STATIM卡式消毒锅温度控制原理及典型温度故障分析

李杰华，陈正龙，彭宇航

STATIM卡式消毒锅温度控制原理及典型温度故障分析

李杰华，陈正龙，彭宇航

介绍了STATIM（时代）快速卡式消毒锅的优点和内部结构，分析了该设备以热电偶信号调理专用芯片AD595为核心的温度采集电路的工作原理，对使用中经常出现的温度相关的故障代码和可能的故障原因进行了归纳与总结，以期为消毒锅的维修和类似温度控制电路的设计提供有益的参考。

STATIM卡式消毒锅；AD595；故障分析

0 引言

STATIM卡式高压蒸汽消毒灭菌器是加拿大赛康公司生产的一款快速、高效、可靠的消毒灭菌设备。其消毒腔采用薄壁卡式消毒盒设计，具有升温和冷却迅速的特点，例如STATIM2000在6 min内就可以完成一个对非包裹型器械的消毒灭菌循环，大大缩短了器械处于高温潮湿环境的时间，减少了氧化对器具的损伤。相对于传统的自然排气和预真空式高压蒸汽灭菌器来说，STATIM的脉动正压排气技术，使得消毒腔内空气残留量少，对无腔器械（如手术刀片）、有腔器械（如牙科手机等）均可取得十分可靠的灭菌效果，因此越来越多地应用于口腔科、眼科等各类专科诊所以及医院手术室，主要对非包裹型器械、包裹型器械、医用橡胶和塑料等物品进行消毒。作者结合自己多年对STATIM快速卡式消毒锅的维修经验，深入分析了其温度控制的原理，总结了其常见的与温度有关的故障原因及排除方法，希望能为消毒锅的维修和类似温度控制电路的设计提供有益的参考。

1 STATIM消毒锅温度控制原理

STATIM快速卡式消毒锅一个典型的灭菌循环，它包括置换、预热、升温、灭菌、排气和干燥6个阶段，可选的消毒灭菌温度分别为121和134℃。STATIM快速卡式消毒锅的工作原理如图1所示。

图1 STATIM快速卡式消毒锅工作原理框图

由图1可以看出，STATIM消毒锅利用了2个热电偶分别对卡式灭菌盒和锅炉温度进行测控，其内部不含压力传感器，事实上，湿空气饱和水蒸气压和温度之间存在着对应关系，Antoine方程是应用最普遍的饱和水蒸气压与温度的关系式，温度在10～168℃范围内的Antoine方程[1]为式中，ps为饱和水蒸气压，单位为kPa；t为温度，单位为℃。表1列出了100～160℃范围内饱和水蒸气压力和温度的对应关系。

1.1 STATIM消毒锅温度采集电路

我们在进一步对STATIM快速卡式消毒锅的维修和日常维护中发现，温度的控制采用热电偶信号的调理专用芯片AD595[2-4]。图2为以AD595为核心的温度控制电路。AD595是集成的单芯片仪表放大器和热电偶冷结补偿器，内部包含2个差分放大器，其输出信号相加用以控制一个高增益的主放大器。正常工作时，主放大器的输出9脚与反馈网络8脚相连接，从输入引脚1和14输入的热电偶信号通过差分放大器放大G倍，进一步通过主放大器放大A倍。主放大器的输出反馈回差分放大级的负相输入端，通过反馈网络的修整，热电偶的激励信号通过AD595的有效放大后，在引脚8和9产生10 mV/℃的输出。除了反馈信号，右边的差分放大器也加入了冷端补偿电压，这一补偿电压通过增益调整电阻后，在主放大器输出端也得到10 mV/°C的输出。结果，补偿网络添加一个正比于AD595本地温度与冰点温度差的电压信号到热电偶的输出环路。如果热电偶参考端保持在AD595本地温度，那么AD595的输出将对应以冰点为参考端的热电偶信号放大电压。AD595还包含一开路检测器控制报警三极管，它实际上是一个限流输出缓冲器，可为外部报警提供上拉和下拉操作。反馈电阻由单独的脚引出，可以通过串联电阻改变其大小，也可以由引脚5和9之间的外接电阻替代。外接反馈电阻可以调整AD595的增益，使其工作在设定工作点的开关模式。

