高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统
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82 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies) 2016年第35卷第4期
DOI:10.13873/J.1000--9787(2016)04-0082--04
高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统
郭庆 ,周嘉奉 ,许金 ,徐翠锋
(1.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院。广西桂林541004; 2.广西自动检测技术与仪器重点实验室,广西桂林541004)
摘 要:设计了一种使用超声波信号通信的高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统。系统利用超声波信号在 刚体介质中的强穿透性穿透灭菌器金属壁。通过40kHz与1 MHz两种频率信号代表不同数据位完成信息 的传递。系统以STM32F103为控制器,通过外围电路驱动超声波换能器激发超声波,从而使外部换能器 振动完成通信。介绍了误码处理算法与系统硬件构成。经测试,系统温度测量误差小于0.1℃,压强测量 误差小于0.1%FS。 关键词:温度压强测量系统;高温蒸汽灭菌器;超声波通信 中图分类号:TH811 文献标识码:B 文章编号:1000-9787(2016)04-0082--04
Temperature and pressure measuring system of
high temperature steam sterilizer
GUO Qing ,ZHOU Jia.feng ,XU Jin ,XU Cui.feng (1.College of Electrical Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,China; 2.Key Laboratory of Guangxi Automatic Detection and Instrumentation。Guilin 541004.China)
Abstract:A temperature and pressure measuring system which uses ultrasonic signals for communication is designed.The system uses strong penetrate characteristic of ultrasonic signal in rigid body medium.Through two kinds of ̄equency signals of 40 kHz and l MHz representing different data bits to complete transfer of infommtion. The system takes STM32F103 as controller,and through peripheral circuit to drive uhrasonic transducer to excite ultrasonic wave,SO as to cause vibration of external transducer to finish commnication.Error code processing algorithm and system hardware constitution are introduced.By testing,system error of temperature measuremet is less than 0.1℃.and error of pressure measurement is less than 0.1%FS. Key words:measurement system of temperature and pressure;high temperature steam sterilizer;ultrasonic tom— munication
0 引 言 高压蒸汽灭菌器是一种灭菌消毒设备,通过排空灭菌
锅内空气,对锅体内水加热不断获得高温蒸汽,对细菌进行
杀灭作用的一种仪器 。药品制造、医用教学、细菌工业
中经常需要对目标器材进行消毒杀菌操作,而对灭菌效果
的判断还有一定局限性。传统灭菌效果的检测方法多靠工
人经验,BD试纸或生物试剂通过颜色比对来笼统判断杀菌
效果,导致结果不准确且实时性低 。
灭菌器的杀菌效果依据灭菌器内的温度与压强的值进
行定量表征,因此,高精度压强与温度的测量对于灭菌器杀
菌效果的判断就显得尤为重要。
本文设计了一种高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统,
收稿日期:2015--07-26 经测试,系统温度测量误差小于0.1℃,压温测量误差小于
0.1%FS。 1系统框架
高温蒸汽灭菌器为金属壁结构,由于电磁波在穿透金
属壁时受到金属壁上集肤效应的影响,电磁波大幅度衰减,
外部接收部分接收信号困难,使用传统射频信号难以实现
无线通信。
设计利用超声波在刚体介质中强穿透性的特点,克服
传统射频通信信号被金属壁屏蔽而通信效率降低,甚至信
号完全无法接收的缺点,完成了测量灭菌器内部温度压强 数据并以无线方式发送的功能 }。
