Измерительный шунт

Подать объявление. Используя этот веб-сайт, вы соглашаетесь с использованием файлов cookie. Ознакомьтесь с Политикой использования файлов cookie. Время в Москве В России — Выбрать раздел.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• измерительный шунт в России
• Шунт на 100А и два тайных знания о вашем автомобиле.
• метрология вопросы 1-2
• Шунт измерительный 75ШСМ 5А – 50А, 75А – 1000А, 1500А – 15000А
• ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ШУНТ
• Измерительный шунт для импульсных токов
• измерительный шунт
• Измерительный шунт для больших импульсных токов
• Расчет измерительного шунта миллиамперметра

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Расчет шунта для амперметра без формул!!

измерительный шунт в России

Впервые предложен американским изобретателем Эдвардом Вестоном в году [1]. Например, шунты применяются для изменения верхнего предела измерения у амперметров магнитно-электрической системы. При этом необходимое сопротивление шунта рассчитывают по формуле:. Если необходимый предел измерения значительно превосходит номинальный ток амперметра, то этим током в знаменателе можно пренебречь, и тогда формула принимает вид:.

Применение шунтов позволяет расширить пределы показаний амперметра за счёт ухудшения разрешающей способности и чувствительности прибора. Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии , проверенной 21 января ; проверки требуют 11 правок. Это статья об электрическом устройстве. О шунтировании в медицине см. Маленькие клеммы служат для подключения амперметра.

Для улучшения этой статьи желательно :. Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники , подтверждающие написанное. Пожалуйста, после исправления проблемы исключите её из списка параметров.

После устранения всех недостатков этот шаблон может быть удалён любым участником. Категории : Пассивные компоненты Электроизмерительные приборы. Скрытые категории: Статьи со ссылками на Викисловарь Википедия:Статьи без ссылок на источники Википедия:Статьи без источников тип: не указан Незавершённые статьи об электронике.

Пространства имён Статья Обсуждение. В других проектах Викисклад. Эта страница в последний раз была отредактирована 14 июля в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Подробнее см. Условия использования. Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Свяжитесь с нами Разработчики Заявление о куки Мобильная версия.

Для улучшения этой статьи желательно : Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники , подтверждающие написанное.

Это заготовка статьи об электронике. Вы можете помочь проекту, дополнив её.

Шунт на 100А и два тайных знания о вашем автомобиле.

Обычно в качестве шунта используется низкоомный резистор, катушка, или любой другой проводник. Основная задача шунта — создание параллельного подключения к какому-либо объекту с целью уменьшения суммарного сопротивления. К примеру, шунты часто применяют совместно с амперметром для увеличения верхнего предела измерения. Промышленно изготовленный токовый шунт представляет собой низкоомное сопротивление, изготовленное из металлической пластины, или провода.

А во-вторых, простенький шунт может то, что не могут даже дорогие клещи для К измерительным винтам подключил осциллограф.

метрология вопросы 1-2

Ну вот, уже легче. И как бы это ни странно звучало: шунт является простейшим преобразователем силы тока в напряжение. Но как это возможно? Да оказывается все просто! Итак, имеем простой шунт. Кстати, на схемах он обозначается как резистор. И это неудивительно, потому что это и есть низкоомный резистор. Условимся считать, что ток у нас постоянный и течет из пункта А в пункт Б. На своем пути он встречает шунт и почти беспрепятственно течет через него, так как сопротивление шунта очень маленькое.

Шунт измерительный 75ШСМ 5А – 50А, 75А – 1000А, 1500А – 15000А

Сайт помогает найти что-нибудь интересное в огромном ассортименте магазинов и сделать удачную покупку. Если Вы купили что-то полезное, то, пожалуйста, поделитесь информацией с другими. Также у нас есть DIY сообщество , где приветствуются обзоры вещей, сделанных своими руками. Цена Продолжаем обслуживать старый хьюлет.

Шунт англ.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ШУНТ

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Их отношение определяет номинальное сопротивление шунта:. Шунты применяются для расширения пределов измерения измерительных механизмов по току, при этом большую часть измеряемого тока пропускают через шунт, а меньшую — через измерительный механизм. Шунты имеют небольшое сопротивление и применяются, главным образом, в цепях постоянного тока с магнитоэлектрическими измерительными механизмами. На рис. Шунты изготовляют из манганина.

Измерительный шунт для импульсных токов

Токовый измерительный шунт — резистор с небольшим сопротивлением, предназначенный для преобразования тока в напряжение. Токовый измерительный шунт подключается к электрической схеме с помощью четырех зажимом. Через одну пару зажимов протекает ток, через вторую пару — снимается напряжение с помощью вольтметра или другого измерителя электрических величин. Основные характеристики — величина входного тока I ном и величина выходного напряжения U вых. Сопротивление токового измерительного шунта R ш можно определить по закону Ома:.

Шунт является простейшим измерительным преобразователем тока в напряжение. Измерительный шунт представляет собой четырехзажимный.

измерительный шунт

Шунт предназначен для измерения постоянного тока совместно с измерительным прибором — милливольтметром постоянного тока. Шунт специально разрабатывался с целью обеспечить возможность регистрации малых токов в процессе катодной поляризации. Шунт обеспечивает преобразование тока в напряжение. Для этого шунт включается в разрыв измеряемой цепи.

Измерительный шунт для больших импульсных токов

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Измерительные токовые шунты из китая

Регистрация Вход. Ответы Mail. Вопросы — лидеры Не взлетает квадрокоптер 1 ставка. Перестал работать Mi band 4 1 ставка. Роботы уничтожат ваши рабочие места? А разве понятие «эфир» можно всерьёз рассматривать в электронике?

Во многих областях промышленности применение шунтов-резисторов показало себя, как надежное, точное и долговременно стабильное решение для непрерывного измерения постоянного тока. Низкий перепад напряжения на шунте-резисторе прямо пропорционален текущему току.

Расчет измерительного шунта миллиамперметра

Обратная связь Получить информацию о наличии товара вы можете у наших менеджеров, позвонив по телефону Шунты — калиброванные проводники из манганина, обычно плоские. Применяются чаще всего в цепях постоянного тока в наборе с измерительными магнитоэлектрическими приборами, имеют небольшое сопротивление. Например, при помощи шунтов включают в цепь токовые катушки ваттметров. Шунты измерительные бывают встроенными в корпус прибора для измерения небольших токов и наружными, также устройства различаются по классам точности.

Подать объявление. Используя этот веб-сайт, вы соглашаетесь с использованием файлов cookie. Ознакомьтесь с Политикой использования файлов cookie.

Как измерить большой ток с помощью самодельного шунта

• Главная
>
• Электроника
⬎

Иногда, в радиолюбительской практике и не только, требуется измерить токи, величиной в несколько десятков ампер.

Обычный мультиметр может измерять токи до 10 А, ито не всегда. Зачастую имеющийся под рукой прибор позволяет делать измерения до десятых долей ампера. Опытный радиолюбитель легко выйдет из положения, поэтому статья предназначена в первую очередь для новичков. Итак, будем разбираться, как измерить ток с помощью закона Ома.

Применение закона Ома

Основной закон электротехники, он же закон Ома, гласит: I=U/R где I-это ток в амперах, U-напряжение в вольтах, R-сопротивление в омах. Эта формула говорит нам, что если в разрыв измеряемой нагрузки (где нужно измерить ток) включить шунт (R) и измеренное на шунте напряжение (U) подставить в формулу, по двум величинам R и U мы узнаем нужную нам I — протекающий ток.

Пример: мы ожидаем ток 20-30 А, а может и больший от потребления двигателем шуруповерта. У нас имеется проволочный шунт, сопротивлением 0,035 Ом. Шунт подключается в разрыв плюса или минуса, это не важно — действующий ток одинаков на всех участках цепи. Так же параллельно шунту подключается вольтметр — по его показания можно судить о токе, потребляемом нагрузкой. У меня при почти полном торможении вала двигателя вольтметр показывал около 0,9 В. Подставив известные нам значения в формулу I=0,9/0,035=25,7А — такой ток потребляет мотор.

Обратите внимание:
При измерении пульсирующих и динамически меняющихся токов, цифровой вольтметр не очень подходит, так как его контроллер очень медленно снимает показания. Для данной цели больше подходит стрелочный вольтметр.

Подобрав шунт нужного сопротивления, можно измерять любые постоянные или пульсирующие токи, хоть до 300 А и более. Хотя я сомневаюсь, что такие измерения вам понадобятся. Обычные резисторы не подходят в роли шунта для больших токов, так как обладают малой мощностью рассеяния.

Рассчитать примерную мощность рассеяния шунта можно умножив ожидаемый ток в амперах на падение на нем в вольтах. Для выше приведенного примера это 25,7*0,9=23,13 Вт, такой мощностью обладают проволочные резисторы.

Калькулятор расчета тока по сопротивлению и напряжению на шунте

Внимание! Для работы калькулятора необходимо включить поддержку JavaScript в вашем браузере!

Напряжение на шунте, В

Сопротивление шунта, Ом

Ток, А

Рассеиваемая мощьность на шунте, Вт

Самодельный шунт

Не всегда под рукой имеются проволочные резисторы таких мизерных сопротивлений, я бы даже сказал чаще их нет. Из положения можно выйти при помощи нихромовой проволоки от вышедших из строя нагревателей, в крайнем случае можно использовать обычный медный провод. Для определения сопротивления куска проволоки понадобится амперметр (прям замкнутый круг) и источник питания с нагрузкой. Амперметр может конечно быть рассчитан на меньшие токи, чем предполагается измерять шунтом.

Например, для измерения сопротивления своего шунта 0,035 Ом я использовал источник напряжения 12 В и галогеновую лампу 12 В 35 Вт. Предварительно оценив, что лампа потребляет 35Вт/12В=2,9А, я использовал амперметр на 5 А. Безусловно, когда мы знаем ток потребления нагрузкой, как в моем случае, амперметром можно и не пользоваться, однако будет большая погрешность в измерениях.

Для измерительного шунта отлично подходит сборный шунт от советского измерительного прибора. Данный шунт имеет несколько отводов и обладает способностью держать большие токи.

Итак, подключаем шунт неизвестного сопротивления в разрыв между источником питания и нагрузкой (лампой). Аналогично, как при измерении тока, включаем параллельно шунту вольтметр. В ситуации с лампой вполне сойдет цифровой вольтметр. Закон Ома здесь применим с той лишь разницей, что теперь нам известен ток и напряжение, а сопротивление нет. Используя ту же формулу, подставляем известные значения: 2,9(ток потребления лампы)=0,1(напряжение на измеряемом шунте)/X(сопротивление неизвестно) — 2,9=0,1/X или данное уравнение можно записать иначе: X=0,1/2,9=0,034 Ома — сопротивление шунта.

Измерение переменного тока

Для измерения переменного тока так же применимы вышеописанные методы, с той лишь разницей, что нужно использовать вольтметр переменного напряжения, а в случае с измерением сопротивления шунта — амперметр переменного тока.

Для измерения в цепях с частотой 50 Гц вполне сойдут и цифровые вольтметры и амперметры (при наличии у них таких функций). При более высоких частотах цифровые приборы малопригодны, их показания могут сильно отличаться от реальности. Стрелочные измерительные приборы в этом случае куда более подходящие.

Однако самым лучшим вариантом измерения токов любой формы является осциллограф. Осциллограф подключается к шунту вместо вольтметра. Это позволит измерить размах тока или или среднее его значение. Другими словами — мы увидим ток «воочию». Основная сложность при таких замерах — согласовать значения напряжений на осциллографе с сопротивлением шунта по закону Ома. Здесь могу посоветовать одно — калькулятор в начале страницы вам в помощь.

Хочется обратить внимание: при измерении переменного тока следует производит расчеты не по амплитудным значениям напряжения, а по среднеквадратическим — именно так принято в электротехнике измерять переменные токи и напряжения. Величины указываются усредненные, эквивалентные постоянным. Собственно это и стоит учитывать при использовании осциллографа. У цифровых «ослов» среднеквадратическая величина напряжения может рассчитываться автоматически, называется она «Vrms».

Вышенаписанное справедливо при измерении так называемых «действующих» токов, с относительно стабильной формой. Когда же нужно узнать пиковые токи — здесь в формулу рассчета (или калькулятор в начале) нужно подставлять амплитудные значения напряжений на шунте. Как говорится «все хорошо к месту» — в радиолюбительской практике требуются различные варианты.

Смотрите также другие статьи

Шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2, Шунт измерительный стационарный 75ШСМ Т2, шунт измерительный 75ШСМТ2, шунт измерительный 75ШСМ Т2, шунт 75ШСМТ2, шунт 75ШСМ Т2

Спецпредложение

Главная → Электроизмерительное оборудование → Шунты → Шунты 75ШСМТ2

 

Шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2

Описание и применение шунт измерительный 75ШСМТ2:

Шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2 предназначен для расширения пределов измерения амперметров постоянного тока и счетчиков ампер-часов.

Технические характеристики изделий шунты измерительные стационарные 75ШСМТ2:

• Класс точности 0,5;
• Падение напряжения на потенциальных зажимах для всех шунтов при номинальном токе составляет 75мВ;
• Номинальные токи и номинальные сопротивления изделия шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2 сведены в таблице 1;
• Пределы допускаемой основной погрешности шунта — ±0,5%;

Таблица 1 Номинальные токи и номинальные сопротивления изделия шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2

Номинальный ток	Номинальное сопротивление
75А	1000 мкОм
100А	750 мкОм
150А	500 мкОм
200А	375 мкОм
300А	250 мкОм
500А	150 мкОм
750А	100 мкОм
1000А	75 мкОм
1500А	50 мкОм
2000А	37,5 мкОм
3000А	25 мкОм
4000А	18,75 мкОм
5000А	15 мкОм
6000А	12,50 мкОм
7500А	10 мкОм

Таблица 2. Габаритные размеры и масса изделия шунт измерительный стационарный 75ШСМТ2 (без токовых и потенциальных зажимов)

Предел измерения	Масса, кг	Габаритные размеры, мм
75А	0,19	120х22х12
100А	0,25	130х30х12
150А	0,29	130х22х12
200А	0,38	130х30х12
300А	0,54	130х30х18
500А	0,41	150х35х20
750А	0,6	150х50х20
1000А	0,8	170х50х30
1500А	1,05	170х50х50
2000А	3,5	200х80х50
3000А	4,4	200х105х50
4000А	7	240х145х70
5000А	11	240х160х70
6000А	11	240х160х70
7500А	13	240х210х70

 

Шунты измерительные в Электростали: 156-товаров: бесплатная доставка [перейти]

Партнерская программаПомощь

Электросталь

Каталог

Каталог Товаров

Одежда и обувь

Одежда и обувь

Стройматериалы

Стройматериалы

Здоровье и красота

Здоровье и красота

Текстиль и кожа

Текстиль и кожа

Продукты и напитки

Продукты и напитки

Детские товары

Детские товары

Электротехника

Электротехника

Сельское хозяйство

Сельское хозяйство

Мебель и интерьер

Мебель и интерьер

Вода, газ и тепло

Вода, газ и тепло

Торговля и склад

Торговля и склад

Все категории

ВходИзбранное

ЭлектротехникаТрансформаторы и преобразователиИзмерительные трансформаторыШунтыШунты измерительные

13 800

75ШСММ3-6000-0. 5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-3000-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-150-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ3-5-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ3-50-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-100-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

12 650

75ШСМ-4000-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-1 150 А КЛ. 0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-150-0. 5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-100-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМТ2 750 А кл. 0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-4000-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-1 75 А КЛ. 0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-1500-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

Шунт 75ШСМ Тип: амперметр

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-750-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ3-10-0. 5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-1000-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

Стрелочные измерительные головки Китай 57958, Амперметр 5А (40х40) без шунта Тип: амперметр

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-2000-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМОМ3 1000 А КЛ. 0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

13 316

514.1006.1 Измерительный шунт 300А 3м

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ3-20-0.5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМОМ3 750 А КЛ. 0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

13 800

75ШСМ-6000-0. 5 Шунт измерительный

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСММ3-75-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

75ШСМ-1000-0.5 Шунт измерительный Тип: счетчик

ПОДРОБНЕЕЕще цены и похожие товары

14 750

Simarine Цифровой шунт SC502T S006 6 — 35 В 500 А Код производителя: S006, Штук в комплекте: 1,

В МАГАЗИНЕще цены и похожие товары

2 страница из 18

Измерение тока с помощью шунтирующих резисторов

26 февраля 2018 г. Автор Lee Teschler Оставить комментарий

Вот несколько советов по выбору резисторов, которые будут точно измерять ток.

