高溫蒸汽滅菌器溫度壓強測量系統(tǒng)

郭　慶， 周嘉奉， 許　金， 徐翠鋒

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，廣西 桂林 541004)

高溫蒸汽滅菌器溫度壓強測量系統(tǒng)

郭慶1， 周嘉奉1， 許金2， 徐翠鋒2

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室，廣西 桂林 541004)

摘要:設(shè)計了一種使用超聲波信號通信的高溫蒸汽滅菌器溫度壓強測量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用超聲波信號在剛體介質(zhì)中的強穿透性穿透滅菌器金屬壁。通過40 kHz與1 MHz兩種頻率信號代表不同數(shù)據(jù)位完成信息的傳遞。系統(tǒng)以STM32F103為控制器，通過外圍電路驅(qū)動超聲波換能器激發(fā)超聲波，從而使外部換能器振動完成通信。介紹了誤碼處理算法與系統(tǒng)硬件構(gòu)成。經(jīng)測試，系統(tǒng)溫度測量誤差小于0.1 ℃，壓強測量誤差小于0.1 %FS。

關(guān)鍵詞:溫度壓強測量系統(tǒng)； 高溫蒸汽滅菌器； 超聲波通信

0引言

高壓蒸汽滅菌器是一種滅菌消毒設(shè)備，通過排空滅菌鍋內(nèi)空氣，對鍋體內(nèi)水加熱不斷獲得高溫蒸汽，對細(xì)菌進(jìn)行殺滅作用的一種儀器[1]。藥品制造、醫(yī)用教學(xué)、細(xì)菌工業(yè)中經(jīng)常需要對目標(biāo)器材進(jìn)行消毒殺菌操作，而對滅菌效果的判斷還有一定局限性。傳統(tǒng)滅菌效果的檢測方法多靠工人經(jīng)驗，BD試紙或生物試劑通過顏色比對來籠統(tǒng)判斷殺菌效果，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確且實時性低[1～2]。

滅菌器的殺菌效果依據(jù)滅菌器內(nèi)的溫度與壓強的值進(jìn)行定量表征,因此，高精度壓強與溫度的測量對于滅菌器殺菌效果的判斷就顯得尤為重要。

本文設(shè)計了一種高溫蒸汽滅菌器溫度壓強測量系統(tǒng)，經(jīng)測試，系統(tǒng)溫度測量誤差小于0.1 ℃，壓溫測量誤差小于0.1 %FS。

1系統(tǒng)框架

高溫蒸汽滅菌器為金屬壁結(jié)構(gòu)，由于電磁波在穿透金屬壁時受到金屬壁上集膚效應(yīng)的影響，電磁波大幅度衰減，外部接收部分接收信號困難，使用傳統(tǒng)射頻信號難以實現(xiàn)無線通信。

設(shè)計利用超聲波在剛體介質(zhì)中強穿透性的特點，克服傳統(tǒng)射頻通信信號被金屬壁屏蔽而通信效率降低,甚至信號完全無法接收的缺點，完成了測量滅菌器內(nèi)部溫度壓強數(shù)據(jù)并以無線方式發(fā)送的功能[3,4]。

測量系統(tǒng)由信號測量發(fā)送與信號接收兩部分組成。如圖1所示，信號測量部分工作使用獨立電源供電，放置在滅菌器內(nèi)部，負(fù)責(zé)測量數(shù)據(jù)與驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送超聲波。信號使用2FSK調(diào)制，使用40 kHz與1 MHz換能器分別代表符號“0”與符號“1”兩種不同數(shù)據(jù)。

外部接收部分對發(fā)送的超聲波信號采集并進(jìn)行處理，通過頻率的判斷，還原滅菌鍋內(nèi)部采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無線通信，然后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機，上位機將數(shù)據(jù)繪制曲線并保存。

圖1　系統(tǒng)原理框圖Fig 1　Principle block diagram of system

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1超聲波驅(qū)動模塊

超聲波是一種頻率超過20 kHz的機械波，設(shè)計中超聲波產(chǎn)生原理是通過一定幅度的電壓激勵使換能器中的壓電芯片產(chǎn)生振動，激發(fā)超聲波脈沖[5]。

