專利名稱：人體呼吸性能參數檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于暖通制冷空調、室內空氣品質和空氣潔凈技術領域，涉及一種人體呼吸性能參數檢測方法和檢測系統。
背景技術：
隨著建筑可持續發展理念的不斷深入，建筑節能和保障室內人員健康已經成為空調領域需要共同面對的兩大課題。目前在我國建筑能耗中空調能耗占重要部分，而新風能耗又是重中之重。目前我國暖通空調設計人員在確定新風量時往往參考了國外標準，缺乏對國情和中國人特點的深入研究。為了安全起見，往往選擇了較高的新風量，使得建筑能耗隨著空調應用領域的不斷擴大變得越來越大。此外在極端情況，設計人員為了節能，在缺乏對新風量必要性了解的基礎上，不設置新風系統，造成室內污染物濃度不斷積聚，危害人體健康。為此在保障空調系統熱濕處理性能的前提下，有必要對中國人體呼吸性能參數進行試驗和統計分析，獲得基本的數據，為設計師確定合理的新風量和新風品質、優化空調系統中新回風比例提供基礎。已有的人體呼吸性能參數檢測相關專利有
第二炮兵裝備研究院第六研究所的高纓、溫毅春、陸曉鵬、韓俊杰、熊建平、秦霞、耿葵和計偉申請的“空氣呼吸器性能檢測儀”(申請專利號CN201120045960. 1 ；公開公告號 CN202013269U ；法律狀態授權)中，主要考慮了消防等救災領域中用的空氣呼吸器(壓力容器)進行檢測，著重研究壓力傳感器、檢測平臺和檢測數據處理裝置的連接方式。MAP醫藥-技術有限責任公司的伯恩德 蘭；斯蒂芬 謝茨爾申請的“呼吸檢測裝置”(申請專利號CN201110070673. 0 ；公開公告號CN102172329A ；法律狀態實質審查的生效)中，目的是檢測或產生表明人體呼吸和人體呼吸肌的活動信號的檢測裝置，通過以無電的方式檢測或測量作用在帶裝置上的力，基于該檢測或測量，得到有關軀干變寬或變窄的結論。重慶大學的串禾和張振國申請的“一種實時監測呼吸狀態的簡易裝置”(申請專利號CN201020610401. 6 ；公開公告號CN201948995U ；法律狀態授權)中，通過在距人體鼻孔0. 8 1. 2cm處設置溫度傳感器，由數據采集系統和顯示器連續顯示的人體呼出吸入氣體的溫度-時間變化曲線來監測受試人員的呼吸狀態。中國人民解放軍總參謀部工程兵科研三所的蔡慶華、翟金明、何翔、文高原、李英軍、潘水艷、胡瑞和王世合申請的“呼吸檢測控制裝置”(申請專利號CN201020227657. 9 ；公開公告號CN201710837U ；法律狀態授權)中，利用光電感應器通過控制傳感電路控制電機轉動或停止，解決了現有防塵呼吸面罩呼吸不適的問題，提高了呼吸面罩使用的舒適性和安全可靠性。晁彩霞申請的“一種便攜式體溫、脈搏、呼吸測量儀”(申請專利號 CN200920240411. 2 ；公開公告號CN201537086U ；法律狀態授權)中，利用微型控制處理器、微型電源、控制按鈕以及體溫功能鍵、脈搏功能鍵和呼吸功能鍵，實現體溫、脈搏、呼吸的測量。可以減輕護理人員的工作量并提高護理人員的工作效率和工作質量，是醫療單位特別是護理部門的一種理想的實用檢測工具。從上述介紹可以看到，目前還沒有專門針對室內環境中，研究人體呼吸需氧量、人體呼吸產生污染物和產濕量、人體肺部積塵特性的綜合性檢測方法和檢測裝置，也沒有能夠實現吸氣和呼氣管路分開采樣和切換，除了簡單的溫濕度檢測外，還沒有考慮人體呼吸中多種低濃度、低揮發性污染物采樣的裝置。
發明內容
技術問題本發明提供一種能在測量人體的需氧量的同時測量人體呼吸污染物和濕氣散發量的人體呼吸性能參數檢測裝置。
