ДАТЧИК ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПУЗЫРЬКОВ В ЖИДКОСТИ, ПРОТЕКАЮЩЕЙ ПО ПУТИ ПОТОКА
SENSOR FOR DETECTION OF BUBBLES IN LIQUID FLOWING ALONG FLOW PATH

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к датчику для обнаружения пузырьков в газовой фазе, существующих в жидкости, текущей по пути потока.
Изобретение дополнительно относится к блоку управления для совместной работы с датчиком.
Изобретение дополнительно относится к системе, содержащей датчик и блок управления.
Уровень техники
В патенте США 4555940 раскрыто устройство для измерения и контроля объема и скорости потока жидкости, проходящего по пути потока. Устройство, раскрытое в патенте США 4555940, содержит средство изменения температуры части пути потока жидкости. После того как подано заданное количество теплоты и температуры пути потока жидкости и жидкости в нем достаточно изменились, активируется средство устройства определения изменения температуры. Упомянутое средство устройства определения контролирует изменения температуры как функцию скоростей потока жидкости через часть с измененной температурой пути потока жидкости. Устройство, соответствующее патенту США 4555940, может обнаруживать пузырьки, используя тот факт, что температура части с измененной температурой пути потока жидкости будет увеличиваться при прохождении пузырьков по сравнению с температурой, когда через упомянутую часть с измененной температурой протекает только жидкость без пузырьков, при условии, что количество тепла, переданное части с измененной температурой пути потока жидкости, остается, по существу, неизменным.
Способы, раскрытые в патенте США 4555940, неспособны обнаруживать присутствие пузырьков в газовой фазе при потенциально возможных изменениях скорости потока жидкости. А именно, способы, раскрытые в патенте США 4555940, не могут делать различия между различными причинами изменений температуры пути потока жидкости или жидкости в нем. То есть, при условии, что количество тепла, передаваемое части с измененной температурой пути потока жидкости, остается, по существу, неизменным, изменение температуры может быть обусловлено как изменением скорости потока жидкости, так и присутствием пузырьков. В результате, на основе зарегистрированного изменения температуры никакие соответствующие меры не могут быть предприняты.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить датчик, способный обнаруживать пузырьки в газовой фазе, присутствующие в жидкости, протекающей через путь потока, причем обнаруживать так, чтобы такое обнаружение не зависит от изменения скорости упомянутой жидкости, протекающей через путь потока.
Эта задача решается датчиком, соответствующим изобретению, таким, который определен в пункте 1 формулы изобретения. Датчик, соответствующий изобретению, содержит нагревательный элемент для нагревания жидкости, причем нагревательный элемент обеспечивается заранее заданным уровнем мощности, по меньшей мере, во время обнаружения, и датчик дополнительно содержит устройство передатчика, выполненное с возможностью формирования измерительного сигнала, представляющего значение результата измерения, указывающее температуру нагревательного элемента, и устройство компаратора для сравнения значения результата измерения измерительного сигнала с заранее заданным пороговым уровнем. Упомянутый здесь заранее заданный пороговый уровень соответствует исходной температуре, достигаемой нагревательным элементом в ответ на упомянутый заранее заданный уровень мощности и на минимальную скорость, достигаемую жидкостью на пути потока. Устройство компаратора дополнительно выполнено с возможностью формирования выходного сигнала, когда значение результата измерения измерительного сигнала превышает заранее заданный пороговый уровень.
