CN116832245A - 一种透析液温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于温度控制技术领域，提供了一种透析液温度控制系统及方法，保温腔上设置有第一温度测量组件以测量所述透析液袋的温度；第一温度测量组件和用于测量管路内液体的第二温度测量组件均与温度控制单元电连接，所述温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。本发明的优点在于采用双传感器温度采集的方式进行温度控制，一边是对管路内液体温度进行实时测量，另一边是对保温腔温度进行实时测量，双状态量输入单控制量输出的方式提高了温度控制的精度，并且降低滞后性所带来的影响，达到对透析液温度进行精确控制。

Description

一种透析液温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种透析液温度控制系统及方法。

背景技术

针对常规血透机、便携式血透机等设备，透析液与病人血液在透析过程中造成血液温度变化，为了减少血液回流人体时引起的不舒适感，通常需要加热透析液至接近正常体温。在自动控制理论中，常见的加热算法主要有PID算法及其变形，这里统称为类PID算法。类PID算法的关键在于根据系统的输入、输出和反馈,找到比例P、积分I和微分D三部分的系数,这三个系数通常没有具体的物理意义,需要在大量测试数据中进行归纳，难度大、不确定性高。现有常见的PID控制无法对管路内液体的温度进行较高精度的控制，透析液温度PID控制算法存在两个较大的缺陷：

一是存在极大的滞后性，液体的热传导比较慢，若使用常规的PID控制系统会对控制带来较大的滞后性；

二是控制的温度上下振幅偏大，由控制的滞后性带来的温度控制收敛缓慢所造成。

发明内容

本发明要解决的技术问题目的在于提供一种透析液温度控制系统，用以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种透析液温度控制系统，包括透析器以及与所述透析器相连接的管路，所述管路还与透析液袋连接，使得流经透析器的部分血液会经过所述透析液袋，包括：

所述透析液袋设置于保温腔中，所述保温腔底部设置有第一加热组件，以对所述保温腔进行温度控制；所述保温腔上设置有第一温度测量组件以测量所述透析液袋的温度；

所述第一温度测量组件和用于测量管路内液体的第二温度测量组件均与温度控制单元电连接，所述温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。

进一步的，所述温度控制单元包括有积分控制器和比例微分控制器，所述积分控制器根据所述管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，所述比例微分控制器根据所述透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。

进一步的，所述第二温度测量组件以非接触式对管路内的液体进行测量。

进一步的，所述第二温度测量组件为红外温度传感器。

进一步的，对所述红外温度传感器进行标定的步骤包括：

S1、搭建测温环境，使透析液袋中的液体流转经过管路；

S2、对红外温度传感器进行至少一个温度值的标定；

S3、通过红外温度传感器检测流经管路中液体的温度值；

S4、以数据记录仪采集管路中实际液体的水温；

S5、将红外温度传感器测得的温度值与与数据记录仪获得的真实水温做比较，从而得到红外温度传感器的误差值，以该误差值调节红外温度传感器的校准系数。

进一步的，在所述管路上设置有温度壶，所述第二温度测量组件安装于所述温度壶的外表面以对流经所述温度壶的液体进行测温。

进一步的，所述温度壶为聚氯乙烯材料。

本发明的另一方面还提供了一种透析液温度控制方法，包括步骤：

以第一温度测量组件采集透析液袋的温度，并以第二温度测量组件采集管路内的液体温度；

温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值；

进一步的，所述温度控制单元中包含有积分控制器和比例微分控制器，所述积分控制器根据所述管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，所述比例微分控制器根据所述透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。

本发明与现有技术相比，至少包含以下有益效果：

(1)采用双传感器温度采集的方式进行温度控制，一边是对管路内液体温度进行实时测量，另一边是对保温腔温度进行实时测量，双状态量输入单控制量输出的方式提高了温度控制的精度，并且降低滞后性所带来的影响，达到对透析液温度进行精确控制的目的；

(2)为了实现对管路内液体进行非接触式温度测量的高精度要求，本实施例以模拟真实测温环境下整体标定代替原有的传感器黑体标定，可以消除黑体与液体热辐射率误差，也可以消除整个管路结构对测温的误差。

