Современная электроника №3/2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 38 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 3 2019 Устройство контроля инфузата в инфузионной магистрали В статье представлен демонстрационный образец устройства контроля инфузата в инфузионной магистрали на базе ультразвукового датчика жидких сред с описанием его конструкции, схемотехники и алгоритма работы. Сергей Шишкин (schischckin.sergei2014@yandex.ru) Рассмотрим в общих чертах прин- цип действия медицинского обору- дования, известного как капельница. Лекарственное средство (инфузат) из флакона (или из пакета) поступает в организм пациента через инфузион- ную магистраль. Внешне для обывателя инфузионная магистраль – это пласти- ковая трубка с резервуаром (ловушкой воздуха) для жидкости посередине и двумя иглами на концах. Ловушка воз- духа с иглой может быть расположе- на на одном конце магистрали, а игла для ввода в вену – на другом. Перед инъекцией убеждаются в отсутствии пузырьков воздуха в инфузате, име- ющиеся пузырьки удаляют из раство- ра. Через трубку врач или медсестра видит, с какой скоростью движется лекарство. Скорость падения капель меняют с помощью устройства, кото- рое сдавливает снаружи верхнюю часть трубки. При внутривенном вливании особенно важно не допустить попа- дания пузырьков воздуха в организм. Флакон устанавливают на штанге на высоте, которая обеспечивает устой- чивую работу капельницы. В процес- се подготовки последней в нижней части ловушки воздуха обязательно создают определённый уровень жид- кости, чтобы в нижнюю часть труб- ки, а по ней и в вену, не попал воздух. Понятно, что при случайном попада- нии воздуха во флакон с лекарствен- ным средством уровень жидкости в ловушке воздуха инфузионной маги- страли будет падать. В настоящее вре- мя на российском рынке представлен широкий спектр как отечественных, так и зарубежных одноразовых инфу- зионных магистралей. Ловушки возду- ха в них могут отличаться друг от друга формой, длиной, внешним диаметром, толщиной стенок. Представленное устройство позволя- ет контролировать уровень жидкости в ловушке воздуха и состоит из двух частей: ультразвукового датчика жид- ких сред и блока питания. Датчик уста- навливается на ту же штангу, что и фла- кон с лекарственным средством. Сформируем основные технические требования к датчику как к функцио- нально законченному узлу: ● возможность работы с инфузионны- ми магистралями, внешний диаметр ловушки воздуха которых составля- ет 15…20 мм, а длина ловушки не ме- нее 40 мм; ● контроль уровня жидкости (задан- ный уровень должен быть отмечен риской на корпусе датчика), кон- троль оптически непрозрачного рас- твора; ● изменение (инвертирование) выход- ного сигнала датчиком при сниже- нии уровня жидкости более чем на 10 мм относительно заданного; ● отсутствие каких-либо регулировок, настроек при проверке и в период эксплуатации; ● высокая достоверность и надёжность работы; ● небольшое энергопотребление и ми- нимум питающих напряжений; ● соответствие всем требованиям ГОСТ Р 50267.0 по электробезопас- ности и класс защиты I типа BF; ● защита от попадания воды сверху; ● время непрерывной работы не менее 12 ч; ● уровень ТТЛ: лог. 1 – жидкость, лог. 0 – воздух; ● дублирование работы датчика свето- вой и звуковой сигнализацией: жид- кость – индикатор включён, звуковая сигнализация выключена; воздух – индикатор выключён, звуковая сиг- нализация включена; ● поступление напряжения питания на плату управления через соединитель (вилка с фиксатором или защёлкой). В основу работы датчика положен ультразвуковой метод контроля. В [1] дано достаточно полное обоснова- ние этого метода. Принцип работы подобных сигнализаторов основыва- ется на фиксации изменения энергии ультразвуковой волны, проходящей через жидкость или газ, вследствие рез- ких различий значений акустических сопротивлений этих сред. Для измере- ния уровня жидкости в большинстве случаев используется принцип про- хождения ультразвуковых колебаний между излучателем и приёмником аку- стического датчика. В качестве преоб- разователя электрических колебаний высокой частоты (порядка 1 МГц) в уль- тразвуковые, распространяющиеся в контролируемой среде между излучате- лем и приёмником, обычно использу- ется пьезокерамика цирконата-титан- та свинца в виде круглых пластин диа- метром 6…30 мм, толщиной 1…2 мм с резонансной частотой 0,5…2 МГц. Воз- буждение и приём колебаний произ- водятся в непрерывном или импульс- ном режиме. Конструктивно излучатель и приём- ник абсолютно одинаковы. Принципиальная схема устрой- ства контроля жидкости приведена на рисунке 1. В ультразвуковом датчике исполь- зуется временна ′ я селекция сигна- лов по жидкости от возможных сиг- налов помехи по газу через рабочий зазор датчика и металлу корпуса дат- чика. Это разделение возможно из-за различных скоростей распростране- ния звука в этих средах: в жидкости – 1500 м/c, в газе – 340 м/c, т.е. в 5 раз меньше; в металлах – 6000 м/c; т. е. в 4 раза больше. База прозвучивания – расстояние между излучателем и при- ёмником детектора – устанавливается равной 18 мм. Время распростране- ния между излучателем и приёмником определяется базой детектора и сре- дой, в которой сигнал распространя- ется. Скорость распространения звука в жидкости составляет с =1500 м/с. Если взять базу b =20 мм, то для воды время распространения колебаний между излучателем и приёмником в детек- торе будет равно t в = b / с =0,02/1500= =13 мкс. Поскольку сигнал помехи по газу достигает приёмного преобразо- вателя в 5 раз дольше, то его легко мож-