紫外线自动检测及消毒系统设计

王颖

(吉林大学第一医院 二部消毒供应中心， 吉林 长春 130031)

0 引言

紫外线消毒常用在治疗室、实验室和医院临床科室等环境，由于消毒环境的变化使得传统的定时消毒制度不能达到满意效果，只有合适的消毒剂量才能达到满意的消毒效果[1]。在医用环境下，紫外线消毒剂量为消毒时间和紫外线辐照度的乘积[2]。由此看出，影响紫外线消毒效果的因素有两个，即消毒时间和辐照度。因此，消毒时间的准确判断和辐照度的精准测量是本设计的关键。

1 关键因素研究

1.1 辐照度的测量

医用消毒领域，紫外线辐照度的测量常常使用探测器法，此外还要确定不同波长紫外线的消毒效果，根据消毒效果来选择不同紫外线波段的探测器。文献研究可知，医疗领域紫外线消毒效果最佳的波段为240—280 nm，属于紫外线C波段范围(C波段具有快速消毒效果)。经过反复试验，现将最佳消毒波长确定为254.2 nm[3]。

紫外线消毒效果函数与标准的辐照计响应函数趋同，因此可得到辐照度示值为式(1)。

(1)

其中，λ1和λ2表示通带宽度范围，即Δλ=λ2-λ1；Ee(λ)、S(λ)、τ(λ)分别表示绝对光谱辐照度、光谱灵敏度和光谱透过率。

式(1)所得到的辐照度示值是紫外线接收面与入射紫外线垂直情况下的示值。但通常情况下，探测器轴线会与紫外线入射具有一定夹角，而发射光源也并非是点光源，这样会导致测量结果不准确。因此，本文的紫外线自动检测消毒系统利用余弦修正原理，设计了探测器，如图1所示。

图1 紫外线探测器结构

图1中，滤光片为镀膜石英，C波段以外响应为1.5%、通带宽度为20 nm，通过滤光片中心的紫外线波长为254.2 nm；将子紫敏硅光电池作为光电转换器，该电池具有较高的紫外线灵敏度，响应峰值为280 nm，属于C波段范围；采用磨砂石英玻璃作为余弦修正器件。

紫外线探测器的输出信号是微安级别的，因此难以直接将其处理成数字信号。因此，本设计首先将输出信号转换为可放大的电压信号，并通过A/D将电压信号处理为数字信号，紫外线探测器输出的电流信号转变为放大电压信号的电路原理图，如图2所示。

图2 电流信号转变为放大电压信号的电路原理图

其中，采用AD8504作为运算放大器，双电容(C1和C2)能够起到稳定放大电路的作用，有效避免了自激振荡的产生。

1.2 消毒时间的确定

按照医用消毒规定，通常情况下对于医院等细菌、病毒种类及数量较多的环境，紫外线辐射剂量要大于1×105μW·s/cm2。但在实际医院环境中，当辐射剂量大于40 μW/cm2(有效辐照度)后，就要考虑消毒过量和剂量不足两个问题。因此，本系统开发需要考虑安全、有效的消毒剂量与消毒时间的关系。

医院消毒环境中，紫外线消毒灯数量(总功率)是按照消毒标准设定的，即1.5 W/cm3。根据真实医院环境，本实验将相对湿度设定为62%，环境温度为25 ℃，并保持紫外线灯电源电压稳定。根据医院场所消毒要求，本实验将消毒等级分为普通消毒、强消毒1、强消毒2和强消毒3，强消毒1是在普通消毒基础上增加40%消毒时间，以此类推，以增加消毒剂量，辐照度分为8个等级，最后得到消毒时间与测量的辐照度的关系，如图3所示。

图3 消毒时间与辐照度的关系曲线

根据关系曲线，可列出数学模型为y=axbb<0，通过线性变换得到为式(2)。

lny=lna-blnx

(2)

通过对试验数据的分析，可得到普通消毒和强消毒相关系数均大于8时的标准值为0.704，所以可对数据进行线性关系拟合，并计算参数a(普通消毒)和b(强消毒)，最终得到消毒时间与辐照度关系[4]为式(3)。

T=aEb

(3)

其中，T表示消毒时间；E表示辐照度。

将参数a和b代入式(3)中，结合探测器测量的紫外线辐照度，即可得到相应的消毒时间。例如，通过计算得到的普通消毒时间T1和强消毒时间TQ1[5]为式(4)、式(5)。

