基于双差压传感器测量人体呼吸力学参数的装置和方法

摘要

本发明公开了一种基于双差压传感器测量人体呼吸力学参数的装置和方法，包括呈管状的节流装置、第一差压传感器和第二差压传感器、两个放大电路以及两个滤波电路，其中节流装置中孔板设计采用多孔方式；第一差压传感器属于大量程传感器，可测量高流速气体，第二差压传感器量程小，分辨率高、零点漂移小，主要测量低流速气体，两种传感器均为双向差压传感器；微处理器的A/D模块同时处理两个传感器的输出信号，根据采集的差压信号值判定有效采集信号。本发明装置结构简单，成本低，量程大，精度高、压力损失小，另外节流装置内径完全一致，消除了双向测量时存在灵敏度差异的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及人体呼吸流量以及相关的呼吸力学参数的测量，尤其涉及利用节流式差压流量计测量人体呼吸力学相关参数的装置和方法。

背景技术

肺量计是便携式肺功能仪的核心组成部分，其关键部件是气体流量传感器。目前常用的肺量计根据传感器类型主要分为差压式、热线式和涡流旋转式。热线式肺量计易损耗、受环境影响大等缺点。涡流旋转式肺量计在低流速、小口径情况下应用受到限制。节流差压式肺量计由于其结构简单、牢固、易于复制，使用期限长，价格低廉，目前仍被广泛使用。

节流差压式肺量计是基于质量守恒定律和能量守恒定律。当被测量的气体流经管道内的节流件时，流速在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力降低，于是在节流件产生压差，气体流速越大，压差越大，根据质量守恒定律和能量守恒定律（伯努力方程）得到对于同一气体，流速与压差存在如下关系：

(流速)²= C*ΔP

其中，ΔP是差压传感器测量的一对取压孔的压降，对于每个唯一流量传感器几何形状来说，C是唯一的。

美国胸科协会建议的肺功能仪测量呼吸流速范围为0～14L/s，且分辨率能达到30mL/s以下。结合流速与压降ΔP关系可知，若只选择一个差压传感器测量ΔP，该差压传感器不但需要很宽的量程，而且需要很低分辨率，这样的差压传感器造价是很昂贵的。另外，传统的节流式差压肺量计还存在压力损失大，量程比窄等缺点。

发明内容

本发明目的是提供一种低成本、测量精度高可用于测量人体呼吸力学参数的装置和方法，以解决现有节流式差压流量计测量窄、压力损失大以及高精度流量计成本高的问题。

本发明采用的技术方案是：

    一种基于双差压传感器测量人体呼吸力学参数的装置，包括呈管状的节流装置、两个差压传感器、两个放大电路、两个滤波电路、微处理器、存储模块、显示模块、控制模块以及电源模块。呈管状的节流装置包括有管体，管体的内壁中置有一个开有数个孔的孔板，管体外壳和内壁之间有两对对称的取压孔，每对取压孔分别位于孔板的两侧，且两对取压孔相对孔板对称。每对取压孔连接一个双向差压传感器，其中第一差压传感器为大量差压传感器，主要测量高流速气体，第二差压传感器为小量程差压传感器，可测量低流速气体，第二差压传感器的过压能力大于第一差压传感器的量程。第一差压传感器输出信号经放大电路、二阶滤波电路最后连接微处理器模拟输入口；第二差压传感器输出信号经放大电路、二阶滤波电路最后连接微处理器模拟输入端；微处理器还连接有控制模块、存储模块、显示模块。微处理器根据两个差压传感器采集的差压值判定有效采集值，处理器还可以将采集的数据保存到存储模块，也可以将处理后的结果通过显示模块展示出来。

为了克服传统孔板永久压力损失大，涡流带来噪声大以及量程比窄等缺点，本发明的气体流量计的孔板采用的是多孔的方式，且两对取压孔构成的平面垂直平分孔板所在平面。另外，孔板两侧的管径是一致的，避免由于双向测量而导致灵敏度存在差异的问题。

一种基于权利要求1所述装置的测量人体呼吸力学参数的方法，在呼吸过程中，第一差压传感器、第二差压传感器同步采集，微处理器固化程序自动判断在特定时刻以哪一支传感器的输出作为有效采集信号，详细步骤如下：

（1）设备上电开机，系统初始化，微处理器处理此时经过放大、滤波之后的两个差压传感器的输出信号，将A/D转换结果ADC₁₀、ADC₂₀作为两个差压传感器各自的零点；

（2）控制模块向微处理器发送采集命令，人体呼吸检测开始；第一差压传感器和第二差压差压传感器的输出信号经过放大电路、滤波电路连接到微处理器模拟输入端，经A/D转换后分别得到ADC₁、ADC₂；

（3）微处理器内部固化程序根据步骤（2）中处理结果ADC₂大小判定有效采集信号：当ADC₂达到设定的ADC值ADC_lev时，即ADC₂ < ADC_lev时，第二差压传感器采集的差压信号对应ADC值ADC₂为有效值；当 ADC₂超过设定的ADC值ADC_lev时，即ADC₂ ≥ ADC_lev时，第一差压传感器采集的差压信号对应ADC值ADC₁为有效值，其中ADC_lev对应的差压值小于第二传感器最大量程；

（4）微处理器根据根据步骤（1）得到两个差压传感器零点ADC值和步骤（3）中得到的有效ADC值换算成差压值ΔP，由差压值ΔP绘制出流速-容积曲线，计算出呼吸力学相关参数。

