|
|
больше ...
Термины запроса в документе
Реферат
[**] В настоящем изобретении предложены расходомеры, которые способны точно измерять объемный расход жидкости, протекающей через трубопровод, не требуя априорных сведений о физико-химических характеристиках жидкости, например, для калибровки массового расхода тепла. Одной из областей применения расходомеров из настоящего изобретения является включение их в состав системы для измерения расхода мочи, выделяемой пациентом, которому введен катетер. В изобретении также предложены способы использования этих расходомеров. 
Полный текст патента
(57) Реферат / Формула:
В настоящем изобретении предложены расходомеры, которые способны точно измерять объемный расход жидкости, протекающей через трубопровод, не требуя априорных сведений о физико-химических характеристиках жидкости, например, для калибровки массового расхода тепла. Одной из областей применения расходомеров из настоящего изобретения является включение их в состав системы для измерения расхода мочи, выделяемой пациентом, которому введен катетер. В изобретении также предложены способы использования этих расходомеров.
Евразийское (21) 201201478 (13) Al
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОЙ ЗАЯВКЕ
(43) Дата публикации заявки (51) Int. Cl. G01F1/00 (2006.01)
2013.04.30
(22) Дата подачи заявки
2011.04.04
(54) РАСХОДОМЕР
(31) 205614
(32) 2010.05.03
(33) IL
(86) PCT/IL2011/000289
(87) WO 2011/138774 2011.11.10
(71) Заявитель: РИНЕЛЬСЕНС ЛТД. (IL)
(72) Изобретатель:
Гринштейн Мор, Мэнтинбэнд Джек Йехошуа, Бентов Шмуэль, Адлер Михаэль (IL)
(74) Представитель:
Матвеев А.Г. (RU)
(57) В настоящем изобретении предложены расходомеры, которые способны точно измерять объемный расход жидкости, протекающей через трубопровод, не требуя априорных сведений о физико-химических характеристиках жидкости, например, для калибровки массового расхода тепла. Одной из областей применения расходомеров из настоящего изобретения является включение их в состав системы для измерения расхода мочи, выделяемой пациентом, которому введен катетер. В изобретении также предложены способы использования этих расходомеров.
РАСХОДОМЕР
Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к области техники расходомеров. В частности, настоящее изобретение относится к расходомерам, которые обеспечивают возможность точного определения объемного расхода жидкости.
Предпосылки создания изобретения Измерение расхода жидкости или газа является важным во многих областях техники. Например, для многих производственных процессов требуется измерение расхода жидкости или газа, протекающих через различные трубопроводы, для надлежащего регулирования процесса. Другими областями применения, в которых требуется измерение расхода жидкости или газа, являются, в том числе, подача продукта, например, газа, нефти и воды потребителю. В области техники, связанной с медициной, измерение расхода жидкости иногда применяют для измерения диуреза у пациента.
Большинство систем измерения расхода жидкости основано на различных предположениях относительно свойств жидкости, подлежащей измерению, и они не будут работать или должны быть отрегулированы для обеспечения их работы при наличии отклонений от предполагаемых свойств. Например, в одном известном способе применяют принципы теплопередачи,
применяя закон Кинга для определения расхода. В этом подходе тепловые свойства жидкости, подлежащей измерению, должны быть известны заранее.
Расходомеры, основанные на теплопередаче, обычно измеряют расход с использованием непрерывно работающего нагревательного элемента и двух датчиков температуры (один из которых расположен выше по течению, а другой расположен ниже по течению относительно нагревателя или рядом с ним) . Расход вычисляют путем измерения перепада температур между двумя этими термометрами. В альтернативном варианте температуру в нагревателе поддерживают постоянной, и осуществляют текущий контроль необходимой для этого энергии, по которой может быть вычислен расход.
На чертеже Фиг. 1 схематично показано типовое устройство теплового массового расходомера из
предшествующего уровня техники. Жидкость течет через трубу 100 в направлении, указанном стрелками. В некотором месте в стенке трубы расположен нагревательный элемент 120 с датчиком 110 температуры, который измеряет температуру Ti, и датчик 112 температуры, который измеряет температуру Tj, расположенные, соответственно, выше по течению и ниже по течению относительно нагревателя 120. Изотермы 130, 131, и 132 символически показывают распределение температуры в результате подведения мощности к нагревательному элементу,
где Тхзо > Ti3i > Ti32.
Вычисление для определения расхода выполняют согласно
следующей формуле:
Q = p*V.Cp*(TJ-Tl)
уравнение 1
Решая его относительно v , получают:
V = -
уравнение 2
И замечают, что
Q = I"Vt
И эта подстановка дает следующее уравнение:
V = -
I"vt
уравнение 3
где используемые здесь символы заданы в приведенной ниже таблице:
Символ
Значение
Единицы измерения
Объем
[л] литры
Объемный расход (объем/время) мин
литры в минуту
Энергия, работа [Длс] джоули
Плотность граммы на литр
Удельная теплоемкость (при постоянном давлении)
(грамм ¦ °С) джоули/ (грамм-°С )
Температура
[°С] градусы Цельсия
Температура жидкости перед нагревателем (выше по течению)
[°С] градусы Цельсия
Температура жидкости после или около нагревателя (ниже по течению)
[°С] градусы Цельсия
Ток
[А] амперы
Электрический потенциал
[В] вольты
Перепад температур Tj-Ti
[°С] градусы Цельсия
Время
[с] секунды
Родственным типом расходомера, основанного на теплопередаче, является расходомер, известный, в частности, как расходомер с постоянной температурой, в котором используют устройство, аналогичное показанному на чертеже Фиг. 1 за исключением того, что датчик 112 температуры расположен рядом с нагревательным элементом 12 0 или объединен с ним. В этой конфигурации нагревательный элемент 120 нагревают до температуры Tj (измеряемой датчиком 112) выше температуры Ti, измеряемой датчиком 110, обеспечивая заданную постоянную разность температур. При изменении расхода изменяется количество тепла, унесенного потоком. Температура нагревателя 12 0 поддерживается постоянной путем регулирования подаваемого на него тока (при этом, предполагают, что напряжение является постоянным). Как показано в уравнении 3, изменение тока (/), необходимого
для поддержания постоянного перепада температур AT, обеспечивает средство вычисления расхода.
Из изложенного выше можно заметить следующее: для точного измерения расхода с использованием расходомера, основанного на теплопередаче, должны быть точно известны плотность и теплоемкость измеряемой жидкости.
В некоторых областях применения отсутствуют какие-либо априорные сведения о свойствах жидкости, например, о теплоемкости и плотности. Некоторые жидкости могут иметь переменные свойства - например, моча представляет собой жидкость, составные компоненты которой могут изменяться от одного человека к другому, а для одного человека могут изменяться во времени. В качестве другого примера, фляга для молока имеет переменное содержание жира. В некоторых областях применения, таких как, например, на топливозаправочной базе один и тот же трубопровод может использоваться для подачи различных типов топлива или газа или даже иногда в нем, преднамеренно или непреднамеренно, происходит смешивание газообразных и жидких продуктов. Во всех этих ситуациях показания обычных тепловых расходомеров являются неточными, и для уточнения результатов расходомеры должны быть перекалиброваны либо на основании предположений, которые должны быть сделаны относительно свойств жидкости, либо на основании эмпирических измерений.
В некоторых случаях мочу лежачих пациентов измеряют вручную, когда моча течет по катетеру в сосуд для сбора
- 6 -
мочи и персонал больницы визуально оценивают диурез пациента (в миллилитрах за час (мл/час)) по сосуду для сбора мочи. На практике, эта процедура является трудоемкой и неточной, поскольку персонал больницы должен вручную определять количество мочи за час, и динамический характер амбулаторного лечения затрудняет возможность придерживаться проведения измерений вовремя. Необходимо простое, удобное для использования техническое решение для измерения расхода мочи, способствующее точному и своевременному измерению диуреза.
