CN117179740A - 一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医疗器械技术，公开了一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，包括呼吸流量通气管道，呼吸流量通气管道的内部设有伸缩装置，伸缩装置包括圆管体，圆管体的一端固定连接有固定底座，固定底座的侧壁固定连接有第一红外避障传感器，圆管体的侧壁固定连接有多个滑块支撑杆，与呼吸流量通气管道的内壁滑动连接的两个滑块通过相应的滑块支撑杆与圆管体连接，叶片轴杆固定连接有涡轮气流风叶片。本发明通过第一红外传感器模块感测涡轮气流风叶片的涡轮气流风叶片转速，通过第一红外避障传感器感测截面半径。感测到的涡轮气流风叶片转速和截面半径可用于计算气体流速。可避免气体流速监测结果会受到涡轮气流风叶片所受摩擦力影响的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器。
背景技术
肺功能仪又名肺功能检测仪，一种检查检测人类肺部机能运作情况的医疗设备。其主要是通过设备对人体自身的一种设备。主要应用于医院的体检，是用于测量由肺部吸入和呼出的空气体积的一种医疗器械。可以进行肺功能测试并追踪肺部健康情况，可测量包含FVC、FEV1、FEV1/FVC等常用肺功能检测参数，肺功能测试仪由主机、流速传感器和鼻夹组成，用于呼吸内科、胸科、职业病防治机构、医院体检、诊所、家庭等环境下使用，用于肺功能测试并追踪肺部健康情况，是一种轻便可携带的肺功能检测仪。
目前用于肺功能仪上的气体流量传感器一般分为以下几类：热丝式流量传感器、压差式流量传感器、超声流量传感器和涡轮流量传感器，其中涡轮流量传感器原理是：气体流经涡轮流量传感器，通过获取涡轮气流风叶片的旋转角速度，来间接测量气体流量；
目前，有相关专利公开过类似用于肺功能测定的流量传感器，如专利号201710381495.0公开了一种用于肺功能测定的流量传感器、肺功能测试仪及应用，本发明提供了一种用于肺功能测定的流量传感器，及其在肺功能测定仪中的应用和肺功能的检测方法。所述流量传感器为中空管结构，主要由呼气进气部、第一锥部、喉口部和第二锥部依次相连而成，低压取压口开设在喉口部的管壁上，第一高压取压口和第二高压取压口分别开设在非喉口部两侧的管壁上。所述流量传感器以及肺功能测定仪能检测呼气和吸气双向流量，结构紧凑有利于肺功能测定仪器的小型化，且方便仪器的定标和校正，售后维护简单然后上述专利公开的技术内容只解决了肺功能仪在使用过程中的其中一项技术问题，但对于肺功能仪在实际使用过程中，仍存在如下技术不足之处，具体不足在于：
传统的肺功能仪用气体流量涡轮传感器在气体流速过大之后，由于涡轮气流风叶片所受摩擦力的影响，气体流速的较大增加才能引起涡轮气流风叶片转速的较小变化，使得气体流速测量精度降低。也就是说，现有肺功能仪用气体流量涡轮传感器的气体流速监测结果会受到涡轮气流风叶片所受摩擦力影响的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有肺功能仪用气体流量涡轮传感器的气体流速监测结果会受到涡轮气流风叶片所受摩擦力影响的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，包括呼吸流量通气管道，所述呼吸流量通气管道的内部设有伸缩装置，所述伸缩装置包括圆管体，所述圆管体的一端固定连接有固定底座，所述固定底座的侧壁固定连接有第一红外避障传感器，所述圆管体的侧壁固定连接有多个滑块支撑杆，与所述呼吸流量通气管道的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块一通过一滑块支撑杆与所述圆管体连接，与所述呼吸流量通气管道的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块二通过另一滑块支撑杆与所述圆管体连接，微型直线往复移动滑块一上设置有第一红外传感器模块的发射端，微型直线往复移动滑块二上设置有所述第一红外传感器模块的接收端，其中，所述固定底座的一端转动连接有叶片轴杆，所述叶片轴杆固定连接有涡轮气流风叶片，其中，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片的涡轮气流风叶片转速，第一红外避障传感器被配置为感测垂直于呼吸流量通气管道的轴线的截面的截面半径，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端所感测到的涡轮气流风叶片转速以及第一红外避障传感器所感测到的截面半径被用于计算气体流速。
可选的，所述呼吸流量通气管道的内部侧壁开设有直线移动导向滑槽一和直线移动导向滑槽二，微型直线往复移动滑块一和微型直线往复移动滑块二分别通过直线移动导向滑槽一和直线移动导向滑槽二与所述呼吸流量通气管道的内壁滑动连接。
可选的，所述伸缩装置还包括支撑杆，所述支撑杆的一端延伸到所述圆管体的内部，并且所述支撑杆的所述一端与所述固定底座之间设置有弹簧。
