CN104906677B - 一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能自动修正阀门开度的流量控制模块，主要由控制单元(1)、直流电机(2)、阀座(3)、阀芯(4)、密封圈(5)、传动件(6)、压力传感器(7)、氧气通道(8)组成，其优点是采用阀门开度设定、计量和控制氧气输出流量，降低了数控类氧气吸入器的制造成本，动态修正调节阀门开度，使氧气输出比传统氧气吸入器更加准确、稳定，可以广泛应用于各种数控类氧气吸入器产品中。

Description

一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块

技术领域

本发明涉及一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，属于医疗单位使用的氧气吸入器中的流量控制部件。

背景技术

氧气吸入器是氧疗过程中调节和观察氧气流量必备器具，流量调节阀、流量计是氧气吸入器的两个核心组成部件，流量调节阀主要用于氧气的开启/关闭、流量调整，流量计用于观察实时流量值。目前国内医院仍普遍浮标式氧气吸入器（浮子流量计），其优点是结构简单、成本低而耐用，但其缺点也很明显，普遍存在流量调节不方便（人工调节旋钮、浮标漂移不稳定）、计量误差大（供气压力变化引起）、数据无法存储等缺憾。浮标式氧气吸入器临床应用已长达几十年还没有更新换代，这与近几年快速发展医疗仪器的电子化、智能化趋势严重背离，究其原因是智能化氧气吸入器核心部件电子流量控制阀、流量传感器的精度要求高（国家行业标准YY1107-2003要求流量误差不超过4%），而目前已经上市的电子流量控制阀、流量传感器体积大、价格高、控制精度低，而定制精度符合要求的电子流量控制阀价格更加昂贵，无法满足智能化氧气吸入器实际生产需要，因此不少技术方案无法在实际生产中得以实施、或者实施后因产品价格昂贵医院不能接受和推广使用。

为此，本发明在提出了一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块全新技术方案，产品体积小、精度高、造价低，有利于普及推广使用。

发明内容

本发明提出一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，主要由控制单元、直流电机、阀座、阀芯、密封圈、传动件、压力传感器组成，其主要特征是：阀门的开度与流量呈线性关系特征，也就是阀门的开度跟流量成正比、相对流量与相对开度成正相关，控制单元发出工作指令后，直流电机驱动阀芯在阀座内位移，通过位移调节阀门的开度，达到控制氧气开启/关闭、流量调整的目标；同时氧气通道内设有的压力传感器可以实时监测供气压力的变化，当供气压力衰减或者增大时，控制单元根据内置的压力/流量补偿系数自动重新调节阀门的开度，对输出氧气做出流量补偿；控制单元获知压力传感器传送的供气压力偏离过大或者低于供气压力下限值时，控制单元能发出声光电警示。

所述的控制单元是以单片机为核心的控制模块，控制单元包括但不限于单片机、存储模块、时间芯片、控制按钮、显示模块、警示模块、集成电路；控制单元可以在本发明中独立设置，也可以共享使用数控类氧气吸入器的核心控制模块；

所述的直流电机与控制单元联通工作；

所述的阀芯的外部形状一般采用抛物线形锥形或球形，通用的是可采用子弹形外形结构，前段子弹头部分为阀芯的密封体，后段子弹壳体部分为阀芯的固定转动轴；

所述的直流电机与阀芯之间设有传动件，直流电机能直接或间接带动阀芯转动并直线位移；

所述的传动件包括但不限于齿轮、齿条、皮带轮、曲轴、连杆、皮带、链条、轮轴、轴等的任意一种或几种的组合；

所述的阀芯的外周设有密封圈，密封圈一般可以是四氟乙烯、硅胶、乳胶等材料制成的O型圈；

所述的氧气通道的前端采用气源接头连通供气端口，氧气通道的尾端设置快捷接头连接湿化瓶（潮化杯）、鼻氧管、吸氧面罩等；

所述的氧气通道的前端与尾端之间，至少应设有一个阀座，阀座本身也可以是氧气通道的一个组成部分。阀座与阀芯形成一定的节流面积，当阀芯被直流电机驱动位移时，阀座与阀芯的相对节流面积可以在F0～Fmax之间调节（所谓阀门的相对节流面积是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比，用

f=F/Fmax来表示）。阀门的开度与流量呈线性关系特征，也就是阀门的开度跟流量成正比、相对流量与相对开度成正相关，即相对开度越小，阀门通道越小，相对流量越小；相对开度越大，阀门通道越大，相对流量越大。相对开度为零，阀门关闭，这时流量为零。阀门的开度与流量的线性关系会随着不同的阀门结构、形状发生变化，出现直线、等百分比（对数）或抛物线几种流量特性，均可采用通用的函数公式计算，但在实际生产制备中不能用笼统的函数式表示，具体的还要要根据阀体个体特征计算特定的试验曲线。