Общее понимание родственного предшествующего уровня техники может быть получено вкратце из публикации патента США № 6,536,273, в котором раскрыт тепловой датчик расхода, который может использоваться с жидкостями переменного состава. Датчик содержит два элемента: обычный тепловой датчик расхода и измерительную головку, измеряющую удельную теплопроводность. Измерительная головка, измеряющая удельную теплопроводность, используется для определения состава жидкости и результаты измерений, полученные из этой головки, объединяют с другими градуировочными измерениями для внесения поправок в свойства жидкости в результатах измерений, сделанных датчиком расхода.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание простых, рентабельных и точных расходомеров, которые обеспечивают возможность измерения расхода жидкости без априорных сведений о физико-химических характеристиках
(возможно динамических) измеряемой жидкости.
Другой задачей настоящего изобретения является создание медицинских систем, содержащих расходомеры из настоящего изобретения, которые обеспечивают возможность текущего контроля расхода биологической жидкости у пациента.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа определения расхода жидкости без априорных сведений о возможных динамических физико-химических свойствах измеряемой жидкости.
Дополнительные цели и преимущества этого изобретения станут понятными из приведенного ниже описания.
Краткое изложение сущности изобретения В первом объекте изобретения предложено устройство для измерения объемного расхода жидкости, протекающей через трубопровод. Устройство содержит следующие компоненты:
a) участок трубопровода, выполненный так, что образует, по меньшей мере, одну камеру, в которой может быть изолирован известный объем жидкости и либо удерживаться в неподвижном состоянии, либо скорость жидкости в которой значительно уменьшена по сравнению с ее скоростью в участках трубопровода на любом конце камеры;
b) по меньшей мере, один нагревающий или охлаждающий элемент, приспособленный для добавления известного количества тепла к изолированному объему жидкости или для
- 8 -
отъема известного количества тепла от изолированного объема жидкости; и
с) по меньшей мере, один датчик температуры, приспособленный для измерения мгновенной температуры жидкости.
По меньшей мере, один из нагревающего или охлаждающего элементов и, по меньшей мере, один из датчиков температуры находятся в тепловом контакте с жидкостью в камере; и компоненты устройства сконфигурированы с возможностью непосредственного определения объемного расхода с использованием только лишь результатов измерения мгновенной температуры, известного объема жидкости и одной из следующих величин: известных значений количества тепла или измеренного количества времени, прошедшего между измерениями двух конкретных мгновенных значений температуры.
Варианты осуществления устройства из настоящего изобретения содержат систему управления, которая содержит, по меньшей мере, один из следующих компонентов: процессор, средство ввода, запоминающие устройства, устройства отображения и средство вывода. Компоненты системы управления сконфигурированы с возможностью выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций:
а) приведения в действие, по меньшей мере, одного клапана, расположенного в трубопроводе в том месте, где он может использоваться для отвода известного объема жидкости,
-9-
текущей в трубопроводе, в камеру и/или для удержания известного объема жидкости в неподвижном состоянии;
b) приведения в действие, по меньшей мере, одного нагревающего или охлаждающего элемента;
c) приема данных от датчиков температуры и от датчиков или измерительных приборов иных типов, которые имеются в устройстве;
d) использования принятых данных для определения объемного расхода;
e) хранения и отображения пользователю информации, связанной с функционированием устройства и со свойствами жидкости, измеряемыми или определяемыми компонентами устройства;
f) передачи мгновенных или прошлых измеренных значений температуры и иной информации о жидкости и об устройстве в удаленные пункты;
д) передачи сигналов, которые могут быть использованы в качестве входных сигналов для других систем; и
h) передачи сигналов тревоги при наличии заданных изменений расхода или иных измеренных свойств жидкости.
В вариантах осуществления устройства из настоящего изобретения участок трубопровода, выполненный так, что образует, по меньшей мере, одну камеру, выполнен, по меньшей мере, одним из следующих способов:
а) путем размещения двух клапанов в трубопроводе на таком расстоянии друг от друга, что объем внутренней части
- 10-
трубопровода между ними определяет границы камеры;
b) путем разделения трубопровода, по меньшей мере, на два суб-трубопровода, которые герметично прикреплены к трубопроводу на их концах, расположенных выше по течению и ниже по течению, и путем обеспечения наличия механизма для регулирования потока жидкости, протекающей через субтрубопроводы;
c) путем создания внутренней камеры, удерживаемой в нужном положении внутри трубопровода одним или большим количеством несущих элементов, и поршня, расположенного внутри трубопровода выше по течению относительно внутренней камеры, причем этот поршень представляет собой сплошной цилиндр с коаксиальным отверстием, просверленным через его центр, а внутренняя камера является полой и закрытой со стороны, расположенной выше по течению, за исключением коаксиального входного отверстия, которое является либо открытым, либо закрытым клапаном, который приводится в действие за счет контакта с поршнем; и
d) путем создания отрезка трубопровода, содержащего отрезок с малым поперечным сечением, после которого следует отрезок с большим поперечным сечением, после которого, в свою очередь, следует второй отрезок с малым поперечным сечением.
В вариантах осуществления устройства, содержащего субтрубопроводы, по меньшей мере, один из суб-трубопроводов может содержать датчики, которые находятся в контакте с
жидкостью, текущей через суб-трубопровод или захваченной в нем, и которые приспособлены для измерения, по меньшей мере, одного из приведенных ниже свойств жидкости: удельной электропроводности, осмотической концентрации раствора, осмолярности, водородного показателя (рН), биомаркеров, электролитов, удельного веса, плотности, удельной проводимости, наличия и концентрации: креатинина, мочевины, мочевой кислоты, лейкоцитов, эритроцитов, глюкозы, кетонов, количества/концентрации ионов.
Варианты осуществления устройства из настоящего изобретения могут содержать, по меньшей мере, один из следующих элементов:
a) отвод для улавливания газа, расположенный выше по течению относительно места измерения;
b) газопроницаемую мембрану, расположенную выше по течению относительно места измерения;
c) запорный клапан, расположенный ниже по течению относительно места измерения; и
d) запорный клапан, расположенный выше по течению относительно места измерения.
Варианты осуществления устройства из настоящего изобретения могут быть выполнены либо с возможностью соединения с катетером или с дренажной трубкой, ведущей от пациента, либо как его (ее) неотъемлемая часть. В вариантах осуществления настоящего изобретения моча течет через катетер или дренажную трубку, и система управления
- 12 -
устройством выполнена с возможностью осуществления текущего контроля температуры мочи и передачи сигнала тревоги, если происходят изменения, превышающие заданную величину.
