Шприцевой инфузионный насос перемещает поршень шприца с рассчитанной скоростью. Такое движение позволяет дозировать малые объёмы жидкости в течение длительного времени. Между показанием на дисплее и выходом магистрали находится механическая и гидравлическая система. При запуске часть движения привода может уйти на выбор свободного хода, часть вытесненного объёма — на упругую деформацию. Поэтому команда на подачу, первое появление жидкости на выходе и достижение устойчивого расхода представляют три отдельных события. Их различие особенно заметно при стендовых измерениях малых расходов.
Как перемещение превращается в объём
У шприца есть цилиндрический корпус и подвижный поршень. При перемещении поршня на определённое расстояние доступный для жидкости объём уменьшается. Для идеального цилиндра вытесненный объём равен площади поперечного сечения, умноженной на величину перемещения. Если площадь известна и постоянна, требуемому объёмному расходу соответствует определённая линейная скорость. Насос использует параметры предусмотренных производителем шприцев. Два изделия одинаковой номинальной вместимости могут отличаться внутренним диаметром, конструкцией упора и механическими свойствами. По надписи о вместимости нельзя полностью восстановить связь между ходом привода и подачей.
Представим два условных шприца. У одного площадь сечения цилиндра вдвое больше. Чтобы вытеснить один и тот же объём за одно и то же время, его поршень должен пройти вдвое меньшее расстояние. Для одинакового осевого свободного хода это имеет важное следствие. Более медленно движущийся толкатель дольше преодолевает заданный зазор. Кроме того, одно и то же небольшое смещение соответствует большему объёму в более широком цилиндре. Так геометрия влияет сразу на время механического контакта и на связь между перемещением и объёмом. Никакого изменения заданных единиц на дисплее при этом не происходит.
Способ передачи усилия зависит от конструкции прибора. Двигатель, передача и толкатель обеспечивают поступательное движение. Корпус и фланец шприца должны занимать определённое положение относительно опор, а головка поршня взаимодействует с подвижной частью насоса. Перемещение двигателя не обязательно немедленно передаётся жидкой среде в полном объёме. Небольшое смещение частей до установления нагрузки почти не заметно при наблюдении за корпусом. На длинной записи малого расхода его влияние может быть различимо в начальном участке кривой накопленного объёма.
Две причины задержки при запуске
Свободный ход представляет геометрическую задачу. Пока толкатель выбирает зазор или детали передачи занимают нагруженное положение, часть перемещения не приводит к ожидаемому ходу поршня. Податливость описывает другой процесс. Когда в системе повышается давление, цилиндр, уплотнение поршня и магистраль могут слегка деформироваться. Для повышения давления требуется дополнительный объём. Жидкость практически несжимаема в обычном диапазоне этих стендовых задач, однако вся заполненная система может заметно изменять внутренний объём. Показатель податливости связывает изменение объёма с изменением давления в заданных условиях.
Рассмотрим мысленный эксперимент с выходным сопротивлением и податливой линией. После начала движения поршня давление ещё устанавливается. Вытесненный объём распределяется между выходом и расширением системы. В установившемся состоянии давление при неизменных условиях уже почти не меняется и накопление объёма становится небольшим. Тогда средняя подача на выходе приблизится к вытеснению поршнем при условии отсутствия утечек. Во время переходного процесса такое равенство для каждого момента времени применять нельзя. Само наличие предварительно заполненной жидкостью магистрали устраняет необходимость заполнять пустую трубку, но сохраняет механические и упругие свойства системы.
Как наблюдать эти два процесса по отдельности? Запись массы в приёмной ёмкости показывает результат на выходе. Независимый датчик перемещения даёт информацию о ходе толкателя или поршня, а регистрация давления — о накоплении нагрузки. Если привод движется до начала измеримого роста давления, это наблюдение согласуется со свободным ходом. Если давление растёт при ещё малом выходном расходе, это согласуется с заполнением податливого объёма. Оба эффекта способны действовать одновременно. Разделить их количественно по одному дисплею насоса или по одной фотографии невозможно.
