一種測(cè)量引流液體流速的傳感器的設(shè)計(jì)

于學(xué)龍，劉傳永，張衛(wèi)平，張明，韓愛民

（山東省藥學(xué)科學(xué)院，濟(jì)南250101）

1 引 言

外科手術(shù)后，出現(xiàn)的積水、積液、滲出液很容易引起局部及全身并發(fā)癥，需要使用專門的負(fù)壓吸引裝置將積水、積液和滲出液吸出，以確保患者術(shù)后的正常恢復(fù)。然而，術(shù)后積液吸取的速度不能過快或者過慢，否則會(huì)對(duì)患者的術(shù)后恢復(fù)造成影響。目前，負(fù)壓引流術(shù)在外科手術(shù)中普遍使用，其原理是在負(fù)壓源的作用下將傷口滲出的體液收集到引流容器中，在此過程中只對(duì)負(fù)壓源的壓力進(jìn)行控制，無法對(duì)滲出液的流速、流量進(jìn)行測(cè)量和控制，對(duì)于在使用過程中由于各種原因造成的管路阻塞等影響引流效果的故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，影響患者術(shù)后的正常恢復(fù)，甚至引起并發(fā)癥等嚴(yán)重后果［1］。因此，對(duì)滲出液的流速、流量進(jìn)行安全有效的監(jiān)測(cè)很有必要。

目前，檢測(cè)液體流量的方法很多，主要有電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等幾種形式［2］。質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度高，但是在測(cè)量低速小流量液體時(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜；超聲波流量計(jì)在測(cè)量低速流、小流量液體時(shí)，測(cè)量誤差較大；電磁流量計(jì)的量程范圍大、不受測(cè)量介質(zhì)密度的影響、不受氣壓溫度等環(huán)境因素的影響，只要求被測(cè)介質(zhì)具有導(dǎo)電性即可。市場(chǎng)上微小量程的流量計(jì)主要有德國(guó)凱恩姆、澳大利亞TRIMECIND、西班牙FLOMID、杭州微標(biāo)、北京首科實(shí)華等，其最小管徑尺寸大約為4 mm，微小量程的范圍均在10 mL/min以上，量程范圍小于10 mL/min的只有美國(guó)McMillan一家，其價(jià)格昂貴。針對(duì)醫(yī)療領(lǐng)域的流速低、流量小的特點(diǎn)，我們根據(jù)人體體液可以導(dǎo)電的特性，采用法拉第電磁感應(yīng)定律的原理，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量引流液體流速的傳感器。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 理論原理

磁流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分構(gòu)成，見圖1。它是基于法拉第電磁感應(yīng)定律進(jìn)行工作，是一種測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)體積流量的感應(yīng)式儀表。

圖1 傳感器的原理圖Fig 1 Operational principle of seneor

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理：在閉合電路中，穿過回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小與穿過回路的磁通量變化率成正比，即e＝n（dΦ）/（dt）。在與測(cè)量軸線和磁力線相垂直的管壁上安裝了一對(duì)檢測(cè)電極，當(dāng)導(dǎo)電液體沿測(cè)量管軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，此感應(yīng)電勢(shì)由兩個(gè)檢測(cè)電極檢出。穿過回路磁通量的變化為：

式中：E—感應(yīng)電勢(shì)；K—與磁場(chǎng)分布及軸向長(zhǎng)度有關(guān)的系數(shù)；B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；V—導(dǎo)電液體平均流速；D—電極間距（測(cè)量管內(nèi)直徑）。

由于B、D、K已知，流速V正比于感應(yīng)電勢(shì)E。E經(jīng)過放大、濾波變換等一系列的數(shù)字處理后，通過測(cè)量E的大小即可以確定流速V的大小。

勵(lì)磁方式主要有三種：直流勵(lì)磁、交流勵(lì)磁和低頻方波勵(lì)磁。由于直流勵(lì)磁易使導(dǎo)電液體產(chǎn)生極化現(xiàn)象，交流勵(lì)磁容易產(chǎn)生正交和同相干擾，低頻方波勵(lì)磁整合前兩者的優(yōu)點(diǎn)，既避免直流勵(lì)磁易產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，又能克服交流勵(lì)磁受電干擾影響的特點(diǎn)。自七十年代以來，人們開始采用低頻方波勵(lì)磁方式，方波勵(lì)磁電流的頻率為工頻的1/4到1/10［3］，我們選用12 Hz。

