用于测量恶劣大气环境中的温度的改进系统、接收天线的制作方法

本发明涉及一种用于测量恶劣大气环境中的温度的改进系统，特别是涉及测量用于对物体和物质进行灭菌的灭菌高压釜内部的温度的改进系统。具体而言，本发明涉及一种改进的接收天线，其可以被定位在用于测量温度的系统的接收器中

背景技术：

尤其涉及到医疗或化学/制药领域，通常的做法是对每个医疗设备进行灭菌。根据待灭菌的材料和设备的类型，该操作采用不同的方法进行，并通过严格的标准进行整理，旨在保护患者、医护人员和环境的健康和安全。

一种常用的灭菌过程是通过过热蒸汽将待灭菌的物质或物体暴露在温度在+120℃至+140℃之间的温度中，同时在压力大于或等于环境压力(例如-2至6巴，优选地在0至3巴绝对压强)的情况下，在所谓的不锈钢高压釜中进行可能的高压处理(barictreatment)。为了便于待灭菌的物体或物质的装载和卸载操作，提供了不锈钢托盘，其允许同时堆叠和处理(插入高压釜中、灭菌和从高压釜中移除)经受相同灭菌周期的多个物体和物质。

一些已知的灭菌过程是根据灭菌室内部的压力来控制的，并且通过温度测量来“验证”，该温度测量确认是否达到所需的温度。

对于这种温度测量，电阻温度计或rtd(电阻温度检测器)的使用是已知的，其利用了一些材料的电阻率随着温度变化的变化。这样的热探针必须被定位在包含待灭菌的物体的灭菌室的空间中(热探针的定位取决于灭菌室内物体的分布)，并且可以包括用于与布置在灭菌室外部的高压釜的控制单元连接的电缆。其他已知的热探针可以包括用于无线传送到高压釜的控制单元的天线。

温度构成了由这样的系统测量的变量，它从根本上表征了灭菌周期。

此外，一些灭菌过程要求待处理的负载在该处理的一个或更多个步骤期间移动，例如，旋转负载或在处理期间保持机械运动的负载，负载也自动地在各种托架上移动，用于装载到灭菌室、灭菌隧道和从灭菌室、灭菌隧道卸载。

例如，待灭菌的物体或物质被放置在高压釜内部的可旋转托盘上。在这种情况下，热探针在负载中的放置要求具有旋转触点的电连接，该旋转触点能够在高压釜的恶劣环境条件下可靠地操作。然而，这种旋转触点结构复杂且非常昂贵。

在重大气(heavyatmosphere)中使用的已知天线通常在2.4ghz的频率下工作，经过几次测试，证明在确保高压釜内不受干扰的最佳通信方面效率低下。在高压釜的灭菌室内存在恶劣的环境条件，这导致了面对它的接收天线的可能的磨损和故障，并导致所测量的温度数据的可能的丢失。

在灭菌周期期间的温度数据的丢失可能导致需要消除处理过的负载，因为不能确定地证明立法参数(legislativeparameters)得到了遵守。

已知系统的另一个问题是对天线的传输频率的管理，根据当地现行法规和/或取决于系统的设计参数，天线的传输频率可能因国家而异。

已知系统的另一个问题是天线的定位至关重要，因为它们必须保持不受恶劣大气环境的影响，且同时确保对所涉及信号的接收/传送的最佳覆盖范围。

用于重型测量系统(heavy-dutymeasurementsystems)的已知天线的另一个问题是使用不同的频率或校准需要更换天线，这导致成本和时间浪费。此外，从一个频率切换到另一个频率只能通过手动干预硬件并时不时地重新配置系统来实现。

已知系统的另一个问题是，天线的保护元件的存在可能涉及对传送或接收的载波频率的更改，以便使得在市场上可获得的天线不经校准则不适合在恶劣环境中使用。

因此，本发明的一个目的是设计一种在恶劣大气环境中的温度测量系统，特别是在用于对物体和物质进行灭菌的高压釜内部的温度测量系统，该温度测量系统具有诸如克服参考现有技术所提及的缺点的特征。

