CN115779213A - 热丝式流量传感器及其压力补偿方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了热丝式流量传感器及其压力补偿方法。热丝式流量传感器包括进气口、出气口，热丝式流量传感器进一步包括：气压测量单元，连接至进气口，并且气压测量单元测量流入进气口的气体的气压值；过滤单元，设置在进气口侧，并且过滤单元对流入热丝式流量传感器的气体进行过滤；流速测量单元，设置在出气口侧，并且流速测量单元测量通过热丝式流量传感器的气体的平均流速；压力补偿单元，基于热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入进气口的气体的气压值，根据预定的压力补偿算法计算流入进气口的气体的气压的补偿值；以及调压单元，连接至进气口，并且调压单元基于所述补偿值对流入进气口的气体的气压进行调节。

Description

热丝式流量传感器及其压力补偿方法

技术领域

本申请涉及医疗器械领域，尤其涉及一种流量传感器及具有该流量传感器的呼吸机及麻醉机、及其压力补偿方法。

背景技术

随着现代医学的发展，呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于治疗睡眠呼吸暂停或其他呼吸紊乱。而流量传感器作为呼吸机气路结构中的一个非常重要的部件，其不仅对呼吸机的报警功能起着决定性作用，同时实时监测病人吸气及呼吸流速和压力，并反馈给呼吸机的控制系统，辅助对病人流速、压力、潮气量等参数进行更准确的控制。

流量传感器属于精密电子检测部件，是呼吸机使用过程中监测气体容量和流速的核心部件。目前，由于呼吸机的厂家不同，呼吸机的结构与原理也存在一定的差异，对应使用的流量传感器也不同。根据其工作原理，可大致分为以下几类：热丝式流量传感器、热膜式流量传感器、超声式流量传感器、测压式流量传感器等。

热丝式流量传感器的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速的大小。放置于测量通道中的热丝作为惠斯登电桥的一个桥臂，由运算放热丝式流量传感器的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速的大小。放置于测量通道中的热丝作为惠斯登电桥的一个桥臂，由运算放大器差分放大电桥输出的电压信号；运算放大器提供三极管工作所需要的偏置电压，并使运算放大器输出信号能够叠加在三极管的偏置电位上，并被三极管放大给电桥供电。由电桥电路，运算放大器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。当流体流过流速计时，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速。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℃)，使热丝保持在180℃所需的能量代表流过传感器并使热丝冷却的气流的流速。

热丝式流量传感器具有高精度的显著优点，因此，作为精密电子检测部件被普遍应用于呼吸机和麻醉机等医疗器械中。然而，由于热丝式流量传感器里的导丝非常细，如果病人的分泌物及冷凝水吸附在流量传感器的铂金丝上，特别是进行雾化治疗后残余的药液也会吸附在流量传感器上，从而造成流量传感器失灵无法正常工作，严重时还会造成铂金丝熔断，流量传感器损毁。

发明内容

鉴于上述情况，提出了设置有过滤器的热丝式流量传感器及其压力补偿方法，其通过设置过滤器能够有利于将气体内的杂质过滤出，避免传感器探头受到污染，影响传感器的灵敏度。此外，通过对由于过滤器所引起的气阻进行补偿，确保了传感器的良好的工作性能。

根据本发明的一个方面，提供了一种热丝式流量传感器，所述热丝式流量传感器包括进气口、出气口，其特征在于，所述热丝式流量传感器进一步包括：气压测量单元，连接至所述进气口，并且所述气压测量单元测量流入所述进气口的气体的气压值；过滤单元，设置在所述进气口侧，并且所述过滤单元对流入所述热丝式流量传感器的气体进行过滤；流速测量单元，设置在所述出气口侧，并且所述流速测量单元测量通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速；压力补偿单元，基于所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入所述进气口的气体的气压值，根据预定的压力补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值；以及调压单元，连接至所述进气口，并且所述调压单元基于所述补偿值对流入所述进气口的气体的气压进行调节。

优选地，预定的压力补偿算法包括计算得到以下两条拟合曲线：在未设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第一气压值与所述热丝式流量传感器的气体的第一平均流速的第一曲线；以及在设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第二气压值与所述热丝式流量传感器的气体的第二平均流速的第二曲线。

