Устройство для измерения скорости мутной жидкости на основе когерентного источника излучения

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скоростей непрерывных потоков мутных жидкостей биологического происхождения, например крови.

Задачей полезной модели является разработка устройства для бесконтактного измерения скоростей непрерывных потоков мутных жидкостей, в том числе биологического происхождения.

Поставленная задача решается с помощью использования двулучевой интерферометра с измененной оптической схемой. В соответствии с полезной моделью, для измерения скорости мутной жидкости предлагается использовать источник когерентного монохроматического излучения. По ходу прошедшего сквозь плоский светоделитель зондирующего луча, располагается объектив, который фокусирует зондирующий луч на измерительном объеме протекающей мутной жидкости и собирает в параллельный пучок луч, отраженный от измерительного объема мутной жидкости, направляя его на плоский светоделитель, отражаясь от которого зондирующий луч направляется далее на фотоприемник.

Использование полупроводникового одномодового лазерного диода с длинной волны больше 1000 нм для измерения скорости крови, позволяет обеспечить глубину проникновения излучения, достаточную для проведения корректных измерений.

Устройство для измерения скорости мутной жидкости на основе когерентного источника излучения может быть использован для бесконтактного измерения расходов непрерывных потоков биологических жидкостей на входе и выходе массообменных устройств в аппаратах для гемодиализа (1 Нез. п.ф., 4 Зав. п.ф., 2 фиг.).

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения скоростей непрерывных потоков мутных жидкостей биологического происхождения, например крови.

В настоящее время для определения расхода биологических жидкостей измеряют величину линейной скорости движения жидкости через отрезок трубки известного сечения. В настоящее время для проведения данных измерений используются устройства основанные на использовании трубки Вентури, или измерении разницы потенциалов погруженных в жидкость термопар, или определения скорости распространения ультразвука. Недостатком данных устройств является то, что они могут оказать негативное воздействие на биологическую жидкость, в частности кровь, в процессе измерения или контактируют с кровью во время проведения измерения.

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является устройство для измерения скорости капиллярного кровотока, выбранное в качестве прототипа (патент RU - 2231286), устройство содержит объектив, распложенный на одной с ним оптической оси, плоский светоделитель ориентированный под углом 45, делящий излучение на опорный и зондирующий лучи, при этом зондирующий луч направлен на плоскопараллельную пластину, совмещаемую с объектом измерения. Зондирующий луч, отраженный от объекта измерения направляется через светоделитель на фотоприемник, для сравнения с отраженным опорным лучом. Недостатком данной оптической схемы является необходимость контактного способа измерения, что делает его непригодным для измерения мутной жидкости биологического происхождения, например крови, без внесения загрязнений в ее состав. Использование некогерентного излучения резко уменьшает глубину проникновения оптического излучения в глубь объекта измерения, что приводит к значительному увеличению ошибки в измерении расхода, возникающей из-за неравномерности профиля скорости потока в трубке кровотока.

Задачей полезной модели является разработка устройства для бесконтактного измерения скоростей непрерывных потоков мутных жидкостей, в том числе биологического происхождения.

Поставленная задач решается тем, что устройство для измерения скорости мутной жидкости, содержит двулучевой интерферометр, включающий источник излучения, объектив, плоский светоделитель ориентированный под углом 45° к оптической оси интерферометра, делящий излучение на опорный и зондирующий лучи, зеркало установленное по ходу отраженного от плоского светоделителя опорного луча, перпендикулярно оптической оси интерферометра, фотоприемник для приема опорного и зондирующего лучей. В соответствии с полезной моделью, для измерения скорости мутной жидкости используется источник когерентного монохроматического излучения. По ходу прошедшего сквозь плоский светоделитель зондирующего луча, расположен объектив, который фокусирует зондирующий луч на измерительном объеме протекающей мутной жидкости и собирает в параллельный пучок луч, отраженный от измерительного объема мутной жидкости, направляя его на плоский светоделитель, отражаясь от которого зондирующий луч направляется далее на фотоприемник.

Поставленная задача также достигается тем, что для измерения скорости крови, лучше использовать полупроводниковый одномодовый лазерный диод с длинной волны больше 1000 нм. Использование длинноволнового излучения (>1000 нм) позволяет при той же поглощательной способности крови, что и в случае более «коротких» волн, обеспечить глубину проникновения, достаточную для проведения корректных измерений.

Целесообразно для повышения точности измерения между зеркалом и светоделителем размещать фильтр, ослабляющий опорный сигнал, позволяющий достичь при измерении лучшего соотношения «сигнал-шум».

