CN101878412A - 具有用于减少压降的皮托管的气流传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流量的气流传感器装置，包括具有旁路通道的皮托管，其中所述皮托管延伸进流通道的一半以减少压降。一个或多个逆流孔可以面向流向沿着所述皮托管间隔开，将流引导到所述旁路通道。可以垂直面向流方向放置至少一个或多个顺流孔，以便流体在流经流体传感器后能流过所述顺流孔。逆流孔感应滞止压力，顺流孔感应在流通道内的所有方向施加的静压力，以便基于压力间的差值确定速度压力。

Description

具有用于减少压降的皮托管的气流传感器

技术领域

本发明总体上涉及传感器方法和系统。本发明也涉及用于医疗通风设备中的气流传感器。另外，本发明还涉及具有超低压降的气流传感器。

背景技术

作为用于控制流经流系统的流体、气体、或液体的量的一种方式，流量控制机制被应用于各种流系统。流控制机制可以用来调节在例如通风设备或呼吸机的系统中的流量，在这些系统中，例如需要维持充足的可呼吸气流或为准备手术的病人提供足够的麻醉气体。

基于MEMS的流量传感器可用来测量在各种商业、工业或医疗应用中的这种流量。例如，在医疗应用中，经常需要精确地测量为病人静脉输入流体的流量，并由此控制此类流体的流量。在这种应用中，流量控制是正确操作的固有方面，其可以部分地通过使用流量传感器测量流系统中流体的流量来实现。

通风设备是为病人输送呼吸气体的医疗设备。通常，医院重症监护室中使用的通风设备提供含有充足氧气的空气供病人吸入，并且一般可以包括辅助或控制呼吸的控制器、呼出量指示器、报警系统、正端呼气压力阀、压力指示器、气体浓度监视器、流量指示器以及用于加热和湿润呼吸气体的加热湿润器。家庭护理使用的通风设备通常用来治疗阻塞性睡眠呼吸暂停，并提供正气压以辅助呼吸。医疗通风设备制造商需要超低压降来保证高效的送气操作。

现有技术中大多数用于医疗通风设备的气流传感器基于流量限制器的原理来操作，其横切气流并且测量管道内若干位置的压力。静态压力驱动气流样本流经旁路通道，在该旁路通道中进行流量的测量。

一种供替换的技术使用具有探针的皮托管，该探针带有开放的尖端并插入流场以测量静态压力。在管道内的静态压力是气流量的递增连续函数。皮托管完全延伸穿过传感器的主通道，从而对即将到来的流形成了障碍。这些传感器的问题在于流通道内的一定量的湍流是由传感器本身导致的。由传感器引起的湍流导致跨过传感器的压降增大并且导致管道内的噪声增大。

基于上面所述，确实需要一种改进的气流传感器，其减小压降并且其适于减少对流动的阻碍。这里公开的改进的气流传感器确实能够满足上述及其它后续的需求。

发明内容

以下概述用来帮助理解所描述的具体实施例所特有的某些创新特征，而非用作详尽描述。通过将说明书全文、权利要求、附图说明和摘要作为一个整体，可以获得对本发明的具体实施例的各方面的全面理解。

因此，本发明的一方面是提供改进的传感器方法以及系统。

本发明的另一方面是提供具有低压降的改进的气流传感器。

如在本文中描述的，现在可以实现前述各方面以及其它的目的和优点。一种用于测量流量的气流传感器装置，包括具有旁路通道的皮托管，其中所述皮托管延伸进流通道的一半以减少压降。可以沿着皮托管面向流的方向间隔布置一个或多个逆流孔，所述逆流孔将流引导到所述旁路通道。可以垂直面向流的方向放置至少一个或多个顺流孔，以使得流在经过流体传感器后流过所述(多个)顺流孔。逆流孔感应滞止压力，顺流孔感应在流通道内的所有方向施加的静压力，以便基于压力间的差值确定速度压力。

为提供流通道内的流量更加准确的读数，逆流孔和顺流孔将旁路通道内的压力平均。皮托管延伸进入流通道的一半，从而可以减少对流通道的阻碍以及降低压降。另外，这种感应速度压力的技术无需对系统增加压降从而例如通过流量限制器或孔口来测量流量。可以使用流量传感器或超低压传感器电子地感应速度压力。在这种配置中，逆流孔和顺流孔的取向产生了滞止压力与阻力压力(drag pressure)之间的差值，该差值可与流体的流量关联。

