BR102016006836B1

BR102016006836B1 - METHOD FOR MEASURING FLOW RATE AND DIFFERENTIAL PRESSURE IN PUMPING SYSTEMS WITH KINETIC PUMP

Info

Publication number: BR102016006836B1
Application number: BR102016006836-3A
Authority: BR
Inventors: Tarcísio Fernandes Leão; Aron José Pazin De Andrade
Original assignee: Instituto Federal De Educação, Ciência E Tecnologia De São Paulo
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2025-05-27

Abstract

MÉTODO DE MEDIÇÃO DA VAZÃO E DA PRESSÃO DIFERENCIAL EM SISTEMAS DE BOMBEAMENTO COM BOMBA CINÉTICA. A presente invenção revela uma técnica de medição da vazão e da pressão diferencial, em sistemas hidráulicos com bombas cinéticas, usando a informação da potência e velocidade do elemento propulsor (2) da bomba cinética (1) informar a vazão e a pressão diferencial através de um estimador(4) que utiliza o processador Look-Up Table n-D, ajustando as não linearidades presentes nos sistemas, em especial os sistemas biomédicos.METHOD FOR MEASURING FLOW AND DIFFERENTIAL PRESSURE IN PUMPING SYSTEMS WITH KINETIC PUMP. The present invention reveals a technique for measuring flow and differential pressure in hydraulic systems with kinetic pumps, using information on the power and speed of the driving element (2) of the kinetic pump (1) to inform the flow and differential pressure through an estimator (4) that uses the Look-Up Table n-D processor, adjusting for the non-linearities present in the systems, especially biomedical systems.

Description

[001] O presente relatório revela uma técnica de medição da vazão e da pressão diferencial em sistemas que usam bombas cinéticas, sejam centrifugas ou axiais, para movimentar/bombear fluídos. Refere-se ainda ao método para calibração do sistema de medição.[001] This report reveals a technique for measuring flow and differential pressure in systems that use kinetic pumps, whether centrifugal or axial, to move/pump fluids. It also refers to the method for calibrating the measurement system.

[002] A medição da vazão e da pressão em sistemas industriais que usam bombas é uma questão fundamental para o desempenho do sistema de bombeamento, bem como para o desempenho do sistema como um todo.[002] Measuring flow and pressure in industrial systems that use pumps is a fundamental issue for the performance of the pumping system, as well as for the performance of the system as a whole.

[003] Em plantas industriais, a medição da pressão é normalmente feita com manômetros ou com transdutores de pressão, em sistemas automáticos, e em geral é de fácil instalação e de baixo custo.[003] In industrial plants, pressure measurement is normally done with pressure gauges or pressure transducers, in automatic systems, and is generally easy to install and low cost.

[004] Na medição de vazão, os instrumentos costumam ser mais caros e de instalação mais complexa, ou seja, com requisitos de instalação que muitas vezes vão de encontro com a aplicação. Muitos equipamentos são amplamente utilizados nas mais variadas aplicações, tais como: hidrômetros, rotâmetros, medidores eletromagnéticos, medidores ultrassônicos e medidores mássicos, cada um deles com suas limitações e recomendações de instalação.[004] In flow measurement, the instruments are usually more expensive and more complex to install, that is, with installation requirements that often go against the application. Many pieces of equipment are widely used in the most varied applications, such as: water meters, rotameters, electromagnetic meters, ultrasonic meters and mass meters, each of them with their limitations and installation recommendations.

[005] Além das consagradas aplicações na indústria, os sistemas de bombeamento estão sendo utilizados na medicina, especialmente na cardiologia, onde as bombas são responsáveis por prover, ou auxiliar a prover, pressão e fluxo adequados às condições fisiológicas do corpo humano. Bombas centrífugas e axiais são utilizadas como dispositivos de assistência ventricular para auxiliar a circulação sanguínea durante a cirurgia de transplante ou para manter o paciente em condições de esperar pelo transplante.[005] In addition to their well-established applications in industry, pumping systems are being used in medicine, especially in cardiology, where pumps are responsible for providing, or helping to provide, pressure and flow appropriate to the physiological conditions of the human body. Centrifugal and axial pumps are used as ventricular assist devices to aid blood circulation during transplant surgery or to keep the patient in a position to wait for the transplant.

[006] Diante da dificuldade na captação de órgãos para transplantes cardíacos e da atual necessidade dos pacientes, a aplicação de dispositivos para o bombeamento de sangue em assistência à circulação sanguínea tem destacada importância. Tanto em bombas para circulação extracorpórea (CEC - durante o ato cirúrgico) como em dispositivos de assistência ventricular (DAV). A assistência circulatória pode ser classificada como: a) Suporte circulatório no pré-operatório. O equipamento é conectado ao paciente para mantê-lo vivo até a realização de uma cirurgia cardíaca; b) Circulação extracorpórea (CEC). O dispositivo é utilizado apenas durante a cirurgia para substituir as funções do coração e dos pulmões; c) Ponte para recuperação no pós-operatório. O dispositivo facilita a recuperação do coração após a cirurgia; d) Ponte para o transplante cardíaco. Onde o dispositivo mantém o paciente vivo, por um tempo indeterminado, até o transplante; e) Ponte para a terapia genética. Enquanto métodos de tratamentos genéticos (células-tronco) são realizados, o dispositivo é utilizado para manter o paciente vivo, e; f) Substituição do coração. O dispositivo substitui completamente o coração do paciente. Para cada tipo de assistência pode-se utilizar tipos diferentes tipos de dispositivos que podem ser classificados como: a) Primeira geração. Foram os primeiros a serem pesquisados. São dispositivos de fluxo pulsátil. Possuem diafragmas e válvulas para direcionar o fluxo; b) Segunda geração. São dispositivos compostos por bombas de fluxo contínuo axial. Operam em altas rotações. Não possuem válvulas; c) Terceira geração. São dispositivos compostos por bombas de fluxo contínuo centrífugo. São maiores que as bombas axiais e operam em rotações mais baixas. Um dos fatores que impactam no índice de hemólise (danos causados ao sangue pelo rompimento das hemácias) é a rotação do DAV, portanto as bombas centrífugas têm apresentado melhores índices que as axiais. Essas classificações não se referem a melhor ou mais avançada tecnologia. E sim, ao período em que suas pesquisas foram iniciadas, em ordem cronológica.[006] Given the difficulty in harvesting organs for heart transplants and the current needs of patients, the application of devices for pumping blood to assist blood circulation has become increasingly important. Both in pumps for extracorporeal circulation (ECC - during surgery) and in ventricular assist devices (VAD). Circulatory assistance can be classified as: a) Preoperative circulatory support. The equipment is connected to the patient to keep him alive until cardiac surgery is performed; b) Extracorporeal circulation (ECC). The device is used only during surgery to replace the functions of the heart and lungs; c) Bridge to postoperative recovery. The device facilitates the recovery of the heart after surgery; d) Bridge to heart transplant. Where the device keeps the patient alive, for an indefinite period, until the transplant; e) Bridge to gene therapy. While genetic treatment methods (stem cells) are performed, the device is used to keep the patient alive, and; f) Heart replacement. The device completely replaces the patient's heart. Different types of devices can be used for each type of assistance, which can be classified as: a) First generation. These were the first to be researched. They are pulsatile flow devices. They have diaphragms and valves to direct the flow; b) Second generation. These are devices composed of continuous axial flow pumps. They operate at high speeds. They do not have valves; c) Third generation. These are devices composed of continuous centrifugal flow pumps. They are larger than axial pumps and operate at lower speeds. One of the factors that impact the hemolysis rate (damage caused to the blood by the rupture of red blood cells) is the rotation of the VAD, therefore centrifugal pumps have shown better rates than axial pumps. These classifications do not refer to the best or most advanced technology. Rather, they refer to the period in which their research began, in chronological order.