附图说明

图1是本实施例所提供的透析液温度控制系统的结构示意图；

图2是本实施例所提供的PID控制算法的流程图；

图3是本实施例所提供的对红外温度传感器进行标定的结构示意图；

图4是本实施例所提供的透析液温度控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明，在本发明中如涉及“第一”、“第二”、“一”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种透析液温度控制系统，其包括透析器以及与透析器相连接的管路，管路还与透析液袋连接，使得流经透析器的部分血液会经过透析液袋。透析液袋设置于保温腔中，保温腔底部设置有第一加热组件，以对保温腔进行温度控制。保温腔上设置有第一温度测量组件以测量透析液袋的温度；

第一温度测量组件和用于测量管路内液体的第二温度测量组件均与温度控制单元电连接，温度控制单元根据测量的温度数据控制第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。

第一温度测量组件可以为热敏电阻温度传感器。

第一加热组件包括加热膜和加热托盘(图中未示出)，加热托盘用于放置透析液袋，加热膜设置在加热托盘的内部，从而为透析液提供热源。

如图2所示，温度控制单元中包括有积分控制器和比例微分控制器，积分控制器根据管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，比例微分控制器根据透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。

图中，G₁为保温腔加热系统传递函数，G₂为透析液袋至管路液体热传递系统传递函数；Q₁是积分控制器的控制增益权值，Q₂是比例微分控制器的控制增益权值。

控制系统由以上两部分进行输出功率的调节，目标一为主控制系统，所使用的控制器为积分控制器；目标二为副控制系统，缩使用的控制器为比例微分控制器，因此主控制系统的控制增益会比副控制系统的增益大。目标一需要将管路温度控制在设定保温温度±0.5℃内。将管路端温度闭环反馈控制，通过比较管路液体温度与期望温度之间的偏差，积分控制器根据偏差调整加热膜功率，并消除偏差以保持液体温度为一个恒定值。

目标二则需要将保温腔温度控制在一个稳定值，使其保持一个相对恒定的功率输出，降低其滞后性。管路端液体温度是依靠液袋液体的热传递保持的，因此当管路温度以达到期望温度时比例微分控制器应调节加热膜功率让保温腔温度稳定在某一范围内，使其保持稳定功率输出，从而达到收敛管路端液体温度的效果。

对于测量透析液温度，传统方式采用的热敏电阻温度传感器由于热电阻的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，环境温度温度升温较快时，传感器的反应肯定有一个热量传递、热电偶反应更长的时间，导致其温度丈量滞后的越多。本实施例一边控制管路端液体温度达到期待温度，一边控制保温腔的温度稳定，保温腔输出功率稳定可使管路端液体温度稳定，同时两边的控制增益的权值可调节。从而通过双状态量输入单控制量输出的方式提高了温度控制的精度，并且降低滞后性所带来的影响，达到对透析液温度进行精确控制的目的。

对于类似血透机等设备，需对透析器入口管路内的透析液温度进行精确测量并控制。现有常见的接触式温度测量传感器如PT100等温度传感器无法进行管路内液体的温度测试，通过直接将此类传感器与管路接触的方式近似测试透析液温度的方法，存在两个较大的缺陷：(1)存在安全的问题，传感器直接与管路接触，存在被病人误触的情况下容易导致触电的隐患；(2)此类接触导热极慢，并不能实时精确的测量实际温度，在管路内温度快速变化时存在极大的延迟性。

本实施例中所采用的第二温度测量组件以非接触式对管路内的液体进行测量，具体的采用一红外温度传感器。在管路上设置有用聚氯乙烯(PVC)材料的温度壶，红外温度传感器安装于温度壶的外表面以对流经温度壶的液体进行测温。红外温度传感器不需热传介质传递，热效率良好，比较灵敏，反应时间快且不需要与检测的物品有任何接触。

进一步的，由于标定的对象和实际的测温对象不同(即黑体和液体的发射率不同)且标定距离和角度和实际测温的距离和角度不同，所以改变传统的标定的黑体标定方法，改为在实际带温度壶结构模拟实际测温环境标定。

