呼吸机流量传感器的原理和应用_王义辉

·医疗卫生装备·2010 年 06 月第 31 卷第 06 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．31·No．06·June·2010 作者简介：王义辉（1964-），男，湖南长沙人，硕士，高级工程师，设备科 主任。 作者单位：400038 重庆 第三军医大学附属西南医院设备科 （王义 辉、何金环） 呼吸机流量传感器的原理和应用 王义辉，何金环 [摘要] 根据常用呼吸机采用的不同流量传感器，论述了几种流量传感器的基本原理，分析了流量传感器在呼吸机中 的具体应用，可为工程技术和临床应用人员在使用、维护维修、清洁消毒等方面提供一些帮助。 [关键词] 流量传感器；呼吸机；原理；超声波传感器 [中国图书资料分类号] TH777 [文献标识码] C [文章编号] 1003-8868（2010）06-0098-03 Principle and Application of Flow Sensor in Ventilator WANG Yi-hui, HE Jin-huan （Equipment Department, Southwest Hospital of the Third Military Medical University, Chongqing 400038, China） Abstract The principles of several kinds of flow sensors used in common ventilator are discussed, and the specific application of flow sensor applied in ventilator is analyzed. The engineers and clinical technicians can find reference while they are using, maintaining and repairing, cleaning and sterilizing these machines.[Chinese Medical Equipment Journal， 2010，31（6）：98-99，102] Key words flow sensor; ventilator; principle; ultrasonic sensor 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 提供患者所需要的氧浓度； 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、 气流实时波形和压力-容量环的监测显示 等， 流量传感器性能的好坏直接影响到呼吸机 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 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 其基本原理是将 1 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，从而引起电阻变化，流速信 号即转变成电信号[1]，经适当的信号变换和处理后测量出气体 流量的大小。 测量原理图见图 1。 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 T 构成的反 馈回路，能够使热线工作在恒温状态下。 在接通电源瞬间，热线电阻很快被电流加热，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。 德尔格 （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， 结构 示意图见图 2。 单位截面积中 ，流 速越大，电热丝降温越快，电热丝就需要更大的电量维持稳定 的温度（180 ℃），使热丝保持在 180 ℃所需的能量代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 图1 热丝式流量传感器原理图 图2 热丝式流量传感器 未加热的气流 加热后的气流 电热丝 流体 Rh R R R R A1 A2 A3 T Ec E V+ - - + - + 仪 器 原 理Instrument Theory·98· ·医疗卫生装备·2010 年 06 月第 31 卷第 06 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．31·No．06·June·2010 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。 泰科 PB840 呼吸机的流 量传感器采用的是晶体 热膜式流量传感器，示意 图见图 3。 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 20 kHz，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 [2]。 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）。 使用过程中进行 2 000 次/min 的采集，保证实时的检测 结果。 迈柯唯 （Maquet）Servo 系列呼吸机的呼气流量传感器是 采用超声式流量传感器，其结构示意图见图 4。 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），见图 5。 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），见图 5。 T2-T1=Tdiff（时间差），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，其阻值将发生变化（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。 