姬 軍 王莉新 高佳碩 肖 宏 李海華

齒輪泵管路長(zhǎng)度對(duì)構(gòu)建尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置水流量的影響*

姬 軍①②*王莉新①②高佳碩①肖 宏①李海華①

目的：研究以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和齒輪泵為核心的尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置管路長(zhǎng)度對(duì)排水量的影響，并確定最佳的管路長(zhǎng)度。方法：選取60 cm、70 cm、80 cm和90 cm的4種長(zhǎng)度的軟管作為齒輪泵的吸水和排水管路，分別測(cè)量每種流率下尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量，將實(shí)際值與該裝置記錄的齒輪泵轉(zhuǎn)速計(jì)算得到的理論值進(jìn)行擬合，以得到最佳的管路長(zhǎng)度。結(jié)果：不同的管路長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量不同，吸水和排水側(cè)軟管長(zhǎng)度均為70 cm時(shí)，實(shí)際排水量與理論排水量擬合效果最好。結(jié)論：尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量受多種因素的影響，確定齒輪泵管路長(zhǎng)度對(duì)尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制具有重要意義。

齒輪泵排水量；管道長(zhǎng)度；曲線擬合；尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置

尿流率計(jì)是尿動(dòng)力學(xué)檢查中常用的儀器之一，國際尿控協(xié)會(huì)(International Continence Society，ICS)制定的“尿動(dòng)力學(xué)技術(shù)規(guī)范”以及中華醫(yī)學(xué)會(huì)泌尿外科分會(huì)制定的“尿動(dòng)力學(xué)技術(shù)規(guī)范(2010版)”均對(duì)尿流率計(jì)的測(cè)量精度和校準(zhǔn)周期提出指導(dǎo)性的要求[1-4]。為了對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行定量的校準(zhǔn)，以數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor，DSP)和齒輪泵為核心構(gòu)建尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置，在給定的電壓下，隨著齒輪泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，即可得到一條標(biāo)準(zhǔn)的水流[5]。由于齒輪泵的排水量與所選用的管道長(zhǎng)度有關(guān)，不同的管道長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致在同一電壓條件下實(shí)際排水量的不同，其實(shí)際排水量與采集到的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得到的理論排水量也不同，這一現(xiàn)象在高流率時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。因此，本研究通過實(shí)驗(yàn)的方法，測(cè)量每個(gè)電壓、每種軟管長(zhǎng)度組合下尿流率計(jì)校準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量，并將實(shí)際排水量與理論排水量進(jìn)行擬合，取擬合結(jié)果最好的軟管長(zhǎng)度構(gòu)建尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置，并利用擬合公式將理論排水量進(jìn)行校準(zhǔn)，以使校準(zhǔn)后的理論排水量與實(shí)際排水量相符[6]。

1 尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置

尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置以DSP和齒輪泵為核心，主要由轉(zhuǎn)速控制模塊、流量產(chǎn)生模塊、電源模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成[7]。由于所選用齒輪為固定排量齒輪泵，其每轉(zhuǎn)一圈的排量固定為0.9 ml，在DSP的控制下，通過改變齒輪泵電機(jī)的控制電壓改變齒輪泵泵頭的轉(zhuǎn)速，即可得到不同流率的水流[8]。電機(jī)的反饋脈沖信號(hào)可以直接送入處理器的IO引腳，計(jì)算分析后通過串口將電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)送至PC機(jī)，利用MATLAB軟件計(jì)算串口發(fā)回的數(shù)據(jù)，可得到齒輪泵輸出水流的形態(tài)以及理論值。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

選取長(zhǎng)度為60 cm、70 cm、80 cm和90 cm的DN6 PVC軟管各2條；儲(chǔ)水水箱；稱量容器；B2000S電子天平。

軟件系統(tǒng)利用MATLAB R2014b對(duì)采集到的齒輪泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真計(jì)算，得到尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的理論排水量以及校正后的理論排水量。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法

采用水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)中的靜態(tài)質(zhì)量水法，對(duì)尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置各電壓下的排水量進(jìn)行測(cè)量[9]。靜態(tài)質(zhì)量水法，即將標(biāo)準(zhǔn)裝置產(chǎn)生的水流全部流入稱量容器，當(dāng)容器內(nèi)的水靜止時(shí)記錄水的總重量。