Bert Weiss , Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH
Сегодня практически в каждой цепи управления и контроля используются измерения тока на основе шунта в качестве альтернативы датчикам. Чтобы провести эти измерения точно, полезно понимать, как работают шунты. Поскольку метод относится к категории точных измерительных технологий, его не следует считать тривиальным.

Шунт — это маломощный резистор, используемый для измерения тока, поэтому его также называют токоизмерительным резистором. Шунт обычно подключается последовательно, поэтому по нему проходит интересующий ток. Затем параллельно шунту подключается устройство измерения напряжения. Ток через шунт создает измеряемое падение напряжения. Текущее значение выводится из закона Ома и известного сопротивления ( I = В / R ). Чтобы свести к минимуму потери мощности и, следовательно, выделение тепла, сопротивление шунтов должно быть не выше миллиомного диапазона. Некоторые даже ниже этого.

Преимущество этого метода измерения заключается в том, что он позволяет быстро обнаруживать и устранять неисправности. Поэтому шунты особенно интересны для приложений, связанных с безопасностью, где необходимо обнаруживать неисправности. Кроме того, шунты обеспечивают точные измерения и, таким образом, обеспечивают эффективное управление приводами или мониторинг систем управления батареями. А шунтирующие резисторы — отличное соотношение цены и качества.

Шунты в основном подходят для любого типа измерительных приложений – будь то постоянный или переменный ток. Шунты в настоящее время переживают бум, особенно благодаря растущему количеству измерений состояния транспортных средств — управление двигателем и аккумулятором, блоки управления подушками безопасности, ABS, информационно-развлекательные системы и так далее. Токоизмерительные резисторы также все шире используются в промышленности, медицинской технике, для рекуперации энергии и для интеллектуальных измерений.

В случае резисторов с металлическим слоем резистивная паста наносится на подложку и регулируется до нужного значения с помощью лазерной подгонки. Это приводит к неоднородной структуре, которая обрезается до номинального значения в виде меандра.

Шунты доступны как в металлическом, так и в цельнометаллическом исполнении. Слоевые резисторы значительно дешевле, но величина их сопротивления изменяется с температурой в большей степени, чем у цельнометаллических устройств.

Изготовление шунтов с металлическим слоем также имеет заметный недостаток: в случае резисторов с металлическим слоем паста наносится на керамическую подложку и регулируется до желаемого значения с помощью лазерной подгонки. Это приводит к неоднородной структуре, которая обрезается до номинального значения в виде меандра. Эта извилистая форма вызывает последовательную индуктивность, потенциально ухудшающую измерения тока. Падение напряжения на шунте, U , тогда следует уравнение U = I x R – L ( d i/ dt ). Следовательно, резисторы с металлическим слоем стоит рассматривать только в том случае, если индуктивность не имеет значения.

Цельнометаллические шунтирующие резисторы состоят из однородного резистивного элемента, поэтому дополнительная индуктивность не возникает.

Цельнометаллические шунтирующие резисторы состоят из однородного резистивного элемента, так что не возникает дополнительной индуктивности. Это качество является ключевым в таких высокоточных приложениях, как медицинские технологии или точные измерительные устройства. Кроме того, эти резисторы отличаются высокой точностью измерения и стойкостью к тепловому удару. Они доступны в различных размерах, в том числе в версиях, которые намного больше, чем стандартные чип-резисторы, и со значениями TK намного ниже 100 ppm/K. Цельнометаллические резисторы могут работать с выходной мощностью до 7 Вт при максимальной температуре 275°C. Они могут иметь резистивные значения вплоть до нижнего диапазона миллиом.

Оптимальное значение сопротивления можно определить довольно просто: самое низкое измерительное напряжение, которое дает достаточно точные результаты, делится на самое низкое значение тока в диапазоне измерения.

Существует тенденция к использованию меньших шунтов с более высокими выходами; также более широко используются версии для конкретных клиентов со специальной геометрией и размерами соединения. Поскольку шунтирующие резисторы относительно дороги по сравнению с другими резисторными технологиями, они доступны небольшими партиями и тестовыми образцами.

Некоторые шунты имеют четыре провода. Здесь ток протекает через два соединения, а напряжение измеряется на двух других. Падение напряжения на резисторах можно определить с помощью внутренних соединений Кельвина.

Некоторые шунты имеют четыре провода. Здесь ток протекает через два соединения, а напряжение измеряется на двух других. Падение напряжения на резисторах можно определить с помощью внутренних соединений Кельвина, что позволяет исключить возникающие при этом погрешности измерения.

Четырехпроводные шунты используются в двух случаях: во-первых, когда сопротивление линии и контакта относительно велико и, в отличие от измеренного сопротивления, не пренебрежимо мало. Во-вторых, когда значение сопротивления ниже 10 мОм. Поскольку значения сопротивления проводников также находятся в миллиомном диапазоне, их необходимо учитывать.

Рубрики: Часто задаваемые вопросы, Рекомендуемые, Справочник по силовой электронике С тегами: RUTRONIKElektronischeBauelemente

Узнайте, как измерить силу шунта

[для печати]

Просмотреть сопутствующие товары

В этой статье объясняются методы, используемые для измерения сил, отклоняющихся от желаемого направления силы («силовой шунт»), для получения точных данных о силе. Это измерение важно, когда другие методы компенсации отклоненных сил нецелесообразны. Он начинается с концепций датчиков силы и преобразователей. Он завершается кратким обзором калибровки этих устройств.

Датчики и преобразователи силы

Датчики силы — это устройства, которые реагируют или обнаруживают физическую силу, вызванную физической нагрузкой, весом или давлением. Преобразователь силы — это датчик силы, который преобразует эту физическую силу в выходной электрический сигнал (напряжение или ток). Примеры включают пьезоэлектрические преобразователи, тензодатчики, пневматические и гидравлические преобразователи давления.

Датчики силы часто интегрируются в системы управления технологическими процессами. Примером может служить система наполнения, в которой измеренный вес сообщает системе, что емкость заполнена и наполнение может быть остановлено. Когда эти системы управления являются разомкнутыми, для получения точных результатов должна происходить калибровка (см. статью 9).0007 Калибровка системы измерения силы или краткий обзор в разделе ниже).

Точные измерения зависят не только от правильной калибровки, но и от правильного размещения и ориентации объекта, прилагающего силу. Методы измерения силы включают этот интерфейс между преобразователем и объектом или устройством, создающим силу.

Силовые шунты

В электронике шунт — это устройство, которое создает путь с низким сопротивлением, отклоняющий поток электрического тока через другую точку цепи. Проще говоря, электрический ток будет течь через шунт, потому что он имеет низкое сопротивление.

Рис. 1. Утяжеленный сосуд с соединением силового шунта

Аналогичным образом, силовой шунт можно определить как конструкцию, которая отводит основное технологическое усилие по пути с низким силовым сопротивлением. Примеры включают поддерживающие устройства, такие как стопорные стержни и цепи. В этой статье специально рассматривается механическая сила, создаваемая их физической нагрузкой, весом или давлением.

Силовой шунт отличается от электрического шунта тем, что последний отводит большую часть электричества через шунт; с первым обычно отклоняется меньшая сила. Однако основная концепция та же. Измерение этих сил становится важным по разным причинам. Во-первых, мы хотим зафиксировать количество отвлеченной силы. Кроме того, мы хотим, чтобы усилия не превышали уровень, при котором предохранительные и вспомогательные устройства могут выйти из строя.

Измерение силы

Два основных способа измерения силы: прямое измерение силы измерение и шунтирование силы измерение. Их определения следующие:

• Прямое измерение силы количественно измеряет силу процесса, протекающую через преобразователь или инструмент для измерения силы. Большая часть (в идеале вся) технологической силы должна проходить через этот преобразователь. Пример см. в статье «Выбор весоизмерительного датчика, подходящего для вашей работы» 9.0008 в нашей базе знаний. Прямое измерение силы требует использования монтажных комплектов, фиксируемых болтами, винтами и гайками. Монтажные комплекты должны иметь плоские поверхности и быть жесткими.

• Измерение силы шунтирования количественно определяет силы, отклоняемые или «отклоняемые» от основного технологического усилия. Такие силовые шунты иногда могут быть вызваны защитными конструкциями или другими внешними соединениями с измеряемым объектом. Силовые шунты также могут быть присущи системе и не вызываться этими вспомогательными приспособлениями. Измерение силы вдоль силового шунта позволяет определить приложенную силу как по величине, так и по направлению.

Преимуществом прямого измерения силы является высокая точность, но иногда преимущества измерения силы с помощью шунта перевешивают это. Для этих приложений обычно разрабатывают и развертывают специальные датчики.

Методы измерения силы

Хотя многие методы измерения силы развивались с годами, наиболее распространенные из них используют деформацию конструкции. То есть эти инструменты преобразуют силы в сигналы с помощью упругих элементов.

В этом разделе рассматриваются два часто используемых, тесно связанных прибора, в которых используется деформация: тензометрические датчики и тензодатчики. Оба имеют преимущества и недостатки при измерении силовых шунтов. Обратите внимание, что существует третий метод: использование шайб. Однако это преимущественно пьезоэлектрические устройства, а не тензодатчики, поэтому здесь они подробно не рассматриваются.

Использование тензодатчиков

Тензодатчики могут быть установлены на оборудование для непосредственного измерения усилия. Для получения более подробной информации о тензодатчиках см. статью Универсальный тензометрический датчик нагрузки .

Два типа тензорезисторов с приклеенными и несвязанными. Для измерения силовых шунтов наиболее подходящим является тензометрический датчик. Это связано с тем, что приклеенные тензорезисторы практически не влияют на структуру контролируемого объекта. То есть они не влияют на жесткость и динамическое поведение объекта испытаний в целом. В этом случае тензодатчик приклеивается (обычно эпоксидной смолой) к фактической конструкции, вызывающей шунтирование силы; затем он покрывается каким-либо защитным покрытием, чтобы избежать деградации электроники из-за воздействия окружающей среды. Точная установка гарантирует, что на датчик действуют только силы растяжения и/или сжатия, а не изгибающие моменты. Это делается на сайте приложения.

На рис. 2 ниже показан мостовой тензодатчик.

Рис. 2. Полномостовой тензодатчик

Необходимо тщательно выбирать датчик для каждого применения, чтобы компенсировать паразитные эффекты изгибающих моментов или кручения, температурных сдвигов и других нежелательных эффектов. В этих сценариях полезен тензодатчик с конфигурацией розетки.

Выходной сигнал моста можно увеличить за счет контролируемого ослабления участка на поверхности тела объекта, где крепится тензодатчик. Однако это влияет на жесткость объекта, его динамическое поведение и стабильность. Более того, установка тензорезистора на корпус объекта в приложении может быть кропотливой и трудоемкой. Несмотря на точность этого метода, его недостатки могут препятствовать его использованию.

Использование тензометрических преобразователей

Тензометрические преобразователи представляют собой просто тензодатчики. Они включают в себя использование описанного выше тензодатчика. Однако они имеют дополнительные компоненты, такие как упругий элемент (также называемый конструктивным элементом) и корпус. См. статью Универсальная тензометрическая ячейка для получения более подробной информации о том, как они работают.

При использовании этих устройств шунтирующая сила, создаваемая опорной конструкцией (или другим объектом испытаний), действует на сам этот упругий элемент. Упругий элемент, в свою очередь, испытывает деформацию. Каждый тензодатчик, прикрепленный к этому упругому элементу, генерирует выходной сигнал, пропорциональный этой деформации. Поскольку связь между тензорезисторами и упругим элементом тензодатчика уже существует, установка на месте применения намного проще, чем приклеивание отдельных тензорезисторов к испытуемому объекту. Точно так же тензодатчик имеет необходимые покрытия и встроенную защиту от окружающей среды, что также исключает этот шаг в предыдущем разделе.

На тензодатчиках деформация в зоне установленных тензорезисторов (в квадратных углублениях на рис. 3) больше, чем величина деформации между двумя резьбовыми соединениями (отверстия под болты на рис. 3).

Рис. 3. Датчик силы с двусторонней балкой

Это показывает, что деформация, создаваемая силой на датчике силы, концентрируется в точном месте расположения его тензодатчика(ов). В этом случае сила вдоль силового шунта должна совпадать с предполагаемым направлением приложенной силы манометра.

Математическая связь между деформацией и расстоянием от точки приложения:

Математическое выражение для приблизительного чрезмерного увеличения деформации: -свободно. Однако с практической точки зрения это не совсем правильно.

Кроме того, из математического выражения можно сделать вывод, что чувствительность тензодатчика регулируется за счет соотношения длины зоны деформации и расстояния между болтами. Напомним, что идеальная зона деформации находится в физическом месте расположения тензодатчика. Теоретически можно добиться очень высокой чувствительности.

Преимущества и недостатки методов измерения силы шунта

Здесь мы перечисляем преимущества и недостатки каждого метода измерения силы шунта, описанного выше.

Тензорезисторы

Преимущества использования тензорезисторов для измерения силы шунта:

• Они маленькие и занимают очень мало места силовые шунты, которые конструктивный элемент тензодатчика может создавать на хрупких конструкциях.

К недостаткам можно отнести следующее:

• Процесс установки требует склеивания, электропроводки, защитного покрытия и т.д.; все это увеличивает время установки.
• Требуется калибровка силового шунта для обеспечения его точного представления, что также увеличивает время настройки.

Тензометрические преобразователи

Преимущества использования тензометрических преобразователей (тензодатчиков):

• Они обеспечивают простую установку и быстрое развертывание на месте применения с обычным рекомендуемым оборудованием.
• Выход тензодатчика легко подключается к электронным усилителям и кондиционерам. (Tacuna Systems предлагает эти устройства, опционально в комплекте с нашими тензодатчиками.)
• Эти устройства имеют температурную компенсацию (диапазон температур указан в техническом описании тензодатчика).

Основным недостатком тензодатчиков является то, что они требуют калибровки на месте применения.

Tacuna Systems предлагает различные типы тензодатчиков, не ограничиваясь только одноточечными и двусторонними тензодатчиками. Мы также предлагаем тензодатчики, которые можно настроить с помощью силового шунта, и дополнительные услуги по калибровке для обеспечения правильной настройки. Свяжитесь с нами для идей, специфичных для вашего приложения.