Благодаря тому что выходной сигнал основан на сравнении значения результата измерения, представленного измерительным сигналом, с заранее заданным пороговым уровнем, причем упомянутый заранее заданный пороговый уровень соответствует исходной температуре, достигаемой нагревательным элементом в ответ на упомянутый заранее заданный уровень мощности, и минимальной скорости, достигаемой жидкостью на пути потока, обнаружение газовых пузырьков не зависит от возможных изменений скорости жидкости, протекающей через путь потока. А именно при условии, что мощность, подаваемая на упомянутый нагревательный элемент, поддерживается на заранее заданном уровне, температура нагревательного элемента увеличивается при уменьшении скорости жидкости, протекающей по пути потока. Тем не менее, температура нагревательного элемента не будет превышать исходную температуру, достигаемую нагревательным элементом в ответ на упомянутый заранее заданный уровень мощности и минимальную скорость. Выбирая заранее заданный порог так, чтобы он соответствовал упомянутой исходной температуре, и используя характеристику того, что текучая среда обладает теплопроводностью, которая превышает теплопроводность пузырьков, потенциальное превышение заранее заданного порогового уровня температурой нагревательного элемента обусловлено просто присутствием пузырьков в газовой фазе в жидкости, протекающей по пути потока. В результате, датчик, соответствующий изобретению, позволяет точно обнаруживать возможное присутствие пузырьков в газовой фазе в жидкости, протекающей по пути потока. Следовательно, для медицинских применений, таких как внутривенное вливание, управление потоком анестезирующего вещества и мочевые катетеры, подача вредного количества, например, пузырьков воздуха пациенту эффективно предотвращается. В этом описании температуропроводность жидкости определяется как отношение теплопроводности жидкости к объемной теплоемкости упомянутой жидкости. Эквивалентное определение используется для температуропроводности пузырьков.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, устройство передатчика установлено для формирования дополнительного измерительного сигнала, представляющего дополнительное значение результата измерения, указывающее скорость жидкости, протекающей по пути потока. Этот вариант осуществления особенно предпочтителен для медицинских вмешательств, таких как внутривенное вливание, управление потоком анестезирующего вещества и мочевые катетеры, в том смысле, что он предоставляет информацию о скорости, с которой, например, подается лекарственное средство, или информацию о накопленном количестве лекарственного средства, вводимого пациенту.
В предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, выходной сигнал указывает продолжительность времени, в течение которого значение результата измерения измерительного сигнала превышает заранее заданный порог. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что он обеспечивает меру количества пузырьков в газовой фазе, существующих в жидкости, протекающей по пути потока, прошедшей через устройство передатчика. А именно, контролируя дополнительное значение результата измерения, указывающее скорость, с которой жидкость протекает по пути потока, в комбинации с продолжительностью времени, в течение которого значение результата измерения измерительного сигнала превышает заранее заданный порог, получается оценка количества пузырьков, которые прошли через устройство передатчика. Например, при применении в системах внутривенного вливания лекарственных средств, вслед за измерительным сигналом, указывающим, что по пути потока упомянутому пациенту было перенесено критическое количество, например, воздуха, потенциально присутствующего в жидком лекарственном средстве, внутривенно вводимом пациенту, могут быть предприняты предписанные действия. Устанавливая упомянутый критический уровень, например, воздуха, предотвращается излишнее уведомление медицинского персонала.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, дополнительное значение результата измерения, представленное измерительным сигналом, основывается на отношении первого пространственного перепада температур и второго пространственного перепада температур. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что точность дополнительного измерительного сигнала значительно повышается. А именно, основывая измерительный сигнал на отношении первого пространственного перепада температур и второго пространственного перепада температур, измерительный сигнал потенциально не зависит от фактического уровня мощности, подаваемой на нагревательный элемент. Следовательно, независимо от заранее заданного уровня мощности, поданной на нагревательный элемент, по меньшей мере, во время обнаружения возможного присутствия пузырьков в газовой фазе в жидкости, точность дополнительного измерительного сигнала сохраняется. Упомянутый здесь пространственный перепад температур подразумевает численную разность между температурами, измеренными в определенных местах по пути потока. Первый пространственный перепад температур и второй перепад температур оба относятся к мощности, рассеиваемой нагревательным элементом аффинным способом, по меньшей мере, для диапазона скоростей потока жидкости. Аффинное отношение представляет собой линейное отношение при условии, что постоянный член линейного отношения равен нулю. Поэтому, с учетом отношения первого пространственного перепада температур и второго перепада температур получается отношение, не зависящее от мощности, рассеиваемой нагревательным элементом.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, датчик содержит приемник датчика, выполненный с возможностью приема электромагнитного излучения и приведения в действие нагревательного элемента вслед за приемом электромагнитного излучения. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что нагревательный элемент может приводиться в действие с помощью беспроводных технологий, то есть электромагнитное излучение может обеспечиваться беспроводным способом. Последний признак позволяет легко работать с датчиком благодаря отсутствию надоедливого электромонтажа. Упомянутый здесь нагревательный элемент может быть приведен в действие за счет энергии, содержащейся в самом электромагнитном излучении. Альтернативно, электромагнитное излучение может использоваться для накопления в накопителе энергии, содержащийся в датчике, таком как миниатюрная батарея, причем такая миниатюрная батарея, в свою очередь, питает нагревательный элемент.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, датчик содержит передатчик датчика для передачи выходного сигнала, формируемого устройством компаратора, и/или дополнительного измерительного сигнала, формируемого устройством преобразователя для управления приемником, содержащимся в блоке управления. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что датчик физически отключен от любой электрической схемы, которая управляет датчиком, и реагирует на выходной сигнал и/или дополнительный измерительный сигнал. В результате, этот вариант осуществления обеспечивает надежное обращение и надежное применение, поскольку риск загрязнения электрических контактов, который, по существу, присутствует, например, при медицинских применениях, в определенной степени ограничивается, обеспечивая беспроводную передачу выходного сигнала и/или дополнительного измерительного сигнала. Последнее гарантирует экономически привлекательное использование при применениях, в которых канал регулярно заменяется. А именно, датчик может легко отключаться от блока управления благодаря отсутствию надоедливого электромонтажа. После отключения блок управления может быть использован повторно, тогда как датчик может быть одноразовым. В частности, в применениях, в которых канал регулярно заменяется, таких как внутривенное вливание, управление потоком анестезирующего вещества, мочевые катетеры, управление дыханием, а также измерение расхода при брюшной и парентеральной подаче питательных веществ, последнее качество очень выгодно. Благодаря одноразовому использованию датчика, крайне трудоемкий процесс повторной стерилизации датчика эффективно обходится. Очевидно, датчик не обязательно должен быть одноразовым, то есть он явно позволяет длительное использование.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, приемником датчика является антенна, причем антенна содержит нагревательный элемент. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что не требуется установка выпрямителя и сопутствующей схемы для управления напряжением между приемником датчика, то есть антенной, и нагревательным элементом. Поэтому этот вариант осуществления предпочтительно сокращает количество компонентов, монтируемых в датчике, что, очевидно, снижает затраты на изготовление датчика. В дополнение к этому, такой вариант осуществления предпочтительно позволяет миниатюризировать датчик. А именно, миниатюрные выпрямители и миниатюрные сопутствующие схемы, доступные в настоящее время, могут быть непригодны для работы с уровнем мощности, обычно требуемым для приведения в действие нагревательного элемента, содержащегося в датчике. Дополнительно, этот вариант осуществления предпочтителен в том смысле, что он предотвращает появление нагревания в местах, отличных от нагревательного элемента. А именно, вышеупомянутый выпрямитель мог бы нагреваться за счет его электрического сопротивления. Это выгодное качество не только увеличивает точность датчика, оно также повышает эффективность датчика.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению, датчик располагается в стенке или на стенке пути потока. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что увеличивается точность выходного сигнала и/или дополнительного измерительного сигнала, формируемого устройством преобразователя. А именно, при встраивании датчика в стенку пути потока, датчик может быть установлен в относительно непосредственной близости к жидкости, протекающей по пути потока. Следовательно, тепловое сопротивление между жидкостью и датчиком минимизируется и пониженное тепловое сопротивление предпочтительно с точки зрения сокращения продолжительности времени, в течение которого изменение температуры жидкости обнаруживается датчиком. Этот вариант осуществления имеет дополнительное преимущество в том, что датчик физически не контактирует с жидкостью. Последнее качество важно для медицинских применений, таких контроль расхода при внутривенном вливании или через мочевой катетер. А именно, при этих применениях крайне важно предотвратить чрезвычайную ситуацию, в которой датчик или его части отрываются и дальше переносятся по телу человека или животного потоком жидкости.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления датчика, соответствующем изобретению, датчик устанавливается, по существу, коаксиально с путем потока. В этом описании, "коаксиально" должно интерпретироваться как установка частей или поверхностей, имеющих общую ось, в осевом направлении. Следовательно, круговые, а также некруговые части и поверхности позволяют осуществлять коаксиальную установку. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что точность выходного сигнала и/или дополнительного измерительного сигнала, формируемого устройством преобразователя, увеличивается.
Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы обеспечить блок управления для совместной работы с датчиком, соответствующим изобретению. Эта задача решается блоком управления, соответствующим изобретению, причем блок управления отличается передатчиком управления для передачи электромагнитного излучения приемнику датчика. При наличии передатчика управления блок управления способен обеспечивать электромагнитное излучение для приведения в действие нагревательного элемента. В результате, взаимодействие между датчиком и блоком управления может осуществляться без физического соединения.
