CN102858408B - 确定气体成分分压力的方法及飞机乘员用呼吸面罩的调节器 - Google Patents

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Abstract

确定气体成分的特性，如分压力或百分比的方法，气体成分是在流动腔（ 30 ）中第一气体混合物流（ 32 ）的气体成分，在该流动腔（ 30 ）中交替地流动着所述第一气体混合物流（ 32 ）和第二气体混合物流（ 34 ），该方法包括以下步骤： a ) 当第一气体混合物流（ 32 ）在流动腔（ 30 ）中流动之时，将第一气体混合物流（ 32 ）引入感测腔（ 40 ）中， b ）至少当第二气体混合物流（ 34 ）在流动腔（ 30 ）中流动之时，防止从流动腔（ 30 ）中将气体引入感测腔（ 40 ）中， c ）在感测腔（ 40 ）中感测第一气体混合物流（ 32 ）的所述特性。

Description

确定气体成分分压力的方法及飞机乘员用呼吸面罩的调节器
技术领域
本发明涉及确定气体成分特性，如分压力或百分比的方法，及飞机乘员用呼吸面罩的调节器。气体成分特别是指氧气或二氧化碳。
背景技术
氧气（和二氧化碳）的分压力或百分比特别地有用，以便满足使用者的需要，同时减少纯氧（由氧气筒、化学发生器或液氧转换器提供的）或特别地由机载氧气发生器系统（OBOGS）提供的富氧气体的消耗。
但是，当具有不同混合物的两种气体在腔体内相继向相反方向流动时，第一种气体混合物流中的气体成分特性的测量便受到第二种气体混合物的干扰。本发明旨在减少这种问题。
发明内容
为此目的，本发明提供确定气体流动腔内第一气体混合物中气体成分特性的方法，比如分压力或百分比，在该腔中所述第一气体混合物流和第二气体混合物流交替的在相反方向上流动，该方法包括以下步骤：
a）当第一气体混合物流在流动腔内流动之时，将第一气体混合物流引入感测腔中；
b) 至少当第二气体混合物流在流动腔内流动之时，防止从流动腔将气体引入感测腔中；
c) 在感测腔内感测所述第一气体混合物流的所述特性。
依照根据本发明的另一个特征，优选地该方法进一步具有以下步骤：
– 向使用者提供包括流量调节器的飞机乘员用呼吸面罩，
– 通过使用者吸入到流动腔中而生成呼吸气体流，以及
– 通过使用者呼出到流动腔中而生成呼出气体流，呼吸气体流和呼出气体流中之一为第一气体混合物流，另一个便为第二气体混合物流。
依照根据本发明的补充特征，优选地该方法进一步具有以下步骤：
– 将流动腔分为呼吸腔和感测腔，
– 在感测腔和呼吸腔之间插入隔离阀，从而防止第二气体混合物流进入到感测腔，
– 通过使用者呼入到呼吸腔中而在呼吸腔中生成进入到呼吸腔的第一气体混合物流。
依照根据本发明的补充特征，优选地该方法进一步包括通过感测腔和隔离阀向呼吸腔进给第一气体混合物流。
依照根据本发明的可选特征，优选地该方法包括通过呼吸腔和隔离阀向感测腔进给第一气体混合物流。
依照根据本发明的另一特征，优选地该方法进一步包括在步骤a）期间，将第一气体混合物流引入感测腔。
依照根据本发明的补充特征，优选地该方法进一步包括：
d）检测在流动腔中第一气体混合物流的出现，
– 在步骤a）期间，当检测到流动腔中第一气体混合物流的出现之时，使感测腔与流动腔流体流通。
依照根据本发明的补充特征，优选地该方法进一步包括：当未检测到流动腔中第一气体混合物流的出现之时，防止流动腔和感测腔之间的流通。
依照根据本发明的另一特征，优选地该方法进一步包括：
– 将抽吸式电化学电池的固体离子导体放置插入在流动腔和感测腔之间，以及
– 在步骤a）期间，通过固体离子导体将所述气体成分从流动腔抽吸到感测腔中。
另外，本发明提供用以保护飞机乘员的方法包括以下步骤：
