呼吸机流量传感器
呼吸机流量传感器的原理和应用
Ｐｒｎｃｐｌ ｎ ｉ ｉ ｅ ａ ｄ Ａｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｏ ｏ Ｓｅ ｏ ｎ Ｖｅ ｉａ ｏ ｌｃ ｔｏ ｆＦｌ ｗ ｎｓ ｒ ｉ ｎｔｌ ｔ ｒ
Ｗ ＡＮＧ Ｙｉｈ ｉＨＥ Ｊｎ ｈ ａ — ｕ． ｉ— ｕ ｎ
（ ｑ ｉｍｅ ｔ ｐ ｒｍｅ ｔ Ｓ ｕｈ ｅｔＨｏｐｔｌ ｆ ｈ ｈｒ ｌ ａｙ Ｍｅ ｉａ ｉｅｓｔ， ｏ ｇ ｉｇ４ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｅ ｕｐ ｎ ａｔ ｎ， ｏ ｔｗ ｓ ｓ ｉ ｅＴ ｉ Ｍｉｔｒ ｄｃ ｌ ｖ ｒｉ Ｃｈ ｎ ｑｎ ０ ０ ８ Ｃ ｉａ Ｄｅ ａｏｔ ｄ ｉ Ｕｎ ｙ
图 １ 热 丝 式 流 量 传 感 器 原 理 图
人 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 、 钟 通 气 量 上 下 限 的报 警 、 分 流
流量 传 感 器 在 呼 吸机 中 的应 用 已有 近 ３ Ｏ年 的历 史 ， 中 在
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 ， 责 将 吸入 和 呼 出 的气 体 流 量 转换 成 电信 号 ， 给信 号 处 负 送 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
的具 体 应 用 ， 为 工 程技 术和 临床 应 用 人 员在使 用 、 护 维修 、 洁 消毒 等方 面提 供 一 些 帮 助 。 可 维 清
【 词 ］ 流 量传 感 器 ； 关键 呼吸 机 ； 理 ； 声 波传 感 器 原 超
呼吸机流量传感器的测量原理与维护保养_陈荣
收稿日期：2013－01－10呼吸机流量传感器的测量原理与维护保养陈荣，黄焕炜（中山市中医院设备科，广东中山528401）〔中图分类号〕TH777〔文献标识码〕B〔文章编号〕1002－2376（2013）04－0085－03〔摘要〕本文介绍了几种常见进口呼吸机流量传感器的测量原理与维护保养。
〔关键词〕呼吸机；流量传感器；机械通气；定标；细菌过滤器流量传感器是一种能感受流体流量并转换成可用输出信号的传感器。
传感器技术应用于临床医学，主要用来检测人体生物信号，在呼吸机上作为容量和流量的监测部件得到了广泛的应用，它的精确度决定呼吸机送气的控制精度，它的应用方便医务人员了解病人的呼吸状况，然后进行一个用药或机械通气的治疗。
从检测技术上来分，主要有如下三种。
1压差式流量传感器是通过二个测压孔和专门的孔板、流量喷嘴和文丘里管等限流装置产生与流量有关的压降，压力传感器检测压降，依据贝努利定律和质量守恒原理换算出流量，此类传感器低流量时检测曲线呈非线性，需要配置软件校正，从而将使用范围提高，结构上部分呼吸机在限流装置上还安装了限流片。
2热丝式流量传感器（或称作晶体热膜式流量传感器）是把气体流过热丝（或热膜）时的温度变化量转换为流量进行检测，热量控制系统通过增加电流保持热丝恒温，气体流速与电流产生量成比例，流量和电流是非线性关系；线性化的实现通过微处理器及软件进行，以便产生可重复性流速的分布。
3超声式流量传感器目前市场上常见的超声流量传感器有两种：时差法和多普勒法。
时差法指通过测量超声波脉冲顺流和逆流时往返于两个换能器之间的时间，来确定管道内气体流速的技术；多普勒法是通过测量超声信号从流体中运动的颗粒上反射回来的频率变化，来确定流体流速的技术。
在呼吸机中使用的超声流量传感器大多采用时差法。
时差法原理是利用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。
呼吸机流量传感器的工作原理及故障分析
