高原小型制氧机应用质量专用检测装置的设计与研究

2014-11-23罗自力秦志强

医疗卫生装备 2014年6期

郭良，罗自力，陈祥，何湘，秦志强

0 引言

本检测装置是专门针对高原小型制氧机检测所设计的设备。高原小型制氧机是高海拔驻军部队日常和应急情况下必不可少的制氧设备，关键时刻亦作为高原并发症的急救装备使用，其工作状态的好坏直接影响官兵的用氧安全与健康。

高原小型制氧机是应用物理变压吸附原理产生氧气的设备，原理上应该叫做氧浓缩机，以示与化学产氧方法的区别，但是行业习惯仍然把应用物理变压吸附原理的设备叫做“小型制氧机”[1-2]。

经查新检索，目前市场上还没有专门的小型制氧机检测装置[3]。之前检测（包括检定）小型制氧机时需要用压力标准器、流量标准器及氧气浓度标准器等3种标准器[4]，不但携带不便，操作也很繁琐。为适应高原边防的环境需求，本检测装置集成了压力、流量、氧气体积分数、大气压、温度等参数的测量功能，具备功能齐全、性能稳定、测量精度高、便于携带、使用方便、调校方法简单等特点。

1 参数的选择与要求

根据高原小型制氧机的功能特点[5]，工作压力、输出流量、产氧体积分数3项参数可以比较客观地表征高原小型制氧机的应用质量状况，只要其中之一发生明显变化，将影响设备的工作状态。所以，选定这3项敏感度高的参数作为检测目标参数。

1.1 压力

不同厂家、品牌、型号的设备由于分子筛粒料物理特性的差异、分子筛粒料装填体积不同、分子筛吸附/解吸周期不同，工作压力各有不同[1]。为了兼顾各型制氧机工作压力的差异，压力单元的测量范围拟选定为0～1.6MPa，准确度为1%F.S（满量程）。

1.2 流量

目前，大部分高原小型制氧机的最大输出流量为5 L/min，个别机型可以达到6 L/min。流量单元的测量范围预留适当冗余，拟选定流量测量范围为0～8 L/min，准确度为 5%F.S。

1.3 氧气体积分数

氧气体积分数的测量范围为0%～100%，准确度为2%F.S。

2 设计方案

本设计采用模块化设计方法，共分4个模块：电池管理模块、电源模块、模拟信号采集模块、数据处理与人机交互模块。系统框图如图1所示。各模块功能如下。

2.1 电池管理模块

电池管理模块外置AC-DC开关电源模块，内置可充电电池。电池充满后，在失去外部电源支持的情况下，至少可持续维持检测工作4 h。电池管理模块包括锂电池保护电路和充电管理电路2个部分，示意图如图2所示。

电池保护电路是为避免锂电池因过充电、过放电、电流过大导致电池寿命缩短或电池被损坏而设计的，它具有高精确度的电压检测与时间延迟电路。其参数为：过充检测4.3 V，过充释放4.05 V；过放检测2.3 V，过放释放3.0 V；温度控制：当电池温度达到60℃时，切断电池充放电电路；充电器检测：连接充电器后，充电指示灯亮（指示灯闪烁为充电状态，常亮为充电完毕状态）。

图1 系统框图

2.2 电源模块

电源模块（如图3所示）将电池管理模块提供的4.2 V电压分别转换为传感器、处理器以及显示电路使用的+5、+12、+3.3V电压和1mA恒流源。

2.3 模拟信号采集模块

模拟信号采集模块（如图4所示）的功能是采样氧气压力、大气压力、氧气流量、氧气体积分数、环境温度等模拟信号，并进行放大、滤波等处理后转换成数字信号。

2.3.1 压力单元

选用固态扩散硅栅隔离式超稳压力传感器作为压力敏感元件，应用电子集成芯片及单片机设计出高集成度和高可靠性的电子电路，编设传感器温度补偿及整套控制演算程序，保证检测数据的可靠性与稳定性。

图2 电池管理模块

图3 电源模块

图4 模拟信号采集模块

2.3.2 流量单元

拟选用标准孔板压差式流量测量结构，其工作原理都是基于封闭管道中流体质量守恒（连续性方程）和能量守恒（伯努利方程）2个定律。该单元结构紧凑，技术成熟。

2.3.3 氧浓度单元

选用红外氧浓度传感器作为氧气体积分数检测敏感元件。该种氧浓度传感器利用氧元素对特定波长的吸收原理，通过红外发生器产生红外光，穿过充有样气的气室，然后被专用接收器接收。该单元具有抗中毒性好、反应灵敏、使用寿命长等特点，可以延长设备使用周期、维护周期，降低维护费用。

2.4 数据处理与人机交互模块

数据处理与人机交互模块（如图5所示）包括处理器、显示器和键盘3个部分。

图5 数据处理与人机交互模块

2.4.1 处理器

采用Philips公司ARM-Cortex-M3处理器LPC1752，运行频率为100MHz，承担数据采集功能，提供数据原算处理和显示器、键盘的控制。

2.4.2 显示器

采用128×64的点阵液晶显示屏，正常显示内容如图6所示，其中，第一行分别为当前环境温度值、当前大气压、当前电池电量，第二行为氧气体积分数测量值，第三行为氧气流量测量值，第四行为氧气压力测量值。

图6 显示屏

2.4.3 面板与键盘

面板与键盘如图7所示，面板拟用内衬铝合金板，外贴合成PVC整体面膜。该面板具有温度特性好、防水、耐腐、质轻、坚韧耐用、外表美观、成本低廉的优点。按键采用轻触开关，手感清晰、富有人性化，可轻松实现各项检测功能的选择与切换。

