超声波空气探测器的研究.docx

3超声波空气探测器的研究孙以泽1王其明21 (哈尔滨工业大学 哈尔滨 150001) 2 (威海北洋电气集团 威海 264209)摘要 针对血液采集、回输、成份分离等精密医用仪器在运行中可能出现的密封管道内空气气泡问题, 探讨了检测方法, 研制了高精度、高可靠性的超声波空气探测器, 并在新研制的血浆单采仪上获得了成功的应用。关键词 空气气泡 超声波 探测器Re sea rch on U ltra son ic W a ve A ir D e tec torSu n Y ize1 W an g Q im in g21 (H a rbin I ns t itu te of T ech nology , H a rbin 150001, C h ina )2 (W e ih a i B e iy ang E lec t r ic G roup C o. , L td , W e ih a i 264209, C h ina )A bstra c t T h e a r t ic le is a im ed a t th e p ro b lem th a t th e a ir b u b b le is p ro b ab ly o ccu r red du r in g th e p ro ce sse s o fth e b loo d co llec t in g, reve r se t ran spo r t in g an d in g red ien t sep a ra t in g w ith th e p rec ise m ed ica l in st rum en t. T h e de tec t in g m e tho d is stu d ied an d a re liab le h igh p rec ise u lt ra so n ic w ave a ir de tec to r is m ade, f in a lly a app lica t io n is a t ta in ed in o u r b loo d p la sm a co llec t in g in st rum en t.Key word s A ir b u b b le U lt ra so n ic w ave D e tec to r十分必要的。同时, 这里的理论和方法完全适用于其它工业领域对管道内流体进行异物检测或探伤。引言1目前, 国外血液采集、分离技术及设备的开发已相当成熟, 其产品已经系列化, 涵盖整个领域, 特别以美 国血液技术公司和伯特公司著名, 而国内在血液采集、 分离技术设备的开发方面, 几乎还是一片空白。随着生物技术的迅猛发展, 国内外对血液制品的需求量不断 扩大, 且日益向“精细化”方向发展, 并由此派生出系列 产品, 如血小板采集、白细胞采集等。 用血液分离仪器进行血液系统疾病及与血液相关疾病的治疗, 如临床 治疗高血压、高血脂、通过血液成份分离滤去多余的甘 油三酸脂、胆固醇等。 可见血液采集、分离技术设备的开发具有重大的社会效益和经济效益。而在血液采集、 分离技术设备中, 空气探测器是最关键的传感器件, 实时监测输液管道中是否存在空气气泡及空气气泡的大小, 这直接关系到人的生命安危。 开发成功空气探测 器, 对研制成功拥有自主知识产权的血浆单采仪也是2探测方法分析对输液管道中空气气泡的探测从原理上讲有好几种方法, 下面主要讨论三种。2. 1电容法根据电容器的原理, 在输液管道两侧各放一个电 容极板, 测量两极板间的电容变化情况, 根据这一变化推测管道内介质的变化情况, 从而达到探测的目的。 平行板电容器的电容:0 rA(1)C =d式中: C 电容器电容 (F ) ;A 极板面积 (m 2 ) ;d极板间距离 (m ) ;0 真空介电常数,0 = 8. 8510- 12 (F m ) ;r 极板间介质的相对介电常数。3 本文于 2001 年 10 月收到。第 6 期超声波空气探测器的研究585r、d、AC 与空气间隙的变化关系如图 2 所示。 可见, 当三个参数都直接影响电容的大小, 只要保C 0血液中有空气间隙时, 电容值变化明显, 根据这一原 理, 可用于探测血液中的空气气泡。2. 2光电式光电式检测器具有响应快、精度高、非接触测量等 特点。 广泛用于自动化检测与控制技术中。 其理论基 础是光电器件的光电效应, 常用的光电器件有光敏三 极管、光敏二极管等。