湿热灭菌设备温度检测系统关键技术的研究

寿文杰 周连琴 成英淑

(浙江省计量科学研究院，杭州 310013)

0 引言

灭菌是药品、食品生产以及医学诊疗中的重要工序和环节，灭菌效果直接关系到食品、药品安全以及医疗安全，因此必须要保证灭菌过程得到监控，灭菌质量符合要求。湿热灭菌以其简便易行、经济可靠、用途广泛已成为首选的灭菌方法，占全部灭菌处理总量的90%以上。湿热灭菌设备温度检测系统(以下简称检测系统)通过在密闭的湿热环境下检测相关参数，判断灭菌设备灭菌能力是否满足使用要求，检测过程和结果直接关系到灭菌效果的优劣，包括温度偏差、压力值以及相应的F0值都是重要的技术指标。通过研究检测系统的软硬件关键技术，进一步提升检测系统的计量能力，显得十分重要。

1 检测系统的总体设计

检测系统的总体框架以单片机为中心工作，在其周围扩展相关功能，如图1所示。虚线框内的部分是本项目要实现的前端温度采集记录部分的硬件系统。这部分的功能也较为明显，采集记录模块主要由传感器、MCU、存储单元组成，负责对象值的测量和反馈，存储单元负责将被测值、被测个数及系统工作的相关参数存储，虚线框右侧的是数据通讯传输模块，主要由上位机以及切换电路与MCU组成，负责系统与PC机的所有通讯工作，例如参数设定、数据读取。从模块的划分来看，硬件系统的工作都是围绕MCU进行。从控制流的方向也可以看出，测量与存储也由MCU控制，只能响应MCU的指令，从数据流的方向可以看出，USB接口作为通讯及数据指令的转发机构，与MCU和上位机的数据流都是双向的，这样，构成了完整的硬件控制及数据传输系统。

图1 系统设计架构框图

2 检测系统的关键技术

检测系统在设计过程中要考虑几方面的关键技术。首先，检测系统属于离线记录式采集，整机电路功耗的高低决定着系统连续工作时间的长短，所以低功耗是关键技术之一。其次，被测对象使用温度范围一般在70～135℃之间，已经突破了大部分器件和电池的标称工作范围，如何通过相关试验选择适合的元器件和电池，也是关键技术之一。最后，各类型的温度传感器在宽量程下都存在着非线性误差，对于高精度测量来说，非线性误差是必须修正的，而误差修正也是关键技术之一。综上所述，在温度检测系统的开发过程中，低功耗、耐高低温、宽量程、高精度是需要重点解决的关键技术。

3 电路低功耗的研究

对于需要电池供电的离线采集式测量仪器，越低功耗意味着系统待机的周期越长，从系统开发的三个重点环节(器件选型、电路设计、软件设计)出发，尽可能优化功耗设计，最大限度降低功耗。

3.1 元器件的选型

元器件选型是系统实现低功耗的前提，也决定着系统的质量和性能。在各种影响功耗的因素中，影响最大的是电源电压，其次是工作频率，最后是负载电容。负载电容对设计来说，一般难以控制。所以着重考虑电源电压和工作频率，在两者相同的情况下，还要看单片机的特性，要挑选具有省电模式的低功耗单片机。微控制器必须有可切换的多种工作模式，可适应不同运行需求时切换对应的模式，切实降低功耗，另外，还要求单片机能够在各种模式的快速切换和对外部事件快速响应。最重要的是元器件耐高低温，具体试验过程见4.1节。通过上述要求并结合试验结果挑选合适的器件。

3.2 硬件设计

为降低功耗，根据测量时间，外部可接低频晶振，以减少系统的功耗。电源按需供给，因选用的芯片都具有低功耗休眠功能，设计采用不工作时进入休眠模式，少供电甚至不供电。对AD转换芯片等电源采取间歇性关断方式，当采样时才供电，需要时再唤醒，不采样时处于无功耗状态。另外可以对部分电路芯片的空置引脚进行处理。对于多余的输入端接高电平，防止输入端静电感应形成有效的输入电平，造成逻辑状态偶尔翻转，可能导致功耗异常。

