液量平衡控制技術(shù)的研究

陽建華，何燕，馬云燕，何春燕，秦夢

川北醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 a.國資部；b.手術(shù)室；c.血透室，四川 南充 637000

引言

很多醫(yī)療設(shè)備特別是用于急救診療設(shè)備中常用到液體容量平衡技術(shù)[1-3]。在醫(yī)院急救中心常用的全自動(dòng)洗胃機(jī)內(nèi)部，用到平衡進(jìn)出胃的液量以保證洗胃的安全；在醫(yī)院血液凈化中心常用的血液透析設(shè)備內(nèi)部用到新鮮透析液與廢棄透析液間量的平衡技術(shù)；在有些壓力傳感器探測量的過程中用到液量平衡技術(shù)[4-7]。目前液體容量平衡技術(shù)機(jī)理很多是利用液體量的直接對等關(guān)系來設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)構(gòu)，如平衡腔、平衡囊等均是一個(gè)機(jī)械性的容量測控技術(shù)，沒有平衡過程中的動(dòng)態(tài)比較，因此不能確保液量平衡均勻性，也就不能很好滿足設(shè)備儀器性能要求，特別是醫(yī)療儀器設(shè)備在服務(wù)于患者過程中，更強(qiáng)調(diào)與人的生理和心理順應(yīng)性，所以精確穩(wěn)定的液量平衡在提高儀器性能方面具有很多實(shí)際意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)器材

吸排泵（變壓直流電源驅(qū)動(dòng)，采用小功率蠕動(dòng)泵）2只；硅膠管（透明、耐高溫可達(dá)90℃）數(shù)米；單向?yàn)V芯（白色、透明，與硅膠管配套連接）數(shù)只；數(shù)字液體壓力表（能與硅膠管配套連接，-1～+1 bar量程）；文氏流量計(jì)（可以直接顯示流量數(shù)值）2個(gè)；精密稱重秤（可以直接顯示質(zhì)量數(shù)值，量程5 kg）4臺；直流電源（≥3道輸出，5～36 V無級可調(diào)，輸出總功率≥200 W）1臺；空間足夠大的調(diào)溫絕熱箱體一個(gè)（用于將實(shí)驗(yàn)平臺放置在其內(nèi)部）；純凈水或反滲透水1桶（≥20 kg）；另備小型塑料桶2只；NaHCO3干粉若干；精密秒表一只。

我們選用文氏流量計(jì)，考慮到文丘里管壓力損失最低，有較高的測量精度，對流體中的懸浮物不敏感，可用于污臟流體介質(zhì)的流量測量,特別適合醫(yī)用廢水的流量測量[8]?？刂莆疟眠\(yùn)行時(shí)間來計(jì)量流量變化。

1.2 液量平衡模型

1.2.1 容積平衡

（1）容積平衡公式見公式(1)：

（2）容積平衡的機(jī)理：V1、V2、...Vi表示分別從不同路徑進(jìn)入系統(tǒng)的液體容積量大?。籚1’、V2’、...Vi’表示分別從不同路徑流出系統(tǒng)的液體容積量大小。i值大小是根據(jù)實(shí)際的流路系統(tǒng)需求選取，系統(tǒng)愈復(fù)雜則i值一般選擇較大[9]。t是時(shí)間，參數(shù)V是時(shí)間t的函數(shù)。

（3）容積平衡模型圖示，見圖1。為了簡化分析，我們選取t=2，即2進(jìn)2出模型系統(tǒng)。

圖1 容積平衡模型示意圖

（4）容積平衡實(shí)驗(yàn)連接示意圖，見圖2。測試準(zhǔn)備條件：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空調(diào)溫度設(shè)置為25℃±1℃；將圖示的實(shí)驗(yàn)器材連接好后整體放置在一個(gè)空間足夠大的調(diào)溫絕熱箱體里，箱體透明，可觀察各表的示值；流體介質(zhì)是：溶劑是反滲透純凈水，溶質(zhì)是NaHCO3，本次實(shí)驗(yàn)不用甘油與水混合后測試；P1、P2接變頻驅(qū)動(dòng)模塊電源，以便泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)P1、P2轉(zhuǎn)速，使得Pd示值為500 mmHg或者300 mmHg[10]。

