Научная статья на тему 'Математическое моделирование ключевого преобразователя с дозирующим последовательным резонансным контуром в системе питания ультразвукового скальпеля'

Математическое моделирование ключевого преобразователя с дозирующим последовательным резонансным контуром в системе питания ультразвукового скальпеля Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
234
38
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СКАЛЬПЕЛЬ / ПЬЕЗОКЕРАМИКА / УДАРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ / ДОЗИРУЮЩИЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ КОНТУР / МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ИМПУЛЬСНАЯ СТАБИЛИЗАЦИЯ / ULTRASONIC SCALPEL / PIEZOELECTRIC CERAMICS / SHOCK EXCITATION / DOSING SERIAL RESONANT CONTOUR / MATHEMATICAL MODEL / PULSE STABILIZATION

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Петросьянц Виктор Владимирович

Предложена схема питания ультразвукового пьезоэлектрического скальпеля с ударным возбуждением. Приводится математическая модель преобразователя электроэнергии с дозирующим последовательным резонансным контуром и рассчитанные статические и динамические характеристики источника питания. Показана возможность эффективного управления средней и импульсной мощностью ультразвукового скальпеля и стабилизации механической силы в режимах динамических нагрузок на лезвие скальпеля.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MATHEMATICAL MODELLING OF KEY THE CONVERTER WITH THE DOSING SERIAL RESONANT CONTOUR IN THE POWER SUPPLY SYSTEM ULTRASONIC SCALPEL

The power supply circuit of a ultrasonic piezoelectric scalpel with shock excitation is offered. The mathematical model of the converter of the electric power with a dosing out consecutive resonant contour both designed static and dynamic characteristics of the power supply is resulted. The opportunity of efficient control by average and pulse the electric power of a ultrasonic scalpel and stabilization of mechanical force in modes of dynamic loadings on an edge of a scalpel is shown.

Текст научной работы на тему «Математическое моделирование ключевого преобразователя с дозирующим последовательным резонансным контуром в системе питания ультразвукового скальпеля»

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Разработка пьезоэлектрического генератора ударно-волновых импульсов для комплекса «Литотриптер-Медолит». Отчет о НИР № ГР 01200800986. Договор № 13649 от 1.09.2007. - Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2008. - 115 с.

2. А.В. Леонова, В.В. Гривцов. Моделирование процессов прохождения мощных ультразвуковых колебаний через слоистую структуру биологических сред // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2009. - №7. - С. 158-162

3. А.К. Батрин, А.М. Гаврилов, Р.О.Ситников. Установка для исследования нелинейного взаимодействия акустических волн // Известия ТРТУ. - 2006. - № 11. - С. 167-173.

Леонова Антонина Валерьевна

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.

E-mail: antonina_tsure@mail.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, тел.: (8634)371795.

Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники, аспирантка.

Leonova Antonina Valerievna

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”

E-mail: antonina_tsure@mail.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia, Phone: (8634)371795.

Department of Hydroacoustic and Medical Engineering, postgraduate student.

Чернов Николай Николаевич

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге E-mail: nik-chernov@yandex.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, тел.: (8634)371795.

Кафедра электрогидроакустической и медицинской техники, профессор, д.т.н.

Chernov Nikolay Nikolaevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”

E-mail: nik-chernov@yandex.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia, Phone: (8634)371795.

Department of Hydroacoustic and Medical Engineering, Professor, Doctor of Eng. Sc.

УДК 621.314.2

В.В. Петросьянц

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КЛЮЧЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ДОЗИРУЮЩИМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСНЫМ КОНТУРОМ В СИСТЕМЕ ПИТАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СКАЛЬПЕЛЯ

Предложена схема питания ультразвукового пьезоэлектрического скальпеля с ударным возбуждением. Приводится математическая модель преобразователя электроэнергии с дозирующим последовательным резонансным контуром и рассчитанные статические и динамические характеристики источника питания. Показана возможность эффективного управления средней и импульсной мощностью ультразвукового скальпеля и стабилизации механической силы в режимах динамических нагрузок на лезвие скальпеля.