a）为使用者提供飞机乘员用呼吸面罩，
b）将包括可呼吸气体和稀释气体混合物的呼吸气体提供给使用者，
c）感测使用者生成的呼出气体流中氧气或二氧化碳的分压力或百分比，
d）根据氧气或二氧化碳的分压力或者百分比，调整呼吸流中氧气或可呼吸气体的流量。
显然，呼出气体流中的氧气或二氧化碳的分压力或百分比是有关使用者的氧气需求的有效指示。因此，可精确地调整氧气的消耗。
本发明还提供包含流量调节器的飞机乘员用呼吸面罩，所述调节器包括：
– 被连接到可呼吸气体源的可呼吸气体供给管线，并向流动腔提供可呼吸气体，
– 被连接到稀释气体源的稀释气体供给管线，并向流动腔提供稀释气体，
– 在供给流动腔的呼吸气体中调节稀释气体流量的稀释调整装置，该稀释调整装置包括稀释阀和控制装置，该控制装置根据气体传感器生成的稀释信号控制稀释阀，稀释信号是随呼出气体中氧气或二氧化碳的分压力或百分比而变化的。
在有利的实施例中，呼吸组件优选地进一步包括一个或多个以下特征。
附图说明
本发明的其他特征和有利之处将通过参考附图在下面详细的说明中得以清晰，其中：
– 图1显示了包括流动腔的呼吸面罩，
– 根据不在本发明范围内的感测装置，图2示意地示出了呼吸面罩的流动腔中的第一和第二流体，
– 图3示出工作期间流动腔内第一流体的变化，
– 图4示出工作期间流动腔内第二流体的变化，
– 图5示出由放置在流动腔中气体传感器提供的测量，
– 图6根据本发明示出感测装置的第一实施例，
– 图7根据本发明示出感测装置的第二实施例，
– 图8根据本发明示出感测装置的第三实施例，
– 图9根据本发明示出感测装置的第四实施例，
– 图10示出使用第四实施例的感测装置的根据本发明方法的一个步骤，
– 图11是表示了根据本发明不同步骤的流程图，
– 图12示出根据本发明的方法,
– 图13表示图12中所示方法的变形。
具体实施方式
图1公开了飞机乘员，特别是飞机的舱10内飞行员用的呼吸面罩4的主要功能。 
呼吸面罩4包括流量调节器1和固定到调节器1的管状连接部分5的口鼻面罩片3。当使用者7戴上呼吸面罩4时，口鼻面罩片3被放置在使用者面部7的皮肤上并界限出呼吸腔9。
流量调节器1具有包括可呼吸气体供给管线12、稀释气体供给管线14和呼吸气体供给管线16的壳体2。呼吸气体供给管线16具有与呼吸腔9流体流通的下游端部。
可呼吸气体供给管线12通过进给管道6在其上游端部提供来自可呼吸气体源8的压缩氧气。在所示实施例中，可呼吸气体压缩源8是装有压缩氧气的罐。可呼吸气体供给管线12通过呼吸气体供给管线16为呼吸腔9供给可呼吸气体，可呼吸气体供给管线12的下游端部与呼吸气体供给管线16的上游端部直接流体流通。
稀释气体供给管线14通过其上游端部与稀释气体源流通。在所示实施例中，稀释气体是空气，且稀释气体源是飞机的舱10。稀释气体供给管线14通过呼吸气体供给管线16为呼吸腔9供给稀释气体，稀释气体供给管线14的下游端部与呼吸气体供给管线16的上游端部直接流体流通。这样，在所示的实施例中，可呼吸气体和稀释气体在壳体2的呼吸气体供给管线16中混合，即在通过管状连接部分5供给到呼吸腔9之前。因此，呼吸气体流62在呼吸气体供给管线16和呼吸腔9中流动，呼吸气体包括可呼吸气体和混合的稀释气体。
调节器1进一步包括排出管线18和排出阀20。排出阀20设置在排出管线18的下游端部和舱10（环境空气）之间。排出管线18的上游端部与口鼻面罩片3通过管状连接部分5流通，且接收使用者呼出的气体流64。关于呼出气体流64的排出，排出阀20用作单向阀，其在呼出气体流64的压力下打开，以及其为防止舱10的空气进入到流动腔30内而关闭。
使用者7在呼吸腔9中吸入和呼出。呼出管线18直接地或通过呼吸腔9与呼吸气体供给管线16流通。因此，气体供给管线16、呼吸腔9和呼出管线18不分隔地限定出流动腔30。
