一种测量引流液体流速的传感器的设计

于学龙，刘传永，张卫平，张明，韩爱民

（山东省药学科学院，济南250101）

1 引 言

外科手术后，出现的积水、积液、渗出液很容易引起局部及全身并发症，需要使用专门的负压吸引装置将积水、积液和渗出液吸出，以确保患者术后的正常恢复。然而，术后积液吸取的速度不能过快或者过慢，否则会对患者的术后恢复造成影响。目前，负压引流术在外科手术中普遍使用，其原理是在负压源的作用下将伤口渗出的体液收集到引流容器中，在此过程中只对负压源的压力进行控制，无法对渗出液的流速、流量进行测量和控制，对于在使用过程中由于各种原因造成的管路阻塞等影响引流效果的故障无法及时发现和处理，影响患者术后的正常恢复，甚至引起并发症等严重后果［1］。因此，对渗出液的流速、流量进行安全有效的监测很有必要。

目前，检测液体流量的方法很多，主要有电磁流量计、超声波流量计、质量流量计等几种形式［2］。质量流量计准确度高，但是在测量低速小流量液体时结构复杂；超声波流量计在测量低速流、小流量液体时，测量误差较大；电磁流量计的量程范围大、不受测量介质密度的影响、不受气压温度等环境因素的影响，只要求被测介质具有导电性即可。市场上微小量程的流量计主要有德国凯恩姆、澳大利亚TRIMECIND、西班牙FLOMID、杭州微标、北京首科实华等，其最小管径尺寸大约为4 mm，微小量程的范围均在10 mL/min以上，量程范围小于10 mL/min的只有美国McMillan一家，其价格昂贵。针对医疗领域的流速低、流量小的特点，我们根据人体体液可以导电的特性，采用法拉第电磁感应定律的原理，设计了一种测量引流液体流速的传感器。

2 设计方案

2.1 理论原理

磁流量计由传感器和转换器两部分构成，见图1。它是基于法拉第电磁感应定律进行工作，是一种测量导电介质体积流量的感应式仪表。

图1 传感器的原理图Fig 1 Operational principle of seneor

根据法拉第电磁感应原理：在闭合电路中，穿过回路的磁通量发生变化时，回路中的感应电动势e的大小与穿过回路的磁通量变化率成正比，即e＝n（dΦ）/（dt）。在与测量轴线和磁力线相垂直的管壁上安装了一对检测电极，当导电液体沿测量管轴线运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势由两个检测电极检出。穿过回路磁通量的变化为：

式中：E—感应电势；K—与磁场分布及轴向长度有关的系数；B—磁感应强度；V—导电液体平均流速；D—电极间距（测量管内直径）。

由于B、D、K已知，流速V正比于感应电势E。E经过放大、滤波变换等一系列的数字处理后，通过测量E的大小即可以确定流速V的大小。

励磁方式主要有三种：直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。由于直流励磁易使导电液体产生极化现象，交流励磁容易产生正交和同相干扰，低频方波励磁整合前两者的优点，既避免直流励磁易产生的极化现象，又能克服交流励磁受电干扰影响的特点。自七十年代以来，人们开始采用低频方波励磁方式，方波励磁电流的频率为工频的1/4到1/10［3］，我们选用12 Hz。

2.2 电气控制

电气系统部分采用STC15F2K60S2为主控制器，其工作频率可达20 MHz，处理速度快，具有60 K程序存储器和2KRAM［4］。采用 AD7770芯片对模拟信号进行数字转换，该芯片是高分辨率、高精度的Σ-Δ模数转换器，具有低噪声、高转换速度的特点，具有串行数据输出。

系统主要包括5个模块，分别是励磁驱动模块、滤波放大器模块、A/D转换模块、人机交互模块、电源变换模块。其电路结构见图2。

图2 电路结构图Fig 2 Diagram of circuit

滤波放大器模块主要包括低通滤波电路、差分放大电路、A/D转换电路，见图3［5］。传感器输出信号经过低通滤波电路进行初步滤波、降低高频噪声干扰。再对信号进行差分放大，然后输入到AD7770，转换为数字信号。

图3 信号滤波、A/D转换Fig 3 Circuit for filter and A/D conversion

励磁驱动模块主要包括光电隔离、H桥驱动电路，见图4［6］。STC15F2K60S2利用定时器产生励磁信号经过光电耦合器 TLP293，驱动 H桥驱动器L9904，控制桥臂上的四个 MOSFET官。当 T1、T4导通，T2、T3关闭，电流I1经过T1流入电感L1的1端，从电感L1的2端经过T4流入地GND；T2、T3导通，T1、T4关闭，电流I2经过T3流入电感L1的2端，从电感L1的1端经过T2流入地GND。I1＝I2，在电感L1中形成交变电流，从而产生所需要的交变磁场。

人机交互模块采用MW19264液晶显示器，配以3X4矩阵键盘。

图4 励磁驱动电路Fig 4 Excitation circuit

2.3 软件设计与滤波

软件部分见图5，主要包括主程序、初始化程序、算法程序、人机交互程序。可以通过人机交互程序进行滤波参数设置、改变励磁频率、校正显示结果等功能。

由于存在工频干扰、励磁频率干扰、尖峰干扰，设计了FIR滤波器对流量采样值进行FIR滤波。在调试过程中，通过调整滤波器系数，改善滤波器性能。

图5 软件框图Fig 5 Block diagram of software

3 实验结果

采用称重校准法，即称量一定时间段内流过传感器的生理盐水的重量，换算出实际的流速、流量与传感器的显示值进行对比。

由于管路的直径D已知，管路的截面积：

根据式（3）和（4）可以得出体积流量：

传感器的口径为4 mm，量程为2.5 mL/s（流速为625 mm/s），介质为0.9%的生理盐水，生理盐水的密度为1009 Kg/m3。计时器选用电子秒表，称重仪器选用PL203型的梅特勒电子天平，最大称量值是 210 g，精度 0.001 g，重复性 0.001 g［7-8］。校准情况见表1。

表1 校准误差表Table 1 Calibration chart

4 结论

本设计提供了一种测量人体体液的低流速、微小流量的测量方法，通过硬件滤波、数字滤波减少干扰，为负压引流术提供了一种新的安全保障手段。通过校准实验，测量误差小于3%，重复误差小于1.5%。经过在江西一公司研制的颅脑积液吸收器的使用，其性能基本满足临床对人体体液的控制要求。