Расчёт для идеального привода
Для наглядности возьмём учебный цилиндр с площадью поперечного сечения 100 квадратных миллиметров и условным механическим зазором 0,10 миллиметра. Осевому смещению на величину зазора соответствует геометрическое произведение 10 кубических миллиметров, или 10 микролитров. В данном примере это эквивалент свободного хода, рассчитанный для сравнения. В момент выбора зазора такой объём ещё не обязан выходить из шприца. Если номинальный расход составляет 1 миллилитр в час, движение, эквивалентное 10 микролитрам, займёт одну сотую часа, то есть 36 секунд.
На графике показано, как в этой модели меняется время выбора одного и того же зазора при разных заданных скоростях. При удвоении расхода расчётное время уменьшается вдвое. Форма зависимости объясняется постоянством зазора и постоянством площади. В расчёте отсутствуют трение уплотнения, порог открытия клапана, гидростатическое давление и деформация расходного комплекта. Поэтому график отвечает на узкий вопрос о механическом ходе. Он не предназначен для определения времени появления жидкости у конкретной модели насоса и не устанавливает допустимую задержку при лечении.
| Заданный расход, мл/ч | Время, с |
|---|---|
| 0,25 | 144 |
| 0,5 | 72 |
| 1 | 36 |
| 2 | 18 |
| 3 | 12 |
| 4 | 9 |
Обратная задача интереснее для анализа испытания. Допустим, инженер увидел задержку 36 секунд в записи при 1 миллилитре в час. Ей соответствует номинально вытесняемый за это время объём 10 микролитров. Можно ли по одной этой записи заключить, что механический зазор равен 0,10 миллиметра? Только в рамках нашей идеальной модели и при известной площади цилиндра. В реальном испытании тот же результат мог возникнуть вследствие комбинации процессов. Чтобы отличить действие зазора от деформации, потребуется независимая информация о перемещении и давлении, а также о пороге обнаружения жидкости у измерителя.
Что именно измеряет стенд
Один из способов наблюдать подачу — собирать жидкость в ёмкость на весах и регистрировать изменение массы. Для перехода от массы к объёму используют плотность испытательной жидкости при известных условиях. При малом расходе результат чувствителен к тому, как жидкость попадает в ёмкость. Капля может расти на конце трубки и отделиться целиком. Тогда весы зарегистрируют скачок, хотя на предыдущем участке жидкость уже двигалась. Геометрия выхода, испарение и механическое воздействие линии на приёмник входят в условия измерения. Их влияние следует учитывать до интерпретации начального участка записи.
Накопленный объём обычно выглядит как возрастающая линия. Расход за интервал получают, разделив изменение объёма за этот интервал на его продолжительность. Чем короче выбранное окно, тем заметнее влияние дискретности весов, шума и отдельных капель. Длинное окно сглаживает колебания, одновременно скрывая короткие перерывы. Поэтому величина среднего расхода за час и характеристика непрерывности подачи в первые минуты отвечают на разные вопросы. Для воспроизводимости нужно указать длительность наблюдения, частоту записи, способ обработки и критерий, по которому отмечено первое измеримое поступление жидкости.
Показателен простой пример двух кривых. На первой объём растёт равномерно с начала наблюдения. На второй сначала наблюдается почти горизонтальный участок, затем рост идёт быстрее, и к концу выбранного часа обе линии заканчиваются на одной отметке. Средний расход за весь час совпадёт. Максимальное отставание накопленного объёма от прямой и время появления измеримого потока окажутся разными. Если интересует непрерывность при запуске, сравнение только итогового объёма отбросит именно ту часть информации, ради которой затевалось испытание.
Почему стендовые исследования дают разные результаты
Для оценки повторяемости одного удачного запуска недостаточно. Шприц может немного иначе занять место в опоре, а положение толкателя перед началом отсчёта может отличаться. При повторениях общий ход кривых иногда хорошо совпадает после установления расхода и заметно расходится в первые минуты. Усреднение нескольких запусков позволяет описать типичное поведение серии, но может скрыть отдельный поздний старт. Поэтому вместе со средней кривой имеет смысл сохранять результаты каждого запуска и диапазон наблюдавшихся времён. Это особенно существенно, когда задача испытания состоит именно в оценке разброса, а не только в подтверждении среднего поданного объёма.
