Способ определения изменения состояния текучести вещества и устройство для его реализации Советский патент 1979 года по МПК G01N11/16 

го наперед заданного временного интервала. При уменьшающемся во времени среднем значении псевдопериода определяют первый момент времени, в который длительность заранее заданного количества псевдопериодов станет меньше первого наперед заданного временного интервала. При увеличивающемся во времени среднем значении псевдопериода определяют второй момент времени, в который такие псевдопериоды, длительность которых меньше, чем обратная величина наперед заданной граничной частоты, полностью отсутствуют в течение второго наперед заданного заканчивающегося к второму моменту времени временного интервала. Кроме того, в первый момент времени начинают счет времени, а во второй момепт прекращают. При появлении наперед заданного мгновенного значения сигнала модуляции, являющегося переходом через его нуль, формируют импульс наперед заданной длительности и амплитуды, причем по меньшей мере одну образованную импульсами последовательность интегрируют зарядной и разрядной цепями интегратора, и для проведения указанного сравнения длительности наперед заданного количества псевдопериодов с наперед заданным временным интервалом результат интегрирования сравнивают с пороговым значением. Параллельно проводят два интегрирования одной и той же последовательности импульсов, причем счет времени начинают, если результат одного интегрирования превышает первое пороговое значение, и счет времени прекращают, если результат второго интегрирования станет ниже второго порогового значения. Первичный сигнал детектируют по фазе так, что получают сигнал модуляции, соответствующий фазовой модуляции. Сигнал модуляции, соответствующий фазе модуляции, умножают на периодическую функцию считывания наперед заданной частоты считывания, и результат фильтруют, при этом подавляют как частоту считывания, так и остающиеся постоянными считываемые значения, и получают сигнал модуляции в виде огибающей считывающих значений фазовой модуляции. Ультразвуковые волны излучают периодически повторяющимися импульсами синхронно с функцией считывания сигнала модуляции. Анализатор для Фурье-анализа сигнала модуляции устройства для осуществления предлагаемого способа определения изменения состояния текучести вещества дополнительно снабжен последовательно соединенными детектором, генератором импульсов, блоком сравнения, анализирующим устройством. Анализирующее устройство выполнено в виде двух параллельно включенных интеграторов, соединенных через блок сравнения со счетчиком времени. Детектор выполнен в виде нуль-детектора для определения перехода через нуль сигнала модуляции. Демодулятор снабжен фазовым детектором с входами для подачи опорного сигнала и первичного сигнала и выходом для выдачи сигнала модуляции, соответствующего фазовой модуляции первичного сигнала. Демодулятор доиолпительно снабжен включенной после фазового детектора схемой считывания, к которой подключен полосовой фильтр. Перед генератором сигналов и схемой считывания включено устройство унравления для осуществления синхронизированного с частотой считывания импульсного режима работы генератора сигналов. На фиг. 1 показапа схема устройства для осуществления способа определения изменения состояния текучести вещества; на фиг. 2 схематически изображен анализатор; па фиг. 3 даны кривые заряда интегратора; па фиг. 4 представлен вариант иснолнепия анализатора; на фиг. 5 - вариант исполнения устройства, показанного на фиг. 1. Устройство содержит емкость 1 для вещества 2, состояние текучести которого должно быть установлено (например, состояние свертывания крови). Имеются в виду вещества, которые способны к текучести, но не являются жидкими, например применяемый в химической промышленности Фурье-Флуидат (Fluidat) в реакторе с псевдоожиженным слоем, причем устанавливают, имеется ли Флуидат, т. е. образовали газ и частицы твердого вещества турбулентную, микроскопически неоднородную, но макроскопически однородную смесь или имеется нредполагаемый стационарный слой твердых частиц. В общем случае речь идет о веществах с микроскопическими неоднородностями, распределение которых при макроскопическом рассмотрении может быть однородным или неоднородным соответственно в состоянии покоя или движения. Ультразвуковой передатчик 3 расположен на емкости 1. Генератор 4 сигнала генерирует онорный сигнал постоянной частоты для управления передатчиком 3, который соединен с генератором линией связи 5. Передатчик 3 генерирует колебания ультразвуковой частоты, условно обозначенные волнистой линией 6 со стрелкой. Направленное раснространение ультразвуковых колебаний в виде луча условно ноказапо штриховыми линиями 7 и 8. Приемник 9 ультразвуковых колебаний расположен на емкости 1 таким образом, что он принимает рассеянные вешеством 2 ультразвуковые волны, обозначенные стрелкой 10. Колебания ультразвуковой частоты в приемннк не попадают. С приемника 9 на выходную линию 11 ноступает нервичный сигнал. Таким образом, онориый сигнал преобразует ультразвуковые колебания, которые при своем прохождении через вещество рассеиваются и образуют первичный сигнал.

