采用壓差傳感器測(cè)量醫(yī)用氣體流量的不確定度評(píng)定

商洪濤 唐 輝

采用壓差傳感器測(cè)量醫(yī)用氣體流量的不確定度評(píng)定

商洪濤①唐 輝①

目的：對(duì)采用壓差法測(cè)量醫(yī)用氣體流量的測(cè)量原理、結(jié)構(gòu)和工藝等因素引入的不確定度進(jìn)行分析。方法：利用液體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的壓差測(cè)量氣體流量。結(jié)果：合成不確定度uc=1.364%，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。結(jié)論：壓差傳感器測(cè)量方法準(zhǔn)確可靠，能夠滿足對(duì)醫(yī)用氣體流量測(cè)量的要求。

壓差傳感器；氣體流量；不確定度

[First-author’s address] Medical Engineering Department of General Hospital Under Beijing Area Command, Beijing 100700, China.

壓差法是基于流體流動(dòng)的節(jié)流原理，即利用液體流經(jīng)節(jié)流裝置時(shí)所產(chǎn)生的壓差來(lái)測(cè)量流量[1]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)性較廣，能夠測(cè)量各種情況下單相流體和高溫、高壓下的流體流量。因此，差壓式流量計(jì)至今仍是流量測(cè)量中使用最廣泛的流量?jī)x表[2]。這類流量計(jì)約占流量?jī)x表的60%～70%。目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，差壓式流量計(jì)正在向智能化方向發(fā)展。本研究針對(duì)壓差法測(cè)量醫(yī)用氣體流量的測(cè)量原理和結(jié)構(gòu)、工藝等原因引入的不確定度進(jìn)行分析。

1 壓差傳感器測(cè)量原理

差壓式流量計(jì)主要缺點(diǎn)是[3]：測(cè)量范圍較小，通常量程比為3∶1，安裝要求嚴(yán)格(氣密性要好)，壓力損失較大，刻度為非線性等。在典型的差壓式流量計(jì)中，當(dāng)充滿圓管的單相流體流經(jīng)在管道中安裝的節(jié)流裝置時(shí)，流體將在節(jié)流件處形成局部收縮，使流速增大。此時(shí)在節(jié)流件前后產(chǎn)生壓力差，該壓力差可通過(guò)差壓計(jì)檢測(cè)出。流體的體積流量或質(zhì)量流量與差壓計(jì)所測(cè)得差壓值有確定的函數(shù)關(guān)系[4]。函數(shù)關(guān)系為差壓式流量計(jì)的流量測(cè)量基本方程式(公式1、公式2)：

式中ε為流體膨脹系數(shù)；A0為氣流件截面積；ρ1為氣流件上游側(cè)流體密度；ΔP為節(jié)流件前后的壓差。

α值與節(jié)流件的形式、被測(cè)流體的性質(zhì)及流動(dòng)狀態(tài)等相關(guān)。在一定安裝條件下對(duì)于一定的節(jié)流裝置其流量系數(shù)α僅與雷諾數(shù)有關(guān)[5]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供的流量系數(shù)α的數(shù)值是流體在節(jié)流件上游側(cè)100 m處的管道截面上形成典型的紊流條件下取得。當(dāng)靠近節(jié)流件上游側(cè)有旋渦式旋轉(zhuǎn)流等不正常流速時(shí)，就會(huì)引起流量系數(shù)α值的改變。

雷諾數(shù)是流量測(cè)量中一個(gè)重要指標(biāo)，其表征流體流動(dòng)時(shí)慣性力和粘性力之比，是無(wú)量綱數(shù)[6]。流體在圓管中流動(dòng)的雷諾數(shù)為(公式3)：

式中D為圓管的直徑；υ為截面平均流速(m/s)；γ為流體的運(yùn)動(dòng)粘度(m2/s)。

典型產(chǎn)品的參數(shù)為：圓管直徑D=50～500 mm，取壓孔板直徑d=15～400 mm，則在通常情況下Re＞5000；在采取很多措施后最低應(yīng)使Re＞500。常規(guī)使用的差壓法，無(wú)論節(jié)流件是孔板還是噴嘴，均為針對(duì)大管徑、大流量。由于本方法是對(duì)醫(yī)用氣體小流量進(jìn)行測(cè)量，被測(cè)管徑僅有數(shù)毫米，且流速又不很高，這時(shí)內(nèi)部再放置一塊孔板，其孔徑只可能有2～3 mm，所取到的壓差值很小，靈敏度很低。由于孔徑的突然變小，且極易使孔板處產(chǎn)生熱量，而所測(cè)氣體為氧氣，不允許溫度過(guò)高。當(dāng)雷諾數(shù)非常小(Re＞10)其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置所允許的極限雷諾數(shù)時(shí)，會(huì)造成很大的測(cè)量誤差。因此，既不能照搬孔板節(jié)流裝置的設(shè)計(jì)、計(jì)算，更無(wú)國(guó)家檢定規(guī)程可遵循進(jìn)行計(jì)量檢定。

