CN113029622A - 一种高精度航空模拟肺 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种高精度航空模拟肺，包括显示器和模拟肺本体；模拟肺本体包括：控制器、吸气装置、呼气装置、气体缓冲罐和气口；控制器与显示器电连接；吸气装置包括：真空泵和第一电磁阀；第一电磁阀安装在真空泵的出气管路上；呼气装置包括：空气压缩机和第二电磁阀；第二电磁阀安装在空气压缩机的出气管路上；控制器分别与真空泵、第一电磁阀、空气压缩机和第二电磁阀控制连接；真空泵的出气管路和空气压缩机的出气管路分别与气体缓冲罐相连通；气体缓冲罐与气口相连通。本模拟肺装置能够精确地模拟人的呼吸行为，各安装部件均为常用仪器，安装简便快捷，操作省时省力，且可以精确的控制输出的压力和流量。

Description

一种高精度航空模拟肺

技术领域

本发明涉及航空航天供氧测试系统领域，特别涉及一种高精度航空模拟肺。

背景技术

航空模拟肺是航空供气测试系统的必备设备，航空模拟肺主要用于模拟飞行员的正常和不规则随机呼吸过程，用于航空航天供氧呼吸系统的性能测试分析。目前的航空模拟肺主要通过气缸的往复运动来模拟飞行员的呼吸过程。由于没有传感器采集和反馈进、排气过程的压力和流量，模拟肺不能精确地按照设定值进行输出，对测试系统准确性造成影响。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的高精度航空模拟肺，该模拟肺可以稳定输出额定的吸、呼气压力和流量，从而实现精确模拟飞行员的呼吸过程。

本发明实施例提供一种高精度航空模拟肺，包括显示器和模拟肺本体；

所述模拟肺本体包括：控制器、吸气装置、呼气装置、气体缓冲罐和气口；所述控制器与所述显示器电连接。

所述吸气装置包括：真空泵和第一电磁阀；所述第一电磁阀安装在所述真空泵的出气管路上。真空泵用于输出负压气流，第一电磁阀用于控制吸气装置的开启与停止。

所述呼气装置包括：空气压缩机和第二电磁阀；所述第二电磁阀安装在所述空气压缩机的出气管路上。空气压缩机用于输出正压气流，第二电磁阀用于控制呼气装置的开启与停止。

所述控制器分别与所述真空泵、第一电磁阀、空气压缩机和第二电磁阀控制连接。控制器根据预先设定的呼吸频率和呼吸比，向第一电磁阀和第二电磁阀发送指令，进而控制吸气装置和呼气装置的启停。

所述真空泵的出气管路和所述空气压缩机的出气管路分别与所述气体缓冲罐相连通；所述气体缓冲罐与所述气口相连通。气体缓冲罐用于降低整个肺模拟装置的气体压力波动，使其平稳工作，正常运行。

进一步地，所述吸气装置还包括真空比例调节阀；所述真空比例调节阀安装在所述真空泵的出气管路上。真空比例调节阀用于调节真空泵所输出的负压气流的大小。本实施例对第一电磁阀和真空比例调节阀的安装顺序不作限定，只要能达到相关作用效果即可。

所述呼气装置还包括进气压力比例调节阀；所述进气压力比例调节阀安装在所述空气压缩机的出气管路上。进气压力比例调节阀用于调节空气压缩机所输出的正压气流的大小。本实施例对第二电磁阀和进气压力比例调节阀的安装顺序不作限定，只要能达到相关作用效果即可。

进一步地，所述气体缓冲罐和所述气口之间还设有流量传感器和压力传感器；所述流量传感器和所述压力传感器分别与所述控制器电连接。控制器根据流量传感器和压力传感器反馈的信号与预先设定的信号进行比对，进而调节真空比例调节阀和进气压力比例调节阀的开度大小，使气口精确地按照设定值输出。本实施例对流量传感器和压力传感器的安装顺序不作限定，只要能测量气口处的流量和压力即可。

