Thermal Convection Velocity Sensors

PRINSIP KERJA

Thermal velocity sensors bergantung pada pendinginan konvektif dari sensor yang dipanaskan dan karena hal itu, hanya sensitif pada kecepatan local. Gambar 8.13(a) menunjukkan probe sederhana. Termistor Ru dipanaskan sampai selisih suhu DT di atas suhu darah oleh daya W yang hilang oleh arus yang melewati Ru. Pengamatan eksperimental (Grahn et al., 1969) menunjukkan bahwa jumlah ini terkait dengan kecepatan darah u, dengan

Gambar 8.13 Probe kecepatan termal (a) Termistor kecepatan-sensitif Ru terpapar pada aliran kecepatan. Suhu-kompensasi termistor Rt ditempatkan di dalam probe. (b) Termistor yang ditempatkan di hilir dan di hulu Ru dipanaskan atau tidak dipanaskan oleh Ru, yang mengindikasikan arah kecepatan. (c) Termistor yang terpapar dan terlindung dari aliran juga dapat menunjukkan arah kecepatan.

dimana a dan b adalah konstanta. Dengan demikian metode ini adalah nonlinier, dengan sensitivitas yang tinggi pada kecepatan rendah dan sensitivitas rendah pada kecepatan tinggi.

PROBES

Catheter-tip probes dirancang dengan dua jenis sensor (Cobbold, 1974). Tipe pertama menggunakan termistor yang ditunjukkan pada Gambar 8.13 dan memberikan sensitivitas tinggi dan nilai resistansi yang masuk akal. Karena termistor yang ditunjukkan Gambar8.13 (a) sama-sama didinginkan di kedua arah kecepatan, sehingga keluaran instrument yang didapatkan adalah replika gelombang penuh dari kecepatan sebenarnya. Untuk mengatasi keterbatasan ini, probe yang ditunjukkan pada Gambar 8.13 (b) memiliki dua termistor tambahan yang terletak sekitar sepuluh milimeter di hilir dan hulu dari Ru. Bergantung pada arah kecepatan, satu atau yang lainnya dipanaskan oleh panas yang dibawa melalui darah dari termistor Ru. Kedua termistor tambahan ini ditempatkan di jembatan yang seimbang dengan kecepatan sebesar nol. Sebuah komparator mendeteksi ketidakseimbangan jembatan dan menggantikan output dari positif ke negatif. Probe yang ditunjukkan pada Gambar 8.13 (c) menggunakan dua sensor kecepatan yang diatur sedemikian rupa sehingga salah satunya terpapar pada kecepatan fluida sementara yang lainnya terlindung dari kecepatan fluida.

Jenis sensor kedua menggunakan manik kaca dengan strip tipis platinum yang diendapkan di permukaannya. Platina dapat dicat dan kemudian dipanaskan di tungku. Kerugian dari sensor platinum-film adalah resistansi rendahnya (hanya beberapa ohm) dan sensitivitas yang rendah.

Sebuah pertanyaan nyata muncul tentang apa yang sebenarnya diukur. Bila kateter dimasukkan ke dalam pembuluh darah, sensor dapat dipusatkan dan dapat mengukur kecepatan maksimal, atau mungkin menempel pada dinding pembuluh darah dan dapat mengukur kecepatan rendah. Salah satu cara untuk memastikan bahwa sensor tidak menempel pada dinding adalah dengan memutar kateter, mencari output maksimal. Kateter juga sensitif terhadap kecepatan radial darah, serta getaran radial kateter. Dengan demikian, selain kesalahan karena mengukur kecepatan, kesalahan dalam mencoba memperkirakan arus bisa timbul dari kurangnya pengetahuan tentang lokasi sensor. Jenis probe (jika dibuat cukup kecil) dapat ditempatkan di ujung jarum suntik dan dimasukkan secara terpisah ke pembuluh darah untuk mengukur besar kecepatan.