經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)后采用直接在管路上取壓差的方法。假定從一個(gè)直管段上取壓，因?yàn)橹惫芏沃杏辛鲃?dòng)氣體的流動(dòng)，順其流動(dòng)方向依次取2點(diǎn)A1、A2，設(shè)這兩點(diǎn)的壓力值分別為P1、P2，則必有P1＞P2，即A1、A2間存在壓力差ΔP。在流速均勻情況下取壓管越長(zhǎng)，即A1、A2點(diǎn)間隔越大，ΔP就越大。但在實(shí)際應(yīng)用中要求測(cè)量裝置體積小巧、靈便。在較長(zhǎng)直管段取壓顯然不合適[7]。因此，將直管盤成螺旋型，保證取壓長(zhǎng)度足夠大，而結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度縮小。同時(shí)由于氣體在管路中呈螺旋狀活動(dòng)，受到的阻力又稍有增大，則相應(yīng)壓差ΔP也將增大，提高了取壓的靈敏度，從而達(dá)到預(yù)期目的。

2 不確定度分析

本研究采用的方法實(shí)際使用的壓差計(jì)是硅壓阻壓差傳感器，其將壓差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)的變化反映了流量的變化[8]。有可能產(chǎn)生的不確定度分量的因素有以下3方面。

(1)壓差傳感器法測(cè)量氣體流量原理上引入的不確定性度量E1，對(duì)此前面典型產(chǎn)品的流量，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)認(rèn)為E1由如下分量組成：①流量系數(shù)波動(dòng)而引起的不確定度分量e1。采用的節(jié)流件為螺旋管，由于其為非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件，氣體在其中呈螺旋狀流動(dòng)，必然引起流量系數(shù)α的改變[9]。在盤管時(shí)適當(dāng)調(diào)整圈數(shù)和圈徑，作出測(cè)壓穩(wěn)定性、重復(fù)性好的節(jié)流元件，則經(jīng)實(shí)測(cè)e1≤0.5%；②實(shí)驗(yàn)曲線Q=f(ΔP)與擬合曲線的不一致引入的不確定度分量e2≤0.6%；③醫(yī)用氧氣密度與標(biāo)定時(shí)用的空氣密度不一致引入的不確定度分量e3≤0.2%；④壓差傳感器本身的不重復(fù)性引入的不確定度分量e4≤0.3%(公式4)：

故可認(rèn)為E1＜1%。

(2)實(shí)驗(yàn)靜壓力與使用時(shí)靜壓力不一致引入的不確定度分量為E2。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用氣泵做氣源，氣源的輸出壓力可從0.16 MPa變化到0.6 MPa，如不監(jiān)測(cè)調(diào)控可形成5%～10%的不確定度[10]。由于是用于醫(yī)院中氧氣流量檢測(cè)，從安全考慮應(yīng)按規(guī)定采用輸出壓力0.3～0.6 MPa，并在結(jié)構(gòu)上監(jiān)測(cè)調(diào)控源頭靜壓力使其穩(wěn)定在0.4(±0.25%) MPa。因壓力的變化，在測(cè)量中帶來(lái)的不確定度分量E2＜0.5%。

(3)結(jié)構(gòu)工藝上的因素引起的不確定度分量E3在氣路元件的結(jié)構(gòu)、工藝等方面盡管采取了密封措施，但由于管路中存在多個(gè)氣路接口元件，在測(cè)量中還有極微量氣體泄漏，造成氣路中的壓力損失，即不確定度分量E3其值＜0.6%[11-14]。

(4)電源電壓波動(dòng)等隨機(jī)因素引入的不確定度分量E4＜0.5%。那么，合成不確定度為公式5[15]：

3 結(jié)論

通過(guò)分析可認(rèn)為uc＜1.5%，實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)收按2.5級(jí)，即uc=2.5%，則有較大的裕度，可以保證有較高的合格率。既滿足了醫(yī)用氣體測(cè)量實(shí)際使用要求，又極大地降低了成本，保證了這種產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的經(jīng)濟(jì)合理性。

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Uncertainty analysis on using pressure difference sensor for flow measurement

/SHANGHong-tao, TANG Hui// China Medical Equipment,2014,11(8):45-46.

Objective: The uncertainty from the principle, structure and technology of measuring the flow with pressure difference method is analyzed. Methods: The quantity of flow was calculated using the pressure differential data determined by throttling gear when it flowing. Results: Composite uncertainty is 1.364%, which satisfied the product design demands. Conclusion: This method which is accurate and reliable can meet the requirement of measuring the gas flow.

Pressure difference sensor; Gas volume flow; Uncertainty

1672-8270(2014)08-0045-02

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.08.014

2014-03-13

①北京軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 北京 100700

商洪濤，女，(1977- )，本科學(xué)歷，主管技師。北京軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事醫(yī)學(xué)計(jì)量工作。