CN101036059A

CN101036059A - 监测蒸汽纯度和/或品质的方法和装置

Info

Publication number: CN101036059A
Application number: CNA2004800438519A
Authority: CN
Inventors: 赫伯特·J·凯瑟; 迈克·A·森坦尼
Original assignee: Steris Inc
Current assignee: Steris Inc
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: KR20070032996A; EP1756596A4; TWI261673B; EP1756596A1; WO2006009563A1; US6992494B2; JP4514788B2; EP1756596B1; CA2570974A1; JP2008504515A; MXPA06014867A; US20050001634A1; CN100483140C; CA2570974C; TW200600799A; ATE511090T1

Abstract

本发明关于一种在消毒净化程序中，检测用于消毒净化的蒸汽的纯度和品质中任意一个的方法与装置。电容器放置于蒸汽之中，此时蒸汽则作为电容器的极板间的电介质，而电介质的电容率则会受到蒸汽的纯度和/或蒸汽品质的影响，因此，电容器的电性测量可以被用于监测蒸汽的纯度与品质。

Description

监测蒸汽纯度和/或品质的方法和装置

技术领域

本发明关于一种消毒净化系统，特别是关于一种用以监测消毒净化程序中蒸汽的纯度和/或品质的方法或装置，例如：蒸汽消毒器。

背景技术

本说明书所称的“消毒净化”为一种程序，其包含生物污染去活性化(deactivation of biocontamination)、化学污染去活性化(deactivation of chemicalcontamination)、杀菌(sterilization)、杀菌(disinfection)，以及卫生处理(sanitization)，惟上述内容仅用于举例说明，并非用于限定。

蒸汽经常且普遍被运用在消毒净化程序中，例如：消毒器等；就此而言，在医院、一般诊所、牙医诊所与实验室中，蒸汽消毒器广泛用于医疗器械、牙医、实验器具设备、生产制造装置、加工产品，以及其它物品的消毒净化。

然而，消毒净化过程，例如：蒸汽消毒过程，蒸汽纯度与蒸汽品质是影响消毒净化过程的消毒效率的重要因子。其中，蒸汽纯度是表示蒸汽中非水部分(即，固态、液态或气态的污染物)的含量；而蒸汽品质则表示蒸汽中水分的含量。如果蒸汽中并不含水分(即不合液态水)，则该蒸汽的品质为100％；就此而言，纯蒸汽的液态水含量是为0％。而与蒸汽品质相应的蒸汽纯度必须予以估算，因为蒸汽中任何一滴水滴中都可能含有可溶性固体。

用于使水分蒸发的蒸汽产生器会将污染物导入蒸汽中，蒸汽的纯度也因此降低。举例来说，锅炉就是一种蒸汽产生器，随着锅炉的点燃或发动，锅炉中的化学物质被导入蒸汽中。这些污染物质可能引起消毒净化设备(例如：蒸汽消毒器)或者消毒净化设备处理过的商品的腐蚀、污染。

一般通过蒸汽的化学分析测得蒸汽纯度；就此而言，通常是使用一种称为蒸汽冷却器的装置来收集蒸汽样本，或者是利用浓缩凝结方式收集蒸汽样本。

在许多医药应用操作中，蒸汽消毒器的最低限度的蒸汽品质是95％；如果蒸汽消毒器的蒸汽品质低于95％，则消毒循环程序完成后，湿包装(即湿气水滴)就可能形成在被消毒物品上。因此，就必须再次加工处理。

蒸汽品质一般是通过下列方式测量：1.利用管路接入式装置将蒸汽中的凝结水进行分离，或2.利用蒸汽冷却器搜集蒸汽，并且分析蒸汽中钠的含量。

如此蒸汽纯度与品质的测量通常相当耗时、且不正确，同时也使得操作者暴露在具有潜在危险的环境中；此外，现有技术对于蒸汽纯度与品质的测量并未能就消毒净化程序中所发生蒸汽纯度与品质测量的问题予以提前警示。

