真空环境下高浓度环氧乙烷气体浓度检测装置的制作方法

1.本发明属于环氧乙烷浓度检测技术领域，具体涉及一种真空环境下高浓度环氧乙烷气体浓度检测装置。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，人们越来越注重健康，同时随着科学技术的发展，环氧乙烷灭菌柜已经诞生，主要应用到医疗消毒领域。
3.环氧乙烷在低温下为无色透明液体，在常温下为无色带有醚刺激性气味的气体，气体的蒸汽压高，30℃时可达141kpa，这种高蒸汽压决定了环氧乙烷熏蒸消毒时穿透力较强，再加上一系列工艺改进，使环氧乙烷灭菌得到很大的推广。而环氧乙烷灭菌时浓度的管控非常严格，目前生产厂家基本都是按照理论值计算，进行环氧乙烷的注入，同时加上试纸或试剂来判断灭菌是否合适，对于环氧乙烷灭菌柜腔体浓度检还没有相应的设备或者装置。目前市场现存的浓度检测以电化学原理检测的居多，而电化学原理的只能检测大气压环境下环氧乙烷浓度，真空环境中，电解液会进行分解，导致电化学原理失效，无法进行测量，其他化学反应的检测完全不能满足要求。其次初选光学检测基本检测的范围在3％vol以下，检测范围也不能满足要求。因此有必要提出改进，解决真空环境下高浓度环氧乙烷浓度检测。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题：提供一种真空环境下高浓度环氧乙烷气体浓度检测装置，本发明通过物理方法检测真空环境下环氧乙烷的浓度，通过环氧乙烷气体自身热导率在不同浓度下会有变化，随着浓度的变化对热导率进行测量，结合放大电路，实现实时气体浓度检测，同时通过微处理器处理减小了温度、湿度对浓度检测的影响，实现对环氧乙烷进行定性和定量分析，能够使检测范围可达到0～100％vol，满足检测要求。
5.本发明采用的技术方案：真空环境下高浓度环氧乙烷气体浓度检测装置，包括浓度温湿度采集模块、放大电路模块和微处理模块，所述浓度温湿度采集模块固定在高低温箱内部且通过热导传感器采集环氧乙烷浓度差分信号、通过温度补偿电阻和湿度传感器采集其内部的温度信号和湿度信号，所述浓度温湿度采集模块与放大电路模块连接，所述放大电路模块与微处理模块连接，所述浓度温湿度采集模块输出的环氧乙烷浓度差分信号和温度信号通过放大电路模块处理后输送到微处理模块，所述浓度温湿度采集模块输出湿度信号直接输送到微处理模块，所述微处理模块对接收到的信号进行处理后输出与环氧乙烷浓度对应的电压值。
6.其中，所述浓度温湿度采集模块包括热导传感器、温度补偿电阻rt1、温度补偿电阻rt2、湿度传感器、电阻r8、电阻r9和电阻r10；所述电阻r8和热导传感器串联连接，所述电阻r9和电阻r10串联连接，所述温度补偿电阻rt1、温度补偿电阻rt2串联连接，所述电阻r8、电阻r9和温度补偿电阻rt1一端共同连接后接供电i+端，所述热导传感器、电阻r10和温度
补偿电阻rt2一端共同连接后接供电i-端，所述电阻r8和热导传感器的共同连接端为差分信号s+端，所述电阻r9和电阻r10的共同连接端为差分信号s-端，所述差分信号s+端和差分信号s-端连接放大电路模块；所述湿度传感器直接与微处理模块连接。
7.所述放大电路模块包括运算放大器1、运算放大器2、运算放大器3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7；所述运算放大器1的同相输入端连接差分信号s+端，所述运算放大器1的反相输入端连接电阻r1一端和电阻r2一端，所述电阻r2另一端连接运算放大器1的输出端和电阻r4一端；所述运算放大器2的同相输入端连接差分信号s-端，所述运算放大器2的反相输入端连接电阻r1另一端和电阻r3一端，所述电阻r3另一端连接运算放大器2的输出端和电阻r5一端；所述电阻r4另一端和电阻r6一端连接运算放大器3的反相输入端，所述电阻r6另一端连接运算放大器3的输出端并连接微处理模块的输入端，所述电阻r5另一端和电阻r7一端连接运算放大器3的同相输入端，所述电阻r7另一端连接基准电压ref。
