焦 鋼，張西良，吳 蓉，趙 麟，吳占敖

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國(guó)人民解放軍第359醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

藥粉氣溶膠粒子濃度環(huán)狀靜電傳感器及應(yīng)用研究

焦 鋼1，張西良1，吳 蓉1，趙 麟1，吳占敖2

(1.江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.中國(guó)人民解放軍第359醫(yī)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

文中以藥粉氣溶膠為檢測(cè)對(duì)象，采用靜電法設(shè)計(jì)非接觸式環(huán)狀靜電傳感器，構(gòu)建傳感器結(jié)構(gòu)模型，對(duì)傳感器靈敏度進(jìn)行有限元仿真分析并優(yōu)選結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)計(jì)了靜電感應(yīng)傳感器信號(hào)處理電路，將傳感器應(yīng)用于霧化器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)霧化吸入療法中藥粉氣溶膠粒子濃度在線檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明：氣流流速對(duì)傳感器輸出信號(hào)影響顯著，在流速5 L·min-1時(shí)，靜電傳感器檢測(cè)藥粉氣溶膠粒子濃度的誤差為±4.8%，滿足對(duì)藥粉氣溶膠粒子濃度檢測(cè)的要求。

藥粉氣溶膠；靜電傳感器；粒子濃度；有限元仿真

霧化吸入治療采用醫(yī)用霧化器將藥粉分散成微小的粒子，并使其懸浮于空氣中，通過(guò)患者吸入并沉降于肺部，達(dá)到治療疾病的目的[1]。目前缺乏對(duì)藥粉氣溶膠粒子濃度檢測(cè)的有效方法，無(wú)法按需改變用藥量、調(diào)節(jié)濃度，造成治療效果差、患者有不適感等。采用靜電法設(shè)計(jì)環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器，檢測(cè)藥粉氣溶膠粒子濃度，包括傳感器結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理電路等，通過(guò)在霧化器中的應(yīng)用試驗(yàn)，研究傳感器檢測(cè)性能。為實(shí)現(xiàn)藥粉氣溶膠粒子濃度在線檢測(cè)、實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)濃度提供依據(jù)，使霧化吸入治療更加科學(xué)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

1 粒子濃度環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器

藥粉粒子在輸送過(guò)程中不斷碰撞、摩擦，表面產(chǎn)生靜電荷，在金屬電極上產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[2]。環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器由PVC絕緣管、環(huán)狀金屬電極、金屬屏蔽筒、信號(hào)傳輸引線等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全環(huán)型靜電傳感器結(jié)構(gòu)圖

PVC絕緣管內(nèi)壁光滑，不阻礙氣溶膠流動(dòng)；環(huán)狀金屬電極材料為紫銅；信號(hào)傳輸引線采用單芯屏蔽線，將其屏蔽層與金屬屏蔽筒單點(diǎn)連接，避免屏蔽層形成閉合回路、產(chǎn)生感應(yīng)電流[3]；金屬屏蔽筒能夠減少環(huán)境中的電磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電極的干擾。

2 有限元仿真分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

2.1 傳感器靈敏度有限元仿真分析

利用有限元仿真軟件Comsol Multiphysics構(gòu)建靜電感應(yīng)傳感器有限元仿真模型，如圖2所示。

圖2 靜電感應(yīng)傳感器有限元仿真結(jié)構(gòu)模型

在傳感器感應(yīng)電極的檢測(cè)空間內(nèi)，電極上感應(yīng)電量的絕對(duì)值，與對(duì)其作用的單位點(diǎn)電荷帶電量的比值為傳感器的靈敏度[4-5]。電極上感應(yīng)電量大小與帶電粒子的周向坐標(biāo)θ無(wú)關(guān)，只與其軸向坐標(biāo)z和徑向坐標(biāo)r相關(guān)，即環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器的靈敏度可表示為

(1)

式中，q表示粒子的電荷量；Q為電極上的感應(yīng)電量；r與z分別代表帶點(diǎn)粒子在傳感器檢測(cè)敏感空間內(nèi)的徑向坐標(biāo)與軸向坐標(biāo)。

分析不同電極軸向長(zhǎng)度L、PVC絕緣管半徑r、電極徑向厚度D、屏蔽筒軸向長(zhǎng)度l及金屬屏蔽筒半徑R的變化對(duì)靜電感應(yīng)傳感器靈敏度的影響。

