便携式医用氧气纯度分析仪的研制

李林霞，高俊波，范 榕，吴 霆，徐亚蛟，刘彦琪，马 进，王云英*

（1.空军军医大学航空航天医学系航空航天生理学教研室，西安 710032；2.中国船舶集团有限公司第七一八研究所第四研究室，河北邯郸 056002；3.咸阳职业技术学院医学院护理教研室，西安 712046）

0 引言

医用氧是用于抢救危重患者的药品，其质量的好坏直接关系到医疗效果和生命安全[1]。医用气体系统作为生命支持系统，用于维系危重患者生命、促进其康复以及支持各种医用治疗工具的运行，其质量是医疗安全中不可忽视的重要因素。GB 8982—2009《医用及航空呼吸用氧》中明确规定了医用氧的技术要求，对氧气体积分数、水分含量、二氧化碳体积分数、一氧化碳体积分数、气态酸性物质和碱性物质含量、总烃含量等指标做出了具体要求；同时该标准亦规定医用氧由生产厂负责出厂检验[2]。随着常温空分技术的发展，国内的变压吸附技术和气体膜分离技术及产品日臻成熟，由于新型制氧设备能从空气中直接富集体积分数高于99.5%的医用氧，且不受消防间距的限制，因此成为医院集中供氧的首选氧源，也能提升医院用氧品质并保证供气安全[1-3]。

在采用空分或者氧烛等技术制备医用氧时，如果设备出现故障或制备过程出现失误，其氧气体积分数和杂质含量可能会达不到医用氧的质量指标，从而对患者的身体造成伤害，严重情况可能影响生命安全，从而发生医疗事故，因此需要研制一款能够对医用氧进行现场快速分析检测的设备[4-7]。特别是按照现行航空用氧的卫勤保障要求，航空军医需对机载供氧装备中的氧气进行质量检测，亦需要可在机上使用的小型设备。目前医用氧的标准检测方法是铜氨溶液吸收法，该方法一般只能在实验室进行，并不适用于用氧现场的快速分析检测，而常见的便携式氧气分析仪只是测量空气中的常量氧气，无法对高纯氧气进行检测。鉴于此，本文研制一种体积小、质量轻、测量精度高、稳定性好的便携式医用氧气纯度分析仪，能够对医用氧或航空用氧中的多组分气体进行实时检测，从而保障用氧的安全[8]。

1 硬件设计

便携式医用氧气纯度分析仪采用STM32F103RC作为主控制器，完成信号采集、计算处理、人机交互控制和数据通信等功能[9]。其硬件由电源管理模块、氧气检测模块、一氧化碳/氯气检测模块、流量/二氧化碳检测模块、露点检测模块组成，硬件组成框图如图1 所示。

图1 便携式医用氧气纯度分析仪硬件组成框图

1.1 电源管理模块设计

电源管理模块由锂电池组、充电电路、降压电路和升压电路组成。

锂电池组由6 节18650 锂电池组成，采用二串三并的组合形式。

充电电路使用CN3702 充电管理芯片，采用脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）降压模式对锂电池组进行充电管理，具有恒流和恒压充电模式。恒流充电模式下，充电电流通过电阻R1 进行设置；恒压充电模式下，电压调制在8.4 V，充电电流逐渐减小，当充电电流降低到电阻R5 设置的值时，充电结束。充电电路图如图2 所示。

图2 充电电路图

升压电路使用MC34063 芯片，该芯片由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器、大电流输出开关电路组成，是升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心。升压电路如图3 所示。

图3 升压电路图

降压电路分别采用K7805、LM2596、RT9193 等芯片将锂电池组的电压转换成5.0、3.6、3.3 V，其中5.0 V 用于二氧化碳传感器供电，3.6 V 用于氧化锆传感器加热，3.3 V 用于主控制器及信号采集电路使用。