可选的，所述呼吸流量通气管道的内部固定连接有固定架，所述固定架与所述支撑杆的另一端固定连接。
可选的，所述发射端和所述接收端位于与所述呼吸流量通气管道的轴线垂直的截面上，所述发射端和所述接收端所位于的截面随着所述圆管体与所述呼吸流量通气管道之间的相对位置的不同而不同。
可选的，气体流速根据如下公式来计算：
其中，v2是第二位置处的气体流速，r2是第二位置处的截面半径，n1是第一位置处的涡轮气流风叶片转速，r1是第一位置处的截面半径，k是预先设定的系数。
可选的，第一位置处的气体流速小于或等于800升每分钟。
可选的，在与所述呼吸流量通气管道的内壁滑动连接的另外的两个滑块上，分别设置有第二红外传感器模块的发射端和接收端，第二红外传感器模块的发射端和接收端与圆管体共同移动；第二红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片的涡轮气流风叶片转速；当通过第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速之间的差值小于转速阈值时，第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速的平均值被用于气体流速的计算。
可选的，所述固定底座的侧壁固定连接有第二红外避障传感器，第一红外避障传感器和第二红外避障传感器被配置为感测相同截面的截面半径；当通过第一红外避障传感器感测到的截面半径和通过第二红外避障传感器感测到的截面半径之间的差值小于半径阈值时，第一红外避障传感器感测到的截面半径和第二红外避障传感器感测到的截面半径的平均值被用于气体流速的计算。
本发明的有益效果如下：
本发明的涡轮气流风叶片与呼吸流量通气管道之间的位置不是相对固定的，而是将涡轮气流风叶片固定于伸缩装置的一端，伸缩装置可沿着呼吸流量通气管道的轴线进行伸缩运动；涡轮气流风叶片的最大半径与截面半径之间距离尽可能小，能够尽可能测量到流经呼吸流量通气管道的气体，选取涡轮气流风叶片长度与截面半径之间的最小间距为2mm至3mm；当气体流量过大后，通过测量伸缩装置位移量从而进行转化以求得气体流量；采用可移动的第一红外传感器模块的发射端、第一红外传感器模块的接收端与第一红外避障传感器，并将固定截面改变为可变截面；利用涡轮气流风叶片转速和伸缩装置的截面半径来共同来测量气体流速，进而可求得气体体积；从一定程度上减小了因气体流速过大使得转轴摩擦力对涡轮气流风叶片转速造成影响；本发明可以提高气体流速以及相应的气体体积的测量精度；实现双精度测量，从而提高肺功能仪用气体流量涡轮传感器测量的准确度。
附图说明
图1为本发明的立体结构图；
图2为本发明的内部结构图；
图3为本发明的正视图；
图4为本发明的后视图；
图5为涡轮气流风叶片转速与呼气流速关系图。
图中：1、呼吸流量通气管道；2、固定架；3、支撑杆；4、弹簧；5、圆管体；6、固定底座；7、滑块支撑杆；8、微型直线往复移动滑块一；9、微型直线往复移动滑块二；10、直线移动导向滑槽一；11、直线移动导向滑槽二；12、第一红外避障传感器；13、叶片轴杆；14、涡轮气流风叶片、15、第二红外避障传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1至图4，一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，包括呼吸流量通气管道1，所述呼吸流量通气管道1的内部设有伸缩装置，所述伸缩装置包括圆管体5，所述圆管体5的一端固定连接有固定底座6，所述固定底座6的侧壁固定连接有第一红外避障传感器12，所述圆管体5的侧壁固定连接有多个滑块支撑杆7，与所述呼吸流量通气管道1的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块一8通过一滑块支撑杆7与所述圆管体5连接，与所述呼吸流量通气管道1的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块二9通过另一滑块支撑杆7与所述圆管体5连接，微型直线往复移动滑块一8上设置有第一红外传感器模块的发射端，微型直线往复移动滑块二9上设置有所述第一红外传感器模块的接收端，其中，所述固定底座6的一端转动连接有叶片轴杆13，所述叶片轴杆13固定连接有涡轮气流风叶片14，其中，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片14的涡轮气流风叶片转速，第一红外避障传感器12被配置为感测垂直于呼吸流量通气管道1的轴线的截面的截面半径，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端所感测到的涡轮气流风叶片转速以及第一红外避障传感器12所感测到的截面半径被用于计算气体流速。
作为示例，截面是指呼吸流量通气管道1的垂直于呼吸流量通气管道1的轴线的截面。通过红外线收发频率等可感测到涡轮气流风叶片转速。通过红线先收发，可感测截面半径。
在示例性实施例中，所述呼吸流量通气管道1的内部侧壁开设有直线移动导向滑槽一10和直线移动导向滑槽二11，微型直线往复移动滑块一8和微型直线往复移动滑块二9分别通过直线移动导向滑槽一10和直线移动导向滑槽二11与所述呼吸流量通气管道1的内壁滑动连接。
