования дополнительного датчика давления, прикрепленного к линии вакуума, заключаются в дополнительной стоимости и сложности. Датчик давления представляет собой дополнительную часть, которая потенциально может выходить из строя. Это является особенной проблемой в больничных условиях, где молокоотсосы требуют продолжительного срока службы и надежности. Более того, датчик должен корректно прикрепляться к линии вакуума, что может делать обращение с молокоотсосом более неудобным и может оказывать негативное воздействие на гигиену системы вследствие дополнительного отверстия для датчика.
US 2011/0054810 A1 относится к устройству и способу определения давления в системе локального отрицательного давления (TNP). Терапия локальным отрицательным давлением способствует закрытию и лечению ран. Расходомер предусмотрен вместо датчика давления. Известная взаимосвязь между скоростью работы насоса, давлением и измеренным расходом используется для расчета давления в месте, где расположен расходомер.
WO 2014/044472 A1 раскрывает управление исполнительным механизмом в системе молокоотсоса с помощью модуля управления подачей питания. Уровень силы электрического тока электродвигателя насоса используется в качестве индикатора давления вакуума. Если сила электрического тока электродвигателя превышает предварительно заданное пороговое значение силы электрического тока, которое характеризует состояние предварительно существующего вакуума, управление подачей питание выполнено с возможностью уменьшения частоты вращения электродвигателя насоса.
US 5,676,525 раскрывает ограничивающий вакуум медицинский насос. Ограничивающий силу электрического тока узел предусмотрен для ограничения создаваемого частичного вакуума. Дополнительное устройство детектирования положения определяет объем всасывания узла цилиндра насоса.
WO 01/71190A1 раскрывает диафрагменный насос с качающейся арматурой. Для измерения расхода между двумя последовательными применения напряжения возбуждения к обмотке во время, в течение которого приведение в действие не осуществляется, напряжение, имеющееся на обмотке, детектируется, и сигнал измерения расхода генерируется с нее.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следовательно, целью настоящего изобретения является обеспечение насосного узла для молокоотсоса, который по существу уменьшает или преодолевает вышеупомянутые проблемы. В частности, целью настоящего изобретения является обеспечение насосного узла для молокоотсоса для точного управления давлением, обеспечиваемым насосным узлом, с высокой надежностью в течение срока службы устройства и экономически эффективным образом.
В соответствии с аспектом настоящего изобретения, предложен насосный узел для молокоотсоса для сцеживания молока из человеческой груди, причем насосный узел содержит:
- электродвигатель для приведения в действие насосного узла, причем электродвигатель выполнен с возможностью обеспечения сигнала обратной связи электродвигателя;
- узел управления для обеспечения сигнала управления для управления электродвигателем; и
- расчетный модуль для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом, на основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления;
в котором узел управления выполнен с возможностью получения требуемого давления и регулирования сигнала управления на основании разницы между требуемым давлением и расчетным давлением.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения, предложен способ управления давлением, создаваемым насосным узлом, для молокоотсоса для сцеживания молока из человеческой груди, при этом способ содержит этапы:
- обеспечения сигнала управления для управления электродвигателем для приведения в действие насосного узла;
- получения сигнала обратной связи электродвигателя для приведения в действие насосного узла;
- расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом, на основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления; и
- конфигурации узла управления для получения требуемого давления;
- регулирования сигнала управления на основании разницы между требуемым давлением и расчетным давлением.
В еще дополнительных аспектах настоящего изобретения, предложены компьютерная программа, которая содержит средства программного кода для побуждения компьютера выполнять этапы способа, раскрытого здесь, когда указанная компьютерная программа выполняется на компьютере, а также энергонезависимый машиночитаемый носитель, который хранит в себе компьютерный программный продукт, который, когда выполняется процессором, побуждает выполнение способа, раскрытого здесь.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения заданы в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленные способ, компьютерная программа и носитель имеют аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты осуществления, как у заявленного насосного узла и как заданы в зависимых пунктах формулы изобретения.
Настоящее изобретение основано на той идее, что давление, подлежащее созданию насосным узлом, может рассматриваться в качестве нагрузки, которую необходимо преодолеть насосному узлу. Давление может рассматриваться в качестве пневматической нагрузки насосного узла. Более того, механическое сопротивление для управления насосным узлом, например, вследствие трения, также может рассматриваться в качестве механической нагрузки, которую необходимо преодолеть насосному узлу. Разные нагрузки будут, в свою очередь, оказывать разное воздействие на насосный узел и, в частности, на электродвигатель насосного узла. Другими словами, приведение в действие при меньшей нагрузки требует меньшего усилия электродвигателя, чем приведение в действие при большей нагрузки. Нагрузка по существу зависит от давления, в частности, отрицательного давления или вакуума, против которого электродвигателю насосного узла необходимо работать. Следовательно, вместо использования датчика давления, прикрепленного к линии вакуума молокоотсоса, предложено косвенно рассчитывать давление, обеспечиваемое насосным узлом, на основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления для управления электродвигателем.
