基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪性能测试研究

郭伟，丁攀，刘娟，罗二平，汤池

1. 空军军医大学 军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032；2. 解放军73096部队，江苏 南京 210049

引言

氧气在日常生产生活中无处不在，广泛应用于医疗卫生、能源化工和军事作业等方面，而且日常生产生活中使用的氧气，对氧气浓度要求非常严格，尤其在医疗卫生行业，氧气浓度是否达标直接关系着病人的生命和健康，因此需要对相应的制氧设备进行定期计量检测，确保用氧浓度达到医用标准。其中，针对高原地区的制氧设备，主要利用传统的铜铵法对其制氧浓度进行原位检测，但是利用传统铜氨法测量氧气浓度存在一些缺陷，包括：氧气浓度测量全程为纯手工测量，而且测量步骤繁杂；人为因素影响大；缺乏自动化测试技术；玻璃器皿携带很不方便等[1]，已经无法满足大型制供氧设备和特殊用途医疗制供氧设备原位、快速、精确氧气浓度测量的实际要求。在传统铜氨法测量氧气浓度的原理基础上，本课题组通过优化和改进，研制了一种基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪样机[2-3](下文简称“样机”)，见图1。样机具有两个氧气浓度测量量程，分别为0～99%和99%～100%，使用环境要求：温度0～45℃，湿度0～90%。基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪可应用于各级医院制供氧设备制氧浓度的计量检测，且主要应用于高原地区制供氧设备的原位检测，为确保高原军民的用氧安全提供计量检测技术保障。

图1 基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪样机

参考气体氧分析仪的国家计量检定规定[4]和氧浓度计量检定方法，为了测试样机的性能指标是否能够达到平原和高原不同环境下氧气浓度测量的具体要求。本文设计了如下实验进行测试研究，为样机的实际应用提供保证。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验使用的仪器设备

实验使用的仪器设备包括：① 样机；② 数字式温湿度计：香港希玛AR837，温度检测量程为-10℃～+50℃，精度为±1℃；湿度检测量程为（10%～99%）RH，精度为±3% RH；③ 天平：精度±100 mg，西安天秤仪器厂；④ 温度爆炸减压复合舱和海拔高度测量仪：中国宏远氧业有限公司；⑤ 高精度单级减压器：尺寸大小为25 cm×0.6 cm，爆破压力为35 MPa，型号为A-1H，W21.8出气口，进口压力为15 MPa，出口压力为0～1.2 MPa；⑥ 标准氧浓度气体气瓶：共6组，氧气浓度分别为：30.0%、49.7%，70.3%、90.0%、99.20%、99.60%，容量为2 L。标准氧浓度气体信息如表1所示。

表1 标准氧浓度气体信息

1.2 实验使用的试剂

主要采用天力化学试剂有限公司生产的纯氯化铵和纯氨水，参数分别如下：① 纯氯化铵：含有NH4CL大于99.5%，白色结晶粉末状；② 纯氨水：含有NH3为25%。

1.3 实验环境

实验环境如下所示：① 平原环境：平均温度：15 ℃；平均湿度：35%RH；平均大气压：95.9 kPa；② 模拟海拔3 km高原环境：平均温度：18℃，平均湿度：46%RH；平均大气压：70.1 kPa；③ 模拟海拔4 km高原环境：平均温度：18 ℃，平均湿度：46%RH，平均大气压：61.3 kPa；④ 模拟海拔5 km高原环境：平均温度：18 ℃，平均湿度：46%RH，平均大气压：53.8 kPa。

1.4 实验方法

在平原环境下的氧气浓度测量：在陕西省西安市海拔高度为485 m的某实验室，采用样机对表1中的4组常量标准氧浓度气体（30.00%、49.70%、70.30%、90.00%）和2组高浓度标准氧浓度气体（99.20%、99.60%）进行测量。每组标准氧浓度气体共进行6次重复测量，采用统计学分析方法分析处理测量结果，并评估样机的氧浓度测试性能；在模拟高原低压环境下的氧气浓度测量：采用低压舱分别模拟不同海拔高度（3、4、5 km）的低压环境，见图2～3。选择氧浓度分别为49.70%和99.60%的两组标准氧浓度气体作为被测标准气体，每组标准氧浓度气体共进行6次重复测量，采用统计学分析方法分析处理测量结果，并评估样机的氧浓度测试性能。

图2 低压舱模拟高原低压环境试验现场

图3 模拟海拔5 km低压环境下测量99.60%标准气体

1.5 统计学分析

1.5.1 测量不确定度分析

根据测量误差基本理论可知，任何测量过程都存在误差，因此通过测量无法得到氧浓度的真值，只能得到氧浓度真值的近似估计值和用于表示近似程度误差范围，导致测量结果具有不确定性，所以测量结果需要给出对应的测量不确定度，这样测量结果才有意义[5-6]。采用测量不确定度评价测量结果比传统的测量误差更科学，也更符合测量实际。在计量检测领域，测量不确定度已经广泛应用于各行业[7-9]。本文参考《顺磁式氧分析器检定规程》[10-12]，利用测量不确定度的评定方法对测量结果进行分析评定。

