CN110412083A - 一种透析废液电导率测量装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种透析废液电导率测量装置及检测方法，包括：前端废液采集装置和硬件测量电路；所述前端废液采集装置与硬件测量电路通过两根电流激励电极导线及两根电压采集电极导线相连；所述硬件测量电路包括模拟电路和主控电路，所述模拟电路包括激励信号产生电路、压流变换电路及信号采集电路；所述激励信号产生电路两路幅值的脉冲电压信号分别作用于压流变换电路和信号采集电路，所述激励信号产生电路用于将主控电路输入直流电压信号转变成双极性脉冲电压信号。本发明不仅可以测出透出透析废液的电导率，还可以测量出其他溶液或者废液的电导率，尤其适用于透析废液电导率的测量。
Description
技术领域
本发明涉及透析废液电导率的检测，尤其涉及一种透析废液电导率测量装置及检测方法。
背景技术
由于透析液的特殊性，目前市面上的电导率测量仪主要用于石化、冶金、电力、海洋等领域，市面上的透析机虽然可以检测透析液的电导率但是没有监测透析废液的电导率功能；通常血液透析机是根据电导率数值的大小确定透析液的流速，医护工作人员根据工作经验及患者的一些表现来确定透析的时间，从而达到一个比较好的治疗效果，但根据经验往往不能准确把握患者的透析时间，从而影响透析效果。
发明内容
为了克服上述的缺陷，本发明提供了一种基于双极性脉冲法、四电极法的电导率测量仪，用于透析废液电导率的测量，为医护工作人员更好地把握患者的透析时间提供参考依据。
一种透析废液电导率测量装置，包括：前端废液采集装置和硬件测量电路；所述前端废液采集装置与硬件测量电路通过两根电流激励电极导线及两根电压采集电极导线相连；
所述前端废液采集装置包括筒体，所述筒体上端连接有入液口和出液口，所述筒体两端设有与两根电流激励电极导线相连的两个电流激励电极，所述筒体上设有与两个电压采集电极导线相连的两个电压采集电极；
所述硬件测量电路包括模拟电路和主控电路，所述模拟电路包括激励信号产生电路、压流变换电路及信号采集电路；所述激励信号产生电路两路幅值的脉冲电压信号分别作用于压流变换电路和信号采集电路，所述激励信号产生电路用于将主控电路输入直流电压信号转变成双极性脉冲电压信号；所述压流变换电路用于将激励信号产生电路产生的双极性脉冲电压信号转换成双极性脉冲电流信号，所述压流变换电路J7接口通过两个电流激励电极导线与两个所述的电流激励电极信号相连，所述激励信号电路用于激励前端废液采集装置中采集的透析废液，所述信号采集电路J9接口通过两个电压采集电极导线与两个电压采集电极信号相连，所述信号采集电路用于采集透析废液在激励电流作用下电压变化，所述信号采集电路与主控电路信号相连。
进一步的，所述激励信号产生电路的电阻R3/R7一端与主控电路相连，另一端直接连接在U2的7脚/9脚，另一端还通过两个分压电阻R4和R6/R10和R11后再与U2的4脚/U2的2脚相连，在与U2的7脚和4脚/U2的9脚和2脚相连之前分别在信号的输入端对地接上滤波电容C1和C11/C18和C20，所述的U2的1脚和5脚相连再与所述的主控电路相连，所述U2的10脚/6脚分别连接在U1A的3脚/U3B的5脚，所述U1A/U3B通过电阻R1/电阻R8构成电压跟随器模式，所述激励信号产生电路还包括电容C2和R5/C19和R12构成的一阶高通滤波器，所述的一阶高通滤波器一端与U1A的1脚/U3B的7脚相连，另一端与U1的5脚/U3A的3脚相连，所述U1B/U3A通过电阻R2/R9构成电压跟随器的模式，最终在所述的U1B的7脚/U3A的1脚得到双极性脉冲电压信号。
进一步的，所述压流变换电路的包括
电阻R16，一端与激励信号产生电路相连，另一端连接在U4的5脚；
U4B、R13和R14，构成同向比例放大器模式，U4B的7脚经过负载电阻R15获得稳定的双极性脉冲电流，所述负载电阻R15一端与U4B的7脚相连，另一端通过电容C21连接在U41A的3脚，还通过跳线帽接口J8与电流激励电极接口J7相连，所述U4A的3脚通过电阻R20接地，所述U4A通过电阻R23构成电压跟随器模式，所述U4A的1脚通过电容C23和电阻R18与U4B的5脚相连。
