一種基于銅氨法的高精度自動化氧氣濃度檢測儀的設計

丁攀，戚路寬，郭偉，湯池

1. 第四軍醫大學 生物醫學工程學院，陜西 西安 710032；2. 解放軍73096部隊，江蘇 南京 210049

引言

氧氣作為一種重要的氣體，在醫療保健、工業制造、軍事航空等領域應用十分廣泛。為了確保氧氣濃度符合使用要求，需要利用測氧設備對氧氣濃度進行嚴格的檢測和監測。目前氧氣濃度測量方法有很多，常用的方法有燃料電池法[1]、順磁性法[2]、氧化鋯濃差電池法[3]、激光法[4]、離子流法[5]等。這些氧氣檢測方法共同的缺點是易受電場、磁場、溫度、氣壓等干擾，特別是在高原低溫、低壓等惡劣環境下測量誤差很大，甚至無法正常工作。銅氨溶液吸收法（銅氨法）是目前公認的氧氣濃度測量標準方法，現行相關國家標準中[6-7]，均采用銅氨法對氧氣濃度進行檢測和標定。該方法不受環境溫度、壓力等外界因素的影響[8]，在測量準確性、檢測范圍、環境適應性、儀器復雜程度等方面都優于其他檢測方法，廣泛應用于質量認證、產品鑒定和教學科研等方面，特別適用于高原低溫低壓環境下的氧氣濃度原位測量。

然而，現有銅氨法測量裝置是全玻璃器皿，測量過程為純手動操作，測量程序繁瑣，主觀因素影響大，自動化程度低，便攜性差[9]。針對大型制氧設備和特殊用途醫療制供氧設備原位、快速、精確氧濃度測量的實際需求，需要在現有銅氨法測量原理的基礎上，進一步加強銅氨法氧氣濃度測量裝置的測量精度、自動化和便攜性。

1 傳統銅氨法基本原理與存在的問題

銅氨法是一種純化學方法，利用銅氨溶液吸收混合氣體中的氧氣而得出氧氣百分比濃度。現有銅氨法測量裝置簡易結構圖，見圖1，主要由量氣管、吸收瓶、液封瓶、水準瓶、三通活塞和連接管組成。銅氨溶液由氯化銨、氨水和純銅配制而成，一定量的被測氣體與銅氨溶液充分反應，氧氣被全部吸收后，根據氣體體積的減少得出氧氣含量。

圖1 現有銅氨法測量裝置簡易結構圖

現有銅氨法測量裝置存在一些缺點，比如：① 化學反應前，需要通過人為抬高水準瓶，利用大氣壓力使樣品氣從量氣管進入吸收瓶，化學反應完成之后，又需要人為抬高液封瓶使剩余氣體再回到量氣管，此過程較繁瑣；② 測量過程中需要操作人員手動調整水準瓶高度，使水準瓶中的液面和量氣管中的液面保持平齊，從而保證量氣管中氣體的壓力與環境大氣壓一致；③ 初始樣品氣體進入吸收瓶后，需要操作人員反復手動搖晃吸收瓶，使氧氣和銅氨溶液充分接觸，直至氧氣反應完全，操作費時費力。

本文在現有銅氨法測量裝置的基礎上，針對上述問題和不足，通過優化系統結構，綜合采用電子技術、自動化控制技術和傳感器技術等成熟技術，設計了一種基于銅氨法的新型氧氣濃度檢測儀，并已申請了國家發明專利[10]。

2 方案設計

2.1 系統整體結構

為了提升銅氨法氧氣濃度測量裝置的自動化程度和測量效率，通過對傳統銅氨法操作過程的分析，本文對現有測量裝置進行了優化和改進，優化后的測量系統結構，見圖2。優化要點包括：① 通過管路優化設計將水準瓶和補液瓶合并為一個瓶，簡化系統結構；② 采用雙向蠕動泵作為液體驅動裝置；③ 采用步進電機和測量光幕傳感器相結合的方式實現雙液面的自動調平；④ 采用渦輪驅動方式取代手動搖瓶，加快化學反應，提高效率；⑤ 設置高濃度氧測量管結構，用于測量氧氣濃度大于99%的氣體。

