CN103309367B - 稳定的常压式低氧气体环境的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，包括以下步骤：A．测试舱或室的不密封性；B．检测控制氧气量；C．计算维持舱或室内预定低氧浓度所需要的高浓度的氮气量；D．按照步骤C计算得到的需要的输入高浓度氮气的维持量输入高浓度的氮气，同时检测舱或室内的氧气浓度，当氧气浓度≧P%×1.002时，通入高浓度的氮气，当氧气浓度≤P%×0.998时，停止通入高浓度的氮气，并根据检测得到的舱或室内的氧气浓度重复本步骤，直至试验结束。本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法在精确测得舱或室的不密封性的基础上，充分利用气体分子扩散，通入计算后得到的氮气的维持量而使得舱或室内获得稳定的常压低氧，且氧气浓度维持在预定范围内。

Description

稳定的常压式低氧气体环境的控制方法

技术领域

本发明涉及低氧气环境的控制方法，特别是涉及利用舱或室的不稳定性来实现舱或室内稳定的常压式低氧气体环境的控制方法。

背景技术

实现常压室低氧气体环境舱（室）的办法，主要采用高浓度氮气稀释舱（室）内空气的办法，使舱内空气中的氧浓度从原来的21%左右，稀释到所需的低氧浓度。但当舱（室）内气体氧浓度达到预定目标后，就应根据输入氮气的浓度以及舱（室）内的目标氧浓度计算出所需混合的空气（21%氧）和氮气的比例实施目标低氧气体环境的控制。控制的途径大致有以下两种：

其中之一是混合气注入法：灌入已经配制好的氮/空气混合气注入舱（室）之中，以维持舱（室）在维持过程中消耗掉有氧气；

其二是新鲜空气流入的微负压控制法：对密封性稍差一些的舱（室），可采用微量抽气法，使舱（室）内维持一个极小的负压环境，从而使舱（室）外的新鲜空气（21%氧）得以从不密封处向舱（室）内流入，造成与注入氮气之间所需比例的分配比。其控制路线是单参数的，既可以通过调节输入氮气流量，也可通过调节室内负压而控制流入新鲜空气流量，达到所需的氮——空气比例。后一种控制法适合于舱（室）密封性不算太好，但仍然有一定密封性能的舱（室）环境。识别能否运用这种微负压控制法的办法是，当用适当流量的抽气泵抽气时，舱室内是否能达到一定程度的负压条件（如2～10mmHg）。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供一种在精确测得舱或室的不密封性的基础上，充分利用气体分子扩散，通入计算后得到的氮气的维持量而使得舱或室内获得稳定的常压低氧，且氧气浓度维持在预定范围内的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法。

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，包括以下步骤：

A．测试舱或室的不密封性：根据气体分子的扩散量与两侧浓度差成正比的原理，测定舱或室内不同氧浓度时各点的扩散到舱内的氧扩散量；

B．检测控制氧气量：需要扩散至舱或室内的氧气量与舱或室内人员呼吸用氧耗量的比值为5-20；

C．计算维持舱或室内预定低氧浓度所需要的高浓度的氮气量：区分三种情况下的高浓度氮气维持量：

（1）舱或室内无人情况下的氮气维持量：计算公式如下：

$L_{N_2}/\min =\frac{L_{O_2}/\min }{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中L_N2/min为氮气维持量，其单位为升/分钟，即每分钟需要输入的氮气的以升为单位的量，L_O2/min为外界氧气的扩散量，即A步骤测得的氧扩散量，其单位为升/分钟，即每分钟外界氧气扩散入舱或室的以升为单位的扩散量，P%为假定将舱或室维持在一高度而预定的氧的浓度，O₂%为输入的高浓度的氮气中微量含有的O₂的浓度，高浓度的氮气流量为V_N2；单位时间扩撒进来的氧气的量为V_O2，则得到的高浓氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}$ （忽略CO₂）；

