王孔祥　曾　穎　姜立斌

(福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州　350003)

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便攜式熱力滅菌無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置的研究

王孔祥曾穎姜立斌

(福建省計量科學(xué)研究院，福建 福州350003)

現(xiàn)有的熱力滅菌無線壓力驗證系統(tǒng)在使用過程中因長時間暴露在超過100 ℃的飽和水蒸氣環(huán)境下，導(dǎo)致常規(guī)檢定方法和裝置不能滿足其檢定需求。將變頻精確控溫與上位機控壓相結(jié)合，研制了一套便攜式熱力滅菌無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置。該裝置不僅可以對室溫下、0～500kPa壓力范圍內(nèi)的任意壓力環(huán)境進行檢定，還可以模擬室溫至150 ℃內(nèi)的任意飽和蒸汽環(huán)境。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該檢定裝置具有可操作性強、自動化程度高等特點，且能滿足熱力滅菌無線壓力驗證系統(tǒng)各項計量指標(biāo)的檢定需求。

熱力滅菌無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置飽和蒸汽便攜式耐壓腔體自動化變頻控溫

0　引言

優(yōu)良的熱力蒸汽滅菌器內(nèi)部溫度、壓力的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性是確保滅菌消毒效果的重要前提，其實際溫度和壓力的偏差及波動度主要由無線壓力檢測系統(tǒng)完成測量[1]。由于不同溫度下的壓力傳感器示值不同，因此環(huán)境對檢測系統(tǒng)測量結(jié)果的影響不容忽略。但目前國內(nèi)對無線壓力檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法僅局限于室溫環(huán)境[2-7]。為此，本文研發(fā)了一套便攜式無線壓力檢測系統(tǒng)的檢定系統(tǒng)，其不但可以檢測室溫下一定壓力范圍的無線壓力檢測系統(tǒng)，還可以模擬高壓蒸汽滅菌環(huán)境，檢定高溫、高壓下無線壓力檢測系統(tǒng)的示值。

1　硬件組成

無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置的硬件主要由耐壓腔體、氣壓控制器、溫度控制器、液位控制模塊、液位探針、氣壓泵、壓力校驗儀、加熱器、溫度傳感器、排氣控制開關(guān)、通信轉(zhuǎn)換器等組成。本裝置工作原理圖如圖1所示。

圖1　裝置工作原理圖Fig.1　Working schematic diagram of the device

1.1耐壓密閉腔體的設(shè)計制造

熱力滅菌耐壓上限一般為500kPa，腔體滅菌使用溫度為100～150 ℃、以密閉耐壓腔體作為無線壓力探頭的檢測容器。為滿足耐壓500kPa且耐150 ℃高溫的條件，選擇壁厚為4.5mm、導(dǎo)熱系數(shù)高的不銹鋼304腔體材質(zhì)，以保證腔體具有良好的均溫性和耐壓性。根據(jù)現(xiàn)有市場上用于滅菌儀器檢測的無線壓力檢測系統(tǒng)廠家TMI、Ellab、DataTrace及國產(chǎn)北京中科京儀科技有限公司的探頭尺寸,設(shè)計腔體的內(nèi)部尺寸,其內(nèi)徑為85mm、高為162mm。同時，為了保障無線信號的正常通信，防止金屬屏蔽，耐壓腔體蓋采用了耐壓、耐高溫的環(huán)氧樹脂材料。

基于裝置的檢測功能，設(shè)計的耐壓腔體分為上、下兩部分。上半部分為無線壓力檢測系統(tǒng)探頭放置區(qū)，下半部分為加熱水區(qū)。耐壓腔體剖視圖如圖2所示。

圖2　耐壓腔體剖視圖Fig.2　Cutaway view of pressure chamber

1.2裝置外觀設(shè)計

考慮到在檢定工作中，模擬不同氣壓和滅菌兩種工作環(huán)境的操作步驟不同，為便于檢測現(xiàn)場攜帶，將裝置按功能劃分為耐壓腔體、壓力控制臺兩個儀器箱，并采用多串口數(shù)據(jù)采集器連接壓力校驗儀、溫度控制臺、氣壓控制臺。

