毕业论文范文——基于单片机自动控制的蒸汽灭菌器设计

南华大学机械工程学院毕业设计 基于单片机自动控制的蒸汽灭菌器设计摘要：脉动真空灭菌器的主体为一带有夹套及密封门的高压容器，配有真空泵、真空阀等控制器件及温度、压力、水位传感器。该系统以PIC16F877单片机为控制核心模块；采用下排气式脉动预真空技术；用真空泵三次抽取气体以获得真空加快预热过程，通过电加热获得饱和蒸汽以形成高压饱和热蒸汽灭菌介质；分别采用Pt100热电阻温度传感器、集成微芯压力传感器MPX2200DP、自动水位传感器对温度、压力和水位信号进行采集处理；采用固态整流器SSS-40 DA以弱电流驱动系统而节省能源；在人机交流方面采用中文液晶显示并通过独立键盘进行用户设置；为提高控制精度，系统采用了FUZZY-PID混合模糊控制算法对温度进行非线性控制；通过以上途径最终实现了高温高压蒸汽灭菌。本系统功能齐全，实现了灭菌器工作过程自动化，温度控制精度可达1，压力浮动范围保持在3kpa，在保证灭菌效果的前提下缩短了工作周期，人机交流方便、界面友好。关键词：蒸汽；灭菌器；单片机；自动控制IAutomatic controlbased on single chipdesign ofthe steamsterilizerAbstract：Pulsating vacuum sterilizer for the main jacket with a closed door and a high-pressure containers, equipped with vacuum pumps, vacuum valve control device and the temperature, pressure and water level sensors.This system takes PIC16F877 monolithic integrated circuit as control core module; uses under-exhausts pulsation initial vacuum technology; obtains the vacuum with the vacuum pump three extraction gas to speed up the preheating process, obtains the saturated steam through the electric heating to form the high pressure saturated hot steam sterilizing medium; uses the Pt100 thermal resistance temperature sensor separately, integrates micro core pressure transmitter MPX2200DP, the self-made water level sensor to the temperature, the pressure and the water level signal carries on gathering processing; uses solid state rectifier SSS-40 DA to save the energy by the weak-current actuation system; uses Chinese liquid crystal display in the man-machine exchange aspect and carries on the user establishment through the independent keyboard; In order to enhance the control precision system to use FUZZY-PID to mix the fuzzy control algorithm to carry on the non-linear control to the temperature; Finally realized the high temperature high pressure steam through above way to be antiseptic.This system function was complete, it can realizes the sterilizer work process by itself, the temperature control precision has been reach 1 degree; the pressure fluctuation scope in 3kpa, it reduces the sterilization time, has good look and