优选地，压力补偿单元基于所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入所述进气口的气体的气压，以及目标平均流速，根据预定的补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值包括：在所述第一曲线上定位与所述第二平均流速的数值相同的第一平均流速，在所述第一曲线上确定与所定位的第一平均流速对应的第一气压值，并且将所确定的第一气压值与所述第二气压值之间的差值确定为所述补偿值。

优选地，过滤单元包括滤网和/或滤棉。

优选地，过滤单元的横截面与进气口的横截面匹配，过滤单元嵌合至进气口的内壁。

优选地，过滤单元可拆卸地设置在所述进气口侧。

优选地，过滤单元的侧面一端安装拉带，拉带用于将过滤单元从热丝式流量传感器内部取出。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于热丝式流量传感器的压力补偿方法，所述热丝式流量传感器包括进气口、过滤单元、出气口，其特征在于，所述用于热丝式流量传感器的压力补偿方法包括：气压测量步骤，测量流入所述进气口的气体的气压值；流速测量步骤，测量通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速；压力补偿步骤，基于所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入所述进气口的气体的气压值，根据预定的压力补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值；以及调压步骤，基于所述补偿值对流入所述进气口的气体的气压进行调节。

优选地，预定的压力补偿算法包括计算得到以下两条拟合曲线：在未设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第一气压值与所述热丝式流量传感器的气体的第一平均流速的第一曲线；以及在设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第二气压值与所述热丝式流量传感器的气体的第二平均流速的第二曲线。

优选地，压力补偿步骤包括：在所述第一曲线上定位与所述第二平均流速的数值相同的第一平均流速，在所述第一曲线上确定与所定位的第一平均流速对应的第一气压值，并且将所确定的第一气压值与所述第二气压值之间的差值确定为所述补偿值。

从上述方案中可以看出，通过设置过滤器，能够有利于将气体内的杂质过滤出，避免传感器探头受到污染，影响传感器的灵敏度。此外，通过对由于过滤器所引起的气阻进行补偿，确保了传感器的良好的工作性能。此外，新的热丝式流量传感器包括可拆卸式的过滤器，这样每次可以清洗或更换过滤器，降低因损坏而更换的成本。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的在未设置过滤单元的情况下的热丝式流量传感器的流速示意图；

图3示出了根据本发明的一个实施例的在设置过滤单元的情况下的热丝式流量传感器的流速示意图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的结构示意图；

图5示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的气压-流速曲线图；

图6示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的功能框图；以及

图7示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的压力补偿方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

为使需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。

图1示出了示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的结构示意图。如图1的上部示图示出了热丝式流量传感器的侧视图，如图所示，热丝式流量传感器10包括：进气口102、出气口104、热敏电阻铂丝106。当气体(例如，在热丝式流量传感器应用于呼出呼吸机的情况下，气体为用户呼出的气体)沿着箭头方向从进气口102流向出气口104，期间，该气体掠过热敏电阻铂丝106表面时，会带走热量。热丝控制装置里的温度传感器不断的测量热丝温度，然后加热热丝，将其保持在某一固定温度所需的能量，通过测量加热所需的电量，来测量气体的流速。热敏电阻铂丝106的阻值随着气体流速的变化，使电路失去原有的平衡而产生一个不平衡的电流信号，该信号的大小与气体流速有一定的对应关系，从而可以根据气体的导热系数测出气体流速的大小。如图1的下部示图所示，在进气口102附近设置过滤单元108，该过滤单元可以防止病人的分泌物及冷凝水吸附在流量传感器的铂金丝上，从而造成流量传感器失灵无法正常工作，严重时还会造成铂金丝熔断，流量传感器损毁。在本申请中，为了降低因损坏而更换的成本，可以将过滤单元108制作为可拆卸的部分，从而便于过滤单元的清洗及更换，降低因损坏而更换的成本。例如，可以在过滤单元108的侧面一端安装拉带，在需要清洗或更换过滤单元108的情况下，拉带用于将过滤单元108从热丝式流量传感器内部取出。过滤单元108包括滤网和/或滤棉。过滤单元108的横截面与进气口102的横截面大小匹配，从而使得过滤单元108嵌合至进气口102的内壁。