在这样的总体目的的范围内，本发明的特定目的是保证对所涉及的接收温度测量结果信号的天线的管理的最佳效率和可靠性。

本发明的另一个目的是允许对恶劣大气环境中存在的天线进行最佳保护。

本发明的又一个目的是保证暴露于恶劣大气的天线的易用性和可靠性。

本发明的公开内容

通过根据权利要求1所述的完善的温度测量系统达到这个和其他目的。

有利的实施例是从属权利要求的主题。

本发明使保证最佳和无干扰的传输频率成为可能。

此外，它保护恶劣环境中的天线免受磨损、腐蚀和可能的故障，同时确保灭菌室内的最佳通信效率。

本发明实现下面的技术效果：

-可以在不同的传输频率之间进行选择，而不必手动干预硬件；

-允许定位更多的天线，从而确保对所涉及的信号的传送/接收的最佳覆盖范围；

-设计被校准以确保所涉及信号的最佳通信效率；

-操作和使用简单。

本发明的上述技术效果/优点以及其他技术效果/优点将从下面参考附图以近似和非限制性示例的方式提供的实施例的示例的描述中更加详细地显现出来。

附图简述

图1是根据本发明的在灭菌室内部的温度测量系统的架构示意图。

图2示出了根据一个实施例的温度测量系统的转换器的透明侧视图。

图3示出了测量接收器的天线。

图4示出了被拆卸了的图3的天线。

图5示出了图示出激活设备的步骤的流程图。

本发明的优选实施例的详细描述

参照图1，示出了在高压釜的灭菌室2内部的温度测量系统1的架构示意图。

高压釜是包括由包封壁和装载门限定的灭菌室2的类型，装载门优选地是铰接的或滑动的。

包封壁和装载门被构造成承受在灭菌室2内部可以通过相关的加热、加压和/或蒸汽注入和抽吸装置(图中未示出)产生的高温和高压变化，该加热、加压和/或蒸汽注入和抽吸装置由布置在灭菌室2外部的过程控制器8驱动，并且与用于在灭菌过程中监测灭菌室2内部的条件的传感器装置信号连接。

传感器装置可以包括一个或更多个压力传感器(图中未示出)和温度测量系统1。

根据本发明的方面，温度测量系统1包括至少一个温度转换器3和(温度测量结果的)至少一个接收器设备5，该温度转换器3可以被定位于高压釜的灭菌室2内部，该接收器设备5可以被定位于灭菌室2外部，并且与高压釜的过程控制器8信号连接。

在灭菌室2内部，放置一个或多个转换器元件3，以用于对在恶劣大气内部的温度进行采样。每个温度转换器3具有至少两个温度传感器3a、3b、3c、3d。

优选地，金属护套是aisi316len1.4404类型。

根据要执行的灭菌处理的程序和类型，温度转换器3可以被定位在灭菌室2内部的优选位点处。

多个温度探针3a、3b、3c、3d适于产生与它们所暴露的温度相对应的模拟信号。温度探针3a、3b、3c、3d可以相对于转换器壳体14移动，并通过用于传送模拟温度信号的信号导体连接到转换器壳体。

每个温度转换器3还包括连接到转换器壳体14的(第一)传送天线4和容纳在转换器壳体14内部的电子转换电路10，并且该电子转换电路10连接到温度探针3a、3b、3c、3d的信号导体和传送天线4。电子转换电路10被配置成将模拟温度信号转换成数字温度信号，并通过传送天线4将其传送到接收器设备5的天线。

由天线4发送的数据例如是腔室2内部的温度测量结果、任何故障的报告、电源电池耗尽、数据、注册参数和校准数据。

每个接收器设备5包括(第二)接收天线6和连接到接收天线6并可连接到高压釜的控制器8的电子协调电路7、9。电子协调电路7、9被配置成通过接收天线6接收(由温度转换器3产生并以射频的形式发射的)数字温度信号，根据数字温度信号提供控制信号，并将这样的控制信号传送到高压釜的控制器8。

由于温度信号从灭菌室2内部到位于其外部的接收器5的这种无线传送，获得了灵活的温度测量，这可以容易地适应待灭菌的物体或物质的各种形式、数量、配置，并且没有系统具有从灭菌室内部穿到外部的传输电缆的缺点。

在接收器设备5中提供的接收天线6被放置在灭菌室2外部，优选地在其顶部。

接收器设备5的天线6被定位于灭菌室2的外部，使得通过灭菌室2的包封壁18与灭菌室2分离或隔离。

由于包封壁18有利地由不锈钢制成，并因此形成不能被rf电磁波穿透的法拉第笼(faradaycage)，所以该层或局部壁可以由射频透明材料制成并被成形以便形成突出物(protuberance)或突起(protrusion)19，该突出物或突起19突出到灭菌室2中并形成用于容纳接收天线6的(相对于灭菌室2的)外部空腔。这样，接收天线6突出到灭菌室2的内部体积中，从而允许接收和发射rf信号，但通过局部壁18保持与灭菌室2隔离。