operate easily.keywords: sterilizer；steamy；chip microprocessor；automatic controlII 目录引言11、杀菌简介21.1、基本概念21.2、消毒灭菌方法31.3、影响消毒灭菌的因素52、压力蒸汽灭菌器72.1、国内外研究现状72.2、脉动式真空高压蒸汽灭菌器工作原理、特点和结构82.3、操作流程92.4、注意事项102.5、几款灭菌器113、灭菌器机械设计133.1、相关参数和要求133.2、灭菌器缸体的设计133.3、封盖螺栓的选型计算及结果153.4、螺栓载荷的计算163.5、活结螺栓选型173.6、椭圆封头设计计算183.7、法兰连接的选择193.8、筒壁开口补强203.9、保温层的厚度计算213.10、真空泵的选型214、系统的电子控制部分设计244.1、系统的控制，显示与驱动244.2、控制系统硬件结构244.3、压力、水位、温度信号的采集与处理254.4、电源、运算放大器、触发器等的选择284.5、键盘输入系统设计31III4.6、LCD显示器输出系统设计344.7、系统程序设计和FUZZY-PID算法37参考文献40中英文翻译41Aging and Life Management System of Reactor Pressure Vessel41中文译文53反应堆压力容器的老化和生命体系53谢 词64IV引言 随着科技和经济的不断发展，越来越多的场合和设备需要消毒和杀菌，医院和食品行业的杀菌消毒是必不可少的，消毒灭菌设备也达到了飞速发展。高温灭菌设备、微波灭菌设备、电离辐射灭菌设备等各种不同类型的灭菌设备，适用于不同的场合，而且各有千秋。在我国，灭菌设备也得到很大发展，各种类型灭菌设备都是种类繁多，而且功能齐全。同样，在发达国家，灭菌设备也是有着巨大的进步。消毒杀菌方法主要分为物理灭菌方法和化学灭菌方法。而且根据不同的方法，设计出不同原理，效果，杀菌范围的灭菌设备。如一些比较常用的杀菌设备:微波杀菌设备，紫外线杀菌设备，臭氧杀菌设备，超高温杀菌机等。不同的设备，成本和杀菌效果也是有差异的。本文选择脉动蒸汽压力杀菌器设计，主要是考虑其灭菌时间短，不需要高的真空度；而且蒸汽是无色，无味，无毒的气体，获取容易，生产成本低，杀菌效果好，目前很多大中型医院都选择此类杀菌器作为消毒的设备，发达国家已经达到了普遍的水平，可见其未来的前景是非常广阔的。该设计主要分为俩个部分的设计。包括灭菌缸体的设计和杀菌器的电子系统控制部分的设计。其中电子系统控制部分的设计是重点和难点。未来的脉动蒸汽压力杀菌器也有研究的前景。主要是研究杀菌设备的杀菌范围，使其适用于不同物品之间的杀菌；提高能源的利用率，提高传热效率及减少能量损耗，并实现高温短时的杀菌工艺。通过此次设计，不仅加深了我对专业知识的理解和应用，也使我养成了面对困难，迎难而上的积极的心态，培养了自己发现问题，分析问题和解决问题的能力。最终在段老师和各位老师同学的帮助下，完成了此次设计，在此，我表示诚挚的感谢！第 63 页 共 64 页1、杀菌简介1.1、基本概念空气排除 将灭菌室中和负载中空气充分去除，使得蒸汽更容易穿透负载。自动控制器 能响应预置的过程参数，使得灭菌器按照程序步骤的要求，持续运行的装置。室内温度 灭菌室内最冷点的温度。行程结束指示灭菌行程按照要求结束，同时被灭过菌的负载能够，从灭菌室内取出的状态表示。小型蒸汽灭菌器的保持时间包含可用空间、温度测量参考点在内的所有点的温度，都保持在灭菌温度范围内的阶段注：保持时间紧随平衡时间之后，保持时间的长短与灭菌温度有关。消毒 清除或者杀灭传播媒介上病原微生物，使其达到无害化处理。灭菌保证灭菌器负载无菌的过程。无菌使微生物，不能在医疗器械上存活的条件。灭菌周期为达到灭菌目的，灭菌器按照操作步骤的自动顺序执行过程。灭菌周期类型 基于操作周期的灭菌过程分类。注1： 此分类按照标准中列出的相关检测确认。注2 ：本标准中定义了三个灭菌周期类型：B、N和S。可以提出其他声明，但不应参考所列的灭菌周期类型。灭菌单元灭菌器内尺寸300mm300mm600mm 抽象的矩形平行六面体的可用空间。 灭菌温度灭菌温度范围的最小值。灭菌温度范围灭菌温度及在保持时间内遍及负载的最高允许温度之间的温度范围。1.2、消毒灭菌方法消毒灭菌方法主要分物理灭菌方法和化学灭菌方法。1.2.1、物理消毒灭菌法物理消毒灭菌法师利用高温或紫外线等方法杀死微生物。如加热使微生物蛋白质发生变形，最终导致微生物死亡。1.2.1.1、热力消毒灭菌法：利用热力作用破坏微生物的蛋白质，核酸，细胞壁，细胞膜等，导致其死亡。可分为干热法与湿热法。 （1） 燃烧法：属于干热法，是一种简单、迅速、彻底的灭菌方法。 (2) 干烤法：属于干热法。利用特制的烤箱，热力通过空气对流和介质传导进行灭菌，效果可靠。 （3） 煮沸消毒法：属于湿热法，即利用煮沸100经5min可杀死一切细菌的繁殖体。