高原小型制氧機(jī)應(yīng)用質(zhì)量專用檢測裝置的設(shè)計(jì)與研究

郭 良，羅自力，陳 祥，何 湘，秦志強(qiáng)

0 引言

本檢測裝置是專門針對(duì)高原小型制氧機(jī)檢測所設(shè)計(jì)的設(shè)備。高原小型制氧機(jī)是高海拔駐軍部隊(duì)日常和應(yīng)急情況下必不可少的制氧設(shè)備，關(guān)鍵時(shí)刻亦作為高原并發(fā)癥的急救裝備使用，其工作狀態(tài)的好壞直接影響官兵的用氧安全與健康。

高原小型制氧機(jī)是應(yīng)用物理變壓吸附原理產(chǎn)生氧氣的設(shè)備，原理上應(yīng)該叫做氧濃縮機(jī)，以示與化學(xué)產(chǎn)氧方法的區(qū)別，但是行業(yè)習(xí)慣仍然把應(yīng)用物理變壓吸附原理的設(shè)備叫做“小型制氧機(jī)”[1-2]。

經(jīng)查新檢索，目前市場上還沒有專門的小型制氧機(jī)檢測裝置[3]。之前檢測（包括檢定）小型制氧機(jī)時(shí)需要用壓力標(biāo)準(zhǔn)器、流量標(biāo)準(zhǔn)器及氧氣濃度標(biāo)準(zhǔn)器等3種標(biāo)準(zhǔn)器[4]，不但攜帶不便，操作也很繁瑣。為適應(yīng)高原邊防的環(huán)境需求，本檢測裝置集成了壓力、流量、氧氣體積分?jǐn)?shù)、大氣壓、溫度等參數(shù)的測量功能，具備功能齊全、性能穩(wěn)定、測量精度高、便于攜帶、使用方便、調(diào)校方法簡單等特點(diǎn)。

1 參數(shù)的選擇與要求

根據(jù)高原小型制氧機(jī)的功能特點(diǎn)[5]，工作壓力、輸出流量、產(chǎn)氧體積分?jǐn)?shù)3項(xiàng)參數(shù)可以比較客觀地表征高原小型制氧機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量狀況，只要其中之一發(fā)生明顯變化，將影響設(shè)備的工作狀態(tài)。所以，選定這3項(xiàng)敏感度高的參數(shù)作為檢測目標(biāo)參數(shù)。

1.1 壓力

不同廠家、品牌、型號(hào)的設(shè)備由于分子篩粒料物理特性的差異、分子篩粒料裝填體積不同、分子篩吸附/解吸周期不同，工作壓力各有不同[1]。為了兼顧各型制氧機(jī)工作壓力的差異，壓力單元的測量范圍擬選定為0～1.6MPa，準(zhǔn)確度為1%F.S（滿量程）。

1.2 流量

目前，大部分高原小型制氧機(jī)的最大輸出流量為5 L/min，個(gè)別機(jī)型可以達(dá)到6 L/min。流量單元的測量范圍預(yù)留適當(dāng)冗余，擬選定流量測量范圍為0～8 L/min，準(zhǔn)確度為 5%F.S。

1.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)

氧氣體積分?jǐn)?shù)的測量范圍為0%～100%，準(zhǔn)確度為2%F.S。

2 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，共分4個(gè)模塊：電池管理模塊、電源模塊、模擬信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。各模塊功能如下。

2.1 電池管理模塊

電池管理模塊外置AC-DC開關(guān)電源模塊，內(nèi)置可充電電池。電池充滿后，在失去外部電源支持的情況下，至少可持續(xù)維持檢測工作4 h。電池管理模塊包括鋰電池保護(hù)電路和充電管理電路2個(gè)部分，示意圖如圖2所示。

電池保護(hù)電路是為避免鋰電池因過充電、過放電、電流過大導(dǎo)致電池壽命縮短或電池被損壞而設(shè)計(jì)的，它具有高精確度的電壓檢測與時(shí)間延遲電路。其參數(shù)為：過充檢測4.3 V，過充釋放4.05 V；過放檢測2.3 V，過放釋放3.0 V；溫度控制：當(dāng)電池溫度達(dá)到60℃時(shí)，切斷電池充放電電路；充電器檢測：連接充電器后，充電指示燈亮（指示燈閃爍為充電狀態(tài)，常亮為充電完畢狀態(tài)）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 電源模塊