В предпочтительном варианте осуществления блока управления, соответствующего изобретению, блок управления содержит средство для разъемного соединения блока управления с путем потока. Этот вариант осуществления обладает тем преимуществом, что блок управления и датчик могут эффективно взаимодействовать, гарантируя возможность отсоединения самого датчика от пути потока, в который предпочтительно закладывается датчик. А именно, посредством разъемного соединения блока управления с путем потока датчик и блок управления могут устанавливаться в непосредственной близости друг от друга для улучшения передачи электромагнитного излучения приемнику датчика, не препятствуя возможности отсоединения датчика или разъединения датчика и пути потока, в который датчик предпочтительно закладывается. А именно, использование разъемного соединения канала и блока управления позволяет легко заменять канал, тогда как блок управления может использоваться повторно. Это качество особенно предпочтительно при медицинских применениях, в которых путь потока, содержащий датчик, регулярно заменяется, обычно один раз в день. Дополнительно, благодаря предпочтительно беспроводной подаче энергии на нагревательный элемент через электромагнитное излучение посредством передатчика управления, отсоединение пути потока, содержащего датчик, от блока управления значительно облегчается.
В предпочтительном варианте осуществления блока управления, соответствующего изобретению, блок управления содержит актюатор тревоги для формирования сигнала тревоги в ответ на выходной сигнал, сформированный устройством компаратора. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что в случае обнаружения датчиком пузырьков в газовой фазе, присутствующих в жидкости, могут предприниматься соответствующие меры. Сигнал тревоги, сформированный актюатором тревоги, может быть звуковым или визуальным для медицинского работника или может монтироваться, комбинируя звуковые и визуальные эффекты.
В предпочтительном варианте осуществления блока управления, соответствующего изобретению, блок управления содержит актюатор прерываний для прерывания протекания жидкости по пути потока в ответ на выходной сигнал, сформированный устройством компаратора. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что, например, внутривенная подача лекарственного средства прерывается автоматически, то есть поток жидкости может прерываться без контроля со стороны медицинского работника. Последний признак в значительной степени улучшает безопасность пациента, которому лекарственное средство вводится, например, внутривенным способом. А именно, в случае, когда датчик обнаруживает критическое количество, например, воздуха, присутствующего в жидкости, протекающей по пути потока, требуется немедленное выключение подачи жидкости пациенту.
В предпочтительном варианте осуществления блока управления, соответствующего изобретению, блок управления содержит актюатор управления для управления скоростью потока жидкости, протекающей через путь потока. Этот вариант осуществления имеет то преимущество, что скорость, с которой жидкость протекает через путь потока, не зависит от внешних обстоятельств, таких как гравитация. Последнее качество эффективно повышает простоту использования, например, системы внутривенного введения; используя этот вариант осуществления блока управления, соответствующего изобретению, упомянутая система может в значительной степени использоваться независимо, не требуя непрерывного контроля медицинским работником. Предпочтительно, актюатор управления может управляться сигналом, относящимся к отклонению между заранее заданной скоростью потока жидкости, протекающей через путь потока, и дополнительным измерительным сигналом, формируемым устройством преобразователя, содержащимся в датчике. Последний признак имеет то преимущество, что для приведения скорости потока жидкости в соответствие с заданным режимом лечения, не требуется никакое вмешательство, например, врача или среднего медицинского работника.
Дополнительной задачей изобретения является обеспечение системы, содержащей датчик, соответствующий изобретению, и блок управления, соответствующий изобретению.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичное изображение первого варианта осуществления датчика, соответствующего изобретению, в котором датчик содержит устройство преобразователя, выполненное из двух термоэлементов.
Фиг.2 - схематичное изображение второго варианта осуществления датчика, соответствующего изобретению, в котором датчик располагается в стенке канала.
Фиг.3 - схематичное объяснение величин, измеряемых устройством преобразователя, содержащимся в первом варианте осуществления датчика, соответствующего изобретению.
Фиг.4 - схематичный вид в разрезе третьего варианта осуществления датчика, соответствующего изобретению, в котором датчик расположен коаксиально с каналом.