（4） 压力蒸汽灭菌法：属于湿热法，是一种临床上应用最广泛，效果最为可靠的灭菌方法。 操作人员要使用防烫棉手套，长袖工作服方可接触高温物品和设备，排除蒸汽泄露故障时要进行防护，避免皮肤的灼伤。1.2.1.2、光照消毒法（又称辐射消毒）：主要是利用紫外线的杀菌作用，使微生物菌体蛋白发生变性，最终导致微生物死亡。 （1） 日光暴晒法：利用日光的热、干燥、紫外线的作用来杀菌，将床垫、毛毯、书籍、衣服等放在阳光下直射，暴晒 6 小时可达到消毒效果，中间要定时翻动。 （2）紫外线灯管消毒法：紫外线属电磁波辐射，常用于空气、物品表面的消毒，具有广谱杀菌能力，无二次污染。(3) 臭氧灭菌消毒法：臭氧是一种强氧化剂，利用臭氧的氧化作用进行杀菌方法称为臭氧灭菌消毒法。臭氧灭菌消毒法杀菌彻底，杀菌广谱，且无残留。1.2.1.3、电离辐射灭菌法(又称冷灭菌)：是利用放射性同位素放射的射线，伦琴射线或电离辐射杀灭微生物及芽孢的方法。尤其适用于怕热的物品杀菌。 1.2.1.4、微波消毒灭菌法 ：微波是一种频率高，波长短的电磁波。其灭菌机理分俩个方面。包括热效应灭菌和非热效应灭菌。当微波加热时，可使细菌体中蛋白质，核酸等极化分子发生极化，进行高速旋转运动，一方面加热使细菌凝固死亡，宁一方面使蛋白质变性死亡，达到双重杀菌效果。但不能用于金属物品的消毒。1.2.2、化学消毒灭菌法 使用化学药物灭杀病原微生物的方法，称为化学消毒灭菌法。主要有：1.2.2.1、浸泡法 将物品洗净擦干，浸泡在消毒液中，在标准浓度与一定时间内达到消毒灭菌作用。1.2.2.2、擦拭法 选用易溶于水，穿透性强的消毒剂，擦拭物品表面，在标准的浓度和时间里达到消毒灭菌目的。1.2.2.3、薰蒸法 将消毒剂加热或加入氧化剂，使消毒液呈气体，在标准的浓度和时间里达到消毒灭菌目的。1.2.2.4、喷雾法 将药液用喷雾器均匀的喷洒，进行空气及物品表面对消毒，在标准浓度和一定时间里达到消毒的目的。1.2.2.5、环氧乙烷气体密闭消毒法 将环氧乙烷气体置于密闭容器内，在标准的浓度、湿度和时间内达到消毒灭菌目的。1.3、影响消毒灭菌的因素消毒灭菌时，不仅应注意消毒方法本身的性质和特点，而且还要注意其他因素对消毒效果的影响。只有将这些因素的掌握和加以利用，才能提高其消毒效果，达到事倍功半。主要影响因素有以下几个方面：1.3.1、消毒剂的剂量消毒剂的剂量是杀灭微生物的基本条件，主要包括消毒强度和时间两方面。一般来说，增加消毒强度能相应提高消毒杀菌的速度，而减少消毒时间会降低消毒效果。1.3.2、微生物污染的种类和数量不同种类的生物，对其消毒的效果也自然不同。微生物的数量也会影响消毒效果。1.3.3、温度除了热力消毒完全依靠温度作用来杀灭微生物，其他各种消毒方法也受温度变化的影响。而且无论在物理消毒还是化消毒，都是温度越高，效果越好。1.3.4、湿度气体消毒和熏蒸消毒受到消毒环境相对湿度对的影响十分明显，而且湿度过高或者过低都会影响消毒杀菌效果，有时甚至导致消毒失败。1.3.5、PH值PH值的变化可直接影响某些消毒方法的效果。PH值不仅对消毒剂本身影响，而且也对微生物影响。1.3.6、有机物质消毒环境中的有机物质，其往往能抑制或减弱消毒因子的杀菌能力，尤其是化学消毒剂的杀菌能力。一般，如果有机物存在，消毒剂量则应加大。1.3.7、拮抗物质拮抗物质对化学消毒剂会产生中和和干扰作用，从而影响消毒杀菌效果。1.3.8、穿透作用消毒杀菌时，由于杀菌因子必须直接作用到微生物本身才能起杀菌作用，而不同消毒因子穿透力不同，所以也会影响消毒效果。 2、压力蒸汽灭菌器2.1、国内外研究现状2.1.1、简介随着科技和经济的不断发展，越来越多的场合和设备需要消毒和杀菌，消毒灭菌设备也达到了飞速发展。高温灭菌设备、微波灭菌设备、电离辐射灭菌设备等各种不同类型的灭菌设备，适用于不同的场合，而且各有千秋。在我国，灭菌设备也得到很大发展，各种类型灭菌设备都是种类繁多，而且功能齐全。同样，在发达国家，灭菌设备也是有着巨大的进步。高压蒸汽灭菌设备是使用时间最长、应用最广泛的一种灭菌器之一，如今仍在广泛应用。而且人们在传统的方式上进行了改进，研制出了脉动真空方式的蒸汽式灭菌设备，提高了灭菌效率，灭菌彻底，节省能量，人力和物力，是一种优良的灭菌设备。脉动真空压力蒸气灭菌适用于耐高温的物品，医疗器械等,如金属器械、搪瓷、玻璃，敷料、橡胶及一些药物的灭菌，不用于油类和粉剂的灭菌。高压蒸气灭菌是热力灭菌中灭菌效果最好，应用最广的一种灭菌方法。其优点是蒸气穿透力强,灭菌效果可靠, 能杀灭包括芽孢在内的所有微生物。主要分下排气式压力蒸汽灭菌器和预真空压力蒸汽灭菌器。预真空压力蒸汽灭菌器自上世纪80年代开始在我国得到普遍使用。它配有真空泵，在通入蒸汽前将内部抽成真空，形成真空，负压，以便于蒸汽穿透。杀灭率达到99.9%，温度可达132-134，这两个重要因素使它能达灭菌彻底。在压力105.95Kpa，温度132,45min即可灭菌。