一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块

本发明涉及一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块，属于氧气吸入器、制氧 机、空氧混合机与呼吸机等医疗产品中的医用气体流量计量与控制核心部件。

气体流量计量/输出控制模块是氧气吸入器、呼吸机等产品中用于控制与计量医 用气体的核心组成部件。目前国内医院普遍使用的浮标式氧气吸入器结构简单、成本低，但 普遍存在流量调节不方便（人工调节旋钮、浮标漂移不稳定）、计量误差大（供气压力变化引 起）、数据无法存储等缺憾。近几年气体的电子计量与控制技术发展很快，但由于电子流量 控制阀、流量传感器价格昂贵，仅一个医用的电子流量传感器部件的价格就高达上千元，医 院普及应用投入巨大，影响了电子类气体流量控制器的推广使用。本发明人提出了 201510291730.6技术方案，解决了这一缺憾医用气体电子流量计量与控制的生产成本高的 问题，但该技术方案并没有进一步明确阀门开度的自动监测方式以及流量补偿方案。

本发明提出一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块，主要由控制单元、步进 电机、阀座、阀芯、传动件、压力/温度传感器、霍尔传感器、永久磁体组成，其主要特征是：阀 芯的尾部设有永久磁体，永久磁体的正对面设有霍尔传感器，控制单元发出流量调节指令 后，步进电机驱动阀芯在阀座内直线位移进行气体输出流量控制；阀芯直线位移时，阀芯尾 部的永久磁体与霍尔传感器的间距不断变化，霍尔传感器监测到的霍尔电压值也随之变 化，霍尔电压值与输出流量值呈线性对应关系；输出气体流量处于0值（阀门闭合状态）时永 久磁体与霍尔传感器的间距最大、监测到的霍尔电压值最小，输出气体流量处于最大值（阀 门开度最大）时永久磁体与霍尔传感器的间距最小、监测到的霍尔电压值最大；控制单元设 有霍尔电压值与气体输出流量值线性对应关系的数据模型，实现气体流量的准确计量与控 制，数据模型中设有压力、温度、霍尔电压值的补偿系数。

所述的控制单元是以单片机为核心建立的电子控制模块，控制单元包括但不限于 单片机、存储模块、时钟芯片以及PCB电路等。

所述的步进电机与控制单元联通工作，步进电机与阀芯之间设有传动件，步进电 机能直接或间接驱动阀芯直线位移；阀芯直线位移的方式可以采用旋转式（阀芯转轴位 移）、平推式（阀芯推拉位移）等。优选的方案是采用平推式位移方式，避免阀芯旋转式位移 时加快进气通路密封位置磨损，引起阀门漏气。

所述的阀芯的外部形状不限，常用的是采用子弹式外形结构，前段部分为 阀芯的密封体，后段体部分为阀芯的固定转动轴；阀芯的尾部设有永久磁体,永久磁 体材料包括但不限于钕铁硼永磁铁，铁氧体永磁铁，钕镍钴永磁铁，橡胶永磁铁，一般可选 用直径2-3mm、高1-2mm的小圆柱体；阀芯的外周还设有密封圈，密封圈一般可以是四氟乙 烯、硅胶、乳胶等材料制成的O型圈。

所述的阀座与阀芯构建一个相对密闭的气体流量控制阀，阀座上设有进气通道与 气体输出通道；阀芯与阀座上的进气通道形成一定的节流面积，当阀芯被步进电机驱动反 向直线位移时，阀门开度越来越大，相对节流面积可以在F0～Fmax之间调节（相对节流面积 是指调节阀某一开度下的节流面积与全开时的节流面积之比，用f=F/Fmax来表示），输出气 体流量对应由大到小变化；当阀芯被步进电机驱动正向直线位移时，阀门开度越来越小，相 对节流面积可以在Fmax～F0之间调节，输出气体流量由小到大变化。

