CN104645474B - 一种同步呼吸供氧控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步呼吸机供氧控制器，涉及移动供氧领域。它包括稳压阀、二位三通电磁阀、阻流器、压力传感器、低噪声高增益放大模块、电磁阀驱动模块和单片微处理器。本发明在二位三通电磁阀进氧口与高压氧瓶之间加入了稳压阀，确保了供氧量的稳定；在二位三通电磁阀检测口与压力传感器之间加入了阻流器，阻尼电磁阀闭合过程中的瞬间高压气流，确保压力传感器的安全；二位三通电磁阀通过呼吸感知状态、供氧状态和延时保护三种状态的不断转移准确可靠的实现了同步供氧。本发明能够高灵敏度采集用氧者吸气时刻，对外界环境温度变化及干扰电平也进行了抑制；解决了现有技术中持续供氧氧源浪费量大，脉冲式供氧灵敏度低的问题。

Description

一种同步呼吸供氧控制器

技术领域

本发明涉及移动供氧技术领域，尤其是涉及一种适用于高原地区便携式供氧机的主要部件——同步呼吸机供氧控制器。

背景技术

装甲车辆闭舱行驶以及高原地区行军训练，由于其缺氧环境，给工作人员的身体带来不适，影响工作效率。传统的供氧方式采用标准纯浓度医用氧单管鼻饲式连续供氧的方法进行供氧，其工作过程为：打开高压氧瓶(高压氧瓶正常压力一般不超过15MPa)开关，高压氧气通过减压阀，使氧压降至0.5MPa以内；当减压阀门打开后，低压氧通过装有水的湿化瓶和浮子流量计的调节，使输氧通道输出的氧气达到要求的流量。该方法存在大量浪费氧源的问题，在氧源比较缺乏的地区这个问题将更加突出。

传统的脉冲式供氧在呼吸过程中，只有当吸气时，同步呼吸供氧控制器才使低压氧通过电磁阀提供设定流量的氧气；在呼气时，不供氧。但是脉冲式供氧在脉冲电压放大传输过程中由于温度、湿度、压力等的变化引起信号电平的漂移，电磁阀的干扰及电磁阀漏氧会引起脉冲干扰。因此，传统的脉冲式供氧实现了与呼吸同步但是其供氧灵敏度较低，供氧稳定度也有待进一步提高。

发明内容

为了解决现有技术中持续供氧氧源浪费量大、脉冲式供氧灵敏度低的问题，本发明设计发明了一种既可以在车辆上使用也可以个人便携移动的同步呼吸供氧控制器，通过脉冲同步供氧，比高压氧瓶节氧2/3，解决了车辆乘载员缺氧和高原缺氧的问题。

本发明的技术方案为：一种同步呼吸供氧控制器，包括二位三通电磁阀、阻流器、压力传感器和单片微处理器，二位三通电磁阀的第一通气口P为进氧口，第二通气口A为出氧口，第三通气口R为检测口；阻流器的一端与检测口相连接，阻流器的另一端与压力传感器的压力输入端相连接；压力传感器将感知的气压变化转换为电信号并由压力信号输出端输出至单片微处理器；单片微处理器对压力信号进行采样滤波形成脉冲电压信号并由电磁阀控制信号输出端输出至二位三通电磁阀的驱动控制端。

其中，所述阻流器为硬质中空管，硬质中空管的管壁上开设有泄压孔。

其中，还包括低噪声高增益放大模块，压力传感器将感知的气压变化转换为电信号并输出至低噪声高增益放大模块；低噪声高增益放大模块将收到的电信号经两级放大输出至单片微处理器。

其中，还包括电磁阀驱动模块，单片微处理器输出脉冲电压信号至电磁阀驱动模块；电磁阀驱动模块将收到的脉冲电压信号进行功率放大后输出至二位三通电磁阀的驱动控制端。

其中，所述的低噪声高增益放大模块包括仪表放大器、低通滤波器、隔离放大器和减法放大器，仪表放大器将压力传感器输出的电压差值进行差动放大处理后分别输出至低通滤波器的输入端和单片微处理器第一AD输入端AD1；单片微处理器对第一AD输入端收到的信号进行采样、滤波处理和计算，得到直流偏置电压值并由DA输出端输出至隔离放大器的输入端；隔离放大器将收到的直流偏置电压值进行缓冲处理后输出至减法放大器的同相输入端；低通滤波器对仪表放大器输出的信号进行滤波处理后输出至减法放大器的反相输入端；减法放大器对输入的两路信号进行相减放大处理后输出至单片微处理器的第二AD输入端AD2。

