姬 军 王莉新 高佳硕 肖 宏 李海华

齿轮泵管路长度对构建尿流率计标准装置水流量的影响*

姬 军①②*王莉新①②高佳硕①肖 宏①李海华①

目的：研究以数字信号处理器(DSP)和齿轮泵为核心的尿流率计标准装置管路长度对排水量的影响，并确定最佳的管路长度。方法：选取60 cm、70 cm、80 cm和90 cm的4种长度的软管作为齿轮泵的吸水和排水管路，分别测量每种流率下尿流率计标准装置的实际排水量，将实际值与该装置记录的齿轮泵转速计算得到的理论值进行拟合，以得到最佳的管路长度。结果：不同的管路长度会导致尿流率计标准装置的实际排水量不同，吸水和排水侧软管长度均为70 cm时，实际排水量与理论排水量拟合效果最好。结论：尿流率计标准装置的实际排水量受多种因素的影响，确定齿轮泵管路长度对尿流率计标准装置的研制具有重要意义。

齿轮泵排水量；管道长度；曲线拟合；尿流率计标准装置

尿流率计是尿动力学检查中常用的仪器之一，国际尿控协会(International Continence Society，ICS)制定的“尿动力学技术规范”以及中华医学会泌尿外科分会制定的“尿动力学技术规范(2010版)”均对尿流率计的测量精度和校准周期提出指导性的要求[1-4]。为了对尿流率计进行定量的校准，以数字信号处理器(digital signal processor，DSP)和齿轮泵为核心构建尿流率计校准装置，在给定的电压下，随着齿轮泵的连续运转，即可得到一条标准的水流[5]。由于齿轮泵的排水量与所选用的管道长度有关，不同的管道长度会导致在同一电压条件下实际排水量的不同，其实际排水量与采集到的电机转速计算得到的理论排水量也不同，这一现象在高流率时表现尤为明显。因此，本研究通过实验的方法，测量每个电压、每种软管长度组合下尿流率计校准装置的实际排水量，并将实际排水量与理论排水量进行拟合，取拟合结果最好的软管长度构建尿流率计标准装置，并利用拟合公式将理论排水量进行校准，以使校准后的理论排水量与实际排水量相符[6]。

1 尿流率计标准装置

尿流率计标准装置以DSP和齿轮泵为核心，主要由转速控制模块、流量产生模块、电源模块和数据传输模块构成[7]。由于所选用齿轮为固定排量齿轮泵，其每转一圈的排量固定为0.9 ml，在DSP的控制下，通过改变齿轮泵电机的控制电压改变齿轮泵泵头的转速，即可得到不同流率的水流[8]。电机的反馈脉冲信号可以直接送入处理器的IO引脚，计算分析后通过串口将电机的转速发送至PC机，利用MATLAB软件计算串口发回的数据，可得到齿轮泵输出水流的形态以及理论值。

2 实验研究

2.1 实验装置

选取长度为60 cm、70 cm、80 cm和90 cm的DN6 PVC软管各2条；储水水箱；称量容器；B2000S电子天平。

软件系统利用MATLAB R2014b对采集到的齿轮泵电机转速进行仿真计算，得到尿流率计标准装置的理论排水量以及校正后的理论排水量。

2.2 实验原理和实验方法

采用水流量标准装置校准中的静态质量水法，对尿流率计标准装置各电压下的排水量进行测量[9]。静态质量水法，即将标准装置产生的水流全部流入称量容器，当容器内的水静止时记录水的总重量。

利用DSP中的定时器设置齿轮泵的水流时间为10 s，选取齿轮泵的理论排水流率为5 ml/s、10 ml/s、15 ml/s……50 ml/s。将4种长度的软管在吸水和排水腔侧进行排列组合分别测试，每种排列组合在每种流率下进行10次测量，用10次测量结果的平均值作为此条件下齿轮泵排水量的真值。同时在PC机上记录装置返回的齿轮泵电机转速，用MATLAB软件对数据进行计算处理，得到每次齿轮泵排水量的理论值。利用MATLAB的curve fitting工具将每种软胶管长度下排水量的称重值与计算得到的理论值进行拟合，以得出实际排水量与理论排水量之间的关系，选取最佳的软管长度。实验原理如图1所示。

