ДАТЧИК И БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ, А ТАКЖЕ СПОСОБ КОНТРОЛИРУЕМОЙ ДОСТАВКИ ЖИДКОСТИ Российский патент 2014 года по МПК G01F1/684 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение касается датчика для измерения скорости жидкости, протекающей через канал.

Изобретение дополнительно касается блока управления для совместной работы с датчиком.

Кроме того, изобретение касается системы, содержащей датчик и блок управления.

Изобретение дополнительно касается применения системы в области медицины.

Кроме того, изобретение касается способа доставки жидкого лекарственного препарата.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В US-A 5533412 раскрыт измеритель расхода жидкости, содержащий канал для потока жидкости, нагревательный элемент, расположенный в канале, предназначенный для генерирования теплового импульса в жидкости, а также два разнесенных друг от друга датчика, находящиеся в канале и расположенные ниже по течению от нагревательного элемента, при этом жидкость переносит тепловой импульс по каналу к двум разнесенным друг от друга датчикам, при этом по времени прохождения теплового импульса между двумя разнесенными друг от друга датчиками измеряется скорость потока жидкости. Измеритель расхода жидкости дополнительно содержит присоединенную к каналу цепь подачи на нагревательный элемент импульса мощности.

Технические решения, раскрытые в US-A 5533412, не пригодны в тех областях применения, где канал регулярно заменяют, например при медицинских процедурах, выполняемых в стерильных условиях, таких как внутривенные вливания, регулируемая подача анестезирующего вещества и использование мочевых катетеров. В процессе подобных медицинских вмешательств обычно для одного пациента последовательно используют некоторое количество каналов. Измеритель расхода жидкости, раскрытый в US-A 5533412, является слишком дорогостоящим, чтобы его утилизировать всякий раз при замене канала. Повторное использование измерителя расхода жидкости, раскрытого в US-A 5533412, также экономически нецелесообразно, если учесть те усилия, которые потребуется приложить для применения измерителя расхода жидкости в другом канале.

В заявке EP 1840535 A1 описан датчик потока, имеющий термопары. Нагреватель установлен между двумя чувствительными термоэлементами, а кроме того, обеспечен по меньшей мере один контрольный термоэлемент для измерения температуры нагревателя. Сигнал с контрольного термоэлемента может использоваться в качестве опорного напряжения для аналого-цифрового преобразователя для преобразования сигналов от чувствительных термоэлементов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Первая задача изобретения заключается в создании датчика для измерения скорости в тех областях применения, где происходит регулярная замена каналов, в частности для медицинского применения в стерильных условиях.

Вторая задача изобретения заключается в создании блока управления для совместной работы с датчиком.

Третья задача изобретения заключается в создании системы, содержащей датчик и канал.

Четвертая задача изобретения заключается в создании способа контролируемой доставки жидкого лекарственного препарата в тех случаях применения, когда происходит регулярная замена канала.

Первая задача изобретения решается созданием датчика по изобретению, который устанавливают для измерения скорости текучей среды, т.е. жидкости или газа, протекающей через канал, при этом датчик содержит микросхему и приемник датчика, причем микросхема содержит нагревательный элемент для нагрева жидкости, а также преобразовательную схему для генерирования измерительного сигнала, указывающего на скорость жидкости, протекающей через канал, основанного на отношении пространственных разностей температур, при этом приемник датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения для энергоснабжения нагревательного элемента, причем приемник датчика представляет собой антенну, в которую интегрирован нагревательный элемент.

Благодаря тому, что измерительный сигнал основан на соотношении между первой пространственной разностью температур и второй пространственной разностью температур, измерительный сигнал не зависит от действительного уровня мощности, подаваемой на нагревательный элемент. А именно, первая пространственная разность температур и вторая разность температур соотносятся с мощностью, диссипируемой нагревательным элементом, аффинным образом, по меньшей мере, в некотором диапазоне скоростей потока жидкости. «Аффинное» соотношение сводится к линейному соотношению, если постоянный член линейного выражения равен нулю. Таким образом, используя отношение первой пространственной разности температур ко второй разности температур, получаем соотношение, которое не зависит от мощности, диссипируемой нагревательным элементом. Связав измерительный сигнал с этим соотношением, получаем измерительный сигнал, устойчивый к отклонениям в отношении количества энергии, диссипируемой нагревательным элементом.

Помимо отклонений, связанных, например, с изменениями электрического сопротивления нагревательного элемента и технологическими допусками в отношении микросхемы, содержащейся в датчике, технология по обеспечению энергией посредством электромагнитного излучения может подвергаться существенным возмущениям в плане количества энергии, подаваемой на нагревательный элемент и диссипируемой им. Например, местоположение приемника датчика относительно передающего устройства может изменяться под воздействием механических ударов или при замене датчика.

