Pulserende vloeistofaandrijving (met bv. injectiespuit)

[dvtxc]

Ik wil een pulserende druk aanbrengen in een vloeistofsysteem. Zoals de titel aangeeft, ben ik op zoek naar een oplossing voor een aandrijving. Voorlopig denk ik dat een injectiepoort met een spuit de makkelijkste oplossing is, maar ik kan eens kijken naar een constructie met een pulskamer met daaroverheen een opgespannen siliconenmembraan dat ingedrukt kan worden.

Edit: Er is reeds een pulsvrije vloeistofcirculatie aangedreven door een pulsvrije pomp. Hierbovenop wil ik een controleerbare pulsdruk aanbrengen. Het doel is om kunstmatige bypassbloedvaten langdurig aan een pulsdruk te onderwerpen. Het bloedvat fungeert als elastisch lichaam in het systeem dat van volume kan veranderen en tegelijkertijd een tegendruk creëert.

Er zijn echter een aantal moeilijkheden bij mijn project:

• Kracht: een injectiespuit of zuigerstang zal enige wrijving ondervinden, daar de afdichtingsringen wrijving veroorzaken. Daarom heb ik een aandrijving met redelijk wat kracht nodig. De vloeistofdruk zelf is niet zo bijzonder hoog, en ik denk in vergelijking met de wrijvingskrachten verwaarloosbaar. Pulsen worden gemaakt tussen 80 en 120 mmHg.
• Snelheid: Het moet redelijk snel gebeuren: frequentie is 60 bpm. (Normaal hartritme)
• Tijd: Het moet voor een lange tijd werken. Denk hierbij aan dagen (of zelfs weken).

Ik heb enige ervaring met Arduino's. Verder heb ik ervaring en beschikking over LabView. Nu heb ik aan drie oplossingen gedacht.

• Lineaire actuator: De meest voor de handliggende en simpele oplossing. (Zoals jullie waarschijnlijk al uit de eenheden hebben opgemerkt, heb ik geen achtergrond in werktuigbouwkunde. Hoe minder mechanische bewegende delen, hoe beter voor mij. ) Echter, ik heb 0 ervaring met lineaire actuatoren, dus wilde ik jullie vragen naar aankoopadvies. Kan ik de snelheid van een actuator met een PWM-signaal controleren? En zoja, voldoet een Arduino motor shield met een npn 12V schakeling voor de aansturing? Zijn er actuatoren die snel in- en uitschuiven kunnen?
• Roterende servo via krachtmoment: Met een paar scharnierpunten is dit weer om te zetten in een lineaire beweging. Ik heb in principe geen rotatie van meer dan 180 graden nodig. Echter, zijn er servo's met een hoog krachtmoment? Hoe precies kan ik servo's bewegen? Gaat dat met een discreet aantal stappen zoals bij een stapmotor?
• DC/AC motor met krukas Nadeel is dat ik alleen sinusoide kan maken. Het liefst kan ik de pulsvorm enigszins controleren. Dit is ook waarom ik de puls zelf wil maken en niet door een vloeistofpomp wil maken.

Voor de pulsaandrijving denk ik voorlopig aan een budget van tussen de €100 en €300. Mochten er betere alternatieven boven of onder deze prijscategorie zijn, hoor ik dat graag. Dan moet ik echter wel vragen of ik wat meer geld voor mijn project toegeordend krijg.

[ Voor 7% gewijzigd door dvtxc op 08-08-2018 10:25 ]

[T_knoop]

Fluke maakt een doosje wat doet wat jij wil: https://www.flukebiomedic...-blood-pressure-simulator . t ding zal niet goed koop zijn (plak gerust een nulletje achter je budget, en wellicht twee)

Je injectiespuit is niet ideaal, heeft nogal last van een soort reluctance, waardoor de druk lastig te controleren is. Ook zal het ding slijten.

als je de dc/ac motor met krukas vervangt door een snelle stappenmotor en druksensor zou je in principe een PID regelaar kunnen maken om een bepaalde golfvorm te genereren. Wellicht is dat een mooie oplossing? Ik zou dan als medium-overgang eerder iets kiezen als een balonnetje tussen twee platen ofzo.

