紫外线测量与消毒系统的关键问题及设计研究

刘守山 陈 燕

(山东科技大学电子通信与物理学院1，山东 青岛 266590；山东科技大学机械电子工程学院2，山东 青岛 266590)

紫外线测量与消毒系统的关键问题及设计研究

刘守山1陈 燕2

(山东科技大学电子通信与物理学院1，山东 青岛 266590；山东科技大学机械电子工程学院2，山东 青岛 266590)

针对大多数医院中存在的紫外线消毒不良的状况,首先对影响消毒效果的消毒剂量所涉及的关键问题(辐照度测量和测量时间的确定)进行了分析，并根据生物试验, 提出并建立了用于确定消毒剂量的辐照度与消毒时间的数学模型。同时，针对紫外灯的电源电压以及周围环境的干扰会引起辐照度变化等问题，采用对辐射剂量递减的算法，并在解决关键问题的基础上，对紫外线自动检测系统进行了设计和实现。试验表明，该系统能够实现对紫外线的消毒实时、有效监控，消毒效果达到了国家消毒卫生标准要求。

测量 紫外线 消毒 辐照度 监控系统

0 引言

紫外线消毒是医院临床、试验室、治疗室等常用的物理消毒方法。通常用于杀菌的C波段紫外线具有快速杀菌的效果，但对人体的皮肤、眼睛伤害较大[1-2]。根据国家标准规定[3]，在医用环境下利用紫外灯进行紫外线消毒时，辐照度要大于70 μW·cm-2,且消毒时间不少于30 min。经过调查发现，医院在采用紫外灯进行定时消毒时，由于使用不同的灯管以及灯管的新旧程度不同，因而紫外线的辐照度也会随之变化，如果采用定时消毒，则会产生消毒过量或消毒不足乃至无效的情况。

针对以上常用消毒方法的不足，本文首先分析了现有效消毒剂量的辐照度的测量方法和消毒时间的确定方法，实现了基于探测器法的辐照度测量方法，并建立了辐照度和消毒时间的关系模型，最终设计、实现了一种紫外线的自动测量和消毒系统。

1 关键问题分析

本系统设计的最终目标是能够实现在医用环境下对紫外线消毒过程的自动监控。在医用环境下，当用紫外灯进行消毒时，通常用紫外线灯的辐照度与消毒时间的乘积作为消毒剂量。在杀灭不同种类的病毒或细菌时，相应的消毒剂量也随之变化。在相关的国家标准《医疗机构消毒技术规范》[3]中，对不同消毒环境下所应采用的消毒剂量都有明确的建议和规定。因此，在不同消毒环境下，消毒剂量的标定是影响消毒效果的首要问题。

根据对消毒剂量的定义可知，影响消毒剂量的基本因素有两个：一个是紫外线灯的辐照度；另一个是消毒时间。因此，对紫外线辐照度的测量和对不同辐照度下消毒时间的精确判定，是系统设计过程中所需要解决的两个关键问题。

对紫外线辐照度的测量方法(通常称之为量值溯源方法)主要有两种：光源法和探测器法[4-5]。其中，光源法是国家标准试验室采用的方法，不适用于医用消毒现场采用。在消毒现场，多采用探测器法。探测器法的基本原理是采用具有光电转换功能的一体化传感器完成对紫外线光照度对电信号的转换，然后再进一步调理电信号，从而获得紫外线对应的照度量值。本文系统中，采用探测器法实现对紫外线辐照度的测量。

在明确了紫外线辐照度的定量测量后，还必需确定在一定辐照度下达到有效消毒剂量的有效消毒时间。在实际医用消毒环境中(比如在手术室消毒中)，经常会使用多个紫外线灯进行消毒，即使是使用同一型号或批次的紫外灯，不同的紫外灯的辐照度也会有所变化。此外，随着使用时间的增加，单个紫外线灯的辐照度也会发生变化。若对不同的辐照度的紫外线灯采用相同的消毒时间，显然会产生消毒过量或消毒不足等问题。为了能够实现消毒剂量的有效性，必需确定在不同辐照度下所应满足的消毒时间。为了能够实现对紫外线消毒剂量的自动设置和监控，有必要对达到有效消毒剂量的紫外线辐照度和消毒时间的关系建立定量的数学模型。实际应用环境下，灯管的工作电压随时都可能变化，灯管的辐照度也会随着电源电压的变化而变化，而且环境的温湿度等因素对辐照度也有影响[6-8]。因此，必需采取必要措施以消除这种不利影响。

