CN104807513B - 光学流量测量装置及操作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种流量测量装置。该流量测量装置包括：用于容纳液流的容器；与所述容器相关的多个光学传感器，所述多个光学传感器中的每一个光学传感器在液体达到所述容器中的与每个光学传感器相关的水平线时产生输出信号；用于根据至少一个预定温度补偿因子修改所述输出信号的装置；以及用于由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速的装置。

Description

光学流量测量装置及操作方法

技术领域

本公开涉及流量测量装置和操作该装置的方法。具体地，本公开涉及一种用于检查医用注射装置的光学流量测量装置，所述光学流量测量装置补偿温度对光学传感器的影响。

背景技术

在治疗病患时，重要的是病人接受正确剂量的药品或药物，这些药品或药物用医用注射装置来给药。医用注射装置已为公众所知很多年了，并且经常被应用在医护人员手动给药不现实、不可靠或者过于昂贵的场合。例如，医用注射装置可以低至每小时0.1 ml的流速来给药。它们可以每隔一分钟左右提供一剂药或者根据病人要求重复供应药丸，最高可达每小时的最大数量(例如，采用病人自控镇痛的方式)，或者它们也可以供应体积随一日的不同时间而变化的流体。小型流量泵包括马达驱动的注射器以及小型的电子隔膜泵。可以使用现有技术中已知的蠕动泵(peristaltic pump)、重力输液线和重力流量控制器来实现较高的流速。

虽然注射装置的操作模式和输送范围各不相同，但是所有类型的医用注射装置都共同要求准确地检查装置正在以要求的剂量输送药物。虽然可以为每一种医用注射装置提供一个测试装置，但是期待有一种通用测试装置可用于市场上现有的多种类型的医用注射装置。

美国专利第4,938,092号描述了一种已知的流量测量装置，其可以被用于测试多种医用注射装置。这种流量测量装置具有光学测量传感器，其检测竖直管内的液体在两个水平线间移动的时间。由于这两个水平线之间限定的体积是已知的，因此只要将该已知体积除以测量得到的流体在这两个水平线之间移动所需的时间就可以推导出流速。这种技术在美国专利第5,487,309中得到的进一步的发展，其利用多对光学传感器来提高测量分辨率并减少误差。

这种使用光学测量传感器的测量技术容易受温度变化影响。简单地说，传感器对输出的电压与温度相关。为了补偿这些与温度相关的变化，常常有必要测量或者知道温度，这又要求另一个传感器以及其他的补偿电路来抵消与温度相关的影响。因此，这些附加组件增加了流量测量装置的整体成本和复杂度，并且，由于这些装置常常使用微处理器来实现，因此这又产生了计算的成本。

发明内容

本公开的一个目的在于提供一种流量测量装置及操作该装置的方法，其克服或至少减少与现有光学医用注射测试装置有关的缺点。该流量测量装置及操作该装置的方法能够减少温度导致的光学传感器性能变化所引起的误差发生几率。实现上述优点不需要测量或者知道传感器对的实际温度。

本公开提供了一种流量测量装置，该装置包括：

用于容纳液流的容器；

与所述容器相关的多个光学传感器，所述多个光学传感器中的每一个光学传感器在液体到达所述容器中与每个光学传感器相关的水平线时产生输出信号；

用于根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的所述输出信号的装置；以及

用于由液体经过所述容器中两个水平线之间所用的时间计算流速的装置。

使用根据本公开的流量测量装置检查医用注射装置的一个优点在于，减少了温度导致的光学传感器性能变化所引起的误差发生几率。实现上述优点不需要测量或者知道光学传感器对的实际温度。

优选地，所述流量测量装置还包括用于显示计算得出的流速的装置。

进一步优选地，所述至少一个预定温度补偿因子补偿温度对所述多个光学传感器的影响。

在使用中，所述至少一个预定温度补偿因子可以补偿温度对所述多个光学传感器的影响是通过最小化感测到的输出信号超过预定阈值电压的可能性实行的，其中感测到的输出信号超过所述预定阈值电压产生容器中存在液体的潜在错误判定。

优选地，所述至少一个预定温度补偿因子补偿温度对所述多个光学传感器的影响是通过最小化所述输出信号低于所述预定阈值电压的可能性实行的，其中所述输出信号低于所述预定阈值电压产生容器中不存在液体的潜在错误判定。

