用于高精度袖珍肺活量测量法及其它用途的低热容量装置制造方法及图纸

一种基于有源元件（１、２５）的装置，它能够监测／测量并控制给定环境的温度，所述元件（１、２５）的热容量低，由脉冲宽度调制技术供给电源。通过分析加热脉冲间的温度驰豫在相同元件上进行监测。所述元件可被控制到体温，这样得到一种低功率、高精度、袖珍并且重量轻的装置（呼吸速度记录器），它适于进行精确的肺活量测量。该装置也可容易地适用于高精度流速测量及高灵敏度量热测量中。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及呼吸量测量领域，特别涉及呼吸速度记录器的恒温控制。此外本专利技术可以方便地用于微量量热学，及管道中流体的流速测量。监测肺功能的通常办法是对呼吸行为进行取样分析。鉴于活着的人类都在呼吸着，于是易于观察到我们的呼吸并不都是一样的，并且肺功能也会根据许多可变因素发生改变。这一点在特殊环境下，或对某些挥发物和悬浮物的特殊反应，或者正处在呼吸病症进程中尤其正确。肺活量是可从呼吸中得到的最重要的测量信息之一。肺活量的变化使得能够估计并预知肺功能的概略情况，从而重要的是使之能够得到正确即时的治疗。由于肺活量约为几升，直接测量它是不切实际的。相反，例如可通过气体通过给定阻力的压降来测量流量，随后对流量进行积分以得到肺活量读数值。只要流量测量装置是线性的，并且精确度高就可可靠地进行这种测量。测量流量而不是测量肺活量使得能够减小肺活量测量装置的尺寸及重量。但是，测量流量又会带来许多技术问题，主要涉及恒温调整问题，对此我们将在下文进行分析。进行肺活量测量最精确的方法之一仍然是Fleisch于1925年提出的层流测量法。为此，Fleisch使用了一种蜂窝结构。蜂窝结构最通用的形式包括一个由两个薄金属片重叠并绕微细轴卷成的柱体，其中一个金属片呈波纹状，另一个金属片是平坦的。金属片由黄铜制成，所绕成的柱体尺寸可为直径=42毫米，高=32毫米(Fleisch4号)。压降是在绕柱体外环距离20毫米处测量的。蜂窝结构是能够在一个管道中保持层流，使得压降和流速值线性相关的多种可能的物理过滤器中的一种，Fleisch方法之后，人们还提出了其它几种不同结构。其中最广为人知的是细网栅结构。它比蜂窝结构轻，但是“为了保持测量精度，必须经常清洗和校正”(Office Spirometry,P.L.Enright,R.E.Hyatt Lea&Febiger,1987)。人体肺部中的空气的温度为37℃，并且含有饱和水蒸气。当该空气被呼出时，空气冷凝，并释放出其气化热焓。为了使温度稳定在37℃，Fleisch及其后的人都利用一个外部加热器对上述结构加热。事实上，加热标准的Fleisch4号柱体需要约6.5瓦的功率，这是由于热效率低及整个装置热惯性大导致的结果，直到最近这一因素仍然使得制造真正的袖珍型加热呼吸速度记录器很困难。由于袖珍型仪器不能使用如此之大的功率消耗，近年来，人们提出了几种非加热式呼吸量测量仪器及呼吸速度记录器。随着非加热式流量传感器的广泛使用，一个特别严重的困难随之而来，这就是水蒸所的凝结。由于冷凝水蒸气释放出的汽化热焓，水蒸气冷凝对气流的冷却产生了较小的影响，但是主要的问题在于湍流的发生，这意味着气流不再是线性的了。由于湍流意味着压降与流速之间的呈平方关系，于是流量读数值存在严重的缺陷。这一误差来源使得非加热系统极不可靠。呼吸量测量是由几次重复测试组成的试验，每一次测试中凝结的水蒸气释放出自身的汽化热焓。在对同一患者进行几次操作之后，仪器会积累水蒸气，于是空气流将发生湍动，测量值越来越偏高。按照美国胸科协会和欧洲呼吸协会提出的规定，一系列操作中获得的最高值作为呼吸量测量结构。于是测试中发生的任何一次过高估计错误都将导致整个结果的错误。最近不可靠肺活量测量结果的增加主要和非加热式呼吸量测量仪器的广泛使用有关。在试图解决这一问题的一个尝试中引入了陶瓷蜂窝结构，因为它会吸收水蒸气(U.S.Patent Documents,5277196-1/1994 Hankinson et al.128/725)，但是没有获得成功。陶瓷蜂窝结构除了消毒困难之外，重量相当重，并且必须采用一种易碎的、轻的元件来测量温度。