圖2 容積平衡實(shí)驗(yàn)連接示意圖

1.2.2 質(zhì)量平衡

（1）質(zhì)量平衡公式見公式(2)：

（2）質(zhì)量平衡機(jī)理：M1、M2、...Mi表示分別從不同路徑進(jìn)入系統(tǒng)的液體質(zhì)量大?。籑1′、M2′、...Mi′表示分別從不同路徑流出系統(tǒng)的液體質(zhì)量大小。t值大小是根據(jù)實(shí)際的流路系統(tǒng)需求選取，系統(tǒng)愈復(fù)雜則t值一般選擇較大[11]。t是時(shí)間，參數(shù)M是時(shí)間t的函數(shù)。

（3）質(zhì)量平衡模型示意圖，見圖3。為了簡化分析，我們選取i=2，即2進(jìn)2出模型系統(tǒng)。

圖3 質(zhì)量平衡模型示意圖

（4）容積平衡實(shí)驗(yàn)連接示意圖，見圖4。測試準(zhǔn)備條件與容量平衡測試條件一樣。

圖4 質(zhì)量平衡實(shí)驗(yàn)連接示意圖

2 結(jié)果

我們設(shè)計(jì)的上述實(shí)驗(yàn)平臺，是在一定液流溫度、液流壓力下液體流量與液體密度、液流截面大小間的關(guān)系。以1 min為一次測試?yán)塾?jì)時(shí)間，測試分兩種情況（容積變化測試、質(zhì)量變化測試），每種情況測試4個(gè)時(shí)間段的變化數(shù)據(jù)：t0-t1期間，兩道進(jìn)出管徑大小一致，測試?yán)塾?jì)時(shí)間1 min；t1-t2期間，僅2道進(jìn)出管徑縮小至一半，測試?yán)塾?jì)時(shí)間1 min；t2-t3期間，僅1道進(jìn)出管徑縮小至一半，測試?yán)塾?jì)時(shí)間1 min；t3-t4期間，僅1道進(jìn)出管徑縮小至三分之一，測試?yán)塾?jì)時(shí)間1 min。

2.1 容積平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試

在測試條件為T（絕熱調(diào)溫室的溫度）=37℃，P（Pd表示值）=500 mmHg，我們進(jìn)行了如下兩種情況的測試。

（1）當(dāng)V1、V2里均裝純凈水，V1′、V2′為空，先預(yù)備運(yùn)轉(zhuǎn)使管路內(nèi)充滿水，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從V2進(jìn)液體的口徑大小和V2′出液體口徑的大?。?/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從V1進(jìn)液體的口徑大小和V1′出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表1。

（2）當(dāng)V2里均裝純凈水，V1里裝10%的NaHCO3水溶液，其它條件同上，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從V2進(jìn)液體的口徑大小和V2′出液體口徑的大小（1/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從V1進(jìn)液體的口徑大小和V1′出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表2。

表1 純凈水條件下采用容積平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=500 mmHg）

表2 純凈水和10%的NaHCO3條件下采用容積平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=500 mmHg）

同理，在測試條件為T（絕熱調(diào)溫室的溫度）=37℃，P（Pd表示值）=300 mmHg時(shí)，我們進(jìn)行了如下兩種情況的測試。

（1）V1、V2里均裝純凈水，為空，先預(yù)備運(yùn)轉(zhuǎn)使管路內(nèi)充滿水，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從V2進(jìn)液體的口徑大小和V2′出液體口徑的大?。?/2口徑），在t2-t4期間內(nèi)，改變從V1進(jìn)液體的口徑大小和V1′出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表3。

表3 純凈水條件下采用容積平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=300 mmHg）

（2）當(dāng)V2里均裝純凈水，V1里裝10%的NaHCO3水溶液，其它條件同上，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從V2進(jìn)液體的口徑大小和V2′出液體口徑的大?。?/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從V1進(jìn)液體的口徑大小和V1′出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表4。

表4 純凈水和10%的NaHCO3條件下采用容積平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=300 mmHg）

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在配合使用各種管徑膠管下滿足表中條件測出的。從上表數(shù)據(jù)可以看出：① 采用純凈水作為流動(dòng)液體，前后容量變化總量基本相等（即ΔV1+ΔV2=ΔV1′+ΔV2′）， 并與 FM1、FM2示 值吻 合 ；但是，在流體壓力一定情況下FM1、FM2示值與進(jìn)液口管徑大小有關(guān)，這符合流體力學(xué)原理；② 采用混合溶液吸入作為流動(dòng)液體，前后容量變化總量基本相等（即ΔV1+ΔV2=ΔV1′+ΔV2′），并與 FM1、FM2示值差異不明顯；但是，輸出對應(yīng)通道變化量比較有差異，并且比較明顯，如ΔV1、ΔV1′間和ΔV2、ΔV2′間的誤差達(dá)到10%以上，且隨流體通道壓力增加而誤差率會(huì)變大。