電源模塊（如圖3所示）將電池管理模塊提供的4.2 V電壓分別轉(zhuǎn)換為傳感器、處理器以及顯示電路使用的+5、+12、+3.3V電壓和1mA恒流源。

2.3 模擬信號(hào)采集模塊

模擬信號(hào)采集模塊（如圖4所示）的功能是采樣氧氣壓力、大氣壓力、氧氣流量、氧氣體積分?jǐn)?shù)、環(huán)境溫度等模擬信號(hào)，并進(jìn)行放大、濾波等處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

2.3.1 壓力單元

選用固態(tài)擴(kuò)散硅柵隔離式超穩(wěn)壓力傳感器作為壓力敏感元件，應(yīng)用電子集成芯片及單片機(jī)設(shè)計(jì)出高集成度和高可靠性的電子電路，編設(shè)傳感器溫度補(bǔ)償及整套控制演算程序，保證檢測數(shù)據(jù)的可靠性與穩(wěn)定性。

圖2 電池管理模塊

圖3 電源模塊

圖4 模擬信號(hào)采集模塊

2.3.2 流量單元

擬選用標(biāo)準(zhǔn)孔板壓差式流量測量結(jié)構(gòu)，其工作原理都是基于封閉管道中流體質(zhì)量守恒（連續(xù)性方程）和能量守恒（伯努利方程）2個(gè)定律。該單元結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟。

2.3.3 氧濃度單元

選用紅外氧濃度傳感器作為氧氣體積分?jǐn)?shù)檢測敏感元件。該種氧濃度傳感器利用氧元素對(duì)特定波長的吸收原理，通過紅外發(fā)生器產(chǎn)生紅外光，穿過充有樣氣的氣室，然后被專用接收器接收。該單元具有抗中毒性好、反應(yīng)靈敏、使用壽命長等特點(diǎn)，可以延長設(shè)備使用周期、維護(hù)周期，降低維護(hù)費(fèi)用。

2.4 數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互模塊

數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互模塊（如圖5所示）包括處理器、顯示器和鍵盤3個(gè)部分。

圖5 數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互模塊

2.4.1 處理器

采用Philips公司ARM-Cortex-M3處理器LPC1752，運(yùn)行頻率為100MHz，承擔(dān)數(shù)據(jù)采集功能，提供數(shù)據(jù)原算處理和顯示器、鍵盤的控制。

2.4.2 顯示器

采用128×64的點(diǎn)陣液晶顯示屏，正常顯示內(nèi)容如圖6所示，其中，第一行分別為當(dāng)前環(huán)境溫度值、當(dāng)前大氣壓、當(dāng)前電池電量，第二行為氧氣體積分?jǐn)?shù)測量值，第三行為氧氣流量測量值，第四行為氧氣壓力測量值。

圖6 顯示屏

2.4.3 面板與鍵盤

面板與鍵盤如圖7所示，面板擬用內(nèi)襯鋁合金板，外貼合成PVC整體面膜。該面板具有溫度特性好、防水、耐腐、質(zhì)輕、堅(jiān)韌耐用、外表美觀、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。按鍵采用輕觸開關(guān)，手感清晰、富有人性化，可輕松實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)檢測功能的選擇與切換。

