儿童洗胃机校准装置的设计与评价

周 懿，陈爱军，禹 静

(中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

儿童洗胃机是各医疗单位、急救中心所常备的一种用于抢救误食有毒物或食物中毒孩童患者的医疗仪器。然而经过对多家三甲医院走访调查发现，大部分的儿童洗胃机都处于未校准的状态，一旦洗胃机内部存在输出的流量或压力过大的问题，若未经校准就直接给患者使用就有可能会引发医疗事故。而洗胃机一般是送至专业的检测机构进行校准，不仅校准程序繁琐，周期长，且校准方式为对压力和流量两个不同的参数在不同条件下，以不同方式进行校准。这样的方式不能保证校准的环境保持一致，故可能存在较大的误差。

儿童洗胃机校准装置校准的参数为洗胃机输出的压力和流量。对于单个参数的校准，不论压力还是流量的校准方法都已经是比较成熟的。

对于儿童洗胃机校准的研究，由于国情与环境的不同，国外有关洗胃机的研究也较少，故尚未发现与儿童洗胃机相关校准仪器的资料。在国内，上海计量测试技术研究院的黄莉等人对电动洗胃机的检测提供了一种方案，该方案能够较为客观地评价所检测的电动洗胃机。杭州市萧山区质量计量监测中心的吴国伟等人研制了一款用于成人用的电动洗胃机检测仪。但对于儿童洗胃机校准方面的研究却还是一片空白。

为解决现有问题，简化校准流程，提高校准效率，本文研制了一款用于儿童洗胃机的校准装置。针对儿童洗胃机的工作原理，设计了校准装置的机械结构、控制电路与校准软件。并将研制好的校准装置进行实验，分析了校准装置的不确定度。

1 工作原理

1.1 儿童洗胃机的结构和工作原理

儿童洗胃机内置一个三腔室的容器，各腔室之间利用弹力膜隔开，通过控制气泵和电磁阀换向对中间的腔室完成吸气和排气的过程，同时左右两个腔室完成吸液和排液的操作。儿童洗胃机机身上有4个接口，作用分别为吸取药液、排出药液、吸取胃容物和排出胃容物。而排出药液口与吸取胃容物口通过Y型软管连接，Y型软管另一端即为胃管。儿童洗胃机工作时控制电路板控制气泵将工作腔3内的空气吸出，此时药液和胃容物同时被吸入洗胃机的工作腔1和工作腔2中，经过一段时间后，控制电路板控制电磁换向阀进行换向，气泵往工作腔3中充入空气，工作腔1和工作腔2收缩，此时排出药液口将药液注入胃中，同时胃容物也被排出。气压传感器采集工作腔内的压力数据并发送至控制电路板，控制电路板将数据显示在儿童洗胃机的前面板上。儿童洗胃机内部工作示意图如图1。

图1 儿童洗胃机内部工作示意图Figure 1 Schematic diagram of the inner workings of children's gastric lavage machine

1.2 儿童洗胃机校准装置工作原理及技术指标

儿童洗胃机校准装置内部安装有一条主管路，主管路中连接有压力传感器、流量计、电磁阀和气泡检测仪。压力传感器和流量计用于采集信号，电磁阀用于切断主管路中介质的流动以采集儿童洗胃机输出的最大压力，气泡检测仪用于校准前排除气泡对校准结果的影响。将校准装置连接在胃管上，压力传感器和流量计分别采集流过胃管中的介质的流量和压力参数并转换成电信号，并加以处理，由程序读取并计算出儿童洗胃机输出的首末循环压差、最大输出压力、输出平均流量。然后对比电动洗胃机医药行业标准YY 1105-2008《电动洗胃机》中的指标要求，对儿童洗胃机进行性能判定，完成校准，也可通过数据线将数据发送至计算机中，由计算机进行数据处理并生成相关报表。校准装置3D连接示意图以及装置内部实物图如图2和图3。

图2 校准装置3D连接示意图Figure 2 Calibration device 3D connection diagram

图3 校准装置内部实物图Figure 3 Physical picture inside the calibration device

依据洗胃机行业标准YY 1105-2008《电动洗胃机》中要求，测量参数为洗胃机输出介质的压力和流量，其合格条件需满足最大工作压力的绝对值在47～67 kPa之间，口腔插管流量不小于2.0 L/min，洗胃机的工作压力变化应不大于±5 kPa。

上述标准针对成人用洗胃机，而儿童相较于成人，胃的承受能力更小，洗胃时容易受损，故厂家将洗胃机输出压力设定为27～47 kPa之间，其余参数不变。因此将儿童洗胃机校准装置的技术指标设定如下：压力校准范围设为±100 kPa，流量校准范围设为0～10 L/min。误差设为不超过量程的5%。

2 测试方法

校准装置安装有压力传感器以及微型齿轮流量计，其中压力的测量范围为-100～100 kPa，流量的测量范围为0～10 L/min，根据量程计算相关校准点，压力传感器和流量计对应的标准信号输出值为4～20 mA，压力传感器选择的测点为(-100、-50、0、50、100) kPa对应的输出信号为(4.000、8.000、12.000、16.000、20.000) mA；流量计选择的点为(0、2、4、6、8、10) L/min，对应的信号输出点为(4.000、7.200、10.400、13.600、16.800、20.000) mA[1]。

