一种低氧舱、气压调节方法及系统与流程

本发明涉及低氧训练技术领域，特别是涉及一种低氧舱、气压调节方法及系统。

背景技术：

低氧训练不但可以作为一种提高低氧环境适应能力的方法，也是强身健体的途径，更对预防和治疗疾病具有重要意义。在体育界，低氧训练，即高原训练是提高运动成绩的重要手段，已经普遍展开。合适的低氧刺激不但可以作为一种健身、锻炼方法、还可以对高血压、哮喘、代谢综合症、冠心病、肺病、脊髓损伤后的呼吸功能恢复等有一定疗效。动物实验表明，低氧刺激对于放疗期间防护和放疗后康复也有显著作用。

目前的低氧舱都是一个长方体的房间。为了实现舱内空气的调节，低氧舱内都会设置进气孔和对应的进气系统，以及出气孔和对应的出气系统。但当前的低氧舱内的进气孔和出气孔数量很少。如果要求气压和氧含量精确快速控制，则室内气体更新速度就要非常快。由于进气孔和出气孔非常少，如果想要快速更新室内气体，就会造成室内局部风力过大，给使用低氧舱的人员带来很大困扰。

此外，由于舱室内的功能单一，只能单独模拟高纬度地区或者低纬度地区。传统方法是在高纬度地区，即高氧环境，设置低氧舱。训练时在舱内训练，休息在舱外休息。这样可以提高人体供氧能力，提高运动成绩。

60年代出现的背携式低氧输出器曾在英、美及前苏联一度用于运动训练且获得一定类似高原训练的效果。美国inspiraircorporation公司(westlakevillage，calif)进行了8年研究，于1981年生产了“低氧分压有氧训练器”，该产品重量小于2千克，造价低，是便携式的低氧发生器，用于马拉松运动员训练，效果显著，被称为长跑训练的“秘密武器”。但因运动员训练过程要将低氧输气器背负在上背部，且需要戴呼吸面罩，因而存在很多不便，我国体育学工作者曾致力于对该方法的改进研究，也因为该方法自身条件的限制而未能有所突破。

高住低训是美国学者levinebd.stray-gundersenj于1991年在med.sci.sportsexerc刊物中首先提出来的，其核心问题所在是通过低氧环境改善运动的氧气运输和利用能力。“高住低训”就是让运动员居住在高原或人工低氧环境，训练在海平面或平原环境。让运动员在不同时间内分别接受运动训练负荷和缺氧负荷，即在常规运动训练结束后，运动员在安静即睡眠状态下接受模拟高原环境的缺氧负荷。这使得在高原训练中原本处于相互制约的两个因素，即缺氧负荷和运动训练负荷同时并存，协同起来，以最大限度的调动机体的能力，促进有氧耐力的提高，避免传统高原运动负荷降低的尴尬。莫斯科谢切诺夫医科大学博士创始了间歇性低氧训练法，该方法是借助特定仪器低氧仪，通过降低空气中氧的容积含量，提供额定低氧分压混合气体，使受试者吸入低氧气体的训练方法。在此基础上，美国科罗拉多大学博士igorgamow于1994年提出在运动员结束常规训练后，进入低氧小室接受模拟高原环境的低氧负荷训练。用真空泵将小室气体的气压逐步降低，最低水平为450mmhg，相当于海拔4000m以上的高原缺氧环境。实现了平原训练，“高原生活”的模拟训练新方法。芬兰于1992年建造了一个altitudehouse即高原屋，瑞典于1994年建成了自己的模拟高原训练场馆，挪威斥巨资于1995年建造了一个带有训练设施的hypobaricaltitudehouse，美国最近又研制出了一种可调氧分压式睡仓，它可提供1名运动员在仓内休息，以期望达到“高住低练”的效果。研究结果表明，运动员在低氧小室内接受4小时低氧负荷训练后，开始出现血促红细胞生成素即epo的升高，从而使红细胞数增多，血红蛋白含量升高，血液携氧、运氧能力提高。但是，以上几种方法还是利用气压下降的同时氧分压也下降的原理来达到低氧效果，所以以上几种方法既不安全又昂贵。