Во втором объекте изобретения предложен способ измерения объемного расхода жидкости, протекающей через трубопровод. Способ содержит следующие операции:
a) видоизменяют участок трубопровода для формирования камеры, в которой известный объем жидкости может быть изолирован и либо удерживаться в неподвижном состоянии, либо скорость жидкости в которой значительно уменьшена по сравнению с ее скоростью на участках трубопровода на любом конце камеры;
b) изолируют известный объем жидкости в камере;
c) считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с жидкостью в камере, для измерения начальной температуры жидкости;
d) приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент, находящийся в тепловом контакте с жидкостью в камере, для добавления известного количества тепла к изолированному объему жидкости или для отъема известного количества тепла от изолированного объема жидкости;
e) считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с жидкостью в камере, для измерения конечной температуры жидкости после добавления известного количества тепла к изолированному объему жидкости или отъема известного количества тепла от
- 13 -
изолированного объема жидкости;
f) определяют величину совокупного коэффициента, исходя из известного объема жидкости, известного количества тепла и разности между начальной температурой и конечной температурой;
д) приводят в действие тепловой расходомер для измерения расхода тепла;
h) определяют объемный расход, исходя из измеренного количества тепла, величины совокупного коэффициента и разности значений температуры, измеренных первым и вторым датчиками температуры в конце промежутка времени.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения расход тепла измеряют путем:
a) приведения в действие нагревающего или охлаждающего элемента, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, в месте, расположенном либо в камере, либо в ином месте в трубопроводе, для добавления тепла к протекающей жидкости или для отъема тепла от протекающей жидкости;
b) приведения в действие, одновременно с приведением в действие нагревающего или охлаждающего элемента, первого датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, который расположен выше по течению относительно нагревающего или охлаждающего элемента, и второго датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, который расположен ниже
- 14-
по течению относительно нагревающего или охлаждающего элемента;
c) измерения количества тепла, добавленного к протекающей жидкости в течение промежутка времени или отнятого от протекающей жидкости в течение промежутка времени;
d) определения расхода тепла, исходя из измеренного количества тепла и разности значений температуры, измеренных первым и вторым датчиками температуры, в конце этого промежутка времени.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения расход тепла измеряют путем:
a) приведения в действие нагревающего или охлаждающего элемента, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, в месте, расположенном либо в камере, либо в ином месте в трубопроводе, для добавления тепла к протекающей жидкости или для отъема тепла от протекающей жидкости;
b) приведения в действие, одновременно с приведением в действие нагревающего или охлаждающего элемента, датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью и расположенного рядом с нагревающим или охлаждающим элементом или выполненного в виде единого целого с ним;
c) измерения начальной мгновенной температуры, измеряемой датчиком температуры, когда он приведен в
- 15-
действие;
d) обеспечения возможности повышения или уменьшения мгновенной температуры, измеряемой датчиком температуры, до тех пор, пока не будет измерен заданный перепад температур между начальной температурой и мгновенной температурой;
e) изменения и измерения количества энергии, поданной в нагревающий или охлаждающий элемент, при поддержании мгновенной температуры, измеренной по температуре при этом перепаде температур;
f) определения количества тепла, добавленного к протекающей жидкости или отнятого от протекающей жидкости в течение промежутка времени, исходя из измеренного количества энергии;
д) определения расхода тепла, исходя из измеренного количества тепла.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения операции с операции "с" по операцию "е" и операцию "д" выполняют одновременно на различных участках трубопровода.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения при операции "d" приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент и измеряют количество тепла, которое добавлено к изолированному объему жидкости или отнято от него, при операции "е" считывают показание температуры с датчика температуры для определения того, когда достигнута заданная конечная температура, причем в
-16-
этой точке нагревающий или охлаждающий элемент отключают, а при операции "f" определяют величину совокупного коэффициента, исходя из известного объема жидкости, измеренного количества тепла и заданной разности между начальной температурой и конечной температурой.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения операции "d" - "h" заменены следующими операциями:
d') приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент, находящийся в тепловом контакте с жидкостью в камере, для добавления тепла к изолированному объему жидкости или для отъема тепла от изолированного объема жидкости;
е' ) считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с жидкостью в камере, для измерения мгновенной температуры жидкости при добавлении количества тепла к изолированному объему жидкости или при отъеме количества тепла от изолированного объема жидкости;
f) отключают нагревающий или охлаждающий элемент, когда температура жидкости достигает конечной температуры, отличающейся от начальной температуры;
д') обеспечивают возможность протекания свежей жидкости через камеру, и одновременно приводят в действие таймер в момент начала протекания свежей жидкости;
h') измеряют промежуток времени, прошедший до того
- 17 -
момента, когда температура жидкости в камере изменяется от конечной температуры обратно до порогового значения температуры; и
i1) определяют объемный расход, исходя из известного объема жидкости и измеренного промежутка времени.
В вариантах осуществления способа из настоящего изобретения этот способ приспособлен для измерения объемного расхода жидкости через катетер или дренажную трубку, ведущую от пациента. В некоторых из этих вариантов осуществления изобретения жидкостью является моча.
Краткое описание чертежей
Вышеописанные и иные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из приведенных ниже примеров и со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
на чертеже Фиг. 1 схематично показано типовое устройство расходомера, основанного на теплопередаче, из предшествующего уровня техники;
на чертеже Фиг. 2 схематично показан участок трубопровода, содержащий компоненты, используемые для измерения расхода протекающей через него жидкости с использованием способов, основанных на теплопередаче;
на чертеже Фиг. 3 схематично показан участок трубопровода для жидкости с круглым поперечным сечением, который разделен на два суб-трубопровода;
- 18-
на чертеже Фиг. 4 схематично показан типовой вариант осуществления самокалибрующегося теплового массового расходомера согласно настоящему изобретению;
на чертежах Фиг. 5А и Фиг. 5В схематично проиллюстрирован вариант осуществления изобретения, в котором в определенной точке трубопровод раздваивается на верхнюю ветвь и нижнюю ветвь, которые вновь соединяются в месте, расположенном ниже по течению;
на чертежах Фиг. 5С, Фиг. 5D и Фиг. 5Е схематично проиллюстрированы варианты осуществления клапанов, которые приспособлены для направления потока из главного трубопровода в один из множества суб-трубопроводов, блокируя, при этом, поток в остальные суб-трубопроводы;
на чертежах Фиг. 6А и Фиг. 6В схематично проиллюстрирован другой вариант осуществления устройства измерения расхода из настоящего изобретения;
на чертеже Фиг. 7 схематично проиллюстрирован способ измерения расхода;
на чертеже Фиг. 8 схематично проиллюстрирован вариант осуществления настоящего изобретения, в котором измерения расхода и калибровка могут быть выполнены, не останавливая протекание жидкости через трубопровод; и
на чертеже Фиг. 9 схематично проиллюстрирована система для измерения расхода мочи от пациента, которому введен катетер.
- 19-
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения Настоящее изобретение относится к расходомерам, которые способны точно измерять объемный расход жидкости, не требуя априорных сведений о физико-химических характеристиках жидкости, например, для калибровки теплового массового расхода. Одной из областей применения расходомеров из настоящего изобретения является включение их в состав системы для измерения расхода мочи, выделяемой пациентом, которому введен катетер. Также существуют и другие области применения, и они подпадают под объем этого изобретения.
Теперь рассмотрим теплоемкость Ср жидкости, текущей в трубопроводе. Ср определяется следующим уравнением:
о=-2-
pVAT
которое может быть перегруппировано, в результатк чего получают следующее выражение:
р*Ср = -0-
VAT
Теперь определяют совокупный коэффициент у, который отображает свойства жидкости.
у = р"СР
Путем подстановки у вместо р"СрГ получаем:
т уравнение 4
-20-
Из уравнения 4 можно понять, что если:
• известный объем V жидкости изолирован в камере, содержащей нагревательный элемент и датчик температуры; и
• подвод тепла Q к камере является известным либо путем измерения, либо или путем дозирования; и
• изменение температуры AT является известным путем измерения;
то имеется достаточно информации для определения у без наличия отдельных сведений о плотности или об удельной теплоемкости измеряемой жидкости.
Теперь, выполняя подстановку в уравнение 3, получают:
v • AT с
у . уравнение 5
Значения / , v, t и AT могут быть измерены с использованием теплового расходомера, описанного со ссылкой на чертеж Фиг. 1. Известный объем жидкости может быть изолирован, и могут быть выполнены измерения для измерения переменных свойств жидкости, текущей в трубопроводе, то есть, у. Затем, с использованием уравнения 5 может быть
определена величина расхода V с поправкой на переменные свойства жидкости.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, устройство сконфигурировано так, что часть трубопровода, через который течет жидкость, выполнена с
- 21 -
возможностью отделения части потока жидкости от основного потока и введения ее в камеру, которая может быть закрыта, что позволяет определять у . Вместе с тем, жидкость может продолжать течь через трубопровод, и могут проводиться измерения протекающей жидкости для получения остальных данных, необходимых в качестве входных данных для уравнения 5. В альтернативном варианте камера может быть закрыта для измерения значения у, сразу же после чего камеру открывают,
позволяя выполнять измерения протекающей жидкости для получения остальных необходимых данных с использованием того же самого нагревательного элемента и тех же самых датчиков температуры, которые использовались для измерения У •
Важно понять, что способ из настоящего изобретения позволяет непосредственно определять фактическую величину
расхода V с использованием только лишь измеренных параметров. Этот способ является совершенно иным, чем способы определения массового расхода из предшествующего уровня техники, которые зависят от справочных таблиц, от коэффициентов полинома, определяющих корреляционную кривую, или от аналогичных источников информации для получения значений на основании плотности и удельной теплоемкости предполагаемого состава жидкости и обычно получаемых путем индивидуальной эмпирической калибровки расходомера с жидкостью, представляющей интерес.
Способ из настоящего изобретения также обеспечивает
- 22 -
возможность автоматического выбора надлежащего набора корреляционных данных, применяемого, исходя из измеренного значения у .
