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(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

高溫蒸汽滅菌器溫度壓強(qiáng)測(cè)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(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

摘要:設(shè)計(jì)了一種使用超聲波信號(hào)通信的高溫蒸汽滅菌器溫度壓強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)利用超聲波信號(hào)在剛體介質(zhì)中的強(qiáng)穿透性穿透滅菌器金屬壁。通過(guò)40 kHz與1 MHz兩種頻率信號(hào)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(guò)外圍電路驅(qū)動(dòng)超聲波換能器激發(fā)超聲波，從而使外部換能器振動(dòng)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(cè)試，系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差小于0.1 ℃，壓強(qiáng)測(cè)量誤差小于0.1 %FS。

關(guān)鍵詞:溫度壓強(qiáng)測(cè)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(guò)排空滅菌鍋內(nèi)空氣，對(duì)鍋體內(nèi)水加熱不斷獲得高溫蒸汽，對(duì)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(duì)目標(biāo)器材進(jìn)行消毒殺菌操作，而對(duì)滅菌效果的判斷還有一定局限性。傳統(tǒng)滅菌效果的檢測(cè)方法多靠工人經(jīng)驗(yàn)，BD試紙或生物試劑通過(guò)顏色比對(duì)來(lái)籠統(tǒng)判斷殺菌效果，導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)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(qiáng)的值進(jìn)行定量表征,因此，高精度壓強(qiáng)與溫度的測(cè)量對(duì)于滅菌器殺菌效果的判斷就顯得尤為重要。

本文設(shè)計(jì)了一種高溫蒸汽滅菌器溫度壓強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差小于0.1 ℃，壓溫測(cè)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(shí)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(hào)困難，使用傳統(tǒng)射頻信號(hào)難以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。

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

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

外部接收部分對(duì)發(fā)送的超聲波信號(hào)采集并進(jìn)行處理，通過(guò)頻率的判斷，還原滅菌鍋內(nèi)部采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)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(jì)

2.1超聲波驅(qū)動(dòng)模塊

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

為得到方便處理的超聲波，激勵(lì)脈沖應(yīng)足夠窄。設(shè)計(jì)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(lì)超聲波換能器產(chǎn)生穿透能力更強(qiáng)的超聲波[6，7]。

由上述可知，超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)需要高壓窄脈沖激勵(lì)，設(shè)計(jì)采用電容器瞬間放電法產(chǎn)生激勵(lì)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(dòng)電路，由N型溝道MOS管，限流電阻器RC，放電電容器C與開(kāi)關(guān)二極管D1，D2組成。當(dāng)柵極為低電平時(shí)MOS管截止，電路通過(guò)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(shí)，電容通過(guò)MOS管，R2與D1對(duì)超聲波換能器放電。換能器受到激勵(lì)后會(huì)產(chǎn)生超聲波。換能器驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

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

2.2溫度壓強(qiáng)測(cè)量模塊

設(shè)計(jì)使用恒流源測(cè)量法，采用三線制鉑電阻傳感器，通過(guò)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(hào)調(diào)理電路Fig 4　Circuit of temperature signal conditioning

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(cè)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(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，單次電流方向測(cè)量時(shí)多次轉(zhuǎn)換讀取數(shù)據(jù)，將電流波動(dòng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差降到最小。選取電阻器時(shí)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(qiáng)測(cè)量模塊

壓強(qiáng)測(cè)量使用壓強(qiáng)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(cè)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(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器對(duì)差分信號(hào)放大。傳感器未施加壓力時(shí)輸出零點(diǎn)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(diǎn)漂移帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，將輸出零點(diǎn)調(diào)整在合適位置，提供線性輸出。