如果采用呈线性关系特征的阀门，根据阀门的开度跟流量成正比、相对流量与相对开度成正相关这一特征，在供气压力稳定一致的状态下，每一个相对阀门开度对应一个流量值，就是说设定阀门相对开度就可以同时设定相对流量、调节阀门开度便可调节控制流量；也就是说只要在数控氧气吸入器中标定相对开度值，就可以直接给出相对流量值。反过来讲，只要在数控氧气吸入器的控制单元中标出流量值参数，操作对应流量值参数设置按钮并能自动设定对应阀门开度，给出对应的氧气输出量，而不再必要采用流量计监测与读出流量。如果采用这一技术方案，那么制备数控类氧气吸入器产品时就不需要把流量传感器或气体流量计作为必须部件，大大降低了数控类氧气吸入器的制造成本。但在实际氧疗中，供气压力常常是不均衡的，尤其是采用钢瓶氧疗时会随着瓶内氧气消耗的不断增加而使瓶内压力衰减。根据这一问题本发明提出的具体解决方案是：在氧气通道的前端与尾端之间，至少应设有一个压力传感器，压力传感器与控制单元联通工作，实时监测供气压力变化并发送给控制单元；控制单元内设有压力/流量补偿系数模型，控制单元根据压力传感器传送的供气压力变化给出对应的压力/流量补偿系数，并指令直流电机根据给出的对应压力/流量补偿系数重新调节阀门开度，供气压力衰减时增加阀门开度、供气压力增大时则减小阀门开度，使氧气输出量与医护人员设定的氧疗流量值保持动态一致，由此达成设定、调节和控制氧气输出流量的目的。

在实际氧疗中，无论中心供氧还是钢瓶供氧的输气压力是不稳定的，医护人员设定了氧疗的流量值(L/min）后，氧气吸入器中用于观察流量值的浮标常常上下漂移，影响计量的准确性；而且如果采用钢瓶供氧时压力降到0.10MPa以下就无法继续使用。目前传统氧气吸入器氧疗时供气压力无法动态监测和警示，更不能自动修正因压力变化产生的流量偏移；采用钢瓶氧疗时气压下限值要靠护理人员观察压力表，传统氧气吸入器无法动态警示压力变化，瓶内压力不足时会影响氧疗效果和安全性。本发明设有的压力传感器与控制单元联通工作，当压力传感器获取并传送的供气压力偏离正常供气压力值时，控制单元可以发出声光电警示。控制单元获知压力传感器传送的供气压力偏离过大或者低于供气压力下限值时，控制单元即可发出声光电警示；警示的供气压力偏离值可以设置为±0.05 MPa、警示的供气压力下限值可以设置为0.10MPa。

本发明的优点是：采用阀门开度设定、计量和控制氧气输出流量，使制备数控类氧气吸入器时非必须采用流量传感器或气体流量计进行计量和控制；采用压力传感器进行供气压力的动态监测，并由控制单元内置的压力/流量补偿系数动态修正调节阀门开度，使氧气输出比传统氧气吸入器更加准确、稳定。控制单元获知压力传感器传送的供气压力偏离过大或者低于供气压力下限值时，控制单元级发出声光电警示，使氧疗监护更及时、更安全。采用本技术方案实施生产的流量计量与控制模块生产成本低、技术稳定，可以广泛应用于各种数控类氧气吸入器产品中。

附图说明

图1是本发明的的主体结构示意图

图2实施例二数控氧气吸入器、标准流量计连接方法示意图

图中所示：控制单元（1）、直流电机（2）、阀座（3）、阀芯（4）、密封圈（5）、传动件（6）、压力传感器（7）、氧气通道（8）、氧气输出口（9）、气源接头（10）、导线（11）、流量控制按钮（12）、数控氧气吸入器（A）、可调压压力表（B）、标准流量计（C）、流量调节阀（D）、上位机（E）

具体实施方式

下面结合附图1和实施例具体地说明本发明。

1.实施例一：采用本发明制备的数控氧气吸入器的举例

由于阀门的开度、流量系数等技术参数计算比较复杂，为了举例说明简单直观，

本实施例采用流量特性为直线结构特性的阀门举例说明，所述的直线特性是指阀门的相对流量与相对开度成直线关系，即单位开度变化引起的流量变化时常数。阀门的相对节流面积与相对开度成直线关系；确定计算流量Qlmax=10L/min，Qmin=0.1L/min；