流量调节器1进一步具有压力调节装置22和稀释调节装置24。
压力调节装置22调整流动腔30中的压力，且特别地调整呼吸腔9中的压力。在所示实施例中，压力调节装置22包括特别地设置在进给管道6和呼吸气体供给管线16之间的主阀。
稀释调节装置24调节呼吸气体流62中的氧气流量。在所示实施例中，稀释调节装置包括：特别是稀释阀23和控制装置60。稀释阀23被设置在稀释气体供给管线14和呼吸气体供给管线16之间。控制装置60控制稀释阀23。
流量调节器响应呼吸面罩使用者的吸入开始供给第一气体混合物（呼吸气体），且当使用者停止吸入之时停止供给呼吸气体。
我们可以参考现有技术，像比如参考文献US6，789，539中更为详细的对流量调节器的说明。本发明还可以应用于其他类型的稀释调节装置24，像通过参考包含在专利申请PCT/FR2011/050359或US6,789,539中公开的稀释调节装置。 
图2示意地示出流动腔30，在该腔中交替地流过第一气体混合物流32和第二气体混合物流34。为了调整送到使用者7的氧气流量，第一气体混合物流32的气体成分（特别地指氧气或二氧化碳）的特性（特别地指气体分压力或百分比）由气体传感器42检测。
第一气体混合物流32可以是呼吸气体流62或呼出气体流64，这意味着待感测的气体成分的特性可以是呼吸气体或呼出气体的特性。这样，第一气体混合物流32从管状连接部分5流到使用者7（其嘴部或鼻部）或者从使用者7流到管状连接部分5。相反，第二气体混合物流34可以是呼出气体流64或呼吸气体流62。
如图3示意地所示，在时间0和时间T1之间，流动腔30中的气体含量达到第一气体混合物流32的气体含量，且继而在时间T1和时间T1+T2之间，第一气体混合物流32离开流动腔30。
如图4示意地所示，时间0和时间T1之间，第二气体混合物流34离开流动腔，且继而在时间T1和时间T1+T2之间，流动腔30中的气体含量达到第二气体混合物流34的气体含量。
应该注意到，在图3和4中，填充流动腔30的时间被忽略。
所以，可以简化地这样进行考虑：顺序地，在时间T1阶段期间，第一气体混合物流32在流动腔30中以第一方向流动，然后在时间T2阶段期间，第二气体混合物流34以相反于第一方向的第二方向流入流动腔30，继而第一气体混合物流32再次在另一个T1阶段期间在流动腔30中流动，如此类推。T1阶段可以考虑为等于T2阶段，并称之为T。
由于第一气体混合物流32的气体含量不同于第二气体混合物流34的气体含量，第二气体混合物流34干扰到第一气体混合物流32的气体含量其特性的测量。应该理解的是，第一气体混合物和第二气体混合物可含有相同成分（至少某些相同的成分），且不同之处仅在于某些成分的百分比（特别是氧气、二氧化碳和蒸汽的百分比）。
图5示出由气体传感器32提供的三个测量42a，42b，42c，对于上述示例它们具有不同的响应时间Tr。测量42a，42b，42c对应于具有不同响应时间的气体传感器，这些响应时间分别等于T/10，T/2和2T。
显然，提供测量42a，42b的气体传感器适于现今的示例，然而提供测量42c的气体传感器则不适于现今的例子。
这样，气体传感器的响应时间越短，测量就越精确。但是，响应时间短的传感器大体上比响应时间长的传感器要贵得多，且有时候不存在满足特别应用的响应时间的传感器。
图6示出了根据本发明的装置100的第一实施例。装置100是图1中所示的呼吸面罩4的一部分。
装置100包括流动方向传感器38、闸板50、驱动装置51和放置在感测腔40中通过通道66与流动腔30流体流通的气体传感器42。
流动方向传感器38和气体传感器42被连接到控制装置60。流动方向传感器38检测，流动腔30中的流动方向是否对应于第一流动混合物32的方向。作为变形的方式，流动方向传感器38可检测流动腔30中的流动方向是否对应于第二流动混合物34的方向。