其中，还包括稳压阀，稳压阀的输入端接收外部输入的氧气，稳压阀的输出端连接二位三通电磁阀的进氧口。

其中，所述的二位三通电磁阀的阀芯为柱塞式结构，阀体为高纯度聚四氟乙烯材料。

其中，所述的稳压阀的最大输入压力大于1MPa，稳压阀的压力输出为0.3MPa。

其中，所述的压力传感器、低噪声高增益放大模块和单片微处理器均为独立的电路模块，并用环氧树脂密封胶塑型封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过改变脉冲宽度可实现流量和灵敏度的调节；

2、本发明采用脉冲调宽技术给二位三通电磁阀供电，与传统连续直流供电方式相比使得二位三通电磁阀的供电节省60％，大大延长了电池的使用寿命和使用时间；

3、本发明在单片微处理器的控制下，能对用氧者吸气时刻进行高灵敏度采集，同时对吸气以外的任何时刻、环境温度变化以及放大过程中的干扰电平也进行了抑制，从而实现可靠、平稳的供氧及供氧的高灵敏度和高稳定度；

4、本发明的供氧控制器成本低、体积小、重量轻、供氧时间长且可便携移动，与人呼吸同步。该装置可在车辆、医院、高原等多种环境中使用。

附图说明

图1为本发明实施例的气动模块电路结构示意图；

图2为本发明实施例的电子模块电路结构示意图；

图3为本发明的阻流器结构示意图；

图4为本发明的低噪声高增益放大模块电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

本发明的同步呼吸供氧控制器由气动模块和电子模块两功能模块组成。

图1为本发明实施例的气动模块电路结构示意图；本发明的气动模块包括二位三通电磁阀、稳压阀、压力传感器、阻流器以及相互连接的供气管路和接头。

二位三通电磁阀：本实施例的二位三通电磁阀的阀芯为柱塞式结构，使得电磁阀由关闭到开启的时间小于50ms；阀体为高纯度聚四氟乙烯材料，使得电磁阀免润滑油、免维修、可工作10亿次；电磁线包电感量不小于1mh，直流电阻小于2Ω，其直流驱动功率小于0.3w，交流驱动功率小于0.1w，使得电磁阀在长时间连续工作的条件下其功耗小于0.3w。

如图1所示，二位三通电磁阀的第一通气口P为进氧口，第二通气口A为出氧口，第三通气口R为检测口，本电磁阀内部包括A-R通道、A-P通道和R-P通道。用氧者呼吸产生的负压通过A-R通道传输至阻流器，同时通过控制端接收到的氧气流量控制信号，通过R-P通道控制P端口打开，氧气通过P-A通道输出至用氧者。通过该阀，实现感知呼吸和供氧两种气路状态的转换。

本实施例中采用了额定电压为2V的二位三通电磁阀，驱动它的是电压为3.6V的调宽脉冲，电磁阀开启时，用高电压、电流大的驱动脉冲，使电磁阀快速动作；开启后，利用电磁阀线包感抗特征，改用均值电压低，均值电流小的约2KC的脉冲串驱动，使电磁阀保持开启状态。

阻流器是一段硬质中空管，其中心位置开有泄流孔，孔的大小根据稳压器的输出压力与压力传感器的最大输入压力之差来确定，其差值越大，孔越大。图3为本发明实施例阻流器的结构示意图，实施例中阻流器为Φ2.5×150mm聚四氧乙烯中空管，中心位置的泄流孔的直径为0.2mm。阻流器用于阻尼二位三通电磁阀闭合过程中的瞬间高压气流，减小压力传感器的外界扰动和噪声，确保压力传感器的安全。

高压氧瓶减压输出的氧气压力在0.1～0.2MPa之间变化，为确保供氧量的稳定，本发明在二位三通电磁阀进氧口前加入了一个稳压阀。本发明为脉冲式供氧方式，给氧量的大小由稳压阀的输出氧压力和二位三通电磁阀导通时间决定。本稳压阀为单向阀，在输入气压在小于1.0MPa时，使输出气压稳定在一定值，该值可通过调节螺钉微调，本模块设定在0.3MPa。

压力传感器采用单晶片桥式压力传感器，工作范围为0～1psi，用于感知气压的变化，并转换为与之线性相关的电信号。

图2为本发明实施例的电子模块电路结构示意图；本发明的电子模块由低噪声高增益放大模块、电磁阀驱动模块、电池及电源管理模块、键盘显示模块和单片微处理器组成。

低噪声高增益放大模块：总增益优于70dB，能够将压力传感器感知的人体微弱的呼吸气压U_S经该模块转换为计算机灵敏感知的电压信号U_S’，信号U_S的波形如图所示。实施例中该模块的分辨率优于0.1cm水柱。