В опубликованных опытах со шприцевыми насосами исследователи отдельно отмечали время до первого поступления жидкости и время до выхода на устойчивую подачу. В исследовании влияния размера шприца сравнивали две модели насосов с двумя типоразмерами шприцев при стандартизованных условиях испытания. Для изученных комбинаций при малых расходах больший шприц показывал более продолжительный выход на заданную подачу. Такой результат помогает проверить физическое объяснение через геометрию и механические свойства. Переносить его численные значения на другой шприц, иной насос или расходную линию без испытаний нельзя.
Ещё одна причина расхождения лежит в самом определении начала. Начало отсчёта можно привязать к регистрации команды, моменту перемещения привода или появлению первого сигнала выше порога весов. Конец переходного периода можно определять по достижению доли заданного расхода или по сохранению показателя в заданном диапазоне в течение некоторого окна. Если один протокол фиксирует первое различимое поступление, а другой ожидает устойчивого расхода, оба могут быть корректны и при этом сообщать разное время. При сравнении результатов сначала сопоставляют определения и только затем сами числа.
Что можно увидеть на фотографиях насоса
На снимках оборудования из каталога можно рассмотреть расположение ложа для шприца, подвижного толкателя и дисплея, если эти детали видны в соответствующем ракурсе. Разные конструкции дают разный доступ к местам фиксации шприца. Снимок помогает понять компоновку, но по нему невозможно измерить свободный ход передачи под нагрузкой или вычислить податливость установленного расходного комплекта. Характеристики конкретной комбинации шприца и прибора определяют по её документации и результатам измерений. Модели на фотографиях иллюстрируют тип оборудования. График относится к условному приводу, описанному выше.
Практический разбор двух похожих задержек
В первом стендовом опыте измеряют объём воды, выходящей из заранее заполненной водой одиночной линии. Во втором через заполненную линию начинает поступать окрашенная испытательная жидкость, а на выходе измеряют момент изменения цвета. Показания весов в обоих опытах могут начать расти вскоре после запуска. Цвет во втором опыте изменится позже, поскольку до точки наблюдения сначала должна пройти жидкость, уже находившаяся внутри магистрали. Возникла задержка переноса состава. Она может сохраняться даже при совершенно равномерном объёмном расходе. По времени изменения цвета нельзя непосредственно судить о выборе зазора приводом.
Если между входом маркера и точкой наблюдения находится известный объём, деление этого объёма на общий расход даёт характерное время переноса. Такая оценка предполагает установившийся поток и заданную схему соединений. Реальный фронт изменения концентрации может растягиваться из-за распределения скоростей и смешения. При нескольких входах важно, какой участок является общим и какой поток проходит через него. Для разбора достаточно различать две записи. Весы отвечают на вопрос, сколько жидкости вышло за время наблюдения. Датчик цвета отвечает, когда в выходящем потоке обнаружился другой состав. Один результат не заменяет другой, даже если оба представлены на одной шкале времени.
Для содержательного отчёта о запуске шприцевого привода нужны не только средняя скорость и время опыта. Читателю требуется знать, какой шприц использовался, какие участки линии вошли в испытание, где находилась точка регистрации и какое событие считалось началом подачи. Исходная кривая накопленного объёма вместе с условиями стенда позволяет отделить наблюдаемый эффект от предположения о его причине. Описанный подход предназначен для разбора работы оборудования на стенде. Из него нельзя получить настройки введения лекарственного препарата конкретному пациенту.
По теме на ИНФОМЕД
- Окклюзия инфузионной линии
- Точность инфузионного насоса на малых скоростях
- Общий объём инфузионных линий
- Шприцевые дозаторы в каталоге ИНФОМЕД