Следует отметить, что теплоемкость является внутренним свойством, присущим рассматриваемой жидкости. Это свойство также изменяется в зависимости от давления и температуры жидкости, а также от ее объема. Например, для воды увеличение объема является пренебрежимо малым. Коэффициент теплового расширения (СТЕ) для чистой воды при 20°С равен 207х10~6 (0,000207); следовательно, при повышении температуры на 10°С изменение объема равно, приблизительно, 0,00207, что составляет, приблизительно, 0,2%. Таким образом, способ из настоящего изобретения годится для воды и других жидкостей, например, мочи, с пренебрежимо малым СТЕ. Аналогичным образом, изменения С при изменениях
температуры и давления в надлежащим образом выбранных диапазонах являются пренебрежимо малыми.
На чертеже Фиг. 2 схематично показан участок трубопровода 200 (например, трубопроводной системы или трубы), содержащий компоненты, используемые для измерения теплового массового расхода жидкости, текущей через него в направлении, указанном стрелкой. Датчик 210 температуры расположен выше по течению относительно нагревательного элемента 220. Считанная температура, измеренная датчиком 210, может быть выведена в устройство управления или
- 23 -
отображения через выводные провода 211. Нагревательный элемент 220 расположен внутри трубопровода 200, будучи введенным непосредственно в протекающую жидкость, или на теплопроводящем участке стенки трубопровода. Электроэнергию в нагревательный элемент 220 подают путем подачи напряжения через выводные провода 221. Рядом с нагревательным элементом 220 расположен второй датчик 212 температуры, который измеряет температуру жидкости ниже по течению относительно нагревательного элемента 220. Температуру, измеренную датчиком 212, выводят через выводные провода 213. Предпочтительно участок трубопровода, который содержит нагревательный элемент 22 0 и датчики 210, 212 температуры является теплоизолированным от окружающей среды с использованием изоляции 230.
Здесь приведено общее описание различных вариантов осуществления устройства как содержащего электрический нагревательный элемент, но изобретение не следует ограничивать этим вариантом. Для повышения температуры жидкости могут использоваться альтернативные источники тепла, например ультразвуковые или радиочастотные, или с использованием иной электромагнитной энергии. Во всех описанных здесь вариантах осуществления настоящего изобретения вместо использования нагревательного элемента для повышения температуры жидкости для измерений, эквивалентные результаты могут быть получены с использованием охлаждающего элемента для понижения
- 24-
температуры жидкости. Следовательно, следует понимать, что используемые здесь термины, такие как, например, "нагревательный элемент" равным образом применимы к "охлаждающим элементам" и наоборот. Охлаждение жидкости в месте измерения может быть осуществлено многими различными способами, например, с использованием устройства на эффекте Пельтье, вентилятора или змеевика из трубок по которым циркулирует хладагент или холодная жидкость.
Несмотря на то, что нагревательный элемент и датчик температуры описаны здесь как отдельные элементы для удобства описания их соответствующих функций, возможны варианты осуществления изобретения, в которых для обеспечения возможности выполнения обеих функций: нагрева и измерения температуры, может использоваться один элемент, например, самонагревающийся термистор или устройство на терморезисторе (RTD).
Устройство, показанное на чертеже Фиг. 2, может использоваться для определения расхода описанным выше способом (предшествующий уровень техники). Однако, оно также может использоваться аналогичным образом для определения вновь определенного коэффициента у . Для определения значения у предусмотрено наличие клапана, закрывающего тот участок трубопровода 200, где приложено тепло, и измерения температуры выполняют путем захвата известного объема жидкости, его изоляции и обеспечения его неподвижного состояния. Когда эти условия обеспечены, то
-25-
для вычисления коэффициента у может использоваться уравнение 5. Это значение используют для калибровки измерителя теплопередачи, который может быть расположен в ином месте на трубопроводе. Таким образом, показания измерителя теплопередачи могут периодически динамически обновляться для точного измерения расхода жидкости при изменяющихся с течением времени свойствах. В дополнение к тому, что предусмотрено наличие средства, компенсирующего любые изменения свойств жидкости в результатах измерения расхода жидкости, у также может быть важен в различных областях применения. Например, при измерениях расхода мочи в катетере, у может иметь полезную клиническую значимость как индикатор здоровья пациента.
Рассмотрим простой трубопровод для жидкости с жидкостью, текущей через него из места, расположенного выше по течению, в место, расположенное ниже по течению. В некоторой точке трубопровод может быть разделен на два или на большее количество суб-трубопроводов, герметично присоединенных к главному трубопроводу, через который продолжает течь жидкость. Дальше ниже по течению субтрубопроводы могут быть вновь соединены, снова образуя простой трубопровод. Также может быть введен механизм для регулирования расхода через суб-трубопроводы, так что в любой момент времени жидкость не обязательно должна проткать через все суб-трубопроводы. Это полезно в том случае, когда желательно изолировать часть жидкости для
-26-
любой из различных целей, в том числе, для измерения свойств жидкости или для изменения свойств изолированной части жидкости, но эти примеры не являются ограничивающим признаком. Несмотря на то, что в некоторых из приведенных ниже примеров рассмотрены два параллельных трубопровода, может использоваться практически любое количество трубопроводов. Например, поток может быть направлен через трубопровод, используемый для анализа одного набора свойств жидкости, затем направлен во второй трубопровод для иной цели, а затем направлен в третий трубопровод для сохранения потока, пока первые два трубопровода остаются закрытыми. Аналогичным образом, может быть изолировано любое количество проб наряду с сохранением потока через систему.
На чертеже Фиг. 3 схематично показан участок трубопровода 200 для жидкости с круглым поперечным сечением. Участок трубопровода разделен на верхний субтрубопровод 24 0 и нижний суб-трубопровод 250. Подвижная откидная створка 2 60 на одном конце разделенного участка может использоваться для закрытия одного конца любого из верхнего или нижнего суб-каналов, или ни одного из них. Когда один суб-трубопровод закрыт, то в нем захвачен известный объем жидкости. В то же время, когда в одном субтрубопроводе захвачено некоторое количество жидкости, то другой суб-трубопровод является открытым, поэтому жидкость может продолжать течь. В этом варианте осуществления изобретения откидная створка может быть расположена на
- 27 -
любом конце суб-трубопровода: на конце, расположенном выше по течению, или конце, расположенном ниже по течению, причем когда откидная створка закрыта, то она захватывает жидкость в этом суб-трубопроводе либо предотвращая поступление новой жидкости, либо предотвращая вытекание захваченной жидкости.. Само собой разумеется, что эти два суб-канала могут быть выполнены имеющими иные конфигурации, например, могут быть расположены радом друг другом.
На чертеже Фиг. 4 схематично показан типовой вариант осуществления самокалибрующегося теплового массового расходомера согласно настоящему изобретению. В этом варианте осуществления изобретения использован трубопровод, показанный на чертеже Фиг. 3. В качестве камеры для изолирования известного объема, в которой будут производиться измерения у, использован нижний субтрубопровод 250. Оба суб-трубопровода: верхний субтрубопровод 240 и нижний суб-трубопровод 250 содержат конструкцию, состоящую из датчиков температуры и нагревательного элемента, идентичную показанной на чертеже Фиг. 2. В вариантах осуществления настоящего изобретения конструкция, состоящая из датчиков температуры и нагревательного элемента, которая расположена в верхнем суб-трубопроводе 24 0, может быть расположена в любом месте главного трубопровода 2 00, расположенном выше по течению или ниже по течению; однако, в особенности в том случае, если расход является относительно высоким, и/или если
свойства жидкости быстро изменяются с течением времени, измерения в протекающей жидкости и в изолированной жидкости следует выполнять близко друг к другу физически и по времени для обеспечения точных результатов.
В некоторых областях применения может потребоваться обеспечение удаления пузырьков из жидкости для обеспечения полного заполнения жидкостью трубопровода в месте проведения измерений. В такой области применения предпочтительно может использоваться один или большее количество отводов для улавливания газа, расположенных выше по течению относительно мест проведения измерений. В альтернативном варианте выше по течению относительно места проведения измерений может быть расположено средство, обеспечивающее возможность отвода газов, например, газопроницаемая мембрана.
