CN115920184A

CN115920184A - 呼吸机检测仪校准装置

Info

Publication number: CN115920184A
Application number: CN202211609397.5A
Authority: CN
Inventors: 梅杰; 黄震威; 陈鑫宇; 解卓丽; 郭晓炜; 陈灿
Original assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Current assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Priority date: 2022-12-14
Filing date: 2022-12-14
Publication date: 2023-04-07

Abstract

本发明公开了一种呼吸机检测仪校准装置，包括流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块和控制模块。流量模块采用气体质量流量计对待检呼吸机检测仪进行静态流量校准，两者串联安装，管道上设置温度压力变送器；采用活塞缸和模拟肺进行潮气量校准；压力模块包括压力校验仪；呼吸频率模块采用呼吸发生器；氧气浓度模块包括多个不同浓度的氧气标气。采用PLC与气体质量流量计、温度压力变送器、压力校验仪、呼吸发生器连接，PC端连接PLC和待检呼吸机检测仪，实现数据采集、处理和控制。本发明实现了对呼吸机检测仪流量、压力、呼吸频率、氧气浓度在一台设备上的校准溯源，操作简单，校准精度高，保证了呼吸机测试仪的量值准确可靠。

Description

呼吸机检测仪校准装置

技术领域

本发明属于医疗仪器设备的计量工作领域，尤其是涉及一种呼吸机检测仪校准装置。

背景技术

医疗仪器设备的计量工作是医院管理的重要组成部分，现代医学在诊断、治疗和科研等方面，使用了大量的医疗仪器设备，其中很大一部分属于计量器具，这是医疗工作的物质基础。医疗仪器设备是否可靠，数据是否准确直接关系到诊断、治疗效果，更影响到人民群众的生命健康。作为医疗单位，不仅要有精湛的医术，全心全意为人民服务的高尚品德，还必须有准确而先进的计量器具，而准确的计量器具要依靠科学的计量管理来保证。因此，医院的计量管理已经成为医院医疗设备管理不可忽视的重要环节。

呼吸机是临床救治呼吸功能不全或呼吸衰竭的病人的一种通气设备。重型患者多会出现呼吸困难和低氧血症，严重者可快速进展为急性呼吸窘迫综合征等，此时使用呼吸机进行器械辅助或替代呼吸几乎是唯一的解决办法。目前医院中的呼吸机都是通过呼吸机检测仪进行检定，一般是一年检一次。整个溯源体系还不够完善，呼吸机检测仪处于无人监管的状态，这对于呼吸机来说也是一种间接的安全隐患。因此作为呼吸机检测仪的溯源检定装置，保证呼吸机检测仪测量的气体流量、压力、呼吸频率、氧气浓度的精确是本发明所要解决的核心问题；也是确保患者治疗过程安全可靠的关键。目前对呼吸机检测仪的校准，主要有以下两种方式：(1)通过各级计量院的多个计量部门对呼吸机检测仪的流量、压力、氧浓度、呼吸频率等参数进行校准；(2)由中国计量科学研究院自制的校准设备以及部分通用设备对流量、压力、氧浓度等各参数分别进行校准，主要依据是JJF1234-2018以及其自编校准方法。上述两种方式各存在不足之处：呼吸机检测仪为多参数设备，各参数大多分散在流量、压力等不同科室开展检测，整个校准过程复杂，校准时间冗长；业内个别装置实现对部分参数的整合，但各分立参数的检测能力相比专业检测科室还有一定的不足，因此在进行多检测参数深度整合的同时，也须提升分立参数的技术指标。国内外对呼吸机测试仪的检测，目前未见有公开文献报道。鉴于以上现状，本发明提出一种基于比对法的呼吸机检测仪校准装置可以进行动态检定，更容易实现检定过程和数据操作的一体化控制，对呼吸机测试仪建立科学可行的校准规范，并开展相应的专用校准装置研制，从而切实保障呼吸机量值溯源的有效统一。

