CN113080934A - 一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于潜水呼吸器技术领域，提供了一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，包括舱内模块、舱外模块和上位机；所述舱内模块包括呼吸阀箱和舱内控制电路，所述舱外模块包括舱外控制电路、氧气传感器和二氧化碳传感器；所述舱内控制电路与所述舱外控制电路信号连接；所述舱外控制电路与所述上位机信号连接，通过设置负责对加压水仓内的潜水员呼吸流量以及环境压强进行监测的舱内模块，用于采集潜水员呼气和吸气的氧浓度和二氧化碳浓度进行检测的舱外模块，和用于分析舱内模块、舱外模块采集的信息进行分析的上位机，从而而可以实现对潜水员水下呼吸时的生理指标进行检测，便于对潜水员在水下的劳动强度进行量化评价。
Description
技术领域
本发明属于潜水呼吸器技术领域，尤其涉及一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置。
背景技术
潜水员的本意是在水下工作的专业人员，按规定经医学检查与选拔确认身体合格，经专业知识和技能训练获得资格证书的从事潜水工作的专业人员。潜水员一般采用潜水呼吸器实现水下呼吸。
目前市场上没有能够实现对潜水员水下呼吸时的生理指标进行检测的设备，从而不方便对潜水员在水下的劳动强度进行量化评价。
发明内容
本发明提供一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，旨在实现一个实时监测潜水员水下呼吸时的生理指标监测设备，以对潜水员在水下的劳动强度进行量化评价。
本发明是这样实现的，一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，包括舱内模块、舱外模块和上位机；
所述舱内模块包括呼吸阀箱、压力传感器和舱内控制电路，所述呼吸阀箱具有一个吸气端、一个呼气端和一个连接呼吸面罩的连接端，所述吸气端通过一个第一流量传感器连接一个吸气管路，所述第一流量传感器用于检测流过所述吸气管路的气体流量值；所述呼气端通过一个第二流量传感器连接一个呼气管路，所述第二流量传感器用于检测流过所述呼气管路的气体流量值；
所述第一流量传感器的输出端、第二流量传感器的输出端和所述压力传感器的输出端均连接所述舱内控制电路的输入端；
所述舱外模块包括舱外控制电路、氧气传感器和二氧化碳传感器；所述吸气管路和所述呼气管路连接有氧气传感器和二氧化碳传感器；所述氧气传感器的输出端和所述二氧化碳传感器的输出端均连接所述舱外控制电路的输入端；所述氧气传感器用于检测所述吸气管路和所述呼气管路内气体的氧气浓度值；所述二氧化碳传感器用于检测所述吸气管路和所述呼气管路内的二氧化碳浓度值；
所述舱内控制电路与所述舱外控制电路信号连接；所述舱外控制电路与所述上位机信号连接。
优选的，所述吸气管路通过一个吸气采集管路连接所述氧气传感器和所述二氧化碳传感器。
优选的，所述呼气管路通过一个呼气采集管路连接所述氧气传感器和所述二氧化碳传感器。
优选的，所述吸气采集管路上安装有一个吸气电磁阀，所述吸气电磁阀用于控制所述吸气采集管路的流通和闭合；
所述吸气电磁阀的信号输入端连接所述舱内控制电路的输出端。
优选的，所述呼气采集管路上安装有一个呼气电磁阀，所述呼气电磁阀用于控制所述呼气采集管路的流通和闭合；
所述呼气电磁阀的信号输入端连接所述舱内控制电路的输出端。
优选的，所述舱内控制电路包括信号放大器、低通滤波器、模拟数字转换器和数字通信电路；
所述流量传感器、氧气传感器和所述二氧化碳传感器的输出端均连接所述信号放大电路的输出端；所述信号放大电路的输出端连接所述低通滤波器的输入端；所述低通滤波器的输出端连接所述模拟数字转换器的输入端；所述模拟数字电路的输出端和所述压力传感器的输出端通过所述数字通信电路连接所述舱外控制电路。
优选的，所述呼吸阀箱采用POM材料CNC加工。
优选的，所述吸气管路和所述呼气管路均采用波纹管；所述流量传感器安装在适配波纹管的适配器盒子中，并且适配器盒子与波纹管之间采用灌封环氧树脂防水。
优选的，所述适配器盒子采用尼龙材料3D打印制成。
优选的，所述呼气采集管路连接一个采集袋，所述呼气采集管路上的氧气传感器和二氧化碳传感器均用于采集所述采集袋内的氧气浓度和二氧化碳浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，通过设置负责对加压水仓内的潜水员呼吸流量以及环境压强进行监测的舱内模块，用于采集潜水员呼气和吸气的氧浓度和二氧化碳浓度进行检测的舱外模块，和用于分析舱内模块、舱外模块采集的信息进行分析的上位机，从而而可以实现对潜水员水下呼吸时的生理指标进行检测，便于对潜水员在水下的劳动强度进行量化评价。