因此脉动预真空压力蒸气灭菌器具有灭菌彻底，灭菌时间短, 对物品的损坏程度轻，灭菌后物品干燥好，损害轻微等优点。下排气式灭菌器在欧美等发达国家只作为消毒使用而不用于灭菌, 因为其在蒸汽置换冷空气时具有不彻底性和灭菌内室的上下层温差过大等缺点, 不能保证所灭菌的器材都达到灭菌要求。预真空式灭菌器在国内大中型医疗机构使用较多, 特别是三级甲等医院将其作为必备灭菌设备。大型综合型医院目前很少使用下排气灭菌器。近年来,预真空灭菌技术也在不断完善, 已由一次性抽真空的方式发展成多次脉动抽真空( 简称脉动真空)的方式,有效提高了灭菌质量和缩短灭菌运行时间。最近又在脉动真空灭菌技术基础上发展成一种称为动态脉动式的新型预真空灭菌技术, 能进一步增强灭菌效率。目前,国外已有厂家开始生产这种新型的灭菌器, 估计将来会成为主流设备。2.1.2、未来的发展趋势1. 使杀菌设备的工作温度和工作压力能适应高温短时杀菌工艺要求，2. 尽量提高传热效率及能源的利用率，以节约能源，3. 能一机多用，适用于不同物品之间的杀菌，4. 能够实现温度，时间，压力，加热等操作的微机控制。2.2、脉动式真空高压蒸汽灭菌器工作原理、特点和结构2.2.1、工作原理其蒸汽灭菌原理为: 当蒸汽进入灭菌器内, 遇到冷的消毒物品,蒸汽冷凝而变成液态,过程中释放出大量热量, 使消毒物品受热，受潮, 在热与潮的作用下,使细菌的蛋白质凝固变性，从而达到灭菌的目的。脉动式真空高压蒸汽灭菌器采用蒸汽热式杀菌的原理,以饱和水蒸汽作为灭菌介质，采用机械强制脉动真空的空气排除方式。先将灭菌器内冷空气用泵抽出98%以上，是灭菌室形成负压，蒸汽能迅速穿透物品内部进行灭菌。根据抽真空次数的不同，可分为脉动真空和预真空俩种。前者由于多次抽真空，排除空气更加彻底，效果更可靠。 图2.2.1 脉动真空灭菌器压力-温度图2.2.2、优缺点1.脉动真空灭菌器的优点：（1）灭菌时间短；（2）空气滞留问题小；（3）不需要高的真空度；（4）小装量条件下仍有好的灭菌效果等。2.脉动真空灭菌器的缺点：（1） 需要复杂的辅助设施（如真空泵、冷凝器、喷射泵等）在真空度范围内实现蒸汽脉冲，从而给维修和保养增添了困难（2）被灭菌品装载过密时，灭菌效果差。2.3、操作流程2.3.1、灭菌前准备及检查：检查蒸汽供应情况;将管道中冷凝水排放干净;打开水阀为真空泵的正常运转做准备;接通电源等。2.3.2、灭菌操作过程：预置各灭菌参数：预置记录仪上下限控制温度预置灭菌时间预置干燥时间及脉动次数准备阶段：打开电源，放入要杀菌的物品，并进行密封升温阶段：真空泵启动，进行脉动真空，脉动次数达到预置值后，进行升温温度达到记录仪下限值，进入灭菌阶段。灭菌阶段：灭菌计时开始计时，计时时间达到预置值，进入排汽阶段。排汽阶段：真空泵重新启动，抽空阀打开，直到内柜压力下降到0.005Mpa。真空干燥阶段：内柜压力降到0.005Mpa时，开始干燥计时，干燥时间到达预置值，真空泵停止运转，空气阀打开内室压力回升至-0.005Mpa。结束：空气阀继续开启，蜂鸣器呼叫（内室压力为零），按“复位”或“开门”按钮。灭菌结束后，应切断电源（前后门电源开关都需关闭），关闭蒸汽阀及供水阀门。2.4、注意事项（1） 要随时观察压力及温度情况,开关门时应密切注意门升降情况，如有异常，立即按相应按钮，停止门的动作，查看并排除故障。(2）灭菌包不宜过大过紧（体积不应大于30cm30cm30cm），灭菌器内物品的放置总量不应超过灭菌器柜室容积的85%。各包之间留有空隙，以便于蒸汽流通、渗入包裹中央，排气时蒸汽迅速排出，保持物品干燥。（3）被灭菌物品应待干燥后，才能取出备用。布类物品应放在金属、搪瓷类物品之上。(4)非灭菌过程，柜门不要关紧，以防门密封圈长期压缩变形而影响门的密封性能和寿命。关门时，用力不要过猛，以免破坏门开关。(5）盛装物品的容器应有孔，若无孔时，应将容器盖打开。（6）注意安全操作，每次灭菌前，要检查灭菌器是否处于良好的工作状态。而且灭菌完毕后减压不要过猛，应待压力表回归“0”位后，再打开盖或门。水压低于0.1Mpa时，切不可启动真空泵。2.5、几款灭菌器图2.5.1天水华圆医疗器械有限公司：容积0.3，设计压力0.245MPa，最高工作温度136图2.5.2MMQ-JD脉动真空灭菌器（机动门）山东中泰医疗器械股份有限公司图2.5.3，MZMQ21（22）-12SZ衡阳京冠医疗设备科技发展有限公司：容腔尺寸mm）外形尺寸：224014202000（mm）以上几个都是国内比较知名的杀菌器的企业，在密封方面都采用了比较先进的技术，实现了一定的智能控制。尽管各种外表形式不同，但是其原理都是大同小异的。 3、灭菌器机械设计3.1、相关参数和要求1.已知设计参数：工作压力0.22MPa，工作温度134，全容积50L；2.