圖5　壓強(qiáng)測(cè)量電路Fig 5　Circuit of pressure measurement

2.4發(fā)送與接收模塊

本設(shè)計(jì)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(shí)際要求，同時(shí)芯片的USART接口方便接收模塊與上位機(jī)的串口數(shù)據(jù)通信。芯片工作頻率為72 MHz，為整個(gè)系統(tǒng)提供了可靠的處理能力。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1發(fā)送端與接收端軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送端軟件主要包括數(shù)據(jù)測(cè)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(cè)量過(guò)程中恒流源產(chǎn)生的電流存在一定程度的波動(dòng)，為減小電流源波動(dòng)帶來(lái)的誤差，系統(tǒng)正向反向共進(jìn)行20次測(cè)量，去除測(cè)量值的最大值與最小值后取剩余值的均值作為測(cè)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(guò)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(yàn)算法設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)工作環(huán)境較復(fù)雜，因此，系統(tǒng)需要簡(jiǎn)明的幀設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化碼字復(fù)雜程度，減小系統(tǒng)的功耗[9]。同時(shí)需要合理數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，幀設(shè)計(jì)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(dú)立發(fā)送的信號(hào)為數(shù)據(jù)的開(kāi)始，減小失碼與誤碼對(duì)信息傳輸?shù)挠绊?。其中以?00”作為壓強(qiáng)信號(hào)的幀頭信息，“111”作為溫度信號(hào)的幀頭信息。系統(tǒng)探測(cè)的壓強(qiáng)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)位。幀尾數(shù)據(jù)作為效驗(yàn)位結(jié)束，效驗(yàn)采用奇偶效驗(yàn)碼，為確保校驗(yàn)位的準(zhǔn)確接收無(wú)誤碼，系統(tǒng)采取多位數(shù)據(jù)同時(shí)表示，“111”表示校驗(yàn)位“1”，“000”表示校驗(yàn)位“0”，校驗(yàn)位有誤碼時(shí)判斷所占位數(shù)最多的數(shù)據(jù)來(lái)確定校驗(yàn)位。

誤碼效驗(yàn)算法根據(jù)恒溫箱內(nèi)部溫度與壓強(qiáng)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(qiáng)數(shù)據(jù)相鄰的變化值ΔT，Δp不會(huì)劇烈變化。系統(tǒng)記錄1 min內(nèi)溫度與壓強(qiáng)值，并得出數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，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(shì)進(jìn)行判斷：1)上升趨勢(shì)；2)下降趨勢(shì)；3)上升下降趨勢(shì)；4)下降上升趨勢(shì)；5)平衡趨勢(shì)；6)無(wú)趨勢(shì)。平衡趨勢(shì)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(wú)趨勢(shì)表示變化值超過(guò)5位，且正負(fù)變化頻繁，無(wú)明顯趨勢(shì)。接收到數(shù)據(jù)有誤碼后，從兩個(gè)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(shí)采取使誤差盡可能小的方式對(duì)碼字進(jìn)行修正，當(dāng)校驗(yàn)位錯(cuò)誤時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)對(duì)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(gè)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(duì)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(cè)試

4.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)量標(biāo)定

系統(tǒng)通過(guò)使用0.01 Ω高精度電阻箱代替?zhèn)鞲衅鲗?duì)系統(tǒng)定標(biāo)，通過(guò)修改電阻箱阻值來(lái)模擬待測(cè)溫度點(diǎn)標(biāo)稱阻值，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)量得到系統(tǒng)定標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示，其中,測(cè)量溫度為在標(biāo)稱電阻設(shè)定的溫度點(diǎn)測(cè)量20次得到的平均值。

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

表1　溫度測(cè)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(diǎn)時(shí)有0.2 mV的偏移。通過(guò)減法器將被放大器放大的傳感器零點(diǎn)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(qiáng)測(cè)量標(biāo)定

4.2系統(tǒng)通信測(cè)試

由于恒溫箱溫度精度低，實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)測(cè)試主要通過(guò)使用不同加熱速度對(duì)待測(cè)液體加熱，用相同時(shí)間內(nèi)平均步進(jìn)溫度的改變來(lái)模擬環(huán)境的變化，測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，并保證實(shí)時(shí)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。通過(guò)將溫度探頭與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量待測(cè)液體，并使待測(cè)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(guò)9 mm鋼板模擬高壓蒸汽滅菌器金屬鍋壁，標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)精度為0.01 ℃。測(cè)量過(guò)程中，高精度溫度計(jì)與系統(tǒng)溫度探頭緊密接觸，保證溫度相同，通過(guò)數(shù)據(jù)可得知系統(tǒng)誤碼率不超過(guò)2 %。測(cè)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(cè)量溫度與壓強(qiáng)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)通過(guò)超聲波信號(hào)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(wú)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(shí)現(xiàn)與軟件數(shù)據(jù)處理算法，利用該系統(tǒng)可以及時(shí)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(jià)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(hào):TH 811

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1000—9787(2016)04—0082—04

作者簡(jiǎn)介:

郭慶(1962-),男,陜西楊凌人,教授,研究方向?yàn)榍度胧綔y(cè)控、微弱信號(hào)檢測(cè)。

周嘉奉，通訊作者，E—mail:309162822@qq.com。