图1 称量实验原理图

3 实验结果与分析

3.1 排水量测量实验

用B2000S电子天平对每次排水量进行测量，记录每次齿轮泵排水量的称重值，计算得到每种软管长度下不同流率排水量的平均值，见表1。

表1显示，吸水腔侧管径长度固定，各流率下排水量随着排水腔侧管径长度的增加而下降；排水腔侧管径长度固定，各流率下排水量也随吸水腔侧管径长度增加而下降，流率越大，排水量下降的越多。为更好地进行比较，选取低、中、高速流率，分别比较吸液腔侧和排液腔侧软管长度对排水量的影响。5 ml/s、25 ml/s及50 ml/s流率下，在各软管长度条件下的水流量，比较了流量最大值与最小值之间的相对差值，见表2、表3及表4。

当吸水腔侧软管长度固定，排水腔侧软管长度变化时，随着排水腔侧软管长度的增加，排水量呈缓慢下降的趋势，不同软管长度之间流量相对差值最大为1.70%，最小为0.4%，而环境温度的改变，水密度和粘度的改变都会导致排水量的改变，故排水腔侧软管长度的增加对排水量的影响较小。由表4得出，排水侧软管长度＞80 cm时，大流率下低齿轮泵的实际排水量会有一定的下降，导致系统能耗增加，效率降低[10]。因此，建议排水侧软管长度≤80 cm。

表1 齿轮泵吸水和排水腔侧不同长度软管不同流率下实际排水量平均值

表2 5 ml/s流率下各软管长度组合排水量

表3 25 ml/s流率下各软管长度组合排水量

表4 50 ml/s流率下各软管长度组合排水量

当排水腔侧软管长度固定，吸水腔侧软管长度增加时，齿轮泵排水量出现明显下降，且在高流率下尤为突出；在排水腔侧软管长度固定的情况下，随着吸水腔侧软管长度的增加，排水量最大相对差值为11.35%，最小为1.30%。产生这一现象的原因是大流率下水流对管壁的压力增加使水流与管壁之间摩擦力增加，过长的管道会消耗齿轮泵更多的能量，导致齿轮泵的排水效率降低[11]。同时，贾永峰等[12]在“永磁伺服电机驱动的液压动力系统性能及测控技术研究”中认为，管道长度的增加会导致齿轮泵吸水腔侧压力降低，也会导致齿轮泵吸液能力下降，齿轮泵排水量减少。

3.2 排水量与理论排水体积拟合结果

由于实际流量与理论流量线性相关，故本研究采用了一次函数进行拟合。各软管长度组合理论体积和实际称重得到的拟合曲线见表5。

由表5可知，在所选定的曲线长度中，理论流量与实际重量拟合结果最好的依次为入水口长度60 cm，出水口长度90 cm；入水口长度60 cm，出水口长度80 cm；入水口长度70 cm，出水口长度70 cm。此时，拟合曲线SSE为16.58、17.29和17.66，R-square均为0.9999，RMSE为1.44、1.47和1.468。故最佳的软管长度应该在此3组中选择。

由上分析可知，排水腔侧软管长度不易＞80 cm，软管长度越长，水流与软管之间摩擦力越大，水流排出需要消耗更多能量。因此排除软管长度＞80 cm的情况，选定入水口软管长度70 cm、出水口软管长度70 cm为最佳软管长度组合。其实际排水量与理论排水量的关系为weight=1.034×volume+3.232，拟合曲线形状如图2所示。