(1)電極軸向長(zhǎng)度L分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm，令D=2 mm，R=30 mm，r=5 mm，l=100 mm。仿真得到電極軸向長(zhǎng)度變化引起靈敏度在徑向、軸向坐標(biāo)上的變化情況，如圖3和圖4所示。

圖3 不同電極軸向長(zhǎng)度靜電傳感器靈敏度沿徑向分布

由圖3得到，當(dāng)粒子處在相同徑向位置時(shí)，電極軸向長(zhǎng)度L越大，傳感器的靈敏度越大。

圖4 不同電極軸向長(zhǎng)度靜電傳感器靈敏度沿軸向分布

圖4中，x表示粒子與管道中心的距離?？梢钥闯觯嗤碾姌O軸向長(zhǎng)度，帶電粒子越接近電極內(nèi)壁，傳感器的靈敏度越高；

(2)電極徑向厚度D分別為2mm、3 mm、4 mm，令L=5 mm，R=30 mm，r=5 mm，l=100 mm。仿真得到：隨著電極徑向厚度增加，在徑向坐標(biāo)上，靈敏度逐漸變大，且靈敏度變化趨向平穩(wěn)，分布相對(duì)均勻；在軸向坐標(biāo)上，傳感器靈敏度隨電極徑向厚度增大逐漸增大；

(3)PVC絕緣管半徑r分別為5 mm、10 mm、15 mm，令L=5 mm，R=30 mm，L=3 mm，l=100 mm。仿真得到：在徑向坐標(biāo)上，隨著PVC絕緣管半徑增大，靈敏度逐漸增大；在軸向坐標(biāo)上，靈敏度隨PVC絕緣管半徑增大而增加；

(4)金屬屏蔽筒半徑R分別為25 mm、30 mm、35 mm、40 mm，令L=5 mm，D=3 mm，r=5 mm，l=150 mm。仿真得到：增大金屬屏蔽筒半徑有利于提高靈敏度，在徑向上靈敏度隨屏蔽筒半徑變化不大，而軸向上靈敏度隨金屬屏蔽筒半徑增大而增大；

(5)屏蔽筒軸向長(zhǎng)度l分別為100 mm、150 mm、200 mm，令L=5 mm，D=3 mm，r=5 mm，R=40 mm。仿真得到：在傳感器檢測(cè)區(qū)域中心截面處，其靈敏度在徑向坐標(biāo)上隨金屬屏蔽筒軸向長(zhǎng)度增大而增大，在軸向坐標(biāo)上亦逐漸增大。

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選

(1)電極軸向長(zhǎng)度L與徑向厚度D越大，傳感器靈敏度越高，但電極過(guò)長(zhǎng)，電極的感應(yīng)面積增大，敏感區(qū)增大的同時(shí)容易引入更多噪聲；若電極過(guò)短，電極的敏感區(qū)變小，對(duì)電荷變化敏感性增強(qiáng)。綜合考慮兩者對(duì)靈敏度的影響，電極軸向長(zhǎng)度L與徑向厚度D分別取5 mm與3 mm；

(2)傳感器靈敏度隨PVC絕緣管半徑r減小而增大。環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器的應(yīng)用對(duì)象為壓縮空氣式霧化器，其藥粉氣溶膠輸出端管道半徑為10 mm，所以PVC絕緣管半徑取10 mm為好，管壁厚度為0.5 mm；

(3)傳感器靈敏度隨金屬屏蔽筒半徑R變化的幅度微小，而增大金屬屏蔽筒軸向長(zhǎng)度l可以提高靈敏度。

3 在藥粉霧化器中的應(yīng)用

3.1 藥粉霧化器及試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮氣流，帶動(dòng)藥粉撞擊到擋板上，向四周噴濺使藥粉形成霧化均勻的氣溶膠從出氣口射出[6]。霧儀器試驗(yàn)硬件組成如圖5所示，包括PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理電路和空氣壓縮機(jī)等。在霧化器輸出端安裝氣體流量傳感器，檢測(cè)流量值，通過(guò)調(diào)節(jié)流量閥開(kāi)啟角度調(diào)節(jié)管道流量的大??；靜電感應(yīng)傳感器檢測(cè)氣溶膠粒子濃度值，通過(guò)對(duì)加料步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣溶膠粒子濃度控制。