2 关键问题的研究

2.1 紫外线辐照度的测量

本文采用探测器法测量紫外线辐照度。为了保证检测的准确性，首先必须明确在医用消毒领域消毒所用的不同波长紫外线的杀菌效果。然后，根据最佳杀菌效果确定所需的紫外线波段,进而确定探测所需紫外线波段的紫外线探测器。其中，在医用消毒应用中，经过试验证明,在波长240～280 nm之间的紫外线具有较高的杀菌效果。此波段恰好位于紫外线C波段。经反复试验证明，当波长为253.7 nm时，杀菌效果最强。

标准紫外线照度计的标准响应函数与紫外辐射的杀菌效应函数基本一致。标准紫外照度计的示值定义为：

(1)

式中：Δλ=λ2-λ1为通带宽度;S(λ)为接收器的光谱灵敏度；τ(λ)为滤光片的光谱透过率；Ee(λ)为紫外光源在测试面处的绝对光谱辐照度。

S(λ)的光谱响应曲线应与紫外辐射的杀菌效应函数基本一致。式(1)是针对紫外线入射法线垂直接收面S的情况。在实际情况下，紫外线辐射源与探测器轴线往往会存在一定的夹角，且光源往往是较大尺寸的扩展光源而非点光源，因此会导致测量结果产生严重的误差[9-11]。修正这种误差的方法是采用均匀漫射材料制成的余弦校正器。其中，本文系统所采用的探测器基本结构如图1所示。在图1中，滤光片的光谱透过率应与紫外照度计的标准响应函数基本一致。为此，系统采用了镀膜石英滤光片，透过中心波长为253.7 nm,带宽为20 nm，C波段以外响应2%。光电转换器件选用了紫敏硅光电池。该电池在紫外波段有足够的灵敏度，响应峰值在330 nm，在C波段200～290 nm范围内，均有较高的灵敏度。余弦校正器则采用了平面型的磨砂石英玻璃。

图1 紫外线探测器

由于紫外线探测器的输出信号为电流且较小(微安数量级)，为了便于数字处理，需将探测器输出电流信号转换为电压信号并进行放大，然后由A/D转换器件完成模拟信号到数字信号的转换。其中，电流/电压转换电路及信号放大电路采用了基于集成运算放大器的结构。考虑到系统为单电源供电，且为了减小电流/电压的转换误差，电流/电压转换电路及后级运算放大器采用轨至轨、低偏置电流放大器(偏置电流为皮安级)。电流/电压转换电路和放大电路的原理图如图2所示。其中，运算放大器(U1和U2)采用了AD8504。电容C1和C2能够提高放大电路的稳定性、避免产生自激振荡所加的频率补偿(去耦)电容。

图2 电流/电压转换、放大电路

2.2 辐照度与消毒时间关系

根据国家标准规定[13]，在消毒的目标微生物种类不详或需杀灭多种病毒或细菌时，辐射剂量即辐照度与消毒时间的乘积不应低于100 000 μW.s/cm2。但是，在实际医用消毒环境中，在高于有效辐照度(40 μW/cm2)的前提下，一方面要避免消毒剂量不足，另一方面还要避免不必要的消毒过量。因此，应该明确不同辐照度下达到有效消毒剂量所对应的有效消毒时间。基于监控系统的自动化要求，应该建立起不同辐照度情况下达到有效消毒剂量时表示辐照度和消毒时间关系的数学模型。这样，在消毒过程中，当监测的紫外线灯辐照度发生变化时，系统可实时调整相应的消毒时间，以保证消毒剂量的有效性。本文通过医院大量的生物检测试验，提出并建立了辐照度与消毒时间关系的数学模型。