闸板50可在关闭通道66的激活位置和远离通道66的非激活位置之间移动。
控制装置60控制驱动装置51，从而当流动方向传感器38检测到第一气体流32之时将闸板50放置在打开位置，这样第一气体混物流32（部分地）进入到感测腔40中。此外，控制装置60控制驱动装置51，从而当流动方向传感器38未检测到第一气体流32之时将闸板50放置在关闭位置，这样防止了第二气体混合物流34进入到感测腔40中。
因此，感测腔40在任何时候仅装有第一气体混合物流32的气体混合物。所以，气体传感器42发送精度不受第二气体混合物流34影响的稀释信号。控制装置60根据由气体传感器42生成的稀释信号控制稀释阀24。
气体传感器42适于确定装在感测腔40中气体的氧气（或二氧化碳）中的特别是分压力（或百分比）。
流动方向传感器38特别地包括压力传感器、表压传感器、压差传感器、热敏电阻、单向阀状态的传感器或包括柔性片材并检测柔性片材弯曲方向的压电传感器装置。
图7显示了根据本发明的装置100的第二实施例。
在该第二实施例中，待感测的气体成分的特征是呼吸气体的特征，这样，第一气体混合物流32是呼吸气体流62，且第二气体混合物流34是呼出气体流64。
隔离阀36被插入到呼吸气体供给管线16和呼吸腔9之间。与控制装置60连接的气体传感器42，被放置在形成感测腔40的呼吸腔16中。隔离阀36防止来自呼吸腔9的气体进入到感测腔16、40中。
在所示实施例中，隔离阀36是单向阀。作为变形方式，其可以是相似于排气阀20的吸气阀。
图8显示了根据本发明的装置100的第三实施例。
在该第三实施例中，待感测的气体成分的特性是呼出气体的特性，这样，第一气体混合物流32是呼出气体流64，而第二气体混合物流34是呼吸气体流62。
隔离阀36被插入到呼吸腔9和呼出管线18之间。与控制装置60连接的气体传感器42，被放置到形成感测腔40的呼出管线18中。隔离阀36防止来自呼出管线18的气体进入到呼吸腔9中。
图9显示了根据本发明的装置100的第四实施例。
气体探测器42包括抽吸板44、固体离子导体的第一盘45、公共板46、固体离子导体的第二盘47和感测板48。
抽吸板44，公共板46和感测板48是电极，优选地由铂膜制成。
抽吸板44、公共板46和感测板48大体上都是环形。因此，感测腔40由公共板46、第一离子导体45和第二离子导体47限定出。
电源39被插入在抽吸板44和公共板46之间。公共板46和感测板48被连接到控制装置60，以及流动方向传感器38也被连接到控制装置60。
抽吸板44、第一固体离子导体45和公共板46限定出抽吸式电化学电池56。公共板46、第二固体离子导体47和感测板48限定出传感式电化学电池(sensing electrochemical cell)58。
离子导体45、47限定出固体电解质。它们优选地由适于氧气O2离子传导的二氧化锆制成。
气体传感器42进一步包括在抽吸式电化学电池56和传感式电化学电池58周围的选择性过滤器49。过滤器49防止粒子进入到传感器42。因此，气体传感器42包括在流动腔30和抽吸式电化学电池56（以及传感式电化学电池58）之间延伸的缓冲腔41。
气体传感器42可放置在呼吸腔9或呼吸气体供给管线16或呼出管线18中，是上述第一到第三实施例中任一种。
如图10所示，当电源供给39输出值为Ip的抽吸电流i时，氧离子通过离子导体45从感测腔40被传输到缓冲腔41中。因此，排空阶段28相应于等于Ip的抽吸电流i的阶段。这样，感测腔40中氧气的分压力PO2下降。感测板48和公共板之间的叫做能斯脱（Nerst）电压的电压Vs增加。