在示例性实施例中，所述伸缩装置还包括支撑杆3，所述支撑杆3的一端延伸到所述圆管体5的内部，并且所述支撑杆3的所述一端与所述固定底座6之间设置有弹簧4。
在示例性实施例中，所述呼吸流量通气管道1的内部固定连接有固定架2，所述固定架2与所述支撑杆3的另一端固定连接。
在示例性实施例中，所述发射端和所述接收端位于与所述呼吸流量通气管道1的轴线垂直的截面上，所述发射端和所述接收端所位于的截面随着所述圆管体5与所述呼吸流量通气管道1之间的相对位置的不同而不同。
在示例性实施例中，气体流速根据如下公式来计算：
其中，v2是第二位置处的气体流速，r2是第二位置处的截面半径，n1是第一位置处的涡轮气流风叶片转速，r1是第一位置处的截面半径，k是预先设定的系数。
在示例性实施例中，第一位置处的气体流速小于或等于800升每分钟。在可选的实施例中，800升每分钟可替换为700升每分钟至900升每分钟。
在示例性实施例中，在与所述呼吸流量通气管道1的内壁滑动连接的另外的两个滑块上，分别设置有第二红外传感器模块的发射端和接收端，第二红外传感器模块的发射端和接收端与圆管体5共同移动；第二红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片14的涡轮气流风叶片转速；当通过第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速之间的差值小于转速阈值时，第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速的平均值被用于气体流速的计算。
通过两次感测，可提高感测结果的精度，并且可通过转速阈值的比较来排除误差过大的涡轮气流风叶片转速，并通过平均值获得更准确的转速值。
在示例性实施例中，所述固定底座6的侧壁固定连接有第二红外避障传感器15，第一红外避障传感器12和第二红外避障传感器15被配置为感测相同截面的截面半径；当通过第一红外避障传感器12感测到的截面半径和通过第二红外避障传感器15感测到的截面半径之间的差值小于半径阈值时，第一红外避障传感器12感测到的截面半径和第二红外避障传感器15感测到的截面半径的平均值被用于气体流速的计算。
通过两次感测，可提高感测结果的精度，并且可通过半径阈值的比较来排除误差过大的截面半径，并通过平均值获得更准确的半径值。
如图5所示，在气体流过肺功能仪用气体流量涡轮传感器的过程中，曲线图可分为两段，即线性段和非线性段。线性段约为整个过程的2/3，在此线性段(即图中a至b段)，转速和流速近似可看成正比，即
v＝kn
其中，v为t时刻的气体流速(气体流速可体现呼气流速)，n为t时刻的涡轮气流风叶片转速，k为涡轮特性系数，可由相应设备测得或进行预先设定。
人体在测量呼气峰值流量(PEF)和第一秒肺活量(FEV1)时需要用力呼气，呼气流速在100L/min至800L/min之间，PEF与FEV1呈高度直线相关。此时就处于图5中的线性段，即涡轮气流风叶片的涡轮气流风叶片转速和呼气流速成线性关系；
在非线性段，气体流速受轴承摩擦力影响较大，此时涡轮气流风叶片轴承的摩擦力不能忽略不计。并且在非线性段，流速极大时才会引起涡轮气流风叶片转速微弱的变化，由于Δn(涡轮气流风叶片状速变化值)减小，导致了整个的测量精度减小。这样在非线性段测量的气体体积的精度就降低。本发明至少可解决如上问题，当流速超过例如800L/min后，即在非线性段，不再测量涡轮气流风叶片转速，而是感测截面半径。测试步骤如下：
①先测得图5中线性段，例如在b点所对应位置处，即在肺功能仪用气体流量涡轮传感器所在位置x1处，所对应的截面半径r1,可求得该位置x1的截面积为s1＝πr1 2
②再测得伸缩装置位移到的另一位置x2(图5中呼气流速比b大的值所对应的位置)，该位置对应的截面半径为r2,则对应的横截面积为s2＝πr2 2，
③根据流体力学中连续性方程可得：
s1v1＝s2v2
其中，v1表示流经横截面积s1所对应截面时的流速，v2表示流经横截面积s2所对应截面时的流速；而v1可根据线性段计算公式二测得为v1＝kn1，由此可推算出截面s2时的气体流速：
其中，n1和r1分别为位置x1处所对应的涡轮气流风叶片转速和截面半径，r2为位置x2处所对应的截面半径，k是预先设定的系数。这样就弥补了气体流速过大导致摩擦力增大，对测量精度的影响。
