用于内壁消毒的等离子分布式电极管运行状态指示方法

技术领域

本发明涉及高压等离子体技术领域，具体涉及一种用于内壁消毒的等离子分布式电极管运行状态指示方法。

背景技术

在日常生产生活中经常涉及在对细长状的管内壁进行消毒，典型比如胃窥镜；胃窥镜胃镜检查是利用一条直径约一公分的黑色塑胶包裹导光纤维的细长管子，前端装有内视镜，由嘴中伸入受检者的食道→胃→十二指肠，藉由光源器所发出之强光，经由导光纤维可使光转弯，让医师从另一端清楚地观察上消化道内各部位的健康状况。必要时，可由胃镜上的小洞伸入夹子做切片检查。因此胃窥镜的中空部的狭长管道的杀菌消毒是一项比较困难的任务。由于胃窥镜的价格比较昂贵而且属于不耐湿热设备，导致其消毒灭菌方法受限，极大限制了临床应用的开展。现今较广泛应用于胃窥镜消毒的方法有过氧化氢等离子体消毒法、环氧乙烷灭菌法、戊二醛消毒液浸泡法等。环氧乙烷属于有毒气体易造成有毒物质残留危害人体健康；过氧化氢等离子体方法采用真空腔体，设备昂贵、用法复杂、处理时间长；医疗上常用的是戊二醛消毒液浸泡法，但消毒时间比较长，效率较低。在目前的应用效果上来看，上述方法对部分病原体的杀伤能力依然有限，存在交叉感染的风险，且存在有害残留并会损伤到胃窥镜材料。

等离子体可以产生电场、电流、UV辐照、以及各种带电粒子、自由基等活性粒子，可以使病原体快速坏死或凋亡。针对内窥镜的形状可以采用分段电极结构，在内窥镜管道内壁产生等离子体射流放电，实现等离子体对胃窥镜内壁的有效杀菌消毒处理。但是，胃镜管是一条直径约一公分的黑色塑胶包裹导光纤维的细长管子，管道不透明，无法准确判断管道内部是否产生等离子体放电，因此而导致无法判断等离子体是否对管道内壁消毒，给实际应用带来困难和不便。现有技术公开号为CN103585650A公开了一种低温等离子体内窥镜消毒装置及方法，该装置包括气体控制模块、电源激励模块、等离子体发生模块，气体控制模块通过流量控制器控制稀有气体和强活性掺杂气体，实现气体配比和流速可调；电源激励模块利用正弦或脉冲高压电源，为所述等离子体发生模块提供稳定的激励；等离子体发生模块通过分段间隙的电极结构，利用以稀有气体为主的混合气体产生大气压冷等离子体射流。该装置可以在大气压下产生长度在1cm到2m，直径在0.2mm到10mm范围内，均匀、稳定、常温、强活性的等离子体射流，适用于不同尺寸内窥镜的消毒处理。基于此，本发明在多分段电极结构基础上，提出了一种多分段电极等离子体放电指示方法，即采用简单可测的电气参数测量，便可以准确有效地对不透明的胃镜管道内部是否发生放电等离子体以及工作状态进行指示。

发明内容

1.所要解决的技术问题：

针对上述技术问题，本发明提供一种用于内壁消毒的等离子分布式电极管运行状态指示方法，该消毒装置基于多分段电极结构，产生等离子体射流对细长状的管内壁进行杀菌消毒，添加放电指示功能，在处理透明或者不透明的细长状的管内壁时，可以准确有效的判断管内部是否产生等离子体放电、放电产生后是否熄灭，给类似内窥镜内壁状的细长状的管内壁的等离子体消毒装置整机的实际应用提供了更完整全面的功能指示方案，保证整机装置的消毒效果。

2.技术方案：

一种用于内壁消毒的等离子分布式电极管运行状态指示方法，应用于基于多段分布式电极的管内壁等离子的消毒装置；其特征在于：包括：气体控制模块、电源驱动模块、等离子体产生模块、放电指示模块；所述电源驱动模块与等离子体电极模块相连为等离子电极模块提供电源；所述气体控制模块提供至少一种工作气体至等离子体模块生成的高压电场中；所述等离子体产生模块包括石英玻璃管；所述石英玻璃管的内径大于待消毒管的直径，使待消毒管能够贯穿通过石英玻璃管；所述石英玻璃管外侧间隔分布预设距离的多个高压电极以及低压电极，相邻的高压电极与低压电极之间形成等离子体高压电场；所述高压电极以及低压电极均连接至电源驱动模块实现等离子电场的驱动；每个低压电极与地级之间均串联一个测量电容以及测量该测量电容的电压测量传感器；多个测量电容、测量电容的电压传感器、对电压数据进行处理的处理器以及指示灯构成放电指示模块；所述测量电容的电容值远大于等离子体产生模块的电极的等效电容，阻抗值远小于等离子体产生模块的电极的等效阻抗；所述电压测量传感器将采集的电压值传输至对电压数据处理的处理器；所述对电压数据处理的处理器将接收的各个测量电压与预设的电压值范围进行比较，将在预设范围内的电压值对应的指示灯接通；没有达到预设的电压值范围对应的指示灯断开。