呼吸机流量传感器的工作原理及故障分析惠强，王权，王鹏（通信作者）徐州医学院第二附属医院设备科（江苏徐州221006)〔关键词〕呼吸机；流量传感器；原理；常见故障；检修过程〔中图分类号〕TH789 〔文献标识码〕B〔文章编号〕1002 -2376 (2017) 08 -0049 -02呼吸机主要功能是利用呼吸机自身的机械动作人工地协 助患者进行吸气和呼气，但它无法替代肺生理功能中的通气 作用（气体的吸人和呼出）和换气作用（吸收〇2和排出 C02)[1]，而是作为对患者的呼吸支持和治疗。
呼吸机主要包括电路部分、气路部分和操作控制面板，通过这三部分完成了控制、指挥、监测、显示、报警、参数调节设定以及气体 的供给。
同时还包括许多传感器，如流量传感器、压力传感 器、氧传感器（氧电池）、温度传感器等，这些传感器起到 了监测患者端通气情况的至关重要作用。
本研究介绍流量传 感器的作用原理及与流量监测相关的常见故障维修案例[2]。
1工作原理流量传感器在呼吸机中主要对潮气量和流速进行监测控 制，通过监测出的信号帮助微处理器对阀门进行控制，以提 供患者所需的氧浓度；监测到的流速和流量还直接影响到呼 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P- V环的监测显示等等[3]。
从检测技术上来分，流量传感器可分为电热丝式流量传 感器、热模式流量传感器、压差流量传感器和超声式流量传 感器。
其中电热丝流量传感器较为常用，其基本原理是将金 属丝（随着温度的变化金属丝的阻值也发生相应的变化）放 置在被测气流中，并使金属丝流过电流产生热量，使其温度 高于流体的温度。
当被测气体流过加热的金属丝时，会带走 热丝的一部分热量，导致热丝温度下降，而热丝在气体中的 散热量与流速有关，散热量导致热丝温度变化同时引起电阻 值发生相应变化，电阻的变化值反映出的就是流速信号随即 转变成电信号，最后经过电信号处理后就完成了实时监测气体流量大小[4]。
广州奥松 气体流量传感器AFM3020产品手册说明书
气体流量传感器产品手册AFM3020特性低压损流量范围：-10～200slm精度2.5%读数(典型值)快速响应完全校准和温度补偿零位漂移小产品概述AFM3020传感器是奥松电子的流量传感器，专为呼吸机应用而设计。
它以高超的精确度测量空气，氧气和其他非侵蚀性气体的流量。
风道内采用特殊设计，使得通过传感器的流动体的压损非常低，使其性能适用于各种苛刻的应用场景，例如医疗通风和呼吸应用。
AFM3020采用5V电源电压工作，具有数字I2C接口。
输出测量结果经过内部校准和温度补偿。
这款传感器的卓越性能基于奥松电子的传感器技术，内部由一个热式传感芯片和一个高性能集成24位AD采集的CMOS微处理器相连接。
气体流量由热传感器芯片测量，确保了非常快的信号处理时间和相比同类产品有最佳精度。
应用范围医疗、过程自动化、燃烧器控制、燃料电池控制、光谱学、环境监测、实验室。
专业应用解决方案我司致力于各类传感器的研发制造，有专业的研发实验室及仪器设备，配套多种仿真环境实验条件，打造高品质产品生产与检验工艺。
流量传感芯片是我司自主研发生产制造的芯片之一，可根据应用现场与客户需求定制流量量程和设计独立的风道结构，专业为客户提供整套应用解决方案。
目录一、传感器性能 (3)二、传感器电气特性 (4)三、传感器通信 (4)3.1I2C通信接口特征与时序 (4)3.2传感器数据采集 (5)3.3读取设备ID (5)3.4复位指令 (6)3.5AFM3020传感器I2C命令定义 (6)3.6AFM3020微流量传感器CRC计算例程 (6)3.7流量换算公式 (7)四、引脚定义 (8)五、传感器典型电路 (8)5.1典型电路连接 (8)六、外形尺寸（单位：mm） (9)6.1AFM3020外形尺寸 (9)6.2机械配件 (9)七、流量计型号列表 (10)八、注意事项 (10)8.1校准方向 (10)8.2入口流动条件 (10)8.3温度补偿 (10)8.4传感器处理 (11)8.5ESD (11)九、精度声明 (11)十、重要警告 (11)一、传感器性能表1：AFM3020精度条件性能表1参数条件数值单位流量范围空气/N2/O2-10～+2002slm3最大典型精确度4，5，6，7跨度±4±2.5%读数偏移量±0.1±0.05slm重复性4，7跨度±1±0.5%读数偏移量±0.05±0.02slm噪声电平4，7跨度±1±0.5%读数偏移量±0.1±0.05slm温度变化导致的精度偏移8跨度±0.75±0.25%读数/10℃偏移量±0.0±0.0slm位置灵敏度非水平位置<0.05slm表2：介质兼容性和材料参数数值校准空气，N2，O2介质兼容性空气（非冷凝），N2，O2，非侵蚀性气体材料成份PPE+PS混合物（医用级:生物相容性；ISO10993或USP Class VI），硅，氮化硅，氧化硅，铂，金，环氧树脂，聚氨酯，不锈钢RoHS，REACH符合RoHS和REACH标准传感器重量<25克1除非另有说明，否则所有传感器规格均在25℃且VDD=5V且绝对压力=966mbar的条件下有效2AFM3020-200型号为200slm量程，其它型号见表103在20℃和1013mbar下以每分钟标准升4在理想的入口和出口条件下，VDD=5V，25℃，绝对压力=966mbar5包括偏移，非线性，滞后6传感器水平位置（请参阅第8.1节）7跨度或偏移值，以较大者为准8与校准温度相比，温度变化引起的偏移二、传感器电气特性电气特性，如休眠功耗，测量功耗等，都取决于电源。
呼吸机流量传感器种类、特点及未来发展
益和经 济效益 ，使病人 和 医院达到 了双赢 。
Ｓ ｎｔ ｅ ｉ ｎ ｔｕ ｔｏ ｆｔ ｅ Ｈ ｏ ｐ ｔ ｌＮｅｗｏ ｋ ｙ ｈ ｓｓ Ｃｏ ｓｒ ｃ ｉｎ ｏ ｈ ｓ ｉａ ｔ ｒ
Ｚ ＵＹ ｈ ｉ，Ｚ Ａ Ｇ Ｙ ａ Ｈ ａ —ｂｎ Ｈ Ｎ ｕｎ—ｙａ ，ＭＡ ｉ — ｉ ｕｎ ＩＯ Ｑ ｕ ｊ ｎ （ ａａ ｎ ｅ ｉ ｆｌ ｔ ｏｐ ａ，Ｙ ｎｎ ｈｎ ｉ １００ ｈ ａ Ｙ ｎｎＵ ｉ ｒｔ Ａｆｉ ｅ Ｈ ｓｉｌ ａａ ，Ｓａｘ ７ ６０ ，Ｃ ｉ ） ｖ ｓｙ ｉ ａ ｄ ｔ ｎ
２ ２
Ｍｅｉ ｌＥｕｐ ｅｔ ｏ． ， ｏ６ ｄｃ ｑ ｉ ｎ １ ３ Ｎ ． ａ ｍ Ｖ ２
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 （８ ￣ ；由于热丝 １０Ｃ）
晦 ６ ６ 莓 ６ ｄ ６ 孵 每
医院 信息 化建 设 已成 为 医院发 展 的必 要途 径 ， 医院信息 化 网络 建设投 资从长远 看 ，提 高 了医院综
量 监测和校 正 ；压 缩空气 ，氧气按 设置所 需 的 比例 混合后 ，通过 管道 及 相关 伺 服 阀 门 以设置 的气压 ，
呼 吸机流量 传感器 在呼 吸机使用过 程 中的主要 功 能是监测 压力 和流量 的部件 。其种类 主要有 ：热
丝式 、压差式 和超 声式 三种 。
３ 特点
用呼 吸机 。 ２ 种类
用辅助 呼 吸的机械抢救 呼 吸衰竭患 者 已成 为现
代 医院不 可缺少 的手段 。而任何 一台 呼吸机的 工作
原理都 在于建 立一个 大气两 肺泡压差 ，达 到肺 的通 气 。其基 本结 构主要 有气路 和电子控 制两大 部分组
《呼吸机用流量传感器技术要求》编制说明
团体标准《呼吸机用流量传感器技术要求》征求意见稿编制说明1.工作概况1.1任务来源根据中国机械工业标准化技术协会《关于印发2023年第二批团体标准制修订计划的通知》（中机标字[2023]14号），《呼吸机用流量传感器技术要求》列入2023第二批团体标准计划。
流量传感器是呼吸机、麻醉机、制氧机、咳痰机、肺活量计、吸氧计等医疗设备关键核心部件，国产的流量传感器在精度和响应速度等性能方面尚无法满足医用呼吸机、麻醉机等医疗设备要求，长期依赖进口，且供应短缺、不稳定，TSI和SENSIRION 等进口高性能流量传感器的垄断地位凸显。
尽快打破该卡脖子状态已迫在眉睫。