圖5 霧儀器試驗(yàn)硬件組成

如圖6所示，環(huán)狀靜電感應(yīng)傳感器信號(hào)處理電路包括電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路和濾波電路等[7]。傳感器在工作時(shí)，感應(yīng)電極輸出微弱的交變電流信號(hào)，利用電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為交變電壓信號(hào)，再利用電壓放大電路進(jìn)行二次放大，然后利用低通濾波電路去除噪聲干擾，最后由數(shù)據(jù)采集卡將處理后的信號(hào)傳輸至PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[8]。

圖6 傳感器信號(hào)處理電路結(jié)構(gòu)

電流-電壓轉(zhuǎn)換電路選擇AD8638作為運(yùn)算放大器，采用1 GΩ的電阻作為反饋電阻，在滿足放大倍數(shù)的前提下，可以有效降低電阻熱噪聲[9]；電壓放大電路使用INA121UA運(yùn)算放大器對(duì)電壓進(jìn)行放大；濾波電路采用巴特沃茲低通濾波結(jié)構(gòu)將信號(hào)中包含的高頻信號(hào)濾除；選擇雙T型50 Hz陷波電路濾除電路中的工頻噪聲[10]。

3.2 應(yīng)用試驗(yàn)及效果分析

(1)試驗(yàn)材料、參數(shù)及試驗(yàn)過(guò)程。臨床上霧化吸入療法使用的藥粉劑量在1 ～5 g/h范圍內(nèi)，所需空氣的流量為5～10 L·min-1，試驗(yàn)裝置的總體積為13.164 L，試驗(yàn)藥粉使用量p在40～400 mg之間，霧化均勻藥粉氣溶膠粒子濃度cmg/L為

(2)

流量設(shè)定為5 L·min-1、8 L·min-1、11 L·min-1、14 L·min-1、17 L·min-1，對(duì)應(yīng)濃度3.039 mg/L、6.077 mg/L、9.116 mg/L、12.154 mg/L、15.192 mg/L、18.232 mg/L、21.27 mg/L、24.309 mg/L、27.347 mg/L、30.386 mg/L。每組試驗(yàn)選定一種流量和不同加料量，各進(jìn)行試驗(yàn)4次。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

1)打開(kāi)空氣壓縮機(jī)開(kāi)關(guān)，觀察流量傳感器檢測(cè)值，調(diào)節(jié)流量閥開(kāi)啟大小使流量穩(wěn)定；

2)用精度0.1 mg分析天平稱取規(guī)定量的醫(yī)療鹽粉，加入霧化杯中；

3)采集靜電感應(yīng)傳感器輸出信號(hào)，記錄數(shù)據(jù)；

4)每個(gè)流速下分別重復(fù)上述步驟4次，分別記錄12次試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

5)按照40 mg，80 mg，120 mg，160 mg，200 mg，240 mg，280 mg，320 mg，360 mg，400 mg的藥粉量重復(fù)上述步驟；

(2)靜電感應(yīng)傳感器檢測(cè)效果分析。圖7所示為5種流量下不同藥粉加料量，各4組試驗(yàn)的檢測(cè)電壓有效值的平均值變化趨勢(shì)。

圖7 檢測(cè)數(shù)據(jù)有效值的平均值變化趨勢(shì)

針對(duì)每種流速下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析[11-12]。利用Matlab分析傳感器在不同流速下的輸出特性。不同流速下的傳感器檢測(cè)電壓有效值的均值關(guān)于加料量的擬合結(jié)果如表1所示。

表1 不同流速下的檢測(cè)值關(guān)于加料量的擬合結(jié)果

表1中SSE為和方差，表示擬合數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)誤差的平方和，其值越接近于0說(shuō)明擬合效果越好。流量為5 L·min-1時(shí)和方差最小，其他流量下的和方差最大不超過(guò)0.005，即每種流量下的線性擬合效果都較佳。R-square為確定系數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)的變化來(lái)表征擬合的好壞，其值越接近于1，表示擬合方程的解釋能力越強(qiáng)，表中各流速下的確定系數(shù)均>0.93。RMSE為均方根誤差，其值越接近0表明擬合效果越好。綜合對(duì)比各流速下的線性擬合結(jié)果，5 L·min-1流量下的擬合結(jié)果最優(yōu)，但確定系數(shù)略小于其他流量下的擬合結(jié)果，5 L·min-1流量下的線性擬合方程為

y=0.000 386 3x+0.847 5

(3)