图7 面板与键盘

按键部分包括POWER 键、UP键、DOWN 键、MOVE 键、ENT 键、ESC键，各键功能如下：（1）POWER键：打开仪器电源。（2）UP键：切换屏幕显示内容到上一屏。校准时，用于选择修改项目或修改值。（3）DOWN键：切换屏幕显示内容到下一屏。校准时，用于选择修改项目或修改值。（4）MOVE键：氧气压力和氧气流量清零。校准时，用于选择要修改数据的数位。（5）ENT键：关断仪器电源。校准时，用于确认当前修改值，使其生效。（6）ESC键：手动刷新当前显示内容（用于屏幕显示乱码时使用）。校准时，用于退出校准状态，返回仪器正常显示界面。

2.5 应用程序

采用C语言编写，语法简洁，模块化结构设计，逻辑性强，易于软件升级。测量参数可现场存储、按索引调用，也可通过接口实时传输至上位机或通过接口输出打印。各项参数的测量精度校准在本机上通过面板直接设定，功能多、操作简单。

2.6 外形

为方便携带和检测工作的展开，检测仪采用小型化设计，整机外形尺寸在满足各项技术要求和指标的前提下尽可能缩小，争取将整体体积控制在220mm×140mm×60mm 以内，质量控制在 1.4 kg（不含外置电源模块）以内，如图8所示。

图8 外观尺寸

2.7 附加功能的遴选

附加功能包括电源实时监测、环境地理状况（温度、湿度、大气压力、海拔高度等）、日期、时间等。

3 关键器件选型

3.1 压力传感器

选用MPM280-09DL，2.0mA恒流供电，非线性度为0.25%F.S，重复性为0.075%F.S，长期稳定性为0.3%F.S/a，响应时间小于1ms，测量范围为0～1.6MPa，允许过压 3.5MPa，壳体材料为 316L 钢，耐腐蚀性、耐潮湿性较强。

3.2 气体流量与氧浓度传感器

采用USM100-超声波传感器，与传统的电化学氧传感器和氧化锆氧传感器相比，具有精度高（1%）、响应速度快、寿命长等诸多优点。流量测量范围：0～10 L/min，流量测量精度：2%F.S；氧气体积分数测量范围：0%～100%，氧气体积分数测量精度：±1%F.S。

3.3 大气压力传感器

采用MPM180-07GL，2.0mA恒流供电，非线性度为0.25%F.S，重复性为0.075%F.S，长期稳定性为0.2%F.S/a，响应时间小于1ms，测量范围为50～106 kPa，允许过压 350 kPa。

3.4 控制-运算单元

采用美国Silicon公司的C8051F350为微控制单元（micro control unit，MCU），具有与高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，内置8路24位ADC（包括可编程滤波器和可编程增益放大器）、8 KB片内Flash存储器。

C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片（SoC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件；内置Flash程序存储器、内部RAM，大部分器件内部还有位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F单片机具有片内调试电路，通过4脚的JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。其包含一个24位Δ-Σ的ADC子系统。该子系统支持高达8个输入通道，可编程增益最大达128倍。另外，还包含2个独立的8位DAC。

凭借其片上VDD监视器、WDT以及时钟振荡器，使得该系列单片机成为真正独立的系统级芯片的解决方案。所有模拟和数字外设都可以由用户固件启用/禁用和配置。Flash存储器可以在线编程，提供非易失性数据存储，并允许8051固件的现场升级。可以通过用户软件完全控制所有外设，并可单独关闭任何或所有外设，以节约功耗。片上Silicon Labs两线开发接口（C2口）允许使用安装在最终产品上的单片机进行非侵入（不占用片上资源）、全速度、在线调试，该调试逻辑支持检查和修改存储器与寄存器、设置断点和观察点、单步、运行和停止命令。在使用C2进行调试时，所有模拟和数字外设都可全功能工作。2个C2接口引脚可以与用户功能共享，允许在系统调试而不占用引脚资源。C8051F50是一款高集成度的混合信号片上系统型单片机，它集成了PGA、ADC、DAC等丰富的片上资源，而且具有低功耗、高分辨率、小封装、高性价比等优点，只需要简单的外围器件就可以构成一个多路模拟小信号测量系统，非常适用于测量仪表。

3.5 主控MCU

采用Philips公司ARM-Cortex-M3处理器LPC1752，可以在100MHz的频率下运行，并包含支持8个区的存储器保护单元（MPU）、512KB的Flash存储器、64 KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条 CAN 通道、2个 SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电动机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和70个通用I/O管脚。

4 应用效果

4.1 实用性

该仪器作为小型制氧机的专用综合检测设备，可以检测制氧机的关键功能及指标，从而判断出小型制氧机的状态和性能，保障进而提高部队后勤设备的完好率与勤务能力。

经高原驻地8家单位实地试用，普遍反映该机操作简单、使用方便、数据可靠，对准确判断小型制氧机的应用质量确有实用价值。在2013年西藏高原部队小型制氧机检测专项实验中，该仪器从被测132台设备中，成功筛选出隐性故障和运行质量不良（待修）设备34台，有效防止了设备带故障运行，提高了高原小型制氧机的运行质量。

4.2 可溯源性

该仪器的各项测量参数皆可通过国家（军队）法定三级计量机构和二级计量机构溯源至相关国家基准。经军区计量站模拟检定（检测），检定/校准方法简单方便，数据真实可靠，检定结论有效。

4.3 可靠性

经军区计量站进行的“重复性”、“稳定性”实验，统计计算数据显示：（1）氧气体积分数重复性扩展不确定度U≤0.48%，稳定性扩展不确定度U≤0.81%。（2）输出压力重复性扩展不确定度U≤0.54%，稳定性扩展不确定度U≤0.76%。（3）输出流量重复性扩展不确定度U≤3.44%，稳定性扩展不确定度U≤3.67%。