1.2 氧气检测模块设计

氧气检测模块采用基于氧化锆的离子流传感器（型号为SO-E2-960），氧化锆固态电解质通过高温形成氧浓差电池，氧离子会在电解质中流动，从而形成电流[10-11]。向传感器施加电压，能够限制氧离子的流动速率，输出电流则趋于饱和。输出电流和氧气体积分数成比例关系，满足下面的公式：

式中，Is为传感器的输出电流，单位为μA；vO2为氧气体积分数，单位为%；k为传感器的特定常数。

图4为氧气传感器的输出电流随氧气体积分数的变化曲线，由此可以看出，氧气传感器的输出电流在低体积分数时变化率小，而在高体积分数时变化率大。医用氧气测量时氧气体积分数在99%以上，因此该传感器符合医用氧检测需求。在本分析仪设计过程中，只截取氧气体积分数在90%～100%的区间进行标定，能够提高分析仪对高体积分数氧气的检测精度，更适合医用氧气的检测。

图4 氧气传感器的输出电流随氧气体积分数变化的曲线

氧化锆传感器在使用时必须要对其进行加热，使用3.6 V 电压对其进行加热，同时向其施加1.6 V的电压。采用运算放大器将传感器的输出电流转换为电压，主控制器通过模数转换器（analog-to-digital converter，ADC）将电压信号转换成数字信号，并对采集到的数据进行计算处理后可得到氧气体积分数。氧气检测电路图如图5 所示。

图5 氧气检测电路图

1.3 一氧化碳/氯气检测模块设计

一氧化碳/氯气检测模块采用电化学原理传感器（一氧化碳传感器型号为CO-B4，氯气传感器型号为4CL），结构简单、体积小巧、性能稳定、选择性好、抗干扰能力强[12]。其检测原理是被测气体进入传感器内部发生氧化还原反应，其化学反应过程中会形成电流信号，该电流大小与气体体积分数成正比。

采用LMP91000 将电化学原理传感器信号转换成模拟电压信号。LMP91000 是一种可编程模拟前端，适用于微功耗电化学传感器，能够生成与电化学电流成比例的输出电压。主控制器可以通过I2C 通信对LMP91000 的参数进行设置，并通过ADC 引脚采集LMP91000 输出的模拟电压，从而计算得到一氧化碳和氯气的体积分数。

1.4 流量/二氧化碳检测模块设计

流量/二氧化碳检测模块由气体流量传感器和二氧化碳传感器组成。气体流量传感器采用Siargo公司生产的FS4001 型MEMS 质量流量传感器，该传感器采用热质量流量计，灵敏度高、有极小的始动流量、功耗低，且响应时间快。二氧化碳传感器采用基于非色散红外原理的光学传感器（型号为MSH-P/CO2），该传感器选择性好、稳定性高[13]。其原理是当红外光源发出的红外辐射经过一定体积分数的待测气体吸收之后，与气体体积分数成正比的光谱强度会发生变化，根据光谱光强的变化量可以反演得到待测气体的体积分数。

气体流量传感器和二氧化碳传感器均是直接输出模拟电压，由于气体流量传感器的输出电压范围是0.5～4.5 V，超出了主控制器ADC 的输入范围，因此使用电阻分压的方式将电压降到3.3 V 以下，然后输入到主控制器的ADC 引脚，根据检测到的电压信号即可计算出流量和二氧化碳体积分数。

1.5 露点检测模块设计

露点检测模块采用基于高分子聚酯薄膜湿敏电容的露点传感器（型号为DMT143），该传感器具有线性好、响应快、稳定性高等优点[14]。

露点传感器输出的是RS485 信号，而主控制器只支持通用同步/异步串行接收/发送器（universal synchronous/asynchronous receiver/transmitter，USART）串口通信接口，因此，采用MAX3485 芯片实现RS485信号和USART 串口之间的转换，从而实现主控制器和露点传感器的数据通信。