技術方案本發明的人體呼吸性能參數檢測裝置，包括吸氣管路、呼氣管路、呼吸總管和處理器；吸氣管路包括依次連接的吸氣入口、進氣風速儀、第二進氣電磁閥、第三進氣電磁閥、進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀、第一粒子計數器和第四進氣電磁閥；呼氣管路包括依次連接的第一出氣電磁閥、第二粒子計數器、出氣風速儀、出氣氧氣/ 二氧化碳/ 氨氣集成檢測儀、第二出氣電磁閥、第三出氣電磁閥、呼氣出口 ；呼吸總管包括依次連接的溫濕度計、壓力計和口罩，所述溫濕度計的進氣端通過三通管分別與第三進氣電磁閥和第一出氣電磁閥連接；處理器的信號輸入端通過信號線與壓力計連接，信號輸出端通過信號線分別與第四進氣電磁閥和第一出氣電磁閥連接。本發明的一種方案中，第二進氣電磁閥和第三進氣電磁閥之間的管路還連接有大分子采樣進氣管路；大分子采樣進氣管路包括依次連接的入口風機、第一冰采樣罐、第一干冰采樣罐、第一液氮采樣罐和第一進氣電磁閥，所述第一進氣電磁閥的出口端與第二進氣電磁閥和第三進氣電磁閥之間的三通管連接。本發明的一種方案中，第二出氣電磁閥和第三出氣電磁閥之間的管路還連接有大分子采樣出氣管路；大分子采樣出氣管路包括依次連接的第四出氣電磁閥、第二冰采樣罐、 第二干冰采樣罐、第二液氮采樣罐和出口風機，所述第四出氣電磁閥的進氣端與第二出氣電磁閥和第三出氣電磁閥之間的三通管連接。本發明的一種方案中，進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀包括進氣氧氣探頭、 進氣二氧化碳探頭、進氣氨氣探頭和第一數據采集儀，第一數據采集儀的信號輸入端分別與所述進氣氧氣探頭、進氣二氧化碳探頭、進氣氨氣探頭連接，信號輸出端通過信號線與第一數據終端連接。本發明的一種方案中，出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀包括出氣氧氣探頭、 出氣二氧化碳探頭、出氣氨氣探頭和第二數據采集儀，所述第二數據采集儀的信號輸入端分別與所述出氣氧氣探頭、出氣二氧化碳探頭、出氣氨氣探頭連接，信號輸出端通過信號線與所述第二數據終端連接。本發明的人體呼吸性能參數檢測系統包括吸氣和呼氣通路。吸氣和呼氣通路都分別包括風速儀、冰采樣罐、干冰采樣罐、液氮采樣罐、電磁閥、氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀、粒子計數器、壓力計和溫濕度計。吸氣和呼氣通路由口罩相連接。通過壓力計感應吸氣和呼氣氣流的壓力波動，調節電磁閥的開閉，實現對吸氣和呼氣氣流的采樣。其中冰采樣罐、干冰采樣罐和液氮采樣罐得到的液體放置于氣相/液相色譜儀進行分析，可以得到氣流中大分子低揮發性的污染氣體含量。有益效果本發明與現有技術相比，具有以下優點
本發明能夠同時、綜合測量人體的需氧量、污染物和濕氣釋放量、顆粒物在肺部的沉積率，而現有的技術沒有該方法和裝置。本發明能夠根據呼吸氣壓調節吸氣和呼氣管路的通斷，實現吸氣和呼氣管路的轉換，并分別進行氣流和污染物采樣，而現有的技術沒有該方法和裝置。本發明不僅能夠測量常規的人體呼吸參數，包括氧氣、二氧化碳、氨氣和顆粒物濃度，而且通過沿氣流方向依次設置不同溫度的冰采樣罐、干冰采樣罐和液氮采樣罐，將低溫采樣罐得到的液體用于氣相/液相質譜儀分析，實現對大分子、低濃度、低揮發性微量氣體的檢測。本發明通過在吸氣管路和呼氣管路上分別設置粒子計數器，可以實現對肺部沉積的顆粒物質量百分比(對應PM10、PM4、PM2. 5和PMl)以及沉積率隨顆粒物粒徑(對應納米顆粒、0. 1,0. 3,0. 5、1、3、5 和 IOym)的變化。本發明將人體的吸氣和呼氣通路分開，通過結合冰、干冰和液氮三種低溫熱交換系統，利用氣體(02、CO2, NH3等)探頭、顆粒物粒子計數器和氣相/液相色譜儀，實現對人體需氧量、呼吸氣流溫度和散濕量、人體釋放的污染物濃度、顆粒物在肺部的沉積情況等參數進行測量。本發明為指導設計人員確定新風量、為科研人員進行通風方式的優化，提供基本數據，在滿足空調高效節能要求的同時，為實現空調系統為人類健康服務提供了解決方案。