进一步的，所述信号采集电路的接口J9通过由电容C22及电阻R17和电容C24机电阻R22构成的一阶高通滤波器经保护电阻R19和R21连接在U5的2脚及3脚上，所述信号采集电路还包括U6，所述U6的6脚与主控电路相连。
进一步的，所述U5的5脚接基准电压VRef。
进一步的，所述筒体两端均螺纹连接有用于压紧电流激励电极的连接件，所述筒体内设有凹槽，所述连接件上设有外螺纹，所述凹槽内壁上设有与外螺纹匹配的内螺纹，所述电流激励电极设置在连接件与凹槽侧壁之间。
进一步的，所述连接件上开设有用于贯穿电流激励电极导线的贯穿孔。
进一步的，所述筒体上设有用于连接电压采集电极导线的连接套，所述连接套开设有连接孔，所述电压采集电极连接在连接孔中，所述电压采集电极上端与电压采集电极导线相连，所述电压采集电极下端位于筒体中。
一种透析废液电导率测量检测方法，采用权利要求1透析废液电导率测量装置，包括以下步骤：
步骤一：利用激励信号产生电路产生双极性脉冲电压，通过改变主控电路内部DAC模块的参数、内部定时器的计数值改变双极性脉冲电压的幅值与频率及占空比；
步骤二：利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；
步骤三：利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小。
与现有技术相比，本发明提供了一种透析废液电导率测量装置及检测方法，具备以下有益效果：
1、该透析废液电导率测量装置，前端废液采集装置主体结构筒体用于储存血液或肾脏透析过程中产生的废液；连接件用于固定电流激励电极及封闭前端废液采集装置的筒体使其达到密封效果。
电流激励电极采用金属铜片去激励透析废液，电压采集电极采用金属铜导线去采用采集透析废液在激励电流作用下电压变化。
模拟电路用于双极性脉冲信号的产生、信号的变化、双极性脉冲电压的采集等，激励信号产生电路将DA信号、PWM信号的有机结合，使其可产生不失真的高频双极性脉冲电压信号；
采用模拟电路产生的双极性脉冲电压先通过一个电压跟随的后进行一个16Hz的高通滤波器滤除信号中的工频干扰，再通过另一个电压跟随的模式作用于压流变换电路，从而实现前后一个输出信号的电气隔离，利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小。
采用双极性脉冲电流法及四电极法，减弱了透析废液有信号电极之间可能存在的极间电容，大大提高了测量的精确度；不仅可以测出透出透析废液的电导率，还可以测量出其他溶液或者废液的电导率，尤其适用于透析废液的测量。
附图说明
图1是本发明的透析废液电导率测量装置的前端机械采集装置示意图；
图2是本发明的透析废液电导率测量装置的前端机械采集装置剖面结构示意图；
图3是本发明透析废液电导率测量装置的系统框图；
图4本发明透析废液电导率测量装置的激励信号产生电路示意图；
图5是本发明透析废液电导率测量装置的压流变换电路示意图；
图6是本发明透析废液电导率测量装置的信号采集电路示意图；
图7是本发明透析废液电导率测量装置的主控电路示意图；
图8是本发明透析废液电导率测量装置的电源电路示意图。
附图标记：1、筒体；101、入液口；102、出液口；2、凹槽；3、电流激励电极导线；4、电压采集电极导线；5、电流激励电极；6、电压采集电极；7、连接件；701、贯穿孔；8、连接套。
具体实施方式
下面结合相关附图对本发明装置的优选实施实例进行详细说明。
参照图1-8，一种透析废液电导率测量装置，包括：前端废液采集装置和硬件测量电路；前端废液采集装置与硬件测量电路通过两根电流激励电极导线3及两根电压采集电极导线4相连；
前端废液采集装置包括筒体1，筒体1上端连接有入液口101和出液口102，筒体1两端设有与两根电流激励电极导线3相连的两个电流激励电极5，筒体1上设有与两个电压采集电极导线4相连的两个电压采集电极6；
硬件测量电路包括模拟电路和主控电路，模拟电路包括激励信号产生电路、压流变换电路及信号采集电路；激励信号产生电路两路幅值的脉冲电压信号分别作用于压流变换电路和信号采集电路，激励信号产生电路用于将主控电路输入直流电压信号转变成双极性脉冲电压信号；压流变换电路用于将激励信号产生电路产生的双极性脉冲电压信号转换成双极性脉冲电流信号，压流变换电路J7接口通过两个电流激励电极导线3与两个电流激励电极5信号相连，激励信号电路用于激励前端废液采集装置中采集的透析废液，信号采集电路J9接口通过两个电压采集电极导线4与两个电压采集电极6信号相连，信号采集电路用于采集透析废液在激励电流作用下电压变化，信号采集电路与主控电路信号相连。
