便携式热力灭菌无线压力检测系统检定装置的研究

王孔祥　曾　颖　姜立斌

(福建省计量科学研究院，福建 福州　350003)



便携式热力灭菌无线压力检测系统检定装置的研究

王孔祥曾颖姜立斌

(福建省计量科学研究院，福建 福州350003)

现有的热力灭菌无线压力验证系统在使用过程中因长时间暴露在超过100 ℃的饱和水蒸气环境下，导致常规检定方法和装置不能满足其检定需求。将变频精确控温与上位机控压相结合，研制了一套便携式热力灭菌无线压力检测系统检定装置。该装置不仅可以对室温下、0～500kPa压力范围内的任意压力环境进行检定，还可以模拟室温至150 ℃内的任意饱和蒸汽环境。系统测试结果表明，该检定装置具有可操作性强、自动化程度高等特点，且能满足热力灭菌无线压力验证系统各项计量指标的检定需求。

热力灭菌无线压力检测系统检定装置饱和蒸汽便携式耐压腔体自动化变频控温

0　引言

优良的热力蒸汽灭菌器内部温度、压力的准确性及稳定性是确保灭菌消毒效果的重要前提，其实际温度和压力的偏差及波动度主要由无线压力检测系统完成测量[1]。由于不同温度下的压力传感器示值不同，因此环境对检测系统测量结果的影响不容忽略。但目前国内对无线压力检测系统的校准方法仅局限于室温环境[2-7]。为此，本文研发了一套便携式无线压力检测系统的检定系统，其不但可以检测室温下一定压力范围的无线压力检测系统，还可以模拟高压蒸汽灭菌环境，检定高温、高压下无线压力检测系统的示值。

1　硬件组成

无线压力检测系统检定装置的硬件主要由耐压腔体、气压控制器、温度控制器、液位控制模块、液位探针、气压泵、压力校验仪、加热器、温度传感器、排气控制开关、通信转换器等组成。本装置工作原理图如图1所示。

图1　装置工作原理图Fig.1　Working schematic diagram of the device

1.1耐压密闭腔体的设计制造

热力灭菌耐压上限一般为500kPa，腔体灭菌使用温度为100～150 ℃、以密闭耐压腔体作为无线压力探头的检测容器。为满足耐压500kPa且耐150 ℃高温的条件，选择壁厚为4.5mm、导热系数高的不锈钢304腔体材质，以保证腔体具有良好的均温性和耐压性。根据现有市场上用于灭菌仪器检测的无线压力检测系统厂家TMI、Ellab、DataTrace及国产北京中科京仪科技有限公司的探头尺寸,设计腔体的内部尺寸,其内径为85mm、高为162mm。同时，为了保障无线信号的正常通信，防止金属屏蔽，耐压腔体盖采用了耐压、耐高温的环氧树脂材料。

基于装置的检测功能，设计的耐压腔体分为上、下两部分。上半部分为无线压力检测系统探头放置区，下半部分为加热水区。耐压腔体剖视图如图2所示。

图2　耐压腔体剖视图Fig.2　Cutaway view of pressure chamber

1.2装置外观设计

考虑到在检定工作中，模拟不同气压和灭菌两种工作环境的操作步骤不同，为便于检测现场携带，将装置按功能划分为耐压腔体、压力控制台两个仪器箱，并采用多串口数据采集器连接压力校验仪、温度控制台、气压控制台。

2　工作环境模拟

2.1灭菌工作环境模拟

对耐压腔体检定工作区域进行加热控制，利用电加热棒对腔体底部水域进行加热，产生的饱和蒸汽形成了灭菌温度环境，保证了无线压力检测系统检定工作环境与实际工作环境相一致。

同时，为了防止因加热水域水量太少而导致的闭环温度控制失效，进而造成加热棒温度剧增产生烧断现象，设计了防干烧模块。在耐压腔体底部和加热最低水位处分别设置液位探针，将液位探针监测电路与加热棒工作电路串联，当水位高于最低临界液位，加热棒由温度控制器指挥工作；当水位低于最低临界液位时，加热棒电源断路，实现了防干烧断电保护。

为了达到高精度、高稳定性的控温效果，本文采用调频控制温度。使用岛电SR91定值温控仪与PAC01A单相无源电力调整器，实现了低电压控制高电压；通过调整加热棒通断的频率，可实现精确控温。

2.2不同气压工作环境模拟

通过上位机进行压力校准值设定，由PC端输出的RS-232转RS-485，进而连接到SMCITV0050-3BS型电磁比例阀。电磁比例阀根据空气压缩机输出气压值与输入电压值的线性比例关系来精确控制空气压缩机的输出，以达到升压效果。电磁比例阀自带低压排气出口，可以进行降压控制。通过比较法，计算当前气压值与设定值的差，从而进行反馈控制调整压缩机的输出工作压力，以达到不断逼近设定值的效果。同时，计算当前的升压及降压速率，进行预判后，根据当前气压值与设定值的差进行粗调和微调两种模式控制。另需设计步进压强，以实现压力检定过程的智能化。