In alle gevallen moet je ws ook de kosten voor ontwikkeling meenemen. Iets relatief duurs kopen wat sneller werkt wil nog weleens de oplossing zijn.

[Tommie12]

Leg eens wat beter uit waarvoor het moet dienen?

Je zit ook nog met het feit dat vloeistof niet samendrukbaar is, en je wil met een beweging drukpulsen geven.
Ofwel moet daar lucht tussen (in een afgesloten ruimte, anders lost de lucht op in de vloeistof), ofwel een veer.
Verandert het volume als je die druk op bouwt?

[dvtxc]

T_knoop schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:29:
Fluke maakt een doosje wat doet wat jij wil: https://www.flukebiomedic...-blood-pressure-simulator . t ding zal niet goed koop zijn (plak gerust een nulletje achter je budget, en wellicht twee)

Je injectiespuit is niet ideaal, heeft nogal last van een soort reluctance, waardoor de druk lastig te controleren is. Ook zal het ding slijten.

als je de dc/ac motor met krukas vervangt door een snelle stappenmotor en druksensor zou je in principe een PID regelaar kunnen maken om een bepaalde golfvorm te genereren. Wellicht is dat een mooie oplossing? Ik zou dan als medium-overgang eerder iets kiezen als een balonnetje tussen twee platen ofzo.

In alle gevallen moet je ws ook de kosten voor ontwikkeling meenemen. Iets relatief duurs kopen wat sneller werkt wil nog weleens de oplossing zijn.

Jup, ik heb al eens gezocht naar zulke systemen die een totaaloplossing bieden. Ik weet echter niet of ik in dit stadium al naar zoveel geld kan vragen. Helaas zijn er nog andere onderdelen waarvoor ik al een zeker budget nodig heb.

Dank voor de tip over de spuit. Als ik het goed begrijp is jouw voorstel om eigenlijk het te doen zoals ik dat met een servo wilde doen? Alleen dan met een stappenmotor. Is het dan beter om de aandrijving over een arm te laten lopen of door een schroefdraad? (Zoals stappenmotors in die zelfbouw 3D-printers werken.)

Klopt, daar had ik ook nog aan gedacht. Zoals in mijn post aangegeven, denk ik eraan om een siliconenmembraan te spannen over een uitgefreesde kamer. Het membraan klem ik aan de randen in en druk ik in het midden in.

Tommie12 schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:33:
Leg eens wat beter uit waarvoor het moet dienen?

Je zit ook nog met het feit dat vloeistof niet samendrukbaar is, en je wil met een beweging drukpulsen geven.
Ofwel moet daar lucht tussen (in een afgesloten ruimte, anders lost de lucht op in de vloeistof), ofwel een veer.
Verandert het volume als je die druk op bouwt?

Ja, er is een onderdeel dat van volume veranderd. Het doel is om bloedvatstents en kunstmatige bypassbloedvaten te testen. Deze zijn gemaakt van een elastisch materiaal en zullen worden uitgerekt. De elastische eigenschappen van deze bypassbloedvaten zorgen voor de 'veer' in het systeem.

[Tommie12]

Dan hoop ik toch echt dat je daar een professioneel budget voor krijgt.
De drukstijging en daling zal toch op een gecontroleerde en reproduceerbare manier moeten verlopen.

Je zal vooral de druk moeten controleren en nog eens perfect monitoren.

OFF topic: als heel creatieve oplossing kan je het op je eigen aders aansluiten.
Frequentie: 60 BPM: check
Druk 80 - 120 mm Hg: check

:-)

[T_knoop]

dvtxc schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:45:
[...]

