浮球式压力计的自带气源改进设想

       从我们多年来医学参数计量检测的实践来看,不少大、中医院的医学计量站(分站、室),特别是战区(地区)医学计量站,大多选用“精密浮球压力计”作为本系统医用小压力参数仪器(例如血压计)的检测标准器。使用单位普遍反映:浮球压力计本体比较好用,相对来说重量较轻,便于携带,适宜去现场作巡检、巡修时使用;让大家深感不便的就是所配气源大多笨重,携行困难;压缩空气瓶本身几十千克重,且属“易爆”物品,受运输安全等规定限制;通常所配的小型空气压缩机组,也有15kg以上重量;虽有自身脚轮,也仅适于短距离(如室内),平滑地面上的移动;对较长距离的车、船、机等的运输,仍感非常困难。因此,研制一种轻便有源的压力检定装置,就成为适应野战、适应去基层现场巡检等任务所必需。

　　1　技术途径

　　1 .1　浮球式压力计简介

　　浮球式压力计通常由浮球、喷咀、专用砝码(组)与砝码架、流量调节器、气体过滤器、底座、水平调节器等组成。其原理结构,见图1。其工作原理是:一枚精密的圆球(通常为玛瑙球)放置在内壁为圆锥形的喷咀内,浮球上挂着砝码架和专用砝码(组),重量和为F=F1F3F4式中F1浮球自身重量;F3砝码架重量;F4砝码(组)重量。力F的方向为铅垂向下。由气源来的气体通过流量调节器和过滤器喷向球体,气体向上的压力使球体在喷咀内漂浮起来。当浮球上所受的重力和浮力相平衡时,就输出一个稳定而准确的压力:p0F/S,式中S为浮球的最大截面积,S=πD 2/4 (D为球直径),调换不同的砝码,在平衡后,就可输出不同的标准压力值。

　　1 .2　浮球压力计的优点及注意的问题

　　图1中所示的浮球与喷咀组件都是选用高强度、高硬度、抗腐蚀性良好的材料,经车、磨、抛光等精加工完成的,并经过高、低温时效处理,所以结构稳定性优良。砝码支架通常用高强度铝镁合金制作完成后经陶瓷型阳极化处理,以提高表层耐磨性与稳定性。其优点是:

　　(1)只要气源输出压力稳定,就可以保证浮球压力计有优良的重复性和长时间稳定性。几十个军队医学计量站(分站)所用的浮球压力计都表现出这一优点,时间长的,已用了10年以上;短的,也有3年以上;每年检定时,都符合0 .05级的要求。

　　(2)由于输出标准压力时,处于动平衡状态。对某一标准压力值,可以保持较长时间,便于调试、维修、校准等工作的进行。

　　(3)在适量并联入三通接咀时,可以同时检测、校准几台血压计(表),为提高检测效率打下良好技术基础。

　　应注意的问题是:

　　    注意使喷咀轴线处于铅垂状态(监视平板处的水泡,保持底座处于水平状态)。否则,在平衡时,会引入与地垂线夹角有关的不确定度分量。

　　④最关键部位是喷咀与浮球。所以,平时不用时,一定要用薄塑料纸将浮球包盖好,并用砝码架把塑料纸与浮球挤牢,防止运输时,冲撞浮球形成损伤。

　（四）持气路清洁,防止气路堵塞现象发生了使输出标准压力稳定,应保证气源压力稳定且等于输出满量程最大压力值的2~2 .5倍。例如:1台浮球压力计输出标准压力为40kPa,要求气源压力稳定在80~100kPa内的某一个值上。