2　工作環(huán)境模擬

2.1滅菌工作環(huán)境模擬

對耐壓腔體檢定工作區(qū)域進行加熱控制，利用電加熱棒對腔體底部水域進行加熱，產(chǎn)生的飽和蒸汽形成了滅菌溫度環(huán)境，保證了無線壓力檢測系統(tǒng)檢定工作環(huán)境與實際工作環(huán)境相一致。

同時，為了防止因加熱水域水量太少而導(dǎo)致的閉環(huán)溫度控制失效，進而造成加熱棒溫度劇增產(chǎn)生燒斷現(xiàn)象，設(shè)計了防干燒模塊。在耐壓腔體底部和加熱最低水位處分別設(shè)置液位探針，將液位探針監(jiān)測電路與加熱棒工作電路串聯(lián)，當(dāng)水位高于最低臨界液位，加熱棒由溫度控制器指揮工作；當(dāng)水位低于最低臨界液位時，加熱棒電源斷路，實現(xiàn)了防干燒斷電保護。

為了達到高精度、高穩(wěn)定性的控溫效果，本文采用調(diào)頻控制溫度。使用島電SR91定值溫控儀與PAC01A單相無源電力調(diào)整器，實現(xiàn)了低電壓控制高電壓；通過調(diào)整加熱棒通斷的頻率，可實現(xiàn)精確控溫。

2.2不同氣壓工作環(huán)境模擬

通過上位機進行壓力校準(zhǔn)值設(shè)定，由PC端輸出的RS-232轉(zhuǎn)RS-485，進而連接到SMCITV0050-3BS型電磁比例閥。電磁比例閥根據(jù)空氣壓縮機輸出氣壓值與輸入電壓值的線性比例關(guān)系來精確控制空氣壓縮機的輸出，以達到升壓效果。電磁比例閥自帶低壓排氣出口，可以進行降壓控制。通過比較法，計算當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值的差，從而進行反饋控制調(diào)整壓縮機的輸出工作壓力，以達到不斷逼近設(shè)定值的效果。同時，計算當(dāng)前的升壓及降壓速率，進行預(yù)判后，根據(jù)當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值的差進行粗調(diào)和微調(diào)兩種模式控制。另需設(shè)計步進壓強，以實現(xiàn)壓力檢定過程的智能化。

升壓控制流程圖如圖3所示。

圖3　升壓控制流程圖Fig.3　The flowchart of booster controller

升壓控制與降壓控制原理一致。在當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值之差為1～5kPa時，進入粗調(diào)程序段；在當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值的差為0.1～1kPa時，進入微調(diào)程序段；最后，將當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值的差控制在0.1kPa內(nèi)，以達到穩(wěn)壓效果。以升壓控制為例，粗調(diào)程序如圖3(a)所示，微調(diào)程序如圖3(b)所示。通過比較當(dāng)前氣壓值與設(shè)定值的差值大小變化，調(diào)整升降壓速率及控制參數(shù)的預(yù)調(diào)過程，以減小升壓過程的過沖。

由于耐壓腔體容積較小，進氣時空氣壓縮機直接打壓到耐壓腔體會給腔內(nèi)氣壓帶來強烈過沖。為了保證進氣的穩(wěn)定性及控壓精度，在空氣壓縮機出口處，增設(shè)一個與耐壓腔體相同容積(1L)的不銹鋼罐體作為氣壓緩沖裝置，以維持一定壓力并保證輸出穩(wěn)定。

3　標(biāo)準(zhǔn)器

3.1溫度標(biāo)準(zhǔn)器

根據(jù)耐壓腔體的使用溫度范圍，為了達到±0.1 ℃的測溫準(zhǔn)確度，使用AA級4線制鎧裝鉑熱電阻Pt100，可準(zhǔn)確測量耐壓腔體內(nèi)的飽和蒸汽壓溫度。