Краткое слово о калибровке системы

Калибровка — это процесс сравнения измерительного прибора с авторитетным эталоном (например, с сертифицированными калибровочными гирями) для того же типа измерения. Для обеспечения точности измерений устройство должно быть откалибровано перед вводом в эксплуатацию (либо до, либо после установки). Калибровка дает характеристическую кривую, созданную путем графического отображения отклика преобразователя (выходной сигнал) в зависимости от приложенной силы в диапазоне значений. Затем эта кривая служит эталоном для надлежащей калибровки обслуживания в течение всего срока службы устройства. Как и при всех измеряемых нагрузках, калибровочные гири должны располагаться по оси предполагаемого направления измерительного устройства.

При наличии силовых шунтов, особенно при определении величины и направления силового шунта, очень важна калибровка. Это помогает гарантировать, что прибор обеспечивает точную индикацию фактической силы в испытуемом объекте, которая создает шунт силы.

При использовании тензодатчиков/датчиков силы перед монтажом в полевых условиях может выполняться высокоточная калибровка (также называемая формальной калибровкой). Однако для конкретного применения измерения силового шунта рекомендуется калибровать тензодатчик непосредственно на объекте в полевых условиях сразу после установки. Процедура калибровки будет включать захват выходного сигнала тензодатчика, когда на шунте нет нагрузки. Этот выход снова измеряется, когда к шунту прикладывается максимальное номинальное усилие. Затем специалист по калибровке вносит необходимые коррективы в усилитель и показания, пока выходной сигнал измерительного прибора не будет соответствовать номинальному значению, указанному в его спецификации. Как и при любой процедуре калибровки, при калибровке силового шунта важно максимально контролировать такие условия, как температура, выравнивание нагрузки и влажность.

Чтение: Калибровка системы измерения силы .

Заключение

В этой статье объясняются различные концепции измерения силы, силовых шунтов и продуктов, доступных в нашем интернет-магазине для измерения сил в силовом шунте. Оба обсуждаемых метода оказывают минимальное влияние на динамическое механическое поведение контролируемой конструкции в целом. Тем не менее, в этой статье рекомендуется технология на основе тензодатчиков для измерения шунтирующей силы с очень высокой точностью.

Ссылки

• Контрольно-измерительные приборы, преобразователи и сопряжение, Б.Р. Баннистер и Д.Г. Уайтхед.
• Руководство по измерению силы, Энди Хант.
• Справочник по приборам, Уолт Бойс.
• Глоссарий по измерению силы
• Ресурсы по измерению силы и веса

Индуктивность шунтирующего резистора для поверхностного монтажа

15 сентября 2020 г. Тим Эшворт

Надежное и точное измерение тока имеет решающее значение для оптимизации любой электронной системы. Наиболее часто используемый метод измерения тока, протекающего в цепи, заключается в использовании резистора с малым номиналом, установленного последовательно, и последующем измерении падения напряжения на этом резисторе. Эти токоизмерительные резисторы широко известны как «шунтирующие резисторы», поскольку они используются для направления тока по определенному пути таким же образом, как поезд перемещается на правильный путь.

Хотя шунтирующие резисторы имеют очень низкое сопротивление и не оказывают значительного влияния на протекание тока, знание импеданса этих компонентов дает более полное представление о том, сколько энергии будет рассеиваться при увеличении рабочей частоты. В этом сообщении блога представлено измерение шунтирующего резистора SMD 5 мОм с помощью анализатора импеданса MFIA, где мы подтверждаем параллельное сопротивление, а также измеряем индуктивность на частоте 100 кГц.

Тестируемое устройство

Для этого измерения мы выбрали токоизмерительный резистор SMD 5 мОм от Wuerth Electronics с форм-фактором 0805 (номер заказа 580060720003). Мы припаяли его к держателю MFITF в четырехконтактной конфигурации. Важно использовать четырехконтактное измерение, чтобы избежать ошибок из-за контактного сопротивления паяных соединений.

После монтажа мы сначала измерили тестируемое устройство с помощью микроомметра, чтобы убедиться, что его сопротивление постоянному току составляет 5,051 мОм. Это позволяет судить о точности последующих измерений переменного тока.

Измерения переменного тока проводились с использованием анализатора импеданса MFIA 5 МГц, но также могут быть выполнены на MFLI с опцией MF-IA. Первым шагом измерений переменного тока является выполнение «короткой» компенсации, чтобы установить базовую линию измерения и избежать любого смещения, исходящего от держателя или приспособления. Это делается с помощью советника по компенсации LabOne ^® , и после завершения мы провели измерение того же короткого замыкания, чтобы подтвердить плоскую базовую линию. Это можно увидеть на рисунке 1 в виде синей кривой.

Рис. 1: Модуль LabOne Sweeper, показывающий действительную часть импеданса короткой составляющей, используемой для компенсации смещения (синяя кривая), и тестируемого устройства (красная кривая).

После подтверждения правильности компенсации прибора была проведена развертка ИУ, и красная кривая на рис. 1 показывает действительную часть импеданса, Real(Z), шунтирующего резистора. Мы видим хороший плоский Real(Z) на частотах ниже 10 кГц, что ожидаемо, поскольку импеданс шунта определяется его сопротивлением. Оставаясь на более низких частотах, мы запускаем вторую развертку для более точного измерения Real(Z), что позволяет нам сравнить его со значением сопротивления постоянному току. На рис. 2 показана развертка по частоте, где стандартное отклонение Real(Z) измеряется в диапазоне от 1 Гц до 10 кГц. Мы видим на рисунке 2, что значение Real(Z), усредненное по этому частотному диапазону, составляет 5,047 мОм, что соответствует в пределах 0,1% значению постоянного тока 5,051 мОм.

Рис. 2. LabOne Sweeper, показывающий действительную часть импеданса Real(Z) шунтирующего резистора в диапазоне частот от 1 Гц до 10 кГц (красная кривая). «Инструмент области курсора» измеряет стандартное отклонение в этом диапазоне и составляет 5,047 мОм.

Измерения импеданса на фиксированной частоте

Используя модуль плоттера LabOne, мы можем измерить Real(Z) шунта на фиксированной частоте. На рис. 3 показано такое измерение фиксированной частоты на уровне 1 кГц. Измерение Real(Z) (фиолетовая кривая) усредняется за 5 секунд, чтобы показать, что значение Real(Z) равно 5,058 мОм со стандартным отклонением всего 15 мкОм. Это значение соответствует измеренному сопротивлению постоянному току от 5,051 мОм до 0,15 %.

Рис. 3: Плоттер LabOne, показывающий действительную часть импеданса Real(Z) шунтирующего резистора при фиксированной частоте 1 кГц (фиолетовая кривая). «Инструмент области курсора» измеряет стандартное отклонение за пятисекундный период и составляет 5,058 мОм со стандартным отклонением 15 мкОм.

Индуктивность шунтирующего резистора

Рисунок 1 показывает нам, что когда частота превышает 100 кГц, импеданс увеличивается. Это связано с возникновением индуктивности шунта, и его следует учитывать, если это влияет на работу схемы на более высоких частотах. Чтобы измерить индуктивность, мы выбираем последовательную индуктивность по группе вертикальной оси LabOne Sweeper и повторяем развертку. На рис. 3 показана последовательная индуктивность шунта в виде оранжевой кривой, а синяя кривая — это индуктивность короткого компонента, чтобы дать нам представление об исходной линии измерения. Развертка на Рисунке 4 начинается с частоты 3 кГц, так как на индуктивности ниже этой частоты сильно преобладает сопротивление. Верхняя частота развертки составляет 5 МГц, где индуктивность может быть считана как 923 рН. На частоте 100 кГц индуктивность составляет 1,84 нГн.

Рисунок 4: LabOne Sweeper, показывающий последовательную индуктивность шунтирующего резистора в диапазоне частот от 3 кГц до 5 МГц (оранжевая кривая). Синяя кривая показывает последовательную индуктивность короткого компонента, используемого для компенсации приспособления. Уже на частоте 3 кГц в индуктивности преобладает сопротивление шунта, и она зашумлена.

Измерения индуктивности на фиксированной частоте

Снова обращаясь к плоттеру LabOne, мы измеряем последовательную индуктивность (Ls) шунта на фиксированной частоте 100 кГц. На рис. 5 показано такое измерение фиксированной частоты на уровне 1 кГц. Измерение Ls (фиолетовая кривая) усредняется за 5 секунд, чтобы показать значение Ls, равное 1,86 нГн, со стандартным отклонением всего 19рН.

Использование модуля плоттера позволяет проводить более точные измерения на фиксированной частоте и в выбираемом пользователем окне усреднения.

Рис. 5: Плоттер LabOne, показывающий последовательную индуктивность (Ls) шунтирующего резистора при фиксированной частоте 100 кГц (красная кривая). Инструмент «площадь курсора» измеряет среднее значение за пятисекундный период и составляет 1,86 нГн со стандартным отклонением 19 рН.

Одновременное измерение индуктивности и Real(Z)

Используя дополнительный второй блок IA MFIA (для которого требуется опция MF-MD), вы можете одновременно измерять Real(Z) на частоте 1 кГц и Ls на частоте 100 кГц. На рис. 6 показан анимированный GIF-файл модуля LabOne Plotter, отображающий Ls при 100 кГц и Real(Z) при 1 кГц.

Рис. 6. Плоттер LabOne, показывающий последовательную индуктивность (Ls) шунтирующего резистора на фиксированной частоте 100 кГц (оранжевая кривая) и одновременную действительную (Z) шунта на частоте 1 кГц (зеленая кривая). «Инструмент области курсора» измеряет среднее значение за пятисекундный период с соответствующим стандартным отклонением.

Выводы

Точное и воспроизводимое измерение низкого импеданса SMD-компонентов является ключевым преимуществом MFIA. Благодаря советнику по компенсации можно компенсировать паразитные характеристики приспособления и несущей, что позволяет проводить измерения с низким импедансом. Модуль Sweeper позволяет выполнять измерения в зависимости от частоты, которая, таким образом, характеризует импеданс компонента на рабочей частоте или в интересующем диапазоне частот. В этом сообщении в блоге представлены измерения шунтирующего резистора 5 мОм, чтобы продемонстрировать точность и прецизионность MFIA. Результаты для Real(Z) соответствуют ожидаемым значениям сопротивления постоянному току, взятым из того же компонента. Последовательная индуктивность шунта, измеренная на частоте 100 кГц, составила 1,86 нГн.

Чтобы узнать больше об измерениях низкого импеданса с помощью MFIA, свяжитесь с нами.

Сильноточные резисторы серии 9332

Сильноточные резисторы серии 9332

Сильноточные резисторы серии 9332

Сильноточные резисторы серии 9332

• Стабильность < 10 × 10 ^-6 Долгосрочная
• Применения с воздушным или масляным охлаждением
• Специальные значения доступны по запросу
• Имплантированные термопары
• Улучшенное рассеивание мощности

Особенности и преимущества

Серия сильноточных резисторов от 1 до 3000 А с дополнительными вентиляторами

Модель 9332 серии четырехконтактных токовых шунтов постоянного тока для измерения точных уровней постоянного тока до 3000 А является последней разработкой компании Measurements International. Только после многих лет исследований материалов с низким сопротивлением модель 9Серия 332 стандартных шунтов постоянного тока обеспечивает наилучшую производительность, доступную на сегодняшний день. В сочетании с опытом MI в области автоматизированных измерений при высоких уровнях тока точность менее 0,01 % может быть достигнута при полной мощности.

Шунты состоят из специально подобранных элементов, впаянных в медные концы с помощью специального низкотемпературного припоя. Затем элемент проходит процесс отжига, который обеспечивает наилучшие характеристики без ошибок самонагрева с улучшенными температурными коэффициентами. Шунт, предназначенный для работы в воздухе на полной мощности, затем покрывается декоративной перфорированной крышкой, позволяющей выходить воздуху при саморазогреве и защищающей элементы от физических повреждений. Медные концы специально разработаны для обеспечения равномерного распределения тока по элементам, чтобы площадь поверхности могла рассеивать заданную мощность в воздухе.

Особое внимание было уделено процессу отверждения элемента и снижению температурных коэффициентов. Оптимальная площадь поверхности рассеивает максимальную заданную мощность. Процесс отжига придает шунту превосходную долговременную стабильность, так что эти шунты можно использовать в воздухе при полном токе. Для повышения производительности в качестве стандартного резистора их можно поместить в воздушную ванну модели MI 9300A.

Токовые соединения выполняются на каждом конце шунта, а для измерения выходного напряжения используются разъемы с низким тепловым потенциалом. Только текущий разъем будет меняться в зависимости от размера шунта. Также доступны специальные значения.

Узел принудительной подачи воздуха 9332 также доступен для всех шунтов. Количество вентиляторов зависит от длины шунта. Узел принудительной подачи воздуха прикрепляется к защитному ограждению шунта, и воздух выдувается из шунта вниз. Использование сборки с принудительной подачей воздуха 9332 обеспечивает низкий коэффициент мощности шунта для всех токов.

Технические характеристики

Модель	Номинальный ток (А) Примечание 1	Значение (Ом) Примечание 2	Точность при 1 Вт (%) Примечание 3	Точность при полной мощности (%)	Номинальная мощность, Вт	Постоянная времени Минуты Примечание 4	Стабильность в течение 1 года (частей на миллион) Примечание 5	Температурный коэффициент (частей на миллион/°C) Примечание 6	Коэфф.мощн.Ватт Воздух ppm	Коэффициент мощности, ватт Масло, ч/млн
9332/10	10	0,1	< 0,01	± 0,04	10	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/20	20	0,1	< 0,01	± 0,04	40	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/30	30	0,0333	< 0,01	± 0,04	30	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/50	50	0,02	< 0,01	± 0,04	50	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/100	100	0,01	< 0,01	± 0,04	100	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/250	250	0,0005	< 0,01	± 0,05	31,25	< 10	10	< 10	< 2	< 1
9332/300	300	0,001	< 0,01	± 0,04	90	< 4	10	< 3	< 4	< 1
9332/300/50 мк	300	0,00005	< 0,01	± 0,04	4,5	< 4	25	< 25	< 4
9332/300/100 мк	300	0,0001	< 0,01	± 0,04	9	< 4	25	< 25	< 4
9332/500	500	0,0001	< 0,005	± 0,04	25	< 10	25	< 8	< 10 < 2 в 9300A	< 1
9332/500 ВЕНТИЛЯТОР	1000			± 0,01	100	< 5			3
9332/750	750	0,0005	< 0,01	± 0,04	281	< 10	25	< 10	< 10	< 1
9332/1500	1500	0,0001	< 0,01	± 0,05	225	< 30	100	< 10	< 2	< 1
9332/3000	3000	0,00001	< 0,01	± 0,50	90	< 30	100	< 10	< 2	< 1

Примечание 1: Максимальный ток при использовании окружающего воздуха и с опцией 9332 FAN.
Примечание 2. Номинальное сопротивление от 1 мкОм до 100 мОм в десятичных значениях, пользовательские значения также доступны по специальному заказу.
Примечание 3. При использовании в качестве эталонного резистора отчет о калибровке включается со значениями и погрешностями для 10 % и 75 % тока.
Примечание 4. Постоянная времени — это время, в течение которого значение сопротивления стабилизируется в пределах 10 частей на миллион от его конечного значения.
Примечание 5. Характеристики стабильности основаны на использовании шунта в качестве стандартного резистора.
Примечание 6. Температурный и энергетический коэффициенты следует добавлять к базовой неопределенности для температур, отличных от 23 °C.

