具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例：

本发明提供了一种超声波氧浓度测量方法，用于更准确的测量制氧机内的产氧浓度。超声波测浓度的特点，即，对管道内气体的流动状态十分敏感。在制氧机中，通常制氧单元产生氧气后，通过输氧管路将氧气输送给用户，而氧浓度测量管就设置在输氧管路上。当给用户的供氧是以脉冲模式时，输氧管路内的管路内的氧气的气流会有多种状态，当制氧机给用户喷氧的过程中时，气流是稳定的，但喷之前以及结束喷之后，因为气流是从无到有或者从有到无的变化，此时输氧管路中的气流是很不稳定的也不均匀的。此时利用超声波测量时，超声波也会被不稳定的杂乱的气流所搅乱，导致检测结果的不准确。

首先确定气流稳定之后，再采集超声波在气体中的传播的参数，才更加准确。在制氧机内，具有主控模块、超声波换能器A、超声波换能器B和温度传感器，所述主控模块用于读取超声波换能器A/B、温度传感器的参数信息，以及控制超声波换能器A、超声波换能器B的电压多少、信号的收发，主控模块内也能设置程序，用于发出控制信号和响应于某些信号做出新的控制信号。主控模块和超声波换能器A、B，以及温度传感器均为通信连接。

如图1所示，所以本申请所提供的方法的具体步骤为：

步骤1、主控模块获取流量稳定时的氧浓度测量管内的温度值D，所述流量稳定时是指便携式制氧机的脉冲供氧模式中，制氧单元持续向用户喷氧阶段；

首先，主控模块要判断何时流量稳定，因为给用户供氧之后的流量稳定后氧浓度测量管内才没有流场过分杂乱的气流，对超声波信号的衰减最少，得到的超声波传播的时间数据最准确。

因为持续供氧模式时，输氧管路内的氧气供应是恒定的，所以，氧浓度测量管内的氧气浓度和输氧管路内的氧气浓度持平，且其内没有气流流动(只要没有更换档位)，即气流稳定。在脉冲模式中的短暂的持续供氧阶段，和持续供氧模式中的情况相似。

步骤1中所述流量稳定时，针对该时间段进行氧气浓度的计算中相关数据采集并进行浓度计算，结果也较为准确。这种情况下，在一个实施例中，如图2所示，步骤1的具体实现过程为：

步骤S(1)主控模块获取流量传感器检测到的流量值h，判断h是否在预设的范围H₁<h<H₂内，当判断结果为是时，记录在此范围内的持续时间t′；当系统处于给用户喷氧阶段时，H₁和H₂是检测到的此种状态时的流量范围。流量传感器设置于制氧单元和用户需氧处之间的输氧管路上，制氧单元用于制造氧气，输氧管路用于将氧气输送给用户需氧处。

在一些实施例中，具体的值可以是H₁＝h*(1-10％)，H₂＝h*(1+10％)，流量值h根据制氧机的档位不同而不同，比如在一些实施例中，具体可以是1档对应h为0.2L/min，5档对应的h为1L/min等。

步骤S(2)主控模块判断当持续时间t′等于预设的时间T′₁时，生成流量稳定信号；具体的T′₁可以是200ms，在脉冲模式的持续喷氧时间，通常为250ms，此处取200ms，以兼顾流量稳定，以及接下来的超声波信号传播和温度数据的采集。

流量传感器设置于制氧单元(也可以是储气罐，通常便携式制氧机的制氧单元都包括储气罐)和用户需氧处之间的输氧管路上，用于检测制氧单元输出并供给用户的氧气的流量，通常，在脉冲模式下，在用户的一个呼吸周期中，仅仅有很少的时间段是给用户供氧。在该较少的持续供氧阶段氧气的流量可以达到稳定，但在这个阶段之前和刚结束时，因气流存在由少变多、由多变少的过程，故气流流场不稳定，对氧浓度测量管内的超声波的衰减颇大，采集的用于计算氧气浓度的数据准确度不高，故需步骤(2)在检测到流量稳定时，获取温度值D。

同样，在气流稳定的情况下，采集超声波换能器发射的超声波信号在气体中的运行时间才更有意义，即此情况下采集氧浓度测量管内的传播时间。

便携式制氧机为了考虑到用户的多种使用状态，在用户不携带外出并且需要较多氧气时，可以通过外界交流电，采用持续供氧模式。当用户考虑将制氧机外出携带，需尽可能节省功耗，采用脉冲模式，脉冲模式时只在用户吸气时候的某部分时间段内供氧，吸入肺部会被有效利用的氧气被吸入时所占用的整一个呼吸周期中的时间的比例，在临床中已经有研究，此处不再赘述。