2.2 電氣控制

電氣系統(tǒng)部分采用STC15F2K60S2為主控制器，其工作頻率可達(dá)20 MHz，處理速度快，具有60 K程序存儲(chǔ)器和2KRAM［4］。采用 AD7770芯片對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，該芯片是高分辨率、高精度的Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低噪聲、高轉(zhuǎn)換速度的特點(diǎn)，具有串行數(shù)據(jù)輸出。

系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊，分別是勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊、濾波放大器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、人機(jī)交互模塊、電源變換模塊。其電路結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 電路結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Diagram of circuit

濾波放大器模塊主要包括低通濾波電路、差分放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路，見圖3［5］。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波電路進(jìn)行初步濾波、降低高頻噪聲干擾。再對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分放大，然后輸入到AD7770，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖3 信號(hào)濾波、A/D轉(zhuǎn)換Fig 3 Circuit for filter and A/D conversion

勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)模塊主要包括光電隔離、H橋驅(qū)動(dòng)電路，見圖4［6］。STC15F2K60S2利用定時(shí)器產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)經(jīng)過光電耦合器 TLP293，驅(qū)動(dòng) H橋驅(qū)動(dòng)器L9904，控制橋臂上的四個(gè) MOSFET官。當(dāng) T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)閉，電流I1經(jīng)過T1流入電感L1的1端，從電感L1的2端經(jīng)過T4流入地GND；T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)閉，電流I2經(jīng)過T3流入電感L1的2端，從電感L1的1端經(jīng)過T2流入地GND。I1＝I2，在電感L1中形成交變電流，從而產(chǎn)生所需要的交變磁場(chǎng)。

人機(jī)交互模塊采用MW19264液晶顯示器，配以3X4矩陣鍵盤。

圖4 勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電路Fig 4 Excitation circuit

2.3 軟件設(shè)計(jì)與濾波

軟件部分見圖5，主要包括主程序、初始化程序、算法程序、人機(jī)交互程序。可以通過人機(jī)交互程序進(jìn)行濾波參數(shù)設(shè)置、改變勵(lì)磁頻率、校正顯示結(jié)果等功能。

由于存在工頻干擾、勵(lì)磁頻率干擾、尖峰干擾，設(shè)計(jì)了FIR濾波器對(duì)流量采樣值進(jìn)行FIR濾波。在調(diào)試過程中，通過調(diào)整濾波器系數(shù)，改善濾波器性能。

圖5 軟件框圖Fig 5 Block diagram of software

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用稱重校準(zhǔn)法，即稱量一定時(shí)間段內(nèi)流過傳感器的生理鹽水的重量，換算出實(shí)際的流速、流量與傳感器的顯示值進(jìn)行對(duì)比。

由于管路的直徑D已知，管路的截面積：

根據(jù)式（3）和（4）可以得出體積流量：

傳感器的口徑為4 mm，量程為2.5 mL/s（流速為625 mm/s），介質(zhì)為0.9%的生理鹽水，生理鹽水的密度為1009 Kg/m3。計(jì)時(shí)器選用電子秒表，稱重儀器選用PL203型的梅特勒電子天平，最大稱量值是 210 g，精度 0.001 g，重復(fù)性 0.001 g［7-8］。校準(zhǔn)情況見表1。

表1 校準(zhǔn)誤差表Table 1 Calibration chart

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)提供了一種測(cè)量人體體液的低流速、微小流量的測(cè)量方法，通過硬件濾波、數(shù)字濾波減少干擾，為負(fù)壓引流術(shù)提供了一種新的安全保障手段。通過校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量誤差小于3%，重復(fù)誤差小于1.5%。經(jīng)過在江西一公司研制的顱腦積液吸收器的使用，其性能基本滿足臨床對(duì)人體體液的控制要求。