Ультразвуковой скальпель; пьезокерамика; ударное возбуждение; дозирующий последовательный резонансный контур; математическая модель; импульсная стабилизация.

V.V. Petrosyants

MATHEMATICAL MODELLING OF KEY THE CONVERTER WITH THE DOSING SERIAL RESONANT CONTOUR IN THE POWER SUPPLY SYSTEM

ULTRASONIC SCALPEL

The power supply circuit of a ultrasonic piezoelectric scalpel with shock excitation is offered. The mathematical model of the converter of the electric power with a dosing out consecutive resonant contour both designed static and dynamic characteristics of the power supply is resulted. The opportunity of efficient control by average and pulse the electric power of a ultrasonic scalpel and stabilization of mechanical force in modes of dynamic loadings on an edge of a scalpel is shown.

Ultrasonic scalpel; piezoelectric ceramics; shock excitation; dosing serial resonant contour; mathematical model; pulse stabilization.

Введение. Использование УЗ-скальпеля до минимума сокращает кровопо-тери, значительно уменьшает риск хирургического вмешательства и в большинстве случаев не требует переливания пациенту донорской крови.

Недостаток ультразвуковой хирургической аппаратуры, особенно существенный в наше время рыночной экономики - сложность электронной части прибора из-за высоких требований к стабильности частоты и амплитуды колебаний скальпеля, что приводит к необходимости введения цепей обратной связи и блоков автоподстройки частоты генератора. Это существенно удорожает прибор, делает электронный блок неоправданно громоздким и, вследствие этого, снижает надежность его работы.

В настоящее время интерес к УЗ-скальпелям значительно возрос [1, 2] - на рынке появились серийно выпускаемые ультразвуковые скальпели зарубежных и отечественных фирм, например прибор "Лора-Дон-2" (ОАО Фаза, Россия) и HARMONIC (фирма "Ethicon", США). Тем не менее работы по созданию новых образцов ультразвуковых хирургических скальпелей продолжаются. Например, в работе [3] отмечается необходимость синтеза систем с мягкими, жесткими и нейтральными нагрузочными характеристиками, в зависимости от характера работ с биотканью.

В качестве источника питания ультразвукового пьезоэлектрического скальпеля, разработанного в ДВГТУ в рамках НИР "Дальний Восток России" [4], предлагается источник с ударным возбуждением.

Рис. 1. Структурная схема источника питания 1 - источник синусоидального напряжения; 2 - преобразователь с дозирующим последовательным резонансным контуром; 3 - разрядный коммутатор;

4 - импульсный трансформатор; 5 - пьезокерамический преобразователь;

6 - система управления

Источник питания (рис. 1) за счет ударного возбуждения позволяет непосредственно в процессе проведения хирургической операции плавно регулировать как среднюю, так и импульсную мощность ультразвукового излучателя в широком диапазоне, что крайне важно для хирурга.

Основным узлом источника питания является преобразователь электроэнергии 2, эквивалентная схема которого приведена на рис.2.

е = Ет $т(Ф + ц)

Рис. 2. Эквивалентная схема преобразователя электроэнергии с ДПРК Для управления напряжением заряда иСкн при воздействии на преобразова-

*

тель с ДПРК синусоидального напряжения и не нулевых начальных условиях иСко необходимо определить влияние угла управления ц на процессы в контуре преобразования.

Статический режим работы.