При некоторых ориентациях трубопровода и величинах расхода трубопровод или суб-трубопровод могут не быть заполненными в месте проведения измерений. Следовательно, для некоторых областей применения должен быть установлен запорный клапан, расположенный ниже по течению относительно точки проведения измерений для создания достаточного противодавления для обеспечения полного заполнения трубопровода в месте выполнения измерений. В некоторых областях применения запорный клапан может быть установлен выше по течению относительно места проведения измерений например для предотвращения попыток автоматизированной
-29-
системы выполнять измерения в том случае, если расход является более низким, чем определенное значение. Для большинства областей применения достаточным является простой запорный клапан механического типа, который открывается тогда, когда превышено заданное давление; однако, в тех областях применения, в которых ориентация трубопровода и/или расход изменяются в широком диапазоне переменных величин, желательно использовать запорный клапан более сложного типа, например, запорный клапан, который открывается сигналом от датчика уровня жидкости в трубопроводе в месте проведения измерений.
Как упомянуто выше, также можно использовать один и тот же набор, состоящий из нагревателя и датчиков, для измерения у , когда жидкость захвачена, а затем для
измерения расхода, когда жидкость не захвачена, с учетом любой необходимой переградуировки вследствие измеренного у . К тому же, в той ситуации, когда поток может быть временно остановлен без какого-либо ущерба, описанная выше система может использоваться без вторичного суб-канала для сохранения потока. В тех ситуациях, когда остановка потока может нанести ущерб, например, вследствие роста давления, наличие вторичного канала для сохранения потока устраняет эту проблему.
Все выводные провода 211, 213, 221 соединены с системой управления, которая содержит процессор, приспособленный для приведения в действие нагревательных
- 30-
элементов в заданные моменты времени и для включения уровней напряжения, для приема данных из датчиков температуры, вольтметров, и амперметров и для использования этих данных для определения расхода. Система управления также может содержать средство открывания и закрывания откидной створки для изолирования части жидкости, средство ввода, например, кнопочную панель, клавиатуру, сенсорный экран, позволяющее пользователю регулировать такие параметры, как, например, продолжительность отрезка времени и/или количество тепловой энергии, которое следует подать, и частота, с которой проводят измерения. Система управления также может содержать одно или большее количество запоминающих устройств, устройств отображения и средств вывода для хранения параметров системы и для отображения их пользователю. Средство вывода содержит устройства связи, которые могут быть приспособлены для передачи мгновенных или прошлых данных в удаленные пункты с использованием проводных или беспроводных технологий. Кроме того, система управления может быть приспособлена для использования средства вывода для передачи сигналов, которые обеспечивают ввод в другие системы. Например, в промышленной установке эти сигналы могут приводить в действие клапаны для остановки потока раствора, когда заданный объем компонента поступил в смесительную камеру.
В установке для больницы система управления может быть приспособлена для передачи сигнала тревоги на пост
- 31 -
медицинской сестры, если расход в потоке мочи от пациента, которому введен катетер, в мочеприемник падает ниже заданного расхода, или для передачи сигнала тревоги в том случае, если имеет место неравномерность расхода лекарственного препарата при внутривенном введении. Когда настоящее изобретение используется для измерения мочи, датчики температуры сообщают температуру мочи. Сами по себе эти сведения могут не являться полезными, поскольку моча остывает по пути к датчику, но изменения температуры могут быть очень важными, например, повышение температуры на градус или на два градуса может непосредственно указывать на наличие лихорадки без ожидания периодической проверки температуры персоналом, которая может быть произведена несколько часов спустя. Система управления из настоящего изобретения может быть приспособлена для текущего контроля температуру мочи и для передачи сигнала тревоги на пост медицинской сестры, если происходят изменения, которые превышают заданную величину.
Для квалифицированного специалиста в данной области техники очевидно, что также возможно множество иных устройств для изолирования части протекающей жидкости как посредством остановки потока, так и посредством его отвода. Такими устройствами могут являться разнообразные устройства. Теперь будет приведено описание некоторых примеров различных вариантов осуществления изобретения. В приведенном ниже описании большинства вариантов
- 32 -
осуществления изобретения нагревательные элементы и датчики температуры опущены; однако, следует понимать, что они присутствуют и используются с необходимыми изменениями в аналогичных местах расположения и подобно тому, как было описано со ссылкой на чертеж Фиг. 4
На чертежах Фиг. 5А и Фиг. 5В схематично проиллюстрирован вариант осуществления изобретения, в котором в определенной точке трубопровод 300 раздваивается на верхнюю ветвь 310 и нижнюю ветвь 320, которые вновь соединяются в месте, расположенном ниже по течению. Может быть предусмотрено наличие одного, двух или трех клапанов, как показано на чертеже Фиг. 5А. Если имеется только один клапан 330, то когда он открыт, жидкость, текущая через трубопровод 300, продолжает течь через обе ветви, а когда клапан 330 закрыт, то жидкость непрерывно течет через ветвь 310, а жидкость в ветви 320 является изолированной, что позволяет измерять величину у . Если имеются оба клапана 330 и 332, то жидкость может быть изолирована либо в ветви 310, либо в ветви 320. Клапан 334, закрытый совместно с клапаном 332, гарантирует, что жидкость, изолированная в верхней ветви 310, ни в коем случае не входит в контакт с жидкостью, текущей в остальной части системы. Это обеспечивает то место, то есть, в ветви 310, в котором можно измерять у в полной изоляции от протекающей жидкости. В вариантах осуществления настоящего изобретения, когда нужно производить измерения, то сначала может быть закрыт
- 33 -
клапан 334, а клапан 332 может быть закрыт позднее через заданный промежуток времени или только тогда, когда датчики указывают, что ветви 310 полностью заполнены жидкостью. Если существует возможность наличия в трубе как воздуха, так и жидкости, то в ветви 310 может быть расположен воздушный клапан для выпуска захваченного воздуха. Отмечено, что когда используется клапан 334, то в зависимости от области применения, могут потребоваться меры для учета теплового расширения.
В варианте осуществления изобретения, показанном на чертеже Фиг. 5В, конфигурация трубопровода является той же самой, что и на чертеже Фиг. 5А, однако, в месте раздвоения в главном трубопроводе 300 расположен только один клапан 336. Клапан 336, например, поворотный шаровой клапан или цилиндрический пробковый клапан, приспособлен для направления потока в любую одну или в другую из ветвей 310 320, одновременно перекрывая вход в другую ветвь, тем самым, изолируя жидкость в ней. Примеры поперечного сечения клапана 336, подобные описанным выше, показаны на чертежах Фиг. 5С и Фиг. 5D. С той же самой целью могут использоваться многопортовые клапаны иных типов, известные в данной области техники.
На чертеже Фиг. 5Е схематично проиллюстрирован клапан, который может быть пригоден для направления потока только в одну из трех ветвей канала с тремя ответвлениями. Существует множество типов серийно выпускаемых клапанов,
-34-
удовлетворяющих требованиям, заключающимся в направлении потока из главного трубопровода в один из множества субтрубопроводов с одновременным преграждением потока в остальных суб-трубопроводах, или они могут быть приспособлены для этого квалифицированным специалистом в данной области техники. Желательно наличие множества трубопроводов для множества проб, когда необходимо выполнить измерения множества типов параллельно или последовательно. Например, в зависимости от жидкости, расход которой измеряют, датчики могут быть встроены в субтрубопроводы для измерения некоторых или всех приведенных ниже свойств жидкости: удельной электропроводности, осмотической концентрации раствора, осмолярности,
водородного показателя (рН), биомаркеров, электролитов, удельного веса, плотности, удельной теплопроводности, наличия и концентрации: креатинина, мочевины, мочевой кислоты, лейкоцитов, эритроцитов, глюкозы, кетонов, ионов, например. Na+, К+, Са++, С1-.
