一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统

1.本发明涉及低氧控制系统技术领域，特别是涉及一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统。


背景技术：

2.青藏高原的平均海拔4000米以上，由于地势高而导致的空气稀薄、含氧量不足，外来援藏人员容易出现高原反应，严重妨碍了援藏人员的日常工作。
3.低氧系统是用于模拟以低氧为特征的高原环境，通过刺激受训者肾脏释放促红细胞生成素，增加血红蛋白浓度和载氧能力，从而提高人体组织对氧气的利用率和耐乳酸能力。在平原地区使用低氧系统来模拟低氧环境进行训练，可有效地提升人体对于低氧环境的耐受程度，低氧刺激不但可以作为一种高效的锻炼方法，而且低氧对高血压、哮喘、冠心病、肺病等常见疾病有一定的疗效。
4.目前的人造低氧环境的训练评价系统基本为开环，缺乏完备的生理检测装置作为辅助反馈，不仅无法全面揭示训练人员心肺系统的实时状态，更难以建立统一标准的训练体系，难以分辨训练人员是否满足了高原作业的要求。另一方面，当前的控制系统体积较大，不易便携，控制过程繁琐且精准度低，不具备环境普适性，在实际应用中受限。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，本系统使用增量式pid控制，采用气体流量作为控制量，调节低氧气路和空气气路的流量比例，实现对输出气体氧含量的控制。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，包括环境监测单元、气体发生单元、低氧气路单元、电磁阀、数字一体化计算与控制单元、呼吸面罩和生理检测单元，气体发生单元通过第一减压阀与所述低氧气路单元和所述电磁阀连通，所述低氧气路单元通过所述电磁阀与第二减压阀连通，所述第二减压阀与所述呼吸面罩连通，所述生理检测单元的血压传感器和血氧传感器均与所述数字一体化计算与控制单元连接，所述低氧气路单元与所述电磁阀之间设有第一流量传感器，所述第二减压阀和所述呼吸面罩之间设有第二流量传感器；
7.所述环境监测单元位于所述气体发生单元之前，所述环境监测单元的第一氧气浓度传感器和湿度传感器均与所述数字一体化计算与控制单元连接。
8.优选的，所述气体发生单元的空气压缩机与气体过滤装置连通，所述气体过滤装置与所述第一减压阀连通。
9.优选的，所述气体过滤装置和所述第一减压阀之间设有第二氧气传感器，所述第一减压阀与所述电磁阀的第一阀门连通。
10.优选的，所述低氧气路单元的制氮分子筛和流量调节阀之间设有第一压力传感器，所述制氮分子筛分别与所述第一减压阀和所述流量调节阀连通，所述流量调节阀通过
所述第一流量传感器与所述电磁阀的第二阀门连通。
11.优选的，所述第二减压阀和所述呼吸面罩之间设有第三氧气浓度传感器和第二压力传感器。
12.优选的，所述气体发生单元、所述低氧气路单元、所述电磁阀和所述呼吸面罩之间由软管连通，所述软管内部设有螺旋阻尼结构。
13.优选的，所述主动测试系统的箱体顶部和侧壁均设有散热孔，所述箱体上部设有与顶部所述散热孔连通的散热扇，所述箱体底部的所述空气压缩机周围设有减震海绵。
14.优选的，所述数字一体化计算和控制单元对各个传感器的信号进行收集和分析，最终通过控制所述电磁阀开合周期来控制所述呼吸面罩的氧气浓度；
15.所述数字一体化计算和控制单元关于低氧气路与空气气路配比的具体算法为，
[0016][0017]
其中，
[0018]
a：低氧气路输出的氧气浓度
[0019]
k：空气的氧气浓度
[0020]
x：一个周期内低氧气路开通时间
[0021]
z％：氧气浓度；
[0022]
根据增量式pid公式对氧气浓度进行控制，具体为，
[0023]
pid＝uk k
p
*[e(k)-e(k-1)] ki*e(k) kd*[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]
[0024]
其中，
[0025]
pid：下一时刻控制量
[0026]
uk：当前时刻控制量(pid)
[0027]kp
：当前比例控制系数
[0028]ki
：当前积分控制系数
[0029]
kd：当前微分控制系数
[0030]
e(k)：当前误差
[0031]
e(k-1)：前一时刻误差
[0032]
e(k-2)：前两时刻误差。
[0033]
