автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Бесконтактный микрорасходомер со сменным трубопроводом

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи ЧИРУХИН ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ БЕСКОНТАКТНЫЙ МИКРОРАОХОДОМЕР СО СМЕННЫМ ТРУБОПРОВОДОМ.

Специальность 05.II.13. "Приборы и штоды контроля природной среда, материалов -*. издадиа".

АВТОРЕФЕРАТ диссертации нт соисканкз ученой стегани кандидата тгхничаских наук.

Санкг-Патербург 1994

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте. Научь^т руководагго.юь -

доктор технических наук, Ивановой .

профессор Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

Доктор тохничосккх паук, Катушкин

профессор Владимир Петрович.

Кандидат технических наук, Кириллов

старшин научный сотрудник Сергей Евгеньевич.

Ведуцоо предприятие: Институт Лнадгтического Приборостроения Российской АН

Защита состоится " 4 " моля 1894 г. в >'.

час. в зуд. па заседании специализированного совета

Д.003.25. ц в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте <198013, Сзнкт-Пэтербург, Московский пр., 28). .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского . государственного технологического института. л

Замечания и отзывы в одном экземпляра, за во решаю гербовой тчатыо, просим направлять по адресу: 108013, Московский пр., 26, С-Петербургский государственный технологический институт, Ученый Совет.

Автореферат разослан " 3 " июня 190^/г.

Ученый секретарь специализированного совета:

Халимоя В.И.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Бесконтактный контроль расхода

жидкости требуется во многих случаях, но #особенно он необходим в медицине. Одним из наиболее важных применения в' медицине является приготовление плазмы из дальней крови. В настоящее время плазма отделяется центрифугированием. В процзсса центрифугирования происходит част»зов разрушение эрит_оцитов. Хая как зритроцигарная ■ масса возвращается донору, желательно избежать травмирования крави. С этой цэлыо было предаошно использовать фильтрование вместо центрифугирования. Дяя бг тгаребойноа работы фильтра в кровь непрерывно добавляется антикозгулянт в строго определенной пропорции - 0,1 от объема крови. Для этого надо контролировать расхода крови и антикоагулянта в диапазона 6-60 мл /мин. При этом необходимо обеспечить стерильность измерений. Лучшим способом достижения стерильности является возможность применения в контролирующем приборе сменных одноразовых стандартных медицинских трубопроводов.

Целью работы я в ляатся создзнш двухкаиального

мйкрорьехэдомвра крови и антикоагулянтз с номинальными величинами контролируемых расходов соответственно 60 и 6 мл/мин и гарзнгируюшего стерильность измерения. Для выполнения поставленной цели в работе решается следующие задачи:

с- анализ существующих типов бесконтактных расходомеров и

выбор метода измерения, - создание на основа выбранного метода двухкаиального микрорасходомерз со сменным трубопроводом на расходы от 6

до 60 мл/мин. Научная новизна работы состоит в том, что

- впервые предложен меточный ядерно-магнитный способ ■ . измерения малых расходов с одной катушкой без

релаксационной погрешности, повышающий амплитуду сигнала при малых расходах,

- создана методика способе измерения малых расходов с низкочастотной модуляцией шля анализатора,

- предложена конструкция преобразователя сигнала ЯМР, в

котором могут применяться сменные стандартные одноразовые медицинские трубопроводы,

- создан и исследован макет двухканалъного микрорасходомара

крови и антикоагуляпта. Практическая данность работа заключается в том, что

разработан микрорасходомер крови и антикоагулянта, обеспачиваивдш стерильность измерений. Принципы построения микрорасходомера могут быть использованы п^л создании других медицинских приборов, например, дозатора лекарств или расходомера крови для системы искусственного кровообращения. Эти приборы могут контролировать также качественные характеристики крови и лекарств. На занщу выносятся:

принципы построения меточного одаокзтушчного ядерно-магнитного микрорасходрмера с ниакачастатной модуляцией магнитного тюля анализатора, ♦ - теоретические описание работы микрорасходомера,

- конструкция преобразователей сигнала ЯМР да медицинских

расходомеров, рассчитанная на применение сменных

одноразовых стандартных медицинских трубопроводов, - предложена методика измерения расхода без релаксационной - погрешности» методика измерения времени релаксации ,ц способ обеспечения линейности шкалы.