Непрерывный неинвазивный беспроводной мониторинг потока спинномозговой жидкости через шунты у пациентов с гидроцефалией

Abstract

Гидроцефалия — распространенное заболевание, вызванное накоплением спинномозговой жидкости (ЦСЖ) в головном мозге. Лечение обычно включает хирургическую имплантацию силиконовой трубки с регулируемым давлением, известной как шунт. К сожалению, у шунтов чрезвычайно высокая частота отказов, и диагностика неисправности шунта затруднена из-за сочетания неясных симптомов и отсутствия удобных средств для мониторинга потока. Здесь мы представляем беспроводное носимое устройство, которое позволяет точно измерять поток спинномозговой жидкости, непрерывно или периодически, в больницах, лабораториях или даже в домашних условиях. Технология использует измерения переноса тепла через приповерхностные слои кожи для оценки потока с помощью мягкого, гибкого и подходящего для кожи устройства, которое можно сконструировать с использованием коммерчески доступных компонентов. Систематические лабораторные исследования и численное моделирование выдвигают на первый план все ключевые соображения. Измерения на 7 пациентах установили высокий уровень функциональности с данными, которые показывают зависящие от времени изменения потока, связанные с позиционными и инерционными воздействиями на тело. Взятые вместе, результаты свидетельствуют о значительном прогрессе в возможностях мониторинга пациентов с шунтированной гидроцефалией, с потенциалом для практического использования в различных условиях и обстоятельствах, а также с дополнительной полезностью для исследовательских целей при изучении гидродинамики спинномозговой жидкости.

Введение

Гидроцефалия является распространенным изнурительным состоянием, вызванным избыточной выработкой или нарушением резорбции спинномозговой жидкости (ЦСЖ) в желудочках головного мозга. Причины включают врожденные пороки развития, внутримозговое кровоизлияние, инфекции, травмы и опухоли ¹ . Заболевание может возникать почти во всех возрастных группах от младенцев ¹ до пожилых ² пациентов, причем последняя группа особенно предрасположена к идиопатической нормотензивной гидроцефалии (иГНД) ³ . Гидроцефалия поражает более 1 миллиона человек только в Соединенных Штатах. Почти во всех случаях лечение включает хирургическую имплантацию силиконовой трубки с регулируемым давлением, известной как «шунт», которая отводит избыточную жидкость от желудочков головного мозга к дистальным абсорбирующим участкам, таким как брюшина. К сожалению, у шунтов чрезвычайно высокая частота неудач, до 50% ^4,5 в педиатрической популяции и 16% у взрослых ^6,7 в возрасте старше 6 лет.

Симптомы недостаточности шунта идентичны симптомам гидроцефалии и весьма неспецифичны, включая головные боли, тошноту и сонливость. Эти неопределенные симптомы в сочетании с невозможностью удобного прямого измерения проходимости шунта не позволяют поставить прямой диагноз ^8,9 . В результате пациенты обычно проходят ряд диагностических процедур, в том числе оценку размера желудочков головного мозга с помощью компьютерной томографии (КТ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ), оценку отсоединения или перелома шунтирующей трубки с помощью рентгеновского изображения. , известный как «шунтовая серия». Все такие процедуры представляют собой косвенные меры, и они страдают от сочетания низкой точности, высокой стоимости, лучевой нагрузки и, в случае МРТ у детей, необходимости анестезии. Более прямые измерения проходимости шунта включают исследования «функции шунта» ядерной медицины, при которых радионуклидный индикатор непосредственно вводится в систему шунта, но эта процедура может быть болезненной и может привести к инфицированию шунта, и она плохо подходит для педиатрической популяции. . Точно так же тесты люмбальной пункции также полагаются на полые иглы для сбора спинномозговой жидкости для оценки давления и вирусных инфекций. В некоторых случаях пациентов просто госпитализируют для длительного наблюдения или им проводят диагностические операции, чтобы окончательно исключить неисправность шунта. В целом, ведение и лечение пациентов с шунтированной гидроцефалией обходится системе здравоохранения США более чем в 2 миллиарда долларов в год, и это состояние приводит к ухудшению качества жизни как пациентов, так и тех, кто за ними ухаживает 9. 0246 10,11,12 из-за почти постоянной неопределенности, связанной с потенциальным отказом шунта.

Прямое непрерывное измерение потока спинномозговой жидкости представляет собой наиболее полезный индикатор проходимости шунта ¹³ , а успешная разработка и внедрение рутинного надежного метода значительно улучшит стандарт лечения таких пациентов ^14,15,16,17 . Ранее изученные подходы варьируются от встроенных емкостных измерений ¹⁸ до пассивного измерения температуры на коже ^19,20 . Относительно недавно одобренное FDA устройство (ShuntCheck) использует опосредованное активное охлаждение кожи для генерации тепловых сигналов, связанных с потоком ^{21,22,23,24,25} . Однако системе требуется пакет со льдом для измерения и связанный с ним громоздкий протокол измерения, который не позволяет осуществлять непрерывный мониторинг шунтирующего потока. Частично в результате результаты клинических испытаний системы ShuntCheck включают относительно большое количество ложноположительных результатов, поскольку патентованные шунты регулярно испытывают прерывистый поток ²⁵ . Кроме того, каждый из этих методов требует иммобилизации пациента и дает только мгновенные измерения во время кратких осмотров квалифицированными медицинскими работниками в условиях стационара. Естественная прерывистость потока спинномозговой жидкости через шунты ^26,27 затрудняет прямую интерпретацию таких мгновенных данных, что требует использования навязчивых подходов для индукции потока, таких как механическая стимуляция резервуара, расположенного в клапане шунта, когда пациент иммобилизован ^28,29 .

Наша недавняя работа посвящена разработке класса носимых беспроводных датчиков, предназначенных для удовлетворения этой неудовлетворенной потребности. Здесь измерения потока следуют за локальным термическим срабатыванием и зондированием ³⁰ с использованием мягкого тонкого устройства ^{31,32,33,34,35} , аккуратно наложенного на поверхность кожи в месте расположения шунта. Результаты, представленные ниже, расширяют эти концепции до удобной для пользователя полностью беспроводной системы, которая обеспечивает непрерывный неинвазивный мониторинг потока спинномозговой жидкости, выполняемый самими пациентами в реальных условиях. Усовершенствованные конструкции и схемы интеграции используют недорогие коммерческие компоненты и гибкие технологии изготовления печатных плат в оптимизированных компоновках, руководствуясь теоретическими и численными моделями теплового переноса и механикой системного уровня. Архитектура встроенной системы Bluetooth с низким энергопотреблением на чипе (BLE-SoC) обеспечивает надежную и высококачественную передачу данных во время обычной деятельности пациента, при этом миниатюрная встроенная перезаряжаемая батарея обеспечивает непрерывную работу в течение нескольких часов. Измерения на теле и полевые испытания на пациентах с гидроцефалией ( n  = 7) показывают надежную работу как при коротких «рейдовых проверках», так и впервые при расширенных измерениях потока при естественных движениях тела и различных ориентациях. Результаты предполагают широкую применимость для мониторинга шунтов у пациентов в разных возрастных диапазонах, патологиях и условиях, в том числе дома.

Результаты и обсуждение

Мягкие, гибкие, беспроводные датчики для непрерывного мониторинга расхода

Основные принципы измерения можно найти в другом месте ^36,37,38,39 . В описанных здесь устройствах миниатюрный (диаметром <5 мм) термопривод подает небольшую, точно контролируемую тепловую мощность (<5 мВт/мм ² ) на поверхность кожи, тем самым создавая незаметное локальное повышение температуры (~ 5 К). При расположении в месте расположения шунта направленность и величина потока ЦСЖ влияет на результирующее распределение температуры на поверхности кожи. В частности, повышение температуры ниже по течению ( T _DS ) от привода больше, чем на равном расстоянии перед ним ( T _US ). Датчики температуры регистрируют эти различия как функцию времени после подачи питания на привод. Количественные значения скорости потока могут быть определены из этих данных с использованием мультифизических вычислительных моделей, которые включают основные геометрические параметры интегрированной системы (шунт, устройство и обшивка) и определяющие свойства материалов.

Схематический обзор на рис. 1а выделяет различные аспекты конструкции, включая основные элементы: (i) термочувствительные и исполнительные компоненты, (ii) аналоговая входная схема для преобразования измерений сопротивления температуры в соответствующие выходные напряжения, (iii) BLE-SoC и связанные с ним таймеры и антенна для оцифровки и передачи этих данных, а также для поддержки беспроводной двусторонней связи, (iv) электроника управления питанием и перезаряжаемая литий-полимерная (Li-Po) батарея для питания различных подсистемы, (v) подложка гибкой печатной платы (fPCB) для поддержки и соединения компонентов, и (vi) упаковочные и изоляционные слои для защиты устройства от окружающей среды. Толщина fPCB (~115 мкм) обеспечивает низкую жесткость на изгиб (4 × 10 ^-4  Н-м) и достаточной степенью гибкости, чтобы соответствовать и прикрепляться к изогнутой поверхности кожи с помощью мягкого клея, где шунт находится наиболее поверхностно, обычно около шеи или ключицы. Эта механика следует из конфигурации «остров-мост», предназначенной для локализации изгибающих напряжений во взаимосвязанных конструкциях и вдали от электронных компонентов. В результате (i) облегчается конформный контакт с кожей при одновременном снижении вероятности расслоения и (ii) минимизируется нагрузка на жесткие электронные компоненты и паяные интерфейсы между компонентами и fPCB. Эти эффекты очевидны на рис. 1с, где результаты механического анализа конечных элементов (МКЭ) показывают, что напряжения в слое межсоединений остаются низкими (<1%) во время обычных изгибов, связанных с креплением на шее у детей (радиус кривизны ~40°). мм) и взрослых (55 мм).

Рис. 1: Беспроводные датчики для непрерывного мониторинга гидродинамики спинномозговой жидкости через шунты.

a Изображение устройства в разобранном виде с выделением гибкой печатной платы, электронных компонентов, теплоизоляционной пены, эластомерного покрытия и клеевых слоев. b Оптические изображения устройств, иллюстрирующие их гибкую конструкцию и способность устанавливаться на кожу над анатомическими областями, относящимися к ВП-шунтам. c Анализ методом конечных элементов (МКЭ) распределения деформации поперек fPCB во время изгиба до степени, сравнимой со степенью, необходимой для крепления в области шеи ребенка (радиус кривизны = 40 мм) и взрослого (55 мм) . d Схематическое изображение электронной конструкции для приведения в действие, сбора данных и беспроводной передачи. e Оптическое изображение приложения для смартфона, используемого для беспроводного считывания данных и связи. Участники дали письменное информированное согласие на включение их фотографий/изображений в данную публикацию.

Полноразмерное изображение

Плоские области поддерживают электронные компоненты, которые соединяются через тонкие, механически стабильные проводящие дорожки на fPCB. Мягкий низкомодульный силиконовый эластомер (E ~ 60 кПа) покрывает всю систему (рис. 1b). Несколько соображений влияют на выбор механики, материалов и форм-фактора, включая адгезию, комфорт, безопасность и перенос тепла. Тонкий мягкий силиконовый слой (толщина 100 мкм, E  = 1,4 МПа) на нижней стороне устройства полностью закрывает обращенную к коже сторону гибкой печатной платы. Способность установить прочный, но воспроизводимый и не раздражающий контакт с кожей представляет собой ключевое соображение, чему способствует тонкая, мягкая конструкция устройства и двусторонний акрилатно-силиконовый клей медицинского класса. Высокая энергия адгезии акрилатного слоя (~350 Н/м) ⁴⁰ обеспечивает прочный контакт с устройством, в то время как сравнительно низкая адгезия силиконового слоя (~33 Н/м) образует нежный контакт с кожей, сохраняя при этом отличное тепловое сцепление. Слой, отделяющий подкладку, с специальным язычком с лазерной структурой облегчает обращение и установку. Если отогнуть язычок, откроется клей для крепления на коже. Вся силиконовая и двухсторонняя клейкая сборка имеет толщину 120 мкм и добавляет тепловую массу 14 мДж/см 9 .0246 2 -K, что эквивалентно толщине слоя кожи <50  мкм.

На рис. 1d представлена ​​схема работы системы. Специальное программное приложение (рис. 1e) служит интерфейсом управления, а также средством для записи, хранения и отображения данных на любом устройстве с поддержкой BLE (смартфон, планшет и т. д.). Программное обеспечение также предоставляет пошаговые инструкции на экране, чтобы направлять пользователей по процедурам работы. Тумблер на пользовательском интерфейсе управляет работой резистивного термопривода, питание которого подается через BLE-SoC. Аналоговая входная схема, основанная на активной мостовой сети Уитстона (дополнительный рисунок 1), преобразует данные с резистивных датчиков температуры в напряжения. BLE-SoC оцифровывает и передает эти данные на смартфон, где их можно проанализировать, чтобы получить скорость потока спинномозговой жидкости.

Приводные и сенсорные компоненты являются наиболее важными элементами устройства. Датчики температуры с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) (изображение на рис. 2а) обеспечивают высокую точность и точность измерения температуры (<5  мК) (дополнительный рис. 2) с минимальным гистерезисом, хорошей стабильностью и незначительным дрейфом. (Дополнительный рис. 3). Для резервирования устройство включает пару элементов NTC выше и ниже по потоку, всего четыре NTC, расположенных на расстоянии 1,5 мм от края привода, как показано на рис. 2а. Измерение включает передачу тепловой мощности 2–5  мВт/мм ² на кожу. В актуаторе используются 24 резистора для поверхностного монтажа (300 мкм × 250 мкм × 600 мкм), расположенных в плотном круговом массиве (рис. 2а) на площади 7,0 мм ² , для обеспечения пространственно равномерного нагрева с величиной, контролируемой приложенное напряжение. Например, напряжение 3,3 В, приложенное к приводу, состоящему из резисторов 20 Ом, при общем сопротивлении 24 × 20 Ом = 480 Ом, приводит к току I  = 7 мА и мощности P = 23 мВт, на площади 7 мм ² для получения плотности мощности 3,3  мВт/мм ² . Результатом является равномерное повышение температуры <5 K по площади привода при установке на кожу или на настольную систему шунтирующих фантомов, что подтверждается ИК-термограммами на рис. 2b.

Рис. 2: Тепловые и механические характеристики датчика потока.

a Оптическая микрофотография круглого термопривода и чувствительных элементов на fPCB. b Инфракрасные (ИК) изображения теплового срабатывания при отсутствии (слева) и наличии (справа) потока ( Q  = 0,07 мл/мин) в сборке настольного шунта. c Распределения температуры, полученные с помощью трехмерного анализа методом конечных элементов (МКЭ) (вид сверху), иллюстрирующие эффекты отсутствия потока (слева) и потока (справа) для репрезентативного случая, с цветовой схемой, соответствующей нормализованному изменению температуры. d Вид в разрезе изображений, полученных с помощью 3D FEA, иллюстрирующих передачу тепла через приповерхностные слои кожи для Q  = 0,07 мл/мин. e Участок α/α _QSS = (T _DS — T _US )/ (T _DS — T _DS — T _DS — T _DS — ). ступенчатое изменение потока от 0 мл/мин до 0,3 мл/мин при t  = 65 с для системы шунтирующего фантома с эквивалентной толщиной кожи 1,7 мм и снабженной экспоненциальной формой для получения постоянной времени 31   с, чтобы достичь 63,7% квазистационарного значения0808 f График зависимости α от различных физиологически значимых скоростей потока (0,03 <  Q  < 0,5 мл/мин) и толщины кожи, ч _кожа  = 0,7 мм (черный), 1,7  и 4 мм (красный) мм (синий), выделяя немонотонное поведение и точку перегиба при Q  = 0,07 мл/мин. г β   =  ( T _DS  +  T _US ) / 2 в расчетах для тех же скин-расходов и толщин0808 ф . Планки погрешностей в f и g соответствуют стандартным отклонениям более 100 с для одного эксперимента.