环境温度：5-40相对湿度：不大于85%大气压力：70kpa106kpa使用电源：交流电220V或380V，电压波动10%；额定工作压力不大于0.25MPa，灭菌工作温度：115138表3.1 本机详细参数规格型号内室容积L内室尺寸（DL）mm外型尺寸（LWH）mm设计压力MPa额定工作压力MPa最高工作温度输入功率kW脉动 504004505205208500.250.201343.5/220V/380V3.2、灭菌器缸体的设计由设计参数：工作压力0.22MPa，额定工作压力0.20MPa，内室容积50L，内饰尺寸400450。灭菌室为内压容器，可简化为普通不锈钢制标准椭圆封头的圆柱形压力容器。简化图如下所示： 图3.2.1,灭菌室缸体的简化模型1. 筒体和封头的材料相同，都选用0Cr18Ni9（新牌号S30408），参考GB4237-20072. 考虑到筒体中的液体很少（为普通自来水），故忽略液柱的静压力。考虑安全因数，取安全系数为1.1，故有公式Pc=1.10.22=0.25MPa3. 由最高工作温度为134，由过程设备设计表D-4查的0Cr18Ni9的许用应力为150=103MPa4. 因为筒体内装的是普通自来水，对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0，当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6时，可取C1=0.壁厚附加量C=C1+C2=05. 焊接接头形式为单面焊对接接头，采用无损检测比例为100时，取焊接接头系数值为0.9。6. 封头用标准椭圆封头，形状系数K=2+(Di/2hi)2/6,由Di/2hi=2，且hi=100mm，有K=17. 计算如下：筒体：=0.54mm封头：S=0.54mm8. 壁厚的确定对于压力较低的容器，按强度公式计算出来的厚度很薄，往往会给制造和运输，安装带来困难，为此对壳体元件规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度min。对碳素钢、低合金钢制的容器，min不应小于3mm，对高合金钢制的容器，min不小于2mm，故综上所述，取壁厚=4mm。9. 相关数据验算椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定：易知，选用的材料和壁厚是合适的10. 椭圆封头的示意图：图3.2.2，标准椭圆形封头3.3、封盖螺栓的选型计算及结果缸内的最高工作压力为P=0.25MPa，而且为内压容器，则相关计算如下：1. 预紧状态下高温条件下，密封材料的变形，紧固件的蠕变，结构产生过大热应力和热变形，会导致泄漏，必须正确选择密封材料及结构。由于是高温部件的隔热密封，故可选硅橡胶密封胶SF3。工作温度为-60250.查过程设备设计表4-9，易得垫圈系数M=1.00，比压力y=1.4.由钢壁的厚度设计密封圈v型槽尺寸如图： 图3.3，密封圈V型槽垫片有效密封宽度b=20mm，垫片压紧力作用中心园计算直径Dg=400+24220=368mm,则有预紧时需要的压紧力公式=.3.4、螺栓载荷的计算预紧状态下，需要的最小螺栓载荷等于保证垫片初始密封所需的压紧力，故Wa=Fa=32355N.操作状态下需要的最小螺栓由俩部分组成：介质产生的轴向力和保持垫片密封所需的垫片压紧力，即=取n=4，常温时0Cr18Ni9的=137MPa预紧状态下, 按常温计算，螺栓所需截面积Aa：操作状态下，按螺栓设计温度计算，螺栓所需的截面积Ap： Am取Aa与Ap中的较大值。由Am即可确定螺栓直径和个数，一般先根据经验或参考有关标准假设螺栓个数n（n应为偶数，最好为4的倍数），算出螺栓根径d0：将d0圆整为螺纹根径，并使实际螺栓截面积不小于Am。小直径螺栓拧紧时容易折断，所以螺栓公称直径一般不应小于M12。3.5、活结螺栓选型查阅相关的资料，为了封盖和筒体之间开区方便和保证良好的密封性，故采取活结螺栓连接。查机械设计手册2第6篇 连接与紧固 表6.2-83,取活结螺栓直径d1=16mm，故选择螺栓型号为M16。活结螺栓的示意图如下：图3.5，活结螺栓尺寸图3.6、椭圆封头设计计算1.取钢板厚度负偏差C1=0，腐蚀裕量C2=0，则C=C1+C2=0。2.焊接接头形式采用双面焊对接接头，采用100%无损检测比例，取焊接系数=1.00。3.由标准椭圆形封头的设计计算知，取Di=400mm，由标准椭圆封头，则易知hi=100，且标准椭圆形封头的形状系数K=1。4.由设计知Pc=0.25MPa，=103MPa, 则e=5.由灭菌器缸体的直径选择标准，取e=4，6.按设计计算出来的椭圆形封头的最大允许工作压力：由于设计最大压力为0.25MPa，因此椭圆形封头的强度满足设计要求。7. 应力校核：由，查阅相关标准，由标准椭圆形封头的设计标准，封盖的相关尺寸图如下所示。图3.6，标准椭圆形封头3.7、法兰连接的选择由于缸壁的厚度只有4mm，考虑到如果不加法兰连接件，就难免会造成封盖和筒体的密封面过于窄小，导致密封不严实。