（2）舱或室内有人，且排出的CO₂不被吸附，则需要注入的高浓氮气维持量为： $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25\·N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中，N为舱或室内的人数，0.25表示每人每分钟消耗的O₂以及CO₂以升为单位的量，建立等式并经过推算得到的需要输入的高浓度的氮气的维持量为 $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25\·N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

（3）舱或室内有人，排出的CO₂被部分吸收，吸收率为η，根据推算得到的此种情况下需要输入的高浓度氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N[1+\frac{P\%}{1-P\%}\·(1-\mathrm{\η})]}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

D．按照步骤C计算得到的需要的输入高浓度氮气的维持量输入高浓度的氮气，同时检测舱或室内的氧气浓度，当氧气浓度≧P%×1.002时，通入高浓度的氮气，当氧气浓度≤P%×0.998时，停止通入高浓度的氮气，并根据检测得到的舱或室内的氧气浓度重复本步骤，直至试验结束。

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其包括以下步骤：

A．测试舱或室的不密封性：根据气体分子的扩散量与两侧浓度差成正比的原理，测定舱或室内不同氧浓度时各点的扩散到舱内的氧扩散量；

B．检测控制氧气量：需要扩散至舱或室内的氧气量与舱或室内人员呼吸用氧耗量的比值为5-20；

C．计算维持舱或室内预定低氧浓度所需要的高浓度的氮气量：区分三种情况下的高浓度氮气维持量：

（1）舱或室内无人情况下的氮气维持量：计算公式如下：

$L_{N_2}/\min =\frac{L_{O_2}/\min }{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中L_N2/min为氮气维持量，其单位为升/分钟，即每分钟需要输入的氮气的以升为单位的量，L_O2/min为外界氧气的扩散量，即A步骤测得的氧扩散量，其单位为升/分钟，即每分钟外界氧气扩散入舱或室的以升为单位的扩散量，P%为假定将舱或室维持在一高度而预定的氧的浓度，O₂%为输入的高浓度的氮气中微量含有的O₂的浓度，高浓度的氮气流量为V_N2；单位时间扩撒进来的氧气的量为V_O2，则得到的高浓氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}$ （忽略CO₂）；

（2）舱或室内有人，且排出的CO₂不被吸附，则需要注入的高浓氮气维持量为： $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25\·N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中，N为舱或室内的人数，0.25表示每人每分钟消耗的O₂以及CO₂以升为单位的量，建立等式并经过推算得到的需要输入的高浓度的氮气的维持量为 $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

（3）舱或室内有人，排出的CO₂被部分吸收，吸收率为η，根据推算得到的此种情况下需要输入的高浓度氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N[1+\frac{P\%}{1-P\%}\·(1-\mathrm{\η})]}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

D．按照步骤C计算得到的需要的输入高浓度氮气的维持量输入高浓度的氮气，同时检测舱或室内的氧气浓度，当氧气浓度≧P%×1.002时，通入高浓度的氮气，当氧气浓度≤P%×0.998时，停止通入高浓度的氮气，并根据检测得到的舱或室内的氧气浓度重复本步骤，直至试验结束。这样，相对于现有技术而言具有的优点为可以根据舱或室内人数以及该舱或室的不密封性，计算出维持该舱或室在设定高度而应当具有预定的稳定的常压低氧气浓度而需要通入的高浓度的氮气的量，并将该量的氮气通入舱或室内，同时检测舱或室内的氧气的浓度偏高时通入高浓度氮气，而当检测到舱或室内的氧气的浓度偏低时，不再通入高浓度的氮气，外界氧气扩散至舱或室内，保持舱或室内的氧气浓度稳定在预定的数值范围内，一般误差为0.2%。这样，提供的新的思路，而且可以将舱或室内常压下的氧气浓度保持稳定，而且准确性好。

