涂家海，李華中

(1.湖北廣播電視大學(xué)電信工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)(2.光谷技術(shù)股份公司，湖北 武漢 430020)

注射泵通常用在制藥、輸液和計(jì)量等場合，將注射泵和輸出管道的空氣排空是其工作中的重要過程，對注射泵空氣排空進(jìn)行自動檢測是實(shí)現(xiàn)注射泵自動控制的重要環(huán)節(jié)。目前，常用檢測法有目測法、攝像觀察法、單點(diǎn)檢測法等[1-3]。其中目測法和攝像觀察法需要由人去操作；單點(diǎn)檢測法是對輸出管道某點(diǎn)介質(zhì)變化進(jìn)行檢測，由于檢測對象是連續(xù)的氣液兩相流體，只能作單點(diǎn)檢測判斷，一是誤判率高[4-5]，二是不能測量輸出管道介質(zhì)流速，無法計(jì)算輸出管道空氣排空時間，不能滿足注射泵控制系統(tǒng)對注射泵和輸出管道進(jìn)行空氣排空檢測的需求。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于兩點(diǎn)紅外檢測的注射泵空氣排空檢測裝置，在輸出管道上分別設(shè)上、下游紅外檢測點(diǎn)，使用單片機(jī)對兩檢測點(diǎn)信號進(jìn)行采樣、存儲，提取氣液兩相介質(zhì)變化的信號，計(jì)算輸出管道溶液流速和輸出管道空氣排空時間，根據(jù)注射泵和輸出管道排空條件，給出排空判斷信號。

1 排空檢測的方法

基于紅外光檢測原理[6]，利用紅外光檢測管道內(nèi)介質(zhì)變化，使用紅外對管、單片機(jī)和檢測電路等制作檢測裝置。如圖1所示，在注射泵輸出管道上設(shè)上、下游檢測點(diǎn)，分別安裝紅外對管，紅外對管由紅外線發(fā)射管與紅外線接收管組成，紅外線發(fā)射管發(fā)出的紅外光從管道一側(cè)徑向透過輸液管到達(dá)另一側(cè)的紅外線接收管，紅外線接收管是一支只對紅外光有反應(yīng)的光敏三極管，其功能是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，利用外接電路輸出電壓信號，而且這個電壓信號隨著光的變化而相應(yīng)變化。通過區(qū)分電壓信號的電壓值的高低，劃分出輸出管道氣液兩相介質(zhì)。紅外光通過氣泡時，在氣泡表面產(chǎn)生反射和折射，其衰減很大，紅外線接收管輸出高電平；紅外光通過液體時，由于管內(nèi)液體徑向截面形成凸透鏡，會將分散的紅外光聚焦，從而增強(qiáng)紅外光強(qiáng)度，紅外線接收管輸出低電平。根據(jù)相似原理，在管道內(nèi)一定流速的介質(zhì)流經(jīng)上、下游檢測點(diǎn)時的狀態(tài)相似[7]，通過測量其經(jīng)過兩檢測點(diǎn)的時間，已知兩檢測點(diǎn)間距，可計(jì)算溶液流速，再根據(jù)已知輸出管道長度，可計(jì)算出輸出管道空氣排空時間。

注射泵控制系統(tǒng)中空氣排空包括注射泵空氣排空和輸出管道空氣排空兩部分。注射泵空氣排空的判斷條件：一是輸出管道上、下游兩檢測點(diǎn)介質(zhì)均為液體，即兩點(diǎn)檢測的信號均為低電平；二是流入上游檢測點(diǎn)的氣泡全部經(jīng)過了下游檢測點(diǎn)，即兩檢測點(diǎn)信號跳變數(shù)量相等。輸出管道空氣排空的判斷條件：一是注射泵空氣排空；二是在注射泵排空后，繼續(xù)按既定流速排空管道空氣，其時長為根據(jù)流速和管長所計(jì)算的輸出管道排空時間。

圖1 兩點(diǎn)檢測原理

如圖1所示，上、下游檢測點(diǎn)信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分別為x1(t)和x2(t),其中t為采樣時刻，根據(jù)相似原理，信號x2(t)與信號x1(t)相似，且在時間上相差介質(zhì)流經(jīng)兩檢測點(diǎn)信號時差ζ，即x2(t)=x1(t+ζ)。在排空過程中，管道內(nèi)為氣液兩相介質(zhì)，根據(jù)紅外檢測的特性，檢測信號是跳變信號。信號跳變分下降沿跳變和上升沿跳變。下降沿跳變表示檢測到管道介質(zhì)由氣相變液相，上升沿跳變表示檢測到管道介質(zhì)由液相變氣相。本文采用對比連續(xù)采樣信號值的方法提取下降沿跳變信號，設(shè)跳變信號為y(t),將當(dāng)前采樣信號值x(t)與前一次采樣信號值x(t-1)進(jìn)行比較，x(t)

(1)

通過累計(jì)跳變信號得到輸出管道內(nèi)介質(zhì)流經(jīng)檢測點(diǎn)氣泡數(shù)z(t)：

(2)

