多管同啟PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)的結(jié)構(gòu)與功能

楊威

新民市人民醫(yī)院 器械科，遼寧 沈陽(yáng) 110141

醫(yī)學(xué)及化學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行分析檢驗(yàn)的試管開(kāi)蓋過(guò)程采用試管開(kāi)蓋機(jī)，是取代試管開(kāi)蓋手工作業(yè)、提高工作效率的現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)的展現(xiàn)。目前試管開(kāi)蓋機(jī)開(kāi)蓋過(guò)程的常規(guī)模式是鏈帶傳動(dòng)試管,每次逐個(gè)單只開(kāi)蓋。本文所述的PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)為多支試管同時(shí)開(kāi)蓋，并將與試管分離的管帽自動(dòng)收集。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與組成

1.1 主體與功能機(jī)構(gòu)

設(shè)備結(jié)構(gòu)的主體為試管蓋開(kāi)啟倉(cāng)，其倉(cāng)壁設(shè)有帶排齒的滑道供試管架載車受控移動(dòng)。試管架載車起著盛放試管架和將試管架由管蓋開(kāi)啟倉(cāng)移入移出的作用，架載車安有傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。其他功能結(jié)構(gòu)如蓋體分離器、管蓋收集器、氣溶膠引排倉(cāng)等，全部安裝在試管蓋開(kāi)啟倉(cāng)中。多只帶蓋試管架中，可穩(wěn)固地在架載車上移入移出試管蓋開(kāi)啟倉(cāng)。安裝在開(kāi)啟倉(cāng)中的蓋體分離器，在密閉條件下同時(shí)打開(kāi)多只試管蓋，并將試管蓋送入管蓋收集器。氣溶膠引排倉(cāng)自動(dòng)排出開(kāi)蓋瞬間在開(kāi)啟倉(cāng)產(chǎn)生的氣溶膠。其結(jié)構(gòu)示意圖,見(jiàn)圖1。

1.2 試管架載車

試管架載車包括載車體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速變換器、傳動(dòng)齒輪。帶蓋試管的試管架裝入架載車時(shí)試管架穩(wěn)固地卡在車上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)架載車將試管送入開(kāi)啟倉(cāng)進(jìn)行開(kāi)蓋。開(kāi)蓋完成后試管架載車自動(dòng)移出倉(cāng)外。

圖1 自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 蓋體分離器

蓋體分離器主要由位置檢測(cè)器、管蓋開(kāi)啟器和試管鎖緊器等部件組成。位置檢測(cè)器檢測(cè)到架載車移入管蓋開(kāi)啟倉(cāng)的準(zhǔn)確位置，為控制電路提供管蓋開(kāi)啟命令信號(hào)。試管鎖緊器的功能是在管蓋開(kāi)啟前將試管牢固鎖緊，保證管體不受管蓋開(kāi)啟過(guò)程隨動(dòng)。管蓋開(kāi)啟器完成管蓋開(kāi)啟動(dòng)作，將分離后的管蓋保持在開(kāi)啟器上。架載車將開(kāi)蓋后的試管移出倉(cāng)外后，分離器整個(gè)機(jī)構(gòu)復(fù)位并將管蓋撥入管蓋收集器。

1.4 管蓋收集器

試管開(kāi)啟過(guò)程中所打開(kāi)的管帽，由管蓋收集器收集。管蓋收集器為已被開(kāi)啟試管蓋的盛裝容器，收集器裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速變換器、傳動(dòng)齒輪，可以受控移動(dòng)。

1.5 氣溶膠引排倉(cāng)