附图说明
图1为本发明的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置的整体结构示意图。
图2为本发明的呼吸阀箱和流量传感器的安装示意图。
图3为本发明的检测电路的连接示意图。
图4为本发明的上位机界面参考示意图。
图中：1-呼吸阀箱、2-吸气管路、3-呼气管路、4-适配器盒子、5-流量传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，包括，包括舱内模块、舱外模块和上位机。在本实施例中，用于在一个试验加压舱内实施相应的监测试验。
舱内模块包括呼吸阀箱1、压力传感器和舱内控制电路，呼吸阀箱1具有一个吸气端、一个呼气端和一个连接呼吸面罩的连接端，吸气端通过一个第一流量传感器5连接一个吸气管路，第一流量传感器5用于检测流过吸气管路的气体流量值；呼气端通过一个第二流量传感器5连接一个呼气管路3，第二流量传感器5用于检测流过呼气管路3的气体流量值。流量传感器5、压力传感器组成的传感器组集成在一个防水壳体内。第一流量传感器5的输出端、第二流量传感器5的输出端和压力传感器的输出端均连接舱内控制电路的输入端。
舱内模块负责对加压水仓内的潜水员呼吸流量以及环境压强进行监测。在呼吸阀箱1的吸气端和呼气端添加了热式质量流量传感器5，通过防水电缆将电信号传送到舱内控制电路。呼吸阀箱1靠近传感器部分有旁路，负责将呼吸气体通到电磁阀，进而引流到舱外进行分析，旁路为相互连接的吸气管路2和吸气采集管路、呼气管路3和呼气采集管路。呼吸阀箱1与波纹管的接口与原有接口兼容，与用于供潜水员佩戴的全面罩的接口也做到了一致。舱内控制模块负责对电信号进行数模转换，并将流量、压力数据发送到舱外控制模块。同时，舱内信号采集控制板会可以控制电磁阀，使得采样通路打开，将呼吸气体送到舱外进行分析。由于舱外压力小于舱内压力，当流量传感器5感知到吸气或呼气时，会打开对应的电磁阀，气体就会通过管路流到舱外。当感知到呼气或吸气结束后，电磁阀自动会关断，防止回路气体持续进入采样通道进而流到舱外，使得回路气体持续被泄露。此处的设计希望避免潜水员手动关闭吸气呼气的阀门，降低系统的操作复杂度，减少因为人员失误导致的误差。流量、压力数据通过CAN总线发送到舱外采集模块。
舱外模块包括舱外控制电路、氧气传感器和二氧化碳传感器；吸气管路2和呼气管路3连接有氧气传感器和二氧化碳传感器；氧气传感器的输出端和二氧化碳传感器的输出端均连接舱外控制电路的输入端；氧气传感器用于检测吸气管路2和呼气管路3内气体的氧气浓度值；二氧化碳传感器用于检测吸气管路2和呼气管路3内的二氧化碳浓度值。其中，吸气管路2通过一个吸气采集管路连接氧气传感器和二氧化碳传感器。吸气采集管路上安装有一个吸气电磁阀，吸气电磁阀用于控制吸气采集管路的流通和闭合。吸气采集管路的一端从试验加压舱内伸出到外部。吸气电磁阀的信号输入端连接舱内控制电路的输出端。
舱外模块通过连接在控制电路板上的呼气和吸气管路2各自的氧浓度、二氧化碳传感器，获取潜水员在呼吸过程中这两个参数的变化情况。两路气体在出仓后，进入各自的采集袋，传感器对采集袋中较稳定的气体进行采集。控制板将舱内和舱外的传感器数据进行整理，通过串口发送到上位机。上位机可以采用电脑。
舱内控制电路与舱外控制电路信号连接；舱外控制电路与上位机信号连接。在上位机电脑中显示检测电路变送到的四路传感器数据，记录并以图表的方式实时显示到屏幕上。上位机通过串口连接到舱外采集/控制模块。对舱内及舱外模块采集到的压力、呼气和吐气流量、氧浓度、二氧化碳浓度数据进行分析，将数值记录到文件并通过图形用户界面显示相关数据的图表，程序使用MATLAB开发。
呼气管路3通过一个呼气采集管路连接氧气传感器和二氧化碳传感器。呼气采集管路上安装有一个呼气电磁阀，呼气电磁阀用于控制呼气采集管路的流通和闭合，呼气采集管路的一端从试验加压舱内伸出到外部。呼气电磁阀的信号输入端连接舱内控制电路的输出端。呼气采集管路连接一个采集袋，呼气采集管路上的氧气传感器和二氧化碳传感器均用于采集采集袋内的氧气浓度和二氧化碳浓度。
压力传感器输出一般为数字接口I2C。前述传感器组中的氧电池、呼吸流量传感器5、二氧化碳传感器输出均为电压模拟量输出，需要设计并加工电路对电压模拟信号进行前置放大、滤波及模数转换，然后将三路数字信号发送到上位机。请参阅图3，具体的，舱内控制电路包括信号放大器、低通滤波器、模拟数字转换器和数字通信电路；流量传感器5、氧气传感器和二氧化碳传感器的输出端均连接信号放大电路的输出端；信号放大电路的输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端连接模拟数字转换器的输入端；模拟数字电路的输出端和压力传感器的输出端通过数字通信电路连接舱外控制电路。