附图说明

并入说明书并作为说明书的一部分的附图进一步阐明具体实施例，并且其和详细描述一起用来解释本文中公开的实施例。在附图中，相同的附图标记表示相同或功能相似的元件。

图1示出了用来实施优选实施例的气流传感器装置的透视图；

图2示出了根据优选实施例的气流传感器装置的切面图；

图3示出了根据优选实施例的气流传感器的横截面图；以及

图4示出了根据优选实施例的一种典型的气流传感器装置的切面图。

具体实施方式

在这些非限制性的实例中所述的特定值以及结构可以进行改变，并且它们仅仅用来说明至少一个实施例，并不是意在限定发明的范围。

图1示出了根据优选实施例的气流传感器装置100的透视图。气流传感器装置100包括外壳110，其限定了其中可有来自流系统的输入流体流动的流通道125。这里使用的术语“流体”指的是液体或气体。流通道125可以由流通道壁115限定。流通道125优选地具有与现有的流系统的横截面形状和尺寸相兼容的横截面形状和尺寸，例如以适合于在通风设备和呼吸机中使用的锥形连接器。皮托管130延伸入流通道125的一半距离。皮托管130包括一个或多个逆流孔141，142，143，144，146，147，148和149，这些逆流孔具有圆形横截面形状，其朝向流通道125的逆流方向，以便面向流体(例如气体)流动的方向。

孔141，142，143，144，146，147，148和149可用作面向流体流动的逆流孔。这里使用的术语“孔”是指允许液体或气体流过的小开口。皮托管130另外还包括一个或多个垂直面向流体流或与面向与流向相反的方向的顺流孔(未示出)。顺流孔用作旁路通道的排出孔。

图2示出了根据优选实施例的气流传感器装置100的切面图。流体可按照箭头126所示方向经由入口端155流经流通道125，并在出口端165处流出所述流通道125。流量传感器芯片190置于与流通道125平行的旁路传感通道170中。所述传感器芯片190与流通道125相邻设置，由位于外壳110内部的罩116保护。罩116靠着与传感器芯片190相对的基板117背侧设置，使传感器芯片190免受环境影响。

皮托管130置于流通道125中并且与流通道125垂直对准。皮托管130具有前缘131并且如图1所示优选是尖锐的，以使得流体平滑地进入管130，从而最小化或充分地减少湍流以及小滴剪切力。皮托管130延伸进入流通道的一半，这减少了压降以及对流的阻碍。皮托管130内的逆流孔141，142，143以及144通向低阻力的流通道125，其可以将流旁路引导到传感器芯片190。在穿过传感器芯片190之后，流体的旁路流继续在低阻力流动路径内流动，并且通过与流动方向相对取向的顺流孔146，147，148以及149排出。

流体沿箭头126指示的方向流过流通道125，一部分流体流过皮托管130中的逆流孔141，142，143以及144到旁路通道170，以便流量传感器芯片190能够间接测量流通道125中流体的流量，而不会遇到一般流通道中存在的损耗或者波动的情况。

图3与图2相似，但是其中的顺流孔的朝向与流动方向是相反的。

图4示出了根据优选实施例的气流传感器200的截面图。传感器200包括逆流感应元件191、顺流感应元件192以及中心加热元件193。所述加热元件193与感应元件191和192由电阻性薄膜(未示出)构成，其包括电桥，该电桥的输出与施加到传感器装置100上的压差相似。感应元件191和192例如可以实现为MEMS型的气流传感器。当然，可以理解，感应元件191和192还可在其他类型的传感器情况中配置，而不仅仅是MEMS-型的配置。流体将流过逆流感应元件191、顺流感应元件192以及加热元件193。在没有流的情况下，逆流感应元件191与顺流感应元件192都将由于加热元件193读取相同的温度，即两个传感器都将具有相同的测量的电阻值。

当流体进入皮托管130的逆流端口150时，逆流感应元件191感应流动流体的平均传感器冲击压力以建立高压值，这导致温度的降低。顺流感应元件192感应低压，其为旁路通道170形成排出端口180，这导致温度的升高。温度的变化引起传感器200的电阻值的相应变化。传感器200将高的与低的流体压力分别转变成电信号，该电信号的特征是压差(DP)的函数，压差也就是被感应到的高的与低的流体压力之间的差值。逆流孔141，142，143以及144与顺流孔146，147，148以及149将旁路通道170中的压力平均，以提供流通道125中流量的更准确的读数。

注意，这里使用的缩写“MEMS”通常指的是术语“微-电子-机械系统”。MEMS装置指的是微米大小的机械零件，并且包括各种几何结构的3D光刻特征。MEMS装置的典型制造工艺是使用类似于半导体加工的平面加工，如表面微机械加工和/或体微加工。这些装置通常的尺寸范围是从微米(百万分之一米)到毫米(千分之一米)。在这些尺寸范围内，人的物理直觉并非总是正确的。由于MEMS具有大的表面积-体积比，其表面效应例如静电和润湿超出体积效应例如惯性或热质量。