Публикации и опробзция работы. Теме диссертации

посвяшэны 6 эд^ликации, из которых одно авторское свидетельство и два патента. Основные результаты диссертации доложены на научно-технической конференции

"Соь^ршенствовзнш средств измерения расхода жидкости, газа и пара" <С-Пэтербург, 1992 г.> . ' и • на международной научно-технической конференции "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара" <С-Пэтербург, 1994 г.> •

Структура и объем рабо^. Диссертация состоит из

введения, 4-х глав й выводов. Объем работы 127 страниц, 32 рисунка, список литературы содержит 102 наименования.

Содержание работы. Для контроля расхода крови и

антикоагулянта из соображений сохранения стерильности русла трубопровода применимы лишь бесконтактные методы. В первая главе приводится обзор бесконтактных методов измерения расхода жидкости.Бесконтактными являются тепловой, ультразвуковой, ядерно-магнитный и электромагнитный метода, причем последний, хотя и применяется для измерения расхода крови, бесконтактный "является нэ всегда. Как правило, злактроды преобразователя электромагнитного расходомера кЬнтактируют с жидкостью, поэтому данный тип расходомеров можно считать на перспективным для решения поставленной задачи.

тешювоа метод наизл широкое применение для контроля расхода жидкости в технологических процессах. Большие величины мощностей нагревателей, применяемых в приборах этого типа, могут привести к коагуляции крови. Перегрев и коагуляция хотя бы поверхностного слоя крови в трубопровода может привести к тяжелым последствиям для донора. Кроме того, низкая теплопроводность материала, из которого изготовлен медицинский трубопровод, является дополнительной трудаостыо в использовании тепловых расходомеров для измерения расхода крови. . --.■•

В современных медицинских приборах расход крови иногда контролируется допплвравским ультразвуковым и ЯМР-нетодом. При сравнительной простоте ультразвукового метода, он обладает существенным недостатком. Дм обеспечения акустического контакта со сменным трубопроводом необходимо испальзозать специальный гель. Тем не менее, дебеться акустического контакта часто бывает трудно,и из-за этого отсутствует сигнал. От этих' недостатков свободен ядерно-магнкгный метод. Благодаря очень низким ' уровням мощностей, подводимым к измеряемой среда, никакого влияния на кровь не обнаруживается. Кроме того, метод универсален и дает возможность в будущем определять качественные показатели крови на протоке, например, гематонрот, сатурацию. По этим причинам предпочтение было отдано ядерно-магнитному методу.

Во второй главе дается обзор развития ядерно-магнт-ных расходом&ров. е самого начала развитие расходомеров " этого типа делались попытки их применения в медицине. Все известные публикации касаются измерения кровотока в

конечностях и в открытых сосудах. Первое направление активно развивается в США. Там же в ковдэ 60-х годов появились первыэ серийные образцы ядерно-магнитных расходомеров для контроля технологических процессов и для измерения расхода жидкого водорода.

Известны 3 основных типа вдзрно-магнмтных расходомеров: амплитудные, нутационные и меточные.

В основу амплитудных расходомеров положен факт зависимости амплитуда сигнала ЯМР от величкны расхода жидкости. С увеличением расхода жидкости о увеличивается приток в единицу времени поляризованных ядер. Сигнал ЯМР пропорционален их количеству и, поэтому, он растет с ростом расхода.'

В меточных расходомерах кроме приемной катушки присутствует еще одна катушка - нутации или отметки. Бе задача - отметка жадности размагничиванием. Измеряя промежуток времени 4 от начала размагничивания порции жидкости и моментом ее регистрации в приэмной катушке и зная расстояние меаду катушками / и сечение трубопровода з, определяется расход а=*дз/ч.

