压力传感器是机械通气的关键元素。在以前的一篇文章中,我们讨论了需要压力传感器监测气道压力这样我们可以提供与压力或流量配置文件指定病人呼吸。
在这篇文章中,我们来看看其他应用机械通气的压力传感器。除了常见的压力传感器的使用,我们将看一个有趣的应用程序使用这种类型的传感器,压力感应调整空气氧混合物中氧气的浓度。
压力传感器在机械通风
通风机的框图如下图所示。请参考我的第一个通风筒文章上面提到的细节。
图1所示。通风机的框图。
请注意,上面的图片显示了一个简化的方框图。不同的通风可能雇佣其他压力传感器除了气道压力的措施。例如,一些通风内部监管机构在空气和O2阀门。这些通风可能需要一个压力传感器和过滤器之间的内部监管机构如图2所示。
图2。通风机框图利用压力传感器。
此外,通风通常需要测量气压(大气的压力),以抵消的测量不受欢迎的变化可能是由于通风机的物理位置。
除了这些相对简单使用的压力传感器,这些传感器有两个其他有趣的应用程序:调节空气氧混合物中的氧浓度和测量气体的流动。
在本文中,我们将讨论第一个应用程序。使用压力传感器测量气体流量将在以后的文章中讨论。
使用压力传感器调整氧浓度
虽然我们可以使用一个氧传感器测量氧气浓度的“坦克”,还有另一个技术检测氧浓度只需监测气体压力。为了更好地理解这个方法,我们首先需要回顾化学基本概念称为道尔顿分压定律。
但分压是什么?
考虑两个或两个以上的无电抗的混合气体保存在一个容器与给定的体积。施加的压力单个气体分子被称为气体的分压。换句话说,每个气体分压的压力气体会产生如果它是唯一的气体容器。
例如,假设我们有一个混合物的O2和N2在一个容器,如图3 (a)。的分压2我们得到的压力相同数量的啊2分子与所有N2分子移除如图3所示(b)。
我们假设容器体积和温度没有改变在这个思想实验。
图3。(一)的表示的混合O2和N2。(b)剩下的分压为同一O2分子N2移除。
道尔顿分压定律
根据道尔顿分压定律,无电抗的混合气体的总压力等于各组成气体的分压之和的混合物。
在上面的例子中,假设的氧和氮分压2 atm和1 atm,分别。根据道尔顿分压定律,混合物的压力将会是:
\ [P_{混合物}= P_ {N2} + P_ {O2} = 1 \;atm + 2 \;atm = 3 \;atm \]
理想气体定律
理想气体定律是另一个化学基本概念,我们需要充分了解氧浓度调整技术。根据理想气体定律,压力P, V,体积和温度T气体相关的以下方程:
\ [PV = nRT \]
其中n是气体的摩尔数和R是吗理想气体常数0.08205 \ \(压裂{L \ cdot atm}{摩尔\ cdot K} \)。现在,让我们看看如何使用上述调整氧浓度的概念。
调整氧浓度
本节我们将讨论的方法是采用从NXP参考设计。在这种情况下,我们将包含在输出端流传感器的空气和氧气阀门、压力传感器是用于监控的压力。
因此,这部分的框图通风机改为一个如图4所示。
图4。通风机框图,流量传感器,却一个压力传感器。
假设最初的气体混合物在坦克的压力P1。现在,让我们不用担心这最初储存气体的氧浓度。我们只是想适当控制空气和O2阀门的气体混合物,将被添加到坦克正确的氧浓度。
我们将控制过程划分为两个不同的阶段:
- 第一阶段、添加氧气和
- 第二阶段,空气进行“坦克”。
第一阶段:添加氧气
在这个阶段,我们打开氧气阀门(V1)并关闭空气阀(V2)。氧气阀门将开到坦克从其初始值P1, P2压力增加。氧气,我们添加在这个阶段时的空气将在下一阶段将占据的体积V槽T。
假设水箱温度TT。如果我们能确定添加氧气的压力假设它存储在一个容器体积VT在一个温度(T)T,我们可以应用理想气体方程计算摩尔的补充氧气。