为减少测量过程中由于升降压力或流量引起的回程误差，需要平滑地升降压力或流量。且每个点需要重复测量多次以减少重复性误差[2]。

为减少环境对实验的影响，尽可能将实验环境的温度控制在(20±2) ℃，湿度控制在(50±3)%RH[3]。

压力测量使用标准表法[4]。采用0.01级、量程为-110～110 kPa的数字压力控制器作为标准压力发生器，数字多用表采用的是输出0～20 mA，最大允许误差±(0.001 3%rdg+0.000 2%FS)的数字多用表。通过将压力传感器连接在标准压力发生器上，并将压力传感器输出端连接在数字多用表上的方式，读取压力传感器输出电流数值。检测选取的5个点并记录输出的电流值。在改变测量点的时候需要缓慢的升压或降压，并按照测量要求对测量点进行6次重复测量[5]。

流量测量采用体积法[6]，采用0.002～12 m3/h，扩展不确定度Urel=0.07%，k=2的静态质量法水流量标准装置输出稳定流量，使用准确度等级为Ⅲ级、量程为0～15 kg的电子秤，日差±0.5 s的电子秒表，以及最大允许误差为±1个分度值的二等标准密度计。将校准装置接入管路中，测量时长定为1 min，对选择的六个校验点分别测量，每个点同样测量6次，并在改变流量大小时尽量缓慢变化。通过总阀控制通断，计算1 min内经过装置主管路的介质的体积[7]。

3 儿童洗胃机校准装置的不确定度评定

根据国家计量技术规范JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，对儿童洗胃机校准装置进行不确定度分析，其误差来源主要有测量重复性引入的不确定度分量、传感器自身精度引入的不确定度分量、校准电路精度引入的不确定度分量。根据其类别分类，将测量重复性引入的不确定度分利用A类方法进行评定，其余分量利用B类方法进行评定[8]。

由于两种传感器的输出都为4～20 mA标准信号，故采用一样的电路进行处理。校准电路中的芯片包括RCV420电流转电压芯片、ADS1115模数转换芯片。

3.1 压力传感器及校准电路的不确定度分析

从传感器采集信号到处理芯片读取数字信号，数据经过了传感器、RCV420芯片以及ADS1115芯片。

1)测量重复性引入的不确定度分量

对于压力传感器，选择50 kPa的点，进行6次测量，得到表1电流信号数据。

表1 压力传感器输出电流信号数据Table 1 Pressure sensor output current signal data

算得测量平均值为=49.825 kPa，因此单次测量的标准不确定度sP为

则压力传感器的重复性测量引入的不确定度分量uAP为

2)传感器自身精度引入的不确定度分量

压力传感器精度等级为0.2级，取其均匀分布，故其精度引入的不确定度分量uB1P为

其中，(200/16)为压力传感器的输入输出比。

3)RCV420电流转电压芯片精度引入的不确定度分量

RCV420芯片精度为0.1级，输入范围4～20 mA，输出范围为0～5 V，取其均匀分布，则由RCV420芯片引入的不确定度分量uB2P为

其中，16/5为RCV420芯片的输入输出比。

由RCV420芯片转换成0～5 V电压后由等比电路降压为0～2 V，再由ADC芯片转换成数字信号。

4)ADS1115AD转换芯片精度引入的不确定度分量

ADS1115芯片为16位模数转换芯片，其分辨力为1/(216-1)。设其为均匀分布，则由AD转换芯片引入的不确定度uB3P为

=1.76×10-3kPa。

其中5/2为降压输入输出比。

3.2 流量计及校准电路的不确定度分析

1)测量重复性引入的不确定度分量

对于流量计，利用静态质量法水流量标准装置[9]，以水作为测量介质，流量量程为0～10 L/min，选择8 L/min的点作为试验点进行6次测量，计时1 min，得到表2数据。

表2 流量计流出介质的数据Table 2 Volume data of flow medium

算得平均流速值=8.011 L/min，因此由测量重复性引入的不确定度分量sF为

则由重复性引入的不确定度分量uAF为

2)传感器自身精度引入的不确定度分量

流量计精度等级同压力传感器皆为0.2级，取其均匀分布，故其精度引入的不确定度分量uB1F为

其中，(10/16)为流量计的输入输出比。

3)RCV420电流转电压芯片精度引入的不确定度分量

同理，则由RCV420芯片引入的不确定度分量uB2F为

=5.80×10-3L/min。

其中，(16/5)为RCV420芯片的输入输出比。

4)ADS1115AD转换芯片精度引入的不确定度分量

同理，设ADS1115为均匀分布，则由AD转换芯片引入的不确定度uB3F为

=0.90×10-4L/min。

3.3 可忽略的不确定度分量

3.3.1 环境温度变化引入的不确定度分量

在测量时，如果环境温度变化较大，会影响压力传感器的最小分辨力、水的密度等参数。但在实际实验时，温度基本维持在20 ℃左右，故由环境温度变化引起的不确定度分量可以忽略[10]。

3.3.2 标准流量源波动引入的不确定度分量

流量作为一个变量，极其容易受到影响而产生波动。本实验中利用静态质量法水流量标准装置中稳压罐输出的水流量，其波动影响基本能够忽略不计[11]。

3.4 测量不确定度的合成

将以上各不确定度分量互相独立，合成的压力uP和流量uF的标准不确定度如下：

取k=2，对应压力UP和流量UF的扩展不确定度为：

UP=k·uP=0.52 kPa；
UF=k·uF=0.026 L/min。

4 结 语

本文设计与研制的儿童洗胃机校准装置，可根据儿童洗胃机的工作流程来对其进行校准。文中对使用的压力传感器、流量计和后续的校准电路进行相关不确定度分析。利用相关实验采集数据后，计算与合成标准不确定度和扩展不确定度，计算结果达到预计效果，满足使用需求，填补了目前国内对于儿童洗胃机校准装置的空白，并为撰写相关儿童洗胃机校准规范提供一定的依据。