В нутационном расходомере тоже две катушки: приемная и нутации. Амплитуда сигнала ЯМР А зависит от амплитуда индукции резонансного переменного поля В1 в сечении нутации. Обычно в нутационных расходрмерзг подархмвается такое значение амплитуда в^, при котором А=0. Если в сечении

нутации создано однородное магнитное поле, расходомер *

называется нутационным с однородным магнитаым полам, и индукция В1 пропорциональна расходу жидкости и. Если в сечении нутации присутствует градиент магшггного поля.

- 8 -

I

расходомер называется нотационным с гооднородаым магнитным шлам. В этом случае индукция ы пропорциональна расходу жидкости в степени 1/2.

Из подробного рассмотрения типов расходомеров делается вывод о том» что всем им, в тог или иной стешни, присущ релаксационная погрешность. Эта погрешность играет более заметную роль при малых расходах и малом времени релаксации II. Так как в решаемой задача величины расходов являются малыми 4от 6 до 60 мл/мин», И крови мало и различается у разных людей и зависит от гематкрстзвог^ числа, ясно, что для решения поставленной задачи нужен новый метод без релаксационной погрешности.

Третья глава посвящана разработка амплитудно-меточного расходомера без релаксационной погрешност.:. Вклад этой погрешности пропорциоанален отношению времени * прохождения отмеченной жидкости измерительного участка с к

ц :1/Т1»~г/иТ1, где ы - скорость течения жидкости. При проектировании расходомера задается номинальный расход <м> и тип жидкости <1г). Чтобы • уменьшить влияние релаксационной погрешности, нужно уменьшать т.е. сближать катушки приемную и нутации. В работе предложена конструкция расходомера с когда одна катушка выполняет роль приемной и нутации. Схема расходомера приведена на рис. I. Жидкость, протекающая по трубопроводу I, поляризуется на участке трубопровода 3. в шла магнитной системы поляризатора 2. Попадая в приемную катушку в, находящуши в шлэ анализатора 4» жидкость дает скщзл' ЯМ?. Приемная катушка соединена с приемнике*, сигнала (использовался магнитометр Щ>5). Кзтушо» кодуляДО* & ^

г

питаются лиЗь от Ш1-1, либо от генератора звуковой частоты.

"И"

г

Рис. I.

Амплитуда сигнала ЯМР прогар" цональнз ядерной намагниченности жидкости в приемной катушке. В работе показана, что при турбулентном ренате течения и при ламинарном режиме со скоростью и < 1-/гТ <Т-шригд модуляции магнитного поля анализатора, 1—-длина приемной катушки) средняя вьмагничбшюсть в катушке выглядит как:

' -Т/Т1

М Мт *+<"™--1>. ™ 1+К<ЫТ/Ц-1)е '

При. ламинарном режиме течения со старостью и > • [./¿т

М ~ Мт

5-|./ЧКТ<а

- T/Ti

1 K<L/Wl)e"T/rl •'•'.'

где Мт - намагниченность жидкости, поступающей в катушку из трубопровода, К - коэффициент отметки, принимающий значения К=0 или К—I. зависимости приведены на рис i 2. Они

о

Рис. 2.

позволяют Ьижсндаъ характер поведения амплитуда с,шала при различных К и разх?шых периодах ' модуляции Т.

Для экспериментальной проверки метода была собрана, установка, соответствующая схеме на рис. I.

Для проверки теории исследовались зависимости амплитуды (Сигнала ЯМР от расход жидкости и от периода модуляции Т., ¡при К=0. Графики этих зависимостей приведены на рис. У.

1 "и

0,8 0,6 0,4

о.г

#

• •

л

/

•

Л» 0,4

0,6

Я* V

их

0,2 0|4 0,6 0,8

Ш

0,8 О,Л 0,5 . 0,8 РИС. 3. • .. ,

Постланные графики по своему^ характеру оказались идантичвы тэорэтичвским . По ' графикам ■ оцзнить время

релаксл^ии ншу-сости, использовавшейся в эксшримвРТв. Оцэнки величины 1«; по двум • графикам • ' о: ззались близкими -л представляются разумными. "

Из анализа теоретических и экспериментальных графиков намагниченности жидкости можно сделать выводы: - при турбулентном и ламинарном режимах течения, когда 5 о,з, лучше использовать режим работы приемной системы ЯМР в таком режиме, когда К=0. При этом характеристика расходомера линейна,

- при уменьшении величины измеряемого расхода дяя увеличения амплитуды сигнала цэлесообразно испо.яьзовэ', ь низкие частота модуляции магнитного поля анализатора.

