浮球式壓力計的自帶氣源改進設想

       從我們多年來醫學參數計量檢測的實踐來看,不少大、中醫院的醫學計量站(分站、室),特別是戰區(地區)醫學計量站,大多選用“精密浮球壓力計”作為本系統醫用小壓力參數儀器(例如)的檢測標準器。使用單位普遍反映:浮球壓力計本體比較好用,相對來說重量較輕,便于攜帶,適宜去現場作巡檢、巡修時使用;讓大家深感不便的就是所配氣源大多笨重,攜行困難;壓縮空氣瓶本身幾十千克重,且屬“易爆”物品,受運輸安全等規定限制;通常所配的小型空氣壓縮機組,也有15kg以上重量;雖有自身腳輪,也僅適于短距離(如室內),平滑地面上的移動;對較長距離的車、船、機等的運輸,仍感非常困難。因此,研制一種輕便有源的壓力檢定裝置,就成為適應野戰、適應去基層現場巡檢等任務所必需。

　　1　技術途徑

　　1 .1　浮球式壓力計簡介

　　浮球式壓力計通常由浮球、噴咀、專用砝碼(組)與砝碼架、流量調節器、氣體過濾器、底座、水平調節器等組成。其原理結構,見圖1。其工作原理是:一枚精密的圓球(通常為瑪瑙球)放置在內壁為圓錐形的噴咀內,浮球上掛著砝碼架和專用砝碼(組),重量和為F=F1F3F4式中F1浮球自身重量;F3砝碼架重量;F4砝碼(組)重量。力F的方向為鉛垂向下。由氣源來的氣體通過流量調節器和過濾器噴向球體,氣體向上的壓力使球體在噴咀內漂浮起來。當浮球上所受的重力和浮力相平衡時,就輸出一個穩定而準確的壓力:p0F/S,式中S為浮球的截面積,S=πD 2/4 (D為球直徑),調換不同的砝碼,在平衡后,就可輸出不同的標準壓力值。

　　1 .2　浮球壓力計的優點及注意的問題

　　圖1中所示的浮球與噴咀組件都是選用高強度、高硬度、抗腐蝕性良好的材料,經車、磨、拋光等精加工完成的,并經過高、低溫時效處理,所以結構穩定性優良。砝碼支架通常用高強度鋁鎂合金制作完成后經陶瓷型陽極化處理,以提高表層耐磨性與穩定性。其優點是:

　　(1)只要氣源輸出壓力穩定,就可以保證浮球壓力計有優良的重復性和長時間穩定性。幾十個醫學計量站(分站)所用的浮球壓力計都表現出這一優點,時間長的,已用了10年以上;短的,也有3年以上;每年檢定時,都符合0 .05級的要求。

　　(2)由于輸出標準壓力時,處于動平衡狀態。對某一標準壓力值,可以保持較長時間,便于調試、維修、校準等工作的進行。

　　(3)在適量并聯入三通接咀時,可以同時檢測、校準幾臺(表),為提高檢測效率打下良好技術基礎。

　　應注意的問題是:

　　    注意使噴咀軸線處于鉛垂狀態(監視平板處的水泡,保持底座處于水平狀態)。否則,在平衡時,會引入與地垂線夾角有關的不確定度分量。

　　④最關鍵部位是噴咀與浮球。所以,平時不用時,一定要用薄塑料紙將浮球包蓋好,并用砝碼架把塑料紙與浮球擠牢,防止運輸時,沖撞浮球形成損傷。

　（四）持氣路清潔,防止氣路堵塞現象發生了使輸出標準壓力穩定,應保證氣源壓力穩定且等于輸出滿量程壓力值的2~2 .5倍。例如:1臺浮球壓力計輸出標準壓力為40kPa,要求氣源壓力穩定在80~100kPa內的某一個值上。