圖1是人體呼吸性能參數檢測系統示意圖。圖2是吸氣和呼氣電磁閥控制系統示意圖。圖3是進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀的示意圖。圖4是出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀的示意圖。圖中有入口風機1，第一冰采樣罐2，第一干冰采樣罐3，第一液氮采樣罐4，第一進氣電磁閥5，吸氣入口 6，第一風速儀7，第二進氣電磁閥8，第三進氣電磁閥9，進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10，第一粒子計數器11，第四進氣電磁閥12，溫濕度計13，壓力計14，口罩15，第一出氣電磁閥16、第二粒子計數器17，第二風速儀18，出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19，第二出氣電磁閥20，第三出氣電磁閥21，呼氣出口 22，第四出氣電磁閥23，第二冰采樣罐對、第二干冰采樣罐25、第二液氮采樣罐26，出口風機27和第三處理器( )
進氣氧氣探頭101，進氣二氧化碳探頭102，進氣氨氣探頭103，第一數據采集儀104，第一處理器(105)，出氣氧氣探頭191，出氣二氧化碳探頭192，出氣氨氣探頭193，第二數據采集儀194，第二處理器(195)。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明的技術方案作進一步的描述。本發明的人體呼吸性能參數檢測裝置，包括吸氣管路、呼氣管路、呼吸總管和處理器；
吸氣管路包括依次連接的吸氣入口 6、進氣風速儀7、第二進氣電磁閥8、第三進氣電磁閥9、進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10、第一粒子計數器11和第四進氣電磁閥12 ； 進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10包括進氣氧氣探頭101、進氣二氧化碳探頭102、 進氣氨氣探頭103和第一數據采集儀104，所述第一數據采集儀104的信號輸入端分別與所述進氣氧氣探頭101、進氣二氧化碳探頭102、進氣氨氣探頭103連接，信號輸出端通過信號線與所述第一數據終端105連接；第二進氣電磁閥8和第三進氣電磁閥9之間的管路還并行連接有大分子采樣進氣管路；
大分子采樣進氣管路包括依次連接的入口風機1、第一冰采樣罐2、第一干冰采樣罐3、 第一液氮采樣罐4和第一進氣電磁閥5，所述第一進氣電磁閥5的出口端與第二進氣電磁閥 8和第三進氣電磁閥9之間的三通管連接；
呼氣管路包括依次連接的第一出氣電磁閥16、第二粒子計數器17、出氣風速儀18、出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19、第二出氣電磁閥20、第三出氣電磁閥21、呼氣出口 22，所述的出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19包括出氣氧氣探頭191、出氣二氧化碳探頭192、出氣氨氣探頭193和第二數據采集儀194，所述第二數據采集儀194的信號輸入端分別與所述出氣氧氣探頭191、出氣二氧化碳探頭192、出氣氨氣探頭193連接，信號輸出端通過信號線與所述第二數據終端195連接；所述第二出氣電磁閥20和第三出氣電磁閥21之間的管路還并行連接有大分子采樣出氣管路；