目前，呼吸机测试仪广泛应用于医院及各计量检测机构，只有保证呼吸机测试仪的量值准确可靠，才能实现医院对呼吸机质量的有效监测与质量控制，从而保证呼吸机的治疗效果。所以呼吸机检测标准装置的研究研发迫在眉睫，具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种呼吸机检测仪校准装置，解决呼吸机检测仪流量、压力、氧气浓度和呼吸频率多参数的校准问题，实现呼吸机的量值溯源。本发明基于标准表法，利用更高精度的标准器件作为标准表来对呼吸机测试仪的流量、压力氧气浓度、呼吸频率、进行校准。本装置包含数据采集模块、数据传输模块和控制模块，并设计了全自动检定一体化结构，保证计量精度准确可靠的同时增加检定效率和方便人员操作，为呼吸机的计量校准提供精度基准和测量依据，确保现有各种呼吸机检测仪的检测精度的有效性。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明包括流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块和控制模块；

所述流量模块包括静态流量校准模块和潮气量校准模块；

所述静态流量校准模块包括气体质量流量计、风机、绝压变送器、差压变送器和温度变送器，用于静态流量的校准；

所述风机安装在测量管道进口处；所述气体质量流量计和待检呼吸机检测仪在管路上串联安装；所述气体质量流量计和待检呼吸机检测仪的两端均安装有差压变送器；所述气体质量流量计和待检呼吸机检测仪的出口端均安装有温度变送器；所述绝压变送器安装在气体质量流量计前的管道上，用于测量管道口上的绝对压力；

所述潮气量校准模块包括活塞缸和模拟肺；

所述压力模块包括压力校验仪和压力表，用于压力的校准；

所述呼吸频率模块采用呼吸发生器，用于输出设定的呼吸频率信号；

所述氧气浓度模块包括多个不同浓度的氧气标气，所述氧气标气配有相应的减压阀；

所述控制模块包括PLC和PC端；所述PLC与气体质量流量计、差压变送器、绝压变送器、温度变送器、压力校验仪、呼吸发生器和减压阀相连接；

所述PC端连接PLC和待检呼吸机检测仪，用于对流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块和待检呼吸机检测仪的数据采集、处理和控制。

本发明的有益效果在于：

1、本发明对呼吸机检测仪的流量、压力、呼吸频率、氧气浓度等多参数校准溯源，实现了在一台装置上完成。

2、本发明对呼吸机检测仪的静态流量和潮气量采用不同的校准方法，精度更高。

3、本发明实现的校准参数为：静态流量：0～200SLPM,±1％；潮气量：0～2000mL,±1％；压力范围：0～12kPa,±0.03kPa；氧气浓度：21～100％,±5‰；呼吸频率：1～80次/分,±1％。

4、本发明采用比对法，简化装置的复杂度和操作难度，并实现了全自动校准，可以高效地完成呼吸机检测仪校准工作。

5、本发明能保证呼吸机测试仪的量值准确可靠，从而实现医院对呼吸机质量的有效监测，保证呼吸机的治疗效果。

附图说明

图1为本发明的流量模块结构原理图；

图2为本发明的控制系统原理图；

图3为本发明的呼吸机检测仪校准装置正视图。

图中：1-风机；2-电动阀门；3-电动阀门驱动器；4-绝压变送器；5-气体质量流量计；6-第一差压变送器；7-第一温度变送器；8-待检呼吸机检测仪；9-第二差压变送器；10-第二温度变送器；11-PLC；12-PC端；13-第一氧气瓶；14-第二氧气瓶；15-第三氧气瓶；16-第四氧气瓶；17-压力校验仪；18-呼吸发生器；19-阀门；20-压力校验仪第一出口；21-压力校验仪第二出口；22-压力表；23-第一三通阀；24-第二三通阀；25-活塞缸；26-电机；27-电机驱动器；28-模拟肺。