激励信号产生电路的电阻R3/R7一端与主控电路相连，另一端直接连接在U2的7脚/9脚，另一端还通过两个分压电阻R4和R6/R10和R11后再与U2的4脚/U2的2脚相连，在与U2的7脚和4脚/U2的9脚和2脚相连之前分别在信号的输入端对地接上滤波电容C1和C11/C18和C20，U2的1脚和5脚相连再与主控电路相连，U2的10脚/6脚分别连接在U1A的3脚/U3B的5脚，U1A/U3B通过电阻R1/电阻R8构成电压跟随器模式，激励信号产生电路还包括电容C2和R5/C19和R12构成的一阶高通滤波器，一阶高通滤波器一端与U1A的1脚/U3B的7脚相连，另一端与U1的5脚/U3A的3脚相连，U1B/U3A通过电阻R2/R9构成电压跟随器的模式，最终在U1B的7脚/U3A的1脚得到双极性脉冲电压信号。
压流变换电路的包括
电阻R16，一端与激励信号产生电路相连，另一端连接在U4的5脚；
U4B、R13和R14，构成同向比例放大器模式，U4B的7脚经过负载电阻R15获得稳定的双极性脉冲电流，负载电阻R15一端与U4B的7脚相连，另一端通过电容C21连接在U41A的3脚，还通过跳线帽接口J8与电流激励电极接口J7相连，U4A的3脚通过电阻R20接地，U4A通过电阻R23构成电压跟随器模式，U4A的1脚通过电容C23和电阻R18与U4B的5脚相连。
信号采集电路的接口J9通过由电容C22及电阻R17和电容C24机电阻R22构成的一阶高通滤波器经保护电阻R19和R21连接在U5的2脚及3脚上，信号采集电路还包括U6，U6的6脚与主控电路相连。
U5的5脚接基准电压vRef。
筒体1两端均螺纹连接有用于压紧电流激励电极5的连接件7，筒体1内设有凹槽2，连接件7上设有外螺纹，凹槽2内壁上设有与外螺纹匹配的内螺纹，电流激励电极5设置在连接件7与凹槽2侧壁之间。
连接件7上开设有用于贯穿电流激励电极导线3的贯穿孔701。
筒体1上设有用于连接电压采集电极导线4的连接套8，连接套8开设有连接孔，电压采集电极6连接在连接孔中，电压采集电极6上端与电压采集电极导线4相连，电压采集电极6下端位于筒体1中。
一种透析废液电导率测量检测方法，采用透析废液电导率测量装置，包括以下步骤：
步骤一：利用激励信号产生电路产生双极性脉冲电压，通过改变主控电路内部DAC模块的参数、内部定时器的计数值改变双极性脉冲电压的幅值与频率及占空比；
步骤二：利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；
步骤三：利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小。
该透析废液电导率测量装置，前端废液采集装置主体结构筒体1用于储存血液或肾脏透析过程中产生的废液；连接件7用于固定电流激励电极5及封闭前端废液采集装置的筒体1使其达到密封效果。
电流激励电极5采用金属铜片去激励透析废液，电压采集电极6采用金属铜导线去采用采集透析废液在激励电流作用下电压变化。
模拟电路用于双极性脉冲信号的产生、信号的变化、双极性脉冲电压的采集等，激励信号产生电路将DA信号、PWM信号的有机结合，使其可产生不失真的高频双极性脉冲电压信号；
采用模拟电路产生的双极性脉冲电压先通过一个电压跟随的后进行一个16Hz的高通滤波器滤除信号中的工频干扰，再通过另一个电压跟随的模式作用于压流变换电路，从而实现前后一个输出信号的电气隔离，利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小。
硬件测量电路还包括人机交互电路、电源电路、数据传输电路；人机交互电路用于激励信息及采集数据信息的显示与输入信息的改变和显示页面的切换及激励信号数值的修改；主控电路用于相关信号的产生及数据处理；电源电路用于向主控电路、人机交互电路、数据传输电路、模拟电路提供电能；数据传输电路用于将采集到的信息传输到PC机上进行显示及处理。
