呼吸机气路自动标定系统设计

    1 引 言

    呼吸机用于取代或帮助病人完成呼吸以维持生命。呼吸机整个气路如图 1 所示。其中, 进气大小和空气氧气比例都需要对空气氧气流量进行测量, 并对两个比例阀控制而得到。因此, 流量传感器的测量和两个比例阀的控制精确度直接影响着呼吸机的工作性能。为此, 呼吸机出厂前需要对流量传感器和比例阀进行标定。通常情况下, 将标定的控制和数据采集工作与数据处理分开进行, 利用MCU 输出用于标定的信号并采集流量传感器和比例阀数据, 再输入到计算机进行处理, 得到结果。这种方法在改变测量参数时, 需要改变 MCU 程序, 同时需要扩展 A/D 和 D/A, 周期长, 工作量大。往往需要一个星期才能完成标定工作。另外, 恶劣标定的环境可能导致 MCU 复位造成之前的测量无效或不完全。为此, 利用 LabVIEW 设计出了一种快速而有效的自动标定方法, 将标定时间缩短在 3h 之内。

    2 标定系统的构建

    通常呼吸机进气压力稳定在某一气压下, 也就是说气源经过减压阀后, 产生一个稳定气压。这样比例阀工作的气压是稳定的, 因此只需对这一气压下比例阀的特性进行测量标定。利用减压阀将气源输出的气体压力稳定于工作气压 0.15MPa 下, 气体流过比例阀进入标准流速计, 再进入流量传感器, 最后进入大气。利用采集卡控制比例阀的开度, 同时采集流速计和流量传感器的输出, 传给 PC 机后进行处理得到标定结果。图2是整个系统的硬件框图。

    标定系统各部分分别为: ①气源选用的是全无油空气机 HWR- 130 和氧气瓶。HWR- 130 能提供0.4 MPa~0.7 MPa 气压的气流; ②减压阀选用, 在系统安装前需要先标定好减压阀, 保证减压阀输出的气压在 0.15MPa; ③系统标准气压计选用 DPG2400。DPG2400 是高精度的单量程压力测量设备, 精度为0.03%, 温度补偿范围为 15℃~45℃。它采用了模块式的设计以及最简单的菜单设计, 带有标准的RS232 串口, 允许用户通过该串口对设备进行远程控制, 带有零点和峰值显示功能。在所有低于 100ps(i 689.5 kPa) 量程的设备中把内部安全阀作为标准配置; ④标准流量计采用 Alicat Scientific^TM质量流量计。其工作原理是: 让一个创造出来的层流流过一个修正过的区域, 然后精确测出该区域两端的差压来确定流量。它由一个比例控制器配合一个层流流量计使用, 采用层流流量计测量并用内置的 PID控制软件控制阀门的位置来确定用户所需的设定点, 该控制器同时具有提供现场气体压力和温度信息的功能。具有精密度高, 反应速度快, 操作简便的特点。其具体参数如表 1 所示; ⑤采集卡是 NI6221,它有16位的两路D/A输出和16路A/I)输入，采样率可达到 250kHz; ⑥PC 机通过 LabVIEW 编制的虚拟仪器对系统进行控制和数据处理, 得出标定结论。