[007] Qualquer que seja o tipo de assistência prestada ao paciente ou o tipo de dispositivo utilizado, monitorar a vazão (ou fluxo, termo tipicamente utilizado em medicina) e a pressão gerada pelo sistema é de fundamental importância para o desempenho do sistema. Alguns DAV utilizam sensores implantáveis para a medição da vazão e da pressão, o que torna o dispositivo mais caro e mais complexo, além do fato de que a presença de mais um equipamento em contato com o sangue pode gerar processos inflamatório e hemólise. Apesar das particularidades da aplicação médica, as aplicações industriais também apresentam os mesmos requisitos: baixo custo, menor complexidade, precisão compatível e redução de falhas.[007] Regardless of the type of care provided to the patient or the type of device used, monitoring the flow rate (or flow, a term typically used in medicine) and pressure generated by the system is of fundamental importance for the system's performance. Some VADs use implantable sensors to measure flow and pressure, which makes the device more expensive and more complex, in addition to the fact that the presence of another piece of equipment in contact with the blood can generate inflammatory processes and hemolysis. Despite the particularities of medical applications, industrial applications also present the same requirements: low cost, less complexity, compatible precision and reduction of failures.

[008] A literatura patentária não apresenta muitos métodos ou dispositivos para aplicações industriais similares a esse objeto de pedido de patente, desse modo, a pesquisa patentária relata maior quantidade de patentes na aplicação em DAV, mesmo que a técnica objeto do pedido possa ser empregada em qualquer aplicação com bombas cinéticas (bombas centrífugas ou axiais) em qualquer fluido, a depender da precisão requerida.[008] The patent literature does not present many methods or devices for industrial applications similar to this patent application object, therefore, the patent research reports a greater number of patents in the application in VAD, even though the technique object of the application can be used in any application with kinetic pumps (centrifugal or axial pumps) in any fluid, depending on the precision required.

[009] A patente brasileira BR 8705330 A apresenta um sistema de medida e monitoração da vazão para bombas de deslocamento positivo que corrige a vazão medida pelas revoluções da bomba em função do volume efetivamente entregue, por meio de sensores de pressão e proximidade e um microcomputador. Nesta patente fica evidenciada a necessidade do uso de sensor de pressão para estimar a vazão, de encontro com o objeto desta patente.[009] Brazilian patent BR 8705330 A presents a flow measurement and monitoring system for positive displacement pumps that corrects the flow measured by the pump revolutions according to the volume effectively delivered, by means of pressure and proximity sensors and a microcomputer. This patent demonstrates the need to use a pressure sensor to estimate the flow, in line with the object of this patent.

[0010] A patente CN101183246 chinesa relata o controle de vazão de vapor em uma planta nuclear baseada em lógica Fuzzy. Em sua descrição o sistema de medição utiliza sensores de temperatura, pressão, vazão, tacômetro e detector de densidade de nêutron. O uso de sensores para monitorar a vazão e a pressão é a maior diferença entre a patente descrita e o objeto deste pedido.[0010] Chinese patent CN101183246 reports the control of steam flow in a nuclear power plant based on Fuzzy logic. In its description, the measurement system uses temperature, pressure, flow sensors, tachometer and neutron density detector. The use of sensors to monitor flow and pressure is the biggest difference between the described patent and the subject of this application.

[0011] A patente europeia EP1069284 descreve um método de determinação da posição da armadura em uma válvula solenoide que pode ser empregada em um injetor de combustível, regulador de pressão de combustível ou em uma válvula de atuação em motor à combustão. O método não permite monitorar a vazão e a pressão, fato relevante para discriminar deste objeto de pedido, apesar de, em um sistema de controle, poder operar como atuador.[0011] European patent EP1069284 describes a method for determining the position of the armature in a solenoid valve that can be used in a fuel injector, fuel pressure regulator or in an actuation valve in a combustion engine. The method does not allow monitoring of flow and pressure, a relevant fact for discriminating this subject matter of the application, although, in a control system, it can operate as an actuator.

[0012] A patente japonesa JP09034557 descreve um método de controle da pressão terminal em um sistema de distribuição de água. O uso de sensor de vazão faz parte do sistema de controle, sendo a maior diferença entre o método descrito e o objeto desta patente.[0012] Japanese patent JP09034557 describes a method of controlling terminal pressure in a water distribution system. The use of a flow sensor is part of the control system, being the biggest difference between the described method and the object of this patent.

[0013] A patente norte-americana US 2007/0119246 A1 apresenta um método de estimação da vazão em bombas de sangue que, em resumo, estima os valores de vazão a partir da corrente consumida pelo motor, da rotação do motor e de parâmetros da viscosidade do sangue, ou seja, o hematócrito. Os dados de corrente, rotação e hematócrito são incorporados em uma função matemática linearmente aproximada, por meio de coeficientes padronizados, que descreve o comportamento da vazão. O método proposto por este pedido de patente supera a aproximação linear descrita e permite estimar com precisão a vazão, além da pressão, mesmo em regiões não lineares. Supera a necessidade de algoritmos de correção da diferença entre as bombas produzidas, pois o método implica uma calibração.[0013] US patent US 2007/0119246 A1 presents a method for estimating flow in blood pumps that, in summary, estimates flow values from the current consumed by the motor, the motor rotation and blood viscosity parameters, i.e., hematocrit. The current, rotation and hematocrit data are incorporated into a linearly approximated mathematical function, by means of standardized coefficients, which describes the flow behavior. The method proposed by this patent application surpasses the linear approximation described and allows for accurate estimation of flow, in addition to pressure, even in non-linear regions. It overcomes the need for algorithms to correct the difference between the pumps produced, since the method involves calibration.

[0014] A patente WO 2010/099285 A1 apresenta um sistema de controle de dispositivo de assistência ventricular baseado na informação da pressão de entrada e saída da bomba de sangue. Neste sistema a informação da pressão e vazão é obtida a partir de sensores. Os autores da patente sugerem que os sensores utilizados sejam de tamanhos reduzidos, do tipo MEMS (do inglês, MicroElectroMechanical System). Essa patente evidência o uso de sensores, principal diferença deste pedido, e sua necessidade na aplicação em controle e monitoração de DAV, bem como ocorre em outras aplicações industriais.[0014] Patent WO 2010/099285 A1 presents a ventricular assist device control system based on information on the blood pump inlet and outlet pressure. In this system, pressure and flow information is obtained from sensors. The authors of the patent suggest that the sensors used should be small, of the MEMS (MicroElectroMechanical System) type. This patent highlights the use of sensors, the main difference in this application, and their need for application in VAD control and monitoring, as well as in other industrial applications.

