新型液位探測(cè)技術(shù)在醫(yī)用超聲霧化器中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

周健煖

廣東省佛山市南海區(qū)第二人民醫(yī)院 設(shè)備科，廣東 佛山 528251

引言

研究表明，霧霾對(duì)人體有很大的影響，尤其是呼吸道疾病，發(fā)病率呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢(shì)[1]。醫(yī)用超聲霧化器主要用于治療各種上下呼吸系統(tǒng)疾病，其是通過晶體振蕩電路使霧化片產(chǎn)生超聲波，經(jīng)以水槽內(nèi)的水為介質(zhì)作用于藥杯，使藥杯中的水溶性藥物振蕩變成能懸浮于氣體中的中位粒徑小于5 μm的藥?kù)F顆粒，藥?kù)F顆粒經(jīng)風(fēng)機(jī)送風(fēng)并通過波紋管及咬嘴或面罩讓患者吸入。霧化吸入療法具有操作簡(jiǎn)單、藥物直達(dá)病灶、局部病灶藥物濃度高、用藥量少、安全性高及毒副作用小的優(yōu)點(diǎn)[2]，發(fā)揮了靜脈或口服給藥不可替代的作用。當(dāng)霧化片工作在諧振頻率時(shí)，霧化片的諧振阻抗只有幾歐姆以下，發(fā)熱量會(huì)很高，在水槽缺水不能冷卻的情況下，容易熔化塑料材質(zhì)的水槽底部而造成機(jī)內(nèi)漏水，甚至發(fā)生觸電事故。醫(yī)用超聲霧化器最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0109-2013第4.6(b)要求具備低水位提示或停機(jī)裝置[3]，因此液位探測(cè)是醫(yī)用超聲霧化器的必要功能。

1 材料與方法

1.1 主流液位探測(cè)技術(shù)的對(duì)比

液位檢測(cè)分為接觸式和非接觸式，“非接觸”是指液位開關(guān)無需與液體直接接觸，而是安裝在儲(chǔ)存液體的容器外壁[4]，反之則為“接觸式”。主流液位探測(cè)技術(shù)有以下幾種類型。

（1）浮力式。浮力式液位探測(cè)裝置主要由磁性浮子和干簧管組成，干簧管放置于空膠管內(nèi)，浮子活動(dòng)于空膠管外側(cè)，沉浸在容器內(nèi)液體中的磁性浮子高度隨液體高低而改變，浮子移動(dòng)至干簧管同高度時(shí)，干簧管閉合，反之?dāng)嚅_，實(shí)現(xiàn)液位探測(cè)的功能[5]。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，成本低，缺點(diǎn)是要接觸式探測(cè)，容易產(chǎn)生污垢而使浮子卡頓，導(dǎo)致探測(cè)失效。主流醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)品采用這種方式。

（2）超聲式。超聲式液位計(jì)利用超聲波遇到液面產(chǎn)生反射，通過測(cè)量回聲距離，從而測(cè)量出液位[6]。優(yōu)點(diǎn)是非接觸式探測(cè)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，安裝環(huán)境適應(yīng)性弱，部分物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈的吸收作用。

（3）壓力式。通過固定在水下的壓力傳感器將水壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過電信號(hào)與水深的換算關(guān)系推求水位[7]。優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是接觸式探測(cè)，在小型化水位探測(cè)不夠準(zhǔn)確。

（4）雷達(dá)式。雷達(dá)式液位計(jì)產(chǎn)生微波通過天線向下射出，微波遇到障礙物時(shí)有部分反射回來，根據(jù)發(fā)射波和反射波的時(shí)差來計(jì)算物料面的距離，實(shí)現(xiàn)液位探測(cè)的功能[8]。優(yōu)點(diǎn)是非接觸式探測(cè)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，安裝環(huán)境適應(yīng)性弱。

（5）電容式。電容式液位傳感器利用電容值與極板的面積成正比、與極板間的距離成反比的特性，將被測(cè)液體當(dāng)作電容，將兩根金屬棒插入液體不同高位的兩個(gè)位置，將液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電容量，以此探測(cè)液位[9]。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是接觸式探測(cè)，金屬棒腐蝕，且易受液體溫度、密度等變化而影響探測(cè)結(jié)果。主流醫(yī)用超聲霧化器產(chǎn)品也采用這種方式。