表1 饱和水蒸气压力表

图2中，AD595配置在+5 V单电源工作模式下。热电偶信号从引脚1和14输入，通过AD595的调节后，从VO端引脚9输出10 mV/℃的信号，然后这一放大的温度信号送到 10位 A/D转换器TLV1548的输入端Ax[5]，转换得到的数字信号从TLV1548的Data Out端输出至微处理器I/O口[6]，这样就实现了温度的采集和显示。REF+为A/D转换参考电压，为了保证消毒锅温度的准确性，设计要求这一电压稳定在（2.520±0.001）V左右。

图2 STATIM消毒锅温度采集电路图

1.2 AD595的重新校准

AD595出厂配置用于调节K型热电偶信号，当用于其他类型热电偶时，必须对AD595进行重新校准。

将AD595保持在恒定的温度，按照下列步骤进行重新校准。首先，将AD595 2个输入引脚连接到公共端COM，并将FB引脚与VO相连接。AD595工作在独立的摄氏温度计模式下，假定环境温度为24℃，VO初始输出电压为240 mV，检查输出VO是否与AD595所处的温度对应。接下来，用高阻抗的数字万用表测量-T端引脚5的电压，24℃时-T端电压大约在8.3 mV。为了调整AD595的补偿到适合于E型热电偶，连接电阻R1到+T和+C之间，即引脚2和3之间，以改变灵敏度比例提高-T端的电压。K型到E型热电偶转换比例为

r=（60.9 μV/°C）（/40.4 μV/°C）=1.51然后，将-T端测得的初始电压值乘以r，实验确定为达到-T端新电压值所需的R1值。例如，-T端新的电压值为12.5 mV，电阻值近似为650 Ω，现在零差分输入必须移位回到0℃，这可以通过在-C和-T输入端（引脚5和6）接入电阻R2，将输出电压VO调整到初始VO的r倍而实现。这里目标输出电压大约为362mV，实验得到R2的阻值近似为84kΩ。

最后，增益必须重新校准使得输出VO再次指示芯片温度。为此，可以在FB和-T输入端，引脚8和5，接入电阻R3，VO必须返回到初始读数240 mV，R3的阻值近似为93kΩ，最后的电路连接图如图3所示。可以通过测量输出电压的增益大致确认重新校正过程的有效性，对于E型热电偶，增益应为164.2。当AD595使用E型热电偶时，功耗将增加大约50%。

2 温度相关的故障代码及分析

STATIM快速消毒锅的维修使用计算机检测，自动判断故障并显示故障代码供用户参考。在软件所显示的所有故障代码中，绝大部分故障为温度不准确、升温速率过高或者为升温速率过低。以下我们总结了STATIM快速消毒锅常见温度故障以及可能的原因与解决方法。

2.1 故障一

（1）故障现象：Cycle Fault#1报警，表现为在规定的时间内卡式盒温度不能达到95℃。

图3 AD595用于E型热电偶的重新校准

（2）造成该故障的原因可能是：①卡式盒内装载的消毒物品过多，使盒体大量泄漏；②水泵输出过弱；③蒸汽发生器污染；④蒸汽发生器的三端可控硅故障使热熔断丝熔断致使泵入卡式盒内蒸汽不足所致；⑤蒸汽发生器加热电阻开路也可以导致该故障。

2.2 故障二

（1）故障现象：Cycle Fault#3或#4报警，表现为在规定时间内卡式盒不能升压，以致不能升温到110℃或者卡式盒不能在首次达到110℃后的规定时间内进入灭菌状态。

（2）故障原因可能为：①卡式盒内密封圈老化；②盒体损坏；③电磁阀损坏关闭不严；④锅炉单向阀和减压阀存在泄漏；⑤热电偶校准不当。除PCB是R7××版本外，检查PCB的右上角电位计Vref是否在（2.520±0.001）V。

