一种医院用大型低温液体质量测定仪的研制

1 引言
 
医院用低温液体通常指的是液氧、液氮、液氦等,在其储运、销售和使用过程中,需要对其液位、质量、压力等参数进行测定, 由于医用低温液体的固有物理特性及其所充装的大型贮槽的特点,实现上述测定的现有测量设备,机械结构均较为复杂,测量精度和可靠性较低,很难与计算机联网和实现远程操作与显示等[1]。 本研究的目的在于提供一种新型医院用低温液体质量测定仪, 以克服现有医用低温液体质量测定设备存在的问题与缺点[2]。 本研究成果已获得**家实用新型**
 
(**号:ZL200420065326.4)。
 
2 系统硬件设计
 
2.1 整机构造原理简介
 
如图 1 所示,贮槽内气相部分,从液面各点到顶点 A,各点
 
压强均约等于 A 点处压强, 传感器把贮槽内液面各点到底点 B
 
的机械压力差变成相应大小的电信号。 由于此机械压力差正比于液体的高度, 所以相应大小的电信号反应了相对应的液面高度。 在已知几何参数的容器内,所装液体的体积是关于高度的已知函数,根据已知密度液体的高度可求出该液体的质量,因此,单片机在已知容器几何参数和液体密度后, 再得到传感器送来的电信号,即可计算出液体的质量、液位等。
 
2.2 控制电路组成
 
如图 2 所示,本研制控制部分设有壳体、单片机处理器 [3]、差
 
压变送器、键盘、实时时钟电路、存储器、LCD 显示器、接口电路
 
和电源,差压变送器、键盘、实时时钟电路的输出端与单片机处理器的 I/O 接口连接,存储器、接口电路的 I/O 接口与单片机处理器的 I/O 接口连接,LCD 显示器的输入端与单片机处理器的 I/
 
O 接口连接,接口电路的 I/O 接口外接上位机[4-6]
 
传感器选用差压变送器[7-8],因为实际使用中 A、B 之间的机械压力差变化很大,有时**值也很大,差压变送器抗超负荷能力特别强。 另外, 差压变送器安装几乎对贮槽没有任何特别要求,有利于整机降低成本和推广使用。
 
显示器选用 LCD 显示器, 接口电路选用 RS-232 或 RS- 485 等。
 
系统单片机对差压变送器传输的信号进行 A/D 转换、数据
 
筛选和计算,提高数据采集的精度和可靠性[9-11]。 LCD 可直接显示液体的种类、质量和液面高度。 贮罐规格改变时,输入其内径和高度便可得到其体积参数。 液体种类改变时,只需在键盘上重

新选择或输入液体密度。 可实时显示液体充入和输出量,也可查
询历史记录,还可设定液体高低限报警,方便与计算机联网、远
程显示、操作和报警。        
2.3  单片机系统电路工作原理        
如图 3 所示,系统接通 5 V 直流电源,差压变送器 PB 接通
24 V 直流电源,单片机 IC2 对系统进行自检。 若有异常,单片机
IC2 经 R13 由三极管 BG2 驱动喇叭 SP 发出报警声 , 再通过
LCD 显示器用文字显示报警异常信息, 并由集成电路 IC1 组成
的 RS-485 接口电路将报警信息外送上位机; 若系统正常,LCD
显示器用文字显示正常信号,在键盘 K1~K4 上选择分别输入液
体贮罐的直径、高度和充装液体的种类(液氧、液氮或液氦,或输
入液体的密度),单片机 IC2 根据直径计算出标准椭圆封头的参
数。 差压变送器 PB 将贮罐内液体高度的压力差的参数转换成
4~20 mA 的电信号,经精密电阻 R8,产生 0.512~2.56 V 的电压信
号,经 IC2 的 23 脚送入单片机,单片机在设定的时间间隔读取,
并将此电压信号与内部的 2.56 V 的基准电压比较并进行 A/D 转
换,成为 10 位二进制的数字信号。 铁电存储器 IC3 用来记录液
体量和时间、报警信息和报警时间等。        