Изображение с полным размером

В отсутствие потока тепло изотропно рассеивается от привода. Наличие потока искажает распределение температуры в направлении потока, что видно в виде характерного «хвоста» на рис. 2б (справа). Повышенная мощность срабатывания приводит к улучшению отношения сигнал/шум (SNR), а также к более высоким локальным температурам (дополнительный рис. 9).). Плотность мощности <6 мВт/мм ² представляет собой компромисс между максимальным отношением сигнал-шум и поддержанием максимального повышения температуры ниже биологически приемлемых пределов (<12 K) с коэффициентом безопасности, как обсуждается в следующем разделе. Трехмерный (3D) FEA дает распределения температуры (рис. 2c, d, дополнительный рис. 6), которые качественно соответствуют тем, которые определены с помощью ИК-изображения для фантомной системы. В этих моделях используются геометрические и определяющие свойства, связанные с системой, такие как теплопроводность кожи ( k _кожа ), коэффициент диффузии ( ν _кожа ), толщина ( h _кожа ), расход ( Q ) и другие, в виде сосредоточенных, безразмерных величин, которые информируют прибор архитектура и алгоритмы обработки, как сообщалось ранее ³⁸ . Отдельные исследования с помощью ИК-термографии показывают, что нагрев, связанный с другими компонентами системы, такими как батарея, регулятор напряжения и BLE-SoC, незначителен.

Добавление теплоизолирующего полиуретанового пеноматериала поверх чувствительного и исполнительного элементов улучшает отношение сигнал/шум на порядок (рис. S10) и является принципиально важным аспектом конструкции, описанной здесь, за счет значительного уменьшения источников шума, которые могут быть вызваны воздушный поток. Этот эффект можно понять, если рассмотреть скорость теплопередачи от НТК к окружающей среде за счет свободной конвекции и ее линейную зависимость от коэффициента конвективной теплопередачи H 93}}{{\nu \varsigma }}$$

(2)

где g — ускорение свободного падения, β — коэффициент объемного расширения жидкости воздуха, ν — температуропроводность воздуха, а ς — кинематическая вязкость воздуха. T _NTC и T _∞ — температура NTC и его окружения соответственно. Добавление слоя вспененного материала эффективно предотвращает циркуляцию воздуха вокруг NTC и, следовательно, эффекты свободной конвекции на вертикальной поверхности NTC с величиной, которая лишь слабо зависит от состава пены и размера пор для исследованных здесь материалов выше критическая толщина ~ 1 мм (дополнительный рис. 10).

Для количественной оценки тепловой анизотропии, вызванной потоком, рассмотрите параметр \(\alpha \equiv (T_{DS} — T_{US})\) как разницу между средней температурой, определяемой двумя датчиками NTC ниже по потоку и двумя датчиками NTC выше по потоку. , где T _US и T _DS представляют изменения температуры от стационарного базового значения до срабатывания. В отсутствие потока α составляет ~0 К, а при его наличии α  > 0 со значением, которое обычно >30 раз больше, чем шум для практических сценариев, относящихся к пациентам с гидроцефалией, как показано на рис. 2е. Временная реакция α на изменение потока является функцией тепловой массы сборки fPCB, включая NTC и исполнительный механизм, и характерного времени диффузии, связанного с переносом тепла через подлежащую кожу к шунту, 9. Случай ступенчатого изменения потока в шунтирующей фантомной системе от 0 мл/мин до 0,3 мл/мин за ч _кожа  = 1,5 мм показан на рис. 2д. В момент времени t  = 65 с поток активизируется, что приводит к переходному повышению температуры, которое может быть представлено в виде где α _qss представляет собой квазистационарное значение α такое, что \alpha \;=\; \alpha _{{\mathrm{qss}}}}\sim 0\) и K — подгоночная константа, равная 0,032  с ⁻¹ . Это соотношение предполагает, что первые 100 с после срабатывания измеренной кривой α(t) можно рассматривать как переходный период, после которого температура достигает ~95% своего установившегося значения.

Как обсуждалось ранее ^30,38 , α изменяется немонотонно в зависимости от скорости потока, как показано на рис. 2f, с пиковой чувствительностью 0,07–0,1 мл/мин для описанных здесь конструкций. Высокая чувствительность распространяется на физиологически значимый диапазон скоростей потока, т. е. 0–0,5 мл/мин ^27,42,43,44 . Толщина кожи и/или подлежащих подкожно-жировых слоев, лежащих над шунтом, h _кожа , также сильно влияет на α . По мере увеличения ч _кожи чувствительность снижается. Хотя чувствительности недостаточно для h _кожа крупнее ~4 мм, это ограничение не будет актуальным для измерений в области шеи/ключицы, где h _кожа обычно составляет от 0,5 мм до 2 мм. Чтобы различать расходы, связанные с идентичными значениями α по обе стороны от его пикового значения, используется второй параметр, \(\beta \equiv (T_{{\mathrm{DS}}} + T_{{\mathrm{US }}}){\mathrm{/}}2\), необходимо учитывать среднее изменение температуры. Т _DS изменяется немонотонно с расходом, увеличиваясь с расходом для 0 < Q < 0,07 мл/мин и уменьшаясь с расходом для Q  > 0,07 мл/мин. Напротив, T _US уменьшается с потоком для всего диапазона расходов. В результате их среднее значение, β , является относительно постоянным при низких расходах и уменьшается с расходом при высоких расходах для стационарных измерений. По сути, β является мерой увеличения чистого переноса тепла (т. е. ненаправленного) из-за конвекции и монотонно уменьшается с расходом (рис. 2g). В результате β может дать информацию о режиме потока (высокий или низкий), а α может служить мерой расхода. Сочетание этих двух параметров позволяет определить скорость потока, как показано экспериментально в следующем разделе. Эти настольные измерения также показывают допуск, связанный с вращательным смещением датчика (до 45 °, дополнительный рис. 7), а также с его поступательным смещением (до 5 мм, дополнительный рис. 8).

Мониторинг кровотока и визуализация на теле

Измерения на людях включают размещение устройства в дистальном месте вдоль шунта над ключицей (так называемое «на шунте») под контролем визуального осмотра и тактильных ощущений. Метки совмещения на устройстве и временные метки на коже, нанесенные хирургической ручкой, облегчают совмещение и позиционирование. Часто шунт хорошо виден (как на рис. 3в), но его всегда легко пальпировать, особенно над ключицей. Дополнительное измерение на участке кожи, прилегающем к шунту, но лишенном приповерхностной сосудистой сети (называемое вне шунта), служит контролем, представляющим случай «нулевого потока» (рис. 3а). Портативный ультразвуковой прибор дает изображения кожи и расположенной под ней шунтирующей трубки (Butterfly IQ, КТ, США), как показано на рис. 3b для случая бессимптомного взрослого мужчины-добровольца (М, 21 год). Расстояние от верхней наружной поверхности трубки шунта до поверхности кожи в этом случае составляет 1,4 мм (рис. 3в). Места, где шунт легко пальпируется, обычно находятся на расстоянии <2 мм от поверхности кожи (дополнительные ультразвуковые изображения и измерения представлены на дополнительной рис. 12).

Рис. 3: УЗИ тела, ИК и аппаратные измерения у здорового амбулаторного пациента (М, 21 год) с венозным шунтом.

a Схематическое изображение, на котором показаны места измерения в шунте, вне шунта и ультразвука. b Ультразвуковое изображение шунта VP на расстоянии 2  см дистальнее ключицы (слева), с оптической микрофотографией неимплантированного шунта (Medtronic, Bactiseal) для масштабирования (справа). c Оптическое изображение устройства, закрепленного на коже поверх шунта. d ИК-термограмма работающего устройства, показывающая максимальное локальное повышение температуры на термоприводе на 4,7 °C, с контуром шунта, видимым после привода. e Необработанная температура, зарегистрированная датчиками температуры при измерении вне шунта у основания грудной мышцы дистальнее ключицы. f Необработанное измерение температуры от четырех датчиков температуры на месте измерения на шунте, показывающее разницу между сигналами температуры на входе и выходе, α . g α вычислено для двух отдельных испытаний с участием одного и того же пациента над шунтом и одного испытания вне шунта. Участники дали письменное информированное согласие на включение их фотографий/изображений в данную публикацию.

Изображение в полный размер

Работа привода на фиксированном, регулируемом уровне мощности (4  мВт/мм ² ) приводит к локальному повышению температуры <5 K на поверхности кожи (рис. 3d, дополнительный рис. 13). Как и в случае с настольной системой на рис. 2b, ИК-изображение показывает контур шунта после термического срабатывания (рис. 3d) с температурами, которые постепенно снижаются с увеличением расстояния от термического привода. Линейные профили температуры в местах выше и ниже по течению с ориентацией, перпендикулярной потоку шунта (дополнительный рис. 13), показывают влияние привода на повышение локальной температуры CSF и потока на анизотропную передачу тепла вниз по течению. В местах ниже по течению повышенная температура спинномозговой жидкости приводит к температурному профилю, который достигает максимума над шунтом, где центр шунта уравновешивается при температуре на ~ 0,4   K выше его окружения. Аналогичные измерения выше по течению показывают незначительные колебания температуры, как и ожидалось. 9{(43-T)}$$

(3)

где t — общее время нагрева в минутах, T — локальная температура кожи в °C, а R — масштабный коэффициент, эмпирически Известно, что 0,25. Точка перегиба 43 °C связана с разрушением клеток, а значения >400 связаны с необратимым термическим повреждением кожи ⁴⁶ . ИК-измерения в области максимального повышения температуры на приводе показывают значения ~ 36,5   ° C (дополнительный рис. 13), соответствующие CEM ₄₃ из ~10 ⁻³ , в течение 5-минутного периода измерения, на несколько порядков ниже порога повреждения. Даже при длительном времени измерения ~6 ч (соответствующем общему сроку службы батареи устройства) значение CEM ₄₃ довольно мало (~0,04), что свидетельствует о том, что риски минимальны даже при длительном непрерывном мониторинге. . Во всех обсуждаемых здесь исследованиях пациенты не могли ощущать повышение температуры, вызванное приводом.

При отсутствии кровотока или в подходящем месте «вне шунта», таком как основание грудной мышцы непосредственно дистальнее ключицы, показания датчиков температуры плавно и монотонно возрастают со значениями, которые почти одинаковы с точностью до 50  мК (рис. 3e), что приводит к среднеквадратичным (RMS) значениям α _RMS  ~ 13 мК с размахом 8 мК в 100-секундном окне усреднения (представляющем время теплового отклика ) (рис. 3г). Аналогичные измерения над шунтом демонстрируют четкую тепловую анизотропию (рис. 3f) с α _RMS  ~ 250 мК (75 мК) и размах колебаний 60 мК (25 мК) для случаев с высоким (низким) потоком (рис. 3g). Эти данные показывают, что значения α  > 50 мК превышают уровень шума и можно предположить, что они являются результатом течения. Наблюдения также показывают, что переходный период отклика имеет продолжительность ~100 с. Исследования, о которых здесь сообщается, сосредоточены только на квазистационарной реакции, определяемой работой после этого переходного периода.

Мгновенные «рейды» проходимости шунта

Оценка дополнительных пациентов позволяет установить воспроизводимость и надежность операций в различных возрастных группах и с патологиями без подозрения на неисправность шунта. Изображение устройства, наложенного на ключицу в остальном здорового амбулаторного пациента (М, 21), представлено на рис. 4а, где хирургические метки обозначают расположение шунта. Смартфон с программным обеспечением, управляемым лечащим врачом или врачом-резидентом, получает данные о температуре с устройства и отображает результаты в режиме реального времени на графическом пользовательском интерфейсе. Беспроводной интерфейс позволяет врачу свободно перемещаться в пределах ~6 м от кровати пациента без потери связи или искаженных сигналов. Точно так же пациенты также могут свободно перемещаться в своей больничной койке и вокруг нее без нарушения беспроводной связи или артефактов, вызванных движением, при измерении (дополнительные изображения на дополнительном рисунке 14). Во всех случаях измерения на шунте усреднялись в течение 100 с после переходного периода в 100 с ( α _{на шунте} = 0,35 ± 0,14 К) различается ( р = 0,003) от измерений с неразборчивости ( α _{OFF Shunt} = –03 ± 0,02 K) в паре-Студенте = –03 ± 0,02 K) в паре-Студенте-

= −03 ± 0,02 K) в паре-Студенте-

= –03 ± 0,02 K). (рис. 4б). Эти результаты представляют собой значительные улучшения по сравнению с результатами, полученными с нашими ранее описанными устройствами ³⁰ , в основном потому, что (i) представленный здесь беспроводной вариант минимизирует частичное расслоение, вызванное движением, и электрический шум, вызванный деформацией, и (ii) изолирующая пена изолирует измерительную систему. от окружающих тепловых флуктуаций и изменяющихся во времени конвективных эффектов.

Рис. 4: Короткие «выборочные» измерения у стационарных пациентов с подтвержденным потоком.

a Оптическое изображение устройства, установленного на коже над шунтом, со смартфоном для непрерывного считывания данных. b Среднее значение α, рассчитанное для n  = 5 пациентов с подтвержденным кровотоком или без симптомов, в местах шунтирования и вне шунта. (** p  < 0,01 для парного теста Стьюдент- t ). Столбики погрешностей соответствуют стандартным отклонениям по пяти предметам. Участники дали письменное информированное согласие на включение их фотографий/изображений в данную публикацию.

Изображение полного размера

Непрерывный мониторинг потока

Непрерывные измерения потока на свободно перемещающихся пациентах представляют собой принципиально новый режим мониторинга. Здесь полезность устройства выходит за рамки простой бинарной оценки потока/отсутствия потока и устанавливает корреляции между динамическими изменениями в реальном времени и ощущениями/активностями пациента. Например, изменение ориентации тела может повлиять на поток, о чем свидетельствуют жалобы пациентов на головные боли в положении лежа или сразу после вставания. У здорового бессимптомного амбулаторного пациента (М, 21) измерения до, во время и после изменения ориентации тела предполагают соответствующие изменения потока (рис. 5а). Первоначально измерения проводились в сидячем положении пациента (90°) значения урожайности соответствуют нормальному здоровому дневному течению с постоянной скоростью ( α  ~ 0,2–0,3 К). Откидывание в положение лежа на спине (180°) приводит к постепенному снижению кровотока в течение ~200 с, что согласуется с предыдущими результатами, полученными с использованием наружных дренажей ⁴⁴ и внутренних шунтов с потоками, измеренными с использованием радиоактивных индикаторов ⁴⁷ и ультразвука. визуализация с введением пузырьков воздуха в шунт ^20,26 до тех пор, пока доброволец не вернется в вертикальное сидячее положение (90°), где измерения указывают на возврат к исходным расходам. Дополнительные тесты на двух здоровых бессимптомных амбулаторных пациентах (Ж, 15, М, 27) показывают аналогичные результаты (рис. 5b, необработанные данные на дополнительном рис. 15) с четкими ( p  = 0,04) различиями между измерениями в начальный период вертикального положения. и последующий период лежания на спине, рассчитанный для парного t-критерия. Контрольные измерения вне шунта не показывают тепловой анизотропии, независимо от ориентации тела, как и ожидалось (рис. 5c).

