可實(shí)時(shí)監(jiān)控臭氧濃度的床單位消毒機(jī)

楊震，楊樹欣，高磊，陳愛華，詹寧波，田林懷

中國人民解放軍第三零二醫(yī)院　醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，北京　100039

可實(shí)時(shí)監(jiān)控臭氧濃度的床單位消毒機(jī)

楊震，楊樹欣，高磊，陳愛華，詹寧波，田林懷

中國人民解放軍第三零二醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程保障管理中心，北京100039

醫(yī)院病房床單位主要包括床墊、被褥、枕芯和枕套等。病人使用過的床單位常被分泌物、排泄物、膿血便等污染，并攜帶大量致病微生物，不僅要徹底清洗，更需要有效消毒[1]。臭氧源自空氣還原于空氣，在空氣中的半衰期很短，一般干燥溫度下還原只有16～20mi n，在高溫干燥的環(huán)境下還原得更快。因此，臭氧成為一種公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的消毒方式。但使用臭氧消毒時(shí)，高壓電離作用除產(chǎn)生臭氧外還有少量的殘留物，就是氮氧化物。如果長時(shí)間開啟臭氧產(chǎn)量低的空氣消毒機(jī)，由于臭氧濃度低，消毒不會(huì)達(dá)標(biāo)，反而會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物，長期使用會(huì)對(duì)人體的傷害[2]。臭氧用于消毒時(shí)一定要達(dá)到高濃度，使之在很短的時(shí)間內(nèi)快速徹底地對(duì)床單位進(jìn)行消毒，但臭氧濃度太高又會(huì)嚴(yán)重腐蝕床單位。介于現(xiàn)有床單位臭氧消毒機(jī)沒有臭氧濃度監(jiān)測功能，臨床醫(yī)護(hù)人員無法判斷其對(duì)床單位的消毒效果是否達(dá)標(biāo)。因此，研制一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測臭氧濃度和有效控制臭氧濃度的床單位臭氧消毒機(jī)是非常必要的。

1　設(shè)計(jì)思路分析

控制院內(nèi)感染是目前醫(yī)院管理工作的重要指標(biāo)，如何防止醫(yī)院病區(qū)內(nèi)交叉感染是醫(yī)護(hù)工作者責(zé)無旁貸的職責(zé)。而造成院內(nèi)感染率居高不下的重要原因是床單位消毒不徹底，因此，床單位臭氧消毒機(jī)的關(guān)鍵在于臭氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

本研究采用紫外輻射吸收法，即臭氧對(duì)波長λ=254n m紫外光具有最大吸收稀疏，在此波長下紫外光通過臭氧層會(huì)產(chǎn)生衰減，使之符合蘭波特-比爾（Lambert--Beer）定律：

其中，I0-無臭氧存在時(shí)入射光強(qiáng)度；I-光束穿透臭氧后的光強(qiáng)度；L-臭氧樣品池光程長度；C-臭氧濃度；K-臭氧對(duì)光波長吸收系數(shù)。根據(jù)該公式，在K、L值已知條件下，通過檢測I/I0值即可測出臭氧濃度C值來。然后，CPU再通過顯示電路將臭氧濃度在液晶屏顯示出來。當(dāng)空氣流量與臭氧發(fā)生器內(nèi)的溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，產(chǎn)生臭氧的效率和臭氧發(fā)生器兩高壓電極之間的電壓U m基本成線性關(guān)系，Um可實(shí)現(xiàn)供電電源的獨(dú)立控制。CPU根據(jù)醫(yī)護(hù)人員對(duì)臭氧濃度的設(shè)定值，通過臭氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)電路控制臭氧發(fā)生器兩端電壓Um的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧的生產(chǎn)濃度及產(chǎn)量的在線控制。C P U會(huì)實(shí)時(shí)將臭氧濃度的測定值和設(shè)定值進(jìn)行比較，如果誤差超出允許范圍，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。

2　臭氧消毒機(jī)基本結(jié)構(gòu)

臭氧消毒機(jī)主要包括電源系統(tǒng)、臭氧發(fā)生器、臭氧濃度檢測系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和氣源系統(tǒng)。臭氧消毒機(jī)基本結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1　臭氧消毒機(jī)結(jié)構(gòu)圖

氣源系統(tǒng)通過鼓風(fēng)機(jī)將空氣過濾、干燥后送入具有穩(wěn)定高壓的臭氧發(fā)生器中。空氣中的氧氣通過隔以絕緣介質(zhì)阻擋層的兩個(gè)高壓電極之間間隙時(shí)，在交流高壓作用下，氣隙中發(fā)生電暈放電，氣體被電離，間隙中的活性氧原子濃度急劇增加，氧原子與氧分子反應(yīng)產(chǎn)生臭氧，但臭氧在高溫環(huán)境中會(huì)很快還原成氧氣。因此，必須通過冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)扇將臭氧發(fā)生器放電產(chǎn)生的熱能吹走，降低發(fā)生器內(nèi)的溫度，以保證臭氧的濃度及產(chǎn)量的穩(wěn)定性。