进一步优选地，所述多个光学传感器中的每一个均被配置为放置于容器相对侧的发光二极管和对应的光电探测器。

在使用中，定位所述多个光学传感器用于限定容器中的至少两个水平线，所述至少两个水平线之间具有至少一个已知体积。

优选地，所述用于修改的装置、所述用于计算的装置以及所述用于显示的装置在微处理器或数字信号处理器中被实现。

进一步优选地，所述微处理器或数字信号处理器还包括附加的可编程功能，其选自包括但不限于下述任一功能的组：能够确定并显示被输送的液体体积、流速和/或背压的功能。

根据本公开，还提供了一种用于控制流量测量装置的方法，所述流量测量装置包括用于容纳液流的容器和与所述容器相关且定位以限定所述容器中至少两个水平线的多个光学传感器。所述方法包括下述步骤：

感测来自于所述多个光学传感器中的每一个光学传感器的至少一个输出信号(V_out)，所述至少一个输出信号取决于液体到达所述容器中与每个光学传感器相关的水平线；

根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号；以及

由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速。

在使用中，所述根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号的步骤可以进一步包括下述步骤：

将液体装入所述容器中，并且将所述多个光学传感器中的每一个光学传感器的感测到的输出信号修改为第一电压输出等级(V_WetSet)；

从所述容器中移出液体，并且感测来自所述多个光学传感器中的每一个光学传感器的第二电压输出等级(V_DrySet)；以及

由第一电压输出等级(V_WetSet)和第二电压输出等级(V_DrySet)计算阈值电压(V_T)。

优选地，所述由第一电压输出等级(V_WetSet)和第二电压输出等级(V_DrySet)计算阈值电压(V_T)的步骤通过V_T＝V_WetSet+K(V_DrySet-V_WetSet)获得，其中K＝0.5或另一数值。

进一步优选地，所述方法包括下述步骤：

将液体装入所述容器中，并且感测来自所述多个光学传感器中的每一个光学传感器的第三电压输出等级(V_Wet)；

从所述容器中移出液体，并且感测来自所述多个光学传感器中的每一个光学传感器的第四电压输出等级(V_Dry)；

在一温度范围内重复所述装入和移出步骤；以及

计算补偿因子α，该因子随温度改变的V_Dry的变化与V_Wet的变化的比率。

在使用中，所述方法还包括下述步骤：

将所述第一电压输出等级(V_WetSet)、所述第二电压输出等级(V_DrySet)、所述阈值电压(V_T)以及所述补偿因子α存储在非易失性存储器中。

优选地，所述方法还包括下述步骤：

由V_WetShift＝V_Wet-V_WetSet计算第五电压输出等级(V_WetShift)；以及

用存储在非易失性存储器中的补偿因子α补偿所述第五电压输出等级(V_WetShift)。

进一步优选地，所述方法还包括下述步骤：由V_OutCorrected＝V_Out-V_WetShift计算温度补偿信号(V_OutCorrected)。

在使用中，所述方法还包括下述步骤：

显示计算得到的流速。

根据本公开，还提供了一种非暂时性计算机程序产品，其具有存储在其中的用于控制流量测量装置的计算机可执行指令，所述流体测量装置包括用于容纳液流的容器，以及与所述容器相关且被定位以限定所述容器中至少两个水平线的多个光学传感器，所述计算机程序产品包括：

用于感测来自所述多个光学传感器的每一个光学传感器的至少一个输出信号(V_out)的计算机可执行指令，所述至少一个输出信号取决于液体到达所述容器中与每个光学传感器相关的水平线；

用于根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号的计算机可执行指令；以及

用于由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速的计算机可执行指令。

发明人相信根据本公开的流量测量装置和操作该装置的方法至少解决了上文中概述的问题。本领域技术人员会认识到本公开的各种变化是可能的，并且可以预期能以在本公开中具体描述的方式之外的其他方式来使用本公开。

附图说明

现在通过示例并结合附图描述本公开的具体的非限制性实施例，其中：

图1示出了根据本公开的在流量测量装置中使用的光学水平线传感器对；

图2示出了当液体出现在流量测量装置的管道中时光学传感器对如何产生明显不同的输出电压V_Out，并且还示出了补偿温度导致的光学传感器对的性能变化时所用的五个变量；

图3示出了当液体存在于流量测量装置的管道中或不存在于管道中时，由光学传感器对获得的电压V_Wet或V_Dry如何作为温度函数而变化的图表；

图4和5分别示出了本公开如何补偿变化的温度对传感器对的影响的图表，该补偿通过最小化补偿信号V_DryCorrected或V_WetCorrected达到阈值电压V_T的可能性来实行，补偿信号V_DryCorrected或V_WetCorrected达到阈值电压V_T可能给出流量测量装置的管道中存在或不存在液体的潜在错误判定；

