非接触式电容传感器在静脉壶液位检测中的应用研究

张萌 王树刚 胡文杰 杨彦芳 肖小兵 河南驼人医疗器械研究院有限公司 （河南 长垣 453400）

内容提要： 目前血液透析机中静脉壶液位检测常用的方式是超声波检测，被测液体存在气泡时会对检测结果有一定的影响。文章提出的静脉壶液位检测方式是采用非接触式电容传感器，以静脉壶液位信号检测模块和干扰信号检测模块为基础，通过电容数字转换器模块可以精确把电容信号转换成数字信号，得到持续精确的液位信号，所以采用非接触式电容传感器应用在血液透析机静脉壶液位检测中，有非常好的应用前景和使用价值。

静脉壶是在血液透析时体外循环管路上比较重要的装置，它主要是捕捉从上游进入血路的空气[1]。在进行血液透析前，需要把血路循环管路安装到血液透析机的血路上，静脉壶在血路管路静脉管路中。在血液透析机进行自检和预充阶段时，静脉管路会预先注射生理盐水，血路循环管路中的气体随着管路进入到静脉壶中被排出，在正常透析过程中，需要液位检测装置对静脉壶的液位进行实时监控和检测，静脉循环管路如果存在气体，静脉壶中的液位就会降低，这时静脉壶液位检测系统就会检测到液位信号的变化，从而进行报警以及夹紧管路的方式进行处理，防止空气进入到患者体内[2]。

血液透析时所用到的耗材需要是无菌且有很好的生物相容性，接触式的液位传感器不能满足这一要求。并且在血液透析时会受到人为的干扰，会产生额外的干扰信号。本文主要提出一种应用方法对静脉壶的液位进行检测，用一种非接触式电容式传感器应用的液位检测，并使用两个离静脉壶稍远的电容式传感器检测干扰信号，不容易受其他信号的干扰并且可以精确地实现液位检测的目的。

1.技术方案

目前常用的静脉壶液位检测是采用超声波的方式，该检测装置里面有超声发射端以及接收端，检测时将静脉壶放置于超声发射端与接收端之间，血液透析机在正常透析过程中，当静脉壶中出现血液液面下降或者有气泡进入静脉血流的情况时，液位检测器检测出液位降低然后机器报警，血泵会立即停止转动，同时静脉夹会夹闭静脉端体外循环管路，防止空气或者气泡进入到人体内对人体造成伤害。血液透析机静脉壶液位检测装置需要和静脉管路夹配合，实现气体检测、管路夹紧等动作，来保障患者在血液透析中的安全。但是超声波测量液位的方式在液体中存在气泡的情况下，测量信号和真实状态误差较大，需要进行复杂的校正算法来对检测信号进行补偿[3]。

针对上述情况，本文提出使用包含变介质式的电容传感器的装置，采用了非接触式的液位检测的方式，静脉壶中血液不会影响非接触电容式液位传感器的性能，也不会飞溅到导电电极上产生误导通的现象，提高了液位检测电路的可靠性。电容式传感中的传感器采集端可以采用任意材料的金属导体，因此可以实现低成本、高效率的检测系统[4]。

静脉壶液位检测装置包含两个部分：一个是信号检测装置，主要有液位电容信号检测、左侧干扰电容信号检测、右侧干扰电容信号检测，静脉壶液位在实际的检测过程中，护士会手动安装和拆除静脉壶，电容信号也会检测到人的动作，从而会产生人为的电容干扰信号，干扰信号会严重影响到静脉壶液位的检测精度；另一个是信号处理装置，主要有信号滤波装置、信号预处理装置、传入微处理器算法处理。当静脉壶中的液位发生变化时，信号检测装置把传感器检测到的电容信号传递给信号处理装置，电容信号经过信号滤波以及预处理后传送到微处理器中，最终就可以得到精准的、实时的静脉壶液位信号。

液位检测装置的系统组成如图1所示。

图1. 液位检测装置系统组成

在本文中液位检测采用的电容数字转换器模块是FDC2214，该模块的电路原理图如图2所示，该模块高度集成的抗噪芯片，在噪声比较大的环境中也能准确地采集到信号，该模块在使用时可对噪声进行高度抑制，同时在快速移动的情况下也能采集到具有高分辨率的信号[5]。对于快速上升的液体也能做到精准的检测，在血液透析机中静脉壶的液位检测也会得到很好的应用。