为进行红外温度传感器的标定，本实施所搭建的标定装置如图3所示，其主要包括有数据分析仪、温度壶、液袋、泵和电脑控制终端。该温度壶为一三通结构，其一端用于将具有一定温度的液体通入进来，另外两个端口通过泵使其与液袋之间形成循环，由泵体驱动液体在温度壶额液袋之间进行流通，以模拟透析液在管路中的环境。数据分析仪用来采集流向温度壶的液体的实际温度，红外温度传感器紧贴温度壶的外表面，管路内的透析液流过温度壶内部时，由红外温度传感器对液体进行至少一个温度值的标定，并通过电脑控制终端将红外温度传感器测得的温度值通过串口打印出来，与数据分析仪获得的真实温度做比较，得出的透析液温度与实际的透析液温度误差值，从而调整红外温度传感器的校准系数，实现对管路内液体温度精确测量，测量误差±0.2℃。

为了实现对管路内液体进行非接触式温度测量的高精度要求，本实施例以模拟真实测温环境下整体标定代替原有的传感器黑体标定，可以消除黑体与液体热辐射率误差，也可以消除整个管路结构对测温的误差。

本实施例还提供了一种透析液温度控制方法，包括步骤：

T1、以第一温度测量组件采集透析液袋的温度，并以第二温度测量组件采集管路内的液体温度；

T2、温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。

其中所述温度控制单元中包含有积分控制器和比例微分控制器，所述积分控制器根据所述管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，所述比例微分控制器根据所述透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。

本实施例设计了双输入单输出的基于PID的透析液控制算法，一边是对管路液体温度进行实时测量，另一边是对保温腔温度进行实时测量，双状态量输入单控制量输出的方式提高了温度控制的精度，并且降低滞后性所带来的影响，有效提高了温度调节的收敛速率，并且管路端液体温度在小范围内变化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种透析液温度控制系统，包括透析器以及与所述透析器相连接的管路，所述管路还与透析液袋连接，使得流经透析器的部分血液会经过所述透析液袋，其特征在于，包括：

所述透析液袋设置于保温腔中，所述保温腔底部设置有第一加热组件，以对所述保温腔进行温度控制；所述保温腔上设置有第一温度测量组件以测量所述透析液袋的温度；

所述第一温度测量组件和用于测量管路内液体的第二温度测量组件均与温度控制单元电连接，所述温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。

2.根据权利要求1所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，所述温度控制单元包括有积分控制器和比例微分控制器，所述积分控制器根据所述管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，所述比例微分控制器根据所述透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。

3.根据权利要求1所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，所述第二温度测量组件以非接触式对管路内的液体进行测量。

4.根据权利要求3所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，所述第二温度测量组件为红外温度传感器。

5.根据权利要求4所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，对所述红外温度传感器进行标定的步骤包括：

S1、搭建测温环境，使透析液袋中的液体流转经过管路；

S2、对红外温度传感器进行至少一个温度值的标定；

S3、通过红外温度传感器检测流经管路中液体的温度值；

S4、以数据记录仪采集管路中实际液体的水温；

S5、将红外温度传感器测得的温度值与与数据记录仪获得的真实水温做比较，从而得到红外温度传感器的误差值，以该误差值调节红外温度传感器的校准系数。

6.根据权利要求3所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，在所述管路上设置有温度壶，所述第二温度测量组件安装于所述温度壶的外表面以对流经所述温度壶的液体进行测温。

7.根据权利要求6所述的一种透析液温度控制系统，其特征在于，所述温度壶为聚氯乙烯材料。

8.一种透析液温度控制方法，基于权利要求1-7任一项所述的透析液温度控制系统，其特征在于，包括步骤：

以第一温度测量组件采集透析液袋的温度，并以第二温度测量组件采集管路内的液体温度；

温度控制单元根据测量的温度数据控制所述第一加热组件的工作功率，以使透析液温度处于一恒定值。

9.根据权利要求8所述的一种透析液温度控制方法，其特征在于，所述温度控制单元中包含有积分控制器和比例微分控制器，所述积分控制器根据所述管路内液体的温度调节第一加热组件的工作功率，所述比例微分控制器根据所述透析液袋的温度调节第一加热组件的工作功率。