[0015] A patente norte americana WO 2012/100210 A1 relata um estimador de fluxo em uma bomba de sangue. Em resumo, a patente apresenta um estimador de fluxo para uma bomba axial, em que a magnitude para corrente, o efeito da força contra-eletromotriz e a rotação são utilizadas para estimar a vazão do sangue. A monitoração força contra-eletromotriz, no caso da bomba axial, segundo os autores, pode informar o deslocamento do rotor no sentido axial, que seria equivalente ao impulso do rotor da bomba e teria uma relação direta com a viscosidade, e, por conseguinte, com o hematócrito. A técnica descrita é aplicável em bombas axiais, mas possui limitação de aplicação em bombas centrífugas e mistas, uma vez que a variação da vazão não implica, necessariamente, em uma variação da força contra-eletromotriz. Dessa forma, a limitação da técnica em bombas axiais é a principal diferença deste pedido de patente.[0015] The US patent WO 2012/100210 A1 describes a flow estimator in a blood pump. In summary, the patent presents a flow estimator for an axial pump, in which the magnitude of the current, the effect of the counter-electromotive force and the rotation are used to estimate the blood flow. The monitoring of the counter-electromotive force, in the case of the axial pump, according to the authors, can inform the displacement of the rotor in the axial direction, which would be equivalent to the thrust of the pump rotor and would have a direct relationship with the viscosity, and, therefore, with the hematocrit. The technique described is applicable to axial pumps, but has application limitations in centrifugal and mixed pumps, since the variation in the flow does not necessarily imply a variation in the counter-electromotive force. Thus, the limitation of the technique in axial pumps is the main difference of this patent application.

[0016] A patente chinesa CN103520786 (A) apresenta um controlador Fuzzy para ajustar o fluxo em um sistema de purificação de sangue com uma bomba peristáltica. São entradas do controlador a pressão e a rotação da bomba peristáltica. Segundo os autores o controlador Fuzzy permitiu maior confiabilidade, melhor resposta da rotação e maior precisão ao sistema. A técnica descrita necessita da medição da pressão diferencial da bomba peristáltica por meio de sensores, configurando a maior diferença entre este pedido de patente. Além disso, a técnica não pode ser aplicada em bombas cinéticas.[0016] Chinese patent CN103520786 (A) presents a Fuzzy controller to adjust the flow in a blood purification system with a peristaltic pump. The controller inputs are the pressure and rotation of the peristaltic pump. According to the authors, the Fuzzy controller allowed greater reliability, better rotation response and greater precision to the system. The technique described requires the measurement of the differential pressure of the peristaltic pump by means of sensors, configuring the largest difference between this patent application. Furthermore, the technique cannot be applied to kinetic pumps.

[0017] A patente norte americana WO 2013/003370 A2 apresenta um estimador de fluxo em uma bomba de sangue. Resumidamente, a patente relata um estimador de fluxo baseado em uma equação matemática, onde seus coeficientes são constantes ajustadas e suas variáveis são: a rotação, a aceleração do rotor e a corrente. Outros parâmetros como: a viscosidade do sangue, a taxa de variação da pressão, a taxa de variação da pressão e o valor de pico da vazão são utilizados para aumentar a precisão da estimação ou inferir o estado do coração doente. A técnica descrita depende da variação da rotação, ou aceleração do rotor, dessa forma, quando a rotação for constante a precisão é comprometida, sendo essa a principal diferença deste pedido de patente.[0017] The US patent WO 2013/003370 A2 presents a flow estimator in a blood pump. Briefly, the patent reports a flow estimator based on a mathematical equation, where its coefficients are adjusted constants and its variables are: rotation, rotor acceleration and current. Other parameters such as: blood viscosity, pressure variation rate, pressure variation rate and peak flow value are used to increase the accuracy of the estimation or infer the state of the diseased heart. The technique described depends on the variation of the rotation, or acceleration of the rotor, therefore, when the rotation is constant, the accuracy is compromised, this being the main difference of this patent application.

[0018] A patente alemã WO 2014170007 A1 relata um método para a determinação da pressão, ou de um parâmetro com ela relacionado, em um dispositivo extracorpóreo de diálise. Nesse método, a corrente do motor elétrico da bomba e a vazão são utilizadas para determinar a pressão. Na descrição desta patente a vazão é medida por meio de um sensor, sendo essa a principal diferença deste pedido.[0018] German patent WO 2014170007 A1 describes a method for determining pressure, or a parameter related to it, in an extracorporeal dialysis device. In this method, the current of the pump's electric motor and the flow rate are used to determine the pressure. In the description of this patent, the flow rate is measured by means of a sensor, which is the main difference from this application.

[0019] A revisão patentária mostra que o presente pedido de patente apresenta grandes diferenças em relação às patentes existentes e demais documentos existentes no atual estado da técnica. Em especial, em relação às patentes BR 8705330 A, CN101183246, EP1069284, JP09034557 e WO2010/099285 A1. Ressalta-se que o presente relatório descreve um sistema de medição da vazão e pressão sem o uso de sensores. Nas técnicas de estimação descritas pelas patentes US 2007/0119246 A1, WO 2010/099285 A1, WO 2012/100210 A1, CN103520786 (A) e WO 2013/003370 A2 com aplicação em bombas de sangue, as principais diferenças, deste pedido de patente, podem ser destacadas, resumidamente, como: a aplicação em bombas cinéticas ( sejam axiais, centrífugas ou mistas), uma técnica baseada em Look-Up Table n-D, a superação das técnicas lineares, o mínimo de variáveis monitoradas para a estimação de corrente e rotação, e a possibilidade de estimar vazão e pressão diferencial.[0019] The patent review shows that the present patent application presents major differences in relation to existing patents and other documents existing in the current state of the art. In particular, in relation to patents BR 8705330 A, CN101183246, EP1069284, JP09034557 and WO2010/099285 A1. It is noteworthy that the present report describes a flow and pressure measurement system without the use of sensors. In the estimation techniques described by patents US 2007/0119246 A1, WO 2010/099285 A1, WO 2012/100210 A1, CN103520786 (A) and WO 2013/003370 A2 with application in blood pumps, the main differences, in this patent application, can be highlighted, briefly, as: the application in kinetic pumps (whether axial, centrifugal or mixed), a technique based on Look-Up Table n-D, the overcoming of linear techniques, the minimum of monitored variables for the estimation of current and rotation, and the possibility of estimating flow and differential pressure.

[0020] A medição de vazão e pressão diferencial sem o uso de sensores, nos termos desse pedido de patente, é uma vantagem em relação aos métodos tradicionais de medição e também em relação aos métodos descritos por patentes anteriores. Especialmente em sistemas de bombeamentos em que o uso de sensores/medidores não é indicado por: aumentar o custo do sistema; aumentar a complexidade da instalação, ou necessitar modificações de sistemas para instalar os instrumentos de medição; ou quando o uso de sensores implicar maior risco de infecções, em aplicações biomédicas; ou quando a falha do sensor/medidor pode comprometer a operação segura do sistema.[0020] The measurement of flow and differential pressure without the use of sensors, according to this patent application, is an advantage over traditional measurement methods and also over the methods described by previous patents. Especially in pumping systems where the use of sensors/meters is not recommended because: it increases the cost of the system; increases the complexity of the installation, or requires modifications to systems to install the measuring instruments; or when the use of sensors implies a greater risk of infections, in biomedical applications; or when the failure of the sensor/meter may compromise the safe operation of the system.

[0021] Em especial, nas aplicações biomédicas, o uso de sensores representa aumento do risco de infecções e de problemas de formação de trombos e controle de coagulação, quando estão em contato com o sangue. Normalmente a informação da vazão ou pressão é utilizada como monitoração e controle de dispositivos, o que apresenta grande risco, pois caso os sensores falhem o desempenho do sistema fica comprometido, o que não é tolerado em dispositivos que auxiliam na manutenção da vida ou de funções biológicas.[0021] In particular, in biomedical applications, the use of sensors represents an increased risk of infections and problems with thrombus formation and coagulation control when they are in contact with blood. Normally, flow or pressure information is used to monitor and control devices, which presents a great risk, because if the sensors fail, the system's performance is compromised, which is not tolerated in devices that assist in the maintenance of life or biological functions.