"Сигнал управления" для управления электродвигателем, как используется здесь, может ссылаться на напряжение и/или силу электрического тока, прикладываемого к электродвигателю, включая, но не ограничиваясь, сигнал управления широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Сигнал управления может ссылаться на сигнал, содержащий информацию для управления электродвигателем, который может обеспечиваться для питания электроники, который затем питает электродвигатель в зависимости от полученного сигнала управления. Другими словами, сигнал управления для управления электродвигателем, может ссылаться на сигнал, характеризующий требуемое состояние или режим работы электродвигателя для приведения в действие насосного узла.
"Сигнал обратной связи электродвигателя", как используется здесь, может ссылаться на сигнал, содержащий информацию, характеризующую фактическое состояние или режим работы электродвигателя для приведения в действие насосного узла, на который влияет нагрузка, при которой работает электродвигатель.
На основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления, расчетный модуль насосного узла может рассчитывать давление, обеспечиваемое насосным узлом, без использования отдельного датчика давления. Расчет может содержать промежуточные этапы расчета нагрузки, при которой работает электродвигатель, определения пневматической нагрузки на основании него, и сравнения пневматической нагрузки с величиной давления. Предпочтительно, узел управления и расчетный модуль могут воплощаться в микроконтроллере. Следовательно, алгоритмы управления и расчета могут воплощаться с низкими затратами.
Более того, обращение с молокоотсосом может быть упрощено, так как не требуется прикреплять отдельный датчик давления к линии вакуума молокоотсоса. Это также положительно влияет на гигиену, так как нет дополнительного отверстия для датчика в линиях вакуума.
Другими словами, вместо фактического измерения давления с помощью датчика давления, ожидается, что заданный сигнал управления для управления электродвигателем приведет к определенному уровню вакуума на груди мамы. Однако, точность такого расчета ограничена вследствие разброса характеристик устройства, и так как объем, подлежащий откачиванию, зависит от индивидуальной анатомии груди мамы. Разброс характеристик устройства и индивидуальная анатомия являются неизвестными параметрами. В соответствии с аспектом настоящего изобретения, следовательно, предложено дополнительно использовать обратную связь от электродвигателя, причем сигнал обратной связи электродвигателя зависит от давления, обеспечиваемого насосным узлом, для более точного расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом. Узел управления может в таком случае регулировать сигнал управления для управления электродвигателем на основании расчетного давления. Узел управления также может регулировать сигнал управления на основании требуемого давления и расчетного давления.
Например, электродвигатель для приведения в действие насоса приводится в действие посредством сигнала управления, например заданной мощности, напряжения или силы электрического тока, и сигнал обратной связи, например частота вращения электродвигателя, обеспечивается электродвигателем. Как измеренная частота вращения в качестве сигнала обратной связи, так и применяемый сигнал управления подаются на расчетный модуль. Давление, обеспечиваемое насосным узлом, может рассчитываться расчетным модулем на основании этого. Особенности числовой модели для расчета зависят от модели молокоотсоса, в частности, от насоса и набора для сцеживания. Расчетное давление может, в свою очередь, использоваться для регулирования сигнала управления для управления электродвигателем для приведения в действие насосного узла. Следовательно, например, в больничных условиях, насосный узел может адаптироваться к разным пользователям.
В соответствии с вариантом осуществления, электродвигатель для приведения в действие насосного узла представляет собой бесщеточный электродвигатель, в частности бесщеточный электродвигатель постоянного тока (БЭПТ). Недостаток таких бесщеточных электродвигателей заключается в том, что они типично являются более дорогостоящими и требуют более сложной управляющей электроники, чем щеточные электродвигатели постоянного тока, которые используются в традиционных молокоотсосах. Однако, авторы изобретения обнаружили, что использование бесщеточных электродвигателей, в частности бесщеточных электродвигателей постоянного тока, обеспечивает синергетический эффект. Например, БЭПТ также могут называться электронно-коммутируемыми электродвигателями. БЭПТ могут содержать ротор с постоянным магнитом, который приводится в движение посредством внешнего вращающегося электромагнитного поля. БЭПТ могут приводиться в действие посредством узла управления, содержащего встроенный инвертор/импульсный источник питания, который создает электрический сигнал переменного тока для возбуждения внешнего поля в качестве сигнала управления для приведения в действие электродвигателя. Для определения углового положения электродвигателя и/или для применения электрического поля, по существу синхронизированного с вращением ротора электродвигателя, электродвигатель может подавать сигнал обратной связи электродвигателя на узел управления. Следовательно, БЭПТ типично имеют собственное измерение частоты вращения, использующееся для электронной коммутации.
Авторы изобретения осознали, что такой сигнал обратной связи электродвигателя может использоваться в комбинации с сигналом управления для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом. Следовательно, синергетический эффект достигается тем, что сигнал управления и сигнал обратной связи электродвигателя, которые уже являются доступными в бесщеточном электродвигателе, дополнительно используются для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом.
В качестве альтернативы БЭПТ, могут использоваться бесщеточные синхронные электродвигатели AC (переменного тока). В таких электродвигателях, выработанная сила электрического тока представляет собой функцию созданного момента, что может использоваться для управления и, в качестве синергетического эффекта, также в качестве обратной связи электродвигателя для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом молокоотсоса.
В модификации, указанный сигнал обратной связи электродвигателя представляет собой сигнал обратной связи электродвигателя для электронной коммутации бесщеточного электродвигателя, и указанный расчет давления, обеспечиваемого насосным узлом, основан на сигнале обратной связи электродвигателя для электронной коммутации бесщеточного электродвигателя. Преимущество настоящего варианта осуществления заключается в том, что сигнал обратной связи электродвигателя, который обычно подается электродвигателем на узел управления для правильной работы бесщеточного электродвигателя, также используется для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом. Следовательно, нет необходимости использовать дополнительные датчики. В частности, нет затрат на специальный датчик давления.