所述的霍尔传感器设置在永久磁体的正对面，而且霍尔传感器与永久磁体的设置 间距应大于阀芯直线位移的最大行程；举例说明，如果阀芯直线位移行程为3mm，那么霍尔 传感器与永久磁体保持最近0.1-0.5mm、最远3.5-4.5mm的位移间距。霍尔传感器与控制单 元联通工作，在步进电机驱动阀芯直线位移时，霍尔传感器与永久磁体的距离随之发生变 化。当阀门进行开启或调高流量操作时，步进电机驱动阀芯开始反向直线位移，霍尔传感器 与永久磁体的间距随之变小，霍尔传感器监测到的霍尔电压值则随之变大，对应的气体输 出流量也越来越大；而当阀门进行降低流量或关闭操作时，步进电机驱动阀芯开始正向直 线位移，霍尔传感器与永久磁体的间距随之变大，霍尔传感器监测到的霍尔电压值则随之 变小，对应的气体输出流量也越来越小，直至完全关闭；当阀门完全闭合、相对节流面积在 F0（即输出流量0值）时，霍尔传感器与永久磁体的间距最大，霍尔传感器监测到的霍尔电压 值最小。

根据步进电机驱动阀芯直线位移时，霍尔电压值与气体输出流量的线性对应关 系，在供气压力与温度基本稳定的前提下，可以建立霍尔电压值与气体输出流量的数据模 型，用于气体流量的计量与控制。举例说明，假设环境温度25℃、供气压力0.35MPa，气体介 质为氧气，阀芯直线位移行程为3mm，量程0-10L/min，永久磁体强度800G，霍尔传感器与永 久磁体间距最近处0.2mm、最远处3.5mm，应用G1322型高精度线性霍尔元件（工作电压5.0V、 磁特性+/-670G）,本发明人实测后形成以下数据模型，重复性0.1（%F.S)。

表1：霍尔电压值与气体输出流量的数据模型

但随着应用时间的推移，永久磁体的磁性强度会出现不同程度的衰减，根据本发明实 测样品（湖北雄楚磁业生产），800G的永久磁体12个月后强度衰减至792G，比初始测定值衰 减了8G。因此在本发明实际应用中，应充分考虑这种磁性衰减特性，并对建立的霍尔电压值 与气体输出流量的数据模型进行定期校准。具体校准方案是：控制单元中设有时钟芯片计 算本发明使用时间，并定期对流量0值对应的霍尔电压值进行测定，一旦流量0值对应的霍 尔电压值衰减时，立刻对流量0值进行自动校准，并改写霍尔电压值与气体输出流量的数据 模型。控制单元可每月对流量0值自动校准一次，但具体校准周期应根据采用的永久磁体稳 定性特征计算得出。进一步举例说明，以表1给出的霍尔电压值与气体输出流量的数据模型 为例，假设本发明实际应用三个月后，监测发现流量0值对应的霍尔电压值衰减了2mv，那么 根据霍尔电压值与气体输出流量很好的线性特征，将本发明内置的霍尔电压值与气体输出 流量的数据模型自动改写为下表2，各流量示值对应的霍尔电压值全部减去2mv，本发明自 动校准完成。

表2：自动校准后的霍尔电压值与气体输出流量的数据模型

同时，在本发明实际应用中，供气压力以及环境温度通常不均衡的。因此，阀座的气体 通道中还设有压力/温度传感器，压力/温度传感器与控制单元联通工作，用于动态监测气 体工作状态的供气压力和温度，压力/温度传感器设置与供气管路与阀座之间的任意一个 气体通路内；压力传感器、温度传感器可以分别在设置气体通路内设置，也可以采用包含温 度监测功能的压力传感器。霍尔电压值与气体输出流量的数据模型建立后，同时设有供气 压力以及环境温度的补偿系数。气体流量的压力/温度补偿研究和技术已经十分成熟，通用 的补偿计算公式是：

式中，q为被测气体在工作状态下的体积流量，P为被测气体在工作状态下的密度，T为 被测气体在工作状态下的温度，下标“n”的参数为标准状态下的值,带下标“s”的参数为设 计值。当供气压力/温度衰减或者增大时，控制单元根据内置的压力/温度补偿系数重新计 算实际输出流量，并自动修正阀门的开度，保证输出气体流量的准确性。

本发明的优点是：采用霍尔传感器测定阀芯位移状态，建立霍尔电压值与输出流 量值对应关系数据模型，并在数据模型中设置压力/温度补偿系数，达到气体流量准确计量 与输出控制二位一体的效果，这一新的技术方案比采用传统流量传感器计量、再配合电子 流量阀控制的技术方案成本更低，可以广泛应用医用气体计量与控制产品中。

图1是本发明的主体结构示意图

图2是本发明的数据模型建立时设备连接方法示意图

图中所示：控制单元（1）、步进电机（2）、阀座（3）、阀芯（4）、传动件（5）、压力/温度传感 器（6）、霍尔传感器（7）、永久磁体（8）、导线（9）、进气通道（10）、气体输出通道（11）、驱动齿 轮（12）、密封圈（13）。

