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高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统

[导读]设计了一种使用超声波信号通信的高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统。系统利用超声波信号在刚体介质中的强穿透性穿透灭菌器金属壁。通过40 kHz 与1 MHz 两种频率信号代表不同数据位完成信息的传递-上海申安

引 言

高压蒸汽灭菌器是一种灭菌消毒设备,通过排空灭菌锅内空气,对锅体内水加热不断获得高温蒸汽,对细菌进行杀灭作用的一种仪器[1]。药品制造、医用教学、细菌工业中经常需要对目标器材进行消毒杀菌操作,而对灭菌效果的判断还有一定局限性。传统灭菌效果的检测方法多靠工人经验,BD 试纸或生物试剂通过颜色比对来笼统判断杀菌效果,导致结果不准确且实时性低[1~ 2]。

灭菌器的杀菌效果依据灭菌器内的温度与压强的值进行定量表征,因此,高精度压强与温度的测量对于灭菌器杀菌效果的判断就显得尤为重要。

本文设计了一种高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统,经测试,系统温度测量误差小于 0. 1 ℃,压温测量误差小于0. 1 % FS。

1 系统框架

高温蒸汽灭菌器为金属壁结构,由于电磁波在穿透金属壁时受到金属壁上集肤效应的影响,电磁波大幅度衰减,外部接收部分接收信号困难,使用传统射频信号难以实现无线通信。

设计利用超声波在刚体介质中强穿透性的特点,克服传统射频通信信号被金属壁屏蔽而通信效率降低,甚至信号完全无法接收的缺点,完成了测量灭菌器内部温度压强数据并以无线方式发送的功能[3,4]。

测量系统由信号测量发送与信号接收两部分组成。如图 1 所示,信号测量部分工作使用独立电源供电,放置在灭菌器内部,负责测量数据与驱动超声波换能器发送超声波。信号使用 2FSK 调制,使用 40 kHz 与 1 MHz 换能器分别代表符号“0”与符号“1”两种不同数据。

外部接收部分对发送的超声波信号采集并进行处理,通过频率的判断,还原灭菌锅内部采集的数据,实现无线通信,然后将数据通过串口发送给上位机,上位机将数据绘制曲线并保存。

2 系统硬件设计

2. 1 超声波驱动模块

超声波是一种频率超过 20 kHz 的机械波,设计中超声波产生原理是通过一定幅度的电压激励使换能器中的压电芯片产生振动,激发超声波脉冲[5]。

为得到方便处理的超声波,激励脉冲应足够窄。设计中采用 40 kHz 与 1 MHz 的换能器,发射脉冲周期应该为谐振周期的 50 % ,则发射脉宽度为 12. 5,0. 5μs。脉冲幅度在额定范围内尽可能大,以更好地激励超声波换能器产生穿透能力更强的超声波[6,7]。

由上述可知,超声波换能器的驱动需要高压窄脉冲激励,设计采用电容器瞬间放电法产生激励脉冲。高压直流电源是由 PWM 控制器芯片 MAX668 加外围电路产生[8],电路图如图 2 所示。输出高压可由外部接入电阻器 R2,R3调整,输 出 电 压 满 足: Vref 为 1. 25 V,R3 阻值 为 20 kΩ ~1 MΩ,其中,R2 = R3[( Vout /Vref ) - 1],其中,Vout为放电电容两端的电压,电感按照下式选择: Ldeal = Vout /( 4Iout × fosc ) 。

2. 2 温度压强测量模块

设计使用恒流源测量法,采用三线制铂电阻传感器,通过硬件电路消除传感器的零度电阻,输出电压仅包含变化阻值产生的电压,与环境温度的变换呈线性关系。选取参考电阻器与温度传感器作为恒流源负载,电路如图 4 所示

2. 3 压强测量模块

压强测量使用压强传感器 MPS30H1000。传感器内部为压阻结构,量程为 0 ~ 1 000 kPa,可在 - 40 ~ 180 ℃温度内工作,测量电路如图 5 所示。传感器使用恒流源供电,恒流源由芯片 LT3092 提供,调整 Rset与 Rout的比值来改变输出电流,电流输出范围为 0. 5 ~ 200 mA,电流输出满足: Iout =( 10 μA × Rset ) /Rout。差分信号经过仪表放大器对差分信号放大。传感器未施加压力时输出零点需自调整,在输出端加入减法器,抵消放大器漂移与传感器零点漂移带来的系统误差,将输出零点调整在合适位置,提供线性输出。

2. 4 发送与接收模块

本设计的发送模块与接收模块均采用意法半导体公司生产的芯片 STM32F103 作为处理核心,该模块满足了系统发送模块低功耗的实际要求,同时芯片的 USART 接口方便接收模块与上位机的串口数据通信。芯片工作频率为72 MHz,为整个系统提供了可靠的处理能力。

3结 论

本文介绍了一种在高温蒸汽灭菌器内测量温度与压强数据,并将数据通过超声波信号传输的系统,该系统利用超声波在刚体内的穿透特性传播数据,克服了传统无线传输方法中电磁波难在金属密闭容器内进行数据传输的困难,介绍了发送端与接收端电路的实现与软件数据处理算法,利用该系统可以及时反馈恒温箱内部数据,有效提高灭菌效率,有较好的应用价值。

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