故在设计过程中，把封盖设计成上法兰，筒体上部设计成下法兰。两个法兰采用4个活结螺栓连接，并且在两个法兰面中加入密封圈，从而达到密封的目的。法兰具体设计尺寸如下。 法兰连接示意图如下：图3.7，法兰连接3.8、筒壁开口补强因为要在缸体上安装压力，温度等感应器及真空泵接管，要求在筒体上开孔。而开孔以后，不仅削弱器壁的强度，而且因壳体与接管连接处结构被破坏，会产生很大的局部应力，给容器安全操作带来隐患。因此必须考虑开孔补强。由GB150中，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：a)设计压力小于或等于2.5MPa;b)两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；c）接管公称外径小于或等于89mm;d）接管最小壁厚满足下表要求。 表3.8不另行补强的接管最小厚度 mm接管公称外径253238454857657689最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0注：1 钢材的标准杭拉强度F限值b540M Pa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。2 接管的腐蚀裕量为1mm。考虑到感应器的探测头一般外径都不会超过10mm，查上面表，易知可不必进行开孔补强。3.9、保温层的厚度计算由GB50264-1997，选择保温层材料为泡沫玻璃，使用温度为-200400。设计温度为T0=134，适宜。取室温为Ta=20。易计算得：由保温层计算公式：，其中W/(m*)，0=0.064W/(m*),查表得衡阳地区年平均风速W=2.0m/s。计算得s=21.50W/(m2*).将以上代入，求得=0.0708m，取保温层的厚度为36mm。3.10、真空泵的选型已知参数：极限压力P=20KPa，容积V=11.5+50+11=72.5L=0.0725.计算如下：取真空度为80kpa，计算总抽出气体量：空气质量的估算：尽管灭菌室内底部有部分水，但是为了保证安全系数和能达到所需抽气要求，可以认为初始状态时系统中空气的体积为72.5L。(初始状态温度为20，湿空气)根据M1=V=1.205kg/m0.0725m=0.87kg附加水气质量：M2=0.87kg14.4g/kg=12.53g可知系统总质量为：M=M1+M2=0.87+0.01253=0.8825kg参考化工工艺设计手册一书，由真空系统的容积进行泄漏量的估计，故选取空气平均漏量为Q3=0.5kg/h，得总抽气量为Q=14kg/h。计算抽气速率： Se=14.7m/h，其中空气相对分子质量为M=28.96，通用气体常数R=8.31kj/(kmol.k).计算抽气速率：根据抽气速率和真空度要求，查表19-38（化工工艺设计手册）选择真空泵的类型。要求真空泵的抽气速率满足：S（20%30%）Se估算抽气时间：由公式t=2.3=2.5min(P1为真空泵初始压力，P2为真空泵抽气终了的压力)。真空泵的选择：由计算得到的数据和参数，选择真空泵型号和技术参数如下：选锐意机械设计中心生产的PK4512-24V微型真空泵，技术参数如下： 负载电压： 24V 负载电流： 0.3A 抽气速率： 12L/min 真空度： 45KPa 重 量： 450g使用说明泵的工作环境环境温度为040，应安装在地面结实坚固的场所，周围应留有充分的余地，便于检查、维护、保养 ，泵不适宜室外日晒下工作，应在清洁环境中工作。泵与系统的连接管道应密封可靠。噪音和消音器当有大气流通过泵时，噪音较大，抽气接近真空时，噪音将大大减小。用胶管把消音器串联在排气管路中，根据气路系统具体情况和使用条件，消音效果有差异。注意事项：排气端要保持通畅，不应在排气管路中布置任何阻尼元件，否则可能使泵发生损坏；异物不得落入气咀，否则将使泵发生损坏。焊接电机引线时要迅速，否则高温将会使电机损坏。图3.10尺寸图 4、系统的电子控制部分设计4.1、系统的控制，显示与驱动随着科技不断发展，各个行业对生产过程中需要灭菌的物品的无菌可靠性要求也不断提高，且对过程控制也提出更高要求，因此也对大型自动高压蒸汽灭菌器提出了更高要求，也对设计人员提出了更高的设计水平要求。主要表现是灭菌腔内温度分布的均匀性和温度控制的精度要求。考虑和借鉴国外设备的控制原理，利用工业常用的PLC控制模块，可以很好解决上述问题。为了提高脉动真空灭菌器性能和自动化程度, 开发了单片机实现的控制系统。脉动真空灭菌器的主体是一带有密封门及夹套的高压容器, 并配有真空泵，真空阀，蒸汽阀等控制器件及温度，水位，压力传感器。其工作过程如图所示： 图4.1，脉动真空灭菌器工作过程框图脉动真空阶段中将柜室内抽压至81kPa (冷空气排除约97%) , 目的是使灭菌室内蒸汽能达到饱和状态,从而加快预热过程, 并缩短灭菌时间, 而且还可以有效地驱除多孔性物质中空气, 有利于水蒸气的穿透, 同时使灭菌器内部温度保持均匀。