溶液流速V為：

(3)

式中：l為上、下游兩檢測點(diǎn)間距。

輸出管道排空時間T為：

(4)

式中：L為輸出管道長度。

通過式(2)計(jì)算某一時刻流經(jīng)上、下游檢測點(diǎn)氣泡數(shù)分別為z1(t)，z2(t)，設(shè)注射泵空氣排空信號為f(t)，在滿足以下3個條件情況下f(t)=1：1)在t時刻，流經(jīng)上、下游兩檢測點(diǎn)的氣泡數(shù)相等,z1(t)=z2(t)；2)在t時刻，上、下游兩檢測點(diǎn)的信號x1(t),x2(t)均為低電平；3)滿足1)、2)條件,表示注射泵空氣已排空，現(xiàn)轉(zhuǎn)為輸出管道空氣排空，排空時長為輸出管道排空時間T。如果上述3個條件成立，表明注射泵和輸出管道的空氣均已排空，其中前兩個條件表明注射泵空氣排空，第三個條件表明在注射泵內(nèi)空氣排空后，繼續(xù)將輸出管道的空氣排空。表達(dá)式如下：

z1(t-T)-z2(t-T)=0 andx1(t-T)=0

(5)

2 檢測裝置設(shè)計(jì)

檢測裝置由硬件和軟件組成。硬件由單片機(jī)、紅外對管、整形放大電路、顯示電路等組成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時采樣、信號整形、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)輸出等功能。軟件由主程序和子程序等組成，實(shí)現(xiàn)算法計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和條件判斷等功能。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，采用紅外對管對輸出管道內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行檢測，紅外對管由高發(fā)射功率砷化鎵紅外線發(fā)射管和高靈敏度的光敏三極管組成，上、下游兩點(diǎn)傳感器間距為100 mm。選用型號為STC5A60S2的單片機(jī)對信號進(jìn)行采樣和處理，單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器和存儲器。采樣頻率為400 Hz，周期為2.5 ms，在輸出管道介質(zhì)流速不大于200 mm/s時,能檢測到最小氣泡的直徑為2 mm。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，紅外對管U2和U3的紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光徑向穿透輸出管照射到高靈敏光敏三極管上，光敏三極管的集電極分別接單片機(jī)U1的P1.0、P1.1管腳，檢測信號經(jīng)單片機(jī)U1內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)?位數(shù)字信號并存儲到存儲器。排空判斷信號由單片機(jī)U1的P2.7管腳輸出，經(jīng)三極管Q1放大，推動繼電器K1輸出，上、下游檢測信號、排空輸出信號分別由單片機(jī)U1的P2.6、P2.5、P2.4管腳輸出,驅(qū)動指示燈D1、D2、D3顯示。

圖3 系統(tǒng)電路原理圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件包括主程序和子程序。主程序?qū)崿F(xiàn)中斷設(shè)置、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置和循環(huán)顯示等功能。設(shè)置定時器計(jì)時采樣，采樣頻率為400 Hz，計(jì)時器初始值設(shè)為2.5 ms。A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端為單片機(jī)U1的P1.0和P1.1管腳，輸出結(jié)果為8位數(shù)字，轉(zhuǎn)換速率為180個時鐘周期。

中斷服務(wù)程序流程如圖4所示，重置定時器采樣周期，對兩檢測點(diǎn)信號進(jìn)行采樣，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、存儲。通過對存儲數(shù)據(jù)前后值對比分析，獲取兩檢測點(diǎn)跳變信號，對其分別進(jìn)行累計(jì)，測量兩檢測點(diǎn)信號時差，計(jì)算介質(zhì)流速及輸出管道排空時間，根據(jù)判斷條件輸出結(jié)果，并返回主程序。

3 效果驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)檢測裝置的效果，采用了300 ml注射針筒和硅膠軟管模擬注射泵和輸出管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。考慮到溶液顏色和管壁厚度對光通量的影響，設(shè)計(jì)了可調(diào)電阻R10和R11，通過可調(diào)電阻調(diào)整光傳感器輸出電壓值，從而提高檢測裝置對不同介質(zhì)的兼容性。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，該裝置滿足設(shè)計(jì)要求，能夠?yàn)樽⑸浔每刂葡到y(tǒng)提供準(zhǔn)確的判斷信號。目前該檢測裝置已在I131給藥器等設(shè)備上應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 中斷服務(wù)程序流程圖

4 結(jié)束語

本文以單片機(jī)為核心，使用紅外對管設(shè)計(jì)的空氣排空檢測裝置，利用紅外光檢測管道內(nèi)介質(zhì)變化，通過對兩檢測點(diǎn)信號變化提取、分析，測算出管道介質(zhì)變化和流速，計(jì)算輸出管道空氣排空時間，從而實(shí)現(xiàn)對注射泵空氣排空檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以滿足注射泵控制系統(tǒng)對注射泵空氣排空檢測的需求。