3　臭氧消毒機(jī)氣路結(jié)構(gòu)

床單位消毒機(jī)氣路結(jié)構(gòu)圖，見圖2。

圖2　床單位消毒機(jī)氣路結(jié)構(gòu)圖

其中交流220V鼓風(fēng)機(jī)裝有干燥劑的空氣干燥裝置、臭氧發(fā)生裝置、溫度檢測裝置、2個(gè)三通電磁閥、12V直流電機(jī)、臭氧濃度監(jiān)測裝置和空氣過濾器，其中各元器件都用硅膠管道相互連接。鼓風(fēng)機(jī)是氣體動(dòng)力源泉，室內(nèi)空氣依次經(jīng)過過濾、干燥后進(jìn)入臭氧發(fā)生裝置。臭氧發(fā)生裝置內(nèi)裝有高壓陶瓷臭氧發(fā)生片，空氣中的氧氣在此被高壓電離產(chǎn)生臭氧，臭氧經(jīng)過三通電磁閥1，分為兩條支路分別進(jìn)入病床1和病床2的一次性消毒床罩端口A 1、A 2，給整個(gè)床單位徹底消毒。在消毒過程中，三通電磁閥2打開，采樣直流電機(jī)將床罩內(nèi)的氣體從B1、B2端口抽到臭氧濃度監(jiān)測裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧濃度的監(jiān)測和控制。

4　臭氧濃度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臭氧濃度檢測系統(tǒng)電路框圖，見圖3。89C51單片機(jī)，I/O口擴(kuò)展芯片8255和A/D轉(zhuǎn)換芯片MC14433構(gòu)成中央硬件系統(tǒng)。外圍電路包括系統(tǒng)啟動(dòng)觸發(fā)電路、電壓峰值檢測電路、流量采集電路、復(fù)位電路、溫度檢測、顯示電路、報(bào)警電路、RS485通訊模塊、臭氧濃度檢測模塊。

紫外光源采用紫外低壓汞燈作為光源，產(chǎn)生波長為253.7n m的紫外光線且光強(qiáng)恒定。其主要由2條波長分別為253.7nm和185.0nm的共振輻射線決定，前者占60%，后者占30%。為了防止噪音光線對(duì)臭氧濃度檢測的影響，選用2個(gè)中心波長分別為254n m和210n m的帶通濾光片作為253.7n m紫外線的單色儀，實(shí)現(xiàn)光調(diào)理。紫外輻射吸收法是利用臭氧具有吸收短波紫外區(qū)（200～300nm）的波段紫外光，并且在波長為253.7n m處具有最大吸收值的特性來測量臭氧濃度[5]。電路中采用硅光電池作為光電傳感器，測試紫外光透過檢測氣室后的光強(qiáng)值。光電池的短路電流與光的入射照度基本呈線性關(guān)系，因此以硅光電池的短路電流作為光接收電路的輸入信號(hào)。光電器件所接受的光電信號(hào)很弱，且有噪聲干擾，因此，采用光電信號(hào)經(jīng)檢測電路處理后再反饋給89C51單片機(jī)，然后通過R S485通訊模塊和數(shù)控型供電電源單片機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧濃度地準(zhǔn)確控制。

圖3　臭氧濃度檢測系統(tǒng)電路框圖

5　臭氧濃度顯示控制模塊設(shè)計(jì)

臭氧濃度顯示控制模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖4。其中A/D轉(zhuǎn)換器把輸入的模擬電壓或直流電流轉(zhuǎn)變成與它成正比的數(shù)字量，即把被控對(duì)象的各種模擬信息變成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信息。基于A/D轉(zhuǎn)換器的原理是通過一個(gè)A/D（ADC1433模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換）芯片采集臭氧濃度檢測模塊輸出的信息，再由單片機(jī)（AT89C51）分析、處理，最終輸出信號(hào)由七段數(shù)碼管顯示床單位床罩內(nèi)的臭氧濃度。

單片機(jī)89C51會(huì)實(shí)時(shí)將床罩內(nèi)的臭氧濃度的測定值和設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)臭氧濃度偏低時(shí)，適當(dāng)增大供給臭氧發(fā)生器的電壓，反之則適當(dāng)減小供給臭氧發(fā)生器的電壓，最終使床罩內(nèi)的臭氧濃度維持在設(shè)定值允許范圍內(nèi)，以達(dá)到最佳消毒效果。

