【应用】微差压传感器SM5852-015用于呼吸流量及呼吸率的检测，量程仅0.05PSI

时间： 2019-12-08 来源：世强

技术问答

一、方案简介

本方案利用微压差传感器实现呼吸流量及呼吸率的检测。由于呼吸所产生气体流速较小，所以我们需要选用量程较小的，灵敏度较高的差压传感器。SMI公司生产的SM5852-015 采用CMOS数字信号处理技术，内置多级压力非线性修正，量程仅为0.05PSI(1.5 inH2O，关于该量程说明如图1所示)，量程越小，采集微弱信号时更有优势，非常适合应用到本方案。而且SMI公司该系列传感器已被广泛的应用于呼吸机、麻醉机等医疗设备。

图1 SM5852-015 量程

另一方面SMI公司的微压差系列传感器与其他厂家的同参数传感器相比，价格更有优势（例如对比霍尼韦尔的SCXL004DN）。

二、方案原理

本设计是采用孔板流量计的原理测量呼吸气流的流量。

孔板流量计是一种压差式流量计，即在流道上安装一个节流元件，利用流体流过节流孔板时，节流孔板前后的差压来测定流量，基本原理如下图所示。

图2 孔板流量计原理

根据孔板流量计的理论体积流量公式（不计能量损失）如下，即可计算出当前流量。

图3 孔板流量计公式

其中，ρ是流体的密度（kg/m³），ΔP 是两截面的压差（Pa），d₁为管道直径(mm)，d₂为节流板孔直径(mm)。

（公式引自高等教育出版社出版的“工程流体力学（第二版）”（主编：陈卓如）p484页14-16(将式中的△h用P=ρgh推导为△P)）。

三．方案实现

3.1 电路原理

本方案关键技术点在前端信号采集部分，所以仅展示前端电路（见下图），后级单片机电路不做展示。

图4 信号采集原理图

SM5852输入电压为5V，信号可以通过IIC或模拟输出，这里我们采用的是模拟输出，信号模拟量输出范围为0.5-4.5V，为方便3.3V单片机采集，所以通过R2与R3进行2/3分压后输出。

注意C2、C3、C4去耦电容layout时应尽量靠近传感器。

3.2 电路PCB

下图为SM5852-015的PCB图

图5 PCB图

3.3 安装示意及实物展示

将装有节流孔板的直管安装于医用呼吸面罩上，然后将SM5852-015的两个引压气嘴连接至节流孔板两侧的压力采集孔，节流板管件的两个压力采集孔间距是按照SM5852气嘴的间距设计的，所以可以直接将传感器插到管件上，然后通过单片机的ADC采集实时的压差信号送至PC。

图6 传感器安装示意 1

图7 传感器安装示意 2

图8 实物展示

四．压差及流量计算

4.1 节流孔板前后端压差计算

SM5852输出为电压信号，根据量程（0.05PSI≈344.7Pa）及满量程电压（正负单边2V）计算压差。

压差（Pa）=（输出电压-零点电压）/单边满量程电压*量程=（输出电压-2.5V）/2V*344.7Pa

由于采集电压为输出电压的2/3，所以

压差（Pa）=（采集电压*3/2-2.5V）/2V*344.7Pa

4.2 流量计算

流量计算需要的参数如下：管道内径（15mm），节流板孔径（6mm），流体密度（空气密度约为1.29Kg/m³），节流孔板前后压差（由4.1计算得出）。

将以上参量代入图3的公式即可计算出瞬时流量。

五．试验数据

试验人员佩戴呼吸面罩，将呼吸过程中采集到的压差信号送到PC进行绘制图形，数据展示如下：

图9 呼吸波形

通过实时压差信号即可计算出当前人员的呼吸率，同时也可计算出实时流量曲线，展示如下。

图10 实时流量波形

六．小结

利用孔板流量计原理，同时采用SM5852-015微差压传感器可检测到实时呼吸信号，通过呼吸信号又可得出一系列的临床参数，包括气道压力、呼吸流速、峰流速、潮气量、分钟通气量、呼吸频率、呼吸比等。

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Lin Lv3. 高级工程师 2020-12-31

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