具体实施方式

本发明采用以下技术思路实现：

本发明的呼吸机检测仪校准装置，主要包括流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块和控制模块。

所述流量模块核心采用气体质量流量计和活塞结构，分别用于采集静态流量和潮气量数据。还包括两个差压变送器，用于采集待检呼吸机检测仪和气体质量流量计的进出口压差信息；还包括绝压变送器，用于采集管道口绝对压力；还包括两个温度变送器，用于检测气体质量流量计和待检呼吸机检测仪所在管道的气体温度。

本发明的标准表采用的是高精度气体质量流量计，气体质量流量计具有精度高、响应速度快、稳定可靠、工作压力范围宽、可任意位置安装等优点，可对瞬时流量进行校准。本发明采用的气体质量流量计的不确定度为0.59％，计量标准器具用于校准计量器具时，其不确定度U_标一般应小于等于需要校准的计量器具不确定度U_表的(1/3～1/10)。待检呼吸机检测仪流量模块的不确定度为3％，故本装置采用该气体质量流量计满足其计量精度要求。

所述活塞结构采用常规技术，主要用于对潮气量的校准。

所述压力模块包括压力校验仪和压力表，所述压力校验仪用于输出标准压力值；压力表，用于显示输出的压力值。

所述呼吸频率模块采用呼吸发生器，用于输出设定的标准频率信号。

所述氧气浓度模块包括多个不同浓度的氧气标气。

所述控制模块中，PLC作为核心控制元件，用于对流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块进行数据的处理和控制。

图1为呼吸机检测仪校准装置的流量模块的结构原理图。其中，静态流量校准模块，包括风机1、电动阀门2、绝压变送器4、气体质量流量计5、第一差压变送器6、第二差压变送器9、第一温度变送器7和第二温度变送器10。PLC11为控制器，控制电动阀门驱动器3，电动阀门2作为执行器进行流量调节。通过将待检呼吸机检测仪8和气体质量流量计5的流量特性进行比较，来校准待检呼吸机检测仪，并且对压力、温度进行记录用于修正。

在管道上，依次安装有风机1、电动阀门2、气体质量流量计5和待检呼吸机检测仪8。将风机1接在管道进口一侧，管道口设有电动阀门2，用于控制流量；电动阀门后连接有绝压变送器4，用于测量管道口上的绝对压力；气体质量流量计5采用螺纹连接的方式接入管道，在气体质量流量计前后端的管道上，采用螺纹连接的方式安装第一差压变送器6，用于检测气体质量流量计5的压损；在气体质量流量计5后，接入第一温度变送器7，用于测量工况下气体质量流量计5的温度。待检呼吸机检测仪8串联在气体质量流量计5后面，利用第一三通阀23与管道进行连接。待检呼吸机检测仪8前后端管道上，安装有第二三通阀24，并通过螺纹在管道上连接安装有第二差压变送器9和第二温度变送器10。

其中，潮气量校准模块中的活塞缸25、电机26和电机驱动器27依次连接。所述活塞缸通过第一三通阀23与待检呼吸机检测仪8连接，所述第二三通阀24还连接有模拟肺28。校准时，由PLC控制第一三通阀23、第二三通阀24的开关。

所述电动阀门驱动器3、第一温度变送器7、绝压变送器4、第一差压变送器6、第二差压变送器9、第二温度变送器10、气体质量流量计、电机驱动器、第一三通阀23、第二三通阀24，均连接至PLC11配备的模拟量输入单元上，并将测得的信号模拟量传输给PLC 11，PLC11通过处理得到可识别信号，并上传至PC端12。而待检呼吸机检测仪8，通过USB与PC端通讯并直接将数据传入PC端。

本实施例中，以混合气体空气为介质，将气体通入25mm管径的气体管道内，利用电动阀门2对风机进行变频调速控制，将气体质量流量计5和待检呼吸机检测仪8串联，使气体在流动稳定的情况下，任何时刻流过气体质量流量计5和待检呼吸机检测仪8的质量流量Q_m是相等的。

通过绝压变送器4、第一差压变送器6和第二差压变送器9输出的压力值，PC端12计算出气体质量流量计5和待检呼吸机检测仪8的工况压力。通过第一温度变送器7和第二温度变送器10，采集气体质量流量计5和待检呼吸机检测仪8的工况温度。

