CN88101279A - 泵控制系统 - Google Patents

Abstract

一泵控制系统中，泵送机构使一对电容器板作相 应移动。用交流信号激励电容器板，检测电容器板所 产生信号的幅值，用调幅表示泵送力。将泵送力转换 成泵送压力。检测泵送过程的泵送压力峰值和灌注 过程的最小压力，确定使两压力级之间转换所需的泵 送循环部分。两压力级的差除以泵送循环的转换部 分得出泵室柔顺性的值。柔顺性值对总循环时间的 比乘以泵室标称容量即为未泵送量，从标称容量减去 未泵送量即为泵循环过程的实际泵送量。

Description

本发明是关于流体输送系统，特别是关于用静脉注射泵控制肠胃外溶液的输送的控制技术。

在静脉内或动脉内输送流体的泵送系统是公知的技术，而且是世界各地的医院日常广泛使用的先有技术。这些系统通常用以在静脉内或动脉内输送诸如葡萄糖溶液和血浆之类的流体和输送药物，这一切都是根据病人的需要（输送药物时则根据所输送药物的浓度）在输送速度受控制的情况下进行的。

与本发明同时申请题为“泵压力传感器”的美国专利申请116.0140介绍了一种新型的泵-压力传感器组合系统，在该系统中，由一电动机驱动的挠性杆交替地使一个用后即弃的泵箱压缩和膨胀。挠性杆的运动促使附在挠性杆上和附在配对的传感器杆上的电容器板作相对运动。测量各电容器板电容值的变化，即可测出泵送力，从而可测出经泵箱泵送的溶液量。这种系统深受用户的欢迎，因为采用用后即弃的泵箱可以确保每个灌输作业都使用新的消过毒的泵箱。这种方法很经济，因为泵箱系采用价钱不贵的聚合材料制成的。

但采用塑料箱在流体的精确计量方面有困难。泵送力作用到泵箱上时，塑料会变形或膨胀，泵箱的体积会发生变化。这种现象叫做泵箱的柔顺性。相应地，当取消泵送力，且在灌输过程中的泵箱中产生相对于进口压力为负的压力时，塑料泵箱就会松弛成不同的体积，这叫做非柔顺性（depliance）。泵箱变化着的柔顺性和非柔顺性会使流体的输送率产生误差。

根据本发明的原理，提供了一种测定泵箱柔顺性或非柔顺性的方法。用测出的泵箱柔顺性或非柔顺性确定一个泵送循环过程中实际的流体泵送量，然后应用此实际泵送量校准泵送率从而精确控制流体的输送。

柔顺性或非柔顺性的精确测量是以精确知道在泵送循环过程中泵箱中的流体压力为前提的。而这一点又要求精确传感用杆子上的电容器板测量出的泵送力。根据本发明的另一个方面，电容器板的电容值是通过用交流信号激励电容器板测量出来的。所检测出的交流信号，其幅值随电容值而变化。交流信号系按幅值检测以提供表示泵送力的信号。然后用此信号产生定量限定泵送力的数字信号。

所希望的泵送率一经作了泵箱柔顺性作用的校正，就必须将泵控制得使其达到所希望的流体泵送率。根据本发明的另一个方面，泵电动机是借助于一反馈环路进行精确控制的。在该环路里，电动机是由与环路的某一误差系数成正比的信号驱动的，环路误差系数则部分由第一预定数确定。电动机转动时，其位置由一位置传感器监控。来自传感器的位置信号与获自所希望的流体输送率的泵速率控制信号结合起来使用以产生控制数。第一预定数减去该控制数即得出环路误差系数。这种控制方法在精确度成为特别重要因素的低流体输送率的情况下能提供特别精确的控制。

附图中：

图1是根据本发明的原理构成的泵控制系统示意图，一部分以方框图的形式表示，一部分以原理图的形式表示;

图2是图1力传感电路和力校正和检测配置方式的详图，一部分以方框图的形式表示，一部分以原理图的形式表示;

图3是说明本发明的未泵送流体体积确定技术的原理的波形示意图;

图4举例说明了确定未泵送的流体体积的流程图;

图5是图1电动机控制器的详细示意图，一部分以方框图的形式表示，一部分以原理图的形式表示;

图5a是图5所采用的电动机控制的原理方框图;

图6和图7是确定图5和图5a电动机控制器中的泵速控制数的流程图。

参看图1，这是根据本发明的原理构成的泵控制系统。该控制系统控制前面谈过的美国专利申请116.0140中所进一步详细描述的电动机驱动泵和泵箱的运行过程，本说明书将该专利申请的内容也包括进去以供参考。如图1所示，该申请的系统有一个直流电动机44，将该电动机激励用以转动电动机的轴46。轴46上连接有传动齿轮50，传动齿轮上有一个凸轮槽52。传动齿轮的外周边呈锯齿形，其上形成均匀间隔的槽口和齿56。传动齿轮转动时，齿56通过光学位置编码器90。齿轮上的齿遮住射向各齿56和交错槽口的两束光束。各光束彼此间隔相当于一槽口和一齿跨距的四分之一，且为两个光传感器所接收。当齿遮住光束时，传感器产生两个彼此正交的方波。在所图示的实施例中，齿轮周边共有三十二个齿，因而正交信号提供的位置分辨率为齿轮转一圈的行程的1/128。

沿传动齿轮50边缘配置有磁铁94。磁铁经过位置编码器90旁边时，使编码器中的一个磁力笛簧开关闭合。笛簧开关的闭合向系统发出信息：泵循环已达到一个“复位”位置或参考位置。