圖7 面板與鍵盤

按鍵部分包括POWER 鍵、UP鍵、DOWN 鍵、MOVE 鍵 、ENT 鍵 、ESC鍵，各鍵功能如下：（1）POWER鍵：打開儀器電源。（2）UP鍵：切換屏幕顯示內(nèi)容到上一屏。校準(zhǔn)時(shí)，用于選擇修改項(xiàng)目或修改值。（3）DOWN鍵：切換屏幕顯示內(nèi)容到下一屏。校準(zhǔn)時(shí)，用于選擇修改項(xiàng)目或修改值。（4）MOVE鍵：氧氣壓力和氧氣流量清零。校準(zhǔn)時(shí)，用于選擇要修改數(shù)據(jù)的數(shù)位。（5）ENT鍵：關(guān)斷儀器電源。校準(zhǔn)時(shí)，用于確認(rèn)當(dāng)前修改值，使其生效。（6）ESC鍵：手動(dòng)刷新當(dāng)前顯示內(nèi)容（用于屏幕顯示亂碼時(shí)使用）。校準(zhǔn)時(shí)，用于退出校準(zhǔn)狀態(tài)，返回儀器正常顯示界面。

2.5 應(yīng)用程序

采用C語言編寫，語法簡潔，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，邏輯性強(qiáng)，易于軟件升級(jí)。測量參數(shù)可現(xiàn)場存儲(chǔ)、按索引調(diào)用，也可通過接口實(shí)時(shí)傳輸至上位機(jī)或通過接口輸出打印。各項(xiàng)參數(shù)的測量精度校準(zhǔn)在本機(jī)上通過面板直接設(shè)定，功能多、操作簡單。

2.6 外形

為方便攜帶和檢測工作的展開，檢測儀采用小型化設(shè)計(jì)，整機(jī)外形尺寸在滿足各項(xiàng)技術(shù)要求和指標(biāo)的前提下盡可能縮小，爭取將整體體積控制在220mm×140mm×60mm 以內(nèi)，質(zhì)量控制在 1.4 kg（不含外置電源模塊）以內(nèi)，如圖8所示。

圖8 外觀尺寸

2.7 附加功能的遴選

附加功能包括電源實(shí)時(shí)監(jiān)測、環(huán)境地理狀況（溫度、濕度、大氣壓力、海拔高度等）、日期、時(shí)間等。

3 關(guān)鍵器件選型

3.1 壓力傳感器

選用MPM280-09DL，2.0mA恒流供電，非線性度為0.25%F.S，重復(fù)性為0.075%F.S，長期穩(wěn)定性為0.3%F.S/a，響應(yīng)時(shí)間小于1ms，測量范圍為0～1.6MPa，允許過壓 3.5MPa，殼體材料為 316L 鋼，耐腐蝕性、耐潮濕性較強(qiáng)。

3.2 氣體流量與氧濃度傳感器

采用USM100-超聲波傳感器，與傳統(tǒng)的電化學(xué)氧傳感器和氧化鋯氧傳感器相比，具有精度高（1%）、響應(yīng)速度快、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。流量測量范圍：0～10 L/min，流量測量精度：2%F.S；氧氣體積分?jǐn)?shù)測量范圍：0%～100%，氧氣體積分?jǐn)?shù)測量精度：±1%F.S。

3.3 大氣壓力傳感器

采用MPM180-07GL，2.0mA恒流供電，非線性度為0.25%F.S，重復(fù)性為0.075%F.S，長期穩(wěn)定性為0.2%F.S/a，響應(yīng)時(shí)間小于1ms，測量范圍為50～106 kPa，允許過壓 350 kPa。

3.4 控制-運(yùn)算單元

采用美國Silicon公司的C8051F350為微控制單元（micro control unit，MCU），具有與高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，內(nèi)置8路24位ADC（包括可編程濾波器和可編程增益放大器）、8 KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器。

C8051F單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置Flash程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機(jī)具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4腳的JTAG接口可以進(jìn)行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。其包含一個(gè)24位Δ-Σ的ADC子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)支持高達(dá)8個(gè)輸入通道，可編程增益最大達(dá)128倍。另外，還包含2個(gè)獨(dú)立的8位DAC。