（6）紅外式。紅外式液位傳感器利用紅外光的發(fā)射和接收組件，結(jié)合浮漂遮擋原理來確定液位高度[10]。優(yōu)點(diǎn)是成本低，精度高，搞干擾強(qiáng)，缺點(diǎn)是接觸式探測(cè)，安裝環(huán)境適應(yīng)性弱，光學(xué)元件易受污染。

（7）激光式。激光傳感器先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后，部分散射光返回到傳感器接收器，記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離，可應(yīng)用于液位探測(cè)[11]。優(yōu)點(diǎn)是非接觸式探測(cè)，探測(cè)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是成本高，安裝環(huán)境適應(yīng)性弱，光學(xué)元件易受污染。

1.2 硬件選型

為了避免上述主流液位探測(cè)技術(shù)的局限性對(duì)醫(yī)用超聲霧化器的水位探測(cè)應(yīng)用要求，本文介紹的新型液位探測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)選用深圳市阿達(dá)電子有限公司生產(chǎn)的1段液位檢測(cè)專用芯片ADW01作為探測(cè)傳感器。該芯片使用電容感應(yīng)的探測(cè)原理，和上述1.1提到的電容式液位探測(cè)技術(shù)有不同點(diǎn)：后者需要使用耐腐蝕的金屬探針浸泡在液體里兩個(gè)不同高度的位置，通過測(cè)量金屬探針之間的液體電容值變化來判斷是否缺水，是雙線接觸式探測(cè)，不適合探測(cè)高腐蝕性的液體，安裝時(shí)要求做好探針和水槽之間的密封性；前者使用廉價(jià)的不銹鋼、銅箔或鐵片等金屬薄片放置在水槽外壁，測(cè)量把水槽和水槽里液體當(dāng)作的一個(gè)整體對(duì)地的電容值變化來判斷是否缺水（當(dāng)缺水時(shí)，芯片7腳輸出高電平，反之輸出低電平），是單線非接觸式探測(cè)，能檢測(cè)具有弱導(dǎo)電特性的或?qū)щ娞匦缘囊后w，范圍比后者更廣，安裝方法比后者更簡(jiǎn)單更安全，成本更低，也可防腐蝕、防污染，同時(shí)芯片還能適用于單線接觸式探測(cè)。ADW01芯片集成阿達(dá)電子花費(fèi)多年研究的獨(dú)特算法，能夠做到智能識(shí)別，無論是有液體上電，還是無液體上電，都能正確指示液位狀態(tài)，使用體積非常小的SOP-8封裝[12]，安裝環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

1.3 設(shè)計(jì)方法

1.3.1 選型芯片管腳描述

ADW01芯片符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)，直流2.4～5.5 V供電，7腳控制信號(hào)輸出端口輸出TTL電平，其典型硬件電路圖，見圖1。ADW01芯片的管腳描述，見表1。

圖1 ADW01典型硬件電路圖

表1 ADW01管腳描述表

1.3.2 電路圖設(shè)計(jì)

本文介紹的新型液位探測(cè)技術(shù)的電路設(shè)計(jì)圖，見圖2。ADW01芯片的2腳靈敏度電容調(diào)節(jié)端口串聯(lián)電容C1后接入地，其電容值在下文有詳述；3腳電源正極端口接5 V直流電源正極，同時(shí)串聯(lián)100 nF電容C2，為芯片濾波抗干擾；4腳電源負(fù)極端口接地；5腳液位檢測(cè)信號(hào)輸入端串聯(lián)2.2 kΩ限流電阻R1和薄銅片，薄銅片需要橫向水平地緊貼在醫(yī)用超聲霧化器水槽外壁指定的高度；6腳串聯(lián)4 pF 參考電容C3后接入地；7腳控制信號(hào)輸出端口輸出TTL電平，當(dāng)探測(cè)到水槽缺水時(shí)輸出5 V，反之輸出0 V，2.2 kΩ電阻R2和10 kΩ電阻R3組成的分壓電阻、S8050三極管Q1、1N4007二極管D1和直流5 V繼電器RL1組成控制醫(yī)用超聲霧化器主電源通斷的電路，RL1的常閉端串聯(lián)在醫(yī)用超聲霧化器主電源回路中（A和B點(diǎn)），水槽缺水時(shí)使霧化器斷電，反之正常通電；1和8腳懸空。