图6示出了在流量测量装置的初始化工厂设置过程中进行的用于获得参数V_WetSet、V_DrySet和V_T的校准步骤，V_WetSet、V_WetSet和V_T随后被存储在装置的存储器中；以及

图7示出了根据本公开的操作流量测量装置的方法，其补偿温度对光学传感器的影响。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出了流量测量装置中使用的水平线传感器对，该流量测量装置用于检查医用注射装置。图1示出了发光二极管10(在全文中用缩写“LED”代替“发光二极管”)以及光电探测器12，它们被放置在容器或管道14的相对侧。LED 10和光电探测器12被配置为水平线传感器对。

至少另一个水平线传感器对被定位在大体竖直的管道14上，以检测管道14中的液体16在这些传感器对限定的两个不同水平线之间移动的时间。由于水容易获得以及水的固有化学和光学性质，在检查医用注射装置时，常用的测试液体16是水。由于限定在这两个水平线之间的体积是已知的，因此只要将该已知体积除以所测得的液体在这两个水平线之间移动的时间就可以推导得到流速。

图1示出了当LED 10和光电探测器12之间没有液体16时，传感器对产生一已知电压V_Out，该电压V_Out明显不同于有液体存在时的电压。传感器对的输出由处理单元(未示出)监控，随着测试流体弯液面18在管道14中向上移动，可以根据各个传感器对之间的预校准体积确定流速和体积。本领域技术人员可以理解，处理单元还可以包括微处理器，该微处理器带有写入软件的指令，该指令用于控制流量测量装置并显示诸如流速、被输送的体积以及背压(back pressure)等信息。

图2示出了光学传感器对如何产生输出电压V_Out，当流量测量装置的管道14中存在液体16时，该输出电压V_Out明显不同，并且图2还示出了在确定管道14是湿的还是干的时所考虑的5个变量。当管道14中有水时，红外透射度较高，在图1所示的电路配置中，当LED 10与光电探测器12之间存在空气时，电压V_Out升高。

从图2可以看出，随着弯液面18在管道14中向上移动，V_Out产生“隆起”。随着弯液面18在管道14中向上移动，当LED 10与光电传感器12的传感器对之间只有空气时，V_Out较高(较小的光线透射度)。当弯液面18到达传感器对时，弯液面18会产生阴影，这导致V_Out上升到更高值。当液体位于LED 10和光电传感器12的传感器对之间时，由于红外线仅穿过液体，因此光线迅速增多，而V_Out迅速降低，正如图2所示。

图2还示出了传感器对的输出电压V_Out和5个系统变量之间的关系，这5个系统变量用于确定管道14中是否有液体存在，也即其是否是湿的，或者管道14中是否有空气存在，也即其是否是干的。这些变量包括：

·V_Dry，它是当管道14中存在空气时所测得的电压；

·V_Wet，它是当管道14中存在液体时所测得的电压；

·V_WetSet，它是在液体存在时通过手动或自动调整图1中的电阻R₁和R₂而初始设置的电压水平；

·V_DrySet，它是在初始化设置过程中当管道14是干的时候所观测到的电压；以及

·V_WetSet和V_DrySet之间的阈值电压V_T。

在操作过程中，如果V_Out≤V_T，则处理单元确定管道14是湿的。在装置的初始化设置期间，阈值电压V_T被确定为：

V_T＝V_WetSet+K(V_DrySet-V_WetSet) (等式1)

V_T可以是V_WetSet和V_DrySet的中间值(halfway)(K＝0.5或者其他数值)。

然而，由于V_Wet和V_Dry随传感器对的温度变化而变化，因此使用该方法会产生问题，其可能在V_Wet或V_Dry达到阈值V_T时导致错误确定湿的或干的值。图3示出了当流量测量装置的管道14中存在液体或不存在液体时，由光学传感器对获得的电压V_Wet或V_Dry如何作为温度的函数而变化。

本公开具体描述了一种补偿传感器温度变化的影响的方法，该补偿通过最小化V_Dry或V_Wet达到阈值电压V_T的可能性来实行。实现该补偿不需要知道传感器对的实际温度。替代地，可以通过知道V_Wet的当前数值并从初始V_WetSet中减去该值计算V_Out的修正图。只要已知导管中填满了液体，就可以得到V_Wet。

因此：

V_Wetshift＝V_Wet-V_WetSet (等式2)