利用DSP中的定時(shí)器設(shè)置齒輪泵的水流時(shí)間為10 s，選取齒輪泵的理論排水流率為5 ml/s、10 ml/s、15 ml/s……50 ml/s。將4種長(zhǎng)度的軟管在吸水和排水腔側(cè)進(jìn)行排列組合分別測(cè)試，每種排列組合在每種流率下進(jìn)行10次測(cè)量，用10次測(cè)量結(jié)果的平均值作為此條件下齒輪泵排水量的真值。同時(shí)在PC機(jī)上記錄裝置返回的齒輪泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，得到每次齒輪泵排水量的理論值。利用MATLAB的curve fitting工具將每種軟膠管長(zhǎng)度下排水量的稱重值與計(jì)算得到的理論值進(jìn)行擬合，以得出實(shí)際排水量與理論排水量之間的關(guān)系，選取最佳的軟管長(zhǎng)度。實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 稱量實(shí)驗(yàn)原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 排水量測(cè)量實(shí)驗(yàn)

用B2000S電子天平對(duì)每次排水量進(jìn)行測(cè)量，記錄每次齒輪泵排水量的稱重值，計(jì)算得到每種軟管長(zhǎng)度下不同流率排水量的平均值，見表1。

表1顯示，吸水腔側(cè)管徑長(zhǎng)度固定，各流率下排水量隨著排水腔側(cè)管徑長(zhǎng)度的增加而下降；排水腔側(cè)管徑長(zhǎng)度固定，各流率下排水量也隨吸水腔側(cè)管徑長(zhǎng)度增加而下降，流率越大，排水量下降的越多。為更好地進(jìn)行比較，選取低、中、高速流率，分別比較吸液腔側(cè)和排液腔側(cè)軟管長(zhǎng)度對(duì)排水量的影響。5 ml/s、25 ml/s及50 ml/s流率下，在各軟管長(zhǎng)度條件下的水流量，比較了流量最大值與最小值之間的相對(duì)差值，見表2、表3及表4。

當(dāng)吸水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度固定，排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度變化時(shí)，隨著排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度的增加，排水量呈緩慢下降的趨勢(shì)，不同軟管長(zhǎng)度之間流量相對(duì)差值最大為1.70%，最小為0.4%，而環(huán)境溫度的改變，水密度和粘度的改變都會(huì)導(dǎo)致排水量的改變，故排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度的增加對(duì)排水量的影響較小。由表4得出，排水側(cè)軟管長(zhǎng)度＞80 cm時(shí)，大流率下低齒輪泵的實(shí)際排水量會(huì)有一定的下降，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，效率降低[10]。因此，建議排水側(cè)軟管長(zhǎng)度≤80 cm。

表1 齒輪泵吸水和排水腔側(cè)不同長(zhǎng)度軟管不同流率下實(shí)際排水量平均值

表2 5 ml/s流率下各軟管長(zhǎng)度組合排水量

表3 25 ml/s流率下各軟管長(zhǎng)度組合排水量

表4 50 ml/s流率下各軟管長(zhǎng)度組合排水量

當(dāng)排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度固定，吸水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度增加時(shí)，齒輪泵排水量出現(xiàn)明顯下降，且在高流率下尤為突出；在排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度固定的情況下，隨著吸水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度的增加，排水量最大相對(duì)差值為11.35%，最小為1.30%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是大流率下水流對(duì)管壁的壓力增加使水流與管壁之間摩擦力增加，過長(zhǎng)的管道會(huì)消耗齒輪泵更多的能量，導(dǎo)致齒輪泵的排水效率降低[11]。同時(shí)，賈永峰等[12]在“永磁伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)性能及測(cè)控技術(shù)研究”中認(rèn)為，管道長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致齒輪泵吸水腔側(cè)壓力降低，也會(huì)導(dǎo)致齒輪泵吸液能力下降，齒輪泵排水量減少。

3.2 排水量與理論排水體積擬合結(jié)果

由于實(shí)際流量與理論流量線性相關(guān)，故本研究采用了一次函數(shù)進(jìn)行擬合。各軟管長(zhǎng)度組合理論體積和實(shí)際稱重得到的擬合曲線見表5。

由表5可知，在所選定的曲線長(zhǎng)度中，理論流量與實(shí)際重量擬合結(jié)果最好的依次為入水口長(zhǎng)度60 cm，出水口長(zhǎng)度90 cm；入水口長(zhǎng)度60 cm，出水口長(zhǎng)度80 cm；入水口長(zhǎng)度70 cm，出水口長(zhǎng)度70 cm。此時(shí)，擬合曲線SSE為16.58、17.29和17.66，R-square均為0.9999，RMSE為1.44、1.47和1.468。故最佳的軟管長(zhǎng)度應(yīng)該在此3組中選擇。

由上分析可知，排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度不易＞80 cm，軟管長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水流與軟管之間摩擦力越大，水流排出需要消耗更多能量。因此排除軟管長(zhǎng)度＞80 cm的情況，選定入水口軟管長(zhǎng)度70 cm、出水口軟管長(zhǎng)度70 cm為最佳軟管長(zhǎng)度組合。其實(shí)際排水量與理論排水量的關(guān)系為weight=1.034×volume+3.232，擬合曲線形狀如圖2所示。

