呼吸机加热湿化器温度控制电路设计

参考文献:
当加热湿化器的 温度达到某一设定值时, 每隔 5m in测
[ 1 ] FischerY, K eck T. E f fects of nasalm ask leak and h eated hum id i
量一次水浴舱的水温 , 连续测量 12次, 得到 连续 1 h内加热 湿化器温度波动情况如图 6所示。可以看到温度波动 范围 在 39. 1~ 39. 4 之间, 小于相关标准 [ 2] 规 定的温度波 动范 围 2。
收稿日期: 2010 06 30 * 基金项目: 上海高校选拔培养优秀青年教师科研基金资助项目 ( SLG 08042 )
第 3期
陈 正龙,电 路, 其内 部 含 有 2 个 比 较 器, 如 图 2 所 示。
NE555的低触发端 ( 2脚 )和高 触发端 ( 6脚 ) 的输入 电平与
Q 1重新导 通对水
浴舱加热, 如此反复, 维持水 浴舱温度 稳定在 设定值 T。 F1
为一温度保险丝, 当由 于某 种异常 情况 导致水 浴舱 加热板 温度超过 70 时, F 1熔 断, 切断 控制 电路 电源, Q 1停 止加 热, 从而起到了过热保护的作用。
图 5 加热湿化器电路原理
4 实验结果
输出端 ( 3脚 ) 的输出状态关系如图 3, 可知当 2脚和 6脚的
输入电平同时满足条 件 Vl1
1 3
V
且
cc
V l2
2 3
Vcc 时,
输出端
3脚为低电平; 若同时满足 Vl1
1 3
V
cc且
V l2
2 3
V
cc时,
输出
端 3 脚为 高电 平, 据此, 利 用 3 脚来 控制 功 率管 的工 作状
范围内。
3 加热湿化器电路
通过以上分 析, 最 终可 得到图 5所示 的湿 化器 温度 控
制电路。考虑 到电 阻公 差, 利用 M ultisim 10. 0对 电路 进 行
多次仿真实验, 最后确定总的限流电阻为 R = R 1 + R2 + R3 + R4 + R9 = 15k 。调节 W 1 将湿化器温度设定为 25~ 45 之 间的某一 值 T, NE555的输出 脚 3输出一 高电平, 加热指 示
据此冷端热端温 度, 考虑 NE555阈值引脚输入电压 V I2可 估 计出限流电阻 R 的大 致范围。
冷端温度为 25 , R25 = 10 k , 电 位计 设 定百 分 率 为
0% , 即 W 1 = 0 k , 限流电阻 R 应满足关 系
R R25 + W 1 + R
2 3
.
( 2)
代入相关数 据可得 R 20 k 。
灯 D3点亮, 同时 D 2导通, 大功率晶 体管 Q 1导通 对水浴 舱
加热, 水 浴舱 温度升 高, 而感 知其温 度的 NTC 热敏 电阻 器
RT 1阻值却不断下降, 致使 NE555 输入 脚 2 和 6的 电位 不
断上 升, 当 水 浴 舱 温 度 达 到 设定 值 T 时, 2 脚 电 位 V l1
RT = R 0
exp B
(
1 T
-
1 T0
)
,
(1)
式中 RT 为 周围 温 度 为 T (K ) 时 的 电阻 值 ( K 为 绝 对温
度 ) ; R0 为 周围温度 为 T 0 (K )时 的 电阻 值; B 为材 料常 数。
图 4所示为典型的热敏电阻器 R T 特性曲 线。
下面进一步从 热敏 电阻器 额定 工作电 流、冷端 热端温
热端温 度为 45 , R 45 = 4. 399 k , 电位 计设定 百分 率
为 100% , 即 W 1 = 2 k , 限流电阻 R 应满足关 系
R
2.
( 3)
R45 + W 1 + R 3
代入相关数 据可得 R 12. 798 k 。
最后可得限 流电阻阻值应 该在 12. 798 k R 20 k
2)湿化器水浴舱的温度保持在 25~ 45 ; 3)湿化器的加热温度可在 25~ 45 范围内调 节, 温 度 调节的精度为 2 ; 4)电路应 具 有超 温 断 电保 护 装置, 当 湿化 器 发 生 故 障, 加热 板温度 70 时, 自动切断电源, 停止加热。 1. 2 电路设计方案 对照 1. 1中的设计要求, 初 步设计 出如 图 1所 示的 电 路框图。温度控制电路和温度传感器控制加热元件将水 浴 舱加热到设定的温度。当控制电路故障或者某种意外的 情 况使水浴舱温 度超 过 70 时, 超 温 保护 电 路自 动切 断 电 源。由于加热湿化器的 加热功 率无需 很大, 加上电 路板 安 装尺寸的限制, 选 择用大功率 NPN 晶体 管 T IP 3055作为 加 热元件, 其最大耗 散功率可达 90W ( T c 25 )。简单的 比 较器电路就可以实现对温度的控制, 这里选择常用 的
CHEN Zheng long1, HU Zhao yan1, ZHANG Y i b in1, LU P an2, PAN Y ou lian2
( 1. Departm en t of Prec ision M ed ical Device, ShanghaiM ed ical Instrumen tation Co llege, Shangha i 200093, Ch in a;
2. College of M echan ic Engineering, Un iversity of Shangha i for Scien ce and T echnology, Shan ghai 200093, China)
Abstract: H ow to design the tem pera ture contro l circu it o f the heated hum id ifier using the N E555 IC and the NTC therm istor is introduced in de tai.l T he c ircu it schem e, selection o f the therm istor and ca lculation o f current lim iting res istor are desc ribed. The exper im ent show s that the pe rfo rm ance of the proposed hea ted hum id ifier m eet the re lated international standards. The presented temperature contro l c ircu it fo r heated hum idifie r is un iv ersa.l K ey word s: heated hum id ifier; NE555 tim er; NTC therm istor; tem pe rature contro l