Датчик содержит приемник датчика для приема электромагнитного излучения для энергоснабжения нагревательного элемента. В данном случае нагревательный элемент может снабжаться энергией посредством энергии, содержащейся в самом электромагнитном излучении. По альтернативному варианту электромагнитное излучение может использоваться для обеспечения накопления энергии, например, в миниатюрных батареях, при этом миниатюрные батареи, в свою очередь, снабжают энергией нагревательный элемент. В обоих случаях между приемником датчика и нагревательным элементом отсутствуют вентиль и сопутствующая цепь для управления уровнем напряжения. А именно, отсутствуют миниатюрный вентиль и сопутствующий управляющий контур, способные регулировать уровень мощности, необходимый для энергоснабжения нагревательного элемента. Вследствие этого количество энергии, диссипируемой нагревательным элементом, не поддается управлению, а потому возможны его флуктуации.

Поскольку измерительный сигнал устойчив к помехам, воздействующим на количество энергии, диссипируемой нагревательным элементом, технологию по обеспечению энергией посредством электромагнитного излучения становится целесообразно применять в датчике для точного измерения скорости потока жидкости.

В силу того, что энергия обеспечивается посредством электромагнитного излучения, т.е. энергия обеспечивается беспроводным образом, обращаться с датчиком легко, поскольку доставляющие хлопоты провода отсутствуют. Кроме того, датчик предусматривает надежное управление и надежное применение, поскольку риск загрязнения электрических контактов, который естественным образом присутствует, например, при применении в медицине, довольно мал.

Кроме того, датчик можно легко использовать в изделиях одноразового применения, т.е. денежные потери в силу утилизации датчика по существу невелики. Очевидно, однако, что датчик не обязательно утилизировать, т.е. датчик предусматривает пролонгированное использование. В частности, когда происходит замена канала, датчик может быть утилизирован вместе с каналом, в то время как дополнительная цепь, являющаяся наиболее дорогостоящей частью всей системы, может быть использована повторно. В силу этого датчик в особенности целесообразно применять с экономической точки зрения в тех областях, в которых канал регулярно заменяется, в частности при медицинских процедурах, выполняемых в стерильных условиях, таких как внутривенные вливания, регулируемая подача анестезирующего вещества, использование мочевых катетеров, контроль дыхания, а также измерение потоков при энтеральном и парентеральном питании. В силу одноразового применения датчика можно с успехом отказаться от чрезвычайно трудоемкого процесса по обеспечению того, чтобы датчик снова стал стерильным.

Помимо применения в медицинских целях, датчик вполне пригоден для измерения скорости потока текучей среды в таких областях применения, как получение чистой воды, химическая очистка, нефтедобыча, а также в дизельных двигателях.

Вторая задача изобретения решается созданием блока управления по изобретению, выполненного с возможностью взаимодействия с датчиком, при этом блок управления содержит управляющий передатчик для передачи электромагнитного излучения на приемник датчика, причем управляющий передатчик выполнен с возможностью энергоснабжения нагревательного элемента посредством энергии, содержащейся в электромагнитном излучении. Благодаря присутствию управляющего передатчика блок управления способен подавать электромагнитное излучение для энергоснабжения нагревательного элемента. Таким образом, взаимодействие между датчиком и блоком управления реализуется без физического соединения. Последнее качество обеспечивает экономическую привлекательность применения в тех областях, в которых происходит регулярная замена канала, поскольку датчик легко отсоединяется от блока управления, при этом блок управления может использоваться повторно, а датчик можно утилизировать.

Третья задача изобретения решается созданием системы по изобретению, содержащей как датчик по изобретению, так и блок управления по изобретению.

Четвертая задача изобретения решается созданием способа по изобретению, при этом способ разработан для контролируемой доставки жидкого лекарственного препарата и содержит этап установления заданной скорости потока, этап разъемного присоединения блока управления к каналу, этап контролируемой доставки жидкого лекарственного препарата через канал путем управления датчиком и приводом. Способ может дополнительно содержать этап отсоединения блока управления от канала, а также этап утилизации канала. Этап, на котором блок управления и канал отделяются друг от друга, т.е. канал утилизируется, а блок управления повторно используется, обеспечивает экономическую привлекательность применения способа в тех областях, где осуществляется регулярная замена канала.

В варианте осуществления датчика по изобретению преобразовательная схема выполнена с возможностью генерирования измерительного сигнала на основе отношения первой пространственной разности температур ко второй пространственной разности температур, при этом в варианте осуществления датчика по изобретению первая пространственная разность температур представляет собой численную разность между температурой жидкости до нагревательного элемента и температурой жидкости после нагревательного элемента, а вторая пространственная разность температур представляет собой численную разность между температурами жидкости в местоположениях выше по течению от нагревательного элемента в дополнение к численной разности между температурами жидкости в местоположениях ниже по течению от нагревательного элемента. Преимущество данного варианта осуществления заключается в симметричной конфигурации относительно нагревательного элемента. В результате настоящий вариант осуществления не предполагает конкретной ориентации в отношении направления потока.