2 软件设计

软件设计包括显示屏人机交互界面设计和主控制器的系统程序设计2 个部分。

显示屏采用迪文的串口触摸屏，使用DGUS 组态软件进行开发。人机交互界面设计需要实现包括数据测量、数据保存、历史数据查询、数据标定、系统设置等分析仪操作所需要的各种功能。显示屏部分人机交互界面如图6 所示。

图6 便携式医用氧气纯度分析仪显示屏人机交互界面

主控制器的系统程序利用STM32 的HAL 固件函数库在Keil MDK 环境下采用C 语言编写。系统程序设计流程如图7 所示。分析仪上电后先进行系统初始化和外设初始化，初始化完成后判断是否进行测量，若测量则采集各个传感器的信号，等待数据采集完成后，根据标定数据和相应的补偿算法对数据进行处理，计算得到各气体的体积分数显示在显示屏上；之后判断显示屏上是否有操作，若有则处理显示屏的操作指令并通过串口再反馈给显示屏；其次判断上位机软件是否有操作指令，若有则处理上位机的操作指令并反馈给上位机；最后再判断是否进行测量，循环执行。

图7 系统程序设计流程图

3 样机试制及测试

通过以上设计，试制了便携式医用氧气纯度分析仪的样机，样机外观如图8 所示，其主要技术参数见表1。

表1 便携式氧气纯度分析仪样机技术参数

图8 样机外观示意图

为验证便携式医用氧气纯度分析仪的主要检测性能，对氧气检测误差，氧气检测稳定性，一氧化碳、氯气、二氧化碳检测误差进行了测试。

3.1 氧气检测误差测试

氧气体积分数是分析仪主要检测参数，对氧气体积分数检测范围为90%～99%内的10 个浓度点进行通气测试，并记录主控制器ADC 采集到的模数转换值，测试数据见表2。

表2 氧气检测误差测试结果

根据公式（1），已知氧气体积分数和模数采集值可以反推出k值。以氧气体积分数为98%的测量数据为基准，计算出k值，然后再将k值和其他体积分数的模数采集值代入公式计算出对应的氧气体积分数，并计算测量误差（见表2），可以看出绝对误差均在±0.1%以内。

3.2 氧气检测稳定性

由于本分析仪是用于医用氧气的检测，均在高体积分数氧气环境下使用，故对分析仪检测高体积分数氧气的长期稳定性进行了测试。以高纯氧为测试气体，每天测试1 个数据，连续测试15 d，测试结果如图9 所示。可以看出氧气检测长期稳定性较好，测量误差在±0.1%以内。

图9 氧气检测稳定性测试结果

3.3 其他参数检测

针对一氧化碳、二氧化碳、氯气，先使用标准气对分析仪进行了标定，然后对各气体检测量程的20%、50%、80%3 个浓度点进行了通气测试，并计算误差，均在±5%FS 以内，符合设计要求。

4 结语

本文针对医用与航空用氧现场质量检测需求，研制了一款便携式医用氧气纯度分析仪，实现了GB 8982—2009中规定的主要气体成分的分析检测，特别是针对高体积分数氧气的精确检测进行了优化。经过试验测试，氧气的测量误差和长期稳定性均在±0.1%以内，一氧化碳、二氧化碳、氯气的测量误差在±5%FS 以内，满足医用及航空用氧的检测需求，能够保障用氧安全，具有广阔的应用前景。但本分析仪也存在一些不足之处：由于分析仪内部管路和外界环境相通，露点传感器长时间处于高露点环境中，而医用氧的露点很低，在检测过程中，很难在短时间内将管路中的露点降到与标准气一致，导致露点检测误差大、响应时间长，需要采取更合理的结构设计来提高露点检测的精度和缩短响应时间。另外，目前的测试都是在常温常压下进行，而有些工作环境可能是低温低压，在后续的工作中需要在不同的工作环境中进行反复测试，并进行优化，以提升分析仪在特殊环境下的工作适应性。