测量系统由信号测量发送与信号接收两部分组成。如 第4期 郭庆,等:高温蒸汽灭菌器温度压强测量系统 83
图1所示,信号测量部分工作使用独立电源供电,放置在灭
菌器内部,负责测量数据与驱动超声波换能器发送超声波。
信号使用2FSK调制,使用40 kHz与1 MHz换能器分别代
表符号“0”与符号“l”两种不同数据。
外部接收部分对发送的超声波信号采集并进行处理, 通过频率的判断,还原灭菌锅内部采集的数据,实现无线通
信,然后将数据通过串口发送给上位机,上位机将数据绘制
曲线并保存。
图1系统原理框图 Fig 1 Principle block diagram of system 2系统硬件设计
2.1超声波驱动模块 超声波是一种频率超过20 kHz的机械波,设计中超声
波产生原理是通过一定幅度的电压激励使换能器中的压电
芯片产生振动,激发超声波脉冲 。
为得到方便处理的超声波,激励脉冲应足够窄。设计
中采用40 kHz与1 MHz的换能器,发射脉冲周期应该为谐
振周期的50%,则发射脉宽度为12.5,0.5 s。脉冲幅度在
额定范围内尽可能大,以更好地激励超声波换能器产生穿
透能力更强的超声波 。
由上述可知,超声波换能器的驱动需要高压窄脉冲激 励,设计采用电容器瞬间放电法产生激励脉冲。高压直流
电源是由PWM控制器芯片MAX668加外围电路产生 ,
电路图如图2所示。输出高压可由外部接入电阻器R2,R3
调整,输出电压满足: ,为1.25 V,R3阻值为20 kfl~
1 M0,其中, = [( / ,)一1],其中, 为放电电容
两端的电压,电感按照下式选择: 。=Vo /(41o )。
C,ND 图2直流高压产生电路 Fig 2 DC high-voltage generation circuit 换能器驱动电路,由N型沟道Mos管,限流电阻器
RC,放电电容器C与开关二极管D1,D2组成。当栅极为
低电平时MOS管截止,电路通过电阻器RC、电容器c1,D2
回路充电。当给栅极高电平导通时,电容通过MOS管,R2 与D1对超声波换能器放电。换能器受到激励后会产生超 声波。换能器驱动电路如图3所示。
GND
图3换能器驱动电路 Fig 3 Circuit of transducer driving 2.2温度压强测量模块 设计使用恒流源测量法,采用三线制铂电阻传感器,通
过硬件电路消除传感器的零度电阻,输出电压仅包含变化
阻值产生的电压,与环境温度的变换呈线性关系。选取参
考电阻器与温度传感器作为恒流源负载,电路如图4所示。
图4温度信号调理电路 Fig 4 Circuit of temperature signal conditioning 系统运行时,传感器电压在U3以单倍放大输出,在U4
以双倍放大输出分别为:vA +=,(R +R )+ , 一= 21R +2Vos2。Vos1与 为放大器失调电压,AD芯片转换
完毕后交换电流方向再一次测量,可以消除放大器的失调
与漂移产生的系统误差。为消除恒流源波动带来的系统误
差,单次电流方向测量时多次转换读取数据,将电流波动产
生的系统误差降到最小。选取电阻器时要求高精度匹配,
使用0.1%的精密电阻器完成电阻的选择。
2.3压强测量模块 压强测量使用压强传感器MPS30H1000。传感器内部
为压阻结构,量程为0—1 000kPa,可在-40—180℃温度内
工作,测量电路如图5所示。传感器使用恒流源供电,恒流
源由芯片LT3092提供,调整 与R 的比值来改变输出
电流,电流输出范围为0.5—200 mA,电流输出满足:lou =
(1O A x R )/R 。差分信号经过仪表放大器对差分信号
放大。传感器未施加压力时输出零点需自调整,在输出端
加入减法器,抵消放大器漂移与传感器零点漂移带来的系
统误差,将输出零点调整在合适位置,提供线性输出。
传感器与微系统 第35卷
图5压强测量电路 Fig 5 Circuit of pressure measurement 2.4发送与接收模块 本设计的发送模块与接收模块均采用意法半导体公司
生产的芯片STM32F103作为处理核心,该模块满足了系统
发送模块低功耗的实际要求,同时芯片的USART接口方便
接收模块与上位机的串口数据通信。芯片工作频率为
72 MHz,为整个系统提供了可靠的处理能力。 3系统软件设计
3.1发送端与接收端软件设计 发送端软件主要包括数据测量、数据编码、数据发送。
接收端软件主要包括数据接收判断,数据误码处理。温度
测量过程中恒流源产生的电流存在一定程度的波动,为减
小电流源波动带来的误差,系统正向反向共进行2O次测
量,去除测量值的最大值与最小值后取剩余值的均值作为
测量数据。将数据加载在包含帧头帧尾的数组中,通过控
制超声波发送模块的硬件电路将数据发出。
3.2通信帧与误码校验算法设计
由于系统工作环境较复杂,因此,系统需要简明的帧设 计简化码字复杂程度,减小系统的功耗 J。同时需要合理
数据校验算法对接收到的数据进行校验,帧设计结构如
图6所示。
l帧头(数据信息3位)l 数据(13位) l帧尾(梭验位3位)l
图6帧结构 Fig 6 Frame structure 帧头直接包含数据信息,以2只超声波探头独立发送 的信号为数据的开始,减小失码与误码对信息传输的影响。
其中以“000”作为压强信号的帧头信息,“111”作为温度信 号的帧头信息。系统探测的压强最大值为500.0 kPa,以
“5000”作为最大传输数据,共需要13个数据位;温度最大
值为150.0 oc,以“l500”作为最大传输数据,共需要11个
数据位。帧尾数据作为效验位结束,效验采用奇偶效验码, 为确保校验位的准确接收无误码,系统采取多位数据同时 表示,“111”表示校验位“i”,“000”表示校验位“0”,校验