发明内容

本发明的目的在于，提供用以针对监测蒸汽纯度与蒸汽品质至少其中一个的系统，其中包含：(a)具有第一极板和第二极板的电容器，放置于蒸汽中，而蒸汽则作为第一极板和第二极板间的电介质(dielectric)；此际，此电容器则具有电容量(capacitance C_x)，以及(b)用以测量电容器电性变化的处理装置，而此电性变化则会依据蒸汽纯度和蒸汽品质的变化或蒸汽纯度与蒸汽品质中的一个变化而变化。

本发明的另一目的在于，，提供监测蒸汽纯度或蒸汽品质中的一个的方法，步骤包含：(a)将具有第一极板和第二极板的电容器放置于蒸汽中，而蒸汽作为第一极板和第二极板间的电介质，以及(b)决定此电容器的电性变化，此电性变化则会依据蒸汽纯度和蒸汽品质的变化或蒸汽纯度与蒸汽品质中的任意一个的变化而变化。

本发明的优点之一在于提供监测蒸汽纯度和/或品质的方法或装置，而其得以提供消毒净化过程中对于蒸汽纯度和/或品质的持续监视观测。

本发明的另一优点在于提供监测蒸汽纯度和/或品质的方法或装置，而可就蒸汽纯度和蒸汽品质问题进行提前警告，以减少或排除受损物品需再加工、再处理，或置换的需要。

本发明的又一优点在于提供监测蒸汽纯度和/或品质的方法或装置，其可纪录测量值以提供适当加工处理条件的确认。

上述目的与其它目的，将配合本发明较佳实施例与随附的图标详述于下。

附图说明

本发明就部分元件与元件配置予以形体化，其较佳实施例详述于本说明书中，就其部件的随附图标，将详述于下：

图1为蒸汽消毒系统的截面侧视图示意图；

图2为依据第一实施例的电容传感器器的示意图，该传感器在蒸汽消毒系统中，用以监测蒸汽纯度和/或品质；

图3是依据第二实施例的电容传感器的示意图，该传感器在蒸汽消毒系统中，用以监测蒸汽纯度和/或品质；以及

图4是依据第三实施例的电容传感器的示意图，该传感器在蒸汽消毒系统中，用以监测蒸汽纯度和/或品质。

主要元件符号说明

蒸汽消毒系统10 第一导管12

第二导管14 排流导管16

输水导管18 阀门22

阀门24 阀门26

容器30 腔体32

外套管40 区域42

蒸汽产生器50 控制元件60

信息储存装置62 传感器300

电容器305

具体实施方式

本发明的图标仅用于说明本发明的较佳实施例，而非用以限定本发明的权利要求保护范围。如图1所示，蒸汽消毒系统10具有用以监测该系统10中使用的蒸汽的蒸汽纯度和/或品质的传感器300；而在此实施例中，系统10为利用蒸汽对物品进行消毒的蒸汽消毒系统。应当理解为本发明的最佳实施例是以蒸汽消毒系统为例进行说明，而本发明可应用于其它利用蒸汽的消毒净化系统与设备。

蒸汽消毒系统10一般包含容器30、外套管40、蒸汽产生器50、控制元件60，以及传感器300。

容器30中具有腔体32，而在所示的实施例中，容器30以圆筒型或长立方体型为较佳。欲消毒的物品将置于腔体32中，使其暴露于蒸汽中；而蒸汽通过排流导管16释放至腔体32中，阀门26则是用以控制腔体32的蒸汽释放。

外套管40则包围住容器30，并在容器30与外套管40之间界定一区域42用于蒸汽的注入，而外套管40也以圆筒型或长立方体型为较佳。导管14连接区域42与腔体32，而阀门24控制区域42与腔体32之间的蒸汽流量。

蒸汽产生器50利用本领域技术人员所知的方法产生蒸汽，例如，蒸汽产生器50可以是一般的电锅炉。输水导管18供给蒸汽产生器50的用水；而蒸汽产生器50产生的蒸汽则通过第一导管12输入供给区域42，阀门22则控制注入区域42的蒸汽流量。

控制元件60以微处理器或微控制器为较佳，其程序设计为控制系统10的控制运作(control operation)；就此而言，控制元件60控制蒸汽生产器50、阀门22、24、26的运作；控制元件60最好包含(或连接)信息储存装置62用以储存数据。

