CN102393374A - 一种红外呼气末co2测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外呼气末CO₂测量方法及装置，该方法采用白炽光源对封闭在单气室内的气体进行照射，穿过单气室的红外光经CO₂传感器获得的信号经过放大电路后，再经滤波电路、解调电路、数模转换模块后送入处理器进行处理，并根据压力和温度进行补偿从而获得待测样品中的CO₂浓度。所述装置包括气路单元、光路及温度检测单元、压力检测单元和控制单元。本发明的红外呼气末CO₂测量方法及装置由于采用白炽光作为红外光源、并且设置有滤波电路、解调电路、并且有温度压力补偿系统，所以有效克服了现有技术红外呼气末CO₂测量过程中因光源老化、温度漂移和放大器的电压偏移因素所引起的测量误差。

Description

一种红外呼气末CO2测量方法及装置

技术领域

本发明涉及利用红外技术测量气体浓度的方法和装置，尤其涉及一种利用红外技术测量呼气末CO₂浓度的方法和装置。

背景技术

用红外原理监测病人呼气末CO₂浓度属于无创性的监测方法，不仅可监测病人的通气功能也可反映其循环功能和肺血流情况，目前已成为常用的临床监测手段，其临床意义有：监测各种原因引起呼吸功能不全的病人的通气功能；监测循环功能和体内CO₂产量的变化；了解肺泡无效腔量及肺血流量的变化；病人全麻或使用呼吸机时可根据监测来调节通气量避免通气不足或过度造成高或低碳酸血症；及时发现呼吸机的机械故障。

基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。

根据比尔朗伯定律，输出光强度、输入光强度和气体浓度之间的关系为：

I＝I₀exp(-α_mLC)

式中α_m为摩尔分子吸收系数；C为待测气体浓度；L为光和气体的作用长度(传感长度)。对上式进行变换得：

$C=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{m}L}\ln \frac{I_0}{I}$

通过检测相关数据就可以得知气体的浓度。

目前国内临床所用的红外原理监测呼气末CO₂浓度的设备，都存在着因光源老化、温度漂移、电压漂移、设备自身及其他不稳定因素带来的测量误差，而通常所取措施是用热敏电阻补偿，由于热敏电阻和CO₂传感器曲线不一致。并且离散性较大在实际应用中很难达到完全补偿的效果。

一种比较典型的监测呼气末CO₂浓度的设备是单光源、单气室，双探测器结构，其特点是光源发出的光经单气室后照射到主探测器与参考探测器上。利用在两个探测器上的电压算出CO₂的浓度值。此种方法是假设两路探测电路引入误差相同可以互相抵消。实际上两路探测电路离散性较大，很难达到预想效果。

另一种监测呼气末CO₂浓度的设备是单光源、单气室，单探测器结构，其采用温漂超过限值或定时校零方法来消除误差。其频繁的校零影响量测的实时性。且未校零时的误差随温度漂移及电压漂移变化很大。

发明内容

本发明旨在克服以上现有技术存在的不足，提供一种能够克服测量过程中光源老化、温度漂移以及放大器电压漂移的红外呼气末CO₂测量方法。

本发明的另一目的是提供一种能够克服测量过程温度漂移、放大器电压漂移的红外呼气末CO₂测量装置。

本发明所述的红外呼气末CO₂测量方法包括如下步骤：

a、将待测气体通过气泵的作用送入单气室；

b、让周期性红外光源穿过单气室，所述红外光源采用白炽光源并且由稳流源降额供电；所述降额供电指供电电压低于额定电压，采用降额供电可以提高发光源的使用寿命。

c、穿过单气室的红外光经红外CO₂传感器探测后得到的感测信经放大电路、滤波电路、解调电路后得到一个与被测气体浓度对应的电压信号送入模数转换模块；

气室内温度由温度传感器探测后得到的探测信号直接或间接送入模数转换模块；

气室压力由绝压传感器探测后得到的探测信号送入模数转换模块；

d、处理器根据模数转换模块采集到的与浓度对应的电压信号用多项式拟合法Y＝aX²+bX+c，求出待测CO₂浓度值，再根据实时采集到的气室温度与压力，用公式Ccorrected(％/ppm)＝Cmeasured(％/ppm)*(1013*(t(℃)+273))/(298K*p(hPa))进行补偿，其中X＝V₀-V₁，V₁为被测气体浓度对应的直流电压、V₀为在自然大气状态或纯氮气状态下所对应的直流电压，Y为所测CO₂浓度值，a、b、c为拟合系数。