В дополнительном варианте осуществления датчика по изобретению приемник датчика реализован с помощью антенны, при этом в антенну интегрирован нагревательный элемент. Нагревательный элемент интегрирован с антенной путем создания в некотором месте на антенне относительно высокого электрического сопротивления.

В этом случае между приемником датчика и нагревательным элементом отсутствуют вентиль и сопутствующая цепь для управления уровнем напряжения. А именно, отсутствуют миниатюрный вентиль и сопутствующий управляющий контур, способные регулировать уровень мощности, необходимый для энергоснабжения нагревательного элемента. Вследствие этого количество энергии, диссипируемой нагревательным элементом, не поддается управлению, а потому возможны его флуктуации.

В дополнительном варианте осуществления датчика по изобретению датчик расположен в стенке или на стенке канала. В результате датчик может быть установлен в непосредственной близости от жидкости, протекающей через канал, так чтобы уменьшить тепловое сопротивление между жидкостью и датчиком потока с целью повышения степени точности измерительного сигнала. Благодаря интегрированию датчика со стенкой канала датчик физически не контактирует с жидкостью. Последнее качество является принципиально важным для медицинского применения, например при внутривенном вливании или управлении потоком через мочевой катетер. А именно, при таких применениях совершенно необходимо предотвратить возникновение чрезвычайной ситуации, при которой датчик или его части окажутся свободными и перенесутся в организм человека или животного потоком жидкости.

В дополнительном варианте осуществления датчика по изобретению датчик установлен по существу соосно с каналом. В данном контексте соосность следует понимать как расположение тел или поверхностей по общей оси в аксиальном направлении. Следовательно, как круглые, так и некруглые тела и поверхности предусматривают соосное размещение. Путем размещения датчика и канала по существу соосно точность измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, повышается.

В дополнительном варианте осуществления датчика по изобретению микросхема содержит передатчик датчика для передачи измерительного сигнала. В результате датчик полностью физически отсоединен от любого контура, который приводил бы в движение датчик, и реагирует на измерительный сигнал, генерируемый преобразовательной схемой, содержащейся в датчике.

В дополнительном варианте осуществления блока управления по изобретению блок управления содержит привод для управления скоростью потока жидкости, протекающей через канал. Следовательно, зависимость скорости потока от внешних факторов, таких как сила гравитации, можно исключить.

В дополнительном варианте осуществления блока управления по изобретению блок управления снабжен средством для разъемного присоединения блока управления к каналу. Вследствие этого блок управления и привод, который в нем содержится, способны управлять скоростью потока жидкости в канале, не препятствуя возможности утилизации датчика и канала. Это качество в особенности предпочтительно для медицинского применения, при котором канал, содержащий датчик, регулярно заменяется, обычно один раз в день. А именно, за счет разъемного соединения канала и блока управления канал можно утилизировать, а блок управления использовать повторно. Очевидно, что отсутствие проводов существенно способствует замене канала, содержащего датчик.

В дополнительном варианте осуществления блока управления по изобретению привод выполнен с возможностью управления сигналом, относящимся к расхождению между заданной скоростью потока и измерительным сигналом, генерируемым преобразовательной схемой, которая содержится в датчике. В результате не требуется вмешательства врача или среднего медперсонала для регулировки установочных параметров привода на основе величины измерительного сигнала, предпринимаемого с целью приведения потока жидкости в соответствие с заданным режимом поступления лекарственного препарата.

В дополнительном варианте осуществления блока управления по изобретению привод содержит приемник привода для приема измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, которая содержится в датчике. Вследствие этого датчик и привод способны функционировать без какого-либо крепежного средства соединения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фигуре 1 схематично показан первый вариант осуществления системы по изобретению, в котором датчик содержит преобразовательную схему, построенную на двух термоэлементах.

На Фигуре 2 схематично представлен второй вариант осуществления датчика по изобретению, в котором датчик расположен в стенке канала.

На Фигуре 3 схематично показан третий вариант осуществления системы по изобретению, в котором электромагнитное излучение, принимаемое приемником датчика, обеспечивает возможность энергоснабжения нагревательного элемента батареей.

На Фигуре 4 схематично дано пояснение величин, которые могут измеряться преобразовательной схемой, содержащейся в первом варианте осуществления и в третьем варианте осуществления датчика по изобретению.

На Фигуре 5 схематично показан четвертый вариант осуществления датчика по изобретению, в котором датчик расположен в стенке канала, при этом датчик содержит преобразовательную схему, построенную на трех термоэлементах.

На Фигуре 6 схематично показан вид в сечении по пятому варианту осуществления датчика по изобретению, при этом датчик расположен соосно с каналом.