圖2 新型液位探測(cè)技術(shù)電路設(shè)計(jì)圖

1.3.3 實(shí)物測(cè)試

基于考慮設(shè)計(jì)成本和時(shí)間的原因，本設(shè)計(jì)使用某主流品牌醫(yī)用超聲霧化器為基礎(chǔ)進(jìn)行水位探測(cè)功能設(shè)計(jì)，實(shí)物測(cè)試圖，見圖3。

圖3 實(shí)物測(cè)試圖

新型液位探測(cè)技術(shù)電路的5 V供電是通過霧化器風(fēng)機(jī)直流12 V電源和LM7805穩(wěn)壓管轉(zhuǎn)換而成，見圖3的A框所示；霧化器原來是使用浮力式液位探測(cè)技術(shù)，為了不影響本設(shè)計(jì)的功能測(cè)試，直接短接了干簧管開關(guān)；霧化器使用直流38 V電源供電，為了實(shí)現(xiàn)水位探測(cè)控制電源通斷，斷開了正極輸入線，把主電源回路拆分為A和B點(diǎn)，將兩點(diǎn)接入直流5 V繼電器常閉端口，見圖3的B框所示；ADW01芯片5腳液位檢測(cè)信號(hào)輸入端串聯(lián)電阻R1和薄銅片，薄銅片緊貼于水槽外壁，見圖3的C框所示。

1.3.4 技術(shù)難點(diǎn)

ADW01芯片2腳串聯(lián)的靈敏度電容C1越大，檢測(cè)靈敏度越高，反之檢測(cè)靈敏度越低。被測(cè)對(duì)象的與液位相關(guān)的參數(shù)發(fā)生了改變，比如水槽容積、容器厚度或檢測(cè)端的走線變化了，都可能需要修改C1的電容值，在實(shí)物環(huán)境調(diào)試中取能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能的電容值上下限的中間值。本設(shè)計(jì)使用82 nF的電容值。

ADW01芯片5腳液位檢測(cè)信號(hào)輸入端附近，見圖3的D框范圍，背部不要走線或鋪銅，電阻R1盡量靠近芯片，且到薄銅片的引線盡量短，使分布電容要小于參考電容C3電容值4 pF。

2 結(jié)果

經(jīng)通電測(cè)試得出結(jié)果，當(dāng)霧化器的水槽水位低于探測(cè)薄銅片的下邊緣大概1 mm以內(nèi)水平線范圍即可探測(cè)出缺水，ADW01芯片7腳輸出高電平使能繼電器RL1斷開霧化器主電源回路，防止水槽缺水而引起霧化片干燒，杜絕霧化片熔穿塑料件甚至漏水發(fā)生觸電事故，反之，水位高于上述水平線，7腳輸出低電平，繼電器RL1恢復(fù)回常閉端，使霧化器正常工作。ADW01芯片對(duì)缺水與否的探測(cè)反應(yīng)時(shí)間大概在1 s以內(nèi)，能滿足使用要求。通過本設(shè)計(jì)，可以將原來在水槽內(nèi)部的水位探測(cè)裝置轉(zhuǎn)移到水槽外壁，實(shí)現(xiàn)非接觸式探測(cè)。

3 討論

主流醫(yī)用超聲霧化器復(fù)雜的水槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)增加消毒死角，細(xì)菌和污垢容易形成，尤其在夏季，水槽底部容易滋生銅綠假單胞菌等喜潮濕細(xì)菌[13]，銅綠假單胞菌是主要的醫(yī)院感染條件致病菌，常常感染免疫力低下的患者，同時(shí)對(duì)多種抗菌藥物耐藥[14]。本設(shè)計(jì)使用ADW01芯片實(shí)現(xiàn)非接觸式液位探測(cè)，效果安全可靠，能簡(jiǎn)化霧化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很好地解決上述問題。隨著技術(shù)發(fā)展的成熟，醫(yī)用超聲霧化器逐步小型化[15]，開始進(jìn)入家用器械市場(chǎng)[16]，ADW01芯片體積很小，外圍電路少，如果全部使用貼片元件制作，能把探測(cè)模塊做得更小型化，安裝環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，而且芯片價(jià)格只需1.9元，制作成本極低。因此，本設(shè)計(jì)是替代傳統(tǒng)醫(yī)用超聲霧化器水槽水位探測(cè)技術(shù)的優(yōu)良方案。

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