3.3 软件设计

软件比硬件应用起来更加灵活，一方面，智能便携式仪表一般用于对信号进行计数或定时测量，待机时间一般比较长，应该使单片机在不需要工作时，进入待机或掉电状态，需要工作时可以通过中断方式唤醒，缩短CPU的运行时间。另一方面，传统的硬件滤波电路，例如有源滤波电路本身的功耗是很大的，采用合适的软件算法，通过软件代替硬件进行滤波，可以有效降低系统功耗。

4 耐高低温芯片及电池选型研究

4.1 芯片选型

目前市面上处理器芯片根据工作环境温度可分为商业级(民用级)(0℃～70℃)、工业级(-40℃～85℃)、军品级(-55℃～135℃)三种，商业级显然无法满足使用要求，军品级受技术壁垒、供货渠道等限制，不适合本项目研究，工业级标称温度范围有限，无法通过厂家提供的参数进行产品设计，只能通过高低温的可靠性试验进行验证。

根据设计使用的要求，选择使用的单片机和AD芯片需要耐高低温，根据一些常见低功耗芯片，择机选择了以下几款常见的低功耗芯片，并按照使用工况对元器件的可靠性做了验证试验。试验标准设备为高精度高低温恒温试验箱，每组试验时间为24小时，试验结果见表1(√代表有效、×代表失效)。

表1 芯片可靠性试验结果示意图

试验过程发现，ADUC845在掉电模式下功耗偏大，在极端条件下超过20μA，PIC18F2680等其他几款无法满足135℃的设计要求，而PIC18F2680(扩展温度级)虽满足试验要求，但价格偏贵，且国内供货不畅，不适合量产，LTC1606需要模拟5V供电，不符合实际使用的要求，而AD1245符合低电压供电的要求，故选择Msp430f149(工业级)和AD1245两款芯片的组合。

4.2 电池选型

参照单片机和外部器件的供电需求，Msp430f149实际工作电压为1.8～3.6V，在电源3.3V时，主频为32768Hz，等待模式LPM3下，耗电仅为2μA，但锂电池放电能力低于1mA的条件下，将无法驱动电路正常工作，我们通过以下的试验验证了所要选择的锂电池在极端工况下的可行性。试验标准设备为高精度高低温恒温试验箱，每组试验时间为24小时，试验结果见表2。

表2 电池可靠性试验结果示意图 单位：mA

试验表明，在高温测试段，锂亚硫酰氯电池的放电能力表现较为满意，虽然锂亚硫酰氯电池的标称的工作温度可达到-40℃，但经过低温试验发现，各型号的锂亚硫酰氯电池放电能力普遍偏弱，均不能达到系统正常工作的要求。

根据试验结果，向生产厂家说明产品的特殊要求，定制了一批锂亚硫酰氯电池。厂家通过改良电解液配方，提高比能量等的技术方法，使电解液浓度降低，锂离子活性增强，最大限度增强了低温段的放电能力。重新进行相同条件下的高低温试验，结果见表3。

表3 定制电池可靠性试验结果示意图 单位：mA

根据试验的情况，定制的锂亚硫酰氯电池在低温条件下均超过1.0mA，达到设计要求，考虑到性价比、放电能力等综合性因素，最终选择了定制的ER1860扣式锂亚硫酰氯电池。

5 系统非线性误差研究

5.1 设计思路

本项目考虑设计指标较高，采用高精度Pt1000温度传感器，但该传感器存在电路漂移、自热效应等问题，仍然有不可忽略的偏差，需要通过一定的校准方法进行补偿修正，才能满足宽量程的精度要求。