CIRCUIT

Sirkuit sensor arus konstan tidak dapat digunakan karena dua alasan. Pertama, konstanta waktu dari sensor yang tertanam dalam probe adalah beberapa persepuluh detik - terlalu lama untuk mencapai respons frekuensi yang diinginkan sampai 25 Hz. Kedua untuk mencapai sensitivitas yang masuk akal pada kecepatan tinggi, arus sensor harus sangat tinggi sehingga ketika arus berhenti, berkurangnya pendinginan konveksi akan meningkatkan suhu sensor lebih dari 5 oC di atas suhu darah dan fibrin melapisi sensor. Sirkuit sensor suhu konstan yang ditunjukkan pada Gambar 8.14 mengatasi kedua masalah ini. Sirkuit awalnya tidak seimbang dengan menyesuaikan R1. Ketidakseimbangan diperkuat oleh op amp gain tinggi, dan outputnya diumpankan kembali ke kekuatan jembatan tahanan. Pengoperasian rangkaian adalah sebagai berikut: Asumsikan bahwa termistor Ruis 5 Chigher daripada suhu darah karena pemanasan sendiri. Jika kecepatan meningkat, Ru mendingin dan resistansinya meningkat. Tegangan yang lebih positif memasuki op-ampterminal noninverting, jadi v meningkat. Hal ini meningkatkan daya jembatan dan Ru memanas, sehingga menangkal pendinginan asli. Sistem ini menggunakan umpan balik negatif gain tinggi agar jembatan selalu seimbang. Jadi Ru tetap hampir konstan, dan karena itu suhunya tetap hampir konstan. Umpan balik negatif gain tinggi membagi konstanta waktu sensor dengan faktor yang sama dengan gain loop, sehingga respons frekuensi sangat meningkat. Akibatnya, jika sensor menjadi sedikit didinginkan, op amp dapat memberikan sejumlah besar tenaga untuk cepat memanaskannya kembali ke suhu yang diinginkan. Rangkaian beroperasi dengan memuaskan hanya dengan satu sensor, Ru, asalkan suhu darah konstan. Jika suhu darah bervariasi, suhu termistor Rt ditambahkan untuk menjaga keseimbangan jembatan. Sehingga kenaikan suhu sangat kecil, Rt harus memiliki koefisien temperatur resistansi jauh lebih rendah daripada Ru, untuk memastikan bahwa Rt adalah sensor suhu dan bukan kecepatan. Resistansi termal Rican diturunkan dengan membuatnya berukuran besar, dengan menggunakan heat sink, atau dengan menempatkannya di dalam probe sehingga area pendinginan efektif jauh lebih besar. Solusi lain adalah untuk meningkatkan 

Gambar 8.14 Sirkuit meter kecepatan termal Peningkatan kecepatan mendinginkan Ru, termistor kecepatan pengukuran. Hal ini meningkatkan voltase ke input op-amp noninverting, yang meningkatkan tegangan jembatan ub dan memanaskan Ru. Ru memberikan kompensasi suhu.

nilai resistansi untuk R2 dan Rt sehingga disipasi daya mereka jauh lebih rendah. Sebuah linearizer diperlukan untuk memecahkan (8.20). Kita bisa mengelompokkan vb untuk mendapatkan W dan kemudian menggunakan konverter antilog untuk mendapatkan vo. Untuk probe pengarah yang ditunjukkan pada Gambar 8.17 (b), penguat dan penguat pembalik gain dapat digunakan untuk menghasilkan arah aliran. Kalibrasi dapat dilakukan dengan menggunakan pompa aliran sinusoidal atau panci silinder cairan yang berputar pada meja putar. Penggunaan utama sensor kecepatan termal adalah untuk mengukur kecepatan darah dan untuk mengkompilasi profil kecepatan dalam studi hewan, walaupun sensor tersebut juga telah sering digunakan untuk mengukur kecepatan dan percepatan darah pada akar aorta pada pasien manusia yang menjalani kateterisasi diagnostik. . Prinsip yang sama juga telah diterapkan pada pengukuran aliran udara di paru-paru dan ventilator dengan memasang kawat platinum yang dipanaskan dalam tabung pernapasan. 




Sumber: Webster, John G. 1977. Medical Instrumentation: Applications and Design. John Wiley & Sons, Inc