本发明的工作原理是：

在标准的压差式流量计原理上，采用两个差压传感器同时测量压降ΔP。由于两对取压孔所在平面垂直孔板平面，且两取压孔之间相互对称，第一差压传感器和第二差压传感器响应时间一致，因而同一时刻第一差压传感器和第二差压传感器测量的压差应相等，即ΔP₁=ΔP₂=ΔP。由气体流速与压降ΔP的关系可知，在低流速段，ΔP测量精度对气流影响最大。低流速段的ΔP由第二差压传感器测量，第二传感器量程小，分辨率高，尤其是在低流速段仍能有较好的精度；当ΔP达到设定的差压ΔP_lev（ΔP_lev小于第二传感器最大量程）时，此时肺量计的微处理器将采集通道切换到第一差压传感器，第一差压传感器虽然精度没有第二差压传感器高，但大量程保证了最大测量流速，另外由流速与ΔP之间的差压关系可知，在较高流速段，ΔP测量精度对流速的影响要远小于低流速段。两差压传感器测量的差压电信号经过肺量计的微处理器处理即可得到当前时间点的气体流速。因此，第一差压传感器和第二差压传感器组合测量气体流速，既保证了最大测量流速，也实现了气体流速的高精度测量。

本发明的有益效果是：

1、节流装置几何形状规范，结构特别简单，成本低；

2、内置孔板采用多孔的设计方式，降低了标准孔板导致压力损失大的影响，且孔板左右通道内直径一致，消除了双向测量时存在灵敏度差异的缺陷；

3、采用两个差压传感器同时采集差压信号，微处理器根据两个差压传感器采集的差压值判定有效采集信号，在低成本的基础上实现了高精度测量气体流速。 

 

附图说明

本发明装置实施例结合附图加以说明，其中：

图1是本发明基于双差压传感器测量人体呼吸力学参数的装置示意图。

图2是图1中节流装置的孔板结构图。

图3是本发明装置获取有效信号方法流程图。

具体实施方式

实施例：

如图1，一种基于双差压传感器测量人体呼吸力学参数的装置，由呈管状的节流装置、两个差压传感器13和14、两个放大电路20和30、两个滤波电路40和50、微处理器100、显示模块60、存储模块70、控制模块80以及电源模块90构成。呈管状的节流装置包括有管体17，管体17的内壁18绝对光滑，管体17内部有一个孔板15，孔板15左右的管道内径完全一致，孔板15采用多孔的方式；管体17与内壁18之间有两对对称的取压孔11、11’、12、12’，两对取压孔11、11’、12、12’对称分布于孔板15的两侧；取压孔11连接第一差压传感器13的低压输入口，取压孔11’连接第一差压传感器13的高压输入口；取压孔12连接第二差压传感器14低压输入口，取压孔12’连接第二差压传感器14高压输入口；第一差压传感器13属于大量程传感器，可测量高流速气体；第二差压量程小、分辨率高、零点漂移小，主要测量低流速气体，且其过压能力高于第一差压传感器13的量程；第一差压传感器13和第二差压传感器14均为双向传感器，且响应时间一致； 两差压传感器同时采集差压信号经放大电路20和30、滤波电路40和50输送至微处理器100模拟输入端，微处理器100同时处理两差压传感器采集的信号，并根据A/D转换后的两路采集差压值大小判定有效采集信号。

图2是图1 中节流装置的孔板15结构图。孔板15中最大直径孔位于孔板中央处，其余小孔对称分布在大孔四周，且取压孔11和12所在平面垂直平分孔板15。

图示3为本发明装置获取有效信号方法流程图。第一差压传感器13属于大量程传感器，用于检测呼吸过程中高速段气体流速；第二差压传感器14量程小、分辨率高、零点漂移小，用于检测呼吸过程中低速段的气体速度。两个传感器响应时间一致，在呼吸过程中，两支传感器同步采集，微处理器100固化程序自动判断在特定时刻以哪一支传感器的输出作为有效采集信号，详细步骤如下：

（1）设备上电开机，系统初始化，微处理器100处理此时经过放大、滤波之后的两个差压传感器的输出信号，将A/D转换结果ADC₁₀、ADC₂₀作为两个差压传感器各自的零点；

（2）控制模块80向微处理器100发送采集命令，人体呼吸检测开始；第一差压传感器13和第二差压差压传感器14的输出信号经过放大电路、滤波电路连接到微处理器100模拟输入端，经A/D转换后分别得到ADC₁、ADC₂；

（3）微处理器100内部固化程序根据步骤（2）中处理结果ADC₂大小判定有效采集信号：当ADC₂达到设定的ADC值ADC_lev（ADC_lev对应的差压信号值应小于第二传感器最大量程）时，即ADC₂ < ADC_lev时，第二差压传感器采集的差压信号对应ADC值ADC₂为有效值；当 ADC₂超过设定的ADC值ADC_lev（ADC_lev对应的差压信号值应小于第二传感器最大量程）时，即ADC₂ ≥ ADC_lev时，第一差压传感器采集的差压信号对应ADC值ADC₁为有效值；

（4）微处理器100根据根据步骤（1）得到两个差压传感器零点ADC值和步骤（3）中得到的有效ADC值换算成差压信号值ΔP，由差压信号值ΔP绘制出流速-容积曲线，计算出呼吸力学相关参数。

其中ADC_lev为预先设定值，ADC_lev的大小取决于第一差压传感器和第二差压传感器的量程和精度。

本发明的获取气体流速方法是借助于安装在节流装置上的两个不同量程的差压传感器，第一差压传感器13属于大量程传感器，可测量高流速气体，第二差压传感器14量程小，分辨率高、零点漂移小，主要测量低流速气体，微处理器100的A/D模块同时处理两个传感器的输出信号，根据采集的差压值判定有效采集信号。实践证明，两种差压传感器的有效结合成功的实现了在低成本的基础上做到高精度测量人体呼吸力学的相关参数。