CN115060316A - 一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置及方法，包括输液管路、换能片、控制电路以及显示和警报电路；其中，输液管路呈S型布置，输液管路的中间部分管路轴向中心线与换能片居中垂直；所述换能片布设在输液管路的两端，换能片均放置在具有通声孔的密闭空间内；本发明在检测流速的同时利用气泡空化原理对管路气泡进行消泡合并处理，利用超声波降低管路气泡表面能量，有助于将气泡从容器表面脱离，促进邻近气泡的接触和合并，从而加速气泡的生长，将管路中的微小气泡聚集合并为较大气泡进行检测，提高了超声波气泡检测可靠性和输液安全性。

Description

一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置及方法
技术领域
本发明涉及输液技术领域，具体涉及一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置及方法。
背景技术
静脉输液是临床治疗中常用的一种给药方式。在临床上输液速度的快慢和稳定性可能直接影响治疗效果，甚至有可能影响护理安全。同时如何快速有效的检测输液管路中可能的空气气泡也是输液安全的一个重要课题。如果气泡进入人体可能会引起气体栓塞，严重时可导致猝死。
目前市面检测输液管路液体气泡一般采用红外检测、电容检测和超声检测三种方法。红外检测容易受环境光、管路表面磨砂等因素影响同时可能对某些液体产生光污染。电容检测在微小气泡检测时对电容传感器灵敏度要求较高不易实现。图1为三种不同检测方法的优缺点对比。
与红外检测、电容检测两种测量方法相比，超声法具有穿透性强、对中要求低、散射影响较小、非侵入性、非辐射性、安全性高、系统简单、成本低等优点等优点而被广泛使用。
如图2和图3所示，液体流速检测通常是利用超声波流量计，常用测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
如图4所示，检测流速时超声波传感器一般采用Z字或V字安装方法，其中Z字安装法使用超声波对射收发，V字安装法使用超声波反射收发。实际产品中，一般当内径D＞300mm的管道采用Z法安装。
但当输液管路口径较细时，无论V字法安装还是Z字法安装，由于存在如下缺陷，导致针对流速和气泡检测效果不理想，测量误差较大，极大限制了超声波检测在临床输液场景中的应用：
1.迂回噪声大，由于管壁或杂质造成的多次反射造成的干扰多，超声波接收特征不明显
2.输液管路一般口径较细，超声波流经液体的时间过短，时差测量误差较大
3.对于V字形安装方法能量损耗大，声波在遇到管壁折射时，相当一部分能量穿透管壁产生较大的能量损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置及方法，综合运用超声波声阻原理、结合输液管路易于弯折的特点，将超声波换能器以管路中心平行轴线对射方式进行布置，超声波传播方向与水流方向平行，降低超声波传播过程中由于折射和反射导致的各类杂波，提升信噪比，同时延长换能片之间相对距离，加大声程长度，提升正向和逆向传播时差，减轻信号检测和计算负担，从而提高小口径管路流速测精度；
在检测流速的同时利用气泡空化原理对管路气泡进行消泡合并处理，利用超声波降低管路气泡表面能量，有助于将气泡从容器表面脱离，促进邻近气泡的接触和合并，从而加速气泡的生长，将管路中的微小气泡聚集合并为较大气泡进行检测，提高了超声波气泡检测可靠性和输液安全性。
本发明是通过以下技术方案来实现的：一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置，包括输液管路、换能片、控制电路以及显示和警报电路；
其中，输液管路呈S型布置，输液管路的中间部分管路轴向中心线与换能片居中垂直；
所述换能片布设在输液管路的两端，换能片均放置在具有通声孔的密闭空间内；
所述控制电路为换能片提供激励信号以及接收换能片的声电转化信号，并计算接收信号强度、收发信号时差，结合换能片收发频率、换能片距离、换能片灵敏度能参数，计算液体流速、判断气泡存在与否，并将计算结果显示在屏幕上或发出警报；
所述显示和报警电路与控制电路连接，为用户提供人机接口，提供配置参数输入、显示计算结果、提供声音或报警。
作为优选的技术方案，所述环能片包括布设在输液管路一侧的上换能片，以及布设在输液管路另一侧的下环能片，当上换能片发送的同时下换能片处于接收状态或者下换能片发送的同时上换能片处于接收状态。
本发明的一种利用超声波检测管路流速和气泡的方法，具体步骤如下：
步骤一、当设备工作时，假设换能片之间的距离为S，液体流速为V液，超声波在静止液体中的传播速度为V超，则可以得出如下结论：
(一)超声波顺流传播时的速度V顺＝V超+V液，传播时间T顺＝S/V顺；