人机交互电路包括：LCD液晶显示电路与按键输入电路；LCD液晶显示电路用于激励信息及采集数据信息的显示；按键输入电路用于显示页面的切换及激励信号数值的修改；更为具体的为显示电路采用UC1701X驱动器驱动LCD12864液晶，用于激励信息及采集数据信息的显示；按键输入电路通过四个小按钮用于显示页面的切换及激励信号数值的修改。
电源电路中采用拨动开关控制该测量装置处于工作状态还是停止状态，采用2000mAh的锂电池储存能量。
对步骤二中为了得到纯净的双极性脉冲电流信号，在压流变换电路反馈回路与前置回路间加0.1uF电容，滤除信号中可能存在的直流信号；
对步骤三中为了消除可能存在的极间电容，故在信号采集前搭建了一80Hz的高通滤波电路；
对于步骤三中为了得到全部信号的电压值，故在信号采集器中添加一基准电压vRef；
对于步骤三中得到的电压信号，通过单片机对模拟信号进行运算处理，从而得到具体的电导率的值，经人机交互电路中LCD液晶显示电路显示出来。
为了更好说明本发明的设计原理，现简要介绍其工作过程如下，一种透析废液电导率测量装置及检测方法，包括：
参照图4所示，通过改变主控电路内部DAC模块的相关参数即图中的MCU_DA1与MCU_DA2的值、内部定时器的计数值即图中的MCU_PWM1的值改变双极性脉冲电压的幅值与频率及占空比；
参照图5所示，利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；
参照图6所示，利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小；
将信号采集电路采集到的电压信号，通过单片机对模拟信号进行运算处理，从而得到具体的电导率的值，经人机交互电路中LCD液晶显示电路显示出来；
采用双极性脉冲电流法及四电极法，减弱了透析废液有信号电极之间可能存在的极间电容，大大提高了测量的精确度；
不仅可以测出透出透析废液的电导率，还可以测量出其他溶液或者废液的电导率，尤其适用于透析废液的测量。
参照图7作为一种举例说明，主控电路采用Cortex-M3内核的STM32F105系列控制芯片，STM32F105控制芯片分别于模拟电路中的激励信号产生电路、模拟电路中的信号采集电路、电源电路、人机交互电路及数据传输电路相连，主要完成信号的处理及显示、数据的传输等；
主控电路用于相关信号的产生、采集到模拟信号的处理及显示等；电源电路用于向主控电路、人机交互电路、数据传输电路、模拟电路提供电能；数据传输电路用于将采集到的信息传输到PC机上进行显示及处理；
参照图8，电源电路采样采用3.7 V 锂电池供电，并内置充电电路；充电时，利用锂电池充电管理芯片 TP4056 接受来自MiniUSB接口输出的 5 V 直流电压，对锂电池进行充电；当本设备工作时，一是通过低压差线性稳压芯片 TPS76333将锂电池输出的 3.7~4.2 V 电压降到稳定的 3.3 V以供给主控电路使用；二是先通过DC-DC升压芯片SP6441B将锂电池输出的 3.7~4.2 V 电压升到稳定的5V，再通过DC-DC电荷泵芯片SGM3207获得相应的负电压，以供给后面的硬件电路使用。
以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种透析废液电导率测量装置，其特征在于，包括：前端废液采集装置和硬件测量电路；所述前端废液采集装置与硬件测量电路通过两根电流激励电极导线（3）及两根电压采集电极导线（4）相连；
所述前端废液采集装置包括筒体（1），所述筒体（1）上端连接有入液口（101）和出液口（102），所述筒体（1）两端设有与两根电流激励电极导线（3）相连的两个电流激励电极（5），所述筒体（1）上设有与两个电压采集电极导线（4）相连的两个电压采集电极（6）；
所述硬件测量电路包括模拟电路和主控电路，所述模拟电路包括激励信号产生电路、压流变换电路及信号采集电路；所述激励信号产生电路两路幅值的脉冲电压信号分别作用于压流变换电路和信号采集电路，所述激励信号产生电路用于将主控电路输入直流电压信号转变成双极性脉冲电压信号；所述压流变换电路用于将激励信号产生电路产生的双极性脉冲电压信号转换成双极性脉冲电流信号，所述压流变换电路J7接口通过两个电流激励电极导线（3）与两个所述的电流激励电极（5）信号相连，所述激励信号电路用于激励前端废液采集装置中采集的透析废液，所述信号采集电路J9接口通过两个电压采集电极导线（4）与两个电压采集电极（6）信号相连，所述信号采集电路用于采集透析废液在激励电流作用下电压变化，所述信号采集电路与主控电路信号相连。
