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(yàn)方面，主要采用手工添加試劑和樣品的方式進(jìn)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(dòng)生化分析儀，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣和試劑添加，所以能夠減少人為因素對(duì)檢測結(jié)果干擾，有效提高生化檢測精度和效率。但從實(shí)踐工作開展情況來看，采用全自動(dòng)生化分析儀，時(shí)常因?yàn)樵噭┐娣艤囟葐栴}導(dǎo)致試劑變質(zhì)，繼而影響檢測結(jié)果。因此，還應(yīng)加強(qiáng)全自動(dòng)生化分析儀試劑倉穩(wěn)態(tài)溫度場分析，以便更好的加強(qiáng)試劑存放管理。

1 全自動(dòng)生化分析儀試劑倉溫度控制的重要性

在全自動(dòng)生化分析儀中，試劑倉用于進(jìn)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(jìn)行長時(shí)間存放。如果試劑倉存儲(chǔ)溫度不符合要求，就會(huì)導(dǎo)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(chǔ)，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(shí)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(dǎo)致儀器檢測結(jié)果不合格。通常情況下，在全自動(dòng)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(shí)存在空氣流動(dòng)，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(shí)現(xiàn)對(duì)試劑倉溫度的有效控制，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜因素的考慮，從而加強(qiáng)對(duì)試劑倉溫度場分布規(guī)律、優(yōu)化等問題的分析。

2 全自動(dòng)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(shí)際為流體動(dòng)力學(xué)問題，需要對(duì)時(shí)間域和空間域都連續(xù)的物理量展開分析，利用對(duì)應(yīng)變量離散點(diǎn)的有限集合進(jìn)行原始物理量的替代，完成相應(yīng)數(shù)學(xué)方程建立，從而對(duì)變量間的關(guān)系進(jìn)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(duì)試劑倉的溫度場進(jìn)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(xué)問題，可以在復(fù)雜幾何網(wǎng)格中完成模型有限元分析，具有計(jì)算穩(wěn)定、靈活性高和結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)。聯(lián)合采用其他模型，則能用于分析工業(yè)流動(dòng)等復(fù)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(shí)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(shí)，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(shí)際工作過程中，試劑倉中內(nèi)膽會(huì)在電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。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(fēng)扇加速空氣對(duì)流，對(duì)倉內(nèi)空氣進(jìn)行混合。試劑倉內(nèi)底部安裝的制冷器負(fù)責(zé)進(jìn)行0℃低溫的提供，可以利用鋁板進(jìn)行熱傳導(dǎo)，促使試劑倉內(nèi)空氣溫度降低，達(dá)到控制試劑倉溫度的目的。在試劑倉進(jìn)風(fēng)口位置，氣體進(jìn)入后會(huì)沿著盤內(nèi)側(cè)和內(nèi)膽壁面流動(dòng)，促使內(nèi)部空氣發(fā)生強(qiáng)對(duì)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(dǎo)現(xiàn)象。而鋁板比熱容為897J/kg·k，空氣為1012J/kg·k，因此導(dǎo)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(dǎo)等現(xiàn)象。考慮到試劑倉擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要假設(shè)其內(nèi)部空氣無法壓縮，同時(shí)滿足Boussinesp假設(shè)。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)假設(shè)試劑倉出進(jìn)、出風(fēng)口位置，其他部分無空氣泄漏情況，內(nèi)部空氣流動(dòng)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(duì)模型流體和非流體交界面進(jìn)行熱流密度和對(duì)流邊界條件的施加。采用SolidWorks軟件，可以進(jìn)行試劑倉三維模型的建立。通過將模型導(dǎo)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(duì)該模型，需要進(jìn)行材料屬性的設(shè)定。由于熱源只有一個(gè)，因此在網(wǎng)格劃分中需要對(duì)倉內(nèi)鋁板模型和空氣流體模型進(jìn)行保留，分別為流體域和固體域。而對(duì)固體域和流體域的熱傳導(dǎo)問題進(jìn)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(shí)對(duì)兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析，忽略耦合界面問題[3]。采用整場分析法，無需進(jìn)行反復(fù)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(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的模型共有超出23萬個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，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(duì)流體域，需要將材料設(shè)定為25℃的空氣，熱對(duì)流系數(shù)為0.025W/m·K，采用Thermal energy方式進(jìn)行熱傳導(dǎo)。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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對(duì)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(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，鋁材導(dǎo)熱系數(shù)為237W/m·K，熱源為0℃。針對(duì)固體域，為實(shí)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(dāng)為空氣比熱容值[4]。針對(duì)入口流速，需要分別設(shè)定為0、0.5、1、2、4、8m/s。針對(duì)溫度控制方程，還要采用有限體積法進(jìn)行離散。針對(duì)湍流數(shù)值和對(duì)流項(xiàng)，還要設(shè)置為高分辨率格式。此外，時(shí)間尺度為自動(dòng)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(duì)耦合界面上的擴(kuò)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(shí)驗(yàn)仿真過程來看，在試劑倉內(nèi)，流體會(huì)以復(fù)雜的曲線進(jìn)行流動(dòng)，會(huì)沿著壁面向出口位置流動(dòng)，并在遇到內(nèi)膽時(shí)折返。在試劑存放位置的最低面流過后，流體會(huì)沿著壁面向出口流動(dòng)。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(shí)現(xiàn)0℃熱源加載，艙內(nèi)空氣溫度會(huì)分層，即頂層溫度最高達(dá)到7℃，底層最低達(dá)到0℃，將產(chǎn)生8℃的溫差，不利于試劑存儲(chǔ)。啟動(dòng)小型風(fēng)扇，在風(fēng)速為0.5m/s時(shí)，倉內(nèi)溫度依然分層。在風(fēng)速達(dá)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(rèn)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(fēng)速在1-4m/s間，倉內(nèi)溫差均不明顯。但是隨著風(fēng)扇功率的提升，也將產(chǎn)生一定的熱量，因此還要將風(fēng)速設(shè)定為1m/s。

2.4 實(shí)驗(yàn)仿真分析

2.4.1 仿真條件

為驗(yàn)證數(shù)值模擬分析結(jié)果是否正確，還要進(jìn)行仿真分析，在試劑倉內(nèi)完成多個(gè)溫度監(jiān)測點(diǎn)的布置，利用NTC熱敏電阻和數(shù)顯溫度控制器進(jìn)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(dá)到0.1℃，分辨率能夠達(dá)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(diǎn)共16個(gè)。在制冷器啟動(dòng)3h后，需要對(duì)無風(fēng)速和風(fēng)速為1m/s條件下的倉內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)合各監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)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(fēng)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(fēng)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(gè)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(fēng)口與外界連通這一因素的影響，因此溫度較高。在風(fēng)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(dá)到了5.2℃，底層溫度較低，達(dá)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(huì)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(dá)到理想狀態(tài)。實(shí)際上，現(xiàn)階段之所以一些全自動(dòng)生化分析儀會(huì)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(jìn)行了制冷器安裝，卻未能進(jìn)行風(fēng)扇安裝，導(dǎo)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(fēng)口，用于進(jìn)行試劑提取，容易出現(xiàn)溫度無法滿足試劑存儲(chǔ)條件的問題。因此針對(duì)這一問題，還要在儀器設(shè)計(jì)中進(jìn)行小型風(fēng)扇加裝，并通過設(shè)定合理風(fēng)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(dòng)生化分析儀的試劑倉能否維持穩(wěn)態(tài)溫度場，將對(duì)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(duì)儀器試劑倉進(jìn)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(fēng)扇，并將風(fēng)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(chǔ)條件要求。

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