进一步地，所述高压电极与低压电极均为环状电极，相间套接于石英玻璃管的外壁。

进一步地，所述放电指示模块还包括显示装置；所述显示装置将电压数据处理的处理器处理后的各个测量电容两端的电压进行显示。

3.有益效果：

（1）本方法是基于多段分布式电极结构的管道内的放电等离子体装置，使用时将对细长状的管内壁插入玻璃管道内的中空处，接通电源后该管内外侧均产生等离子从而实现消毒。本方案的多段分布式，可以根据待检测的细长管的长度控制参与的高低压电极的数量，并且根据各个分布式的地电极上串接相同规格的测量电容，对检测到的测量电容上不同的电压值进行比对分析，得到各个分布式电极支路的传输电荷量，从而控制放电指示和放电熄灭灯的点亮和熄灭，对胃镜管内部放电状态进行指示。

（2）本发明的等离子体产生模块采用的是多段分布式等离子电极结构中，为了验证其结构在对细长状的管内壁产生等离子体时的放电状态逻辑判断规则和条件，在具体实施例中针对多段分布式等离子电极结构中，分析获得了多个分布式地电极回路之间的电荷传输规律，建立了分布式地电极回路之间电荷差异性数学模型，给出整个电极装置管内放电等离子体的放电状态逻辑判断规则和条件，可准确判断出多段电极每一段对应的放电状态，完成放电指示功能，从而验证本方案的实用性。

（3）本发明提出采用放电指示模块实现多路输入电压数据采集系统，从而实现对分布式多个地线测量电容C1~Cn上的电压信号进行采样，通过数字控制器按照所提出的模型判断准则，根据实验与理论分析所得结论，对测量电容上的电压值进行数据分析，可有效、可靠、实时地检测分布式电极每一段放电区间的放电状态情况。从而实现对放电指示灯的控制，或者是相关的显示界面，可实现人机交互界面的友好性，对等离子体源整机装置的开发应用具有指导意义。

（4）本发明基于多段分布式电极结构的管内部放电的等离子体装置，产生等离子体射流放电可以对胃镜管内壁进行有效的杀菌消毒处理，解决了胃镜管不透明的软管，无法准确判断管道内是否产生等离子体射流放电的问题，保证了管内壁杀菌消毒处理的可靠性。

（5）本发明提出的放电指示模块不仅仅适用于管内壁杀菌消毒处理的多段分布式电极结构，对于具有相类似的采用多个交替排布的高低压电极的结构均适用，本发明所提出的方法适用范围广，兼容性好，具有很好的实际工程应用价值。

附图说明

图1为一种基于多段分布式电极的管内壁等离子的消毒系统的整体示意图；

图2为一种基于多段分布式电极的管内壁等离子的消毒系统的整体电路示意图 ；

图3为本方案中的放电指示模块的示意图

图4为具体实施例中的验证气体放电但不流动时装置的示意图；

图5为具体实施例中的验证气体放电但不流动时电容电压波形图与李萨如图；

图6为具体实施例中工作气为He气、气体流速1.5L/min时装置的示意图；

图7为具体实施例中工作气为He气、气体流速1.5L/min电容电压波形图与李萨如图

图8为具体实施例中双层介质工作气为He气、气体流速1.5L/min示意图

图9为具体实施例中双层介质工作气为He气、气体流速1.5L/min电容电压波形图与李萨如图；

图10为具体实施例中双层介质无工作气无放电时的示意图；

图11为具体实施例中双层介质无工作气无放电时的电容电压波形图与李萨如图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体的说明。

如附图1至附图3所示，一种用于内壁消毒的等离子分布式电极管运行状态指示方法，应用于基于多段分布式电极的管内壁等离子的消毒装置；其特征在于：包括：气体控制模块、电源驱动模块、等离子体产生模块、放电指示模块；所述电源驱动模块与等离子体电极模块相连为等离子电极模块提供电源；所述气体控制模块提供至少一种工作气体至等离子体模块生成的高压电场中；所述等离子体产生模块包括石英玻璃管；所述石英玻璃管的内径大于待消毒管的直径，使待消毒管能够贯穿通过石英玻璃管；所述石英玻璃管外侧间隔分布预设距离的多个高压电极以及低压电极，相邻的高压电极与低压电极之间形成等离子体高压电场；所述高压电极以及低压电极均连接至电源驱动模块实现等离子电场的驱动；每个低压电极与地级之间均串联一个测量电容以及测量该测量电容的电压测量传感器；多个测量电容、测量电容的电压传感器、对电压数据进行处理的处理器以及指示灯构成放电指示模块；所述测量电容的电容值远大于等离子体产生模块的电极的等效电容，阻抗值远小于等离子体产生模块的电极的等效阻抗；所述电压测量传感器将采集的电压值传输至对电压数据处理的处理器；所述对电压数据处理的处理器将接收的各个测量电压与预设的电压值范围进行比较，将在预设范围内的电压值对应的指示灯接通；没有达到预设的电压值范围对应的指示灯断开。