2.根据权利要求1所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述激励信号产生电路的电阻R3/R7一端与主控电路相连，另一端直接连接在U2的7脚/9脚，另一端还通过两个分压电阻R4和R6/R10和R11后再与U2的4脚/U2的2脚相连，在与U2的7脚和4脚/U2的9脚和2脚相连之前分别在信号的输入端对地接上滤波电容C1和C11/C18和C20，所述的U2的1脚和5脚相连再与所述的主控电路相连，所述U2的10脚/6脚分别连接在U1A的3脚/U3B的5脚，所述U1A/U3B通过电阻R1/电阻R8构成电压跟随器模式，所述激励信号产生电路还包括电容C2和R5/C19和R12构成的一阶高通滤波器，所述的一阶高通滤波器一端与U1A的1脚/U3B的7脚相连，另一端与U1的5脚/U3A的3脚相连，所述U1B/U3A通过电阻R2/R9构成电压跟随器的模式，最终在所述的U1B的7脚/U3A的1脚得到双极性脉冲电压信号。
3.根据权利要求1所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述压流变换电路的包括
电阻R16，一端与激励信号产生电路相连，另一端连接在U4的5脚；
U4B、R13和R14，构成同向比例放大器模式，U4B的7脚经过负载电阻R15获得稳定的双极性脉冲电流，所述负载电阻R15一端与U4B的7脚相连，另一端通过电容C21连接在U41A的3脚，还通过跳线帽接口J8与电流激励电极接口J7相连，所述U4A的3脚通过电阻R20接地，所述U4A通过电阻R23构成电压跟随器模式，所述U4A的1脚通过电容C23和电阻R18与U4B的5脚相连。
4.根据权利要求1所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述信号采集电路的接口J9通过由电容C22及电阻R17和电容C24机电阻R22构成的一阶高通滤波器经保护电阻R19和R21连接在U5的2脚及3脚上，所述信号采集电路还包括U6，所述U6的6脚与主控电路相连。
5.根据权利要求4所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述U5的5脚接基准电压vRef。
6.根据权利要求1-5任一项所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述筒体（1）两端均螺纹连接有用于压紧电流激励电极（5）的连接件（7），所述筒体（1）内设有凹槽（2），所述连接件（7）上设有外螺纹，所述凹槽（2）内壁上设有与外螺纹匹配的内螺纹，所述电流激励电极（5）设置在连接件（7）与凹槽（2）侧壁之间。
7.根据权利要求6所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述连接件（7）上开设有用于贯穿电流激励电极导线（3）的贯穿孔（701）。
8.根据权利要求1-5任一项所述的透析废液电导率测量装置，其特征在于，所述筒体（1）上设有用于连接电压采集电极导线（4）的连接套（8），所述连接套（8）开设有连接孔，所述电压采集电极（6）连接在连接孔中，所述电压采集电极（6）上端与电压采集电极导线（4）相连，所述电压采集电极（6）下端位于筒体（1）中。
9.一种透析废液电导率测量检测方法，其特征在于，采用权利要求1透析废液电导率测量装置，包括以下步骤：
步骤一：利用激励信号产生电路产生双极性脉冲电压，通过改变主控电路内部DAC模块的参数、内部定时器的计数值改变双极性脉冲电压的幅值与频率及占空比；
步骤二：利用压流变换电路将激励信号产生电路中产生的双极性脉冲电压转换成稳定的双极性脉冲电流，通过改变负载电阻的大小，从而改变双极性脉冲电流的大小，利用该电流去激励透析废液；
步骤三：利用信号采集电路采集透析废液在双极性脉冲电流作用下产生压降，通过欧姆定律、电阻定义法及电阻率与电导率的转换公式，求得透析废液电导率的大小。
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