- ц -

В экспериментах была опробована кассгтз для фиксации сменного трубопровода. Испытания проводатась параллельно с исс.-едовак'^м метода измерения. Они показали, что надежную работу кассеты, представляющую собой параллзлепшвд из оргстекла с профрезеравэниой в нем канавкой по диаметру трубопровода и укрепленной в канавке двухсекционной катушки, обеспечивают лишь золоченые контактные пары от стандартных разъемов. Попытки испо~-зоват". другие контакты для соединения приемной катушки со схемой пр.вмника сигнала была неудачной из-за низкой надежности контактов. В процессе исследования было выяснено, что седловидные секции приемной катушки, намотанные спиралевидно, когда еосэдаи витки не экранирует друг друга, чают наилучшее отношение сигнал/шум.

Далее привадится описание построенного прибора. Канал' измерения расхода крови построен по схеме с раздельными ( поляризатором и анализатором (как на рис. 1>. Канлл измерения расхода антикоагулянта построен, ш схеме совмещенных анализатора и поляризатора с тем, чтобы избежать размагничивания жидкости по пути от поляризатора к анализатору (поскольку расход айтикоагулянта.на порядок ниш расхода крови». Оба канала снабжены съемными кассетами для работы с одноразовыми трубопроводами.- Приведены фбтографии внешнего веда прибора, съемных кассет с ответными частями держатблэи. Также приведены принципиальные схемы электронных блоков.

/Четвертая глава работы посвящэнэ исследованию постровгаотго макета - расходомера. На аксгоримьятальноа установке была выяснена применимость теоретических положения к решению практических задач проектирования расходомьров на

12 *

•

малые величины расходов: выбор диаметра трубопровода, параметров приемной катушки и частоты модуляции в вависимооти от ¡заданного номинального расхода жидкости. В исследованиях макета двухканального расходомера ставилась еадача выявления отимальных условии: работы собранного прибора.

Была проведена серия акспврлментов по выявлению зависимости показания расходомеров крови и антикоагулянта от величины . лапря!п0ния на модулирующих катушках и частоты модулирующего "апряжения.

При исследовании расходомера крови были сняты зависимости амплитуда сигнала оа расхода жидкости при различных: значениях напряжения ВЧ-геверации и различных значениях напряжения модуляции, варьировалась частота, модулирующего напряжения.. • Графики, ■ полученные при иослвдованчях,' приводятся в ', лссертации.. На основании-анализа графиков* были иыбрдны оптимальные 'режимы работы раоходпмерг крови, ' при которых достигается прежде всего стабильная работа автодина, а также . максимальная чувствительность прибора. Были выбраны следующие параметры: напряжение ВЧтгенерации 0,38 в, 'частота юдуляции 10 нг, напряжение-модуляции.б,6 в. '

На..рио. 4 приведена градуировочнал характеристика расходомера крови, полученная на крови теленка, жидкости, б.яиакой по своим характеристикам к крови человека. Из графика видно, что линейный участок характеристики находится между величинами расходов 20 и 100 ил/мин. Такал

характеристика позволяет решить вохтос контроля заданной величины рвохода крови во мл/юга.

Л ^ел. прибора

20 АО 60 80

О.к*/*

Рио.

Расходомер антикоагулянта исслэдовз^ся по схожей схеме. Для этого расходомера была выбрана частота модуляции 5нг. Выбранная частота модуляции позволяет получить удовлетворительную чувствительность при расходе порядка 6 мл/мин, не создавг : больших трудно^теа с частотной /характеристикой усилительного тракта. . Напряжения ВЧ-генерации выбрано как в случае с расходомером крови из соображений устойчивой . работы ' автодина и- его максимальной чувствительности. Величина напряжения модуляции выбрана 9 в, при этом получается наиболее высокая крутизна градуированной характеристики. На рис. 5 приведен градуировочный график расходомера антикоагуляйта при выбранных параметрах работы прибора.