在持续供氧模式中，输氧管路中的氧气流量稳定，所以氧浓度测量管内的气体流场内也没有杂乱无章状态，所以超声波信号在里面的传播情况是可预测的，所以正常工作电压即可满足获得准确测量数值的要求。

但在脉冲模式时，输氧管路中的气体的流场更加不稳定，因为超声波信号对流体流场的状态十分敏感，极容易被杂乱的流场衰减，导致最后测得的信号不准确，即便是检测到流量稳定时，再采集，但因为扩散是个缓慢的过程，不能完全达到像持续供氧(不换挡)时那么稳定，故在检测到流量稳定时，再增加超声波换能器的能量，以尽可能地减小不稳定流场对超声波信号的衰减，使得获得的运行时间参数更加准确。

超声波信号对气流状态很敏感，为了能够减少超声波信号在气流中传输时产生的衰减(因为气流碰撞、干扰的原因)，可以让超声波换能器发射信号时，具有更高的功率，以保证产生的能量较大，减少信号衰减带来的信息不准确的情况。

超声波换能器的供应电压的提升可以在检测到具有较大概率气流稳定的情况时开始，因为超声波发射之后，在氧浓度测量管内会运行一段时间，故提前准备足够能量的超声波能量，等到主控模块一旦检测到气流稳定，超声波换能器就已经处于具有足够的电压来输出足够能量的超声波信号了，这有利于收集超声波信号传输过程中数据的准确性。

下面，如图3所示，在步骤(2)生成流量稳定信号之前，即在大概率流量稳定的情况下，通过以下步骤来实现提前提升供应电压：

步骤S-a.判断持续时间t′是否达到预设的时间T′₂，其中T′₂<T′₁，若是则生成电压提升信号，T′₂可以是占T′₁三分之二的值，设置T′₂为了提前提升电压。T′₂的设置，是为了在主控模块真正确定了气流稳定之前，就做出提升超声波换能器的供应电压的指令，以保证，当气流的流量h满足H₁<h<H₂并达到预设的时间T′₁时，在氧浓度测量管中运行的超声波已经是足够能量的超声波。

若否，则继续进行检测并进行持续时间t′和与预设时间T′₂的实时比较；

步骤S-b.响应于电压提升信号，提升超声波换能器的供应电压从V₀到V’，其中V′＝V₀*(1+a％)，V₀为提升电压前的换能器供应电压；在一些实施例中，其中60≤a≤250，且a为整数，具体的a可以是100，V₀可以是3.3V；

电压提升之后，通常比超声波换能器的额定电压多很多，虽然获得了更多能量的超声波信号，缓解外界对超声波信号的衰减，得到了更准确的传播时间数据，但为了保护超声波换能器，同时降低功耗，当没有提升电压的需求时(即气流不稳定不适合进行数据收集时)，则应该降低超声波换能器的电压到V₀。

故，在一些实施例中，在步骤S-b提升电压到V′之后，还包括步骤：

步骤S-c.从换能器供应电压提升为V′时开始计时，计时为t′_h；

步骤S-d.判断时间t′_h是否达到阈值T′₁-T′₂，若是，则进行步骤S-e，若否，则持续检测时间t′_h，并判断其是否达到阈值；

虽然在大概率会出现流量稳定时，提前提升了电压，但需确认，“大概率”事件在某特定时间下是否为真，即，需要在流量稳定确认的时间节点时，主控模块要获取并判断一下是否真的达到了流量稳定，也就是流量是满足H₁<h<H₂。

在连续供氧模式时，因为氧浓度测量管内的浓度在没有更换档位时是稳定的，所以电压V₀已可以满足需求，然而脉冲模式，虽然流量稳定可以识别，但相对于连续供养模式，还是较为不稳定，所以给予高电压将更有利于减少氧气流场对超声波信号的衰减，得到更准确的数据。通常制氧机，连续模式和脉冲模式可以根据用户需要切换，两种模式都有可能在不同的时间段成为用户长时间使用的方式，所以，氧浓度测量管可以一直以电压V₀运行，以满足用户随时可能在任何模式下，对氧浓度的了解。

步骤S-e：判断流量传感器检测到的流量值h是否在范围H₁<h<H₂之内，若是，则进入步骤S-f；若否，则进入步骤S-g；

步骤S-f：维持换能器的供应电压为V′，且每隔3ms判断一次流量值h是否在预设范围H₁<h<H₂之内；若是，则持续维持电压为V′，并继续每隔一段时间做是否在预设范围内的判断；若否，则进入步骤S-g；