表5 各曲线长度下水流实际重量与理论流量拟合曲线

表6 选定软管长度下装置实际排水量、理论排水量及校正后的排水量

图2 实际排水量与理论排水量拟合曲线图

齿轮泵吸水腔侧软管长度为70 cm，排水腔侧软管长度为70 cm时，各流率下实际排水量、理论排水量以及校正后的理论排水量见表6，其校正后的理论排水量与实际排水量之间最大差值＜3 g，相对差值＜1%，可以采用较正后的理论流量值代替实际流量值对尿流率计进行校准。

3.3 实验结论

本研究结果显示，相同的控制电压下，齿轮泵管道长度不同时，虽然由电机转速计算得出的装置理论排水量相同，其实际排水量有很大的差别。齿轮泵的管道长度会影响尿流率计标准装置的实际排水量，过长的管道长度会增加水流阻力，装置能耗增加，齿轮泵实际排水量减少。不同的管道长度理论流量与实际流量之间的相关关系不同，若不能选择合适的齿轮泵管道长度，则不能用装置记录的数据表示本次排水过程的实际流量，记录的数据也不能用来对尿流率计进行校准。

本研究通过实验的方法测量每种管道长度下装置的实际排水量，利用MATLAB软件拟合工具计算拟合曲线并评价拟合结果，确定齿轮泵的管道长度为吸水侧软管长度70 cm，排水侧软管长度70 cm时尿流率计标准装置的实际排水量与理论排水量有较好的线性关系，可以用此时校正后的理论排水量值代替实际排水量的值对尿流率计进行校准。

4 结语

本研究通过实验的方式，研究了在一定的时间内，齿轮泵排水量与齿轮泵管道长度的关系，确定了在本研究选定齿轮泵情况下，所需选用软管的最佳长度，确定了尿流率计标准装置实际排水量与理论排水量的关系，为下一步实验打下良好基础，也为以后尿流率计标准装置的实际临床应用提供保障。

不足之处为本研究在每种软管长度下只进行了一次实验，忽略了环境等因素对流量的影响，后续实验中需要改进[14]。

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The effect of pipeline length of gear pump for constructing water carrying amount of standard apparatus of urine flow rate meter/

JI Jun, WANG Li-xin, GAO Jia-shuo, et al//
China Medical Equipment,2017,14(10):33-36.

Objective: To research the effect of pipeline length of standard apparatus, which core were digital signal processor (DSP) and gear pump, of urine flow rate meter for tonnage.And to determine the optimal length of pipeline. Methods: 4 kinds of soft pipe (60 cm, 70 cm, 80 cm and 90 cm) were, respectively, used as the suction and drain pipeline of gear pump.The actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter under each flow rate were respectively measured. And then the actual results were fitted with the theoretical values from calculating of revolving speed of gear pump that were recorded by this apparatus. Based on above results, the optimal length of pipeline was obtained. Results: The different length of pipeline could lead to the difference of actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter. And the results indicated that the best fitting effect between actual tonnage and theoretical value could be achieved when the length both suction and drain soft pipeline were 70 cm. Conclusion: There are many factors can affect the actual tonnage of standard apparatus of urine flow rate meter, and the determination for the length of pipeline of gear pump has important significance for the development of standard apparatus of urine flow rate meter.[Key words] Tonnage of gear pump; Length of pipeline; Fitting curve; Standard apparatus of urine flow rate meter[First-author’s address] 1.Department of Medical Engineering, The 305thHospital of PLA, Beijing 100017, China.2.Collage of Biomedical Engineering, Southern Medical University, Guangzhou 510515, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.10.010

姬军,男,(1970- ),博士，主任技师。解放军第305医院医学工程科，从事生物医学信号检测与处理、智能医疗仪器设计以及医疗设备计量与质量控制方面的研究。

2017-05-24

1672-8270(2017)10-0033-04

R197.39

A

军事医学计量科研专项(2012-JL1-016)“尿动力分析仪检定装置建标”；军事计量建标科研项目(军装计2016[599])“尿动力分析仪检测技术研究”

①解放军第305医院医学工程科 北京 100017

②南方医科大学生物医学工程学院 广东 广州 510515

*通讯作者：KX68@163.com