הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

בנושא בניית מד ספיקה לזרימה פועמת (חיובית ושלילית).

(מס' 204)

המנחה : ד"ר יגאל גראד

מגיש : דני גרסטנפלד

27122316

יוני 2002

אוניברסיטת ת"א

תאור הנושא

בגוף, זורם הדם בעזרת פעולת הלב. הלב הוא משאבה פועמת ולא רציפה ולכן מתקבלת זרימה פועמת בכלי הדם הגדולים, הקרובים אל הלב.

זרימה פועמת מאופיינת בספיקה המשתנה מחזורית  (סינוסואידלית) , בעלת משרעת חיובית ושלילית בחלק מהזמן. כיום בתעשייה הביו-רפואית, מפתחים אמצעים רבים והתקנים אשר אמורים לעבוד בסביבה לא קונבנציונלית, סביב כלי דם או בתוכם ובנוכחות מאמצים דינמיים. לצורך בדיקות וניסויים ,in-vitro, קיים ביקוש למערכות להדמיית הזרימה הביולוגית. הנלווה הישיר לביקוש זה הוא מערכות מדידה שיוכלו להתמודד בקלות יחסית ובעלות נמוכה עם סוג זרימה כזה.

הפרוייקט התמקד בבניית מד ספיקה לזרימה פועמת, אולם שילב בתוכו גם הדמיית זרימה ביולוגית.

מהות הפרוייקט ומטרתו

* הפרוייקט עוסק בפועל, בפיתוח ובניה של מד הספיקה לזרימה פועמת.

* מטרת הפרויקט היא מציאת הפתרון הזול והיעיל ביותר למדידת זרימה פועמת.

* הפרוייקט כולל גם תכנון ובניית מערכת זרימה פולסטילית.

הפתרון הנבחר

אביזר יומיומי המוכר לכולם ומבצע ביעילות משימה דומה, הוא עכבר המחשב. הוא יודע לקבוע בקלות את כוון התנועה ומהירותה בעזרת דיסקה מחורצת ומעגל אלקטרוני פשוט המשמש encoder.

הפרוייקט עוסק בהשמת העכבר למטרת מדידת ספיקות, תוך בניית גוף אטום אליו מוכנס גלגל העכבר, כתיבת תכנית הקוראת את המידע הנשלח מן העכבר ותרגומו בעזרת כיול לקצב הספיקה העוברת בגוף שנבנה. המכשיר נבנה כך שגם בספיקות נמוכות, נוצרת מהירות סיבוב גבוהה מספיק שתוכל להימדד ביעילות ובשגיאה נמוכה. הגברת המהירות נעשית בזכות היצרות (בסגנון וונטורי) באיזור הגלגל. גוף המכשיר עשוי פרספקס שתכונתו החשובה במקרה זה היא שקיפותו הרבה. עובדה זו מאפשרת את קריאת התנועה ע"י החיישן האופטי של העכבר, מחוץ לתווך המורטב. כאשר החלק היחיד שפוגש את הזורם הוא הגלגל וסיבובו נגרם עקב כוחות הגרר הפועלים עליו מכווון הזרימה מחד ומכוון הסטגנציה בחלל הכולא אותו מאידך. במצב של שווי משקל בין הכוחות מתקבלת מהירות אחידה וזו קשורה לספיקת הזורם ביחס ישר.

יצויין כבר כאן מחירו הזעום של עכבר כדורי פשוט - 18 שקלים, קצת פחות מ 4$-. מה שנותן כיוון כללי למחיר המכשיר שצריך "להתחרות" במכשירים שעלותם 300$ - 6000$ בטווח המחירים הסביר, ויכול להגיע גם לעשרות אלפי דולרים כשמדובר במכשירים ברמות ביצוע גבוהות בהרבה.

מד הספיקה - בגוף המכשיר שתולים הרכיבים הפוטואלקרטיים והמכניים המקוריים של העכבר.

מעגל הזרימה נבנה בצורה פשוטה, בעזרת שתי משאבות סטנדרטיות (דו כווניות), המחוברות בטור אך בוונים מנוגדים. כאשר אחת מהן מייצרת זרימה קבועה באמליטודה נמוכה והשניה מייצרת בעזרת מחולל מתח, זרימה תונדת באמפליטודה גבוהה. בצורה כזו מתקבלת במעגל זרימה פועמת שלילית וחיובית.

Q

משאבה A

t

משאבה B

Q

הזרימה הכוללת

t

התכנית המצורפת למכשיר כוללת בתוכה שני מסכים עיקריים. המסך הראשי מציג את הספיקה הנוכחית (בגרף ובחלון), שגיאת המדידה המחושבת (בחלון) ולצורך עבודה נוחה בזרימה פועמת, מציג גם את הספיקה הממוצעת, המינימלית והמקסימלית בחלונות נפרדים.

מסך נוסף מציג דרך נוחה מאוד לכיול עצמי של המכשיר. כל מה שנדרש מן המשתמש לעשות הוא לבצע סדרת מדידות ולהכניס את נתוני האמת לחלון המתאים. בלחיצת כפתור נוסף תחושב עקומת הכיול ובלחיצת כפתור לאישור ייושמו המקדמים המתאימים לפונקציית הכיול של המכשיר.