舱外控制电路内置有型号为GD32VF103的微处理器，其带串口、CAN接口，具有低功耗模式。模数转换器ADC采用TIADS1115，其自带增益放大器，为16位高精度ADC。气压传感器采用深圳华普微电子公司的HP5834压力计，测量范围0～20Bar，测量精度为5mBar，对应为5厘米的水深精度。用于传输数据的线缆采用PU防水材质包覆的8芯带屏蔽网线。由于是采集常压下的氧分压，固氧气传感器使用一般的100％浓度量程的氧浓度传感器AO2City。
其规格为：0～100％氧气浓度测量范围；精度：+/-2％满量程；线性度：+/-2％满量程；响应时间：6秒钟。
流量传感器5采用Consensic的CAS4000型号流量计，其是在市场上能获取的最小体积且满足量程的热式气体质量流量计。工作压强最大3Bar，需要做各深度下的定流量标定，做压强补偿。
规格为：0～400升/分钟的量程；体积：98毫米x48毫米x20毫米；电压模拟量输出。
二氧化碳传感器使用NDIR红外二氧化碳传感器。该传感器通过测量特定的频率的红外线吸收率来测量二氧化碳的浓度，相比于化学方式传感器具有精度度高、偏温漂、功耗低、寿命长等特点。
呼吸阀箱1采用POM材料CNC加工。从而降低了加工成本，适合小批量验证机使用。
吸气管路2和呼气管路3均采用波纹管；流量传感器5安装在适配波纹管的适配器盒子4中，并且适配器盒子4与波纹管之间采用灌封环氧树脂防水。考虑到测试过程中可能回路进水导致传感器损坏且其结构对CNC加工比较困难，所以适配器盒子4设计为较低成本的尼龙3D打印，保证强度的前提下，使得更换易损件成为可能。
由于在水下使用，环境压力会出现一定程度的波动，因此考虑选用热式质量流量传感器5，其原理是：一定质量的气体在管路内流过加热丝会带走其热量，加热丝的温度下降与流过的气体质量正相关。该温度下降值转换为电阻变化值，通过电桥变送为电压变化梯度，在已知气体密度ρ的情况下，通过换算即可得到流过管路的气体体积Q。
本发明的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，舱内模块分别将呼气、吸气的潮气量、环境压强实时变送为电信号，通过检测电路进行数据采集、放大后传输至舱外的采集控制电路。吸气和吐气管路通过阀门后，经过各自的采集管路来到舱外，经过减压后，被舱外的氧浓度传感器和二氧化碳浓度传感器采集，和舱内传输过来的压力、流量数据一起加工后传到上位机上显示。
本发明利用呼吸流量传感器5、氧传感器以及二氧化碳传感器得到潜水员使用潜水呼吸器时的呼吸流量信号、氧浓度和二氧化碳浓度信号，通过设计加工检测电路实现数据采集、摄氧量计算、数据存储，并设计呼吸管路的防水外壳，形成水下呼吸监测装置的原理样机。
综上，本发明通过设置负责对加压水仓内的潜水员呼吸流量以及环境压强进行监测的舱内模块，用于采集潜水员呼气和吸气的氧浓度和二氧化碳浓度进行检测的舱外模块，和用于分析舱内模块、舱外模块采集的信息进行分析的上位机，从而而可以实现对潜水员水下呼吸时的生理指标进行检测，便于对潜水员在水下的劳动强度进行量化评价。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：包括舱内模块、舱外模块和上位机；
所述舱内模块包括呼吸阀箱、压力传感器和舱内控制电路，所述呼吸阀箱具有一个吸气端、一个呼气端和一个连接呼吸面罩的连接端，所述吸气端通过一个第一流量传感器连接一个吸气管路，所述第一流量传感器用于检测流过所述吸气管路的气体流量值；所述呼气端通过一个第二流量传感器连接一个呼气管路，所述第二流量传感器用于检测流过所述呼气管路的气体流量值；
所述第一流量传感器的输出端、第二流量传感器的输出端和所述压力传感器的输出端均连接所述舱内控制电路的输入端；
所述舱外模块包括舱外控制电路、氧气传感器和二氧化碳传感器；所述吸气管路和所述呼气管路连接有氧气传感器和二氧化碳传感器；所述氧气传感器的输出端和所述二氧化碳传感器的输出端均连接所述舱外控制电路的输入端；所述氧气传感器用于检测所述吸气管路和所述呼气管路内气体的氧气浓度值；所述二氧化碳传感器用于检测所述吸气管路和所述呼气管路内的二氧化碳浓度值；
所述舱内控制电路与所述舱外控制电路信号连接；所述舱外控制电路与所述上位机信号连接。
2.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述吸气管路通过一个吸气采集管路连接所述氧气传感器和所述二氧化碳传感器。
3.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述呼气管路通过一个呼气采集管路连接所述氧气传感器和所述二氧化碳传感器。