8.所述微处理模块中对接收的信号进行处理的算法如下：
9.采用多点曲线拟合的方法，对温度和湿度进行补偿，减小环境温度和湿度的变化；其中，湿度传感器为一个标准的数字湿度传感器，补偿好温度后再将湿度加入补偿算法；
10.对高低温箱中设定5个温度部分：0℃，20℃，40℃，60℃，80℃；
11.设定5个浓度值：0,25,50,75,100；
12.通过浓度温湿度采集模块在不同的设定温度下采集温度值和浓度值，其中，浓度值为差分信号s+端和差分信号s-端的差值；
13.0℃采集5个温度值，5个浓度值；
14.20℃采集5个温度值，5个浓度值；
15.40℃采集5个温度值，5个浓度值；
16.60℃采集5个温度值，5个浓度值；
17.80℃采集5个温度值，5个浓度值；
18.上述采集数值共形成25组数据；
19.然后，采用以下多点曲线拟合方程式：
20.c(y,t)＝a(t)+b(t)*y+c(t)*y*y+d(t)*y*y*y+e(t)*y*y*y*y
21.其中：a(t)＝a0+a1*t+a2*t*t+a3*t*t*t+a4*t*t*t*t
22.b(t)＝b0+b1*t+b2*t*t+b3*t*t*t+b4*t*t*t*t
23.c(t)＝c0+c1*t+c2*t*t+c3*t*t*t+c4*t*t*t*t
24.d(t)＝d0+d1*t+d2*t*t+d3*t*t*t+d4*t*t*t*t
25.e(t)＝e0+e1*t+e2*t*t+e3*t*t*t+e4*t*t*t*t
26.根据25组数据，进行拟合，计算出a0，a1,,,,,e3,e4 25个系数；通过上述方程即可计算出浓度值c，此过程在恒湿环境下进行；
27.其中，y
‑‑
表示采集的测定浓度值
28.u
‑‑
表示采集的测定温度值
29.c(y,t)
‑‑
表示在测定浓度值y和测定温度值t时计算出的精确浓度值；
30.使高低温箱内置于设定的湿度环境下，对于计算好的c，设定4个湿度值为10、35、55、80，在微处理器内部，经环氧乙烷浓度再次进行四点标定(10，c0)、(35，c1)、(55，c2)、
(80，c3)，其中，c0、c1、c2、c3为通过计算的浓度值，
31.根据上述4个点可以计算3个线性函数，其中，
32.根据(10，c0)和(35，c1)两点计算出第一个线性函数：h＝a1x+b1；
33.根据(35，c1)和(55，c2)两点计算出第二个线性函数：h＝a2x+b2；
34.根据(55，c2)和(80，c3)两点计算出第三个线性函数：h＝a3x+b3；
35.其中，c为通过湿度计算的浓度值，x为当前湿度值，a1、b1、a2、b2、a3、b3为要计算的系数；
36.每次采集的湿度值x，根据x在那个区间段可以获取实际浓度值c＝ax+b；其中，a,b是a1,b1,a2,b2,a3,b3中的一组；
37.根据浓度在那个区间段，使用那个函数，然后微处理器输出标准的电压值，此电压值和浓度值一一对的。
38.本发明与现有技术相比的优点：
39.1、本方案通过物理方法检测真空环境下环氧乙烷的浓度，以mems热导率传感器为铺垫，根据不通气体热导率的不同进行真空环境下环氧乙烷气体浓度的检测；本发明通过在真空环境中，环氧乙烷气体自身热导率，在不同浓度下会有变化，随着浓度的变化对热导率进行测量，结合放大电路，经过对热导率变化的处理得出环氧乙烷气体浓度的大小，实现实时气体浓度检测，同时通过微处理器处理减小了温度、湿度对浓度检测的影响，实现对环氧乙烷进行定性和定量分析，能够使检测范围可达到0～100％vol，满足检测要求；
40.2、本方案可直接输出数字信号或模拟信号，作为后端设备的核心检测单元存在，主要应用于环氧乙烷腔体灭菌器，其他环氧乙烷浓度检测场合也可以使用，使用范围广。
附图说明
41.图1为本发明的原理图；
42.图2为本发明中浓度温湿度采集模块的电路图；
43.图3为本发明中放大电路模块的电路图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
