基于红外两点检测的注射泵空气排空检测装置的研究

涂家海，李华中

(1.湖北广播电视大学电信工程学院，湖北 武汉 430074)(2.光谷技术股份公司，湖北 武汉 430020)

注射泵通常用在制药、输液和计量等场合，将注射泵和输出管道的空气排空是其工作中的重要过程，对注射泵空气排空进行自动检测是实现注射泵自动控制的重要环节。目前，常用检测法有目测法、摄像观察法、单点检测法等[1-3]。其中目测法和摄像观察法需要由人去操作；单点检测法是对输出管道某点介质变化进行检测，由于检测对象是连续的气液两相流体，只能作单点检测判断，一是误判率高[4-5]，二是不能测量输出管道介质流速，无法计算输出管道空气排空时间，不能满足注射泵控制系统对注射泵和输出管道进行空气排空检测的需求。基于此，本文设计了一种基于两点红外检测的注射泵空气排空检测装置，在输出管道上分别设上、下游红外检测点，使用单片机对两检测点信号进行采样、存储，提取气液两相介质变化的信号，计算输出管道溶液流速和输出管道空气排空时间，根据注射泵和输出管道排空条件，给出排空判断信号。

1 排空检测的方法

基于红外光检测原理[6]，利用红外光检测管道内介质变化，使用红外对管、单片机和检测电路等制作检测装置。如图1所示，在注射泵输出管道上设上、下游检测点，分别安装红外对管，红外对管由红外线发射管与红外线接收管组成，红外线发射管发出的红外光从管道一侧径向透过输液管到达另一侧的红外线接收管，红外线接收管是一支只对红外光有反应的光敏三极管，其功能是实现光电转化，利用外接电路输出电压信号，而且这个电压信号随着光的变化而相应变化。通过区分电压信号的电压值的高低，划分出输出管道气液两相介质。红外光通过气泡时，在气泡表面产生反射和折射，其衰减很大，红外线接收管输出高电平；红外光通过液体时，由于管内液体径向截面形成凸透镜，会将分散的红外光聚焦，从而增强红外光强度，红外线接收管输出低电平。根据相似原理，在管道内一定流速的介质流经上、下游检测点时的状态相似[7]，通过测量其经过两检测点的时间，已知两检测点间距，可计算溶液流速，再根据已知输出管道长度，可计算出输出管道空气排空时间。

注射泵控制系统中空气排空包括注射泵空气排空和输出管道空气排空两部分。注射泵空气排空的判断条件：一是输出管道上、下游两检测点介质均为液体，即两点检测的信号均为低电平；二是流入上游检测点的气泡全部经过了下游检测点，即两检测点信号跳变数量相等。输出管道空气排空的判断条件：一是注射泵空气排空；二是在注射泵排空后，继续按既定流速排空管道空气，其时长为根据流速和管长所计算的输出管道排空时间。

图1 两点检测原理

如图1所示，上、下游检测点信号经A/D转换后分别为x1(t)和x2(t),其中t为采样时刻，根据相似原理，信号x2(t)与信号x1(t)相似，且在时间上相差介质流经两检测点信号时差ζ，即x2(t)=x1(t+ζ)。在排空过程中，管道内为气液两相介质，根据红外检测的特性，检测信号是跳变信号。信号跳变分下降沿跳变和上升沿跳变。下降沿跳变表示检测到管道介质由气相变液相，上升沿跳变表示检测到管道介质由液相变气相。本文采用对比连续采样信号值的方法提取下降沿跳变信号，设跳变信号为y(t),将当前采样信号值x(t)与前一次采样信号值x(t-1)进行比较，x(t)

(1)

通过累计跳变信号得到输出管道内介质流经检测点气泡数z(t)：

(2)

溶液流速V为：

(3)

式中：l为上、下游两检测点间距。

输出管道排空时间T为：

(4)

式中：L为输出管道长度。

通过式(2)计算某一时刻流经上、下游检测点气泡数分别为z1(t)，z2(t)，设注射泵空气排空信号为f(t)，在满足以下3个条件情况下f(t)=1：1)在t时刻，流经上、下游两检测点的气泡数相等,z1(t)=z2(t)；2)在t时刻，上、下游两检测点的信号x1(t),x2(t)均为低电平；3)满足1)、2)条件,表示注射泵空气已排空，现转为输出管道空气排空，排空时长为输出管道排空时间T。如果上述3个条件成立，表明注射泵和输出管道的空气均已排空，其中前两个条件表明注射泵空气排空，第三个条件表明在注射泵内空气排空后，继续将输出管道的空气排空。表达式如下：

z1(t-T)-z2(t-T)=0 andx1(t-T)=0

(5)

2 检测装置设计

检测装置由硬件和软件组成。硬件由单片机、红外对管、整形放大电路、显示电路等组成，实现实时采样、信号整形、数据存储、状态输出等功能。软件由主程序和子程序等组成，实现算法计算、数据分析和条件判断等功能。

2.1 硬件设计

如图2所示，采用红外对管对输出管道内介质进行检测，红外对管由高发射功率砷化镓红外线发射管和高灵敏度的光敏三极管组成，上、下游两点传感器间距为100 mm。选用型号为STC5A60S2的单片机对信号进行采样和处理，单片机内置A/D转换器和存储器。采样频率为400 Hz，周期为2.5 ms，在输出管道介质流速不大于200 mm/s时,能检测到最小气泡的直径为2 mm。

图2 系统硬件结构图

如图3所示，红外对管U2和U3的红外发射管发出的红外光径向穿透输出管照射到高灵敏光敏三极管上，光敏三极管的集电极分别接单片机U1的P1.0、P1.1管脚，检测信号经单片机U1内置A/D转换，变为8位数字信号并存储到存储器。排空判断信号由单片机U1的P2.7管脚输出，经三极管Q1放大，推动继电器K1输出，上、下游检测信号、排空输出信号分别由单片机U1的P2.6、P2.5、P2.4管脚输出,驱动指示灯D1、D2、D3显示。

图3 系统电路原理图

2.2 软件设计

软件包括主程序和子程序。主程序实现中断设置、A/D转换设置和循环显示等功能。设置定时器计时采样，采样频率为400 Hz，计时器初始值设为2.5 ms。A/D转换器的输入端为单片机U1的P1.0和P1.1管脚，输出结果为8位数字，转换速率为180个时钟周期。

中断服务程序流程如图4所示，重置定时器采样周期，对两检测点信号进行采样，并进行A/D转换、存储。通过对存储数据前后值对比分析，获取两检测点跳变信号，对其分别进行累计，测量两检测点信号时差，计算介质流速及输出管道排空时间，根据判断条件输出结果，并返回主程序。

3 效果验证

为了检验检测装置的效果，采用了300 ml注射针筒和硅胶软管模拟注射泵和输出管道进行实验。考虑到溶液颜色和管壁厚度对光通量的影响，设计了可调电阻R10和R11，通过可调电阻调整光传感器输出电压值，从而提高检测装置对不同介质的兼容性。经过反复实验，该装置满足设计要求，能够为注射泵控制系统提供准确的判断信号。目前该检测装置已在I131给药器等设备上应用，运行稳定。

图4 中断服务程序流程图

4 结束语

本文以单片机为核心，使用红外对管设计的空气排空检测装置，利用红外光检测管道内介质变化，通过对两检测点信号变化提取、分析，测算出管道介质变化和流速，计算输出管道空气排空时间，从而实现对注射泵空气排空检测。实验结果表明，该装置可以满足注射泵控制系统对注射泵空气排空检测的需求。