传感器300可以是任何一种适合于针对系统10中蒸汽纯度和/或品质的感应装置，如图2所示示范的传感器300。现将申请日为2003年3月14日，发明名称为测量液体中化学浓度的方法与装置(Method and Apparatus for MeasuringChemical Concentration in a Fluid)的第10/389,036号美国专利中请案，以及申请日为2003年4月2日，发明名称为测量混合气体中化学物组成的方法与装置(Method and Apparatus for Measuring Concentration of a Chemical Component in aGas Mixture)的第10/405,880号美国专利申请案中传感器300的全部内容合并于本发明中。

概括地说，传感器300包含有作为传感元件(sensing element)的电容器305。电容器305放置于腔体32中较佳，但也可预想(contemplated)的是，电容器305也可选择放置在可暴露于蒸汽的位置，暴露于蒸汽的位置包含区域42、导管12、14、16等位置，然其上述电容器35的放置位置仅为举例说明，并非用于限定。此外，系统10中可包含一个以上的传感器300，以用来监测多个不同位置的蒸汽纯度和/或蒸汽品质。

电容器305的电性用于响应系统10中使用的蒸汽，就此而言，应可理解，电容器介电常数(dielectric constant)取决于电子的可极化性(polarizability)。极化是分子在电场中形成偶极(dipole)的能力，或是电场中排列或旋转其内生偶极(inherent dipole)的能力，如水分子。蒸汽的介电常数大约为1，但若将杂质(即污染物)引入蒸汽中，将改变蒸汽介电常数。例如，将离子种类(例如：钠离子、钾离子等)或有机污染物(例如：胺类(amines))引入蒸汽中，将导致蒸汽介电常数的变化。而蒸汽中的凝结水(冷凝水)一般会引起介电常数的增加，因为液态水的介电常数大约是80。因此，传感器300可用来确定蒸汽纯度和/或蒸汽品质的量值。

根据图2所示的实施例，传感器300为电桥电路(bridge circuit)。如同本领域技术人员所知，电桥电路是在其它电阻量值已知的状况下，用以决定某未知电阻的量值，由于电桥电路系在零条件(null condition)下决定未知电阻量值，故电桥电路所得测量值可具有高准确性。该电桥电路用以决定电容值，而其电容质为系统10中蒸汽的纯度和/或品质的指标值。

传感器300一般由电压源322、零值检测器330(null detector)、电子电位计340(electronic potentiometer)、已知电容值Ci的电容器315，以及具有电容值C_x的电容器305所构成。

电容器305直接暴露于腔体32内的蒸汽中，而蒸汽会充满电容器305的导板(conducting plates)之间，将蒸汽作为电容器305的绝缘体或电介质(dielectric)。由于蒸汽的介电常数会随着蒸汽纯度与品质而变化，电容器305的电容值C_x也会同样随着蒸汽纯度与品质而变化。

在一较佳实施例中，电容器305为平行导板电容器；然而，电容器305也可为其它不同类型的电容器，例如：电容器305可为圆筒形或球形电容器。若以球形电容器作为电容器305，其孔洞则需放置于电容器305的外壳，以使蒸汽注入、离开该电容器。

电子电位计340作用方式如同机械式电位计；就此而言，电子电位计340为三端结装置(three terminal device)，而其中二端结之间为抗阻元件(resistiveelement)。第三端结就如同接帚(wiper)一般，沿着抗阻元件而连接于不同点上。所述实施例中，接帚由控制元件60数字控制。接帚将抗阻元件分成二个电阻R_BC与R_AC；而电子电位计340可使用美国加州森尼维耳市(Sunnyvale)半导体商Catalyst Semiconductor公司生产的数字可程序电位计(DPPTM)。

在较佳实施例中，电压源322提供交流电压，诸如正弦或脉冲波形的交流电压。零值检测器(null detector)330为检测零值(即短路)的装置，诸如：检流计(galvanometer)、电压计(voltmeter)、频率选择放大器(frequency-selectiveamplifier)或相似装置。

以下将对关于传感器300的操作方式进行详细描述。电桥电路的元件连接于接点AC、BC、AD与BD，而电子电位计340由控制元件60控制，用以修正电阻R_BC与R_AC直到接点A与B之间电位差值(VAB)为零；当此状况发生时，其电桥即谓为平衡或其为零值。下列的关系式以电压值为主：

