CN100573130C - 湿度传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于检测气体绝对湿度的方法和装置，其中对气体的相对湿度加以测量，对湿度换能器进行加热，对最终温度加以测量，以及根据加热换能器的能量、换能器的温度以及相对湿度，来计算绝对湿度。在其它的实施例中，可把湿度换能器加热到巴斯德消毒法温度，以基本上杀死湿度换能器上的任何常见的病原菌。可以对传感器的运行连续地加以监视，以使其正确地运行，并公开各种用于提高运行效率的结构。

Description

湿度传感器

本申请是申请号为01136489.0、申请日为2001年10月19日、发明名称为“湿度传感器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明特别涉及对热湿度传感器的使用，但不仅涉及对具有用于辅助病人呼吸的呼吸增湿器的热湿度传感器的使用。

背景技术

此处，描述了允许对拥有周围环境温度之上的一个露点的气体中的湿度进行测量的热湿度传感器。所存在的与这样的气流相关的问题包括：在高相对湿度的情况下具有较低的检测精度，以及可能出现流到传感器上的液体冷凝物。

在高露点气体中进行测量时的另一个缺点是传感器可能发生故障或读取到错误的数据。

例如，这样的湿度传感器可作为一个可控制湿度的医用增湿器的一部分加以使用。这引发了设计上的限制(例如较小的尺寸)、鲁棒性问题、以及如何为防止病人之间的交叉感染进行消毒的消毒能力问题。

当把一个医用增湿器与一个呼吸器一起加以使用时，气流和绝对湿度可能会周期性地迅速变化。通常，这些变化的发生快于湿度传感器的响应时间，这给出了其周围湿度的一个″时间平均值″。这意味着某些关键的湿度参数(例如在气流周期的吸入部分期间的平均绝对湿度)是不能得以测量的。

在序号为4,143,177的美国专利中，描述了电容型湿度传感器，并描述了如何把一个加热器和温度传感器并入湿度传感器以允许在周围气体温度之上的一个温度上对湿度传感器进行稳定的温度控制。这将可使湿度传感器避免在高湿度气体中的冷凝。可以围绕湿度传感器或在湿度传感器之下建造一个加热器。该专利还描述了如何同时把加热器元件用于测量温度，即如何把加热器元件与温度传感器结合在同一元件中。

在序号为5,777,206的美国专利中，也描述了一个加热的电容型湿度传感器。一个单一的电阻器既用作加热器也用作温度传感器，用于控制在气体温度之上的湿度传感器的温度。序号为5,777,206的美国专利还描述了根据传感器的温度信息计算绝对或相对湿度。进一步的描述还包括一种用于根据提供于加热的电容传感器的热量判断气体流速的方法，以判断流经传感器的气体流速。而序号为5,777,206的美国专利使用了一个电阻器提供对传感器的加热度和温度的测量，序号为4,143,177的美国专利使用了一个P-N半导体二极管结提供同样的功能。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一个有益于克服上述先有技术中的缺点或至少将向该行业提供一种有用的选择的热湿度传感器。

因此，在第一种情况中，本发明提供一种湿度检测设备，用于检测气体流的绝对湿度，包括：

湿度换能器，该湿度换能器提供一个第一信号，该第一信号指示所述气体流的相对湿度，

加热装置，该加热装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并适用于依靠所提供给它的激发能量而加热所述湿度换能器的至少一部分，

温度检测装置，该温度检测装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并提供一个第二信号，该第二信号指示所述湿度换能器的温度，以及

控制装置，该控制装置具有存储装置，并适用于执行存储在所述存储装置中的指令，所述指令包括下列步骤：

(i)把第一所述激发能量提供给所述加热装置，以把所述湿度换能器加热到一个运行温度；

(ii)接收所述第一信号和所述第二信号；

(iii)根据所述第一信号和所述第二信号，计算所述气体流的绝对湿度的一个估计值；

(iv)存储关于一个时间周期内的所述绝对湿度的信息；

(v)基于所述第二信号或提供给所述加热装置的所述激发能量中的至少一项，估算所述气体流的流速；

(vi)把关于所述时间周期内的所述气体的流速的信息存储在所述存储装置中；以及

(vii)基于在所述时间周期的期间存储的所述气体流速的所述信息，以及在所述时间周期的期间存储的所述绝对湿度的所述信息，计算所述时间周期的期间所述气体流的校正的绝对湿度值。