На Фигуре 7 схематично показан вариант осуществления системы по изобретению, в котором блок управления по изобретению выполнен с возможностью взаимодействия с датчиком по изобретению.

На Фигуре 8 схематично показана блок-схема алгоритма, представляющая вариант осуществления способа по изобретению, при котором блок управления используется повторно.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

На Фигуре 1 показан датчик 102, содержащий микросхему 104, которая имеет подложку, изготовленную из полиимидов. Достоинство последних материалов заключается в их относительно низких потерях мощности в радиочастотном (RF) диапазоне. Здесь RF обозначает радиочастоту, что предполагает частотный диапазон от примерно 1 МГц до около 10 ГГц. Датчик 102 дополнительно содержит антенну 110 для приема электромагнитного излучения. Энергия, содержащаяся в электромагнитном излучении, используется для энергопитания нагревательного элемента 106, сам же нагревательный элемент 106 выполнен с возможностью нагрева жидкости. Нагревательный элемент 106 интегрирован с антенной 110 посредством создания в определенном месте на антенне 110 относительно высокого электрического сопротивления. В антенне 110 обеспечен локально расположенный материал, имеющий более высокое электрическое сопротивление, или альтернативно в антенне 110 предусмотрена меньшая площадь сечения в определенном месте. Таким образом, вдоль участка с относительно высоким электрическим сопротивлением будет происходить диссипация мощности, и эта диссипация приведет к нагреву. Антенна 110, по меньшей мере, та ее часть, которая не предназначена для нагрева жидкости, на микросхеме 104 не располагается.

Микросхема 104 содержит преобразовательную схему 108, при этом преобразовательная схема 108 содержит первый термоэлемент 112 и второй термоэлемент 114. В данном контексте под термоэлементом подразумевается последовательное соединение множества термопар. Термоэлемент выдает выходной сигнал, относящийся в большей степени к локальному градиенту температур или к разнице температур, чем к измерению абсолютной температуры. Первый термоэлемент 112 регистрирует разницу между температурами на линии A и на линии B. Следовательно, первый термоэлемент 112 регистрирует разницу между температурой нагревательного элемента 106 и температурой в опорной точке, эту температуру далее будем называть опорной температурой. Точно так же второй термоэлемент 114 измеряет разницу между температурами на линии C и на линии D. Таким образом, второй термоэлемент 114 измеряет разницу между температурой жидкости после прохождения нагревательного элемента 106 и температурой жидкости до прохождения нагревательного элемента 106. Преобразовательная схема 108 выполнена с возможностью генерирования измерительного сигнала, указывающего на скорость жидкости, протекающей через канал, на основе выходных сигналов первого термоэлемента 112 и второго термоэлемента 114. Микросхема дополнительно содержит передатчик 116 датчика для передачи измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой 108. Кроме того, микросхема содержит память 118. В памяти 118 хранятся данные, при этом эти данные содержат калибровочные характеристики канала, по которому протекает жидкость, скорость которой требуется измерить датчиком 102. Применение датчика 102 совместно с каналом представлено на Фигуре 2, сама же Фигура касается второго варианта осуществления датчика по изобретению.

На Фигуре 2 показан вариант осуществления датчика по изобретению, в котором датчик 202 расположен на стенке 204 канала 206 для измерения скорости ν [м/с] жидкости 208, протекающей через канал 206. Нагревательный элемент 210 выполнен с возможностью нагрева жидкости 208. Первый термоэлемент 212 выполнен с возможностью измерения разности между температурой T_heat [K] нагревательного элемента 210 и опорной температурой T_ref, которая регистрируется на расстоянии x_ref, см. Фигуру 4, ниже по течению от нагревательного элемента 210. Выходной сигнал первого термоэлемента 212, т.е. T_heat-T_ref, соотносится с мощностью P[Вт], подаваемой на нагревательный элемент 210 и скоростью ν потока жидкости 208 в канале 206 согласно следующему соотношению:

где

при этом l_heat обозначает длину нагревателя, d - расстояние от датчика 202 до жидкости 208, h - высота канала потока, см. Фигуру 4, на которой графически представлены вышеупомянутые величины. Кроме того, b_heat - ширина нагревательного элемента 210, a_fl - температуропроводность жидкости 208, l_fl - теплопроводность жидкости 208, а λ_wall - теплопроводность стенки 204, т.е. теплопроводность материала в промежутке между датчиком 202 и жидкостью 208.

Второй термоэлемент 214 выполнен с возможностью измерения разности между температурой T_after жидкости 208 после прохождения нагревательного элемента 210 и температурой T_prior [K] жидкости 208 до прохождения нагревательного элемента 210. Выходной сигнал первого термоэлемента 212, т.е. T_after-T_prior, соотносится со скоростью ν жидкости 208 в канале 206 и температурой T₀ согласно следующему соотношению:

где

при этом x_prior и x_after соответственно обозначают расстояние ниже по течению и расстояние выше по течению от нагревательного элемента 210 до местоположений, в которых T_prior и T_after регистрируются вторым термоэлементом 214, см. Фигуру 4.