V_AC＝V_BC，以及V_AD＝V_BD

其中，V_AC是指指接点A与C间的电压，V_BC则为接点B与C间的电压，V_AD为接点A与D间的电压，而V_BD即为接点B与D间的电压。据此可得：

V_AD/V_AC＝V_BD/V_BC

V_AD＝V_BD/(V_AC/V_BC)

电容器305的电容值C_x连接在接点A与D间，而已知电容值C₁的电容312的连接于B与D间。由接点A连接至接点C至接点B，电子电位计34由控制元件60通过控制单元(control unit)调整以改变(vary)电压V_AC与V_BC。

当零值检测器330测得零值时，电流I₁则由接点C流向接点(junction)A流向接点D，而电流I2则由接点C流向接点B流向接点D。跨越接点A至接点C的电压V_AC，与跨越接点B至接点C的电压V_BC关系式如下：

V_AC＝I₁R_ACandV_BC＝I₂R_BC

而跨越电容值C、电流I与频率电容器的电压值为：

V = \frac{I}{2 πfC}

因此，电压VAD与VBD则可表示如下：

V_{AD} = \frac{I_{1}}{2 πf C_{x}} {, V}_{BD} = \frac{I_{2}}{2 πf C_{1}}

如上所述，V_AD＝V_BD(V_AC/V_BC)，V_AC＝I₁R_AC，以及V_BC＝I₂R_BC因此

C_{x} = C_{1} (\frac{R_{BC}}{R_{AC}})

就上述关系式而言，当侦测到零值时，RBC与RAC的电阻值以及电容器315的已知电容值Ci即可用来决定电容器305的未知电容值Cx。

不同分子偶极矩(dipole moment)差异可用来监测蒸汽纯度和/或品质；如前所述，会充满电容器305的导板间作为电容器305的电介质。设置电容器305作为电桥电路的元件，当电桥平衡或为零值时，测量的R_BC与R_AC电阻值就可以用来决定电容器305的电容值C_x。而电容器305的电容值C_x即为腔体32中蒸汽纯度和/或品质的指标，因为各个(respective)电介质的介电常数(permittivity)会受到蒸汽中既存的污染物和凝结水的影响。

已知平行导板电容器C＝(k_ε0)(A/d)＝(ε)(A/d)，其中C为电容植，k为介电常数，ε0为自由空间(8.85×10^-12F/m)的电容率，ε则为电容器介电质的电容值(法拉/公尺，Farads/meter)，A为电容器导板的表面积(平方公尺)；而d则为电容器导板间的距离，单位为公尺。当ε增加时，电容值C则随之增加；当平行导板电容器为具有直径D的圆形导板，则C＝(πD2ε)/(4d)

因而可知的，电容器的介电常数k则可通过下列关系式而决定：

k = \frac{4 dC}{π D^{2} ϵ_{0}}

其中电容值C可由上述关系式所决定。而电容器的介电常数也可通过测定导板间的电介质的电容值(Cd)，以及导板间无电介质的电容值(Co)所决定。二者的比率即为介电常数：

k = \frac{C_{d}}{C_{0}}

电容器响应(capacitor response)会受到其连接交流电波形特性(如：频率)影响；就此而言，容抗(capacitive reactance)(X₀)为频率函数。容抗为单纯电容提供反抗交流电的能力，而以欧姆(ohms)表示为(Xc＝1/(2πfC))。据此，由电压源322所产生波形的频率会影响电容器响应。

可以想见的，图2所示实施例包含电桥电路形式的传感器300(a sensor in theform of a bridge circuit)、其它类型的电路以及本领域技术人员所知的适用于测量电容值的技术(包含其它型式的电桥电路与电容测量计)，例如：图3所示的交替式传感器300A(alternative sensor)。传感器300A为一LC谐振电路(LC resonantcircuit)，包含：电容值C_A的可变电容器325(variable capacitor)，以及前述作为传感元件的电容器305(电容值C_x)。由于其谐振频率ω₀＝[L(C_A+C_x)^-1/2，因此电容器305的未知电容值Cx即可被决定。