进一步地，所述显示器为LCD显示器或LED显示器。

进一步地，所述控制器为单片机。单片机自身体积较小，移动方便，低电压，低能耗，拥有良好的集成度和强大的控制功能。

进一步地，所述真空泵供给的负载压力范围为-101kPa～0kPa，所述空气压缩机供给的进气压力范围为0kPa～100kPa。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种高精度航空模拟肺，包括显示器和模拟肺本体；模拟肺本体包括：控制器、吸气装置、呼气装置、气体缓冲罐和气口；控制器与显示器电连接；吸气装置包括：真空泵和第一电磁阀；第一电磁阀安装在真空泵的出气管路上；呼气装置包括：空气压缩机和第二电磁阀；第二电磁阀安装在空气压缩机的出气管路上；控制器分别与真空泵、第一电磁阀、空气压缩机和第二电磁阀控制连接；真空泵的出气管路和空气压缩机的出气管路分别与气体缓冲罐相连通；气体缓冲罐与气口相连通。本模拟肺装置能够充分地模拟人的呼吸行为，操作简单方便，省时省力，显示直观，且可以精确的控制输出的压力和流量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种高精度航空模拟肺模拟吸气时的结构框图；

图2为本发明实施例提供的一种高精度航空模拟肺模拟呼气时的结构框图。

附图中：1-显示器；2-控制器；3-气体缓冲罐；4-气口；5-真空泵；6-第一电磁阀；7-空气压缩机；8-第二电磁阀；9-真空比例调节阀；10-进气压力比例调节阀；11-流量传感器；12-压力传感器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供一种高精度航空模拟肺，参照图1、图2所示，包括：显示器1和模拟肺本体。其中，模拟肺本体包括：控制器2、吸气装置、呼气装置、气体缓冲罐3和气口4。

进一步地，显示器1与控制器2电连接，显示器1可向控制器2发送启动或停止整个模拟肺装置的指令。控制器2与吸气装置和呼气装置控制连接，用于根据显示器1设定的呼吸频率、呼吸比控制吸气及呼气的启停。

具体地，参照图1、图2所示，吸气装置包括：真空泵5、真空比例调节阀9和第一电磁阀6。

控制器2可以驱动真空泵5进行工作，真空泵5用于输出负压气流，真空泵5的出气管路上设置有真空比例调节阀9和第一电磁阀6。真空比例调节阀9的开度大小用于调节真空泵5所输出的负压气流的大小；参照图1和图2所示，第一电磁阀6用于控制吸气装置的开启与停止。真空比例调节阀9和第一电磁阀6设置于真空泵5的出气管路上，真空比例调节阀9可以位于第一电磁阀6的上游，也可以位于第一电磁阀6的下游，本实施例对其设置的先后顺序不作限定，只要能达到分别调节负压气流大小和控制吸气装置启停的效果即可。

具体地，参照图1、图2所示，呼气装置包括：空气压缩机7、进气压力比例调节阀10和第二电磁阀8。

控制器2可以驱动空气压缩机7进行工作，空气压缩机7用于输出正压气流，空气压缩机7的出气管路上设置有进气压力比例调节阀10和第二电磁阀8。进气压力比例调节阀10的开度大小用于调节空气压缩机7所输出的正压气流的大小；参照图1和图2所示，第二电磁阀8用于控制呼气装置的启动与停止。进气压力比例调节阀10和第二电磁阀8设置于空气压缩机7的出气管路上，进气压力比例调节阀10可以位于第二电磁阀8的上游，也可以位于第二电磁阀8的下游，本实施例对其设置的先后顺序不作限定，只要能达到分别调节正压气流大小和控制呼气装置启停的效果即可。

进一步地，参照图1、图2所示，真空泵5和空气压缩机7的出气管路分别与气体缓冲罐3相连通；气体缓冲罐3与气口4相连通。气口4与需要性能测试分析的航空航天供氧呼吸系统相连接(图中未示出)。