大分子采樣出氣管路包括依次連接的第四出氣電磁閥23、第二冰采樣罐M、第二干冰采樣罐25、第二液氮采樣罐沈和出口風機27，第四出氣電磁閥23的進氣端與第二出氣電磁閥20和第三出氣電磁閥21之間的三通管連接；
呼吸總管包括依次連接的溫濕度計13、壓力計14和口罩15，所述溫濕度計13的進氣端通過三通管分別與第三進氣電磁閥12和第一出氣電磁閥16連接；
壓力計14的進氣端與口罩15的壁面相連接，連接開孔與呼吸氣流正對，測量吸氣和呼氣時口罩15內的波動壓力與大氣壓的差值，經過處理器把壓差轉化成信號。處理器觀的信號輸入端通過信號線與壓力計14連接，信號輸出端通過信號線分別與第四進氣電磁閥12和第一出氣電磁閥16連接。本發明的人體呼吸性能參數檢測系統包括吸氣管路、排氣管路和采樣管路，該裝置能夠同時測量人體新陳代謝過程的耗氧量、人體呼吸過程產生的濕氣和污染氣體、以及顆粒物在人體肺部的沉積百分比。該裝置的具體工作過程如下
首先測量人體所處環境中污染氣體濃度。第一進氣電磁閥5和第二進氣電磁閥8打開， 第三進氣電磁閥9關閉。空氣由入口風機1抽取，分別通過第一冰采樣罐2、第一干冰采樣罐3和第一液氮采樣罐4，由于三個采樣罐中溫度不同，經過一定的采樣時間，可以得到三瓶液體，將它們放置于氣相/液相色譜儀中分析，可以得到環境中大分子氣體污染物的濃度。人體吸氣時，帶上口罩15，關閉第一進氣電磁閥5和第一出氣電磁閥16，打開第二進氣電磁閥8和第三進氣電磁閥9。通過進氣風速儀7和吸氣管內徑，可以得到吸氣流量。 通過進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10、第一粒子計數器11可以得到吸入空氣中氧氣、二氧化碳、氨氣和顆粒物濃度。通過溫濕度計13、壓力計14可以得到吸入空氣的壓力和溫濕度。人體呼氣時，當需要同時測量呼氣中大分子量氣體的濃度時，關閉電磁閥12和 21，打開電磁閥16、20和23。通過溫濕度計13、壓力計14可以得到呼氣的壓力和溫濕度。 通過粒子計數器17、氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19可以得到呼氣中顆粒物、氧氣、二氧化碳和氨氣濃度。呼氣依次通過冰采樣罐M、干冰采樣罐25和液氮采樣罐沈，然后由出口風機27排到環境中。將三個采樣罐得到的三瓶液體放置于氣相/液相色譜儀中分析，可以得到呼氣中大分子氣體污染物的濃度。人體呼氣時，當不需要測量呼氣中大分子量氣體的濃度時，關閉第四進氣電磁閥 12和第四出氣電磁閥23，打開第一出氣電磁閥16、第二出氣電磁閥20和第三出氣電磁閥 21。如上所述，可以測得呼氣的壓力、溫濕度以及顆粒物、氧氣、二氧化碳和氨氣濃度。人體新陳代謝過程耗氧量的測量方法是吸氣時，空氣由吸氣入口 6通過吸氣管到達口罩15部位；呼氣時，空氣通過呼氣管達到呼氣出口 22。吸氣中氧氣濃度的測量由進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10完成；呼氣中氧氣濃度的測量由出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19完成。