当这个未知数量的气体被添加到坦克,坦克从P1, P2压力增加。因此,根据道尔顿分压定律,我们得出结论,增加氧的分压是P2-P1。
因此,当添加气体的体积VT,它施加压力的P2-P1温度(T)T。应用理想气体状态方程,我们有:
\[\左(P_2-P_1 \右)V_T = n_ {O2} RT_T \]
方程1
在哪里\ (n_ {O2} \)表示补充氧的摩尔数。
阶段2:增加空气
在这个阶段,我们关闭氧气阀门,打开空气阀。空气阀将保持打开状态,直到油箱压力增加的P2, P3的前一个值。
空气等气体氮气和氧气的混合物,但是现在,让我们假设它只包含氮。与分析类似于上面所讨论的,我们可以应用理想气体方程和计算添加氮气的摩尔数:
\ [(P_3-P_2) V_T = n_ {N2} RT_T \]
方程2
\ (n_ {N2} \)表示添加氮气的摩尔数。方程方程1除以2得到我们
\[\压裂{P_2-P_1} {P_3-P_2} = \压裂{n_ {O2}} {n_ {N2}} \]
有一个%的氧浓度,我们应该:
\[\压裂{P_2-P_1} {P_3-P_1} = \压裂{n_ {O2}} {n_ {N2} + n_ {O2}} = \压裂{一}{100}\]
因此,我们得到:
\ [P_2 = P_1 + \左(右P_3-P_1 \) \ \压裂{一}{100}\]
方程3
这是一样的方程9 18页NXP参考设计。
我们总结了控制过程,然后详细讨论其状态图。控制过程始于水箱压力P1。我们添加足够的氧气增加水箱压力P2。
接下来,空气进行坦克,坦克压力达到最后一个P3的价值。如果我们选择P2基于方程3,氧浓度应该是%。
控制阀门的状态图
基于上述讨论,我们可以使用状态图如图5所示控制阀门。
图5
这个状态图的红色圆圈对应一个初始化阶段的初始压力罐是增加到P1通风机时打开。绿色圈实现O2浓度调整上面描述的方法。
初始化阶段
为什么我们需要一个初始化阶段?
在系统的正常运行,我们知道水箱压力应该在P1和P3。然而,想象我们第一次打开通风。在这种情况下,坦克的压力可能会低于P1。
虽然这可能是一个一次性的情况下,我们应该考虑这个问题在我们的状态图。当系统打开下面的水箱压力P1(开始= 1 & & P坦克< P1),状态机空气阀的“初始气体”状态(V2)打开增加水箱压力P1。
而不是坦克填满空气,我们可以另外装满氧气在初始化阶段。这两种选择都应该工作,因为这只指定最初存储在罐的气体混合物。这种气体的数量应该远小于气体,添加在未来阶段的状态关系图。因此,最初的混合气体后应该有一个最小的氧浓度影响我们经过几个周期适当添加氧气和空气的比例。
“气体混合物可用”状态
现在考虑一下这种情况:我们关掉呼吸机在使用一段时间之后,然后我们再打开它。
在这种情况下,初始压力罐的P1和P3之间。,坦克将包含富氧空气。因此,当我们打开系统,观察水箱压力大于P1(开始= 1 & & P坦克> P1),状态机应该去“气体混合物可用”状态。在这种状态下,输出阀(V3)打开,向系统提供所需的富氧空气。
当系统处于“气体混合物可用”状态,它将继续检查水箱的压力。只要P坦克大于P1,系统有足够的富氧空气,因此,它将保持在这种状态下。当我们向患者提供呼吸,水箱压力将逐渐减少。当水箱压力减少P1 (P坦克= P1),我们知道坦克的足够的富氧空气。因此,系统应该去“第1阶段”状态,V1打开氧气添加到池。在这种状态下,输出和空气阀(V2和V3)关闭。我们将保持这个状态,直到3罐压力达到P2的方程。