表5 各曲線長(zhǎng)度下水流實(shí)際重量與理論流量擬合曲線

表6 選定軟管長(zhǎng)度下裝置實(shí)際排水量、理論排水量及校正后的排水量

圖2 實(shí)際排水量與理論排水量擬合曲線圖

齒輪泵吸水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度為70 cm，排水腔側(cè)軟管長(zhǎng)度為70 cm時(shí)，各流率下實(shí)際排水量、理論排水量以及校正后的理論排水量見表6，其校正后的理論排水量與實(shí)際排水量之間最大差值＜3 g，相對(duì)差值＜1%，可以采用較正后的理論流量值代替實(shí)際流量值對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，相同的控制電壓下，齒輪泵管道長(zhǎng)度不同時(shí)，雖然由電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算得出的裝置理論排水量相同，其實(shí)際排水量有很大的差別。齒輪泵的管道長(zhǎng)度會(huì)影響尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量，過長(zhǎng)的管道長(zhǎng)度會(huì)增加水流阻力，裝置能耗增加，齒輪泵實(shí)際排水量減少。不同的管道長(zhǎng)度理論流量與實(shí)際流量之間的相關(guān)關(guān)系不同，若不能選擇合適的齒輪泵管道長(zhǎng)度，則不能用裝置記錄的數(shù)據(jù)表示本次排水過程的實(shí)際流量，記錄的數(shù)據(jù)也不能用來對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

本研究通過實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量每種管道長(zhǎng)度下裝置的實(shí)際排水量，利用MATLAB軟件擬合工具計(jì)算擬合曲線并評(píng)價(jià)擬合結(jié)果，確定齒輪泵的管道長(zhǎng)度為吸水側(cè)軟管長(zhǎng)度70 cm，排水側(cè)軟管長(zhǎng)度70 cm時(shí)尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際排水量與理論排水量有較好的線性關(guān)系，可以用此時(shí)校正后的理論排水量值代替實(shí)際排水量的值對(duì)尿流率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 結(jié)語

本研究通過實(shí)驗(yàn)的方式，研究了在一定的時(shí)間內(nèi)，齒輪泵排水量與齒輪泵管道長(zhǎng)度的關(guān)系，確定了在本研究選定齒輪泵情況下，所需選用軟管的最佳長(zhǎng)度，確定了尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置實(shí)際排水量與理論排水量的關(guān)系，為下一步實(shí)驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)，也為以后尿流率計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置的實(shí)際臨床應(yīng)用提供保障。

不足之處為本研究在每種軟管長(zhǎng)度下只進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)，忽略了環(huán)境等因素對(duì)流量的影響，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中需要改進(jìn)[14]。

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The effect of pipeline length of gear pump for constructing water carrying amount of standard apparatus of urine flow rate meter/

JI Jun, WANG Li-xin, GAO Jia-shuo, et al//
China Medical Equipment,2017,14(10):33-36.

Objective: To research the effect of pipeline length of standard apparatus, which core were digital signal processor (DSP) and gear pump, of urine flow rate meter for tonnage.And to determine the optimal length of pipeline. Methods: 4 kinds of soft pipe (60 cm, 70 cm, 80 cm and 90 cm) were, respectively, used as the suction and drain pipeline of gear pump.The actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter under each flow rate were respectively measured. And then the actual results were fitted with the theoretical values from calculating of revolving speed of gear pump that were recorded by this apparatus. Based on above results, the optimal length of pipeline was obtained. Results: The different length of pipeline could lead to the difference of actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter. And the results indicated that the best fitting effect between actual tonnage and theoretical value could be achieved when the length both suction and drain soft pipeline were 70 cm. Conclusion: There are many factors can affect the actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter, and the determination for the length of pipeline of gear pump has important significance for the development of standard apparatus of urine flow rate meter.[Key words] Tonnage of gear pump; Length of pipeline; Fitting curve; Standard apparatus of urine flow rate meter[First-author’s address] 1.Department of Medical Engineering, The 305thHospital of PLA, Beijing 100017, China.2.Collage of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.010

姬軍,男,(1970- ),博士，主任技師。解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理、智能醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)以及醫(yī)療設(shè)備計(jì)量與質(zhì)量控制方面的研究。

2017-05-24

1672-8270(2017)10-0033-04

R197.39

A

軍事醫(yī)學(xué)計(jì)量科研專項(xiàng)(2012-JL1-016)“尿動(dòng)力分析儀檢定裝置建標(biāo)”；軍事計(jì)量建標(biāo)科研項(xiàng)目(軍裝計(jì)2016[599])“尿動(dòng)力分析儀檢測(cè)技術(shù)研究”

①解放軍第305醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100017

②南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 廣東 廣州 510515

*通訊作者：KX68@163.com