[发明专利]一种头罩式间接能量测试方法及装置

权利要求书

1.一种头罩式间接能量测试方法，该方法利用头罩式间接能量测试装置，该装置由头罩(18)、流量传感器(17)、阻尼器(15)、第一抽气泵(14)组成的气体采集混合部分实现了人体呼出气体和空气组成混合气体的采集与混合，其中第一抽气泵(14)、阻尼器(15)、流量传感器(17)、头罩(18)抽气口依此通过气管连接，形成第一通路，第一抽气泵(14)经该第一通路抽取头罩中人体呼出气体，最后排除到空气中，阻尼器(15)用于稳定抽气气流，流量传感器(17)用于抽气流速测量；由第一气瓶(1)、第二气瓶(2)、四通阀(9)、氧传感器(10)、二氧化碳传感器(11)、第二抽气泵(13)组成的气体浓度分析部分实现了气体浓度分析，其中四通阀(9)B端连接阻尼器(15)与流量传感器(17)间的气管，用于抽取气管中的气体，四通阀(9)A端连通环境空气，用于抽取环境气体，第一气瓶(1)中高浓度标定气由导管依此经第一双级减压阀(3)、第一电磁阀(5)连接到溢出接口(7)，第二气瓶(2)中低浓度标定气由导管依此经第二双级减压阀(4)、第二电磁阀(6)连接到溢出接口(7)一端，溢出口另一端经稳压阀(8)连接到四通阀(9)D端，四通阀(9)可选择打开A-C、B-C、D-C任一通路，第二抽气泵(13)连接缓冲装置(12)，同时经氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)抽取四通阀(9)C端气体；由控制单元负责检测装置中泵和阀的控制、数据的采集与上传；人机交互设备用于数据处理、分析和显示；

通过一个部分开放的透明头罩(18)收集人体呼出气体，该头罩通过包含一个用于密封的软质围边、一个空气进气口和一个抽气口，测试抽气时，头罩内部形成负压，进气口与出气口之间形成对流，将人呼出气体抽入风机管路(16)中；

在对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定时，先将气瓶中的高压标定气体通过溢出接口进行压力释放，再通过第二抽气泵(13)将标定气体抽入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行浓度标定；其特征在于：

该头罩式间接能量测试方法包括：在测试开始时，分析头罩中二氧化碳的浓度来自适应调整第一抽气泵(14)的抽气速度，第一抽气泵(14)的速度分成若干档位，起始时根据体重预设第一抽气泵(14)的抽气速度档位，其后每隔50秒分析呼吸周期中头罩(18)内二氧化碳浓度的最小值与最大值，并与预设的阈值比较，调整风机档位，当阈值条件满足后，抽气速度档位保持恒定；

该方法具体步骤如下：

步骤一：在受试者测试之前打开四通阀(9)D-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，先进行传感器高浓度部分的标定，打开第一气瓶(1)和第一双级减压阀(3)的阀门，其中第一气瓶(1)为高浓度气瓶，第二抽气泵(13)以恒定的速度抽取气体，第一气瓶(1)中标定气体通过溢出接口(7)，一部分通过稳压阀进入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)，对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)高浓度部分标定结束，关闭第一电磁阀(5)，接下来进行传感器低浓度部分的标定，打开第二气瓶(2)和第二双级减压阀(4)的阀门，第二气瓶(2)为低浓度气瓶，第二抽气泵(13)以恒定的速度抽取气体，第二气瓶(2)中标定气体通过溢出接口(7)，一部分通过稳压阀进入氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)，对氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)进行标定，另一部分排向空气中，一段时间后，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)低浓度部分标定结束，关闭第二电磁阀(6)；

步骤二：打开四通阀(9)A-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，第二抽气泵(13)以恒定速度将测试环境中的空气抽送到氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)，氧传感器(10)和二氧化碳传感器(11)测量出一段时间内空气中平均氧气浓度和平均二氧化碳浓度；

步骤三：受试者在人机交互设备上进行信息注册，完成注册后，测试人员帮助受试者带上头罩(18)并告知受试者测量过程中的注意事项，让受试者休息半个小时左右以便进入静息状态；

步骤四：打开四通阀(9)B-C方向的阀门，关闭四通阀(9)其余方向的阀门，点击开始按钮，测量开始风机根据预算速度开始抽气，头罩(18)中形成负压，吸入头罩的环境气体与人体呼出的代谢气体被一同吸入抽气管路(16)中，此时根据二氧化碳浓度，每隔50秒风机的抽气速度会自适应调整，当达到设定的二氧化碳浓度要求后，第一抽气泵(14)以恒定档位速度抽取气体，抽出的混合气体进入流量传感器(17)，流量传感器(17)测量混合气体的流量，控制单元通过流量传感器(17)采集气体流量数据，第二抽气泵(13)以恒定速度对管路(16)中的气体取样，取样的一部分混合气体进入气体浓度分析部分，气体浓度分析部分获取管路中气体实时浓度数据；

步骤五：人机交互设备根据控制单元采集上传的数据，推算出一段时间内摄氧量、二氧化碳排出量，推算过程如下：

排出头罩的混合气体体积：

排出头罩的混合气体中氮气浓度：F_EN2＝1-F_ECO2–F_EO2

环境空气中氮气浓度：F_IN2＝1-F_ICO2–F_IO2

抽入头罩中空气体积：V_in＝V_out×F_EN2/F_IN2

摄氧量：V_O2＝V_in×F_EO2-V_out×F_IO2

二氧化碳排出量：V_CO2＝V_out×F_ICO2-V_in×F_ECO2

其中：v(t)为抽气管路(16)中混合气体瞬时流速；t₁为采样开始的时间点；t₂为采样结束的时间点；F_ECO2为排出头罩的混合气体中平均二氧化碳浓度；F_EO2为排出头罩的混合气体中平均氧气浓度；F_IO2为抽入空气中平均氧气浓度；F_ICO2为抽入空气中平均二氧化碳浓度；

为协调代谢测试的舒适性与准确性，需要动态调整抽气速度以将二氧化碳浓度需要控制在一定范围内，其控制目标是：

(1)平均二氧化碳浓度峰值≤1％；

(2)平均二氧化碳浓度信号峰峰值≥0.5％

风机速度范围为0到60L每分钟，其中增加一档位速度增加5L每分钟，开始测试时，风机的初始速度设置是根据人体输入体重信息推算的，一般体重是体重10kg以下为10L每分钟，10kg～20kg为20L每分钟，20kg以上为35L每分钟，风机速度设置后，进入风机速度判断流程，首先等待30秒等流速、二氧化碳浓度稳定后，采集获取后面20秒内的平均二氧化碳浓度峰值与平均二氧化碳浓度信号峰峰值，然后判断平均二氧化碳浓度峰值大于1％，大于则增加一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，若不大于1％再判断平均二氧化碳浓度信号峰峰值是否小于0.5％，小于则减少一档风机速度，重新进入风机速度判断流程，不小于0.5％，则说明二氧化碳浓度变化范围在控制目标范围内，保持恒定的抽气速度，不再调整，直到测试结束。