根据优选实施例，接收天线6本身被容纳在外部容器15a中，从而突出到灭菌室2中。这种外部容器15a形成前述射频透明的(radiofrequency-transparent)局部壁，但是抵抗灭菌室2内部的压力和温度。

转换天线4由外壳或由塑料材料制成的外壳保护，该外壳符合食品卫生标准并适合在高温下操作。

必须位于灭菌室2内部的转换天线4的数量根据高压釜的长度和要获得的空间分辨率而变化，而转换天线4在横截面上的位置根据腔室的形状(其可以是四边形或圆柱形)和所执行的过程而变化，以便不干扰任何移动的负载。

优选地，必须安装至少两个转换天线4，并且它们之间的距离不得超过1.5米。优选地，转换天线4相互间隔1.25米，以保证传输电磁场的最佳叠加。

优选地，温度转换器3的信号的传输额定功率是5mw，而接收器设备5的传输额定功率是5mw。两个设备在自由场中的信号传送距离都大于3米。

每个温度接收天线6通过同轴电缆连接到相关的接收模块16，接收模块16优选地被放置在灭菌室2的外部。

每个接收模块16依次连接到第一主电子协调电路7，该第一主电子协调电路7处理数据并通过profibus协议(过程现场总线)与过程控制器8通信。

优选地，第一主电子协调电路7应付四个接收器设备5。

在需要更多数量的第二接收天线6并因此需要更多接收模块16的情况下，需要安装一个或更多个(第二)从电子协调电路9，其依次连接到另外的最多四个接收模块16。

接收模块16可以通过通信总线——can总线(控制器局域网络)或profibus现场总线(过程现场总线)——连接到对应的从协调电路9和主协调电路7。同样地，从电路9又用相同的协议与主电路7通信。主电路7可以通过单个通信总线(例如can总线或profibus现场总线(过程现场总线))连接到过程控制器8。

系统的架构1允许多个第二从协调电路9连接到(第一)主电路7。优选地，主设备7可以与两个从设备9连接，总共十二个传送器5，且因此有十二个天线6。

非常复杂的安装可以设想存在第二并行系统，该第二并行系统具有上述所有部件，并且不会与主系统发生冲突。

传送元件4和连接到接收模块16的接收天线6之间的无线通信基于专有传输协议。

由转换器3检测到的温度数据包由相关的转换天线4传送，并由接收天线6捕获(一对多逻辑)。系统1能够通过优先选择以最佳接收为特征的数据来丢弃相同的数据。

如果在灭菌室2内部提供多个转换设备3，则在初始配置步骤期间通过预定义的时间偏移来进行传送管理，使得信号不会叠加，并且因此使数据丢失的风险最小化。

天线4、6之间的通信是在特定频率下的无线的，优选地是在所谓的超高频(uhf)段中的无线的。优选地，使用的低频是868mhz和902mhz。从一个频率转变到另一个频率是通过干预硬件和重新配置系统来进行的。

温度转换器3构成系统的基本元件之一。特别地，它执行灭菌室2内部的温度采集和无线数据传送的功能。

电子电路被容纳在保护性聚醚醚酮(peek)外壳内。外壳14在内部容纳电子转换电路10、主电池12、辅助电池13、在电子转换电路和电池之间的连接电缆、通信天线4以及在温度和电子电路10之间的连接。

为了保证接近温度转换器3内部的元件(例如用于更换电池)，外壳14由两个部分组成，这两个部分通过由相同材料制成的螺钉固定在一起。

为了防止流体可能渗入外壳，在两个半部分(half-parts)之间插入密封垫，该密封垫由用于医疗保健食品环境的半透明硅树脂制成，具有70sha的硬度，以保证在所有操作条件下都有更好的密封。

在最佳夹紧条件下，达到符合en60529的ip68防护等级。

在外部，外壳可以被提供有允许其固定到托架和旋转框的元件。

外壳内部件的布置保证了更换电池时容易操作。

每个探针的入口点优选地被提供有合适的密封o形环，其由氟橡胶(fkmviton)制成，该氟橡胶是符合fda21cfr177.2600的材料。

用于与存在于灭菌室外部的接收器设备5通信的转换器的天线4被容纳在保护外壳内，但是优选地不集成到电子电路10中。在天线4和电路10之间的连接通过特定的连接器实现。

所有存储的数据，除了临时使用的数据(例如，临时存储的用于获取和/或定义测量的数据)之外，都保存在非易失性存储器中，且因此也是在对其没有电力供应的情况下进行维护。

对由转换器3发送的信号的接收由接收器设备5管理，每个接收器设备包括至少一个接收天线6和相关的接收电子电路16。由电子模块16执行的功能涉及无线电信号的处理和解码、数据的采样以及将数据传送到它们所连接的设备(即主设备7或从设备9)。