图2. 电容数字转换器模块电路原理图

静脉壶液位检测在实际的应用检测中，电容数字转换器利用液体的感应电容来检测静脉壶中的液体情况。当静脉壶中的液位较低时，液体对应的电容也会比较少，电容传感器检测到的电容信号也比较弱，当静脉壶中液位慢慢升高后，传感器检测到的电容信号也会变大，液位升高导致电容信号的变化，该变化输入电容数字转换器后进行信号转换，同时控制单元也会输出一个电压信号。当静脉壶中的液位不在上升并达到稳状态时，电容信号会持续保持不变的输出，同时转换成电信号输出给控制单元，从而实现静脉壶在不同液位时的连续动态输出。

2.实验结果

本文将上述传感器安装在血液透析机静脉壶固定装置的内部，电路板隐藏在静脉壶固定装置内部，整体结构紧凑而且美观。根据实际的检测需求制作了检测装置来验证电容式传感器对于静脉壶液位的检测，如图3所示。该液位检测装置集成了电路板以及电容式传感器，其中传感器1和2是用来检测人为干扰信号，液位信号传感器3和4是用来检测静脉壶的液位，这样的组合方式会更加精确地检测静脉壶中的液位。

图3. 简易静脉壶液位检测装置

静脉壶中的液体的变化对应着电容值的变化，而电路板通过检测电容值的变化来判断静脉壶中的液位情况。往静脉壶中注入液体，测量静脉壶0～80mm范围内的液位变化时液体电容值的变化，以5mm为变化值进行测量，得到静脉壶中液体电容值随着液位上升的结果如图4所示。由图4可以看出电容值会随着液位上升而增大。

图4. 电容值随液位高度变化曲线

连接四个传感器一端连接在检测装置并固定好后，把另一端连接到电路板上，固定好检测装置，将静脉壶放入对应的位置，向静脉壶注射液体模拟静脉壶实际运行的状态，把四个传感器检测得到的信号进行预处理后传入微控制器，然后再利用软件对数据进行处理。以10mL/Min的速度匀速向静脉壶内注射液体，观察液位信号和人为干扰信号的变化趋势。其中干扰信号是左右两侧传感器产生的数据的加权平均值，液位信号是液位传感器产生的数据。测试结果如图5所示，在静脉壶液位慢速上升时，液位传感器检测到的电容信号先缓慢上升并逐渐趋缓稳定，人为产生的干扰信号对液位信号的影响不大。

图5. 缓慢注射时液位信号和干扰信号波形图

在血液透析机正常运转时，静脉壶中会出现气体的情况，所以在静脉壶注入液体时人为向静脉壶内注射气体来检验液位检测的准确性。先向静脉壶内注入液体，再注射气体，气体会产生扰动，记录数据并观察波形，实验结果如图6所示。

图6. 有气泡时液位信号和干扰信号波形图

由图6可以看出，向静脉壶内注射液体时电容值变大，等液位不上升时静脉壶液位信号趋于平稳，人为注入空气使静脉壶内部出现气体时，干扰信号有明显的变化，而液位传感器检测静脉壶的液体电容值没有太大的变化。所以在静脉壶液位检测时使用该非接触电容式传感器，静脉壶里面液体的电容值受气泡的影响较小，所得到的液位信号也会更加精确。

3.小结

相对比传统的静脉壶液位检测方式来说，电容式传感器检测更加方便快捷，组成结构相对简单，同时不会受到气泡、人为操作等干扰信号的影响，检测结果比较准确，在静脉壶液位检测有很好的应用场景。电容式传感器灵敏度好、动态响应好并且成本相对较低，不需要额外的误差补偿算法来对检测结果进行优化，静脉壶中被检测液体的液位是动态的、不断变化的，非接触式电容传感器也比较适用于动态液体的液位检测。并且运用电容式传感器对静脉壶的液体进行检测时，检测结果不会受到气体中气泡的影响，检测精度会比传统的检测方式要高。

血液透析机在透析过程中的气泡监测是对患者的保障，防止气体进入到患者体内，以免空气进入到患者体内发生危险。本文所采用的电容式传感器不仅可以用于血液透析机中静脉壶的液位检测，也可以用于血液透析机中进水室、空气分离室中的液位检测，采用非接触式对液位进行检测，配合软硬件实现更加精准和稳定的液位检测方式。