為得到方便處理的超聲波，激勵脈沖應(yīng)足夠窄。設(shè)計中采用40 kHz與1 MHz的換能器，發(fā)射脈沖周期應(yīng)該為諧振周期的50 %，則發(fā)射脈寬度為12.5,0.5 μs。脈沖幅度在額定范圍內(nèi)盡可能大，以更好地激勵超聲波換能器產(chǎn)生穿透能力更強的超聲波[6，7]。

由上述可知，超聲波換能器的驅(qū)動需要高壓窄脈沖激勵，設(shè)計采用電容器瞬間放電法產(chǎn)生激勵脈沖。高壓直流電源是由PWM控制器芯片MAX668加外圍電路產(chǎn)生[8]，電路圖如圖2所示。輸出高壓可由外部接入電阻器R2，R3調(diào)整，輸出電壓滿足：Vref為1.25 V，R3阻值為20 kΩ～1 MΩ，其中,R2=R3[(Vout/Vref)-1]，其中，Vout為放電電容兩端的電壓，電感按照下式選擇：Ldeal=Vout/(4Iout×fosc)。

圖2　直流高壓產(chǎn)生電路Fig 2　DC high-voltage generation circuit

換能器驅(qū)動電路，由N型溝道MOS管，限流電阻器RC，放電電容器C與開關(guān)二極管D1，D2組成。當(dāng)柵極為低電平時MOS管截止，電路通過電阻器RC、電容器C1,D2回路充電。當(dāng)給柵極高電平導(dǎo)通時，電容通過MOS管，R2與D1對超聲波換能器放電。換能器受到激勵后會產(chǎn)生超聲波。換能器驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3　換能器驅(qū)動電路Fig 3　Circuit of transducer driving

2.2溫度壓強測量模塊

設(shè)計使用恒流源測量法，采用三線制鉑電阻傳感器，通過硬件電路消除傳感器的零度電阻，輸出電壓僅包含變化阻值產(chǎn)生的電壓，與環(huán)境溫度的變換呈線性關(guān)系。選取參考電阻器與溫度傳感器作為恒流源負(fù)載，電路如圖4所示。

圖4　溫度信號調(diào)理電路Fig 4　Circuit of temperature signal conditioning

系統(tǒng)運行時，傳感器電壓在U3以單倍放大輸出，在U4以雙倍放大輸出分別為：VAIN+=I(Rref+Rt)+Vos1,VAIN-=2IRt+2VOS2。VOS1與VOS2為放大器失調(diào)電壓，AD芯片轉(zhuǎn)換完畢后交換電流方向再一次測量，可以消除放大器的失調(diào)與漂移產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。為消除恒流源波動帶來的系統(tǒng)誤差，單次電流方向測量時多次轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)，將電流波動產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差降到最小。選取電阻器時要求高精度匹配，使用0.1 %的精密電阻器完成電阻的選擇。

2.3壓強測量模塊

壓強測量使用壓強傳感器MPS30H1000。傳感器內(nèi)部為壓阻結(jié)構(gòu)，量程為0～1 000 kPa，可在-40～180 ℃溫度內(nèi)工作，測量電路如圖5所示。傳感器使用恒流源供電，恒流源由芯片LT3092提供,調(diào)整Rset與Rout的比值來改變輸出電流，電流輸出范圍為0.5～200 mA，電流輸出滿足：Iout=(10 μA×Rset)/Rout。差分信號經(jīng)過儀表放大器對差分信號放大。傳感器未施加壓力時輸出零點需自調(diào)整，在輸出端加入減法器，抵消放大器漂移與傳感器零點漂移帶來的系統(tǒng)誤差，將輸出零點調(diào)整在合適位置，提供線性輸出。

圖5　壓強測量電路Fig 5　Circuit of pressure measurement

2.4發(fā)送與接收模塊

本設(shè)計的發(fā)送模塊與接收模塊均采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的芯片STM32F103作為處理核心，該模塊滿足了系統(tǒng)發(fā)送模塊低功耗的實際要求，同時芯片的USART接口方便接收模塊與上位機的串口數(shù)據(jù)通信。芯片工作頻率為72 MHz，為整個系統(tǒng)提供了可靠的處理能力。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1發(fā)送端與接收端軟件設(shè)計

