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肺活量测量系统的概述【摘要】自1718年测出肺活量值之后，随着科学技术的不断发展，肺活量检测技术也层出不穷。肺活量检测对于人体健康评估具有很大的意义，但是如何提高肺活量计的精度、减小装置体积、降低成本，仍是重要的研究课题之一。本文整理了各种肺活量计的发展历史、制作原理、最新技术的应用及发展前景。【关键词】机械式肺活量计；电子肺活量计；压差式；节流装置【Abstract】Since 1718 the value of vital capacity was measured,with the development of science and technology, vital capacity detection technology is endless. vital capacity detection is of great significance to humans health assessment test, but how to improve the accuracy , reduce the volume and the cost, still is one of the most important research projects. This sorted out the history of development, the principle of various spirometer, the application of the latest technologies and development prospects. 【Key word】mechanical pneusometer; Electronic lungs;Pressure-Gradient; throttling device 1 肺活量计的发展历史肺活量计的发展历史大致可以分为以下二个阶段：机械式肺活量计发展时期（1819世纪） 、电子肺活量计发展时期（20世纪21世纪）。在机械式肺活量计发展时期，人们刚刚意识到肺活量跟人体健康的重要关系，开始检测尝试检测肺活量值，随着机械制造技术的发展，机械式容积肺活量计得到较大的发展。18世纪初，James Jurin通过导管向一个倒置在水槽的容器吹气的方法，测得自己的肺活量值。18世纪40年代,Daniel Bernonilli制作了水置换式肺活量计。18世纪50年代，肺活量的概念正式被提出，Huichinson运用重量抵消法制作了水封式肺活量计。直到20世纪才进入电子肺活量计发展时期，随着电子技术的发展，才逐渐完善起来。20世纪初 ，Tissot Bohr设计出了具备图形记录装置的密闭式肺活量计。40年代后期，发明了直接测量压差信号的装置。80年代初，Martfn Beck等人在Karman涡街流量计的基础上，研制了超声旋涡流量计.90 年代中后期，气体超声流量计因精度高、重复性好等优势，得到了较为广泛的发展。21世纪，美国航空航天局经过深入研究、大量试验，发明了新型A+K多函数孔圆盘式平衡流量计，在减小永久压力损，提高量程比、测量精度、稳定性，耐污堵等方面均有极大改善。2 肺活量计测量原理肺活量计在体检测试中具有重要的用途，为了更精确、更方便地测量肺活量，各种类型的肺活量计相继问世。在国外生产肺功能仪比较好的有美国美科公司和日本CHEST公司，产品的实现基本上使用的都是差压法。国内最近有两种电子肺活量计面世：南通衡器厂FCS-10000型电子肺活量计； 申仙医疗器械厂FLI-B型电子肺活量计。根据结构原理，肺活量计大致可以分为机械式容积肺活量计和流速测定型肺活量计：下面具体介绍机械式容积肺活量计和流速测定型肺活量计这2种方法。有图的要表明图几。表格要说明是表几，公式后面要表明（1）、（2），公式要用公式编辑器，公式编辑器没有的我传给你们。参考文献要在论文中标上上标。2.1 机械式容积测定型肺活量计通过置换法直接测得气体体积的肺活量计称为容积测定型肺活量计（见图1）。一个带有刻度装满水的密闭测量浮筒，通过一个吹气装置向容器里吹气，根据排出水的体积计算气体的体积，从而测得肺活量值。吹气口水槽测量浮筒气体流向 图1 机械式容积肺活量计原理图由于缺点较为突出：体积大，重量重，系统误差大，易引发交叉污染，机械容积式肺活量计已逐渐地被淘汰。2.2 流速测定型肺活量计流速测定型肺活量计是指通过节流法，先测得流经某一管路是气体的流速，然后通过对气体的流速进行计算来求得总的气体体积流量。此类肺活量计也称间接式肺活量计。