CN104977390B - 一种模拟真实人体呼吸装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟真实人体呼吸装置及方法；包括呼气泵、吸气泵和加热器***；吸气泵的主体为一个密封的气缸，气缸内部装有密封的活塞，活塞与齿条通过螺栓连接；气缸外侧步进电机通过齿轮与齿条配合连接；DSP控制器通过控制线连接驱动器，驱动器与电机通过驱动导线连接；气缸的另一侧有两个通气孔，两个通气孔的通气管分别通过单向阀连接气缸；呼气泵和吸气泵结构相同，只是在通气管末端部位装有加热元件，电源通过时间继电器与加热元件连接。本发明克服了使用原有的人体呼吸装置所带来的实验误差。提高了实验工况对真实工况的真实反应程度，能准确的反应人体呼吸区污染暴露水平、传播规律，为提高建筑室内空气质量发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及研究建筑室内人体污染物暴露水平以及呼吸污染物传播的重要模拟装置及方法，属于室内空气质量与污染物传播领域。
背景技术
现代人约90％的时间都是在建筑室内度过的，良好的室内环境能使人感到精力充沛，身体健康，工作效率高。但是最近三十年来，世界上不少国家室内空气质量出现了问题，很多人抱怨空气质量低劣。室内空气污染可以引发以下三种疾病：病态建筑综合症、与建筑有关的疾病、多种化学污染物过敏症。此外，低劣的室内空气质量还会引发哮喘甚至癌症。
与发达国家相比，我国室内空气质量问题更为严重且来源甚广。其由来和特点：(1)大量建筑装饰材料的使用，散发多种化学污染物，如甲醛、笨等有机挥发物；(2)室外空气污染严重，研究表明室内污染物与室外污染物存在正相关，I/O比例接近于1，甚至大于1；(3)传染病的空气传播，近年来传染性疾病频发，如2003年SARS,2009年H1NI；(4)中国目前是世界上最大的烟草生产及消费国，随之产生相应的空气污染。
为营造良好室内空气质量环境，应对各种可能的污染，进行室内环境污染物传播的实验研究是必不可少的。室内环境的主体是人，一方面人体是污染物传播的受体，另一方面人体也可能是污染源；另外由于人体散热会对室内流场以及污染传播产生影响，所以实验过程不可缺少人体。但是从安全、健康的角度来说，真实人体进行实验是不可行的，故需要开发一种能模拟真实人体呼吸功能的呼吸装置。目前国外使用的假人模型大都功能更为复杂，而且由于成本非常高，一般学术机构无力购买。
目前国内许多研究呼吸污染传播大多忽略了人体呼吸特征，如国内学者研究在病房内不同姿势以及不同呼吸方式的污染物分布时，忽略了人体呼吸的特征，以一个简单的装置代***呼吸过程[1]；另外国内学者研究飞机座舱内人员呼吸污染物传播规律也采用同样的简易装置[2]。这种装置为一个球形释放源，释放速度恒定而且非常小，均匀地向四周释放污染物。其主要缺点：1)忽略人体呼吸过程的瞬变性，同时也忽略了呼吸射流的方向性2)没有体现人体吸气的过程。目前国内基本很少采用模拟真实人体呼吸过程呼吸装置，国外学者[3]通过CFD模拟分析指出采用恒定的呼吸边界研究污染物传播时，在人体微环境内会产生比较大误差，故非常有必要研制一种能模仿人体正常呼吸过程的装置，特别是在当前空气污染严重的形势下。
参考文献：
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发明内容
本发明旨在开发一种能模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置及方法，用于研究建筑室内人体污染物暴露水平，以及人体呼吸污染物的传播等。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种能模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置；包括呼气泵、吸气泵和加热器***；吸气泵的主体为一个密封的气缸，气缸内部装有密封的活塞，活塞与齿条通过螺栓连接；气缸外侧步进电机通过齿轮与齿条配合连接；DSP控制器通过控制线连接驱动器，驱动器与电机通过驱动导线连接；气缸的另一侧有两个通气孔，两个通气孔的通气管分别通过单向阀连接气缸；呼气泵和吸气泵结构相同，只是在在通气管末端部位装有加热元件，电源通过时间继电器与加热元件连接。
采用本发明的装置模拟真实人体呼吸的方法，利用封闭气缸模拟人工肺，活塞的往复运动模拟呼吸过程。
利用DSP控制器控制步进电机转动规律，步进电机通过齿轮和齿条配合为活塞提供动力，并保证活塞运动规律为正弦函数。