Дополнительное преимущество бесщеточного электродвигателя заключается в продолжительном сроке службы и более низкой чувствительности к механическому износу, так как электродвигатель не имеет щеток, которые могут изнашиваться. Больничные молокоотсосы типично требуют продолжительного срока службы. Бесщеточный электродвигатель типично требует меньшего или иногда даже не требует технического обслуживания.
В варианте осуществления, электродвигатель дополнительно содержит датчик электродвигателя для обеспечения сигнала обратной связи электродвигателя. Иллюстративные датчики электродвигателя представляют собой датчик скорости, датчик частоты вращения для определения числа оборотов в минуту, тахометр, датчик Холла, датчик углового положения для определения угла поворота ротора, например, преобразователь углового положения в код. Если требуется, сигнал обратной связи электродвигателя может получаться косвенно посредством определения положения подвижной части насоса, например, поршня, мембраны или эксцентрикового кулачка. Более того, сигнал обратной связи электродвигателя может обеспечиваться посредством оценки силы электрического тока/напряжения/мощности, например, посредством спектрального анализа, для определения частоты вращения вращательного электродвигателя или посредством оценки его переходного режима для определения углового положения.
В варианте осуществления, сигнал обратной связи электродвигателя содержит по меньшей мере одно из частоты вращения, силы тока, момента электродвигателя и углового смещения ротора электродвигателя. Следует отметить, что, термин угловое смещение может ссылаться на положение ротора в электродвигателе и также может использоваться для определения частоты вращения электродвигателя посредством оценки углового смещения со временем.
В варианте осуществления, расчетный модуль выполнен с возможностью расчета расчетного параметра электродвигателя на основании сигнала управления для управления электродвигателем; для определения фактического параметра электродвигателя на основании сигнала обратной связи электродвигателя и для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом, на основании разницы между расчетным параметром электродвигателя и фактическим параметром электродвигателя. Предпочтительно, расчетный параметр электродвигателя представляет собой расчетную частоту вращения электродвигателя, и фактический параметр электродвигателя представляет собой фактическую частоту вращения электродвигателя. Например, когда заданное напряжение применяется к электродвигателю, ожидается, что электродвигатель вращается с определенной частотой вращения. Однако, в зависимости от нагрузки, частота вращения электродвигателя может быть другой. На основании этой разницы, может получаться нагрузка, при которой требуется работать электродвигателю, и давление, обеспечиваемое насосным узлом, может рассчитываться на основании этой разницы. Альтернативные параметры, например угловое положение, могут оцениваться.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, узел управления выполнен с возможностью получения требуемого давления и регулирования сигнала управления на основании разницы между требуемым давлением и расчетным давлением. Требуемое давление может представлять собой величину, предварительно заданную в насосном узле. В качестве альтернативы или дополнительно, необязательный интерфейс, в частности пользовательский интерфейс, предусмотрен для задания требуемого давления, подлежащего обеспечению насосным узлом. Вместо просто наличия, например, круговой шкалы для увеличения или уменьшения давления, т.е., для изменений относительного давления, насосный узел в соответствии с аспектом настоящего изобретения содержит расчетный модуль для расчета давления, обеспечиваемого насосным узлом. Расчетное давление может использоваться в качестве обратной связи узлом управления для регулирования сигнала управления и тем самым фактического давления, обеспечиваемого насосным узлом. По существу, уменьшение или увеличение давления посредством круговой шкалы или нажимных кнопок, может рассматриваться в качестве контроллера разомкнутого контура, в котором переменное управление задается пользователем. Насосный узел в соответствии с аспектом настоящего изобретения, однако, может рассматриваться в качестве системы управления замкнутого контура. Расчетный модуль обеспечивает расчетное давление, которое затем может сравниваться с требуемым давлением посредством узла управления. Узел управления в таком случае может регулировать фактическое давление, обеспечиваемое насосным узлом, на основании этого.
В дополнительной модификации настоящего варианта осуществления, узел управления выполнен с возможностью регулирования сигнала управления для уменьшения до минимума разницы между требуемым давлением и расчетным давлением. Следовательно, даже если нет датчика давления, предусмотренного в насосном узле, давление, обеспечиваемое насосным узлом, может рассчитываться расчетным модулем и использоваться в качестве сигнала обратной связи для регулирования насосного узла таким образом, что расчетное давление, по существу, соответствует требуемому давлению.