阀门开度与流量放大倍率M如表1所示：

表1 放大倍率M

开度	10%	20%	30%	40%	50%	60%	70%	80%	90%
										M	7.69	4.41	3.09	2.38	1.94	1.63	1.41	1.24	1.11

2、微型直流电机（2），核定功率0.3W，=电压6.0V，转速3rpm～76rpm，转矩0.9NM；

3、控制单元（1）的单片机采用TI 公司，型号MSP430F135IPMR；

4、阀芯（4）采用紫铜、黄铜或不锈钢材料制成；

5、密封圈（5）采用四氟乙烯制成的O型密封圈；

6、阀座（3）采用铜质材料压铸而成；

7、在阀座（3）中心位置用数控机床加工出氧气通道（8），氧气通道（8）位于阀座（3）内部的一端与阀芯（4）吻合；氧气通道（8）位于阀座（3）外侧一端加工成形状为M10×0.8、长度为10mm的螺孔。

8.阀座（3）的正上方机床加工氧气输出口（9），一般为3mm～5mm圆孔。

9.氧气输出口（9）上设置一个压力传感器（7）。

10.气源接头（10）尾部为M10×0.8、长度为8mm的螺杆，中间有内径5mm通道，气源接头（10）与氧气通道（8）的前端位置紧密连通，在0.5MPa压力下无泄漏；

11.微型直流电机（2）、压力传感器（7）采用导线（11）与控制单元（1）联通，并能正常通讯工作；

12.数控氧气吸入器的显示屏采用40mm×60mm的LED屏，保护外壳、控制按钮均采用注塑等通用技术连接、安装；

13.安装附图1结构组装、气密性实验，安装完成。

实施例二：本发明制备的数控氧气吸入器控制单元（1）内主要技术参数设定

实施例一制备的数控氧气吸入器（A）控制单元（1）内按照以下方式分别设定技术参数，设定设备包括：0MPa～0.6MPa可调压压力表（B），精度2.5级；标准流量计（C），精度1级；氧气源，末端供气压力不低于0.3MPa；流量调节阀（D），上位机（E），安装ProLinkII软件；环境温度：20℃±5℃。

1.阀门开度与对应流量值系数设定

（1）如图2所示，采用抗压≥0.4MPa的导管，将数控氧气吸入器（A）的气源接头（10）与稳压阀（B）、氧气气源依次连通；

（2）数控氧气吸入器（A）的氧气输出口（9）与标准流量计（C）的进气口

连通；

（3）标准流量计（C）的出气口连接一个流量调节阀（D）；

（4）采用USB数据线将数控氧气吸入器（A）与上位机（E）连接通讯；

（5）打开氧气气源，采用稳压阀（B）将供气压力调整到0.3MPa；

（6）操作标准流量计（C）出气口的流量调节阀（D），以标准流量计（C）的读数依次设定氧气流量，设定间隔为1.0L/min，即1.0 L/min 、2.0L/min 、…、9.0 L/min、10.0L/min，每设定一个流量值，采用上位机（E）在控制单元（1）中写入对应流量的阀门相对开度,具体见表2：

表2：流量与对应相对开度

流量L/min	1.0	2.0	3.0	4.0	5.0	7.0	8.0	9.0	10.0
										阀门开度	10%	20%	30%	40%	50%	60%	70%	80%	90%

（7）重复性试验：阀门开度与对应流量值系数设定完毕，操作数控氧气吸入器（A）对应的流量控制按钮（12）设置输出流量，设置间隔值为1.0 L/min，分别设出1.0 L/min、2.0 L/min、…、9.0 L/min、10.0L/min，观察并人工记录标准流量计（C）对应的流量值，按照公式δ=[(Q-QN)/Qmax]×100%计算流量误差，基本流量误差为最大流量示值的±4%。其中δ为流量基本误差、Q为数控氧气吸入器（A）示值、QN为标准流量计（C）示值、Qmax为数控氧气吸入器（A）的最大流量示值。校验合格，阀门开度与对应流量值系数设定结束，不合格按照以上步骤重新设定。

2、压力/流量补偿系数设定

阀门开度与对应流量值系数设定后，按以下方式设定压力/流量补偿系数：

(1)将调节稳压阀（B）供气压力设定为0.3MPa、设定数控氧气吸入器（A）

输出流量值设定为1.0 L/min[以标准流量计（C）的示值为准]，以此作为标准参照值；

（2）按照0.05MPa作为进阶上下调整调节稳压阀（B）供气压力，每调整一次人工记录标准流量计（C）的示值，计算出与标准参考值的流量示值误差、误差系数，结果如下表3所示：