步骤S-g：生成电压恢复信号，响应于电压恢复信号，主控模块控制换能器的供应电压回到V₀，并回到步骤(1)，继续进行流量是否稳定的监测

主控模块要持续监测流量h是否稳定，一旦在设定条件下检测到不稳定时及时回到低电压状态。

在步骤S(3)中，主控模块响应于流量稳定信号，获取此时温度传感器检测的温度值D；温度是影响超声波测量精度中的不可忽视的重要参数，当温度变化时，超声波的传播速度也会变化，从而导致超声波浓度测量结果不同。收集完温度之后，还要收集超声波在氧浓度测量管内某种气流状态下进行发射时穿过该种状态的介质所需要的时间。

步骤2、在流量稳定时，主控模块控制超声波换能器A发射超声波信号、超声波换能器B接收换能器A发射来的超声波信号，并记录从发射到接收的时间T₁₀；以及主控模块控制超声波换能器B发射超声波、超声波换能器A接收到超声波换能器B发射来的信号，并记录从发射到接收用到的时间T₂₀，计算T_平均＝(T₁₀+T₂₀)/2，所述氧浓度测量管内相对设置有超声波换能器A和超声波换能器B；通过两个超声波换能器交替收、发超声波信号，进行时间的平均，能够更好的得到一个尽可能真实的参数值。

步骤3、利用温度值D和T_平均，以及温度、时间和浓度构建的拟合方程以用于实时的浓度计算。通过收集多组步骤1、2中的D和T_平均以及利用外置的氧浓度测量仪在输氧管路的喷氧口进行同样时刻的浓度采集，多组数据进行拟合，构建拟合方程，以运行程序的形式写入主控模块中，用于之后便携式制氧机内的实时计算。

拟合方程如下：

A＝a*D；

B＝b*T₀；

C＝c*D²；

D＝d*D*T；

E＝e*D³；

F＝f*D²*T₀；

M浓度＝n+A+B+C+D+E+F；

其中，a、b、c、d、e、f和n均为拟合方程的预设系数。

为了保证上述数据中的测量数值更准确，减小外界因素对上述数据的干扰，在一些实施例中还包括对测量系统的结构改进。如图4～6所示，所述氧浓度测量管1安装于电路板2上，管体通过螺栓24固定在电路板2上，其内首尾两端相对设置有两个超声波换能器A31和超声波换能器B32，所述氧浓度测量管1与电路板2靠近的一侧设置有一开口A11，所述开口A11的边缘向外延伸直至与电路板2的表面相抵，所述开口A11的边缘向外延伸部分与电路板表面相接处密封设置。在一些实施例中，密封设置可以是通过密封圈21做密封，或者所述开口A11的边缘向外延伸部分与电路板2的表面之间通过密封胶进行密封设置；所述温度传感器4贴装于电路板2上，所述温度传感器4位于氧浓度测量管1的开口A11延伸部分的空间内。通过密封的设置，保证了温度传感器检测氧浓度测量管内温度的准确性，尽可能的减少了外界空气的温度对温度传感器的干扰。

现有技术中将温度传感器立在氧浓度测量管的内部中央，进行温度检测，虽然因为直接插入气流的最中间，测得的温度准确，但因为设置在便携式制氧机内的氧浓度测量管体积空间较小，温度传感器相对于测量管的体积并不小，氧浓度测量管内超声波换能器A、B发射的信号会被立在中间的温度传感器阻挡或搅乱，增大了超声波信号传播过程中的衰减，得到的超声波传播时间更加不准确。

改进为将温度传感器贴装在PCB电路板上，最大程度减小了温度传感器对超声波信号传播过程中的干扰、衰减，进一步提升了超声波信号检测的准确性。

在结构上，氧浓度测量管1上开设有开口B12，所述开口B12与一扩散管5的首端相连通，所述扩散管5的尾端与输氧管路相连通，具体为扩散管5的尾端开设有进气口52和出气口53，氧气从储气罐或者制氧单元过来从进气口52进入扩散管5，再从出气口53喷向用户，扩散管5用于将在输氧管路上的氧气连通到氧浓度测量管1中，进入扩散管5内的氧气通过扩散通道51与氧浓度测量管1内部的气体发生扩散，所述输氧管路用于连通制氧单元与用户，所述制氧单元用于制造氧气。

扩散管5相对于氧浓度测量管1的位置设置以及其内部结构设置对气流的流体状态起到很重要的作用。为了使得进入氧浓度测量管1中的气流尽可能稳定，所述扩散管5内部开设有扩散通道51用于连通扩散管5的首尾两端；

如图7所示，在一些实施例中，所述扩散通道51为1条或多条曲折状通道，以增加气体直接冲入氧浓度测量管1的阻力，使之尽可能通过扩散的作用改变氧浓度测量管1内的氧气浓度；

