基于銅氨法的自動化氧濃度檢測儀性能測試研究

郭偉，丁攀，劉娟，羅二平，湯池

1. 空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032；2. 解放軍73096部隊，江蘇 南京 210049

引言

氧氣在日常生產生活中無處不在，廣泛應用于醫療衛生、能源化工和軍事作業等方面，而且日常生產生活中使用的氧氣，對氧氣濃度要求非常嚴格，尤其在醫療衛生行業，氧氣濃度是否達標直接關系著病人的生命和健康，因此需要對相應的制氧設備進行定期計量檢測，確保用氧濃度達到醫用標準。其中，針對高原地區的制氧設備，主要利用傳統的銅銨法對其制氧濃度進行原位檢測，但是利用傳統銅氨法測量氧氣濃度存在一些缺陷，包括：氧氣濃度測量全程為純手工測量，而且測量步驟繁雜；人為因素影響大；缺乏自動化測試技術；玻璃器皿攜帶很不方便等[1]，已經無法滿足大型制供氧設備和特殊用途醫療制供氧設備原位、快速、精確氧氣濃度測量的實際要求。在傳統銅氨法測量氧氣濃度的原理基礎上，本課題組通過優化和改進，研制了一種基于銅氨法的自動化氧濃度檢測儀樣機[2-3](下文簡稱“樣機”)，見圖1。樣機具有兩個氧氣濃度測量量程，分別為0～99%和99%～100%，使用環境要求：溫度0～45℃，濕度0～90%。基于銅氨法的自動化氧濃度檢測儀可應用于各級醫院制供氧設備制氧濃度的計量檢測，且主要應用于高原地區制供氧設備的原位檢測，為確保高原軍民的用氧安全提供計量檢測技術保障。

圖1 基于銅氨法的自動化氧濃度檢測儀樣機

參考氣體氧分析儀的國家計量檢定規定[4]和氧濃度計量檢定方法，為了測試樣機的性能指標是否能夠達到平原和高原不同環境下氧氣濃度測量的具體要求。本文設計了如下實驗進行測試研究，為樣機的實際應用提供保證。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗使用的儀器設備

實驗使用的儀器設備包括：① 樣機；② 數字式溫濕度計：香港希瑪AR837，溫度檢測量程為-10℃～+50℃，精度為±1℃；濕度檢測量程為（10%～99%）RH，精度為±3% RH；③ 天平：精度±100 mg，西安天秤儀器廠；④ 溫度爆炸減壓復合艙和海拔高度測量儀：中國宏遠氧業有限公司；⑤ 高精度單級減壓器：尺寸大小為25 cm×0.6 cm，爆破壓力為35 MPa，型號為A-1H，W21.8出氣口，進口壓力為15 MPa，出口壓力為0～1.2 MPa；⑥ 標準氧濃度氣體氣瓶：共6組，氧氣濃度分別為：30.0%、49.7%，70.3%、90.0%、99.20%、99.60%，容量為2 L。標準氧濃度氣體信息如表1所示。

表1 標準氧濃度氣體信息

1.2 實驗使用的試劑

主要采用天力化學試劑有限公司生產的純氯化銨和純氨水，參數分別如下：① 純氯化銨：含有NH4CL大于99.5%，白色結晶粉末狀；② 純氨水：含有NH3為25%。

1.3 實驗環境

實驗環境如下所示：① 平原環境：平均溫度：15 ℃；平均濕度：35%RH；平均大氣壓：95.9 kPa；② 模擬海拔3 km高原環境：平均溫度：18℃，平均濕度：46%RH；平均大氣壓：70.1 kPa；③ 模擬海拔4 km高原環境：平均溫度：18 ℃，平均濕度：46%RH，平均大氣壓：61.3 kPa；④ 模擬海拔5 km高原環境：平均溫度：18 ℃，平均濕度：46%RH，平均大氣壓：53.8 kPa。

1.4 實驗方法

在平原環境下的氧氣濃度測量：在陜西省西安市海拔高度為485 m的某實驗室，采用樣機對表1中的4組常量標準氧濃度氣體（30.00%、49.70%、70.30%、90.00%）和2組高濃度標準氧濃度氣體（99.20%、99.60%）進行測量。每組標準氧濃度氣體共進行6次重復測量，采用統計學分析方法分析處理測量結果，并評估樣機的氧濃度測試性能；在模擬高原低壓環境下的氧氣濃度測量：采用低壓艙分別模擬不同海拔高度（3、4、5 km）的低壓環境，見圖2～3。選擇氧濃度分別為49.70%和99.60%的兩組標準氧濃度氣體作為被測標準氣體，每組標準氧濃度氣體共進行6次重復測量，采用統計學分析方法分析處理測量結果，并評估樣機的氧濃度測試性能。

圖2 低壓艙模擬高原低壓環境試驗現場

圖3 模擬海拔5 km低壓環境下測量99.60%標準氣體

1.5 統計學分析

1.5.1 測量不確定度分析

根據測量誤差基本理論可知，任何測量過程都存在誤差，因此通過測量無法得到氧濃度的真值，只能得到氧濃度真值的近似估計值和用于表示近似程度誤差范圍，導致測量結果具有不確定性，所以測量結果需要給出對應的測量不確定度，這樣測量結果才有意義[5-6]。采用測量不確定度評價測量結果比傳統的測量誤差更科學，也更符合測量實際。在計量檢測領域，測量不確定度已經廣泛應用于各行業[7-9]。本文參考《順磁式氧分析器檢定規程》[10-12]，利用測量不確定度的評定方法對測量結果進行分析評定。