另外传统的Pt1000传感器通过查阅分度表的方式进行检测，查表的方法虽然速度快，但实际各个厂家生产的Pt1000传感器都存在一定的误差，严格按照分度表查到的电阻值对应温度关系是不完全准确的，同时，Pt1000输出电阻与温度成多项式比例关系，公式如下：

-200～0℃时，

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

(1)

0～850℃时，

Rt=R0[1+At+Bt2]

(2)

式中，R0为温度0℃时Pt1000的电阻值；Rt为温度t℃时Pt1000的电阻值；A、B、C为常数。

电阻值与AD采样值是一阶函数关系，通过多项式的方式对温度值和AD采样值进行拟合，并对最终测量值进行修正和补偿。

-200～0℃时，

多项式拟合公式为：y=ax3+bx2+cx+d

(3)

0～850℃时，

多项式拟合公式为：y=ax2+bx+c

(4)

式中，x为数字信号采样值；y为实际温度值；a、b、c、d为温度校准系数。

取某一量程内平均等分取三或四个温度点(根据多项式的阶数而定)，将实际温度值与AD采样值带入多项式后，计算a、b、c、d的温度校准系数。实际应用中，将a、b、c、d温度校准系数与采样值带入多项式公式即能求出实际温度值。

5.2 实现过程

根据温度检测系统的测量范围，把校准区间分成若干段，按照本系统设计的-40～135℃，每个10℃作为一个校准段，则可分为17段，每段区间二等分或三等分(取决于根据多项式的次数)，将Pt1000传感器放置于恒温槽内，并同时放入一支二等标准铂电阻温度计。在一定范围内取三个温度校准点，一般是10℃为一个温度段，例如0～10℃为第一温度段，取0℃、5℃、10℃分别进行校准，每个温度点稳定时间不小于1小时，当Pt1000传感器检测到的温度值波动度小于0.03℃时，CPU自动记录此时AD采样值，同时测温电桥与计算机连接后，自动记录下二等标准铂电阻温度计的显示值，通过得到的三组数据，计算0～10℃范围内的a、b、c三个校准系数。下面以0～10℃和10～20℃两端举例说明，转换结果见表4。

表4 AD转换值计算结果

未修正前分段检测，根据0℃、5℃、10℃时的实际温度(y)，AD转化值(x)带入下列公式：y=ax2+bx+c求解a、b、c的值，结果见表5。

表5 温度系数计算结果

将求解得到的a、b、c输入单片机程序内，作为标准的温度系数，校准完毕后的Pt1000温度传感器在实际使用中，根据AD采样值的变化CPU自动判断温度区间，并根据该温度区间内的校准系数精确计算当前检测温度值，通过这个办法，温度检测系统系统基本解决了Pt1000非线性误差的问题，确保测量精度符合设计的技术指标。

6 检测系统测试结果

6.1 系统工作时间

对于系统工作时间的测试，采集记录仪内部设置每20s记录一次，每隔8h测试系统的运行状况，实际有效工作时间结果见表6。

表6 耐温时间测试结果 单位(h)

在-40℃和135℃条件下长时间测试，系统各元器件并没有受温度影响而失效，但电池放电能力逐渐降低直至不能驱动电路正常工作，在实际工作中，低温应不超过50h，高温应不超过420h。

6.2 温度示值误差

系统检测时，采用内径为120mm、深度为200mm的金属网兜，将被测采集仪置于网兜底部，再将网兜放入恒温槽液面100mm以下的深度来进行实验。实验温度分别为-40℃、0℃、50℃、100℃、135℃，所得数据为温度示值误差(见表7)。

表7 检测系统测试结果 单位(℃)

以上经过修正后的检测系统，符合设计技术指标±0.1℃的要求。

7 结论

该检测系统的技术指标满足常用的湿热灭菌设备的能力验证的使用要求，操作方便，适合各校准实验室、医院及药品生产企业作为计量器具，值得推广应用。

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