本领域的现有技术提供了多种解决方案，它们都具有技术缺陷，正是这些技术缺陷严重地阻碍了一种简单、可靠、小型、重量轻、功率低、易于清洗并且真正便携的呼吸测量系统的产生。类似的问题也出现在测量物理(流体流速测量)和/或化学过程，尤其是气体-固体相互作用(钯-氢相互作用)中的热交换的仪器中。在流体流速测量中，使用持续的、直接的测量技术测量，当流速变化很快，并且流体温度可变(例如象血液流经血管的情况(Baxter Int.,WO94/28788-12/1994))时会产生问题。另一方面，把热源(热辐射器)与测量装置(传感器)分开的技术又具有明显的缺点，即传感器只采集到发射信号的一小部分。恒温调整至关重要的另一种情况是在钯-氢相互作用中。这种情况下，测量涉及钯层吸收氢时伴随释放出的热焓，及(根据文献数据)确定试样对氢的吸收量(Lewis F.A.,The Palladium Hydrogen System,AcademicPress 1967)。这种情况下，用于封闭发生反应的环境的量热计体积相当大，热响应慢，并且费用和测量要获得的精度成正比。另一方面，采用按照微加工技术制造的微量热计又表现出发生反应的面积小的问题。在需要热惯性特别低的大反应表面，并且不受微加工元件表面限制，把温度传感器集成到反应表面上的情况下缺少解决方案。本专利技术的目的是制造一种具有至少一个低热容量有源元件的装置，该装置可特别用作节省空间的仪器，用于测量及控制热交换。本专利技术涉及一种基于一个低热容量有源元件的装置，该装置能够监测并控制某一环境的温度。利用脉冲宽度调制技术(PWM)向有源元件供电，而对脉冲之间的热驰豫分析是在该元件自身上进行的。当把这一装置用于呼吸量测量，并校正到正常体温时，该装置成为高精度、低能耗的袖珍仪器。经过适当调整，该装置还可用于高精度流速测量或高灵敏度量热学测量。本专利技术的其它独特特征将在后面的说明中描述。下面借助几个应用例子及参考附图给出本专利技术的详细说明。附图说明图1是根据本专利技术的概念建造的一种蜂窝结构，由两个不同箔片卷在一起而成。图2是表示了用于加热图1所示蜂窝结构的微控制器及数字开关的电路图。图3表示了根据本专利技术的概念的系统的工作原理。图4表示了具有控制蜂窝结构温度的MOS场效应晶体管(MOSFET)的电路图。图5表示了在钯和氢之间反应的实验中使用的电路。图6表示了测量流速的电路。本专利技术的一个最佳实施例包括一个基片，它由厚度为5-20微米的条形不锈钢箔片构成，形状根据不同的应用而设计。使用脉冲宽度调制电源激发该基片，而对加热器自身温度的测量是在两个相邻脉冲之间的热驰豫阶段中进行的。图1表示了根据本专利技术的概念制得的复合Fleisch蜂窝结构1。它由两个重叠的箔片2、3卷成，其中一个箔片被加工成波纹状，以获得蜂窝结构。箔片2是导体(即由不锈钢制成，厚度为0.01-0.05毫米，最好为0.02毫米)，并且其电阻值(2-3欧姆，温度系数为几百微欧/℃)适于使用手持低功率电池将其迅速加热到工作温度。箔片3是抗腐蚀的绝缘体，能够经受住高达120℃的热过载，以便能够进行热消毒。图2表示了表现本专利技术概念的电路图。该电路用于加热图1中所示的Fleisch蜂窝结构，及用于其它用途。该电路包括一个微控制器4和一个桥路5，桥路的一个臂上是加热/传感元件6，其它臂上是不随温度变化的电阻7、8及9，一个用于在加热阶段连接电源和加热/传感元件的开关10，一个用于给桥路提供电源以测量加热阶段停止时，加热/传感元件本身热驰豫的双开关11，一个收集桥路信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于低热容量有源元件（１、２５）的装置，它能够监测并控制给定环境的温度，所述元件（１、２５）由脉冲调制技术供给电源，以达到要求的温度，脉冲之间的热驰豫使得能够取样并控制给定环境的温度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：基瑟皮特里辛，
申请(专利权)人：比欧米丁公司，基瑟皮特里辛，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]