采用壓差傳感器測量醫用氣體流量的不確定度評定

商洪濤 唐 輝

采用壓差傳感器測量醫用氣體流量的不確定度評定

商洪濤①唐 輝①

目的：對采用壓差法測量醫用氣體流量的測量原理、結構和工藝等因素引入的不確定度進行分析。方法：利用液體流經節流裝置時所產生的壓差測量氣體流量。結果：合成不確定度uc=1.364%，滿足產品設計要求。結論：壓差傳感器測量方法準確可靠，能夠滿足對醫用氣體流量測量的要求。

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的節流原理，即利用液體流經節流裝置時所產生的壓差來測量流量[1]。其結構簡單、使用壽命長、適應性較廣，能夠測量各種情況下單相流體和高溫、高壓下的流體流量。因此，差壓式流量計至今仍是流量測量中使用最廣泛的流量儀表[2]。這類流量計約占流量儀表的60%～70%。目前，隨著科學技術的發展，差壓式流量計正在向智能化方向發展。本研究針對壓差法測量醫用氣體流量的測量原理和結構、工藝等原因引入的不確定度進行分析。

1 壓差傳感器測量原理

差壓式流量計主要缺點是[3]：測量范圍較小，通常量程比為3∶1，安裝要求嚴格(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中，當充滿圓管的單相流體流經在管道中安裝的節流裝置時，流體將在節流件處形成局部收縮，使流速增大。此時在節流件前后產生壓力差，該壓力差可通過差壓計檢測出。流體的體積流量或質量流量與差壓計所測得差壓值有確定的函數關系[4]。函數關系為差壓式流量計的流量測量基本方程式(公式1、公式2)：

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

α值與節流件的形式、被測流體的性質及流動狀態等相關。在一定安裝條件下對于一定的節流裝置其流量系數α僅與雷諾數有關[5]。國家標準提供的流量系數α的數值是流體在節流件上游側100 m處的管道截面上形成典型的紊流條件下取得。當靠近節流件上游側有旋渦式旋轉流等不正常流速時，就會引起流量系數α值的改變。

雷諾數是流量測量中一個重要指標，其表征流體流動時慣性力和粘性力之比，是無量綱數[6]。流體在圓管中流動的雷諾數為(公式3)：

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

典型產品的參數為：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使Re＞500。常規使用的差壓法，無論節流件是孔板還是噴嘴，均為針對大管徑、大流量。由于本方法是對醫用氣體小流量進行測量，被測管徑僅有數毫米，且流速又不很高，這時內部再放置一塊孔板，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，且極易使孔板處產生熱量，而所測氣體為氧氣，不允許溫度過高。當雷諾數非常小(Re＞10)其值遠遠小于標準節流裝置所允許的極限雷諾數時，會造成很大的測量誤差。因此，既不能照搬孔板節流裝置的設計、計算，更無國家檢定規程可遵循進行計量檢定。

經過大量實驗后采用直接在管路上取壓差的方法。假定從一個直管段上取壓，因為直管段中有流動氣體的流動，順其流動方向依次取2點A1、A2，設這兩點的壓力值分別為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，即A1、A2點間隔越大，ΔP就越大。但在實際應用中要求測量裝置體積小巧、靈便。在較長直管段取壓顯然不合適[7]。因此，將直管盤成螺旋型，保證取壓長度足夠大，而結構長度縮小。同時由于氣體在管路中呈螺旋狀活動，受到的阻力又稍有增大，則相應壓差ΔP也將增大，提高了取壓的靈敏度，從而達到預期目的。

2 不確定度分析

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

(1)壓差傳感器法測量氣體流量原理上引入的不確定性度量E1，對此前面典型產品的流量，根據具體的結構參數認為E1由如下分量組成：①流量系數波動而引起的不確定度分量e1。采用的節流件為螺旋管，由于其為非標準節流件，氣體在其中呈螺旋狀流動，必然引起流量系數α的改變[9]。在盤管時適當調整圈數和圈徑，作出測壓穩定性、重復性好的節流元件，則經實測e1≤0.5%；②實驗曲線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醫用氧氣密度與標定時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性引入的不確定度分量e4≤0.3%(公式4)：

故可認為E1＜1%。

(2)實驗靜壓力與使用時靜壓力不一致引入的不確定度分量為E2。實驗時采用氣泵做氣源，氣源的輸出壓力可從0.16 MPa變化到0.6 MPa，如不監測調控可形成5%～10%的不確定度[10]。由于是用于醫院中氧氣流量檢測，從安全考慮應按規定采用輸出壓力0.3～0.6 MPa，并在結構上監測調控源頭靜壓力使其穩定在0.4(±0.25%) MPa。因壓力的變化，在測量中帶來的不確定度分量E2＜0.5%。

(3)結構工藝上的因素引起的不確定度分量E3在氣路元件的結構、工藝等方面盡管采取了密封措施，但由于管路中存在多個氣路接口元件，在測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)電源電壓波動等隨機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 結論

通過分析可認為uc＜1.5%，實際產品設計驗收按2.5級，即uc=2.5%，則有較大的裕度，可以保證有較高的合格率。既滿足了醫用氣體測量實際使用要求，又極大地降低了成本，保證了這種產品在結構設計上的經濟合理性。

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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北京軍區總醫院醫學工程科 北京 100700

商洪濤，女，(1977- )，本科學歷，主管技師。北京軍區總醫院醫學工程科，從事醫學計量工作。