在第二种情况中，本发明可以被广泛地认为在于一种湿度检测设备，用于检测气体的绝对湿度，包括：

湿度换能器，该湿度换能器提供一个第一信号，该第一信号指示所述气体的相对湿度，

加热装置，该加热装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并适用于依靠所提供给它的激发能量而加热所述湿度换能器的至少一部分，

温度检测装置，该温度检测装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并提供一个第二信号，该第二信号指示所述湿度换能器的温度，以及

控制装置，该控制装置适用于把第一所述激发能量提供给所述加热装置，以把所述湿度换能器加热到一个运行温度，并接收所述第一信号和所述第二信号，以及计算基于其上的所述气体的绝对湿度的估计值，

其中，所述控制装置适于至少在所述设备的操作期间的某一点，根据所述第一信号、所述第二信号和/或提供给所述加热装置的所述激发能量中的至少一项，确定该设备是否正确运行。

在第三种情况中，本发明可以被广泛地认为在于一种用于向病人提供气体流的气体传送设备，包括：

气体供应装置，该气体供应装置适用于按所希望的压力提供气体流，

增湿装置，该增湿装置具有一个进气口和一个出气口，该进气口适用于与所述气体供应装置进行流体交换，因而，当所述气体流穿过所述增湿装置时，所述增湿装置提供水蒸汽以增湿所述气体流，

导管，该导管适用于连接到所述出气口，并从那里接收所述气体流，该导管包括一个内侧和一个外侧，该导管通过该内侧传送所述气体流，并包括一个位于该内侧中的探出物，以及

湿度检测装置，该湿度检测装置适用于放置在所述内侧中，提供所述气体流的绝对湿度的一个估计值，在使用中，所述湿度检测装置并置在所述探出物之下，因而所述探出物基本上防止任何液态水沿所述导管流到所述湿度检测装置上。

在第四种情况中，本发明可以被广泛地认为在于一种检测气体的绝对湿度的方法，包括下列步骤：

使用一个湿度传感器检测所述气体的相对湿度，

把所述湿度传感器的至少一个部分加热到一个运行温度，

根据所述相对湿度与所述温度，确定所述气体流的绝对湿度的一个估计值，所述绝对湿度确定具有一个响应时间，

存储关于一个时间周期内的所述相对或绝对湿度，

检测所述气体的流速，所述流速具有明显低于所述湿度的响应时间，

存储关于所述时间周期内的所述流速，以及

根据所述流速和所述存储的湿度，对在所述时间周期的一段时间内的绝对湿度值进行内插。

在第五种情况中，本发明可以被广泛地认为在于一种检测气体的绝对湿度的方法，包括下列步骤：

使用一个湿度传感器检测所述气体的相对湿度，

把所述湿度传感器的至少一个部分加热到一个运行温度，

根据所述相对湿度和所述温度，计算所述气体的绝对湿度的一个估计值，并根据所述相对湿度、所述温度、和/或加热所述传感器所需的能量中的至少一项，检测设备是否运行正确。

在第六种情况中，本发明可以被广泛地认为在于一种检测气体的绝对湿度的方法，包括下列步骤：

按所希望的压力提供气体流，

增湿所述气体流，

通过导管的内侧传送所述气体流，并在该内侧中设置一个探出物，

在所述探出物之下设置一个湿度传感器，因而所述探出物基本上防止任何液态水沿所述内侧流到所述湿度传感器上，及

至少基于所述湿度传感器的输出，提供所述气体流的绝对湿度的估计值。

那些熟悉本发明所涉及的技术的人将会领悟到：在不背离本发明的范围(如所附权利书中所定义的)的情况下，可以在结构上对本发明的实施例和应用进行多方面的修改，并可生成本发明的多种不同的实施例。此处所给出和所描述的是纯说明性的，将不受任何特定情况的限制。

