高壓滅菌器無(wú)線溫度壓力記錄儀的設(shè)計(jì)

王英靜，賈云飛

（南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 210094）

高壓滅菌器是基于熱力滅菌原理，在密閉的空間內(nèi)，隨著溫度、壓力的升高，產(chǎn)生飽和蒸汽快速滅殺微生物的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、藥品加工、食品生產(chǎn)等領(lǐng)域[1-2]。為保證滅菌消毒的質(zhì)量，必須定期對(duì)高壓滅菌器進(jìn)行溫度和壓力校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的布線式溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)需要通過(guò)引線將溫度傳感器置于容器內(nèi)，這樣會(huì)破壞容器的密封性，從而導(dǎo)致測(cè)溫結(jié)果有較大偏差。針對(duì)壓力參數(shù)的校準(zhǔn)，多采用拆卸式壓力表，一般只檢測(cè)壓力表的示值誤差，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)滅菌鍋體內(nèi)的實(shí)際壓力狀況[3]。

基于此，文中設(shè)計(jì)了一種針對(duì)高壓滅菌器的投入式的無(wú)線溫度壓力記錄儀，該記錄儀通過(guò)無(wú)線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，很好地解決了有線測(cè)量系統(tǒng)破壞容器密封性的問(wèn)題。采用耐高溫沖擊的電路系統(tǒng)，整體密封防水，可直接置于高壓滅菌器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量和存儲(chǔ)。實(shí)驗(yàn)表明，該記錄儀可在0～150℃環(huán)境中長(zhǎng)期使用，且具有較高的測(cè)量精度，能很好地完成校準(zhǔn)任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度壓力記錄儀由測(cè)溫器和上位機(jī)兩部分組成。測(cè)溫器以微控制器STM32F103為核心，主要由溫度測(cè)量電路、壓力測(cè)量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、電源電路和無(wú)線通信電路組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

測(cè)量時(shí)，溫度傳感器和壓力傳感器分別探測(cè)溫度值和壓力值，濾波放大后由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)過(guò)微控制器STM32處理計(jì)算后保存在存儲(chǔ)電路中。待測(cè)量結(jié)束后取出記錄儀，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信方式將測(cè)溫器中存儲(chǔ)的溫度、壓力和時(shí)間數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)?？赏ㄟ^(guò)上位機(jī)發(fā)送指令設(shè)定記錄儀的工作模式和數(shù)據(jù)采集速度。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度測(cè)量電路

基于鉑電阻測(cè)溫范圍寬、精度高和易標(biāo)定等特點(diǎn)，選用1/3B級(jí)精度的PT100鉑電阻作為溫度傳感器[4]。采用恒流源驅(qū)動(dòng)電路為鉑電阻供電，以確保能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地測(cè)得鉑電阻兩端的電壓值[5]。驅(qū)動(dòng)電流必須大小合適，既不能過(guò)小降低鉑電阻傳感器的靈敏度，也不能過(guò)大使鉑電阻內(nèi)部過(guò)熱造成誤差增大[6-7]。

鉑電阻測(cè)溫電路是基于鉑電阻的阻值隨溫度變化而發(fā)生改變，但是由于受到引線電阻等附加電阻的影響，鉑電阻的阻值變化不能準(zhǔn)確反應(yīng)出溫度的變化，所以采用四線制接線方式來(lái)消除引線電阻的影響[8-9]，鉑電阻傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路四線制連接電路如圖2所示。ADS1148為鉑電阻提供驅(qū)動(dòng)電流Ix，在驅(qū)動(dòng)電流作用下鉑電阻兩端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，通過(guò)低通濾波器將電勢(shì)差傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換芯片。驅(qū)動(dòng)電流Ix流經(jīng)鉑電阻后，再在基準(zhǔn)電阻Rbias上產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，這樣可消除因恒流源導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

