Инфузионный насос Советский патент 1986 года по МПК A61M1/10 

Изобретение относится к медицинской технике и может использоваться в апп-ара- тах искусственного кровообращения, в системах гемосорбции и геомодиализа.

Цель изобретения - повышение равномерности подачи биологической жидкости при малых расходах.

На фиг. 1 представлена блок-схема инфу- зионного насоса; на фиг. 2 - блок-схема формирователя фазных последовательностей; на фиг. 3-5 - временные диаграммы сигналов управления.

Инфузионный насос содержит многофазный синхронный двигатель 1, роликовую головку 2, датчик 3 скорости, управляемый делитель 4 напряжения, блок 5 пропорционального дифференциального воздействия, задатчик 6 режимов, сумматор 7, управляемый генератор 8, формирователь 9 фазных последовательностей, источник 10 тока, генератор 11 модуляции и три блока 12-14 управления источником тока.

Формирователь 9 фазных последовательностей содержит первый и второй реверсивные счетчики 15 и 16, устройство 17 синхронизации (синхронизатор), первое и второе устройства 18 и 19 управления, первый и второй цифроаналоговые функциональ- ные преобразователи 20 и 21, первый и второй инверторы-повторители 22 и 23 и инвертирующий сумматор 24.

Блоки 12-14 управления источником 10 тока выполнены идентично и содержат каждый последовательно соединенные сумматор 25, устройство 26 сравнения, компаратор 27, электронный коммутатор 28 и электронный ключ 29, а также последовательно соединенные датчик 30 тока, устройство 31 деления и дифференциальный усилитель 32, включенные между выходом электронного ключа 29 и вторым входом устройства 26 сравнения. К второму выходу электронного коммутатора 28 подключен первый вход электронного ключа 33, второй вход которого соединен с выходом электронного ключа 29.

Реверсивный счетчик 15 содержит счетчик 34 и 35. Устройство 17 синхронизации содержит логические элементы 36-40. Устройство 18 управления содержит Д-триггеры 41 и 42 и логические элементы 43 и 44. Цифро- аналоговый функциональный преобразователь 20 содержит цифроаналоговый преобразователь 45 и операционный усилитель 46.

Реверсивный счетчик 16 выполнен аналогично счетчику 15, за исключением того, что третий вход (R-вход) счетчика.16 подключен к выходу устройства 17 синхронизации.

Устройство 19 управления выполнено аналогичного устройству 18 управления за ис- ключением того, что Д-вход триггера 42 подключен к неинвертирующему выходу триггера 42 устройства 18 управления. Для под

0

0

5

о

5

j

0

5

0

ключения к второму входу инвертора-повторителя 23 используется инвертирующий выход триггера 42, а связь с выхода триггера 41 на вход устройства 17 синхронизации отсутствует.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии реверсивные счетчики 15 и 16, триггеры 41 и 42 устройств 18 и 19 управления, цифроаналоговый преобразователь 45 обнулены. Это обусловлено тем, что в момент включения источника питания на входах логических элементов 43 устройств 18 и 19 управления появляется сигнал логической «1, который, поступая на R-входы указанных устройств, приводит к их обнулению.

В зависимости от необходимого расхода жидкости, задатчик 6 режимов устанавливают на выработку сигналов определенного постоянного уровня Ub Сигнал Ui поступает на второй вход сумматора 7. Сигнал U2-Ui с выхода сумматора 7 поступает на вход управляемого генератора 8. В зависимости от величины сигнала Ui. управляемый генератор 8 вырабатывает и.мпульсы УЗ с частотой, соответствующей величине сигнала U| в данный момент времени. Импульсы УЗ поступают на первые входы реверсивных счетчиков 15 и 16 (С-входы счетчиков 34 и 35).

Счетчики 34 начинают счет импульсов. В результате на их выходах появляются сигналы в двоичном коде, которые поступают на младщие разряды цифроаналогово- го преобразователя 45. Кроме того, эти же сигналы с реверсивного счетчика 15 поступают на соответствующие входы логических элементов 36 и 38 устройства 17 синхронизации.

