可实时监控臭氧浓度的床单位消毒机

杨震，杨树欣，高磊，陈爱华，詹宁波，田林怀

中国人民解放军第三零二医院　医学工程保障管理中心，北京　100039

可实时监控臭氧浓度的床单位消毒机

杨震，杨树欣，高磊，陈爱华，詹宁波，田林怀

中国人民解放军第三零二医院医学工程保障管理中心，北京100039

医院病房床单位主要包括床垫、被褥、枕芯和枕套等。病人使用过的床单位常被分泌物、排泄物、脓血便等污染，并携带大量致病微生物，不仅要彻底清洗，更需要有效消毒[1]。臭氧源自空气还原于空气，在空气中的半衰期很短，一般干燥温度下还原只有16～20mi n，在高温干燥的环境下还原得更快。因此，臭氧成为一种公认的最经济和环保的消毒方式。但使用臭氧消毒时，高压电离作用除产生臭氧外还有少量的残留物，就是氮氧化物。如果长时间开启臭氧产量低的空气消毒机，由于臭氧浓度低，消毒不会达标，反而会产生大量的氮氧化物，长期使用会对人体的伤害[2]。臭氧用于消毒时一定要达到高浓度，使之在很短的时间内快速彻底地对床单位进行消毒，但臭氧浓度太高又会严重腐蚀床单位。介于现有床单位臭氧消毒机没有臭氧浓度监测功能，临床医护人员无法判断其对床单位的消毒效果是否达标。因此，研制一种能实时监测臭氧浓度和有效控制臭氧浓度的床单位臭氧消毒机是非常必要的。

1　设计思路分析

控制院内感染是目前医院管理工作的重要指标，如何防止医院病区内交叉感染是医护工作者责无旁贷的职责。而造成院内感染率居高不下的重要原因是床单位消毒不彻底，因此，床单位臭氧消毒机的关键在于臭氧浓度监控系统的研究设计。

本研究采用紫外辐射吸收法，即臭氧对波长λ=254n m紫外光具有最大吸收稀疏，在此波长下紫外光通过臭氧层会产生衰减，使之符合兰波特-比尔（Lambert--Beer）定律：

其中，I0-无臭氧存在时入射光强度；I-光束穿透臭氧后的光强度；L-臭氧样品池光程长度；C-臭氧浓度；K-臭氧对光波长吸收系数。根据该公式，在K、L值已知条件下，通过检测I/I0值即可测出臭氧浓度C值来。然后，CPU再通过显示电路将臭氧浓度在液晶屏显示出来。当空气流量与臭氧发生器内的温度相对稳定时，产生臭氧的效率和臭氧发生器两高压电极之间的电压U m基本成线性关系，Um可实现供电电源的独立控制。CPU根据医护人员对臭氧浓度的设定值，通过臭氧浓度监控系统电路控制臭氧发生器两端电压Um的大小，实现对臭氧的生产浓度及产量的在线控制。C P U会实时将臭氧浓度的测定值和设定值进行比较，如果误差超出允许范围，蜂鸣器发出报警声。

2　臭氧消毒机基本结构

臭氧消毒机主要包括电源系统、臭氧发生器、臭氧浓度检测系统、冷却系统和气源系统。臭氧消毒机基本结构，见图1。

图1　臭氧消毒机结构图

气源系统通过鼓风机将空气过滤、干燥后送入具有稳定高压的臭氧发生器中。空气中的氧气通过隔以绝缘介质阻挡层的两个高压电极之间间隙时，在交流高压作用下，气隙中发生电晕放电，气体被电离，间隙中的活性氧原子浓度急剧增加，氧原子与氧分子反应产生臭氧，但臭氧在高温环境中会很快还原成氧气。因此，必须通过冷却系统中的风扇将臭氧发生器放电产生的热能吹走，降低发生器内的温度，以保证臭氧的浓度及产量的稳定性。

3　臭氧消毒机气路结构

床单位消毒机气路结构图，见图2。

图2　床单位消毒机气路结构图

其中交流220V鼓风机装有干燥剂的空气干燥装置、臭氧发生装置、温度检测装置、2个三通电磁阀、12V直流电机、臭氧浓度监测装置和空气过滤器，其中各元器件都用硅胶管道相互连接。鼓风机是气体动力源泉，室内空气依次经过过滤、干燥后进入臭氧发生装置。臭氧发生装置内装有高压陶瓷臭氧发生片，空气中的氧气在此被高压电离产生臭氧，臭氧经过三通电磁阀1，分为两条支路分别进入病床1和病床2的一次性消毒床罩端口A 1、A 2，给整个床单位彻底消毒。在消毒过程中，三通电磁阀2打开，采样直流电机将床罩内的气体从B1、B2端口抽到臭氧浓度监测装置，以实现对臭氧浓度的监测和控制。

