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(ài)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(zhuān)門(mén)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?；謴?fù)。然而，術(shù)后積液吸取的速度不能過(guò)快或者過(guò)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(guò)程中只對(duì)負(fù)壓源的壓力進(jìn)行控制，無(wú)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(guò)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(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，影響患者術(shù)后的正?；謴?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(jiàn)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(guò)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(guò)回路的磁通量變化率成正比，即e＝n（dΦ）/（dt）。在與測(cè)量軸線(xiàn)和磁力線(xiàn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)電液體切割磁力線(xiàn)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(guò)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(guò)放大、濾波變換等一系列的數(shù)字處理后，通過(guò)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(lái)，人們開(kāi)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(jiàn)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(jiàn)圖3［5］。傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jiàn)圖4［6］。STC15F2K60S2利用定時(shí)器產(chǎn)生勵(lì)磁信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)T1流入電感L1的1端，從電感L1的2端經(jīng)過(guò)T4流入地GND；T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)閉，電流I2經(jīng)過(guò)T3流入電感L1的2端，從電感L1的1端經(jīng)過(guò)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(pán)。

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(jiàn)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?？梢酝ㄟ^(guò)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(guò)程中，通過(guò)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(chēng)重校準(zhǔn)法，即稱(chēng)量一定時(shí)間段內(nèi)流過(guò)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(chēng)重儀器選用PL203型的梅特勒電子天平，最大稱(chēng)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(mǎn)足臨床對(duì)人體體液的控制要求。