图4所示为用于连接本发明的另一传感器300B，而传感器300B为电荷传递(charge transfer)传感器电路(sensor circuit)。电荷传递传感器电路用于提供一飞法拉(femtoFarad)的片断(fraction)解析(resolution)，而在电荷传递传感器电路中，感应电极的未知电容值C_x的决定是给与感应电极电荷至一定电位，并且传递该电荷至包含有已知电容值C_S的电容器335的电荷检测器。如前所述，在传感器300B中，具有未知电容值C_x的电容器305作为传感元件。就此而言，蒸汽会充满电容器305的导板间作为电容器305的绝缘体或电介质。电容器305首先通过电闸(switch)S1连接于直流参考电压(Vr)，而当电容器305充电满足至电位Vr后，电闸S1则会重开。其后，为使传导所引起的泄漏效应减到最低，在尽可能短的迟滞时间内，电闸S2即关闭，而电容器305的电荷(Q)则会移转至电容器335(即电荷检测器)。当电荷Q移转至电容器335，电闸S2即重开。通过读取电压值Vs，电容器305的电容值C_x即得以决定。将V_s输入至放大器，以提供对于数字处理为有效电压范围的模拟/数字转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)的测量需要。电闸S3作为重置装置(reset device)，以重新设置电荷传递循环中的电荷，使每一个电荷传递循环都可有一致的初始条件。电闸S1、S2和S3皆可为机电式电闸或晶体管；而以数字控制逻辑来控制电闸S1、S2和S3是比较好的选择。在较佳实施例中，采用比电容器305更大的电容器335。

传感器300运行使用的方程式如下：

V_S＝V_r[C_y/(C_y+C_s)]，因此

C_y＝V_SC_S[V_r-V_S]

该电荷传递器则被应用在独立电容数字转换器(capacitance-to-digital-converter，CDC)集成电路(integrated circuit，IC)，例如：由电荷转移电容式传感器开发商Quantum Research Group生产的QProx^TM电容数字转换感应集成电路(如：QT300与QT301CDC电容数字转换感应集成电路)，用以检测电容值中飞法拉层次的电荷。该电容数字转换感应集成电路(CDC sensor IC)输出相符于输入的电容值的数字值，而外部取样电容器(external sampling capacitor)的数值乃控制传感器的增益。

其它诸如由英国柴郡的Process Tomography有限公司所生产的PTL 110电容转换器等装置皆可提供其它高感度电路系统。PTL 110用以测量微小的电容值(约至10微法拉(picoFarads，pF))可达1飞法拉的分辨率。纽约西布雷(Westbury)IET Labs公司所生产的1616精密电容电桥(1616 Precision Capacitance Bridge)可以用来测量范围在10^-7pF到10μF的电容值；太克科技公司(Tektronix)生产的Tektronix 130电感电容测试器(LC Meter)可以用来测量范围在0.3pF至3pF的电容值。而根据本领域现有技术的相关文献可知，使用新型操作放大器(operational amplifier)和模拟对数字转换器(ADCs)的电容感应电路(capacitancesensor circuits)，可以轻易地撷取分辨率至0.01pF的电容值。

参阅图2，以下将连同传感器300对利用电容器305的电容值C_x监测蒸汽纯度和/或蒸汽品质进行描述。

在初始预备步骤时，电容器305在空气中为零值状态，而在不含任何污染物的蒸气与其蒸气品质为100％时，则取得数值为电容器305的电容值C_x；该取得电容值C_x的数值最好能储存在信息储存装置62中以作为设置点数值。如前所述，不具有污染物与凝结水的蒸气，其介电常数约为1。当电桥为零值时，其所测定的R_BC与R_AC的电阻值用于决定电容器305的电容值Cx，因为C_x＝C_l(R_BC/R_AC)。此时，如下所述，在消毒净化循环中，传感器300用以监测腔体32中蒸汽纯度和/或蒸汽品质。

在消毒净化循环中，电容器305置于腔体32中，以使电容器暴露于蒸汽。将测得的电容器305电容值C_x与不合有污染物且其蒸汽品质为100％的蒸汽中相应的电容器305电容值C_x(即设置点数值)作比较；若所测得的电容值C_x不同于设置点数值的预设量，即可判定该蒸气中带有污染物和/或凝结水；可根据蒸汽纯度和蒸汽品质建议的可接受范围选择预设量。