4　臭氧浓度监控系统设计

臭氧浓度检测系统电路框图，见图3。89C51单片机，I/O口扩展芯片8255和A/D转换芯片MC14433构成中央硬件系统。外围电路包括系统启动触发电路、电压峰值检测电路、流量采集电路、复位电路、温度检测、显示电路、报警电路、RS485通讯模块、臭氧浓度检测模块。

紫外光源采用紫外低压汞灯作为光源，产生波长为253.7n m的紫外光线且光强恒定。其主要由2条波长分别为253.7nm和185.0nm的共振辐射线决定，前者占60%，后者占30%。为了防止噪音光线对臭氧浓度检测的影响，选用2个中心波长分别为254n m和210n m的带通滤光片作为253.7n m紫外线的单色仪，实现光调理。紫外辐射吸收法是利用臭氧具有吸收短波紫外区（200～300nm）的波段紫外光，并且在波长为253.7n m处具有最大吸收值的特性来测量臭氧浓度[5]。电路中采用硅光电池作为光电传感器，测试紫外光透过检测气室后的光强值。光电池的短路电流与光的入射照度基本呈线性关系，因此以硅光电池的短路电流作为光接收电路的输入信号。光电器件所接受的光电信号很弱，且有噪声干扰，因此，采用光电信号经检测电路处理后再反馈给89C51单片机，然后通过R S485通讯模块和数控型供电电源单片机通讯，实现对臭氧浓度地准确控制。

图3　臭氧浓度检测系统电路框图

5　臭氧浓度显示控制模块设计

臭氧浓度显示控制模块结构设计，见图4。其中A/D转换器把输入的模拟电压或直流电流转变成与它成正比的数字量，即把被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。基于A/D转换器的原理是通过一个A/D（ADC1433模拟数字转换）芯片采集臭氧浓度检测模块输出的信息，再由单片机（AT89C51）分析、处理，最终输出信号由七段数码管显示床单位床罩内的臭氧浓度。

单片机89C51会实时将床罩内的臭氧浓度的测定值和设定值进行比较，当臭氧浓度偏低时，适当增大供给臭氧发生器的电压，反之则适当减小供给臭氧发生器的电压，最终使床罩内的臭氧浓度维持在设定值允许范围内，以达到最佳消毒效果。

图4　臭氧浓度显示控制模块设计图

6　臭氧浓度监测与杀菌效果分析

为观察该设备消毒杀菌效果，进行了简单实验：将实验菌片置于床单位消毒罩内床垫与被子夹层的四周与中央，每组一式2片；阳性对照菌片放于袋外不接触臭氧[9]。启动臭氧发生器，熏蒸消毒30mi n，自然降解30mi n，作为1个消毒周期。将实验菌片和对照菌片分别投入装有10mL稀释液试管中，充分震荡洗脱。取洗脱液1mL接种于胰蛋白胨大豆培养基中，置37℃温箱内培养48h，进行活菌计数；计算平均杀灭菌数对数值。实验重复3次，结果见表1～2。

表1结果表明，床单位臭氧消毒机启动1mi n后，消毒床罩内的臭氧浓度达1284mg/m3，启动10mi n后臭氧浓度逐渐上升到最高2494mg/m3，消毒机停止后臭氧快速分解，衰减30mi n后臭氧浓度下降至0.2mg/m3以下；塑料袋外泄漏的臭氧浓度最高为0.02mg/m3。

表2结果表明，布放到床罩内床单位上、中、下层的4种试验菌，经臭氧熏蒸消毒30mi n，平均杀灭菌数的对数值均>3.00，杀菌合格。

表1　床单位消毒床罩内臭氧浓度监测结果 （mg／m3）

表2　床单位消毒机实验杀菌效果

7　讨论

臭氧作为一种高效且无污染的强氧化剂，由于其消毒无死角，消毒杀菌彻底全面，被喻为“绿色”消毒剂[10]。近年来，臭氧技术作为环保产业的一个重要组成部分，越来越受到人们的重视。本论文针对现有床单位消毒机臭氧不足或者过高产生的危害，研究和设计了一种能实时调控臭氧浓度或产量的测控系统，可实时检测气体流量和温度，实现整个臭氧生产过程的闭环控制，且使用方便、操作简单，具有很好的安全性。

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作者邮箱：yangzhen302@163.com

[中图分类号]TH771+.4

[文献标志码]A

doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2014.02.009

[文章编号]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]目的研制一种床单位臭氧消毒机，提高床单位的杀菌效果。方法设计一种能实时在线检测臭氧浓度的检测系统，并通过89C51单片机控制供给臭氧发生器的电压，实现整个臭氧生产过程的闭环控制。结果消毒机具备臭氧浓度的实时监测和控制功能，使床罩内臭氧浓度保持最佳杀菌效果。结论该床单位臭氧消毒机利用臭氧熏蒸消毒，对多种细菌繁殖体和真菌都有较好的杀灭作用，对床单位实际消毒效果能达到规范的要求。

[关键词]臭氧消毒机；杀菌效果；臭氧浓度；单片机

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