凸轮槽52中载有凸轮15。在泵送循环过程中，凸轮沿凸轮槽走，其与轴46的径向距离发生变化。此变化促使凸轮及其所附属的杆横向运动，如箭头16所示。这样，凸轮槽和凸轮就把电动机轴的旋转运动转换为线性的往复运动。

凸轮往复运动时，推动传感器杆70的底部和它所附属的挠性杆68。挠性杆68的顶部用枢销62钉住，当其底部移动时，挠性杆绕该框销挠曲。在泵转动的过程中，传感器杆仍然不挠曲。处在枢销与驱动轴承之间中间位置的挠性杆上有一个横向延伸的泵传动装置74。泵传动装置装有倒钩，因而当它与泵箱77的驱动接收器146接合时自行插入接收器中。驱动接收器146安置在泵箱膜片的外表面上。驱动接收器和膜片由聚乙烯之类的聚合材料制成，因而接收器146不难插到带倒钩的泵传动装置上，从而使膜片为传动装置所驱动时不难移入和移出泵箱内的流体室。当传动装置将膜片驱入流体室中时，室中压力增加，直到它迫使泵箱底部的出口阀打开为止。于是流体就通过出口管88泵送出去。当传动装置使膜片退回时，出口阀关闭，减少着的室内压力会使泵箱顶部的入口阀打开，于是允许入口管80所提供的流体灌入流体室中。因此泵的整个循环由灌注操作和抽送操作组成。

挠性杆68顶部安置有电容器板64，传感器杆顶部安置有电容器板66。当挠性杆在泵循环过程中挠曲时，两电容器板会彼此相对移动。于是电容器的电容值相应地改变，从而量度了泵传动装置74加到泵箱膜片上的力。此力可以是正的也可以是负的，且与泵箱流体室中的流体压力有关。

电容器板64和66由引线40和42连接到力传感器电路100上。此电路激发来自电容器板64和66的信号，并对这些信号解码，以便提供表示泵传动装置作用在泵箱77上的力的信号。此信号加到力校正和检测电路102上，该电路产生力的定量测定值。压力转换程序104应用该力测定值，并产生一表示泵箱中流体压力的信号和一表示泵箱出口回压的信号。速率转换、显示、警报和控制子系统120提供系统中各种操作参数的直观指示，监控系统的各种故障情况，并成为用户输入系统操作参数的接口。特别是，子系统120成了操作人员输入所希望的流量的装置，电动机控制器即利用此流量值确定泵的运转速率。

泵箱压力测定值与来自电动机控制器110的位置信号一起加到测定未泵送流体积的子系统106上，以便可以测定出因泵箱的柔顺性或非柔顺性而未泵送出去的泵箱流体的百分率。实际正在泵送的流体量的测定值供到流量-速率转换器108，由该转换器产生控制电动机转速用的信号。转速控制信号加到电动机控制器110上，由该控制器进行泵电动机44的闭环控制。电动机激励信号由引线48加到直流电动机上，位置信号则在引线92上返回，使电动机控制回路接通。

参看图2，这是力传感电路100与力校正和检测电路102的详细电路。举例说，100千赫的时钟脉冲信号CLK加到“D”型触发器130的时钟脉冲输入端上。触发器130的 Q输出端系耦合到触发器的D输入端，从而使触发器可以连续地将CLK信号除以二。触发器130产生的信号CLK1加到电容器的其中一块板上，并加到开关152的控制输入端上。互补信号 CLK1加到微调电容器132上，还加到开关154的控制输入端上。微调电容器132系调节得使系统中的杂散电容等于零。电容器板64、66产生电容C_s，电容C_s的大小随电容器板间距而变化，变化范围一般在1微微法左右。加在放大器140输出端的交流信号CLK1，其调幅反映了电容器板变化着的电容值。

经调制的电容信号加到放大器140的一个输入端上。放大器140有一个反馈电阻器144和一个反馈电容器142。该放大级对所加交流信号的增益等于C_s/C_f，其中C_f为电容器142的电容。放大器140的第二个输入端接收参考电压V/2。图2的电路是以普通的+5伏直流电源供电而设计的。此电源电压加到一分压器（图中未示出）上，由该分压器产生低阻抗值的中间电压V/2。通过取此中间电压电平作为电容检测电路的参考电压电平，交流电容信号实际上就以两供电线中间的该电压电平作为参考电压电平。放大器140输出端的标称信号电平约为50毫伏峰间值。

放大器140输出端的交流信号电容性地耦合到同步检测器150的两个输入端，由检测器150同步检测电容信号的调幅情况。两同步受控开关152和154的输出端也耦合到同步检测放大器156的输入端上。鉴于两同步控制开关152和154系由激发电容器板64和66的同样CLK1和 CLK1波形而接通或断开的，因而开关过程总是在与电容信号已知的相位关系上进行的。这些开关交替控制着放大器156，使其具有负的高增益或正的高增益，与交流电容信号同步。因此同步检测器150产生表示电容器板64、66的电容、因而也表示传动力的直流电平。在所举的实施例中，同步检测器的增益约为20。在转换加到放大器156上的信号时所产生的“脉冲尖峰”由电容器158和162滤掉。

同步检测器150所产生的直流信号经放大器160进一步放大，在放大器160的输出端上产生表示泵箱传动力的最终直流信号。力信号经检测和校正之后就得出力的量化数字测定值。