На чертежах Фиг. 6А и Фиг. 6В схематично проиллюстрирован другой вариант осуществления устройства измерения расхода из настоящего изобретения. В этом варианте осуществления изобретения трубопровод 400 для жидкости транспортирует жидкость в направлении, показанном большой стрелкой. Внутри трубопровода 4 00 расположена внутренняя камера 4 30. Внутренняя камера 4 30 имеет форму цилиндра, соответствующую форме трубопровода 400. Она
- 35 -
является полой и закрытой со стороны, расположенной выше по течению, за исключением коаксиального входного отверстия, которое является либо открытым, либо закрытым нормально закрытым клапаном 435. Внутренняя камера 430 удерживается в нужном положении одним или большим количеством несущих элементов 410, которые выполнены так, что удерживают внутреннюю камеру 430 в надлежащем положении, оказывая, при этом, минимальное сопротивление потоку жидкости вокруг наружной части внутренней камеры. Внутренняя камера 4 30 содержит нагревательный элемент и датчики температуры, используемые для выполнения измерений. Внутри трубопровода 400 выше по течению относительно внутренней камеры 430 расположен поршень 420. Поршень 420 представляет собой сплошной цилиндр с коаксиальным отверстием 425, просверленным через его центр. Поршень 420 сконструирован с возможностью протекания жидкости через отверстие 425, но не вокруг поршня между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью стенки трубопровода 400. Поршень 420 может перемещаться назад и вперед между положением, показанным на чертеже Фиг. 6А, и положением, показанным на чертеже Фиг. 6В. Когда поршень 420 находится в положении, показанном на чертеже Фиг. 6В, клапан 4 35 является открытым, позволяя жидкости протекать через внутреннюю камеру 4 30. В этой конфигурации могут быть проведены измерения расхода жидкости. Когда поршень 4 20 находится в положении, показанном на чертеже Фиг. 6А, клапан 435 является
- 36-
закрытым, и жидкость протекает вокруг наружной части внутренней камеры 4 30, тогда как жидкость, находящаяся внутри внутренней камеры 430, является захваченной. В этой конфигурации могут быть проведены измерения для определения параметра у , используемого для калибровки результата измерения расхода жидкости. Впускной клапан 4 35 с описанными свойствами может быть сконструирован с использованием механизма с подпружиненным шариком, подпружиненного поршня или любого иного средства, известного в данной области техники. Поршень 420 может механически перемещаться с использованием электрической катушки, например, соленоида, нанодвигателей или иного средства, известного в данной области техники.
На чертеже Фиг. 7 схематично проиллюстрирован способ прямого измерения расхода без необходимости определения и использования значения коэффициента у , который описан здесь выше. Сначала клапан 610 закрывает ветвь 620 трубопровода 600, захватывая в нем жидкость, позволяя жидкости продолжать протекать через ветвь 630. Захваченная жидкость в ветви 620, которая предпочтительно является теплоизолированной для предотвращения теплопередачи в окружающую среду и из нее, находится при начальной температуре Ti, измеряемой датчиком 624 температуры. Захваченную жидкость нагревают нагревателем 622 до тех пор, пока с датчика температуры 624 не будет считана заданная температура Tj. Затем состояние клапана 621 изменяют на
- 37 -
обратное, возобновляя протекание жидкости через ветвь 620, и ветвь 630 закрывают. Одновременно с этим включают таймер. Когда датчиком 624 температуры измерено изменение температуры от температуры Tj обратно до порогового значения температуры, которым может являться, но не обязательно, температура Ti, с таймера считывают истекшее время. Считанное время вместе с известным объемом жидкости, перемещенным в трубопроводе 620 жидкостью, втекающей в него из трубопровода 600, используют для вычисления выборки расхода (объем/время). Пороговое значение представляет собой значение между Т± и Tj, которое является "достаточно высоким" или "достаточно низким" для указания перехода интересующего количества жидкости из одного состояния в другое. Использование порогового значения необходимо потому, что жидкость не нагревается "прямоугольным" образом, и она может немного охлаждаться при протекании, таким образом, переход из одного состояния в другое не является ступенчатой функцией, а представляет собой плавный переход. Для вычисления расхода определение надлежащего порогового значения для его использования представляет собой вопрос простой эмпирической проверки в зависимости от применения. Пороговое значение представляет собой не просто статическую температуру, но также может зависеть от скорости изменения, поскольку различные величины расхода влияют на него по-разному.
Этот способ измерения расхода позволяет отслеживать
- 38 -
возможно изменяющийся расход без необходимости его непрерывного измерения. Для вычисления общего расхода жидкости через трубопровод 600 используют интерполяцию между выборками расхода, измеренными в разное время. Способ получения выборок повторяют с частотой, соответствующей изменению расхода жидкости и требованиям, предъявляемым к точности, в данной области применения. Например, при расходе, который изменяется часто, выборки могут производиться чаще, тогда как при расходе, который изменяется менее часто, выборки могут производиться менее часто. Если необходима более высокая точность, то выборки расхода могут производиться более часто.
Следует отметить, что согласно этому варианту осуществления изобретения, для вычисления у также могут
использоваться данные, собранные тогда, когда жидкость захвачена в ветви 620, которые могут представлять клинический или иной интерес, но не являются необходимыми для определения расхода, который всецело зависит от перемещения нагретого (или охлажденного) участка жидкости жидкостью при ее "естественной" температуре, то есть, жидкостью, поступающей после этого, которая не была нагрета или охлаждена.
Следует отметить, что этот способ, описанный на чертеже Фиг. 7, может применяться только тогда, когда температура измеряемой жидкости не изменяется быстро и на большую величину. Например, при проведении измерений
- 39 -
расхода мочи, если температура повышается или понижается вследствие лихорадки, то инкрементное изменение, вводимое нагревателем 622, должно быть в достаточной степени более сильным, чем вызванное лихорадкой, чтобы результаты измерения расхода жидкости были точными. Для подтверждения того, что соблюдены надлежащие условия для использования способа, может использоваться эмпирическая проверка. Одним из таких эмпирических способов может являться, например, следующий: когда жидкость в камере 620 нагрета, наблюдают характер поведения кривой охлаждения и то, насколько низкой становится температура. Также может использоваться текущий контроль начальной температуры. Например, если видно, что начальная температура Ti повышается с течением времени. Как правило, при измерениях мочи температура не изменяется настолько быстро, чтобы температура мочи, смещающей мочу, которая нагрета в ветви 620, значительно отличалась от начальной температуры Ti того количества мочи, которая была нагрета в предыдущем цикле.
В качестве альтернативы полному прекращению протекания потока для измерения у , другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя значительное замедление скорости потока на участке трубопровода, обеспечивая, таким образом, возможность проведения там измерений. Такой вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на чертеже Фиг. 8. Как показано на чертеже, трубопровод имеет отрезок 800 с малым поперечным
-40-
сечением, после которого следует отрезок 810 с большим поперечным сечением, после которого, в свою очередь, следует второй отрезок с малым поперечным сечением. Также на чертеже видны нагревательный элемент 820 и датчики 830 и 832 температуры. Для пояснения этого варианта осуществления изобретения сделано предположение, что два отрезка с малым поперечным сечением имеют одинаковый диаметр D1, а отрезок с большим поперечным сечением имеет диаметр D2. Трубопровод сконфигурирован так, что сводит к минимуму турбулентность на переходах согласно принципам, известным в данной области техники, и в соответствии с ожидаемым диапазоном рассматриваемых скоростей потока. Скорость V2 потока через отрезок 810 трубопровода с большим поперечным сечением будет меньшей, чем скорость VI потока через отрезок 800 с малым поперечным сечением, обратно пропорционально площадям при соответствующих диаметрах. В частности, скорость через отрезок 810 с большим поперечным сечением соответствует следующему уравнению:
V2 = V\
D\2
. уравнение б
Можно заметить, что трубопровод может быть сконфигурирован так, что может быть достигнуто любое желательное замедление жидкости, протекающей через отрезок с большим поперечным сечением. Например, когда отрезок с большим поперечным сечением имеет диаметр на один порядок величины больший, чем отрезок с мальм поперечным сечением,
- 41 -
то скорость на отрезке с большим поперечным сечением будет на два порядка величины меньшей.
Для пояснения рассмотрим пример, в котором D1 равен 3 мм, a D2 равен 10 мм, а расход составляет 1 кубический сантиметр в минуту (см3/мин). Скорость VI равна, приблизительно, 14,15 сантиметров в минуту (см/мин). Согласно уравнению б, скорость V2 на отрезке с большим поперечным сечением равна, приблизительно 1,273 см/мин. Если D2 увеличен до 15 мм, то V2 равна, приблизительно, 0, 566 см/мин; для D2 = 20 мм V2 равна, приблизительно, 0,318 см/мин; а для D2 = 30 мм V2 равна, приблизительно, 0,1415 см/мин.