当电源供给39输出值为–Ip的抽吸电流i时，氧离子通过离子导体45从缓冲腔41被传输到感测腔40。因此，增压阶段26相应于抽吸电流i等于–Ip的阶段。那么，感测腔40中氧气的分压力PO2增加，且感测板48和公共板46之间的能斯脱电压Vs降低。
工作中，控制装置60导致重复序列，其中，氧气抽吸电流I相继地反向，从而将能斯脱电压Vs保持在预定值V1，V2之间。
因此，感测腔40中氧气的分压力在PO2低值和PO2高值之间变化。
振荡阶段Tp与缓冲腔41中氧气的分压力成比例。因此，抽吸循环的阶段被用来确定环境氧气分压力。
在增压阶段26期间通过离子导体45对氧气进行传输形成了缓冲腔41中的压力下降。外部过滤器49的低孔隙率限制了环境空气进入到传感器，且是氧气分压力测量中的主延迟（长响应时间）的原因。
由于第二气体混合物流34，气体传感器42的响应时间在测量第一气体混合物流32的氧气分压力中产生误差。
如图11所示，为了限制在测量第一气体混合物流32的氧气分压力中的误差，在流动腔30中的流动方向由方向气体传感器38感测。在步骤S38期间，基于流动方向传感器38提供的信号，控制装置60确定流动腔30中的流动是否在第一气体混合物流32的方向上进行。如果是，则在测量阶段52期间，增压阶段26和排空阶段28重复并交替地轮流进行。如果不是，如图12所示，则在不进行测量54阶段，感测腔40中的增压停止，在不进行测量54阶段期间不发生增压阶段26。结果，第二气体混合物流34在气体传感缓冲41中的扩散被减少，且气体传感器42的感测精确性得以提高。比如，使用者吸气期间，气体传感器测量程序被激活，而如果待感测气体成分的特性是呼吸气体，则在使用者呼出期间，该气体传感器测量程序被停止。
在图13所示的变形方式中，在不进行测量54的阶段期间，优选地在起初，可进行排空阶段28。在不进行测量54阶段的排空阶段28期间，如图13所示，抽吸电流i优选地低于测量阶段52的排空阶段28期间的电流，即低于Ip。因此，不进行测量54阶段的排空阶段28在所有不进行测量54的阶段期间或者不进行测量54阶段的一半以上期间内持续。

Claims (9)

1.确定气体成分的特性的方法，该特性是分压力或百分比，所述气体成分是在流动腔(30)中第一气体混合物流(32)的气体成分，在所述流动腔(30)中交替地流动着在相反方向上流动的所述第一气体混合物流(32)和第二气体混合物流(34)，该方法包括以下步骤：
-检测(38)在所述流动腔(30)中所述第一气体混合物流(32)的出现，
-将抽吸式电化学电池(56)的固体离子导体(45)放置插入在所述流动腔(30)和感测腔(40)之间，
a)当检测到在所述流动腔(30)中所述第一气体混合物流(32)的出现(52)之时，通过所述固体离子导体(45)把所述气体成分从所述流动腔(30)抽吸(26)到所述感测腔(40)中，以便当所述第一气体混合物流(32)在所述流动腔(30)中流动之时，将所述第一气体混合物流(32)引入感测腔(40)中，
b)当未检测到所述流动腔(30)中所述第一气体混合物流(32)的出现之时，停止把所述气体成分从所述流动腔(30)抽吸(26)到所述感测腔(40)中，以便至少当所述第二气体混合物流(34)在所述流动腔(30)中流动之时，防止从所述流动腔(30)中将气体引入所述感测腔(40)中，以及
c)在所述感测腔(40)中感测所述第一气体混合物流(32)的所述特性。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤b)期间，通过所述固体离子导体(45)，从所述感测腔(40)抽吸(28)所述气体成分到所述流动腔(30)中。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，缓冲腔(41)被插入在所述流动腔(30)和所述抽吸式电化学电池(56)之间，且所述缓冲腔(40)通过(低)孔隙率材料制成的过滤器(49)与所述流动腔(30)流通。