[0022] Destaca-se, como principal diferença, o método de estimar a vazão e a pressão diferencial a partir de um sistema não linear de n-dimensões por Look-Up Table n-D. Neste sistema as entradas são corrente elétrica e rotação do motor, e as saídas são vazão e pressão diferencial, funcionando, então, como um sensor não invasivo para medir estas grandezas em sistemas de bombeamento, especialmente as bombas de auxílio à circulação sanguínea. No presente pedido de patente o elemento propulsor, tipicamente um motor elétrico, pode ser substituído por outros motores: hidráulicos ou pneumáticos, de modo que nestes casos a corrente elétrica deve ser substituída por grandeza equivalente, sem prejuízo ao método de medição (estimação).[0022] The main difference is the method of estimating flow and differential pressure from a nonlinear n-dimensional system using an n-D Look-Up Table. In this system, the inputs are electric current and motor rotation, and the outputs are flow and differential pressure, thus functioning as a non-invasive sensor to measure these quantities in pumping systems, especially blood circulation assistance pumps. In the present patent application, the driving element, typically an electric motor, can be replaced by other motors: hydraulic or pneumatic, so that in these cases the electric current must be replaced by an equivalent quantity, without compromising the measurement (estimation) method.

[0023] A técnica de medição objeto deste pedido de patente usa a informação da potência e velocidade do elemento propulsor da bomba cinética para, a partir de um estimador, informar a vazão e a pressão diferencial.[0023] The measurement technique that is the subject of this patent application uses information on the power and speed of the kinetic pump's driving element to, from an estimator, inform the flow rate and differential pressure.

[0024] Com relação aos métodos convencionais de medição, o objeto desta patente apresenta as seguintes vantagens:[0024] With respect to conventional measurement methods, the object of this patent presents the following advantages:

[0025] Efetuar a medição sem o uso de sensores, ou instrumentos de medição, ou seja, o método é não invasivo;[0025] Perform the measurement without the use of sensors or measuring instruments, that is, the method is non-invasive;

[0026] Possibilita o uso em sistemas que já está em operação, bastando realizar a calibração;[0026] Allows use in systems that are already in operation, simply by performing calibration;

[0027] Menor peso, ocupa menos espaço e menor custo, uma vez que basta um indicador e um sistema de processamento da técnica. Na maior parte das aplicações industriais o painel de operação do sistema de bombeamento pode incorporar os indicadores de vazão e pressão diferencial. Em aplicações biomédicas, essas vantagens se pronunciam, pois normalmente o espaço e o custo são fatores importantes;[0027] Lighter weight, takes up less space and costs less, since an indicator and a technical processing system are sufficient. In most industrial applications, the pumping system operating panel can incorporate flow and differential pressure indicators. In biomedical applications, these advantages are more pronounced, since space and cost are usually important factors;

[0028] Permite conhecer a vazão e a pressão diferencial simultaneamente, sem a necessidade de dois equipamentos;[0028] Allows you to know the flow rate and differential pressure simultaneously, without the need for two devices;

[0029] Permite aumentar a precisão incluindo variáveis como a viscosidade e a temperatura do fluido.[0029] Allows for increased accuracy by including variables such as fluid viscosity and temperature.

[0030] Com relação aos inventos das patentes anteriormente descritas se verifica que a presente técnica apresenta as seguintes vantagens:[0030] With regard to the inventions of the patents previously described, it can be seen that the present technique presents the following advantages:

[0031] Possibilita conhecer a pressão diferencial e a vazão ao mesmo tempo;[0031] Allows you to know the differential pressure and flow rate at the same time;

[0032] Estima os valores de vazão e pressão diferencial a partir do sistema por Look-Up Table n-D, ajustando as não linearidades presentes nos sistemas, em especial os biomédicos;[0032] Estimates flow and differential pressure values from the system using Look-Up Table n-D, adjusting for non-linearities present in the systems, especially biomedical systems;

[0033] Pode estimar os valores de vazão e pressão diferencial a partir da identificação do sistema por modelos Fuzzy ou Neurofuzzy;[0033] It can estimate flow and differential pressure values from system identification using Fuzzy or Neurofuzzy models;

[0034] Apresenta erro de medição compatível com a aplicação, além de permitir ajuste diferenciado para determinados pontos de operação, conforme permite a técnica Look-Up Table n-D ou as anteriormente descritas;[0034] It presents a measurement error compatible with the application, in addition to allowing differentiated adjustment for certain operating points, as allowed by the Look-Up Table n-D technique or those previously described;

[0035] Independe do propulsor da bomba cinética (centrífuga, mista ou axial). A técnica proposta pode ser utilizada em motores elétricos, hidráulicos e pneumáticos. Em aplicações biomédicas, os motores elétricos mais comuns são os motores sem escova BLDC (do inglês Brushless Direct Current) que podem ser radiais ou axiais, em ambos os casos a técnica objeto da patente pode ser aplicada.[0035] It is independent of the kinetic pump impeller (centrifugal, mixed or axial). The proposed technique can be used in electric, hydraulic and pneumatic motors. In biomedical applications, the most common electric motors are BLDC (Brushless Direct Current) brushless motors, which can be radial or axial; in both cases, the technique subject to the patent can be applied.

[0036] A técnica pode ser empregada em diferentes tipos de bombas cinéticas e diferentes tipos de fluidos, mantendo o mesmo método.[0036] The technique can be used in different types of kinetic pumps and different types of fluids, maintaining the same method.

[0037] A presente técnica consiste em método não invasivo e sem sensores para medir a vazão e a pressão diferencial em sistemas de bombeamento que usam bombas cinéticas (centrífugas, mistas ou axiais), por meio de um estimador que emprega a interpolação não linear de n-dimensões (LUT - Look Up Table nD) ou a lógica difusa (lógica Fuzzy). O estimador é baseado na proposição que todo o torque necessário para o correto funcionamento da bomba ser convertido pelo propulsor, na maior parte dos casos um motor elétrico, e pode-se relacionar a potência hidráulica gerada com a potência consumida pelo propulsor. Assim sendo, a corrente elétrica e a rotação são obtidas do sistema de acionamento do motor, de modo que o estimador fornece a vazão e a pressão diferencial atual gerada pela bomba.[0037] The present technique consists of a non-invasive and sensorless method for measuring flow and differential pressure in pumping systems that use kinetic pumps (centrifugal, mixed or axial), by means of an estimator that employs non-linear interpolation of n-dimensions (LUT - Look Up Table nD) or fuzzy logic (Fuzzy logic). The estimator is based on the proposition that all the torque necessary for the correct operation of the pump is converted by the impeller, in most cases an electric motor, and the hydraulic power generated can be related to the power consumed by the impeller. Therefore, the electric current and the rotation are obtained from the motor drive system, so that the estimator provides the flow and the current differential pressure generated by the pump.

[0038] Em especial, o sistema de medição compreende:[0038] In particular, the measurement system comprises:

[0039] Sistema eletrônico capaz de adquirir e processar o sinal da corrente elétrica e a rotação do motor;[0039] Electronic system capable of acquiring and processing the electric current signal and the engine rotation;

[0040] Sistema eletrônico computacional capaz de computar os valores de vazão e pressão diferencial a partir da técnica Look-Up Table n-D (LUT), ou as anteriormente apresentadas, e implementada em programas computacionais ou seu equivalente em circuitos eletrônicos digitais.[0040] Electronic computer system capable of computing flow and differential pressure values using the Look-Up Table n-D (LUT) technique, or those previously presented, and implemented in computer programs or their equivalent in digital electronic circuits.