圖2 整體方案設計

水準與補液瓶內部裝銅氨溶液，底部設置兩個接口，兩個接口上分別設置第一閥門和第二閥門，第一閥門通過第一連接管連接三通活塞的B2端口，第二閥門通過第二連接管連接反應瓶底部接口。第三連接管的一端伸入水準與補液瓶的液面以下，另一端連接三通活塞的B1端口，第三連接管上設置雙向蠕動泵，三通活塞上端與量氣管連接。量氣管上端與四通活塞連接，四通活塞的A1、A2、A3端口上分別連接進氣管、第四連接管和高濃度氧測量管，高濃度氧測量管水平放置，管徑為量氣管上端玻璃管直徑的1/10，高濃度氧測量管和量氣管管壁都刻有刻度值，便于讀取數值。第四連接管連接到反應瓶頂部，反應瓶中裝有銅氨溶液和銅絲，反應瓶內設置旋轉葉輪。步進電機安裝在底座上，驅動水準與補液瓶在豎直方向上運動。測量光幕傳感器為液位采集裝置，兩套裝置分別設置在量氣管兩側外壁上和水準與補液瓶兩側外壁上。控制面板上設置步進電機調速旋鈕、蠕動泵調速旋鈕、旋轉葉輪開關和液晶顯示屏。另外，底座設置四個調平腳和一個氣泡水平儀，配備電源適配器和24 V充電鋰電池為系統供電。系統各元器件采用工業級器件，確保系統能夠在低溫環境下使用。

2.2 系統功能實現方法

該儀器的功能實現方法步驟依次為：管路充液排氣、量氣管灌充被測氣體、被測氣體灌充反應瓶、殘余氣體返充量氣管、氧氣濃度測量、排除管路殘氣。具體如下：

（1）管路充液排氣：打開四通活塞的A2端口、三通活塞的B1端口、第一閥門和第二閥門，啟動雙向蠕動泵正轉，排空第一連接管、量氣管和反應瓶中的全部氣體，直至液體充滿整個管路；同樣排空四通活塞的A1端口上端進氣管和四通活塞的A3端口上端測量管中的氣體。

（2）量氣管灌充被測氣體：打開四通活塞的A1端口、三通活塞的B2端口和第一閥門，關閉第二閥門，被測氣體經由四通活塞的A1端口沖壓入量氣管，致使量氣管中的液面下移；啟動步進電機，調整水準與補液瓶的液面高度同量氣管中的液面平齊后，關閉第一閥門、四通活塞和三通活塞，停止步進電機。

（3）被測氣體灌充反應瓶：打開四通活塞的A2端口、三通活塞的B1端口和第二閥門，關閉第一閥門，啟動雙向蠕動泵正轉，將測量管內的待測氣體全部推至反應瓶中，啟動反應瓶內的旋轉葉輪。

（4）殘余氣體返充量氣管：啟動雙向蠕動泵反轉，將全部殘余氣體抽回到量氣管。

（5）氧氣濃度測量：打開三通活塞的B2口和第一閥門，關閉四通活塞和第二閥門，然后啟動步進電機，調整水準與補液瓶的液面高度同量氣管液面平齊，液晶顯示屏隨即顯示氧氣濃度值，可以通過量氣管管壁刻度直接讀取氧氣濃度值。

（6）如果待測氣體中氧氣濃度大于99%，啟動雙向蠕動泵正轉，使量氣管中的極少量殘余氣體進入四通活塞的A3端口上方的高濃度氧測量管，當殘余氣體全部進入后，關閉四通活塞，通過高濃度氧測量管管壁的刻度讀出氧氣濃度值。

