超声波空气探测器的研究

　　1　引言

　　目前,国外血液采集、分离技术及设备的开发已相当成熟,其产品已经系列化,涵盖整个领域,特别以美国血液技术公司和伯特公司著名,而国内在血液采集、分离技术设备的开发方面,几乎还是一片空白。随着生物技术的迅猛发展,国内外对血液制品的需求量不断扩大,且日益向“精细化”方向发展,并由此派生出系列产品,如血小板采集、白细胞采集等。用血液分离仪器进行血液系统疾病及与血液相关疾病的治疗,如临床治疗高血压、高血脂、通过血液成份分离滤去多余的甘油三酸脂、胆固醇等。可见血液采集、分离技术设备的开发具有重大的社会效益和经济效益。而在血液采集、分离技术设备中,空气探测器是最关键的传感器件,实时监测输液管道中是否存在空气气泡及空气气泡的大小,这直接关系到人的生命安危。开发成功空气探测器,对研制成功拥有自主知识产权的血浆单采仪也是十分必要的。同时,这里的理论和方法完全适用于其它工业领域对管道内流体进行异物检测或探伤。

　　2　探测方法分析

　　对输液管道中空气气泡的探测从原理上讲有好几种方法,下面主要讨论三种。

　　2.1　电容法

　　根据电容器的原理,在输液管道两侧各放一个电容极板,测量两极板间的电容变化情况,根据这一变化推测管道内介质的变化情况,从而达到探测的目的。平行板电容器的电容:

 （1）

　　式中:C—电容器电容(F);

　　A—极板面积(m²);

　　d—极板间距离(m);

　　E0—真空介电常数,

　　E0=8.85×10^-12(F/m);

　　Er—极板间介质的相对介电常数。

　　Er、d、A三个参数都直接影响电容的大小,只要保持两个参数不变,使另一个参数随被测量的变化而变化,则可以通过测量极板间电容的变化量,间接知道被测参数的大小,电容式传感器可分为间隙式、变面积式、变介电常数式三种类型。由空气探测器的应用环境,可选用介电常数式,即根据管道流体中血液和空气或液体和空气的介电常数不同探测出是否有空气,表1是几种物质的相对介电常数Er。

　　由表1可见,空气和血浆的介电常数相差很大,当血浆中有空气气泡时电容器两极板间的电容值会有明显改变,电容器结构如图1所示。

　　可以把气泡等效为间距为a的空气间隙,两极板固定,有效面积为A,板间距为d,血浆相对介电常数Er,则电容器的电容为:

　　电容变化值为:

　　电容相对变化量为: