超声波气体传感器及气体流量测量方法、便携式制氧机及单次给氧体积测量控制方法与流程

本发明涉及制氧，具体涉及超声波气体传感器及气体流量测量方法、便携式制氧机及单次给氧体积测量控制方法。

背景技术：

1、当前，随着吸氧病人对移动便利性的要求，便携式制氧机在制氧机中占比逐步提高。便携式制氧机受体积的限制，制氧能力虽然无法与传统制氧机相提并论，但是其便利、节能、高效是传统连续供氧机无法比拟的。

2、目前，市面上的便携式制氧机大致有二种给氧方式：

3、第一种给氧方式为按照固定脉冲宽度进行给氧，这种给氧方式存在的缺点是：（1）当吸氧者的呼吸频率较低时，吸氧量必然会相对要少，从而导致吸氧的有效性不够；（2）当吸氧者的呼吸频率较高时，这样虽然吸氧者的吸氧量是够了，但是却造成了氧气的浪费；（3）当制氧机的制氧能力不足时，氧气流量的增大会导致所给氧气的浓度降低，吸氧者吸入氧气浓度低的氧气后也会影响吸氧的有效性；

4、第二种给氧方式为按照结合呼吸频率的动态脉冲宽度进行给氧，这种给氧方式存在的缺点是：制氧系统压力波动较大，导致给氧量忽大忽小，从而导致吸氧的有效性下降，并且吸氧的舒适性变差。

5、超声波气体传感器是便携式制氧机的重要组成部分，便携式制氧机需要通过超声波气体传感器来精确控制氧气的流量和浓度，以确保用户的安全和舒适。超声波氧气流量检测技术是一种常用的技术，它通过超声波换能器发射和接收超声波，测量超声波在氧气中的传播时间，从而计算出氧气的流量。然而，由于管道带压或者高原气压偏低等因素，可能会导致浓度、流量的偏差。现有技术通常只能针对一种情况。例如，针对高原环境引起的数值偏差，通过增加一个大气压传感器，用于检测大气压的变化，然后根据大气压的变化，调整氧气的流量和浓度，但是无法针对管道带压引起的数值偏差。而对于管道带压引起的数值偏差，通过增加一个表压传感器，用于检测管道内的压力，然后根据管道内的压力，调整氧气的流量和浓度，但是无法针对高原环境引起的数值偏差。因此，如何在低成本的情况下，有效地准确测量浓度及流量是当前超声波氧气浓度流量检测技术领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的是提供一种能精确测量气体流量、浓度和脉冲气流体积的超声波气体传感器。

2、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：超声波气体传感器，包括：用以容纳待测气体的两端封闭的空心管，分别安装在空心管两端的用以实时检测待测气体浓度及流量的超声波换能器，空心管的进气口及出气口分别设置在空心管两端的侧壁上，还包括微处理器及压力传感器，所述压力传感器用以实时检测空心管内待测气体的气体压力，所述压力传感器的数量为二个，二个压力传感器均采用大气压传感器，二个压力传感器分别定义为管内压力传感器与管外压力传感器，管内压力传感器安装在空心管内部，管外压力传感器安装在空心管外部，所述微处理器同时与超声波换能器、管内压力传感器及管外压力传感器信号连接。

3、本发明的第二个目的是提供一种能精确测量气体流量的气体流量测量方法。

4、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种气体流量测量方法，包括以下步骤：

5、s1：超声波气体传感器的微处理器通过超声波换能器实时检测空心管内待测气体的浓度及流量；

6、s2：超声波气体传感器的微处理器通过压力传感器实时检测空心管内待测气体的气体压力；其中，待侧气体的气体压力=管内压力传感器检测数值-管外压力传感器检测数值；

7、s3:微处理器根据s2得到的待测气体的气体压力，通过流量补偿公式对s1得到的气体流量进行压损补偿，得到精确的气体流量，具体流量补偿公式如下：

8、q后= q前/(-0.0000001328×p3+0.0000533338×p2-0.0090283620×p+0.9967083064)；

9、其中，q前为s1得到的气体流量，单位为l/min ；p为s2得到的待测气体的气体压力，单位为kpa；q后为经过压损补偿后得到的气体流量，单位为l/min。

10、进一步地，前述的一种精确测量气体流量的方法，其中：在s3中，微处理器根据s2得到的待测气体的气体压力、以及管外压力传感器检测得到的外界大气压力，通过管道带压和高原补偿公式对气体浓度进行管道带压和高原补偿，得到精确的气体浓度，管道带压和高原补偿公式具体为：

11、c2=c1- (-0.0000002141×atm3+0.0000595020×atm2-0.0057108166×atm+0.1902758079 )；

12、c3=c2+ (-0.0000013480×p2+0.0003355588×p+0.0006053922)；

13、其中，c3为补偿后得到的气体浓度，c1为微处理器通过超声波换能器测得的气体浓度，atm为管外压力传感器检测得到的外界大气压力，p为待测气体的气体压力。

14、本发明的第三个目的是提供一种能精确测量控制单次给氧体积的的便携式制氧机。

15、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种便携式制氧机，包括超声波气体传感器，该超声波气体传感器的微处理器同时与便携式制氧机的控制器及给氧电磁阀信号连接。

16、本发明的第四个目的是提供一种能精确测量控制便携式制氧机单次给氧体积的气体流量测量方法。

17、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种精确测量控制便携式制氧机单次给氧体积的方法，包括以下步骤：

18、s1：制氧机控制器发送给氧指令到超声波气体传感器的微处理器；

19、s2：超声波气体传感器的微处理器接收到给氧指令后控制打开便携式制氧机的给氧电磁阀；

20、s3：给氧电磁阀打开后，超声波气体传感器以10ms为检测周期，在制氧机的单次最大供气时长内每10ms实时计量一次当前给氧流量，当前给氧流量的具体计算步骤为：

21、（3.1）：超声波气体传感器的微处理器通过超声波换能器实时检测待测气体的浓度及流量；

22、（3.2）：超声波气体传感器的微处理器通过压力传感器实时检测空心管内待测气体的气体压力；其中，待侧气体的气体压力=管内压力传感器检测数值-管外压力传感器检测数值；

23、（3.3）：微处理器根据步骤（3.2）得到的待测气体的气体压力，通过流量补偿公式对步骤（3.1）得到的气体流量进行压损补偿，得到当前给氧流量，具体流量补偿公式如下：

24、q后= q前/(-0.0000001328×p3+0.0000533338×p2-0.0090283620×p+0.9967083064)；

25、其中，q前为步骤（3.1）得到的气体流量，单位为l/min，p为步骤（3.2）得到的待测气体的气体压力，单位为kpa,q后为经过压损补偿后得到的当前给氧流量，单位为l/min；

26、s4：计算当前给氧体积；

27、微处理器在每完成一次检测周期的当前给氧流量计量后，就将该次检测周期测得的当前给氧流量与之前的所有检测周期测得的当前给氧流量进行累加得到q总，再通过当前给氧体积计算公式得到当前给氧体积；再实时将当前给氧体积与便携式制氧机预先设定的单次给氧体积进行对比判断，当微处理器判断得到当前给氧体积达到便携式制氧机预先设定的单次给氧体积时，微处理器会控制关闭便携式制氧机的给氧电磁阀，从而实现高精度给氧；

28、所述当前给氧体积计算公式为：v=q总×t；其中，v为当前给氧体积，q总为每次检测周期测得的当前给氧流量与之前的所有检测周期测得的当前给氧流量的总和，t为检测周期。

29、进一步地，前述的一种精确测量控制便携式制氧机单次给氧体积的方法，其中：在s3中，超声波气体传感器在计量当前给氧流量的同时，还通过管道带压和高原补偿公式对气体浓度进行管道带压和高原补偿，得到精确的当前气体浓度，并将所测得的当前气体浓度发送给便携式制氧机的控制器，当控制器判断得到当前气体浓度小于预先设定的气体浓度时，便携式制氧机的控制器会发出警报，所述管道带压和高原补偿公式具体为：

30、c2=c1- (-0.0000002141×atm3+0.0000595020×atm2-0.0057108166×atm+0.1902758079 )；

31、c3=c2+ (-0.0000013480×p2+0.0003355588×p+0.0006053922)；

32、其中，c3为补偿后得到的气体浓度，c1为微处理器通过超声波换能器测得的气体浓度，atm为管外压力传感器检测得到的外界大气压力，p为待测气体的气体压力。

33、通过上述技术方案的实施，本发明的有益效果是：（1）本发明通过对流量进行压损补偿，并对浓度进行管道带压和高原补偿，并将检测周期缩至10ms，从而能精确监控氧浓度，并能按照设定的标准体积均匀精确给氧，按照体积精确给氧，有效避免随着机器运行环境的变化导致的给氧量忽大忽小情况的发生，提高了使用稳定性，保证吸氧的有效性及吸氧的舒适性；（2）本发明不仅针对高原环境，还考虑到了管道带压的情况，通过使用两个大气压传感器，一个装在管道内部，用于检测管道内的压力变化，另一个贴在pcb表面，用于检测环境的大气压变化，通过这两个传感器，可以实时获取管道压力和大气压的变化情况，从而对由于管道带压或者高原气压偏低导致的浓度流量偏差进行有效补偿，从而可以全面地解决因管道带压或者高原气压偏低导致的浓度流量偏差问题，使得超声波氧气传感器在各种环境下都能保持准确的氧气浓度和流量，提高了设备的适用范围；（3）本发明通过使用内外压差传感器的差值来补偿管道压力带来的浓度流量偏差，通过计算管道内部和外部的压力差，可以更准确地补偿由于管道带压导致的浓度流量偏差，不需要额外管路接表压传感器测管道压力；同时，表面的压力传感器可以直接用来补偿大气压导致的浓度流量偏差，从而提高了传感器的通用性，降低了安装和维护成本，减少了设备的制造和使用成本；使得便携式制氧机在各种环境下都能保持稳定准确的氧气浓度和流量，提高了制氧机的使用效果和安全性。

技术特征：

1.超声波气体传感器，包括：用以容纳待测气体的两端封闭的空心管，分别安装在空心管两端的用以实时检测待测气体浓度及流量的超声波换能器，空心管的进气口及出气口分别设置在空心管两端的侧壁上，其特征在于：还包括微处理器及压力传感器，所述压力传感器用以实时检测空心管内待测气体的气体压力，所述压力传感器的数量为二个，二个压力传感器均采用大气压传感器，二个压力传感器分别定义为管内压力传感器与管外压力传感器，管内压力传感器安装在空心管内部，管外压力传感器安装在空心管外部，所述微处理器同时与超声波换能器、管内压力传感器及管外压力传感器信号连接。

2.一种气体流量测量方法，采用了如权利要求1所述的超声波气体传感器，其特征在于：包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种精确测量气体流量的方法，其特征在于：在s3中，微处理器根据s2得到的待测气体的气体压力、以及管外压力传感器检测得到的外界大气压力，通过管道带压和高原补偿公式对气体浓度进行管道带压和高原补偿，得到精确的气体浓度，管道带压和高原补偿公式具体为：

4.一种便携式制氧机，其特征在于：采用了如权利要求1所述的一种超声波气体传感器，该超声波气体传感器的微处理器同时与便携式制氧机的控制器及给氧电磁阀信号连接。

5.一种精确测量控制便携式制氧机单次给氧体积的方法，采用如权利要求4所述的便携式制氧机，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种精确测量控制便携式制氧机单次给氧体积的方法，其特征在于：在s3中，超声波气体传感器在计量当前给氧流量的同时，还通过管道带压和高原补偿公式对气体浓度进行管道带压和高原补偿，得到精确的当前气体浓度，并将所测得的当前气体浓度发送给便携式制氧机的控制器，当控制器判断得到当前气体浓度小于预先设定的气体浓度时，便携式制氧机的控制器会发出警报，所述管道带压和高原补偿公式具体为：

技术总结
本发明公开了超声波气体传感器，包括：用以容纳待测气体的两端封闭的空心管，分别安装在空心管两端的用以实时检测待测气体浓度及流量的超声波换能器，空心管的进气口及出气口分别设置在空心管两端的侧壁上，还包括微处理器及压力传感器，所述压力传感器用以实时检测空心管内待测气体的气体压力，所述压力传感器的数量为二个，二个压力传感器均采用大气压传感器，二个压力传感器分别定义为管内压力传感器与管外压力传感器，管内压力传感器安装在空心管内部，管外压力传感器安装在空心管外部，所述微处理器同时与超声波换能器、管内压力传感器及管外压力传感器信号连接。本发明具有能准确测量浓度及流量的优点。

技术研发人员：安江涛,吕合奇,潘虎城
受保护的技术使用者：深圳市润普科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23