气体流量传感器的结构、原理及其在呼吸机中的应用

气体流量传感器在临床呼吸机的应用已有近20年的历史,随着医疗技术水平的不断提高,中高档呼吸机的普及使用,作为气流速度参数监测关键部件的气体流量传感器,已经在呼吸机中得到了广泛应用且起着重要的作用。因此很有必要了解气流速度参数在呼吸机中的作用,气体流量传感器的技术特点、原理以及其在呼吸机中的应用。
1 气流速度参数在呼吸机中的作用气流速度参数在呼吸机中起着重要作用,在中高档呼吸机中常用到的与气流速度相关的参数包括:吸人潮气量Vti、分钟通气量MV、吸人峰值流量、呼出潮气量Vte、呼出分钟通气量MV和呼出流量Ve等。
气流速度参数在呼吸机中的作用主要体现在:(1)作为切换方式的一种。按照吸气相向呼气相切换方式的不同,呼吸机可划分为: (a)流速切换型;(b)压力切换型;(c)容积切换型;(d)时间切换型;(e)联合切换型。(2)在时间切换型呼吸机中,通过调节“流速flow’旋钮和“吸气时间insp.time”旋钮来设定潮气量,其中潮气量=流速(ml/s)×吸气时间(s)。(3)一般在呼吸机中的操作面板上,除了有“流速flow”旋钮外,还可根据患者所需的通气量范围设置“分钟通气量报警上(下)限”。当分钟通气量超过上限值以及呼吸回路出现脱落、漏气等情况时,“分钟通气量上限”报警;当分钟通气量低于下限值或出现气道阻塞、无自主呼吸等情况时,“分钟通气量下限”报警(注:这里的分钟通气量是指呼吸机输送的分钟通气量,而与患者的实际通气量无关)。(4)调节吸/呼比值:呼吸机在机械通气时,吸/呼比值取决于吸气流速、通气频率、通气容积(或压力)这三个因素。在设定通气频率及通气容积的前提下,可通过调节吸气流速来改变吸/呼比值。正因为气流速度参数在呼吸机中起着重要作用,所以检测气流速度的气体流量传感器在呼吸机中得到了广泛的应用。
2 气体流量传感器的技术特点、原理和结构根据呼吸机的特点,适合于呼吸机中使用的气体流量传感器应具有如下特点:
(1)对流过传感器的空气、氧气或其他的气体应有灵敏和快速的反应。(2)在很小的流量下有较高的准确性。(3)同时具有在大的流量下很好的重复性和很低的滞后性。
气体流量传感器的种类有多种,下面以美国Honeywell公司生产的AWIVl系列气体流量传感器模块为例,介绍其原理和应用电路。
该类气体流量传感器的核心是一个加热器和温度敏感器,根据气体流动时所对应的热传递来探测气流的速度和方向,并对流过芯片的空气或其他气体流量有着灵敏和快速的反应。
该系列产品包括“无内置放大”和“有内置放大”两种类型(1) “无内置放大”类型:其外形结构。产品内部只包含加热器与温度敏感元件,需要用户在外部配置专用的加热控制电路、热敏电阻电源电路和信号放大电路在传感器内部,有一个加热丝和两个热敏电阻,两个热敏电阻对称地装在加热丝的两旁,当气流通过时,由于和加热丝的相对位置不同,使两个热敏电阻的温度不一样,热敏电阻的阻值随温度的变化而改变,因此两个电阻的阻值也不同。图3为传感器的热敏电阻电源电路,当2脚和6脚对应的热敏电阻阻值不同时,2脚和6脚的电位将不同,产生电位差(当气流方向变化时,电位差的正负也相应改变),此电位差经信号放大电路(图4)放大后输出到后端电路。(2)“有内置放大”类型:其工作原理和“无内
置放大”产品大致相同,差别在于其内部不但有加热器和温度敏感元件,而且还包含了加热控制电路、热敏电阻电源电路和放大电路,因此使用比较方便。脚为输出端,二脚为电源正端,三脚为电源负端。电源标准值为10VI",在8一l5V之间都可以正常工作。输出电压和流速的关系如图6,气体流动越快,感应输出值越大,当流速为6L/min时,输出电压约为5VDC;当流速为3L/min时,输出电压约为4.4VDC。根据此原理即可轻易地检查该部件的好坏。