Объектив расположенный по ходу прошедшего сквозь плоский светоделитель зондирующего луча, с оптическими параметрами: диаметр 25±2 мм, фокусное расстояние 50±4 мм, позволяет создать компактный измерительный прибор высокой чувствительности.

Использование когерентного источника излучения обеспечивает увеличение глубины проникновения излучения и удалению точки измерения скорости от стенок трубки кровотока, что позволит уменьшить ошибку измерения скорости мутной жидкости.

Фокусирующий объектив позволяет сфокусировать излучение в заданной области измерения и не требует контакта с ней. Фокусирующий объектив также осуществляет сбор рассеянного луча, и, вследствие фокусировки, увеличивает пространственное разрешение системы.

Фиг.1 - Оптическая схема устройства.

Фиг.2 - Принципиальная схема расходометра для измерения расхода крови.

Оптическая схема лазерно-доплеровского измерителя скорости (фиг.1) устроена следующим образом: лазерное излучение полупроводникового одномодового лазерного диода 1 объективом 2 формируется в параллельный пучок и светоделителем 3 разделяется на опорный и зондирующий. Опорный луч отражается от светоделителя 3, ослабляется фильтром 4, отражается зеркалом 5, проходит через светоделитель 3 и, поворачиваясь зеркалом 6, формируется фокусирующим объективом 7 на фотоприемнике 8. Зондирующее излучение фокусируется приемо-передающим объективом 9 в точку измерения 10. Рассеянное зондирующее излучение из фокальной области собирается объективом 9, отражается от светоделителя 3 и зеркала 6, фокусируется объективом 7 на фотоприемное устройство 8.

Так как, фотоприемник 8 является квадратичным детектором, то выходной ток его содержит переменную составляющую с частотой изменения, равной разности опорной и сигнальной волн. При этом рассеянное зондирующее излучение имеет доплеровский сдвиг по частоте и, интерферируя с опорным излучением, формирует на приемнике переменный во времени сигнал с частотой, соответствующей доплеровскому сдвигу f_d, по которому вычисляется проекция скорости _x, направленная вдоль оптической оси зондирования. По этому сдвигу вычисляется проекция скорости _x, направленная вдоль оптической оси зондирования по формуле:

, где

где - длина волны источника излучения.

Устройство для измерения скорости мутной жидкости на основе когерентного источника излучения может быть использован для бесконтактного измерения расходов непрерывных потоков биологических жидкостей на входе и выходе массообменных устройств в аппаратах для гемодиализа. Измерения проводятся на свободных участках кровопроводящих магистралей. Принципиальная схема расходометра с использованием полезной модели, представленная на фиг.2, включает в себя: 11 - оптический модуль, выполненный с использованием полезной модели, 12 - система доставки излучения, 13 - модуль управления, 14 - штатив.

1. Устройство для измерения скорости мутной жидкости, содержащее двулучевой интерферометр, включающий источник излучения, объектив, плоский светоделитель, ориентированный под углом 45° к оптической оси интерферометра, делящий излучение на опорный и зондирующий лучи, зеркало, установленное по ходу отраженного от плоского светоделителя опорного луча, перпендикулярно оптической оси интерферометра, фотоприемник для приема опорного и зондирующего лучей, отличающееся тем, что для измерения скорости мутной жидкости используется источник когерентного монохроматического излучения, при этом по ходу прошедшего сквозь плоский светоделитель зондирующего луча расположен объектив, который фокусирует зондирующий луч на измерительном объеме протекающей мутной жидкости и собирает в параллельный пучок луч, отраженный от измерительного объема мутной жидкости, направляя его на плоский светоделитель, отражаясь от которого зондирующий луч направляется далее на фотоприемник.

2. Устройство для измерения скорости мутной жидкости по п.1, отличающееся тем, что для измерения скорости крови используется полупроводниковый одномодовый лазерный диод с длиной волны больше 1000 нм.

3. Устройство для измерения скорости мутной жидкости по п.1, отличающееся тем, что между зеркалом и светоделителем помещен фильтр, ослабляющий опорный сигнал.

4. Устройство для измерения скорости мутной жидкости по п.1, отличающееся тем, что по ходу опорного и зондирующего луча между фотоприемником и светоделителем установлено зеркало, направляющее лучи на фотоприемник параллельно оптической оси интерферометра.

5. Устройство для измерения скорости мутной жидкости по п.1, отличающееся тем, что объектив, расположенный по ходу прошедшего сквозь плоский светоделитель зондирующего луча, имеет следующие оптические параметры: диаметр собирающей апертуры 25±2 мм, фокусное расстояние 50±4 мм.