输液瓶液位测量及报警装置*

佟望舒 李晓宇 王 琦

中国地质大学 北京 100083

输液瓶液位测量及报警装置*

佟望舒 李晓宇 王 琦

中国地质大学 北京 100083

为了实现对输液瓶液位的监控，设计了具有测量液位和报警性能的装置。将输液瓶挂到装置的挂钩上，即可以随时测量液位高度，并在警戒高度发出报警信号。该装置具有设计简单、成本低廉、外观小巧、使用方法简便且适用于多种规格的输液瓶或袋装药品等特点，可应用于医院输液监控室和家用输液报警等。

液位测量；报警；胡克定律

输液瓶液位测量及报警装置是为避免输液瓶内的液体全部流净，空气进入血管，发生危险。从光学、电磁学和力学这几种基本原理出发，都可以实现对液位的监控，因使用环境和对装置精确度要求的不同，选择相应的原理和配套方案，制作出具有不同量程、精密度和报警方式的液位监控装置。

本文针对2009年北京市物理实验技能大赛中的一个题目，模拟输液瓶的液位测量及报警。根据题目要求，装置需完成两项任务：(1)随时对瓶内液体高度进行显示；(2)当到达之前设定好的报警高度时，有报警信号发出。在本次比赛中设计的液位测量及报警装置如图1所示。

一、基本原理

本装置通过测量输液瓶和瓶内液体的重力来间接测量液位，并在警戒水位进行报警，当瓶子挂到装置上，即可开始对液位进行监控。装置由弹簧、齿条和齿轮等机械部件的组合，通过胡克定律实现了将重力转化为相应高度，从而间接测量液位。同时在装置上设有报警电路，通过指针的转动，与金属触头相接触，报警电路接通，即完成在警戒液位的报警。

1.液位测量原理

利用胡克定律F=-kx,重力使弹簧形变伸长，带动连接在弹簧上的齿条产生竖直方向的位移，从而使得与其啮合的齿轮转动，带动齿轮上所连指针转动，操作者可以通过指针直接在表盘读出液位(如图2所示)。

图2 机械构造原理图

2.液位报警原理

指针随着液位的改变而转动，当液位到达报警高度，即与正极相接的指针摆到一定位置，与电路中金属触头相接触(金属触头接报警电路负极)。指针和金属触头充当机械报警开关，闭合报警电路，进行报警，(如图3所示)。

图3 报警装置示意图

二、装置设计及特点

液位测量及报警装置主要以由弹簧、齿条、齿轮、调零螺丝、表盘、指针组成的机械装置，和由电源、发光二级管、蜂鸣器、调频FM无线呼叫器、指针开关和手动开关组成的报警电路两部分组成。

1.机械设计

以表盘为母板，在其背面将调零螺丝固定在母板上；两根规格相同的弹簧平行放置，一端与调零螺丝相连接，并此端为固定端，另一端与挂钩和齿条相连接；在表盘中心打上一个孔，将齿轮安装在孔道中，确保它可以与齿条啮合自由转动；在齿轮正面安上指针后，就完成了机械部分的设计(可参考图2)。

2.报警电路设计

在机械装置后面附有报警电路，其组成为：电源、发光二级管、蜂鸣器、调频FM无线呼叫器、指针开关和手动开关。报警电路需接入机械装置，设计成触动开关。电源负极接到表盘的零点处，即为突起的一个金属小头，当与正极相连的指针偏回零点时，可以与其接触，接通报警电路(如图4所示)。

图4 报警电路图

当报警电路接通时，蜂鸣器响报警灯亮，如果设有调频FM无线呼叫器，即向控制中心发射无线编码，经过对该无线编码进行解码，找到对应的接收器，确定出呼叫位置，在控制中心工作的人员就可以及时发现。

3.装置特点

装置设有调整指针初始位置的旋钮，即调零旋钮。当转动调零螺丝，使得与其相连的弹簧和锯齿整体上下移动，此时锯齿的移动带动了齿轮的转动，即对指针初始位置进行了调整，此种方法可以实现改变预设报警液位高度，所以当更换不同输液瓶的时候，可以进行重新调整，从而此装置适用于各种规格的输液瓶或袋装药品(可参考图2)。同时装置还有设计原理简单、成本低、外观小巧、操作简单、干扰因素少等特点。

三、数据测量与分析

1.测量数据

本装置预设100ml进行报警，实测20组报警液位数据如下(见表1)。

表1

2.误差分析

审查结果：这20组数据全在格罗布斯判据范围内，所以无需剔除。

不确定度来源：

扩展不确定度U=kuc=2×6.6652ml=13.3303ml≈13.00ml

测量结果V=100.75±13.00(ml),k=2

报警液位平均值为：100.75ml(见图5)；

相对误差：0.75% (见图6)；

能够在113.75ml～87.75ml范围内报警的概率有95.4%。

图5 报警液位分布图

图6 报警高度与设定值的偏离情况

3.误差来源分析

误差主要来源是系统误差，是来自报警器本身存在的机械误差。

(1)齿轮和齿条的机械连续性不好，由于安装时轮齿间有微小间隙，且齿对数目有限，转动起来啮合不紧密，转动的平稳性不是很好，导致的指针转动不稳定，这在报警时会产生一些误差。可以使用直径更大、齿数更多、啮合性更好的齿轮，使其指针偏转平稳，报警精度提高。或是完全避免齿条齿轮带来的机械误差，而通过利于其它方法实现指针偏转。例如，使用发条替代弹簧、齿条和齿轮。

(2)弹簧的刚性变形而带来的系统误差。根据实验测试，在短期内的测量使用对报警准确度不会带来过大影响，可以忽略，但对于长期的使用后所带来的影响，还在进行实验测量中。

四、结束语

此液位测量及报警装置具有能随时测量液体的高度，报警可靠，内设重调系统可以适用于各种规格输液瓶的报警及液位测量，且报警形式多样、外观小巧、造价低廉和操作简单等优点。既适用于医院内输液室进行监控报警，同时简便的操作和低廉的价格也便于用户在家自己使用，利于推广。

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A device for measuring the liquid level of infusion bottles and alarming for danger

Tong Wangshu, Li Xiaoyu, Wang Qi
China university of geoscience (Beijing), Beijing,100083, China

This paper presents a device that measures the liquid level of infusion bottle and gives an alarm to remind people the low level for danger .The device has been awarded a prize in physics experiment competition. It can monitor the level all the time and make a signal to doctors and patients to avoid the air entering into the blood vessel. The device has simple design、low cost、small body、easy to use and the well function for all kinds of bottles used in infusion. The device can be personal use at home and be extended to infusion room in hospitals.

liquid level measure; alarming; Hooke's Law

book=33,ebook=346

2009-12-13

佟望舒，本科。

*本文研究得到中国地质大学(北京)物理教学示范中心开放基金的支持。