Рассеяние ультразвуковых колебаний на неоднородностях вещества нодчиняется статическим законам: иервичный сигнал при рассеянии оказывается промодулированным ио амплитуде п фазе. Если вещество находится в состоянин иокоя, то модуляция равна нулю. В жидкости имеются броуновское движение и конвекция: суспензии частиц, эмульсии могут поэ.тому также в состоянии покоя вызывать модуляцию первичного сигнала, но эта модуляция имеет относительно амплитуды и частоты сиектр, который отличается от спектра, обусловленного состоянием движения.

Таким образом, для устранения состояния текучести вещества 2 нроводится спектральный анализ модуляции первичного сигнала. Для этой цели нрежде всего осуществляется модуляция первичного сигнала в демодуляторе 12 и в качестве мод -лирующего сигнала иодается на линию 13. Демодулятор 12 является фазовым детектором, к которому подводятся первичный сигнал по линии 11 и онорный сигнал от линии 5. Возможно исполнение демодулятора 12 в качестве фазового детектора на основе полевого транзистора с двумя управляющими электродами, которые соединены соответственно с линиями 5 и 11. Вместо фазовой модуляции можно применить амплитудную модуляцию.

Снимаемый по линии 13 модулирующий сигнал подводится к анализатору 14. В анализаторе устанавливается, какой требуется интервал времени для заданного числа псевдопериодов модулирующего сигнала, что эквивалентно определению средней частоты спектра модулирующего сигнала. С выхода 15 анализатора снимается сигнал, если определенный интервал времени превышает или уменьшает заданным интервал времени. Это может быть выиолнено путем сравнения иоказаний счетчиков для псевдопепиодов и для временных импульсов.

В анализаторе, показанном на фиг. 2, модулирующий сигнал подводится по лииии 13 к детектору 16, с выхода которого ио линии 17 поступает сигнал детектора, если модулирующий сигнал достнгает определенного мгновенного значения. Детектором 16 может быть триггер Шмидта, действующий в качестве детектора нулевых значений, который выдает сигнал, если модулирующий сигнал имеет переход через нулевое значение от отрицательного к положительному значению.

В случае, когда среднее значение модулирующего сигнала не равно нулю или когда детекторный сигнал должен быть сформирован не при переходе через нуль, а при другом значении, можно изменить рабочую точку триггера Шмидта. В качестве детектора 16 можно применить пиковый детектор, который выдает сигнал, если модулирующий сигнал достигает макснмального или минимального значения. Сигнал с детектора по линии 17 подается к генератору 18 импульсов, который формирует на липпи 19 импульс, если появляется сигнал с детектора. Как амплитуда, так и длительность нмпульсов определена п тем самым образована носледовательность од1 наковых импульсов. Длптельиость импульсов выбирается так, чтобы она была много мепьще, чем длительность псевдопериодов, наличие

которых в модулирующем сигнале необхоДТ1МО зарегистрировать.

При регистрации более коротких исевдопериодов происходит насыщение, потому что пнтервал между импульсами стаиовится исчезающе малым. Обычно, когда промежуток между импульсами существенно больще длительности нмнульса, чтюло импульсов, генерируемых в течение заданного промежутка времени, иредставляет средиее

значение частоты, содержащейся в спектре частот модулирующего сигнала. Оппсаниое устройство исключает влияние амнлитуды компоненты сигнала на результаты регистрации.

