STATIM卡式消毒鍋溫度控制原理及典型溫度故障分析

李杰華，陳正龍，彭宇航

STATIM卡式消毒鍋溫度控制原理及典型溫度故障分析

李杰華，陳正龍，彭宇航

介紹了STATIM（時代）快速卡式消毒鍋的優(yōu)點(diǎn)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了該設(shè)備以熱電偶信號調(diào)理專用芯片AD595為核心的溫度采集電路的工作原理，對使用中經(jīng)常出現(xiàn)的溫度相關(guān)的故障代碼和可能的故障原因進(jìn)行了歸納與總結(jié)，以期為消毒鍋的維修和類似溫度控制電路的設(shè)計提供有益的參考。

STATIM卡式消毒鍋；AD595；故障分析

0 引言

STATIM卡式高壓蒸汽消毒滅菌器是加拿大賽康公司生產(chǎn)的一款快速、高效、可靠的消毒滅菌設(shè)備。其消毒腔采用薄壁卡式消毒盒設(shè)計，具有升溫和冷卻迅速的特點(diǎn)，例如STATIM2000在6 min內(nèi)就可以完成一個對非包裹型器械的消毒滅菌循環(huán)，大大縮短了器械處于高溫潮濕環(huán)境的時間，減少了氧化對器具的損傷。相對于傳統(tǒng)的自然排氣和預(yù)真空式高壓蒸汽滅菌器來說，STATIM的脈動正壓排氣技術(shù)，使得消毒腔內(nèi)空氣殘留量少，對無腔器械（如手術(shù)刀片）、有腔器械（如牙科手機(jī)等）均可取得十分可靠的滅菌效果，因此越來越多地應(yīng)用于口腔科、眼科等各類?？圃\所以及醫(yī)院手術(shù)室，主要對非包裹型器械、包裹型器械、醫(yī)用橡膠和塑料等物品進(jìn)行消毒。作者結(jié)合自己多年對STATIM快速卡式消毒鍋的維修經(jīng)驗，深入分析了其溫度控制的原理，總結(jié)了其常見的與溫度有關(guān)的故障原因及排除方法，希望能為消毒鍋的維修和類似溫度控制電路的設(shè)計提供有益的參考。

1 STATIM消毒鍋溫度控制原理

STATIM快速卡式消毒鍋一個典型的滅菌循環(huán)，它包括置換、預(yù)熱、升溫、滅菌、排氣和干燥6個階段，可選的消毒滅菌溫度分別為121和134℃。STATIM快速卡式消毒鍋的工作原理如圖1所示。

圖1 STATIM快速卡式消毒鍋工作原理框圖

由圖1可以看出，STATIM消毒鍋利用了2個熱電偶分別對卡式滅菌盒和鍋爐溫度進(jìn)行測控，其內(nèi)部不含壓力傳感器，事實上，濕空氣飽和水蒸氣壓和溫度之間存在著對應(yīng)關(guān)系，Antoine方程是應(yīng)用最普遍的飽和水蒸氣壓與溫度的關(guān)系式，溫度在10～168℃范圍內(nèi)的Antoine方程[1]為式中，ps為飽和水蒸氣壓，單位為kPa；t為溫度，單位為℃。表1列出了100～160℃范圍內(nèi)飽和水蒸氣壓力和溫度的對應(yīng)關(guān)系。

1.1 STATIM消毒鍋溫度采集電路

我們在進(jìn)一步對STATIM快速卡式消毒鍋的維修和日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，溫度的控制采用熱電偶信號的調(diào)理專用芯片AD595[2-4]。圖2為以AD595為核心的溫度控制電路。AD595是集成的單芯片儀表放大器和熱電偶冷結(jié)補(bǔ)償器，內(nèi)部包含2個差分放大器，其輸出信號相加用以控制一個高增益的主放大器。正常工作時，主放大器的輸出9腳與反饋網(wǎng)絡(luò)8腳相連接，從輸入引腳1和14輸入的熱電偶信號通過差分放大器放大G倍，進(jìn)一步通過主放大器放大A倍。主放大器的輸出反饋回差分放大級的負(fù)相輸入端，通過反饋網(wǎng)絡(luò)的修整，熱電偶的激勵信號通過AD595的有效放大后，在引腳8和9產(chǎn)生10 mV/℃的輸出。除了反饋信號，右邊的差分放大器也加入了冷端補(bǔ)償電壓，這一補(bǔ)償電壓通過增益調(diào)整電阻后，在主放大器輸出端也得到10 mV/°C的輸出。結(jié)果，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加一個正比于AD595本地溫度與冰點(diǎn)溫度差的電壓信號到熱電偶的輸出環(huán)路。如果熱電偶參考端保持在AD595本地溫度，那么AD595的輸出將對應(yīng)以冰點(diǎn)為參考端的熱電偶信號放大電壓。AD595還包含一開路檢測器控制報警三極管，它實際上是一個限流輸出緩沖器，可為外部報警提供上拉和下拉操作。反饋電阻由單獨(dú)的腳引出，可以通過串聯(lián)電阻改變其大小，也可以由引腳5和9之間的外接電阻替代。外接反饋電阻可以調(diào)整AD595的增益，使其工作在設(shè)定工作點(diǎn)的開關(guān)模式。