进一步地，所述高压电极与低压电极均为环状电极，相间套接于石英玻璃管的外壁。

进一步地，所述放电指示模块还包括显示装置；所述显示装置将电压数据处理的处理器处理后的各个测量电容两端的电压进行显示。

进一步地，所述高压电极与低压电极均为环状电极，相间套接于石英玻璃管的外壁。

进一步地，所述放电指示模块还包括显示装置；所述显示装置将电压数据处理的处理器处理后的各个测量电容两端的电压进行显示。

具体实施例：

本具体实施例从验证的角度出发对本方案的多段分布式电极结构以及放电指示模块中的测量的电容的电压在不同的情况下的规律。

实施例1：

如附图4、5所示，本实施例是以5段电极为例（2段高压电极、3段地电极）对放电指示原理进行说明。图中HV1、HV2为高压（HV1=HV2），

本装置可以实现单介质以及多层介质放电；其中图4所示为单介质玻璃管内充满He气等离子体放电但气体不流动的示意图，图5所示为单介质玻璃管内充满He气等离子体放电但气体不流动的测量电容上电压波形图与李萨如图。如图4所示，在单层玻璃管内充满不流动的He气，施加单极性高压脉冲激励使管内产生等离子体放电。在高、低压电极间产生脉冲电场，管内气体被击穿电离，电子在电场力的作用下由地电极向阳极运动，正电荷聚集在测量电容上，致使测量电容上电压发生变化。由电极间的电场关系可知

实施例2

图6所示为单介质玻璃管内充满He气等离子体放电，气流为1.5L/min时的示意图，图7所示为单介质玻璃管内充满He气等离子体放电气体流速为1.5L/min时的测量电容上电压波形图与李萨如图。如图6所示，在单层玻璃管内充满气体流速为1.5L/min的He气，施加单极性高压脉冲激励使管内产生等离子体放电。在高、低压电极间产生脉冲电场，管内气体被击穿电离，电子在电场力的作用下由地电极极向阳极运动，正电荷聚集在测量电容上，致使测量电容上电压发生变化。与此同时在气流的作用下，一部分等离子体沿气流方向运动，图中表现为△

实施例3

图8所示为双层介质，玻璃管内穿过胃镜管，胃镜管内充满He气等离子体放电，气流为1.5L/min时的示意图，图9所示为双层介质玻璃管内穿过胃镜管，胃镜管内充满He气等离子体放电气体流速为1.5L/min时的测量电容上电压波形图与李萨如图。如图8所示，在双层介质下，胃镜管穿过玻璃管，且胃镜管内充满气体流速为1.5L/min的He气，施加单极性高压脉冲激励使管内产生等离子体放电。在高、低压电极间产生脉冲电场，胃镜管内气体被击穿电离，电子在电场力的作用下由地电极向阳极运动，正电荷聚集在测量电容上，致使测量电容上电压发生变化。与此同时在气流的作用下，一部分等离子体沿气流方向运动，图中表现为△

实施例4

图10所示为双层介质，玻璃管内穿过胃镜管，胃镜管内无He气无放电时的示意图，图11所示为双层介质玻璃管内穿过胃镜管，胃镜管内无He气无放电时的测量电容上电压波形图与李萨如图。此时单极性高压脉冲电场直接作用与空气，气体处于静态且无等离子体放电。但在微观角度上仍有电荷运动，测量电容上仍有容性电流和电压变化。此时

结论：

根据KCL定理和电荷守恒原理，发生等离子体放电时，在单极性高压脉冲电场作用下，自由电子从地电极向阳极运动，正电荷聚集在测量电容上使测量电容上电压发生变化，在测量电容值恒定时，电容电压值与电容电荷量成正比。当管道内有气体流速运动时，在电场力和气体流速的共同作用下，流速方向与电场方向相同的电极间运动的自由电子稍稍小于流速方向与电场方向相反的电极间运动的自由电子，因为电流方向和正电荷运动方向与电子运动方向相反，在图6、8中表现为

根据以上分析及实验验证结论，可以推导出内窥镜放电状态检测的逻辑如下，其中

（1）当多段电极内没有发生放电等离子体时，可检测到：

（2）当多段电极内发生放电等离子体时，可检测到

（3）当多段电极内发生放电等离子体时，并且气流流过形成射流等离子体放电条件，当有气体流速时，并且胃镜管道内部产生等离子体放电通道时，在电场区域内，电极反应器端口处流速方向与电场方向共同作用，端口测量电容上电荷量存在差异，在如图3-11所示的电极分布示意图中，有

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。