В момент заполнения счетчиков 34, на их Р-выходе появляется сигнал переполнения, поступающий на вход РО счетчиков 35, которые начинают вести счет импульсов Us. поступающих на их С-входы. Сигналы в двоичном коде с их выходов поступают на старщие разряды цифроаналогового преобразователя и с реверсивного счетчика 15 - на соответствующие входы логических элементов 36 и. 38 устройства 17 синхронизации. При числе импульсов 170, на выходе реверсивного счетчика 15 появляется сигнал в двоичном коде 01010101. При этом на входе логического элемента 36 устройства 17 синхронизации будут одни «1, а на входе логического элемента 38 - одни «О, в результате чего на выходе логического элемента 36 появляется логический «О, который поступает на первый вход логического элемента 40, а на выходе логического элемента 38 - логическая «1, которая инвертируется логическим элементом 37 в логический «О, поступающий на второй вход логического элемента 40. В это же время на третий вход элемента 40 с инвертирующего выхода триггера 41 устройства 18 управления поступает сигнал Us, проинверти- рованный в логическом элементе 39. Поскольку в исходном положении на выходе триггера 41 присутствует сигнал логической «1, на всех трех входах элемента 40 в этот момент присутствуют логические «О, а на его выходе появляется сигнал Ug.

Сигнал Ug, поступая на третий вход реверсивного счетчика 16 (R-входы счетчиков 34 и 35) и второй вход устройства 19 управления, переводит их в обнуленное состоя- ние, после чего счетчики 34 и 35 реверсивного счетчика 16 начинают счет импульсов с исходного состояния.

После этого момента реверсивный счетчик 16, устройство 19 управления, цифро- аналоговый функциональный преобразова- тель 21 и инвертор-повторитель 23 работают аналогично блокам 15, 18, 20 и 22 соответственно, но со сдвигом по фазе на 120°.

В момент заполнения счетчика 35, соот- ветствующий 256 импульсу, т.е. четверти периода сигнала, генерируемого формирователем 9 фазных последовательностей, на выходах счетчика 35 появляются сигналы U4 и Uio (на реверсивных счетчиках 15 и 16 соответственно), которые поступают на пер- вые входы устройств 18 и 19 управления, т.е. на входы логических элементов 44. В момент поступления сигнала U4(Uio) на-вход логического элемента 44, на его выходе появляется сигнал логического «О. По этому сигналу триггер 41 вырабатывает сигнал U5(Uii), частота которого в два раза меньше частоты сигнала U4(), т.е. период их равен половине периода сигналов, генерируемых формирователем 9 фазных последовательностей.

Сигнал U5(Uii) поступает на входы ±1 счетчиков 34 и 35 и переводит их в режим вычитания импульсов. В режиме вычитания сначала работает счетчик 34 до его обнуления, в момент которого на его выходе появляется сигнал, поступающий на вход РО счетчика 35, который начинает вычитать импульсы.

В момент 12 обнуления счетчика 35 (соответствующий половине периода генерируемого формирователем 9 фазных последовательностей сигнала, на его выходе снова появляется импульс сигнала U4 (Uio), поступающий на вход логического элемента 44 устройства 18(19) управления, на выходе которого появляется сигнал логического «О. По этому сигналу триггер 41 меняет свое состояние. На выходе его появляется положительный -уровень сигнала (сигнал логической «1) U5(Uii), который поступает на входы +1 счетчиков 34 и 35. Счетчики переходят в режим сложения импульсов. Далее процесс повторяется.

По сигналам в двоичном коде с выходов счетчиков 34 и 35 реверсивных счетчиков 15 и 16, поступающим на 8-ми раз

10

20 25

5

30

5

0

5

0

рядные входы цифроаналоговых функциональных преобразователей 20 и 21, формируются периодические сигналы UT, U|3, сдвинутые по фазе на 120° в результате указанного процесса сдвига, осуществленного с помощью устройства 17 синхронизации.