表1 飽和水蒸氣壓力表

圖2中，AD595配置在+5 V單電源工作模式下。熱電偶信號從引腳1和14輸入，通過AD595的調(diào)節(jié)后，從VO端引腳9輸出10 mV/℃的信號，然后這一放大的溫度信號送到 10位 A/D轉(zhuǎn)換器TLV1548的輸入端Ax[5]，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號從TLV1548的Data Out端輸出至微處理器I/O口[6]，這樣就實現(xiàn)了溫度的采集和顯示。REF+為A/D轉(zhuǎn)換參考電壓，為了保證消毒鍋溫度的準(zhǔn)確性，設(shè)計要求這一電壓穩(wěn)定在（2.520±0.001）V左右。

圖2 STATIM消毒鍋溫度采集電路圖

1.2 AD595的重新校準(zhǔn)

AD595出廠配置用于調(diào)節(jié)K型熱電偶信號，當(dāng)用于其他類型熱電偶時，必須對AD595進(jìn)行重新校準(zhǔn)。

將AD595保持在恒定的溫度，按照下列步驟進(jìn)行重新校準(zhǔn)。首先，將AD595 2個輸入引腳連接到公共端COM，并將FB引腳與VO相連接。AD595工作在獨(dú)立的攝氏溫度計模式下，假定環(huán)境溫度為24℃，VO初始輸出電壓為240 mV，檢查輸出VO是否與AD595所處的溫度對應(yīng)。接下來，用高阻抗的數(shù)字萬用表測量-T端引腳5的電壓，24℃時-T端電壓大約在8.3 mV。為了調(diào)整AD595的補(bǔ)償?shù)竭m合于E型熱電偶，連接電阻R1到+T和+C之間，即引腳2和3之間，以改變靈敏度比例提高-T端的電壓。K型到E型熱電偶轉(zhuǎn)換比例為

r=（60.9 μV/°C）（/40.4 μV/°C）=1.51然后，將-T端測得的初始電壓值乘以r，實驗確定為達(dá)到-T端新電壓值所需的R1值。例如，-T端新的電壓值為12.5 mV，電阻值近似為650 Ω，現(xiàn)在零差分輸入必須移位回到0℃，這可以通過在-C和-T輸入端（引腳5和6）接入電阻R2，將輸出電壓VO調(diào)整到初始VO的r倍而實現(xiàn)。這里目標(biāo)輸出電壓大約為362mV，實驗得到R2的阻值近似為84kΩ。

最后，增益必須重新校準(zhǔn)使得輸出VO再次指示芯片溫度。為此，可以在FB和-T輸入端，引腳8和5，接入電阻R3，VO必須返回到初始讀數(shù)240 mV，R3的阻值近似為93kΩ，最后的電路連接圖如圖3所示。可以通過測量輸出電壓的增益大致確認(rèn)重新校正過程的有效性，對于E型熱電偶，增益應(yīng)為164.2。當(dāng)AD595使用E型熱電偶時，功耗將增加大約50%。

2 溫度相關(guān)的故障代碼及分析

STATIM快速消毒鍋的維修使用計算機(jī)檢測，自動判斷故障并顯示故障代碼供用戶參考。在軟件所顯示的所有故障代碼中，絕大部分故障為溫度不準(zhǔn)確、升溫速率過高或者為升溫速率過低。以下我們總結(jié)了STATIM快速消毒鍋常見溫度故障以及可能的原因與解決方法。

2.1 故障一

（1）故障現(xiàn)象：Cycle Fault#1報警，表現(xiàn)為在規(guī)定的時間內(nèi)卡式盒溫度不能達(dá)到95℃。

圖3 AD595用于E型熱電偶的重新校準(zhǔn)

（2）造成該故障的原因可能是：①卡式盒內(nèi)裝載的消毒物品過多，使盒體大量泄漏；②水泵輸出過弱；③蒸汽發(fā)生器污染；④蒸汽發(fā)生器的三端可控硅故障使熱熔斷絲熔斷致使泵入卡式盒內(nèi)蒸汽不足所致；⑤蒸汽發(fā)生器加熱電阻開路也可以導(dǎo)致該故障。

2.2 故障二

（1）故障現(xiàn)象：Cycle Fault#3或#4報警，表現(xiàn)為在規(guī)定時間內(nèi)卡式盒不能升壓，以致不能升溫到110℃或者卡式盒不能在首次達(dá)到110℃后的規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)入滅菌狀態(tài)。