进一步地，单气室内检测后的气体通过节流阀由气泵排出，并且为了获得更高的测量精度，通过表压传感器测得节流阀两端的压差并依此为依据来调节气体流速。

进一步地，所述红外光源优选以调制频率为7-10Hz周期性的发出红外光。

本发明所述的红外呼气末CO₂测量装置包括，

一个气路单元，包括依次连通的单气室、节流阀和气泵；

一个光路单元，包括顺序连接的光源驱动电路和红外光源，所述红外光源为白炽光源，设置在单气室一侧；

一个光路及温度检测单元，包括设置在单气室与红外光源相对侧的红外CO₂传感器和温度传感器，所述红外CO₂传感器、温度传感器依次连接放大电路、滤波电路、解调电路和模数转换模块或者温度传感器直接与模数转换模块连接；

一个压力检测单元，包括与单气室连通的绝压传感器和设置在节流阀两端的表压传感器，所述绝压传感器和表压传感器分别与模数转换模块连接；

一个控制单元，包括处理器，所述处理器分别与模数转换模块、光源驱动电路和气泵连接。

进一步地，所述温度传感器和红外CO₂传感器也可以采用集温度传感与CO₂传感于一体的热电堆传感器，这样装置更简单。

进一步地，所述待测气体在进入单气室之前通过节流接头过滤。

进一步地，所述节流接头的过滤等级优选为5μm。

进一步地，所述单气室与节流阀通过四通连接，四通的另外两个接口一个连接绝压传感器，一个连接表压传感器。

进一步地，所述节流阀和气泵通过三通连接，三通的一个口与所述的表压传感器连接。

本发明的有益效果如下：

1、由于在红外CO₂传感器经过放大电路后，通过滤波电路、解调电路进行滤波及解调有效地克服了呼气末CO₂浓度测量过程中因放大器电压漂移带来的测量误差。

2、由于能够有效的对测得的CO₂浓度进行温度与压力补偿，克服了因温度漂移和压力漂移所带来的测量误差。

3、由于红外光源采用白炽光源，并且由稳流源降压供电，延长了红外光源的寿命，提高了光源稳定性，进行避免了因光源老化所带来的测量误差。

附图说明

图1为本发明红外呼气末CO₂测量装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，一种红外呼气末CO₂测量装置，包括：

一个气路单元，包括依次连通的单气室1、节流阀2和气泵3，所述待测气体在进入单气室1之前通过节流接头4过滤，节流接头4的过滤等级为5μm；所述单气室1与节流阀2通过四通5连接，所述节流阀2和气泵3通过三通8连接；

一个光路单元，包括顺序连接的光源驱动电路9和红外光源10，所述红外光源为白炽光源，设置在单气室1一侧；

一个光路及温度检测单元，包括设置在单气室1与红外光源10相对侧的集温度传感与CO₂传感于一体的红外热电堆传感器18(型号为HMSJ21 F4.26/180)，红外热电堆传感器18依次连接放大电路13、滤波电路14、解调电路15和模数转换模块16；一个压力检测单元，包括表压传感器7和通过四通5与单气室连通的绝压传感器6，表压传感器7分别与设置在节流阀2两端的三通8、四通5连接，绝压传感器6和表压传感器7分别与模数转换模块16连接；

一个控制单元，包括处理器17，处理器17分别与模数转换模块16、光源驱动电路9和气泵3连接。

单气室1内检测后的气体通过节流阀2由气泵3排出，并且通过表压传感器7测得节流阀2两端的压差并依此为依据来调节气体流速。

采用此红外呼气末CO₂测量装置的测量方法，包括如下步骤：

a、将待测气体通过气泵的作用送入单气室1；

b、让周期性红外光源10穿过单气室1，所述红外光源10采用白炽光源并且由稳流源降额供电，所述红外光源10以调制频率为8Hz周期性的发出红外光；

c、穿过单气室1的红外光经集温度传感与CO₂传感于一体的红外热电堆传感器18探测后得到的感测信号经放大电路13、滤波电路14、解调电路15后得到与被测气体浓度对应的电压信号以及温度信号，然后将这两个信号送入模数转换模块16；