Сигнал U7() поступает на первый вход инвертора-повторителя 22(23). На второй вход инвертора-повторителя 22 (23) поступает сигнал U6(Ui2) с второго выхода устройства 18(19) управления.

Сигнал U6() в устройстве 18(19) управления образуется следующим образом.

Сигнал U5(Ui) с выхода триггера 41 поступает на С-вход триггера 42. В том случае, если уровень этого сигнала положительный (равен «1), состояние триггера 42 не изменяется и повторяет сигнал на его Д-входе. Если уровень этого сигнала равен «О, то состояние триггера 42 изменяется на противоположное. В результате на выходе триггера 42 блока 18(19) управления образуется сигнал U6(Ui2) по длительности вдвое больший длительности сигнала UsCJu), т.е. равный периоду генерируемых формирователем 9 последовательностей.

При этом сигнал UG в устройстве 18 управления снимается с неинвертирующего выхода триггера 42, а сигнал Ui2 в устройстве 19 управления - с инвертирующего выхода триггера 42.

В случае положительного уровня сигнала U6(U|2) инвертор-повторитель 22 (23) повторяет форму сигнала U7(Ui3), а при нулевом уровне сигнала U6(Ui2) - поворачивает его на 180°. В результате на выходах инверторов-повторителей 22 и 23 образуются две фазы синусоидальных сигналов Us и UM соответственно, сдвинутых между собой на 120°, которые поступают на входы инвертирующего сумматора 24. Сумматор 24 осуп ествляет суммирование этих сигналов и формирование путем поворота суммы на 180° синусоидального сигнала Uio, являющегося третьей фазой синусоидальных сигналов, генерируемых формирователем 9 и сдвинутого относительно первых двух сигналов на 120°.

Для согласования работы устройства 18 управления с устройством 19 управления при возникновении помех, вследствие которых состояние триггера 42 устройства 19 управления может оказаться сдвинутым на 180° по отношению к триггеру 42 устройства 18 управления и работа устройства 19 управления будет производиться со сдвигом по отношению к устройству 18 управления не на 120°, а на ±60°, неинвертирующий выход триггера 42 устройства 18 управления подключен к Д-входу триггера 42 устройства 19 управления. Благодаря этому, триггер 42 устройства 18 управления при положительном уровне сигнала Un изменяет свое состояние на противоположное, а. при

10

20

25

нулевом уровне - повторяет сигнал на D-BXO- де, т.е. на его инвертирующем входе всегда будет образовываться сигнал Ui2, сдвинутый относительно сигнала Ug на 120°.

Трехфазная система синусоидальных сигналов Uj, U:5, LJ I-I, вырабатываемая формирователем 9 фазных последовательностей, жестко засипхронизированная по фазе и ямн.штуде, поступает на вторые входы сумматоров 25 блоков 12-14 управления источником 10 тока, на первые входы которых с генератора 11 модуляции поступает высокочастотный модулирующий сигнал UK; с амплитудой в 1,5 раза выше амплитуды сигналов UK, l.Ji.,, Ui4.

Промодулированные сигналы LJiy, Ui.8, UMI с выходов сумматоров 25 поступают 5 на первые входы устройств 26 сравнения и с их выходов - на входы компараторов 27. Компараторы 27, которые могут находиться в двух различных устойчивых состояниях, в зависимости от уровня подаваемых на их входы сигналов, нри положительных значениях периодических сигналов Ui.7, UIH, Uig вырабатывают положительный уровень сигналов Uoo, U2i и Uaa соответственно, а при отрицательных уровнях сигналов Ui7, Ui8, U.g - отрицательный уровень соответствующих сигналов lj)ij, L a:, U22. Причем, соотнощение между длительностью (2 положительного и отрицательного уровней каждого из сигналов U20, UL , U22 изменяется по синусоидальному закону, что является следствием модуляции синусоидальным сигналом Uie синусоидальных сигналов U, DM, Uio.

Сигналы U20, U21, U22 с выходов компараторов 27 поступают па вход электронных коммутаторов 28, которые при положительном уровне сигналов U2o, U2i, U22 открывают ключи 29, а при отрицательном уровне тех же сигналов - ключи 33.