發(fā)送端軟件主要包括數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端軟件主要包括數(shù)據(jù)接收判斷，數(shù)據(jù)誤碼處理。溫度測量過程中恒流源產(chǎn)生的電流存在一定程度的波動，為減小電流源波動帶來的誤差，系統(tǒng)正向反向共進(jìn)行20次測量，去除測量值的最大值與最小值后取剩余值的均值作為測量數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)加載在包含幀頭幀尾的數(shù)組中，通過控制超聲波發(fā)送模塊的硬件電路將數(shù)據(jù)發(fā)出。

3.2通信幀與誤碼校驗算法設(shè)計

由于系統(tǒng)工作環(huán)境較復(fù)雜，因此，系統(tǒng)需要簡明的幀設(shè)計簡化碼字復(fù)雜程度，減小系統(tǒng)的功耗[9]。同時需要合理數(shù)據(jù)校驗算法對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，幀設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　幀結(jié)構(gòu)Fig 6　Frame structure

幀頭直接包含數(shù)據(jù)信息，以2只超聲波探頭獨立發(fā)送的信號為數(shù)據(jù)的開始，減小失碼與誤碼對信息傳輸?shù)挠绊憽Ｆ渲幸浴?00”作為壓強信號的幀頭信息，“111”作為溫度信號的幀頭信息。系統(tǒng)探測的壓強最大值為500.0 kPa，以“5 000”作為最大傳輸數(shù)據(jù)，共需要13個數(shù)據(jù)位；溫度最大值為150.0 ℃，以“1 500”作為最大傳輸數(shù)據(jù)，共需要11個數(shù)據(jù)位。幀尾數(shù)據(jù)作為效驗位結(jié)束，效驗采用奇偶效驗碼，為確保校驗位的準(zhǔn)確接收無誤碼，系統(tǒng)采取多位數(shù)據(jù)同時表示，“111”表示校驗位“1”，“000”表示校驗位“0”，校驗位有誤碼時判斷所占位數(shù)最多的數(shù)據(jù)來確定校驗位。

誤碼效驗算法根據(jù)恒溫箱內(nèi)部溫度與壓強數(shù)據(jù)變化具有連續(xù)性得出。系統(tǒng)每6 s傳輸一次數(shù)據(jù)，6 s溫度與壓強數(shù)據(jù)相鄰的變化值ΔT，Δp不會劇烈變化。系統(tǒng)記錄1 min內(nèi)溫度與壓強值，并得出數(shù)據(jù)變化趨勢，即記錄系統(tǒng)最近10次的數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)之間的變化量。系統(tǒng)共設(shè)置六種數(shù)據(jù)變化趨勢進(jìn)行判斷：1)上升趨勢；2)下降趨勢；3)上升下降趨勢；4)下降上升趨勢；5)平衡趨勢；6)無趨勢。平衡趨勢指10次相鄰數(shù)據(jù)變化值用二進(jìn)制表示在5位以內(nèi)，無趨勢表示變化值超過5位，且正負(fù)變化頻繁，無明顯趨勢。接收到數(shù)據(jù)有誤碼后，從兩個角度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，變化值正負(fù)，變化值大小。由于系統(tǒng)通信為單向通信，則產(chǎn)生誤碼時采取使誤差盡可能小的方式對碼字進(jìn)行修正，當(dāng)校驗位錯誤時，根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢對接收碼字修正一位數(shù)據(jù)，修正位為平均變化量與當(dāng)前變化量差值的最高位，與最高位左右2位，最后將得到的三個數(shù)據(jù)與前一次接收的數(shù)據(jù)相比較，選擇最接近平均變化量的修正數(shù)據(jù)。為消除連續(xù)誤碼對數(shù)據(jù)修正產(chǎn)生連鎖影響，每分鐘結(jié)尾連續(xù)發(fā)送10次數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)測試

