介绍

在医用液体输送行业中，患者的安全至关重要。 随着系统安全性的关注日益增加，对管路内空气量的准确表征的需求也在增加。 在许多应用中，需要一种能够可靠地检测小气泡的传感器。 另外，延迟处理对患者可能是不安全的。 因此，需要使气泡检测器*小检测或快速报警的气泡探测器。 如果不仔细考虑和理解这两个苛刻的要求，则需要输液的会使患者处于危险之中。

范围

该文档概述了超声空气在线检测的原理，讨论了非侵入性超声气泡检测的不同方法，并满足了高分辨率检测的特定设计要求。实现高分辨率传感的一项关键要**驱动和处理超声信号以补偿存在的自然变化的方法。 这种方法不仅可以增强检测气泡的能力，而且还可以大大降低干扰警报的风险。 此外，本文档还向有兴趣将这种技术集成到其系统中以*大程度地提高成功性能的人员提供建议。

超声波气泡在线传感器的工作原理

典型的非侵入式超声空气在线传感器利用有源压电元件作为发射器来产生高频声波。 该声波传播通过传感器壁， 并耦合到与该壁接触的管道。 然后， 该超声波穿过充满流体的管道到达相对的传感器壁，并在另一侧被无源压电元件接收。

感测何时存在气泡的能力是由于在管壁或流体与空气之间存在很大的声阻抗差。 这种较大的阻抗失配会产生一个声镜， 该声镜会向发射器的方向反射回超声波。由于能量没有到达接收侧， 因此传感器将指示气泡的存在。

需要自动增益控制用于高分辨率气泡检测

超声波气泡在线检测可分为两类：总空气检测和高分辨率气泡检测。相对于管道内径的气泡大小定义了传感器的类别。 如果感兴趣的气泡是管道内径的大小，则它将阻塞整个声音路径，而仅通过总空气检测器即可检测到它。 如果感兴趣的气泡与内径相比较小，则它仅会阻塞一部分声波路径，并且能够检测到该气泡的气泡检测器将被视为高分辨率。下面描述了这两种情况，每种情况使用相同的大小气泡。

由于在空气总量传感器的情况下，气泡会阻塞大部分声波路径，因此随着气泡的通过，会有很大的信号变化。

当气泡通过高分辨率传感器时，声路的一小部分被阻塞；因此，信号的降幅要小得多。

由于总空气传感器中的信号变化太大，因此相对容易测量气泡的存在。即使在所有气泡传感器技术中常见的流体信号变化较大的情况下，固定阈值也足以可靠地检测到气泡。使用固定阈值的带有小，中和大信号的总空气传感器的示例。 在所有情况下，传感器都可以检测到气泡的存在。

对于声学信号的变化有多种来源，包括传感器到传感器的响应，管的负载，管的位置，管的数量差异，温度波动和压力管道的影响。消除所有这些差异来源是不切实际的。因此传感器需要具有补偿的能力。补偿可以通过以下两种方法之一来实现：

相对于正常流体信号的可变阈值，或具有将流体信号放大或衰减到固定目标水平的可变增益的固定阈值。使用可变增益方法，该方法补偿低或高流体信号以始终匹配。这允许在液位附近使用固定阈值，从而使传感器能够可靠地检测信号中的小气泡的通过引起的。在一些应用中，检测小气泡是不希望的，并且被认为是令人讨厌的。在这种情况下，可以设计电压阈值，以便传感器将忽略小于特定大小的气泡，并检测大于该大小的气泡。自动增益补偿可确保相对紧凑的气泡检测阈值。在不进行补偿的情况下，气泡阈值因传感器而异以及因管负载而异。

关于扫频法的讨论

一些气泡检测器制造商使用扫频方法来驱动其传感器。此方法可确保找到频率“*佳点”，从而使响应*大化。尽管此方法确实使流体信号*大化，但也使空气信号*大化。因此，该方法无助于增加流体与空气之间的信噪比。