2.2 采用質(zhì)量平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試

在測試條件為T（絕熱調(diào)溫室的溫度）=37℃，P（Pd表示值）=500 mmHg，我們進(jìn)行了如下兩種情況的測試。

（1）M1、M2里均裝純凈水，M1′、M2′為空，先預(yù)備運(yùn)轉(zhuǎn)使管路內(nèi)充滿水，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從M2進(jìn)液體的口徑大小和M2′出液體口徑的大?。?/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從M1進(jìn)液體的口徑大小和M1′出液體口徑的大小（1/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表5。

表5 純凈水條件下采用質(zhì)量平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=500 mmHg）

（2）M2里均裝純凈水，M1里裝10%的NaHCO3水溶液，其它條件同上，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從V2進(jìn)液體的口徑大小和V2′出液體口徑的大?。?/2口徑）；在t-t期間內(nèi)，改變從V進(jìn)液體的口徑大小和241出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表6。

表6 純凈水和10%的NaHCO3條件下采用質(zhì)量平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=500 mmHg）

同理，在T（絕熱調(diào)溫室的溫度）=37℃，P（Pd表示值）=300 mmHg時(shí)，我們進(jìn)行了如下兩種情況的測試。

（1）M1、M2里均裝純凈水，M1’、M2’為空，先預(yù)備運(yùn)轉(zhuǎn)使管路內(nèi)充滿水，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從M2進(jìn)液體的口徑大小和M2’出液體口徑的大小（1/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從M1進(jìn)液體的口徑大小和M1’出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表7。

表7 純凈水條件下采用質(zhì)量平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=300 mmHg）

（2）M2里均裝純凈水，M1里裝10%的NaHCO3水溶液，其它條件同上，記錄開始時(shí)間從t0起。在t1-t2期間內(nèi)，改變從M2進(jìn)液體的口徑大小和M2′出液體口徑的大?。?/2口徑）；在t2-t4期間內(nèi)，改變從M1進(jìn)液體的口徑大小和M1′出液體口徑的大?。?/2、1/3）。具體測試數(shù)據(jù)，見表8。

表8 純凈水和10%的NaHCO3條件下采用質(zhì)量平衡模型實(shí)驗(yàn)平臺測試的數(shù)據(jù)記錄表（P=300 mmHg）

從上表數(shù)據(jù)可以看出：

（1）采用純凈水作為流動(dòng)液體，前后質(zhì)量變化總量基本相等（即 ΔM1+ΔM2=ΔM1′+ΔM2′），并與 FM1、FM2示值吻合；按照純凈水密度為1g/mL，質(zhì)量大小和體積大小相當(dāng)；同樣，流體壓力一定情況下FM1、FM2示值與進(jìn)出液口管徑大小有關(guān)，口徑大FM就大，符合流體力學(xué)原理。

（2）采用混合溶液吸入作為流動(dòng)液體，前后質(zhì)量變化總量基本相等（即 ΔM1+ΔM2=ΔM1′+ΔM2′），并與 FM1、FM2示值差異明顯，這主要是因?yàn)镕M示值反映的是體積流量大小而非液體質(zhì)量大?。惠敵鰧?yīng)通道變化量值比較也有明顯差異，如ΔM1與ΔM1′間誤差率達(dá)到20%以上，而ΔM2與ΔM2′間的誤差率達(dá)到30%以上；隨流體通道壓力增加誤差率會(huì)變大，如在500 mmHg就比在300 mmHg情況下對應(yīng)通道誤差率大。

從上述兩種模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，在溫度不變的情況下，流體液量體積的平衡和分配與流體液量質(zhì)量的平衡和分配是不一樣的，液量的變化與液流壓力變化、液體密度變化、液流管徑大小密切相關(guān)。表中數(shù)據(jù)沒有考慮儀表示值誤差帶來了不準(zhǔn)確性。根據(jù)流體力學(xué)原理，可以肯定的是，對應(yīng)通道的液量平衡與分配會(huì)受到管徑大小、液體溶質(zhì)濃度即密度、溫度、流體壓力以及系統(tǒng)復(fù)雜程度的影響。

實(shí)際情況下等質(zhì)量的同種混合液體容積會(huì)受溫度T、壓力P以及混合比R的變化而產(chǎn)生變化。我們最關(guān)心的是實(shí)現(xiàn)液體質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化的平衡性。正如我們實(shí)驗(yàn)初衷是找出 M1與 M1′、M2與 M2′、V1與 V1′、V2與 V2′等通道的液量是否能保持平衡一樣，在很多醫(yī)療設(shè)備中就是要找出這兩點(diǎn)間平衡差，以確定我們的治療效果。如透析機(jī)超濾量就是依靠多次的平衡來確保超濾的精準(zhǔn)性。