46.请参阅图1-3，详述本发明的实施例。
47.真空环境下高浓度环氧乙烷气体浓度检测装置，如图1所示，包括浓度温湿度采集模块2、放大电路模块3和微处理模块4，所述浓度温湿度采集模块2固定在高低温箱1内部且
通过热导传感器采集环氧乙烷浓度差分信号、通过温度补偿电阻和湿度传感器采集其内部的温度信号和湿度信号，所述浓度温湿度采集模块2与放大电路模块3连接，所述放大电路模块3与微处理模块4连接，所述浓度温湿度采集模块2输出的环氧乙烷浓度差分信号和温度信号通过放大电路模块3处理后输送到微处理模块4，所述浓度温湿度采集模块2输出湿度信号直接输送到微处理模块4，所述微处理模块4对接收到的信号进行处理后输出与环氧乙烷浓度对应的电压值。
48.其中，如图2所示，所述浓度温湿度采集模块2包括热导传感器、温度补偿电阻rt1、温度补偿电阻rt2、湿度传感器、电阻r8、电阻r9和电阻r10；所述电阻r8和热导传感器串联连接，所述电阻r9和电阻r10串联连接，所述温度补偿电阻rt1和温度补偿电阻rt2串联连接，所述电阻r8、电阻r9和温度补偿电阻rt1一端共同连接后接供电i+端，所述热导传感器、电阻r10和温度补偿电阻rt2一端共同连接后接供电i-端，所述电阻r8和热导传感器的共同连接端为差分信号s+端，所述电阻r9和电阻r10的共同连接端为差分信号s-端，所述差分信号s+端和差分信号s-端连接放大电路模块3；所述湿度传感器直接与微处理模块4连接。
49.如图3所示，所述放大电路模块3包括运算放大器1、运算放大器2、运算放大器3、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7；所述运算放大器1的同相输入端连接差分信号s+端，所述运算放大器1的反相输入端连接电阻r1一端和电阻r2一端，所述电阻r2另一端连接运算放大器1的输出端和电阻r4一端；所述运算放大器2的同相输入端连接差分信号s-端，所述运算放大器2的反相输入端连接电阻r1另一端和电阻r3一端，所述电阻r3另一端连接运算放大器2的输出端和电阻r5一端；所述电阻r4另一端和电阻r6一端连接运算放大器3的反相输入端，所述电阻r6另一端连接运算放大器3的输出端并连接微处理模块4的输入端，所述电阻r5另一端和电阻r7一端连接运算放大器3的同相输入端，所述电阻r7另一端连接基准电压ref。
50.所述微处理模块4中对接收的信号进行处理的算法如下：
51.由于热导传感器是一种电子式气体传感器，是一种能够感知环境中某种气体及其浓度。然而，热导式气体传感器在气体检测中也存在检测精度差、灵敏度低、温漂大等缺陷，限制了其广泛应用。
52.真空环境下，会伴随高温，一般约40～60℃，其次湿度也会在10％rh～85％rh之间变化，本发明通过浓度温湿度采集模块2的电路，将热导传感器放置于该电路中，采用多点曲线拟合的方法，对温度和湿度进行补偿，减小环境温度和湿度的变化；其中，湿度传感器为一个标准的数字湿度传感器，补偿好温度后再将湿度加入补偿算法。
53.对高低温箱1中设定5个温度部分：0℃，20℃，40℃，60℃，80℃；
54.设定5个浓度值：0,25,50,75,100；
55.通过浓度温湿度采集模块2在不同的设定温度下采集温度值和浓度值，其中，浓度值为差分信号s+端和差分信号s-端的差值；
56.0℃采集5个温度值，5个浓度值；
57.20℃采集5个温度值，5个浓度值；
58.40℃采集5个温度值，5个浓度值；
59.60℃采集5个温度值，5个浓度值；
60.80℃采集5个温度值，5个浓度值；
61.上述采集数值共形成25组数据；
62.然后，采用以下多点曲线拟合方程式：
63.c(y,t)＝a(t)+b(t)*y+c(t)*y*y+d(t)*y*y*y+e(t)*y*y*y*y
64.其中：a(t)＝a0+a1*t+a2*t*t+a3*t*t*t+a4*t*t*t*t
65.b(t)＝b0+b1*t+b2*t*t+b3*t*t*t+b4*t*t*t*t