位机。  
当单片机在设定的时间内检测到 R8 的电压数据是减少
时,表明贮罐有液体输出,读入此时的电压值,并进行 A/D 转换
成数字信号,判断此液面的高度。 若液面低于椭圆封头的高度,
则液体的质量按椭圆封头高度和容积的关系进行计算, 得出容
积再乘以密度,即为此时所充装液体的质量;若液面高过封头的
高度,则液体圆柱部分加上封头的容积,再乘以密度,即为此时
所充装液体的质量。 当液体量少于设定的值时,单片机经 R13,
由 BG2 驱动 SP 喇叭发出报警声,再通过 LCD 显示器显示报警
信息,并由 IC3 组成的 RS-485 接口电路将报警信息送上位机;
当液体量多于设定值时, 单片机得到此时所充装液体的质量数
字, 并从 IC4 读入日期和时间数据, 先存入存储器 IC3, 再送
LCD 显示器显示, 并通过 IC3 组成的 RS-485 接口电路送上位
机。  
在通常情况下,LCD 显示当前贮罐所充装液体的质量和占
充装满罐的百分比。 当需要查询该贮罐所充装液体量的数据时,
在键盘上按菜单键,LCD 显示主菜单, 选择并确认 “液体量查
询”;要查询液体充入量或液体的输出量,按上下键选择,并按确
认键;若是查询充入量,可查**近几
次液体的充入量和充入时间;若是查

个时间段内液体的输出量。  
   
   
当需要改变贮罐或改变充装的
 
       
液体种类时, 在键盘上按菜单键,
LCD 显示主菜单,选择并确认“改变
 
参数”, 要改变贮罐或改变充装的液
   
体种类,按上下键选择,并按确认键。
 
 
若是改变贮罐, 需要输入并确认密
 
 
码 再输入贮罐的参数 按确认键
     
 
是改变充装的液体种类 需要输入并
 
     
确认另一组密码,再输入种类或直接
 
 
键入液体的密度,按确认键。  
   
光敏电阻 R9 和 R10 组成的分
 
 
压,通过 IC2 的 24 脚输入,单片机进
 
行 A/D 转换,判断环境的亮或暗,来
 
 
打开或关闭 LCD 的背光。 在 LCD 显
 
示时, 当环境较暗时, 光敏电阻 R9
的阻值增大,单片机 A/D 转换的数值
 
大于设定值时,IC2 置 26 脚为低电
平,BG1 导通,LCD 打开背光;反之,则关闭背光。
当单片机在设定的时间内检测到的 R8 的电压数据是不断地增加时,表明有液体装入贮罐内;当电压数据的增加停止时,表明液体充装完毕。 单片机读入此时的电压值,并进行 A/D 转换成数字信号,判断此液面的高度,若液面低于椭圆封头的高度,则所充装液体的质量按椭圆封头高度和容积的关系进行计算,得出容积再乘以密度,即为所装入液体的质量;若液面高过封头的高度,则液体圆柱部分加上封头的容积,再乘以密度,即为所装入液体的质量。 单片机得到所装入液体的质量数字,并从实时
 
时钟集成电路 IC4 读入日期和时间数据,先存入存储器 IC3,再
 
送 LCD 显示器显示, 并通过 IC3 组成的 RS-485 接口电路送上
2.4 系统各主要元器件的参数
 
图 3 所示系统的各主要元器件的型号或数值详见表 1。
 
2.5 软件设计
 
软件的主程序包括系统初始化、测量、显示、报警、通讯等子程序。 系统初始化子程序设置系统初始状态,测量子程序中包含消除脉冲干扰和 50 Hz 工频干扰的数字滤波计算程序。 消除脉
 
冲干扰子程序的数字滤波计算程序的算法是: 连续采样数据 4
 
次,去掉**大值和**小值,计算中间 2 个数的平均值。 消除 50 Hz
 
工频干扰的数字滤波计算程序的算法采用周期等分和为零的原
[12]