壽文杰 周連琴 成英淑

(浙江省計量科學研究院，杭州 310013)

0 引言

滅菌是藥品、食品生產(chǎn)以及醫(yī)學診療中的重要工序和環(huán)節(jié)，滅菌效果直接關(guān)系到食品、藥品安全以及醫(yī)療安全，因此必須要保證滅菌過程得到監(jiān)控，滅菌質(zhì)量符合要求。濕熱滅菌以其簡便易行、經(jīng)濟可靠、用途廣泛已成為首選的滅菌方法，占全部滅菌處理總量的90%以上。濕熱滅菌設(shè)備溫度檢測系統(tǒng)(以下簡稱檢測系統(tǒng))通過在密閉的濕熱環(huán)境下檢測相關(guān)參數(shù)，判斷滅菌設(shè)備滅菌能力是否滿足使用要求，檢測過程和結(jié)果直接關(guān)系到滅菌效果的優(yōu)劣，包括溫度偏差、壓力值以及相應的F0值都是重要的技術(shù)指標。通過研究檢測系統(tǒng)的軟硬件關(guān)鍵技術(shù)，進一步提升檢測系統(tǒng)的計量能力，顯得十分重要。

1 檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計

檢測系統(tǒng)的總體框架以單片機為中心工作，在其周圍擴展相關(guān)功能，如圖1所示。虛線框內(nèi)的部分是本項目要實現(xiàn)的前端溫度采集記錄部分的硬件系統(tǒng)。這部分的功能也較為明顯，采集記錄模塊主要由傳感器、MCU、存儲單元組成，負責對象值的測量和反饋，存儲單元負責將被測值、被測個數(shù)及系統(tǒng)工作的相關(guān)參數(shù)存儲，虛線框右側(cè)的是數(shù)據(jù)通訊傳輸模塊，主要由上位機以及切換電路與MCU組成，負責系統(tǒng)與PC機的所有通訊工作，例如參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)讀取。從模塊的劃分來看，硬件系統(tǒng)的工作都是圍繞MCU進行。從控制流的方向也可以看出，測量與存儲也由MCU控制，只能響應MCU的指令，從數(shù)據(jù)流的方向可以看出，USB接口作為通訊及數(shù)據(jù)指令的轉(zhuǎn)發(fā)機構(gòu)，與MCU和上位機的數(shù)據(jù)流都是雙向的，這樣，構(gòu)成了完整的硬件控制及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)框圖

2 檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

檢測系統(tǒng)在設(shè)計過程中要考慮幾方面的關(guān)鍵技術(shù)。首先，檢測系統(tǒng)屬于離線記錄式采集，整機電路功耗的高低決定著系統(tǒng)連續(xù)工作時間的長短，所以低功耗是關(guān)鍵技術(shù)之一。其次，被測對象使用溫度范圍一般在70～135℃之間，已經(jīng)突破了大部分器件和電池的標稱工作范圍，如何通過相關(guān)試驗選擇適合的元器件和電池，也是關(guān)鍵技術(shù)之一。最后，各類型的溫度傳感器在寬量程下都存在著非線性誤差，對于高精度測量來說，非線性誤差是必須修正的，而誤差修正也是關(guān)鍵技術(shù)之一。綜上所述，在溫度檢測系統(tǒng)的開發(fā)過程中，低功耗、耐高低溫、寬量程、高精度是需要重點解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3 電路低功耗的研究

對于需要電池供電的離線采集式測量儀器，越低功耗意味著系統(tǒng)待機的周期越長，從系統(tǒng)開發(fā)的三個重點環(huán)節(jié)(器件選型、電路設(shè)計、軟件設(shè)計)出發(fā)，盡可能優(yōu)化功耗設(shè)計，最大限度降低功耗。

3.1 元器件的選型

元器件選型是系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗的前提，也決定著系統(tǒng)的質(zhì)量和性能。在各種影響功耗的因素中，影響最大的是電源電壓，其次是工作頻率，最后是負載電容。負載電容對設(shè)計來說，一般難以控制。所以著重考慮電源電壓和工作頻率，在兩者相同的情況下，還要看單片機的特性，要挑選具有省電模式的低功耗單片機。微控制器必須有可切換的多種工作模式，可適應不同運行需求時切換對應的模式，切實降低功耗，另外，還要求單片機能夠在各種模式的快速切換和對外部事件快速響應。最重要的是元器件耐高低溫，具體試驗過程見4.1節(jié)。通過上述要求并結(jié)合試驗結(jié)果挑選合適的器件。