2.3 雙液面自動控制調平技術設計

實現液位檢測的方法主要有電容法、激光測距法、超聲波測距法、靜壓法等[11]，綜合考慮各方法的優缺點和系統設計特點，本文采用測量光幕傳感器實現液位檢測。測量光幕傳感器是一種特殊的光電傳感器，包含相互分離且相對放置的發射器和收光器[12]。如圖3所示，測量光幕發射器產生的紅外檢測光線沿長度方向定間距生成光線陣列，形成一個光幕，當通過被檢液體時，導致收光器接收的光線強度產生變化，其變化值觸發開關信號輸出，經過信號處理后實現液位檢測功能[13]。測量光幕傳感器比安全光幕傳感器精度更高，光軸間距能夠達到2 mm，具有較強的抗干擾能力，具備通信功能，能夠利用單片機進行信號處理和控制。

圖3 測量光幕傳感器原理圖

步進電機是機電一體化的關鍵執行元件，當步進驅動器接收到一個脈沖信號時，它就驅動步進電機按照設定的方向轉動一個固定的角度，通過控制脈沖個數來控制角位移量，就能夠實現準確定位。同時，可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度[14]。步進電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數，而不受負載變化的影響，便于控制。因步進電機控制系統實現簡單、定位精度高、可靠性高、成本低等優點，已廣泛應用于各行各業[15-16]。

采用測量光幕傳感器技術和步進電機驅動技術實現水準補液瓶和量氣管間雙水平液面的自動調平。具體方法如下：把水準與補液瓶置于升降臺之上，通過步進電機控制升降臺的升降。以固定的第2工作臺為基準，第1工作臺與第2工作臺之間的高度記為初始高度H20，當步進電機上下移動時，利用測量光幕傳感器分別實時檢測水準與補液瓶液面和量氣管液面與第2工作臺之間的高度，當兩者高度一致時，則水準與補液瓶的液面和量氣管的液面保持平齊。該設計能夠避免操作人員由于視覺誤差引入的測量誤差，提高氧濃度測量的自動化程度和精度。

2.4 高濃度氧測量管設計

現行國家標準中規定了純氧的檢測方法[17]，利用氣相色譜法檢測純氧中的雜質氣體，從而間接得出氧氣濃度，但是當雜質氣體較多時該方法便失效。針對醫用和航空呼吸用氧中對高濃度氧測量的實際需求，考慮到高濃度氧氣經銅氨溶液吸收后的殘余氣體極少，測量精度要求更高，采用傳統液面調平方法會引入較大誤差。因此，本系統設計了高濃度氧測量管，如圖2中18所示。該高濃度氧測量管的測量端水平放置，用于測量氧濃度高于99%的氣體，測量管的管徑為量氣管上端管徑的1/10。優化后的系統對高濃度氧的測量精度達0.1%，能夠有效地提升系統高濃度氧的測量精度。

2.5 控制系統硬件設計

本系統采用單片機控制技術實現系統的自動化控制，控制系統硬件設計框圖，見圖4。

圖4 控制系統硬件設計框圖

測量光幕傳感器輸出信號經過外部信號調理電路后輸入單片機，經過相應的信號處理算法，實時監測水準與補液瓶的液面和量氣管的液面高度。單片機通過步進電機驅動器來驅動步進電機工作。步進電機的控制包括位置控制和速度控制[18]，位置控制利用單片機向步進電機發送啟停信號和升降信號，實現快速啟停和停止自鎖功能，速度控制通過人機交互界面設置步進電機速度調節旋鈕，進行速度平滑調節和正反轉調節，實現精細化控制。單片機控制雙向蠕動泵實現正反轉和無級調速[19]。雙向蠕動泵由驅動器、泵頭和泵管三部分組成[20]，是一種用于控制液體傳輸方向和流速的裝置，其精度高、密封性好、維護簡單。單片機向旋轉葉輪發送啟停信號控制旋轉葉輪工作[21]。鍵盤用于輸入測量過程中的控制信號。