Поскольку отрезок с большим поперечным сечением содержит относительно очень медленно перемещающуюся часть жидкости, то его можно рассматривать как камеру, в которой была изолирована жидкость, с учетом известных параметров конфигурации и их следствий применительно к потоку, протекающему через камеру во время проведения в ней измерений.
Измерение у может быть произведено в камере 810, созданной согласно описанным выше принципам с приведенными ниже видоизменениями: количество тепла, введенное в камеру, зависит от времени, в течение которого подают импульс энергии. Для измерения у может использоваться целесообразное время импульса. Например, применение короткого мощного импульса приводит к соответствующему
- 42 -
повышению температуры, и у может быть вычислено согласно уравнению 4, где длительность импульса является достаточно короткой для того, что изменение содержимого камеры было пренебрежимо малым. Например, в последнем приведенном выше примере (di = 3 мм и d2 = 30 мм, расход составляет 1 см3/мин) и при использовании камеры 810 длиной 10 мм объем камеры составляет, приблизительно, 7 см3. Каждую секунду объем жидкости, которая заменяется в камере, составляет, приблизительно, 0,017 см3 или менее 0,24% от объема камеры. Таким образом, во время импульса длительностью 4 секунды или менее заменяется менее 1% от объема камеры. Следовательно, как описано выше, жидкость внутри камеры можно считать неподвижной для измерения, рассчитанного надлежащим образом по времени.
В качестве дополнительного соображения относительно вышеописанных вариантов осуществления изобретения, несмотря на то, что в некоторых областях применения предпочтительно иметь устройство, в котором поток беспрепятственно продолжает течь через альтернативный трубопровод, также можно изолировать жидкость путем простой остановки протекания потока в одном трубопроводе. В любом случае операции могут быть выполнены с изолированной жидкостью на участке закрытого трубопровода для определения ее свойств и для получения расхода жидкости. Закрытый участок может быть закрыт с одного конца или с обоих концов в зависимости от того, что требуется при данном применении.
-43-
Выше представлено несколько возможных вариантов осуществления изобретения. Существует много других вариантов осуществления устройства для регулирования потока жидкости, протекающей через трубопровод, в возможностью изолирования одной или большего количества порций жидкости, что является очевидным для квалифицированного специалиста в данной области техники.
Эти варианты осуществления изобретения могут быть предусмотрены как "встроенные" в специализированные трубопроводы или как отдельные блоки, которые могут быть встроены в трубопроводы. Например, для измерения расхода мочи блок может иметь стандартные соединения на обоих концах, которые позволяют присоединять его между катетером и мочеприемником, или он может быть встроен в катетер или в дренажную трубку, ведущую в сосуд-мочеприемник.
На чертеже Фиг. 9 схематично проиллюстрирован вариант осуществления системы 900 для измерения расхода мочи от пациента, которому введен катетер (на чертеже не показан). На чертеже показаны катетер 910, блок 914 датчиков, дренажная трубка 918, сосуд-мочеприемник 920 и система 930 управления. Необязательными компонентами системы 900 являются отвод 912 для улавливания газа и запорный клапан 916.
Блок 914 датчиков расположен в месте, где производят измерения. Блок 914 датчиков содержит один или большее количество нагревательных элементов или средств охлаждения
- 44-
и датчики температуры. Он может быть выполнен согласно любому из вариантов осуществления настоящего изобретения, примеры которых здесь проиллюстрированы, например, показаны на чертежах Фиг. 2 - Фиг. 8.
Система управления 930 содержит средство ввода для ввода команд и данных, программное обеспечение и соответствующие электронные схемы для приведения в действие нагревателя/холодильника и датчиков температуры в блоке 914 датчиков, и, возможно, но не обязательно, программное обеспечение и соответствующие электронные схемы и компоненты для обработки данных, полученных из блока 914 датчиков, компоненты для отображения результатов на видеомониторе или в виде звуковых сигналов, или для передачи их во внешние системы.
Несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны посредством иллюстративных примеров, понятно, что настоящее изобретение может быть реализовано со многими изменениями, модификациями и адаптациями, не выходя за пределы объема формулы изобретения.
-45 -
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для измерения объемного расхода жидкости, протекающей через трубопровод, где упомянутое устройство содержит следующие компоненты:
a) участок упомянутого трубопровода, выполненный так, что образует, по меньшей мере, одну камеру, в которой может быть изолирован известный объем упомянутой жидкости и либо удерживаться в неподвижном состоянии, либо скорость упомянутой жидкости в которой значительно уменьшена по сравнению с ее скоростью в участках упомянутого трубопровода на любом конце упомянутой камеры;
b) , по меньшей мере, один нагревающий или охлаждающий элемент, приспособленный для добавления известного количества тепла к упомянутому изолированному объему жидкости или для отъема известного количества тепла от упомянутого изолированного объема жидкости; и
c) по меньшей мере, один датчик температуры, приспособленный для измерения мгновенной температуры упомянутой жидкости;
в котором, по меньшей мере, один из упомянутых нагревающего или охлаждающего элементов и, по меньшей мере, один из упомянутых датчиков температуры находятся в тепловом контакте с упомянутой жидкостью в упомянутой камере, и упомянутые компоненты упомянутого устройства
- 46 -
сконфигурированы с возможностью непосредственного определения упомянутого объемного расхода с использованием результатов упомянутых измерений мгновенной температуры, упомянутого известного объема жидкости и одной из следующих упомянутых величин: известных значений количества тепла или измеренного количества времени, прошедшего между измерениями двух конкретных мгновенных значений температуры.
2. Устройство по п. 1, содержащее систему управления, которая содержит, по меньшей мере, один из следующих компонентов: процессор, средство ввода, запоминающие устройства, устройства отображения и средство вывода, причем упомянутые компоненты упомянутой системы управления сконфигурированы с возможностью выполнения, по меньшей мере, одной из следующих операций:
a) приведения в действие, по меньшей мере, одного клапана, расположенного в трубопроводе в том месте, где он может использоваться для отвода известного объема жидкости, текущей в упомянутом трубопроводе, в камеру и/или для удержания упомянутого известного объема жидкости в неподвижном состоянии;
b) приведения в действие, по меньшей мере, одного нагревающего или охлаждающего элемента;
c) приема данных от датчиков температуры и от датчиков или измерительных приборов иных типов, которые имеются в
-47-
упомянутом устройстве;
d) использования упомянутых принятых данных для определения объемного расхода;
e) хранения и отображения пользователю информации, связанной с функционированием упомянутого устройства и со свойствами упомянутой жидкости, измеряемыми или определяемыми компонентами упомянутого устройства;
f) передачи мгновенных или прошлых измеренных значений температуры и иной информации об упомянутой жидкости и об упомянутом устройстве к удаленные пункты;
д) передачи сигналов, которые могут быть использованы в качестве входных сигналов для других систем; и
h) передачи сигналов тревоги при наличии заданных изменений расхода или иных измеренных свойств упомянутой жидкости.
3. Устройство по п. 1, в котором участок трубопровода, выполненный так, что образует, по меньшей мере, одну камеру, выполнен, по меньшей мере, одним из следующих способов:
a) путем размещения двух клапанов в упомянутом трубопроводе на таком расстоянии друг от друга, что объем внутренней части упомянутого трубопровода между ними определяет границы упомянутой камеры;
b) путем разделения упомянутого трубопровода, по меньшей мере, на два суб-трубопровода, которые герметично
-48-
прикреплены к упомянутому трубопроводу на их концах, расположенных выше по течению и ниже по течению, путем обеспечения наличия механизма для регулирования потока жидкости, протекающей через упомянутые суб-трубопроводы;
c) путем создания внутренней камеры, удерживаемой в нужном положении внутри упомянутого трубопровода одним или большим количеством несущих элементов, и поршня, расположенного внутри упомянутого трубопровода выше по течению относительно упомянутой внутренней камеры, причем упомянутый поршень представляет собой сплошной цилиндр с коаксиальным отверстием, просверленным через его центр, а упомянутая внутренняя камера является полой и закрытой со стороны, расположенной выше по течению, которое является либо открытым, либо закрытым клапаном, который приводится в действие за счет контакта с упомянутым поршнем; и
d) путем создания отрезка трубопровода, содержащего отрезок с малым поперечным сечением, после которого следует отрезок с большим поперечным сечением, после которого, в свою очередь, следует второй отрезок с малым поперечным сечением.