　　1 .3　技術方案

　　以國產0 .05級Y047型浮球壓力計為基礎組件,因正壓力的檢測校準對象主要是0~40kPa壓力范圍的、0. 1級和以下級的(表)。所以,標準壓力輸出范圍為0~40kPa,以1kPa為等效砝碼的“分度值”。這樣,原來Y047型配置的4個“50kPa”等效砝碼就用不上了。一方面減輕了約6kg的重量,也節省了約1升的“砝碼倉儲”空間。選用為精密醫療儀器配套的無油正、負壓氣泵作動力源,主要考慮:①是無油泵,可保證提供干燥、清潔、無油的壓縮空氣;④正壓力可穩定輸出90~100kPa壓力;(四）作為負壓(真空)源,如以北京市平均大氣壓———壓力pOA00kPa當作起始點,配置限流閥門,可在100~20kPa范圍內形成負壓(疏空)狀態。(如用相對壓力表示,可認為:北京市平均大氣壓為0,則此泵可形成0~-80kPa的負壓。)④體積較小,約2/3升的體積;重量較輕,約4kg的重量。在上述這兩部分的基礎上,專門設計制作了主機組件,包括安裝有浮球壓力計和氣泵的底座、儀器面板,以及起到保護和裝容氣路、電路、水平調節螺釘等的下箱體。再加上與下箱體鉸鏈連接的上箱體,構成了此儀器的整體。在上、下箱體蓋合后留有的凈空間中,放置了砝碼運輸支架、電源電纜、外接氣管、外配限流閥以及專用半自動電子等配套附件。

　　2　關鍵技術難點與解決措施

　　2 .1　技術難點

　　從一開始的創意就是要解決實際巡檢使用中的“便攜、有源”要求。在保證使用壓力范圍和輸出壓力準確度、穩定度的前提下,應盡量作到:減少體積與重量。西安儀表廠生產的產品Y047型浮球壓力計,因為原設計為0~250kPa滿量程,所以配置了名義值“50kPa”的不銹鋼砝碼4個,每個自重約1. 5kg, 4個約6. 0kg,再加上原來體、外接氣路等附件總重約15kg。從空間分布來看,浮球系統部分與砝碼倉儲部分各約1/2。而本設計的輸出壓力范圍是0~40kPa;準確度等級保持原來的0 .05級即可。這樣,可減去了4個大砝碼的6kg重量和近一半的體積空間。所以,第1型樣機為“組合型”:把一可穩定輸出100kPa氣壓值的無油氣壓泵放入原“砝碼倉”的位置。蓋上機蓋為一整體,到檢測現場,把氣泵取出,聯上電路、氣路就可工作。此樣機的優點是:因工作時,氣泵與浮球壓力計之間僅有氣管相聯,所以氣泵造壓時的振動可以很容易地被隔離,不會影響浮球壓力計輸出壓力的準確度和穩定性。缺點是:氣泵作為一個“獨立”的“整體”,放在同一個箱體中,真正工作時一定要取出放置好,并且聯接電、氣路才能造壓,這樣必須要保持氣泵原有的外殼、支腳、外連氣路等結構附件;按實際稱量,這些與氣泵造壓無直接關系的附件重約4. 5kg。

　　第2型樣機,就是將氣泵整機分解,將“機芯”部分直接固定在原浮球壓力計“砝碼倉”底,并將氣路采用內聯方式與浮球壓力計相連,這樣,既減少了約4. 5kg的重量,又名符其實地形成“有源便攜式”的標準氣壓輸出裝置。但在多次實測中發現:由于空間太小,很難作到有效地減振、隔振,使得輸出氣壓值有±0. 04kPa的抖動值。意即使原來0 .05級的浮球壓力計(40kPa滿量程時,允差0. 02kPa)準確度等級降低為0. 1級,這不是我們所謀求的結果。仔細分析了多次實測的數據,發現:在輸出氣壓≤25kPa時,相當穩定,且與標稱值的偏差都在0 .02kPa內;而>25kPa測壓點,特別是到40kPa時,發現浮球支承起的砝碼架有明顯的抖動,直接影響到輸出壓力值的穩定性和準確度。仔細分析后,認為浮球支承起的砝碼架實際上是個“擺”,當掛上名義值為40kPa砝碼后,此擺系統的固有振動頻率接近于氣泵電機轉子的振動頻率,幾乎形成諧振,因此加大了浮球砝碼架的抖動,最終影響了輸出氣壓的穩定與準確。所以,在委托沈陽119廠制作第3型樣機時,除了采取措施對氣泵機芯進行減振處理外,也在結構和裝調工藝上,對此振源部分進行提高剛度進而提高其諧振頻率的處理,使得此諧振頻率遠離開“浮球砝碼擺”的自振頻率范圍。經過大量實測證明:這一技術難點已得到較好解決:即實現了“有源、便攜”的要求,又在0~40kPa范圍內,滿足了0.05級的輸出準確度等級要求。

　　2.2負壓“可調”功能的設置

　　為滿足下基層、去現場巡檢、巡修時,對負壓源的需要,在儀表面板上專門設置了負壓(真空)檢測接管咀和小型負壓表作負壓顯示。在實測時發現,從當地當時的大氣壓p0開始,按現在負壓泵的抽空能力和普通的密封防漏方式,很快就可以實現疏空去掉0 .85p0,保持0 .15p0的負壓(或“真空”)狀態。但是很難在1~0. 15p0之間,設定并保持幾個不同的負壓點。(例如:0.8、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2p0)。從保持某一負壓測量值的前提是維持“進、出平衡”的基本原理出發,在被疏空容器或管路上,并聯上1~2個可調節流閥,靠調整節流閥的“開口度”,造成不同程度的“泄漏”,以實現在不同的負壓點保持“動平衡”的目的。如果在1~0 .15p0之間,只要求1個負壓點,也可采用在的管路段上刺入1根7#或9#注射針頭的方式來解決。

　　另外,如有特殊需求,在不更換負壓泵的前提下,全密封時,“極限負壓值”是0. 15p0;如要在較短時間段(例如10s)內,保持0. 1p0負壓值,可在管路上用三通管先聯好1~2個50ml的醫用塑料一次性注射器。當氣路系統已達到0.15p0的“極限”值后,(此時注射器的“活塞桿”一定是處于最前端),緩慢向后拉注射器“活塞桿”,可使管路在小于等于10s內保持0.1p0的負壓。

2.3　探索、全自動電子的動態檢定方法

　　JJG692-1999“電子檢定規程”專門注明“靜態”。意即:與檢定汞柱式一樣:外加幾個標準壓力例如: 40、36、32、28、24、20、16、12、8、4、10、0kPa (300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、0mmHg),看被檢儀器顯示這些壓力值的“靜態”偏差是多少。而對國際通行的“16號國際建議”方式———以“聽診法”為基礎的“統計學”意義上的“動態準確度”則采取*回避的作法。

　　我們的思路是:既然是國家版本的檢定規程,就一定要遵守。在*執行JJG692-1999的要求,解決了“靜態”性能指標之后,探索與“16號國際建議”靠攏或“接軌”的途徑。思路如下:用我們研制的“有源正、負壓校準儀”的正壓輸出方式,按前述從40kPa (300mmHg)開始,每下降4kPa(30mmHg)為一臺階的方法,檢定一批半自動電子,按靜態準確度1%的要求(300mmHg內允差±3mmHg),絕大多數都是合格品,從其中挑出各測點與給定標準壓力值的偏差Δ=133.3224PaΔ≤1mmHg)的優級品,并在一年的時間內,每隔45~60天測幾次升、降壓往復過程,證明了這幾臺優級品有良好的重復性和長時間穩定性,可作為“有源正、負壓校準儀”的“壓力傳遞標準”專用配件,用于檢定全自動電子與。

　　檢測方法是:用三通管把被檢全自動電子(或) A袖袋氣管與此“壓力傳遞標準”B氣管聯在一起。任選一成年人被試者,套好袖袋為其(用自動加壓氣泵加壓后)測量血壓,分別記錄pA高、pA低;pB高、pB低;得出Δ1=|pB高-pA高|,Δ2=|pB低-pA低|。如Δ1、Δ2≤533.3Pa (相當≤4mmHg)即為合格。如能選取更多的被試者,而且被試者血壓值范圍較寬(即有平均血壓高者、也有平均血壓低者和平均血壓正常者),則這種對全自動電子(或)的檢測校準方法其可信度是很高的。

　　3　樣機實用情況

　　從已研制出的3臺樣機在15個月中的檢測情況來看,保持了原浮球壓力計良好的重復性和長時間穩定性:上百次的檢測中,每次檢定結果都保持了0.05級的準確度等級要求。因為其較輕便(整機重量≤11.5kg)便攜和堅固、耐沖擊等特點,也由于其可輸出正壓、負壓,適應基層單位的廣泛需要,擴展了功能,減輕了勞動強度,提高了效率,在往返幾千km、對80多個單位的巡檢的工作中受到廣泛歡迎。該項成果經機構聯機檢索查新,在國內外具有新穎性和*性,并已申辦了中國。