本标准总结了我国产品生产与使用实践的经验，汲取了最新的科研成果，同时考虑了不同产品与应用环境，将对本行业内的产品起到优化生产流程、规范生产标准、提高生产质量、促进技术创新的作用，有利于促进产业化进程，对指导产品的发展方向与拓展应用领域将发挥积极作用。
经标准起草工作组讨论，为了推动《呼吸机用流量传感器技术要求》项目落地，经协商一致，同意将本标准命名为《呼吸机用流量传感器技术要求》。
1.2标准起草单位和起草人本标准起草单位包括：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、汉威科技集团股份有限公司、深圳高性能医疗器械国家研究院有限公司、深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司、郑州炜盛电子科技有限公司、河南中敏传感器技术研究院有限公司,北京谊安医疗系统股份有限公司、北京东土科技股份有限公司、首都医科大学附属北京友谊医院。
本标准起草人包括：周学良、刘帅、李钟琦、金贵新、武传伟、周小勇、江洪伟、郭琦、陈伟、渠娜娜、刘建钢、李靖、尹红霞、吴礼进、万丽雯、刘加龙。
1.3主要工作过程2022年3月6日，《呼吸机用流量传感器技术要求》标准起草会议在线上召开，16名标准起草工作组专家参与了本次会议，会议讨论了标准的技术框架和任务分工，并于6月23日完成了材料汇总，形成了标准草案。
2022年10月24日，《呼吸机用流量传感器技术要求》标准起草工作组第二次会议以网络的形式召开，会议详细讨论了标准的主体内容，各参与单位提出了修改意见，并责成机械工业仪器仪表综合技术经济研究所刘帅进行技术审查和修改。
呼吸机维护保养注意事项
呼吸机维护保养注意事项
一、呼吸机表面清洁
保持主机表面清洁，如有污物在关机情况下用中性液体擦拭。
二、滤网的清理
环境中的粉尘无法避免，定期清理呼吸机滤网能够改良呼吸机工作环境，使呼吸机使用更长久可靠。
长时间未清理的滤网
滤网取出后：
三、流量传感器更换
有些品牌呼吸机流量传感器为消耗品，使用一段时间后可能失效或者不准，这时候需要定标更换流量传感器，并进行定标。
德尔格Evtita系列流量传感器：
如果流量传感器上有残留水滴，切忌用棉花或者餐巾纸擦拭内部，我院就出现过护士因呼吸机报流量传感器检测失灵，一看流量传感器上有残留水滴就用餐巾纸擦拭，结果弄断内部加热丝。
四、呼出阀的定期清理
Evita 系列呼吸机呼出阀：
呼出阀使用久了内部容易积累残留物，需定期清理消毒。
呼出阀取出步骤图
五、氧电池定期更换 18
182014/3/26/D a t e i n a m e n /A u t o r 呼出阀的拆卸→→→→
氧电池作为氧浓度检测的消耗品需要定期更换（一般为一年），氧浓度的准确性直接影响呼吸机的使用安全。
六、对于使用空压泵而不是中心压缩空气的呼吸机，空压泵的过滤器需要定期更换
更换下来的德尔格空压泵进气过滤器
更换下来的PB840空压泵进气过滤器
空压泵进气过滤器堵塞，空气供应不洁净，同时会加大泵的工作压力，可能会出现供气压力报警。
七、后备电池
呼吸机后备电池能在交流电切断后提供半小时供电时间，如果有条件最好能配备电池并定期更换，提高安全保障能力。
涡轮流量传感器在呼吸机上的应用
图 １中： 壳体是传感 器 的主体部 件 ， 采用 透明塑料 制造 ， 装夹于壳体正中的信 号检测器 由发光二极管和光 电二极管组成。在传感 器进出 口装有螺旋形 导流叶片
ｃ ｒｃ ｆｍｅ ｓ ｒｎ ｉａ ｏｕ ａ ｅ ｅ ｈ ｎ ｅ ｈ ｅｃ ｎ ｌｓｏ ａ ｅ ｎ ｐｒｖ ｎ ｉ ｒｄ ｃ ｅ ｅｏ ｕ ａ ｙ ｏ ａ ｕｉ ｇ ｔ ｌ ｖ ｌ ｍｅ ｃ ｎ ｂ ｎ ａ ｃ ｄ．Ｔ ｏ ｃｕ ｉｎ ｈ ｓｂ ｅ ｏ ｅ ｎ ｐ ｕ ｔｄ ｖ ｌｐｍｅ ｔ ｄ ｏ ｎ． Ｋ ｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ： Ｔ ｒ ｉ ｅｆｏ ｓ ｎ ｏ Ｖｅ ｔ ａｏ Ｔｄａ ｏｕ Ｃａ ａ ｉ ｏ ｆ ｃｅ ｔ Ｃａｉ ａｉｎ Ｃｏ ｅ ａｉｎ ｕ ｂ ｎ ｗ ｅ ｓｒ ｌ ｎｉ ｔｒ ｌ ｉ ｌ ｖ ｌｍｅ ｐ ｃｔ ｃ ｅ ｉｉｎ ｙ ｌ ｔ ｂｒ ｏ ｍｐ ｎｓｔｏ
