王英靜，賈云飛

（南京理工大學機械學院，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，必須定期對高壓滅菌器進行溫度和壓力校準。傳統(tǒng)的布線式溫度校準系統(tǒng)需要通過引線將溫度傳感器置于容器內(nèi)，這樣會破壞容器的密封性，從而導(dǎo)致測溫結(jié)果有較大偏差。針對壓力參數(shù)的校準，多采用拆卸式壓力表，一般只檢測壓力表的示值誤差，不能實時檢測滅菌鍋體內(nèi)的實際壓力狀況[3]。

基于此，文中設(shè)計了一種針對高壓滅菌器的投入式的無線溫度壓力記錄儀，該記錄儀通過無線通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，很好地解決了有線測量系統(tǒng)破壞容器密封性的問題。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)進行數(shù)據(jù)的測量和存儲。實驗表明，該記錄儀可在0～150℃環(huán)境中長期使用，且具有較高的測量精度，能很好地完成校準任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

文中設(shè)計的無線溫度壓力記錄儀由測溫器和上位機兩部分組成。測溫器以微控制器STM32F103為核心，主要由溫度測量電路、壓力測量電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲電路、電源電路和無線通信電路組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

測量時，溫度傳感器和壓力傳感器分別探測溫度值和壓力值，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)過微控制器STM32處理計算后保存在存儲電路中。待測量結(jié)束后取出記錄儀，通過藍牙無線通信方式將測溫器中存儲的溫度、壓力和時間數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機?？赏ㄟ^上位機發(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

2.1 溫度測量電路

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

鉑電阻測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確反應(yīng)出溫度的變化，所以采用四線制接線方式來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)動電流Ix，在驅(qū)動電流作用下鉑電阻兩端會產(chǎn)生電勢差，通過低通濾波器將電勢差傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換芯片。驅(qū)動電流Ix流經(jīng)鉑電阻后，再在基準電阻Rbias上產(chǎn)生基準電壓，這樣可消除因恒流源導(dǎo)致的測量誤差。

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 壓力測量電路

根據(jù)JJF（蘇）96-2010《蒸汽滅菌器、壓力校準規(guī)范》，無線溫度壓力記錄儀絕對壓力測量范圍為500 kPa，相對示值誤差為±0.2%FS[10]。壓力測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陶瓷基板，其中包含一個激光修正電阻，可以對傳感器進行溫度補償和偏移校正。傳感器內(nèi)部為4個應(yīng)變電阻組成的惠斯通電橋，采用1.5 mA的恒流源激勵，輸出為0～100 mV的電壓信號，壓力傳感器工作原理圖如圖3所示。當外界壓力發(fā)生變化時，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128倍[11]，可以準確測量微小信號；其內(nèi)部的數(shù)字濾波器能夠減弱噪聲對有效信號的干擾。為保證ADS1148的轉(zhuǎn)換精度和測量結(jié)果的準確性，配置ADS1148為差分輸入方式，設(shè)置數(shù)據(jù)采集速率為80 Hz。開啟芯片內(nèi)部自校準功能，使增益誤差和偏置誤差最小，可有效提高測量精度[12]。

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

2.4 存儲電路

存儲電路采用Flash存儲器，與EEPROM都是掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲器，但Flash存儲容量普遍大于EEPROM，無線記錄儀需要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此采用Flash存儲器。其芯片型號為W25Q64，是一種使用SPI通信協(xié)議的NOR Flash存儲器，它的CS、CLK、DIN、DO引腳分別連接到STM32對應(yīng)的SPI引腳NSS、SCK、MOSI、MISO上，其中STM32的NSS引腳是一個普通的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

為保證記錄儀測溫的準確性，選用溫度準確度為0.01℃、溫場均勻度為0.01℃的高精度恒溫槽進行溫度傳感器標定。標定過程如下：

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

2）設(shè)置恒溫槽溫度以間隔20℃進行變化，待恒溫槽溫度穩(wěn)定后，記錄標準溫度計測得的恒溫槽內(nèi)的實際溫度，同時使用記錄儀對溫度傳感器輸出電壓進行20次測量并取平均值；

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

溫度測量數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測量數(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)，該記錄儀的溫度測量絕對誤差小于0.05℃，測量精度較高，滿足使用需求。

圖5 溫度誤差曲線

3.2 壓力數(shù)據(jù)處理

使用標準的溫度控制實驗箱和壓力校準儀對壓力傳感器進行標定。依次設(shè)置溫度控制實驗箱的溫度為0℃、30℃、60℃、90℃、120℃、150℃，利用壓力校準儀分別標定在各個溫度下0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa的6個壓力點,待實驗箱溫度穩(wěn)定30 min后，多次測量取平均，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。這是因為硅壓阻式壓力傳感器的壓阻系數(shù)會隨溫度的變化而變化，從而導(dǎo)致傳感器的零點和靈敏度發(fā)生漂移[13]。

利用Origin軟件對不同溫度下的壓力數(shù)據(jù)進行曲線擬合，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

為解決這一問題，可采用硬件或軟件方法進行溫度補償。硬件補償需要設(shè)計復(fù)雜的硬件電路，調(diào)試比較困難，且對于靈敏度漂移的抑制效果不是很理想[14]。軟件補償以補償算法為主，常見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，訓練時間較長[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，在連接點處二階可導(dǎo)[19-23]，可以準確地反映出傳感器的真實特性?；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償算法，具體步驟如下：

1）固定溫度ti不變，對標準壓力值pi和壓力傳感器輸出電壓值ui進行多項式擬合，得到兩者的關(guān)系曲線p=fi(u)；

2）實際測量過程中，將測得的實際電壓分別代入擬合多項式p=fi(u)，求出在6個標準溫度下的輸出壓力p值；

3）運用三次樣條插值算法對上述各壓力值和標準溫度值進行測量，得到壓力p和溫度t的關(guān)系曲線；

4）將溫度傳感器測得的實時溫度值t代入上述曲線，即可得到經(jīng)過溫度補償后的壓力值。補償后的壓力傳感器輸出特性如表3所示。

表3 補償后壓力傳感器輸出特性

從表3可以看出，溫度補償后，壓力傳感器的零點漂移和靈敏度漂移明顯減小，補償后傳感器輸出值與標準值的最大誤差為：

4 結(jié)束語

文中重點介紹了無線溫度壓力記錄儀的硬件電路設(shè)計和數(shù)據(jù)處理算法，實驗結(jié)果表明，該記錄儀可在0～150℃環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，能快速、準確地完成高壓滅菌器的溫度和壓力參數(shù)的檢定、校準任務(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)用價值。