3.2 硬件設(shè)計

為降低功耗，根據(jù)測量時間，外部可接低頻晶振，以減少系統(tǒng)的功耗。電源按需供給，因選用的芯片都具有低功耗休眠功能，設(shè)計采用不工作時進入休眠模式，少供電甚至不供電。對AD轉(zhuǎn)換芯片等電源采取間歇性關(guān)斷方式，當采樣時才供電，需要時再喚醒，不采樣時處于無功耗狀態(tài)。另外可以對部分電路芯片的空置引腳進行處理。對于多余的輸入端接高電平，防止輸入端靜電感應形成有效的輸入電平，造成邏輯狀態(tài)偶爾翻轉(zhuǎn)，可能導致功耗異常。

3.3 軟件設(shè)計

軟件比硬件應用起來更加靈活，一方面，智能便攜式儀表一般用于對信號進行計數(shù)或定時測量，待機時間一般比較長，應該使單片機在不需要工作時，進入待機或掉電狀態(tài)，需要工作時可以通過中斷方式喚醒，縮短CPU的運行時間。另一方面，傳統(tǒng)的硬件濾波電路，例如有源濾波電路本身的功耗是很大的，采用合適的軟件算法，通過軟件代替硬件進行濾波，可以有效降低系統(tǒng)功耗。

4 耐高低溫芯片及電池選型研究

4.1 芯片選型

目前市面上處理器芯片根據(jù)工作環(huán)境溫度可分為商業(yè)級(民用級)(0℃～70℃)、工業(yè)級(-40℃～85℃)、軍品級(-55℃～135℃)三種，商業(yè)級顯然無法滿足使用要求，軍品級受技術(shù)壁壘、供貨渠道等限制，不適合本項目研究，工業(yè)級標稱溫度范圍有限，無法通過廠家提供的參數(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，只能通過高低溫的可靠性試驗進行驗證。

根據(jù)設(shè)計使用的要求，選擇使用的單片機和AD芯片需要耐高低溫，根據(jù)一些常見低功耗芯片，擇機選擇了以下幾款常見的低功耗芯片，并按照使用工況對元器件的可靠性做了驗證試驗。試驗標準設(shè)備為高精度高低溫恒溫試驗箱，每組試驗時間為24小時，試驗結(jié)果見表1(√代表有效、×代表失效)。

表1 芯片可靠性試驗結(jié)果示意圖

試驗過程發(fā)現(xiàn)，ADUC845在掉電模式下功耗偏大，在極端條件下超過20μA，PIC18F2680等其他幾款無法滿足135℃的設(shè)計要求，而PIC18F2680(擴展溫度級)雖滿足試驗要求，但價格偏貴，且國內(nèi)供貨不暢，不適合量產(chǎn)，LTC1606需要模擬5V供電，不符合實際使用的要求，而AD1245符合低電壓供電的要求，故選擇Msp430f149(工業(yè)級)和AD1245兩款芯片的組合。

4.2 電池選型

參照單片機和外部器件的供電需求，Msp430f149實際工作電壓為1.8～3.6V，在電源3.3V時，主頻為32768Hz，等待模式LPM3下，耗電僅為2μA，但鋰電池放電能力低于1mA的條件下，將無法驅(qū)動電路正常工作，我們通過以下的試驗驗證了所要選擇的鋰電池在極端工況下的可行性。試驗標準設(shè)備為高精度高低溫恒溫試驗箱，每組試驗時間為24小時，試驗結(jié)果見表2。

表2 電池可靠性試驗結(jié)果示意圖 單位：mA

試驗表明，在高溫測試段，鋰亞硫酰氯電池的放電能力表現(xiàn)較為滿意，雖然鋰亞硫酰氯電池的標稱的工作溫度可達到-40℃，但經(jīng)過低溫試驗發(fā)現(xiàn)，各型號的鋰亞硫酰氯電池放電能力普遍偏弱，均不能達到系統(tǒng)正常工作的要求。

根據(jù)試驗結(jié)果，向生產(chǎn)廠家說明產(chǎn)品的特殊要求，定制了一批鋰亞硫酰氯電池。廠家通過改良電解液配方，提高比能量等的技術(shù)方法，使電解液濃度降低，鋰離子活性增強，最大限度增強了低溫段的放電能力。重新進行相同條件下的高低溫試驗，結(jié)果見表3。

表3 定制電池可靠性試驗結(jié)果示意圖 單位：mA

根據(jù)試驗的情況，定制的鋰亞硫酰氯電池在低溫條件下均超過1.0mA，達到設(shè)計要求，考慮到性價比、放電能力等綜合性因素，最終選擇了定制的ER1860扣式鋰亞硫酰氯電池。

5 系統(tǒng)非線性誤差研究

5.1 設(shè)計思路

本項目考慮設(shè)計指標較高，采用高精度Pt1000溫度傳感器，但該傳感器存在電路漂移、自熱效應等問題，仍然有不可忽略的偏差，需要通過一定的校準方法進行補償修正，才能滿足寬量程的精度要求。