图2示出了根据本发明的一个实施例的在未设置过滤单元的情况下的热丝式流量传感器的流速示意图。如图2所示，在未设置过滤单元的情况下，热丝式流量传感器的进气口一端的气压值为P1，热丝式流量传感器的出气口一端的气压值为P2，热丝式流量传感器的管道的气阻为R1，热丝式流量传感器的管道内的流速为F1。由于未设置过滤单元，因此，热丝式流量传感器的进气口一端的气压值P1等于热丝式流量传感器的出气口一端的气压值P2。其中，流速F1、气阻两端气压值P1、P2以及气阻R1满足以下条件：

此外，在热丝式流量传感器是呼气流量传感器的情况下，P2＝0，因此，上式可简化为：

图3示出了根据本发明的一个实施例的在设置过滤单元的情况下的热丝式流量传感器的流速示意图。如图3所示，在设置过滤单元的情况下，热丝式流量传感器的进气口一端的气压值为P1’，热丝式流量传感器的出气口一端的气压值为P2’，热丝式流量传感器的管道的气阻为R2，热丝式流量传感器的管道内的流速为F2。由于设置过滤单元，因此，热丝式流量传感器的进气口一端的气压值P1’大于热丝式流量传感器的出气口一端的气压值P2’。其中，流速F2、气阻两端气压值P1’、P2’以及气阻R2满足以下条件：

图4示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的结构示意图。如图4所示，气源402经由减压阀404将气体供应至热丝式流量传感器的进气口，其中，气压测量单元406测量流入进气口的气体的气压值P1，流速测量单元408测量通过热丝式流量传感器的气体的平均流速。

图5示出了如图4中所示的热丝式流量传感器所测量的热丝式流量传感器的气压-流速曲线图。如图4中所示的热丝式流量传感器分别测量设置过滤单元以及未设置过滤单元情况下的气压-流速。如图5所示，曲线A是通过拟合算法得到的在设置过滤单元情况下的气压-流速曲线图，曲线B是通过拟合算法得到的在未设置过滤单元情况下的气压-流速曲线图。上述曲线A和曲线B是在热丝式流量传感器投入使用之前获取的，并且存储在热丝式流量传感器的控制单元中，以供在热丝式流量传感器投入使用之后，作为压力补偿的参考值。

图6示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的功能框图。热丝式流量传感器包括：气压测量单元602，连接至进气口，并且气压测量单元602测量流入进气口的气体的气压值；过滤单元604，设置在进气口侧，并且过滤单元604对流入热丝式流量传感器的气体进行过滤；流速测量单元606，设置在出气口侧，并且流速测量单元606测量通过热丝式流量传感器的气体的平均流速；压力补偿单元608，基于热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入进气口的气体的气压值、以及目标平均流速，根据预定的压力补偿算法计算流入进气口的气体的气压的补偿值；以及调压单元610，连接至进气口，并且调压单元610基于补偿值对流入进气口的气体的气压进行调节。其中，调压单元610可以是减压阀。具体地，在将设置有过滤单元604的流量传感器安装到呼吸机上之后，气压测量单元602测得流入进气口的气体的气压值P1’，流速测量单元606测量通过热丝式流量传感器的气体的平均流速F2。接下来，在压力补偿单元608中，参考预先存储的气压-流速曲线图，例如，如图5所示的热丝式流量传感器的气压-流速曲线图A和B，其中，(P1’，F2)是气压-流速曲线图A上的点，使流速测量单元606所测量的通过热丝式流量传感器的气体的平均流速F2＝F1，接下来在气压-流速曲线图B中找到相应的点(P1，F1)，即，找到P1作为压力补偿后的压力值。压力补偿单元608将P1与P1’之间的差值作为补偿值，并且调压单元610根据该补偿值对流入进气口的气体的气压进行调节。