Фиг.5 - схематичное представление варианта осуществления системы, соответствующей изобретению, в которой блок управления, соответствующий изобретению, выполнен с возможностью совместной работы с датчиком, соответствующим изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен датчик 102, содержащий микросхему 104, имеющую подложку, изготовленную, например, из полиамидных материалов, которые сами по себе известны. Преимущество упомянутых материалов состоит в их относительно низкой потере мощности в радиочастотном диапазоне (RF). Здесь RF относится к радиочастоте, подразумевающей частоту в диапазоне от приблизительно 1 МГц до приблизительно 10 ГГц. Датчик 102 дополнительно содержит антенну 110 для приема электромагнитного излучения. Энергия, содержащаяся в электромагнитном излучении, используется для приведения в действие нагревательного элемента 106, причем нагревательный элемент 106 выполнен с возможностью нагревания жидкости, протекающей вдоль нагревательного элемента 106. Уровень мощности, подаваемый на нагревательный элемент 106, обладает заранее заданным уровнем, по меньшей мере, во время обнаружения возможного присутствия в жидкости пузырьков в газовой фазе. Нагревательный элемент 106 объединен с антенной 110 через локально обеспечиваемое здесь относительно большое электрическое сопротивление антенны 110. Упомянутое относительно большое электрическое сопротивление обеспечивается локально посредством материала, имеющего более высокое электрическое сопротивление, или, альтернативно, обеспечивается локально посредством участка с меньшим поперечным сечением. Следовательно, мощность будет рассеиваться вдоль относительно большого электрического сопротивления, и такое рассеивание будет приводить в результате к нагреванию.
Микросхема 104 содержит устройство 108 преобразователя, причем устройство 108 преобразователя содержит первый термоэлемент 112 и второй термоэлемент 114. В этом описании "термоэлемент" относится к последовательному соединению множества термопар. Термоэлемент формирует выходной сигнал, связанный с локальным температурным градиентом или перепадом температур, вместо того, чтобы измерять абсолютную температуру. Первый термоэлемент 112 регистрирует разность температур между температурой на линии A и температурой на линии B. Следовательно, первый термоэлемент 112 измеряет разность между температурой нагревательного элемента 106 и температурой в удаленном исходном положении выше по потоку от нагревательного элемента 106, причем такая температура дополнительно упоминается как исходная температура.
На основании выходного сигнала первого термоэлемента 112 устройство 108 преобразователя формирует измерительный сигнал 114, представляющий значение результата измерения, причем значение 114 результата измерения указывает температуру нагревательного элемента 106. Устройство 116 компаратора выполнено с возможностью сравнения значения результата измерения измерительного сигнала 114 с заранее заданным пороговым уровнем и контроля продолжительности времени, в течение которого значение результата измерения, представленное измерительным сигналом 114, превышает заранее заданный пороговый уровень. Упомянутый заранее заданный пороговый уровень соответствует исходной температуре, достигаемой нагревательным элементом 106 в ответ на заранее заданный уровень мощности, и минимальной скорости, достигаемой жидкостью, протекающей по пути потока. Здесь жидкость протекает от линии А к линии D вдоль направления, перпендикулярного к линии A, установленного от линии А к линии B. Заранее заданный пороговый уровень может быть установлен экспериментально для имеющейся под рукой жидкости, и его величина может быть сохранена в запоминающем устройстве 118, содержащемся в датчике 102. Устройство 116 компаратора формирует выходной сигнал 120. Выходной сигнал 120 указывает продолжительность времени, в течение которого измерительный сигнал 114 превышает заранее заданный пороговый уровень. В результате, выходной сигнал 120 указывает количество пузырьков в газовой фазе, которые пересекают нагревательный элемент 106.
Второй термоэлемент 122 измеряет разность между температурами на линии C и на линии D. Поэтому второй термоэлемент 122 измеряет разность между температурой жидкости после прохождения нагревательного элемента 106 и температурой жидкости до прохождения нагревательного элемента 106. На основании отношения выходного сигнала, формируемого первым термоэлементом 112, и выходным сигналом, формируемым вторым термоэлементом 122, устройство 108 преобразователя формирует дополнительный измерительный сигнал 124, причем дополнительный измерительный сигнал 124 указывает скорость жидкости.