[0041] O método pode ser detalhado por compreender as etapas de:[0041] The method can be detailed by comprising the steps of:

[0042] Adquirir os sinais da corrente elétrica e a rotação;[0042] Acquire the electric current and rotation signals;

[0043] Processar os sinais digitalmente gerando informações da corrente elétrica e rotação;[0043] Process the signals digitally, generating information on the electrical current and rotation;

[0044] Processar os dados da corrente elétrica e da rotação no estimador para gerar a informação da vazão e da pressão diferencial.[0044] Process the electrical current and rotation data in the estimator to generate flow and differential pressure information.

[0045] Em especial, o estimador de vazão e pressão diferencial compreende as seguintes etapas de calibração:[0045] In particular, the flow and differential pressure estimator comprises the following calibration steps:

[0046] Gerar dados de corrente elétrica, rotação, vazão e pressão diferencial para compor a LUT. Em sistemas que requerem maior precisão, devem ser incluídas as variáveis de viscosidade (ou alguma variável correlata, como, por exemplo, o hematócrito na circulação do sangue) e/ou a temperatura;[0046] Generate electrical current, rotation, flow and differential pressure data to compose the LUT. In systems that require greater precision, viscosity variables (or some related variable, such as hematocrit in blood circulation) and/or temperature must be included;

[0047] Processar os dados da tabela em um sistema de interpolação não linear (LUT - Look Up Table), e ou;[0047] Process the table data in a non-linear interpolation system (LUT - Look Up Table), and or;

[0048] Identificar um o sistema de estimação por meio de um sistema fuzzy (difuso) ou neurofuzzy, gerando a “fuzzificação” das entradas e saídas e o conjunto de regras do estimador;[0048] Identify an estimation system through a fuzzy (diffuse) or neurofuzzy system, generating the “fuzzification” of the inputs and outputs and the set of rules of the estimator;

[0049] Verificação/validação do estimador considerando o erro de medição, de outro modo, a calibração do instrumento de medição de vazão e pressão diferencial;[0049] Verification/validation of the estimator considering the measurement error, otherwise, the calibration of the flow and differential pressure measuring instrument;

[0050] Os dados da LUT devem ser obtidos em ensaio de bancada, ou quando possível, no local de aplicação. Em aplicações biomédicas, em geral, não permitem a calibração na condição de aplicação, nestes casos ensaios de bancadas são os mais indicados, podendo ser elaborados dispositivos específicos para os ensaios;[0050] LUT data should be obtained in bench testing, or when possible, at the application site. In biomedical applications, in general, calibration under application conditions is not possible; in these cases, bench testing is the most suitable, and specific devices can be designed for the tests;

[0051] Os ensaios devem permitir obter dados de rotação e corrente para um conjunto de valores de vazão e pressão diferencial. O conjunto deve ser definido de acordo com a característica de cada bomba cinética, ou da faixa de trabalho do estimador;[0051] The tests must allow obtaining rotation and current data for a set of flow and differential pressure values. The set must be defined according to the characteristic of each kinetic pump, or the working range of the estimator;

[0052] Para obtenção dos dados devem ser utilizados medidores padrões de vazão e pressão diferencial;[0052] Standard flow and differential pressure meters must be used to obtain the data;

[0053] Processar os dados da tabela em um sistema de interpolação não linear de n-dimensões (LUT - Look Up Table n-D) ou identificar um o sistema de estimação por meio de um sistema fuzzy (difuso) ou neurofuzzy, gerando a “fuzzificação” das entradas e saídas e o conjunto de regras do estimador;[0053] Process the table data in an n-dimensional non-linear interpolation system (LUT - Look Up Table n-D) or identify an estimation system through a fuzzy or neurofuzzy system, generating the “fuzzification” of the inputs and outputs and the set of estimator rules;

[0054] Verificação/validação do estimador obtendo o erro de medição, conforme as melhores práticas de metrologia.[0054] Verification/validation of the estimator obtaining the measurement error, in accordance with best metrology practices.

[0055] A Figura 1(a) mostra o diagrama geral esquemático da técnica, revelada neste relatório, em uma aplicação genérica (tipicamente uma aplicação industrial), que compreende: a bomba cinética(1), do tipo centrífuga, mista ou axial; o propulsor(2) da bomba, tipicamente um motor elétrico; o acionamento eletrônico(3) do motor; a medição da vazão e pressão diferencial por meio do estimador(4); o indicador(5) da vazão e da pressão diferencial; vazão/fluxo e pressão(6) gerados pela bomba.[0055] Figure 1(a) shows the general schematic diagram of the technique, disclosed in this report, in a generic application (typically an industrial application), which comprises: the kinetic pump(1), of the centrifugal, mixed or axial type; the pump impeller(2), typically an electric motor; the electronic drive(3) of the motor; the measurement of the flow rate and differential pressure by means of the estimator(4); the indicator(5) of the flow rate and differential pressure; flow rate/flux and pressure(6) generated by the pump.

[0056] A Figura 1(b) mostra o diagrama esquemático da presente técnica em uma aplicação biomédica (exemplo de um dispositivo de assistência ventricular), que compreende: o propulsor(2) integrado à bomba cinética(1); coração(8) do paciente; conexão(9) entre a bomba cinética(1) e o ventrículo esquerdo; conexão(10) entre a bomba cinética(1) e a artéria aorta do paciente; acionamento eletrônico(3) do propulsor(2); medição da vazão e pressão diferencial por meio do estimador(4); e indicador(5) da vazão e da pressão diferencial.[0056] Figure 1(b) shows the schematic diagram of the present technique in a biomedical application (example of a ventricular assist device), comprising: the propeller(2) integrated with the kinetic pump(1); the patient's heart(8); connection(9) between the kinetic pump(1) and the left ventricle; connection(10) between the kinetic pump(1) and the patient's aorta artery; electronic drive(3) of the propeller(2); measurement of the flow rate and differential pressure by means of the estimator(4); and indicator(5) of the flow rate and differential pressure.

[0057] A Figura 2 apresenta a superfície de estimação dos dados da LUT (Look Up Table n-D) para interpolação não linear de n-dimensões.[0057] Figure 2 shows the estimation surface of the LUT (Look Up Table n-D) data for non-linear interpolation of n-dimensions.

[0058] A Figura 3 mostra esquematicamente o estimador por lógica Fuzzy, que compreende: a estrutura da Rede Neural Artificial(14) básica para gerar a superfície de decisão Fuzzy; a entradas fuzzy de corrente(15) e rotação para o estimador(4) de vazão e pressão diferencial; o sistema fuzzy(16) de estimação/medição; saída(17) dos valores de vazão e pressão diferencial medida/estimada.[0058] Figure 3 schematically shows the Fuzzy logic estimator, which comprises: the structure of the basic Artificial Neural Network (14) to generate the Fuzzy decision surface; the fuzzy current (15) and rotation inputs for the flow and differential pressure estimator (4); the fuzzy estimation/measurement system (16); output (17) of the measured/estimated flow and differential pressure values.

[0059] A Figura 4 apresenta as tabelas de validação do estimador/sistema de medição da vazão e pressão diferencial em um circuito hemodinâmico simulado, neste exemplo para aplicação biomédica, onde a tabela 1 apresenta dados do ensaio de validação da vazão; e a tabela 2 apresenta dados do ensaio de validação da pressão diferencial.[0059] Figure 4 presents the validation tables of the flow and differential pressure measuring estimator/system in a simulated hemodynamic circuit, in this example for biomedical application, where table 1 presents data from the flow validation test; and table 2 presents data from the differential pressure validation test.

