CN1239775A - 一种测量非抗凝血表观粘度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明利用精密传动机构和密封气动技术使被测液体匀加速流经U型管，并通过微压传感器实时测出管内液体的压差和液体切变率随时间的变化数据，经A/D转换和微机处理，可实时计算出非抗凝血表观粘度；也可用于检测其它液体的表观粘度。该测量仪在计算机控制下，可实现自动吸样、排样。具有测量精度高，易于操作等特点。

Description

一种测量非抗凝血表观粘度的方法及装置

本发明适用于非牛顿流变特性之一的表观粘度的测量，特别适用于测量非抗凝血粘度的方法和装置。

对于治疗和预防诸多疾病，血液粘度的测量是重要而有效的关键因素。目前的测量仪器大致可分为两大类，旋转式粘度计和毛细管式粘度计，但不论那种仪器都只能进行抗凝血的测试。而在血液中加入其它物质会影响其流变特性，且血液中影响血液流变性能的因素所产生的效果，随从采集血液起所耗费的时间长短而变化。因此，测量血液粘度的最好方法是用活体(无损)检测，或不加抗凝剂在接近生理流变环境下即抽即测。

传统的毛细管式粘度计，借助重力或大气压差产生被测液体的驱动力，液体的真实流动并非匀速稳定管流，但粘度的计算均是以匀速稳定管流下的计算公式为基础的，易产生系统误差。

本发明的目的是提供一种简便快速测量液体表观粘度的方法及实现该方法的装置。该装置工作时气路密封，在精密传动及计算机控制下能使液体流动速度实时可控，达到即抽即测的目的，克服非匀速带来的测量误差和屈服应力对压力测量的影响。

本发明的技术关键在于：穿刺采血后，在计算机控制下，利用精密传动机构和密闭气动方法抽血，抽入U型管路中，稳定后再匀加速将血样从管路中排出，排至样品试管中。在排样过程中，两压力传感器实时地检测U型管水平段两端的压力差和其中液体的流量数据，根据自行推导的公式<1>、<5>和<6>即可求出表观粘度ηa。排样清洗后用干燥气体烘干管道内部。

下面根据附图对本发明作详细叙述，图1给出本发明装置的构成示意图。

用玻璃或其它能提供接近人体生理条件下血液流动环境的材料制成的U型管路，且U型管路带水平液体出入口。U型管的左竖直管内径为8mm或5mm，长度为100mm或60mm，内径沿长度方向均匀一致，顶部设有测压孔、驱动压力孔、烘干孔；水平管内径为1mm左右，长270mm，内径沿长度方向均匀一致，水平管和右竖直管接口处设一水平液体出入口；右竖直管由下向上依次设有液位检测器、电磁阀、测压孔、顶部密封，右竖直管中测压孔与电磁阀间内径为0.3～0.5mm。驱动压力孔接气缸，气缸由电机经机械传动机构驱动。液体出入口分成两路，一路经电磁阀(16)接至带穿刺针头的硅胶管上，另一路经电磁阀(17)接排废液管。图1中(1)、(2)是微压传感器，(4)、(5)、(16)、(17)是电磁阀，(7)是微型计算机，(6)是A/D接口电路，(8)是温度传感器，(9)是温度控制器，(10)是加热器，(3)是由气缸、精密机械传动机构、电机及其驱动器组成的部件模块，(15)是烘干孔，(19)是驱动压力孔，(20)和(21)是测压孔。测压孔接微压传感器，驱动压力孔接气缸，气缸由电机经机械传动机构驱动。烘干孔接电磁阀(4)。计算机根据测量方法的需要，控制各电磁阀的通断以打开或关断其所在管路，控制电机推动气缸作推或拉运动。两压力传感器经A/D转换器(6)将信号送计算机(7)，计算机的DI/DO接口接至气缸的驱动电机驱动器(3)、电磁阀(4)、(5)、(16)、(17)和液位传感器(12)上。A/D和DI/DO接口采用市场上购买的模块。虚线框内为恒温区37±0.1℃，空气浴。恒温区的温度由温控子系统控制；闭环温控系统由热敏电阻(8)，温度控制器(9)和加热器(10)组成，采用电桥输入式闭环开关系统。图2给出的是温控电路示意图。图2中模块S为基准电源，Rt为热敏电阻。热敏电阻检测恒温区温度，并转换成电信号，经电桥比较，其差值实时控制加热器加热或停止加热，以维持温控区温度稳定在37±0.1℃。计算机(7)经A/D转换器定时采样温度值，以监视温控系统的工作情况。