气室压力由绝压传感器6探测后得到的探测信号送入模数转换模块16；

d、处理器17根据模数转换模块16采集到的与浓度对应的电压信号用多项式拟合法Y＝aX²+bX+c，求出待测CO₂浓度值，再根据实时采集到的气室温度与压力，用公式Ccorrected(％/ppm)＝Cmeasured(％/ppm)*(1013*(t(℃)+273))/(298K*p(hPa))进行补偿，其中X＝V₀-V₁，V₁为被测气体浓度对应的直流电压、V₀为在自然大气状态或纯氮气状态下所对应的直流电压，Y为所测CO₂浓度值，a、b、c为拟合系数。

当然，本发明的红外呼气末CO₂测量装置具体设置时，并不局限于本实施例，也可以不采用集温度传感与CO₂传感于一体的红外热电堆传感器18，而是设置一个红外CO₂传感器和一个温度传感器，温度传感器输出的信号可以通过放大电路13、滤波电路14、解调电路15处理后输入到模数转换模块16中，即间接送入模数转换模块16中，也可以不通过放大电路13、滤波电路14、解调电路15处理直接送入模数转换模块16中，即直接送入数据转换模块16中。

Claims (9)

1.一种红外呼气末CO₂测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、将待测气体通过气泵的作用送入单气室；

b、让周期性红外光源穿过单气室，所述红外光源采用白炽光源并且由稳流源降额供电；

c、穿过单气室的红外光经红外CO₂传感器探测后得到的探测信号经放大电路、滤波电路、解调电路后得到一个与被测气体浓度对应的电压信号送入模数转换模块；

气室内温度由温度传感器探测后得到的探测信号直接或间接送入模数转换模块；

气室压力由绝压传感器探测后得到的探测信号送入模数转换模块；

d、处理器根据模数转换模块采集到的与浓度对应的电压信号用多项式拟合法Y＝aX²+bX+c，求出待测CO₂浓度值，再根据实时采集到的气室温度与压力，用公式Ccorrected(％/ppm)＝Cmeasured(％/ppm)*(1013*(t(℃)+273))/(298K*p(hPa))进行补偿，其中X＝V₀-V₁，V₁为被测气体浓度对应的直流电压、V₀为在自然大气状态或纯氮气状态下所对应的直流电压，Y为所测CO₂浓度值，a、b、c为拟合系数。

2.根据权利要求1所述的红外呼气末CO₂测量方法，其特征在于：单气室内检测后的气体通过节流阀由气泵排出，并且通过表压传感器测得节流阀两端的压差并且以此为依据来调节气体流速。

3.根据权利要求2所述的红外呼气末CO₂测量方法，其特征在于，所述红外光源以调制频率为7-10Hz周期性的发出红外光。

4.一种红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，包括：

一个气路单元，包括依次连通的单气室(1)、节流阀(2)和气泵(3)；

一个光路单元，包括顺序连接的光源驱动电路(9)和红外光源(10)，所述红外光源为白炽光源，设置在单气室(1)一侧；

一个光路及温度检测单元，包括设置在单气室(1)与红外光源相对侧的红外CO₂传感器和温度传感器，红外CO₂传感器、温度传感器依次连接放大电路(13)、滤波电路(14)、解调电路(15)和模数转换模块(16)或者温度传感器直接与模数转换模块(16)连接；

一个压力检测单元，包括与单气室(1)连通的绝压传感器(6)和设置在节流阀(2)两端的表压传感器(7)，所述绝压传感器(6)和表压传感器(7)分别与模数转换模块(16)连接；

一个控制单元，包括处理器(17)，处理器(17)分别与模数转换模块(16)、光源驱动电路(9)和气泵(3)连接。

5.根据权利要求4所述的红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，所述温度传感器和红外CO₂传感器采用集温度传感与CO₂传感于一体的热电堆传感器(18)。

6.根据权利要求4或5所述的红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，所述待测气体在进入单气室(1)之前通过节流接头(4)过滤。

7.根据权利要求6所述的红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，所述节流接头(4)的过滤等级为5μm。

8.根据权利要求6所述的红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，所述单气室(1)与节流阀(2)通过四通(5)连接，四通(5)的另外两个接口一个连接绝压传感器(6)，一个连接表压传感器(7)。

9.根据权利要求6所述的红外呼气末CO₂测量装置，其特征在于，所述节流阀(2)和气泵(3)通过三通(8)连接，三通(8)的一个口与所述的表压传感器(7)连接。