表示力的直流信号加到比较器170的同相输入端，由比较器170将此信号的电平与数-模（D/A）转换器182所产生的信号的电平进行比较。电阻器172和174的相对值确定了比较器的滞后现象，使比较器170具有滞后现象，从而使其有效地改变各种状态而不致有跳动现象。比较器所产生的比较信号会显示出两种状态中的一个状态，并指明表示力的信号是大于或小于D/A转换器产生的由计算机发出的信号。

比较信号的状态由逐次逼近子系统180检测出，该子系统通过计算机控制试图将表示力的信号与总线188上的八位数字信号相匹配。子系统180系通过从最高有效位开始，将总线188上的各位对应于所检测到的比较信号状态的变化顺序置位而逐次逼近，来进行上述匹配。总线188上逐次更新了的信号经反复转换成模拟信号后与表示力的信号进行比较，直到所有八位确定为止。经过八次迭代之后，总线188上的数字信号与表示力的信号的匹配程度在1/256范围内。这种迭代法免除了在放大器160的输出端上设分立的模-数转换器（A/D）的需要。

确定总线188上的八位力信号之后，将该信号加到力查阅表184上，由该表产生对应于量化了的传动力的数字信号。这可在图2所示的硬件中完成，方法是在确定某一匹配状态时使力查阅表起作用。但也可以在软件中简便地完成。由于逐步逼近比较的八次迭代总是达到匹配的结果，系统会一直等待到在从力查找表184接收一值之前已进行八次逐步逼近的迭代为止。这时，该表会提供准确的力值。

在制造和校正图1的装置时，可以从凭实验得出的力设定值计算出力查阅表。泵箱77用连续往泵传动装置74施加十二个已知力的装置代替。这些力，举例说，可分布在宽达+7.5磅至-3磅的范围内。各力施加上之后，显示并记录总线188上的数字值。十二个值全部记录好之后，输入曲线拟合程序中，该程序将256个离散的力值曲线拟合到十二个测量值。然后将256个力值输入到用作系统的力查阅表的只读存储器中。

从力查阅表184接收某一力值之后，压力转换程序（图1）就将测出的力转换成系统所需要知道的若干压力等级。举例说，以磅/平方英寸为单位的泵壳内流体压力可通过将力值除以泵箱流体室的等效面积求出。流体室的面积不难凭实验求出，方法是往泵箱上加一已知力，然后测定出总的流体室的磅/平方英寸为单位的压力值。将以磅为单位的力和以磅/平方英寸为单位的总压力结合起来就得到以平方英寸为单位的等效面积。举例说，若已知泵箱的面积为0.5平方英寸，力的大小为6.25磅，则泵箱的压力等于两者的商，即为12.5磅/平方英寸。要求出引入端的流体压力或回压，则可从泵箱压力减去打开泵箱出口阀所需的压力或开启压力。举例说，若出口的开启压力为5磅/平方英寸，则12.5磅/平方英寸的泵箱压力会得到7.5磅/平方英寸的回压测量值。子系统120不断地监控着该回压测量值，看它是否保持在容许的范围内。

测定压力时还可能需要考虑对所测的力有影响的其它因素。举例说，泵传动装置或传动齿轮可以是受弹簧作用的，以除去系统的机械部件的间隙，且弹簧力可能会影响所检测的传动力，因而必须作为一个因素在计算过程中予以考虑。在采用塑料泵箱时，泵箱可能会具有回弹力，而这些回弹力是泵的工作周期与泵速的函数。此外，塑料泵箱会随泵箱的塑料工作时间的推移而出现某些作为泵工作周期函数的应力松弛现象。所有这些因素在将力换算成压力测量值时都应考虑进去。

泵箱压力测量值用以确定各泵送循环过程中泵箱所泵送的实际液体量。图3举例说明了确定泵箱的泵送量的原理。图3a中的曲线200表示在整个泵送循环中的凸轮高度或凸轮槽52偏离驱动轴46的变化。泵送循环分为两个操作阶段：泵送操作阶段-这时液体通过出口管88排出，和灌注操作阶段-这时液体通过进口管80再度灌入。图的上部以整个泵循环的度数表示了凸轮的位置，还以位置传感器信号128个不同的相位表示凸轮的位置。在本实例中，泵送操作是从位置0延伸到位置64，灌注操作则从位置64延伸到位置128，不过，两种操作过程也可以按需要分配成不相等的比例。

图3b的曲线202显示了一个完全非柔顺性的（即刚性的）泵箱的一般压力响应曲线。在这类泵箱中，在开始进行泵送操作时，压力会即刻升到峰值。在图3b中，可以看到压力峰值为+12.5磅/平方英寸。当循环从泵送操作转移到凸轮位置64的灌注操作时，泵箱压力即刻降到其灌注压力值，图中所示为-2磅/平方英寸。这些压力会随操作程序的不同作为诸如泵箱出口回压和由流体源相对于泵箱的高度确定的进口输送压力等系数的函数而变化。

在象泵箱77那样的聚合材料泵箱中，压力响应曲线不会象曲线202所示的那样，而是会显示出柔顺性与非柔顺性的影响。柔顺性为50%的泵箱，其压力响应曲线如图3C所示。由于50%柔顺性的原因，泵箱压力在整个泵送操作的开头-半（位置0至32）会逐渐上升，如线210所示。在位置32，柔顺性已被吸收，且由于出口阀在其打开（开启）压力下打开，压力在峰值压力P_泵上成水平。在灌注操作在位置64开始之前，压力仍然由线212表示。然后泵箱的非柔顺性影响着压力，压力慢慢下降直到位置96为止，如线214所表示的那样。这之后，灌注压力保持在P_灌注的水平，直到灌注操作在位置128完成为止。