(二)超声波逆流传播速度V逆＝V超-V液，传播时间T逆＝S/V逆；
(三)顺溜传播和逆流传播的时间差T差＝T逆-T顺
＝S/V逆-S/V顺
＝S/(V超-V液)-S/(V超+V液)
＝(S*(V超+V液)-S*(V超-V液))/((V超+V液)*(V超-V液))
＝2*S*V液/((V超+V液)*(V超-V液))；
(四)一般的，超声波在液体中的传播速度可达千米每秒，而液体流速不超过数米每秒，相对于声速可以忽略不计，故有(V超+V液)*(V超-V液)≈V超 2；
(五)T差≈2*S*V液/V超 2，即V液＝T差*V超 2/(2*S)；
(六)由于S和V超皆为常量，故只要测量出T差，即可得出液体流速V液。
作为优选的技术方案，测量T差的方法采用高精度时钟和高精度计数器，通过时钟频率F和计数Q可得T差＝F*Q。
作为优选的技术方案，当管路口径较细时且气泡体积相对于管路口径较大时，气泡很容易将管路截流，形成管路中空，此时超声波能量几乎全部作用在气泡上，由于声阻抗很大，声波能量被急剧衰减，接收到的信号强度大幅降低；对于较小的悬浮或粘附在管壁上的气泡，超声波通过等效气泡法和合并气泡法两种机制进行检测。
作为优选的技术方案，等效气泡法是基于气泡在管路截面上的投影，当若干微气泡随机悬浮在液体中时，超声波作用于每一个小气泡都会产生一定程度的衰减，其整体表现等效于一个较大的气泡；同时悬浮气泡受超声波能量作用，将迅速向上移动并聚集在管路顶部，在超声波作用下形成较大的气泡，从而对超声波形成显著的衰减，提高信号检测。
本发明的有益效果是：一、本发明成本低，换能器同时进行液体流速检测和气泡检测，减少了元器件数量和产品体积；
本发明可以对低速或超低速流速进行检测，由于换能片间距较大，时差明显，检测精度较高；
本发明可以对微小气泡群进行检测和报警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中检测输液管路液体气泡的常用方法对比图；
图2为现有技术中超声波探头安装方式一；
图3为现有技术中超声波探头安装方式二；
图4为现有技术中超声波束传播过程中形成的多次反射示意图；
图5为基于超声波检测管路流速和气泡示意图；
图6为较佳实施例的示意图；
图7为超声波在纯液体中传播能量波形图；
图8为超声波在气液两相传播能量波形图；
图9为等效法测量微小气泡群示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图5所示，本发明的一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置，包括输液管路、换能片、控制电路以及显示和警报电路；
其中，输液管路呈S型布置，输液管路的中间部分管路轴向中心线与换能片居中垂直；
换能片布设在输液管路的两端，换能片均放置在具有通声孔的密闭空间内；密闭空间和通声孔可以提高超声波束指向性，屏蔽外部干扰，提升信噪比。
控制电路为换能片提供激励信号以及接收换能片的声电转化信号，并计算接收信号强度、收发信号时差，结合换能片收发频率、换能片距离、换能片灵敏度能参数，计算液体流速、判断气泡存在与否，并将计算结果显示在屏幕上或发出警报；激励信号频率与换能片共振频率有关，综合共振频率和波束指向性、能量衰减等特性，可以使用400KHz或更高的激励信号。
显示和报警电路与控制电路连接，为用户提供人机接口，提供配置参数输入、显示计算结果、提供声音或报警。
本实施例中，环能片包括布设在输液管路一侧的上换能片，以及布设在输液管路另一侧的下环能片，当上换能片发送的同时下换能片处于接收状态或者下换能片发送的同时上换能片处于接收状态。
为了降低杂波，提高信噪比，本专利中采取如下三种措施，如图6所示方法
1.将收发换能片进行封闭，同时在与管路垂直方向开启通声孔，减少超声波发送时的波束角度，提高波束指向性，杜绝非必需传播方向上的声波传播。
2.超声波传播方向与管路轴向中心线平行。在传播过程中，不会(或较少)与管壁产生折射。
3.接收端利用通声孔仅接收平行于管路方向的超声波，阻挡其他方向的超声波进入。
本发明的一种利用超声波检测管路流速和气泡的方法，具体步骤如下：
步骤一、当设备工作时，假设换能片之间的距离为S，液体流速为V液，超声波在静止液体中的传播速度为V超，则可以得出如下结论：
(一)超声波顺流传播时的速度V顺＝V超+V液，传播时间T顺＝S/V顺；
(二)超声波逆流传播速度V逆＝V超-V液，传播时间T逆＝S/V逆；
(三)顺溜传播和逆流传播的时间差T差＝T逆-T顺
＝S/V逆-S/V顺
＝S/(V超-V液)-S/(V超+V液)
＝(S*(V超+V液)-S*(V超-V液))/((V超+V液)*(V超-V液))
＝2*S*V液/((V超+V液)*(V超-V液))；