Рис. 5: Усовершенствованные измерения непрерывной гидродинамики спинномозговой жидкости у здоровых амбулаторных пациентов.

a α рассчитано для здорового амбулаторного пациента (мужчина, 21 год) в трех положениях: сидя под углом 90° (серая заштрихованная область), на спине под углом 180° (красная заштрихованная область) и сидя под углом 90° (синяя заштрихованная область). b α усреднено по 100-секундному окну для трех позиций по n  = 3 пациентам в местах шунтирования. c То же, что и b . но измеряется в удаленных от шунта местах. d α для добровольца (F, 16), наклоненного вперед (F) и назад (B) под углом 45° и сидящего под углом 90° соответственно. e α вычислено для непрерывного измерения в месте расположения шунта, когда волонтер (мужчина, 21 год) амбулаторно спускался на лифте, движущемся со скоростью 1,5 м/с на высоте 17 м. f То же, что и e , но измерено, когда тот же доброволец поднимался на лифте, с базовой линией, скорректированной на то же начальное значение α. г α рассчитано для непрерывного 1,5-часового измерения на добровольце (мужчина, 21 год) во время обычной деятельности, показывая прерывистый поток. h Площадь под кривой, γ , рассчитанная для α ( t ) по различным окнам выборки для данных в g как мера общего выходного потока в течение фиксированных интервалов. i γ вычислено для 5-минутного окна отбора проб для одного и того же пациента в течение трех дней во время утренних (M) и дневных (A) измерений, демонстрирующих вариабельность характеристик потока в зависимости от времени суток. Планки погрешностей в b и c соответствуют стандартным отклонениям по трем субъектам.

Изображение в натуральную величину

Пациенты часто могут определить случаи аберрантного течения по началу характерных головных болей. В одном случае в остальном здоровый бессимптомный амбулаторный пациент (F, 16) описал изменение положения с вертикального на наклонное вперед (45°) как случай головной боли, например, во время чтения. Результаты непрерывного наблюдения за этим пациентом (рис. 5d) показывают, что наклоны как вперед, так и назад (45°) приводят к мгновенному и значительному снижению потока, что совпало с головными болями. Также может происходить реверсирование потока, на что указывает отрицательное значение α. В обоих случаях поток восстанавливается до положительного исходного значения, хотя и с разной скоростью. В другом случае здоровый в остальном амбулаторный больной (М, 21 год) жаловался на головные боли при быстрых инерционных изменениях, связанных с ездой на лифтах в многоэтажных домах. Измерения этого пациента во время трех стандартных подъемов и спусков в лифте выявили характеристики, соответствующие соответствующим изменениям потока в периоды ускорения, когда спуск снижает поток до уровня обратного потока (рис. 5d), а подъем усиливает поток (рис. 5е).

В дополнение к этим эпизодическим изменениям вариации могут быть измерены в течение более длительного времени либо путем непрерывного мониторинга, либо путем сравнения повторных измерений. Эти возможности иллюстрирует непрерывный мониторинг амбулаторного пациента (М, 21 год) в течение ~1,5 ч при обычном поведении со смартфоном для сбора данных, помещенным в карман. Эти данные (рис. 5g) демонстрируют прерывистый поток с временными шкалами (~ 20  мин), которые согласуются с предыдущими данными, собранными у пациентов с внешними желудочковыми дренажами ⁴⁸ . Общий объем спинномозговой жидкости, извлеченный во время шунтирования, служит важной диагностической мерой состояния здоровья пациента, а интегрирование по времени α(t) дает параметр γ в качестве коррелята для общего объемного потока в течение фиксированного интервала времени. Такие интегрированные измерения для 15-минутных интервалов времени выявляют изменения расхода за период мониторинга (рис. 5з) как показатель перемежаемости шунта. В более длительных временных масштабах значения γ также могут служить точками сравнения в течение нескольких дней или дольше (рис. 5i).

Преобразование тепловой анизотропии в количественный расход

Измерение в режиме реального времени количественного значения расхода за пределами метрики γ представляет собой ключевую возможность. Учет ч _кожи (1,4  мм для амбулаторного пациента, обсуждаемого здесь) с помощью ультразвуковой визуализации позволяет построить 3D-модели FEA для α(Q) и β(Q) в диапазоне физиологически значимых скоростей потока спинномозговой жидкости от от 0,007 до 1 мл/мин (0,4–60 мл/ч) (рис. 6а). Другие параметры модели включают теплопроводность ( K _Скин = 0,3 Вт/м-K ³⁵ ), плотность ( ρ _Кожа = 1050 кг/м ^{3 49} ) и тепловая способность (0707070707070707070. ⁴⁹ ) и тепловая способность (07070707070707070707070707070707070707070780. ⁴⁹ ) ( ^{3 49} ) ( ^{3 49} ) (^{. J/Kg-K 35 ) of the skin, and corresponding properties for the shunt ( k _shunt  = 0.21 W/m-K, ρ _shunt  = 965 Kg/m 3 , C _р,шунт  = 1460 Дж/кг-К 50 ). В то время как основные и геометрические свойства шунта в значительной степени известны и фиксированы, H _Skin , K _Кожа , ρ _Скин и C _{P, кожа} CAN CAN OF PETARTING, по всему A-ALAINGHACTACTACTARACTACTACTARACTACTACTACTACTACTACTACTACTACTACTACTAR. Влияние каждого из этих параметров обсуждается в другом месте 30 . Значения α и β , рассчитанные с помощью 3D FEA, находятся в пределах допустимого уровня согласия (~ 15%) со значениями, измеренными на настольной шунтовой системе (дополнительный рисунок 16), настроенной для аппроксимации соответствующей анатомии ( ч _кожа  = 1,7 мм). Точка перегиба между режимами высокого и низкого потока составляет 0,07  мл/мин, что соответствует β  = 1,3 К, как показано на рис. 6а. Разделение α(Q) на компоненты с низким и высоким расходом и установка каждого из них по отдельности позволяет преобразовать α в Q . Режим малого расхода аппроксимируется экспоненциальной зависимостью ( Q  = 0,0038e 8,161 α ) (рис. 6б), а режим большого расхода аппроксимируется степенным законом ( Q  = 0,007α −2 ,12 ) (рис. 6в). Подгонки хорошо согласуются с моделями FEA для 0,01 K <  α  < 0,5 K. Репрезентативные случаи высокого и низкого расхода, рассчитанные таким образом, с соответствующими значениями β представлены на рис. 6c, d, где заштрихованные области соответствуют оценкам неопределенности (±15%), присущим подбору.}

Рис. 6: Измерение скорости потока у здорового амбулаторного пациента (М, 21 год).

a Кривые, смоделированные методом МКЭ для α(Q) (вверху) и β(Q) (внизу) за ч _кожа  = 1,4 мм, соответствует измеренному значению на амбулаторном, с точкой перегиба на Q  = 0,07 мл/мин соответствует β  = 1,3 K. b Данные моделирования (кружки) и аппроксимация (линия, экспоненциальная кривая) для режима низкого расхода, соответствующего 0,007 <  Q  < 0,07 мл/мин. c Моделированные данные (кружки) и аппроксимация (линия, степенная кривая) для режима высокого расхода, соответствующего 0,07 <  Q  < 1 мл/мин. d Репрезентативные непрерывные измерения высокого потока у амбулаторных пациентов с заштрихованными областями, представляющими оценки неопределенности (±15%). e Репрезентативные измерения низкого потока у амбулаторных пациентов с заштрихованными областями, представляющими оценки неопределенности (±15%).

Изображение в полный размер

Результаты 12 выборочных измерений, проведенных на одном и том же здоровом амбулаторном пациенте в течение 3 дней, представлены в таблице 1 в положении сидя или стоя. Усреднение по 100-секундным окнам дает значения для β для определения режимов высокого и низкого расхода. Усредненные значения α по тем же значениям выходного окна для Q с помощью соответствующего уравнения преобразования со стандартными отклонениями ±15%, связанными с неопределенностями подбора в качестве верхней и нижней границ. Самая высокая и самая низкая скорости потока за 3-дневное измерение составляют 0,26 ± 0,05 мл/мин (15,6 ± 3 мл/ч) и <0,01 мл/мин (0,6 мл/ч) соответственно. Из 12 измерений четыре случая высокого потока ( Q  > 0,07 мл/мин, β < 1,3 K), шесть случаев низкого потока ( Q  < 0,07 мл/мин, β  > 1,3 K) и два случая переходного потока ( Q  ~ 0,07 мл/мин, β  ~ K)1,3.3.3 Среднее значение Q по всем измерениям составило 0,08 ± 0,07 мл/мин (4,8 ± 4,2 мл/ч). Эти скорости потока хорошо соответствуют установленным значениям для детей и взрослых в нескольких исследованиях внешних дренажей ^44,48 и постоянных шунтов ^20,26,27,47 . Поток значительно меняется в течение 60-минутного периода, что согласуется с текущим пониманием гидродинамики спинномозговой жидкости ²⁰ и расширенные измерения того же пациента (дополнительная рис. 17). Эти данные свидетельствуют о важности либо одного непрерывного измерения, либо нескольких коротких измерений в течение 60-минутного периода для точного определения характеристик потока. Время проведения измерений (с позднего утра до раннего вечера) может быть дополнительным важным фактором ²⁶ , а исследования на здоровых пациентах во время сна и ранним утром составляют основу текущей работы. Текущие исследования внешних стоков послужат средством для калибровки измерений датчиков по объему дренажа за фиксированные интервалы времени.

Таблица 1 Скорость потока, рассчитанная для 12 выборочных контрольных измерений у здорового амбулаторного пациента (M, 21) за 3-дневный период, со значениями β для классификации на высокую ( β  < 1,3 K зеленый), низкую ( β  > 1,3 К, красный ) и переходный ( β ~ 1,3 К синий) режимы течения.

Полноразмерная таблица

Описанная здесь технология представляет собой значительное инженерное расширение наших ранее опубликованных платформ ³⁰ , объединяя набор концепций в области проектирования датчиков, теплотехники, производства гибких печатных плат, беспроводной передачи данных и цифрового здравоохранения для представили первый непрерывный монитор потока спинномозговой жидкости для пациентов с гидроцефалией. Этот тип датчика создает важные возможности для лечения и ухода за пациентами с гидроцефалией, как для клинической/стационарной диагностики, так и для исследования гидродинамики спинномозговой жидкости. Способность сопоставлять схемы потоков с наблюдениями за пациентами предлагает путь к индивидуальному уходу за этими пациентами таким образом, чтобы его можно было перенести на домашние условия. Эта платформа также позволит осуществлять непрерывный мониторинг пациентов во время нормальной деятельности (сна, физических упражнений и т. д.) и во время сбоя шунта, чтобы получить представление о поведении шунта, улучшить понимание состояния и улучшить дизайн шунта. . Будущие исследования будут сосредоточены на статистической проверке в большей популяции пациентов с помощью исследований с соответствующей мощностью, чтобы установить значения положительного и отрицательного прогностического значения для неисправности шунта.

Методы

Изготовление и сборка электроники

Изготовление датчика и вспомогательной электроники началось с обработки трехслойной пленки медь/полиэтилен/медь (18 мкм/75 мкм/18 мкм, Pyralux, DuPont Inc.) с УФ-лазерный резак (LPKF U4) для нанесения рисунка дорожек, контактных площадок и неметаллизированных переходных отверстий. Последовательные промывки флюсом для нержавеющей стали (Worthington Inc), деионизированной водой и изопропанолом (Fisher Scientific) удалили поверхностные оксиды и подготовили полученную гибкую печатную плату (fPCB) к сборке. Пайка оплавлением низкотемпературной паяльной пастой (TS39).1LT, ChipQuik) установил электрические контакты между серийно выпускаемыми компонентами (микроконтроллер, операционный усилитель, дропаут-регулятор, переключатель, батарея, мостовые/подстроечные резисторы, компоненты нагрева/активации, согласующие конденсаторы и другие вспомогательные компоненты) и fPCB. . Сверхтонкий гибкий провод (36 AWG Copper Stranded Wire, Calmont Inc.) соединял сквозные отверстия между верхним и нижним слоями fPCB.

Инкапсуляция и клей для кожи

Трехосевое фрезерование на станке с ЧПУ (MDX 540, Roland) формовало алюминиевые охватываемые и охватывающие формы. Прокладки между мужской и женской формами определяли толщину (~ 0,5 мм) силиконовых оболочек в качестве корпусов для устройств. Заливка и заливка жидкого силиконового форполимера медицинского назначения и отвердителя (Silbione 4220 Elkem) в охватывающую форму с последующим выравниванием и сжатием охватываемой формы с усилием ~5 Н при отверждении при 100 °C в течение 15 мин с образованием оболочки . Отдельно центрифугирование (3000 об/мин в течение 60 с) (поли)метилметакрилата (ПММА) с последующим обжигом (180°C в течение 180 с) образовывало твердую пленку (толщина ~700 нм) на чистом предметном стекле для создания гидрофобного поверхность. После центрифугирования (1000 об/мин в течение 60 с) и отверждения (70°C в течение 8 мин) силиконового форполимера (поли)диметилсилоксана (ПДМС) (Sylgard 184, 10:1, Dow Chemicals) на этот слой ПММА образовался тонкий слой ПММА. 100 мкм), частично отвержденная силиконовая пленка. Установка fPCB на этот слой и отверждение при 100 ° C в течение 15 минут установили механическую связь между двумя материалами. Нанесение неотвержденного жидкого форполимера (поли)уретановой пены (FlexFoam, Smooth-On Inc.) на чувствительные и исполнительные компоненты и отверждение при 50 °C в течение 60 минут создавало твердый слой толщиной 2–3 мм. пена для теплоизоляции. Капельное литье жидкого форполимера PDMS (Sylgard 184, 10:1) по контуру fPCB с последующим выравниванием и установкой оболочки и отверждением при 100°C в течение 15 мин прикрепляло оболочку к нижележащей силиконовой подложке, чтобы герметизировать устройство. Гидрофобная поверхность ПММА облегчает удаление со предметного стекла путем осторожного отслаивания. Наконец, лазерная резка сформировала четкий контур устройства, тем самым завершив процесс инкапсуляции.

Отдельно лазерное структурирование сформировало контур коммерчески доступного медицинского клея (3M 2477P) с двухсторонней силикон-акрилатной конструкцией и прокладочными слоями. После отклеивания лайнера с акрилатного слоя (энергия адгезии 350 Н/м) и облучения поверхности УФ-лампой (Jelight Inc.) была создана гидрофильная поверхность. Установка этого слоя на нижний силикон fPCB завершила сборку устройства. Отслоение прокладочного материала от обращенного к коже силиконового клея перед нанесением пациенту обеспечило прочную, нераздражающую адгезию к коже (энергия адгезии 35 Н/м).