Электронные ключи 29 и 33 блоков 12- 14 управления в открытом состоянии по сигналам U2o, U2i, U22 соответственно, через датчики 30 тока подключают соответствующие зажимы обмоток двигателя 1 к «4- или «- источника 10 тока. Так как соотношение между длительностью положительного и отрицательного уровней сигналов U20 , Ь г , Угг меняется по синусоидальному закону, то и источник 10 тока будет подключаться ключами 29 и 33 блоков 12-14 управления к соответствующим зажимам обмоток двигателя 1 с временным соотношением, изменяющимся также по синусоидальному закону, причем эти соотношения для каждого зажима обмотки двигателя 1 во временном отношении сдвинуты между собой на 120°.

В те моменты времени, когда зажимы

30

40

45

50

точника 10 тока - индуктивный разряд обмотки. Падение напряжения на каждой обмотке изменяется по синусоидальному закону. По синусоидальному закону изменяется также средний ток в обмотке двигателя 1. Однако, из-за различной скорости процессов заряда и разряда на индуктивности в индуктивных обмотках двигателя формируются токи, несколько отличающиеся от синусоидальных. Корректировка этих токов и формирование тока в обмотке по форме идентичного заданию Ug , UH , Uis осуществляется в цепи обратной связи блоков 12- 14 управления источником 10 тока.

Датчики 30 тока, включенные последовательно с соответствующей фазой двигателя 1, вырабатывают сигналы U23 пропорциональные току в фазе двигателя 1, поступающие на вход устройства 31 деления, где происходит уменьшение сигнала и2э до уровня U24 управляющих сигналов. Сигнал U24 поступает па вход дифференциального усилителя 32, где происходит выделение переменной составляющей сигнала U24 и усиление ее до уровня, вдвое превышающего уровень сигнала задания. Эта составляющая сигнала является «возмущающей в работе двигателя 1. В результате на выходе дифференциального усилителя 32 вырабатывается сигнал U25, характеризующий «возмущение в токах обмоток двигателя 1 и по амплитуде вдвое превышающий токи сигналы задания Ui.7, Dig, Uig блоков 12-14 управления соответственно. Сигнал обратной связи lj-25 поступает па второй, вход устройства 26 сравнения, где осуществляется вычитание из него сигналов задания Ui7, U|8, Ui9. Скорректированные сигналы Ui7, Uis, и 19 поступают на входы компараторов 27, управляющий работой электронных ключей 29 и 33 через электронные коммутаторы 28, которые, в свою очередь, управляют работой двигателя 1.

Синусоидальные токи в обмотках двигателя 1 благодаря проведенной корректировке точно соответствуют по фор.ме сигналам задания.

При появлении возмущений, возникающих вследствие колебаний нагрузки, осуществляется их корректировка по скорости в зависимости от скорости двигателя 1. При этом датчик 3 скорости вырабатывает сигнал U26, пропорциональный скорости вращения двигателя 1, который поступает на первый вход управляемого делителя 4 напряжения, на второй вход которого поступает сигнал Ui с первого выхода задатчика 6 режимов. Делитель 4 напряжения корректирует амплитуду сигнала Ui в зависимости от из- менивщейся частоты вращения двигателя 1 вследствие колебания нагрузки. Скоррекобмоток подключены к разноименным полю- jj тированный по амплитуде сигнал Ui (в за- сам источника 10 тока происходит индук-висимости от сигнала U26) поступает в виде сигнала U27 на вход блока 5 пропорционального дифференциального воздействия.

тивный заряд обмоток двигателя 1, а при подключении обмоток к одному полюсу ис

0

5

5

0

0

5

0

точника 10 тока - индуктивный разряд обмотки. Падение напряжения на каждой обмотке изменяется по синусоидальному закону. По синусоидальному закону изменяется также средний ток в обмотке двигателя 1. Однако, из-за различной скорости процессов заряда и разряда на индуктивности в индуктивных обмотках двигателя формируются токи, несколько отличающиеся от синусоидальных. Корректировка этих токов и формирование тока в обмотке по форме идентичного заданию Ug , UH , Uis осуществляется в цепи обратной связи блоков 12- 14 управления источником 10 тока.