По линии 19 иоследовательность импульсов подается к интегратору 20, который снабжен зарядной н разрядной пенями. Сигналы на входе 21 и на выходе 22 интегратора определены относительно потенциала Земли. Между входом 21 и выходом 22 включен резистор 23. Постоянная времени зарядной цепи равна произведению значения сопротпвления 23 и конденсатора 24, а постоянная времени разрядной пепи

рапиа произведению значения сопротттвлеиия 25 и конденсатора 24.

Ирт поступленин последовательности импульсов к интегратору 20 происходит взаимодействие между обеими постоянными

времени, мгновенным и средиим нромежуткалп ИМПУЛЬСОВ. В результате этого взаимодействия на выходе 22 интегратора 20 возникает напряжение, которое по лпиии 26 подводится к сравпивающему устройству

27. К этому сравнивающему устройству нодводится еще дополиительиое напряжение, которое является определенным пороговым значением и подается по лпнии 28. С выхода сравнивающего устройства 27

поступает на линию 15 сигнал анализатора, если напряжение на линнн 26 превышает или не превышает напряженне на линии 28. Этот сигнал с анализатора служит определением состояния текучести вещества 2.

На фиг. 3 показано изменение напряжения f/22 на выходе интегратора как функция времени /. Постоянная времени заряда TI, а также ностоянные времени разряда Т2Л, TIB, отнесенные к соответствующим кривым А н В, графнческн ноказаны в виде отрезка. Преднолагается, что носледовател)ность имнульсов постунает на интегратор 20, которая состоит пз импульсов с одинаковой амнлитудой, принятой за 100%, интервал времени TI содержит всякий раз пять импульсов и пять интервалов одинаковой длительности . Это соответствует составляющей сигнала с частотой б/Г. Напряжение со временем достигает величины постоянного среднего значения, относительно которого оно колеблется в такт импульса. Когда пороговое напряжение выбрано иа уровне 66% от амплитуды импульса, это превышает пороговое значение кривой В после 12 пмнульсов, а кривая А никогда не превышает порогового значения. При неизменных постоянных времени новышеиие чаетоты иовторения импульсов вызывает сокращенне промежутка времени, в течение которого конл1енсатор 24 может разряжаться, а напряжение f/22 умеиьшаетея, следовательно, конденсатор 24 быстрее заряжается и соответствующая кривая заряда лежит выше криво/ В. Если импульсы следуют друг за другом практически без пауз, то кривая заряда переходит в экспоненциальную кривую. Эта кривая может достигнуть любого заданного порогового значения за исключением 100% и превысить его, но для этого требуется определенное время, не зависящее от чаетоты повторения импульсов, что выше было обозначено как насыщение. Если частота следования импульсов уменьшается, то конденсатор 24 заряжается медленнее и кривая заряда лежит ниже кривой В: пороговое напряжение 66% доетигается позднее. Можно раесчитать, чтобы при периодически действующих импульсах с длительностью (фиг. 3) и с теми же постоянными времени Т и пороговое значение 66% не достигается, если интервал между импульсами становится больще, чем примерно , т. е. частота повторения импульсов ниже, чем примерно 2,86 Г;. Подобный вывод применим к статистически поступающим импульсам в предположении, что длительность импульса существенно меньше постоянной времени заряда интегратора, а интервал между импульсами существенно меньше постоянной временр разряда интегратора, причем под словом «существенно следует понимать множитель 100, а именно: если эти допущения выполнены, то можно оперировать со средними значениями. При описанном исполнении анализатора 14 средний период повторения импульсов сравнивается с частью постоянного времени разряда, опргделениого 0 пороговым значением. Это есть ни что иное как сравнение двух интервалов времени: одги временной интервал представляет средний интервал времени псевдопериода и можно рассматривать ннтервал времени, соответствующнй оиределенному числу псевдопериодов модулирующего сигнала. Другой интервал времени определен выбором длительноети импульсов и обеими постоянными времеии и может рассматриваться как предварительно определенный. Определение среднего значения частоты хотя н ие так точио, как истинный счет псевдопсриодоБ в течение счетного времени, но оно оказывается практнчески достаточным для определения состояния текучести и достигается очень эффективиы:41 способом. Для определення момента времени, при котором вещество 2 переходит из состояния покоя IS состояние текз 1ести анализатор 14 сиабжеи такими параметрами, с которыми превышение порогового значения осуществляется с по:лощью заряда на интеграторе относительно высокочастотной компоненты модул ир 101цего сигнала, но не относнтельно низкочастотной компоненты сигнала. Например, для крови или сыворотки выбираются нараме ры, с которыми требуются 50 импульсов за 0,5 с для получения сигнала анализатора; покоящаяся пробная жидкость ие выдает тогда сигнала с анализатора, в то время как инъекция раствора тромбина вызывает турбулентность и образует сигнал от анализатора. Для установления момента времени, при котором вещество 2 переходит от состоягтия текучести в состояние покоя, анализатор и.меет параметры, обеспечивающие достижение обратного принципа действия. При свертывающейся крови или плазме исчезают не только турбулентность и конвекция, а также часть броуновского движения. Если к тому же для подавления помех пода ляготся низкочастотные комоненты сигнала ниже 3 Гц, то появляется сигнал анализатора, если нет-импульса в течение заданного интервала времени. Для этой цели интегратор имеет постоянную времени заряда по порядку величины, равггую длительности импульса, так что каждый импульс заряжает интегратор до порогового значения. После появления импульса интегратор разрял ается и если до превыщения порогового значения не поетупил другой импульс, то возникает сигнал анализатора. Заданным интервалом времени здесь является интервал времени, необходимый для разряда интегратора от зарядного значения до порогового значения, например 0,5 с. Для определения разрушения флуидата не требуется фильтрации модулирующего сигнала при 3 Гц, потому что здесь частицы твердого г:ещества или находятся в состоянии турбулентного движения или