为解决上述低压问题，又开始研究新型的方法，即常压低氧环境的模拟。挪威nilsottestad在前人所做基础上进行了改进，使用了氧气发生器、电磁阀、风扇、二氧化碳过滤器、氧气传感器和二氧化碳传感器。氧气发生器连续工作。氧气传感器和二氧化碳传感器用来测量室内氧气、二氧化碳浓度，并把数据传送到控制面板，所述控制面板只能控制报警装置，电磁阀和风扇，不能控制氧气发生器和二氧化碳过滤器，需要使用者手动控制。而且，当二氧化碳浓度超标时，风扇不能自动打开。系统只能模拟高海拔，不能模拟低海拔。美国kotliar先后四次对这种系统做了发明和改进，并且都申请了专利，分别是us5850833，us5799652，us5924419，us5964222，其技术方案是用氧气发生器把一定量的氮气冲入封闭环境来达到低氧效果。这种系统控制海拔高度和二氧化碳浓度的能力都有限，而且也只能模拟高海拔，不能模拟低海拔。

综上所述，本领域亟需一种能够提高舱内气体更新速度以及舱内气压控制速度，并且可在同一舱内进行高住低训的低氧舱。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种低氧舱、气压调节方法及系统，可提高舱内气体更新速度以及舱内气压控制速度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种低氧舱，包括：

舱体，所述舱体的相对侧壁的对应位置上分别设置多个进气孔或出气孔；

多个进气系统，各所述进气系统与各所述进气孔一一连通，所述进气系统以恒定进气速度为舱体内部提供氮气和空气的混合气体；

多个出气系统，各所述出气系统与各所述出气孔一一连通，所述出气系统将舱体内部的气体抽出到舱体外部；

无线气压传感器，设置于舱体内部，用于实时采集舱体内部的气压值；

主控制器，分别与各所述进气系统、各所述出气系统和所述无线气压传感器连接，所述主控制器根据所述气压值得到控制量，并根据所述控制量调节所述出气系统的出气速度，以调节舱体内部的气压。

可选的，各所述进气孔和各所述出气孔分别设置于相对侧壁的边缘以及中间部分，其中，边缘部分设置的各所述进气孔或各所述出气孔之间的间隔距离小于中间部分设置的各所述进气孔或各所述出气孔之间的间隔距离。

可选的，所述进气孔和所述出气孔的数量均至少为30个。

可选的，所述主控制器包括：

获取单元，用于获取舱体内部的气压值；

计算单元，用于基于pid控制算法，根据所述气压值，确定控制量，所述控制量为进气速度与出气速度的差值；

控制单元，分别与所述计算单元、各所述进气系统及各所述出气系统连接，用于控制所述进气系统以所述恒定进气速度为舱体内部提供氮气和空气的混合气体，同时调节所述出气系统的出气速度以满足所述差值。

可选的，针对每一进气系统，所述进气系统包括：

进气控制器和第一电动阀门，所述进气控制器分别与所述主控制器和所述第一电动阀门连接，所述第一电动阀门设置在所述进气系统与所述进气孔之间的连通管道上，所述主控制器通过所述进气控制器控制所述第一电动阀门以所述恒定进气速度进气；

第二电动阀门，与所述进气控制器连接，所述第二电动阀门设置在供氮管道上，所述主控制器通过所述进气控制器控制所述第二电动阀门的开断和氮气流量；

第三电动阀门，与所述进气控制器连接，所述第三电动阀门设置在空气管道上，所述主控制器通过所述进气控制器控制所述第三电动阀门的开断和空气流量；

混气缸，分别与所述第二电动阀门、所述第三电动阀门和所述第一电动阀门连通，所述第二电动阀门控制进入所述混气缸中的氮气流量，所述第三电动阀门控制进入所述混气缸中的空气流量，所述混气缸对所述氮气和所述空气进行混合，混合后的气体流过所述第一电动阀门，经所述进气孔进入舱体内部。

可选的，针对每一出气系统，所述出气系统包括：

出气控制器和真空泵，所述真空泵包括气体输送管道以及设置于所述气体输送管道上的电机；所述出气控制器分别与所述主控制器和所述电机连接，所述气体输送管道设置在所述出气系统与所述出气孔之间的连通管道上，所述主控制器通过所述出气控制器控制所述电机调节所述气体输送管道的出气速度；