В варианте осуществления, расчетный модуль содержит модель по меньшей мере частей молокоотсоса. Расчетный модуль получает сигнал обратной связи электродвигателя и сигнал управления для управления электродвигателем в виде входных сигналов, и, на основании модели по меньшей мере частей молокоотсоса, расчетный модуль определяет расчетное значение давления, обеспечиваемого насосным узлом. Модель может содержать характеристики насоса, модель текучей среды, рабочий объем цилиндра, объем, подлежащий откачиванию и так далее, и, в частности, модель используемого набора для сцеживания. Так как насосный узел не содержит датчик давления, давление, обеспечиваемое насосным узлом, не может определяться посредством прямого измерения. Однако, как описано выше, давление может рассматриваться в качестве состояния, которое влияет на сигнал обратной связи электродвигателя, обеспечиваемый электродвигателем. Зная отношение между сигналом обратной связи электродвигателя и давлением физического состояния, расчетный модуль может рассчитывать давление, обеспечиваемое насосным узлом.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, расчетный модуль содержит фильтр Калмана, в частности расширенный и/или сигма-точечный фильтр Калмана. Было обнаружено, что отношение между давлением, обеспечиваемым насосным узлом, и сигналом обратной связи электродвигателя может страдать от сильной нелинейной динамики. Следовательно, является предпочтительным использовать сигма-точечный фильтр Калмана, который способен работать с сильной нелинейной динамикой. Также может использоваться альтернативный фильтр, который способен работать с нелинейными характеристиками.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, расчетный модуль выполнен с возможностью инициирования расчетного давления при запуске в качестве давления окружающей среды. Запуск в этом контексте может ссылаться на первые обороты электродвигателя насоса. Во время такой начальной фазы, нагрузка, которая испытывается электродвигателем насосом, определяется не пневматическим сопротивлением, вызванным вакуумом, а скорее механической нагрузкой, например вследствие трения поршня, при использовании поршневого насоса. Вследствие разброса характеристик при производстве, разные устройства одной модели могут демонстрировать разные начальные механические нагрузки. Посредством определения этой начальной механической нагрузки при запуске, насос может калиброваться для давления окружающей среды. Последующее увеличение нагрузки может в таком случае рассматриваться следствием вакуума, который устанавливается в молокоотсосе. Следовательно, вклады механической нагрузки и пневматической нагрузки вследствие вакуума могут разделяться таким образом, что давление, обеспечиваемое насосным узлом, может рассчитываться надежным образом.
В соответствии с вариантом осуществления, узел управления выполнен таким образом, чтобы ограничивать частоту вращения электродвигателя на основании сигнала обратной связи электродвигателя и/или на основании расчетного давления. Как объяснено выше, частота вращения электродвигателя зависит от нагрузки, которую требуется преодолевать насосному узлу. Следовательно, частота вращения электродвигателя изменяется с уровнем вакуума. В начале сеанса сцеживания, мама может включать систему и только затем размещать ее на грудь. В такой ситуации без груди, нагрузка может быть очень низкой и, следовательно, может приводить к более высоким частотам вращения электродвигателя. Высокая частота вращения электродвигателя приводит к высокой производительности насоса и имеет преимущество, заключающееся в том, что набор для сцеживания может быстро опорожняться. Однако, высокая частота вращения электродвигателя может создавать неприятный звук или шум. Звуковая частота может соответствовать частоте вращения электродвигателя или частоте в оборотах в секунду [Гц]. Следовательно, предложено ограничивать частоту вращения электродвигателя для обеспечения более желательного звукового профиля. Более того, когда молокоотсос размещается на грудь, насосный узел быстро опорожняет набор для сцеживания. Вакуум и, таким образом, также нагрузка на насосном узле увеличивается. Так как частота вращения электродвигателя зависит от нагрузки, звук или шум насосного узла быстро изменяется. Посредством ограничения частоты вращения электродвигателя, более желательный звуковой профиль может создаваться при размещении набора для сцеживания на грудь.
Кроме того, увеличение частоты вращения электродвигателя, т.е. ускорение частоты вращения электродвигателя, также может ограничиваться. Это может дополнительно предотвращать неожиданное увеличение шума, которое также было бы неприятным.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления, узел управления выполнен таким образом, чтобы определять состояние, в котором молокоотсос не прикреплен к человеческой груди, на основании расчетного давления. Это также может называться ситуацией без груди. Например, частота вращения электродвигателя может дополнительно уменьшаться в этом состоянии и затем будет переключаться или изменяться для правильной работы, когда молокоотсос прикрепляется к человеческой груди. Прикрепление к груди может определяться посредством получения расчетного давления и определения, когда расчетное давление изменяется, в частности, когда расчетное давление падает ниже предварительно заданной пороговой величины по сравнению с давлением окружающей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидными из и объясняться со ссылкой на варианты осуществления, описанные в дальнейшем. На следующих чертежах
На фиг.1 показан перспективный вид первого варианта осуществления молокоотсоса;
на фиг.2 показан разрез верхнего участка набора для сцеживания в соответствии с дополнительным вариантом осуществления;
на фиг.3 показана иллюстративная блок-схема насосного узла в соответствии с вариантом осуществления;
на фиг.4A показан иллюстративный график сигнала управления для управления электродвигателем для приведения в действие насосного узла;
на фиг.4B показан иллюстративный график давления, обеспечиваемого насосным узлом;
на фиг.4C показан иллюстративный график частоты вращения электродвигателя;
на фиг.5 показана блок-схема способа в соответствии с вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.1 показан вариант осуществления молокоотсоса. Молокоотсос здесь обозначен в целом ссылочной позицией 1.