流量传感器有 2 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 60％ 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 压差式流量传感器 图3 热膜式流量传感器 图4 超声式流量传感器 图5 超声顺流和逆流传播示意图 图6 压力感应式流量传感器 T1 T1 主通道 金属网 气体流向 测量通道 加热电阻 到前置放大 测量电桥 金属圆片 (荩荩下转第 102 页荩荩） 仪 器 原 理 Instrument Theory ·99· ·医疗卫生装备·2010 年 06 月第 31 卷第 06 期 Chinese Medical Equipment Journal·Vol．31·No．06·June·2010 压差式流量传感器利用的是节流器（孔板）前后压力不同 来测量流体流量的一种方法，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 前后的压差成线性关系，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[3]，结构示意图见图 7。 其测量管道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。 3 结束语 呼吸机流量传感 器还有其他形式和种 类，每种流量传感器各有其优势和不足，根据呼吸机类别、性 能和应用范围的不同， 每种型号的呼吸机会从原理和结构选 择最适合的流量传感器类型。同时，各个生产厂家也在不断进 行改进，以解决在耐用、精度、成本和容易清洁消毒上各类型 传感器的不足。对于流量传感器而言，适应传染性疾病患者用 后的各种消毒方法、使用过程的成本费用、使用寿命，是使用 单位选择呼吸机时必须考虑的问题。 对于临床应用人员和医 学工程人员，了解呼吸机流量传感器的原理和结构，对呼吸机 的使用、维护保养、故障维修、清洁消毒等是非常必要的。 [参考文献] [1] 杜士鹏，关长民. 热线式流量传感器原理与应用[J]. 沈阳工程学 院学报：自然科学版，2007，3（4）：354-356. [2] 杨东，刘妙芳. 医用流量传感器的技术特点以及在呼吸机中的应 用[J]. 中国医学装备，2004，1（1）：42-43. [3] 肖健强. BEAR1000-Ⅲ型呼吸机的结构原理及故障检修[J]. 中国 医疗设备，2008，23（10）：93-94. （收稿：2009-12-15 修回：2010-04-20）图7 压差式流量传感器 压力采样管 膜片 量的精确度。 经过脱气处理的透析废液通过复式泵排液侧、 TPT5、H2至HEX， 对进入透析机的反渗水进行预热， 最后经 SV2 排出。 2.8 清洗消毒部分 该部分主要包括电磁阀（ SV21、SV22）和过滤器（FL21、 FL22）等。 机器启动消毒程序时，首先SV1关闭，切断供水， SV3、SV2、SV7打开，释放水路压力与大气压相同，然后SV21 打开，SV7关闭，超滤泵UFP开始工作，消毒液开始灌入管路， 一定时间后，SV21关闭，SV7打开，SV2关闭， 消毒液在闭合的 管路内循环消毒。 启动酸洗程序时，酸洗液经SV22灌入水路， 其他与消毒程序相同。 3 常见故障报警分析 3.1 低水压故障报警 当多台机器同时出现低水压报警时， 首先检查外界供水 压力是否正常。单台机器报警可检查PRV是否正常，若不能调 节到正常压力范围，则分解清洗或更换。RV1在供水压正常的 情况下关闭不严，发生泄露，也会造成水压低的故障报警。 若 在关机的情况下排水管仍有水流出， 则首先判断RV1不能正 常关闭。 如出现零水压的情况，可从PRV和SV1间断开管路， 如果PRV出口没有水流出，则考虑调节或更换PRV；若PRV正 常出水，则考虑SV1是否关闭，可测量SV1线圈是否加电，线圈 是否通路，根据检测结果，清洗或更换SV1[4]。 3.2 高、低温度故障报警 首先，用温度计实测水温是否正常，如正常，则考虑TH1 或TH2故障导致误报警。若实测温度的确偏低，可测量加热器 是否损坏或检查THS是否跳闸。 当监测温度过高时，THS会跳 闸，断开加热器电源以避免加热器损坏，此时只能进行THS的 人工复位使机器恢复正常工作。如果机器本身散热不良，导致 透析液温度过高，从而引发机器出现高温故障报警，通常是由 于机器后部2个空气过滤网堵塞所致，需清洗空气过滤网 [5]。 3.3 A、B液浓度异常的报警故障 一般是结晶造成的，例如FL-C1或FL-C2堵塞，需反向冲 洗或更换；SPA或SPB抽吸不畅，可用30%的乙酸从A、B液口吸 入7～8 min后，再静置20 min左右，然后在清洗模式下进行冲 洗，达到溶解管路内结晶的目的；H-C1或H-C2堵塞，需拆解 清洗或更换。 3.4 漏血故障报警 多为误报， 一般情况是由于预充管路时透析膜外气体排 除不充分，管路中残留气泡造成误报。 此时，机器应返回“准 备、回收”程序，打开排气键，将膜外气体排净后重新进入“透 析”程序。 如BDL本身脏污或损坏也会引起报警，需拆解清洗 或更换。 4 结语 准确掌握血液透析机液路系统的工作原理是进行该设备 故障诊断及维修的理论基础。本文论述了NIKKISO DBB-27型 血液透析机液路系统的工作原理及常见故障报警的处理方 法，并对其核心的平衡超滤部分进行了重点分析。通过上述原 理分析，使维修工程师可以更及时、准确地诊断和排除血液透 析机的故障， 确保了患者在透析治疗过程中的精确治疗和生 命安全。 [参考文献] [1] 王质刚. 血液净化设备工程与临床[M]. 北京：人民军医出版社， 2006：102-104. [2] 薛峰 . DBB-26 血液透析机水路图原理分析 [J]. 医疗设备信息， 2004，19（13）：28-29. [3] 邵勤. 日机装 DBB-26 机器脱水部件原理及维修[J]. 医疗装备， 2008，9（5）：60. [4] 冉平，雷勋祖. 日机装 DBB-26 血液透析装置故障分析与处理[J]. 中国医学装备，2009，6（5）：64-65. [5] 迟玉刚. DBB-26 血透机几种报警的检修方法[J]. 医疗卫生装备， 2007，28（2）：89. （收稿：2009-09-29 修回：2010-03-10） ��������������������������������������������� (荨荨上接第 99 页荨荨） 仪 器 原 理Instrument Theory·102·