Измерительный сигнал, генерируемый преобразовательной схемой (не показана), содержащейся в датчике 202, основан на отношении τ выходного сигнала второго термоэлемента 214 к выходному сигналу первого термоэлемента 212. Если P≠0, измерительный сигнал τ определяется как безразмерная величина из следующего соотношения:

где a₁ и a₂ определяются из уравнений [III] и [VI] соответственно. Отношение τ не зависит от мощности P, диссипируемой нагревательным элементом 210. Таким образом, измерительный сигнал устойчив к отклонениям по мощности, диссипируемой нагревательным элементом 210. Кроме того, измерительный сигнал согласно соотношению [V] инвариантен к изменениям температуры окружающей среды. Следовательно, он не имеет «смещения» в отношении температуры. Помимо этого, измерительный сигнал чувствителен к скорости ν в значительном по ширине диапазоне скоростей жидкости 208, протекающей через канал 206. В результате измерительный сигнал является показателем скорости ν в сравнительно широком диапазоне скоростей.

Датчик 202 калибруют путем замера отношения τ в некотором диапазоне скоростей и сохранением данных калибровки посредством справочной таблицы в памяти (не показана), содержащейся в датчике 202. На основе калибровки скорость v можно определить в процессе эксплуатации путем замера τ и последующего применения справочной таблицы. По альтернативному варианту скорость v можно рассчитать на основе соотношения [V] путем замера τ и последующего применения итерационной схемы, например метода Ньютона-Рафсона или метода бисекций, что предполагает вычисление значения v, для которого выражение τ-(e^a ₂ ^x _after-e^-a ₁ ^x _prior)/(1-e^-a ₁ ^x _ref) равно нулю. Преимущество последнего способа заключается в том, что можно учесть изменения, например, в свойствах жидкости.

В уравнениях [I]-[V] предполагается, что скорость v имеет единый профиль по площади 216 сечения канала 206 потока. Однако при ламинарном режиме течения будет получен параболический профиль скорости. В относительно широком диапазоне скоростей потока единый профиль скорости может быть однозначно принят за параболический профиль скорости. Таким образом, вышеупомянутое расхождение не создает ограничений в отношении точности датчика 202.

На Фигуре 3 показан датчик 302, содержащий микросхему 304, имеющую подложку, выполненную из полиимидов, а также приемник 310 датчика. Приемник 310 датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения. Микросхема 304 содержит нагревательный элемент 306 и преобразовательную схему 308. В данном случае энергия, которая содержится в электромагнитном излучении, используется для задействования предпочтительно миниатюрной батареи 312. Энергия, запасенная в батарее 312, используется для энергоснабжения нагревательного элемента 306. Преобразовательная схема 308 содержит первый термоэлемент 314, второй термоэлемент 316 и третий термоэлемент 318.

Первый термоэлемент 314 регистрирует численную разность между температурами на линии A и на линии B. Следовательно, первый термоэлемент 314 измеряет разность между температурами жидкости в двух местоположениях до нагревательного элемента 306. Точно так же второй термоэлемент 114 измеряет разность между температурами на линии C и на линии D. Таким образом, второй термоэлемент 114 измеряет разность между температурой жидкости после прохождения нагревательного элемента 106 и температурой жидкости до прохождения нагревательного элемента 106. Третий термоэлемент 318 регистрирует численную разность между температурами на линии E и на линии F. Следовательно, третий термоэлемент 318 измеряет разность между температурами жидкости в двух местоположениях после нагревательного элемента 306. Преобразовательная схема 308 выполнена с возможностью генерирования измерительного сигнала, указывающего на скорость жидкости, протекающей через канал, на основе выходных сигналов первого термоэлемента 314, второго термоэлемента 316 и третьего термоэлемента 318. Микросхема 304 дополнительно содержит передатчик 320 датчика для передачи измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой 308. Использование датчика 302 совместно с каналом, через который протекает жидкость, скорость которой требуется измерить с помощью датчика 302, представлено на Фигуре 5, причем эта Фигура касается четвертого варианта осуществления датчика по изобретению.

На Фигуре 5 показан вариант осуществления датчика по изобретению, в котором датчик 502 расположен на стенке 504 канала 506 для измерения скорости ν [м/с] жидкости 508, протекающей через канал 506. Нагревательный элемент 510 выполнен с возможностью нагрева жидкости 508.

