減小濕熱滅菌器溫度偏差的方法

[摘要]熱電阻產(chǎn)生誤差的情況大致分為引線電阻誤差、接線接頭連接處電阻誤差、溫度傳感器密封層破損漏水、自熱效應(yīng)、原件漂移、噪聲和分辨率，文章基于這6類影響溫度的情況，分別對(duì)這6類影響進(jìn)行分析與處理，盡可能地減小或消除誤差，確保接收到最正確的溫度數(shù)據(jù)。
　　針對(duì)濕熱滅菌器的滅菌溫度來說，通常采用121℃的工藝進(jìn)行滅菌。這樣的溫度，相對(duì)于檢測(cè)溫度的溫度檢測(cè)儀來講并不算高，但滅菌工藝對(duì)溫度精度要求很高，需要非常正確的檢測(cè)裝置，一般也要A級(jí)精度以上才可以。市場(chǎng)上常見的幾種溫度檢測(cè)裝置有熱敏電阻、熱電偶、熱電阻RTD、IC傳感器，見表1。
 
　　根據(jù)表1中的內(nèi)容可以了解，適用于濕熱滅菌工藝的溫度范圍應(yīng)該選用熱電阻RTD溫度檢測(cè)裝置進(jìn)行控制和測(cè)量，其精度高，測(cè)量范圍適合，也最穩(wěn)定。
　　熱電阻的工作原理是基于電阻的熱效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。如果熱電阻隨溫度的.上升而電阻值也跟著上升,稱為正電阻系數(shù);如果熱電阻隨溫度的.上升而電阻值反而下降，稱為負(fù)電阻系數(shù)。因此，只要測(cè)量出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可以測(cè)量出溫度。熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系見表2。
 
　　設(shè)備通過向熱電阻通電，從而采集熱電阻通過的電流來判斷當(dāng)前溫度。因?yàn)闊犭娮璧淖柚底兓c溫度變化之間規(guī)律是固定的，因此市場(chǎng)上有專門采集RTD的溫度模塊，通過這種專用模塊中采集的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算出的溫度值會(huì)更加正確。雖然在實(shí)驗(yàn)室條件下模塊檢測(cè)到的電阻值和計(jì)算值是正確的，然而在工業(yè)環(huán)境下周邊的溫度濕度以及導(dǎo)線等都不能與實(shí)驗(yàn)室相比，這使得最終結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤差和一定的偏差;以及其他不正確的情況發(fā)生，導(dǎo)致最終的溫度不正確。
1引線電阻誤差
　　在實(shí)際使用的電器元件中沒有絕對(duì)的理想原件(原件沒有電阻，沒有干擾因素等)，導(dǎo)線也不例外，導(dǎo)線也有電阻值。許多大型設(shè)備由于體積大、溫度檢測(cè)信號(hào)距離遠(yuǎn)等情況，導(dǎo)致連接溫度傳感器的導(dǎo)線距離必須要做的很長(zhǎng)。這時(shí)就需要解決方案，提到減小導(dǎo)線電阻的方法時(shí)，最重要的一點(diǎn)是熱電阻的接線方式，接線方式的不同會(huì)帶來不同的偏差值，常規(guī)的熱電阻有4根接線端，按照接線方式分為二線制、三線制、四線制接法。
(1) 二線制:二線制是在熱電阻的兩端各連接--根導(dǎo)線來引出電阻信號(hào)的方式。這種引線方法簡(jiǎn)單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻，整個(gè)電路的電阻是熱電阻的電阻值加.上兩段導(dǎo)線電阻的電阻值，這樣接線測(cè)量誤差大,誤差的大小與導(dǎo)線的材料和長(zhǎng)度的因素有關(guān)，如圖1所示。
 
(2)三線制:三線制是在熱電阻根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根弓|線的方式。這種方式通常與電橋配套使用，兩個(gè)導(dǎo)線分別接在電橋的兩個(gè)橋背，上，另一根線接在電橋的電源上，消除了引線電阻的誤差，可以較好消除引線電阻的影響，如圖2所示。
 
(3)四線制:四線制是在熱電阻根部?jī)啥烁鬟B接兩根導(dǎo)線的方式，其中兩根引|線為熱電阻提供恒定電流I,把R轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)U,再通過另兩根引|線把U弓|至二次儀表。這種弓|線方式可完全消除引|線的電阻影響，如圖3所示。
 
