專利名稱：一種紅外呼氣末CO₂測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用紅外技術(shù)測(cè)量氣體濃度的方法和裝置，尤其涉及一種利用紅外技術(shù)測(cè)量呼氣末(X)2濃度的方法和裝置。
背景技術(shù)：
用紅外原理監(jiān)測(cè)病人呼氣末(X)2濃度屬于無創(chuàng)性的監(jiān)測(cè)方法，不僅可監(jiān)測(cè)病人的通氣功能也可反映其循環(huán)功能和肺血流情況，目前已成為常用的臨床監(jiān)測(cè)手段，其臨床意義有監(jiān)測(cè)各種原因引起呼吸功能不全的病人的通氣功能；監(jiān)測(cè)循環(huán)功能和體內(nèi)CO2產(chǎn)量的變化；了解肺泡無效腔量及肺血流量的變化；病人全麻或使用呼吸機(jī)時(shí)可根據(jù)監(jiān)測(cè)來調(diào)節(jié)通氣量避免通氣不足或過度造成高或低碳酸血癥；及時(shí)發(fā)現(xiàn)呼吸機(jī)的機(jī)械故障。基于氣體的吸收光譜隨物質(zhì)的不同而存在差異的原理制成的。不同氣體分子化學(xué)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)不同波長的紅外輻射的吸收程度就不同，因此，不同波長的紅外輻射依次照射到樣品物質(zhì)時(shí)，某些波長的輻射能被樣品物質(zhì)選擇吸收而變?nèi)?，產(chǎn)生紅外吸收光譜，故當(dāng)知道某種物質(zhì)的紅外吸收光譜時(shí)，便能從中獲得該物質(zhì)在紅外區(qū)的吸收峰。同一種物質(zhì)不同濃度時(shí)，在同一吸收峰位置有不同的吸收強(qiáng)度，吸收強(qiáng)度與濃度成正比關(guān)系。因此通過檢測(cè)氣體對(duì)光的波長和強(qiáng)度的影響，便可以確定氣體的濃度。根據(jù)比爾朗伯定律，輸出光強(qiáng)度、輸入光強(qiáng)度和氣體濃度之間的關(guān)系為I = I0exp (- α mLC)式中α m為摩爾分子吸收系數(shù)；C為待測(cè)氣體濃度；L為光和氣體的作用長度(傳感長度)。對(duì)上式進(jìn)行變換得C = J-Irl^通過檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)就可以得知?dú)怏w的濃度。目前國內(nèi)臨床所用的紅外原理監(jiān)測(cè)呼氣末CO2濃度的設(shè)備，都存在著因光源老化、 溫度漂移、電壓漂移、設(shè)備自身及其他不穩(wěn)定因素帶來的測(cè)量誤差，而通常所取措施是用熱敏電阻補(bǔ)償，由于熱敏電阻和CO2傳感器曲線不一致。并且離散性較大在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到完全補(bǔ)償?shù)男Ч?。一種比較典型的監(jiān)測(cè)呼氣末CO2濃度的設(shè)備是單光源、單氣室，雙探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是光源發(fā)出的光經(jīng)單氣室后照射到主探測(cè)器與參考探測(cè)器上。利用在兩個(gè)探測(cè)器上的電壓算出CO2的濃度值。此種方法是假設(shè)兩路探測(cè)電路引入誤差相同可以互相抵消。實(shí)際上兩路探測(cè)電路離散性較大，很難達(dá)到預(yù)想效果。另一種監(jiān)測(cè)呼氣末CO2濃度的設(shè)備是單光源、單氣室，單探測(cè)器結(jié)構(gòu)，其采用溫漂超過限值或定時(shí)校零方法來消除誤差。其頻繁的校零影響量測(cè)的實(shí)時(shí)性。且未校零時(shí)的誤差隨溫度漂移及電壓漂移變化很大
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能夠克服測(cè)量過程中光源老化、溫度漂移以及放大器電壓漂移的紅外呼氣末CO2測(cè)量方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種能夠克服測(cè)量過程溫度漂移、放大器電壓漂移的紅外呼氣末CO2測(cè)量裝置。本發(fā)明所述的紅外呼氣末(X)2測(cè)量方法包括如下步驟a、將待測(cè)氣體通過氣泵的作用送入單氣室；b、讓周期性紅外光源穿過單氣室，所述紅外光源采用白熾光源并且由穩(wěn)流源降額供電；所述降額供電指供電電壓低于額定電壓，采用降額供電可以提高發(fā)光源的使用壽命。C、穿過單氣室的紅外光經(jīng)紅外(X)2傳感器探測(cè)后得到的感測(cè)信經(jīng)放大電路、濾波電路、解調(diào)電路后得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；氣室內(nèi)溫度由溫度傳感器探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)直接或間接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；氣室壓力由絕壓傳感器探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；d、處理器根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集到的與濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)用多項(xiàng)式擬合法Y = aX2+bX+c，求出待測(cè)CO2濃度值，再根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的氣室溫度與壓力，用公式 Ccorrected (% /ppm) = Cmeasured (% /ppm) * (1013* (t (°C ) +273)) / (298K*p (hPa))進(jìn)行補(bǔ)償，其中X = V0-VijV1為被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流電壓、Vci為在自然大氣狀態(tài)或純氮?dú)鉅顟B(tài)下所對(duì)應(yīng)的直流電壓，Y為所測(cè)(X)2濃度值，a、b、c為擬合系數(shù)。進(jìn)一步地，單氣室內(nèi)檢測(cè)后的氣體通過節(jié)流閥由氣泵排出，并且為了獲得更高的測(cè)量精度，通過表壓傳感器測(cè)得節(jié)流閥兩端的壓差并依此為依據(jù)來調(diào)節(jié)氣體流速。進(jìn)一步地，所述紅外光源優(yōu)選以調(diào)制頻率為7-lOHz周期性的發(fā)出紅外光。本發(fā)明所述的紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置包括，一個(gè)氣路單元，包括依次連通的單氣室、節(jié)流閥和氣泵；一個(gè)光路單元，包括順序連接的光源驅(qū)動(dòng)電路和紅外光源，所述紅外光源為白熾光源，設(shè)置在單氣室一側(cè)；一個(gè)光路及溫度檢測(cè)單元，包括設(shè)置在單氣室與紅外光源相對(duì)側(cè)的紅外(X)2傳感器和溫度傳感器，所述紅外(X)2傳感器、溫度傳感器依次連接放大電路、濾波電路、解調(diào)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊或者溫度傳感器直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接；一個(gè)壓力檢測(cè)單元，包括與單氣室連通的絕壓傳感器和設(shè)置在節(jié)流閥兩端的表壓傳感器，所述絕壓傳感器和表壓傳感器分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊連接；一個(gè)控制單元，包括處理器，所述處理器分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、光源驅(qū)動(dòng)電路和氣泵連接。進(jìn)一步地，所述溫度傳感器和紅外(X)2傳感器也可以采用集溫度傳感與(X)2傳感于一體的熱電堆傳感器，這樣裝置更簡單。進(jìn)一步地，所述待測(cè)氣體在進(jìn)入單氣室之前通過節(jié)流接頭過濾。進(jìn)一步地，所述節(jié)流接頭的過濾等級(jí)優(yōu)選為5 μ m。進(jìn)一步地，所述單氣室與節(jié)流閥通過四通連接，四通的另外兩個(gè)接口一個(gè)連接絕壓傳感器，一個(gè)連接表壓傳感器。進(jìn)一步地，所述節(jié)流閥和氣泵通過三通連接，三通的一個(gè)口與所述的表壓傳感器連接。本發(fā)明的有益效果如下1、由于在紅外(X)2傳感器經(jīng)過放大電路后，通過濾波電路、解調(diào)電路進(jìn)行濾波及解調(diào)有效地克服了呼氣末(X)2濃度測(cè)量過程中因放大器電壓漂移帶來的測(cè)量誤差。2、由于能夠有效的對(duì)測(cè)得的CO2濃度進(jìn)行溫度與壓力補(bǔ)償，克服了因溫度漂移和壓力漂移所帶來的測(cè)量誤差。3、由于紅外光源采用白熾光源，并且由穩(wěn)流源降壓供電，延長了紅外光源的壽命， 提高了光源穩(wěn)定性，進(jìn)行避免了因光源老化所帶來的測(cè)量誤差。


圖1為本發(fā)明紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1參見圖1，一種紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置，包括一個(gè)氣路單元，包括依次連通的單氣室1、節(jié)流閥2和氣泵3，所述待測(cè)氣體在進(jìn)入單氣室1之前通過節(jié)流接頭4過濾，節(jié)流接頭4的過濾等級(jí)為5 μ m ；所述單氣室1與節(jié)流閥2通過四通5連接，所述節(jié)流閥2和氣泵3通過三通8連接；一個(gè)光路單元，包括順序連接的光源驅(qū)動(dòng)電路9和紅外光源10，所述紅外光源為白熾光源，設(shè)置在單氣室1 一側(cè)；一個(gè)光路及溫度檢測(cè)單元，包括設(shè)置在單氣室1與紅外光源10相對(duì)側(cè)的集溫度傳感與(X)2傳感于一體的紅外熱電堆傳感器18 (型號(hào)為HMSJ21 F4. 26/180)，紅外熱電堆傳感器18依次連接放大電路13、濾波電路14、解調(diào)電路15和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16 ；—個(gè)壓力檢測(cè)單元，包括表壓傳感器7和通過四通5與單氣室連通的絕壓傳感器6，表壓傳感器7分別與設(shè)置在節(jié)流閥2兩端的三通8、四通5連接，絕壓傳感器6和表壓傳感器7分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16連接；—個(gè)控制單元，包括處理器17，處理器17分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16、光源驅(qū)動(dòng)電路 9和氣泵3連接。
