CN101652659A - 用于检测和量化流动液体中的气泡/微粒的超声波系统 - Google Patents
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Abstract
一种使用超声波能量以用于通过非侵入和非破坏性技术来检测和量化在导管中流动的液体中的气泡和/或微粒的系统具有超声波传感器,该超声波传感器具有在导管壁的外部上相对放置的压电发射机和接收机元件,并且从发射机元件向接收机元件传送超声波频率范围中的能量。放大并且检测所接收的超声波能量,并且优选地将其分离为分别用于指示在液体中不存在和存在气泡或微粒的稳态(DC)分量和变化或瞬时(AC)分量。将信号的两个分量施加到A/D转换器,将该A/D转换器的输出供应到微处理器,该微处理器使用对应于变化的瞬时分量的存在的数字数据来指示存在气泡和/或微粒,并且测量其特性。存在稳态分量指示了该系统正恰当地进行操作,以对于任何系统机能失常提供连续的自我检查。
Description
技术领域
本发明旨在一种使用超声波能量来检测和量化液体流中的气泡和/或微粒(particle)的系统。
背景技术
医学和工业的发展已经造成了对于检测和分析流动液体中的气泡和/或微粒的增长需求。工业应用包括其中微粒污染可能劣化性能的诸如发动机油和液压液体之类的产品。在医学领域中,在肾脏透析或心肺移植手术期间检测血液中的气栓(air emboli)是必须实现的功能。
相应地,存在对于提供一种能够检测存在于液体流中的气泡和/或微粒的系统的需要。还期望这种系统尽可能地简单和廉价。
发明内容
本发明旨在一种使用超声波能量以用于通过非侵入和非破坏性技术来检测和量化在导管中流动的液体中的气泡和/或微粒的新系统。根据本发明,在其中液体正在流动的导管的壁的外部上放置超声波传感器。该传感器具有压电发射机和接收机元件。向发射机元件供应超声波频率范围中的能量,该发射机元件通过导管壁和在该导管中流动的液体来向接收机元件传送超声波能量。优选地通过全波检测器来放大和检测来自感测元件的信号。该信号包括稳态(DC)和变化或瞬时(AC)分量,前者指示在液体流中不存在气泡或微粒,而后者表示在液体中存在气泡或微粒。
在本发明的优选实施例中,将由检测器产生的信号分为两个分量,一个是稳态DC,而另一个是瞬时AC。将两个信号分量施加到模数转换器,将该模数转换器的输出供应到微处理器,该微处理器使用对应于变化的瞬时分量的存在的数字数据来指示存在气泡和/或微粒,并且测量气泡和/或微粒的特性。存在稳态分量指示了该系统正在恰当地进行操作,由此对于任何系统机能失常提供了连续的自我检查。
附图说明
参考以下说明书和附图,本发明的其他目的和优点将变得更加明显,其中:
图1是本发明的系统的框图;
图2示出了在没有任何气泡或微粒存在于液体中的情况下、流经导管(tube)的液体中的传感器接收机元件的信号输出;
图3示出了具有瞬时干扰的传感器信号输出,该瞬时干扰由在导管中流动的液体中存在气泡或微粒所导致;
图4示出了所检测的信号的稳态(DC)分量;以及
图5示出了由在导管中流动的液体中存在气泡或微粒所导致的已检测信号的瞬时或AC分量。
具体实施方式
图1示出了液体12正在其中流动的导管10。例如,液体12可以是水、油、液压液体、血液或盐水。在液体流12中示出了多个气泡或微粒14。在导管10的外壁的相对侧上直径对置地安装由一对压电元件16和18形成的超声波传感器。发射机元件16在导管10的高度、或长度、尺寸中产生一束相对窄的超声波能量束。可以靠着导管10的外表面来附着传感器元件16和18,在该导管10中液体12通过任何合适的机械装置而流动,所述元件可以单独地或者两者都处于钳夹在导管周围的外壳中。在本发明的优选实施例中,靠着导管外壁来安装所述元件,而无需使用所述元件和导管壁外表面之间的超声波传导化合物(compound)。
在本发明的实践应用中,导管10是内径在1/16″(1.6mm)到1/12″(1.2mm)范围内变动的金属或玻璃硬管或者塑料硬管或软管。通过所使用的材料的类型和其他因素来设置导管的外径。可见,超声波传感器的元件16和18没有接触到在导管中流动的液体。由于没有接触液体,所以这在操作中提供了无污染的操作。