测量结果利用测量不确定度进行评定的表达式为：Y=y(U)。式中，y为测量结果的均值，U为扩展不确定度。该表达式的含义为：被测量Y的真实值位于[y-U,y+U]间的概率非常大。通过判断测量结果[y-U,y+U]是否包含表1中标准氧浓度气体的标准浓度值，从而验证样机在平原环境和模拟高原低压环境下的各项性能指标是否达到设计要求。

1.5.2 假设检验分析

采用均值± 标准差 (±s) 表示测量结果，并利用SPSS 20.0进行两样本t检验，设置显著水平为0.05，分别比较在平原环境下49.7%的标准氧浓度气体的氧气浓度测量值与模拟高原低压环境（3、4、5 km）下的氧气浓度测量值是否有差异性，分析样机的氧气浓度测量值是否受模拟高原低压环境的影响。

2 结果

2.1 平原环境下的测量值

在平原环境下，利用样机对6组标准氧浓度气体进行氧气浓度测量，最佳测量值和不确定度评定结果[n=6，y(U)]如表2所示。在测量不确定度评定的范围内，表1中的6组标准氧浓度值均包含于表2的测量不确定度所表示的氧气浓度测量结果范围内，因此可以判定样机在平原环境下的氧气浓度测量值准确、可靠，其测量性能达到了设计要求。

表2 平原环境下氧气浓度测量结果（%）

2.2 模拟高原环境下的测量值

在模拟海拔3、4、5 km的高原环境下，利用样机对标准氧气浓度分别为49.7%和99.60%的两组气体进行测量，最佳测量值和测量不确定度[n=6，y(U)]如表3所示。两组标准氧浓度值均包含于表3的测量不确定度所表示的测量结果范围内，因此可以判定样机在模拟高原环境下的测量值准确、可靠，其测量性能达到了设计要求。

表3 模拟不同海拔高度下氧气浓度测量结果（%）

2.3 平原环境和模拟高原环境的差异性结果

表4和表5分别是氧气浓度为49.70%的标准气体和99.60%的标准气体在平原环境和模拟高原环境下的测量值。表4和表5的测量值表明：49.70%和99.60%的标准氧浓度气体的测量值在平原环境下与模拟高原（3、4、5 km）环境下均无显著差异(P＞0.05)。因此，在平原环境和模拟高原环境下，样机的氧气浓度测量值无差异性，即高原低压环境对样机的氧气浓度测量值没有影响。

表4 在平原环境和模拟高原环境下，49.7%氧浓度标准气体的测量值

表5 在平原环境和模拟高原环境下，99.60%氧浓度标准气体的测量值

2.4 样机的示值误差和重复性

由于现行检定规程中，并没有针对铜氨法氧分析器的检定规程，因此本文参照《氧化锆氧分析器检定规程》中的计量检定要求[13]，利用平原环境下的测量结果分析计算样机的测量误差（示值误差），如表6所示。根据《氧化锆氧分析器检定规程》的检定方法重复性的检定需要选用浓度值约为满量程的50%的标准气体，而样机具有两个测量量程，分别为：0～99%和99%～100%，因此本位选用49.7%的标准气体的测量结果计算0～99%量程的重复性，选用99.60%的标准气体测量结果计算99%～100%量程的重复性，如表7所示。

表6 样机的氧浓度测量误差（%）

表7 样机的氧浓度测量重复性（%）

如果按照《氧化锆氧分析器检定规程》的检定要求，根据表6和表7的计算结果，可知：样机的示值误差＜±5%FS，重复性＜1.5%，符合《氧化锆氧分析器检定规程》中关于氧浓度测量的示值误差和重复性的性能要求。

3 讨论

在计量检定领域，经常采用标准物质作为计量标准进行量值传递。本文选用经过计量检定合格的氧气标准物质作为计量标准，对样机性能进行计量测试，该计量测试过程满足标准量值的传递要求[14-15]。

表2和表3的测量结果表明，在平原环境和模拟高原环境下，样机均可准确、可靠地测量氧气浓度值，而且在测量结果中使用测量不确定更全面地反映了样机的检测性能[16-18]。同时将氧气浓度为49.70%的常量标准气体和氧气浓度为99.60%的高浓度标准气体在平原环境和高原低压环境下的测量结果进行统计学分析比较，由表4和表5的测量结果可知，样机的测量性能在模拟高原低压环境下与平原环境相一致，高原低压环境对样机的测量性能没有影响。

我国西南高原地区不仅气压比平原地区低，而且气温也比平原地区低，青藏高原的最低气温曾有文献记载为-37℃[19]，因此为了更全面的评价自动化氧浓度检测仪在西南高原地区的测量性能，后续还需要对样机进行低温（-40～0℃）测量实验。由于本课题研制的样机控制系统均采用了商业级器件，导致样机无法在零下的低温环境下工作，后续将采用工业级器件对样机的控制系统进行升级改造，从而进一步提高基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪的高原特殊环境适应能力。