吸氣流量由進氣風速儀7測量得到的風速隨時間的累積值乘以吸氣管截面積得到；呼氣流量由出氣風速儀18測量得到的風速隨時間的累積值乘以呼氣管截面積得到。通過一定時間內測得的吸氣與呼氣中氧氣含量的減少量，可以得到該時間段內人體新陳代謝過程耗氧量，也可以得到人體呼吸過程中需氧量隨呼吸進程的關系圖。人體呼吸過程產生濕氣的測量方法是在與口罩15相連的呼吸總管上設置溫濕度計13，可以測得呼氣和吸氣中空氣的溫度和相對濕度。通過壓力計14可以測得呼氣和吸氣壓力。由溫濕度和壓力可以得到含濕量。再由前面敘述方法測量得到的吸氣和呼氣流量， 可以得到一定時間內吸氣與呼氣中增加的水分含量，從而知道人體呼吸過程產生的濕氣狀況，也可以得到人體呼吸過程中濕氣產生量隨呼吸進程的關系圖。人體呼吸過程產生污染氣體的測量方法是人體呼吸的是環境空氣。環境空氣中二氧化碳和氨氣濃度由設置在吸氣管上的進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀10測量得到；環境空氣中大分子氣體污染物濃度由入口風機1將環境空氣依次送入第一冰采樣罐 2、第一干冰采樣罐3和第一液氮采樣罐4，獲得的采樣液經氣相或液相色譜儀分析確定這類大分子氣體污染物濃度。人體呼氣產生的二氧化碳和氨氣濃度由設置在呼氣管上的出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀19測量得到；呼氣中大分子氣體污染物濃度由入口風機 27將呼氣抽入第二冰采樣罐M、第二干冰采樣罐25和第二液氮采樣罐沈，獲得的采樣液經氣相或液相色譜儀分析確定這類大分子氣體污染物濃度。通過前面敘述方法測量得到的吸氣和呼氣流量，可以得到一定時間內吸氣與呼氣中增加的二氧化碳、氨氣和大分子氣體污染物的含量，從而知道人體呼吸過程產生的污染氣體狀況。顆粒物在人體肺部沉積百分比的測量方法是在吸氣管上設置第一粒子計數器 11測量吸氣氣流中顆粒物的計數或計重濃度，在呼氣管上設置第二粒子計數器17測量呼氣氣流中顆粒物的計數或計重濃度。通過前面敘述方法測量得到的吸氣和呼氣流量，可以得到一定時間內吸氣中存在的、吸氣與呼氣中減少的顆粒物總質量(對應PM10、PM4、PM2. 5 和PMl)或者顆粒物的計徑總數量(對應納米顆粒、0. 1、0. 3、0. 5、1、3、5和10 μ m)，從而知道顆粒物在人體肺部的沉積百分比。
本發明中的吸氣管和呼氣管的開啟與關閉，是通過在口罩15的下端設置壓力計 14測量得到的呼吸過程產生的壓力波動值，壓力計14將波動的壓力值信號傳輸給單片機， 單片機根據電壓值判斷是吸氣還是呼氣過程，進而開始控制相應的電磁閥12和電磁閥16。 通過控制電磁閥的啟閉，實現吸氣管路和呼氣管路的分開和單獨采樣。吸氣管路和呼氣管路能夠進行管路切換處理器觀通過信號線接收壓力計14的信號，壓力計14在沒有壓差時的輸出電壓為0. 25V ；壓力計14輸出電壓為0. 23V時為吸氣過程，處理器觀發出指令打開第四進氣電磁閥12并同時關閉第一出氣電磁閥16 ；壓力計14輸出電壓值為0. 27V時為呼氣過程，處理器觀發出指令關閉第四進氣電磁閥12并同時打開第一出氣電磁閥16。本發明中的粒子計數器11和粒子計數器17可以采用測量計徑濃度和計重濃度兩種方法，而且采樣探頭朝向吸氣和呼氣來流方向，進行等動力采樣。
權利要求