設(shè)備的引排過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)在氣溶膠引排倉(cāng)。引排倉(cāng)下部設(shè)有新鮮空氣入口。底部設(shè)有引排風(fēng)機(jī)。上部設(shè)置混合氣濾網(wǎng)和消毒回氣濾網(wǎng)。濾網(wǎng)上部裝有消毒用紫外線燈。根據(jù)流體力學(xué)的原理，自動(dòng)開(kāi)蓋機(jī)引排過(guò)濾系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，氣體流向引排倉(cāng)出口，引排倉(cāng)內(nèi)由于氣流作用產(chǎn)生負(fù)壓，而引排倉(cāng)外形成正壓。設(shè)備在開(kāi)蓋時(shí)產(chǎn)生的有毒生物氣溶膠被倉(cāng)內(nèi)與倉(cāng)外的壓差吸進(jìn)引排倉(cāng)。新鮮空氣入口流入的新鮮空氣與有毒氣溶膠被引排風(fēng)機(jī)的流動(dòng)氣流，送到混合氣濾網(wǎng)過(guò)濾。混合氣濾網(wǎng)將有毒生物氣溶膠過(guò)濾后，紫外線對(duì)濾后氣體殺毒，形成無(wú)毒氣體[1]。處理后的氣體一部分由頂部排出，一部分由回氣濾網(wǎng)回氣到開(kāi)啟倉(cāng)。開(kāi)啟倉(cāng)相對(duì)于引排倉(cāng)始終為正壓狀態(tài)，引排倉(cāng)內(nèi)被引排的氣溶膠無(wú)法直接擴(kuò)散到開(kāi)啟倉(cāng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引排倉(cāng)防氣溶膠擴(kuò)散的性能和濾網(wǎng)濾菌及紫外線殺菌的效果好。氣溶膠的分散介質(zhì)是氣體，氣體的粘度小，分散相與分散介質(zhì)的密度差很大，質(zhì)點(diǎn)相碰時(shí)極易粘結(jié)，在氣溶膠和混合氣體攜帶的粒子通過(guò)濾網(wǎng)時(shí)，形成小粒子間的碰撞、凝聚、聚合吸附在過(guò)濾網(wǎng)上從而排出過(guò)濾后的氣體。引排倉(cāng)濾網(wǎng)上部空間的紫外線消毒燈可將過(guò)濾后的氣體進(jìn)一步潔凈。過(guò)濾網(wǎng)是一種一次性使用的過(guò)濾設(shè)施,根據(jù)設(shè)備使用情況需定期檢測(cè)更換,否則,就會(huì)造成生物危險(xiǎn)。

2 開(kāi)蓋機(jī)的控制流程

本機(jī)為典型的順序控制系統(tǒng),動(dòng)作周期由可編程序控制器PLC進(jìn)行。PLC具有可靠、抗擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已成為替代傳統(tǒng)繼電接觸器控制線路的升級(jí)換代產(chǎn)品。本系統(tǒng)采用可編程控制器PLC為控制核心，電動(dòng)機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)，磁電傳感器、光電傳感器為檢測(cè)元件的電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)蓋機(jī)多只試管同時(shí)開(kāi)啟的自動(dòng)控制。

設(shè)備設(shè)有“啟動(dòng)/關(guān)閉”按鈕。按動(dòng)“啟動(dòng)/關(guān)閉”按鈕設(shè)備啟動(dòng)，啟動(dòng)以后開(kāi)關(guān)自鎖，一直保持到再次按動(dòng)“啟動(dòng)/關(guān)閉”按鈕設(shè)備關(guān)閉。設(shè)備啟動(dòng)至關(guān)閉的整個(gè)過(guò)程中，氣溶膠引排倉(cāng)引排電機(jī)連續(xù)保持運(yùn)轉(zhuǎn)使引排倉(cāng)始終處于引排工作狀態(tài)。設(shè)備進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)后，首先檢測(cè)蓋體分離器是否處于復(fù)位狀態(tài)。如果蓋體分離器為非復(fù)位，設(shè)備將重復(fù)使分離器復(fù)位或排除設(shè)備故障。蓋體分離器被檢測(cè)確定處于復(fù)位狀態(tài)后，設(shè)備自動(dòng)將管蓋開(kāi)啟倉(cāng)倉(cāng)門打開(kāi)，架載車由倉(cāng)內(nèi)移出，并由檢測(cè)器檢測(cè)移出是否到位。移出到位的定位，必須保證架載車位置絕對(duì)移出試管開(kāi)啟倉(cāng)，避免設(shè)備清除試管蓋動(dòng)作時(shí)污染架載車上已開(kāi)蓋的試管。到位后設(shè)備進(jìn)入試管裝入等待狀態(tài)。