根据其伏安特性可以方便的得到输出电压与光照强度的关系。在血液输送管道中, 当有气泡时, 由于光的反射和不同介质对光的吸收不同而 使光敏器件接收光强度发生变化从而引起输出电压的变化。利用这一原理可以区别管道中的不同介质, 从而探测出空气气泡。2. 3超声波方式超声波与一般声波的主要区别在于: 振动频率高( f 20kH z, 测量中常用频率在 0. 25 20M H z 范围)、 波长短。因而具有束射特性, 方向性强, 可以定向传播,其能量远大于振幅相同的一般声波, 有很强的穿透能 力。超声波在均匀介质中按直线方向传播, 但到达界 面或遇到不同介质时也像光波一样产生反射和折射,并服从与几何光学类似的反射、折射定律。在检测技术中, 利用超声波检测的方法有多种, 常 用的有透射法, 反射法, 频率法等。在此选用透射法, 根 据超声波在气体、液体、固体中的吸收和衰减不同, 利 用透射法来探测超声波发射和接收换能器之间是否有 气体存在, 从而制成空气探测器。其实, 这等同于连续介质的超声波探伤, 输液管道 中的气隙可以看成是液柱的内部缺陷。 当液柱中无缺 陷时, 超声波穿过液柱的能量衰减很小, 换能器接收到 的超声波能量较强。当有空气间隙时, 超声波大部分能 量被气体吸收, 其缺陷边缘产生的绕射, 在缺陷后形成 声影。 这时超声波换能器接收到的能量很小。通过上述三种方案的反复实验, 对比分析得出以 下结论:电容式虽然结构简单、灵敏度高、便于实现非接触 测量等优点, 但电容式空气探测器性能不稳定, 极易受 电路干扰, 且很难由电路消除这种干扰。光电式只对介 质的颜色敏感, 对液柱和气泡的区别不明显。超声波式探测器在液柱和固体中衰减很小, 穿透 能力强, 具有明显的界面反射和折射现象, 加之超声波的高频特性, 便于对时基脉冲和超声波脉冲计数, 以判断气泡大小和连续液柱的长度。 因而应用超声波式做持两个参数不变, 使另一个参数随被测量的变化而变化, 则可以通过测量极板间电容的变化量, 间接知道被 测参数的大小, 电容式传感器可分为间隙式、变面积 式、变介电常数式三种类型。 由空气探测器的应用环 境, 可选用介电常数式, 即根据管道流体中血液和空气或液体和空气的介电常数不同探测出是否有空气, 表1 是几种物质的相对介电常数 r。表 1材料空气聚乙烯血浆石英玻璃r1. 02. 3803. 5由表 1 可见, 空气和血浆的介电常数相差很大, 当血浆中有空气气泡时电容器两极板间的电容值会有明 显改变, 电容器结构如图 1 所示。图 1 电容式结构简图可以把气泡等效为间距为 a 的空气间隙, 两极板 固定, 有效面积为 A , 板间距为 d , 血浆相对介电常数 r , 则电容器的电容为: 0 rA C =(2)r a +(d- a )电容变化值为:0 rA 0 rA (3)C = C 0 - C =-da +()d-ar电容相对变化量为:C = 1-d(4)(r - 1) a + dC 0图 2 电容变化与空气间隙大小变化关系曲线586仪 器仪表学 报第 2 3 卷成的空气探测器, 灵敏度高, 可靠性好。 还能测出小间隙的连续小气泡, 因此, 在此研究拟采用超声波式。R C lim ( DD - V TR )V( )t = -61t tV DD + V F令 V A ( t) = V TR 的时间为 t1 , 则:- t2R t C tV TR =(V DD + V F ) e( )73探测器的硬件电路设计 V tR (8)t2 = -R tC t lim VDD + V F硬件电路设计主要包括: 脉冲发生器, 脉冲单稳器, 高频调制电路, 超声波发生器, 超声波接收器, 信号 放大、整形电路, 计数、逻辑处理电路等。其原理框图如 图 3 所示。 下面仅就关键电路进行设计计算。又由图 5 (a) , C t 的充放电方程:dU C ( t) U C ( t) + V DDiC ( t) = - C=+d tR tU C ( t) + V DD - (V DD + V F )(9)R s令 U C ( t) = V DD + V F 的时间为 tA , 则:R s (V DD + V F )tA = -(10)lnR s (V DD + V TR ) + (V TR - V F )由图 5 (b ) 有:du c ( t) V DD - U c ( t) U c ( t) + V F(11)ic ( t) = - c=+d tRR sT令 U c ( t) = V SS - V F 的时间为 tB , 则: (V DD + V F ) R s图 33. 