Настольные эксперименты с моделью фантомной кожи

Настольная модельная система позволяла моделировать скорость потока, толщину кожи и тепловые свойства кожи, относящиеся к измерениям потока спинномозговой жидкости через шунты. Система включала дистальный катетер (OD = 2,1 мм, ID = 1,1 мм) шунта VP (Medtronic Ares, Medtronic Inc.), встроенный в силиконовый кожный фантом на глубину 1,1 мм. Хорошо перемешанная комбинация полидиметилсилоксана (PDMS) (Sylgard 184, 10:1, k 9Фантомами кожи служили 0336 Syl184  = 0,21 Вт/м-К) и ПДМС, легированный микрочастицами сажи (Sylgard 170, 1:1 k _{Syl 170}  = 0,48 Вт/м-К). Different ratios of the two materials yielded a range values ​​of k _skin ³⁶ relevant to the stratum corneum ( k _SC  ~ 0.25 W/m-K), epidermis ( k _epidermis  ~ 0.35 W/m-K ) и подкожно-жировой слой ( k _Жир  ~ 0,2 Вт/м-K). Спиннинг-литье и ламинирование силиконовых листов различной толщины (0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0  мм) и пропорций смешивания на сборке фантома имитировали желаемые значения h _кожа и k _кожа . Калиброванный шприцевой насос (PicoPlus Elite, Harvard Apparatus), соединенный с дистальным катетером через шунтирующий клапан VP (Medtronic Strata, Medtronic, Inc.), подавал поток через узел. В качестве испытательной жидкости использовалась вода, так как она составляет 99% CSF ⁵² . Имеющийся в продаже клей медицинского назначения (2477 P, 3 M Inc., описанный выше) прикрепил устройство к узлу фантома.

Экспериментальная проверка проводилась по двум протоколам. Протокол 1 имитировал ступенчатые изменения потока для измерения чувствительности в реальном времени и временной динамики. Установка устройства на сборку кожного фантома без потока (т. е. 0 мл/мин) позволила ему термически уравновеситься с температурой поверхности в течение 120 с. После этого периода уравновешивания работа актуатора привела к локальному повышению температуры <5 K в течение 180 с. Поток начался в t  = 180 с после срабатывания, в течение дополнительных 180 с. При t  = 360 с после срабатывания поток закончился, и температуры повторно уравновешивались в течение последних 180 с. Проведение этого эксперимента для двух скоростей потока, 0,05 и 0,5 мл/мин, ограничило ответы, ожидаемые для всего диапазона нормальных скоростей потока. Временные интервалы, используемые в этих тестах, превышали естественное время отклика устройства, шприцевого насоса и кожного фантома.

Протокол 2 имитировал постоянный поток в течение 5-минутного периода измерения, чтобы установить значения T _DS , T _US , α и β для условий стационарного потока, как сценарий, имеющий непосредственное отношение к испытаниям на теле пациента. Здесь поток с заданной скоростью первоначально уравновешивается в течение 60 с. Ламинирование устройства на кожном фантоме над шунтом в течение 120 с позволило системе термически уравновеситься, как в протоколе 1. Работа с приводом и сбор данных от 4 NTC в течение 300 с завершили протокол. Мы провели этот протокол для следующих скоростей потока: Q  = 0, 0,03, 0,05, 0,07, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 0,7 мл/мин. Калибровка температуры (дополнительный рис. 1) позволила преобразовать изменения сопротивления NTC в измерения температуры ³⁰ .

Испытания на теле

Исследования на теле пациента и добровольца (Протокол IRB STU0020542, Северо-западная мемориальная больница, Протокол IRB 2018-1672, Детская больница Лурье) начинались с пальпации шунта через шею или ключицу для определения местоположения поверхностный шунт. Там, где это было возможно, портативная система ультразвуковой визуализации (iQ, Butterfly Inc., Коннектикут, США) облегчала локализацию шунта и позволяла измерять h _скин . Очистка кожи спиртовой салфеткой и маркировка шунта хирургической ручкой подготовили кожу к измерению. Отдельно, сняв подкладочный слой с силиконового клея (2477 P, 3 M Inc.), подготовили устройство. Метки совмещения на шунте устройства облегчили его точное размещение поверх шунта, а мягкое давление в течение 10 с активировало клей и заламинировало его на кожу. Протокол контакта (дополнительный рисунок 18) позволил выявить плохой контакт с кожей и аберрантное поведение датчика. Плохой контакт привел к уменьшению переноса тепла от актуатора и сравнительно большому увеличению температуры в течение ~60  с после срабатывания термоактуатора: при t  = 60 с, T _US и T _DS были <1 K в случаях с хорошим контактом и >2 K в случаях с плохим контактом. Повышение температуры всех четырех NTC на 1,5 K служило признаком хорошего контакта. Как и в лабораторных исследованиях, перед измерениями устройства термически уравновешивались температурой кожи в течение 120 с. Работа привода инициировала период сбора данных. В стационаре пациенты находились под углом от 180° (на спине) до 9°.0° (вертикально) во время измерений. Амбулаторные пациенты находились в различных позах и с разными уровнями активности, как того требовал протокол. Во всех случаях устройство также устанавливали в подходящем месте «вне шунта» (обычно на основании грудной мышцы), лишенном приповерхностной анизотропии, в соответствии с протоколом, описанным выше, в качестве контроля. Все пациенты дали письменное информированное согласие на участие в исследовании.

Сводка отчета

Дополнительная информация о дизайне исследования доступна в Сводке отчета об исследовании природы, связанной с этой статьей.

Доступность данных

Все данные, необходимые для оценки выводов, представлены в статье и/или в дополнительных материалах. Дополнительные данные, информацию и материалы можно запросить у одного из соответствующих авторов.

Доступность кода

Весь пользовательский код был написан в MATLAB и доступен по разумному запросу от одного из соответствующих авторов.

Ссылки

1. Kahle, K.T., Kulkarni, A.V., Limbrick, D.D. Jr & Warf, B.C. Гидроцефалия у детей. ланцет 387 , 788–799 (2016).

   Артикул Google ученый

2. Петерсен Р. К., Мокри Б. и Лоус Э. Р. Хирургическое лечение идиопатической гидроцефалии у пожилых пациентов. Неврология 35 , 307–307 (1985).

   КАС Статья Google ученый

3. Релкин Н., Мармару А., Клинге П., Бергснайдер М. и Блэк П. М. Диагностика идиопатической гидроцефалии нормального давления. Нейрохирургия 57 , S2-4–S2-16 (2005).

   Артикул Google ученый

4. Liptak, G. S. & McDonald, J. V. Вентрикулоперитонеальные шунты у детей: факторы, влияющие на выживаемость при шунтировании. Педиатр. Нейрохирург. 12 , 289–293 (1985).

   Артикул Google ученый

5. McGirt, M.J. et al. Выживаемость при шунтировании спинномозговой жидкости и этиология неудач: семилетний стационарный опыт. Педиатр. Нейрохирург. 36 , 248–255 (2002).

   Артикул Google ученый

6. Хан, Ф., Рехман, А., Шамим, М. С. и Бари, М. Э. Факторы, влияющие на выживаемость вентрикулоперитонеального шунта у взрослых пациентов. Хирург. Нейрол. Междунар. 6 , 25 (2015).

7. Anderson, I.A. et al. Факторы, связанные с 30-дневной недостаточностью вентрикулоперитонеального шунтирования у детей и взрослых. Ж. Нейрохирург. 130 , 145–153 (2018).

   Артикул Google ученый

8. Boyle, T. P. et al. Сравнение быстрой краниальной МРТ с КТ при нарушении функции желудочкового шунта. Педиатрия 134 , e47–e54 (2014).

   Артикул Google ученый

9. Гартон, Х. Дж., Кестл, Дж. Р. и Дрейк, Дж. М. Прогнозирование недостаточности шунта на основе клинических симптомов и признаков у детей. Ж. Нейрохирург. 94 , 202–210 (2001).

   КАС Статья Google ученый

10. Полсен, А. Х., Лундар, Т. и Линдегаард, К.-Ф. Двадцатилетний исход у молодых людей с детской гидроцефалией: оценка хирургического исхода, участие в работе и качество жизни, связанное со здоровьем. J. Neurosurg.: Pediatrics 6 , 527–535 (2010).

    Google ученый

11. Shuaib, W. et al. Неисправность вентрикулоперитонеального шунта: кумулятивный эффект стоимости, радиации и времени оборота на пациента и систему здравоохранения. AJR Am. Дж. Рентгенол. 202 , 13–17 (2014).

    Артикул Google ученый

12. Simon, T.D. et al. Больничная помощь детям с гидроцефалией в Соединенных Штатах: использование, расходы, сопутствующие заболевания и смерти. Ж. Нейрохирург. Педиатр. 1 , 131–137 (2008).

    Артикул Google ученый

13. Heldt, T. Знайте шунтирующий поток. наук. Перевод Мед. 7 , 316ec208–316ec208 (2015).

    Артикул Google ученый

14. Беринг Э. А. и Сато О. Гидроцефалия: изменения образования и всасывания спинномозговой жидкости в желудочках головного мозга. Ж. Нейрохирург. 20 , 1050–1063 (1963).

    Артикул Google ученый

15. Linninger, A. A. et al. Спинномозговая жидкость в нормальном и гидроцефальном головном мозге человека. IEEE Trans. Биомед. англ. 54 , 291–302 (2007).

    Артикул Google ученый

16. Bradley, W. Jr et al. Выраженные ликворные пустоты: показатель успешного шунтирования у пациентов с подозрением на гидроцефалию с нормальным давлением. Радиология 178 , 459–466 (1991).

    Артикул Google ученый

17. Bradley, W.G. Jr et al. Гидроцефалия нормального давления: оценка с измерением потока спинномозговой жидкости при МРТ. Радиология 198 , 523–529 (1996).

    Артикул Google ученый

18. Kim, B.J. et al. Датчик проходимости Parylene MEMS для оценки обструкции шунта при гидроцефалии. Биомед. Микроустройства 18 , 87 (2016).

    КАС Статья Google ученый

19. Chiba, Y. & Yuda, K. Термочувствительное определение проходимости ликворного шунта с помощью пары небольших дисковых термисторов. Ж. Нейрохирург. 52 , 700–704 (1980).

    КАС Статья Google ученый

20. Хара, М. и др. Новый метод измерения цереброспинальной жидкости в шунтах. Ж. Нейрохирург. 58 , 557–561 (1983).

    КАС Статья Google ученый

21. Нефф, С. Измерение потока спинномозговой жидкости в шунтах с помощью чрескожной тепловой конвекции. Техническое примечание. 103 , 366–373 (2005).

22. Бойл, Т. П. Сравнение Shuntcheck с нейровизуализацией для диагностики нарушений функции желудочкового шунта в отделении неотложной помощи. В 2015 Национальная конференция и выставка AAP. Американская академия педиатрии . https://aap.confex.com/aap/2015/webprogrampress/Paper30861.html (2015 г.).

23. Madsen, J.R. et al. Оценка неинвазивного теплового метода ShuntCheck для выявления шунтового кровотока у пациентов с гидроцефалией. Нейрохирургия 68 , 198–205 (2011).

    Артикул Google ученый

24. Рагаван В.В. Оценка кровотока через гидроцефальный шунт: контролируемая модель для оценки производительности с помощью Shuntcheck. 1–4, https://neurodx.com/wp-content/uploads/2017/10/Stein-2008-Evaluation-of-Shunt-Flow-Through-a-Hydrocephalic-Shunt-A-Contrilled-Model-of- Оценка эффективности использования ShuntCheck.pdf (2017).

25. Recinos, V.R., Ahn, E., Carson, B. & Jallo, G. Shuntcheck, Неинвазивное устройство для оценки кровотока в вентрикулярном шунте: ранний опыт одного учреждения. утра. доц. Неврологи. Хирурги . 1–1, https://www.aans.org/Annual-Scientific-Meeting/Abstract-Center/Abstract-Details?page=1&id=63665&SearchTerm=%20A%20Неинвазивный%20Device%20To%20Assess%20Ventricular%20Shunt%20Flow %3A%20One%20Institution%E2%80%99S%20Early%20Experienc (2009 г.).

26. Kadowaki, C. Факторы, влияющие на поток спинномозговой жидкости в шунтирующей системе. Neurologia Med.-chirurgica 28 , 183–189 (1988).

    КАС Статья Google ученый

27. Кадоваки, К., Хара, М., Нумото, М., Такеучи, К. и Сайто, И. Физика спинномозгового шунта: факторы, влияющие на приток спинномозговой жидкости. Чайлдс. нерв. Сист. 11 , 203–206 (1995).

    КАС Статья Google ученый

28. Свобода М., Хохман М. Г., Маттиуччи М. Э., Фриц Ф. Дж. и Мэдсен Дж. Р. (Google Patents, 2015).

29. Хамид, М. К. и др. Неинвазивная тепловая оценка проходимости вентрикулоперитонеального шунта и потока спинномозговой жидкости с использованием устройства, усиливающего поток. Нейрохирургия . 85 , 240–249 (2018).

30. Кришнан, С. Р. и др. Эпидермальная электроника для неинвазивной беспроводной количественной оценки функции желудочкового шунта у пациентов с гидроцефалией. Науч. Перевод Мед. 10 , eaat8437 (2018).

    Артикул Google ученый

31. Ray, T. R. et al. Биоинтегрированные носимые системы: всесторонний обзор. Хим. Ред. 119 , 5461–5533 (2019).

32. Webb, R.C., Krishnan, S. & Rogers, J.A. In Stretchable Bioelectronics for Medical Devices and Systems 117–132 (Springer, 2016).

33. Сюй, С. и др. Мягкие микрофлюидные сборки датчиков, цепей и радио для кожи. Наука 344 , 70–74 (2014).

    КАС Статья Google ученый

34. Kim, D.H. et al. Эпидермальная электроника. Наука 333 , 838–843 (2011).

    КАС Статья Google ученый

35. Кришнан, С. и др. Мультимодальные эпидермальные устройства для мониторинга гидратации. Микросист. Наноенг. 3 , 17014 (2017).

    КАС Статья Google ученый

36. Кришнан, С. Р. и др. Беспроводная эпидермальная электроника без батареек для непрерывной количественной мультимодальной термической характеристики кожи. Маленький . https://doi.org/10.1002/smll.201803192 (2018 г.).

37. Кроуфорд, К. Э. и др. Усовершенствованные подходы к количественной характеристике свойств теплопереноса в мягких материалах с использованием тонких конформных резистивных датчиков. Крайний. мех. лат. 22 , 27–35 (2018).

    Артикул Google ученый

38. Webb, R.C. et al. Эпидермальные устройства для неинвазивного, точного и непрерывного картирования макрососудистого и микрососудистого кровотока. наук. Доп. 1 , e1500701 (2015 г.).

    Артикул Google ученый

39. Тянь, Л. и др. Гибкие и растягивающиеся датчики 3ω для термической характеристики кожи человека. Доп. Функц. Мать . 27 (2017).

40. 3M Inc. Технический информационный лист, 3M Medical Specialty Tape Product #2477P . (3M Inc., Сент-Пол, 2013 г.).

41. Инкропера, Д. Бергман и Лавин. Основы тепломассообмена . (Джон Уайли и сыновья, 2007).

42. Brendel, A.J. et al. Цереброспинальный шунт у взрослых: количественный анализ радионуклидов с акцентом на положение пациента. Радиология 149 , 815–818 (1983).

    КАС Статья Google ученый

43. Черву С. и др. Количественная оценка шунтирующего тока спинномозговой жидкости. J. Nucl. Мед. 25 , 91–95 (1984).

    КАС пабмед Google ученый

44. Дрейк, Дж. М., Сент-Роуз, К., ДаСильва, М. и Хирш, Дж. Ф. Динамика потока спинномозговой жидкости у детей с наружными вентрикулярными дренажами. Нейрохирургия 28 , 242–250 (1991).