2.6 控制系統軟件設計

軟件設計主要完成鍵盤識別、脈沖產生、脈沖輸出和信號處理。步進電機軟件控制流程圖，見圖5。步進電機的控制是利用單片機的定時器中斷產生相應的控制脈沖信號，控制系統上電后單片機進入初始化，如果有按鍵響應，立即產生中斷信號，CPU啟動中斷服務程序判別鍵值，隨后執行相應的子程序來控制步進電機啟停、正反轉和調速[22]。步進電機的速度控制通過軟件編程的方式實現，設置不同延時時間來改變控制脈沖的頻率，延時時間常數越大，電機轉速越慢，延時時間常數越小，電機轉速越快[23]。

圖5 步進電機軟件控制流程圖

測量光幕傳感器軟件控制流程圖，見圖6。單片機和測量光幕傳感器建立通信，通過識別被液體阻擋的光線數量來判斷液面高度，如果雙液面高度一致，將觸發步進電機關停信號，此時測量結束。單片機將計算得到的氧氣百分比值發送到LED顯示屏。

圖6 測量光幕傳感器控制部分流程圖

3 結果

通過系統聯調和測試，本文設計的基于銅氨法的高精度、自動化氧氣濃度檢測儀具有以下技術特點。

（1）系統結構設計合理。采用結構化設計，各部件易于組裝和拆卸，便于維護保養。電路部分和器皿管路部分實現物理隔離，無液體交叉污染，安全耐用。系統整體結構簡潔緊湊，便攜性好，可靠性高。

（2）檢測范圍大，測量精度好。本系統能夠檢測氧氣含量0～100%范圍內的待測氣體，高濃度氧測量管設計能夠有效提升對高濃度氧的測量精度。0～99%范圍內氧氣濃度測量精度為1%，99%以上氧氣濃度測量精度為0.1%。

（3）測量誤差小，準確度高。采用光幕傳感器和步進電機相結合的雙液面調平方法取代原始的目測調平，能夠使水準與補液瓶和測量管內液面的高度誤差小于2 mm，降低人為因素影響，系統測量誤差小。同時，單片機通過光幕傳感器檢測殘余氣體量，自動計算和顯示氧氣含量，取代了傳統目測刻度尺讀數方法，測量結果更準確。

（4）自動化程度和檢測效率高。利用雙向蠕動泵的無級調速功能進行樣氣的精確采集，實現氣液管路的自動化驅動控制。反應瓶中采用渦輪驅動方式，能夠有效加快化學反應速度。整機系統控制按照預定的測量步驟進行自動化操作，方便快捷，檢測時間從原來的20 min縮短到5 min以內，顯著提高檢測效率。

4 討論

在氧氣濃度實際檢測過程中，需要盡可能降低電磁場、溫度、氣壓等各種環境因素對檢測結果的影響。銅氨溶液吸收法作為氧氣濃度檢測的標準方法，能夠有效克服以上各種環境因素的干擾。然而，傳統的銅氨法測氧裝置在結構上存在很多不足，已有學者針對傳統銅氨法測氧裝置進行了研究和改進，并取得了一定的效果。張輝等[8]和張麗霞等[9]分析了環境溫度、大氣壓力、設備結構、試劑配制、液體表面張力等因素對測量結果的影響，但是未提出具體的改進辦法。廖昀懋等[24]利用二氧化碳快速測定法對傳統銅氨法測氧裝置進行了改進，雖然簡化了裝置結構，但依然是純手動操作，測量誤差較大。本文設計的基于銅氨法的新型氧氣濃度檢測儀，不僅能夠提高銅氨法氧氣濃度測量效率和環境適應性，而且能夠減少測量過程中的人為誤差，提高自動化程度和測量精度，具有良好的實際意義和應用價值。

下一步研究中，需要依據氣流計量工作站中氧濃度計量檢定原理和方法，利用特殊環境實驗倉模擬高原低溫、低壓等特殊環境條件，在不同海拔、溫度等條件下對本系統氧氣濃度檢測能力進行性能測試，并對檢測結果進行測量不確定度和誤差分析，檢驗系統工作性能和效能。