　　1 .3　技术方案

　　以国产0 .05级Y047型浮球压力计为基础组件,因正压力的检测校准对象主要是0~40kPa压力范围的、0. 1级和以下级的血压计(表)。所以,标准压力输出范围为0~40kPa,以1kPa为等效砝码的“分度值”。这样,原来Y047型配置的4个“50kPa”等效砝码就用不上了。一方面减轻了约6kg的重量,也节省了约1升的“砝码仓储”空间。选用为精密医疗仪器配套的无油正、负压气泵作动力源,主要考虑:①是无油泵,可保证提供干燥、清洁、无油的压缩空气;④正压力可稳定输出90~100kPa压力;(四）作为负压(真空)源,如以北京市平均大气压———绝对压力pOA00kPa当作起始点,配置限流阀门,可在100~20kPa范围内形成负压(疏空)状态。(如用相对压力表示,可认为:北京市平均大气压为0,则此泵可形成0~-80kPa的负压。)④体积较小,约2/3升的体积;重量较轻,约4kg的重量。在上述这两部分的基础上,专门设计制作了主机组件,包括安装有浮球压力计和气泵的底座、仪器面板,以及起到保护和装容气路、电路、水平调节螺钉等的下箱体。再加上与下箱体铰链连接的上箱体,构成了此仪器的整体。在上、下箱体盖合后留有的净空间中,放置了砝码运输支架、电源电缆、外接气管、外配限流阀以及专用半自动电子血压计等配套附件。

　　2　关键技术难点与解决措施

　　2 .1　技术难点

　　从一开始的创意就是要解决实际巡检使用中的“便携、有源”要求。在保证使用压力范围和输出压力准确度、稳定度的前提下,应尽量作到:减少体积与重量。西安仪表厂生产的名牌产品Y047型浮球压力计,因为原设计为0~250kPa满量程,所以配置了名义值“50kPa”的不锈钢砝码4个,每个自重约1. 5kg, 4个约6. 0kg,再加上原来体、外接气路等附件总重约15kg。从空间分布来看,浮球系统部分与砝码仓储部分各约1/2。而本设计的输出压力范围是0~40kPa;准确度等级保持原来的0 .05级即可。这样,可减去了4个大砝码的6kg重量和近一半的体积空间。所以,第1型样机为“组合型”:把一可稳定输出100kPa气压值的无油气压泵放入原“砝码仓”的位置。盖上机盖为一整体,到检测现场,把气泵取出,联上电路、气路就可工作。此样机的优点是:因工作时,气泵与浮球压力计之间仅有气管相联,所以气泵造压时的振动可以很容易地被隔离,不会影响浮球压力计输出压力的准确度和稳定性。缺点是:气泵作为一个“独立”的“整体”,放在同一个箱体中,真正工作时一定要取出放置好,并且联接电、气路才能造压,这样必须要保持气泵原有的外壳、支脚、外连气路等结构附件;按实际称量,这些与气泵造压无直接关系的附件重约4. 5kg。

　　第2型样机,就是将气泵整机分解,将“机芯”部分直接固定在原浮球压力计“砝码仓”底,并将气路采用内联方式与浮球压力计相连,这样,既减少了约4. 5kg的重量,又名符其实地形成“有源便携式”的标准气压输出装置。但在多次实测中发现:由于空间太小,很难作到有效地减振、隔振,使得输出气压值有±0. 04kPa的抖动值。意即使原来0 .05级的浮球压力计(40kPa满量程时,最大允差0. 02kPa)准确度等级降低为0. 1级,这不是我们所谋求的结果。仔细分析了多次实测的数据,发现:在输出气压≤25kPa时,相当稳定,且与标称值的偏差都在0 .02kPa内;而>25kPa测压点,特别是到40kPa时,发现浮球支承起的砝码架有明显的抖动,直接影响到输出压力值的稳定性和准确度。仔细分析后,认为浮球支承起的砝码架实际上是个“摆”,当挂上名义值为40kPa砝码后,此摆系统的固有振动频率接近于气泵电机转子的振动频率,几乎形成谐振,因此加大了浮球砝码架的抖动,最终影响了输出气压的稳定与准确。所以,在委托沈阳119厂制作第3型样机时,除了采取措施对气泵机芯进行减振处理外,也在结构和装调工艺上,对此振源部分进行提高刚度进而提高其谐振频率的处理,使得此谐振频率远离开“浮球砝码摆”的自振频率范围。经过大量实测证明:这一技术难点已得到较好解决:即实现了“有源、便携”的要求,又在0~40kPa范围内,满足了0.05级的输出准确度等级要求。