本发明包含先前的描述以及以下所给出的例子的结构。

附图的简要描述

现在，将参照附图对本发明的一个推荐的形式进行描述，在这些附图中：

图1是正在使用中的符合本发明的推荐的实施例的导管的一个剖面图，

图2是符合本发明的推荐的实施例的湿度传感器的一个近侧面图，

图3是符合本发明的推荐的实施例的一种用于把增湿的气体提供给病人的系统的示意图，以及

图4是符合本发明的推荐的控制系统的一个结构图。

具体实施方式

本发明涉及一种湿度传感器，这种湿度传感器的设计旨在：

1.能够在高露点状态下运行，其中相对湿度可以很高，而且可以出现液态水。

2.能够检测传感器的错误读出或所出现的故障。

3.具有良好的性能、结实耐用、并且具有消毒能力。

4.当气流周期性地迅速变化时，通过正确地把从湿度传感器所读出的值与气流波形的信息结合起来，能够检测瞬时绝对湿度波形的关键参数。

在先有技术中，聚合物吸收传感器是人们所熟悉的，它由两个部分组成：一个能渗透水蒸汽的聚合物阵列，以及一组电检测电极。被吸收到聚合物阵列中的水蒸汽的数量由与聚合物阵列密切接触的气体的相对湿度所决定。电极允许对与聚合物阵列中水蒸汽的数量相关的电气特性进行测量。通常，需对电极的电容加以测量，因为聚合物阵列的介电常数随含水量而变化。也可以对电阻和电感进行测量。

如所描述的，本发明包括一个相对湿度传感器1(以与一个加热器2密切热传导的方式加以安装)以及一个独立的温度传感器3形成传感器组合件11。测量电路4连接于湿度传感器1，并按相对湿度5给出一个输出。一个可调整的电源供给装置6连接于加热器2。测量电路7连接于温度传感器3，以在其输出端给出一个温度信号8。控制系统9取出温度信号8，并生成一个控制信号10，以致于温度信号8在所希望的温度上保持不变。在该方式中，把组合件11的所有元件保持在一个恒定的温度上。较佳的做法是令一个相对湿度传感器1为聚合物吸收型。较佳的做法是令检测机制使用电极12测量聚合物阵列13的电容，但也可以使用的电阻或电感对聚合物阵列进行测量。

如果相对湿度和温度都是已知的，则可计算气体的绝对湿度，该计算基于人们所熟悉物理原理。由于其运行方式，聚合物传感器按聚合物阵列13的温度测量被测气体的相对湿度。因此，可以根据传感器1所测量到的相对湿度和温度传感器3所测量的传感器1的温度，计算气体的绝对湿度。

如果通过把热量施加于加热器2来加热聚合物阵列，那么所测量的相对湿度将降低，但所计算的绝对湿度将维持不变，因为气体的绝对湿度没有改变。尽管我们仍从传感器得到相同的绝对湿度读数，但存在着来自加热传感器的许多优点。首先，可以防止在传感器上形成冷凝物。其次，我们可以测量具有周围环境温度之上的一个露点的气体的湿度。第三，通过把传感器保持在一个很高的温度上，我们可以在低相对湿度区域中运行它，其中，大多数传感器更精确和更线性化。

可把这样的一个传感器用于测量任何气体的绝对湿度。但较佳的做法是，把这种传感器用于测量医用气体。较佳的做法是，令医用气体也是呼吸气体，例如在一个病人的呼吸回路中所发现的。可以使用一个呼吸回路把一个病人连接于一个流动的气源或一个呼吸器。

较佳的做法是，在被测气体的温度之上加热传感器，但也可以把它加热到任何所希望的温度。较佳的做法是，令温度传感器3和加热器2是独立的部件，并把这两个部件作为由组合件11的一部分热连接。序号为4,143,177和5,777,206的美国专利都描述了把温度检测和加热功能组合在一个单一部件中的系统。

由于当加热器关闭时，将会存在组合件11处于一种包含液体水的环境中的时刻，因此，湿度传感器1是一个防水传感器将是至关重要的。这样的传感器仅在最近才成为可能。这样的一个传感器可从液体水的接触中迅速恢复过来，这种传感器将不会对湿度的测定产生长久的影响。