2.2.1节流装置在国外，17世纪初，卡斯特利、托里谢利提出两条奠定节流装置理论基础的基本原理：流速乘以管道横截面积等于流量；通过孔眼的流量与压头的平方根成正比。19世纪40年代就研究出了第一个喷嘴。国内差压式流量计发展较晚，20世纪70年代才开始对孔板的研究。目前，标准节流装置的国际标准ISO5167-1，我国国家标准GB、T2624-93.规定了生产、安装和使用标准节流装置的要求和方法。 影响节流装置的因素有很多，如雷诺系数、公称通径、流量系数、压力损失等等。 雷诺系数 通常，雷诺系数在20004000范围内。 雷诺系数表达式 其中，是特征速度，是特征长度，是质量密度，是粘度。 公称通径 公称通径决定了节流装置的尺寸。各种适合节流装置的公称通径范围不同。孔板为501000mm的通道，文丘里管的公称通径为1001200mm. 常用的节流装置有文丘里节流管、孔板节流管、喷嘴节流管。A+K多函数孔圆盘式平衡流量计是最新的技术，巧妙将传统整流器和节流件一体化，性能较好，但是目前未普及。各种节流装置的性能对比见表1。表1节流装置对比类型文丘里孔板喷嘴A+K节流原理缩管节流中心节流中心节流平衡节流管径范围50120050100050500153000精度等级1%2%1%2%1%2%0.3%0.5%长期稳定性好差差好耐脏耐堵性好差差好雷诺系数范围88221体积大小中中价格高低中高使用寿命长短中长2.2.2流速测定型肺活量计可分为以下几种： 差压式肺活量计吹出的气体通过管路时，气体压力发生一定的变化，通过检测压力变化而而得出流量的肺活量计叫做压差式肺活量计。气体流经节流装置时（见图2），流束产生收缩，并在一次装置前后产生压差，用信号管路将取压孔与差压计进行连接，测量差压，气体压力的变化与流速之间有如下关系： （1）式中： 为流量系数；为流速膨胀系数；为开孔状态下节流件开孔面积； 为节流件上流侧取压处流体密度；= 。V差压计信号管一次装置图2 差压式肺活量计原理图 热敏式肺活量计基于热传递原理。传感元件是2个精密热电阻RTD。其一是流体介质温度传感元件，另一个是加热兼传感元件，组成惠斯登电桥的两个桥臂，控制加热传感器的加热功率，以使加热传感器和参比温度传感器间保持恒定温差。流体流过加热传感器所带走的热量和流体的流速和密度之积的m次方成正比，流体的质量流量变化时，必须同时改变加热传感器的加热功率，才能保持温差不变。根据测得的加热功率间接可以测得气体流量。检测元件总热损失与流速有如下关系： （2） 式中：k为流体导热系数；A为被加热元件面积；B为传感器支撑件的自然对流、热辐射和热传导总的热传递常数；C为常数；d为传感器直径；为流体黏度；为元件表面温度；为介质温度；A为管道有效截面积。 漩涡肺活量计（涡街肺活量计）具体介绍漩涡肺活量计原理 超声肺活量计具体介绍超声肺活量计原理三 总结与展望传统的机械式容积肺活量计已逐渐被小巧的电子肺活量计所取代。目前较为普遍使用的是差压式电子肺活量计。在节流装置的制作方面，各种最新技术相继问世，值得一提的是，美国航空航天局经过深入研究，大量试验的成果：A+K多函数孔圆盘式平衡流量计，巧妙将传统整流器和节流件一体化，创新化，相信随着价格的降低，会在测量肺活量方面得到越来越多的应用。漩涡式肺活量计目前技术尚未成熟，但随着各种技术的解决，相信在未来会具有很大的发展前景；热敏式肺活量计目前国内售价太高， 应用较少，相信随着科技的发展，技术的成熟，具有巨大的发展前景。参考文献:1 程春雨.便携式高精度电子肺活量计的设计与实现.大连理工大学,2002年2 包家立等.超声法测量Karman漩涡脱落频率的研究.浙江医科大学,2001年3 王曙华等.气体流量计选型应用.全国性建材科技期刊,2009年4 吴海莉.肺活量的三种简易测定方法,2005年5纪纲著.流量测量仪表应用技巧.北京:化学工业出版社,2003年6邝小磊,聂玉强,连之伟.差压式流量计误差产生机理分析及改进.工业安全与防尘. 2001年7 HoneywellIne.压力传感器.北京:霍尼韦尔中国公司.1997年6月.第7页,第40一47页8 苏彦勋.流量计量与测试.北京:中国计量出版社,1992年9 郑劲平.肺功能检测原理与常用仪器.医疗器械,1999年,第23卷第5期:第284一288页10 王铁军等.五种肺功能仪之定标值比较研究.医疗器械,1992年,第16卷第6期:第344一345页11 A. Sangiovanni-Vincentelli and A. Ferrari. System DesignTraditional Concepts and New Paradigms. Proc. Intl Conf. Computer Design, IEEE CS Press, Los Alamitos, Calif., 199