然后对V_Out进行修正以得到V_OutCorrected，如下：

V_OutCorrected＝V_Out-V_Wetshift (等式3)

如图4所示例性地显示的，这导致温度补偿响应。

利用市场上可获得的许多专用光学传感器，干的值随温度升高而上升较少，因此可能被该方法过度修正。可以引入因子α使得在湿的和干的情况下的V_OutCorrected值保持与V_T大致等距，如图5所示。

(等式4)

其中，α是随温度改变的V_Dry的变化相对于V_Wet的变化的比率，也即图3中的V_Dry和V_Wet的斜率比。α可以通过实验确定，并且其取决于所使用的特定专用光学传感器对。典型地，发现α约为0.6。从等式4以及图4和5可以看出，因子α的增加分别修改了湿的(V_WetCorrected)和干的(V_DryCorrected)条件下的V_T附近的V_OutCorrected值。

所得到的V_OutCorrected的数值被用来确定管道14是否是湿的，即是否V_OutCorrected≤V_T。

图6示出了在流量测量装置的初始化工厂设置过程中进行的校准步骤，用来获得参数V_WetSet、V_DrySet和V_T，V_WetSet、V_WetSet和V_T随后被存储在该流量测量装置的存储器中。

如图6所示，在工厂化设置期间，管道14初始装入液体20。在步骤22，手动或自动调节电阻R₁和R₂以获得V_WetSet。选择该电压，以使V_Wet和V_Dry之间的差值最大化。V_WetSet典型地是最大可能值V_out的20％。V_WetSet是初始设置的管道14中存在液体时的电压。在步骤24，液体被从测量管道14中清空，在步骤26进行V_DrySet的测量。

由于已经确定了V_WetSet和V_DrySet，因此处理单元随后在步骤28使用等式1计算阈值电压V_T。典型地，常数K为0.5。在步骤30，V_WetSet和V_T被存储在处理单元的非易失性存储器中。

之后在步骤32得到因子α并将其存储在处理单元的非易失性存储器中。因子α是随温度改变的V_Dry的变化相对于V_Wet的变化的比率，也即图3中的V_Dry和V_Wet的斜率比。通过实验确定因子α，并且其取决于所使用的特定专用光学传感器对。典型地，发现α约为0.6。

图7示出了在操作中如何使用本公开的流量测量装置，以及该流量测量装置如何通过确定修正的输出V_OutCorrected补偿光学传感器温度变化的影响。

在步骤40，初始化流速测试，随后在步骤42向管道14中填充液体。然后在步骤44，在管道14中有液体存在时测量电压V_Wet。之后，在步骤46用等式2计算V_WetShift。在步骤48，用等式4利用因子α补偿计算得到的V_WetShift，从而偏移响应保持大体与V_T等距。随后在步骤50将V_WetShift存储在非易失性存储器中。

通过使用这种方法，包括这类补偿算法的流量测量装置能够补偿温度导致的光学传感器性能的变化，并且准确地检查受测医用注射装置是否按需要的剂量在输送药物。这样，通过在步骤52进行接下来的每次测量，在步骤54中用等式3修正传感器对的输出电压V_Out以给出V_OutCorrected。

在步骤56，用得到的V_OutCorrected的值确定管道14是否是湿的，也即是否V_Out≤V_T。由于测得了液体弯液面穿过具有已知体积的两个或更多个水平线之间所需的时间，因此能够准确地测量流速。

在不偏离本发明范围的情况下，可以对本公开进行各种改变或修改。

Claims (16)

1.一种流量测量装置，其特征在于，包括：

用于容纳液流的容器；

与所述容器相关的多个光学传感器，所述多个光学传感器中的每一个光学传感器在液体达到所述容器中与每个光学传感器相关的水平线时产生输出信号；

用于根据至少一个预定温度补偿因子修改所述输出信号的装置；以及

用于由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速的装置，

其中，在不知道所述多个光学传感器的实际温度的情况下，所述至少一个预定温度补偿因子在使用流量测量装置运行以计算流速之前确定，所述至少一个预定温度补偿因子补偿温度对所述多个光学传感器的影响是通过最小化所述输出信号超过预定阈值电压的可能性实行的，其中所述输出信号超过所述预定阈值电压产生所述容器中存在液体的潜在错误判定。

2.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述流量测量装置还包括：用于显示计算得到的流速的装置。

3.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述至少一个预定温度补偿因子至少部分地由一计算得到的因子确定，所述计算得到的因子使得所述流量测量装置的被确定的输出电压保持与一预定阈值电压大致等距，其中所述预定阈值电压确定所述多个光学传感器中至少一个处存在液体。