П ^ал.приеора

*О 60 40 20

•

/ *

Рис. 5.

2 4 6 8

фмд./МИ*.

ВЫВОДУ ПО РАБОТЕ

В результате проведанной работы подучены следующие. , результаты:

I. В результате исследований зависимости амплитуда сигттла ЯМР от расхода жидкости и частоты модуляции магнитного поля анализатора разработан и теоретически обоснован способ измерения' малых расходов жидкостей с линейной вьалой. Способ ооладаег элементами амплитудного, нутационного и маточного способов, но, в отличие от меточного, в предлагаемом способе в качества катушки отметки и приемной используется одна катушка.

г. В предложенном способе устраняется релаксационная погрешность из-за- релаксации, метки, поскольку длина измерительного участка в атом .случае ' равна нулю, увеличивас гея амплитуда сигнала ЯМР! при' малых расходах; имеется возможность определений времени релаксации жидкости для кситрсия гематокрита крови и, концентрации лекарств *

3. Разработана конструкция преобразователя сигнала ядерного магнитного резонанса, позволяющая использовать сменные стандартные одноразовые медицинские трубопровода, что решает проблему стерильности русла трубопроводов. .

4. На. основе созданного способа измерения разработан «цаухкзнальный .микрорасходомер крови и антикоагулянта, рассчигталый на расходы соответственно 60 мл/мин. и в мл/мин. и работу со сменными одноразовыми медицинскими трубками. - ■ ... '

Б. Создан маквт двухканзлъного микрорасходомерэ крови и антикоагулянта с выдвижными кассетами для фиксации приемных

катуиек и одноразовых медицинских трубок, в. Исследован макет расходомера и выяснены оптимальные характеристики его работа. Получены грздуировочные графики обоих каналов расходомера Опытная эксплуатация показала высокую надежность съемных кассет и других гламестоя первичного преобразователя.

СОДЕРГНМЕ ДИССЕРГЛЦЙИ лЗЛОШЮ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Л.И. Швриавои, В.Л. Чмрухин. Ядерно-магнитный расходомер со сменным -рубопроводом. Сборник докладов на . научно-технической конференции ■ "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа : пара". С-Шторбург, 1993 г., с. 83.

2. А.И: Жерновой, В.А. Чирухин. Меточный ядерно-магнитный расходом©^ с одной катушкой, Сборник докладов на научно-тепшчг ?кой конференции '■ Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара". С-Бзтербург, 1992 г., с. 83.

3. А.И. Жерновой, В.А. Чирухин, Л.М. Шаршина. Расходомеры кровк с магнитным полем и их .лечебное действие. Сборник докладов на международной научно-техниче.счЬй конференции "Оовврше'Е твование'средств :гзморения расхода жидкости,■•• газа и парз",_ С-Иетер0ург,'1у94 г. ' с. 95. •

4. А.К. Шарнов"й, В.К. Волков,/В,Н. Ефимов, В.А. Чирухин, Л.М. Шаршина. Датчик сигнал- ядерного магнитного резонанса.

A.C. N176^29. 30;09;93. Бюл. N36. . '

5. А.И. Жерновой, В.К. Волков, В.Н. ¿фимов, В.А. Чирухтш, Л.М. Шаршина. ■'Способ измерения расхода хдадаос- и. Патент Российскьл Федерации N"2005995. 15.01.04.'Бюл. NT..

„ А.И. Жерновой, В.К. Волков, В.Н. Ефимов, Б.М. Зеликсон,

B.А. ЧкрухиК, Л.М. Шаршина. Йдерно-мэгнитный расходомер для гиазмафзреза. Патент СССР N1837839 . 30.08.93 г. Еюл. №32.

С2.<.$.ЗД о.-.к. 419—ЗС T7Z »IK -Г.ЛТöo -..»jKDäCKH.! зр., ¿6