Первый термоэлемент 512 выполнен с возможностью измерения разности между температурами T_prior' [K] и T_prior'' [K] жидкости 508 в двух местоположениях ниже по течению от нагревательного элемента 510. Выходной сигнал первого термоэлемента 512, т.е. T_prior'-T_prior'', соотносится со скоростью ν жидкости 508 в канале 506 и температурой T₀ согласно следующему соотношению:

где T₀ находят из уравнения [II], а a₁ находят из уравнения [III].

Второй термоэлемент 514 выполнен с возможностью измерения разности между температурой T_after жидкости 508 после прохождения нагревательного элемента 510 и температурой T_prior [K] жидкости 508 до прохождения нагревательного элемента 210. Выходной сигнал второго термоэлемента 514, т.е. T_after-T_prior, соотносится со скоростью v жидкости 208 в канале 206 и температурой T₀ согласно уравнению [V].

Третий термоэлемент 516 выполнен с возможностью измерения разности между температурами T_after' [K] и T_after'' [K] жидкости 508 в двух местоположениях выше по течению от нагревательного элемента 510. Выходной сигнал третьего термоэлемента 516, т.е. T_after'-T_after'', соотносится со скоростью ν жидкости 508 в канале 506 и температурой T₀ согласно следующему соотношению:

где T₀ находят из уравнения [II], а a₂ находят из уравнения [VI].

Измерительный сигнал, генерируемый преобразовательной схемой (не показана), содержащейся в датчике 502, основан на отношении τ' между выходными сигналами первого термоэлемента 512, второго термоэлемента 514 и третьего термоэлемента 516. Если P≠0, измерительный сигнал τ' определяется как безразмерная величина из следующего соотношения:

где a₁ и a₂ определяются из уравнений [III] и [VI] соответственно. Отношение τ' не зависит от мощности P, диссипируемой нагревательным элементом 510. Таким образом, измерительный сигнал устойчив к отклонениям по мощности, диссипируемой нагревательным элементом 510. Кроме того, измерительный сигнал согласно соотношению [V] инвариантен к изменениям температуры окружающей среды. Следовательно, он не имеет «смещения» в отношении температуры. Помимо этого, измерительный сигнал чувствителен к скорости ν в значительном по ширине диапазоне скоростей жидкости 508, протекающей через канал 506. В результате измерительный сигнал является показателем скорости ν в сравнительно широком диапазоне скоростей.

На Фигуре 6 показан предпочтительный вариант осуществления, в котором датчик 602 расположен в стенке 604 канала 606 для измерения скорости жидкости 608, протекающей через канал 606. Стенка 604 канала 606 выполнена из соответствующего пластика, такого как полиимид. Канал 606 имеет внутренний радиус R₁ и наружный радиус R₂. Датчик 602 расположен соосно с каналом 606 на окружности с радиусом R₃, при этом выполняется неравенство R₁<R₂≤R_3. Для снижения теплового сопротивления между жидкостью и датчиком потока с целью повышения степени точности измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой (не показана), содержащейся в датчике 602, расстояние R₂-R₁ предпочтительно должно быть относительно малым, например около 60 мкм. Очевидно, что датчик 602 физически не контактирует с жидкостью 608, протекающей через канал 606. Предпочтительно датчик 602 охватывает жидкость 608 на относительно большом протяжении, чтобы повысить точность измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой (не показана), содержащейся в датчике 602.

На Фигуре 7 показан вариант осуществления системы по изобретению. Система содержит блок 702 управления и датчик 704. Датчик располагается в стенке 706 канала 708. Блок 702 управления выполнен с возможностью взаимодействия с датчиком 704. Блок 702 управления содержит первое тело 710 и второе тело 712. В данном варианте осуществления оба тела представляют собой удлиненные тела. В данном варианте осуществления первое тело 710 и второе тело 712 соединены посредством шарнирного соединения 714. Таким образом, первое тело 710, второе тело 712 и шарнирное соединение образуют корпус. По альтернативному варианту первое и второе тела могут соединяться с помощью винтов, застежек-защелок или скоб.

Шарнирное соединение 714 устанавливает степень свободы взаимного вращения φ по оси 716 вращения для первого тела 710 и второго тела 712. Первое тело 710 содержит первую лицевую поверхность 717, имеющую первую полость 718, в то время как второе тело содержит вторую лицевую поверхность 710, имеющую вторую полость 720. В случае если степень свободы взаимного вращения φ принимает нулевое значение, т.е. лицевые поверхности 717 и 719 смыкаются между собой, а значит, корпус закрыт, наличие первой полости 718 и второй полости 720 позволяет поместить канал 708 в корпус.

Блок 702 управления содержит управляющий передатчик 722 для передачи электромагнитного излучения на приемник датчика (не показан), содержащийся в датчике 704. В данном случае энергоснабжение нагревательного элемента происходит посредством энергии, содержащейся в самом электромагнитном излучении. По альтернативному варианту электромагнитное излучение может использоваться для обеспечения накопления энергии, например, в миниатюрной батарее (не показана), содержащейся в датчике, а миниатюрная батарея, в свою очередь, обеспечивает энергией нагревательный элемент.