測量結果利用測量不確定度進行評定的表達式為：Y=y(U)。式中，y為測量結果的均值，U為擴展不確定度。該表達式的含義為：被測量Y的真實值位于[y-U,y+U]間的概率非常大。通過判斷測量結果[y-U,y+U]是否包含表1中標準氧濃度氣體的標準濃度值，從而驗證樣機在平原環境和模擬高原低壓環境下的各項性能指標是否達到設計要求。

1.5.2 假設檢驗分析

采用均值± 標準差 (±s) 表示測量結果，并利用SPSS 20.0進行兩樣本t檢驗，設置顯著水平為0.05，分別比較在平原環境下49.7%的標準氧濃度氣體的氧氣濃度測量值與模擬高原低壓環境（3、4、5 km）下的氧氣濃度測量值是否有差異性，分析樣機的氧氣濃度測量值是否受模擬高原低壓環境的影響。

2 結果

2.1 平原環境下的測量值

在平原環境下，利用樣機對6組標準氧濃度氣體進行氧氣濃度測量，最佳測量值和不確定度評定結果[n=6，y(U)]如表2所示。在測量不確定度評定的范圍內，表1中的6組標準氧濃度值均包含于表2的測量不確定度所表示的氧氣濃度測量結果范圍內，因此可以判定樣機在平原環境下的氧氣濃度測量值準確、可靠，其測量性能達到了設計要求。

表2 平原環境下氧氣濃度測量結果（%）

2.2 模擬高原環境下的測量值

在模擬海拔3、4、5 km的高原環境下，利用樣機對標準氧氣濃度分別為49.7%和99.60%的兩組氣體進行測量，最佳測量值和測量不確定度[n=6，y(U)]如表3所示。兩組標準氧濃度值均包含于表3的測量不確定度所表示的測量結果范圍內，因此可以判定樣機在模擬高原環境下的測量值準確、可靠，其測量性能達到了設計要求。

表3 模擬不同海拔高度下氧氣濃度測量結果（%）

2.3 平原環境和模擬高原環境的差異性結果

表4和表5分別是氧氣濃度為49.70%的標準氣體和99.60%的標準氣體在平原環境和模擬高原環境下的測量值。表4和表5的測量值表明：49.70%和99.60%的標準氧濃度氣體的測量值在平原環境下與模擬高原（3、4、5 km）環境下均無顯著差異(P＞0.05)。因此，在平原環境和模擬高原環境下，樣機的氧氣濃度測量值無差異性，即高原低壓環境對樣機的氧氣濃度測量值沒有影響。

表4 在平原環境和模擬高原環境下，49.7%氧濃度標準氣體的測量值

表5 在平原環境和模擬高原環境下，99.60%氧濃度標準氣體的測量值

2.4 樣機的示值誤差和重復性

由于現行檢定規程中，并沒有針對銅氨法氧分析器的檢定規程，因此本文參照《氧化鋯氧分析器檢定規程》中的計量檢定要求[13]，利用平原環境下的測量結果分析計算樣機的測量誤差（示值誤差），如表6所示。根據《氧化鋯氧分析器檢定規程》的檢定方法重復性的檢定需要選用濃度值約為滿量程的50%的標準氣體，而樣機具有兩個測量量程，分別為：0～99%和99%～100%，因此本位選用49.7%的標準氣體的測量結果計算0～99%量程的重復性，選用99.60%的標準氣體測量結果計算99%～100%量程的重復性，如表7所示。

表6 樣機的氧濃度測量誤差（%）

表7 樣機的氧濃度測量重復性（%）

如果按照《氧化鋯氧分析器檢定規程》的檢定要求，根據表6和表7的計算結果，可知：樣機的示值誤差＜±5%FS，重復性＜1.5%，符合《氧化鋯氧分析器檢定規程》中關于氧濃度測量的示值誤差和重復性的性能要求。

3 討論

在計量檢定領域，經常采用標準物質作為計量標準進行量值傳遞。本文選用經過計量檢定合格的氧氣標準物質作為計量標準，對樣機性能進行計量測試，該計量測試過程滿足標準量值的傳遞要求[14-15]。

表2和表3的測量結果表明，在平原環境和模擬高原環境下，樣機均可準確、可靠地測量氧氣濃度值，而且在測量結果中使用測量不確定更全面地反映了樣機的檢測性能[16-18]。同時將氧氣濃度為49.70%的常量標準氣體和氧氣濃度為99.60%的高濃度標準氣體在平原環境和高原低壓環境下的測量結果進行統計學分析比較，由表4和表5的測量結果可知，樣機的測量性能在模擬高原低壓環境下與平原環境相一致，高原低壓環境對樣機的測量性能沒有影響。

我國西南高原地區不僅氣壓比平原地區低，而且氣溫也比平原地區低，青藏高原的最低氣溫曾有文獻記載為-37℃[19]，因此為了更全面的評價自動化氧濃度檢測儀在西南高原地區的測量性能，后續還需要對樣機進行低溫（-40～0℃）測量實驗。由于本課題研制的樣機控制系統均采用了商業級器件，導致樣機無法在零下的低溫環境下工作，后續將采用工業級器件對樣機的控制系統進行升級改造，從而進一步提高基于銅氨法的自動化氧濃度檢測儀的高原特殊環境適應能力。