电子模块16还被配置为向设置在灭菌室2的每个温度转换器3内部的激活设备11发送命令(例如，接通和/或关断)。由电子模块16产生的信号通过接收器设备5的天线6传送，并被每个温度转换器3的天线4接收。

如图3所示，接收天线6由保护外壳保护而免受恶劣环境条件的影响，该保护外壳优选地为由两部分制成的圆柱形。优选地，外壳的保护天线6的部分15a由高电阻塑料材料制成，而外壳的下部15b由不锈钢(316l)制成。保护外壳的两个部分15a、15b用钢螺钉固定在一起。优选地，天线6的外部容器的部分15a由聚醚醚酮制成。图4中可见的天线5是螺旋型的。

保护元件15a、15b的存在意味着传输载波频率的改变，例如使得市场上可获得的天线与本申请不兼容。

为了解决这一问题，考虑到由于保护外壳15a、15b、容器和同轴电缆的存在而引起的频率变化，对天线6进行校准，以补偿这样的变化，从而将其重新定位在保证该腔室2内部最佳通信效率的传输频率上。

校准活动是在灭菌室2外部执行的，将组装好的元件布置在金属壁上，该金属壁模拟它们将在其上操作的环境，并且适当地改变线圈的长度，直到达到最大辐射功率峰值，该最大辐射功率峰值是根据高斯曲线分布的。天线6可以在双频带模式(dual-bandmode)下校准，以促进欧洲和北美用户的安装或用于特定应用。主设备7的功能包括管理和协调接收器5、接收所获取的数据、与高压釜的过程控制器8通信以及管理任何从电路板(slaveboards)9(如果被提供的话)。主设备7的电子电路被包含在由塑料材料制成的容器内且具有防护等级ip67，被定位于高压釜的技术舱中。主设备7还被提供有用于其初始配置的lcd显示器。

每当接收元件的数量超过4时所使用的任何从电路9都类似于上述主协调电路7。然而，它仅具有管理附加接收器5并将由它所获取的读取数据输送到主设备7的功能，主设备7继而将它们发送到过程控制器。与设备的通信通过canopen通信协议进行。

主协调电路7优选地由24v/1a外部电源供电。也可以在ups下连接系统，即使这不是严格必要的，因为在电压下降的情况下过程控制器会中断周期，而不需要保持温度采集有效。

被设置在转换器3内部的电子转换电路10由主电池12供电，主电池12优选地为具有锂聚合物技术的d型，额定电压为3.6v，适于允许主电子电路的自主和无线供电。主电池12是可互换的。

电池12的续航时间主要根据日常使用和工作温度而变化。然而，考虑到每天大约8小时的操作，8个月的续航时间是可能的。在主电源故障或缺乏的情况下，紧急辅助电池13自动介入。它的续航时间将小于主电池12的续航时间，因为它必须允许正在进行的灭菌周期完成。指示性地，它的续航时间被限制在24/36小时。在操作期间，主电池12的充电水平由高压釜的过程控制器8显示。过程控制器8向温度转换器3报告温度转换器3的主电池12的电荷已经耗尽并且其仅是通过辅助电池13激活的。以这种方式，在周期开始之前通知操作者，未被主电池12覆盖的设备可以从灭菌周期所设想的登记中被排除。

为了显著地增加温度转换器3的电池的续航时间，在它们内部有激活设备11，该激活设备11可以实现节能模式，该节能模式允许电子转换电路10仅在需要时(例如当需要采集数据时)被接通，而在所有其他条件下保持其关断。

优选地，激活设备11可以被放置在电子协调电路10内部。出于电池续航时间的目的，激活设备11保持以可忽略的消耗水平进行供电。

当测量系统的元件开始通信时、即当测量系统在灭菌室内部并且高压釜的过程控制器8开始就在灭菌周期准备之前的步骤时、或者当测量系统在校准步骤中接近特定的校准界面(calibrationinterface)时，它能够接通电子转换电路10。

在图5的流程图30中示意性地图示了激活设备11的各种操作步骤。

在示图30中未示出的预备步骤中，仪表“cont”被初始化并设置为零。

在步骤s32中，激活设备11处于降低能耗的状态(或“深度睡眠”)，其中能量消耗几乎减少到零(并且电子转换电路10和温度转换器3的所有其他部件都关断)。

在时间间隔t1之后(步骤s36)，激活设备11在第二时间间隔t2(优选地，t2是小于300μs的时间段)内以信号接收模式被激活(s38，“唤醒”)。优选地，时间t1等于3秒，即激活设备11在小于300μs的时间段(t2)内每3秒(t1)被激活。在时间间隔t2期间，激活设备验证它是否已经接收到有效的命令信号(步骤s40)。