优选的，一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，空气路径为：外部空气进入所述气体发生单元后进入所述第一减压阀，而后外部空气分为两部分，一部分直接进入所述电磁阀，另一部分通过所述低氧气路单元后进入所述电磁阀，所述电磁阀将两部分气体混合输送至所述第二减压阀，最终由第二减压阀输送至呼吸面罩处。
[0034]
因此，本发明采用上述结构的一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，其有益效果为：
[0035]
(1)本系统使用增量式pid控制，采用气体流量作为控制量，调节低氧气路和空气气路的流量比例，实现对输出气体氧含量的控制，并可以实现输出气体的氧气浓度对任意波形信号进行跟踪，对输出气体的氧气浓度无级控制，工作效率高；
[0036]
(2)本系统的环境自适应功能强，可在任意地域、任意季节长时间使用；
[0037]
(3)本系统与便携式生理监测装备配套使用，可以实时显示并记录被测人员的心
率和血氧等生理信号，更好地反映了被测人员的生理状态；
[0038]
(4)本系统整体气路安全无污染，整体重量控制在15千克内，未设置储气罐，实现了主动测试系统的小型化、便携化。
[0039]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0040]
图1是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统原理图；
[0041][0042]
图2是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统侧视图；
[0043]
图3是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统箱体外部示意图。
[0044]
附图标记
[0045]
1、电磁阀；2、呼吸面罩；3、空气压缩机；4、气体过滤装置；5、制氮分子筛；6、流量调节阀；7、数字一体化与计算控制单元；8、软管；9、散热风扇；10、箱体。
具体实施方式
[0046]
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
[0047]
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0048]
图1是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统原理图，图2是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统侧视图，图3是本发明一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统箱体外部示意图，如图所示，一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，包括环境监测单元、气体发生单元、低氧气路单元、电磁阀1、数字一体化计算与控制单元7、呼吸面罩2和生理检测单元。气体发生单元通过第一减压阀与低氧气路单元和电磁阀1连通，低氧气路单元通过电磁阀1与第二减压阀连通，第二减压阀与呼吸面罩2连通。生理检测单元的血压传感器和血氧传感器均与数字一体化计算与控制单元7 连接，低氧气路单元与电磁阀之间设有第一流量传感器，第二减压阀和呼吸面罩2之间设有第二流量传感器。生理检测单元检测当前氧气浓度下，使用者佩戴呼吸面罩后自身心率和血氧等生理信号。
[0049]
环境监测单元位于气体发生单元之前，环境监测单元的第一氧气浓度传感器和湿度传感器均与数字一体化计算与控制单元7连接。环境监测单元的设置，对当前环境中氧气浓度和湿度进行监测，实现该主动测试系统在任意地域和季节的长时间使用。
[0050]
气体发生单元的空气压缩机3与气体过滤装置4连通，气体过滤装置4 与第一减压阀连通。气体发生单元在输送空气的同时，分离空气中的油和水，保证进入后续软管8的空气清洁，同时，不污染后续软管8内部管道。
[0051]
气体过滤装置4和第一减压阀之间设有第二氧气传感器，第一减压阀与电磁阀1的第一阀门连通。第二氧气传感器的设置，可测得进入第一阀门的空气中氧气浓度。
[0052]
低氧气路单元的制氮分子筛5和流量调节阀6之间设有第一压力传感器，制氮分子筛5与第一减压阀连通，流量调节阀6通过第一流量传感器与电磁阀1的第二阀门连通。制氮分子筛5采用hepa技术对空气进行处理，过滤其中的大分子氧气以制造低氧气体。低氧气体进入第二阀门，通过控制电磁阀1第一阀门和第二阀门的开合周期来实现对输出气体氧气浓度的控制。