Выражения для тока 1к и напряжения иСк в зарядном контуре преобразователя [5], после соответствующих преобразований и замены переменных, в относительных единицах примут вид:

К ф

1(ц)

К ф

сов(ф и) +(ф 2 - К 2 )п(ф и')-

К ф

(1)

К

К

---и

2 —

8Ш(и)

+ С08(ц) |^(К 2 —Ф 2 |с08(ф и) + — Ф X

< в1п(® *и) + |ф*2 — К 2 )е 2 — сов(и) —-— (*2 + К 2 )е 2 — в1п(и)

и С коКе 2 — в1п(и);

■ и) =

(ф*2 — К 2)

2 К 2

. / ч К Ф

81П (Ц ) ---------------------81П

(ф и) — (ф 2 — К 2 ) | сов(ф и) -сов(и)>

(2)

К *

--- К / * \ --- VI * \ *

2— — 2— (ф 2 + К 2 )е 2 — в1п(и) + сов(ц) |(К 2 — Ф 2 )п(фи) — —Ф сов(фи)-

К *-------° *

+---Ф е 2— соя(и) — Ф

+ иСкое 2— I с0я(и) + 8“и)

и

где и=ю*0 г; о* = ©/©*; к2 = 4б2 /(4б2 -1); д = р/Я; р =^ 1К/ Ск;

®0 =\0 -82; 8=я/2Ьк; °о = У>/^Ск; мск И =мск (^)/Ет;

иСко = иско/Ет ; Ч* (и) = 4 (и )рЕт ';

0 - частота напряжения источника питания 1; у - угол управления (начальная фаза) коммутатором УТ1, Я - сопротивление потерь в зарядном контуре; 1 - текущее время.

Рис. 3. Статическая регулировочная характеристика ключевого преобразователя с ДПРК при питании от источника синусоидального напряжения

На рис. 3 приведена статическая регулировочная характеристика для не-

Т7 *

скольких значений остаточного напряжения и Ско для заданного значения доброт-

*

ности р. Расчет и Скн производился следующим образом: вначале правая часть выражения (1) приравнивалась нулю и полученное трансцендентное уравнение решалось относительно длительности протекания тока и = Л; затем полученное

значение Л подставлялось в формулу (2).

Из регулировочной характеристики видно, что максимальное напряжение

*

заряда Тскн достигается при оптимальном угле управления уопт независимо от

*

уровня рекуперации энергии иСко. Таким образом, при оптимальном угле управления преобразователь работает в режиме параметрической стабилизации дли*

тельности зарядного тока и обеспечивает максимальное напряжение заряда иСкн

и *

при заданном уровне рекуперации энергии и Ско .

При заданном уровне амплитуды напряжения на пьезокерамическом излучателе среднюю мощность можно регулировать за счет изменения частоты следования разрядных импульсов.

Динамический режим работы.

В динамическом режиме работы количество рекуперируемой энергии от цикла к циклу изменяется произвольным образом. Такой режим работы характерен для работы с переменной механической нагрузкой на лезвие УЗ-скальпеля. Поэтому в динамическом режиме работы возникает необходимость введения импульсной стабилизации по углу управления У .

Для этого необходимо знать связь между остаточным напряжением UСко и углом регулирования Ч , при которой обеспечивается номинальное напряжение

*

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

UСкн на конденсаторе Ск. Такая зависимость находится следующим образом. Решая уравнение (1) относительно у, учитывая, что h

(и = Л) =

0, определяется момент окончания зарядного тока Л. Угол управления у определяется из выражения

(2), где и = Л, иСкн = const. Результаты расчета приведены на рис. 4.

Имеется два диапазона углов управления Ч при которых при заданном зна-

ГГ* *

чении U Ско достигается одно и то же значение иСкн. Это позволяет за один полу-период питающего напряжения дважды достигать одного и того значения напря-

*

жения заряда иСкн и, следовательно, повысить частоту следования разрядных импульсов в два раза.

V, рад-

1,4

1

0.6

0.2

-—1,2

1,3

0 = 5

®и=0.25 J>tW = l.eyi.5 у-. 1,4

-1,3

—1,2

0 1 0.5 0.3 и*

Рис.4. Динамическая характеристика ключевого преобразователя с ДПРК при питании от источника синусоидального напряжения

Адекватность моделей. Достоверность полученных математических моделей преобразователей ключевого типа с ДПРК и емкостным накопителем энергии проверялась с помощью известного пакета прикладных программ электронного моделирования Micro-Cap 7.G.