4. Устройство по п. 3, в котором, по меньшей мере, один из суб-трубопроводов содержит датчики, которые находятся в контакте с жидкостью, текущей через упомянутый суб-трубопровод или захваченной в нем, причем упомянутые датчики приспособлены для измерения, по меньшей мере,
-49-
одного из приведенных ниже свойств упомянутой жидкости: удельной электропроводности, осмотической концентрации раствора, осмолярности, водородного показателя (рН), биомаркеров, электролитов, удельного веса, плотности, удельной проводимости, наличия и концентрации: креатинина, мочевины, мочевой кислоты, лейкоцитов, эритроцитов, глюкозы, кетонов, количества/концентрации ионов.
5. Устройство по п. 1 содержащее, по меньшей мере, один из следующих элементов:
a) отвод для улавливания газа, расположенный выше по течению относительно места измерения;
b) газопроницаемую мембрану, расположенную выше по течению относительно упомянутого места измерения;
c) запорный клапан, расположенный ниже по течению относительно упомянутого места измерения; и
d) запорный клапан, расположенный выше по течению относительно упомянутого места измерения.
6. Устройство по п. 1, в выполнено либо с возможностью дренажной трубкой, ведущей от неотъемлемая часть.
котором упомянутое устройство соединения с катетером или с пациента, либо как его (ее)
7. Устройство по п. 6, в котором моча течет через катетер или дренажную трубку, и система управления
- 50-
упомянутым устройством выполнена с возможностью осуществления текущего контроля температуры мочи и передачи сигнала тревоги, если происходят изменения, превышающие заданную величину.
8. Способ измерения объемного расхода жидкости, протекающей через трубопровод, где упомянутый способ содержит следующие операции:
a) видоизменяют участок упомянутого трубопровода для формирования камеры, в которой известный объем упомянутой жидкости может быть изолирован и либо удерживаться в неподвижном состоянии, либо скорость упомянутой жидкости значительно уменьшена по сравнению с ее скоростью на участках упомянутого трубопровода на любом конце упомянутой камеры;
b) изолируют упомянутый известный объем жидкости в упомянутой камере;
c) считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой жидкостью в упомянутой камере, для измерения начальной температуры упомянутой жидкости;
d) приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент, находящийся в тепловом контакте с упомянутой жидкостью в упомянутой камере, для добавления известного количества тепла к упомянутому изолированному объему жидкости или для отъема известного количества тепла от
- 51 -
упомянутого изолированного объема жидкости;
e) считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой жидкостью в упомянутой камере, для измерения конечной температуры упомянутой жидкости после добавления упомянутого известного количества тепла к упомянутому изолированному объему жидкости или отъема упомянутого известного количества тепла от упомянутого изолированного объема жидкости;
f) определяют величину совокупного коэффициента, исходя из упомянутого известного объема упомянутой жидкости, упомянутого известного количества тепла и разности между упомянутой начальной температурой и упомянутой конечной температурой;
д) приводят в действие тепловой расходомер для измерения расхода тепла;
h) определяют упомянутый объемный расход, исходя из упомянутого измеренного количества тепла, величины упомянутого совокупного коэффициента и разности значений температуры, измеренных упомянутыми первым и вторым датчиками температуры в конце упомянутого промежутка времени.
9. Способ по п. 8, в котором расход тепла измеряют путем:
а) приведения в действие нагревающего или охлаждающего
- 52 -
элемента, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, в месте, расположенном либо в упомянутой камере, либо в ином месте в упомянутом трубопроводе, для добавления тепла к упомянутой протекающей жидкости или для отъема тепла от упомянутой протекающей жидкости;
b) приведения в действие, одновременно с приведением в действие упомянутого нагревающего или охлаждающего элемента, первого датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой протекающей жидкостью, который расположен выше по течению относительно упомянутого нагревающего или охлаждающего элемента, и второго датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой протекающей жидкостью, который расположен ниже по течению относительно упомянутого нагревающего или охлаждающего элемента;
c) измерения количества тепла, добавленного к упомянутой протекающей жидкости в течение промежутка времени или отнятого от упомянутой протекающей жидкости в течение промежутка времени;
d) определения упомянутого расхода тепла, исходя из упомянутого измеренного количества тепла и разности значений температуры, измеренных упомянутыми первым и вторым датчиками температуры, в конце упомянутого промежутка времени.
10. Способ по п. 8, в котором расход тепла измеряют
- 53 -
путем:
a) приведения в действие нагревающего или охлаждающего элемента, находящегося в тепловом контакте с протекающей жидкостью, в месте, расположенном либо в упомянутой камере, либо в ином месте в упомянутом трубопроводе, для добавления тепла к упомянутой протекающей жидкости или для отъема тепла от упомянутой протекающей жидкости;
b) приведения в действие, одновременно с приведением в действие упомянутого нагревающего или охлаждающего элемента, датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой протекающей жидкостью и расположенного рядом с упомянутым нагревающим или охлаждающим элементом или выполненного в виде единого целого с ним;
c) измерения начальной мгновенной температуры, измеряемой упомянутым датчиком температуры, когда он приведен в действие;
d) обеспечения возможности повышения или уменьшения мгновенной температуры, измеряемой упомянутым датчиком температуры, до тех пор, пока не будет измерен заданный перепад температур между упомянутой начальной температурой и мгновенной температурой;
e) изменения и измерения количества энергии, поданной в упомянутый нагревающий или охлаждающий элемент, при поддержании мгновенной температуры, измеренной по температуре при упомянутом перепаде температур;
- 54 -
f) определения количества тепла, добавленного к упомянутой протекающей жидкости или отнятого от упомянутой протекающей жидкости в течение промежутка времени, исходя из измеренного количества энергии;
д) определения упомянутого расхода тепла, исходя из упомянутого измеренного количества тепла.
11. Способ по п., 8, в котором операции с операции "с" по операцию "е" и операцию "д" выполняют одновременно на различных участках трубопровода.
12. Способ по п. 8, в котором: при операции "d" приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент и измеряют количество тепла, которое добавлено к изолированному объему жидкости или отнято от него, при операции "е" считывают показание температуры с датчика температуры для определения того, когда достигнута заданная конечная температура, причем в этой точке упомянутый нагревающий или охлаждающий элемент отключают, а при операции "f" определяют величину совокупного коэффициента, исходя из известного объема жидкости, измеренного количества тепла и заданной разности между упомянутой начальной температурой и упомянутой конечной температурой.
13. Способ по п. 8, в котором операции "d" - "h" заменены следующими операциями:
d') приводят в действие нагревающий или охлаждающий элемент, находящийся в тепловом контакте с упомянутой
- 55 -
жидкостью в упомянутой камере, для добавления тепла к упомянутому изолированному объему жидкости или для отъема тепла от упомянутого изолированного объема жидкости;
е') считывают показание температуры с датчика температуры, находящегося в тепловом контакте с упомянутой жидкостью в упомянутой камере, для измерения мгновенной температуры упомянутой жидкости при добавлении упомянутого количества тепла к упомянутому изолированному объему жидкости или при отъеме упомянутого количества тепла от упомянутого изолированного объема жидкости;
f' ) отключают упомянутый нагревающий или охлаждающий элемент, когда температура упомянутой жидкости достигает конечной температуры, отличающейся от упомянутой начальной температуры;
д') обеспечивают возможность протекания свежей жидкости через упомянутую камеру, и одновременно приводят в действие таймер в момент начала протекания упомянутой свежей жидкости;
h') измеряют промежуток времени, прошедший до того момента, когда температура жидкости в упомянутой камере изменяется от упомянутой конечной температуры обратно до порогового значения температуры; и
i1) определяют упомянутый объемный расход, исходя из упомянутого известного объема жидкости и упомянутого измеренного промежутка времени.
- 56-
14. Способ по п. 8, в котором упомянутый способ приспособлен для измерения объемного расхода жидкости через катетер или дренажную трубку, ведущую от пациента.
15. Способ по п. 14, в котором жидкостью является
моча.
PCT/IL2011/000289
1/8
Fig. 2
WO 2011/138774
PCT/IL2011/000289
Fig. 4
CO 00
л н
832
800
не о н
e (r) e
|
