輸液瓶液位測量及報警裝置
發布時間：2017-09-01
輸液瓶液位測量及報警裝置是為避免輸液瓶內的液體全部流凈，空氣進入血管，發生危險。從光學、電磁學和力學這幾種基本原理出發，都可以實現對液位的監控，因使用環境和對裝置精確度要求的不同，選擇相應的原理和配套方案，制作出具有不同量程、精密度和報警方式的液位監控裝置。
本文針對2009年北京市物理實驗技能大賽中的一個題目，模擬輸液瓶的液位測量及報警。根據題目要求，裝置需完成兩項任務：(1)隨時對瓶內液體高度進行顯示;(2)當到達之前設定好的報警高度時，有報警信號發出。在本次比賽中設計的液位測量及報警裝置如圖1所示。
一、基本原理
本裝置通過測量輸液瓶和瓶內液體的重力來間接測量液位，并在警戒水位進行報警，當瓶子掛到裝置上，即可開始對液位進行監控。裝置由彈簧、齒條和齒輪等機械部件的組合，通過胡克定律實現了將重力轉化為相應高度，從而間接測量液位。同時在裝置上設有報警電路，通過指針的轉動，與金屬觸頭相接觸，報警電路接通，即完成在警戒液位的報警。
1.液位測量原理
利用胡克定律F=-kx,重力使彈簧形變伸長，帶動連接在彈簧上的齒條產生豎直方向的位移，從而使得與其嚙合的齒輪轉動，帶動齒輪上所連指針轉動，操作者可以通過指針直接在表盤讀出液位。
2.液位報警原理
指針隨著液位的改變而轉動，當液位到達報警高度，即與正極相接的指針擺到一定位置，與電路中金屬觸頭相接觸(金屬觸頭接報警電路負極)。指針和金屬觸頭充當機械報警開關，閉合報警電路，進行報警。
二、裝置設計及特點
液位測量及報警裝置主要以由彈簧、齒條、齒輪、調零螺絲、表盤、指針組成的機械裝置，和由電源、發光二級管、蜂鳴器、調頻FM無線呼叫器、指針開關和手動開關組成的報警電路兩部分組成。
1.機械設計
以表盤為母板，在其背面將調零螺絲固定在母板上;兩根規格相同的彈簧平行放置，一端與調零螺絲相連接，并此端為固定端，另一端與掛鉤和齒條相連接;在表盤中心打上一個孔，將齒輪安裝在孔道中，確保它可以與齒條嚙合自由轉動;在齒輪正面安上指針后，就完成了機械部分的設計(可參考圖2)。
2.報警電路設計
在機械裝置后面附有報警電路，其組成為：電源、發光二級管、蜂鳴器、調頻FM無線呼叫器、指針開關和手動開關。報警電路需接入機械裝置，設計成觸動開關。電源負極接到表盤的零點處，即為突起的一個金屬小頭，當與正極相連的指針偏回零點時，可以與其接觸，接通報警電路。
當報警電路接通時，蜂鳴器響報警燈亮，如果設有調頻FM無線呼叫器，即向控制中心發射無線編碼經過對該無線編碼進行解碼，找到對應的接收器，確定出呼叫位置，在控制中心工作的人員就可以及時發現。
3.裝置特點
裝置設有調整指針初始位置的旋鈕，即調零旋鈕。當轉動調零螺絲，使得與其相連的彈簧和鋸齒整體上下移動，此時鋸齒的移動帶動了齒輪的轉動，即對指針初始位置進行了調整，此種方法可以實現改變預設報警液位高度，所以當更換不同輸液瓶的時候，可以進行重新調整，從而此裝置適用于各種規格的輸液瓶或袋裝藥品(可參考圖2)。同時裝置還有設計原理簡單、成本低、外觀小巧、操作簡單、干擾因素少等特點。
三、數據測量與分析
1.測量數據
本裝置預設100ml進行報警。
能夠在113.75ml～87.75ml范圍內報警的概率有95.4%。
3.誤差來源分析
誤差主要來源是系統誤差，是來自報警器本身存在的機械誤差。
(1)齒輪和齒條的機械連續性不好，由于安裝時輪齒間有微小間隙，且齒對數目有限，轉動起來嚙合不緊密，轉動的平穩性不是很好，導致的指針轉動不穩定，這在報警時會產生一些誤差。可以使用直徑更大、齒數更多、嚙合性更好的齒輪，使其指針偏轉平穩，報警精度提高。或是完全避免齒條齒輪帶來的機械誤差，而通過利于其它方法實現指針偏轉。例如，使用發條替代彈簧、齒條和齒輪。
(2)彈簧的剛性變形而帶來的系統誤差。根據實驗測試，在短期內的測量使用對報警準確度不會帶來過大影響，可以忽略，但對于長期的使用后所帶來的影響，還在進行實驗測量中。
四、結束語
此液位測量及報警裝置具有能隨時測量液體的高度，報警可靠，內設重調系統可以適用于各種規格輸液瓶的報警及液位測量，且報警形式多樣、外觀小巧、造價低廉和操作簡單等優點。既適用于醫院內輸液室進行監控報警，同時簡便的操作和低廉的價格也便于用戶在家自己使用，利于推廣。
摘自：中國計量測控網
