一种新型气体流量测定仪的设计

【作 者】陈维波，项蒙，王武

温州医学院附属第一医院，浙江，温州，325000

呼吸机、麻醉机、肺功能仪等医疗仪器在监测人体通气状况时，气体的流速流量测量具有重要意义。然而，要实现精确、线性、宽量程和稳定的气体流量测定，必须克服设计、生产制造中的诸多困难，流量传感器的设计和测量信号的去噪处理一直是工业界和学术界关注的一个热点课题。

通常，医用设备流量传感器的结构主要有热线式[1]、膜片式和机械转子式等。热线式流量传感器，是利用气体流过热线电阻表面时会带走一定的热量，从而引起热线电阻阻值发生变化，再通过惠斯通电桥测量电压或电流信号，进而计算出气体流速。热线式流量传感器缺点是一致性差、易损坏。膜片式流量传感器是利用文丘里原理测量气体流量的。这类传感器膜片易积水，准确性不高。机械转子式流量传感器根据法拉第电磁感应原理测量流体流速，缺点是传感器体积大，低流速气体的测量误差较大。

要获得精确稳定实时的流量测量数据，信号消噪处理也同样重要。由于受干扰的传感器信号属于非平稳信号，而干扰源与有用信号的频带范围又有可能相互重叠。因此，使用传统的傅里叶变换对这类信号进行去噪时，必然是在降低噪声的同时也展宽了波形，损失了这些突变点可能带有的重要信息。

针对以上主要问题，本文设计了一种基于新型量热式传感器及DSP小波分析信号处理的气体流量测定系统，以Matlab为平台进行了小波去噪仿真对比实验。该方案通过一定的硬件电路和配套软件及算法来实现，具有精度高、性能稳定等优点，特别适合婴幼儿小潮气量低流速的测定。

1 流量传感器测量原理

量热式传感器的实质是利用流体流动时，流体与固体间的热交换，通过测量热量的传递、转移和平衡来求得流体的流量。考虑到国内外现有医疗器械中流量传感器的优势与不足，本文设计的传感器是在一恒定热源两侧对称安放两个相同的温敏芯片，将其置于气流之中，通过检测由气体流动导致的热源与两个温敏元件间热交换的不对称来获得流速信息[2,3,4]。现从传热学角度对该传感器原理作进一步的分析，分析中假定气流为均匀分布的牛顿型流体，且处于层流状态。以一维测量为例，如图1所示。

图1 流量传感器结构示意图Fig.1 Basic structure of fl ow sensor

热源RH置于传感器基片的中心，在其两边对称地放置两个完全相同的温度检测芯片ST1和ST2。传感器与气流之间的热交换主要通过对流进行，热源与温敏芯片之间的热交换可通过传导和对流进行。当气流速度为零，即当气流处于静止状态时，表面附近的流线场及主要由此产生的温度场相对于热源呈对称分布，见图2(a)所示。由于结构上的对称性，通过基片热传导进行的热交换相对于热源始终是对称的。此时感温芯片的温度满足TST1=TST2，即温差△T21= TST2-TST1=0。

当流体流动时,温敏芯片表面附近的流线场及相应的温度场相对于中心热源的分布发生变化，导致倾向性的不对称分布，见图2(b)所示。根据热边界层理论[3]可知，此时上游温敏芯片ST1表面冷却速率高于下游芯片ST2表面，即TST2＞ TST1，温差△T21＞0，且△T21的值随气体流速的增大而增大。如果改变气流方向，△T21正负号取反。

图2 流速不同时的流场分布Fig.2 Flow fi elds at different fl ow velocities

在此利用热平衡方程可以计算出因对流引起的芯片表面的温度再分布，获得温度差与流速的关系式[5,6]：

式中：Vf为流速，Tv0为当流速为零时的温敏芯片表面温度。此式表明，温度差与气体流速的平方根成正比。再由温敏芯片把温差信号转变为电压差信号，这样流速与它引起的电压差信号可作为流量传感器测量的理论依据[7]。

2 硬件电路设计

气体流量测定仪由流量传感器、电压放大器、50Hz陷波器、A/D转换器、TMS320VC5402数字信号处理器、热源控制电路、LCD显示器、键盘、程序存储器和开关电源组成，其框图如图3所示。气体流量测定仪的关键模块设计如下。

