介紹
在醫(yī)用液體輸送行業(yè)中，患者的**至關(guān)重要。 隨著系統(tǒng)**性的關(guān)注日益增加，對(duì)管路內(nèi)空氣量的準(zhǔn)確表征的需求也在增加。 在許多應(yīng)用中，需要一種能夠可靠地檢測(cè)小氣泡的傳感器。 另外，延遲處理對(duì)患者可能是不**的。 因此，需要使氣泡檢測(cè)器*小檢測(cè)或快速報(bào)警的氣泡探測(cè)器。 如果不仔細(xì)考慮和理解這兩個(gè)苛刻的要求，則需要輸液的會(huì)使患者處于危險(xiǎn)之中。
范圍
該文檔概述了超聲空氣在線檢測(cè)的原理，討論了非侵入性超聲氣泡檢測(cè)的不同方法，并滿足了高分辨率檢測(cè)的特定設(shè)計(jì)要求。
實(shí)現(xiàn)高分辨率傳感的一項(xiàng)關(guān)鍵要**驅(qū)動(dòng)和處理超聲信號(hào)以補(bǔ)償存在的自然變化的方法。 這種方法不僅可以增強(qiáng)檢測(cè)氣泡的能力，而且還可以大大降低干擾警報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。 此外，本文檔還向有興趣將這種技術(shù)集成到其系統(tǒng)中以*大程度地提高成功性能的人員提供建議。
超聲波氣泡在線傳感器的工作原理
典型的非侵入式超聲空氣在線傳感器利用有源壓電元件作為發(fā)射器來產(chǎn)生高頻聲波。 該聲波傳播通過傳感器壁， 并耦合到與該壁接觸的管道。 然后， 該超聲波穿過充滿流體的管道到達(dá)相對(duì)的傳感器壁，并在另一側(cè)被無源壓電元件接收。
感測(cè)何時(shí)存在氣泡的能力是由于在管壁或流體與空氣之間存在很大的聲阻抗差。 這種較大的阻抗失配會(huì)產(chǎn)生一個(gè)聲鏡， 該聲鏡會(huì)向發(fā)射器的方向反射回超聲波。
由于能量沒有到達(dá)接收側(cè)， 因此傳感器將指示氣泡的存在。
需要自動(dòng)增益控制用于高分辨率氣泡檢測(cè)
超聲波氣泡在線檢測(cè)可分為兩類：總空氣檢測(cè)和高分辨率氣泡檢測(cè)。
相對(duì)于管道內(nèi)徑的氣泡大小定義了傳感器的類別。 如果感興趣的氣泡是管道內(nèi)徑的大小，則它將阻塞整個(gè)聲音路徑，而僅通過總空氣檢測(cè)器即可檢測(cè)到它。 如果感興趣的氣泡與內(nèi)徑相比較小，則它僅會(huì)阻塞一部分聲波路徑，并且能夠檢測(cè)到該氣泡的氣泡檢測(cè)器將被視為高分辨率。
下面描述了這兩種情況，每種情況使用相同的大小氣泡。
由于在空氣總量傳感器的情況下，氣泡會(huì)阻塞大部分聲波路徑，因此隨著氣泡的通過，會(huì)有很大的信號(hào)變化。
當(dāng)氣泡通過高分辨率傳感器時(shí)，聲路的一小部分被阻塞；
因此，信號(hào)的降幅要小得多。
由于總空氣傳感器中的信號(hào)變化太大，因此相對(duì)容易測(cè)量氣泡的存在。
即使在所有氣泡傳感器技術(shù)中常見的流體信號(hào)變化較大的情況下，固定閾值也足以可靠地檢測(cè)到氣泡。使用固定閾值的帶有小，中和大信號(hào)的總空氣傳感器的示例。 在所有情況下，傳感器都可以檢測(cè)到氣泡的存在。
對(duì)于聲學(xué)信號(hào)的變化有多種來源，包括傳感器到傳感器的響應(yīng)，管的負(fù)載，管的位置，管的數(shù)量差異，溫度波動(dòng)和壓力管道的影響。消除所有這些差異來源是不切實(shí)際的。因此傳感器需要具有補(bǔ)償?shù)哪芰?。補(bǔ)償可以通過以下兩種方法之一來實(shí)現(xiàn)：
相對(duì)于正常流體信號(hào)的可變閾值，或具有將流體信號(hào)放大或衰減到固定目標(biāo)水平的可變?cè)鲆娴墓潭ㄩ撝怠?