流量传感器，与所述出气控制器连接，所述流量传感器设置在所述气体输送管道上，所述主控制器通过所述出气控制器获取所述流量传感器采集的流量值，并根据所述流量值通过所述出气控制器控制所述电机调节所述气体输送管道的出气量；

氧含量传感器，与所述出气控制器连接，所述氧含量传感器设置在所述气体输送管道上，所述主控制器通过所述出气控制器获取所述氧含量传感器采集的氧含量值，并根据所述氧含量值通过所述进气控制器调整所述第二电动阀门的氮气流量和所述第三电动阀门的空气流量。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种气压调节方法，包括：

获取舱体内部的气压值；

将所述气压值代入pid控制算法得到进气速度与出气速度的差值；

根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值。

可选的，所述根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值，具体包括：

将所述差值发送给所述出气系统，所述出气系统根据所述差值增加或减小相应差值的出气速度。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：

一种气压调节系统，包括：

获取单元，用于获取舱体内部的气压值；

计算单元，用于将所述气压值代入pid控制算法得到进气速度与出气速度的差值；

控制单元，用于根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值。

可选的，所述控制单元用于根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值，具体包括：

将所述差值发送给所述出气系统，所述出气系统根据所述差值增加或减小相应差值的出气速度。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的低氧舱，在舱体的相对侧壁的对应位置上分别设置多个进气孔或出气孔，通过在舱体的侧壁上开设大量的进气孔和出气孔，在提高舱内气体更新速度时，由于气体流量远大于传统的低氧舱，因此舱内压力控制速度快，能够提高舱内气压控制速度；将各进气系统与各进气孔一一连通，各进气系统以恒定进气速度为舱体内部提供氮气和空气的混合气体，将各出气系统与各出气孔一一连通，各出气系统将舱体内部的气体抽出到舱体外部，通过设置无线气压传感器在舱体内部来实时采集舱体内部的气压值，由主控制器根据气压值得到控制量，并根据控制量调节出气系统的出气速度以调节舱体内部的气压，由于舱体侧壁上设置有大量的进气孔和出气孔，因此在调节舱体内部的气压时，舱内空气流动速度快，空气更新快，可以减少控制系统的时滞问题，增加控制精度和响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低氧舱实施例的结构图；

图2为本发明低氧舱实施例中控制器的连接图；

图3为本发明气压调节方法实施例的流程图；

图4为本发明气压调节系统实施例的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种低氧舱、气压调节方法及系统，可提高舱内气体更新速度以及舱内气压控制速度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明低氧舱实施例的结构图。参见图1，本发明低氧舱包括舱体101、多个进气系统、多个出气系统、无线气压传感器106和主控制器107。

其中，所述舱体101的相对侧壁的对应位置上分别设置多个进气孔102或出气孔103。各所述进气系统与各所述进气孔102一一连通，所述进气系统以恒定进气速度为舱体101内部提供氮气和空气的混合气体。各所述出气系统与各所述出气孔103一一连通，所述出气系统将舱体101内部的气体抽出到舱体101外部。

进一步的，所述舱体101的一侧壁上还设置有供人员进出的舱门1011。

所述无线气压传感器106设置于舱体101内部，用于实时采集舱体101内部的气压值。在本实施例中，在舱体101内安装多个无线气压传感器106。

所述主控制器107分别与各所述进气系统、各所述出气系统和所述无线气压传感器106连接，所述主控制器107根据所述气压值得到控制量，并根据所述控制量调节所述出气系统的出气速度，以调节舱体101内部的气压。

具体地，各所述无线气压传感器106均通过无线方式与主控制器107通信。

在该实施例中，主控制器107放置在低氧舱外面，主控制器107带有人机接口，所述人机接口包括键盘和显示器或者触摸屏，方便操作人员设定舱内模拟的海拔高度，类似于操控手机。