圖4　臭氧濃度顯示控制模塊設(shè)計(jì)圖

6　臭氧濃度監(jiān)測與殺菌效果分析

為觀察該設(shè)備消毒殺菌效果，進(jìn)行了簡單實(shí)驗(yàn)：將實(shí)驗(yàn)菌片置于床單位消毒罩內(nèi)床墊與被子夾層的四周與中央，每組一式2片；陽性對(duì)照菌片放于袋外不接觸臭氧[9]。啟動(dòng)臭氧發(fā)生器，熏蒸消毒30mi n，自然降解30mi n，作為1個(gè)消毒周期。將實(shí)驗(yàn)菌片和對(duì)照菌片分別投入裝有10mL稀釋液試管中，充分震蕩洗脫。取洗脫液1mL接種于胰蛋白胨大豆培養(yǎng)基中，置37℃溫箱內(nèi)培養(yǎng)48h，進(jìn)行活菌計(jì)數(shù)；計(jì)算平均殺滅菌數(shù)對(duì)數(shù)值。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果見表1～2。

表1結(jié)果表明，床單位臭氧消毒機(jī)啟動(dòng)1mi n后，消毒床罩內(nèi)的臭氧濃度達(dá)1284mg/m3，啟動(dòng)10mi n后臭氧濃度逐漸上升到最高2494mg/m3，消毒機(jī)停止后臭氧快速分解，衰減30mi n后臭氧濃度下降至0.2mg/m3以下；塑料袋外泄漏的臭氧濃度最高為0.02mg/m3。

表2結(jié)果表明，布放到床罩內(nèi)床單位上、中、下層的4種試驗(yàn)菌，經(jīng)臭氧熏蒸消毒30mi n，平均殺滅菌數(shù)的對(duì)數(shù)值均>3.00，殺菌合格。

表1　床單位消毒床罩內(nèi)臭氧濃度監(jiān)測結(jié)果 （mg／m3）

表2　床單位消毒機(jī)實(shí)驗(yàn)殺菌效果

7　討論

臭氧作為一種高效且無污染的強(qiáng)氧化劑，由于其消毒無死角，消毒殺菌徹底全面，被喻為“綠色”消毒劑[10]。近年來，臭氧技術(shù)作為環(huán)保產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，越來越受到人們的重視。本論文針對(duì)現(xiàn)有床單位消毒機(jī)臭氧不足或者過高產(chǎn)生的危害，研究和設(shè)計(jì)了一種能實(shí)時(shí)調(diào)控臭氧濃度或產(chǎn)量的測控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)檢測氣體流量和溫度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)臭氧生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，且使用方便、操作簡單，具有很好的安全性。

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作者郵箱：yangzhen302@163.com

[中圖分類號(hào)]TH771+.4

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.009

[文章編號(hào)]1674-1633(2014)02-0037-03

收稿日期：2013-08-18修回日期：2013-10-28

Bed Unit Disinfection Machine with Real-time Monitoring and Control Functions of Ozone Concentration

YANG Zhen, YANG Shu-xin,GAO Lei, CHEN Ai-hua, ZHAN Ning-bo, TIAN Lin-huai
Medical Engineering Security Management Center,302 Hospital of PLA, Beijing 100039, China

[摘要]目的研制一種床單位臭氧消毒機(jī)，提高床單位的殺菌效果。方法設(shè)計(jì)一種能實(shí)時(shí)在線檢測臭氧濃度的檢測系統(tǒng)，并通過89C51單片機(jī)控制供給臭氧發(fā)生器的電壓，實(shí)現(xiàn)整個(gè)臭氧生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制。結(jié)果消毒機(jī)具備臭氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制功能，使床罩內(nèi)臭氧濃度保持最佳殺菌效果。結(jié)論該床單位臭氧消毒機(jī)利用臭氧熏蒸消毒，對(duì)多種細(xì)菌繁殖體和真菌都有較好的殺滅作用，對(duì)床單位實(shí)際消毒效果能達(dá)到規(guī)范的要求。

[關(guān)鍵詞]臭氧消毒機(jī)；殺菌效果；臭氧濃度；單片機(jī)

Abstract：ObjectiveTo improve sterilization effect of bed unit by studying a bed unit ozone disinfection machine.MethodsHaving the voltage supplied to ozone generator by89C51chip, a measurement and control systemis designed which could detect the ozone concentration in real-time online, and achieve closedloop control of the ozone production process.ResultsWith the real-time monitoring and control functions of the ozone concentration, this disinfection machine could keep ozone concentration of bedspread in the best sterilization effect.ConclusionThe bed unit ozone disinfection machine has a better effect on killing multiplication bacteria and fungi by ozone fumigation, and achieves specif i cation requirements.

Key words：ozone disinfection machine; disinfection effect; ozone concentration; single chip microcomputer