非接觸式電容傳感器在靜脈壺液位檢測中的應用研究

張萌 王樹剛 胡文杰 楊彥芳 肖小兵 河南駝人醫療器械研究院有限公司 （河南 長垣 453400）

內容提要： 目前血液透析機中靜脈壺液位檢測常用的方式是超聲波檢測，被測液體存在氣泡時會對檢測結果有一定的影響。文章提出的靜脈壺液位檢測方式是采用非接觸式電容傳感器，以靜脈壺液位信號檢測模塊和干擾信號檢測模塊為基礎，通過電容數字轉換器模塊可以精確把電容信號轉換成數字信號，得到持續精確的液位信號，所以采用非接觸式電容傳感器應用在血液透析機靜脈壺液位檢測中，有非常好的應用前景和使用價值。

靜脈壺是在血液透析時體外循環管路上比較重要的裝置，它主要是捕捉從上游進入血路的空氣[1]。在進行血液透析前，需要把血路循環管路安裝到血液透析機的血路上，靜脈壺在血路管路靜脈管路中。在血液透析機進行自檢和預充階段時，靜脈管路會預先注射生理鹽水，血路循環管路中的氣體隨著管路進入到靜脈壺中被排出，在正常透析過程中，需要液位檢測裝置對靜脈壺的液位進行實時監控和檢測，靜脈循環管路如果存在氣體，靜脈壺中的液位就會降低，這時靜脈壺液位檢測系統就會檢測到液位信號的變化，從而進行報警以及夾緊管路的方式進行處理，防止空氣進入到患者體內[2]。

血液透析時所用到的耗材需要是無菌且有很好的生物相容性，接觸式的液位傳感器不能滿足這一要求。并且在血液透析時會受到人為的干擾，會產生額外的干擾信號。本文主要提出一種應用方法對靜脈壺的液位進行檢測，用一種非接觸式電容式傳感器應用的液位檢測，并使用兩個離靜脈壺稍遠的電容式傳感器檢測干擾信號，不容易受其他信號的干擾并且可以精確地實現液位檢測的目的。

1.技術方案

目前常用的靜脈壺液位檢測是采用超聲波的方式，該檢測裝置里面有超聲發射端以及接收端，檢測時將靜脈壺放置于超聲發射端與接收端之間，血液透析機在正常透析過程中，當靜脈壺中出現血液液面下降或者有氣泡進入靜脈血流的情況時，液位檢測器檢測出液位降低然后機器報警，血泵會立即停止轉動，同時靜脈夾會夾閉靜脈端體外循環管路，防止空氣或者氣泡進入到人體內對人體造成傷害。血液透析機靜脈壺液位檢測裝置需要和靜脈管路夾配合，實現氣體檢測、管路夾緊等動作，來保障患者在血液透析中的安全。但是超聲波測量液位的方式在液體中存在氣泡的情況下，測量信號和真實狀態誤差較大，需要進行復雜的校正算法來對檢測信號進行補償[3]。

針對上述情況，本文提出使用包含變介質式的電容傳感器的裝置，采用了非接觸式的液位檢測的方式，靜脈壺中血液不會影響非接觸電容式液位傳感器的性能，也不會飛濺到導電電極上產生誤導通的現象，提高了液位檢測電路的可靠性。電容式傳感中的傳感器采集端可以采用任意材料的金屬導體，因此可以實現低成本、高效率的檢測系統[4]。

靜脈壺液位檢測裝置包含兩個部分：一個是信號檢測裝置，主要有液位電容信號檢測、左側干擾電容信號檢測、右側干擾電容信號檢測，靜脈壺液位在實際的檢測過程中，護士會手動安裝和拆除靜脈壺，電容信號也會檢測到人的動作，從而會產生人為的電容干擾信號，干擾信號會嚴重影響到靜脈壺液位的檢測精度；另一個是信號處理裝置，主要有信號濾波裝置、信號預處理裝置、傳入微處理器算法處理。當靜脈壺中的液位發生變化時，信號檢測裝置把傳感器檢測到的電容信號傳遞給信號處理裝置，電容信號經過信號濾波以及預處理后傳送到微處理器中，最終就可以得到精準的、實時的靜脈壺液位信號。

液位檢測裝置的系統組成如圖1所示。

圖1. 液位檢測裝置系統組成

在本文中液位檢測采用的電容數字轉換器模塊是FDC2214，該模塊的電路原理圖如圖2所示，該模塊高度集成的抗噪芯片，在噪聲比較大的環境中也能準確地采集到信號，該模塊在使用時可對噪聲進行高度抑制，同時在快速移動的情況下也能采集到具有高分辨率的信號[5]。對于快速上升的液體也能做到精準的檢測，在血液透析機中靜脈壺的液位檢測也會得到很好的應用。