其中，所述主控制器107包括获取单元、计算单元和控制单元。

所述获取单元用于获取舱体内部的气压值。

所述计算单元用于基于pid控制算法，根据所述气压值，确定控制量。所述控制量为进气速度与出气速度的差值。

所述控制单元分别与所述计算单元、各所述进气系统及各所述出气系统连接，用于控制所述进气系统以所述恒定进气速度为舱体101内部提供氮气和空气的混合气体，同时调节所述出气系统的出气速度以满足所述差值。

所述计算单元还用于基于pid控制算法，根据初始设置的气压值，确定进气速度与出气速度的初始差值。

所述控制单元还用于任意给定所述恒定进气速度，控制所述进气系统以所述恒定进气速度为舱体内部提供氮气和空气的混合气体，同时调节所述出气系统的出气速度以满足所述初始差值。

各所述进气孔102和各所述出气孔103分别设置于相对侧壁的边缘以及中间部分，其中，边缘部分设置的各所述进气孔102或各所述出气孔103之间的间隔距离小于中间部分设置的各所述进气孔102或各所述出气孔103之间的间隔距离。

优选地，所述进气孔102和所述出气孔103的直径为1cm，可根据实际要求对直径的尺寸进行调整。

进一步地，所述进气孔102和所述出气孔103的数量均至少为30个。

具体地，左侧壁是进气孔，右侧壁是出气孔，在左侧壁及右侧壁的前端竖向、上端横向及后端竖向各开十个孔，在两面中间部分，平均分成四行，每行开五个孔，这样左侧壁的边缘一共有三个十孔，中间有二十个孔，右侧壁的边缘一共有三个十孔，中间有二十个孔。

通过设置各进气系统和出气系统，使得边缘的进气速度和出气速度快，中间进气及出气速度慢，根据空气动力学常识，舱内边缘空气流速越快，气压越低，则舱内空气会快速向周围扩散，通过控制进气速度和出气速度的差值，就可以控制舱内的气压。中间空气流速较慢，这样在舱内的人员对空气流动不会有明显的感觉。由于空气流量远大于传统的低氧舱，因此舱内压力控制速度快。

而空气流动速度快，舱内空气更新快，就可以减少控制系统的时滞问题。由于四周空气流动速度快，因此舱内空气更新速度快，中间的孔进一步增加更新速度。中间的四行孔中，上两行孔起辅助控制作用，下两行孔主要是加快co2的消散，并辅助控制作用，由于co2重，会主要集中在舱室的下半部分。

此外，针对每一进气系统，所述进气系统包括进气控制器1041、第一电动阀门1042、第二电动阀门1043、第三电动阀门1044和混气缸1045。

如图2所示，所述进气控制器1041分别与所述主控制器107和所述第一电动阀门1042连接，所述第一电动阀门1042设置在所述进气系统与所述进气孔102之间的连通管道上，所述主控制器107通过所述进气控制器1041控制所述第一电动阀门1042以所述恒定进气速度进气。

所述第二电动阀门1043与所述进气控制器1041连接，所述第二电动阀门1043设置在供氮管道上，所述主控制器107通过所述进气控制器1041控制所述第二电动阀门1043的开断和氮气流量。

所述第三电动阀门1044与所述进气控制器1041连接，所述第三电动阀门1044设置在空气管道上，所述主控制器107通过所述进气控制器1041控制所述第三电动阀门1044的开断和空气流量。

所述混气缸1045分别与所述第二电动阀门1043、所述第三电动阀门1044和所述第一电动阀门1042连通，所述第二电动阀门1043控制进入所述混气缸1045中的氮气流量，所述第三电动阀门1044控制进入所述混气缸1045中的空气流量，所述混气缸1045对所述氮气和所述空气进行混合，混合后的气体流过所述第一电动阀门1042，经所述进气孔102进入舱体101内部。

针对每一出气系统，所述出气系统包括出气控制器1051、真空泵、流量传感器1053和氧含量传感器1054。

所述真空泵包括气体输送管道10521以及设置于所述气体输送管道10521上的电机10522；所述出气控制器1051分别与所述主控制器107和所述电机10522连接，所述气体输送管道10521设置在所述出气系统与所述出气孔103之间的连通管道上，所述主控制器107通过所述出气控制器1051控制所述电机10522调节所述气体输送管道10521的出气速度。