图3 气体流量测定仪组成框图Fig.3 Schematic diagram of fl ow meter

图4 流量传感器电路Fig.4 Circuit of fl ow sensor

2.1 流量传感器模块

流量传感器是气体流量测定仪硬件设计的关键，如图4所示。它包括两个全对称的温度传感器ST1和ST2，精密片状铂薄膜热源RH，加热恒流源IH和温度传感器供电电压VDD。工作时，ST1、ST2输出与温度成线性关系的电压信号，则温差电压信号△V21=V2-V1。设计采用了National Semiconductor公司的CMOS型模拟温度传感器LM94021，温度测量范围-50oC到150oC(在-50℃到70oC下，精度±1.8oC)。当增益设置GS1=0，GS0=0时，输出电压与温度的关系为：

式中T为Kelvin温度，△T21为温敏传感器ST2和ST1的温差。同时LM94021采用SC70小封装，面积约2.5 mm2，热惯性小，具有极好的温度响应速度、灵敏度和输出阻抗，适用于温度的精密测量。由于热源RH的阻值直接影响热源的加热功率，设计中采用高精度片状铂薄膜电阻构成。根据焦耳定律，电阻的发热功率P=IH2*RH。热源的加热功率在测量过程中保持恒定，明显提高流量传感器的精度和稳定性。显然，在流速一定的条件下，热源功率越大，Tv0越大，根据式(1)，△V21绝对值也越大。

2.2 电压放大电路及50 Hz陷波器

放大器选用OP07，放大倍数设为10倍，带调零电路。50 Hz陷波器采用有源二阶反相陷波器MXT050。

2.3 A/D采样电路与DSP的接口

A/D转换器采用是美国AD公司BiMOS工艺12位模数转换芯片A/D1674，采用逐次比较方式工作，内含采样保持器，采样频率100 KHz，精度达0.05%。DSP处理器采用美国TI公司TMS320VC5402，支持C语言编程。图5给出了本系统采用的完全受控工作方式下AD1674双极性输出与VC5402的接口电路图。DSP通过数据线从16位总线收发器74ACT16245读取AD1674转换数据，通过CPLD（Complex Programmable Logic Device）与瑞泰创新公司的ICETEK-5100PP仿真器连接[8]。

图5 A/D与DSP的接口电路Fig.5 Interface circuit of A/D and DSP

2.4 热源控制电路

本模块采用基于TMS320VC5402的恒流源输出子系统。DSP的I/O引脚通过8路电平转换芯片74LVC245与数模转换芯片DAC0832连接，输出电流模拟量Iout，经功放TDA2030a放大后作为片状铂薄膜热源RH的输入恒流源IH。热源RH的发热功率由TMS320VC5402设定控制。

图6 恒流源控制电路Fig.6 Control circuit of constant current supply

2.5 LCD显示器、键盘与程序存储器电路

由于键盘和LCD显示器都是慢速外设，与快速的DSP连接时存在速度匹配问题，特别在键盘延时10ms以上时，为此，设计时附设了一个接收键盘值的微控制器89C2051，编码后送给DSP；DSP通过74LV373锁存器将数据送给LCD。程序存储器采用ADM公司的Am29LV160D Flash，在Code Composer Studio(CCS)环境下，将仪器程序和上电加载程序刻录到Flash中，待DSP上电后从中读取程序代码。

3 软件设计与处理算法

3.1 软件设计

软件开发平台为TI公司专门提供开发DSP的软件平台CCS，使用汇编和C语言混合编写DSP程序的编译、汇编并链接成为可执行的DSP程序。根据系统要求和实际的硬件结构，设计了图7所示的软件总流程图。为了与AD1674进行正确的通信，VC5402还必须进行如下初始化。

1) 将VC5402的工作时钟调整到100 MHz。VC5402上电复位后，按照CLKMD1、CLKMD2、CLK-MD3的设置(110)而工作在PLLx1模式下，即工作在与外部晶振频率(10 MHz)相同的频率上，这时需软件调整DSP的工作频率。

2) VC5402的CPU控制寄存器的初始化。

3) 全局中断使能，初始化中断屏蔽寄存器(IMR)，本文中把外部中断0(INT0)分配给AD1674。

为了防止数字信号处理器RAM中的重要数据在受干扰时被冲毁，在程序中把相应的数据做了备份，存入片外的“看门狗”芯片X25045中，并在系统下次复位后恢复数据。

图7 软件流程图Fig.7 Software fl ow chart

3.2 处理算法

处理算法部分是气体流量测定仪精确测量的关键。由于受干扰的传感器信号属于非平稳信号，且干扰源与有用信号的频带范围相互重叠。由于小波变换具有局部时频分析能力，因此采用小波变换采样信号进行降噪处理[9,10]。连续小波变换的表达式为：