Датчик 102 дополнительно содержит передатчик 126 датчика для передачи выходного сигнала 120 и дополнительного измерительного сигнала 124. Использование датчика 102 совместно с путем потока раскрывается на Фиг.2, причем чертеж относится ко второму варианту осуществления датчика, соответствующего изобретению.
heat
ref
ref
heat
ref
На фиг.2 представлен вариант осуществления датчика, соответствующего изобретению, в котором датчик 202 располагается в стенке или части 204 стенки канала 206 для измерения скорости v [м/с] жидкости 208, протекающей через канал 206. Упомянутая здесь жидкость 208 является жидкостью, обычной для медицинских применений, такой как растворимый в воде лекарственный препарат или пища в жидкой фазе. Нагревательный элемент 210 выполнен с возможностью нагревания жидкости 208. Источник электропитания (не показан), содержащийся в датчике, например миниатюрная батарея, обеспечивает заранее заданный уровень мощности для нагревательного элемента 210. Первый термоэлемент 212 выполнен с возможностью измерения разности между температурой T [K] нагревательного элемента 210 и исходной температурой T [K], которая регистрируется в удаленном положении ниже по потоку на расстоянии x от нагревательного элемента 210, смотрите также фиг.4. На основании выходного сигнала первого термоэлемента 212, то есть T-T, устройство преобразователя (не показано), содержащееся в датчике, формирует измерительный сигнал, указывающий температуру нагревательного элемента 210. Устройство компаратора (не показано), содержащееся в датчике, выполнено с возможностью сравнения измерительного сигнала с заранее заданным пороговым уровнем и контроля продолжительности времени, в течение которого измерительный сигнал 114 превышает заранее заданный пороговый уровень. Упомянутый заранее заданный пороговый уровень соответствует исходной температуре, достигаемой нагревательным элементом 210 в ответ на заранее заданный уровень мощности, и минимальной скорости, достигаемой жидкостью в канале 206. Устройство компаратора формирует выходной сигнал, который указывает потенциально возможное превышение заранее заданного порогового уровня измерительным сигналом. В результате, выходной сигнал 120 указывает возможное присутствие в жидкости 208 пузырьков в газовой фазе.
Дополнительно, выходной сигнал первого термоэлемента 212 связан с мощностью P [Вт], подаваемой на нагревательный элемент 210, и скоростью потока v жидкости 208 в канале 206 в соответствии со следующей зависимостью:
<maths num="1"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>h</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></math><img file="00000001.tif" he="7" wi="44" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>где:
(I)
<maths num="2"><math display="block"><mrow><msub><mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"><mi>T</mi></mstyle><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>P</mi><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub><msub><mi>b</mi><mrow><mi>h</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>h</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mrow><mi>h</mi></mfrac><mo>+</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>v</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><msub><mi>a</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>4</mn><mi>k</mi></mrow></msqrt></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000002.tif" he="20" wi="58" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(II)
<maths num="3"><math display="block"><mrow><msub><mi>а</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>v</mi><mo>+</mo><msqrt><mrow><msup><mi>v</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>16</mn><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mi>k</mi><mo>/</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>4</mn><msub><mi>a</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000003.tif" he="14" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(III)
<maths num="4"><math display="block"><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>w</mi><mi>a</mi><mi>l</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mi>d</mi></mrow><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mi>h</mi></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000004.tif" he="12" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(IV)
heat
heat
fl
f
wall
и где l означает длину нагревателя, d - расстояние от датчика 202 до жидкости 208, и h - высота канала потока, смотрите фиг.4, где дается графическое объяснение вышеупомянутых величин. Дополнительно, b - ширина нагревательного элемента 210, a - температурапроводность жидкости 208, λ- теплопроводность жидкости 208 и λ - теплопроводность стенки 204, то есть теплопроводность материала между датчиком 202 и жидкостью 208.
after
prior
after
prior
0
Второй термоэлемент 214 устанавливается для измерения разности между температурой T[K] жидкости 208 после прохождения нагревательного элемента 210 и температурой T[K] жидкости 208 до прохождения нагревательного элемента 210. Выходной сигнал второго термоэлемента 214, то есть T - T, связан со скоростью v жидкости 208 в канале 206 и температурой T в соответствии со следующей зависимостью:
<maths num="5"><math display="block"><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>a</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>a</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow></math><img file="00000005.tif" he="7" wi="58" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>где:
(V)
<maths num="6"><math display="block"><mrow><msub><mi>а</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>v</mi><mo>−</mo><msqrt><mrow><msup><mi>v</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>16</mn><msubsup><mi>a</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mi>k</mi><mo>/</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>4</mn><msub><mi>a</mi><mrow><mi>f</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mi>k</mi></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000006.tif" he="14" wi="43" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(VI)
prior
after
prior
after
и где x и x соответственно означают расстояние от положений ниже и выше по потоку от нагревательного элемента 110 до положений, в которых T и T регистрируются вторым термоэлементом 214, смотрите фиг.4.