Молокоотсос 1 содержит набор 10 для сцеживания и насосный узел 20. Набор 10 для сцеживания содержит воронку 11 для размещения груди и приемник 12 в форме бутылочки для кормления ребенка. Насосный узел 20 содержит вакуумный насос 21 с электродвигателем 22 для приведения в действие насосного узла и узел 23 управления для обеспечения сигнала управления для управления электродвигателем 22 вакуумного насоса 21 (схематично показано на фиг.3). Вакуумный насос 21 насосного узла 20 соединен с набором 10 для сцеживания через посредство трубки 13. Насосный узел 20, таким образом, может размещаться локально удаленно от набора 10 для сцеживания, например на рабочем столе или в любом другом подходящем месте. Однако, это не подразумевается в качестве ограничения. Насосный узел 20, содержащий вакуумный насос 21 и узел 23 управления, также может размещаться на наборе 10 для сцеживания. Трубка 13 соединена с вакуумной камерой 14, которая находится в корпусе набора 10 для сцеживания. Вакуумная камера 14 имеет функцию обеспечения вакуума, созданного вакуумным насосом 21 насосного узла 20, в воронке 11 для размещения груди. Молокоотсос 1 может содержать пользовательский интерфейс 40 для задания требуемого уровня, профиля и/или цикла вакуума. Предпочтительно, насосный узел 20 создает циклический вакуум на груди, причем профиль вакуума, предпочтительно, имитирует сосание ребенка.
На фиг.2 более подробно показан продольный разрез верхнего участка 15 набора 10 для сцеживания в соответствии с дополнительным вариантом осуществления. Верхний участок 15 набора для сцеживания содержит воронку 11 для размещения груди, вакуумную камеру 14, выпуск 16 для молока и соединитель 17 для соединения с вакуумной трубкой 13.
Верхний участок 15 набора для сцеживания может прикрепляться к груди 30 женщины посредством воронки 11 для размещения груди. Центр воронки для размещения груди размещается вокруг соска груди 30. Во время сцеживания молока, насосный узел 20 создает пониженное давление или вакуум в вакуумной камере 14. Тем самым, молоко сцеживается из груди 30. Сцеженное молоко может выходить из верхнего участка 15 набора 10 для сцеживания через выпуск 16 для молока по направлению к приемнику 12.
Объем вакуумной камеры 14, который необходимо откачивать во время каждого цикла, по существу зависит от размера и формы груди 30 и соска. Такие отличия обозначены на фиг.2 с помощью разных грудей 30 и 30'. Большой объем должен откачиваться для груди 30, а меньший объем должен откачиваться для груди 30'. Следовательно, если применяются одинаковые настройки насоса, например временной интервал, во время которого работает электродвигатель 22 насоса насосного узла 20, и скорость электродвигателя 22 насоса, будет достигаться разный уровень вакуума. Меньший объем откачивается быстрее, и уровень более глубокого вакуума достигается для одинаковых настроек насоса.
Кроме управляемости в одном продукте, производитель молокоотсосов заинтересован в разбросе характеристик между разными продуктами. Традиционное управление по разомкнутому контуру не позволяет системе компенсировать разброс характеристик вакуума разных молокоотсосов одного и того же типа. Для розничной торговли, разброс характеристик продукта является менее критичным, так как мама, вероятно, использует только свой собственный молокоотсос, таким образом сравнение с другими молокоотсосами такого же типа не является большой проблемой. Однако, больничные молокоотсосы типично используются разными мамами, и одна мама может потенциально использовать разные молокоотсосы одного и того же типа. Обеспечение, что одна настройка на насосе приводит к идентичным характеристикам вакуума и, таким образом, одинаковому сцеживанию молока и пользовательскому опыту, представляет собой огромное преимущество для пользователя.
На фиг.3 показан вариант осуществления насосного узла 20 в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Насосный узел 20 содержит вакуумный насос 21 с электродвигателем 22, узел 23 управления и расчетный модуль 24.
Электродвигатель 22 выполнен с возможностью обеспечения сигнала 25 обратной связи электродвигателя. Узел 23 управления выполнен с возможностью обеспечения сигнала 26 управления для управления электродвигателем 22. Посредством управления электродвигателем 22, сигнал 26 управления влияет на фактическое давление 27, обеспечиваемое насосным узлом 20. Расчетный модуль 24 выполнен с возможностью расчета давления 28, обеспечиваемого насосным узлом 20, на основании сигнала 25 обратной связи электродвигателя и сигнала 26 управления. Следовательно, расчетный модуль 24 обеспечивает расчетное давление 28, а не измеренное фактическое давление 27. Узел 23 управления дополнительно выполнен с возможностью регулирования сигнала 26 управления на основании расчетного давления 28. Следовательно, даже если фактическое давление 27 непосредственно не измеряется датчиком давления, обратная связь может обеспечиваться для узла 23 управления посредством расчетного давления 28, полученного из сигнала 25 обратной связи электродвигателя и сигнала 26 управления. Если требуется, требуемое давление 29 может обеспечиваться в виде входной информации для узла 23 управления. Требуемое давление 29 может представлять собой требуемый уровень, профиль и/или цикл давления, которые могут задаваться пользователем через посредство пользовательского интерфейса 40, как показано на фиг.1.
Основная идея в соответствии с аспектом настоящего изобретения будет описываться более подробно со ссылкой на фиг.4A-4C.