泵箱柔顺性的量可通过测量泵送循环过程柔顺阶段的压力变化加以确定，用线210表示。但最好是借助于灌注操作过程在线214周围产生的非柔顺作用来测定泵箱的柔顺性。之所以要这样做是因为流体室压力这时与末端压力无关。灌注操作一经开始，泵箱上的出口阀关闭，从而将泵箱的非柔顺性与引入端的压力影响隔离开来。当泵送操作系用以确定柔顺性时，出口阀不是打开着就是即将打开。阀门真正打开时的压力大小是系统控制范围以外诸变量的函数，例如，病人的动作会突然降低或提高引入端回压的可能性。这类动作不仅会使出口阀在从一个循环到另一个循环的不同压力下而打开，而且输入泵箱中的变化着的回压还会在测定过程中使柔顺性发生变化。通过在灌注操作过程中测量非柔顺性就可以避免这些困难和不精确性。

同时参看图4的流程图即可了解确定因泵箱柔顺性和非柔顺性的原因而未泵送的液体量的方法。过程是在接收到来自位置传感器90的“复位”信号时开始的。这是在磁铁94反向作用于笛簧开关时笛簧开关闭合所产生的信号。复位信号向系统表明，凸轮正趋近位置64，灌注操作即将开始。于是系统开始在相应的凸轮各位置迅速取样。最初，这些测量会在泵送操作结束时进行，这时泵箱仍然处在压力P_泵的作用下，如线212上的各取样点所示。当灌注操作开始时，泵箱出口阀关合，且由于出现非柔顺性效应，系统继续获取压力和位置测量值的数据对，如线214上的各取样点所示。最后达到稳定的灌注压力值P_灌注，在此最终值下，系统获得一系列数据对。

接下去，系统确定绝对压力值P_泵。这是这样进行的：累积连续的初始压力测量值并求出它们的平均值，直到得出97%累积平均值的测量值为止。此程序确定了P_泵的值。用类似的程序确定绝对压力值P_灌注。累积后来出现的压力的测量值，并求它们的平均值，方法是相对于获取时间往回进行，直到获得103%累积平均值的测量值为止。此平均化程序确定了压力值P_灌注。

接着用曲线拟合程序确定线214。曲线拟合所使用的数据对是从106%P_灌注水平到93%P_泵水平范围的数据对。对显示很小柔顺性的泵箱来说，这些数据点可能只有几个，而当泵箱具有高度的非柔顺性时则可能会产生一百以上的这类测量值。拟合这些数据点的曲线DEPL就会界定关于泵箱压力随凸轮位置的变化而变化的非柔顺性曲线。

然后用上述三个测定值计算泵箱处在非柔顺性情况下时凸轮位置的数目。此计算是通过将P泵与P灌注的差值除以非柔顺性曲线DEPL进行的。此计算确定泵箱处在柔顺力的松弛作用下且由于该体积上的变化而未加以灌注时凸轮位置的数目。此范围在图3中以“未灌注的位置数”表示，而在本实例中则为32个位置。

接着是采用非柔顺性期间出现的凸轮位置数来确定未泵送的体积。这是在泵送循环过程中仍然留在泵箱中且在柔顺性过程中占据增加了的流体室体积的液体量。未泵送体积是这样确定的：将非柔顺性位置数除以总的灌注位置数，再将此比值乘以泵箱的标称容量。泵箱容量可通过实验确定，方法是测量泵箱膜片伸入流体室中时的排液量。在图示的一个实施例中，此泵箱容量的测定值为350微升。因此对此实例来说，未泵送体积等于（350微升）×（位置32/位置64），即175微升。

这时就可以从泵箱标称容量减去未泵送体积来确定泵循环过程中实际泵送的液体量。对上例来说，在一个循环中实际泵送的量为175微升。

此方法适用于任何可用于某一已知系统的泵送位置对灌注位置的比值。举例说，可能需要在四分之一泵送循环内迅速灌注泵壳，然后在剩下的四分之三泵送循环内进行泵送。这种泵送-灌注比，举例说，可用以在大部分泵送循环过程中在注入端维持足够的回压，使静脉保持畅通，且在极低的引入速率下非常需要这种泵送-灌注比。

为精确测定引入速率并在将液体输送给病人的过程中保持输送量测定的精确性，实际泵送量的测定是在各泵送循环期间进行的。尽管在使用单个泵箱时，柔顺性的效应通常相当恒定，但从一种聚合材料泵箱另一种聚合材料泵箱，观察到柔顺性的变化达20%之多。

图5a是图1的电动机44控制回路的原理示意图。原则上，计数器240是按预定的脉冲N恒速递增的。计数器的输出是一个误差信号“计数值”，该计数值会及时达到能激励直流电动机244的电平。电动机受激励时，编码器290检测出电动机的位置变化，并发出位置信号P。位置信号P与速率控制系数K相乘的乘积即为KP项值。KP项值使计数器240的计数减少，从而减少反馈控制方式中的计数。这样，电动机控制的控制算式可用下式表示：

