一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块制造技术

本发明专利技术涉及一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块，主要由控制单元（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）组成；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，这一技术方案成本低，可以广泛应用医用气体计量与控制产品中。

A gas flow metering / output control and automatic compensation module

The invention relates to a gas flow measurement / output control and automatic compensation module mainly consists of a control unit (1), stepper motor (2), (3), the valve seat (4), transmission parts (5), pressure / temperature sensor (6), Holzer (7), sensor (permanent magnet 8); Determination of spool displacement state by Holzer established the Holzer sensor, a voltage value corresponding relation data model and the output flow value and compensation coefficient of pressure / temperature settings in the data model, to achieve accurate measurement of gas flow and control the output of one of the two results, the technical scheme of low cost, can be widely used for medical gas metering and control products.

【技术实现步骤摘要】
一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术人提出了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。
技术实现思路
本专利技术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，前段子弹头部分为阀芯的密封体，后段子弹壳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）,本专利技术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，根据本专利技术实测样品（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。因此在本专利技术实际应用中，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专利技术使用时间，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，假设本专利技术实际应用三个月后，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，将本专利技术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，本专利技术自动校准完成。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，在本专利技术实际应用中，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。本专利技术的优点是：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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（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）组成，所述的步进电机（2）与控制单元（1）联通工作，步进电机（2）与阀芯（4）之间设有传动件（5），步进电机（2）驱动阀芯（4）直线位移；其主要特征是：阀芯（4）的尾部设有永久磁体（8），永久磁体（8）的正对面设有霍尔传感器（7），控制单元（1）发出流量调节指令后，步进电机（2）驱动阀芯（4）在阀座（3）内直线位移进行气体输出流量控制；阀芯（4）直线位移时，阀芯（4）尾部的永久磁体（8）与霍尔传感器（7）的间距不断变化，霍尔传感器（7）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；控制单元（1）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。

【技术特征摘要】
1.一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块，主要由控制单元（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）组成，所述的步进电机（2）与控制单元（1）联通工作，步进电机（2）与阀芯（4）之间设有传动件（5），步进电机（2）驱动阀芯（4）直线位移；其主要特征是：阀芯（4）的尾部设有永久磁体（8），永久磁体（8）的正对面设有霍尔传感器（7），控制单元（1）发出流量调节指令后，步进电机（2）驱动阀芯（4）在阀座（3）内直线位移进行气体输出流量控制；阀芯（4）直线位移时，阀芯（4）尾部的永久磁体（8）与霍尔传感器（7）的间距不断变化，霍尔传感器（7）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；控制单元（1）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。2.根据权利要求1所述的一种气体流量计量/输出控制与自动补偿模块，其特征还在于：所述的霍尔传感器（7）设置在永久磁体的正对面，而且霍尔传感器（7）与永久磁体（8）的设置间距应大于阀芯（4）直线位移的最大行程。3.根据权利要求1所述的一种气体流量计量/输...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：西安汇智医疗集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61