（2）故障原因可能為：①卡式盒內(nèi)密封圈老化；②盒體損壞；③電磁閥損壞關(guān)閉不嚴(yán)；④鍋爐單向閥和減壓閥存在泄漏；⑤熱電偶校準(zhǔn)不當(dāng)。除PCB是R7××版本外，檢查PCB的右上角電位計Vref是否在（2.520±0.001）V。

2.3 故障三

（1）故障現(xiàn)象：Cycle Fault#10報警，在非包裹或包裹循環(huán)的排氣調(diào)溫階段，卡式盒溫度不能降到115℃，或在橡膠和塑料循環(huán)不能降到110℃。

（2）故障原因可能為：①卡式盒底盤左后的管道阻塞；②排氣管扭曲或者打結(jié)；③電磁閥連接有誤；④線圈斷路；⑤閥芯粘連。

2.4 故障四

（1）故障現(xiàn)象：Cycle Fault#14報警，表現(xiàn)為循環(huán)的滅菌階段蒸汽發(fā)生器溫度高于171℃。

（2）故障原因可能為：①蒸汽發(fā)生器入水管阻塞；②水泵故障或出水過少；③水泵或蒸汽發(fā)生器的三端可控硅故障；④密封圈安裝不正確；⑤電磁閥故障。

2.5 故障五

（1）故障現(xiàn)象：Cycle Fault#15報警，表現(xiàn)為循環(huán)滅菌階段卡式盒溫度過高，或者在循環(huán)的調(diào)溫、升壓階段高于138.6℃。

（2）故障原因可能為：①卡式盒內(nèi)的排氣管道阻塞；②連接到廢水瓶的排氣管不暢；③電磁閥故障。

3 結(jié)語

對照前一部分STATIM快速消毒鍋的工作原理（如圖1所示）和溫控原理（如圖2所示），可以對消毒鍋出現(xiàn)的諸多故障進(jìn)行歸納與小結(jié)。

（1）首先確保溫度采集硬件電路工作正常，通常需要檢測熱電偶是否開路，或者A/D轉(zhuǎn)換芯片TLV1548參考電壓REF+端是否在2.52 V左右。

（2）如果故障表現(xiàn)為鍋爐或者卡式盒的溫度高于設(shè)定溫度，很可能是水泵進(jìn)水不足導(dǎo)致鍋爐干燒，或者卡式盒排水排氣通路不暢，應(yīng)檢查排水排氣管道或者電磁閥。

（3）如果鍋爐或者卡式盒的溫度低于設(shè)定溫度，則應(yīng)該檢查鍋爐加熱電路是否存在故障、卡式盒的進(jìn)氣通路是否堵塞或卡式盒本身是否漏氣等。

值得注意的是，為了保證STATIM壓力蒸汽滅菌器工作正常，必須對滅菌盒與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)鍋爐維修后，更換PCB或熱電偶后，都要根據(jù)軟件的升級對熱電偶系統(tǒng)重新校準(zhǔn)。

[1]王志魁．化工原理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[2]佚名.AD595datasheet[EB/OL].（2013-07-07）[2013-10-15].http：// www.analog.com/zh/mems-sensors/digital-temperature-sensors/ad595/ products/product.html.

[3]張麗果，鄭小林，陳鋒，等.基于AD595芯片的恒溫控制儀設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）：16-17.

[4]李新華.帶冷端補(bǔ)償?shù)膯纹瑹犭娕挤糯笃鰽D594/AD595及其應(yīng)用[J].國外電子元器件，1996（12）：17-18.

[5]佚名.TLV1548 datasheet[EB/OL].（2013-07-10）[2013-10-20]. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv1548.pdf.

[6]佚名.MC68HC908GP32 datasheet[EB/OL].（2013-07-10）[2013-10-20].http：//www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68 HC908 GP32.pdf.

（收稿：2013-08-02 修回：2013-12-20）

Temperature control principle and typical temperature failures of STATIM cassette autoclave

LI Jie-hua1,CHEN Zheng-long2,3,PENG Yu-hang1
(1.Shanghai Aier Eye Hospital,Shanghai 200336,China;2.Med-X Research Institute,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030,China;3.Shanghai Medical Instrumentation College,Shanghai 200093,China)

The benefits and internal structure of STATIM cassette autoclave are introduced,whose working principle is analyzed with AD595 thermocouple signal conditioning chip as the core of the temperature acquisition circuit.The typical temperature failures and possible causes are summarized to provide references for the maintenance of the autoclave and the design of other temperature control circuits.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：123-125]

STATIM cassette autoclave;AD595;failure analysis

R318.6；TH771.4

A

1003-8868（2014）11-0123-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.123

李杰華（1978—），男，工程師，主要從事醫(yī)療器械工程方面的研究工作，E-mail：sh1jhua@163. com。

200336上海，上海愛爾眼科醫(yī)院（李杰華，彭宇航）；200030上海，上海交通大學(xué)Med-X研究院（陳正龍）；200090上海，上海醫(yī)療器械高等?？茖W(xué)校（陳正龍）

陳正龍，E-mail：chenzl@smic.edu.cn