计数值＝N-KP

已经发现，这种控制方法用以控制泵系统特别准确，尤其是在灌注速率非常低时更是如此。由于计数器240是以固定速率递增计数的，因而其递增计数速率始终是可以精确知道的。灌注速率是通过从该速率已知的固定数N减去项KP进行控制的。在灌注速率极低的情况下，电动机会处于通断控制状态，而通断控制最好是在泵的动作不波动或突然变化的情况下进行。通过KP项控制负反馈，可以达到平稳运行。当计数值达到能激励电动机的大小时，马上就检测出位置变化，同时计数器240减少KP项值。在低灌注速率下，递减计数会使计数值减少到低于电动机的激励电平，由于是负反馈，因而使电动机停下来。这时计数器会恒速递增计数直至电动机再次受激励为止，同时控制方式会因此按该受控重复方式继续进行下去。

用这种控制方法，就可以在较高的灌注速率下使用较小的K值，在极低的灌注速率下使用较大的K值。之所以具有这种关系是因为项N的值递增速率固定的缘故。这种关系使得在需要高分辨率以精确控制低灌注速率时可以在低灌注速率下使用大的K值。

项K有两种表示的方式：

K＝f/速率    （1）和

K＝N_R/V_R（2）

其中速率是指以毫升/小时为单位的流量;N_R是在一个泵循环（或泵电动机的一转）中的N脉冲数，V_R是泵电动机转一圈时以微升为单位的泵送量，f是转换系数。项K以每微升的N脉冲数为单位表示。因此，从以上两式的第一式中，f是以（N脉冲）（毫升/（微升）（小时）为单位表示。现假设N的固定速率为每2.5毫秒1个脉冲（或一个递增计数值），即每秒400个脉冲的脉冲频率，则通过直接变换计算可以确定转换关系f为1440（N脉冲）（毫升）/（微升）（小时）。

现在举一个简单的例子来说明在实现本发明的控制方法时如何应用这些式子。从图1中可以看出，流量-转速转换器通过子系统120从操作人员接收所要求的流量。假设所要求的流量为100毫升/小时，泵电动机每转一圈的泵送量为350微升。这时按（1）式就可计算出

K＝1440/流量＝1440/100＝14.4

从（2）式求出泵电动机转一圈时的N脉冲数，可知：

N_R＝KV_R（3）

从（3）式可知：

N_R＝（14.4）（350）＝5040

即泵电动机每转一圈为5040N个脉冲。从图3可以看到，泵每转一圈总共有128个电动机位置检测点。将5040除以128得出K值为39.375。因此每次有一个位置信号产生时，计数器240在理论上减少39.375，使泵送系统在所要求的100毫升/小时流量下运行。

在某一段时间内，计数值会围绕某已知水平稳定下来，同时N和KP在任何时候都在增加。这样，在该时间内：

N≈KP

其中，在本实例中，该式两边都是5040的倍数。

现在参看图5、6和7，诸图中进一步详细显示了图1的速率转换器108和电动机控制器110。K值的计算是在子系统300中进行的。子系统300接收复位信号、上一次从图1的未泵送体积测定子系统106的泵送量的测定值、和操作人员所输入的要求流量值。子系统300还从2.5毫秒计时器302接收计时中断信号。计时器302将计时中断脉冲加到除8计数器304和双位开关306的一个输入端。计数器304的输出耦合到开关306的第二输入端上。开关306的臂将脉冲N加到16位加法器340的一个“加”输入端上。在加法器340的另一个输入端上，每次出现一个P信号就减去K值。加法器340输出端的低八个位（0～7）系加到D/A转换器350的输入端。加法器输出端的下一个最高有效位8加到极限检测器344上，加法器340的符号位16则加到D/A截止子系统342上。子系统342的输出耦合到D/A转换器350的截止输入端。极限检测器344的输出耦合到子系统342的一个输入端。

D/A转换器350的输出耦合到脉宽调制器352上，脉宽调制器352则产生宽度相当于加到调制器的输入信号电平的脉冲。来自调制器352的脉冲通过金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET    354加到电动机电路的线圈360上。线圈360存储和释放来自所加脉冲的能量，以便在电动机44两端形成直流电压，电动机44则耦合到供电电压源V上。停止开关364a和364b与电动机144串联，在线圈364C激励时打开。电动机44和线圈360两端耦合有二极管362。

电动机44的轴及其驱动齿轮转动时促使齿轮的齿遮住光学编码器90的光束。编码器的正交位置信号都加到位置变化检测电路390上。复位信号系加到子系统300上。检测电路390将位置变化信号P加到子系统300和加法器340上，也加到未泵送量测定子系统106上（图1）。

工作时，当开关106处在图5所示的位置时，累积在加法器340中的总和通过每2.5秒增加N个脉冲而不断增加。这是开关在流量较高时所处的位置。在流量极低时，开关则处在另一个位置上。这时，每2.5秒产生的计时中断脉冲就被除以8，从而每20毫秒就产生N个脉冲。这种换算的目的以后会详细说明。

每次电路390检测出电动机位置的变化时就有一个P脉冲产生，促使加法器340从其累积总和中减去K值。这样，每2.5毫秒或20毫秒，加法器340中累积的总和值就不断增加N个脉冲，并在每次产生一个P脉冲时定期使其减少一个K值。