На фиг.4A показан иллюстративный график сигнала 26 управления, обеспеченного узлом 23 управления. Горизонтальная ось обозначает время t в секундах, тогда как вертикальная ось обозначает напряжение E питания в вольтах. В этом неограничивающем варианте осуществления, сигнал 26 управления представляет собой напряжение питания для питания электродвигателя 22 для приведения в действие насосного узла 20, который периодически включается и выключается. Конечно, разные профили или кривые сигнала 26 управления могут использоваться для создания требуемого профиля вакуума.
На фиг.4B показан иллюстративный график фактического давления 27, обеспечиваемого насосным узлом 20 в ответ на сигнал 26 управления, как показан на фиг.4A. Горизонтальная ось также обозначает время t в секундах, тогда как вертикальная ось обозначает давление p вакуума в барах. Молокоотсосы по предшествующему уровню техники, как упомянуты выше касательно уровня техники настоящего изобретения, используют специальный датчик давления или преобразователь давления для непосредственного измерения фактического давления 27.
Однако, насосный узел 20 в соответствии с аспектом настоящего изобретения придерживается существенно другого подхода. Авторы изобретения осознали, что фактическое давление 27 может рассматриваться в качестве нагрузки, которую требуется преодолеть вакуумному насосу 21 насосного узла 20. Следовательно, фактическое давление 27 может рассматриваться в качестве пневматической нагрузки насосного узла 20, которая, в свою очередь, оказывает воздействие на электродвигатель 22 насосного узла 20. Варьируемая пневматическая нагрузка вакуумного насоса 21 обозначена стрелкой 41 на фиг.3. Вместо непосредственного измерения фактического давления 27, во-первых, электродвигатель 22 выполнен с возможностью обеспечения сигнала 25 обратной связи, и во-вторых, расчетный модуль 24 обеспечен для расчета давления 28, обеспечиваемого насосным узлом 20, на основании сигнала 25 обратной связи и сигнала 26 управления, поданного на электродвигатель 22.
На фиг.4C показан иллюстративный график частоты вращения электродвигателя в качестве иллюстративного сигнала 25 обратной связи, обеспечиваемого электродвигателем 22 в ответ на сигнал 26 управления, как показан на фиг.4A, и фактическое давление 27, как показано на фиг.4B. Горизонтальная ось на фиг.4C также обозначает время t в секундах, тогда как вертикальная ось обозначает частоту ω вращения электродвигателя в радианах в секунду. Как можно увидеть из фиг.4C, электродвигатель 22 демонстрирует зависящую от нагрузки частоту ω вращения электродвигателя. Когда подается сигнал 26 управления на фиг.4A, частота ω вращения электродвигателя на фиг.4C быстро увеличивается. Ожидается, что заданный сигнал 26 управления для управления электродвигателем приведет к определенной частоте ω вращения электродвигателя.
Однако, по мере увеличения вакуума 27 на фиг.4B, частота ω вращения электродвигателя на фиг.4C снова уменьшается. Расчетный модуль 24, таким образом, выполнен с возможностью расчета давления 28, обеспечиваемого насосным узлом 20, на основании указанного сигнала 25 обратной связи электродвигателя и сигнала 26 управления. Сигнал 25 обратной связи электродвигателя и сигнал 26 управления подаются на расчетный модуль 24, который содержит числовую модель взаимосвязи между сигналом 26 управления, сигналом 25 обратной связи электродвигателя и получающимся расчетным давлением 28. Следует отметить, что конкретные особенности числовой модели зависят от воплощения системы, например характеристик электродвигателя 22, вакуумного насоса 21, набора 10 для сцеживания и тому подобного. Специалисту в данной области будет понятно, что изменения в физической системе приводят к изменениям в числовой расчетной модели. Показанный пример следует рассматривать в качестве неограничивающего варианта осуществления. Расчетное давление 28, в свою очередь, используется узлом 23 управления для регулирования сигнала 26 управления, подаваемого на электродвигатель 22. Замкнутый контур управления, таким образом, может осуществляться без измерения фактического давления 27, обеспечиваемого насосным узлом 20.
Снова ссылаясь на фиг.3, электродвигатель 22 может представлять собой бесщеточный электродвигатель постоянного тока (БЭПТ). Использование БЭПТ имеет преимущество, заключающееся в том, что БЭПТ часто уже имеют собственное измерение частоты вращения электродвигателя, использующееся для электронной коммутации. Это измерение частоты вращения электродвигателя часто является легко доступным в виде сигнала датчика. Кроме того, БЭПТ не имеют щеток, что может приводить к изменяющемуся во времени моменту трения, таким образом характеристики частота вращения-момент четко определены. Эти два свойства делают БЭПТ хорошо подходящими для расчета прикладываемого момента электродвигателя в качестве индикатора нагрузки, которую необходимо преодолеть вакуумному насосу 21, и таким образом расчетного давления 28 в системе.
В качестве альтернативы или дополнительно, насосный узел 21 может содержать датчик 42 электродвигателя, например датчик частоты вращения, для обеспечения частоты ω вращения электродвигателя в качестве сигнала 25 обратной связи электродвигателя для расчетного модуля 24.
Узел 23 управления и расчетный модуль 24, предпочтительно, могут воплощаться посредством микроконтроллера.