圖2. 電容數字轉換器模塊電路原理圖

靜脈壺液位檢測在實際的應用檢測中，電容數字轉換器利用液體的感應電容來檢測靜脈壺中的液體情況。當靜脈壺中的液位較低時，液體對應的電容也會比較少，電容傳感器檢測到的電容信號也比較弱，當靜脈壺中液位慢慢升高后，傳感器檢測到的電容信號也會變大，液位升高導致電容信號的變化，該變化輸入電容數字轉換器后進行信號轉換，同時控制單元也會輸出一個電壓信號。當靜脈壺中的液位不在上升并達到穩狀態時，電容信號會持續保持不變的輸出，同時轉換成電信號輸出給控制單元，從而實現靜脈壺在不同液位時的連續動態輸出。

2.實驗結果

本文將上述傳感器安裝在血液透析機靜脈壺固定裝置的內部，電路板隱藏在靜脈壺固定裝置內部，整體結構緊湊而且美觀。根據實際的檢測需求制作了檢測裝置來驗證電容式傳感器對于靜脈壺液位的檢測，如圖3所示。該液位檢測裝置集成了電路板以及電容式傳感器，其中傳感器1和2是用來檢測人為干擾信號，液位信號傳感器3和4是用來檢測靜脈壺的液位，這樣的組合方式會更加精確地檢測靜脈壺中的液位。

圖3. 簡易靜脈壺液位檢測裝置

靜脈壺中的液體的變化對應著電容值的變化，而電路板通過檢測電容值的變化來判斷靜脈壺中的液位情況。往靜脈壺中注入液體，測量靜脈壺0～80mm范圍內的液位變化時液體電容值的變化，以5mm為變化值進行測量，得到靜脈壺中液體電容值隨著液位上升的結果如圖4所示。由圖4可以看出電容值會隨著液位上升而增大。

圖4. 電容值隨液位高度變化曲線

連接四個傳感器一端連接在檢測裝置并固定好后，把另一端連接到電路板上，固定好檢測裝置，將靜脈壺放入對應的位置，向靜脈壺注射液體模擬靜脈壺實際運行的狀態，把四個傳感器檢測得到的信號進行預處理后傳入微控制器，然后再利用軟件對數據進行處理。以10mL/Min的速度勻速向靜脈壺內注射液體，觀察液位信號和人為干擾信號的變化趨勢。其中干擾信號是左右兩側傳感器產生的數據的加權平均值，液位信號是液位傳感器產生的數據。測試結果如圖5所示，在靜脈壺液位慢速上升時，液位傳感器檢測到的電容信號先緩慢上升并逐漸趨緩穩定，人為產生的干擾信號對液位信號的影響不大。

圖5. 緩慢注射時液位信號和干擾信號波形圖

在血液透析機正常運轉時，靜脈壺中會出現氣體的情況，所以在靜脈壺注入液體時人為向靜脈壺內注射氣體來檢驗液位檢測的準確性。先向靜脈壺內注入液體，再注射氣體，氣體會產生擾動，記錄數據并觀察波形，實驗結果如圖6所示。

圖6. 有氣泡時液位信號和干擾信號波形圖

由圖6可以看出，向靜脈壺內注射液體時電容值變大，等液位不上升時靜脈壺液位信號趨于平穩，人為注入空氣使靜脈壺內部出現氣體時，干擾信號有明顯的變化，而液位傳感器檢測靜脈壺的液體電容值沒有太大的變化。所以在靜脈壺液位檢測時使用該非接觸電容式傳感器，靜脈壺里面液體的電容值受氣泡的影響較小，所得到的液位信號也會更加精確。

3.小結

相對比傳統的靜脈壺液位檢測方式來說，電容式傳感器檢測更加方便快捷，組成結構相對簡單，同時不會受到氣泡、人為操作等干擾信號的影響，檢測結果比較準確，在靜脈壺液位檢測有很好的應用場景。電容式傳感器靈敏度好、動態響應好并且成本相對較低，不需要額外的誤差補償算法來對檢測結果進行優化，靜脈壺中被檢測液體的液位是動態的、不斷變化的，非接觸式電容傳感器也比較適用于動態液體的液位檢測。并且運用電容式傳感器對靜脈壺的液體進行檢測時，檢測結果不會受到氣體中氣泡的影響，檢測精度會比傳統的檢測方式要高。

血液透析機在透析過程中的氣泡監測是對患者的保障，防止氣體進入到患者體內，以免空氣進入到患者體內發生危險。本文所采用的電容式傳感器不僅可以用于血液透析機中靜脈壺的液位檢測，也可以用于血液透析機中進水室、空氣分離室中的液位檢測，采用非接觸式對液位進行檢測，配合軟硬件實現更加精準和穩定的液位檢測方式。