4.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤c)期间感测所述第一气体混合物流(32)中成分的分压力或百分比。
5.根据权利要求4所述的方法，包括在步骤c)期间感测所述第一气体混合物流(32)中氧气的分压力或百分比。
6.调节呼吸面罩(4)向飞机乘员提供的呼吸气体(62)中氧气流量的方法，其包括根据权利要求1-5中任一项所述的方法中的步骤，且进一步包括：
-通过将增压可呼吸气体(8，12)和稀释气体(10，14)混合而生成所述第一气体混合物流(32)，以及
-根据所述第一气体混合物流(32)的特性，调节(60)呼吸流(62)中稀释气体的流量。
7.用于确定气体成分特性的感测装置，该特性是分压力或百分比，其包括：
-流动腔(30)，
-与所述流动腔(30)流体流通的感测腔(40)，
-气体传感器(42)，放置在所述感测腔(40)中，并适于感测气体成分特性，该特性是分压力或百分比，
-选择性装置(38，42)，至少当气体在所述流动腔(30)中以第一方向流动之时隔离所述感测腔(40)，且当气体在所述流动腔(30)中以相反于所述第一方向的第二方向流动之时引入气体，所述感测装置的特征在于，所述选择性装置包括：
·抽吸式电化学电池(56)的固体离子导体(45)，其被插入在所述流动腔(30)和所述感测腔(40)之间，
·电源(39)，所述电源适于通过所述固体离子导体(45)从所述流动腔(30)将气体成分交替地抽吸(26)到所述感测腔(40)，并通过所述固体离子导体(45)从所述感测腔(40)将气体成分抽吸到所述流动腔(30)，
·控制装置(60)，
·流动方向传感器(38)，所述流动方向传感器连接到控制装置(60)，并适于检测第一方向上的第一气体混合物流(32)和/或相反于所述第一方向的第二方向上的第二气体混合物流(34)，当所述流动方向传感器(38)检测到所述流动腔(30)中所述第一气体混合物流(32)的出现(52)之时，所述控制装置(60)控制将所述气体成分通过所述固体离子导体(45)从流动腔(30)抽吸(26)到所述感测腔(40)，以及当所述流动方向传感器(38)未检测到所述流动腔(30)中所述第一气体混合物流(32)的出现(54)之时，所述控制装置(60)停止将所述气体成分从所述流动腔(30)抽吸(26)到所述感测腔(40)。
8.用于飞机乘员(7)的呼吸面罩(4)的调节器(1)，其包括根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述流动腔(30)适于向所述飞机乘员(7)提供呼吸气体，且所述调节器进一步包括：
-可呼吸气体供给管线(12)，其被连接到可呼吸气体源(8)并为所述流动腔(30)供给可呼吸气体，
-稀释气体供给管线(14)，其被连接到稀释气体源(10)，并为所述流动腔(30)供给稀释气体，
-稀释调节装置(24，38，42，60)，调节供给到所述流动腔(30)的所述呼吸气体(62)中稀释气体的流量，所述稀释调节装置包括稀释阀(24)和根据所述气体传感器(42)生成的稀释信号控制所述稀释阀(24)的所述控制装置(60)，所述信号随所述特性而变化。
9.根据权利要求8所述的调节器，其特征在于，缓冲腔(41)被设置在所述感测腔(40)和所述流动腔(30)之间，且所述缓冲腔(40)通过(低)孔隙率材料的过滤器(49)与所述流动腔(30)流通。
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