(四)一般的，超声波在液体中的传播速度可达千米每秒，而液体流速不超过数米每秒，相对于声速可以忽略不计，故有(V超+V液)*(V超-V液)≈V超 2；
(五)T差≈2*S*V液/V超 2，即V液＝T差*V超 2/(2*S)；
(六)由于S和V超皆为常量，故只要测量出T差，即可得出液体流速V液。
其中，测量T差的方法采用高精度时钟和高精度计数器，通过时钟频率F和计数Q可得T差＝F*Q。由结论5可知，当延长换能器之间的距离S时，T差也随之变大，因而对流速V液的测量精度随着T差的测量精度提高而提高，对于低速或超低速流速测量大有裨益。
当管路口径较细时且气泡体积相对于管路口径较大时，气泡很容易将管路截流，形成管路中空，此时超声波能量几乎全部作用在气泡上，由于声阻抗很大，声波能量被急剧衰减，接收到的信号强度大幅降低，如图7所示和图8所示；对于较小的悬浮或粘附在管壁上的气泡，超声波通过等效气泡法和合并气泡法两种机制进行检测。
等效气泡法是基于气泡在管路截面上的投影，当若干微气泡随机悬浮在液体中时，超声波作用于每一个小气泡都会产生一定程度的衰减，其整体表现等效于一个较大的气泡，如图9所示；同时悬浮气泡受超声波能量作用，将迅速向上移动并聚集在管路顶部，在超声波作用下形成较大的气泡，从而对超声波形成显著的衰减，提高信号检测。
本发明的有益效果是：一、本发明成本低，换能器同时进行液体流速检测和气泡检测，减少了元器件数量和产品体积；
本发明可以对低速或超低速流速进行检测，由于换能片间距较大，时差明显，检测精度较高；
本发明可以对微小气泡群进行检测和报警。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种利用超声波检测管路流速和气泡的装置，其特征在于：包括输液管路、换能片、控制电路以及显示和警报电路；
其中，输液管路呈S型布置，输液管路的中间部分管路轴向中心线与换能片居中垂直；
所述换能片布设在输液管路的两端，换能片均放置在具有通声孔的密闭空间内；
所述控制电路为换能片提供激励信号以及接收换能片的声电转化信号，并计算接收信号强度、收发信号时差，结合换能片收发频率、换能片距离、换能片灵敏度能参数，计算液体流速、判断气泡存在与否，并将计算结果显示在屏幕上或发出警报；
所述显示和报警电路与控制电路连接，为用户提供人机接口，提供配置参数输入、显示计算结果、提供声音或报警。
2.根据权利要求1所述利用超声波检测管路流速和气泡的装置，其特征在于：所述环能片包括布设在输液管路一侧的上换能片，以及布设在输液管路另一侧的下环能片，当上换能片发送的同时下换能片处于接收状态或者下换能片发送的同时上换能片处于接收状态。
3.一种利用超声波检测管路流速和气泡的方法，其特征在于，利用权利要求1-2任意一项所述的装置，具体步骤如下：
步骤一、当设备工作时，假设换能片之间的距离为S，液体流速为V液，超声波在静止液体中的传播速度为V超，则可以得出如下结论：
(一)超声波顺流传播时的速度V顺＝V超+V液，传播时间T顺＝S/V顺；
(二)超声波逆流传播速度V逆＝V超-V液，传播时间T逆＝S/V逆；
(三)顺溜传播和逆流传播的时间差T差＝T逆-T顺
＝S/V逆-S/V顺
＝S/(V超-V液)-S/(V超+V液)
＝(S*(V超+V液)-S*(V超-V液))/((V超+V液)*(V超-V液))
＝2*S*V液/((V超+V液)*(V超-V液))；
(四)一般的，超声波在液体中的传播速度可达千米每秒，而液体流速不超过数米每秒，相对于声速可以忽略不计，故有(V超+V液)*(V超-V液)≈V超 2；
(五)T差≈2*S*V液/V超 2，即V液＝T差*V超 2/(2*S)；
(六)由于S和V超皆为常量，故只要测量出T差，即可得出液体流速V液。
4.根据权利要求3所述利用超声波检测管路流速和气泡的装置，其特征在于：测量T差的方法采用高精度时钟和高精度计数器，通过时钟频率F和计数Q可得T差＝F*Q。
5.根据权利要求3所述利用超声波检测管路流速和气泡的装置，其特征在于：当管路口径较细时且气泡体积相对于管路口径较大时，气泡很容易将管路截流，形成管路中空，此时超声波能量几乎全部作用在气泡上，由于声阻抗很大，声波能量被急剧衰减，接收到的信号强度大幅降低；对于较小的悬浮或粘附在管壁上的气泡，超声波通过等效气泡法和合并气泡法两种机制进行检测。
6.根据权利要求5所述利用超声波检测管路流速和气泡的装置，其特征在于：等效气泡法是基于气泡在管路截面上的投影，当若干微气泡随机悬浮在液体中时，超声波作用于每一个小气泡都会产生一定程度的衰减，其整体表现等效于一个较大的气泡；同时悬浮气泡受超声波能量作用，将迅速向上移动并聚集在管路顶部，在超声波作用下形成较大的气泡，从而对超声波形成显著的衰减，提高信号检测。
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