Блок 702 управления дополнительно содержит управляющий привод 724 для управления скоростью потока жидкости 726, протекающей через канал 708. Таким образом, можно избежать зависимости скорости потока от внешних факторов, таких как гравитационная сила. Привод 724 реализуется предпочтительно с помощью цилиндрического тела 728, которое способно вращаться с эксцентриситетом вокруг поворотной оси 730 с помощью электромагнитного двигателя 732. Электромагнитный двигатель 732 управляется сигналом, связанным с расхождением между заданной скоростью потока жидкости 726 в канале 708 и скоростью, определяемой измерительным сигналом, генерируемым преобразовательной схемой (не показана) в датчике 704. Следовательно, не требуется вмешательства врача или среднего медперсонала для регулировки установочных параметров привода 724 с целью приведения скорости потока жидкости 726 в канале 708 в соответствие с заданным режимом подачи лекарственного препарата. Привод 724 содержит приемник 734 привода для приема измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, содержащейся в датчике 704. Компаратор 736 сравнивает измерительный сигнал, получаемый приемником 734 привода, с заданной опорной величиной скорости потока жидкости 726 в канале 708, сама же опорная величина определяется заданным режимом подачи лекарственного препарата.

За счет соответствующего размещения канала 708 в корпус путем сведения к нулю степени свободы взаимного вращения φ по оси взаимного вращения 716 тело 718, способное вращаться с эксцентриситетом, может управлять размером сечения канала 708. Таким образом, скорость ν потока жидкости 726 в канале 708 эффективно регулируется.

Первая полость 718 содержит первое множество круговых углублений 738. Первое множество круговых углублений 738 имеет непараллельное расположение в сравнении с первой полостью 718. Точно так же вторая полость 720 содержит второе множество круговых углублений 740. Второе множество круговых углублений 740 имеет расположение, соответствующее расположению первого множества круговых углублений 738. Первое множество круговых углублений 738 и второе множество круговых углублений 740 выполнены с возможностью заключения в корпус множества утолщений 742, расположенных на канале 708. За счет соответствующего размещения канала 708 в корпус путем сведения к нулю степени свободы взаимного вращения φ по оси взаимного вращения 716 и за счет параллельного расположения множества утолщений 742 относительно первого множества круговых углублений 738 и второго множества круговых углублений 740 устанавливается взаимное осевое расположение канала 708 и блока 702 управления.

Система, содержащая блок 702 управления и датчик 704, может быть интегрирована в систему, которая хранит, отображает и анализирует информацию, касающуюся скорости жидкости 726, протекающей через канал 708.

Примером такой системы может служить система контроля за состоянием больных. В системе контроля за состоянием больных несколько устройств измеряют показатели жизненно важных функций, таких как кровяное давление и частота сердечных сокращений, и передают их на устройство контроля. Устройство контроля накапливает информацию в отношении показателей жизненно важных функций, а также анализирует и отображает эту информацию, например, по запросу медицинского работника. Информация, обеспечиваемая датчиком 704 в отношении скорости жидкости 726, протекающей через канал 708, может оказаться существенно важной для контроля с помощью системы контроля за состоянием больных, например, при таких применениях, как внутривенные вливания. С этой целью блок управления используется с дополнительным управляющим передатчиком 744, который предпочтительно обеспечивает беспроводную связь с системой контроля за состоянием больных.

Следует подчеркнуть, что практическое использование датчика 704 предусматривает его применение совместно с рядом помп, медицинских капельниц или помповых систем одноразового применения, которые могут быть изготовлены различными компаниями. По этой причине датчик 704 может работать как стандартный интерфейс между системами подачи жидкости и вышеупомянутой системой контроля за состоянием больных.

На Фигуре 8 показана блок-схема алгоритма, представляющая вариант осуществления способа по изобретению. Способ предусматривает возможность доставки жидкого лекарственного препарата, в частности внутривенное введение жидкого лекарственного препарата в стерильных условиях. Этап 802 содержит установку заданного значения скорости ν на основе конкретных требований режима терапии. Этап 804 содержит разъемное присоединение блока управления в соответствии с вариантом осуществления системы по изобретению к каналу, при этом канал содержит в своей стенке датчик согласно первому варианту осуществления датчика по изобретению. Этап 806 содержит контролируемую доставку жидкого лекарственного препарата путем управления управляющим приводом, содержащимся в блоке управления, на основе сигнала, связанного с расхождением между заданным уровнем скорости и скоростью, определяемой измерительным сигналом, генерируемым преобразовательной схемой, содержащейся в датчике. Этап 808 содержит отсоединение блока управления от канала. Этап установки заданного значения скорости v может выполняться многократно, т.е., например, в процессе доставки жидкости.