מסך הכיול המסך הראשי

בנוסף לנאמר למעלה ישנה גם אפשרות לכיול המכשיר ע"י קביעת המקדמים באופן ידני. ניתן גם לשנות את קצב הרענון של הגרף, לבחור את החיבור הרצוי למחשב, ולייצא את הנתונים לקובץ.
תוצאות

התוצאות מניסויי הכיול הסטטיים מצביעות על קשר לינארי ועל תחום המדידה הנדרש (100ml/min -1000ml/min). ניתן לשפר את התחום ע"י מס' מודיפיקציות ושיפורים ולהוריד את הספיקה המינימלית לכמעט אפס. השינויים נוגעים בתכנון החלק (הוספת מיסב החלקה או שיפור הציר וכיוצ"ב), כתיבת התכנית (פונקציית תיקון לתחום הנמוך) וגם בבחירת העכבר (לכזה העובד בתדרים ורזולצייה גבוהים יותר).

דוגמא לגרף כיול של מים. המשתנה הבלתי תלוי הוא המספר הנשלח מן העכבר ומהווה אומדן למהירות הסיבוב. ניתן לראות שיש הבדל בכיול לשני הכוונים ושאמינות הלינאריזציה גבוהה מאוד.

גרף אמינות של גליצרין. השוואה בין מדידת המכשיר לספיקה האמיתית לבדיקת אמינות הכיול מראה שגיאות קטנות וממחישה כיצד שגיאה של 5% עדיין מתארת תוצאה אמינה.

דוגמא לגרף תגובה דינמית. ניתן לראות מעקב מושלם בזמן ובגודל אך קפיצות בתחום הנמוך.בעבודה מוסברות התופעות הקשורות בעיוות צורת הפולס. כמו כן ההדירות גבוהה.

מסקנות

מהניסויים ומניתוח הזרימה במכשיר, עולה כי המכשיר הוא לינארי בזמן ובמצב מתמיד. כלומר הכיול הוא לינארי וכן תגובת המכשיר לתנודות בזמן לינארית.

שגיאת המכשיר היא עד 5% .

אין השפעה למס' Re על המכשיר כיוון ששכבת הגבול על הגלגל תמיד למינרית.

אין השפעה למס' Womersly על המכשיר כיוון ששכבת הגבול על הגלגל תמיד למינרית.

ניתן ליישם את הרעיון לקבלת תחומי מדידה שונים ולהאדרת המאפיינים של המכשיר ע"י שינויים קלים בכל אחד ממרכיבי המערכת (גוף המדיד, התכנית והעכבר).

מפרט טכני

תחום מדידה	רזולוציה	תדר דגימה	שגיאה	מפל לחץ מקסימלי	קבוע זמן	תדר תנודה מקסימלי	קוטר צינור כניסה
100-1000 ml/min	2^8:1	30 Hz	5%	200 mmHg	0.4 sec	2.25 Hz	6 mm

יתרונות

עלות נמוכה מאוד.

מדידה דו כוונית.

חווי גרפי ללא תלות בתכנות אחרות.

כיול פשוט ונח, מובנה בתכנית.

אגירת נתונים נוחה דרך התכנית.

פריק (למטרות אחזקה).

קומפקטיות.

ניידות.

חסרונות

מפל לחץ גבוה.

תדר דגימה נמוך.

תדר תנודה נמוך.

חיכוך על הציר מקשה על הכיול.

לא מתאים לנוזלים מזוהמים.

אינסטלציה שמרנית.

דורש ריקון בועיות אוויר.

אחזקה - ניקוי אבנית.

מידת ההצלחה ויישומיות

ככלל, הושגו כל היעדים וכל הדרישות מולאו. בפרט יש לציין את הצלחת איכות המדידה, המוערכת בפחות מ- 5% שגיאה, ברב תחומי המדידה. והוכחת יכולת השגת כל התחומים הנדרשים.

הדמיית הזרימה הפולסטילית (בשני כוונים) ומדידתה בשגיאה נמוכה עלתה בהצלחה.

עלות המכשיר הנמוכה היייתה בהחלט אחד מהיעדים המרכזיים והושג במלואו.

הפיתוח הינו בר יישום ולמעשה כבר יושם ופועל.

כדאיות כלכלית

חלק חשוב מאוד בהגדרות מטרת הפרוייקט, הוא פיתוח מכשיר זול. זו גם היתה הסיבה להתעקשות לנסות למצות את כל האפשרויות הגלומות בעכבר על כל רכיביו. הניסיון עלה בהצלחה ואכן כל החלקים שנדרשו למדידה נלקחו מן העכבר.

סך כל ההוצאות למכשיר מוערך בכ - 15$, בכמויות ייצור קטנות. כמובן שכמויות גדולות יותר עשויות להוזיל את המחיר.

על בסיס חישוב זה ניתן להעריך את מחיר המכשיר לצרכן בכ- 70$ עם נתח רווחים בעין יפה. בהשוואה למחירי המדידים הזולים ביותר (300$ בערך), הכדאיות הכלכלית של פיתוח מכשיר כזה, היא גבוהה ביותר ושוק היעד הוא רב-גוני ובעיקר רב. מעבדות, מפעלים, חברות ביו-רפואיות, משקים חקלאיים מפעלי מזון ועוד. מובן שעל מנת שיתאים לכל שורת המועמדים הנ"ל על המכשיר לעבור מודיפיקציות כלשהן, אולם הוכחת עקרון הפעולה מספקת.