[0060] A Figura 5 mostra um gráfico de verificação da vazão estimada, medida pelo estimador(5) comparada com a vazão experimental medida por um medidor ultrassônico calibrado.[0060] Figure 5 shows a verification graph of the estimated flow rate, measured by the estimator(5) compared with the experimental flow rate measured by a calibrated ultrasonic meter.

[0061] A Figura 6 apresenta um circuito típico de ensaio em bancada para a obtenção dos dados da LUT (Look-Up Table n-D) em uma aplicação em bombas de assistência circulatória. O circuito é composto por: reservatório(25), tubos de interligação entre a bomba(21) e o reservatório(25), monitores de pressão(20) que são utilizados para obter a informação da pressão diferencial gerada pela bomba(21), fluxômetro(23) para medir a vazão de fluido gerada pela bomba(21), torniquete(24) para restringir a passagem do fluido e ajustar valores de vazão e pressão diferencial, bomba(21) cinética e o controlador(22) do motor que é responsável pelo ajuste da rotação e obtenção das informações da corrente e da rotação do motor da bomba(21).[0061] Figure 6 shows a typical bench test circuit for obtaining LUT (Look-Up Table n-D) data in an application in circulatory assistance pumps. The circuit consists of: reservoir (25), interconnecting tubes between the pump (21) and the reservoir (25), pressure monitors (20) that are used to obtain information on the differential pressure generated by the pump (21), flowmeter (23) to measure the fluid flow generated by the pump (21), turnstile (24) to restrict the passage of the fluid and adjust flow and differential pressure values, kinetic pump (21) and the motor controller (22) that is responsible for adjusting the rotation and obtaining information on the current and rotation of the pump motor (21).

[0062] A Figura 7 mostra o fluxograma da obtenção dos dados da LUT, ou seja, calibração.[0062] Figure 7 shows the flowchart for obtaining LUT data, i.e. calibration.

[0063] A Figura 8 mostra o fluxograma da estimação da vazão e pressão diferencial.[0063] Figure 8 shows the flowchart for estimating flow rate and differential pressure.

[0064] O método e sistema para medição da vazão e da pressão diferencial em sistemas de bombeamento cinético, objeto deste pedido de patente, se caracteriza pela utilização das informações da potência do elemento propulsor para estimar/medir a vazão e a pressão diferencial, via interpolação não linear por LUT de n-dimensões (Look Up Table n-D) ou estimação Fuzzy/Redes Neurais Artificiais.[0064] The method and system for measuring flow and differential pressure in kinetic pumping systems, which is the subject of this patent application, is characterized by the use of information on the power of the propeller element to estimate/measure flow and differential pressure, via non-linear interpolation by n-dimensional LUT (Look Up Table n-D) or Fuzzy estimation/Artificial Neural Networks.

[0065] O presente pedido de patente contempla o método e o sistema para a medição da vazão e da pressão diferencial em sistemas de bombeamento constituídos por: bomba cinética(1), propulsor(2) e sistema de acionamento. O presente pedido de patente pode ser empregado em diversas aplicações industriais, com variados fluidos de bombeamento e, em especial, em aplicações biomédicas na assistência à circulação sanguínea.[0065] This patent application covers the method and system for measuring flow and differential pressure in pumping systems consisting of: kinetic pump (1), impeller (2) and drive system. This patent application can be used in various industrial applications, with various pumping fluids and, in particular, in biomedical applications in assisting blood circulation.

[0066] Conforme mostra a figura 1(a), em aplicações genéricas tem-se a bomba cinética(1) podendo ser uma bomba centrífuga, mista ou axial, sendo acionada por um propulsor(2), por exemplo eletromecânico, um motor elétrico. O estimador é baseado na proposição que todo o torque necessário para o correto funcionamento da bomba cinética(1) é convertido pelo propulsor(2), na maior parte dos casos um motor elétrico, e pode-se relacionar a potência hidráulica gerada com a potência consumida pelo propulsor. A dinâmica de um motor elétrico como propulsor(2) de uma bomba cinética(1) pode ser descrita pelas equações (Eq.1) ou (Eq.2). Para bombas cinéticas(1) há uma correlação entre a corrente elétrica (I) e rotação (ω) e o vazão/fluxo (Q) ou a pressão diferencial (ΔP) via torque da carga (Tl). [0066] As shown in figure 1(a), in generic applications there is a kinetic pump (1), which can be a centrifugal, mixed or axial pump, driven by a propeller (2), for example an electromechanical one, an electric motor. The estimator is based on the proposition that all the torque required for the correct operation of the kinetic pump (1) is converted by the propeller (2), in most cases an electric motor, and the hydraulic power generated can be related to the power consumed by the propeller. The dynamics of an electric motor as a propeller (2) of a kinetic pump (1) can be described by equations (Eq. 1) or (Eq. 2). For kinetic pumps (1) there is a correlation between the electric current (I) and rotation (ω) and the flow rate/flux (Q) or the differential pressure (ΔP) via the load torque (Tl).

[0067] Onde J é o momento de inércia, ω é a rotação, K é a constante detorque do BLDC, B é o coeficiente de amortecimento e Tl é o torque da cargacomo uma função da vazão/fluxo, Q, e da rotação, ω, (Tl = f(Q, ω)) ou como umafunção da pressão diferencial, ΔP, e da rotação, ω, (Tl = f(ΔP, ω)).[0067] Where J is the moment of inertia, ω is the speed, K is the BLDC torque constant, B is the damping coefficient, and Tl is the load torque as a function of flow rate, Q, and speed, ω, (Tl = f(Q, ω)) or as a function of differential pressure, ΔP, and speed, ω, (Tl = f(ΔP, ω)).

[0068] O emprego desta correlação, apresentada nas equações (Eq.1) ou (Eq.2), via técnicas de inferência LUT (Look Up Table n-D) é o objeto deste pedido de patente, apresentado no estimador(4).[0068] The use of this correlation, presented in equations (Eq.1) or (Eq.2), via LUT (Look Up Table n-D) inference techniques is the object of this patent application, presented in the estimator (4).

[0069] Ainda, na figura 1(a) um indicador da vazão e pressão diferencial(5) pode ser utilizado, bem como, esta informação pode ser enviada para uma monitoração remota ou para um controlador da bomba e do sistema de bombeamento. A vazão e pressão diferencial gerada pela bomba cinética(1) é medida via técnica objeto deste pedido de patente.[0069] Furthermore, in figure 1(a) a flow rate and differential pressure indicator (5) can be used, and this information can be sent to remote monitoring or to a controller of the pump and pumping system. The flow rate and differential pressure generated by the kinetic pump (1) is measured via the technique that is the subject of this patent application.