电磁阀驱动模块：接受单片微处理器开关电磁阀的指令U_P’，并将其功率放大为电磁阀可靠动作的信号U_P，短延时和低功耗是该模块的关键。信号U_P的波形如图所述，t_n为吸氧脉冲的起始时间即用氧者开始吸气起时刻，以t_n为起点电磁阀驱动模块产生使二位三通电磁阀导通的驱动脉冲电压，其脉冲宽度由用氧者通过键盘显示模块的输入参数确定，t_s为吸氧延时时间，t_f为一次吸氧结束时间。t_n、脉冲宽度和氧源压力共同决定了给氧量。当氧源压力给定时，用氧者每次呼吸的给氧量由电磁阀驱动模块开启时的脉冲宽度决定。

本实施例电磁阀驱动模块为mos管和三极管组成的混合驱动电路。用mos管做功放，其导通内阻小，减小了驱动电路损耗；但mos管存在较大的栅电容，能引起前后沿陡度恶化，引起电磁阀动作迟缓，调宽脉冲驱动时这一矛盾更为突出。为此，增加其他辅助电路，当mos管开启和关闭瞬间，建立相应的低阻通道，使栅电容可以快速充放电。

电池是一块3.6V，容量为1500mAh的手机锂电池，充满电时用户可使用约72h，并配有充电器。电源管理模块由USB接口、充电管理及供电切换电路组成。通常单片微处理器由内部锂电池供电；当有外电源接入USB接口时，一方面外电源经电源管理模块为锂电池充电；另一方面，单片微处理器自动切换至外接电源供电。

键盘显示模块由专用键盘和显示器构成，主要用于灵敏度、流量、定时等输入参数设定及供氧状态、时间等的显示。

单片微处理器将低噪声高增益放大模块输出的信号进行采样，得到该信号的前沿时刻，再对采样信号进行卡尔曼滤波以消除采样过程中出现的零点漂移和杂波干扰，使得信噪比的分贝数由负变正。单片微处理器根据采样得到的信号前沿时刻以及键盘显示模块输入的流量信息，形成具有一定宽度的脉冲信号，其脉冲上升沿对应电信号的前沿时刻，脉冲宽度与键盘输入的供氧流量对应，其下降沿对应此次供氧流量的结束时刻，改变供氧流量档位则脉冲宽度随之改变。

图4为本发明的低噪声高增益放大模块电路结构示意图；本发明低噪声高增益放大模块采用两级级联，第一级为仪表放大器，增益约45dB，第二级为具有低通滤波的减法放大器，增益约25dB。第一级输出分两条支路，一路经低通滤波送至第二级减法放大器的负端；另一路送至单片微处理器的AD1端，经专用软件线程对其采样、数字滤波、分析，计算出第二级放大器的直流偏置值，并通过DA端口经隔离放大器缓冲送至第二级减法放大器的正端；第二级减法放大器将信号放大得到增益达70dB的呼吸电压波形并输出送至单片微处理器的AD2端口。

低成本的压力传感器灵敏度低，低成本的仪表放大器噪声高、温漂大。而可靠地感知人体呼吸变化，需高增益的放大器配合实现，噪声、温漂又严重地制约着增益的提高。本发明在单片微处理器前加入了低噪声高增益放大环路，自动消除各种因素引起的直流偏置和干扰，确保了本控制器在各种环境可靠运行。

人体在吸气时不同时间对氧的利用率是不同的，在由呼气刚转为吸气的约0.5S的时间供氧最有效。只有吸气时刻的准确判定，才能实现吸气时同步地、及时地给氧。本控制器根据吸气瞬间气压变化剧烈的特点而采用了dv/dt判定法，即实时采样呼吸电压波形，并计算出单位时间的电压变化，与给定的阈值比较，从而判定吸气时刻。但该法必须解决如下问题：

a、在二位三通电磁阀不动作时，压力传感器与人体的呼吸管路相通，感知的是人体的呼吸气压；但是二位三通电磁阀开启后，此时压力传感器通过阻流器与大气相连，感知的是大气气压。这样二位三通电磁阀动作前后，因压力传感器所感应的对象不同，极易发生气压突变，此时用dv/dt判别，会误判为吸气时刻。

b、在低温下，因热胀冷缩的影响，再加上二位三通电磁阀管路密封材料弹性减弱，试验证明，静态时二位三通电磁阀无论开启或关闭，气密性不存在问题；但是在动作过程中，有的二位三通电磁阀存在微漏气，这时微量高压氧气会通过二位三通电磁阀进入压力传感器，尽管有阻流器阻尼、泄放，与呼吸的微气压相比，其气压依然很高。二位三通电磁阀关闭后，该气压须经一段时间的泄放才能恢复正常，此时用dv/dt判别，也会造成吸气时刻误判。