Dank voor de tip over de spuit. Als ik het goed begrijp is jouw voorstel om eigenlijk het te doen zoals ik dat met een servo wilde doen? Alleen dan met een stappenmotor. Is het dan beter om de aandrijving over een arm te laten lopen of door een schroefdraad? (Zoals stappenmotors in die zelfbouw 3D-printers werken.)
[...]

Ik zou voor een arm gaan, maar je zou even moeten kijken wat je nodig hebt qua displacement, kracht, resolutie en snelheid. schroefdraad is relatief traag maar nauwkeurig en kan een grote kracht leveren. Een arm is sneller.

Klopt, daar had ik ook nog aan gedacht. Zoals in mijn post aangegeven, denk ik eraan om een siliconenmembraan te spannen over een uitgefreesde kamer. Het membraan klem ik aan de randen in en druk ik in het midden in.

Lijkt me een mooi plan. Met een druksensor in je systeem kun je de niet-lineariteiten eruit regelen dan.

Ja, er is een onderdeel dat van volume veranderd. Het doel is om bloedvatstents en kunstmatige bypassbloedvaten te testen. Deze zijn gemaakt van een elastisch materiaal en zullen worden uitgerekt.

Zou je dan niet ook een flow moeten simuleren? De verwagte boven/onderdruk kan best weleens veranderen als je een stroming hebt door een lichaam wat van volume veranderd. Ik dacht namelijk: grotere diameter is lagere flow is hogere druk. Dan wordt het helemaal gaaf, je moet dan een pomp bouwen die gestuurd wordt op drukverschil op een specifiek meetpunt. Mooie uitdaging, wordt ws niet goedkoop

[Tommie12]

Met een zuiger en een krukas controleer je perfect de frequentie, maar de druk is niet onder controle.
Stel dat je zuiger 3cc groot is, maar je stents en bloedvaten rekken 4cc uit, dan krijg je niet de druk die je wil.

Je moet dan al werken met een variabele slag, en je moet de "voordruk" in je systeem controleren.
Een spuit is echt ongeschikt, die is echt niet gemaakt om 60 keer per minuut te bewegen.

[dvtxc]

Tommie12 schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:50:
Dan hoop ik toch echt dat je daar een professioneel budget voor krijgt.
De drukstijging en daling zal toch op een gecontroleerde en reproduceerbare manier moeten verlopen.

Je zal vooral de druk moeten controleren en nog eens perfect monitoren.

OFF topic: als heel creatieve oplossing kan je het op je eigen aders aansluiten.
Frequentie: 60 BPM: check
Druk 80 - 120 mm Hg: check

:-)

Haha. Ik heb al voor duizenden euro's aan pompen en sensoren ter beschikking gekregen. Die kunnen we echter ook voor andere projecten gebruiken. Deze aandrijving is redelijk specifiek. Dus ik wilde met een conservatief budget beginnen. Het liefst zoek ik naar iets met nog drie cijfers. Het is een afstudeerproject en geen werk bij een commercieel bedrijf.

T_knoop schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:55:
[...]


Ik zou voor een arm gaan, maar je zou even moeten kijken wat je nodig hebt qua displacement, kracht, resolutie en snelheid. schroefdraad is relatief traag maar nauwkeurig en kan een grote kracht leveren. Een arm is sneller.


[...]

Lijkt me een mooi plan. Met een druksensor in je systeem kun je de niet-lineariteiten eruit regelen dan.


[...]


Zou je dan niet ook een flow moeten simuleren? De verwagte boven/onderdruk kan best weleens veranderen als je een stroming hebt door een lichaam wat van volume veranderd. Ik dacht namelijk: grotere diameter is lagere flow is hogere druk. Dan wordt het helemaal gaaf, je moet dan een pomp bouwen die gestuurd wordt op drukverschil op een specifiek meetpunt. Mooie uitdaging, wordt ws niet goedkoop

Wat zijn eigenlijk realisitsche krachtmomenten voor stappenmotoren?