式中，x表示藥粉加料量；y表示傳感器檢測(cè)有效值的平均值。靜電感應(yīng)傳感器檢測(cè)值與藥粉加料量呈線性關(guān)系，隨著藥粉氣溶膠粒子濃度升高，靜電感應(yīng)傳感器檢測(cè)值增大；

(3)流速對(duì)靜電感應(yīng)傳感器檢測(cè)性能影響分析。對(duì)流量值進(jìn)行單因素方差分析[13-14]，結(jié)果如表2所示。

表2 檢測(cè)數(shù)據(jù)單因素方差分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果，查F檢驗(yàn)表，當(dāng)顯著性水平為0.01時(shí)，F(xiàn)=37.59 >F0.01(2,27) =5.49，表明管道流量的大小對(duì)檢測(cè)信號(hào)有效值大小影響顯著。

在流量5 L·min-1下，藥粉添加量分別選取40 mg，80 mg，120 mg，160 mg，200 mg，240 mg，280 mg，320 mg，360 mg和400 mg，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償后的藥粉氣溶膠粒子濃度檢測(cè)值[15]如表3所示，藥粉氣溶膠粒子濃度檢測(cè)誤差為±4.8%。

表3 流量5 L·min-1下檢測(cè)濃度及誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)不同PVC絕緣管長(zhǎng)度、管壁厚度、管道半徑、感應(yīng)電極厚度以及屏蔽筒進(jìn)行半徑仿真分析，結(jié)果表明：電極軸向長(zhǎng)度越大、徑向厚度越大、PVC絕緣管半徑越小、金屬屏蔽筒半徑和長(zhǎng)度越大，傳感器靈敏度越大。

應(yīng)用試驗(yàn)研究表明：傳感器輸出信號(hào)有效值大小與藥粉氣溶膠粒子濃度成正比，且氣溶膠流速大小對(duì)傳感器輸出信號(hào)有效值影響顯著。在流量5 L·min-1時(shí)，藥粉氣溶膠粒子濃度檢測(cè)誤差為±4.8%。

采用靜電法設(shè)計(jì)藥粉氣溶膠粒子濃度傳感器，應(yīng)用場(chǎng)景為霧化治療中的藥粉濃度檢測(cè)，相對(duì)于現(xiàn)有的氣-固兩相流濃度參數(shù)檢測(cè)方法，其針對(duì)性更強(qiáng)，對(duì)小管徑的稀相氣-固兩相流檢測(cè)效果明顯，能夠達(dá)到在線檢測(cè)霧化治療中藥粉粒子濃度的目的。

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Ring-type Electrostatic Sensor for Powder Aerosol Particle Concentration and Application Research

JIAO Gang1,ZHANG Xiliang1,WU Rong1,ZHAO Lin1,WU Zhanao2

(1.School of Mechanical Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China; 2.The 359th Hospital of PLA, Zhenjiang 212013,China)

This paper takes the powder aerosol as detection object, and designs non-contact ring-type electrostatic sensors based on electrostatic method to construct the sensor structure model. The sensitivity of the sensor is analyzed by finite element method, and the structural parameters are optimized. Designing the signal processing and application circuit for the electrostatic induction sensor and applying it in mistorizer to realize the objective of real-time detection for powder concentration of aerosol particles in atomization inhalation therapy. The application experiment shows that the airflow velocity has significant influence on the output signal of the sensor. When the airflow velocity is 5 L·min-1, the detection error of powder concentration of aerosol particles is ±4.8%. The result indicates that it meet the requirement of detecting powder concentration of aerosol particles in mistorizer.

powder aerosol;electrostatic sensor;particle concentration;finite element simulation

2017- 04- 27

2013年全軍醫(yī)藥衛(wèi)生科研項(xiàng)目重大專項(xiàng)(12216)

焦鋼(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)與儀器。張西良(1964-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：農(nóng)業(yè)信息檢測(cè)傳感器及智能儀器。

TN911.7;TP212.2

A

1007-7820(2018)02-061-05