В то время как изобретение проиллюстрировано и описано в подробностях на чертежах и в предшествующем описании, чертежи и описание следует рассматривать как показательные и приведенные в качестве примера, а не ограничивающие. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Следует отметить, что датчик и блок управления по изобретению, а также их компоненты могут изготавливаться с использованием по сути известных процессов и материалов. В формуле изобретения и в описании слово «содержащий» не исключает присутствия других элементов, а использование множественного числа не исключает их присутствия во множественном числе. Ссылочные знаки в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения. Следует также отметить, что все возможные сочетания признаков, определяемых формулой изобретения, являются частью изобретения.

Изобретение касается датчика (102) и блока (602) управления для взаимодействия с датчиком. Датчик (102) служит для измерения скорости жидкости (308), протекающей через канал (306). В датчике (102) используется принцип измерения температур, проявляющий устойчивость в отношении отклонений по количеству энергии, диссипируемой нагревательным элементом (106). Приемник (110) датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения, генерируемого управляющим передатчиком (622), содержащимся в блоке (602) управления для взаимодействия с датчиком (102). Электромагнитное излучение используется для энергоснабжения нагревательного элемента (106), выполненного с возможностью нагрева жидкости. На основе измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, содержащейся в датчике (102), управляющий привод (624) управляет скоростью жидкости. С этой целью передатчик (116) датчика выполнен с возможностью передачи измерительного сигнала на управляющий приемник (634). Технический результат - обеспечение возможности измерения скорости флюида и получение измерительного сигнала, устойчивого к отклонениям в отношении количества энергии, диссипируемой нагревательным элементом. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Датчик (102) для измерения скорости жидкости (208), протекающей через канал (206), при этом датчик содержит микросхему (104) и приемник (310) датчика, при этом микросхема содержит нагревательный элемент (106) для нагрева жидкости и преобразовательную схему (108) для генерирования измерительного сигнала, указывающего на скорость жидкости, протекающей через канал, основанного на отношении пространственных разностей температур,
отличающийся тем, что приемник датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения для энергоснабжения нагревательного элемента, а также тем, что приемник датчика представляет собой антенну (110), в которую интегрирован нагревательный элемент, причем приемник датчика и нагревательный элемент находятся в прямом соединении, без вентиля и сопутствующей цепи для управления уровнем напряжения, установленных между приемником датчика и нагревательным элементом.

2. Датчик по п.1, в котором преобразовательная схема выполнена с возможностью генерирования измерительного сигнала на основе отношения первой пространственной разности температур ко второй пространственной разности температур, при этом первая пространственная разность температур представляет собой численную разность между температурой жидкости до нагревательного элемента и температурой жидкости после нагревательного элемента, а вторая пространственная разность температур представляет собой численную разность между температурами жидкости в местоположениях до нагревательного элемента в дополнение к численной разности между температурами жидкости в местоположениях после нагревательного элемента.

3. Датчик по п.1, в котором нагревательный элемент (106) интегрирован с антенной (110) путем создания в некотором месте на антенне (110) относительно высокого электрического сопротивления.

4. Датчик по п.1, в котором микросхема содержит передатчик (116) датчика для передачи измерительного сигнала.

5. Датчик по п.1, в котором микросхема содержит память (118) для хранения калибровочных данных канала.

6. Блок (702) управления для взаимодействия с датчиком по п.1, отличающийся тем, что блок управления содержит управляющий передатчик (722) для передачи электромагнитного излучения на приемник датчика, при этом управляющий передатчик выполнен с возможностью энергоснабжения нагревательного элемента посредством энергии, содержащейся в электромагнитном излучении.

7. Блок управления по п.6, при этом блок управления содержит средство для разъемного присоединения блока управления к каналу.

8. Блок управления по п.6, при этом блок управления содержит управляющий привод (724) для управления скоростью потока жидкости, протекающей через канал.

9. Блок управления по п.8, при этом блок управления содержит средство для управления управляющим приводом с помощью сигнала, связанного с расхождением между заданной скоростью потока и скоростью, определяемой измерительным сигналом, генерируемым преобразовательной схемой, содержащейся в датчике по п.1.

10. Блок управления по п.9, при этом привод содержит приемник (734) привода для приема измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, содержащейся в датчике по п.1.

11. Система для измерения скорости жидкости, содержащая датчик по п.1 и блок управления по п.6.

12. Применение системы по п.11 в области медицины.

13. Способ контролируемой доставки жидкого лекарственного препарата, содержащий этап (802) установки заданного значения скорости потока жидкости, этап (804) разъемного присоединения блока управления по п.6 к каналу, этап (806) контролируемой доставки жидкого лекарственного препарата через канал путем управления датчиком по п.1 и приводом по п.8.