全自動生化分析儀試劑倉穩(wěn)態(tài)溫度場分析

寧波美康盛德生物科技有限公司 肖尚清

0 引言

過去在生化檢驗方面，主要采用手工添加試劑和樣品的方式進行生化分析儀操作，儀器檢測結(jié)果容易受到醫(yī)生操作的影響。而采用全自動生化分析儀，可以實現(xiàn)自動取樣和試劑添加，所以能夠減少人為因素對檢測結(jié)果干擾，有效提高生化檢測精度和效率。但從實踐工作開展情況來看，采用全自動生化分析儀，時常因為試劑存放溫度問題導致試劑變質(zhì)，繼而影響檢測結(jié)果。因此，還應(yīng)加強全自動生化分析儀試劑倉穩(wěn)態(tài)溫度場分析，以便更好的加強試劑存放管理。

1 全自動生化分析儀試劑倉溫度控制的重要性

在全自動生化分析儀中，試劑倉用于進行診斷試劑的存放。使用期間，試劑開瓶后需要在試劑倉中進行長時間存放。如果試劑倉存儲溫度不符合要求，就會導致診斷試劑損壞，無法得到正確的檢測結(jié)果。按照要求，生物試劑需要在2-8℃條件下存儲，應(yīng)避免冷凍或光照，所以需要將存放試劑的試劑倉溫度控制在2-8℃之間。但就實際情況來看，常常出現(xiàn)試劑存放后質(zhì)控值異常的情況，導致儀器檢測結(jié)果不合格。通常情況下，在全自動生化分析儀的試劑倉內(nèi)，試劑盤具有一定的絕熱性[1]。但是試劑倉內(nèi)同時存在空氣流動，因此試劑倉內(nèi)溫度受試劑盤結(jié)構(gòu)、隔熱材料、換熱、熱源等因素的影響。為實現(xiàn)對試劑倉溫度的有效控制，還要實現(xiàn)對各種復雜因素的考慮，從而加強對試劑倉溫度場分布規(guī)律、優(yōu)化等問題的分析。

2 全自動生化分析儀試劑倉的穩(wěn)態(tài)溫度場分析

試劑倉溫度控制問題實際為流體動力學問題，需要對時間域和空間域都連續(xù)的物理量展開分析，利用對應(yīng)變量離散點的有限集合進行原始物理量的替代，完成相應(yīng)數(shù)學方程建立，從而對變量間的關(guān)系進行求解，得到相關(guān)物理變量的近似值。在試劑倉溫度控制方面，還要采用ANSYS CFX軟件對試劑倉的溫度場進行分析，建立相應(yīng)的溫度場模型，利用軟件提供的全隱式耦合算法完成有限元分析。相較于其他軟件，采用該軟件解決流體力學問題，可以在復雜幾何網(wǎng)格中完成模型有限元分析，具有計算穩(wěn)定、靈活性高和結(jié)果精確等優(yōu)點。聯(lián)合采用其他模型，則能用于分析工業(yè)流動等復雜流場，完成物理場耦合處理。因此，還要采用該軟件建立試劑倉穩(wěn)態(tài)溫度場的模型和實現(xiàn)數(shù)值模擬分析。

