[发明专利]一种超声旋涡流量计

说明书

技术领域

本发明属仪器仪表领域，涉及一种流量计，具体地说，涉及一种利用旋涡发生器在气体中产生的卡门旋涡对气体中所传播的超声波幅度的调制，通过检测超声波调制信号的频率来测量气体流量的流量计。

背景技术

人工呼吸机是一种抢救和生命支持的医疗仪器。人工呼吸机的通气量决定了肺泡的气体交换，需要实时监测。七八十年代的人工呼吸机由于没有测量通气量的流量计，这个参数基本上凭医生的经验给定，影响人工呼吸机通气质量和呼吸安全。八十年代后期的人工呼吸机普遍应用了通气流量计，以监控呼吸通气量。

人工呼吸机的通气特点要求气道压力损失小、测量灵敏限低、量程范围宽、可双向测量、无交叉感染等。气道中的压力损失决定了通气做功的能力，压力损失越大，需要的通气动力愈强。对于自主呼吸能力不强的患者来说，压力损失成为自主呼吸的障碍，因此，气道中的压力损失对患者来说是非常宝贵的，具有重要的生理意义。尽管人工呼吸机可以为患者提供强迫模式的通气，但为了避免患者的呼吸机依赖，辅助模式通气是人工呼吸机必须具备的功能之一。辅助通气模式在高压力损失环境下效果会大大降低。

在人工呼吸机中，常用的流量计有Fleisch差压计、热线流量计、叶轮流量计等。Fleisch差压计和叶轮流量计的优点是准确性好、稳定性高、简单，缺点是压力损失较大、量程比小(只有3：1)、测量灵敏限高、需要有较长的直管段，在人工呼吸机中应用受到限制。热线流量计的优点是压力损失小，缺点是人体呼吸气体中的高份额水分会在电阻丝上挂珠，影响热量的交换导致测量的不准确。鉴于上述流量计的优缺点，利用卡门旋涡理论开发的超声旋涡流量计具有低压力损失、低流量的特点，是人工呼吸机通气量监测的一种选择。

超声旋涡流量计是一种用旋涡对超声调制的流量测量。中国专利ZL89104405.1是根据发射晶体的信号与接受晶体的信号存在一个相位差，用发射晶体和接受晶体相位控制器的信号在相位比较器上做比较，比较信号与流量确定对应关系。该专利的技术特点是采用两对发射晶体和接受晶体相交并且向相反方向延伸，以克服外界因素，如温度变化对相位的影响而产生的偏差。日本专利昭59-133430的特点是将发射晶体信号与接受晶体信号通过电压调制相移器在相位检测回路上进行比较和低通滤波。昭57-207825的特点是发射晶体信号与接受晶体信号通过旋涡检测器和旋涡脱落频率甄别器与振荡器进行与或比较，输出整形的旋涡脱落频率信号。美国专利US4375768在处理卡门旋涡序列的电路中采用接受信号与正弦信号相比较的比较器，比较器输出方波，并采用锁相环(PLL)电路实现不稳定旋涡脱落频率的均值化。

超声旋涡流量计的工作原理是公知的卡门旋涡理论，在通气管道内安置一个旋涡发生器，该发生器可以是圆柱体或三角体。当气体流过该旋涡发生器后，在其后部形成一列旋涡，旋涡以一定规律从旋涡发生器两侧交替脱落，旋涡脱落频率f与气体流速u成正比：

f=Stud---(1)]]>

这里：d为旋涡发生器的有效直径，St为斯托罗哈(Strouhal)数，该数为无因次数。当通气管道内气体的雷诺数在10²～10⁵范围内，St为常数。当通气管道的内截面积A确定，则气体在通气管道内的通气量Q为：

Q=Au=AdStf---(2)]]>