4.如权利要求2所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述吸气采集管路上安装有一个吸气电磁阀，所述吸气电磁阀用于控制所述吸气采集管路的流通和闭合；
所述吸气电磁阀的信号输入端连接所述舱内控制电路的输出端。
5.如权利要求3所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述呼气采集管路上安装有一个呼气电磁阀，所述呼气电磁阀用于控制所述呼气采集管路的流通和闭合；
所述呼气电磁阀的信号输入端连接所述舱内控制电路的输出端。
6.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述舱内控制电路包括信号放大器、低通滤波器、模拟数字转换器和数字通信电路；
所述流量传感器、氧气传感器和所述二氧化碳传感器的输出端均连接所述信号放大电路的输出端；所述信号放大电路的输出端连接所述低通滤波器的输入端；所述低通滤波器的输出端连接所述模拟数字转换器的输入端；所述模拟数字电路的输出端和所述压力传感器的输出端通过所述数字通信电路连接所述舱外控制电路。
7.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述呼吸阀箱采用POM材料CNC加工。
8.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述吸气管路和所述呼气管路均采用波纹管；所述流量传感器安装在适配波纹管的适配器盒子中，并且适配器盒子与波纹管之间采用灌封环氧树脂防水。
9.如权利要求8所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述适配器盒子采用尼龙材料3D打印制成。
10.如权利要求1所述的一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置，其特征在于：所述呼气采集管路连接一个采集袋，所述呼气采集管路上的氧气传感器和二氧化碳传感器均用于采集所述采集袋内的氧气浓度和二氧化碳浓度。
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| CN202110323782.2A Pending CN113080934A (zh) | 2021-03-26 | 2021-03-26 | 一种水下闭式呼吸器氧耗和二氧化碳产生量实时监测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113080934A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116039879A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-05-02 | 中国人民解放军海军特色医学中心 | 判断二氧化碳吸收剂使用情况的循环式潜水呼吸器及方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102495202A (zh) * | 2011-12-21 | 2012-06-13 | 东南大学 | 人体呼吸性能参数检测装置 |
| US20180116590A1 (en) * | 2016-10-31 | 2018-05-03 | Motorola Solutions, Inc | Method and apparatus for monitoring hydration using a portable communication device |
| US10561863B1 (en) * | 2012-04-06 | 2020-02-18 | Orbital Research Inc. | Biometric and environmental monitoring and control system |
| CN111514480A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-08-11 | 中国船舶科学研究中心 | 一种供载人潜水器乘员长时间使用的全闭式呼吸系统 |
-
2021
- 2021-03-26 CN CN202110323782.2A patent/CN113080934A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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