新型液位探测技术在医用超声雾化器中的应用设计

引言

研究表明，雾霾对人体有很大的影响，尤其是呼吸道疾病，发病率呈现出明显上升的趋势[1]。医用超声雾化器主要用于治疗各种上下呼吸系统疾病，其是通过晶体振荡电路使雾化片产生超声波，经以水槽内的水为介质作用于药杯，使药杯中的水溶性药物振荡变成能悬浮于气体中的中位粒径小于5 μm的药雾颗粒，药雾颗粒经风机送风并通过波纹管及咬嘴或面罩让患者吸入。雾化吸入疗法具有操作简单、药物直达病灶、局部病灶药物浓度高、用药量少、安全性高及毒副作用小的优点[2]，发挥了静脉或口服给药不可替代的作用。当雾化片工作在谐振频率时，雾化片的谐振阻抗只有几欧姆以下，发热量会很高，在水槽缺水不能冷却的情况下，容易熔化塑料材质的水槽底部而造成机内漏水，甚至发生触电事故。医用超声雾化器最新的行业标准YY 0109-2013第4.6(b)要求具备低水位提示或停机装置[3]，因此液位探测是医用超声雾化器的必要功能。

1 材料与方法

1.1 主流液位探测技术的对比

液位检测分为接触式和非接触式，“非接触”是指液位开关无需与液体直接接触，而是安装在储存液体的容器外壁[4]，反之则为“接触式”。主流液位探测技术有以下几种类型。

（1）浮力式。浮力式液位探测装置主要由磁性浮子和干簧管组成，干簧管放置于空胶管内，浮子活动于空胶管外侧，沉浸在容器内液体中的磁性浮子高度随液体高低而改变，浮子移动至干簧管同高度时，干簧管闭合，反之断开，实现液位探测的功能[5]。优点是简单直观，成本低，缺点是要接触式探测，容易产生污垢而使浮子卡顿，导致探测失效。主流医用超声雾化器产品采用这种方式。

（2）超声式。超声式液位计利用超声波遇到液面产生反射，通过测量回声距离，从而测量出液位[6]。优点是非接触式探测，缺点是结构复杂，成本高，安装环境适应性弱，部分物质对超声波有强烈的吸收作用。

（3）压力式。通过固定在水下的压力传感器将水压力转换为电信号，再通过电信号与水深的换算关系推求水位[7]。优点是安装简单，缺点是接触式探测，在小型化水位探测不够准确。

（4）雷达式。雷达式液位计产生微波通过天线向下射出，微波遇到障碍物时有部分反射回来，根据发射波和反射波的时差来计算物料面的距离，实现液位探测的功能[8]。优点是非接触式探测，缺点是结构复杂，成本高，安装环境适应性弱。

（5）电容式。电容式液位传感器利用电容值与极板的面积成正比、与极板间的距离成反比的特性，将被测液体当作电容，将两根金属棒插入液体不同高位的两个位置，将液位高度转换成相应的电容量，以此探测液位[9]。优点是结构简单，缺点是接触式探测，金属棒腐蚀，且易受液体温度、密度等变化而影响探测结果。主流医用超声雾化器产品也采用这种方式。

（6）红外式。红外式液位传感器利用红外光的发射和接收组件，结合浮漂遮挡原理来确定液位高度[10] 。优点是成本低，精度高，搞干扰强，缺点是接触式探测，安装环境适应性弱，光学元件易受污染。

（7）激光式。激光传感器先由激光二极管对准目标发射激光脉冲，经目标反射后，部分散射光返回到传感器接收器，记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离，可应用于液位探测[11]。优点是非接触式探测，探测准确，缺点是成本高，安装环境适应性弱，光学元件易受污染。

1.2 硬件选型

为了避免上述主流液位探测技术的局限性对医用超声雾化器的水位探测应用要求，本文介绍的新型液位探测技术设计选用深圳市阿达电子有限公司生产的1段液位检测专用芯片ADW01作为探测传感器。该芯片使用电容感应的探测原理，和上述1.1提到的电容式液位探测技术有不同点：后者需要使用耐腐蚀的金属探针浸泡在液体里两个不同高度的位置，通过测量金属探针之间的液体电容值变化来判断是否缺水，是双线接触式探测，不适合探测高腐蚀性的液体，安装时要求做好探针和水槽之间的密封性；前者使用廉价的不锈钢、铜箔或铁片等金属薄片放置在水槽外壁，测量把水槽和水槽里液体当作的一个整体对地的电容值变化来判断是否缺水（当缺水时，芯片7脚输出高电平，反之输出低电平），是单线非接触式探测，能检测具有弱导电特性的或导电特性的液体，范围比后者更广，安装方法比后者更简单更安全，成本更低，也可防腐蚀、防污染，同时芯片还能适用于单线接触式探测。ADW01芯片集成阿达电子花费多年研究的独特算法，能够做到智能识别，无论是有液体上电，还是无液体上电，都能正确指示液位状态，使用体积非常小的SOP-8封装[12]，安装环境适应性强。