憑借其片上VDD監(jiān)視器、WDT以及時(shí)鐘振蕩器，使得該系列單片機(jī)成為真正獨(dú)立的系統(tǒng)級(jí)芯片的解決方案。所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可以由用戶固件啟用/禁用和配置。Flash存儲(chǔ)器可以在線編程，提供非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許8051固件的現(xiàn)場升級(jí)。可以通過用戶軟件完全控制所有外設(shè)，并可單獨(dú)關(guān)閉任何或所有外設(shè)，以節(jié)約功耗。片上Silicon Labs兩線開發(fā)接口（C2口）允許使用安裝在最終產(chǎn)品上的單片機(jī)進(jìn)行非侵入（不占用片上資源）、全速度、在線調(diào)試，該調(diào)試邏輯支持檢查和修改存儲(chǔ)器與寄存器、設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)、單步、運(yùn)行和停止命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能工作。2個(gè)C2接口引腳可以與用戶功能共享，允許在系統(tǒng)調(diào)試而不占用引腳資源。C8051F50是一款高集成度的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型單片機(jī)，它集成了PGA、ADC、DAC等豐富的片上資源，而且具有低功耗、高分辨率、小封裝、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，只需要簡單的外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)多路模擬小信號(hào)測量系統(tǒng)，非常適用于測量儀表。

3.5 主控MCU

采用Philips公司ARM-Cortex-M3處理器LPC1752，可以在100MHz的頻率下運(yùn)行，并包含支持8個(gè)區(qū)的存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）、512KB的Flash存儲(chǔ)器、64 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)MAC、USB主機(jī)/從機(jī)/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4個(gè)UART、2條 CAN 通道、2個(gè) SSP控制器、SPI接口、3個(gè)I2C接口、2-輸入和2-輸出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、電動(dòng)機(jī)控制PWM、正交編碼器接口、4個(gè)通用定時(shí)器、6-輸出的通用PWM、帶獨(dú)立電池供電的超低功耗RTC和70個(gè)通用I/O管腳。

4 應(yīng)用效果

4.1 實(shí)用性

該儀器作為小型制氧機(jī)的專用綜合檢測設(shè)備，可以檢測制氧機(jī)的關(guān)鍵功能及指標(biāo)，從而判斷出小型制氧機(jī)的狀態(tài)和性能，保障進(jìn)而提高部隊(duì)后勤設(shè)備的完好率與勤務(wù)能力。

經(jīng)高原駐地8家單位實(shí)地試用，普遍反映該機(jī)操作簡單、使用方便、數(shù)據(jù)可靠，對(duì)準(zhǔn)確判斷小型制氧機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量確有實(shí)用價(jià)值。在2013年西藏高原部隊(duì)小型制氧機(jī)檢測專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，該儀器從被測132臺(tái)設(shè)備中，成功篩選出隱性故障和運(yùn)行質(zhì)量不良（待修）設(shè)備34臺(tái)，有效防止了設(shè)備帶故障運(yùn)行，提高了高原小型制氧機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

4.2 可溯源性

該儀器的各項(xiàng)測量參數(shù)皆可通過國家（軍隊(duì)）法定三級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)和二級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)溯源至相關(guān)國家基準(zhǔn)。經(jīng)軍區(qū)計(jì)量站模擬檢定（檢測），檢定/校準(zhǔn)方法簡單方便，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，檢定結(jié)論有效。

4.3 可靠性

經(jīng)軍區(qū)計(jì)量站進(jìn)行的“重復(fù)性”、“穩(wěn)定性”實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)顯示：（1）氧氣體積分?jǐn)?shù)重復(fù)性擴(kuò)展不確定度U≤0.48%，穩(wěn)定性擴(kuò)展不確定度U≤0.81%。（2）輸出壓力重復(fù)性擴(kuò)展不確定度U≤0.54%，穩(wěn)定性擴(kuò)展不確定度U≤0.76%。（3）輸出流量重復(fù)性擴(kuò)展不確定度U≤3.44%，穩(wěn)定性擴(kuò)展不確定度U≤3.67%。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)表明，該儀器的技術(shù)指標(biāo)和性能達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的設(shè)想，解決了多年存在的高原現(xiàn)場檢測不便的困難，提高了檢測效率，間接提升了高原小型制氧機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量，對(duì)提高高原用氧質(zhì)量有積極意義。從檢測（校準(zhǔn)）數(shù)據(jù)分析可以認(rèn)為，該儀器基本符合作為應(yīng)用質(zhì)量控制檢測標(biāo)準(zhǔn)裝置的使用要求。

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