式(4)中x(t)为分析的信号，ψa,b*(t)为基本小波函数。一般，采用小波去噪的过程可分为3个步骤：

1) 信号的小波分解。选择一个小波并确定分解层次，然后进行分解计算。经过对几种常用小波的分析比较，本文中选用支撑长度、对称性、正交性等综合考虑能保证去噪效果的symlet小波作为小波基函数。考虑到计算量及DSP处理器运算速度和内存容量，确定分解层数为3，如图8所示。去噪后的信号能很好地保留原信号的时域信息。

图8 对流量信号进行3层分解简图Fig.8 Layer 3 of the fl ow signal decomposition diagram

2) 小波分解高频系数的阈值量化。对各个分解尺度下的高频系数，选择一个阈值进行软阈值量化处理。根据实际情况对几种阈值去噪法的比较，选用Matlab中的无偏似然估计原则(rigrsure)进行去噪处理。

3) 小波重构。根据小波分解的底层低频系数和各层高频系数进行小波重构。

4 仿真对比实验

以Matlab7.0作为仿真平台，选择含有噪声的仿真信号noisbloc（如图9）作为原始信号，分别使用FFT和小波分析法对信号进行去噪处理。小波基函数是sym6，分解层数为3，无偏似然估计（rigrsure）作为阈值。Matlab去噪命令：

得到的xd为去噪后的信号，对比结果如图10所示。

由图10可以看出，symlet小波分析去噪的效果明显优于快速傅里叶变换。为了更加精确地表示去噪结果，可以计算去噪后信号的信噪比(RSN)和均方根误差(RMSE)。

图9 原始信号Fig.9 Original signal

图10 去噪方法对比Fig.10 Comparison of different denoising methods

设原始信号为x(n)，去噪后的信号为x’(n)，则信噪比定义为：

原始信号和去噪信号的均方根误差定义为：

信号信噪比越高，均方根误差越小，去噪信号就越接近原始信号，消噪效果越好。表1给出FFT和symlet小波分析去噪后信噪比和均方根误差的比较。从表中可以看出，rigrsure阈值symlet小波分析降噪结果的信噪比和均方根误差指标均优于FFT。

表1 不同去噪方法RSN和RMSE的比较Tab1.Comparison of RSN and RMSE

5 结论

本文设计的方案克服了传统气体流速测定仪（模块）的缺陷，信号处理算法通过Matlab仿真得到验证，具有精度高、性能稳定和较高的信噪比等优点，可应用于呼吸机、麻醉机、气体分析仪和肺功能仪等监测分析人体通气状况的医疗仪器，特别适合小潮气量低流速的测定，如新生儿呼吸机、旁流气体检测仪（模块）等。

[1] Van Dijk A,Nieuwstadt F TM.The calibration of (multi-) hot-wire probes.1.temperature calibration[J].Experiments in Flids, 2004,36(4): 540-549.

[2] 黄金彪, 李斌, 童勤义, 等. 全集成式流量传感器[J]. 半导体学报,1989, 10(1): 55-60.

[3] HUANG Jin-biao, TONG Qin-yi.Integrated multi-function sensor for fl ow velocity,temperature and vacuum measurements[J]. Sensor and Actuators, 1989, 19:3-11.

[4] 于梅芳, 沈克强. CMOS流量传感器的传热特性分析[J]. 固体电子学研究与进展, 1995, 15(4): 412 416.

[5] Van Oudeusden B W.The thermal modeling of a fl ow sensor based on differential convective heat transfer[J]. Sensor and Actuators A,1991, 29:93-106.

[6] Van Oudeusden B W.Silicon thermal fl ow sensors[J]. Sensor and Actuators A, 1992, 30:5- 26.

[7] 赵梦恋, 等. 一种低流速气体流量传感器的研制[J]. 浙江大学学报(工学版), 2005, 39(2): 180-184.

[8] 麦毅强, 等. TMS320VC5402与模数转换器AD1674的接口设计[J]. 应用科技, 2005, 32(7): 35-37.

[9] 黄涛, 王刚. 空气流量传感器智能测试系统的设计[J]. 自动化与仪表, 2010, 25(3): 52-55.

[10]高成.Matlab小波分析与应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007.

[11]张勇, 陈天麒. C/C++语言硬件程序设计[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2003.

[12]程德福. 智能仪器[M]. 北京: 机械工业出版社,2009.