[0070] Além das aplicações industriais, o objeto deste pedido de patente pode ser empregado em aplicações biomédicas, especialmente na assistência à circulação sanguínea, figura 1(b). O exemplo da utilização deste sistema de medição e técnica de medição foi avaliado nesta aplicação, apresentando resultados satisfatórios, conforme mostrado nas figuras 4 e 5. O objeto descrito neste pedido de patente pode ser utilizado em sistemas de Dispositivos de Assistência Ventricular (DAV), como representado na figura 1(b). Mas também, pode ser utilizado em sistemas de bombeamento de Circulação Extracorpórea (CEC) ou em sistemas que inclui a oxigenação (ECMO). A utilização desta técnica e sistema de medição pode ser utilizada em muitas aplicações com as vantagens de reduzir espaço, custo e manutenção. Nestes sistemas de bombeamento em Assistência Ventricular, figura 1(b), o coração do paciente(8) que é responsável pela circulação sanguínea é auxiliado por uma bomba cinética(1). A entrada da bomba cinética(1) é conectada ao ventrículo esquerdo(9) e a saída da bomba cinética(1) é conectada à artéria aorta(10). Nesta configuração a bomba cinética(1) é submetida às variações de pressão e fluxo do coração natural, de modo que a técnica proposta(12) mede os valores de vazão e pressão diferencial e disponibiliza esta informação(13). A estimação usa como entrada a informação de potência do propulsor obtida, normalmente, do sistema de acionamento do propulsor(3).[0070] In addition to industrial applications, the object of this patent application can be used in biomedical applications, especially in assisting blood circulation, figure 1(b). The example of the use of this measurement system and measurement technique was evaluated in this application, presenting satisfactory results, as shown in figures 4 and 5. The object described in this patent application can be used in Ventricular Assist Device (VAD) systems, as represented in figure 1(b). But it can also be used in Extracorporeal Circulation (ECC) pumping systems or in systems that include oxygenation (ECMO). The use of this technique and measurement system can be used in many applications with the advantages of reducing space, cost and maintenance. In these Ventricular Assist pumping systems, figure 1(b), the patient's heart(8) that is responsible for blood circulation is assisted by a kinetic pump(1). The input of the kinetic pump(1) is connected to the left ventricle(9) and the output of the kinetic pump(1) is connected to the aorta(10). In this configuration, the kinetic pump(1) is subjected to the pressure and flow variations of the natural heart, so that the proposed technique(12) measures the flow and differential pressure values and makes this information available(13). The estimation uses as input the propeller power information normally obtained from the propeller drive system(3).

[0071] O método de calibração, mostrado nas figuras 6 e 7, do estimador(4) de vazão e pressão diferencial consiste em obter valores de potência e rotação do propulsor(2) e valores de vazão e pressão diferencial da bomba cinética(1), como ocorrem nos demais equipamentos de medição dessas grandezas.[0071] The calibration method, shown in figures 6 and 7, of the flow and differential pressure estimator(4) consists of obtaining power and rotation values of the impeller(2) and flow and differential pressure values of the kinetic pump(1), as occurs in other equipment for measuring these quantities.

[0072] A figura 2 apresenta a superfície de estimação obtida experimentalmente para a calibração do estimador(4). Esta superfície pode ser a tabela de dados quando a técnica utiliza a LUT (Look Up Table), ou pode ser a superfície de decisão do estimador Fuzzy, ou pode ser o conjunto de treinamento das Redes Neurais Artificias para gerar o conjunto Fuzzy ou para ser utilizado diretamente em uma Rede Neural Artificial na estimação da vazão e pressão diferencial. Um exemplo de Rede Neural Artificial(14) é apresentado na figura 3 para gerar o conjunto Fuzzy ou gerar as saídas, por meio de treinamento.[0072] Figure 2 shows the estimation surface obtained experimentally for the calibration of the estimator(4). This surface can be the data table when the technique uses the LUT (Look Up Table), or it can be the decision surface of the Fuzzy estimator, or it can be the training set of the Artificial Neural Networks to generate the Fuzzy set or to be used directly in an Artificial Neural Network in the estimation of flow and differential pressure. An example of an Artificial Neural Network(14) is shown in Figure 3 to generate the Fuzzy set or generate the outputs, through training.

[0073] O estimador Fuzzy(16) é apresentado na figura 3, onde as entradas de rotação e corrente(15) são interpretadas pelo sistema Fuzzy para gerar as saídas(17) de vazão e pressão diferencial. O estimador(4) é baseado na relação dada por equação (Eq.1) e implementada por técnica não linear, quer seja LUT, Fuzzy, NeuroFuzzy ou Rede Neural Artificial.[0073] The Fuzzy estimator(16) is shown in Figure 3, where the rotation and current(15) inputs are interpreted by the Fuzzy system to generate the flow and differential pressure outputs(17). The estimator(4) is based on the relationship given by equation (Eq.1) and implemented by a non-linear technique, whether LUT, Fuzzy, NeuroFuzzy or Artificial Neural Network.

[0074] Na Figura 6 é apresentado um circuito típico de ensaio em bancada para a obtenção dos dados da LUT (Look-Up Table n-D), em uma aplicação em bombas de assistência circulatória. O circuito é composto por: reservatório(25), tubos de interligação entre a bomba(21) e o reservatório(25), monitores de pressão(20) que são utilizados para obter a informação da pressão diferencial gerada pela bomba(21), fluxômetro(23) para medir a vazão de fluido gerada pela bomba(21), torniquete(24) para restringir a passagem do fluido e ajustar valores de vazão e pressão diferencial, bomba(21) cinética e o controlador(22) do motor que é responsável pelo ajuste da rotação e obtenção das informações da corrente e da rotação do propulsor (motor). O ensaio consiste em registrar os valores de corrente elétrica para um conjunto de rotações definidas no controlador(22), para certos valores de vazão e pressão diferencial, medidos pelos respectivos sensores de vazão fluxômetros(23) e pressão(20) e ajustados pelo torniquete(24)/válvula. Este conjunto de dados compõe à LUT e é o processo de calibração do estimador. Na Figura 7, o fluxograma indica as etapas de calibração e obtenção dos dados da LUT.[0074] Figure 6 shows a typical bench test circuit for obtaining LUT (Look-Up Table n-D) data in an application involving circulatory assistance pumps. The circuit consists of: reservoir (25), interconnecting tubes between the pump (21) and the reservoir (25), pressure monitors (20) that are used to obtain information on the differential pressure generated by the pump (21), flowmeter (23) to measure the fluid flow generated by the pump (21), turnstile (24) to restrict the passage of fluid and adjust flow and differential pressure values, kinetic pump (21) and the motor controller (22) that is responsible for adjusting the rotation and obtaining information on the current and rotation of the impeller (motor). The test consists of recording the electric current values for a set of rotations defined in the controller (22), for certain flow and differential pressure values, measured by the respective flow sensors (flowmeters (23) and pressure (20)) and adjusted by the turnstile (24)/valve. This set of data makes up the LUT and is the calibration process of the estimator. In Figure 7, the flowchart indicates the calibration steps and obtaining the LUT data.

[0075] A Figura 8 apresenta o fluxograma de estimação da vazão e da pressão diferencial. A aquisição dos sinais de corrente elétrica e rotação é a primeira etapa da estimação(26). A digitalização e/ou tratamento/filtragem dos sinais de rotação e corrente elétrica é a segunda etapa(27). Os valores de corrente e rotação(28) são utilizados pelo algoritmo LUT(29) para calcular/estimar os valores de vazão e pressão diferencial(30). A frequência de realização dessa operação depende do sistema eletrônico que implementará esta função.[0075] Figure 8 shows the flowchart for estimating flow and differential pressure. The acquisition of the electric current and rotation signals is the first stage of the estimation(26). The digitization and/or treatment/filtering of the rotation and electric current signals is the second stage(27). The current and rotation values(28) are used by the LUT algorithm(29) to calculate/estimate the flow and differential pressure values(30). The frequency of performing this operation depends on the electronic system that will implement this function.