　　2.2负压“可调”功能的设置

　　为满足下基层、去现场巡检、巡修时,对负压源的需要,在仪表面板上专门设置了负压(真空)检测接管咀和小型负压表作负压显示。在实测时发现,从当地当时的大气压p0开始,按现在负压泵的抽空能力和普通的密封防漏方式,很快就可以实现疏空去掉0 .85p0,保持0 .15p0的负压(或“真空”)状态。但是很难在1~0. 15p0之间,设定并保持几个不同的负压点。(例如:0.8、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2p0)。从保持某一负压测量值的前提是维持“进、出平衡”的基本原理出发,在被疏空容器或管路上,并联上1~2个可调节流阀,靠调整节流阀的“开口度”,造成不同程度的“泄漏”,以实现在不同的负压点保持“动平衡”的目的。如果在1~0 .15p0之间,只要求1个负压点,也可采用在指定的管路段上刺入1根7#或9#注射针头的方式来解决。

　　另外,如有特殊需求,在不更换负压泵的前提下,全密封时,“极限负压值”是0. 15p0;如要在较短时间段(例如10s)内,保持0. 1p0负压值,可在管路上用三通管先联好1~2个50ml的医用塑料一次性注射器。当气路系统已达到0.15p0的“极限”值后,(此时注射器的“活塞杆”一定是处于最前端),缓慢向后拉注射器“活塞杆”,可使管路在小于等于10s内保持0.1p0的负压。

2.3　探索血压监护仪、全自动电子血压计的动态检定方法

　　JJG692-1999“电子血压计检定规程”专门注明“静态”。意即:与检定汞柱式血压计一样:外加几个标准压力例如: 40、36、32、28、24、20、16、12、8、4、10、0kPa (300、270、240、210、180、150、120、90、60、30、0mmHg),看被检仪器显示这些压力值的“静态”偏差是多少。而对国际通行的“16号国际建议”方式———以“听诊法”为基础的“统计学”意义上的“动态准确度”则采取完全回避的作法。

　　我们的思路是:既然是国家最新版本的检定规程,就一定要遵守。在完全执行JJG692-1999的要求,解决了“静态”性能指标之后,探索与“16号国际建议”靠拢或“接轨”的途径。思路如下:用我们研制的“有源正、负压校准仪”的正压输出方式,按前述从40kPa (300mmHg)开始,每下降4kPa(30mmHg)为一台阶的方法,检定一批半自动电子血压计,按静态准确度1%的要求(300mmHg内允差±3mmHg),绝大多数都是合格品,从其中挑出各测点与给定标准压力值的偏差Δ=133.3224PaΔ≤1mmHg)的优级品,并在一年的时间内,每隔45~60天测几次升、降压往复过程,证明了这几台优级品有良好的重复性和长时间稳定性,可作为“有源正、负压校准仪”的“压力传递标准”专用配件,用于检定全自动电子血压计与血压监护仪。

　　检测方法是:用三通管把被检全自动电子血压计(或血压监护仪) A袖袋气管与此“压力传递标准”B气管联在一起。任选一成年人被试者,套好袖袋为其(用自动加压气泵加压后)测量血压,分别记录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 (相当≤4mmHg)即为合格。如能选取更多的被试者,而且被试者血压值范围较宽(即有平均血压高者、也有平均血压低者和平均血压正常者),则这种对全自动电子血压计(或血压监护仪)的检测校准方法其可信度是很高的。

　　3　样机实用情况

　　从已研制出的3台样机在15个月中的检测情况来看,保持了原浮球压力计良好的重复性和长时间稳定性:上百次的检测中,每次检定结果都保持了0.05级的准确度等级要求。因为其较轻便(整机重量≤11.5kg)便携和坚固、耐冲击等特点,也由于其可输出正压、负压,适应基层单位的广泛需要,扩展了功能,减轻了劳动强度,提高了效率,在往返几千km、对80多个单位的巡检的工作中受到广泛欢迎。该项成果经权威机构联机检索查新,在国内外具有新颖性和先进性,并已申办了中国专利。