输液瓶液位测量及报警装置
发布时间：2017-09-01
输液瓶液位测量及报警装置是为避免输液瓶内的液体全部流净，空气进入血管，发生危险。从光学、电磁学和力学这几种基本原理出发，都可以实现对液位的监控，因使用环境和对装置精确度要求的不同，选择相应的原理和配套方案，制作出具有不同量程、精密度和报警方式的液位监控装置。
本文针对2009年北京市物理实验技能大赛中的一个题目，模拟输液瓶的液位测量及报警。根据题目要求，装置需完成两项任务：(1)随时对瓶内液体高度进行显示;(2)当到达之前设定好的报警高度时，有报警信号发出。在本次比赛中设计的液位测量及报警装置如图1所示。
一、基本原理
本装置通过测量输液瓶和瓶内液体的重力来间接测量液位，并在警戒水位进行报警，当瓶子挂到装置上，即可开始对液位进行监控。装置由弹簧、齿条和齿轮等机械部件的组合，通过胡克定律实现了将重力转化为相应高度，从而间接测量液位。同时在装置上设有报警电路，通过指针的转动，与金属触头相接触，报警电路接通，即完成在警戒液位的报警。
1.液位测量原理
利用胡克定律F=-kx,重力使弹簧形变伸长，带动连接在弹簧上的齿条产生竖直方向的位移，从而使得与其啮合的齿轮转动，带动齿轮上所连指针转动，操作者可以通过指针直接在表盘读出液位。
2.液位报警原理
指针随着液位的改变而转动，当液位到达报警高度，即与正极相接的指针摆到一定位置，与电路中金属触头相接触(金属触头接报警电路负极)。指针和金属触头充当机械报警开关，闭合报警电路，进行报警。
二、装置设计及特点
液位测量及报警装置主要以由弹簧、齿条、齿轮、调零螺丝、表盘、指针组成的机械装置，和由电源、发光二级管、蜂鸣器、调频FM无线呼叫器、指针开关和手动开关组成的报警电路两部分组成。
1.机械设计
以表盘为母板，在其背面将调零螺丝固定在母板上;两根规格相同的弹簧平行放置，一端与调零螺丝相连接，并此端为固定端，另一端与挂钩和齿条相连接;在表盘中心打上一个孔，将齿轮安装在孔道中，确保它可以与齿条啮合自由转动;在齿轮正面安上指针后，就完成了机械部分的设计(可参考图2)。
2.报警电路设计
在机械装置后面附有报警电路，其组成为：电源、发光二级管、蜂鸣器、调频FM无线呼叫器、指针开关和手动开关。报警电路需接入机械装置，设计成触动开关。电源负极接到表盘的零点处，即为突起的一个金属小头，当与正极相连的指针偏回零点时，可以与其接触，接通报警电路。
当报警电路接通时，蜂鸣器响报警灯亮，如果设有调频FM无线呼叫器，即向控制中心发射无线编码经过对该无线编码进行解码，找到对应的接收器，确定出呼叫位置，在控制中心工作的人员就可以及时发现。
3.装置特点
装置设有调整指针初始位置的旋钮，即调零旋钮。当转动调零螺丝，使得与其相连的弹簧和锯齿整体上下移动，此时锯齿的移动带动了齿轮的转动，即对指针初始位置进行了调整，此种方法可以实现改变预设报警液位高度，所以当更换不同输液瓶的时候，可以进行重新调整，从而此装置适用于各种规格的输液瓶或袋装药品(可参考图2)。同时装置还有设计原理简单、成本低、外观小巧、操作简单、干扰因素少等特点。
三、数据测量与分析
1.测量数据
本装置预设100ml进行报警。
能够在113.75ml～87.75ml范围内报警的概率有95.4%。
3.误差来源分析
误差主要来源是系统误差，是来自报警器本身存在的机械误差。
(1)齿轮和齿条的机械连续性不好，由于安装时轮齿间有微小间隙，且齿对数目有限，转动起来啮合不紧密，转动的平稳性不是很好，导致的指针转动不稳定，这在报警时会产生一些误差。可以使用直径更大、齿数更多、啮合性更好的齿轮，使其指针偏转平稳，报警精度提高。或是完全避免齿条齿轮带来的机械误差，而通过利于其它方法实现指针偏转。例如，使用发条替代弹簧、齿条和齿轮。
(2)弹簧的刚性变形而带来的系统误差。根据实验测试，在短期内的测量使用对报警准确度不会带来过大影响，可以忽略，但对于长期的使用后所带来的影响，还在进行实验测量中。
四、结束语
此液位测量及报警装置具有能随时测量液体的高度，报警可靠，内设重调系统可以适用于各种规格输液瓶的报警及液位测量，且报警形式多样、外观小巧、造价低廉和操作简单等优点。既适用于医院内输液室进行监控报警，同时简便的操作和低廉的价格也便于用户在家自己使用，利于推广。
摘自：中国计量测控网