说明书附图

图1不同氧浓度各点扩散到舱内的氧气量的线条图。

具体实施方式

下面结合附图的图1对本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法作进一步详细说明。

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，请参考图1，包括以下步骤：

A．测试舱或室的不密封性：根据气体分子的扩散量与两侧浓度差成正比的原理，测定舱或室内不同氧浓度时各点的扩散到舱内的氧扩散量；

B．检测控制氧气量：需要扩散至舱或室内的氧气量与舱或室内人员呼吸用氧耗量的比值为5-20；

C．计算维持舱或室内预定低氧浓度所需要的高浓度的氮气量：区分三种情况下的高浓度氮气维持量：

（1）舱或室内无人情况下的氮气维持量：计算公式如下：

$L_{N_2}/\min =\frac{L_{O_2}/\min }{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中L_N2/min为氮气维持量，其单位为升/分钟，即每分钟需要输入的氮气的以升为单位的量，L_O2/min为外界氧气的扩散量，即A步骤测得的氧扩散量，其单位为升/分钟，即每分钟外界氧气扩散入舱或室的以升为单位的扩散量，P%为假定将舱或室维持在一高度而预定的氧的浓度，O₂%为输入的高浓度的氮气中微量含有的O₂的浓度，高浓度的氮气流量为V_N2；单位时间扩撒进来的氧气的量为V_O2，则得到的高浓氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}$ （忽略CO₂）；

（2）舱或室内有人，且排出的CO₂不被吸附，则需要注入的高浓氮气维持量为： $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25\·N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%},$

其中，N为舱或室内的人数，0.25表示每人每分钟消耗的O₂以及CO₂以升为单位的量，建立等式并经过推算得到的需要输入的高浓度的氮气的维持量为 $V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

（3）舱或室内有人，排出的CO₂被部分吸收，吸收率为η，根据推算得到的此种情况下需要输入的高浓度氮气的维持量为：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N[1+\frac{P\%}{1-P\%}\·(1-\mathrm{\η})]}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%};$

D．按照步骤C计算得到的需要的输入高浓度氮气的维持量输入高浓度的氮气，同时检测舱或室内的氧气浓度，当氧气浓度≧P%×1.002时，通入高浓度的氮气，当氧气浓度≤P%×0.998时，停止通入高浓度的氮气，并根据检测得到的舱或室内的氧气浓度重复本步骤，直至试验结束。根据气体分子扩散现象是指在非外力作用下气体分子由高浓度侧向低浓度侧扩散的方向性，以及其扩散速率与两侧气体之间浓度差成正比的原理；又由于常压式低氧舱（室）内外之间基本上不存在由气体压差所造成的气体流动现象。因此可确认，当舱（室）内气体氧浓度低于舱外气体时，舱（室）内外之间通过其不密封性的存在会造成舱（室）外氧气分子向舱（室）内扩散现象，并且其扩散速率与舱（室）内外间氧浓度的差值成正比，舱（室）内氧浓度越低，扩散速率越快。

在具体测定时，根据气体分子扩散量与两侧浓度差成正比的原理，我们只要设法测定舱内某一低氧浓度从舱（室）外向内扩散的氧气量，即可知道舱内不同氧浓度时各点的扩散到舱内的氧扩散量。例如，如果我们的舱内氧浓度为12.19%时，测得的扩散到舱内的氧气量为29.26L/min,则不同氧浓度各点扩散到舱内的氧气量如图1所示。得到的回归方程为：

y=-3.135*x+67.74,其中：y为氧扩散量(L/min)，x为氧浓度(%)。而B步骤中，从舱或室外扩散到舱内的单位时间，氧气量是否够舱或室内人员呼吸消耗所需。一般地为了避免使舱或室内CO₂过多积聚，应将扩散到舱或室内的氧气量和舱或室内所有人员呼吸用氧耗量的比值控制在5～20倍范围内。少于5倍时CO₂积聚太高，大于20倍时，维持氧浓度所需的氮量较少。

