高压灭菌器无线温度压力检测系统的设计

1 引言
 
高压灭菌器是一种被广泛地应用于各医院,疾病预防控制中心,检疫机构,食品加工等企事业单位的消毒灭菌设备。在灭菌过程中,温度、压力、时间等参数的准确设定和科学测量非常重要,直接影响着灭菌的实际效果和灭菌质量。然而针对高压灭菌器压力的检测,以往采用拆卸压力表,在通用压力检定装置上检定和校准的方法,只检定压力表的示值误差,无法实现对灭菌器锅体内实际压力状况进行实时检测,且测量准确度低 ( 一般 1. 6% FS) 。为解决传统高压灭菌器压力检测时劳动强度大,效率低,拆卸压力表难,且拆卸过程中极易损坏灭菌设备和解决压力测量准确度低,无法实时监控等技术难题,迫切需要研制一套温度、压力测量准确度高,操作方便,不破坏灭菌器原有使用状况,可由检测人员进行远程操作的一套高压灭菌器的温度、压力检测系统。本文主要介绍了高压灭菌器温度、压力无线实时检测系统总体设计,同时阐述了以标准电阻作为环境温度基准,解决灭菌器内温度环境变化对温度、压力测量准确度影响。
 
2 系统总体设计
 
高压灭菌器无线温度压力检测系统主要由两大部分组成,如图 1 所示,一部分为位于锅内的温度压力采集模块与无线数据传输模块组成的采集传输子系统,分布在不同的被测试压力锅内,每个子系统具有分配的固定地址,实现接收远程机指令,完成数据的采集处理,然后将数据传输给远程控制计算机; 另一部分为中央控制系统,由具有监控功能的远程控制计算机和无线数据传输模块组成,实现对采集传输子系统的控制,启动数据采集,并接收采集的数据。系统采用主从式的分布控制方式,由远程控制计算机作为主机进行管理,外部采集子系统为从机,实现无线通信的无线传输模块均具有收发数据功能。通信过程为远程控制计算机**先发送一个固定地址

信息,外围采集子系统均接收该地址信息,各自将接收的地址与自身的地址比较,对地址相符的采集子系统,接收远程控制计算机随后发来的所有指令信息,并根据指令对压力信号进行采集及处理,并将采集的数据发送回远程控制计算机。对于地址不符的外部采集子系统,对发来的数据不进行处理,直到发送新的地址信息。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图 1 系统原理图
 
由系统工作原理: **先,远程控制计算机发送对某个固定地址的外部子系统采集压力数据指令,相应压力采集子系统接收指令后,完成压力信号的数据采集、处理,通过压力采集模块内的控制软件完成标度换算、非线性补偿、温度补偿,然后将待传输数据以数据帧的格式,通过采集模块内的控制芯片以串口通信方式将数据传送给远程监控的上位机。**后由上位机软件实现对下位机传送来的数据进行显示、储存和分析。另外,本远程控制计算机可以通过地址轮询的方式,实现对多个外部子系统的访问和监控,也可采用同时接收所有外部子系统的传输数据,进而提高系统的采样速度。
 
各单元功能如下:
 
( 1) 温度、压力采集模块: 主要由微控制器对测试点的压力信号实现高数据采集。通过串口将获取的数据写入无线传输模; 通过控制软件采用多次拟和计算对传感器的温度和非线性进行补偿,获得高精度的测量结果其
组成如图 2 所示。
 
 
图 2  温度采集模块原理图
( 2) 无线通信模块: 温度、压力采集模块通过串口与
无线通信模块进行通信,将采集的数据经过封装发送到
远程控制计算机,同时可以接收远程控制计算机发来的
控制指令信息 其组成如 3 所示。

( 3) 远程控制系统: 通过无线数传模块接收各压力、温度测试点所采集的压力锅内的温度、压力数据,通过监控软件进行数据处理、显示、储存,并对外部压力采集模块进行控制。
3 温度压力数据采集设计
 
本系统采用了选用 Silicon Labs 公司的 C8051F350
 
作为主控制芯片,以及 Chipcon 公司生产的**款符合 Zig-Bee 技术的 2. 4GHz 射频系统单芯片 CC2430,信号采集部分利用高精度电压基准源为压力传感器电桥供电,保证传感器输出的稳定性和高精度,并利用微控制器集成的 PGA 和高精度 AD 转换器对传感器采集到的模拟信号进行差模放大和模数转换。其具体实现过程为从压力传感器输出的模拟量被选通进入微控制器后,经采样和
保持电路通过 PGA 增益放大,然后由一个 24 位逐次逼
近寄存( SAR) 的 AD 转换器将其转换为数字量,这种设
计充分利用片上资源,采用图 4 设计,图中 P1 ~ P4 为四
个压力传感器,T1 ~ T4 为 4 个温度传感器,且系统对芯
片板进行保温装置的保护的条件下工作,保证测量过程
中压力和温度的准确性。对于压力传感器的测量精度问
题,普通压力传感器会由于高压灭菌器内温度的剧烈变
化出现较大的示值漂移情况,导致测量精度无法保证,为
此,通过多次实验**终采用了具有温度自动补偿功能的压
力传感器; 对于温度传感器的精度问题,通过将 T4 部分采
用 100 欧姆的标准电阻,代替温度传感器的信号,并以此作
为基准,用以修正芯片环境变化引起的温度压力示值漂移。4 无线传输部分设计
 