單氣室1內(nèi)檢測(cè)后的氣體通過節(jié)流閥2由氣泵3排出，并且通過表壓傳感器7測(cè)得節(jié)流閥2兩端的壓差并依此為依據(jù)來調(diào)節(jié)氣體流速。采用此紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括如下步驟a、將待測(cè)氣體通過氣泵的作用送入單氣室1 ；b、讓周期性紅外光源10穿過單氣室1，所述紅外光源10采用白熾光源并且由穩(wěn)流源降額供電，所述紅外光源10以調(diào)制頻率為8Hz周期性的發(fā)出紅外光；C、穿過單氣室1的紅外光經(jīng)集溫度傳感與CO2傳感于一體的紅外熱電堆傳感器18 探測(cè)后得到的感測(cè)信號(hào)經(jīng)放大電路13、濾波電路14、解調(diào)電路15后得到與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)以及溫度信號(hào)，然后將這兩個(gè)信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16 ；氣室壓力由絕壓傳感器6探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16 ；d、處理器17根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16采集到的與濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)用多項(xiàng)式擬
6合法Y = aX2+bX+c，求出待測(cè)CO2濃度值，再根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的氣室溫度與壓力，用公式 Ccorrected (% /ppm) = Cmeasured (% /ppm) * (1013* (t (°C ) +273)) / (298K*p (hPa))進(jìn)行補(bǔ)償，其中X = V0-VijV1為被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流電壓、Vci為在自然大氣狀態(tài)或純氮?dú)鉅顟B(tài)下所對(duì)應(yīng)的直流電壓，Y為所測(cè)(X)2濃度值，a、b、c為擬合系數(shù)。
當(dāng)然，本發(fā)明的紅外呼氣末CO2測(cè)量裝置具體設(shè)置時(shí)，并不局限于本實(shí)施例，也可以不采用集溫度傳感與(X)2傳感于一體的紅外熱電堆傳感器18，而是設(shè)置一個(gè)紅外(X)2傳感器和一個(gè)溫度傳感器，溫度傳感器輸出的信號(hào)可以通過放大電路13、濾波電路14、解調(diào)電路15處理后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16中，即間接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16中，也可以不通過放大電路13、濾波電路14、解調(diào)電路15處理直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊16中，即直接送入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊16中。
權(quán)利要求
1.一種紅外呼氣末(X)2測(cè)量方法，其特征在于，包括如下步驟a、將待測(cè)氣體通過氣泵的作用送入單氣室；b、讓周期性紅外光源穿過單氣室，所述紅外光源采用白熾光源并且由穩(wěn)流源降額供電；c、穿過單氣室的紅外光經(jīng)紅外(X)2傳感器探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)經(jīng)放大電路、濾波電路、解調(diào)電路后得到一個(gè)與被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；氣室內(nèi)溫度由溫度傳感器探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)直接或間接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；氣室壓力由絕壓傳感器探測(cè)后得到的探測(cè)信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；d、處理器根據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集到的與濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)用多項(xiàng)式擬合法 Y = aX2+bX+c，求出待測(cè)CO2濃度值，再根據(jù)實(shí)時(shí)采集到的氣室溫度與壓力，用公式 Ccorrected (% /ppm) = Cmeasured (% /ppm) * (1013* (t (°C ) +273)) / (298K*p (hPa))進(jìn)行補(bǔ)償，其中X = V0-VijV1為被測(cè)氣體濃度對(duì)應(yīng)的直流電壓、Vci為在自然大氣狀態(tài)或純氮?dú)鉅顟B(tài)下所對(duì)應(yīng)的直流電壓，Y為所測(cè)(X)2濃度值，a、b、c為擬合系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的紅外呼氣末CO2測(cè)量方法，其特征在于單氣室內(nèi)檢測(cè)后的氣體通過節(jié)流閥由氣泵排出，并且通過表壓傳感器測(cè)得節(jié)流閥兩端的壓差并且以此為依據(jù)來調(diào)節(jié)氣體流速。