[0053]
第二减压阀和呼吸面罩2之间设有第三氧气浓度传感器和第二压力传感器，保证对呼吸面罩2处的氧气浓度实时可测。呼吸面罩2在箱体10外部与第二减压阀连通。
[0054]
气体发生单元、低氧气路单元、电磁阀1和呼吸面罩2之间由软管8连通，软管8内部设有螺旋阻尼结构。
[0055]
气体阻力等于直管道阻力和局部阻力之和为，
[0056]
∑hf＝h
fz
h
hj
为了避免气路管道中气体形成涡流，气路管道尽量避免横截面突变，因此局部阻力可以忽略不计，直管段阻力计算公式为，
[0057][0058]
其中，
[0059]
λ：摩擦阻尼系数
[0060]
l：管长度，单位为m
[0061]
d：管内径，单位为m
[0062]
u：流体在管内的流速，单位为m/s；
[0063]
可知，需在流速和内径不变的情况下应尽可能延长直管的长度来增强其阻力，故选用螺旋阻尼结构来延长软管内部气路。主动测试系统的气体来源为空气压缩机3的单进气道，在不设置储气罐的情况下，保证空气和低氧气体的充分混合及冷却。
[0064]
主动测试系统的箱体10顶部和侧壁均设有散热孔，箱体10上部设有与顶部散热孔连通的散热扇9，箱体10底部的空气压缩机3周围设有减震海绵。箱体10的设置，使得主动测试系统具有便携性。散热风扇9和散热孔的设置，对箱体10内部及软管8进行散热处理。
[0065]
数字一体化计算和控制单元7对各个传感器的信号进行收集和分析，最终控制电磁阀1开合周期来控制呼吸面罩2中的氧气浓度；
[0066]
数字一体化计算和控制单元7关于低氧气路与空气配比的具体算法为，
[0067][0068]
其中，
[0069]
a：低氧气路输出的氧气浓度
[0070]
k：空气的氧气浓度
[0071]
x：一个周期内低氧气路开通时间
[0072]
z％：氧气浓度。
[0073]
根据增量式pid公式对氧气浓度进行控制，具体为，
[0074]
pid＝uk k
p
*[e(k)-e(k-1)] ki*e(k) kd*[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]
[0075]
其中，
[0076]
pid：下一时刻控制量
[0077]
uk：当前时刻控制量(pid)
[0078]kp
：当前比例控制系数
[0079]ki
：当前积分控制系数
[0080]
kd：当前微分控制系数
[0081]
e(k)：当前误差
[0082]
e(k-1)：前一时刻误差
[0083]
e(k-2)：前两时刻误差。
[0084]
一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，空气路径为：外部空气进入气体发生单元后进入第一减压阀，而后外部空气分为两部分，一部分直接进入电磁阀1，另一部分通过低氧气路单元后进入电磁阀1，电磁阀1将两部分气体混合后输送至第二减压阀，最终由第二减压阀输送至呼吸面罩2处。
[0085]
实施例1
[0086]
s1：收集各个海拔高度对应的氧气浓度值，如表1所示；表1为各海拔高度对应氧气浓度参数表：
[0087]
s2：通过查阅资料可知人体每小时需要的氧气为21l，在6公斤压力、管道内径8mm(忽略管内压力损失)的情况下，根据公式
[0088][0089]
计算得到比阻s，其中d为管道直径，n为管道内壁粗糙程度。
[0090]
再根据公式
[0091][0092]
即可求出管流量q，其中p为气体压强(6公斤压力对应0.6mpa)，ρ为气体密度，s为比阻，l为管长。
[0093]
经反复验证，本系统呼吸面罩输出的气源能稳定提供足够的氧气来供人体训练和测试。
[0094]
s3：输入预设的输出气体氧气浓度波形函数。
[0095]
s4：由于下位机各传感器收集到的信号是离散的，上位机将离散信号连续化，调节控制周期为500毫秒，使其满足香农采样定理；
[0096]
上位机选择事件触发模式，上位机等待下位机的数据信息，接收数据并计算出自电磁阀需控制的空气气路和低氧气路的占空比。
[0097]
s5：计算后上位机将动作指令输入电磁阀，改变电磁阀的占空比，实现输出气体氧气浓度对输入波形的跟踪变化。
[0098]
因此，本发明采用上述结构的一种低氧耐受能力动态性能主动测试系统，本系统使用增量式pid控制，采用气体流量作为控制量，调节低氧气路和空气气路的流量比例，实现对输出气体氧含量的控制。
[0099]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。