66.c(t)＝c0+c1*t+c2*t*t+c3*t*t*t+c4*t*t*t*t
67.d(t)＝d0+d1*t+d2*t*t+d3*t*t*t+d4*t*t*t*t
68.e(t)＝e0+e1*t+e2*t*t+e3*t*t*t+e4*t*t*t*t
69.根据25组数据，进行拟合，计算出a0，a1,,,,,,e4 25个系数；通过上述方程即可计算出浓度值c，此过程在恒湿环境下进行；
70.其中，y
‑‑
表示采集的测定浓度值
[0071]v‑‑
表示采集的测定温度值
[0072]
c(y,t)
‑‑
表示在测定浓度值y和测定温度值t时计算出的精确浓度值；
[0073]
使高低温箱1内置于设定的湿度环境下，对于计算好的浓度值c，设定4个湿度值为10、35、55、80，在微处理器内部，将环氧乙烷浓度再次进行四点标定(10，c0)、(35，c1)、(55，c2)、(80，c3)，其中，c0、c1、c2、c3为通过计算的浓度值，
[0074]
根据上述4个点可以计算3个线性函数，其中，
[0075]
根据(10，c0)和(35，c1)两点计算出第一个线性函数：h＝a1x+b1；
[0076]
根据(35，c1)和(55，c2)两点计算出第二个线性函数：h＝a2x+b2；
[0077]
根据(55，c2)和(80，c3)两点计算出第三个线性函数：h＝a3x+b3；
[0078]
其中，c为通过湿度计算的浓度值，x为当前湿度值，a1、b1、a2、b2、a3、b3为要计算的系数；
[0079]
每次采集的湿度值x，根据x在那个区间段可以获取实际浓度值c＝ax+b；其中，a,b是a1,b1,a2,b2,a3,b3中的一组，
[0080]
根据浓度在那个区间段，使用那个函数，然后微处理器输出标准的电压值，此电压值和浓度值一一对的。
[0081]
程序处理由上下位机配合完成，上位机依托windows系统，下位机即微处理模块4中涉及的处理程序如下：
[0082]
上位程序如下：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086][0087]
将获取的系数通过串口写入下位机，即25个系数，完成下数方程
[0088]
c(y,t)＝a(t)+b(t)*y+c(t)*y*y+d(t)*y*y*y+e(t)*y*y*y*y
[0089]
其中：a(t)＝a0+a1*t+a2*t*t+a3*t*t*t+a4*t*t*t*t
[0090]
b(t)＝b0+b1*t+b2*t*t+b3*t*t*t+b4*t*t*t*t
[0091]
c(t)＝c0+c1*t+c2*t*t+c3*t*t*t+c4*t*t*t*t
[0092]
d(t)＝d0+d1*t+d2*t*t+d3*t*t*t+d4*t*t*t*t
[0093]
e(t)＝e0+e1*t+e2*t*t+e3*t*t*t+e4*t*t*t*t
[0094]
下位机程序
[0095]
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100][0101]
本发明通过物理方法检测真空环境下环氧乙烷的浓度，以mems热导率传感器为铺垫，根据不通气体热导率的不同进行真空环境下环氧乙烷气体浓度的检测。本发明通过在真空环境中，环氧乙烷气体自身热导率，在不同浓度下会有变化，随着浓度的变化对热导率进行测量，结合放大电路，经过对热导率变化的处理得出环氧乙烷气体浓度的大小，实现实时气体浓度检测；同时通过微处理器处理减小了温度、湿度对浓度检测的影响，实现对环氧乙烷进行定性和定量分析，真空环境下能够使检测范围可达到0～100％vol，满足检测要求。
[0102]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0103]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。