当P坦克= P2,系统将进入“第二阶段”空气添加到坦克。这将打开空气阀(V2)并关闭氧气和输出阀门(V1和V3)。空气将被添加到罐压力达到P3。此时,系统又能够为病人提供指定的富氧空气。因此,状态机将“可用气体混合物”状态和循环会重复。
主要的限制
讨论技术混合气体从两个输入指定的百分比;然而,这不是我们真正想要达到的。
我们应该注意到所需的参数是间接的氧浓度由上述控制方法。大约21%的空气氧气,因此,我们观察到的“第二阶段”状态图可以促进氧含量的坦克。
让我们重复以上分析假设21%的空气中添加“第二阶段”由氧气。基于方程1,氧的摩尔补充说在“第一阶段”P2-P1成正比:
\ [n_ {O2, Phase1} = \压裂{\左(P2-P1 \右)V_T} {RT_T} \]
有多少摩尔的氧气被添加在“第二阶段”?添加在这个阶段的气体混合物P3-P2水箱压力增加。因为21%的气体是空气,我们可以得出这样的结论:氧的摩尔补充说在这个阶段是由
\ [n_ {O2, Phase2} = 0.21 \ * \压裂{\左(P_3-P_2 \右)V_T} {RT_T} \]
氧的总摩尔数将会是:
\ [n_ {O2} =左\[\离开(P_2-P_1 \右)+ 0.21 \ \左右(P_3-P_2 \) \] \ * \压裂{V_T} {RT_T} \]
方程4
氮添加到“第二阶段”的物质的量将会是:
\ [n_ {N2} = 0.79 \ * \压裂{\左(P_3-P_2 \右)V_T} {RT_T} \]
方程5
分方程方程5让我们4:
\[\压裂{n_ {O2}} {n_ {N2}} = \压裂{\离开(P_2-P_1 \右)+ 0.21 \ \离开(P_3-P_2 \右)}{\ 0.79 \倍左(P_3-P_2 \右)}\]
有一个%的氧浓度,我们应该:
\[\压裂{n_ {O2}} {n_ {N2} + n_ {O2}} = \压裂{\离开(P_2-P_1 \右)+ 0.21 \ \离开(P_3-P_ 2 \右)}{\左(P_3-P_1 \右)}= \压裂{一}{10}\]
因此,我们得到:
\ [P_2 = \压裂{1}{0.79}\ * \离开(p_1 - 0.21 \乘以P_3 + P_3-P_1 \ \压裂{一}{100}\右)\]
方程6
因此,如果我们把氧气添加到“第二阶段”考虑,我们应该使用方程6,这远远不同于方程3。此外,空气供给的氧含量的微小变化会导致方程6变得不那么准确。因此,所讨论的方法是有限的,它无法直接测量和控制氧气浓度。
结论
在本文中,我们研究了压力传感器在机械通气中的应用。除了压力传感器的常见用途,我们看了一个有趣的应用程序,其中压力传感是用来调节空气氧混合物中的氧浓度。我们检查了数学推导过程和控制过程的状态图。这种方法的主要限制是它只确保气体从两个输入添加指定的百分比。它不能直接控制氧浓度。
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这都是“很好”,使两种气体的混合物,但氧浓度来衡量(必须),因为如果两个一氧化二氮气体和空气!病人死于缺氧。这是安全至上的系统中,我们不能说这些情况不会发生,因为如果他们可以将他们过去,新生儿死亡,曝露在NICU和病人死于氧化氮一直错误地连接到氧气供给线。没有地方替代措施的关键变量,如果实际的变量可以被测量。顺磁氧分析仪的氧浓度非常准确,我们是义务衡量合成氧浓度的气体混合物。因此,反馈循环将正确的混合体积的任何错误。现代麻醉/ ICU机器使用很低的气体来创建吸入气体混合物,这种方法只能近似。