2.1 建立分析模型

在建立分析模型時，還要結(jié)合試劑倉溫度控制原理完成相應(yīng)物理模型的構(gòu)建。在實際工作過程中，試劑倉中內(nèi)膽會在電機帶動下進行轉(zhuǎn)動。在試劑盤外圍，為減少內(nèi)外空氣的熱交換，利用保溫棉貼在壁外圍。在試劑盤蓋位置，利用風扇加速空氣對流，對倉內(nèi)空氣進行混合。試劑倉內(nèi)底部安裝的制冷器負責進行0℃低溫的提供，可以利用鋁板進行熱傳導，促使試劑倉內(nèi)空氣溫度降低，達到控制試劑倉溫度的目的。在試劑倉進風口位置，氣體進入后會沿著盤內(nèi)側(cè)和內(nèi)膽壁面流動，促使內(nèi)部空氣發(fā)生強對流，使內(nèi)部溫度保持均勻[2]。在模型建立的過程中，試劑倉內(nèi)的熱源只有制冷器，無其他熱輻射或熱傳導現(xiàn)象。而鋁板比熱容為897J/kg·k，空氣為1012J/kg·k，因此導熱系數(shù)比空氣要大。此外，為簡化問題，還要忽略試劑盤外空氣與試劑倉發(fā)生的熱傳導等現(xiàn)象?？紤]到試劑倉擁有復雜的結(jié)構(gòu)，需要假設(shè)其內(nèi)部空氣無法壓縮，同時滿足Boussinesp假設(shè)。同時，應(yīng)當假設(shè)試劑倉出進、出風口位置，其他部分無空氣泄漏情況，內(nèi)部空氣流動可以形成穩(wěn)態(tài)湍流。綜合考慮這些因素，還要采用k-ε模型展開仿真分析，并且部隊模型流體和非流體交界面進行熱流密度和對流邊界條件的施加。采用SolidWorks軟件，可以進行試劑倉三維模型的建立。通過將模型導入有限元分析軟件中，能夠采用DM模塊得到試劑倉內(nèi)部空氣流體模型。針對該模型，需要進行材料屬性的設(shè)定。由于熱源只有一個，因此在網(wǎng)格劃分中需要對倉內(nèi)鋁板模型和空氣流體模型進行保留，分別為流體域和固體域。而對固體域和流體域的熱傳導問題進行聯(lián)合分析，還要采用整場離散和求解的方法，即采用控制方程同時對兩個區(qū)域進行分析，忽略耦合界面問題[3]。采用整場分析法，無需進行反復迭代得到的結(jié)果與分開求解相差不大，因此依然能夠?qū)崿F(xiàn)高精度求解，并使求解速度得到提高。此外，采用整場離散的方法完成數(shù)值模擬分析，也能保證結(jié)果的連續(xù)性。采用該種方法進行網(wǎng)格劃分，得到的模型共有超出23萬個網(wǎng)格節(jié)點，并擁有多于14萬的單元數(shù)量。

2.2 數(shù)值模擬條件

在數(shù)值模擬分析方面，還要完成邊界條件的設(shè)定。針對流體域，需要將材料設(shè)定為25℃的空氣，熱對流系數(shù)為0.025W/m·K，采用Thermal energy方式進行熱傳導。而試劑倉環(huán)境溫度為25℃，入口溫度為4℃，出口至與外界相同，壓力為1個標準大氣壓，相對壓力為0，湍流模型采用K-Ep-silon。固體域同樣采用Thermal energy方式實現(xiàn)熱傳導，鋁材導熱系數(shù)為237W/m·K，熱源為0℃。針對固體域，為實現(xiàn)倉內(nèi)溫度場的正確求解，還要使空氣耦合界面與制冷器保持連續(xù)，因此制冷器比熱容應(yīng)當為空氣比熱容值[4]。針對入口流速，需要分別設(shè)定為0、0.5、1、2、4、8m/s。針對溫度控制方程，還要采用有限體積法進行離散。針對湍流數(shù)值和對流項，還要設(shè)置為高分辨率格式。此外，時間尺度為自動生成的，殘差為RMS性1.E-5。在分析過程中，應(yīng)將迭代步數(shù)最大設(shè)定為100。通過模擬分析，可以得到各流速下設(shè)備溫度場分布結(jié)果。針對耦合界面上的擴散系數(shù)，需要通過調(diào)和平均獲得更高的求解精度。

2.3 數(shù)值模擬過程

從實驗仿真過程來看，在試劑倉內(nèi)，流體會以復雜的曲線進行流動，會沿著壁面向出口位置流動，并在遇到內(nèi)膽時折返。在試劑存放位置的最低面流過后，流體會沿著壁面向出口流動。從入口開始，流體流速不斷降低，最高為8m/s，最低為5.01m/s。實現(xiàn)0℃熱源加載，艙內(nèi)空氣溫度會分層，即頂層溫度最高達到7℃，底層最低達到0℃，將產(chǎn)生8℃的溫差，不利于試劑存儲。啟動小型風扇，在風速為0.5m/s時，倉內(nèi)溫度依然分層。在風速達到1m/s后，倉內(nèi)空氣開始混合，促使試劑盤底部溫度在3-4℃范圍內(nèi)。由此可以認為，加快入口流速可以使空氣均勻混合，減少空氣分層現(xiàn)象的產(chǎn)生。而在風速在1-4m/s間，倉內(nèi)溫差均不明顯。但是隨著風扇功率的提升，也將產(chǎn)生一定的熱量，因此還要將風速設(shè)定為1m/s。