這個(gè)保持液量平衡的機(jī)理可用公式表述為m1=m2+a，m1為前質(zhì)量即可以是進(jìn)入各道的液量總和，m2為后質(zhì)量即可以是流出各道的液量總和；a為實(shí)際處理過程中質(zhì)量平衡差，a與時(shí)間長短、系統(tǒng)設(shè)置、個(gè)體差異有關(guān)；在很多醫(yī)療儀器中，a是來自于人體診療過程中，通過測試m1與m2之間的差得到我們所需要的a值[11-14]。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^液量傳輸過程中的體積和質(zhì)量變化規(guī)律來研究液量平衡控制技術(shù)，也就是要精確地找到那個(gè)a值。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果按照經(jīng)典控制理論原理，實(shí)現(xiàn)液量平衡控制的技術(shù)本質(zhì)在于消除系統(tǒng)的誤差、提高系統(tǒng)的精密性。因此，下列各點(diǎn)指出的技術(shù)參數(shù)務(wù)必采用可靠實(shí)用的控制方法來提高系統(tǒng)精度以減少誤差。

（1）系統(tǒng)中有P1、P2吸排泵，它的主要作用是維持要求的液流壓力Pd。把探測Pd偏離值轉(zhuǎn)換成反饋信號去控制P1、P2吸排泵的驅(qū)動(dòng)電壓占空比，只有精確的驅(qū)動(dòng)電壓占空比才可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的Pd值。

（2）m1=m2+a中的a值是我們期望的效果。它的精確與否取決于系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)與精密監(jiān)測，僅僅依靠體積變化來折算成a值，是粗糙而不準(zhǔn)確的。因此，先判斷體積是否平衡再判斷質(zhì)量是否平衡對平衡控制技術(shù)研究來說是行之有效的。

（3）保持系統(tǒng)在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下工作，流路口徑值精確，液流在不壓縮膨脹情況下穩(wěn)定流動(dòng)。這樣系統(tǒng)運(yùn)行的誤差就會(huì)大大減小。

從以上三點(diǎn)來看，壓力、溫度、流體密度、流體質(zhì)量、流體體積等參數(shù)是本系統(tǒng)研究的幾個(gè)重要物理量，它們均是與時(shí)間t存在關(guān)系的。因此，液量平衡控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)注意點(diǎn)有以下：考慮整個(gè)液流系統(tǒng)的溫度恒定性如何即溫差較大還是較小；考慮整個(gè)液流系統(tǒng)的壓力變化較大還是較小；考慮混合液流的理化特性的變化過程是否復(fù)雜即考慮是否僅有物理變化還是會(huì)發(fā)生化學(xué)變化等情況；考慮液流速率的變化與質(zhì)量分配的變化，容積的變化與質(zhì)量的變化等問題[15]。

如果將改變液體質(zhì)量的有關(guān)物理因素考慮進(jìn)去，就可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量平衡新的精準(zhǔn)模型。當(dāng)某個(gè)條件（溫升和暴露）的改變引起了液體本身的化學(xué)反應(yīng)并形成了氣體而揮發(fā)，那么液體體積與質(zhì)量必然會(huì)隨時(shí)間t發(fā)生變化。物理化學(xué)原理告訴我們，任何混合性物質(zhì)在溫度、壓力以及新物質(zhì)的作用下或者有物理變化或者有化學(xué)變化，特別是多種物質(zhì)含量復(fù)雜的混合液體這種可能性更大。物理實(shí)驗(yàn)中常用天平測定質(zhì)量，利用杠桿原理實(shí)現(xiàn)精確平衡差，這是因?yàn)橘|(zhì)量反映的是重量的變化，受溫度、壓力及液體混合比差異等因素影響相對較小[16]。因此，真正的液量平衡模型必須建立在容積和質(zhì)量雙重平衡機(jī)制下，僅僅依靠液體容積參數(shù)的監(jiān)測來判斷平衡特性是不準(zhǔn)確和可靠的。

有了這些經(jīng)驗(yàn)后，按照實(shí)際系統(tǒng)功能的需要，針對泵的精密轉(zhuǎn)速、流量計(jì)（秤）檢測輸出數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制及電路的EMC（電磁兼容）研究是該液流系統(tǒng)機(jī)電控制工程技術(shù)研究的必要部份，也是研究液量平衡控制技術(shù)的重要內(nèi)容。

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