    КАС Статья Google ученый

45. Dewhirst, M.W., Viglianti, B., Lora-Michiels, M., Hanson, M. & Hoopes, P. Основные принципы тепловой дозиметрии и тепловые пороги повреждения тканей от гипертермии. Междунар. J. Hyperthermia 19 , 267–294 (2003).

    КАС Статья Google ученый

46. «>

    Ярмоленко П.С. и др. Пороги термического повреждения нормальных тканей: обновление. Междунар. J. Hyperthermia 27 , 320–343 (2011).

    Артикул Google ученый

47. Хидака М., Мацумаэ М., Ито К., Цугане Р. и Судзуки Ю. Динамическое измерение скорости потока в шунтах спинномозговой жидкости у пациентов с гидроцефалией. евро. Дж. Нукл. Мед. 28 , 888–893 (2001).

    КАС Статья Google ученый

48. Ясуда Т., Томита Т., Маклоун Д. Г. и Донован М. Измерение выведения спинномозговой жидкости через наружный вентрикулярный дренаж у ста младенцев и детей: корреляция с выработкой спинномозговой жидкости. Педиатр. Нейрохирург. 36 , 22–28 (2002).

    Артикул Google ученый

49. Коэн, М. Л. Измерение тепловых свойств кожи человека. Обзор. Дж. Инвест. Дерматол. 69 , 333–338 (1977).

    КАС Статья Google ученый

50. Braley, S. Химия и свойства силиконов медицинского назначения. Дж. Макромоль. наук — хим. 4 , 529–544 (1970).

    КАС Статья Google ученый

51. Webb, R.C. et al. Тепловые транспортные характеристики кожи человека, измеренные in vivo с использованием ультратонких конформных массивов термодатчиков и приводов. PloS One 10 , e0118131 (2015 г.).

    Артикул Google ученый

52. Брайдон, Х., Хейворд, Р., Харкнесс, В. и Байстон, Р. Физические свойства спинномозговой жидкости, имеющие отношение к функции шунта. 1: влияние белка на вязкость спинномозговой жидкости. Бр. Дж. Нейрохирург. 9 , 639–644 (1995).

    КАС Статья Google ученый

Загрузить ссылки

Благодарности

Мы хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку, оказанную Центром биоинтегрированной электроники Северо-Западного университета, Детским научно-исследовательским институтом Стэнли Манна при Детской больнице Лурье и стипендией Диксона в Северо-Западном университете.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Эти авторы внесли равный вклад: Siddharth R. Krishnan, Hany M. Arafa, Kyeongha Kwon, Yujun Deng.

Авторы и организации

1. Департамент материаловедения и инженерии, Лаборатория исследования материалов имени Фредерика Зейтца, Иллинойский университет в Урбане-Шампейн, Урбана, Иллинойс, 61801, США

   Сиддхарт Р. Адд Роджерс. Джон Кришнан &

2. Center for Bio-Integrated Electronics, Northwestern University, Evanston, IL, 60208, USA

   Siddharth R. Krishnan, Hany M. Arafa, Kyeongha Kwon, Chun-Ju Su, Jonathan T. Reeder, Juliet Freudman, Izabela Stankiewicz, Hsuan -Минг Чен, Роберт Лоза, КунХюк Ли, Аарон Бэнкс, Дайана Остойич, Маниш Патель, Каан Бёрекчи, Юнган Хуан и Джон А. Роджерс

3. Факультет биомедицинской инженерии, Инженерная школа Маккормика, Северо-Западный университет, Эванстон, Иллинойс, 60208, США

   Хани М. Арафа, Джульет Фрейдман, Изабела Станкевич и Джон А. Роджерс

4. Государственная ключевая лаборатория механических систем и вибрации, Шанхайский университет Цзяо Тонг, 200240, Шанхай, Китай

   Юйцзюнь Дэн

   5

5. 3 Департамент Гражданская и экологическая инженерия, Северо-западный университет, Эванстон, Иллинойс, 60208, США

   Юйджун Денг, Хелинг Ван и Юнган Хуан

6. Факультет биологии, Университет Норт-Парк, Чикаго, Иллинойс, 60625, США

   Маркус Мимс

7. Факультет биологии Детройтского университета Милосердия, Детройт, Мичиган, 48221, США

   Митчелл Мимс

8. Факультет материаловедения и инженерии, Эвкормикский университет, Инженерная школа Маккормика, Северо-Западный университет им. , 60208, USA

   KunHyuck Lee, Heling Wang, Yonggang Huang & John A. Rogers

9. Медицинский факультет Файнберга, Северо-Западный университет, Чикаго, Иллинойс, 60611, США

   Zachary Abecassis

10. Медицинский колледж Иллинойсского университета в Чикаго, Чикаго, Иллинойс, 60612, США

    Маниш Патель

11. Факультет машиностроения, Инженерная школа Маккормика, Северо-Западный университет, 602, Иллинойс, 08, , USA

    Heling Wang & Yonggang Huang

12. Кафедра нейрохирургии, Медицинская школа Фейнберга, Северо-Западный университет, Чикаго, Иллинойс, 60611, США

    Джошуа Розенов, Мэтью Тейт, Торд Алден, Мэтью Б. Поттс, Амит Б. Эйер и Джон А. Роджерс

13. Департамент неврологической хирургии, Энн и Роберт Х. Люри Детская больница Чикаго, Чикаго, Иллинойс, 60611, США

    Торд Олден

Авторы

1. Siddharth R. Krishnan

   View Puportations

9009

Siddharth R. Krishnan

You Pupessations

9009

. также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Hany M. Arafa

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

Кёнха Квон

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Yujun Deng

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Chun-Ju Su

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Джонатан Т. Ридер

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Juliet Freudman

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Izabela Stankiewicz

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Hsuan-Ming Chen

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Robert Loza

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Marcus Mims

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Mitchell Mims

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

KunHyuck Lee

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Zachary Abecassis

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Aaron Banks

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Диана Остойич

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Manish Patel

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Heling Wang

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Каан Бёрекчи

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Joshua Rosenow

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Мэтью Тейт

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Yonggang Huang

Посмотреть публикации автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Tord Alden

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Matthew B. Potts

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Амит Б. Айер

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

John A. Rogers

Просмотр публикаций автора

Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

S.R.K., H.M.A., C.-J.S., J.T.R. и Дж.А.Р. разрабатывал аппаратную часть устройств, К.К. H-M.C., Р.Л. и К.Л. разработано и внедрено программное обеспечение для устройств. С.Р.К., Х.М.А., Дж.Ф., И.С., Х-М.С., Р.Л., Ма.М., Ми.М., А.Б., Д.О., М.П. и К.Б. изготовил и испытал датчики. Ю.Д., Х.В. и Ю.Х. выполнено тепловое и механическое моделирование. З.А., Дж.Р., М.Т., Т.А., М.Б.П. и А.Б.А. разработал и провел исследования пациентов. S.R.K., H.M.A., A.B.A. и Дж.А.Р. написал бумагу.

Авторы переписки

Переписка с Амит Б. Айер или Джон А. Роджерс.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

S.R.K., A.B.A. J.T.R., C-J.S., K.H.L. и J.A.R. являются изобретателями по патентным заявкам, относящимся к обсуждаемой здесь технологии. S.R.K., A.B.A. и J.A.R. являются соучредителями Rhaeos Inc., компании, которая разрабатывает беспроводные носимые шунтирующие диагностические датчики и M.B.P. является консультантом той же компании. Описанные здесь устройства аналогичны устройствам, которые будут представлены в портфолио компании.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Сводка отчетности

Права и разрешения

Открытый доступ

воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения.

Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Точные измерения с использованием шунтирующих резисторов и модулей измерения тока в приложениях для хранения больших объемов энергии

Это четвертая статья из пяти частей, посвященных преобразованию энергии. Сериал даст представление о том, как быстрая электрификация транспортных средств и переход на возобновляемые источники энергии стимулируют спрос на безопасное и надежное преобразование энергии и электронные компоненты.

Статьи изначально были опубликованы в0008 электронный журнал , и были существенно отредактированы Wevolver, чтобы обновить их и сделать их доступными на платформе Wevolver. Эта серия спонсируется  Mouser Electronics , онлайн-дистрибьютором электронных компонентов. Благодаря своей спонсорской поддержке Mouser Electronics  поддерживает инженеров в разработке устойчивых и эффективных приложений для более экологичного будущего.

Необходимость контролировать состояние литий-ионных элементов в аккумуляторных батареях во время зарядки и разрядки является ключевым требованием для систем управления аккумуляторными батареями (BMS) в высокоэнергетических приложениях, таких как гибридные электромобили (HEV) и аккумуляторные электромобили. транспортных средств (BEV). Поддержание производительности и безопасной эксплуатации имеет первостепенное значение, поскольку литий-ионные химические вещества подвержены проблемам деградации и старения. Опасный температурный разгон может возникнуть, если температура окружающей среды не соответствует спецификации или если аккумуляторы заряжены недостаточно или перезаряжены, что может привести к трещинам в углеродном и литиевом покрытии.

Три параметра, измеряемые BMS ( Рисунок 1 ) для определения состояния работоспособности ячейки, — это напряжение, температура и ток ячейки. Традиционным решением, используемым для измерения этих параметров, было использование шунтирующих резисторов. Эти пассивные компоненты имеют относительно высокий абсолютный допуск 5 процентов. Однако общая точность в сочетании с модулем измерения тока может быть снижена до 0,01 процента.

В этой статье содержится полезная информация о конструкции BMS об уровне точности, который можно получить с помощью Bourns ^® Шунтирующие резисторы серии CSM2F в сочетании с модулем измерения тока, предназначенным для этой цели.

Рис. 1. Блок-схема системы управления батареями.

Bourns предлагает три модели шунтирующих резисторов, сертифицированных Bourns для применения в системах хранения энергии в неблагоприятных условиях. Резистивный элемент во всех трех моделях состоит из больших медных клемм, как это видно на примере серии CSM слева. Учитывая, что удельное сопротивление меди составляет 1,72 x 10-8 Ом·м и сопротивление увеличится на 0,393 % на каждый дополнительный градус Цельсия температуры, общий коэффициент сопротивления между двумя точками будет выше, чем удельное сопротивление сплава резистора (макс. 50 ppm/°C или 0,05 %/°C). Если расстояние между двумя точками измерения в меди составляет всего 3 мм, как в случае с CSM2F-8515, температурный коэффициент сопротивления, или TCR, увеличится с 50 ppm/°C (TCR элемента) до 150 ppm/°C. ˚C (TCR комбинированного элемента плюс медная клемма). Максимальный ток, который могут нести эти шунты, довольно высок. Модель Bourns® CSM2F-7036, например, по закону Ома может выдерживать ток 1000 А постоянного/постоянного тока при максимальной мощности 50 Вт. Типичный аккумуляторный блок для HEV составляет 24 кВтч. Это эквивалентно 500 ампер-часам в автомобиле с напряжением 48 В. Поэтому ток может быть очень высоким, особенно в периоды высокой мощности, такие как ускорение при движении или быстрая зарядка при остановке.

Рис. 2. Блок-схема схемы обработки сигналов и фото эксперимента.

Компания Bourns разработала типовую блок-схему модуля источника тока ( рис. 2 ) для оценки точности системы измерения тока на основе шунта. Модуль состоит из аналогового входного каскада (AFE) с усилителем измерения тока с аналоговым буфером, 24-битным АЦП и последовательным периферийным интерфейсом (SPI). Некоторые высоковольтные двунаправленные усилители измерения тока от ADI, такие как модели AD8210 или AD8211, имеют коэффициент усиления 20 и синфазное напряжение до 65 В.

Для оценки шунта компания Bourns протестировала модель CSM2F-8518 (номинальное сопротивление 100 мкОм), как показано на рис. 2 . Комплект одноплатного микроконтроллера запрограммирован для связи с модулем через соединение SPI. Ток для измерения генерировался с использованием прецизионного источника тока.

Первым измерением, которое необходимо определить, является сопротивление шунта. Это делается с помощью известного тока от источника тока и точного 4-проводного вольтметра. После измерения фактического сопротивления шунта напряжение на шунте с помощью модуля измерения тока можно сравнить с фактическим значением сопротивления.

Усилитель измерения тока имеет максимальное синфазное напряжение 80 В, что позволяет разместить модуль в верхней части аккумуляторных систем 48 В. Модуль также содержит датчик температуры для поверхностного монтажа с выходом ШИМ, пропорциональным температуре окружающей среды. На рис. 3 показан выход датчика температуры при комнатной температуре. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного тока +5В. Питание этого эксперимента поступает от регулятора с малым падением напряжения (LDO), а исходное питание поступает от интерфейса USB. Для изолированного источника питания 5 В маломощный микропреобразователь на основе ADI LTC8301 (обратноходовой или двухтактный) может обеспечить необходимую изоляцию с требуемым уровнем безопасности.

На рис. 4  показаны точки данных, собранные с входных клемм АЦП, со средним значением 22,44364 мВ и размахом 0,007 мВ за период выборки.

Рисунок 3: Данные в градусах Цельсия, записанные модулем.

Точность измерений при комнатной температуре можно рассчитать по следующей формуле.

Точность:

Были записаны данные при нескольких значениях постоянного тока в диапазоне от 10 мА до 20 А, и рассчитана точность ( Рисунок 5 ). Точность имеет тенденцию ухудшаться, когда токи превышают 10 ампер, и шунт начинает нагреваться. В результате значение сопротивления, используемое для расчета тока, будет дрейфовать, что отрицательно скажется на точности измерений. Чтобы еще больше помочь разработчикам, Борнс разработал справочную таблицу, которая показывает нормализованное увеличение или уменьшение сопротивления в зависимости от температуры. Используя эти данные, исходное значение, используемое для сопротивления, можно изменить с помощью коэффициента, показанного на рис. 9.0011 Рисунок 6 и соотносится с показаниями датчика температуры.

Токи в несколько сотен ампер измеряются системой BMS в различных приложениях для электромобилей во время зарядки и разрядки аккумулятора. Возможность точного измерения тока предоставляет важную информацию для безопасности и обеспечивает длительный срок службы аккумуляторной батареи. Использование шунтирующего резистора со сверхнизким сопротивлением и прецизионного AFE может обеспечить очень точные показания от очень высоких до очень низких уровней тока с допусками точности менее 0,01 процента. Кроме того, датчики температуры и справочные таблицы от Bourns могут повысить точность измерений при повышении температуры.

В этой статье представлена ​​проверенная методика измерения напряжения, температуры и тока элемента для определения состояния работоспособности элемента аккумулятора. Ключевыми в этом процессе являются усилители измерения тока Bourns ^® с низкими смещениями и высокими синфазными напряжениями, которые обеспечивают высокую точность при размещении шунта на верхнем конце в приложениях 48 В.

Bourns ^® Шунтирующие резисторы серии CSM2F производятся на предприятии, одобренном Международной автомобильной рабочей группой, сертифицированном для производства компонентов для применения в суровых условиях, таких как высокоэнергетические BMS, используемые в HEV и BEV.

Первоначально эта статья была написана Mouser and Bourns в электронном журнале   и существенно отредактирована командой Wevolver. Это четвертая статья из пяти статей, посвященных преобразованию энергии. В следующих статьях будут рассмотрены решения по преобразованию энергии для критически важных приложений, таких как автомобилестроение и возобновляемые источники энергии.

В статье 1 исследовано, как проектировщики могут принимать проектные решения при работе с высоковольтными системами накопления энергии.

В статье 2 обсуждались возможности аккумуляторных батарей.

Статья 3 рассмотрела метод выбора трансформаторов для систем управления батареями (BMS).