接收数据**先将无线传输模块的状态由发射状态转成接收状态,并通过天线将接收进来的射频信号经射频放大器后,与锁相环中的振荡信号一起送**混频器,中频信号经过中频放大器、中频滤波器放大后送到调制解调器,以 FSK 解调后的数字信号按照协议将有效数据送到存储器中,再经串口送到计算机。
 
其设计原理图如图 5 所示。



我**现行的柴油**标只有硫含量等部分指标达到了**外发达地区的要求,总体性能指标有一定的差距。因此,积极实施完善 GB 19147 - 2013 尤为重要。
 
表 2 车用柴油标准变化  
     
项目 第Ⅳ阶段 第Ⅴ阶段
硫含量 / ( mgokg  1 ) 50 10
十六烷值 49 /46 /45 51 /47 /45
十六烷指数 46 /43 46 /43
     
 
2 硫含量测定方法改进
 
硫的存在会影响车用燃油的质量,引起相关部件的腐蚀; 影响尾气控制装置; 并且燃烧后会生成二氧化硫等含硫物质,严重破坏污染环境,硫化物也是造成雾霾问题的很重要因素之一,因此,对燃料油中硫含量的控制尤为重要。由**部分分析可知,标准的升级以后,硫含量大大降低,因此其测定方法也需得不断改进。
 
油品中硫含量的测定方法有燃灯法、紫外荧光法、氧化微库仑法、能量色散 X 射线荧光法、单波长色散 X 射线荧光法、气相色谱 - 选择性检测器连用法等。其中燃灯法测定时间长,精度低,且对于低硫汽油已不能满足,在**Ⅲ以后取消使用; 能量色散 X 射线荧光光谱法操作简单、测定时间短,对高硫含量的油品测定准确度好,但测定下限高,不适用于低硫含量的车用汽油测定,**Ⅳ、**Ⅴ已经放弃此方法的使用。目前采用的是氧化微库仑法、单波长色散 X 射线荧光光谱法和紫外荧光法,气相色谱选择性检测器联用法是目前研究的重点。
2. 1 氧化微库仑法
 
此方法又称电量法,是把试样在裂解炉中氧化,将硫元素生成二氧化硫,然后与三碘离子在滴定池中进行反应,通过反应消耗的电量和法拉第点解定律计算试样的硫含量。该方法操作较为复杂,对操作条件要求较高,容易产生误差; 需要对设备进行长期的维护; 对于高硫含量的油品需要进行稀释后在进行滴定,**度降低。但是,此方法对于硫含量的测定下限很低,可测定 0. 5mg /kg 的试样,对于低硫含量的油品精密度较好,较适用于**Ⅳ、**Ⅴ中硫含量的测定。
2. 2 单波长色散 X 射线荧光光谱法
 
单波长色散 X 射线荧光光谱法将车用汽油或柴油试样放在 X 射线的光束中,收集硫元素发出的 0. 5373nm 的 X 射线荧光,运用校准方程将其转化成硫含量值。此

方法无需预先处理试样,灵敏、高效,( 1 ~ 2) min 就可以得到测定结果; 实验设备没有高温或者载气设备,操作简单,运行快捷,维护量低; 对硫含量的测定下限低,可测定低** 3mg /kg 的样品。满足低硫含量车用汽油的测定要求,较适用于**Ⅳ、**Ⅴ中硫含量的测定。但是仪器使用的 X 光管昂贵且寿命较短,只有五年; 仪器总价格( 70 ~ 80) 万左右,较为昂贵。
2. 3 紫外荧光法
 
紫外荧光法的原理是,将汽油或者柴油试样在燃烧炉中燃烧富氧状态下硫元素转换成二氧化硫,将生成的气体去除水分,由硫元素生成的二氧化硫在紫外光的照射下吸收能量转化成激发态的二氧化硫; 二氧化硫由激发态变回稳定态时发射荧光; 用光电倍增管检测荧光,通过计算转换成试样的硫含量。该方法操作简单,测定时间短,一般( 3 ~ 5 ) 分钟就可以得到结果; 仪器 15 万左右,价格合理,性价比较高; **度高,测定下限低** 1mg /kg,较适用于**Ⅳ、**Ⅴ中硫含量的测定。但在测定过程中会产生紫外线和辐射光,测定人员需要避免直接照射,做好防护工作。
2. 4 气相色谱选择性检测器联用法
 
气相色谱 - 选择性检测器联用法具有灵敏度高、选择性好、测定下限低的优点。在测定硫含量的同时还能测定硫化物的分布及其含量,对于车用汽油生产中选择脱硫催化剂和工艺条件具有指导作用,是目前研究的重点。
 
3 总结
 
**Ⅴ标准的颁布与逐渐推行,是我**此行业的一大进步,但仍需看到,与发达**家还有很大的差距,标准的颁布也给我**的各行各业提出了新的挑战。硫含量检测方面要不断创新,加大对联用法的研究,掌握核心的科技。