2.2.1 试验条件和试验方法

试验在医院实际消毒工作环境中进行。其中，医院的消毒房间内紫外灯的数量按消毒标准设置[4]，即每立方米空间紫外灯功率不小于1.5 W的原则，消毒的总效果是所有紫外灯共同作用的综合。为了确保测试的准确性，将环境温度设定为20～25℃，相对湿度为60%，紫外灯电源电压通过稳压器保持稳定。针对不同的污染环境，将消毒分为常规消毒、加强消毒1、加强消毒2、加强消毒3四类，消毒时间依次增加。在一般污染环境中，通过对生物样本进行不同辐射剂量的消毒试验，在选用最低消毒时间的基础上，增加40%作为常规消毒的时间参数。在污染较重的环境中，对地面、墙角等距离紫外灯较远的地方，进行了专门的辐照度测量，通过延长消毒时间来增加辐射剂量，并将有效的消毒时间作为加强消毒的时间参数。针对8种不同的辐照度进行了生物试验，每项试验进行了15组，并取其平均值作为测量数据。

2.2.2 试验数据及数学模型

测量的辐照度与消毒时间关系曲线如图3所示。

图3 辐照度与消毒时间关系曲线

根据图中曲线形状，设其数学模型为：

y=axbb<0

(2)

将其化成线性模型:lny=lna-blnx。

对试验数据进行相关性分析，加强消毒相关系数和常规消毒相关系数均大于N=8时的标准值R=0.704,故可以拟合成线性关系曲线。利用最小二乘法算得常规消毒以及加强消毒的参数a、b。由此可得辐照度与消毒时间的数学模型：

T=aEb

(3)

式中：E为紫外灯辐照度；T为消毒时间。

分别代入常规消毒和加强消毒的参数，可以得出相应的消毒时间。其中常规消毒与加强消毒1的消毒时间如下。

常规消毒：

T1=3 789.540 3E-1.194

(4)

加强消毒1：

T2=19 015.315 2E-1.286

(5)

其中，一个消毒空间内常常需要多个紫外线灯和探测器，以便于对整个消毒空间进行有效消毒和实时监控。式(3)中E的求解如式(6)和式(7)所示：

(6)

E=1/2(Emin+Eevn)

(7)

式中：Eevn为全部灯管辐照度的平均数；ei为第i个灯的辐照度；n为灯数；Emin为所有辐照度中的最小值。

将式(7)中的E代入式(3)，即可求出该强度下所需的消毒时间。由此求出在不同消毒模式下所需的辐射剂量:

M=T×E

(8)

式中：T为由式(3)得出的常规消毒或加强消毒1、2、3的时间；M为相应模式下的辐射剂量。

2.3 电压波动等干扰的消除

由试验得知，施加在灯管上的电压随时都可能发生变化，变化范围一般在220 V±10%之间，灯管的辐照度随着电源电压的变化而变化，而且环境的温湿度等因素对辐照度也有影响。如果按最初测定的辐照度平均数E计算总辐射剂量值，经过时间T后，由于辐照度的变化，实际辐射剂量大于或小于理论值是可能的。为消除电压波动等因素影响，在软件设计上，采取对辐射剂量递减的算法，每1min测一次E值，并从总剂量M中减去一个E,同时消毒时间增加1min，直到M减完为止，消毒过程结束。这样设计将尽可能减少电压波动等环境因素造成的辐照度的变化对消毒效果的影响。

2.4 系统总体设计

为了实现对消毒过程的自动监控，对监控系统的总体框架进行了设计和实现。其中，针对实际消毒环境的要求，设计了一种可实现对8路紫外线灯的辐射量进行测量和监控的、基于嵌入式微控制器的系统。其系统框架如图4所示。

图4 总体系统框架

图4所示的系统分为现场探测和远程监控两部分：现场探测部分包括紫外线传感器、信号调理电路、多路开关、采样保持与模/数(A/D)转换、微控制器等，以实现对紫外灯辐照度的探测，并能实现对辐照度不足的紫外灯进行报警、现场总线通信等功能；远程监控则是由上位机通过现场总线与现场探测设备进行通信来实现，上位机所实现的功能包括各路紫外灯辐照度的显示，以及消毒时间显示、消毒方式的设定、报警、自动开关紫外灯等。系统最多可对8路紫外灯进行实时监控，实际需要控制的紫外灯数量可通过功能键进行设置。当某个消毒环境中所需的监控点大于8路时，则可通过两个或两个以上的系统的现场总线互联，实现对消毒现场系统的扩展。