圖2 鉑電阻傳感器與A/D轉(zhuǎn)換電路四線制連接電路

2.2 壓力測(cè)量電路

根據(jù)JJF（蘇）96-2010《蒸汽滅菌器、壓力校準(zhǔn)規(guī)范》，無(wú)線溫度壓力記錄儀絕對(duì)壓力測(cè)量范圍為500 kPa，相對(duì)示值誤差為±0.2%FS[10]。壓力測(cè)量電路采用基于壓阻效應(yīng)的絕壓型硅壓力傳感器86-100G-RT，量程為0～650 kPa，非線性誤差為±0.05%FS。該傳感器封裝上附有一個(gè)陶瓷基板，其中包含一個(gè)激光修正電阻，可以對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償和偏移校正。傳感器內(nèi)部為4個(gè)應(yīng)變電阻組成的惠斯通電橋，采用1.5 mA的恒流源激勵(lì)，輸出為0～100 mV的電壓信號(hào)，壓力傳感器工作原理圖如圖3所示。當(dāng)外界壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器內(nèi)部的硅油將壓力變化轉(zhuǎn)換為電橋微小電壓輸出，輸出的微小電壓信號(hào)經(jīng)放大濾波后傳遞給A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。

圖3 壓力傳感器工作原理圖

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換電路采用16位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1148，其內(nèi)部集成低噪聲可編程的增益放大器放大倍數(shù)最高可達(dá)128倍[11]，可以準(zhǔn)確測(cè)量微小信號(hào)；其內(nèi)部的數(shù)字濾波器能夠減弱噪聲對(duì)有效信號(hào)的干擾。為保證ADS1148的轉(zhuǎn)換精度和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，配置ADS1148為差分輸入方式，設(shè)置數(shù)據(jù)采集速率為80 Hz。開(kāi)啟芯片內(nèi)部自校準(zhǔn)功能，使增益誤差和偏置誤差最小，可有效提高測(cè)量精度[12]。

ADS1148內(nèi)部有兩個(gè)可編程的恒流源IDAC0和IDAC1，配置寄存器IDAC0值為0x06，為溫度測(cè)量電路提供1 mA的激勵(lì)電流；配置寄存器IDAC1值為0x07，為壓力測(cè)量電路提供1.5 mA的激勵(lì)電流。恒流源激勵(lì)電流流經(jīng)高精密、低溫漂的電阻可為ADC提供基準(zhǔn)電壓。

2.4 存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)電路采用Flash存儲(chǔ)器，與EEPROM都是掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)器，但Flash存儲(chǔ)容量普遍大于EEPROM，無(wú)線記錄儀需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此采用Flash存儲(chǔ)器。其芯片型號(hào)為W25Q64，是一種使用SPI通信協(xié)議的NOR Flash存儲(chǔ)器，它的CS、CLK、DIN、DO引腳分別連接到STM32對(duì)應(yīng)的SPI引腳NSS、SCK、MOSI、MISO上，其中STM32的NSS引腳是一個(gè)普通的GPIO，不是SPI的專用引腳，所以在程序上要使用軟件控制的方式。SPI串行Flash硬件連接圖如圖4所示。

圖4 SPI串行Flash硬件連接圖

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 溫度數(shù)據(jù)處理

為保證記錄儀測(cè)溫的準(zhǔn)確性，選用溫度準(zhǔn)確度為0.01℃、溫場(chǎng)均勻度為0.01℃的高精度恒溫槽進(jìn)行溫度傳感器標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程如下：

1）使用耐高溫的密封袋密封無(wú)線溫度壓力記錄儀并投入到恒溫槽內(nèi)，設(shè)置溫度為0℃后進(jìn)行初次測(cè)量；

2）設(shè)置恒溫槽溫度以間隔20℃進(jìn)行變化，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，記錄標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)得的恒溫槽內(nèi)的實(shí)際溫度，同時(shí)使用記錄儀對(duì)溫度傳感器輸出電壓進(jìn)行20次測(cè)量并取平均值；

3）將測(cè)溫范圍0～150℃劃為0～50℃、50～100℃和100～150℃3段進(jìn)行最小二乘法擬合。數(shù)據(jù)擬合在Origin軟件中進(jìn)行。