性” 。通 过分 析呼 吸机典 型 流量特性 曲线 ， 出 了提高 呼吸 机吸 入潮气 量测 量精 度的方 法 ， 出通过 脉冲 计数 补偿 和 分段 标 定流 量传 提 得 感 器容 量系 数的方 法可 以提 高潮 气量测 量 精度 ， 并在 产品研 制 中得 到了很 好 的验证 。 关键词 ：涡轮 流量 传感 器
（） 主 视 图 ａ （） 左 视 图 ｂ
图 １ 涡 轮 流 量 感 器结 构
Ｆ ｇ １ Ｃ ｎ ｔ ｃｉｎ ｏ ｒ ｉ ｅ ｆ ｗ ｓ ｎ ｏ ｉ、 ｏ ｓ ｕ ｔ ｆ ｕｂｎ ｏ ｅ ｓｒ ｒ ｏ ｔ ｌ
在诸多文献 中分 别 介绍 了每种 流 量传 感 器 的原 理、 特点及 在呼吸机 中的应用 “ 。在 实际应用 中 ， 与 其他 几种 （ 压式 、 效 应式 和超 声波 式 ） 比， 测 热 相 涡轮
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2013-12-8
1
流量传感器在呼 吸机中的应用已 有近30年的历史。
在呼吸机中被普 遍使用。
气体流量
电信号
2013-12-8
2
潮气量
潮气量（Tidal volume,TV）：是指平静呼吸 时每次吸入或呼出的气量。
分钟通气量
分钟通气量（Minute Ventilation ,MV）为 潮气量与呼吸频率（RR）的乘积（MV＝VT×RR）。
超声传播 示意图
2013-12-8
17
超声波是频率高于20000赫兹的 声波，它方向性好，穿透能力 强，易于获得较集中的声能， 可用于测距、测速等。
我们人类耳朵能听到的声波频 率为20Hz～20000Hz。
2013-12-8
18
频通 率常 为用 于 兆医 赫学 兹诊 ～断 兆的 赫超 兹声 波 1 5
精度 维修 消毒
寿命 价格 保养
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34
谢谢
2013-12-8 35
温度变化
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9
惠斯登电桥
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10
热丝式流量传感器
2013-12-8
11
流速越大
降温越快
维持180度
电量越大
2013-12-8
12
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
2013-12-8
13
热膜式流 量传感器
晶体热膜 式流量传 感器
2013-12-8
19
超声波流量计 超声波流量计是通过检测流体流动 对超声束的作用以测量流量的仪表。
2013-12-8
20
超声波的产生与转化
压电材料
逆压电 效应
超声波
+
流体速度
压电材料
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压电效 应
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逆流与顺流的时间差和气体流量成 对应比例关系
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超声波流量计采用时差式测量原 理：一个探头发射信号穿过介质、另 一侧管壁后，被另一个探头接收到， 同时，第二个探头同样发射信号被第 一个探头接收到，由于受到介质流速 的影响，二者存在时间差Δt，根据推 算可以得出流速V和时间差Δt之间的 换算关系，进而可以得到流量值Q
静息时，MV为6～8L／min。
流速
检测和 显示
3
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呼吸机流量传感器检测值