静态流量校准时，具体计算过程如下：

先计算出工况下，待检呼吸机检测仪8和气体质量流量计5的压力：

P_被检表＝P_绝-P_差1 (1)

P_标准表＝P_绝-P_差1-P_差2 (2)

其中，P_被检表：工况下待检呼吸机检测仪的压力；

P_标准表：工况下气体质量流量计的压力；

P_绝：管道口的绝对压力；

P_差1：第一差压变送器测得的压力；

P_差2：第二差压变送器测得的压力。

利用公式(3)将质量流量计5和待检呼吸机检测仪8输出的工况流量，转化为同一标况下的流量值。并通过PLC 11上传至PC端12进行误差计算，来确定待检呼吸机检测仪流量的计量特性，实现对呼吸机检测仪流量模块的校准。

再将工况下的流量转换为标况下的流量：

式中：V_被检表：工况下待检呼吸机检测仪的流量；V_标准表：工况下气体质量流量计的流量；T_标准表：工况下气体质量流量计温度；T_被检表：工况下待检呼吸机检测仪的温度；V₃：标况下待检呼吸机检测仪的流量；V₄：标况下气体质量流量计的流量；T：标况下的温度，为273.15K；P：标况下的压力，为101.325kPa。

计算得到待检呼吸机检测仪8和气体质量流量计5的误差为：

进行潮气量校准时，由PLC控制电机驱动器，所述电机驱动器控制电机，所述电机控制活塞缸的前进与后退，以得到标准潮气量值。所述标准潮气量进入待检呼吸机检测仪后，通过第二三通阀输入模拟肺。

标准潮气量值通过公式(7)得到：

V₅＝πr²L (7)

计算得到待检呼吸机检测仪8和活塞缸标准潮气量的误差为：

式中：L:活塞缸的行程；r：活塞缸的半径；V₅：标准潮气量；V₆：待检呼吸机检测仪显示的潮气量。

如图1和图2所示，所述控制模块是由PLC 11、模拟量扩展输出模块、两个A/D模块和PC端12组成。可编程逻辑控制器采用维控LX3VP-1212MT4H-A作为核心控制元件，通过mobus通讯协议进行上位机与下位机的通讯，可满足对阀门开关、风机开关、三通阀、电机驱动器的控制。同时，配备的模拟量扩展输出模块LX3V-16EYR，用于对流量、压力、温度等数据的采集；两个A/D模块LX3V-2ADI-BD和LX3V-4AD用于进行数据的转换。上位机PC端采用基于LabVIEW系统的控制软件，利用modbus与下位机PLC进行通讯，以实现参数设置、信号采集与显示、硬件驱动和数据管理等功能。在软件界面中流量模块可以调节电动阀门2的开度来控制流量，PLC 11采集到的压力、流量模拟量均以数字量的形式实时显示在软件界面中，PC采集待检呼吸机检测仪显示的流量值并显示在软件中，计算得出误差并记录。压力模块可以设定固定的压力值，输出稳定的压力，PC采集待检呼吸机检测仪显示的压力值并显示在软件中，计算出误差并记录。呼吸频率模块可以设定固定的呼吸频率，输出固定频率的呼吸，PC采集待检呼吸机检测仪显示的呼吸频率并显示在软件中，计算出误差并记录。氧气浓度模块是通过控制减压阀的开关，用以输出不同浓度的氧气，PC采集待检呼吸机检测仪显示的氧气浓度并显示在软件中，计算出误差并记录。

图3为本发明的呼吸机检测仪校准装置主视图。所述压力模块是由压力校验仪17和压力表22组成，由于待检呼吸机检测仪的压力范围比较小，所以压力校验仪压力选择范围为：0～12kPa。在对待检呼吸机检测仪压力模块进行校准时，先将设置在第二温度变送器10后面的管道上的阀门19关闭，再将待检呼吸机检测仪通过软管接到压力校验仪第二出口21，压力校验仪第一出口20连接压力表22，再将压力校验仪接入PLC11模拟量模块上。所述阀门19主要是用于消除管道内残留的气体对氧气浓度模块和压力模块测量的影响。