为满足不同的灭菌物品的灭菌要求,灭菌器的灭菌温度设定在115138之间,灭菌压力为104210kPa。根据所学的热力学原理,可知饱和蒸汽的压力与温度之间是存在一一对应的关系,因此在实际使用中,为保证灭菌效果是以温度为主要参数,当温度到达灭菌要求时，才开始保温计时,以确保足够灭菌时间。4.2、控制系统硬件结构控制系统硬件的结构如下图所示。图4.2单片机控制系统框图控制系统以ATMEL公司的89C52单片机为主要控制核心,外接6MHz晶振,芯片内部2个16位定时器,一个供系统定时用,另外一个设定为看门狗,避免程序在运行“跑飞”, 保证系统运行可靠性。4.3、压力、水位、温度信号的采集与处理在本系统中温度与压力是主要被控对象。为了达到既定灭菌效果并保证灭菌设备的安全就需要对压力和温度进行精确的检测和正确的处理。4.3.1、温度测量和器件选取工业上广泛应用电阻温度计来测量-200+500之间的温度。电阻温度计准确度好，灵敏度高，且便于信号的远传和多点切换测量。根据材料不同，测温热电阻分为金属和半导体热电阻两种。实验证明，大多数金属导体当温度升高1时，其阻值要增加0.40.6，半导体的阻值要减小36。正是由于导体和半导体的电阻值会随温度而变化，因此测量它们的电阻值变化便可达到测温的目的。其关系可用多项式表示如下：Rt=Rt0 式中，Rt、Rt0分表表示为温度在t、t0时的阻值；A、B、C均为常数，只与热电阻材料的性质有关。常用温度系数和电阻比来表征热电阻的电阻温度特性。电阻温度系数的定义是：温度变化l时电阻值的相对变化量，用来表示，单位是-1，根据定义，用下式表示：=|t=t0一般材料的温度系数并非常数，在不同的温度下具有不同的数值。因此常用（R100R0）（R0100）代表0100之间的平均温度系数，其中R100表示100时的电阻值，R0表示0时的电阻值。电阻温度系数越大，热电阻的灵敏度越高，测量温度时就越容易得到准确的结果。在本系统中采用Pt100测量温度。采用的Pt100测量精度高，输出信号强，灵敏度高，性能稳定，同时还便于远距离测量。温度信号采集电路图如图图4.3.1,温度信号采集系统4.3.2、压力测量压力测量采用MPX2200DP（塑封型压力传感器原件）的弹性压力计，来检测和采集压力信号，其测压原理是弹性元件受压后变形，产生的反作用力与被测压力相平衡。此时，弹性原件的变形是被测压力的函数，这样通过测量变形的方法就可以测量压力的大小。此压力计结构简单，牢固可靠，使用方便，测压范围广，无需反复保养，价格便宜。但是这种压力计是以弹性元件为敏感元件，总会要受到一些不完全弹性影响，故精度不太高。考虑到介质的温度高于60，故压力测量可选择安装冷凝圈。该原件使用的弹性元件是膜盒组，形状和结构尺寸如下图所示： 图4.3.2,MPX2200DP4.3.3、水位测量水位测量的主要目的在于测知容器中水的存贮量，以保证顺利和安全生产。水位传感器的制造原理，在下图中，由于设备中的水是导体，当水位浸没到高水位时，将使公共通道和高水位回路联通，则系统发声报警，表明水位过高；当水位降至公共通道以下，则使公共通道与水位回路断开，灯不亮，表示水位低，需要加水。图4.3.3，水位计原理简图（注：由于压力与温度检测，采集及处理原理相似，因此压力信号采集图可参考温度信号采集原理图）4.4、电源、运算放大器、触发器等的选择在驱动电路中，需要将电压转变成弱电压，并将采集到的信号放大或归真处理，因而也就涉及到了调整电路和选择合适的运算放大器与触发晶闸管。4.4.1、驱动电源的选择在驱动电路中不仅需要给元器件提供电压，而且同时也需要用弱电流驱动系统运行，因此我们必须选择合适的电源和电源驱动器。根据系统电流和电压的要求，我们选择的整流器为固态步进整流器，型号是SSR-40DA，其主要技术参数如下图所示：表4.4.1，SSR-40 DA整流器技术参数电压电流输入332V (DC)420mA输出220/380V (AC)40A4.4.2、运算放大器的选择对于运算放大器，根据系统的参数和电路要求选择TL061BI-FET单运算放大器与TL064 BI-FET四则运算放大器，其结构如下图所示：图4.4.1，TL0644.4.3、触发器的选择触发晶闸管选择过零触发双硅输出光耦MOC3061，它是采用双列直插6脚封装。主要性能参数有：可靠触发电流为Ift5-15mA，保持Ih= 100A，超阻断电压为600V，重复冲击电流峰值为1A，关断状态额定电压上升率= 100V/s。查资料得MOC3061的管脚排列如下：2、4脚为输入端，1、5脚为输出端，3、6脚悬空，详见下图所示：图4.4.2,MOC3061下俩图分别为MOC3061用于触发双向晶闸管与反并联单向晶闸管的基本电路。图4.4.3,触发双向晶闸管 图4.4.4，反并联单向晶闸管4.5、键盘输入系统设计在本系统设计当中，用户是通过按键来输入参数予控制系统。