образуют неподвижный слой, который не вызывает модулирующего сигнала.

Для определения времени свертывания крови отсчет времени происходит с момента инъекции тромбина, вызывающей процесс свертывания и одновременно турбулентность пробной жидкости. Счет времени прекращается, когда происходит свертывание, и благодаря этому жидкость вновь приходит в состояние покоя. В анализаторе, показанном на фиг. 4, модулирующий сигнал поступает к детектору 16 нулевого значения, который управляет через линию 17 генератором 18 импульсов при каждом нулевом прохождении одинакового вида модулирующего сигнала, так что на линии 19 появляется последовательность импульсов, которая соответствует модулируюи1ему сигналу. При этом предусматриваются два интегратора 20 и 20, каждый из которых имеет такую же структуру, как.и интегратор 20. Однако требуется примерно 50 импульсов за 0,5 с для того, чтобы зарядить интегратор 20 и до 66% от амплитуды импульса, а интегратор 20 заряжается до примерно 63% от амплитуды импульса за один импульс. Оба интегратора разряжаются на 63% за 1 с.

Интеграторы 20 и 20 содержат выходные линии 26 и 26, которые подводят заряд интегратора к входам 29 и 29 соответственно двойного сравнивающего устройства 30, соединенного с выходом 31. На этом выходе в начальный момент отсутствует напряжение: в момент, когда подводимое к входу 29 напряжение превышает 66% от амплитудного значения импульса, на выходе 31 появляется напряжение до тех пор, пока приложенное к входу 29 напряжение ниже 33% от амплитудного значения, затем напряжение на выходе 31 вновь уменьшается до нуля. Напряжение на выходе 31 образует сигнал анализатора, который по линии 32 поступает к счетчику 33 для его управления. Счет времени начинается, как только сформируются примерно 50 импульсов за 0,5 с. Счет времени заканчивается, если за 0,5 с не образуется ни одного импульса. Задержки во времени на 0,5 с при пуске и остановке на примерно 0,5 с по существу могут компенсировать друг друга. Кроме того, имеется возможность внесения корректуры, что позволяет увеличить необходимую точность измерения.

На фиг. 5 показан вариант исполнения устройства со считывающей схемой для модулирующего сигнала. Модулирующий сигнал должен считываться, если ультраЗвуковой передатчик работает в импульсном режиме, например для бережного отнощения к передатчику при высоких интенсивностях или для применения одного и того же передатчика для передачи и приема.