1.一種人體呼吸性能參數檢測裝置，其特征在于，該裝置包括吸氣管路、呼氣管路、呼吸總管和處理器；所述的吸氣管路包括依次連接的吸氣入口(6)、進氣風速儀(7)、第二進氣電磁閥(8)、 第三進氣電磁閥(9)、進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀(10)、第一粒子計數器(11)和第四進氣電磁閥(12);所述的呼氣管路包括依次連接的第一出氣電磁閥(16)、第二粒子計數器(17)、出氣風速儀(18)、出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀(19)、第二出氣電磁閥(20)、第三出氣電磁閥(21)、呼氣出口(22)；所述的呼吸總管包括依次連接的溫濕度計(13)、壓力計(14)和口罩(15)，所述溫濕度計(13)的進氣端通過三通管分別與第三進氣電磁閥(12)和第一出氣電磁閥(16)連接；所述處理器(28)的信號輸入端通過信號線與壓力計(14)連接，信號輸出端通過信號線分別與第四進氣電磁閥(12)和第一出氣電磁閥(16)連接。
2.根據權利要求1所述的人體呼吸性能參數檢測裝置，其特征在于，所述第二進氣電磁閥(8 )和第三進氣電磁閥(9 )之間的管路還連接有大分子采樣進氣管路；所述大分子采樣進氣管路包括依次連接的入口風機(1)、第一冰采樣罐(2)、第一干冰采樣罐(3)、第一液氮采樣罐(4)和第一進氣電磁閥(5)，所述第一進氣電磁閥(5)的出口端與第二進氣電磁閥(8 )和第三進氣電磁閥(9 )之間的三通管連接。
3.根據權利要求1所述的人體呼吸性能參數檢測裝置，其特征在于，所述第二出氣電磁閥(20)和第三出氣電磁閥(21)之間的管路還連接有大分子采樣出氣管路；所述大分子采樣出氣管路包括依次連接的第四出氣電磁閥(23)、第二冰采樣罐(24)、 第二干冰采樣罐(25)、第二液氮采樣罐(26)和出口風機(27)，所述第四出氣電磁閥(23)的進氣端與第二出氣電磁閥(20)和第三出氣電磁閥(21)之間的三通管連接。
4.根據權利要求1、2或3所述的人體呼吸性能參數檢測裝置，其特征在于，所述的進氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀(10)包括進氣氧氣探頭(101 )、進氣二氧化碳探頭 (102)、進氣氨氣探頭(103)和第一數據采集儀(104)，所述第一數據采集儀(104)的信號輸入端分別與所述進氣氧氣探頭(101 )、進氣二氧化碳探頭(102)、進氣氨氣探頭(103)連接， 信號輸出端通過信號線與第一數據終端(105)連接。
5.根據權利要求1、2或3所述的人體呼吸性能參數檢測裝置，其特征在于，所述的出氣氧氣/ 二氧化碳/氨氣集成檢測儀(19)包括出氣氧氣探頭(191 )、出氣二氧化碳探頭 (192)、出氣氨氣探頭(193)和第二數據采集儀(194)，所述第二數據采集儀(194)的信號輸入端分別與所述出氣氧氣探頭(191 )、出氣二氧化碳探頭(192)、出氣氨氣探頭(193)連接， 信號輸出端通過信號線與所述第二數據終端(195)連接。
全文摘要
本發明提供了一種人體呼吸性能參數檢測裝置，包括吸氣管路、呼氣管路、流量計、風機、低溫采樣瓶、氧氣/二氧化碳/氨氣探頭、粒子計數器、數據采集器、氣相/液相色譜分析儀，通過將吸氣和呼氣管路分開，分別測量人體吸氣和呼氣的流量、呼吸氣流溫度和相對濕度、氧氣濃度、污染氣體濃度以及顆粒物濃度，得到人體呼吸的基本性能參數，為空調系統新風量的優化選擇以及室內氣流組織的設計提供科學依據，同時也為實現空調系統服務人類健康的宗旨提供解決方案，使暖通空調系統真正達到健康、節能、可持續發展的目的。
文檔編號G01N33/48GK102495202SQ20111043181
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月21日 優先權日2011年12月21日
發明者周斌, 張小松, 閆俊海 申請人:東南大學