1.3 设计方法

1.3.1 选型芯片管脚描述

ADW01芯片符合RoHS标准，直流2.4～5.5 V供电，7脚控制信号输出端口输出TTL电平，其典型硬件电路图，见图1。ADW01芯片的管脚描述，见表1。

1.3.2 电路图设计

本文介绍的新型液位探测技术的电路设计图，见图2。ADW01芯片的2脚灵敏度电容调节端口串联电容C1后接入地，其电容值在下文有详述；3脚电源正极端口接5 V直流电源正极，同时串联100 nF电容C2，为芯片滤波抗干扰；4脚电源负极端口接地；5脚液位检测信号输入端串联2.2 kΩ限流电阻R1和薄铜片，薄铜片需要横向水平地紧贴在医用超声雾化器水槽外壁指定的高度；6脚串联4 pF 参考电容C3后接入地；7脚控制信号输出端口输出TTL电平，当探测到水槽缺水时输出5 V，反之输出0 V，2.2 kΩ电阻R2和10 kΩ电阻R3组成的分压电阻、S8050三极管Q1、1N4007二极管D1和直流5 V继电器RL1组成控制医用超声雾化器主电源通断的电路，RL1的常闭端串联在医用超声雾化器主电源回路中（A和B点），水槽缺水时使雾化器断电，反之正常通电；1和8脚悬空。

1.3.3 实物测试

基于考虑设计成本和时间的原因，本设计使用某主流品牌医用超声雾化器为基础进行水位探测功能设计，实物测试图，见图3。

新型液位探测技术电路的5 V供电是通过雾化器风机直流12 V电源和LM7805稳压管转换而成，见图3的A框所示；雾化器原来是使用浮力式液位探测技术，为了不影响本设计的功能测试，直接短接了干簧管开关；雾化器使用直流38 V电源供电，为了实现水位探测控制电源通断，断开了正极输入线，把主电源回路拆分为A和B点，将两点接入直流5 V继电器常闭端口，见图3的B框所示；ADW01芯片5脚液位检测信号输入端串联电阻R1和薄铜片，薄铜片紧贴于水槽外壁，见图3的C框所示。

1.3.4 技术难点

ADW01芯片2脚串联的灵敏度电容C1越大，检测灵敏度越高，反之检测灵敏度越低。被测对象的与液位相关的参数发生了改变，比如水槽容积、容器厚度或检测端的走线变化了，都可能需要修改C1的电容值，在实物环境调试中取能稳定实现探测功能的电容值上下限的中间值。本设计使用82 nF的电容值。

ADW01芯片5脚液位检测信号输入端附近，见图3的D框范围，背部不要走线或铺铜，电阻R1尽量靠近芯片，且到薄铜片的引线尽量短，使分布电容要小于参考电容C3电容值4 pF。

2 结果

经通电测试得出结果，当雾化器的水槽水位低于探测薄铜片的下边缘大概1 mm以内水平线范围即可探测出缺水，ADW01芯片7脚输出高电平使能继电器RL1断开雾化器主电源回路，防止水槽缺水而引起雾化片干烧，杜绝雾化片熔穿塑料件甚至漏水发生触电事故，反之，水位高于上述水平线，7脚输出低电平，继电器RL1恢复回常闭端，使雾化器正常工作。ADW01芯片对缺水与否的探测反应时间大概在1 s以内，能满足使用要求。通过本设计，可以将原来在水槽内部的水位探测装置转移到水槽外壁，实现非接触式探测。

3 讨论

主流医用超声雾化器复杂的水槽内部结构会增加消毒死角，细菌和污垢容易形成，尤其在夏季，水槽底部容易滋生铜绿假单胞菌等喜潮湿细菌[13]，铜绿假单胞菌是主要的医院感染条件致病菌，常常感染免疫力低下的患者，同时对多种抗菌药物耐药[14]。本设计使用ADW01芯片实现非接触式液位探测，效果安全可靠，能简化雾化器内部结构，很好地解决上述问题。随着技术发展的成熟，医用超声雾化器逐步小型化[15]，开始进入家用器械市场[16]，ADW01芯片体积很小，外围电路少，如果全部使用贴片元件制作，能把探测模块做得更小型化，安装环境适应性强，而且芯片价格只需1.9元，制作成本极低。因此，本设计是替代传统医用超声雾化器水槽水位探测技术的优良方案。

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