通过设置压力校验仪输出压力值，并实时显示在所述压力表22上。PLC将压力校验仪采集到的标准压力值上传至PC端，待检呼吸机检测仪的压力值数据，通过USB传至PC端，进行计算并输出误差，来对呼吸机检测仪的压力特性进行校准。

所述呼吸频率模块采用呼吸发生器18，所述呼吸发生器18的呼吸频率选择的范围为0～120次/分。所述呼吸发生器18采用信号发生器的原理，精度高、响应快，可实现相对高频的呼吸频率标准输出，以满足《呼吸机校准规范》的要求。现有技术中，也有采用活塞模块以进行呼吸频率校准的，但实际操作中，活塞结构并不能满足《呼吸机校准规范》中呼吸频率的全部量程校准。在对待检呼吸机检测仪呼吸频率模块进行校准时，利用软管连接待检呼吸机检测仪和呼吸发生器。呼吸发生器与PLC模拟量输入端连接，可在呼吸发生器中工控面板中直接设定需检定的呼吸频率值，通过所述呼吸发生器的气动增压泵往复运动输出设定的呼吸频率值。将待检呼吸机检测仪采集到的呼吸频率数值，上传到PC端进行对比，并计算得到误差值，用于对待检呼吸机检测仪的呼吸频率模块进行校准。

所述氧气浓度模块由四瓶不同浓度的氧气标气和减压阀组成。所述氧气标气包括第一氧气瓶13、第二氧气瓶14、第三氧气瓶15、第四氧气瓶16，氧气浓度可在21％(即空气)、40％、60％、80％、99％中选择。在对待检呼吸机检测仪氧气浓度模块进行校准时，氧气标气对应的四个减压阀接到PLC 11开关量上，关闭阀门19，PC端软件控制减压阀的开关，从而根据校准需要输出不同浓度的氧气浓度；再将减压后的氧气标气接入待检呼吸机检测仪的入口。在对氧气浓度为21％这个点进行校准时，需要关闭上述四个氧气标气的减压阀，打开阀门19即可。将待检呼吸机检测仪校准装置采集到的氧气浓度数值上传到PC端中进行对比，计算得出误差，来对待检呼吸机检测仪的氧气浓度模块进行校准。

本发明根据JJF1234-2018《呼吸机校准规范》和计量校准原则对呼吸机检测仪的流量、压力、呼吸频率、氧气浓度是否合格进行校准。本发明能实现的校准参数如下：静态流量：0～200SLPM,±1％；潮气量：0～2000mL,±1％；压力范围：0～12kPa,±0.03kPa；氧气浓度：21～100％,±5‰；呼吸频率：1～80次/分,±1％。

Claims

1.呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

包括流量模块、压力模块、呼吸频率模块、氧气浓度模块和控制模块；所述流量模块包括静态流量校准模块和潮气量校准模块；

所述潮气量校准模块包括活塞缸和模拟肺；

所述压力模块包括压力校验仪和压力表，用于压力的校准；

2.根据权利要求1所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述待检呼吸机检测仪的前后测量管道上分别设置有第一三通阀和第二三通阀。

3.根据权利要求2所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述活塞缸利用第一三通阀接入测量管道。

4.根据权利要求2所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述模拟肺利用第二三通阀接入测量管道。

5.根据权利要求2所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述第二三通阀后端的管道上，设置有阀门，用于消除管道内残留气体对氧气浓度模块和压力模块测量的影响。

6.根据权利要求1所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述压力校验仪的两个出口分别连接待检呼吸机检测仪和压力表。

7.根据权利要求1所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述氧气标气的氧气浓度为21%、40%、60%、80%或99%。

8.根据权利要求1所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述呼吸发生器采用信号发生器的原理。

9.根据权利要求1所述的呼吸机检测仪校准装置，其特征在于：

所述PLC连接并控制所述风机、第一三通阀、第二三通阀、阀门和活塞缸的电机。