Датчики 30 тока, включенные последовательно с соответствующей фазой двигателя 1, вырабатывают сигналы U23 пропорциональные току в фазе двигателя 1, поступающие на вход устройства 31 деления, где происходит уменьшение сигнала и2э до уровня U24 управляющих сигналов. Сигнал U24 поступает па вход дифференциального усилителя 32, где происходит выделение переменной составляющей сигнала U24 и усиление ее до уровня, вдвое превышающего уровень сигнала задания. Эта составляющая сигнала является «возмущающей в работе двигателя 1. В результате на выходе дифференциального усилителя 32 вырабатывается сигнал U25, характеризующий «возмущение в токах обмоток двигателя 1 и по амплитуде вдвое превышающий токи сигналы задания Ui.7, Dig, Uig блоков 12-14 управления соответственно. Сигнал обратной связи lj-25 поступает па второй, вход устройства 26 сравнения, где осуществляется вычитание из него сигналов задания Ui7, U|8, Ui9. Скорректированные сигналы Ui7, Uis, и 19 поступают на входы компараторов 27, управляющий работой электронных ключей 29 и 33 через электронные коммутаторы 28, которые, в свою очередь, управляют работой двигателя 1.

Синусоидальные токи в обмотках двигателя 1 благодаря проведенной корректировке точно соответствуют по фор.ме сигналам задания.

При появлении возмущений, возникающих вследствие колебаний нагрузки, осуществляется их корректировка по скорости в зависимости от скорости двигателя 1. При этом датчик 3 скорости вырабатывает сигнал U26, пропорциональный скорости вращения двигателя 1, который поступает на первый вход управляемого делителя 4 напряжения, на второй вход которого поступает сигнал Ui с первого выхода задатчика 6 режимов. Делитель 4 напряжения корректирует амплитуду сигнала Ui в зависимости от из- менивщейся частоты вращения двигателя 1 вследствие колебания нагрузки. Скоррекj тированный по амплитуде сигнал Ui (в за- висимости от сигнала U26) поступает в вигде осуществляется выделение пропорциональной дифференциальной составляющей из сигнала обратной связи В результате на выходе блока 5 пропорционального дифференциального воздействия образуется корректирующий сигнал U28, поступающий да- лее на вход сумматора 7, где он суммируется с сигналом задания J. На выходе сумматора 7 вырабатывается сигнал U2 b i-f- + U28, поступающий на вход управляемого генератора 8. В зависимости от величины сигнала U2 управляемый генератор 8 вырабатывает импульсы сигналов Уз соответствующей частоты. Сигналы Us поступают на вход формирователя 9 фазных последовательностей, формирующего трехфазную систему управляющих синусоидальных сигналов сог- ласно скорректированным сигналам задания UsТаким образом, использование предлагаемого инфузионного насоса позволяет обеспечить равномерную подачу потока биоло- гической жидкости на нижних частотах вращения двигателя. Равномерность потока жидкости обеспечивается на частотах вращения двигателя от 0.1 Гц и выше, при этом обеспечивается равномерная подача крови с малым расходом и, тем самым, успещно используются аппараты искусственного кровообращения при операциях на сердце для обеспечения переходных режимов с искусственного кровообращения на естественное, т.е. тогда, когда есть необходимость в низких расходах биологической жидкости, а так- же для проведения гемосорбции и гемодиализа.