加法器340的低八个位系耦合到D/A转换器350上，D/A转换器350则将计数值转换成一个模拟电压电平。这些位表示公式N-KP。D/A转换器的输出电平又对脉冲宽度调制器352所产生的脉冲宽度进行调制，该脉冲宽度则确定加到电动机44上的直流电平，因而也确定电动机的转速。在图示的实施例中，加法器大致等于32的计数值是电动机激励得足以开始转动的阈值。计数值大于32时促使电动机按比例以更高的转速转动。当加法器的计数值达256时，加法器的位8改变状态，表明电动机处在超速状态。该位由极限检测器344检测，软件即利用它来使泵停下来。当加法器计数值第一次达到256时，底位0-7开始时系保持在255计数值，以维持电动机的高转速，同时系统监控着泵的运行情况，以确定这是否仅是暂时的状态。若然，则加法器立刻就会递减计数到256以下的计数值。但若计数值仍然处在256以上的计数值，长达不能容许的时间，则极限检测器344会触发D/A截止子系统342，于是D/A转换器停止起作用，清除掉电动机上的电压。

前面已经谈过，当系统在极低的流量下运行时，K值较大。从加法器计数值减去这些大的数值预料可以促使加法器中累积有负值，直到N个脉冲将总和增加，返回到正数为止。当加法器保持负数时，加法器的符号位16促使D/A截止子系统使D/A转换器停止作用。这可防止D/A转换器象正数值时那样对负数值响应，且在加法器递增返回正数值时还可以节省系统的电池电能。

故障检测齐纳二极管370和电阻器372耦合在电动机的两端，电阻器374和376则将二极管370与电阻器372的接合点耦合到晶体管380的基极上。线圈364C耦合在晶体管380和382的集电极与地之间。为保护电动机因元件出故障（例如MOSFET    354短路）而失去控制，齐纳二极管370不断地监控着电动机的激励电压。电动机电压过量时促使二极管370导通，从而使晶体管380导通。这时会使线圈364C激励而使开关364a和364b断开，从而切断电动机的线电流。

晶体管382对在泵停止系统（图中未示出）中检测出的电动机失控运行情况作出响应。在该系统中，控制系统的微处理机通常定期访问一个监控计时器。若微处理机通过位置变化信号检测到电动机是在不受控情况下运转，则会停止对监控计时器的访问。微处理机不访问监控计时器经过预定的时间之后，监控计时器会促使泵停止系统去激励晶体管382和线圈364C，这使开关364a和364b打开，并切断电动机的线电流。

为节省电池的电能，会光学编码器只定期工作。每次计时器中断计时时，光学编码器90中的其中一个光束发射器被激励，于是来自其相应光束传感器的输出就被检测和存储起来。经过2.5毫秒之后，下一个计时器中断，促使传感电路390激励并检测其它光信号。两传感器信号的状态与它们原先记录下的状态加以比较。若检测不出什么变化，则不产生输出。但若检测出其中一个信号状态发生变化，传感电路390的输出端就产生一个P位置变化的脉冲。这种比较法能检测出转动的正方向和反方向，而采用位置信号的子系统被调整成对此有所响应。子系统300中的P脉冲计数器累积着从上一个复位信号起出现在P脉冲数，从而累积着现行凸轮位置的测定结果。

在本发明的一个最佳实施例中，K计算子系统300的诸功能实际上主要由微处理机的软件程序如图6和图7的流程所示）来执行。从图6流程图的上部开始，泵在灌注过程中原先所传送的总溶液量（总泵送量）系通过将上一个泵循环过程中的泵送的由子系统106测定的泵送量加到现行的累积值加以更新的。然后将总泵送量除以泵的工作时间（泵送的总持续时间）即可计算出整个过程测出的流量（净流量）。将上一次的泵送量除以泵上一转的持续时间即可计算出上一次泵循环过程中测出的流量。从操作人员所要求的流量（净目标流量）减去净流量测定值即可计算出（净）长期流量误差。从泵上一转的目标流量减去上一次的流量测定值即可计算出上一个泵循环过程中的短期流量误差（上一次的流量误差）。为提供对流量主要变化的快速响应情况，就必须计算一个微商项，即求出上几次流量误差加权和的平均值。泵下一转的目标流量，即流量设定值，这时就可以通过对净目标流量和净流量误差、上一次流量误差和流量误差微商进行加权并求和计算出来。选择加权系数G1、G2和G3各值是选择系统对各种长期和短期操作参数变化所要求的响应的一种方法。

流量设定值（以毫升/小时表示）的计算是已对泵箱的柔顺性作了校正的，因为这种计算是从上一次泵循环过程中由柔顺性测量子系统测定的实际泵送量开始的。因此实际数通常会显得比操作人员所设定的流量值大。举例说，若泵箱的柔顺性为50%，要求的流量设定值为100毫升/小时，由于柔顺性校正的结果，灌注流量可能会达200毫升/小时。从上面谈到的应该理解的是，流量设定值的计算会不断地驱使系统趋向所要求的流量。

流量设定数值一经确定下来，要达到电动机控制回路适当的K值有好几种方法。其中一种直接的方法是用流量设定数值直接查找K值查阅表。凭各流量设定值即可从该表中查出对应的K值或一系列准备用于泵送循环的各种不同阶段的K值。举例说，凭流量设定数值可能会查出两个K值，一个K值用于泵送操作过程中，另一个K值用于灌注操作过程中。举例说，可采用两个以上的K值在循环过程中使泵加速运行，然后再使泵慢下来。

已经编制过这类K值的查阅表，但发现需要使用大量的存储器。因此最好是根据图7的流程图所概述的软件程序计算K值。新的K值是在各泵送循环在其某预定时间开始的情况下（例如出现复位位置信号时）计算出来的。该程序首先确定流量设定值数是在大流量（快）、中等流量、抑或小流量（慢）的范围内。若流量设定值数处在大流量范围内（例如下例中的740毫升/小时）则程序就往下进行到流程图的左侧栏。