所述流量传感器1053与所述出气控制器1051连接，所述流量传感器1053设置在所述气体输送管道10521上，所述主控制器107通过所述出气控制器1051获取所述流量传感器1053采集的流量值，并根据所述流量值通过所述出气控制器1051控制所述电机10522调节所述气体输送管道10521的出气量。

所述氧含量传感器1054与所述出气控制器1051连接，所述氧含量传感器1054设置在所述气体输送管道10521上，所述主控制器107通过所述出气控制器1051获取所述氧含量传感器1054采集的氧含量值，并根据所述氧含量值通过所述进气控制器1041调整所述第二电动阀门1043的氮气流量和所述第三电动阀门1044的空气流量。

在该实施例中，各进气控制器1041和各出气控制器1051均通过无线方式与主控制器107通信，主控制器107与各进气控制器1041和各出气控制器1051是无线方式连接的，实现无线通信。

在人员分布不均匀的情况下，人员聚集区氧气浓度低，对应的出气孔的氧含量也会降低，氧含量传感器输出信号降低。信号通过无线通信传送给主控制器。主控制器会将采集到的各氧含量值与操作人员设定值做比较。人员聚集区的氧含量会低于设定值。主控制器向氧含量降低区域的进气控制器发出控制命令，控制对应进气系统的第二电动阀门和第三电动阀门，提高空气和氮气比例，即空氮比；增加进入混气缸内空气量，减少进入混气缸内的氮气量。由于空气流动速度快，舱内空气更新快。舱内氧含量低的气体可被快速抽出；新的混合气体可快速补充进入舱内。因此氧含量变化速度慢，时滞高的问题得以解决。

本发明低氧舱内还可以实现不同区域设定不同海拔，在同一个舱内实现高住低训的目的。所述高住低训是指在低氧环境训练在高氧环境休息。

本发明的低氧舱通过操作人员指定舱内的休息区和训练区。其中休息区内模拟低海拔地区的氧含量和气压等值；训练区内模拟高海拔地区的氧含量和气压等值。操作人员可通过人机接口实现上述设定，如通过键盘输入实现。主控制器根据操作人员的设定增加或降低各区域内的气压设定值及氧含量值。舱内各进气控制器和各出气控制器按前述方法，控制舱内各区域的气压及氧含量，实现同一舱室内模拟不同的海拔高度，实现在同一舱室内高住低训的目的。由于不同区域的进气速度和出气速度差值不一样，就可以实现不同区域气压不同，氧含量也可区分，这就完成了分区，从而实现了舱内分区控制，人员在舱内即可完成高住低训。

本发明公开的低氧舱是个长方体房间，因此会存在空间比较大，如果快速提升气压值，当达到预定值时，虽然控制系统输出停止信号了，但气压还在变化，造成精度低，较为落后，尤其是时滞严重，而且控制精度也较差，响应速度慢的问题。本发明首先通过增加大量的进气孔和出气孔增加舱室内空气更新速度，从而增加控制精度和响应速度。其次利用空气加力学，使舱室两侧四周孔的密度大，中间密度小，从而使得舱室周围风力大，中间风力小，对舱内人员影响不大。最后能够实现气压和氧含量分区控制，实现在同一舱内进行高住低训，提高低氧舱的利用效率。

图3为本发明气压调节方法实施例的流程图。参见图3，该气压调节方法包括：

步骤301：获取舱体内部的气压值。

步骤302：将所述气压值代入pid控制算法得到进气速度与出气速度的差值。

步骤303：根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值。

其中，所述根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值，具体包括：

将所述差值发送给所述出气系统，所述出气系统根据所述差值增加或减小相应差值的出气速度。

图4为本发明气压调节系统实施例的结构图。参见图4，该气压调节系统包括：获取单元401、计算单元402和控制单元403。

所述获取单元401用于获取舱体内部的气压值。

所述计算单元402用于将所述气压值代入pid控制算法得到进气速度与出气速度的差值。

所述控制单元403用于根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值。

其中，所述控制单元403用于根据所述差值控制进气系统以恒定进气速度进气，控制出气系统调节出气速度以满足所述差值，具体包括：

将所述差值发送给所述出气系统，所述出气系统根据所述差值增加或减小相应差值的出气速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。