气体缓冲罐3，其作用是降低整个模拟肺装置的气体压力波动，使其平稳工作，连续运行。当模拟肺装置吸气和呼气时，气体缓冲罐可以减小气体管道的气体流量不均匀度，减小惯性损失，提高整个装置的工作性能；还可以调节用气负荷，降低不同时间点由于吸气量和呼气量的变化而引起的压力波动，从而有效保证整个高精度航空模拟肺的正常运行。

具体地，显示器1可设定呼吸频率、呼吸比、以及额定的输出压力和流量。其中，呼吸频率可以理解为每分钟存在多少次呼气和吸气，相当于人的呼吸频率。呼吸比可以理解为每次呼气和吸气的时间之比，相当于人的呼吸比。额定的输出压力和流量为装置进行吸气和呼气时，出气管输出的负载压力和流量以及出气管输出的进气压力和流量。

进一步地，参照图1、图2所示，气体缓冲罐3和气口4之间还设有流量传感器11和压力传感器12，用于对气口4处的流量和压力信号进行实时采集。流量传感器11和压力传感器12分别与控制器2电连接，控制器2可以根据流量传感器11和压力传感器12反馈的信号与显示器1预先设定的额定信号进行比对，调节真空比例调节阀9和进气压力比例调节阀10的开度大小，使气口4精确地按照设定值进行输出。本实施例对流量传感器11和压力传感器12安装的顺序不作限定。

使用时的具体操作步骤为：在装置运行前，操作人员将呼吸频率、呼吸比、吸气时的额定压力和流量、呼气时的额定压力和流量输入到显示器1中。打开模拟肺装置的运行开关，装置开始运行，参照图1所示，控制器2打开第一电磁阀6和真空比例调节阀9，驱动真空泵5开始工作，输出一定的负载压力，该负载压力经气体缓冲罐3到达气口4，流量传感器11和压力传感器12检测到气口4的负载流量和压力，反馈给控制器2，控制器2将该信号和显示器1预先设定好的信号进行比对，调节真空比例调节阀9的开度大小，进而完成模拟人的吸气行为。参照图2所示，控制器2在吸气完成后，开启呼气装置，关闭第一电磁阀6，打开第二电磁阀8和进气压力比例调节阀10，驱动空气压缩机7开始工作，输出一定的进气压力，该进气压力经气体缓冲罐3到达气口4，流量传感器11和压力传感器12检测到气口4的进气流量和压力，反馈给控制器2，控制器2将该信号和显示器1预先设定好的信号进行比对，调节进气压力比例调节阀10的开度大小，进而完成模拟人的呼气行为。控制器2根据显示器1预先设定好的呼吸频率和呼吸比，交替打开第一电磁阀6、关闭第二电磁阀8或关闭第一电磁阀6、打开第二电磁阀8，进而精确完成模拟人的整个呼吸行为。

本实施例中，通过采用真空泵5和空气压缩机7可模拟人吸气时所产生的负压气流和呼气时所产生的正压气流，从而达到真实模拟肺吸气和呼气的过程。通过控制第一电磁阀6和第二电磁阀8的打开或关闭，可依照预先设定好的呼吸频率和呼吸比进行吸气装置和呼气装置的启停。根据流量传感器11和压力传感器12反馈的信号，控制真空比例调节阀9和进气压力比例调节阀10的开度大小，使气口4输出的流量和压力满足预先设定的额定流量和压力。本装置能够精确地模拟人的呼吸行为，各安装部件均为常用仪器，安装简便快捷，操作省时省力，且可以有效解决现有航空模拟肺不能精确控制输出的问题。

可选地，显示器1为LCD显示器或LED显示器。LCD显示器即液晶显示器，其具有机身薄、功耗低和辐射小的优点，扁平、轻薄，可以节省大量原材料和空间，易于维护。如果想要节能、降低生产成本，可以选择低能耗的LCD显示器。如果想要做成一体式触摸屏，且想要使屏幕展示的图像色彩还原效果更好，可以选择LED显示器。LED显示器是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式来显示文字、图形、图像、动画的显示器，具有高亮度、较广的观看角度和良好的色彩还原能力，响应迅速。本申请对显示器采用LCD显示器或LED显示器不作限定，只要能达到可设定并显示所设定的呼吸频率、呼吸比、以及额定的输出压力和流量的效果即可。

