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壓力范圍內的任意壓力環(huán)境進行檢定，還可以模擬室溫至150 ℃內的任意飽和蒸汽環(huán)境。系統(tǒng)測試結果表明，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部溫度、壓力的準確性及穩(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)測量結果的影響不容忽略。但目前國內對無線壓力檢測系統(tǒng)的校準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、通信轉換器等組成。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、導熱系數(shù)高的不銹鋼304腔體材質，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,設計腔體的內部尺寸,其內徑為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)，當水位高于最低臨界液位，加熱棒由溫度控制器指揮工作；當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，本文采用調頻控制溫度。使用島電SR91定值溫控儀與PAC01A單相無源電力調整器，實現(xiàn)了低電壓控制高電壓；通過調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值設定，由PC端輸出的RS-232轉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，計算當前氣壓值與設定值的差，從而進行反饋控制調整壓縮機的輸出工作壓力，以達到不斷逼近設定值的效果。同時，計算當前的升壓及降壓速率，進行預判后，根據(jù)當前氣壓值與設定值的差進行粗調和微調兩種模式控制。另需設計步進壓強，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。在當前氣壓值與設定值之差為1～5kPa時，進入粗調程序段；在當前氣壓值與設定值的差為0.1～1kPa時，進入微調程序段；最后，將當前氣壓值與設定值的差控制在0.1kPa內，以達到穩(wěn)壓效果。以升壓控制為例，粗調程序如圖3(a)所示，微調程序如圖3(b)所示。通過比較當前氣壓值與設定值的差值大小變化，調整升降壓速率及控制參數(shù)的預調過程，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　標準器

3.1溫度標準器

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

3.2氣壓標準器

當進行滅菌工作環(huán)境模擬時，腔體內的飽和蒸汽溫度通過壓力管道連接傳導熱焓到壓力標準器上，會影響壓力標準器的示值準確性。為此，本設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前耐壓腔體內的標準氣壓值、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(每個校準點之間的差值)。根據(jù)操作需要，將軟件操作界面設計分為工作環(huán)境模擬控制、自動繪制標準及被檢器示值實時曲線、自動生成檢定報告、串口設置、壓力控制參數(shù)設置、溫度控制參數(shù)設置6個功能模塊。

5　系統(tǒng)測試結果與數(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)境下校準試驗數(shù)據(jù)Tab.1　Calibration test data at 121 ℃saturated vapor environment

6　結束語

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。本裝置所對應的設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、壓力標準器，使得該裝置的功能及測量準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)于廈門大學物理學專業(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

福建省質量技術監(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。