溫度測(cè)量數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測(cè)量數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果

溫度誤差曲線如圖5所示，可以看出，經(jīng)分段數(shù)據(jù)擬合之后，在0～150℃范圍內(nèi)，該記錄儀的溫度測(cè)量絕對(duì)誤差小于0.05℃，測(cè)量精度較高，滿足使用需求。

圖5 溫度誤差曲線

3.2 壓力數(shù)據(jù)處理

使用標(biāo)準(zhǔn)的溫度控制實(shí)驗(yàn)箱和壓力校準(zhǔn)儀對(duì)壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。依次設(shè)置溫度控制實(shí)驗(yàn)箱的溫度為0℃、30℃、60℃、90℃、120℃、150℃，利用壓力校準(zhǔn)儀分別標(biāo)定在各個(gè)溫度下0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa的6個(gè)壓力點(diǎn),待實(shí)驗(yàn)箱溫度穩(wěn)定30 min后，多次測(cè)量取平均，得到壓力傳感器在不同溫度下的輸出特性如表2所示。

表2 壓力傳感器輸出特性

由表2可以看出，在不同溫度下，壓力校準(zhǔn)儀輸入相同大小的壓力值，壓力傳感器輸出的電壓值存在很大偏差。這是因?yàn)楣鑹鹤枋綁毫鞲衅鞯膲鹤柘禂?shù)會(huì)隨溫度的變化而變化，從而導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)和靈敏度發(fā)生漂移[13]。

利用Origin軟件對(duì)不同溫度下的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，輸出特性如圖6所示。從圖中可以看出，在同一溫度下，硅壓阻式壓力傳感器的輸出呈現(xiàn)很好的線性度和重復(fù)性。但是隨著溫度的升高，壓力傳感器存在明顯的溫度漂移。

圖6 不同溫度下壓力傳感器輸出特性

為解決這一問(wèn)題，可采用硬件或軟件方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的硬件電路，調(diào)試比較困難，且對(duì)于靈敏度漂移的抑制效果不是很理想[14]。軟件補(bǔ)償以補(bǔ)償算法為主，常見(jiàn)的算法有曲線曲面擬合算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和三次樣條插值算法[15-17]。曲線曲面擬合算法精度不高，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)[18]，三次樣條插值算法是目前使用最廣泛的一種算法，由分段三次曲線連接而成，在連接點(diǎn)處二階可導(dǎo)[19-23]，可以準(zhǔn)確地反映出傳感器的真實(shí)特性?；诖颂匦?，文中提出了一種結(jié)合曲線擬合和三次樣條插值的溫度補(bǔ)償算法，具體步驟如下：

1）固定溫度ti不變，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力值pi和壓力傳感器輸出電壓值ui進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到兩者的關(guān)系曲線p=fi(u)；

2）實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，將測(cè)得的實(shí)際電壓分別代入擬合多項(xiàng)式p=fi(u)，求出在6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溫度下的輸出壓力p值；

3）運(yùn)用三次樣條插值算法對(duì)上述各壓力值和標(biāo)準(zhǔn)溫度值進(jìn)行測(cè)量，得到壓力p和溫度t的關(guān)系曲線；

4）將溫度傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)溫度值t代入上述曲線，即可得到經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的壓力值。補(bǔ)償后的壓力傳感器輸出特性如表3所示。

表3 補(bǔ)償后壓力傳感器輸出特性

從表3可以看出，溫度補(bǔ)償后，壓力傳感器的零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移明顯減小，補(bǔ)償后傳感器輸出值與標(biāo)準(zhǔn)值的最大誤差為：

4 結(jié)束語(yǔ)

文中重點(diǎn)介紹了無(wú)線溫度壓力記錄儀的硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該記錄儀可在0～150℃環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，能快速、準(zhǔn)確地完成高壓滅菌器的溫度和壓力參數(shù)的檢定、校準(zhǔn)任務(wù)。除高壓滅菌器外，該記錄儀也可用于其他密閉設(shè)備，特別是有電磁屏蔽的設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。