Заключение. Анализ электромагнитных процессов в преобразователе электроэнергии с ДПРК показал принципиальную возможность как регулирования, так и стабилизации импульсной мощности УЗ-скальпеля в широком диапазоне изменения сопротивления нагрузки (отбора механической мощности) при ударном возбуждении пьзокерамического излучателя.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Аксенов И.В., Чистяков М.В. Ультразвуковой скальпель в профилактике осложнений при эндоскопической холицистэктомии. // Эндоскопическая хирургия. - 2GG6. - Т.12.

- №2. - С. 4.

2. Бродер И.А., Патрашков Д.Ю., Попов И.Б., Раемгулов Р.А. Случай применения ультразвукового скальпеля ГАРМОНИК при выполнении тимэктомии у пациентов с электрокардиостимулятором. // Эндоскопическая хирургия. - 2GG7. - Т.13. -№5. - C7G-71.

3. Квашин С.Е., Лобачев А.А. Низкочастотная ультразвуковая аппаратура для хирургии (обзор). // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2GG6. - № 1G. - С. 42-51.

4. Каневский И.Н., Петросьянц В.В. Ультразвуковой хирургический скальпель. // Сб. па-учн. трудов Межвузовской программы НТ и СЭ проблемы развития ДВ региона./ - Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1994. - С. 81-85.

5. Петросьянц В.В. Теория и методики расчета полупроводниковых преобразователей с дозирующим последовательным резонансным контуром: монография/В. В. Петросьянц.

- Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2008. - 190 с.

Петросьянц Виктор Владимирович

Институт радиоэлектроники, информатики и электротехники Дальневосточного государственного технического университета.

E-mail: petrosyantsvv@mail.ru.

690950, г. Владивосток, Аксаковский переулок, 3а, тел.: (4232)450982.

Директор, профессор, д.т.н.

Petrosyants Victor Vladimirovich

Far Eastern National Technical University, Institute of Radio electronics, Information Science and Electrical Engineering.

E-mail: petrosyantsvv@mail.ru.

3a, Axakovsky pereulok, Vladivostok, 690950, Russia, Phone: (4232)450982.

Director, professor, Doctor Eng. Sc.

УДК 534

В.Н. Романова, В.К. Яценко, А.М. Орлова

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОБМЕНА В СФОКУСИРОВАННОМ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО УРОВНЯ

Исследуются тепловые поля, возникающие при поглощении ультразвука в жидкости. Разрешающая способность по температуре не хуже 0,01 С°. Размер пикселя не более 1*1 мм. Показано, что существенный вклад в теплообмен вносят потоки эккартовского типа. Изменение условий их возникновения меняет распределение температур.

Тепловое поле; ультразвуковой излучатель; эккартовские потоки; терапия.

V.N. Romanova, V.K. Yatsenko, A.M. Orlova

EXPERIMRNTAL STUDY OF THE TERMOEXCHANGE IN A FOCUSED FIELD AT THERAPEUTIC LEVEL OF ULTRASOUND

A thermal fields appeared at ultrasound absorption in a fluids are studied. The temperature of the experiment resolution was not worse than 0.01 С°. Pixel size was 1x1 mm. It was show that the Eckart types flows contributes to the thermo exchange. Any changes in the conditions of its appearance alders the temperature distribution.

Thermal field; ultrasonic transducer; Eckart types flow; therapy.

Тепловые источники в акустическом поле излучателя ультразвука своим существованием обязаны диссипативным потерям при распространении волны за счет существования в среде объемной вязкости. В сходящейся сферической волне в жидкости максимальная интенсивность наблюдается в фокусе, который представляет собой вытянутый вдоль оси симметрии эллипсоид, большая ось которого определяется углом раскрытия излучателя.

По своим акустическим свойствам мягкие биологические ткани сопоставляются с вязкими жидкостями. На самом деле мышцы и другие ткани человеческого организма обладают механическими свойствами, промежуточными между

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.