这样，相对于现有技术而言具有的优点为可以根据舱或室内人数以及该舱或室的不密封性，计算出维持该舱或室在设定高度而应当具有预定的稳定的常压低氧气浓度而需要通入的高浓度的氮气的量，并将该量的氮气通入舱或室内，同时检测舱或室内的氧气的浓度偏高时通入高浓度氮气，而当检测到舱或室内的氧气的浓度偏低时，不再通入高浓度的氮气，外界氧气扩散至舱或室内，保持舱或室内的氧气浓度稳定在预定的数值范围内，一般误差为0.2%。这样，提供的新的思路，而且可以将舱或室内常压下的氧气浓度保持稳定，而且准确性好。

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，在前面具体实施例的基础上还可以是所述A步骤具体步骤如下：

（1）向舱或室内注入高浓度的但气流，在氧气浓度计检测氧气浓度的情况下，使得舱或室内达到预定的低氧浓度；

（2）阶段跳跃式切分断氮气注入，并观察、记录舱或室内氧气浓度从预定的低氧浓度值开始逐渐升高的过程，获得在切断注入氮气后舱或室内气体氧浓度升高的斜率K,即

（3）在该氧气浓度下单位时间舱或室外氧气由舱或室外向内扩散量为：

这样，就完全可以准确地确定该舱或室的不密封性和单位时间内由外向内扩散进来的扩散量。为稳定舱或室内常压低氧浓度在预定范围内，打下坚实的基础。

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，在前面所述的技术方案的基础上，进一步可以是所述C步骤中（1）的推导过程为：单位时间新入舱的O₂总量为V_N2×O₂%+V_O2，单位时间新入舱的N₂总量为V_N2×（1-O₂%），建立等式：

$\frac{V_{N_2}\·O_2\%+V_{O_2}}{V_{N_2}\·(1-O_2\%)}=\frac{P\%}{1-P\%}$ 提出V_N2，得到

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}.$

设：O₂的扩散量为29.26L/min，

输入N₂的氧浓度O₂%为0.05

预定低氧度为P%为0.12

求输入氮量L_N2/min

$\frac{29.26L/\min }{\frac{0.12}{0.88}*0.95-0.05}=368L/\min$

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，在前面所述的技术方案的基础上，还可以是所述C步骤（2）中的推导过程为：单位时间内在舱内的氧量变化与以下三种成分有关：单位时间内在舱内其他气体N₂和CO₂的变化量与以下二种成份有关：其中N₂成份为而CO₂量为0.25·N，因此，其他气体的总量为建立单位时间O₂和其他气体的比例等式，即：

$\frac{V_{N_2}\·O_2\%+V_{O_2}-0.25\·N}{V_{N_2}(1-O_2\%)+0.25\·N}=\frac{P\%}{1-P\%},$ 提出V_N2，得出

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N(1+\frac{P\%}{1-P\%})}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}.$

同样按前述实例计算，即设：

1.O₂的扩散入舱量为29.26L/min

2.输入N₂的氧浓度O₂%为0.05

3.预定的氧浓度P%为0.12

4.舱内人数N=10，代入上式算

$V_{N_2}=\frac{29.26-2.5\·1.1364}{0.1296-0.05}=\frac{26.419}{0.0796}=332L/\min$

比舱内无人情况下（368L/m）少了34L/min

本发明的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，在前面所述的技术方案的基础上，还可以是所述C步骤（3）中的推导过程为：该种情况的等式方程式为：

$\frac{V_{N_2}\·O_2\%+V_{O_2}-0.25\·N}{V_{N_2}(1-O_2\%)+0.25\·N\·(1-\mathrm{\η})}=\frac{P\%}{1-P\%},$ 计算后得到的氮气维持量：

$V_{N_2}=\frac{V_{O_2}-0.25N[1+\frac{P\%}{1-P\%}\·(1-\mathrm{\η})]}{\frac{P\%}{1-P\%}(1-O_2\%)-O_2\%}.$