Вследствие разброса характеристик устройства, механическая нагрузка для приведения в действие насосного узла 20 может быть разной для разных насосных узлов 20 одного и того же типа. Механическая нагрузка также может изменяться во время срока службы устройства, например из-за износа. В варианте осуществления, узел 23 управления, таким образом, выполнен с возможностью определения начальной механической нагрузки на основании сигнала 26 управления и сигнала 25 обратной связи электродвигателя при запуске. Следовательно, нагрузка при давлении окружающей среды может определяться для калибровки насосного узла 20. Например, ссылаясь на фиг.4A-4C, начальная частота ω вращения электродвигателя непосредственно после подачи напряжения сигнала 26 управления может использоваться для калибровки.
Ссылаясь на фиг.3, узел 23 управления может быть дополнительно выполнен таким образом, чтобы ограничивать частоту вращения электродвигателя на основании сигнала обратной связи электродвигателя и/или расчетного давления. Следовательно, более благоприятный звуковой профиль может создаваться, как объяснено выше.
Более того, узел 23 управления может быть выполнен таким образом, чтобы уменьшать частоту вращения электродвигателя в ситуации без груди, как объяснено выше.
С учетом требований обеспечения безопасности, максимальный уровень вакуума, который может задаваться, должен ограничиваться. Так как уровень вакуума, по существу, зависит от размера груди и соска, традиционные насосные узлы без обратной связи, выполнены таким образом, чтобы не превышать такой безопасный предел в самом худшем случае, т.е. для небольшого объема, подлежащего откачиванию. Следовательно, диапазон настроек насоса, которые могут задаваться пользователем, искусственно ограничен. Однако, подразумевая, что индивидуальная анатомия женщины предполагает больший объем, подлежащий откачиванию, максимальный уровень вакуума, который может быть достигнут, может быть существенно ниже, чем безопасный предел. Следовательно, уровень вакуума, который может быть наилучшим для сцеживания, может даже не достигаться. С насосным узлом 20 в соответствии с аспектом настоящего изобретения, давление, обеспечиваемое насосным узлом, может рассчитываться на основании сигнала обратной связи электродвигателя и сигнала управления. Узел 23 управления, следовательно, может быть выполнен таким образом, чтобы регулировать сигнал управления для управления электродвигателем 22 насоса на основании расчетного давления, таким образом расчетное давление не превышает предварительно заданный безопасный предел. Следовательно, посредством использования расчетного давления в качестве обратной связи, может использоваться более широкий диапазон настроек насоса. Следует отметить, что даже приблизительный расчет давления, обеспечиваемого насосным узлом, может улучшить эффективность сцеживания в этой ситуации.
Ссылаясь снова на фиг.2, выпуск 16 для молока может, если требуется, содержать клапан 18, в частности обратный клапан или клапан одностороннего действия, таким образом, что сцеженное молоко может выходить из вакуумной камеры 14, но предотвращает обратное протекание из приемника 12 в вакуумную камеру 14. Во время сцеживания молока, клапан одностороннего действия может открываться и закрываться автоматически в соответствии с зависящим от времени пониженным давлением, создаваемым насосным узлом 20, как, например, показано на фиг.4B. В начале цикла пониженного давления, пониженное давление будет создаваться в вакуумной камере 14, что заставляет клапан одностороннего действия закрываться и сцеживать молоко из груди 30. Если давление затем восстанавливается, например до атмосферного давления, во время указанного цикла, клапан одностороннего действия открывается и молоко протекает в приемник 12 для молока посредством силы тяжести.
Если требуется, вакуумная камера 14 разделяется посредством гигиеничного экрана 19 на первый участок 14' и второй участок 14'' вакуумной камеры, как показано на фиг.2. Первый участок 14' непосредственно соединен с насосным узлом 20 посредством соединителя 17 и трубки 13. Второй участок 14'' непосредственно соединен с воронкой 11 для размещения груди и выпуском 16 для молока. Гигиеничный экран 19 может, например, представлять собой воздухопроницаемую мембрану, которая является газопроницаемой и непроницаемой для жидкости. В качестве альтернативы, гигиеничный экран 19 может представлять собой непроницаемую, упругую диафрагму. Перемещение такой упругой диафрагмы показано в качестве примера на фиг.2 и обозначено стрелкой. Так как гигиеничный экран 19 является газопроницаемым или подвижным, вакуум, применяемый к первому участку 14' вакуумной камеры, также вызывает вакуум во втором участке 14'' для сцеживания молока из человеческой груди 30. Гигиеничный экран 19 предотвращает проход молока в линию 13 вакуума и/или насосный узел 20.
Фиг.5 резюмирует способ управления давлением 27, создаваемым насосным узлом 20, для молокоотсоса 1 для сцеживания молока из человеческой груди 30. На первом необязательном этапе 101, мама выбирает требуемое давление через посредство пользовательского интерфейса 40 молокоотсоса 1. На втором этапе 102, узел 23 управления обеспечивает сигнал 26 управления для управления электродвигателем 22 для приведения в действие насосного узла 20. На третьем этапе 103, получается сигнал 25 обратной связи электродвигателя 22 для приведения в действие насосного узла 20. На четвертом этапе 104, давление 28, обеспечиваемое насосным узлом 20, рассчитывается на основании сигнала 25 обратной связи электродвигателя и сигнала 26 управления. На этапе 105, сигнал 26 управления регулируется на основании расчетного давления 28. Следовательно, замкнутый контур управления обеспечивается для управления электродвигателем 22, и, таким образом, фактическим давлением 27, обеспечиваемым насосным узлом 20, на основании расчетного давления 28. В частности, фактическое давление 27 может управляться таким образом, чтобы соответствовать требуемому давлению 29 мамы. Следует отметить, что этапы, например этапы 102 и 103, также могут выполняться в другой последовательности или также выполняться параллельно, в зависимости от требований.