此外，一般认为，蒸汽纯度的改变通常会引起蒸汽的介电常数相应的微小变化(也因此引起电容值Cx的相应微小变化)；而蒸汽品质的改变通常会引起蒸汽的介电常数相应较大的变化(也因此会引起电容值Cx相应较大的变化)。据此，通过参照设置点数值与测得电容值Cx的差，就可区分蒸汽纯度的改变与蒸汽品质的改变。

可想而知，本发明的最佳实施例是利用测量电容器的电容值，以监测蒸汽纯度和/或品质；其亦可利用相关于电容器的其它电性测量值，以监测蒸汽纯度和/或品质，包括：电容器电介质的电容率(permittivity)和介电常数(dielectricconstant)，以上仅属说明，非用于限定。

本发明将参照系统10的一般操作做进一步的描述(参阅图1)。将物品放置于腔体32中进行系统10的操作；蒸汽产生器50产生的饱和蒸汽通过第一导管12贯注至区域42，对腔体32进行预热。当区域42充满蒸汽后，饱和蒸汽则通过第二导管i 4注入腔体32中。在消毒净化循环中，传感器300则监测腔体32中的蒸汽。其结果若测定该蒸汽并未符合所需争气纯度和/或品质时，控制元件60则提供可听见和/或可看见的指示至操作者。此外，其可能需要采取相应的措施，包括对腔体32中的物品进行再处理、再加工。在消毒净化循环中，传感器300收集的数据资料将可储存于信息储存装置62，以提供历史数据来确认适当的消毒净化程序条件。

在消毒净化循环的末期，腔体32中的蒸汽通过排流导管16排出，而腔体32排泄其压力至低于大气压力，以排除残留于腔体32或残留于腔体32中放置的物品上的湿气。排出腔体32蒸汽凝结并通过输水导管18再循环至蒸汽产生器80。

上述说明为本发明的特定实施例；然而，本发明中所有实施例仅用于说明，凡本领域技术人员在不脱离本专利精神或范围内所作的更动或润饰，均应包含在本发明的保护范围中。

Claims

1.一种用以监测蒸汽纯度或蒸汽品质中至少一个的系统，其特征在于所述的系统包含：

电容器，具有暴露于蒸汽中的第一导板和第二导板，所述的蒸汽为所述的第一导板与所述的第二导板间的电介质，其中所述的电容器具有一电容值Cx；以及

处理装置，所述的处理装置用以测定所述的电容器的一电性变化，所述的电性变化会根据蒸汽纯度或蒸汽品质中至少一个而变动。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包含一信息储存装置，用以储存作为不含污染物和100％品质的蒸汽指标的一设置点数值，其中所述的设置点数值与所述的电性相关。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包含：

测定装置，当所述的电容器暴露在所述蒸汽时，所述的测定装置测定一测量数值以作为所述的电容器的所述的电性的指标；以及

测定装置用以决定所述的测量数值是否超过设置点数值的预设量的测定装置。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包含：电桥电路，其中所述的电容器构成所述的电桥电路的一部分。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包含：电荷传递传感电路，其中所述的电容器构成所述的电荷传递传感电路的一部分。

6.一种用以监测蒸汽纯度或蒸汽品质中至少一个的方法，其特征在于包含以下步骤：

将具有第一导板和第二导板的电容器暴露于蒸汽中，所述的蒸汽为所述的第一导板和第二导板间的电介质；以及

测定所述的电容器的电性变化，所述的电性变化则会根据蒸汽纯度或蒸汽品质中至少一个而变化。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，测定所述的电容器的所述的电性变化的步骤包含：

存取预存数据，包含相关于所述的电容器的所述的电性变化的一设置点数值，其中所述的设置点数值为不含污染物和100％品质的蒸气的指标值。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包含：

在所述的电容器暴露在蒸汽时，测定一测量数值作为所述的电容器的所述的电性的指标；以及

决定所述的测量数值是否超过一设置点数值的一预设量。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的电容器构成电桥电路的一部分。

10.如权利要求6所述的方法，其特征为在于，所述的电容器构成电荷传递传感电路的一部分。