图7示出了根据本发明的一个实施例的热丝式流量传感器的压力补偿方法的流程图。如图7所示，用于热丝式流量传感器的压力补偿方法包括：气压测量步骤702，测量流入进气口的气体的气压值；流速测量步骤704，测量通过热丝式流量传感器的气体的平均流速；压力补偿步骤706，基于热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入进气口的气体的气压值以及目标平均流速，根据预定的压力补偿算法计算流入进气口的气体的气压的补偿值；以及调压步骤708，基于补偿值对流入进气口的气体的气压进行调节。

从上述方案中可以看出，根据本发明提出的热丝式流量传感器和用于热丝式流量传感器的压力补偿方法，通过设置过滤器，能够有利于将气体内的杂质过滤，避免传感器探头受到污染，影响传感器的灵敏度。此外，通过对由于过滤器所引起的气阻进行补偿，确保了传感器的良好的工作性能。此外，新的热丝式流量传感器包括可拆卸式的过滤器，这样每次可以清洗或更换过滤器，降低因损坏而更换的成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种热丝式流量传感器，所述热丝式流量传感器包括进气口、出气口，其特征在于，所述热丝式流量传感器进一步包括：

气压测量单元，连接至所述进气口，并且所述气压测量单元测量流入所述进气口的气体的气压值；

过滤单元，设置在所述进气口侧，并且所述过滤单元对流入所述热丝式流量传感器的气体进行过滤；

流速测量单元，设置在所述出气口侧，并且所述流速测量单元测量通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速；

压力补偿单元，基于通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入所述进气口的气体的气压值、以及目标平均流速，根据预定的压力补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值；以及

调压单元，连接至所述进气口，并且所述调压单元基于所述补偿值对流入所述进气口的气体的气压进行调节。

2.根据权利要求1所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述预定的压力补偿算法包括计算得到以下两条拟合曲线：在未设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第一气压值与通过所述热丝式流量传感器的气体的第一平均流速的第一曲线；以及在设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第二气压值与通过所述热丝式流量传感器的气体的第二平均流速的第二曲线。

3.根据权利要求2所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述压力补偿单元基于通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、流入所述进气口的气体的气压、以及目标平均流速，根据预定的补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值包括：在所述第一曲线上定位与所述第二平均流速的数值相同的第一平均流速，在所述第一曲线上确定与所定位的第一平均流速对应的第一气压值，并且将所确定的第一气压值与所述第二气压值之间的差值确定为所述补偿值。

4.根据权利要求1所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述过滤单元包括滤网和/或滤棉。

5.根据权利要求4所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述过滤单元的横截面与所述进气口的横截面匹配，所述过滤单元嵌合至所述进气口的内壁。

6.根据权利要求1所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述过滤单元可拆卸地设置在所述进气口侧。

7.根据权利要求1所述的热丝式流量传感器，其特征在于，所述过滤单元的侧面一端安装拉带，所述拉带用于将所述过滤单元从所述热丝式流量传感器内部取出。

8.一种用于热丝式流量传感器的压力补偿方法，所述热丝式流量传感器包括进气口、过滤单元、出气口，其特征在于，所述用于热丝式流量传感器的压力补偿方法包括：

气压测量步骤，测量流入所述进气口的气体的气压值；

流速测量步骤，测量通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速；

压力补偿步骤，基于所述流速测量步骤中测量的通过所述热丝式流量传感器的气体的平均流速、所述气压测量步骤中测量的流入所述进气口的气体的气压值、以及目标平均流速，根据预定的压力补偿算法计算流入所述进气口的气体的气压的补偿值；以及

调压步骤，基于所述补偿值对流入所述进气口的气体的气压进行调节。

9.根据权利要求8所述的用于热丝式流量传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述预定的压力补偿算法包括计算得到以下两条拟合曲线：在未设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第一气压值与通过所述热丝式流量传感器的气体的第一平均流速的第一曲线；以及在设置所述过滤单元的情况下，通过拟合算法得到流入所述进气口的气体的第二气压值与通过所述热丝式流量传感器的气体的第二平均流速的第二曲线。

10.根据权利要求9所述的用于热丝式流量传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述压力补偿步骤包括：在所述第一曲线上定位与所述第二平均流速的数值相同的第一平均流速，在所述第一曲线上确定与所定位的第一平均流速对应的第一气压值，并且将所确定的第一气压值与所述第二气压值之间的差值确定为所述补偿值。

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