导管10一侧上的压电发射机元件16接收经过“与”门22而由时钟类型电路20提供的已知频率(例如,从1mhz到10mhz)的超声波能量。可以按照由微处理器80所控制的连续或突发模式,来将该能量供应到发射机元件16。微处理器80在线23上向“与”门22提供选通信号。当线23上的信号接通“与”门时,发射机元件16传送超声波能量经过导管10和在该导管10中流动的液体12,以由压电接收机元件18来接收该能量,该压电接收机元件18将所接收的超声波能量转换为电学电压信号。所有这些步骤是本领域公知的。
将传感器接收机元件18的输出信号施加到放大器26的输入,所述放大器26优选地是可以处置高频信号的类型,诸如RF放大器。将放大器26的输出施加到增益控制放大器28的输入。将放大器28的输出施加到检测器电路30的输入,所述检测器电路30优选地是全波类型。因为瞬时信号取决于泡和/或微粒的类型而在正向或逆向上变化并且超声波能量也加减地变化,所以全波检测器是优选的。在接通“与”门22来向传感器发射机元件16提供超声波能量的时间期间,通过经由线31而来自微处理器80的信号来切断检测器电路30。经过AGC(自动增益控制)电路32来将检测器30输出信号的一部分反馈到增益放大器28。这将放大器28的增益保持为常量。
考虑到以下情况,即当在发射机元件16传送超声波能量经过液体12的区域中、在导管10中流动的液体12中不存在气泡或微粒14时,检测器30的输出将是稳态或DC信号。这由图2中的线A示出。图3示出了具有DC分量(线A)和AC分量B两者的检测器30的输出处的电压,所述DC分量(线A)和AC分量B用于代表流经导管10的液体12的稳态和瞬时条件二者。当气泡或微粒穿过发射机元件16和接收机元件18之间的超声波能量通路时,瞬时条件发生。
在本发明的优选实施例中,将诸如图3所示的检测器电路30的输出供应到调节(conditioning)电路36,该调节电路36用于将检测器30的输出处的信号分离为两个单独分量,一个分量是如图4所示的稳态DC分量A,而另一分量是如图5所示的瞬时分量B。该调节产生了用于从检测器30接收的信号的DC分量的缓冲器输出。它包括DC分量减法(subtracting)放大器,以将DC分量消除为接近零值,并且仅传输由另一放大器放大的AC分量。进行该步骤,以使得AV分量具有满标度值,以用于如下所述的由模数(A/D)转换器进行的到数字值的转换。这许可了使用诸如8到10位类型的较不复杂的A/D转换器。
作为被分离为其DC和AC分量的原始信号的调节器电路36的输出被供应到相应的缓冲器电路37和38。缓冲器电路37的输出处的稳态信号的存在代表了总系统性能,并且提供了连续的自我检查。也就是说,如果该系统的任何电子组件(诸如,放大器26或28、检测器30或者调节电路36)故障,或者压电发射机元件16和接收机元件18中的一个或两者脱落(disbond),则缓冲器37的输出将为用于指示故障情况的零。
可能操作该系统,而无需使用将信号分离为两个分量的调节电路36。然而,这需要更复杂的、并因此上更昂贵的模数转换器和微处理器。虽然在不将信号分离为其分量的情况下操作该系统还可以提供系统操作的连续自我检查,但是由于A/D转换器的满标度输入成为限制,所以将需要更高精确度的A/D转换器(诸如,更昂贵的12-16位类型的A/D转换器),以表征泡或微粒大小。例如,如果A/D转换器具有2伏特满标度输入限制,则DC分量将占据50%,而仅为AC分量留下50%,由此限制了泡或微粒的表征。
将缓冲器电路37和38的输出供应到高速模数(A/D)转换器40的输入。A/D转换器40可以是单独的组件或可以是微处理器80的一部分。A/D转换器40相对于其接收到的信号分量在连续的基础上进行操作(例如,每10微秒进行采样),并且将数字数据供应到用于指示存在气泡或微粒并且用于分析和量化气泡和微粒的大小的微处理器80。微处理器80具有输出82,可以向任何合适类型的显示器提供该输出82,以用于由该系统的操作员进行查看。