1高频调制电路的振荡周期计算高频电路的振荡周期, 直接决定了超声波换能器 的 能 量 大 小 和 探 测 空 气 气 泡 的 精 度。 在 此, 采 用74H C 04 加补偿电阻 R s 构成改进型 CM O S 多谐振荡 电路, 如图 4 所示, 其 C t 的充放电回路可以等效成图5。设高频电路的谐振周期为 T , 由图 5, 通过求解微分tB =lnR s (2V DD - V TR ) + R t (V DD - V TR - V F )(12)(13)T = t1 + t2 + tA + tB令 R s R t = K (补偿电阻与时间电阻比值) , 有:V TR (V DD - V TR )T = - R tC t ln-(V+ VF )DD K R tC t ln K V + V -(F )DDK (V DD + V TR ) + (V TR - V F )K + 1方程式, A点电位变化关系近似表示为: (V DD + V F ) KK(14)R tC t lnK + 1K (2V DD - V TR ) + (V DD - V TR - V F )上述充放电过程波形如图 6 所示。图 4 高频振荡电路图 6 充放电波形图3. 2计数、逻辑电路设计 计数、逻辑处理电路设计如图 7 所示。 这部分电路是精确测量空气气泡大小的关键, 当气泡从医学角度看对人体有危害时, 经过计数、逻辑处 理从 R S 触发器OU T 端发出一个低电平信号。如果没 有气泡, 超声波接收器能够接收到足够强的信号, 并经 放大处理, 计数器 1、3 同时计数, 计数器 2 被复位, R S 触发器的输出为高电平。 当输液管道中空气间隙很小 或连续小气隙间的距离太大足以让计数器 1 产生溢 出, 计数器 2 不产生溢出时 ( 认为对人体无害) , R S 触图 5 C t 充放电等效回路( a) 在 t1 时间内 C t 的等效充放电回路(b) 在 t2 时间内 C t 的等效充放电回路V A ( t) = (V DD + V F ) e- tR t C t设 t= t1 时, V A ( t1 ) = V DD - V TR , 代入 (5) 有:(5)R sR tC tR s+ R tR sR tC tR s+ R t第 6 期超声波空气探测器的研究587发器输出同样是高电平。当空气间隙足够大, 超声波能量衰减较大, 计数器 1 没有溢出的时间间隔足以使计 数器 2 溢出时, R S 触发器 OU T 端输出低电平信号, 表示有对人体产生危害的空气间隙出现。 通过调整脉 冲振荡器的周期 T 1、占空比 q1、脉冲单稳器的占空比 q2、高频调制电路的振荡周期 T、计数器 1 的分频数 n 1、计数器 2 的分频数 n 2、可调节空气气泡的检测精 度。 最小检测空气间隙可达 0. 1mm 。图 8 空气探测器的实验数据度为 0. 5s 的计数脉冲输入, 不能引起计数器 1 的溢 出, 同时计数器 2 不能复位, 16 个计数脉冲输入后, 计 数器 2 溢出, R S 触发器翻转, 输出一个低电平信号报 警。从 (f) 可以看出当没有气泡或没有足以危害人体健 康的空气气泡发生时, 超声波接收器能量衰减较小, 每 个脉冲发生器的脉冲周期中有 11 个脉冲输入计数器1, 计数器 2 在每个脉冲发生器的脉冲周期复位一次, 故不产生溢出, R S 触发器由计数器 3 置为高电平, 工 作正常。从 (e)、(f)、(g ) 可以看出超声波接收器产生的 余振、干扰等经放大、整形、逻辑处理被有效的消除了。 批量生产中, 200 个空气探测器在 50 台血浆采集仪的 装机使用中, 无一故障。有效率达 100% 。实践证明这 是一种高精度、高可靠性的空气探测器。图 7 计数逻辑处理电路实验分析4实验条件: 血浆单采仪一台, 采浆耗材一套 ( 包括管路系统, 离心杯) , 血液流速为 V = 20cm s 完成一个 治疗量血浆 ( 600g ) 的采集、回输。 超声波空气探测器 安装在血浆单采仪上, 分别对血员管路及血液管路进 行空气气泡监测。图 8 是空气探测器在有气隙和无气隙的实测结 果。 (a ) 为脉冲发生器的输出, (b ) 为脉冲单稳器的输 出, (c) 为高频调制电路的