系統(tǒng)中順序執(zhí)行元件每完成一個(gè)動(dòng)作都會(huì)通過(guò)傳感器發(fā)給PLC一個(gè)確定信號(hào)，以確認(rèn)該動(dòng)作已經(jīng)完成。如當(dāng)試管架放入試管架載車并自動(dòng)穩(wěn)固后，檢測(cè)裝載的傳感器通過(guò)檢測(cè)電路會(huì)發(fā)出已經(jīng)裝載信號(hào)。只有在確定已裝載狀態(tài)下，按動(dòng)移入按鈕設(shè)備才會(huì)在后續(xù)動(dòng)作中實(shí)施對(duì)試管的自動(dòng)開(kāi)蓋。架載車移入進(jìn)倉(cāng)到位時(shí)，位置傳感器發(fā)出確定到位的信號(hào)，蓋體分離器才置位將帶蓋試管的管部鎖緊，執(zhí)行對(duì)管蓋的開(kāi)啟。試管開(kāi)蓋完成后自動(dòng)解鎖，啟動(dòng)架載車外移。架載車外移到位時(shí)，外移到位檢測(cè)傳感器發(fā)出到位信號(hào)，蓋體分離器將已分離的試管蓋撥落至設(shè)備下方的管蓋收集器中。收集器設(shè)置獨(dú)立的手動(dòng)按鈕,以方便對(duì)管蓋隨時(shí)清理。架載車為空時(shí)，傳感器發(fā)出空載信號(hào)。此時(shí)按動(dòng)移入按鈕無(wú)效，設(shè)備不執(zhí)行后續(xù)自動(dòng)開(kāi)蓋動(dòng)作。如果需要關(guān)閉設(shè)備，只有在傳感器發(fā)出載車空載的信號(hào)時(shí)，按動(dòng)“啟動(dòng)/關(guān)閉”按鈕才能有效將設(shè)備關(guān)閉。否則關(guān)機(jī)按鈕無(wú)效。其程序流程，見(jiàn)圖2。

開(kāi)蓋機(jī)工作時(shí)序圖，見(jiàn)圖3。多管同啟自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)開(kāi)啟后的啟動(dòng)復(fù)位時(shí)間2 s，是設(shè)備工作初始熱機(jī)。開(kāi)蓋執(zhí)行與復(fù)位執(zhí)行總時(shí)間為5.6 s，是設(shè)備工作的時(shí)序周期。關(guān)機(jī)延時(shí)8 s自動(dòng)斷電。設(shè)備的平均開(kāi)蓋能力40～60只/8s，平均工作效率6只/s，工作效率極高。設(shè)備的控制完全處于自動(dòng)控制狀態(tài)，并設(shè)有臨時(shí)出錯(cuò)或故障提示處理電路。

圖3 開(kāi)蓋工作時(shí)序圖

3 設(shè)備的用途及功能

實(shí)驗(yàn)室中許多操作過(guò)程可以產(chǎn)生微生物氣溶膠，并隨空氣擴(kuò)散而污染實(shí)驗(yàn)室的空氣，當(dāng)工作人員吸入了污染的空氣，便可以引起實(shí)驗(yàn)室相關(guān)感染[2]。多管同啟自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)應(yīng)用于醫(yī)院檢驗(yàn)科、實(shí)驗(yàn)室、血庫(kù)采血等，其重要作用是將試管開(kāi)蓋操作過(guò)程中產(chǎn)生的氣溶膠等危險(xiǎn)粒子過(guò)濾掉，達(dá)到保護(hù)樣品、避免樣品間的交叉污染和防止生物危險(xiǎn)粒子危害試驗(yàn)操作者的目的。同時(shí)也避免試驗(yàn)操作過(guò)程中樣品產(chǎn)生的氣溶膠等危險(xiǎn)粒子直接排放到環(huán)境中。