在该系统的操作中,当气泡或微粒14穿过由发射机元件16建立的超声波能量通路时,将扰动驻波包络,以产生不同的驻波图案。随着由于在导管10中流动的液体中生成超声波能量而导致相移和声衰减发生改变,由传感器接收元件18接收的信号幅度减小。也就是说,气泡或微粒的存在将干扰由跨越用于输送液体的导管传送和接收超声波机械能量所产生的超声波能量。气泡和/或微粒将取决于气泡和/或微粒的体积/直径以及机械阻块(mechanicalblock)的量而阻滞一部分机械能量。由高频放大器26、增益控制放大器28、和检测器电路30检测接收信号的幅度的改变,该改变是通过由于存在于液体12中的气泡和/或微粒14引起的微扰而导致的。
当微处理器80从高速A/D转换器40接收数字数据时,它像脉冲高度分析器一样起作用。由微处理器通过对从缓冲器电路38接收的信号分量的采样而检测的瞬时信号相对于稳态的幅度高度改变反映了气泡和/或微粒的大小。还将微处理器80编程为进行操作以测量瞬时信号的持续时间以及其幅度随着时间的改变,由此量化气泡和/或微粒的体积或直径。也就是说,不同大小的气泡和微粒由于它们的相对横断面面积而产生不同的瞬时信号幅度。可以通过本发明的系统来相当可靠地检测具有大于向传感器发射机元件16供应的超声波能量的频率的λ/3(λ:波长)的大小的微粒和/或气泡。
还可以将微处理器80编程为对正在液体流中流动的气泡和/或微粒的数目进行计数,并且这可以在每时间单位的基础上进行。还可以计算气泡的总体积,这在一些类型的医学过程中有用。
本发明的系统具有许多优点。这些优点包括:连续的在线监视、流速率独立性和用于处置包括不透明液体的所有流体的能力。另一优点是与侵入传感器(也就是说,具有接触到液体的元件的传感器)相关联的污染的去除。该系统对于其中必须精确地计算所积累的空气体积的各种医学应用有用。在其中液体是水、血液或盐水溶液的典型应用中,使用超声波能量和其中超声波波长大约是0.15mm的10mhz的频率,该系统可以检测从0.075mm直径及更大的气泡和/或微粒大小。
由于根据本发明可以将每个特征与其他特征进行组合,所以仅为了方便而在一个或多个附图中示出了本发明的特定特征。本领域技术人员将识别替换实施例,并且上述替换实施例意欲包括在权利要求的范围内。相应地,应该将以上描述理解为阐释性的、并且没有限制本发明的范围。所有这些明显的改变和修改处于所附权利要求的专利保护范围内。
Claims (11)
1.一种用于检测在导管中流动的液体中的气泡和/或微粒的存在的系统,包括:
发射机元件和接收机元件的超声波传感器,所述发射机元件和接收机元件彼此相对地安装在导管的外部上;
超声波能量的发生器,将该超声波能量供应到所述发射机元件,并且通过在该导管中流动的液体了来传送,以由接收元件接收,并且转换为电信号,当在液体中不存在气泡和/或微粒时,该电信号具有稳态分量,而当存在气泡和/或微粒时,该电信号是瞬态分量;
放大器,用于放大来自所述传感器接收元件的电信号;
模数转换器,用于将来自所述放大器的输出的信号转换为数字数据;以及
微处理器,对数字数据进行响应,以通过所述放大器的输出处的信号幅度的改变来检测液体中的气泡和/或微粒的存在。
2.根据权利要求1的系统,还包括:检测器电路,用于接收来自所述放大器的输出的信号,所述检测器电路的输出被施加到所述模数转换器。
3.根据权利要求2的系统,其中所述检测器电路是全波检测器。
4.根据权利要求2的系统,还包括:调节电路,用于将所述检测器电路的输出处的信号分离为单独的稳态和瞬时分量信号。
5.根据权利要求3的系统,还包括:调节电路,用于将所述全波检测器电路的输出处的信号分离为被施加到所述模数转换器的单独的稳态和瞬时分量信号。
6.根据权利要求1的系统,其中所述微处理器操作为响应于不存在稳态分量来检测系统的故障。
7.根据权利要求3的系统,其中所述微处理器操作为响应于不存在稳态分量信号来检测系统的故障。
8.根据权利要求5的系统,其中所述微处理器操作为响应于不存在稳态分量信号来检测系统的故障。
9.根据权利要求1的系统,其中所述微处理器操作为基于瞬时分量的特性来确定气泡或微粒的特性。
10.根据权利要求3的系统,其中所述微处理器操作为基于瞬时分量信号的特性来确定气泡或微粒的特性。
11.根据权利要求5的系统,其中所述微处理器操作为基于瞬时分量信号的特性来确定气泡或微粒的特性。
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