T1=3 792.603 4E-1.194

(4)

TQ1=19 213.287 6E-1.292

(5)

不同环境下，需要的紫外线消毒灯个数不同(即辐照度大小)，同时也需要增加相应的探测器来监控消毒是否有效。因此，辐照度E可通过下式获得，如式(6)、式(7)。

(6)

E=1/2(Emin+Eevn)

(7)

其中，Emin表示最小辐照度；n表示紫外线灯数量；ei表示第i个紫外线灯的辐照度；Eevn表示全部辐照度平均数。

将上述结果代入式(3)中即可计算出不同辐照度下的消毒时间。由此可建立辐射剂量M的计算式，如式(8)。

M=T×E

(8)

1.3 干扰因素的消除

医院实际消毒环境中，紫外灯电源的电压通常为市电电压，即220V±10%，电压的波动会对辐照度产生一定的影响，此外实际消毒环境的湿度和温度也具有波动性，对辐照度存在难以消除的微小影响。按照上述理论式计算的辐射剂量，与真实需要的辐射剂量会存在一定的偏差。为了消除干扰因素的影响，本文自动检测系统中引入了递减算法来达到抗干扰的目的。即每分钟测量一次辐照度E，总辐射剂量M减去该次测量结果E，然后消毒时间增加一分钟，直到M减完为止，即结束消毒。递减算法的引入能够有效抵抗电压波动因素对消毒效果的影响。

2 系统设计及效果测试

2.1 系统设计

为了实现紫外线自动检测，本文设计了消毒系统。本设计可实现8路紫外线灯的监控和辐射量检测，基于嵌入式微控制系统，分为远程监控和现场探测两个单元。其中，远程监控是通过总线与现场设备的连接来实现传输的，上位机主要提供显示(如消毒时间、辐照度)、报警、消毒方式设定、自动控制紫外线灯开关等功能；现场探测包含紫外线灯、紫外线探测器、信号放大电路、A/D转换、多路开关、微控制系统、通信总线等，现场探测也具有报警功能，以便现场人员及时汇报并调整。系统框架如图4所示。

图4 系统架构

该系统可提供最多8路紫外线消毒灯的控制和检测，并根据消毒环境情况调整紫外线灯的数量。为了满足大型消毒环境的需求，本系统还可以通过现场总线互联的方式进行扩展，使其消毒线路大于8路。

2.2 效果测试

为了验证该系统的有效性和消毒效果，选取了某医院的真实环境进行测试。消毒效果评估前，需要对紫外线探测器精度和电压波动影响进行测试。方案如下：

通过对比测量法分析紫外线探测器与标定的辐照计测量结果来确定探测器的精度。本文采用UB-T28型紫外线辐照计作为标准，将其与本文设计的探测器置于紫外线灯管法线0.8 m处，并读取两个设备的读数。为了测量结果准确，采用每组测量40次取平均值的方法，得到探测器精度结果，如表1所示。

表1 探测器精度测试结果

由表1可知，本文设计的探测器其相对偏差均小于2%，说明精度较高。

为了验证本系统中抗干扰算法的有效性，采用每5分钟随机变换一次紫外线灯电源电压的方式(变化幅度不超过±10%)。采用标准生物样本来界定普通消毒、强消毒a和强消毒b的辐照度，如表2所示。

表2 电压变化下不同消毒策略下的辐照度结果

通过实际消毒时间(生物样本界定)和根据辐照度通过理论算式计算的消毒时间进行对比，如表3所示。

表3 实际消毒时间与理论消毒时间对比结果

每组采用40次数据取平均值的方法，来提高数据的准确性。

由表2、表3可知，理论消毒时间和实际消毒时间存在微小偏差，但相对偏差不超过5%，符合Ⅱ类环境卫生消毒要求，说明该系统建立的模型适合，提出的抗干扰措施有效。

3 总结

为了避免紫外线过度消毒或消毒不足的问题，本文设计了紫外线自动检测消毒系统，该系统可根据消毒环境自动检测紫外线辐照度来设定消毒时间，以此满足现场对消毒剂量的要求。同时，为了消除市电电压波动对辐照度的影响，本设计还引入了递减算法抗干扰措施，提高了系统精度。由消毒效果测试可知，本系统探测精度高、时间设定准确，可以满足医院普通手术室和治疗室的消毒需求。