针对液氮冷冻治疗控制困难，本文介绍了一种利用超声波传感器和AT89C52单片机组成的液氮流量测控系统，利用频差法实现对液氮流量检测。文中详细地论述了超声波流量检测原理、系统硬件结构和工作原理。系统结构简单，操作方便，使用安全，性能稳定可靠，能有效地解决液氮冷冻治疗过程中的流量测量和控制问题。

1 引言

    近年来，随着冷冻技术的飞速发展，液氮冷冻治疗疾病因疗效快，成本低，广泛地应用于医疗各个领域。尤其是治疗肿瘤，不仅能消灭瘤体，而且还能最大程度地保持组织外形和器官功能，不留痕迹，因而倍受病人和医疗人员的青睐。现有的液氮冷冻治疗器，临床医疗一般采用手持蓄压式液氮冷冻治疗器，液氮喷射量通过用手凭直觉控制喷射阀拉杆的轻重和角度来调节，或通过用手凭直觉调节喷射管尾端的排气外接塑料管夹的开度，以调节出气量来达到控制液氮喷射量的目的。

    但是由于喷射冷冻治疗时，液氮冷冻治疗要求高，医术人员很难凭直觉控制好整个治疗过程，实现精细化治疗。如果喷射量较少，疗效不够理想；如果喷射量较多，局部会出现水肿和疼痛，甚至破坏正常组织，给病人带来不必要的痛苦和损失。针对这种现状，本文介绍了一种利用AT89C52 单片机设计的超声波液氮流量测控系统，该系统以单片机为控制核心，对现有的液氮冷冻治疗器人工控制液氮喷射流量进行改进，利用超声波的特性，引入超声波传感器，对液氮流量进行检测；AT89C52 根据检测结果，通过步进电机对喷射阀进行控制，改变了液氮冷冻流量的人工直觉控制，不仅实现了治疗过程的自动化，而且实现了治疗的精细化。下面详细地论述超声波流量检测原理、系统硬件结构和工作原理。

2 超声波流量检测原理

    超声波流量检测是基于超声波在流体中传播的速度等于流体的流速与超声波的速度的矢量和的基本原理，其具体实现方法有传播速度差法（包括差频法、时差法和相位差）、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法以及噪声法等方法。目前，小管径液压系统流量检测中用得最多的是差频法和时差法对流速进行检测，进而转换成流体的流量。超声波流量检测是一种非接触式的新型测量技术，具有瞬态响应快、动态测量能力强、安装使用方便、易于实现自动化和网络化管理等特点。

图1 为频差法超声波流量测量原理图

    其中T1和T2是超声波发生器，R1和R2是超声波接受器。设T1和T2之间的距离为L。由图1可知，流体静止时，超声波发生器T1和T2的声波速度的水平分量为c sinθ，其中c为超声波的速度，θ为超声波波束与管道横截面的夹角。若流体的流速为v，T1发出的声波的水平速度为v＋c sinθ，那么T1发出的声波在长度为L的管道内传播时间t1为：

    

    同理，T2发出的声波的水平速度为（c sinθ－v)，在长度为L的管道内传播时间t2为：

    

    为了消除对测量精度的影响，在时间t1、t2内分别对频率为f0的脉冲进行计数，设分别记得的脉冲数为N1、N2，则

    

    而频率和时间互为倒数，则

    

    由式（3）和（4）得：

    频差：

    由（5）求出v ，得：


    设管道横截面积为S，由图1可得：

    流体的瞬时流量：


    式中，k＝SLf0／2为常数。

    可见，只须测出时间t1、t2内频率为f0的脉冲数N1、和N2，就可以检测出流体的瞬时流量。