本发明用密封气动控制方法，构造一个满足下述理论结果使用条件的环境，并能用于测量少试样，且要求大切变率范围的非抗凝血表观粘度。对非牛顿流体缓变管流有： ${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}=R\&lsqb;P\left(t\right)-\mathrm{L\&rho;}\frac{\mathrm{dU}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&rsqb;/2L\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;1\&rang;$ $\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}{R}^3}\&lsqb;3Q+P\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dP}}\&rsqb;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;2\&rang;$ 式中P为U型管测粘段两端的压差，R为其内半径，Q为其管内体积流量，d为微分符号，L为测粘段的长度，ρ为液体的密度。

测量时，U型管两顶端上部均为密封恒温定量气体，满足波义耳定律。通过气动控制技术可方便地控制测粘段液体的流速，微压传感器工作时不与被测液体接触，由两个压力传感器可间接测到测粘段两端的压力P1和P2，从而定出压差P和流量Q如下： $Q=-\frac{C_1}{P_1^2}d{P}_1/\mathrm{dt}+\mathrm{\&pi;}{R}_0^2\frac{{\mathrm{dl}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;3\&rang;$ $P\left(t\right)=P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right)+K_1\mathrm{\&rho;}-\frac{K_2\mathrm{\&rho;}}{P_1\left(t\right)}-K_3\mathrm{\&rho;}{l}_1\left(t\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;4\&rang;$ 将<3>、<4>式对时间微分并代入<2>式，由下列表观粘度定义可求出表观粘度随切变率的变化关系。 ${\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{\&alpha;}}{=\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}/\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}\right)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;5\&rang;$

          实现本发明所述方法的具体步骤如下：A)将U型管(13)置入主体箱(14)内，插上硅胶管(11)、(18)，连通压力传感器(1)、(2)和电磁阀(4)、(5)、(16)、(17)及液位传感器(12)，气缸(3)各通道或电路。B)启动温控系统，温控区温度稳定在设定值37℃(误差为±0.1℃)。C)计算机控制气缸(3)处初始位置，电磁阀(4)、(5)、(16)、(17)关闭，切断气路，使之密封。穿刺采血后吸样，电磁阀(16)打开，气缸(3)缓慢运动，压力传感器(1)检测液位，抽血至左竖直管H高度处，停止抽血。D)电磁阀(5)打开，计算机控制气缸(3)调整液位到校定的H高度处，两竖直管顶部气体被密封。E)气缸(3)由静止匀加速运动到终点，推动液体从管道中流出，同时给出相应0切变率到最大切变率的连续变化过程，微压传感器(1)、(2)实时采集压力信号，并经A/D转换后保存。F)排样后清洗管路，清洗次数可预先设定。清洗后电磁阀(4)打开，气缸(3)在电机驱动下，抽入干燥气体，电磁阀(4)关闭，切断气路，气缸反向运动，将气体从U型管水平出口推出。电磁阀(16)、(17)此时均打开。G)计算机数据处理后，按下述公式计算壁面切应力，壁面切变率γ(τ_ω)，从而算出不同切变率下的表观粘度值。 ${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}=R\&lsqb;P\left(t\right)-\mathrm{L\&rho;}\frac{\mathrm{dU}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&rsqb;/2L$ $\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}{R}^3}\&lsqb;-\frac{{3C}_1\&CenterDot;d{P}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}}{{P_1}^2\left(t\right)}+3\mathrm{\&pi;}{R}_0^2\&CenterDot;{\mathrm{dl}}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}+P\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dP}}\&rsqb;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&lang;6\&rang;$ 式中 $\mathrm{dQ}=\&lsqb;\frac{{2C}_1{(d{P}_1\left(t\right)/\mathrm{dt})}^2}{{P_1}^3\left(t\right)}-\frac{C_1\&CenterDot;d^2{P}_1\left(t\right)/{\mathrm{dt}}^2}{{P_1}^2\left(t\right)}+\mathrm{\&pi;}{R}_0^2\&CenterDot;d^2{l}_1\left(t\right)/{\mathrm{dt}}^2\&rsqb;d\left(t\right)$ $\mathrm{dP}\left(t\right)=\&lsqb;d{P}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}-d{P}_2\left(t\right)/\mathrm{dt}+K_2\mathrm{\&rho;}\frac{d{P}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}}{{P_1}^2\left(t\right)}-K_3\mathrm{\&rho;}\&CenterDot;{\mathrm{dl}}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}\&rsqb;d\left(t\right)$ $P\left(t\right)=P_1\left(t\right)-P_2\left(t\right)+K_1\mathrm{\&rho;}-K_2\mathrm{\&rho;}\frac{1}{P_1\left(t\right)}-K_3\mathrm{\&rho;}{l}_1\left(t\right)$ 式中K₁，K₂，K₃为与管路尺寸有关的常数，C₁，C₂为波义耳定律中的常数，R₀为气缸(3)的半径。H)显示和打印显示和打印被测液体不同切变率下的表观粘度值及对应的切变率值，显示表观粘度值随切变率变化的函数曲线。采样点数和时间间隔可预先设定。