气缸通气孔由单向阀控制流向，引气孔用于控制示踪气体引入，出气孔连接到鼻孔；吸气泵的引气孔连接到鼻孔，出气孔连接到气体分析仪，用于分析气体组成。
利用加热器通过时间继电器控制其工作时段，加热呼气气体，保持平均气温34℃。
通过计算机编订的程序控制呼气泵与吸气泵中的电机运动规律，同步启动，始终保持转动方向相反；通过电源同步器控制加热器与呼气泵工作时间同步。
具体说明如下：
(1)为了更加真实反应人体的呼吸行为，首先确定真实人体呼吸流动等特征，经过调研文献，美国学者测量人体呼吸过程流量与时间符合正弦变化规律；在室内环境中人体呼出气体温度在32-36℃。根据调研的情况，选择中国人体人群青年标准样本进行设计，根据选择样本确定单次呼吸过程的呼吸量(0.46L/次)，呼吸频率(15次/min)。
(2)采用密封的气缸模仿人体肺部功能。气缸内装有活塞，活塞通过外置的电机带动，按照一定的规律往复运动，模拟呼吸的两个过程；密封的气缸上安装两个通气口，两个通气孔分别与单向阀连接。两个单向阀控制两个通气孔的气流方向，分别作为进气孔和排气孔，当活塞往复运动是只有一个单向阀保持开启状态，另一个保持关闭状态。选择步进电机，通过DSP卡控制驱动器，采用细分方式对电机进行控制。
(3)两根塑料管分别与两个单向阀连接，其中一根(与排气孔相连接)连接到假人的呼吸末端，另外一个与环境相同，此套设备作为呼气泵；相同的另外一套设备，作为吸气泵，其中一根(与进气孔相连)连接到假人的呼吸末端，另一根连接到环境中。在呼气泵的排气管路中，与人体呼吸末端相临近的管段中，配备加热元件，通过时间继电器来控制工作时间调节加热量。
(4)整套设备组装完毕之后，通过体积流量计标定呼吸装置的流量与活塞行程之间的关系，通过热线风速仪标定装置的时间周期特性，首先采用速度采样频率极高的热线风速仪对装置的出口速度变化曲线进行测量，然后采用体积流量控制器获得装置的峰值流量，然后积分算得装置的流量，从而进一步获得活塞行程与流量之间的关系。
(5)根据上一步得到的关系式设定活塞行程，编定电机运动程序，满足呼吸频率以及活塞行程的要求。测量呼气泵和吸气泵的工作特性，达到满足设计工况下流量要求。
(6)根据呼吸流量、设计呼气温度以及环境空气温度，控制加热元件，然后进一步测量呼气泵输送的气体温度是否满足要求。
在装置组装以及经过标定以后，合理安排呼气泵、吸气泵以及加热器的工作时序。首先呼气泵工作完成呼气过程，同时加热器工作保证呼气温度达到真实人体的温度34℃。然后吸气泵工作，完成吸气工作，而此时加热器、呼吸泵不工作。这样循环，完成模拟真实人体呼吸过程。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
此套设备能模拟真实人体呼吸特点，能满足真实人体的呼吸频率,以及呼吸流量符合正弦规律，这样能代替原始恒定流量的方式，更加真实的反应人体呼吸过程，从而能真实的反应人体吸入空气过程，反应人体呼吸区的污染物暴露水平；另外也能更加真实的反应人体呼吸污染物传播规律。
总体上，通过本方法，克服了使用原有的人体呼吸装置所带来的实验误差。提高了实验工况对真实工况的真实反应程度，能准确的反应人体呼吸区污染暴露水平，以及人体呼吸污染物的传播规律，为解决建筑室内污染物传播问题，提高建筑室内空气质量发挥重要作用。
附图说明
图1为本发明装置的原理图；
图2出口速度测量结果；
图3出口温度测量结果；
图4发明流程图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明。如图1所示，装置由呼气泵和吸气泵组成，其中两套设备原理构造基本相同，只是在呼气泵中配有加热段，这样可以控制呼气的温度。吸气泵的主体为一个密封的气缸，气缸内部装有密封的活塞，活塞与齿条通过螺栓连接；气缸外侧步进电机通过齿轮与齿条配合连接；DSP控制器通过控制线连接驱动器，驱动器与电机通过驱动导线连接；气缸的另一侧有两个通气孔，两个通气孔的通气管分别通过单向阀连接气缸；呼气泵和吸气泵结构相同，只是在在通气管末端部位装有加热元件，电源通过时间继电器与加热元件连接。
呼气泵的功能实现
密封的气缸，内有活塞，活塞与齿条固定连接，而齿条与电机通过齿轮配合；密封气缸另一侧开有两个通气孔，通气孔均有连接单向阀，从而形成A/B两个管路，通过单向阀控制A管路为进气管路，B管路为排气管路。B管路连接到人体鼻孔，起到呼气的作用，同时在靠近鼻孔的部分装有加热元件。
1.电机的运作方式。电机选用步进电机，配有原装的驱动器，选择DSP开发板控制驱动器，进而控制电机运动。电机正转时间与反转时间相等，与设计呼气时间也是相等。活塞在电机的带动下保持正弦曲线运动。