扫频方法可能有助于温度稳定，但是驱动方法没有自补偿功能来校正存在的其他变化源。许多基于声学的因素（包括耦合和衰减）都是管道的属性，以及管道与固定阈值传感器场景的接口方式。这些可变性本质上纯粹是机械的和几何的，并且存在于所有基于声学的气泡传感器中。单独使用扫频方法无法补偿这些因素。因此，该技术**于总空气检测应用。

该技术的另一个局限性是采样率。由于扫描整个频率范围需要花费时间，因此采样率比采用补偿方法的固定频率要慢得多。扫频传感器的采样率比晶体的谐振频率（兆赫兹范围低）采样率低三个数量级（低兆赫兹范围），而不是以晶体的谐振频率进行采样。这限制了可靠地检测高速行进的气泡的能力

减少变异源的任何系统设计特征都会提高设计能力和通过验证的可能性。 系统制造商应考虑这些参数，以确保设计稳健。 将气泡传感器集成到系统中时，需要考虑以下几点。

管路的选择

管路的属性会影响传感器的声学耦合和信号强度。由于流体与空气信号的比率*终决定了补偿范围，因此管路的选择对气泡检测验证的成功有很大影响。以下是选择管道类型时要考虑的事项。

同一性

在整个壁上使用相同材料的管材将有助于*大程度地传输信号。诸如编织物，空隙或共挤材料之类的任何东西都会使信号衰减，降低信噪比，并增加来自不同管束的附加变化。

低摩擦

优选光滑的低摩擦材料。这样可以更轻松地插入传感器，并趋于吸引较少的异物，而异物可能会影响耦合。

成型和弹性

管道在插入时需要能够形成传感器通道的形状，但还必须具有弹性，以在整个过程中保持力抵靠传感器壁。抵抗压力下的鼓胀在向管子施加压力的应用中，将抵抗凸起的材料可将由于耦合变化而引起的信号变化降至*低。

盲点和管路方向

盲点是管道中不位于声波路径中的区域。 由于它们不在声波路径中，因此位于这些位置的气泡不会使声信号衰减，因此不会被检测到。大多数方向都可能在快速流动的条件下检测到气泡，因为流体流动倾向于使气泡居中。 担心的是低流量条件，因为浮力可能会将气泡定位在盲点区域。

气泡检测的优选方向：带有垂直管的水平传感器。 这种方向允许漂移的气泡更快地传播并使自身在管道中居中。

下一个优选的方向是带有水平管的水平传感器。 在该方向上*可能的气泡位置在声路径内。在此方向上，任何仍处于静止状态的流体漂移的气泡都可能会卡在管道的压紧区域上。 一旦由于流体流动而脱落，它将被检测到。

管加载

有两种将管道机械加载到传感器中的方法，这些方**减小信号范围，从而*大程度地减少所需的补偿并*大程度地提高验证成功率。

**种方法是确保将管道一直压到传感器通道的底部。这种加载管道的方法使信号强度的标准偏差更严格。

另一种方法是将管道夹紧到传感器通道中，以将其压缩为在声径区域内更呈正方形的形状。这*大化了声窗，并且*小化了盲点。 实际上消除了盲点，降低了未发现气泡的风险。 这种方法还能产生更严格的标准偏差，同时*大程度地减少了压力管的影响。 这种方法可能并不总是实用的，但在可能的情况下强烈建议使用。

总结

没有干扰报警的高精度气泡检测需要主动补偿，以解决引起信号强度自然变化的因素。这允许检测信号的微小变化，这是检测相对于管道内径的小气泡所必需的。

扫频技术**于总空气检测应用。

可以选择油管属性以*大程度地传输信号，减少变化并帮助确保成功的设计验证和制造的一致性。

应考虑诸如传感器和管相对于重力的方向之类的因素，以*大程度地减少盲区中未检测到气泡的可能性。

机械管加载技术可以通过减小所需的补偿范围并减少盲点区域来提高成功的可能性。