3 试验结果与分析

在所建立的系统基础上，在实际的工作环境下，对系统进行了运行试验。其中，影响系统运行效果和性能几个关键因素的试验如下。

3.1 传感器精度测量试验

系统传感器精度测量采用了对比测量法。即将所设计的传感器的测量结果与标定的紫外线辐照计的测量结果进行对比，以确定传感器的测量精度。

紫外线辐照计采用标定有限期内的UV-B型紫外线辐照计。将辐照计与系统设计的紫外线传感器同置于紫外灯管中心垂直距离1 m处，比较其显示的辐照度值。每组测量进行50次，取其平均值。表1为试验测试的一组数据。

表1 传感器精度试验结果

3.2 消除电压波动因素影响试验

为了验证消除电压波动等因素影响的软件设计的有效性，改变紫外灯电源电压，观察其辐照度的变化，并在生物样本试验基础上，对实际消毒时间与理论消毒时间进行比较。根据紫外线辐照度测试要求[3]，将传感器固定在灯上方1 m处。由于传统悬挂式紫外灯的灯架对灯的上方有遮挡，所以对其进行了改造，将灯架设计成无挡光式，这样可以避免灯架上方紫外线辐射死区。在普通手术室外使用调压器，将紫外灯电源电压每隔6 min调整一次，分别进行常规消毒和加强消毒的生物样本试验。

表2为辐照度随电压变化试验结果。表2中,电压值是紫外灯的电源电压，辐照度1至辐照度3分别是3组紫外灯的平均辐照度。

表2 辐照度随电压变化试验结果

表3为在加强消毒1模式下各个辐照度对生物样本的实际消毒时间和理论消毒时间。

表3 加强消毒1模式下理论与实际消毒时间对比结果

表3中，理论消毒时间是按照开始测得的辐照度进行计算的，由于电源电压的变化，紫外灯辐照度随之变化。从表3看出，系统实际消毒时间与理论消毒时间是有一定差别的。经过实际消毒时间，生物样本试验表明消毒效果符合国家标准要求中规定II类环境卫生要求[12]，系统模型的建立是适合的，系统消除电压波动因素影响的软件设计是有效的。

3.3 消毒效果试验

将安装本文所设计系统的仪器使用在泰安市第一人民医院和其他几家医院普通手术室，进行了半年多现场试验。每天常规消毒3～5次，每周加强消毒2次，每月随机做2次空气培养，试验符合国家标准中规定II类环境卫生要求。用户一致认为仪器操作简单，使用安全方便，准确地反映了实际消毒情况，消毒效果可靠。

4 结束语

本文针对医用环境下的紫外线消毒不足或消毒过量的问题，提出并建立了辐照度和消毒时间关系数学模型，并在此基础上对紫外线辐照度自动测量和消毒监控系统进行了设计和实现。相比传统的紫外线消毒方法，该系统能实时监测每个紫外灯的辐照度，对不符合要求的紫外灯及时报警，严格控制辐射剂量，并根据电源电压的波动及环境因素等对紫外灯辐照度的影响，自动调整消毒时间，有效保证了消毒效果，提高了医疗质量。该系统在实际应用中有较大的优越性，在医院、卫生防疫部门等消毒场所具有重要的推广价值。

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Key Issue and Design Study of Ultraviolet Measurement and Disinfection System and Its Design and Implementation

Bad situations of ultrasonic (UV) disinfection exist in most of the hospitals, the critical issues (measurement of irradiance and measurement time) involved disinfection dose that affecting disinfection effects are analyzed; and in accordance with biological test, the mathematical model for determining irradiance of disinfection dose and disinfection time is proposed and established. In addition, in accordance with the variation of irradiance caused by interference from the voltage of power supply for UV lamp and surroundings, the decreasing algorithm for irradiation dose is adopted in software, and on the basis of solving critical issues, the UV automatic detection system is designed and implemented. The tests indicate that the system can implement real time and effective monitoring the UV disinfection, the effects of disinfection reaches the requirements of national standards for disinfection.

Measurement Ultraviolet Disinfection Irradiance Monitoring and control system

山东省高等学校科技计划基金资助项目(编号：J11LG23)。

刘守山(1970-)，男，2007年毕业于浙江大学机械制造及其自动化专业，获博士学位，副教授；主要从事光电技术、嵌入式可重构技术应用方面的研究。

TN23

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509011

修改稿收到日期：2015-03-10。