数值显示 呼吸机控制 报警
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检测值
调节气体流量 调节氧气浓度
设置值
呼气吸气切换
分钟通气量上下限 。。。。。。
2013-12-8 5
流量传感器性能的好坏直 接影响到呼吸机参数的准 确性和可靠性
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23
maquet的servoi和servos呼吸机 的呼气流量传感器是采用超声式 流量传感器
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24
多普勒效应： 当声音，光和无线 电波等振动源与观 测者以相对速度V相 对运动时，观测者 所收到的振动频率 与振动源所发出的 频率有所不同。
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超声的速度同时还受温度影响 一般来说，温度越高速度越快
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பைடு நூலகம்29
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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
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差压式流 量传感器
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BEAR1000呼吸机的流量传感器采用 的是压差式流量传感器
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传感器与呼吸机的关系
2013-12-8
6
热丝式
晶体热膜式 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。 超声式
压力感应式 压差式
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热丝式流 量传感器 物理原理
热丝式流 量传感器 电路原理
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加热金属丝
气体经过金属丝
金属丝温度下降 金属丝 金属丝 产生电信号 加热金属丝 阻值变化
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超声波流量计有着诸多的优点
它不会改变流体的流动状态，不 对流体产生附加阻力；它可适应 多种管径的流体测量，不会因管 径的不同增加仪表成本；它的换 能器可设计成夹装式，可作移动 性测量。
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压力感应 式式流量 传感器
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气流
电阻应变片
测量电路
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热模式流量传感器的工作 原理与热丝式流量传感器基本 相同，都是基于热平衡原理和 惠斯登电桥进行检测的。 它是将电路制作成电路板， 和流量测量元件一体组成的流 量传感器。
2013-12-8
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PB840呼吸机的流量传感器采 用的是晶体热膜式流量传感器
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超声式流 量传感器