Klopt. Maar vloeistofsimulaties met veranderende dynamische geometrie zijn heel heeel veel lastiger dan met vaste geometrie. (Daar spreek ik uit ervaring ) Ik hoop erop, dat het de stroming in de pomp niet te veel zal beïnvloeden, omdat het veranderende volume relatief klein ten opzichte van de gehele kringloop is.

Ik meet de druk zowel vóór als na het lichaam dat van volume veranderd. Dan verkrijg ik ook nog wat informatie over mogelijke drukverliezen. In ieder geval is het natuurlijk mogelijk om de sensorwaarden te verwerken voor het afstellen van de vloeistofpomp.

Tommie12 schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:55:
Je moet dan al werken met een variabele slag, en je moet de "voordruk" in je systeem controleren.

Voordruk hoop ik te kunnen regelen door silicoonslangen in het systeem enigszins in te klemmen. Dat is in ieder geval in een publicatie waarop ik mijn ontwerk baseer, ook gelukt.

[clements]

Heb niet alle details gelezen , maar is een simpel membraan pompje niet geschikt? 1 terugslag klepje verwijderen en 1 kant van het membraan gebruiken. Bv flojet heeft simpele pompjes voor niet al te veel
Je kan de frequentie makkelijk aanpassen en de druk kun je met een bypass achting iets ook makkelijk regelen.

[ Voor 24% gewijzigd door clements op 08-08-2018 10:20 ]

[dvtxc]

alclemenso schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 10:17:
Heb niet alle details gelezen , maar is een simpel membraan pompje niet geschikt? 1 terugslag klepje verwijderen en 1 kant van het membraan gebruiken. Bv flojet heeft simpele pompjes voor niet al te veel
Je kan de frequentie makkelijk aanpassen en de druk kun je met een bypass achting iets ook makkelijk regelen.

Dank voor de tip. Ik zie dat ze een aantal membraanpompen op 12V en 24V DC hebben. Hoe wordt de frequentie eigenlijk geregeld? Het liefst zou ik het drukprofiel/golfvorm wel zelf kunnen bepalen (bijv.: drukopbouw sneller dan drukafbouw etc.) Kan men die membranen zelf bewegen zoals met een voice coil in een speaker?

[Tommie12]

Ik denk dat je het beste pneumatisch te werk gaat.

Zorg voor een kleine compressor of luchtpomp, en dan 2 electroventielen en een druksensor.
Met de lucht zet je je membraan onder druk via het eerste electroventiel. Bereikt de ruk 120mmHG, dan sluit je dat ventiel, en je opent het tweede zodat de druk begint te zakken.

Hoe snel de druk stijgt bepaal je door de druk in je reservoir, en een paar nauwkeurige smoringventieltjes.
Grotere kamer is ook een tragere drukopbouw, kleiner is sneller.

De sturing kan je met een arduino of Raspberry doen.

Met stappermotoren of servo's werken lijkt me niet duurzaam. Die zijn echt niet gemaakt om uren rond te draaien.

Die materialen moet je voor 200-400€ kunnen vinden, de rest is experimenteren.

[Yorick90]

dvtxc schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 11:12:
[...]


Hoe wordt de frequentie eigenlijk geregeld? Het liefst zou ik het drukprofiel/golfvorm wel zelf kunnen bepalen (bijv.: drukopbouw sneller dan drukafbouw etc.) Kan men die membranen zelf bewegen zoals met een voice coil in een speaker?

T_knoop schreef op woensdag 8 augustus 2018 @ 09:29:

als je de dc/ac motor met krukas vervangt door een snelle stappenmotor en druksensor zou je in principe een PID regelaar kunnen maken om een bepaalde golfvorm te genereren.