升压控制流程图如图3所示。

图3　升压控制流程图Fig.3　The flowchart of booster controller

升压控制与降压控制原理一致。在当前气压值与设定值之差为1～5kPa时，进入粗调程序段；在当前气压值与设定值的差为0.1～1kPa时，进入微调程序段；最后，将当前气压值与设定值的差控制在0.1kPa内，以达到稳压效果。以升压控制为例，粗调程序如图3(a)所示，微调程序如图3(b)所示。通过比较当前气压值与设定值的差值大小变化，调整升降压速率及控制参数的预调过程，以减小升压过程的过冲。

由于耐压腔体容积较小，进气时空气压缩机直接打压到耐压腔体会给腔内气压带来强烈过冲。为了保证进气的稳定性及控压精度，在空气压缩机出口处，增设一个与耐压腔体相同容积(1L)的不锈钢罐体作为气压缓冲装置，以维持一定压力并保证输出稳定。

3　标准器

3.1温度标准器

根据耐压腔体的使用温度范围，为了达到±0.1 ℃的测温准确度，使用AA级4线制铠装铂热电阻Pt100，可准确测量耐压腔体内的饱和蒸汽压温度。

3.2气压标准器

当进行灭菌工作环境模拟时，腔体内的饱和蒸汽温度通过压力管道连接传导热焓到压力标准器上，会影响压力标准器的示值准确性。为此，本设计在压力校验仪与耐压腔体之间加入蛇形管，延长腔体管路到压力校验仪间的长度，以进一步提高散热量，降低来自耐压腔体内高温蒸汽的温度；同时，使用隔膜式压力校验仪隔离高温饱和蒸汽，可消除温度对压力校验仪的影响。

4　软件系统

通过上位机获取并显示当前耐压腔体内的标准气压值、温度值及无线压力检测系统的实时压力、温度值，同时设定灭菌工作环境模拟的温度、不同气压工作环境模拟的气压值、压力步进的步距(每个校准点之间的差值)。根据操作需要，将软件操作界面设计分为工作环境模拟控制、自动绘制标准及被检器示值实时曲线、自动生成检定报告、串口设置、压力控制参数设置、温度控制参数设置6个功能模块。

5　系统测试结果与数据分析

以北京中科京仪科技有限公司的无线数据记录器为被检器，依据《JJF(闽)1074-2016压力无线数据记录器校准规范》的试验步骤及要求，在121 ℃恒温饱和蒸汽的环境下检测无线压力示值误差。软件自动生成的试验数据如表1所示。

表1　121 ℃饱和蒸汽环境下校准试验数据Tab.1　Calibration test data at 121 ℃saturated vapor environment

6　结束语

本文利用加热水域产生饱和蒸汽模拟真实灭菌环境，并兼容了室温下的不同气压工作环境模拟，设计了便携式热力灭菌无线压力检测系统检定装置。本装置所对应的设计软件具备自动生成数据记录、自动绘制实时曲线功能，实现了系统的快速、准确、自动检定，提高了检定效率，减少了人员误差。装置采用AA级铠装铂热电阻Pt100和隔膜式压力校验仪作为温度、压力标准器，使得该装置的功能及测量准确度满足无线压力检测系统检定装置的要求。

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DevelopmentofaPortableVerificationDeviceoftheWirelessPressureDetectingSystemsUsedinThermalSterilization

Sincethethermalsterilizationwirelesspressuredetectingsystemisusuallyexposedtothesaturatedvaporenvironmentabove100 ℃foralongtime,thepresentconventionalcalibratingmethodsandcalibratingapparatusofitcannotmeetitscalibrationdemand.Aportableverificationdeviceofthewirelesspressuredetectingsystemsusedinthermalsterilizationisdevelopedinthisarticle,whichisbasedonthetechniqueofcombinationofthefrequencyinvertertemperaturecontrolandpressurecontrolbyPC.Thenewcalibratingapparatusnotonlyisabletotestthevalueofwirelesspressuredetectingsystemsundervariouspressurewithin500kPaatroomtemperature,butalsocansimulateinsaturatedvapouratroomtemperatureto150℃.Thetestingresultsindicatethatthenewcalibratingdevicehascharacteristicsofwelloperabilityandautomaticity,whileitcanalsomeetthecalibratingdemandofmetrologyindicatorsforthethermalsterilizationwirelesspressuredetectingsystem.

ThermalsterilizationWirelesspressuredetectingsystemsVerificationdeviceSaturatedvaporPortablePressurechamberAutomaticityFrequencyinvertertemperaturecontrol

王孔祥(1960—)，男，1981年毕业于厦门大学物理学专业，高级工程师；主要从事热工计量检测方向的研究。

TH81;TP216

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610005

福建省质量技术监督局科技计划基金资助项目(编号：FJQI2014003)。

修改稿收到日期：2016-03-21。