Дополнительный измерительный сигнал, формируемый устройством преобразователя (не показан), содержащимся в датчике 202, основан на отношении τ выходного сигнала первого термоэлемента 212 и выходного сигнала второго термоэлемента 214. При условии, что P ≠ 0, дополнительный измерительный сигнал τ следует из следующей безразмерной зависимости:
<maths num="7"><math display="block"><mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>a</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>h</mi><mi>e</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>a</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow></math><img file="00000007.tif" he="13" wi="59" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
(VII)
1
2
где α и α следуют из уравнений (III) и (VI), соответственно. Как очевидно из уравнения (VII), отношение τ не зависит от мощности P, подаваемой на нагревательный элемент 210. Следовательно, дополнительный измерительный сигнал не зависит от фактического заранее заданного уровня мощности, которая подается на нагревательный элемент 210.
<mrow><mi>τ</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msup><mi>e</mi><mrow><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>a</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mi>e</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mi>o</mi><mi>r</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>x</mi><mrow><mi>r</mi><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Кроме того, дополнительный измерительный сигнал, соответствующий соотношению (V), является инвариантным при изменениях температуры окружающей среды. Следовательно, он не имеет компенсации относительно температуры. Кроме того, дополнительный измерительный сигнал чувствителен к существенно большому диапазону скоростей v жидкости 208, протекающей через канал 206. В результате, измерительный сигнал обеспечивает относительно большой диапазон, в котором он указывает скорость v. Датчик 202 калибруется, измеряя отношение τ для диапазона скоростей и запоминая калибровку в виде таблицы поиска в запоминающем устройстве (не показано), содержащемся в датчике 202. На основе калибровки скорость v может быть определена во время использования, измеряя τ и далее используя таблицу поиска. Альтернативно, скорость v может быть вычислена на основе (V), измеряя отношение τ и далее используя итерационную схему, например, способ Ньютона-Рафсона или бисекционный способ, которые подразумевают вычисление v, для которой уравнение
равно нулю. Преимущество последнего подхода заключается в том факте, что могут быть учтены изменения, например, в свойствах жидкости.
1
3
2
1
2
3
2
1
На фиг.4 представлен предпочтительный вариант осуществления, в котором датчик 402 располагается в стенке 404 канала 406 для измерения скорости жидкости 408, протекающей по каналу 406. Стенка 404 канала 406 изготавливается из соответствующей пластмассы. Канал 406 имеет внутренний радиус R и внешний радиус R. Датчик 402 располагается коаксиально с каналом 406 с радиусом R, причем R<R≤R. Предпочтительно, для уменьшения теплового сопротивления между жидкостью и датчиком расхода с целью повышения способности обнаружения пузырьков в газовой фазе, возможно присутствующих в жидкости 408, расстояние R-R относительно мало, например, приблизительно 60 мкм. Ясно, что датчик 402 физически не контактирует с жидкостью 608, протекающей по каналу 406. Предпочтительно, датчик 402 охватывает жидкость 408 в относительно большой степени, чтобы повысить точность выходного сигнала, формируемого устройством преобразователя (не показано), содержащимся в датчике 402.
На фиг.5 представлен вариант осуществления системы, соответствующий изобретению, причем система используется для медицинского применения, такого как система внутривенного вливания. Система содержит блок 502 управления и датчик 504. Датчик располагается в стенке 506 расходомерной трубки 508. Блок 502 управления содержит первый корпус 510 и второй корпус 512. В этом варианте осуществления оба корпуса представляют собой удлиненные корпуса. В этом варианте осуществления первый корпус 510 и второй корпус 512 соединяются через петлевое устройство 514. Следовательно, первый корпус 510, второй корпус 512 и петлевое устройство 514 образуют кожух. Альтернативно, первый и второй корпуса могут соединяться посредством винтов, застежек-защелок или зажимов. Петлевое устройство 514 определяет степень свободы φ взаимного вращения вдоль оси вращения 516 для первого корпуса 510 и второго корпуса 512. Первый корпус 510 содержит первую лицевую поверхность 517, имеющую первую полость 518, тогда как второй корпус содержит вторую лицевую поверхность 519, имеющую вторую полость 520. В случае если степень свободы φ взаимного вращения принимает нулевое значение, то есть лицевые поверхности 517 и 519 соприкасаются друг с другом, кожух, следовательно, закрыт, и конструкция, состоящая из первой полости 518 и второй полости 520, способна охватить канал 508.