Возможны синхронизация считывания в

такт ультразвуковых импульсов при селективной регистрации рассеяния ультразвуковых волн и исследование определенной и пространственно ограниченной области вещества. В этом устройстве линия 13 между фазовым детектором 12 и анализатором 14 на фиг. 5 заменена двумя линиями 34 и 35. Линия 34 соединяет выход фазового детектора 12 с входом считывающей схемы 36, действующей как коммутатор, который только в течение короткого периодически повторяющегося отрезка времени замкнут. Линии 34 и 37 соединены между собой. На линии 37 появляется последовательность считанных значений, поступаюи1ая на линию

34фазовой модуляции первичного сигнала. Эта последовательность считанных значений поступает через фильтр 38 на

35и анализатор 14. Частота считывания, т. е. такт считывания, управляется с помощью управляющего устройства 39, которое через линию 40 соединено со считывающей схемой 36 и через лииию 41 с генератором снгналов 4 для управления этого генератора в нмпульсном режиме.

Нмпульсы ультразвуковых колебаний синхронны с тактом считывания таким образом, что считанные значения фазовой модуляции соответствуют точно определенному времени распространения ультразвуковых колебаний, т. е. пространственно ограниченной области исследуемого вещества. Фильтр 38 представляет собой полосовой фильтр, который не пропускает с одной стороны частоту считывания, а с другой - постоянную составляющую значения считывания. Для этой цели полосовой фильтр 38 имеет нижнюю и верхнюю граничные частоты. Напротив, в импульсном режиме н частоте считывания 2000 Гц ннжняя граничная частота равна примерно 3 Гц, а верхняя граничная частота - нримерно 300 Гц. На линии 35, соответствующей выходу фильтра 38, появляется тогда модулирующий сигнал, временной ход которого является огнбающей значений считывания фазовой модуляции, причем подавляются постоянная составляющая или медленно меняющаяся компоненты. Указанные граничные частоты особенно пригодны для определения временн свертывання крови. Верхняя граничная частота еще достаточна для четкого различия между жидким и свернутым сестоянием, в то время как нижняя граничная частота достаточна для надежного исключения насыщения при регистрации с необходнмыми длительностями импульсов и постоянными времени интегратора. граничная частота является достаточно низкой для того, чтобы еще иметь возможность регистрировать броуновское движение и конвекцию, и в то же время достаточно высока, чтобы устранить помехи при регистрации, вызванные внешними воздействиями, как, например, легкая вибрация прибора из-за движений обслуживающего персонала, уличного шума и т. д. Подавление частот ниже нижнего граничного значения приводит также к подавлению постоянных сигналов, которые вызываются, например, отраженным сигналом на стенках емкости 1 или от электрических перекрестных помех между передатчиком и приемннком: обрабатываться должны только движущиеся рассеянные ультразвуковые колебания. Подавление частот ниже нижнего граничного значения, правильное определение этого нижнего граничного значения на основе знаний о протекающих при этом физических процессах являются мерой, которая дает решающий вклад для применимости способа и устройства. Формула и 3 о б р е т е Ft и я I. Способ определения изменения состояния текучести вещества путем подачи в его среду ультразвуковых воли постоянной частоты, нрнема рассеянных веществом ультразвуковых волн, преобразования их в соответствующий рассеянию амплитудно- и фазомодулированный первичный сигнал и детектировання первичного сигнала для получения сигнала модулянии, из которого посредством преобразования Фурье получают спектр составляющих сигнала различных частот, имеюнщй псевдопериоды, которые определяют как интервал времени между следующими друг за другом и соответствующими друг другу мгновенными значениями сигнала модуляции, отл и ч а ющийся тем, что, с целью автоматизащги процесса измерения, определяют по меньшей мере один момент времени, в который длительность монотонно меняющегося времени среднего псевдопериода станет равной наперед заданному среднему значению, путем сравнения интервала времени, соответствующего заранее заданному количеству псевдопериодов, с зараиее заданным временным интервалом, причем значение интервала времени, соответствующего заранее заданному количеству псевдопериодов в ходе монотонного изменения во времени, проходит значение этого наперед заданного временного интервала. 