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的紅外呼氣末CO2測(cè)量方法，其特征在于，所述紅外光源以調(diào)制頻率為7-lOHz周期性的發(fā)出紅外光。
4.一種紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置，其特征在于，包括一個(gè)氣路單元，包括依次連通的單氣室(1)、節(jié)流閥( 和氣泵(3)；一個(gè)光路單元，包括順序連接的光源驅(qū)動(dòng)電路(9)和紅外光源(10)，所述紅外光源為白熾光源，設(shè)置在單氣室(1) 一側(cè)；一個(gè)光路及溫度檢測(cè)單元，包括設(shè)置在單氣室(1)與紅外光源相對(duì)側(cè)的紅外CO2傳感器和溫度傳感器，紅外CO2傳感器、溫度傳感器依次連接放大電路(13)、濾波電路(14)、解調(diào)電路(1 和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(16)或者溫度傳感器直接與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(16)連接；一個(gè)壓力檢測(cè)單元，包括與單氣室(1)連通的絕壓傳感器(6)和設(shè)置在節(jié)流閥(2)兩端的表壓傳感器(7)，所述絕壓傳感器(6)和表壓傳感器(7)分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(16)連接；一個(gè)控制單元，包括處理器(17)，處理器(17)分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(16)、光源驅(qū)動(dòng)電路(9)和氣泵(3)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置，其特征在于，所述溫度傳感器和紅外(X)2傳感器采用集溫度傳感與(X)2傳感于一體的熱電堆傳感器(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的紅外呼氣末(X)2測(cè)量裝置，其特征在于，所述待測(cè)氣體在進(jìn)入單氣室(1)之前通過節(jié)流接頭(4)過濾。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外呼氣末CO2測(cè)量裝置，其特征在于，所述節(jié)流接頭(4)的過濾等級(jí)為5 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外呼氣末CO2測(cè)量裝置，其特征在于，所述單氣室(1)與節(jié)流閥( 通過四通( 連接，四通(5)的另外兩個(gè)接口一個(gè)連接絕壓傳感器(6)，一個(gè)連接表壓傳感器(7)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的紅外呼氣末CO2測(cè)量裝置，其特征在于，所述節(jié)流閥(2)和氣泵C3)通過三通( 連接，三通(8)的一個(gè)口與所述的表壓傳感器(7)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種紅外呼氣末CO2測(cè)量方法及裝置，該方法采用白熾光源對(duì)封閉在單氣室內(nèi)的氣體進(jìn)行照射，穿過單氣室的紅外光經(jīng)CO2傳感器獲得的信號(hào)經(jīng)過放大電路后，再經(jīng)濾波電路、解調(diào)電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊后送入處理器進(jìn)行處理，并根據(jù)壓力和溫度進(jìn)行補(bǔ)償從而獲得待測(cè)樣品中的CO2濃度。所述裝置包括氣路單元、光路及溫度檢測(cè)單元、壓力檢測(cè)單元和控制單元。本發(fā)明的紅外呼氣末CO2測(cè)量方法及裝置由于采用白熾光作為紅外光源、并且設(shè)置有濾波電路、解調(diào)電路、并且有溫度壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，所以有效克服了現(xiàn)有技術(shù)紅外呼氣末CO2測(cè)量過程中因光源老化、溫度漂移和放大器的電壓偏移因素所引起的測(cè)量誤差。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102393374SQ20111021012
公開日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月26日
發(fā)明者胡坤, 雷蕾, 高瑞斌 申請(qǐng)人:秦皇島市康泰醫(yī)學(xué)系統(tǒng)有限公司