Eerst moet je denk ik wat meer naar de basis gaan; Welke beweging of aandrijving wil ik hebben?
Hieruit kan ik uit je verhaal opmaken dat je een translerende beweging nodig hebt. Dus een idd bijv. membraam pomp (Rotatie welke wordt omgezet naar Translatie), en wil je dit dan op druk regelen zal je de druk van de vloeistof moeten meten/uitrekenen via de wet van Bernoulli (https://en.wikipedia.org/wiki/Bernoulli%27s_principle)

Om terug te komen dan op jou vraag: PI(D) regelaars zijn prima om het proces te beinvloeden, ik heb hier alleen theoretische ervaring mee (lees Matlab), dus de hardware ben ik niet bekend mee. Maar deze zorgt dat een proces waarde X (in dit geval dan druk) wordt vergeleken met de wenselijke-waarde en deze fout-waarde probeert de PI-regelaar te reduceren door het beinvloeden van een aansturing richting bijvoorbeeld de pomp (dus meer of minder vermogen).

Edit: Sorry, wet van Bernoulli is misschien best pittig als je geen WTB achtergrond hebt, maar misschien kan ik je er mee verder helpen

[ Voor 4% gewijzigd door Yorick90 op 08-08-2018 12:01 ]

[clements]

Pneumatisch kun je ook heel makkelijk regelingen maken. Desnoods met een timer van bv Finder.

[memphis]

Een drukvat met aan de uitgang een injector van een benzine injectie systeem?

[SA007]

Wellicht een waterdichte luidspreker die je tegen een plaatje plastic lijmt, maar weet niet of die genoeg druk kan opbouwen.

[SP]

wat dacht je van een peristaltische pomp? Als je daar een stappenmotor opzet kan je makkelijk onder en bovendruk maken op je gewilde frequentie.

[Frank__B]

Zou je niet ergens een HPLC pomp of Phoenix pomp op de kop kunnen tikken? Deze zijn qua druk wellicht overkill maar garant dat ze langdurig achter elkaar kunnen werken. Over pulserend pompen weet ik niet zeker (met deze snelheid).

[Sepio]

Is een “peristaltic pump” niet iets?
Wikipedia: Peristaltic pump
Dat wordt gebruikt om vloeistof (waaronder bloed) te pompen.
Ik vermoed dat dit ook een pulserende druk opleverd door maar aan 1 kant een lager te gebruiken (zie geanimeerde gif) waardoor je het ene moment de vloeistof vooruit pompt en het volgende moment het weer terug kan stromen.

Als dit niet werkt zou je de motor in plaats daarvan in en uit of links en rechtsom kunnen schakelen. (Eventueel op een T splitsing in de originele vloeistofcirculatie waarmee je dan extra vloeistof toevoegd en weer verwijderd).

Zelf maken kan ook
https://www.thingiverse.com/search?q=Peristaltic+pump

Een voorbeeld op YouTube.
YouTube: Easy Pump arduino stepper

[ Voor 43% gewijzigd door Sepio op 09-08-2018 16:07 ]

[clements]

Peristaltische pomp of slangenpomp geeft niet echt een pulserende druk. Bovendien pompt deze echt de vloeistof. Heen en weer laten bewegen zou wel kunnen evt. Vaak hebben de kleine pompen 12 of 24v dc.
Slangetje is hier niet echt voor gemaakt en die zal waarschijnlijk redelijk snel kapot gaan. Membraan pomp komt denk ik het dichts in de buurt van wat je zoekt

[Valen_76]

De pulsering in een peristaltische pomp zou je kunnen laten doen door een (dc) motor servo te sturen op basis van output van een druk sensor. Stroomregeling van een DC motor is proportioneel aan (kracht)moment en daar mee druk. Een stappenmotor maakt stapjes en dus vloeistof volume veranderingen. De druk is dan afhankelijk van vering van het aangesloten systeem/testobject.

[Tommie12]

Ik denk dat je met een peristaltische pomp heel moeilijk de druk kan controleren.