流程图各分支的第一步是计算泵每一转的计时器的中断计数值TC。假设柔顺性测量的结果确定了各泵送循环过程中实际的泵送量为300微升，则利用上式（1）和（3）可知N＝（1440/740）（300）＝584TC/转。

下一步是将584    TC/转分配到整个128个泵位上。将584除以128得出各位置的初始K。值为4，余数为72。将128个泵位分为四组，每组32个位置，两个位置供泵送操作之用，两个位置供灌注操作之用。此实例中四组各位置的K值分别为4、4、4和4。

现在把余数72以32为增量分配到32个位置组成的各组中，从由32个灌注位置组成的那个组开始分配。从余数72减去32得出另一个余数40。由于另一个余数为正数，因此最后一组中各位置的K值增加到5，于是四个组的顺序这时为4、4、4、5。

再从余数40减去32，又得出一个正数余数，这次等于8。由于余数是正数，因而需要使另一组增值，于是四个组的顺序这时为4、4、5、5。

再从余数8减去32，这时得出一个负的结果。根据此负结果，该程序就离开该回路，且下一个循环的K值，其分组顺序为4、4、5、5。

这就是说，泵循环的头32个P脉冲采用K值4。于是此四分之一循环的K值总和为128。在泵送操作的下半个过程采用同样的K值4，因此泵送过程中的总K值为256。

同样，在灌注操作的64个P脉冲中采用K值5，于是整个灌注操作过程中累积的K值为320K值。在泵送和灌注过程中，从加法器的总计数值减去576K值，在此期间576个N脉冲会使加法器增值。这是在所要求的584    TC/转的1.4%的范围内，也就是说，泵将以比所要求的转速稍快一些的转速运转。这个小误差会在在新泵送循环结束之后重新计算流量设定数值时予以校准。

为举例说明流程图中的中间分支部分，假设流量设定数值为85毫升/小时，泵每一转的泵送量测定值为302.2微升。再利用式（1）和（3），可知N＝（1440/85）（302.2）＝5120    TC/转。在此中等灌注率的情况下，预定的K值是用以将灌注率维持在大约175毫升/小时的等效流量。灌注过程中各位置的预定K值为16，因而整个64个灌注位置总的累积K值为1024。从5120    TC/转减去此K累积值得出4096，此4096应分配到整个泵送循环。将4096除以64个泵送位置得出的K值为64，在泵送操作过程中每次出现P脉冲时就要将该K值64减掉。因此举例说，在泵送过程各位置从加法器的计数累积值减去K值16，在总K值为5120等于所期望的N脉冲数时，在泵送过程各位置减去K值64。可以看出，该中等流量的这些K值大体上大于在较大流量的实例中所使用的4和5值。

流程图的第三个（慢速）分支是从中等流量程序中改变过来的。在此流量极小的情况下，所期望的TC/转值是相当大的。举例说，采用泵送量为300微升/转的泵箱，流量为1毫升/小时时，TC/转值则为432，000。但为了在大部分泵送循环中保持正回压，再次以相当于175毫升/小时的流量灌注泵箱，要求总K值为1024。从TC/转值减去此值TC_灌注。泵送循环以同样的流量175毫升/小时开始，并监控泵箱的压力，直至一达到出口开启压力且出口阀打开为止。这样，举例说，会有十个泵送位置，累积160个K值。这个数叫做TC_TO开启，也要用TC/转值减去这个值。在此两个操作之后，泵就一直处于快速灌注和快速泵送状态，以便在灌入端形成正回压。

但这时降低了的TC/转值仍然超过430，000，因而要将此数分配给泵送操作所有剩下的位置数，在本实例中此数为54，以形成所要求的1毫升/小时的流量。这一下K值就非常大，几乎达8000。要按此大的数值对系统进行换算可将K值除以8，于是泵送操作其余位置的K值-K约为1000。与此相应，开关306就转换成将计时器中断脉冲序列除以八，这就完成了N脉冲数的换算。

作为图7所示在计算结束之后进行换算的另一种方法，计算顺序也可从事先换算过的数开始，这样做可能更好。由于液体真正泵送出去是只有在头十个泵送位置之后达到出口开启压力之后才开始的，因而液体只是在64个泵送位置的最后54个位置才泵送出去。因此应将一完整泵送循环过程中的泵送量（在此实例中为350微升）乘以54/64，于是得出295.3微升/转的泵送量。这时可以用此值并用f/8＝1440/8＝180的换算值解方程（1）和（3）。由此可知：

N_R＝（180/1）（295.3）＝53.154TC/转

将TC_灌注除K值除以8得1024/8＝128，对TC_TO开启也进行同样的换算，得出160/8＝20。从53，154减去此二值，得出TC/转值为53，006，此值即准备分配给正在输送液体的54个泵送位置。可知每个泵送位置的K值约为982。在泵送循环的这些阶段期间，64个灌注位置各自都采用等于2的换算值，以及十个泵送位置各各也都采用等于2的换算值，直到出口阀打开为止。

应该理解的是，在此1毫升/小时非常小的流量下，泵在大约20秒的时间内前行一个位置。此外，可以看出，每次减去大约1000左右的K值会驱使加法器的计数值成为真正的负值，从而使电动机形成维持极小灌注率所需要的起动和停止的运行方式。

Claims (25)