考虑到所需要设置的参数并不是很复杂，所以采用独立式键盘输入。4.5.1、器件和原理独立连接式键盘就是一个按键对应于一个端口输入，每键都是相互独立的，且每一个按键都有一个按键电路来判别其是否按下，适用于设置控制键，功能键且键数较少的场合。按键的结构图如下图：图4.5.1.1，按键结构按键处理如下图图4.5.1.2，处理过程图4.5.2、电路设计键盘输入系统的组成如下图所示：图4.5.2.1，键盘输入系统 对上面5个部分说明如下（注：各个部分的电路说明仅做简图，具体以图纸为准）独立式键盘：通过PIC16F877端口D段直接输入，在实现实际电路时，由于会产生抖动，所以在编程时采用了100ms的延时程序进行复查，确定后方输出数据；LCD输出：具体见下一部分的LCD输出系统设计；时钟电路：时钟晶振频率采用主频为4MHz的晶振，接法如下图所示；复位电路：上电时，对复位电路中的电容充电，电容相当于短路，由于高电平，自动复位，电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，低电平程序正常运行，是对PIC单片机进行上电复位的过程。这一过程，还可以通过手工直接按上电复位中的按键，对其进行复位；PIC16F877：这是系统的核心部分。上电复位之后，系统便开始对端口D进行扫描，同时延时100ms进行复查，假如端口D的值没有发生变化，那么就将得到端口D的值输出到端口C，再驱动LCD显示结果。该电路中PIC单片机的硬件电路部分的示意图如下图所示，其包括复位电路和时钟电路部分俩部分。外扩的输入部分的电路如下图所示，显示部分电路图见LCD输出系统设计部分。图4.5.2.2,复位与时钟电路图4.5.2.3,键盘输入电路4.6、LCD显示器输出系统设计4.6.1、器件和原理LCD显示输出即液晶显示输出，是一种重要的单片机的输出方式。液晶显示器件的显示原理：首先了解液晶的物理特性：当液晶通电导通时，排列变的有秩序，光线变得容易通过；不通电时则排列混乱，阻止光线的通过。让液晶如闸门般地阻止或使得光线穿过。从构成方面，在两片玻璃片上装有配向膜，上下俩个玻璃片的摩擦方向正交。自然光通过上偏振片后变成线性偏振光，而且偏振光的偏振方向与偏振片的偏振方向是一致的，也和上玻璃基片附近的液晶分子排列方向一致。未通电时，当光通过上偏振片后，由于折射率不同，光逐渐被扭曲了。当达到下偏振片时，刚好扭曲了90度，和下偏振片方向相同，因而可以通过下偏振片成为亮场。当施加电场后，液晶会在电场力作用下重新配向，扭曲效果消失，即进入液晶层不再发生偏转，所以不能通过下偏振片，形成了暗场。 图4.6.1.1,液晶排列示意图图4.6.1.2,显示原理另外，液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不同的字符，数字及图像。液晶显示的驱动就是通过调整施加在液晶显示器件上的电位信号的峰值、频率、相位等，来建立驱动电场，以便实现液晶显示器件的显示效果。液晶显示驱动方式有很多种，常用的驱动方法有多种：静态驱动法，动态驱动法和双频驱动法等。这几种驱动方式各有优缺点：静态驱动电压低，耗电少，驱动响应速度快，但是驱动电极度数必须与显示笔段数相同，因而用途其他种不多。本设计选择的是MG-12232液晶显示器，它一共有18个引脚，下表是各个引脚的定义：表4.6.1 MG-12232引脚定义引脚序号引脚符号引脚定义引脚的功能1Vcc电源输入正电源输入2GND电源接地接地3V0电源输入液晶显示驱动电源4RES选择时序端接口的时序选择5E1使能信号主工作方式使能的信号6E2使能信号从工作方式使能的信号7R/W读写信号读写选择信号8A0选择信号寄存器选择信号9-16DB0-DB7数据线输入输出数据总线17SLA电源输入正背光灯电源18SLK电源接地背光灯电源接地4.6.2、电路的设计在简图中，采用PIC16F877的端口C对MG-12232进行数据的输入/输出控制，采用端口D作为数据端口。MG-12232的RES端口直接接到高电平，使用M6800时序，当RES端口直接接到低电平时，使用INTEL8080时序，MG-12232与PIC16F877的连接图示。系统时钟电路、复位电路与前述一致，在此就不再赘述。一般来说，液晶显示器是作为外围器件来使用的，在此使用DB25的插头将各个信号连接到PIC16F877所在的电路上去。见下图：图4.6.2，LCD输出电路原理图4.7、系统程序设计和FUZZY-PID算法4.7.1、程序方框图程序方框图4.7.2FUZZY-PID算法灭菌室升温阶段和恒温灭菌阶段是整个工作中的重要环节,工作中温度升高过快，当室内温度达到要求时，会导致消毒物品内部可能达不到灭菌的要求。另外，超热蒸汽的温度虽高,但是遇到消毒物品时不能凝结成水，故不能释放潜伏热,将会不利于灭菌。为提高工作效率和保证灭菌效果,采用模糊PID混和控制方法来控制温度。控制思想是当被灭菌室温度在设定偏差外,采用模糊控制,从而