MEMS装置可使用改性硅制造技术(用于制造电子设备)，模制和电镀，湿蚀刻(KOH，TMAH)和干蚀刻(RIE与DRIE)，放电加工(EDM)，以及其他能制造微小装置的技术来制造。MEMS有时被称作微观力学，微型机械，或者微系统技术(MST)。如图2所示的传感器的插入位置优选用于图示皮托管130的设计，但其他配置也可行，甚至对于具有不同设计与构造的皮托管更有利。

图4示出根据可选的优选实施例的气流传感器装置300的切面图。注意，在图1到4中，相同或相似的部分或元件通常由相同的附图标记表示。因此装置300的设计需要一个或多个逆流孔141，142，143和144，其面向图2所示的将要测量的流动方向126。逆流孔141，142，143和144可以引导流体流动至传感器芯片190(例如，MEMS传感器)。所述传感器芯片190和旁路通道170邻近外壳110设置。

皮托管130的逆流孔141，142，143和144产生跨越旁路通道170的逆流端口150以及顺流端口160的压降，这促进了流体流入旁路通道170。该压降或压差取决于皮托管130的几何形状，并且随流量的增加而增大。此外，随着流体流量的增加，流通道125中的流体将具有渐增的湍流，即在垂直于流动方向的给定平面上渐增的不均匀压力及速度。作为响应，通过将皮托管130减至流通道125的一半来减小压降，矫直并照明在流通道125中的流体，从而减少湍流。所述皮托管130通过迫使流体流经流通道125的另外一半以减少湍流。

图6示出了具有逆流与顺流流矫直器的皮托管，矫直器伸入流中以提高流稳定性。

应当认识到，以上公开的以及其他的特征和功能的变型、或其替换形式可被结合到很多其他不同的系统与应用中。此外，可由本领域技术人员今后做出的各种目前尚不可预见或预期的替换、修改、变型或改进都落入下述权利要求的范围中。

Claims (10)

1.一种流量传感器装置，包括：

具有旁路通道的皮托管，所述皮托管相对于流通道内流体流动的方向横向延伸进入所述流通道的一半；

至少一个逆流孔，面向流体流过所述流通道的方向沿着所述皮托管间隔开，从而为所述旁路通道产生逆流端口，并且适于将所述流体引导到适于感应所述流体的流量的传感器；以及

至少一个顺流孔，沿着所述皮托管间隔开并且垂直面向所述流体的方向以便基于所述至少一个逆流孔识别的压力与所述至少一个顺流孔识别的压力之间的差值确定速度压力。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

包括壁的外壳，其限定具有所述流体流过的所述旁路通道的所述皮托管。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述外壳还包括入口端与出口端，并且适于将所述装置耦合到流系统。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述传感器包括具有逆流感应元件、顺流感应元件以及加热元件的MEMS流量传感器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述皮托管横向延伸进入所述流通道的一半，使对所述流体流动的阻碍最少。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述皮托管具有尖锐的前缘，用于充分地减少湍流与压降。

7.一种流量传感器装置，包括：

包括壁的外壳，其限定包括流体能流过的旁路通道的皮托管，由所述外壳限定的所述皮托管相对于流通道内的流体流动方向横向延伸进所述流通道的一半；

至少一个逆流孔，面向流体流过所述流通道的方向沿着所述皮托管间隔开，从而为所述旁路通道产生逆流端口，并且适于将所述流体引导到适于感应所述流体的流量的传感器；以及

至少一个顺流孔，沿着所述皮托管间隔开并且垂直面向所述流体的所述方向，以便基于所述至少一个逆流孔识别的压力与所述至少一个顺流孔识别的压力之间的差值确定速度压力。

8.一种流量传感器装置，包括：

具有旁路通道的皮托管，所述皮托管相对于流通道内的流体流动方向横向延伸进所述流通道的一半；

至少一个逆流孔，面向流体流过所述流通道的方向沿着所述皮托管间隔开，从而为所述旁路通道产生逆流端口，并且适于将所述流体引导到流量传感器；

流量传感器，其适于感应来自所述逆流端口的所述流体的流量；以及

至少一个顺流孔，沿着所述皮托管间隔开并且垂直面向所述流体的所述方向，以便基于所述至少一个逆流孔识别的压力与所述至少一个顺流孔识别的压力之间的差值确定速度压力。

9.根据权利要求8所述的装置，进一步包括：

包括壁的外壳，其限定具有所述流体流过的所述旁路通道的所述皮托管。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述传感器包括具有逆流感应元件、顺流感应元件以及加热元件的MEMS流量传感器。

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