如所描述的，可以以多种不同的方式安装传感器。在第一个实施例中，可把一个探针110插入一个管109的一个孔18中，以测量气体内14的湿度，如图1中所示。一种可选的配置是，把一个传感器永久性地安装一个管中。使用任何一种配置，都可按所希望的把检测元件朝向管子中的一个特定方向加以放置。例如，一个水平朝向的检测元件1将导致组合件11上的液体水从探针上流下来，而不是流到检测元件上。为了允许软管中的一个探针型传感器的正向位置，可以使用一个键15和键槽16，如图1中所示。

存在着另外一种防止液体水流到湿度探针因而影响湿度读数的方法。例如，考虑图3中所示的装置。图3描述了一种用于把增湿的气体传送给病人100的一个呼吸系统，该系统包括一个气体供给装置102、一个增湿器104、一个把气体供给装置102连接于增湿器104的导管106、以及一个把增湿器104连接于病人100的导管108。在图3所示的配置中可以看到：从增湿器104传送空气流的一个导管108在紧邻增湿器104的一段109上大体上是垂直的。在本发明所推荐的该实施例中，一个湿度传感器110将放置在该垂直的段109上。在该方式中，任何将在该垂直段109冷凝的液体很可能将沿导管108侧壁流动，然后，其中的某些将最终流到湿度传感器110上。为了防止该现象的发生，可使用位于湿度传感器110之上的导管108中的一个探出的唇状物112改变液体水的流动方向，使液体水围绕检测组合件流动。

在一个医用环境中，重要的是能够消毒湿度传感器。传统的方法，例如用高压锅消毒，对于湿度传感器来说是非常粗糙的。较佳的做法是，令组合件11使用136℃的蒸汽以在高压锅中消毒时能够保持完好。其它一些常用的消毒探针的方法是把探针浸泡在消毒剂中，较佳的做法是，令组合件11经过该处理后仍保持完好。

消毒热湿度传感器的另一种方法是，在通常的病原菌(细菌和病毒)的巴斯德消毒法温度之上加热热湿度传感器。最顽固的细菌军团菌可以在60℃的温度下被杀死。

在病人之间防止由组合件11导致的交叉感染的另一个不太称心的方法是，用一个可渗透蒸汽的薄膜包住组合件11。其中，薄膜将不允许病原菌穿过。对于一个湿度传感器探针来说，半渗透的薄膜可以是一个放置在探针之上并附接于探针的罩子，或也可以把该罩子附接于放置湿度探针的软管上的孔上。

减少可能的交叉感染的又一种方法是，使用杀菌的合成树脂构造传感器组合装置。

当把一个湿度传感器用作一个湿度控制系统的一部分时，重要的是能够检测湿度传感器是否能够正常运作。如果把湿度传感器用于控制一个医用增湿器，该点是特别重要的，因为过高水平的绝对湿度可能导致病人的灼伤，而且不够的绝对湿度水平还可能导致身体组织的脱水。

检测所描述的检测组合件是否给出了不正确的读数，有多种方法。一种是去除或减少提供给加热器2的能量，以降低组合件11的温度。当相对湿度达到100％时，我们应已达到气体的露点温度，使用温度传感器3可以测量出该湿度。如果相应于该露点的绝对湿度明显不同于由正常运行中的传感器所测量的绝对湿度，那么肯定是传感器出现了故障。

如果水覆盖了一个传感器1的表面，那么传感器所读出的将是100％的相对湿度值。如果所测量的是100％的相对湿度，那么可增加提供于加热器2的热量，以至于组合件11的温度能够得以增高。如果在传感器已被加热到一个足够高的温度之后相对湿度读数保持在100％，那么可断定传感器出现了故障(或覆盖在水中)。

如果发现传感器出现了故障，那么可中断提供给加热器2的能量，而且可把温度传感器3用于估计气体的露点。可以把这转换成一个假设100％相对湿度的绝对湿度。真正的绝对湿度将刚好等于或小于所估计的绝对湿度，因此该方法提供了防止病人灼伤的湿度控制的一个上限。

当把一个医用增湿器与一个呼吸器一起使用时，流速和气体14的绝对湿度可周期性地迅速改变。这些变化的发生通常快于湿度传感器1的响应时间，这给出了围绕它的湿度的一个″时间平均值″。但在这些情况中，在气流周期的吸气部分期间，人们通常希望知道某些参数，例如，湿度的峰度或平均湿度。