氣溶膠是由懸浮于氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)微小粒子形成的相對(duì)穩(wěn)定的分散體系，其粒徑一般為0.001～100 μm[3]。微生物氣溶膠對(duì)人類的生命健康有極大影響,全球因微生物氣溶膠引起的呼吸道感染率高達(dá)20%,世界上約有500多種致病菌,經(jīng)氣溶膠傳播的至少有100多種，（Hedenl%7），占首位[4]。實(shí)驗(yàn)室生物氣溶膠中可能有存活的細(xì)菌、病毒、真菌或其他有機(jī)病原體。目前使用的逐個(gè)單只開(kāi)蓋的試管開(kāi)蓋機(jī),雖然脫離了手工開(kāi)蓋操作，減少了手工操作的污染，但卻無(wú)法防止開(kāi)蓋執(zhí)行的過(guò)程污染。因其鏈帶傳動(dòng)的未開(kāi)蓋與已經(jīng)開(kāi)蓋試管處于同一個(gè)封閉罩中，執(zhí)行開(kāi)蓋過(guò)程時(shí)試管蓋帽非同時(shí)一次分離。氣溶膠釋放于開(kāi)蓋的瞬時(shí)，已開(kāi)蓋的試管會(huì)受到未開(kāi)蓋試管的開(kāi)蓋過(guò)程污染。PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)的自動(dòng)開(kāi)蓋過(guò)程，是在密閉的試管蓋開(kāi)啟倉(cāng)中將多只試管的管體和蓋帽全部一次分離，開(kāi)蓋過(guò)程氣溶膠被同時(shí)引排，避免交叉感染、氣溶膠損害。這種功能效果，無(wú)論手工開(kāi)蓋或逐個(gè)單只開(kāi)蓋機(jī)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到。開(kāi)蓋過(guò)程中產(chǎn)生的氣溶膠和混合氣體通過(guò)濾網(wǎng)和消毒處理，確保引排倉(cāng)口的氣體達(dá)到一定的潔凈度再放回空氣中，使設(shè)備外部空間得到保持。

4 結(jié)論

生物氣溶膠在大氣中的擴(kuò)散、傳播會(huì)引發(fā)人類的急慢性疾病以及動(dòng)植物疾病。SARS的爆發(fā)，使得有關(guān)氣溶膠病毒的研究大大增加[5]，并且成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)。試管開(kāi)蓋產(chǎn)生的生物氣溶膠是不可忽視的污染物。實(shí)驗(yàn)室生物安全管理隱患造成的現(xiàn)實(shí)損害,給各類生物安全實(shí)驗(yàn)室及生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全防護(hù)問(wèn)題敲響了警鐘[6]。而血液、體液等都是病毒、細(xì)菌等多種病原體的傳播載體，具有極大生物危險(xiǎn)的感染性致病因子，無(wú)論是直接感染，還是間接地散播到環(huán)境中去，對(duì)人類社會(huì)、動(dòng)物或植物都是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的或潛在的危險(xiǎn)。PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)在實(shí)驗(yàn)室常規(guī)操作中的應(yīng)用可極大防止或減少危險(xiǎn)的產(chǎn)生。PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)的功能實(shí)現(xiàn)，是電子自控技術(shù)在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)分析檢驗(yàn)領(lǐng)域新應(yīng)用，不僅提高工作人員的安全和環(huán)境污染的安全，同時(shí)防止了帶有多種病原體生物氣溶膠對(duì)試管分析樣品的相互污染。采用PJ-1自動(dòng)試管開(kāi)蓋機(jī)與之逐個(gè)單只開(kāi)蓋的試管開(kāi)蓋機(jī)相比大大提高了工作效率。平均工作效率6只/s，大幅度沖破了單只秒級(jí)開(kāi)蓋時(shí)間?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)分析檢驗(yàn)試管開(kāi)蓋操作量迅速增加，開(kāi)發(fā)與其發(fā)展所適合的高效率安全化的自動(dòng)化試管開(kāi)蓋技術(shù)勢(shì)在必行。

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