摘 要: 利用 NE555集成电路和负 温度系数 ( N TC) 热敏电 阻器设 计了一 种呼吸 机用加 热湿化 器温度控
制电路。阐述如何确 定电路设计方案、选择适合的热敏电阻以及计算限流 电阻的大小, 并对加热湿化器样 机温度稳定 性进行了测试, 结果表明其符合相关的呼 吸机用加 热湿化器国 际标准。研究 设计的 温度控制
F ig 5 C ircuit principle of the heated hum idifier 限, 这样 有可能出现 热平 衡, 使 NE555 输 出脚 3的 状态 不
基于上述电路原 理, 实 际制作 了呼吸 机用加 热湿化 器
能翻转, 从而使 Q1保持长 期加热的状态。
样机, 并进行了温度稳定性实验。
98
传 感器与微系统 ( T ransducer and M ic rosystem T echno log ies)
2011年 第 30卷 第 3期
呼吸机加热湿化器温度控制电路设计*
陈正龙 1, 胡兆燕1, 张意彬 1, 路 攀 2, 潘友联 2
( 1. 上海医疗器械高等专科学校 精密医疗器械系, 上海 200093; 2. 上海理工大学 机械工程学院, 上海 200093)
度和热敏电阻器的标 称电阻值等方面选定热敏 电阻器的材
料常数 B。
图 4 NTC热敏电阻器 R T 特性曲线
F ig 4 R T cha racteristic curves o f the NT C therm istor 1)确定热敏电阻器标称阻值
查阅 [ 7]温度传 感器 用引 线型 NTC 热 敏电 阻器 数据 手
态, 从而实现对温度的控制。
图 1 加热湿化器电路框图 F ig 1 B lock diagram of circuit of the heated hum idifier
图 2 NE 555内部框图 F ig 2 B lock D iagram of interior NE 55
图 3 NE 555输入及输出关系
fication on n asal mu cosa in the therapy w ith nasal con t inu ous po s itive airw ay pressu re ( nCPAP ) [ J ] . S leep and B reath ing, 2008, 12 ( 11) : 353- 357. [ 2 ] EN ISO 81 85 2 00 7, R esp iratory tract hum id ifiers for m ed ical u se Particu lar requ irem en ts for resp iratory hum id ification sys
电路具有一 定的通用性。
关键词: 加热湿化器 ; NE555定时器; 负温度系数热敏电阻器; 温度控制
中图分类号 : TP212. 9
文献标识码: A
文 章编号: 1000 9787( 2011) 03 0098 03
D esign of the temperature con tro l circu it for resp iratory tract heated hum idifier*
册, 可知其 25 允许 工 作电 流 基 本上 在 1mA 以 下, 假 定
N E555工作电压
V
为
cc
5 V,
则可以选择
R
为
25
10 k
左右 的
热敏电阻器。
2)确定材料常数 B
查阅 [ 7]温度传 感器 用引 线型 NTC 热 敏电 阻器 数据 手
册, 选定 R 25 = 10 k , B = 3 900作为加热湿 化器的 温度传 感 器, 并且选定温度调节电位器 W 1 为 2 k 。从 1. 1加 热湿化 器的设计要求可 知, 水浴舱温度调节范围应该在 25~ 45 ,
F ig 3 R ela tion betw een input and output o f NE 555 2 热敏电阻器的选择
本 设计使用热 敏 电阻 器作 为 温度 传感 器 来探 测 加热
湿 化器水浴舱 的温 度, 据此 使 用场 合, 可 以初 步 选择 NTC 热 敏电阻器 [ 7]。 其零功率电 阻值 RT 和温 度 T 的 变化关系 为
0引 言 呼吸机用加热 湿化器 ( heated hum id ifier, 湿化器 )串 接
在呼吸机病人回路的吸入端, 起到对呼吸机送出的寒冷、干 燥的气体进行加温 和湿化 的作用。 研究表明: 增 加湿化 器 的呼吸机可以有效 避免其 使用过程 中出现 口腔、鼻腔和 喉 咙干燥、打喷嚏、鼻塞 和流 涕等 过敏 性不 适 状况 [1] 。但 湿 化器如果出现问题, 非但不能起到应有的效果, 反而可能损 伤病人气 道 (如 湿化 器 温度 失控 会 使病 人 气道 烫 伤 等 )。 因此, 湿化器在 病人 的呼 吸治 疗中 起着 相当 重 要的 作用。 本文提出了一种睡眠 无创呼吸机用湿化器温度控制系统的 设计方法。 1 加热电路方案设计 1. 1 设计要求
ISO 8185 2007医用呼吸 道湿化 系统 特殊 要求 [2] 以 及 ISO 17510 1: 2009睡眠呼吸 暂停 治疗设 备标 准 [ 3, 4] 对呼 吸 机加热湿化器设计要 求做如下规定:
1)经过气 道 回路, 输送 给 患 者的 气 体 温度 应 保 持 在 32~ 35 ( 人体可感觉的舒适的温度 ) [5, 6] ;
1 3
Vc c且
6脚电位
Vl2
2 3
Vcc,
因此,
3脚输出低电平,
加热指
示灯 D3熄灭, D2截止, Q 1截 止, 停 止加热。经过 一段时 间
10 0
传感 器与 微系 统
第 30卷
冷却后, 水浴舱温度下降, 热敏 电阻
R
阻
T1
值升高,
2脚电位
V l1
1 3
Vc c时,
输出脚
3又跳变为 高电平,