如果通过瞬时气流测量或通过其它的气流参数信息知道了关于流速的某些参数，那么正确地把这些信息与从湿度传感器读出的读数结合在一起是可能的。这允许对某些关键的湿度参数(例如，在气流周期的吸气部分期间的平均绝对湿度)进行估计。所需要的算法可以使用一个方程估计所需参数的值，或使用一个查找表。

可以使用一个流速传感器直接测量气流，例如通过测量一个被加热物体的热损耗。热湿度传感器，如所描述的，是这样的一个被加热的物体，需要把传感器组合件保持在一个特定温度上所需的能量将给出对气体流速的一个指示。也可以使用一个独立的气流传感器，或从呼吸器电气地获得这些信息。

Claims (9)

1.一种湿度检测设备，用于检测气体的绝对湿度，包括：

湿度换能器，该湿度换能器提供一个第一信号，该第一信号指示所述气体的相对湿度，

加热装置，该加热装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并适用于依靠所提供给它的激发能量而加热所述湿度换能器的至少一部分，

温度检测装置，该温度检测装置与所述湿度换能器相关联或与所述湿度换能器牢固地热传导，并提供一个第二信号，该第二信号指示所述湿度换能器的温度，以及

控制装置，该控制装置适用于把第一所述激发能量提供给所述加热装置，以把所述湿度换能器加热到一个运行温度，并接收所述第一信号和所述第二信号，以及计算基于其上的所述气体的绝对湿度的估计值，

其中，所述控制装置适于至少在所述设备的操作期间的某一点，根据所述第一信号、所述第二信号和/或提供给所述加热装置的所述激发能量中的至少一项，通过检测在所述湿度换能器上的液态水的出现，确定该设备是否正确运行。

2.如权利要求1所述的湿度检测设备，其中，所述设备的所述正确运行至少涉及在预定的限度内对所述气体的绝对湿度的估计是否精确。

3.如权利要求1或2所述的湿度检测设备，其中，所述对液态水的检测包括下列步骤：

a)存储在正常运行期间的绝对湿度值；

b)向所述加热装置提供第三所述激发能量，以把所述湿度换能器加热到所述气体的露点，在该点相对湿度刚刚达到100％；

c)把在露点的绝对湿度读数与在正常运行期间在步骤(a)中所存储的绝对湿度读数加以比较，如果存在着显著的差别，则提供一个指示运行不正确或出现故障的第四信号。

4.如权利要求1或2所述的湿度检测设备，其中，所述对液态水的检测包括下列步骤：

a)判断所述第一信号是否指示100％的相对湿度，

b)向所述加热装置提供第四所述激发能量，以把所述湿度换能器加热到一个较高的温度；

c)如果相对湿度没有从100％降下来，则提供一个指示运行不正确或出现故障的第四信号。

5.如权利要求3所述的湿度检测设备，其中，如果所述第四信号指示运行不正确或出现故障，则所述控制装置把第五所述激发能量提供给所述加热装置，以加热所述湿度换能器，从而蒸发掉那里的液态水。

6.如权利要求4所述的湿度检测设备，其中，如果所述第四信号指示运行不正确或出现故障，则所述控制装置把第五所述激发能量提供给所述加热装置，以加热所述湿度换能器，从而蒸发掉那里的液态水。

7.如权利要求3所述的湿度检测设备，其中，如果所述第四信号指示运行不正确或出现故障，则所述控制装置中断提供给所述加热装置的激发能量，并使用所述第二信号估计所述气体的绝对湿度的上限。

8.如权利要求4所述的湿度检测设备，其中，如果所述第四信号指示运行不正确或出现故障，则所述控制装置中断提供给所述加热装置的激发能量，并使用所述第二信号估计所述气体的绝对湿度的上限。

9.一种检测气体的绝对湿度的方法，包括下列步骤：

使用一个湿度传感器检测所述气体的相对湿度，

把所述湿度传感器的至少一个部分加热到一个运行温度，

根据所述相对湿度和所述温度，计算所述气体的绝对湿度的一个估计值，并根据所述相对湿度、所述温度、和/或加热所述传感器所需的能量中的至少一项，通过检测在所述湿度换能器上的液态水的出现，确定该设备是否运行正确。

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