或者在另一些实施例中，所述扩散通道51内设置有若干层镂空挡板，每层镂空挡板的镂空孔相互错开；或者在另一些实施例中，所述扩散通道51为若干条直通道(图中未示出)。

结合气流稳定的检测生成流量稳定信号，双重稳定保证，使得氧浓度测量管1内用超声波信号进行检测时，气流流体状态不是杂乱无章的，对超声波的信号衰减最小，得到的结果更加准确。

在一些实施例中，上述的温度传感器4采用SOP封装结构，其引脚裸露在外，有利于对周围温度的准确检测，且直接贴装于电路板上，相比于现有技术中温度传感器插在氧浓度测量管中间的方式，减小了对管内超声波信号传播过程中的阻碍，减小信号衰减，有利于超声波信号的顺利传播和传播数据的准确性。

如图8所示，为了更进一步的保证检测结果的准确性，在一些实施例中，所述温度传感器4的周边的电路板2上设置有裸露的铜片22，所述铜片22位于开口A11的边缘向外延伸部分围成的范围内，所述铜片22的数量大于或者等于1个。利用铜片的良好的导热性质，增加了温度传感器对周围环境温度感知的准确性。同时铜片设置在电路板上、氧浓度测量管内，尽可能感受到的是测量管内的温度。具体的，铜片可以围绕温度传感器周围设置，可以在氧浓度测量管与电路板密封处以内，温度传感器之外，尽可能多的地方设置上铜片。

如图8、9所示，因为电路板上设置有其他的元器件，工作中都有可能产热，为了减少这些热量对温度传感器采集信息的干扰，在一些实施例中，所述温度传感器4的周边的电路板2上开设有若干镂空23，所述镂空23位于开口A11的边缘向外延伸部分的外围周边，尽可能的将电路板上其他元器件产生的热量与温度传感器所在的区域隔离开，大大减小了电路板上其他元件工作时产生的热量传导至温度传感器上，增加对氧浓度测量管内温度检测的准确性。

通常，电路板为双面或者多层设置，为了减小温度传感器所在位置的电路板吸纳周围空气中温度的能力，在一些实施例中，在温度传感器的所在电路板的另一面上，也在所述电路板2上的氧浓度测量管1与电路板2密封相接区域的背面镜像对应的区域上不设置铜片。可以是在镂空围成的区域内，氧浓度测量管密封区域内，以电路板为对称面，镜像对应的电路板的另一面处的区域内，不设置铜片(图中未示出)，以防止背面铜片将周围元件的热量传导至温度传感器4附近影响其对氧浓度测量管内温度测量的准确性，保证了结果准确。

尽可能减小该背面受周围环境影响后对温度传感器测量氧浓度测量管温度的干扰，增加了温度检测的准确性。

下面是上述方法在具体场景中的应用，以验证方法的有效性。

采用本申请中的方法和系统，即采用如图4～9的测量系统，以及如图1～3所示的方法，在海拔200米的平原地区，运行使用本方法的便携式制氧机，在不同档位下，也就是不同流量下，调取检测氧气浓度的数值，同时在制氧机给用户供氧的出氧口用外置的氧浓度测量仪对本改进方法的有效性进行验证。

给出在不同流量下，同时在不同温度下做测试，结果如表1所示。

表1：制氧机氧浓度测量结果验证表

如表1可知，在不同流量下，制氧机得到的氧气浓度和外置的氧气浓度测量仪的数值误差控制在能被接受的0.5％以内，显然，本方法检测结果已经很精确。可见经过结构和算法上统一改进氧浓度测量管测量浓度的方法之后，效果可观。

综上，本申请提供的方法用在便携式制氧机中，首先确定氧气流量的稳定性，并在流量稳定时取氧浓度测量管内的与浓度计算相关的数据，如温度和超声波信号传播的时间，同时在方法改进的基础上对系统结构做了改进，将温度传感器的位置设置在贴于电路板上，减少了对传播过程中超声波信号的衰减，提升了传播时间的准确性，同时将氧浓度测量管和温度传感器所在位置的电路板进行密封，保证了温度测量不受外界环境的干扰，同时在温度传感器周围的电路板上设置镂空，减少电路板上其他元器件工作时产生热量对温度传感器造成的干扰，在温度传感器所在一侧的电路板的表面设置裸露铜片，加强了对氧浓度测量管内温度的感知能力，提升了温度检测的准确性，同时在温度传感器所在电路板的背面(镂空围成的区域内)，不设置铜片，保证温度传感器尽可能小的受背面元器件产热的影响，进一步保证了氧浓度测量管内温度检测的准确性。

准确的温度和超声波传播时间数据，计算得到准确的氧浓度。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述详细披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“单元”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

计算机存储介质可能包含一个内含有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF、或类似介质，或任何上述介质的组合。

本申请各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、Visual Basic、Fortran 2003、Perl、COBOL 2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)，或连接至外部计算机(例如通过因特网)，或在云计算环境中，或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。