4.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)測量標(biāo)定

系統(tǒng)通過使用0.01 Ω高精度電阻箱代替?zhèn)鞲衅鲗ο到y(tǒng)定標(biāo)，通過修改電阻箱阻值來模擬待測溫度點標(biāo)稱阻值，經(jīng)過系統(tǒng)測量得到系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示，其中,測量溫度為在標(biāo)稱電阻設(shè)定的溫度點測量20次得到的平均值。

系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)壓力校驗儀對傳感器定標(biāo)，校驗儀精度為0.05 %FS。標(biāo)準(zhǔn)壓力校驗儀產(chǎn)生標(biāo)稱值，使用記錄儀對傳感器輸出電壓多次測量取平均值，達(dá)到系統(tǒng)定標(biāo)的作用，定標(biāo)測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表1　溫度測量標(biāo)定

由數(shù)據(jù)可以得到壓力每變化100 kPa傳感器差分輸出10.1 mV，在零點時有0.2 mV的偏移。通過減法器將被放大器放大的傳感器零點漂移電壓與放大器失調(diào)電壓引入的誤差消除后，系統(tǒng)輸出為線性。

表2　壓強測量標(biāo)定

4.2系統(tǒng)通信測試

由于恒溫箱溫度精度低，實時性較差，系統(tǒng)測試主要通過使用不同加熱速度對待測液體加熱，用相同時間內(nèi)平均步進(jìn)溫度的改變來模擬環(huán)境的變化，測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，并保證實時記錄測試數(shù)據(jù)。通過將溫度探頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計同時測量待測液體，并使待測液體均勻升溫至沸騰，模擬在高溫蒸汽滅菌器內(nèi)的加熱效果，與數(shù)據(jù)變化效果。通過9 mm鋼板模擬高壓蒸汽滅菌器金屬鍋壁，標(biāo)準(zhǔn)溫度計精度為0.01 ℃。測量過程中，高精度溫度計與系統(tǒng)溫度探頭緊密接觸，保證溫度相同，通過數(shù)據(jù)可得知系統(tǒng)誤碼率不超過2 %。測試數(shù)據(jù)如表3。

表3　步進(jìn)溫度值與通信誤碼

5結(jié)論

本文介紹了一種在高溫蒸汽滅菌器內(nèi)測量溫度與壓強數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過超聲波信號傳輸?shù)南到y(tǒng)，該系統(tǒng)利用超聲波在剛體內(nèi)的穿透特性傳播數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)無線傳輸方法中電磁波難在金屬密閉容器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦щy，介紹了發(fā)送端與接收端電路的實現(xiàn)與軟件數(shù)據(jù)處理算法，利用該系統(tǒng)可以及時反饋恒溫箱內(nèi)部數(shù)據(jù)，有效提高滅菌效率，有較好的應(yīng)用價值。

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Temperature and pressure measuring system of high temperature steam sterilizer

GUO Qing1, ZHOU Jia-feng1, XU Jin2, XU Cui-feng2

(1.College of Electrical Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China;2.Key Laboratory of Guangxi Automatic Detection and Instrumentation， Guilin 541004,China)

Abstract:A temperature and pressure measuring system which uses ultrasonic signals for communication is designed.The system uses strong penetrate characteristic of ultrasonic signal in rigid body medium.Through two kinds of frequency signals of 40 kHz and 1 MHz representing different data bits to complete transfer of information.The system takes STM32F103 as controller,and through peripheral circuit to drive ultrasonic transducer to excite ultrasonic wave，so as to cause vibration of external transducer to finish commnication.Error code processing algorithm and system hardware constitution are introduced.By testing,system error of temperature measuremet is less than 0.1 ℃,and error of pressure measurement is less than 0.1 %FS.

Key words:measurement system of temperature and pressure; high temperature steam sterilizer; ultrasonic communication

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0082—04

收稿日期：2015—07—26

中圖分類號:TH 811

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1000—9787(2016)04—0082—04

作者簡介:

郭慶(1962-),男,陜西楊凌人,教授,研究方向為嵌入式測控、微弱信號檢測。

周嘉奉，通訊作者，E—mail:309162822@qq.com。