[0076] Variáveis como temperatura e viscosidade do fluido interferem no desempenho da medição, porém todas as técnicas podem ser expandidas para incorporar essas variáveis na estimação. A técnica que utiliza o algoritmo LUT nD possui flexibilidade para incorporar essas variáveis na estimação. Nos ensaios realizados na aplicação biomédica de circulação sanguínea essas grandezas afetaram a medição dentro do erro esperado, portanto nos primeiros ensaios, figuras 4 e 5, essas variáveis não foram avaliadas.[0076] Variables such as temperature and fluid viscosity interfere with measurement performance, but all techniques can be expanded to incorporate these variables into the estimation. The technique that uses the LUT nD algorithm has the flexibility to incorporate these variables into the estimation. In tests performed in the biomedical application of blood circulation, these quantities affected the measurement within the expected error, therefore, in the first tests, figures 4 and 5, these variables were not evaluated.

[0077] Exemplo da aplicação desta técnica[0077] Example of the application of this technique

[0078] Foi montado um circuito de circulação de fluido análogo ao sangue, de modo a reproduzir algumas condições do sistema cardiovascular. Este circuito submeteu o sistema de bombeamento e de medição às condições de vazão e pressão diferencial típica da aplicação em circulação implantável (Dispositivo de Assistência Ventricular) e de circulação extracorpórea (durante a cirurgia). Para a comparação dos resultados foi utilizado um medidor ultrassônico como valor verdadeiro da grandeza, bem como um sistema multiparâmetro para medir a pressão diferencial. Esses equipamentos são utilizados correntemente na prática médica da área cardiovascular.[0078] A blood-like fluid circulation circuit was assembled in order to reproduce some conditions of the cardiovascular system. This circuit subjected the pumping and measuring system to the flow and differential pressure conditions typical of implantable circulation (Ventricular Assist Device) and extracorporeal circulation (during surgery) applications. To compare the results, an ultrasonic meter was used as the true value of the quantity, as well as a multiparameter system to measure the differential pressure. These devices are currently used in medical practice in the cardiovascular area.

[0079] A Tabela 1 apresenta o resultado da medição utilizando o equipamento convencional e a técnica de medição, objeto deste pedido de patente, onde se pode observar que o erro médio foi de 0,27 L/min. Nota-se que a média experimental, que utiliza o medidor ultrassônico, está compreendida no intervalo de confiança da medição com o estimador, e vice-versa. A Tabela 2 apresenta o resultado de validação para a estimação da pressão diferencial, da mesma forma observa-se a sobreposição da média nos intervalos de confiança. Completando o resultado da técnica de medição descrita, o gráfico da figura 5 apresenta os resultados da medição da vazão via medidor ultrassônico e a técnica proposta neste relatório.[0079] Table 1 presents the measurement result using the conventional equipment and the measurement technique, which is the object of this patent application, where it can be observed that the average error was 0.27 L/min. It is noted that the experimental average, which uses the ultrasonic meter, is included in the confidence interval of the measurement with the estimator, and vice versa. Table 2 presents the validation result for the estimation of the differential pressure, in the same way the overlap of the average in the confidence intervals is observed. Completing the result of the measurement technique described, the graph in figure 5 presents the results of the flow measurement via ultrasonic meter and the technique proposed in this report.

Claims

1. METHOD FOR MEASURING FLOW RATE AND DIFFERENTIAL PRESSURE IN PUMPING SYSTEMS WITH KINETIC PUMPS, of the centrifugal, mixed or axial type, being a non-invasive method and without the use of sensors for the direct measurement of these quantities, characterized by estimating the flow and/or differential pressure values by means of an estimator that employs the non-linear interpolation of n-dimensions, known as LUT - Look Up Table n-D, adjusting the non-linearities present in the system, from the power of electric, hydraulic or pneumatic propellers, following the steps of the calibration stage (from 1.1 to 1.3), estimation (1.4) and measurement (1.5) of the method: 1.1 assemble the kinetic pump and its propeller under calibration conditions; 1.1.1 the calibration system must have standard reference meters for the flow variables. and/or non-invasive differential pressure in the propeller and kinetic pump assembly; 1.2 record the propeller power (typically: electric current (at constant electric voltage) in electric propellers; flow (at constant pressure) in hydraulic and pneumatic propellers) per revolution, under specific load conditions and operating range; 1.2.1 the propeller power variables are obtained from the propeller drive system, as they are intrinsic drive variables; 1.3 record the flow and/or differential pressure values obtained from the calibration system reference standard under specific load conditions and operating range; 1.4 adequately compose, based on the data in 1.2 and 1.3, the non-linear n-dimensional interpolation between the propeller and kinetic pump power values (flow and/or differential pressure). 1.4.1 the data that make up the interpolation depends on the optimized analysis of the power performance of the propeller and kinetic pump, based on hydrodynamic, electromagnetic and electromechanical design. 1.5 under operating and use conditions, measure flow and differential pressure values from non-linear interpolation, by means of on-board computing, obtained only through the intrinsic variables of the propulsion system, that is, from the power of the propeller (typically: electric current (at constant electrical voltage) in electric propellers; flow (at constant pressure) in hydraulic and pneumatic propellers) per rotation, without the use of specialized sensors to directly measure the flow and/or differential pressure quantities, and indicate the flow and/or differential pressure on displays or in a computer program, or even by generating computer or analog signals, to present the result of the flow and/or differential pressure measurement.

2. METHOD FOR MEASURING FLOW RATE AND DIFFERENTIAL PRESSURE IN PUMPING SYSTEMS WITH KINETIC PUMPS of the centrifugal, mixed or axial type, being a non-invasive method and without the use of sensors for the direct measurement of these quantities, for the determination of other non-linearities, according to claim 1, characterized by including the following steps, after 1.3:2.1 vary the fluid during calibration, considering the variables of viscosity, temperature and differentiated operating points;2.2 adequately compose the non-linear interpolation of n-dimensions between the power values of the impeller and the kinetic pump, including as many dimensions as necessary for each non-linearity;2.2.1 the data that make up the interpolation depend on the optimized analysis of the power performance of the impeller and the kinetic pump, based on the hydrodynamic, electromagnetic, electromechanical design and the rheological characteristics of the fluid, in addition to the effects of the variation of non-linearities in the data.2.3 continue with step 1.4;2.4 include the monitored variable to increase the precision in item 1.5, therefore, in this case, in addition to the propellant information, it is necessary to have information on the temperature or viscosity, which may be in real time or in operation adjustments.

3. METHOD FOR MEASURING FLOW RATE AND DIFFERENTIAL PRESSURE IN PUMPING SYSTEMS WITH KINETIC PUMPS of the centrifugal, mixed or axial type, being a non-invasive method and without the use of sensors for the direct measurement of these quantities, according to claim 1, characterized by replacing step 1.4, for the measurement by replacing the non-linear interpolation of n-dimensions by Fuzzy Logic, Artificial Neural Networks or Artificial Intelligence Techniques: 3.1 based on the data from 1.2 and 1.3, configure the Fuzzy sets or the training and validation groups of the artificial neural networks to identify the non-linear relationship of the system by Fuzzy fuzzy logic, artificial neural networks or Artificial Intelligence Techniques. 3.2 validate the configurations of the Fuzzy rules or the configurations of the artificial neural networks and Artificial Intelligence Techniques based on the data from 1.3.3.3 under operating and use conditions, measure flow and differential pressure values from measurement by Fuzzy logic, artificial neural networks or Artificial Intelligence Techniques, by means of embedded computing, from the intrinsic variables of the propulsion system, that is, from the power of the propeller (typically: electric current (at constant electric voltage) in electric propellers; flow (at constant pressure) in hydraulic and pneumatic propellers) per rotation, without using specialized sensors to directly measure the flow and/or differential pressure quantities, and indicate the flow and differential pressure on displays or in a computer program, or even by generating computer or analog signals, to present the result of the flow measurement.