如果激活设备11没有接收到任何信号(步骤s39)，或者如果接收到的信号无效(s40)，则它返回到初始状态s32，从而重复该周期。

换句话说，在步骤s39和s40中，激活设备11检查是否有人在时间间隔t2内询问它(发送有效命令信号)。

反之亦然，如果在步骤s40中接收到有效信号，则步骤s42开始，在步骤s42中验证接收到的信号是否用于关断(“断电”)，即关断电子激活设备11。

如果在激活设备11保持激活的短时间内(步骤s38、s40、s42)，它识别出有效的接通信号，则电子激活设备11将接通电子转换电路10和转换设备3的所有其他部件，它将执行接收到的命令(步骤s44)。

随后，它改变到新的信号接收模式(s46)，并等待另外的命令，直到接收到关断命令，这使它再次回到降低能耗的状态。在电子转换电路10是激活的并由主电池12供电的步骤中，它将由传感器3a、3b、3c、3d检测到的温度测量结果从转换器3的天线4传送到位于灭菌室2外部的接收器设备5的天线6。

由电源设备11实现的这种操作模式允许获得相对于正常连续操作而言能量节省4000倍。

在外部rf信号干扰的情况下，激活设备11保持电子转换电路10关断，从而允许进一步的能量节省。

系统1能够在完全封闭的室内传送数据，该完全封闭的室具有由不锈钢制成的圆柱形或四边形形状，并且具有镜面抛光的表面。

当出现以下一种或多种情况时，主电子表面7和高压釜的过程控制器8之间进行通信：

·装置和/或过程控制器的启动。它用于开始无线系统配置过程(通过特定的“查询”)。在这样的操作过程中，输入模拟通道的数量被限定(然而，通道可能不被有效地使用)，并且同时主设备向过程控制器提供所连接的传送元件和与其连接的温度转换器的识别数据。

·从周期开始到完成：主元件7必须保证在整个工作周期的持续时间内将更新值传送给过程控制器8。

·条件：在与接收元件6相关联的传送元件4的自诊断功能介入之后，相关的消息、警告或警报必须被立即输送到过程控制器。如果自诊断功能也在接收模块上被实现，则它们必须根据与主电路7相同的模式向过程控制器8发送数据。

测量系统1可以用在彼此靠近布置的各种高压釜上。即使高压釜的主体起到法拉第笼的作用并且将无线传送限制在其内部，当由附近设备造成的干扰也是可能的。为了保证仅在该腔室内提供的设备之间的通信，该系统被设计成不考虑功率小于预定阈值的信号，该预定阈值对位于机器外部的设备是相当典型的。在使用设备之前(即开始测量周期之前)，必须定义区分信号所需的最小阈值。

温度测量系统1因此形成由控制器8也根据实时测量和传送的温度而驱动的灭菌过程的整体部分。

由于传送天线4和接收天线6之间的信号无线传送被限制在相对于外部空间完全屏蔽的结构内，所以可以避免必须遵守关于数据传送功率的严格规定，并且可以使用更强、更可靠的信号。

优选地，电子转换电路10连接到本地存储器，该本地存储器包括包含校准证书的电子数据表，并且被配置为周期性地对每个连接的温度探针3a、3b、3c、3d执行自校准周期。

还提供了用于监测主电池12的剩余电荷的监测装置，该监测装置被配置为在温度测量周期的每次开始时监测主电池12的剩余电荷，并且如果剩余电荷小于设定的传送时间的参考值，则这种电池监测装置阻止该过程的开始和/或产生警报信号和/或(主和次)电池更换请求信号。优选地，该监测装置是通过电子转换电路10实现的。

“传送”天线4(设置在温度转换器3中)和“接收”天线6(设置在接收设备中)的上述描述涉及在灭菌室2内部测量的并被传送到接收天线6的温度信号的传送。然而，“接收”天线6还被配置成能够向转换器3的天线4“发送”命令信号，例如电子激活设备11的激活命令和/或关断命令以及其他服务命令。在这种情况下，转换器3的(温度)传送天线4也能够从天线6“接收”命令和信号。

如上所述，本发明还涉及一种用于接收器5的接收天线6，其可定位在灭菌室2的外部。