本发明在使用时，测量涡轮气流风叶片14转速的第一红外传感器模块安装于呼吸流量通气管道1壁面的滑块上，呼吸流量通气管道1壁面开四处凹槽，对应两组红外传感器模块；可将第一红外传感器模块的发射端、第一红外传感器模块的接收端分别设置与在微型直线往复移动滑块一8和微型直线往复移动滑块二9；微型直线往复移动滑块一8与微型直线往复移动滑块二9分别在直线移动导向滑槽一10、直线移动导向滑槽二11内；类似的设置另一组外传感器模块；用四根滑块支撑杆7一端分别与四个凹槽内的设置传感器模块的滑块连接，滑块支撑杆7另一端与伸缩装置相连；涡轮气流风叶片14随着气流移动多少距离，对应的传感器模块也可以移动多少距离，这样就可以随时测量涡轮气流风叶片14转速。在固定底座6安装有第一红外避障传感器12和/或第二红外避障传感器15，向壁面发射信号，就可以随时测得截面半径。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，包括呼吸流量通气管道(1)，其特征在于：所述呼吸流量通气管道(1)的内部设有伸缩装置，所述伸缩装置包括圆管体(5)，所述圆管体(5)的一端固定连接有固定底座(6)，所述固定底座(6)的侧壁固定连接有第一红外避障传感器(12)，所述圆管体(5)的侧壁固定连接有多个滑块支撑杆(7)，与所述呼吸流量通气管道(1)的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块一(8)通过一滑块支撑杆(7)与所述圆管体(5)连接，与所述呼吸流量通气管道(1)的内壁滑动连接的微型直线往复移动滑块二(9)通过另一滑块支撑杆(7)与所述圆管体(5)连接，微型直线往复移动滑块一(8)上设置有第一红外传感器模块的发射端，微型直线往复移动滑块二(9)上设置有所述第一红外传感器模块的接收端，其中，所述固定底座(6)的一端转动连接有叶片轴杆(13)，所述叶片轴杆(13)固定连接有涡轮气流风叶片(14)，其中，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片(14)的涡轮气流风叶片转速，第一红外避障传感器(12)被配置为感测垂直于呼吸流量通气管道(1)的轴线的截面的截面半径，所述第一红外传感器模块的发射端和接收端所感测到的涡轮气流风叶片转速以及第一红外避障传感器(12)所感测到的截面半径被用于计算气体流速。
2.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：所述呼吸流量通气管道(1)的内部侧壁开设有直线移动导向滑槽一(10)和直线移动导向滑槽二(11)，微型直线往复移动滑块一(8)和微型直线往复移动滑块二(9)分别通过直线移动导向滑槽一(10)和直线移动导向滑槽二(11)与所述呼吸流量通气管道(1)的内壁滑动连接。
3.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：所述伸缩装置还包括支撑杆(3)，所述支撑杆(3)的一端延伸到所述圆管体(5)的内部，并且所述支撑杆(3)的所述一端与所述固定底座(6)之间设置有弹簧(4)。
4.根据权利要求3所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：所述呼吸流量通气管道(1)的内部固定连接有固定架(2)，所述固定架(2)与所述支撑杆(3)的另一端固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：所述发射端和所述接收端位于与所述呼吸流量通气管道(1)的轴线垂直的截面上，所述发射端和所述接收端所位于的截面随着所述圆管体(5)与所述呼吸流量通气管道(1)之间的相对位置的不同而不同。
6.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：气体流速根据如下公式来计算：
其中，v2是第二位置处的气体流速，r2是第二位置处的截面半径，n1是第一位置处的涡轮气流风叶片转速，r1是第一位置处的截面半径，k是预先设定的系数。
7.根据权利要求6所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：第一位置处的气体流速小于或等于800升每分钟。
8.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：在与所述呼吸流量通气管道(1)的内壁滑动连接的另外的两个滑块上，分别设置有第二红外传感器模块的发射端和接收端，第二红外传感器模块的发射端和接收端与圆管体(5)共同移动；第二红外传感器模块的发射端和接收端被配置为感测涡轮气流风叶片(14)的涡轮气流风叶片转速；当通过第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速之间的差值小于转速阈值时，第一红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速和通过第二红外传感器模块感测到的涡轮气流风叶片转速的平均值被用于气体流速的计算。
9.根据权利要求1所述的一种肺功能仪用气体流量涡轮传感器，其特征在于：所述固定底座(6)的侧壁固定连接有第二红外避障传感器(15)，第一红外避障传感器(12)和第二红外避障传感器(15)被配置为感测相同截面的截面半径；当通过第一红外避障传感器(12)感测到的截面半径和通过第二红外避障传感器(15)感测到的截面半径之间的差值小于半径阈值时，第一红外避障传感器(12)感测到的截面半径和第二红外避障传感器(15)感测到的截面半径的平均值被用于气体流速的计算。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20231208 |