2.4 實驗仿真分析

2.4.1 仿真條件

為驗證數(shù)值模擬分析結(jié)果是否正確，還要進行仿真分析，在試劑倉內(nèi)完成多個溫度監(jiān)測點的布置，利用NTC熱敏電阻和數(shù)顯溫度控制器進行測溫。采取該種溫度控制器，在-10到50℃范圍內(nèi)，溫度測定結(jié)果精度能夠達到0.1℃，分辨率能夠達到0.1℃。在離鋁板565126mm位置處，需要完成傳感器的布置。布置的監(jiān)測點共16個。在制冷器啟動3h后，需要對無風速和風速為1m/s條件下的倉內(nèi)溫度進行監(jiān)測，結(jié)合各監(jiān)測點監(jiān)測結(jié)果驗證數(shù)值模擬分析結(jié)果。

2.4.2 仿真結(jié)果

從結(jié)果來看，無風條件下，試劑倉內(nèi)溫度出現(xiàn)了分層情況，頂層溫度較之同側(cè)底層溫度要高，底層溫度傳感器監(jiān)測得到的數(shù)值平均約為2℃，中層平均為6℃，頂層平均為7℃，存在較大的溫差。從這些數(shù)據(jù)可知，在無風條件下，仿真結(jié)果符合數(shù)值模擬分析得到的規(guī)律，整個試劑倉的溫度場并非穩(wěn)態(tài)，靠近制冷源的底層溫度較低，頂層則是受到到風口與外界連通這一因素的影響，因此溫度較高。在風速為1m/s條件下，倉內(nèi)溫度分層現(xiàn)象依然存在，但是溫差不大。從仿真結(jié)果來看，頂層溫度較高，達到了5.2℃，底層溫度較低，達到了3.6℃，中層溫度則在4℃左右。在同側(cè)，溫差大小不超出1.4℃。從仿真結(jié)果來看，得到的溫度場接近穩(wěn)態(tài)，基本符合數(shù)值模擬分析得到的規(guī)律。而之所以會存在一定的差異，主要是由于試劑倉的密封性、隔熱性等各方面無法達到理想狀態(tài)。實際上，現(xiàn)階段之所以一些全自動生化分析儀會出現(xiàn)試劑倉溫度場非穩(wěn)態(tài)狀況，就是由于僅在試劑倉底部進行了制冷器安裝，卻未能進行風扇安裝，導致倉內(nèi)空間不流通，出現(xiàn)了溫差較大的問題。相較于底部，試劑倉頂部存在出風口，用于進行試劑提取，容易出現(xiàn)溫度無法滿足試劑存儲條件的問題。因此針對這一問題，還要在儀器設(shè)計中進行小型風扇加裝，并通過設(shè)定合理風速得到穩(wěn)態(tài)溫度場，繼而使試劑倉溫度得到有效控制。

3 結(jié)論

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，全自動生化分析儀的試劑倉能否維持穩(wěn)態(tài)溫度場，將對試劑存放和儀器檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。而采用有限元軟件對儀器試劑倉進行建模和仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，通過在試劑倉內(nèi)加裝風扇，并將風速控制在1m/s左右，可以得到接近穩(wěn)態(tài)的溫度場，避免試劑倉內(nèi)發(fā)生溫度分層問題，因此可以較好的滿足試劑倉的存儲條件要求。

[1]夏云成,孫寧,肖廣兵.基于STM32處理器的網(wǎng)絡(luò)化生化分析儀的設(shè)計[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2014,29(01):21-25.

[2]王青,蔡永梅,王志偉等.Dimension RxL Max全自動生化分析儀校準程序的建立及應(yīng)用[J].寧夏醫(yī)科大學學報,2013,35(10):1187-1190.

[3]林霞.全自動生化分析儀試劑添加方式對實驗結(jié)果的影響[J].檢驗醫(yī)學與臨床,2013,10(08):1010-1012.

[4]冷雪,周九飛,付金寶等.基于DSP的生化分析儀溫控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量與儀器學報,2011,25(04):360-365.