下面结合附图1和实施例具体地说明本发明

实施例1：采用本发明制备的举例

材料：控制单元（1）的单片机型号MSP430F135IPMR（TI 公司）；步进电机（2）核定功率 0.3W，工作电压5.0V，转速3rpm～76rpm，转矩0.9NM；压力/温度传感器（6）采用40PC001G2A （Honeywell公司）、霍尔传感器（7）采用SS490（Honeywell公司），永久磁体（8）采用直径3mm、 高2mm圆柱磁体（湖北雄楚磁业）；

部件加工：阀座（3）采用铜质材料、阀芯（4）不锈钢材料分别用数控机床加工而成；阀芯 （4）尾部加工M4*0.5外螺纹，尾部切面的中心点加工出直径3.1mm，深度2.1mm的小孔，采用 厌氧胶水将永久磁体（8）牢固粘接在小孔内，阀芯（4）外周设置1个O型密封圈（13）；

在阀座（3）中心位置用数控机床加工出进气通道（10）、气体输出通道（11），通道直径为 3mm；进气通道（10）上设置一个压力/温度传感器（7）；采用不锈钢材料加工直径25mm的圆形 齿轮传动件（5），齿轮传动件（5）中心为M4*0.5的内螺纹，内螺纹应与阀芯（4）尾部外螺纹平 顺吻合；采用不锈钢材料加工直径5mm的步进电机（2）的驱动齿轮（12），驱动齿轮（12）应与 传动件（5）的外周齿轮平顺齿合；

步进电机（2）、压力/温度传感器（6）采用导线（9）与控制单元（1）联通，并能正常通讯工 作；霍尔传感器（7）与阀芯（4）最远距离3mm（阀门闭合）、最近距离0.2mm（阀门全开）；

按照附图1结构组装，接通气源并保持0.35±0.5MPa供气压力，进行气密性实验、步进 电机（2）与阀芯（4）传动稳定性试验，合格，安装完成。

实施例2：控制单元（1）霍尔电压值与流量值的数据模型建立：

设备包括：0MPa～0.6MPa稳压调节阀（B），精度2.5级；标准流量计（C），精度1级；纯净氧 气源，末端供气压力不低于0.35MPa；上位机，安装ProLinkII软件；环境温度：25℃±0.5℃；

连接方法：如图2所示，采用抗压≥0.4MPa的通气导管，将本发明（A）的进气通道（10）与 稳压调节阀（B）、氧气气源依次连通；将本发明（A）的气体输出通道（11）与标准流量计（C）的 进气口连通；标准流量计（C）的出气口连接一个流量调节阀（D）；采用USB数据线将本发明 （A）与上位机（E）连接通讯；

数据模型建立：打开氧气气源，采用稳压调节阀（B）将供气压力调整到0.3MPa，操作标 准流量计（C）出气口的流量调节阀（D），以标准流量计（C）的读数依次设定氧气流量，设定间 隔为1.0L/min，即1.0 L/min 、2.0L/min 、…、9.0 L/min、10.0L/min，每设定一个流量值， 采用上位机（E）在控制单元（1）中写入对应流量状态下测定的霍尔电压值,具体对应关系见 表3：

表3：流量与对应霍尔电压值

流量L/min 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 7.0 8.0 9.0 10.0

霍尔电压值mv 592 625 640 652 665 682 700 721 744 769

重复性试验：霍尔电压值与对应流量值系数设定完毕，在上位机上分别设出本发明(A) 1.0 L/min、2.0 L/min、…、9.0 L/min、10.0L/min，观察并人工记录标准流量计（C）对应的 流量值，按照公式δ=[(Q-QN)/Qmax]×100%计算流量误差，基本流量误差为最大流量示值的 ±4%。其中δ为流量基本误差、Q为数控氧气吸入器（A）示值、QN为标准流量计（C）示值、Qmax 为本发明（A）的最大流量示值；校验合格，阀门开度与对应流量值系数设定结束，不合格按 照以上步骤重新设定。

压力/温度补偿系数设定：按照[0011]给出的公式计算后写入，供气压力补偿以 0.5MPa作为一个计算进阶，温度补偿以1℃作为一个计算进阶。

上述附图及实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例 对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权 利要求范围当中，对本发明的保护范围不构成任何限制。