呼吸机中流量传感器的结构与原理

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呼吸机中流量传感器的结构与原理

1  流量传感器在呼吸机中的作用
    流量传感器在呼吸机中的应用已有近30年的历史，在中高档呼吸机中被普遍使用。它作为呼吸机气路系统的重要部件，负责将吸入和呼出的气体流量转换成电信号，送给信号处理电路完成对吸入和呼出潮气量、分钟通气量、流速的检测和显示。
    根据呼吸机功能和设计的不同，流量传感器的检测值不仅仅提供显示，还对呼吸机的控制、报警等起着决定作用，如流量传感器将测量到的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较,利用两者间的误差控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体流量；安装在吸气系统前端的空气和氧气流量传感器生成的信号能帮助微处理器对阀门进行控制，以提供病人所需要的氧浓度；流速和流量的检测值还直接影响到呼气与吸气时相的切换、分钟通气量上下限的报警、流量触发灵敏度、气流实时波形和P-V-环的监测显示等等，流量传感器性能的好坏直接影响到呼吸机参数的准确性和可靠性。
    2  流量传感器的原理和应用
    目前呼吸机的种类和型号很多，采用的流量传感器也各不相同，主要有热丝式、晶体热膜式、超声式、压力感应式、压差式。　
    2.1  热丝式流量传感器：
    基本原理是将一根细的金属丝（在不同的温度下金属丝的电阻不同）放在被测气流中,通过电流加热金属丝,使其温度高于流体的温度,当被测气体流过热丝时，将带走热丝的一部分热量,使热丝温度下降，热丝在气体中的散热量与流速有关，散热量导致热丝温度变化而引起电阻变化，流速信号即转变成电信号，经适当的信号变换和处理后测量出气体流量的大小。测量原理图如图1：

图1：热丝式流量传感器原理图

    在图1中,放置于测量通道中的热丝Rh作为惠斯登电桥的一个桥臂,由运算放大器A1差分放大电桥输出的电压信号;运算放大器A2提供三极管T工作所需要的偏置电压,并使A1 输出信号能够叠加在三极管T的偏置电位上,并被T放大给电桥供电。由电桥电路,A1 ,A2 和三极管构成的反馈回路,能够使热线工作于恒温状态下。
    在接通电源瞬间,热线电阻很快电流加热,并且,其阻值随即升高,使电桥很快达到平衡状态。当流体流过流量计时,由于热交换的原因,热丝的温度、阻抗将发生变化,使桥路失去平衡,根据输出的反馈电压信号即可以测量出流体的流量。
    Drager公司的Savina和Evita系列的呼吸机采用的是热丝式流量传感器，见图2：

图2：热丝式流量传感器

    单位截面积中，流速越大，电热丝降温越快，那么，电热丝就需要更大的电量维持稳定的温度（180°C），使热丝保持在180°C所需的能量代表流过传感器并使热丝冷却的气流的流量。
    2.2  热膜式流量传感器
    热膜式流量传感器的工作原理与热丝式流量传感器基本相同，二者都是基于热平衡原理和惠斯登电桥进行检测的。PB840呼吸机的流量传感器采用的是晶体热膜式流量传感器，见图3：

图3:热膜式流量传感器

    它是将桥路电阻、驱动电路，运算放大和信号处理电路等制作在电路印制板上，和流量测量管组件一体组成流量传感器，输出和气体流量大小成比例的电信号，温度感应器对气体流量进行校正,使测量更精确。
    2.3  超声式流量传感器：
    所谓超声波，是指频率高于20kHz，人耳听不到的机械波。它的方向性好，穿透力强，遇到杂志或物体分界面会产生显著的反射。超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。利用超声波这些物理性质可计算出流体的流速。
    超声波传感器分为超声波发射器和超声波接收器。超声波发射器是利用压电材料的逆压电效应，即当对其通以超声电信号时，它会产生超声波；超声波接收器是利用压电材料的压电效应，即当外力作用在该材料上时，它会产生电荷输出。即超声波发射器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器接收超声波信号，并转换为电信号输出。
    根据检测的方式，可分为传播速度声时差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法等不同类型的超声波传感器。目前在呼吸机中使用的超声流量传感器主要有声时差法和多普勒法。这里主要介绍声时差法的原理和应用。
    时差法原理是超声波在流体中传播速度与在静止媒介中传播速度不同，其变化值与媒介流速有关，通过测量流动气体中超声传播速度的变化来测定流速和流量。通过逆流和顺流声时来计算（或附加压力温度传感器和过零检测电路进行修正）。使用过程中每分钟进行2000次的采集，保证实时的检测结果。
    maquet的servoi和servos呼吸机的呼气流量传感器是采用超声式流量传感器，其原理和内部结构图见图4：

图4:超声式流量传感器

    左边的转换器（作为发射器）发射超声信号，在呼出盒内部传播反射，右面的转换器（作为接受器）接受超声信号，载有流量信息的超声信号从发射到接受的时间被测量，记为T1（为顺流方向的传播时间）。

图5：超声传播示意图

    右边的转换器（作为发射器，先前的接受器）发射超声信号，在呼出盒内部传播反射，左面的转换器（作为接受器，先前的发射器）接受超声信号，载有流量信息的超声信号从发射到接受的时间被测量，记为T2（为逆流方向的传播时间）。
    T2-T1=Tdiff，逆流和顺流的时间差和气体流量成对应比例关系，同时内置温度探头进行温差校正。
    2.4  压力感应式流量传感器：
    压力感应式流量传感器由电阻应变片、弹性体（弹性元件，敏感梁）和检测电路组成。
    工作原理是：弹性体（弹性元件，敏感梁）在外部气流作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将气流变换为电信号的过程。利用应变片(转换元件)在压力作用下电阻值随压力变化而变化的原理，然后通过检测电路把电阻应变片的电阻变化转换成对应的电压输出。
    西门子公司的900c呼吸机的吸气和呼气流量传感器，300A呼吸机的呼出流量传感器采用的是压力感应式,见图6：

图6:压力感应式流量传感器

    流量传感器有两个通道,大的为主通道，其上有一个金属网，用于产生阻力使一定比例的气量进入测量通道；小的为测量通道，在通道可看到一个金属圆片，它通过金属细杆安装在电桥上，当气流通过时产生压力金属片移动使电桥阻值变化，设备根据阻值变化计算气流大小，得到潮气量和分钟量。传感器内有给呼气流量传感器加热的电阻，工作时热量达到60oC左右，可以防止水汽的凝结。吸气流量传感器内也有一个同样的电阻，但由于不加工作电压，此电阻无加热作用。
    2.5  差压式流量传感器：
    差压式流量传感器，它利用的是节流器（孔板）前后压力不同来测量流体的流量的一种方法，也就是文丘里原理，它利用的传感器就是压力计，在一定流量范围内，通过孔板的流速与孔板前后的压差有线性关系，因此通过检测压差就可得到流体的流量。
    BEAR1000呼吸机的流量传感器采用的是压差式流量传感器，见图7：内有一垂直的金属膜片，当气流吹开金属膜片时，在膜片两端产生压差，通过测量膜片两端的压力，再把压差换算成流量，通过流量和时间计算出潮气量。

图7:压差式流量传感器