同样用上述实例计算，并设η＝0.5，则

$V_{N_2}=\frac{29.26L-0.25\·10\·1.0682}{0.1364\×0.95-0.05}=\frac{27.8906}{0.0796}=334L/\min$

可见舱内有人情况下，为了维持预定的氧浓度P%，所需的注入氮气量比无人情况下稍少。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.测试舱或室的不密封性：根据气体分子的扩散量与两侧浓度差成正比的原理，测定舱或室内不同氧浓度时各点的扩散到舱内的氧扩散量；

B.检测控制氧气量：需要扩散至舱或室内的氧气量与舱或室内人员呼吸用氧耗量的比值为5-20；

C.计算维持舱或室内预定低氧浓度所需要的高浓度的氮气量：区分三种情况下的高浓度氮气维持量：

(1)舱或室内无人情况下的氮气维持量：计算公式如下：

其中L_N2/min为氮气维持量，其单位为升/分钟，即每分钟需要输入的氮气的以升为单位的量，L_O2/min为外界氧气的扩散量，即A步骤测得的氧扩散量，其单位为升/分钟，即每分钟外界氧气扩散入舱或室的以升为单位的扩散量，P％为假定将舱或室维持在一高度而预定的氧的浓度，O₂％为输入的高浓度的氮气中微量含有的O₂的浓度，高浓度的氮气流量为V_N2；单位时间扩撒进来的氧气的量为V_O2，则得到的高浓氮气的维持量为：

其中该公式为忽略CO₂的情况；

(2)舱或室内有人，且排出的CO₂不被吸附，则需要注入的高浓氮气维持量为：

其中，N为舱或室内的人数，0.25表示每人每分钟消耗的O₂以及CO₂以升为单位的量，建立等式并经过推算得到的需要输入的高浓度的氮气的维持量为

(3)舱或室内有人，排出的CO₂被部分吸收，吸收率为η，根据推算得到的此种情况下需要输入的高浓度氮气的维持量为：

D.按照步骤C计算得到的需要的输入高浓度氮气的维持量输入高浓度的氮气，同时检测舱或室内的氧气浓度，当氧气浓度≥P％×1.002时，通入高浓度的氮气，当氧气浓度≤P％×0.998时，停止通入高浓度的氮气，并根据检测得到的舱或室内的氧气浓度重复本步骤，直至试验结束。

2.根据权利要求1所述的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其特征在于：所述A步骤具体步骤如下：

(1)向舱或室内注入高浓度的氮气流，在氧气浓度计检测氧气浓度的情况下，使得舱或室内达到预定的低氧浓度；

(2)阶段跳跃式切分断氮气注入，并观察、记录舱或室内氧气浓度从预定的低氧浓度值开始逐渐升高的过程，获得在切断注入氮气后舱或室内气体氧浓度升高的斜率K，即

(3)在该氧气浓度下单位时间舱或室外氧气由舱或室外向内扩散量为：

3.根据权利要求2所述的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其特征在于：所述C步骤中(1)的推导过程为：单位时间新入舱的O₂总量为V_N2×O₂％+V_O2，单位时间新入舱的N₂总量为V_N2×(1-O₂％)，建立等式：

提出V_N2，得到

4.根据权利要求3所述的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其特征在于：所述C步骤(2)中的推导过程为：单位时间内在舱内的氧量变化与以下三种成分有关：单位时间内在舱内其他气体N₂和CO₂的变化量与以下二种成份有关：其中N₂成份为而CO₂量为0.25·N，因此，其他气体的总量为建立单位时间O₂和其他气体的比例等式，即：

提出V_N2，得出

5.根据权利要求4所述的稳定的常压式低氧气体环境的控制方法，其特征在于：所述C步骤(3)中的推导过程为：该种情况的等式方程式为：

计算后得到的氮气维持量：