氧气是一种无色无味气体,具有助燃性和氧化性。氧气已在医疗、工业、航空、国防等方面广泛应用。特别是在关乎生命安全、国防科工等重要应用领域,氧气浓度必须符合相关标准要求。如果氧气浓度不达标或控制不精确,常会导致严重事故。同时,我国高原地域广阔,高原边境争端和维稳处突任务艰巨,高原抗缺氧问题一直是制约我军高原作业的难题。目前,上述重要应用领域均广泛采用多种类型制供氧设备进行用氧保障。为保障用氧安全,需定期对制供氧设备进行制氧浓度计量检测。另外,氧气的制备、运输和储存过程中也需要严格监测氧气浓度。针对上述现实需求,实现氧气浓度的原位、快速、精确检测具有重要实际意义。目前,国内外已应用多种氧气浓度检测方法。顺磁性法、氧化锆法、激光法和离子流法等测氧方法虽然在测量精度、响应时间、便携性等方面优于现有的铜氨法测氧装置,但对于复杂电磁场、高原低温、低压等特殊环境下的氧浓度原位测量,上述方法由于易受测量环境影响,难以满足实际测量需求。依据GB8982-2009医用及航空呼吸用氧和GB/T3863-2008工业氧,铜氨法是氧浓度检测的标准方法。目前我国的计量检定机构主要采用铜氨法对高原制供氧装备进行原位计量检测。然而,现有铜氨法测氧装置在结构和功能上存在很多不足,如纯手动操作,主观因素影响大,测量误差大,工作效率低等,难以满足计量检测的现实需求。为此,本文针对氧浓度检测的原位、快速、精确的实际需求,特别是提升铜氨法在高原等特殊环境下工作的适应性,依据铜氨法氧浓度检测原理,在现有铜氨法测氧装置的基础上,综合采用电子技术、自动控制技术和传感器技术,设计并研制了基于铜氨法的自动化氧浓度检测仪样机,并完成了样机性能测试分析。本文主要研究内容包括:(1)分析了氧气浓度检测的实际需求及现有铜氨法测氧装置的缺点和不足,在此基础上进行了铜氨法自动化氧浓度检测仪的结构和功能设计。(2)依据系统设计方案,通过市场调研和性能对比分析,完成了系统核心器件的选型。(3)依据系统结构设计和器件选型,利用AutoCAD软件完成系统机械结构和核心组件的二维工程图绘制,指导工厂制作加工。(4)设计并开发了样机控制系统,主要包括硬件开发和软件开发。(5)组装样机并进行整机调试。样机组装完成后,利用该样机测量西安某地区空气中的氧气浓度,样机测量结果与BEE-AO-210型离子流氧气分析仪测量结果无显著差异(P>0.05)。调试结果显示,该铜氨法氧浓度检测仪样机工作正常,性能良好,能够完成测氧全过程的自动化操作,可进一步开展性能测试实验研究。(6)在平原环境下开展样机性能测试实验,对测量结果进行测量不确定度评定,验证样机性能是否达到设计要求。被测气体为6组标准气体,每组重复测量6次,其中4组常量氧标准气体氧气浓度分别为30.0%、49.7%、70.3%、90.0%,2组高浓度氧标准气体氧气浓度分别为99.20%、99.60%。实验结果表明,在测量不确定度评定范围内,6组标准气体测量结果均以不低于95%的概率包含标准值,可认为在平原环境下样机的测量结果真实、可靠,样机性能达到设计要求。(7)在模拟高原低压环境下开展样机性能测试实验,对测量结果进行测量不确定度评定,验证样机性能是否达到设计要求。利用爆炸减压温度复合舱模拟高原海拔3000 m、4000 m、5000 m低压环境,被测标准气体为1组49.7%的常量氧和1组99.60%的高浓度氧,2组标准气体每组重复测量6次。实验结果表明,在测量不确定度评定范围内,2组标准气体测量结果均以不低于95%的概率包含标准值,可认为在模拟高原低压环境下样机的测量结果真实、可靠,样机性能达到设计要求。通过比较49.7%和99.60%两组标准气体的测量值可知,样机在平原环境和模拟高原低压环境下的测量结果无显著差异(P>0.05),样机性能不受高原低压环境影响。总体而言,本课题设计和研发的铜氨法氧浓度检测仪样机具有如下技术特点:(1)结构设计合理。采用结构化设计,各部件易于组装和拆卸,便于维护保养。电路部分和器皿管路部分实现物理隔离,无液体交叉污染,安全耐用。(2)测量范围广,精确度高。测量范围能够覆盖氧气浓度全量程,测量重复性≤±1.0%。0~99%量程内测量分辨率0.3%,示值误差≤±0.5%FS;99~100%量程内测量分辨率0.01%,示值误差≤±3%FS。(3)测量误差小,准确度高。采用光幕传感器和步进电机相结合的双液面调平方法取代原始的人工目测调平,降低了人为因素干扰,有效减小了系统误差,提高了测量准确度。(4)自动化程度和测量效率高。利用双向蠕动泵实现气液管路的自动化驱动控制,多档位流速调节能够实现被测气体的精确采集和测氧流程的精确控制。反应瓶中铜氨溶液吸收氧气采用涡轮驱动方式进行,能够有效加快化学反应速度。整机按照预定的测量步骤进行自动化操作,方便快捷。单次检测时间从原来的20分钟缩短到5分钟以内。综上所述,本课题设计和研发的基于铜氨法的自动化氧气浓度检测仪,达到了预期的设计目标,不仅能够减少测量过程中的人为误差,提高测量精确度和自动化程度,而且能够提高测量效率和环境适应性,具有良好的实际意义和应用价值。