　　通過以上介紹，四線制接法可以很好的解決以上問題。由于導(dǎo)線越長(zhǎng)，導(dǎo)線電阻阻值越大，通過四線制的方法即使接線長(zhǎng)度較長(zhǎng)也可以消除導(dǎo)線電阻誤差產(chǎn)生的影響。
2接線接頭連接處電阻
　　與導(dǎo)線電阻誤差不同的是，接線端子之間也會(huì)產(chǎn)生電阻。導(dǎo)線電阻只要材料相同，單根接線距離相同的情況下通過四線制接法的溫度傳感器可抵消電阻誤差，可是接線端子不同，不同的金屬材料，不同的端子長(zhǎng)度寬度都會(huì)影響其中的電阻值的變化。雖然這種變化很細(xì)微,但是如果端子數(shù)量增多后其影響不能忽略，需要考慮其對(duì)溫度的影響。解決方案是盡可能減少接線連接端子的使用，具體方案如下。
首先，定制足夠長(zhǎng)引|線的溫度傳感器，避免接線不夠長(zhǎng)需要額外增加延長(zhǎng)線的情況。
　　其次，接線引入電氣箱后建議不要中間轉(zhuǎn)接線，而是直接接人到溫度采集模塊中。整條線路僅在傳感器模塊部分使用一次接線端子，這種方式最大程度上減小了端子中的電阻誤差影響。
3溫度傳感器密封層破損漏水
　　傳統(tǒng)使用的溫度傳感器都是金屬尖端用于傳感器測(cè)溫，后端使用硅膠或FEP材料。這種材料耐高溫，但是易被拉斷,被劃傷;經(jīng)過滅菌器狹窄空間時(shí)，滅菌車非常重，在滅菌器內(nèi)通過時(shí)很容易將傳感器的延長(zhǎng)線壓斷，或被滅菌物品為玻璃容器，難免會(huì)有破碎的情況在設(shè)備運(yùn)行時(shí)這部分碎屑會(huì)劃破傳感器的延長(zhǎng)線，導(dǎo)致露出導(dǎo)線。由于濕熱滅菌器是高溫高濕的環(huán)境，如果密封材料被損壞潮濕環(huán)境會(huì)伴隨導(dǎo)線進(jìn)人溫度檢測(cè)模塊，導(dǎo)致測(cè)量不正確，甚至?xí)龎碾娮釉?。?jīng)過以上因素分析，給出以下建議。
(1)可以選用金屬包裝的熱電阻來代替硅膠或FEP材料的密封保護(hù)。
(2)可以選用無線溫度傳感器傳輸信號(hào)到溫度檢測(cè)模塊中。這種方式熱電阻相對(duì)放置靈活，不用擔(dān)心受到位置影響或產(chǎn)品進(jìn)出的干擾，也不會(huì)被擠壓或劃傷。
4自熱效應(yīng)
　　溫度電阻會(huì)對(duì)流入的電流會(huì)做功，電阻做功的方式只有產(chǎn)生熱量。而這部分熱量又不容易散發(fā)出去就會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)從而影響電阻阻值產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱之為自熱效應(yīng)。自熱效應(yīng)的產(chǎn)生是必不可少的，沒辦法去消除或避免。只能盡可能的減少自熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量來盡可能的正確測(cè)量。減小自熱效應(yīng)的方法有以下幾種。
(1)鑒于自熱效應(yīng)的原理是電流做無用功產(chǎn)生，這樣就需要良好、穩(wěn)定的電源，以避免過多的電流波動(dòng)導(dǎo)致自熱效應(yīng)的大量積累，并且盡可能的將電源放置在通風(fēng)常溫環(huán)境中，這樣可以延長(zhǎng)電源的壽命。
(2)設(shè)備電源盡可能獨(dú)立接電，以防止其他設(shè)備啟動(dòng)導(dǎo)致電壓的突降，這種波動(dòng)會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗電源壽命。
5原件漂移
　　元器件的老化會(huì)導(dǎo)致電阻值的變化，線路中電壓電流大幅度波動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象影響電流值，從而影響信號(hào)數(shù)值。針對(duì)這樣的情況，需要考慮元器件老化是:無法避免的，只能定期進(jìn)行電子元件的更換以及傳感器的校準(zhǔn)，電子元器件盡可能選用質(zhì)量過關(guān)耐受程度良好的元件，這其中包括傳感器，傳感器供電電源以及處理傳感器信號(hào)的模擬量模塊，這樣可以確保在很長(zhǎng)的周期范圍內(nèi)信號(hào)的良好傳輸，以及數(shù)值的正確性;面對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，儒要將信號(hào)線等微弱電流的導(dǎo)線與動(dòng)力線以及電源線等保持足夠遠(yuǎn)的距離，要保證交流電與直流電盡可能分開走線，三相動(dòng)力線更要遠(yuǎn)離控制箱;如果條件準(zhǔn)許，可以將控制系統(tǒng)電源與動(dòng)力系統(tǒng)電源分為兩個(gè)電源單獨(dú)連線。
6噪聲和分辨率
　　電路噪聲隨處可見，又無可避免，這種微小的浮動(dòng)干擾很難被檢測(cè)出來。電路噪聲的出現(xiàn)是伴隨時(shí)間隨機(jī)出現(xiàn)的，為了減小這種噪聲干擾或者減少出現(xiàn)的頻次，可以選擇使用電路濾波器將噪聲干擾等微小擾動(dòng)過濾掉，并且在濾波的情況下再選擇使用性能良好的電源。穩(wěn)定良好的電源可以在電路中產(chǎn)生很少的電路雜波。再選擇使用分辨率高的模擬量模塊配合數(shù)字濾波方式進(jìn)行雜波的剔除，這樣在模擬量信號(hào)與數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)可以分析出更正確的傳感器數(shù)值。但數(shù)字濾波處理過程時(shí)間較長(zhǎng)是其一大缺陷。
7結(jié)束語
　　通過以上六點(diǎn)的分析并進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，可以減小或消除這一類溫度傳感器(熱電阻)的溫度偏差和干擾，后續(xù)對(duì)設(shè)備定期進(jìn)行維護(hù)，并隨時(shí)觀察溫度的差異情況，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。