无论是上述哪种情形的误判，均会造成单片微处理器自激。

本发明解决的办法是将一个完整的供氧周期分为三种工作状态，即呼吸感知状态、供氧状态和延时保护状态。工作过程是：在呼吸感知状态，不断地对压力波形进行采样、滤波、运算，当判别为吸气时刻，则启动二位三通电磁阀，并转入供氧状态；当满足停止供氧的条件后，关闭二位三通电磁阀，并进入延时保护状态；约0.5S的延时后，自动返回呼吸感知状态。通过三种状态的不断转移，准确可靠地实现同步供氧。

本同步呼吸供氧控制器选用了各种微型气动元件；电子元器件全部采用了微封装，电路板采用了多层板工艺，所有电气元件均采用表贴封装，板间用柔性电缆互连，这样使电子组件结构紧凑，实现了微型化；外壳采用了注塑工艺，壳内为气动元件、气动管路预注了卡槽，进氧口和出氧口均预埋了密封结构的螺孔；压力传感器、低噪声高增益放大模块和单片微处理器均为独立的电路模块，并用环氧树脂密封胶塑型封装，防潮防尘防沙；电子模块中对环境因素敏感的元、部件进行了塑封处理，软件中也对环境变化带来的影响进行了消除处理，确保了各种苛刻环境条件下的使用要求。

本发明的工作原理：

从高压氧瓶输出的氧气，压力通常在0.4～0.8MPa，经稳压阀稳压输出至二位三通电磁阀的P端口。二位三通电磁阀未加驱动时，二位三通电磁阀A-R单向导通，此时构成感知呼吸气路，用氧者的呼、吸造成联通管道内的气压变化，通过A-R通道、阻流器传至压力传感器；压力传感器随时监测气路中的压力变化情况，一旦感知到因用氧者呼吸而产生的负压，则输出电信号，经放大后进入单片微处理器进行采样、滤波，得到上升沿与呼吸时刻对应的驱动脉冲信号，经功率放大后输入二位三通电磁阀的控制端，此时切换气路为供氧状态；氧气经A-P通道送至用氧者，并在驱动脉冲信号下降沿时关闭，完成一次供氧。

Claims (7)

1.一种同步呼吸供氧控制器，其特征在于：包括二位三通电磁阀、阻流器、压力传感器和单片微处理器，二位三通电磁阀的第一通气口(P)为进氧口，第二通气口(A)为出氧口，第三通气口(R)为检测口；阻流器的一端与检测口相连接，阻流器的另一端与压力传感器的压力输入端相连接；压力传感器将感知的气压变化转换为电信号并由压力信号输出端输出至单片微处理器；单片微处理器对压力信号进行采样滤波形成脉冲电压信号并由电磁阀控制信号输出端输出至二位三通电磁阀的驱动控制端；还包括低噪声高增益放大模块，压力传感器将感知的气压变化转换为电信号并输出至低噪声高增益放大模块；低噪声高增益放大模块将收到的电信号经两级放大输出至单片微处理器；

其中，所述的低噪声高增益放大模块包括仪表放大器、低通滤波器、隔离放大器和减法放大器，仪表放大器将压力传感器输出的电压差值进行差动放大处理后分别输出至低通滤波器的输入端和单片微处理器第一AD输入端(AD1)；单片微处理器对第一AD输入端收到的信号进行采样、滤波处理和计算，得到直流偏置电压值并由DA输出端输出至隔离放大器的输入端；隔离放大器将收到的直流偏置电压值进行缓冲处理后输出至减法放大器的同相输入端；低通滤波器对仪表放大器输出的信号进行滤波处理后输出至减法放大器的反相输入端；减法放大器对输入的两路信号进行相减放大处理后输出至单片微处理器的第二AD输入端(AD2)。

2.根据权利要求1所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：所述阻流器为硬质中空管，硬质中空管的管壁上开设有泄压孔。

3.根据权利要求1所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：还包括电磁阀驱动模块，单片微处理器输出脉冲电压信号至电磁阀驱动模块；电磁阀驱动模块将收到的脉冲电压信号进行功率放大后输出至二位三通电磁阀的驱动控制端。

4.根据权利要求1所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：还包括稳压阀，稳压阀的输入端接收外部输入的氧气，稳压阀的输出端连接二位三通电磁阀的进氧口。

5.根据权利要求1所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：所述的二位三通电磁阀的阀芯为柱塞式结构，阀体为高纯度聚四氟乙烯材料。

6.根据权利要求4所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：所述的稳压阀的最大输入压力大于1MPa，稳压阀的压力输出为0.3MPa。

7.根据权利要求1所述的同步呼吸供氧控制器，其特征在于：所述的压力传感器、低噪声高增益放大模块和单片微处理器均为独立的电路模块，并用环氧树脂密封胶塑型封装。