Хотя изобретение было подробно показано и описано на чертежах и вышеприведенном описании, такую иллюстрацию и описание следует рассматривать иллюстративными или примерными, а не ограничивающими; изобретение не ограничено на раскрытых вариантах осуществления. Другие изменения в раскрытых вариантах осуществления могут быть понятыми и осуществлены специалистами в данной области при осуществлении заявленного изобретения, из изучения чертежей, описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и единственное число не исключает множество. Один элемент или другой узел может исполнять функции нескольких объектов, перечисленных в формуле изобретения. Простой факт, что определенные меры изложены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не обозначает, что комбинация этих мер не может использоваться в качестве преимущества.
Компьютерная программа может храниться/переноситься на подходящем энергонезависимом носителе, например, оптическом носителе для хранения или твердотельном носителе, поставляемом вместе или в качестве части других аппаратных средств, но также может переноситься в других формах, например, с помощью Интернета или других проводных или беспроводных телекоммуникационных систем.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничение объема.
1. Насосный узел (20) для молокоотсоса (1) для сцеживания молока из человеческой груди (30), содержащий:
- электродвигатель (22) для приведения в действие насосного узла (20), причем электродвигатель выполнен с возможностью обеспечения сигнала (25) обратной связи электродвигателя;
- узел (23) управления для обеспечения сигнала (26) управления для управления электродвигателем (22); и
- расчетный модуль (24) для расчета давления (28), обеспечиваемого насосным узлом (20), на основании сигнала (25) обратной связи электродвигателя и сигнала (26) управления;
при этом узел (23) управления выполнен с возможностью получения требуемого давления (29), задаваемого пользователем посредством пользовательского интерфейса или предварительно заданного в насосном узле, и регулирования сигнала (26) управления на основании разницы между указанным требуемым давлением (29) и расчетным давлением (28).
2. Насосный узел по п.1, в котором электродвигатель (22) представляет собой бесщеточный электродвигатель, в частности бесщеточный электродвигатель постоянного тока.
3. Насосный узел по п.2, в котором указанный сигнал (25) обратной связи электродвигателя представляет собой сигнал (25) обратной связи электродвигателя для электронной коммутации бесщеточного электродвигателя (22), при этом указанный расчет давления (28), обеспечиваемого насосным узлом (20), основан на сигнале (25) обратной связи электродвигателя для электронной коммутации бесщеточного электродвигателя (22).
4. Насосный узел по п.1, в котором электродвигатель (22) дополнительно содержит датчик (42) электродвигателя для обеспечения сигнала (25) обратной связи электродвигателя.
5. Насосный узел по п.1, в котором сигнал (25) обратной связи электродвигателя содержит, по меньшей мере, одно из частоты вращения, силы тока, момента электродвигателя и углового смещения ротора электродвигателя.
6. Насосный узел по п.1, в котором расчетный модуль (24) выполнен с возможностью расчета расчетного параметра электродвигателя на основании сигнала управления для управления электродвигателем, с возможностью определения фактического параметра электродвигателя на основании сигнала (25) обратной связи электродвигателя и с возможностью расчета давления (28), обеспечиваемого насосным узлом (20), на основании разницы между расчетным параметром электродвигателя и фактическим параметром электродвигателя.
7. Насосный узел по п.6, в котором расчетный параметр электродвигателя представляет собой расчетную частоту вращения электродвигателя и фактический параметр электродвигателя представляет собой фактическую частоту вращения электродвигателя.
8. Насосный узел по п.1, в котором узел (23) управления выполнен с возможностью регулирования сигнала (26) управления для уменьшения до минимума разницы между требуемым давлением (29) и расчетным давлением (28).
9. Насосный узел по п.1, в котором расчетный модуль (24) содержит числовую модель взаимосвязи между сигналом управления, сигналом обратной связи и расчетным давлением.
10. Насосный узел по п.1, в котором расчетный модуль (24) содержит фильтр Калмана, в частности расширенный и/или сигма-точечный фильтр Калмана.
11. Насосный узел по п.1, в котором расчетный модуль (24) выполнен с возможностью задания начального значения расчетного давления (28) при запуске как давления окружающей среды.
12. Насосный узел по п.1, в котором узел (23) управления дополнительно выполнен с возможностью ограничения частоты вращения электродвигателя на основании сигнала (25) обратной связи электродвигателя и/или на основании расчетного давления (28).
13. Способ управления давлением (27), создаваемым насосным узлом (20), для молокоотсоса (1) для сцеживания молока из человеческой груди (30), согласно которому:
- обеспечивают сигнал (26) управления с помощью узла (23) управления для управления электродвигателем (22) для приведения в действие насосного узла (20);
- получают сигнал (25) обратной связи электродвигателя (22) для приведения в действие насосного узла (20);
- рассчитывают давление (27), обеспечиваемое насосным узлом (20), на основании сигнала (25) обратной связи электродвигателя и сигнала (26) управления; и
- настраивают узел управления на получение требуемого давления (29);
- регулируют сигнал (26) управления на основании разницы между требуемым давлением (29) и расчетным давлением (28).