1、一种液体泵送系统，它具有一个呈现柔顺性且能在灌注循环和泵送循环工作的泵室，设备包括：

压力测定装置，用以在灌注和泵送过程中测量所述泵室中的压力；和

循环部分确定装置，用以确定所述泵室中的压力在大体上恒定的泵送压力与大体上恒定的灌注压力之间转换时的循环部分；

其特征在于，所述部分对所述总循环的比值表示所述泵室的柔顺性。

2、如权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

比例确定装置，用以确定所述部分对所述总循环的比例;和

计算装置，用以计算所述比值与所述泵室标称容量的乘积，从而确定由于柔顺性而未泵送的液体量。

3、如权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统还包括：

减法装置，用以从所述泵室的所述标称容量减去所述由于柔顺性而未泵送的液体量，从而确定所述系统所泵送的液体量。

4、如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述循环部分是所述灌注循环的一部分，所述总循环是总灌注循环。

5、一种液体泵送系统，用交替移动在交替泵送和灌注循环中将液体排入和排出一泵室的装置来泵送液体，设备包括：

排液量确定装置，用以确定所述排液装置在所述泵室中的排液量;

压力测定装置，用以测定所述泵室中的压力;和

排液量变化测定装置，用以测定所述排液装置在所述泵室中的压力在灌注压力级与泵送压力级之间转换时的排液量变化。

6、如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述灌注压力级系最小压力级，所述泵送压力级系峰值压力级。

7、如权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统还包括比例确定装置，用以确定在发生所述排液量变化的循环过程中所述排液量变化对所述排液装置的总排液量的比例值，

其中所述比例值是所述泵室柔顺性的量度。

8、如权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统还包括乘积确定装置，用以确定所述比值与所述泵室标称容量的乘积，从而测定由于柔顺性而未泵送的液体量。

9、如权利要求8所述的系统，其特征在于，该系统还包括减法装置，用以从所述标称容量减去由于柔顺性而未泵送的液体量，从而确定所述系统所泵送的液体量。

10、如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发生排液量变化的循环是一个灌注循环。

11、一种测定液体泵送室柔顺性的方法，在该泵室中，排液装置在交替的泵送和灌注循环中处于移入和移出状态，该方法的特征在于包括下列步骤：

a）测定大体上恒定的泵送压力级;

b）测定大体上恒定的灌注压力级;

c）在压力经受所述泵送压力级与灌注压力级之间转换时测定所述排液装置的排液量变化;和

d）将所述泵送压力和灌注压力级间的差值除以所述排液量变化，以获取柔顺性的量度。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：

e）将所述柔顺性的量值除以所述排液装置在测定所述排液量变化以获取柔顺性比值在循环过程中的总排液量变化。

13、如权利要求12所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：

f）将所述柔顺性比值乘以所述泵室的标称容量，以确定由于柔顺性而未泵送的液体的体积。

14、如权利要求13所述的方法，其特征在于还包括下列步骤：

g）从所述标称容量减去所述由于柔顺性而未泵送的液体量，以确定所泵送的液体量。

15、一种操纵液体泵送系统的方法，所述液体泵送系统包括一泵室，该泵室具有一进口和一出口，在所述出口处安置有一个阀，当所述泵室内的压力达到某一给定压力级时该阀打开，所述泵送系统可在灌注操作状态下和在泵送操作状态下工作，在灌注操作过程中，液体充满所述泵室，在泵送操作过程中，压力加到所述泵室中的液体上，该方法的特征在于包括以下步骤：

在所述灌注操作过程中，以预定的流量操纵所述泵送系统;

在所述泵送操作的初始阶段以预定的流量操纵所述泵送系统，直至达到所述给定的压力级为止;

然后，在泵送操作过程中，以能提供所要求的液流的流量操纵所述泵送系统。

16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，各所述预定流量大于所述提供所要求的液流的流量。

17、如权利要求16所述的方法，其特征在于，各所述预定流量彼止相等。

18、一种液体泵送系统，其中液体泵送装置的排液量能引起一对电容器板相应的相对运动，设备包括：

激励装置，用以以交流信号激励所述电容器板;和

同步检测装置，用以检测所述电容器板的电容变化所提供的所述交流信号的幅值;

其特征在于，所述检测出的振幅调制表示所述系统所泵送的液体的特性。

19、如权利要求18所述的液体泵送系统，其特征在于，所述特性为所述泵送装置所加的力，且该系统还包括：

数字化装置，用以对所述表示力的被检测的振幅调制进行数字化。

20、如权利要求19所述的液体泵送系统，其特征在于，所述数字化装置包括逐次逼近装置，用以对表示力的数字信号进行逐次逼近。

21、一种液体泵送系统，其特征在于用来控制泵电动机转速的设备包括：

电动机转动检测装置;

计算装置，用以根据所要求的泵送流量计算转速控制系数;

一信号源，以预定的频率重复发出信号;

计数装置，根据所述重复着的信号递增计数，并根据所检测出的电动机转动情况和所述转速控制系统递减计数，以产生电动机控制信号;和

电动机激励装置，用以根据所述电动机控制信号激发所述泵电动机。

22、如权利要求21所述的液体泵送系统，其特征在于，所述电动机转动检测装置有一个位置传感器。

23、如权利要求22所述的液体泵送系统，其特征在于，每当检测出电动机在某一给定方向上的位置发生变化时，所述计算装置递减计数一个K量。

24、如权利要求23所述的液体泵送系统，其特征在于，所述重复出现的信号用项N表示，所述电动机位置的变化用项P表示，所述电动机控制信号则用（N-K）×P表示。

25、如权利要求23所述的液体泵送系统，其特征在于，所述电动机激励装置有一个数-模转换器和一个脉宽调制器。

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