表3

供气压力值MPa	0.20	0.25	0.3	0.35	0.40
						对应流量示值L/min	0.94	0.97	1.0	1.04	1.07
流量示值误差L/min	-0.06	-0.03	标定值	+0.04	+0.07
						流量误差系数	-6.38%	-3.09%	标定值	+3.85%	+6.54%

根据上表可知，在供气压力有0.05Mpa变化的时候，流量计会产生-6％～7%的

误差附加误差。因此一旦压力传感器获知供气压力变化偏离标定标准值时，就按照计算获知的流量误差系数进行补偿。进一步举例说明，上表所示供气压力降至0.20Mpa时，误差系数为-6.38%，根据阀门开度与对应流量值关系，应将原有阀门开度增加6.38%进行补偿，即将阀门开度调整为10.638%，那么控制单元自动增大相对阀门开度，按照公式进行流量补偿: [对应流量示值×（1-阀门开度补偿系数）] = 补偿流量，也就是0.94×（1+0.0638）=0.9999，由于压力降低出现的误差流量得到补偿。

同样方法，在0.3MPa标定压力下，2.0 L/min、3.0 L/min、…、9.0 L/min、10L/min流量条件下，计算出流量补偿系数，在控制单元(1)中写入。

同样方法，标定不同供气压力，0.20MPa、0.25 MPa、0.35MPa、0.40MPa供气压力条件下，设定1.0 L/min 、2.0 L/min、…、9.0 L/min、10L/min流量条件下，计算出流量补偿系数，在控制单元(1)中写入。

根据计算获取的不同压力下各流量的流量补偿系数，建立压力/流量补偿系数模型，写入控制单元(1)中，在实际氧疗中，控制单元(1)可以自动根据供气压力变化调整阀门开度进行流量补偿。

上述附图及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。对本发明的保护范围不构成任何限制。

Claims (6)

1.一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，主要由控制单元（1）、直流电机（2）、阀座（3）、阀芯（4）、密封圈（5）、传动件（6）、压力传感器（7）、氧气通道（8）组成，所述的直流电机（2）与控制单元（1）联通工作，直流电机（2）与阀芯（4）之间设有传动件（6），在氧气通道（8）的前端与尾端之间至少应设有一个压力传感器（7），压力传感器（7）与控制单元（1）联通工作；其特征在于：在供气压力稳定一致的状态下，每一个相对阀门开度对应一个流量值，从而无需采用流量计监测与读出流量，设定阀门相对开度就可以同时设定相对流量、调节阀门开度便可调节控制流量，控制单元(1)发出工作指令后，直流电机(2)驱动阀芯(4)在阀座(3)内位移，通过位移调节阀门的开度，达到控制氧气开启/关闭、流量调整的目标；同时氧气通道(8)内设有的压力传感器(7)可以实时监测供气压力的变化，当供气压力衰减或者增大时，控制单元(1)根据内置的压力/流量补偿系数自动重新调节阀门的开度，对输出氧气做出流量补偿；控制单元(1)获知压力传感器(7)传送的供气压力偏离过大或者低于供气压力下限值时，控制单元(1)能发出声光电警示。

2.根据权利要求1所述的一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，其特征还在于：所述的控制单元（1）是以单片机为核心的控制模块，控制单元（1）包括但不限于单片机、存储模块、时间芯片、控制按钮、显示模块、警示模块、集成电路。

3.根据权利要求1所述的一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，其特征还在于：所述的传动件（6）可以是齿轮、齿条、皮带轮、曲轴、连杆、皮带、链条、轮轴的任意一种或几种的组合。

4.根据权利要求1所述的一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，其特征还在于：所述的氧气通道（8）的前端与尾端之间至少应设有一个阀座（3），阀座（3）本身也可以是氧气通道（8）的一个组成部分。

5.根据权利要求1所述的一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，其特征还在于：阀门的开度与流量呈线性关系特征，也就是阀门的开度跟流量成正比、相对流量与相对开度成正相关。

6.根据权利要求1所述的一种能自动修正阀门开度的流量计量与控制模块，其特征还在于：控制单元（1）内设有压力/流量补偿系数模型，控制单元（1）根据压力传感器（7）传送的供气压力变化给出对应的压力/流量补偿系数，并指令直流电机（2）根据给出的对应压力/流量补偿系数重新调节阀门开度，供气压力衰减时增加阀门开度、供气压力增大时则减小阀门开度，使氧气输出量与医护人员设定的氧疗流量值保持动态一致。