高壓滅菌器無線溫度壓力記錄儀的設計

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，隨著溫度、壓力的升高，產生飽和蒸汽快速滅殺微生物的設備，廣泛應用于醫療衛生、藥品加工、食品生產等領域[1-2]。為保證滅菌消毒的質量，必須定期對高壓滅菌器進行溫度和壓力校準。傳統的布線式溫度校準系統需要通過引線將溫度傳感器置于容器內，這樣會破壞容器的密封性，從而導致測溫結果有較大偏差。針對壓力參數的校準，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的實際壓力狀況[3]。

基于此，文中設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據，很好地解決了有線測量系統破壞容器密封性的問題。采用耐高溫沖擊的電路系統，整體密封防水，可直接置于高壓滅菌器內進行數據的測量和存儲。實驗表明，該記錄儀可在0～150℃環境中長期使用，且具有較高的測量精度，能很好地完成校準任務。

1 系統總體設計

文中設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轉換電路、存儲電路、電源電路和無線通信電路組成，系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

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轉換電路轉換成相應的數字量，再經過微控制器STM32處理計算后保存在存儲電路中。待測量結束后取出記錄儀，通過藍牙無線通信方式將測溫器中存儲的溫度、壓力和時間數據發送至上位機。可通過上位機發送指令設定記錄儀的工作模式和數據采集速度。

2 硬件電路設計

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]。采用恒流源驅動電路為鉑電阻供電，以確保能夠穩定準確地測得鉑電阻兩端的電壓值[5]。驅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轉換電路四線制連接電路如圖2所示。ADS1148為鉑電阻提供驅動電流Ix，在驅動電流作用下鉑電阻兩端會產生電勢差，通過低通濾波器將電勢差傳輸到A/D轉換芯片。驅動電流Ix流經鉑電阻后，再在基準電阻Rbias上產生基準電壓，這樣可消除因恒流源導致的測量誤差。

圖2 鉑電阻傳感器與A/D轉換電路四線制連接電路

2.2 壓力測量電路

根據JJF（蘇）96-2010《蒸汽滅菌器、壓力校準規范》，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。傳感器內部為4個應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。當外界壓力發生變化時，傳感器內部的硅油將壓力變化轉換為電橋微小電壓輸出，輸出的微小電壓信號經放大濾波后傳遞給A/D轉換電路，轉換成相應的數字量。

圖3 壓力傳感器工作原理圖

2.3 A/D轉換電路

A/D轉換電路采用16位高精度模數轉換芯片ADS1148，其內部集成低噪聲可編程的增益放大器放大倍數最高可達128倍[11]，可以準確測量微小信號；其內部的數字濾波器能夠減弱噪聲對有效信號的干擾。為保證ADS1148的轉換精度和測量結果的準確性，配置ADS1148為差分輸入方式，設置數據采集速率為80 Hz。開啟芯片內部自校準功能，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都是掉電后數據不丟失的存儲器，但Flash存儲容量普遍大于EEPROM，無線記錄儀需要存儲大量的數據，因此采用Flash存儲器。其芯片型號為W25Q64，是一種使用SPI通信協議的NOR Flash存儲器，它的CS、CLK、DIN、DO引腳分別連接到STM32對應的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 數據處理

3.1 溫度數據處理

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，設置溫度為0℃后進行初次測量；

2）設置恒溫槽溫度以間隔20℃進行變化，待恒溫槽溫度穩定后，記錄標準溫度計測得的恒溫槽內的實際溫度，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。數據擬合在Origin軟件中進行。

溫度測量數據和擬合結果如表1所示。

表1 溫度測量數據和擬合結果

溫度誤差曲線如圖5所示，可以看出，經分段數據擬合之后，在0～150℃范圍內，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 壓力數據處理

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會隨溫度的變化而變化，從而導致傳感器的零點和靈敏度發生漂移[13]。

利用Origin軟件對不同溫度下的壓力數據進行曲線擬合，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很好的線性度和重復性。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。硬件補償需要設計復雜的硬件電路，調試比較困難，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神經網絡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神經網絡算法網絡不穩定，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[19-23]，可以準確地反映出傳感器的真實特性。基于此特性，文中提出了一種結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 結束語

文中重點介紹了無線溫度壓力記錄儀的硬件電路設計和數據處理算法，實驗結果表明，該記錄儀可在0～150℃環境中長期穩定工作，能快速、準確地完成高壓滅菌器的溫度和壓力參數的檢定、校準任務。除高壓滅菌器外，該記錄儀也可用于其他密閉設備，特別是有電磁屏蔽的設備，具有廣泛的應用價值。