Claims (2)

1.一种测量液体表观粘度及非抗凝血表观粘度的装置，包括测量流变环境的本体部分、检测部分和控制部分，检测部分由压力传感器、放大器、A/D转换器、液位检测器构成；控制部分由气缸、电机及其驱动器、电磁阀、继电器、机械传动机构和微型计算机构成；其特征在于测量流变环境本体为U型管，U型管的左竖直管内径为8mm或5mm，长度为100mm或60mm，内径沿长度方向均匀一致，顶部设有测压孔、驱动压力孔、烘干孔；水平管内径为1mm左右，长270mm，内径沿长度方向均匀一致，水平管和右竖直管接口处设一水平液体出入口；右竖直管由下向上依次设有液位检测器、电磁阀、测压孔、顶部密封，右竖直管中测压孔与电磁阀间内径为0.3～0.5mm。驱动压力孔接气缸，气缸由电机经机械传动机构驱动；液体出入口分成两路，一路经电磁阀(16)接至带穿刺针头的硅胶管上，另一路经电磁阀(17)接排废液管。

2.一种利用权利要求1所述装置快速测量液体表观粘度的方法，其步骤包括：吸样、调整、控制、数据采集、表观粘度计算、表观粘度值显示及打印，其特征在于：

①穿刺采血吸样后，打开电磁阀(5)，由计算机(7)、压力传感器(1)、气缸(3)控制液位稳定在左竖直管H高度处；

②气缸(3)按预定的规律运动，使液体经毛细管从管道出入口中流出，流速由0逐渐增大，计算机利用压力传感器(1)和(2)、液位检测器实时采样毛细管两端压力数据；

③计算机数据处理后，自动按下述公式确定所测液体的表观粘度， ${\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}=R\&lsqb;P\left(t\right)-\mathrm{L\&rho;}\frac{\mathrm{dU}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\&rsqb;/2L$ $\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&gamma;}}\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{\&omega;}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&pi;R}}^3}\&lsqb;-\frac{{3C}_1\&CenterDot;d{P}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}}{{P_1}^2\left(t\right)}+3\mathrm{\&pi;}{R}_0^2\&CenterDot;{\mathrm{dl}}_1\left(t\right)/\mathrm{dt}+P\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dP}}\&rsqb;$

④管路排样清洗后，管内用干燥气体烘干。

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