2.单向阀对通气孔的作用。当电机正转时，活塞跟随向外运动，管路A中的单向阀开启，管路B中的单向阀闭合，此时气缸通过管路A进气；当电机反转时，活塞跟随向内运动，管路B中的单向阀开启，管路A中的单向阀闭合，此时气缸通过管路B排气。
3.呼气出口的温度。根据设定的呼吸温度，选择功率可调微型加热器。采用高频热电偶(20Hz)采集加热功率与出口温度的关系P＝k(t-ta)。如图3展示了出口温度在一个周期内变化，在呼气过程出口平均温度能达到34℃。
吸气泵的功能实现
密封的气缸，内有活塞，活塞与齿条固定连接，而齿条与电机通过齿轮配合；密封气缸另一侧开有两个通气孔，通气孔均有连接单向阀，从而形成C/D两个管路，通过单向阀控制C管路为进气管路，D管路为排气管路。C管路连接到人体鼻孔，起到吸气的作用。
1.电机的运作方式。电机选用步进电机，配有原装的驱动器，选择DSP开发板控制驱动器，进而控制电机运动。电机正转时间与反转时间相等，与设计吸气时间也是相等。活塞在电机的带动下保持正弦曲线运动。
2.单向阀对通气孔的作用。当电机正转时，活塞跟随向里运动，管路D中的单向阀开启，管路C中的单向阀闭合，此时气缸通过管路D出气；当电机反转时，活塞跟随向外运动，管路C中的单向阀开启，管路D中的单向阀闭合，此时气缸通过管路C吸气。
装置流量与周期的标定。
因为装置出口的流量随时间是瞬变的关系，故不能通过恒定的流量计对其进行流量标定，本文采用速度和最大流量的标定进行装置的标定。首先采用速度采样频率极高的热线风速仪(采样频率最大可达100kHz)对装置的出口速度变化曲线进行测量，如图2所示，出口速度拟合函数为正弦函数(y＝3.97sin(1.57t)),方差为0.97，拟合度非常高。然后采用体积流量控制器获得装置的峰值流量，然后积分算得装置的流量，从而进一步获得活塞行程与流量之间的关系Q＝πdL(d为直径，L为活塞行程)。
这样完成了整个呼气泵和吸气泵部分的设计。管路B和C模拟人体呼吸过程。其中管路A/D也有其存在作用。管路A可以作为示踪气体的引入口；管路D可以作为吸入空气的检测。
为了实现真实人体呼吸模拟，下面阐述怎样实现装置的功能，首先确定真实人体的呼吸量、呼吸频率。本文以中国成年人平均水平为标准，选择为单次呼吸过程的呼吸量(0.46L/次)，呼吸频率(15次/min),设定呼气温度34℃。图4展示了装置的控制图。根据呼气频率可以确定呼吸周期，呼吸量得到活塞行程，通过电脑CCStudio v3.3软件进行编程，通过DSP控制器控制电机的运动规律，输出转动规律为120sin(1.57t)r/min,正转2s,反转2s，呼气泵和吸气泵电机转动方向保持相反.同时设定时间继电器周期为2s，控制呼气过程电源开启，吸气过程电源关闭，加热器工作设定加热器功率为5W。通过电源同步开关控制呼吸泵、吸气泵、时间继电器同步开启。这样呼气泵完成呼气过程，加热同时开启，加热呼出气体。呼气结束后，时间继电器关闭，加热器停止加热，吸气泵开始吸气，完成吸气过程。这样完成一个呼吸过程。然后重复该过程。在这个过程中呼气泵A从示踪气体源引气，吸气泵的D输送到气体分析仪可以用于污染物检测等。
本发明公开和提出的一种模拟真实人体呼吸装置及方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变结构路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (5)
1.一种能模拟真实人体呼吸过程的呼吸装置；其特征是包括呼气泵、吸气泵和加热器；吸气泵的主体为一个密封的气缸，气缸内部装有密封的活塞，活塞与齿条通过螺栓连接；气缸外侧步进电机通过齿轮与齿条配合连接；DSP控制器通过控制线连接驱动器，驱动器与电机通过驱动导线连接；气缸的另一侧有两个通气孔，两个通气孔的通气管分别通过单向阀连接气缸；呼气泵和吸气泵结构相同，只是在呼气泵通气管末端部位装有加热器，电源通过时间继电器与加热器连接。
2.采用权利要求1的装置模拟真实人体呼吸的方法，其特征是封闭气缸模拟人工肺，活塞的往复运动模拟呼吸过程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是DSP控制器控制步进电机转动规律，步进电机通过齿轮和齿条配合为活塞提供动力，并保证活塞运动规律为正弦函数。
4.如权利要求2所述的方法，其特征是加热器通过时间继电器控制其工作时段，加热呼气气体，保持平均气温34℃。
5.如权利要求2所述的方法，通过计算机编订的程序控制呼气泵与吸气泵中的电机运动规律，同步启动，始终保持转动方向相反；通过电源同步器控制加热器与呼气泵工作时间同步。
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