使用可變?cè)鲆娣椒?，該方法補(bǔ)償?shù)突蚋吡黧w信號(hào)以始終匹配。這允許在液位附近使用固定閾值，從而使傳感器能夠可靠地檢測(cè)信號(hào)中的小氣泡的通過引起的。在一些應(yīng)用中，檢測(cè)小氣泡是不希望的，并且被認(rèn)為是令人討厭的。在這種情況下，可以設(shè)計(jì)電壓閾值，以便傳感器將忽略小于特定大小的氣泡，并檢測(cè)大于該大小的氣泡。自動(dòng)增益補(bǔ)償可確保相對(duì)緊湊的氣泡檢測(cè)閾值。在不進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，氣泡閾值因傳感器而異以及因管負(fù)載而異。
關(guān)于掃頻法的討論
一些氣泡檢測(cè)器制造商使用掃頻方法來驅(qū)動(dòng)其傳感器。此方法可確保找到頻率“*佳點(diǎn)”，從而使響應(yīng)*大化。盡管此方法確實(shí)使流體信號(hào)*大化，但也使空氣信號(hào)*大化。因此，該方法無助于增加流體與空氣之間的信噪比。
掃頻方法可能有助于溫度穩(wěn)定，但是驅(qū)動(dòng)方法沒有自補(bǔ)償功能來校正存在的其他變化源。許多基于聲學(xué)的因素（包括耦合和衰減）都是管道的屬性，以及管道與固定閾值傳感器場(chǎng)景的接口方式。這些可變性本質(zhì)上純粹是機(jī)械的和幾何的，并且存在于所有基于聲學(xué)的氣泡傳感器中。單獨(dú)使用掃頻方法無法補(bǔ)償這些因素。因此，該技術(shù)**于總空氣檢測(cè)應(yīng)用。
該技術(shù)的另一個(gè)局限性是采樣率。由于掃描整個(gè)頻率范圍需要花費(fèi)時(shí)間，因此采樣率比采用補(bǔ)償方法的固定頻率要慢得多。掃頻傳感器的采樣率比晶體的諧振頻率（兆赫茲范圍低）采樣率低三個(gè)數(shù)量級(jí)（低兆赫茲范圍），而不是以晶體的諧振頻率進(jìn)行采樣。這限制了可靠地檢測(cè)高速行進(jìn)的氣泡的能力
減少變異源的任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)特征都會(huì)提高設(shè)計(jì)能力和通過驗(yàn)證的可能性。 系統(tǒng)制造商應(yīng)考慮這些參數(shù)，以確保設(shè)計(jì)穩(wěn)健。 將氣泡傳感器集成到系統(tǒng)中時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)。
管路的選擇
管路的屬性會(huì)影響傳感器的聲學(xué)耦合和信號(hào)強(qiáng)度。由于流體與空氣信號(hào)的比率*終決定了補(bǔ)償范圍，因此管路的選擇對(duì)氣泡檢測(cè)驗(yàn)證的成功有很大影響。以下是選擇管道類型時(shí)要考慮的事項(xiàng)。
同一性
在整個(gè)壁上使用相同材料的管材將有助于*大程度地傳輸信號(hào)。諸如編織物，空隙或共擠材料之類的任何東西都會(huì)使信號(hào)衰減，降低信噪比，并增加來自不同管束的附加變化。
低摩擦
優(yōu)選光滑的低摩擦材料。這樣可以更輕松地插入傳感器，并趨于吸引較少的異物，而異物可能會(huì)影響耦合。
成型和彈性
管道在插入時(shí)需要能夠形成傳感器通道的形狀，但還必須具有彈性，以在整個(gè)過程中保持力抵靠傳感器壁。抵抗壓力下的鼓脹在向管子施加壓力的應(yīng)用中，將抵抗凸起的材料可將由于耦合變化而引起的信號(hào)變化降至*低。
盲點(diǎn)和管路方向
盲點(diǎn)是管道中不位于聲波路徑中的區(qū)域。 由于它們不在聲波路徑中，因此位于這些位置的氣泡不會(huì)使聲信號(hào)衰減，因此不會(huì)被檢測(cè)到。
大多數(shù)方向都可能在快速流動(dòng)的條件下檢測(cè)到氣泡，因?yàn)榱黧w流動(dòng)傾向于使氣泡居中。 擔(dān)心的是低流量條件，因?yàn)楦×赡軙?huì)將氣泡定位在盲點(diǎn)區(qū)域。
氣泡檢測(cè)的優(yōu)選方向：帶有垂直管的水平傳感器。 這種方向允許漂移的氣泡更快地傳播并使自身在管道中居中。
下一個(gè)優(yōu)選的方向是帶有水平管的水平傳感器。 在該方向上*可能的氣泡位置在聲路徑內(nèi)。
在此方向上，任何仍處于靜止?fàn)顟B(tài)的流體漂移的氣泡都可能會(huì)卡在管道的壓緊區(qū)域上。 一旦由于流體流動(dòng)而脫落，它將被檢測(cè)到。
管加載
有兩種將管道機(jī)械加載到傳感器中的方法，這些方**減小信號(hào)范圍，從而*大程度地減少所需的補(bǔ)償并*大程度地提高驗(yàn)證成功率。
**種方法是確保將管道一直壓到傳感器通道的底部。
這種加載管道的方法使信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差更嚴(yán)格。
另一種方法是將管道夾緊到傳感器通道中，以將其壓縮為在聲徑區(qū)域內(nèi)更呈正方形的形狀。
這*大化了聲窗，并且*小化了盲點(diǎn)。 實(shí)際上消除了盲點(diǎn)，降低了未發(fā)現(xiàn)氣泡的風(fēng)險(xiǎn)。 這種方法還能產(chǎn)生更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)偏差，同時(shí)*大程度地減少了壓力管的影響。 這種方法可能并不總是實(shí)用的，但在可能的情況下強(qiáng)烈建議使用。
總結(jié)
?沒有干擾報(bào)警的高精度氣泡檢測(cè)需要主動(dòng)補(bǔ)償，以解決引起信號(hào)強(qiáng)度自然變化的因素。
這允許檢測(cè)信號(hào)的微小變化，這是檢測(cè)相對(duì)于管道內(nèi)徑的小氣泡所必需的。
?掃頻技術(shù)**于總空氣檢測(cè)應(yīng)用。
?可以選擇油管屬性以*大程度地傳輸信號(hào)，減少變化并幫助確保成功的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和制造的一致性。
?應(yīng)考慮諸如傳感器和管相對(duì)于重力的方向之類的因素，以*大程度地減少盲區(qū)中未檢測(cè)到氣泡的可能性。
?機(jī)械管加載技術(shù)可以通過減小所需的補(bǔ)償范圍并減少盲點(diǎn)區(qū)域來提高成功的可能性。