2.Способ по п. I, от л и ч а ю щ и и с я тем, что нрн уменьшающемся во временн среднем значении псевдопеоиода определяют первый момент времени, в который длительность заранее заданного количества псевдопернодов станет меньше первого нанепед заданного временного интервала. 3.Способ по п. I, отличающийся тем, что при увеличивающемся во времени среднем значении псевдопериода определяют второй момент времени, в который такие псевдоперноды, длительность которых меньше, чем обратная величина наперед заданной граничной частоты, полностью отсутствуют в течение второго наперед заданного заканчивающегося к второму моменту времени временного интервала. 4. Способ но пп. 2 и 3, отличающийс я тем, что в первый момент времени начинают счет времени, а во второй момент прекращают. 5.Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что при появлении наперед заданного мгновенного значения сигнала модуляции, являющегося переходом через его нуль, формируют импульс наперед заданной длительности и амплитуды, причем по меньшей мере одну образованную импульсами последовательность интегрируют зарядной н разрядной цепями интегратора, и для проведения указанного сравнения длительности наперед заданного количества псевдопериодов с наперед заданным временным интервалом результат интегрирования сравнивают с пороговым значением. 6.Способ по пп. 4 и 5, отличающийся тем, что параллельно проводят два интегрирования одной и той же последовательности импульсов, причем счет времени начинают, если результат одного интегрирования превышает первое пороговое значение, и счет времени прекращают, если результат второго интегрирования станет ниже второго порогового значения. 7.Способ по п. 1, отличающийся тем, что первичный сигнал детектируют по фазе так, что получают сигнал модуляции, соответствующий фазовой модуляции. 8.Способ по п. 7, отличающийся тем, что сигнал модуляции, соответствующий фазе модуляции, умножают на периодическую функцию считывания наперед заданной частоты считывания, и результат фильтруют, при этом подавляют как частоту считывания, так и остающиеся постоянными считываемые значения и получают сигнал модуляции в виде огибающей считывающих значений фазовой модз ляции. 9.Способ по п. 8, отличающийся тем, что ультразвуковые волны излучают периодически повторяющимися импульсами синхронно с функцией считывания сигнала модуляции. 10.Устройство для осуществления способа по пи. 1, 2 и 3, содержащее генератор сигналов для формирования онорного сигнала постоянной частоты, включенный ноеле генератора сигналов ультразвуковой передатчик для передачи ультразвуковых волн, соответствующих опорному сигналу, в среду исследуемого вещества, приемник для приема рассеянных веществом ультразвуковых волн и для преобразования их в соответствующий рассеянию амплитудно- и фазомодулированный.первичный сигнал, демодулятор для выделения сигнала модуля-ции из первичного сигнала, и анализатор для Фурье-анализа сигнала модуляции. отличающееся тем, что анализатор для Фурье-анализа сигнала модуляции дополнительно снабжен последовательно соединенными детектором генератором импульсов, блоком сравнения, анализирующим устройством. И. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что анализирующее устройство выполнено в виде двух параллельно включенных интеграторов, соединенных через блок сравнения со счетчиком времени. 12.Устройство по п. 10, о т л и ч а ю щ е еся тем, что детектор выполнен в виде нульдетектора для определения перехода через нуль сигнала модуляции. 13.Устройство по п. 10, отличающеес я тем, что демодулятор снабжен фазовым детектором с входами для подачи опорного сигнала и первичного сигнала и выходом для выдачи сигнала модуляции, соответст68965 10 15 20 0 вующего фазовой модуляции первичного сигнала. 14.Устройство по п. 13, отличающееся тем, что демодулятор дополнительно снабжен включенной после фазового детектора схемой считывания, к которой подключен полосовой фильтр. 15.Устройство по п. 5, о т л и чаю щ е е с я тем, что перед генератором сигналов и схемой считывания включено устройство управления для осуществления синхронизированного с частотой считывания импульсного режима работы генератора сигналов. Источники информации, ирииятые во внимание при экспертизе 1. Shung, Sigelman и Schmerb, «TEE, Transactions on Biomedical Engineering, BME-22/4, № 6, 1975, p. 334-337 (прото™n).

15

13

100%

Bf%/ yv A/V A/V

и.

22

iS

13

Л

- t