3.2氣壓標(biāo)準(zhǔn)器

當(dāng)進行滅菌工作環(huán)境模擬時，腔體內(nèi)的飽和蒸汽溫度通過壓力管道連接傳導(dǎo)熱焓到壓力標(biāo)準(zhǔn)器上，會影響壓力標(biāo)準(zhǔn)器的示值準(zhǔn)確性。為此，本設(shè)計在壓力校驗儀與耐壓腔體之間加入蛇形管，延長腔體管路到壓力校驗儀間的長度，以進一步提高散熱量，降低來自耐壓腔體內(nèi)高溫蒸汽的溫度；同時，使用隔膜式壓力校驗儀隔離高溫飽和蒸汽，可消除溫度對壓力校驗儀的影響。

4　軟件系統(tǒng)

通過上位機獲取并顯示當(dāng)前耐壓腔體內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)氣壓值、溫度值及無線壓力檢測系統(tǒng)的實時壓力、溫度值，同時設(shè)定滅菌工作環(huán)境模擬的溫度、不同氣壓工作環(huán)境模擬的氣壓值、壓力步進的步距(每個校準(zhǔn)點之間的差值)。根據(jù)操作需要，將軟件操作界面設(shè)計分為工作環(huán)境模擬控制、自動繪制標(biāo)準(zhǔn)及被檢器示值實時曲線、自動生成檢定報告、串口設(shè)置、壓力控制參數(shù)設(shè)置、溫度控制參數(shù)設(shè)置6個功能模塊。

5　系統(tǒng)測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

以北京中科京儀科技有限公司的無線數(shù)據(jù)記錄器為被檢器，依據(jù)《JJF(閩)1074-2016壓力無線數(shù)據(jù)記錄器校準(zhǔn)規(guī)范》的試驗步驟及要求，在121 ℃恒溫飽和蒸汽的環(huán)境下檢測無線壓力示值誤差。軟件自動生成的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　121 ℃飽和蒸汽環(huán)境下校準(zhǔn)試驗數(shù)據(jù)Tab.1　Calibration test data at 121 ℃saturated vapor environment

6　結(jié)束語

本文利用加熱水域產(chǎn)生飽和蒸汽模擬真實滅菌環(huán)境，并兼容了室溫下的不同氣壓工作環(huán)境模擬，設(shè)計了便攜式熱力滅菌無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置。本裝置所對應(yīng)的設(shè)計軟件具備自動生成數(shù)據(jù)記錄、自動繪制實時曲線功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確、自動檢定，提高了檢定效率，減少了人員誤差。裝置采用AA級鎧裝鉑熱電阻Pt100和隔膜式壓力校驗儀作為溫度、壓力標(biāo)準(zhǔn)器，使得該裝置的功能及測量準(zhǔn)確度滿足無線壓力檢測系統(tǒng)檢定裝置的要求。

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DevelopmentofaPortableVerificationDeviceoftheWirelessPressureDetectingSystemsUsedinThermalSterilization

Sincethethermalsterilizationwirelesspressuredetectingsystemisusuallyexposedtothesaturatedvaporenvironmentabove100 ℃foralongtime,thepresentconventionalcalibratingmethodsandcalibratingapparatusofitcannotmeetitscalibrationdemand.Aportableverificationdeviceofthewirelesspressuredetectingsystemsusedinthermalsterilizationisdevelopedinthisarticle,whichisbasedonthetechniqueofcombinationofthefrequencyinvertertemperaturecontrolandpressurecontrolbyPC.Thenewcalibratingapparatusnotonlyisabletotestthevalueofwirelesspressuredetectingsystemsundervariouspressurewithin500kPaatroomtemperature,butalsocansimulateinsaturatedvapouratroomtemperatureto150℃.Thetestingresultsindicatethatthenewcalibratingdevicehascharacteristicsofwelloperabilityandautomaticity,whileitcanalsomeetthecalibratingdemandofmetrologyindicatorsforthethermalsterilizationwirelesspressuredetectingsystem.

ThermalsterilizationWirelesspressuredetectingsystemsVerificationdeviceSaturatedvaporPortablePressurechamberAutomaticityFrequencyinvertertemperaturecontrol

王孔祥(1960—)，男，1981年畢業(yè)于廈門大學(xué)物理學(xué)專業(yè)，高級工程師；主要從事熱工計量檢測方向的研究。

TH81;TP216

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610005

福建省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計劃基金資助項目(編號：FJQI2014003)。

修改稿收到日期：2016-03-21。