4.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，在不知道所述多个光学传感器的实际温度的情况下，所述至少一个预定温度补偿因子补偿温度对所述多个光学传感器的影响是通过最小化所述输出信号低于所述预定阈值电压的可能性实行的，其中所述输出信号低于所述预定阈值电压产生所述容器中不存在液体的潜在错误判定。

5.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述多个光学传感器中的每一个光学传感器均被配置为置于所述容器的相对侧的发光二极管和对应的光电探测器。

6.根据权利要求1所述的流量测量装置，其特征在于，所述多个光学传感器被定位为限定所述容器中的至少两个水平线，所述至少两个水平线具有位于其间的至少一个已知体积。

7.根据权利要求2所述的流量测量装置，其特征在于，所述用于修改的装置、所述用于计算的装置以及所述用于显示的装置在微处理器或数字信号处理器中实现。

8.根据权利要求7所述的流量测量装置，其特征在于，所述微处理器或数字信号处理器还包括附加的可编程功能，所述附加的可编程功能包括：能够确定并显示被输送的液体体积、流速和/或背压的功能。

9.一种用于控制流量测量装置的方法，所述流量测量装置包括用于容纳液流的容器以及多个光学传感器，所述多个光学传感器与所述容器相关且被定位以限定所述容器中至少两个水平线，所述方法包括下述步骤：

感测来自所述多个光学传感器的每一个光学传感器的至少一个输出信号V_out，所述至少一个输出信号取决于液体达到所述容器中的与每个光学传感器相关的水平线；

根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号；

由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速，

将液体装入所述容器中，并且感测来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的第三电压输出等级V_Wet；

从所述容器中移出液体，并且感测来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的第四电压输出等级V_Dry；

在一温度范围内重复所述装入和移出步骤；以及

计算补偿因子α，所述补偿因子α是随温度改变的V_Dry的变化相对于V_Wet的变化的比率；

其中所述至少一个预定温度补偿因子在使用流量测量装置运行以计算流速之前确定。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号的步骤包括下述步骤：

将液体装入所述容器中，并且将来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的感测到的输出信号修改为第一电压输出等级V_WetSet；

从所述容器中移出液体，并且感测来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的第二电压输出等级V_DrySet；以及

由所述第一电压输出等级V_WetSet和所述第二电压输出等级V_DrySet计算阈值电压V_T。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述由第一电压输出等级V_WetSet和第二电压输出等级V_DrySet计算阈值电压V_T的步骤由V_T＝V_WetSet+K(V_DrySet-V_WetSet)获得，其中K＝0.5或另一数值。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：

将所述第一电压输出等级V_WetSet、所述第二电压输出等级V_DrySet、所述阈值电压V_T以及所述补偿因子α存储在非易失性存储器中。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：

由V_WetShift＝V_Wet-V_WetSet计算第五电压输出等级V_WetShift；以及

用存储在所述非易失性存储器中的补偿因子α补偿所述第五电压输出等级V_WetShift。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：

由V_OutCorrected＝V_Out-V_WetShift计算温度补偿信号V_OutCorrected。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括下述步骤：

显示计算得到的流速。

16.一种非暂时性计算机存储介质，其具有存储在其上的用于控制流量测量装置的计算机可执行指令，所述流量测量装置包括用于容纳液流的容器，以及与所述容器相关且被定位以限定所述容器中至少两个水平线的多个光学传感器，所述计算机可执行指令包括：

用于感测来自所述多个光学传感器的每一个光学传感器的至少一个输出信号V_Out的计算机可执行指令，所述至少一个输出信号取决于液体到达所述容器中与每个光学传感器相关的水平线；

用于根据至少一个预定温度补偿因子修改感测到的输出信号的计算机可执行指令；

用于由液体经过所述容器中两个水平线之间的时间计算流速的计算机可执行指令；以及

用于通过如下步骤确定补偿因子α的计算机可执行指令，所述补偿因子α是随温度改变的第四电压输出等级V_Dry的变化相对于第三电压输出等级V_Wet的变化的比率：将液体装入所述容器中，并且感测来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的V_Wet；

从所述容器中移出液体，并且感测来自所述多个光学传感器中的每个光学传感器的V_Dry；

在一温度范围内重复所述装入和移出步骤；以及

计算补偿因子α；

其中所述至少一个预定温度补偿因子在使用流量测量装置运行以计算流速之前确定。