Блок 502 управления выполнен с возможностью совместной работы с датчиком 504. Для этой цели блок 502 управления содержит передатчик 522 управления для передачи электромагнитного излучения на приемник (не показан) датчика, содержащийся в датчике 504, чтобы обеспечить заранее заданный уровень мощности, по меньшей мере, во время обнаружения, для нагревательного элемента (не показан), содержащегося в датчике 504. Здесь нагревательный элемент приводится в действие за счет энергии, содержащейся в самом электромагнитном излучении. Альтернативно, электромагнитное излучение может использоваться, чтобы позволить накопление энергии в таком устройстве, как миниатюрная батарея (не показана), содержащемся в датчике, причем миниатюрная батарея, в свою очередь, приводит в действие нагревательный элемент. Для цели совместной работы блок 502 управления дополнительно содержит приемник 524 управления для приема выходного сигнала и дополнительного измерительного сигнал, тогда как датчик 502 содержит передатчик датчика (не показан) для передачи упомянутых сигналов на приемник 524 управления.
Блок управления содержит актюатор 526 тревоги, такой как громкоговоритель или сирена, для формирования акустического аварийного сигнала на основании выходного сигнала, принятого приемником 524 управления. То есть в случае, когда выходной сигнал указывает, что критическое количество пузырьков в газовой фазе, присутствующих в жидкости 527, пересекло нагревательный элемент, содержащийся в датчике 504, формируется звуковой сигнал, чтобы привлечь внимание медицинского работника. Блок управления дополнительно содержит актюатор 528, который реализуется предпочтительно в виде цилиндрического корпуса 530, эксцентрично вращающегося вокруг осевого стержня 532 электромагнитным двигателем 534. Актюатор 528 выполнен с возможностью прерывания потока на основе выходного сигнала, принимаемого приемником 524 управления. То есть, в случае, когда выходной сигнал указывает, что критическое количество пузырьков в газовой фазе пересекло нагревательный элемент, содержащийся в датчике 504, поток жидкости через расходомерную трубку прерывается, чтобы предотвратить подачу пациенту потенциально вредного количества пузырьков в газовой фазе. Актюатор 524 дополнительно выполнен с возможностью управления скоростью потока жидкости 527, протекающей по каналу 508, на основе дополнительного измерительного сигнала, принимаемого приемником 524 управления, при условии, что выходной сигнал не указывает, что датчиком 502 было обнаружено критическое количество пузырьков в газовой фазе. В отсутствие пузырьков в газовой фазе в жидкости 527, электромагнитный двигатель 534 управляется сигналом, связанным с отклонением между заданной скоростью потока жидкости 527 в канале 508 и скоростью, указываемой дополнительным измерительным сигналом. Следовательно, не требуется никакое вмешательство, например, врача или среднего медицинского работника с целью приведения скорости жидкости 527 в канале 508 в соответствие с заданным режимом лечения.
Первая полость 518 содержит первое множество круговых полостей 536. Первое множество круговых полостей 536 имеет непараллельную ориентацию по сравнению с первой полостью 518. Аналогично, вторая полость 520 содержит второе множество круговых полостей 538. Второе множество круговых полостей 538 имеет ориентацию, совпадающую с ориентацией первого множества круговых полостей 536. Первое множество круговых полостей 536 и второе множество круговых полостей 538 выполнены с возможностью охватывания множества выпуклостей 540, установленных на канале 508. Охватывая, соответственно, канал 508 посредством установки нулевого угла степени свободы φ вращения вдоль оси взаимного вращения 516 и выравнивания множество выпуклостей 540 с первым множеством круговых полостей 536 и вторым множеством круговых полостей 538, устанавливается взаимное осевое положение канала 508 и блока 502 управления.
Хотя изобретение было представлено и подробно описано на чертежах и в предшествующем описании, чертежи и описание должны считаться иллюстративными или примерными и не являются ограничениями. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Заметим, что датчик и блок управления, соответствующие изобретению, и все их компоненты могут быть изготовлены, применяя процессы и материалы, которые сами по себе известны. В формуле изобретения и описании слово "содержащее" не исключает другие элементы, а единственное число не исключает множественное. Любые ссылочные знаки в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничение ее объема. Дополнительно заметим, что все возможные комбинации признаков, определенных в формуле изобретения, являются частью изобретения.