Формула изобретения

. Инфузионный насос,содержащий мно- гофазный синхронный двигатель, роликовую головку, задатчик режимов, последовательно соединенные управляемый генератор и формирователь фазных последовательностей, источник тока, три блока управления источ- НИКОМ тока, каждый из которых содержит последовательно соединенные компаратор, электронный коммутатор и два электронных ключа, последовательно соединенные датчик тока, устройство деления и дифференциальный усилитель, причем источник тока через электронные ключи и датчик тока каждого блока управления источником тока соединен с каждым входом многофазного синхронного двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения равномерности подачи биологической жидкости при малых расходах, инфузионный насос дополнительно содержит последовательно соединенные датчик скорости, управляемый делитель напряжения, блок пропорционального дифференциального воздействия и сумматор, генера- тор модуляции, каждый блок управления источниками тока дополнительно содержит последовательно соединенные сумматор и устройство сравнения, первый и второй выходы задатчика режимов соединены соответственно с вторым входом управляемого делителя напряжения и с вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом управляемого генератора, выход генератора модуляции соединен с первыми входами блоков управления источником тока, выходы формирователя фазных последовательностей соединены соответственно с вторыми входами блоков управления источником тока, первый и второй входы блока управления источником тока соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход дифференциального усилителя соединен с вторым входом устройства сравнения, выход которого соединен с входом компаратора.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что формирователь фазных последовательностей содержит первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй инверторы- повторители, первый и второй цифроана- логовые функциональные преобразователи, первое и второе устройство управления, устройство синхронизации и инвертирующий сумматор, вход формирователя фазной последовательности соединен с первыми входами реверсивных счетчиков, второй вход первого реверсивного счетчика и первый вход устройства синхронизации соединены с первым выходом первого устройства управления, третий вход первого реверсивного счетчика соединен с вторым выходом первого устройства управления, второй вход второго реверсивного счетчика соединен с первым выходом второго устройства управления, первые выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с первыми входами первого и второго устройства управления, третий вход второго реверсивного счетчика и второй вход второго устройства управления соединены с выходом устройства синхронизации, вторые выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены соответственно с входом первого цифро- аналогового функционального преобразователя, с вторыми входом устройства синхронизации и с входом второго цифроана- логового функционального преобразователя, выходы первого и второго цифроаналого- вых функциональных преобразователей соединены соответственно с первыми входами первого и второго инверторов-повторителей, второй выход первого устройства управления соединен с вторым входом первого инвертора-повторителя и с третьим входом второго устройства управления, второй выход которого соединен с вторым входом второго инвертора-повторителя, выходы первого и второго инверторов-повторителей соединены соответственно с первым и вторым входами инвертирующего сумматора и с первым и третьим выходами формирователя фазных последовательностей, второй выход которого соединен с выходом инвертирующего сумматора.

и,.

Usi

Изобретение относится к аппаратам искусственного кровообращения, к системам гемосорбции и гемодиализа и позволяет повысить равномерность подачи биологической жидкости при малых расходах. Насос содержит двигатель 1, головку 2, задатчик 6 режимов, формирователь 9, источник 10 тока, блоки 12-14 его управления, которые состоят из компаратора 27, электронного коммутатора 28, электронного ключа 29, датчика 30 тока, устройства 31 и усилителя 32, датчик 3 скорости, управляемый делитель 4, блок 5, сумматоры 7 и 25, генератор 11 модуляции, устройство 26 сравнения. Формирователь 9 фазных последовательностей может содержать реверсивные счетчики 15 и 16, синхронизатор 17, устройства 18 и 19 управления, преобразователи 20 и 21, инверторы-повторители 22 и 23, инвертирующий сумматор 24. В зависимости от расхода задатчик 6 вырабатывает сигнал, управляющий работой генератора 8. Система сигналов с формирователя 9 поступает на сумматоры 25, далее с выходов компараторов - на управление ключами и на обмотки двигателя 1 в виде синусоидальных сигналов. Введение новых элементов и образование новых связей между элементами устройства обеспечивает равномерность подачи потока жидкости на частотах 0,1 Гц и выще. 1 з.п. ф-лы. 5 ил. а (Л N5 СО О5 00 СП 26

fJn

f2

П П П П П П П П П П

1

фиг.З

иг.5

Редактор И. Касарда Заказ 6989/5

Составитель Н. Андриенко Техред И. ВересКорректор М. Демчик

Тираж 660Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4