另外傳統(tǒng)的Pt1000傳感器通過查閱分度表的方式進行檢測，查表的方法雖然速度快，但實際各個廠家生產(chǎn)的Pt1000傳感器都存在一定的誤差，嚴格按照分度表查到的電阻值對應溫度關(guān)系是不完全準確的，同時，Pt1000輸出電阻與溫度成多項式比例關(guān)系，公式如下：

-200～0℃時，

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

(1)

0～850℃時，

Rt=R0[1+At+Bt2]

(2)

式中，R0為溫度0℃時Pt1000的電阻值；Rt為溫度t℃時Pt1000的電阻值；A、B、C為常數(shù)。

電阻值與AD采樣值是一階函數(shù)關(guān)系，通過多項式的方式對溫度值和AD采樣值進行擬合，并對最終測量值進行修正和補償。

-200～0℃時，

多項式擬合公式為：y=ax3+bx2+cx+d

(3)

0～850℃時，

多項式擬合公式為：y=ax2+bx+c

(4)

式中，x為數(shù)字信號采樣值；y為實際溫度值；a、b、c、d為溫度校準系數(shù)。

取某一量程內(nèi)平均等分取三或四個溫度點(根據(jù)多項式的階數(shù)而定)，將實際溫度值與AD采樣值帶入多項式后，計算a、b、c、d的溫度校準系數(shù)。實際應用中，將a、b、c、d溫度校準系數(shù)與采樣值帶入多項式公式即能求出實際溫度值。

5.2 實現(xiàn)過程

根據(jù)溫度檢測系統(tǒng)的測量范圍，把校準區(qū)間分成若干段，按照本系統(tǒng)設(shè)計的-40～135℃，每個10℃作為一個校準段，則可分為17段，每段區(qū)間二等分或三等分(取決于根據(jù)多項式的次數(shù))，將Pt1000傳感器放置于恒溫槽內(nèi)，并同時放入一支二等標準鉑電阻溫度計。在一定范圍內(nèi)取三個溫度校準點，一般是10℃為一個溫度段，例如0～10℃為第一溫度段，取0℃、5℃、10℃分別進行校準，每個溫度點穩(wěn)定時間不小于1小時，當Pt1000傳感器檢測到的溫度值波動度小于0.03℃時，CPU自動記錄此時AD采樣值，同時測溫電橋與計算機連接后，自動記錄下二等標準鉑電阻溫度計的顯示值，通過得到的三組數(shù)據(jù)，計算0～10℃范圍內(nèi)的a、b、c三個校準系數(shù)。下面以0～10℃和10～20℃兩端舉例說明，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表4。

表4 AD轉(zhuǎn)換值計算結(jié)果

未修正前分段檢測，根據(jù)0℃、5℃、10℃時的實際溫度(y)，AD轉(zhuǎn)化值(x)帶入下列公式：y=ax2+bx+c求解a、b、c的值，結(jié)果見表5。

表5 溫度系數(shù)計算結(jié)果

將求解得到的a、b、c輸入單片機程序內(nèi)，作為標準的溫度系數(shù)，校準完畢后的Pt1000溫度傳感器在實際使用中，根據(jù)AD采樣值的變化CPU自動判斷溫度區(qū)間，并根據(jù)該溫度區(qū)間內(nèi)的校準系數(shù)精確計算當前檢測溫度值，通過這個辦法，溫度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)基本解決了Pt1000非線性誤差的問題，確保測量精度符合設(shè)計的技術(shù)指標。

6 檢測系統(tǒng)測試結(jié)果

6.1 系統(tǒng)工作時間

對于系統(tǒng)工作時間的測試，采集記錄儀內(nèi)部設(shè)置每20s記錄一次，每隔8h測試系統(tǒng)的運行狀況，實際有效工作時間結(jié)果見表6。

表6 耐溫時間測試結(jié)果 單位(h)

在-40℃和135℃條件下長時間測試，系統(tǒng)各元器件并沒有受溫度影響而失效，但電池放電能力逐漸降低直至不能驅(qū)動電路正常工作，在實際工作中，低溫應不超過50h，高溫應不超過420h。

6.2 溫度示值誤差

系統(tǒng)檢測時，采用內(nèi)徑為120mm、深度為200mm的金屬網(wǎng)兜，將被測采集儀置于網(wǎng)兜底部，再將網(wǎng)兜放入恒溫槽液面100mm以下的深度來進行實驗。實驗溫度分別為-40℃、0℃、50℃、100℃、135℃，所得數(shù)據(jù)為溫度示值誤差(見表7)。

表7 檢測系統(tǒng)測試結(jié)果 單位(℃)

以上經(jīng)過修正后的檢測系統(tǒng)，符合設(shè)計技術(shù)指標±0.1℃的要求。

7 結(jié)論

該檢測系統(tǒng)的技術(shù)指標滿足常用的濕熱滅菌設(shè)備的能力驗證的使用要求，操作方便，適合各校準實驗室、醫(yī)院及藥品生產(chǎn)企業(yè)作為計量器具，值得推廣應用。

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