2.3 故障三

（1）故障现象：Cycle Fault#10报警，在非包裹或包裹循环的排气调温阶段，卡式盒温度不能降到115℃，或在橡胶和塑料循环不能降到110℃。

（2）故障原因可能为：①卡式盒底盘左后的管道阻塞；②排气管扭曲或者打结；③电磁阀连接有误；④线圈断路；⑤阀芯粘连。

2.4 故障四

（1）故障现象：Cycle Fault#14报警，表现为循环的灭菌阶段蒸汽发生器温度高于171℃。

（2）故障原因可能为：①蒸汽发生器入水管阻塞；②水泵故障或出水过少；③水泵或蒸汽发生器的三端可控硅故障；④密封圈安装不正确；⑤电磁阀故障。

2.5 故障五

（1）故障现象：Cycle Fault#15报警，表现为循环灭菌阶段卡式盒温度过高，或者在循环的调温、升压阶段高于138.6℃。

（2）故障原因可能为：①卡式盒内的排气管道阻塞；②连接到废水瓶的排气管不畅；③电磁阀故障。

3 结语

对照前一部分STATIM快速消毒锅的工作原理（如图1所示）和温控原理（如图2所示），可以对消毒锅出现的诸多故障进行归纳与小结。

（1）首先确保温度采集硬件电路工作正常，通常需要检测热电偶是否开路，或者A/D转换芯片TLV1548参考电压REF+端是否在2.52 V左右。

（2）如果故障表现为锅炉或者卡式盒的温度高于设定温度，很可能是水泵进水不足导致锅炉干烧，或者卡式盒排水排气通路不畅，应检查排水排气管道或者电磁阀。

（3）如果锅炉或者卡式盒的温度低于设定温度，则应该检查锅炉加热电路是否存在故障、卡式盒的进气通路是否堵塞或卡式盒本身是否漏气等。

值得注意的是，为了保证STATIM压力蒸汽灭菌器工作正常，必须对灭菌盒与标准热电偶进行校准。当锅炉维修后，更换PCB或热电偶后，都要根据软件的升级对热电偶系统重新校准。

[1]王志魁．化工原理[M]．北京：化学工业出版社，2005.

[2]佚名.AD595datasheet[EB/OL].（2013-07-07）[2013-10-15].http：// www.analog.com/zh/mems-sensors/digital-temperature-sensors/ad595/ products/product.html.

[3]张丽果，郑小林，陈锋，等.基于AD595芯片的恒温控制仪设计[J].仪表技术与传感器，2007（8）：16-17.

[4]李新华.带冷端补偿的单片热电偶放大器AD594/AD595及其应用[J].国外电子元器件，1996（12）：17-18.

[5]佚名.TLV1548 datasheet[EB/OL].（2013-07-10）[2013-10-20]. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/tlv1548.pdf.

[6]佚名.MC68HC908GP32 datasheet[EB/OL].（2013-07-10）[2013-10-20].http：//www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC68 HC908 GP32.pdf.

（收稿：2013-08-02 修回：2013-12-20）

Temperature control principle and typical temperature failures of STATIM cassette autoclave

LI Jie-hua1,CHEN Zheng-long2,3,PENG Yu-hang1
(1.Shanghai Aier Eye Hospital,Shanghai 200336,China;2.Med-X Research Institute,Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030,China;3.Shanghai Medical Instrumentation College,Shanghai 200093,China)

The benefits and internal structure of STATIM cassette autoclave are introduced,whose working principle is analyzed with AD595 thermocouple signal conditioning chip as the core of the temperature acquisition circuit.The typical temperature failures and possible causes are summarized to provide references for the maintenance of the autoclave and the design of other temperature control circuits.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：123-125]

STATIM cassette autoclave;AD595;failure analysis

R318.6；TH771.4

A

1003-8868（2014）11-0123-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.123

李杰华（1978—），男，工程师，主要从事医疗器械工程方面的研究工作，E-mail：sh1jhua@163. com。

200336上海，上海爱尔眼科医院（李杰华，彭宇航）；200030上海，上海交通大学Med-X研究院（陈正龙）；200090上海，上海医疗器械高等专科学校（陈正龙）

陈正龙，E-mail：chenzl@smic.edu.cn