进一步地，控制器2为单片机。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。单片机自身体积较小，移动方便，低电压、低能耗，拥有良好的集成度和强大的控制功能。应用单片机作为控制器，方便移动，降低成本。

可选地，真空泵5供给的负载压力的范围为-101kPa～0kPa。比如，当真空泵5供给的负载压力为-101kPa时，真空比例调节阀9的调节范围是-80kPa～0kPa。正常状态下，人吸气时产生的负压范围是-300cmH₂O～-150cmH₂O，即-29.4kPa～14.7kPa，此时满足人吸气时负压的调节范围。

可选地，空气压缩机7供给的进气压力范围为0kPa～100kPa。比如，当空气压缩机7供给的进气压力为100kPa时，进气压力比例调节阀10的调节范围是0kPa～100kPa。正常状态下，人呼气时产生的正压范围为200cmH₂O～500cmH₂O，即19.6kPa～49kPa，此时满足人呼气时压力的调节范围。

可选地，第一电磁阀6采用的有效面积为25mm²；第二电磁阀8采用的有效面积为50mm²。

在标准状况下，通过电磁阀的气体积流量可以表示为

其中Q为气体体积流量，p_u为上游压力，p_d为下游压力，R为气体常数，ρ为气体标况下密度，θ为气体标况下温度，κ为空气的比热，A为有效面积。通过计算可得，本模拟肺装置产生的吸气流量范围为0～480L/min，呼气流量范围为0～600L/min。正常情况下，人体呼吸气流的范围为25L/min～400L/min。可见，本装置产生的气体流量可以覆盖人体的呼吸流量范围。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种高精度航空模拟肺，其特征在于，包括显示器(1)和模拟肺本体；

所述模拟肺本体包括：控制器(2)、吸气装置、呼气装置、气体缓冲罐(3)和气口(4)；所述控制器(2)与所述显示器(1)电连接；

所述吸气装置包括：真空泵(5)和第一电磁阀(6)；所述第一电磁阀(6)安装在所述真空泵(5)的出气管路上；

所述呼气装置包括：空气压缩机(7)和第二电磁阀(8)；所述第二电磁阀(8)安装在所述空气压缩机(7)的出气管路上；

所述控制器(2)分别与所述真空泵(5)、第一电磁阀(6)、空气压缩机(7)和第二电磁阀(8)控制连接；

所述真空泵(5)的出气管路和所述空气压缩机(7)的出气管路分别与所述气体缓冲罐(3)相连通；所述气体缓冲罐(3)与所述气口(4)相连通。

2.如权利要求1所述的一种高精度航空模拟肺，其特征在于，所述吸气装置还包括真空比例调节阀(9)；所述真空比例调节阀(9)安装在所述真空泵(5)的出气管路上；

所述呼气装置还包括进气压力比例调节阀(10)；所述进气压力比例调节阀(10)安装在所述空气压缩机(7)的出气管路上。

3.如权利要求2所述的一种高精度航空模拟肺，其特征在于，所述气体缓冲罐(3)和所述气口(4)之间还设有流量传感器(11)和压力传感器(12)；所述流量传感器(11)和所述压力传感器(12)分别与所述控制器(2)电连接。

4.如权利要求1所述的一种高精度航空模拟肺，其特征在于，所述显示器(1)为LCD显示器或LED显示器。

5.如权利要求1所述的一种高精度航空模拟肺，其特征在于，所述控制器(2)为单片机。

6.如权利要求1所述的一种高精度航空模拟肺，其特征在于，所述真空泵(5)供给的负载压力范围为-101kPa～0kPa，所述空气压缩机(7)供给的进气压力范围为0kPa～100kPa。

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