全自动生化分析仪试剂仓稳态温度场分析

宁波美康盛德生物科技有限公司 肖尚清

0 引言

过去在生化检验方面，主要采用手工添加试剂和样品的方式进行生化分析仪操作，仪器检测结果容易受到医生操作的影响。而采用全自动生化分析仪，可以实现自动取样和试剂添加，所以能够减少人为因素对检测结果干扰，有效提高生化检测精度和效率。但从实践工作开展情况来看，采用全自动生化分析仪，时常因为试剂存放温度问题导致试剂变质，继而影响检测结果。因此，还应加强全自动生化分析仪试剂仓稳态温度场分析，以便更好的加强试剂存放管理。

1 全自动生化分析仪试剂仓温度控制的重要性

在全自动生化分析仪中，试剂仓用于进行诊断试剂的存放。使用期间，试剂开瓶后需要在试剂仓中进行长时间存放。如果试剂仓存储温度不符合要求，就会导致诊断试剂损坏，无法得到正确的检测结果。按照要求，生物试剂需要在2-8℃条件下存储，应避免冷冻或光照，所以需要将存放试剂的试剂仓温度控制在2-8℃之间。但就实际情况来看，常常出现试剂存放后质控值异常的情况，导致仪器检测结果不合格。通常情况下，在全自动生化分析仪的试剂仓内，试剂盘具有一定的绝热性[1]。但是试剂仓内同时存在空气流动，因此试剂仓内温度受试剂盘结构、隔热材料、换热、热源等因素的影响。为实现对试剂仓温度的有效控制，还要实现对各种复杂因素的考虑，从而加强对试剂仓温度场分布规律、优化等问题的分析。

2 全自动生化分析仪试剂仓的稳态温度场分析

试剂仓温度控制问题实际为流体动力学问题，需要对时间域和空间域都连续的物理量展开分析，利用对应变量离散点的有限集合进行原始物理量的替代，完成相应数学方程建立，从而对变量间的关系进行求解，得到相关物理变量的近似值。在试剂仓温度控制方面，还要采用ANSYS CFX软件对试剂仓的温度场进行分析，建立相应的温度场模型，利用软件提供的全隐式耦合算法完成有限元分析。相较于其他软件，采用该软件解决流体力学问题，可以在复杂几何网格中完成模型有限元分析，具有计算稳定、灵活性高和结果精确等优点。联合采用其他模型，则能用于分析工业流动等复杂流场，完成物理场耦合处理。因此，还要采用该软件建立试剂仓稳态温度场的模型和实现数值模拟分析。

2.1 建立分析模型

在建立分析模型时，还要结合试剂仓温度控制原理完成相应物理模型的构建。在实际工作过程中，试剂仓中内胆会在电机带动下进行转动。在试剂盘外围，为减少内外空气的热交换，利用保温棉贴在壁外围。在试剂盘盖位置，利用风扇加速空气对流，对仓内空气进行混合。试剂仓内底部安装的制冷器负责进行0℃低温的提供，可以利用铝板进行热传导，促使试剂仓内空气温度降低，达到控制试剂仓温度的目的。在试剂仓进风口位置，气体进入后会沿着盘内侧和内胆壁面流动，促使内部空气发生强对流，使内部温度保持均匀[2]。在模型建立的过程中，试剂仓内的热源只有制冷器，无其他热辐射或热传导现象。而铝板比热容为897J/kg·k，空气为1012J/kg·k，因此导热系数比空气要大。此外，为简化问题，还要忽略试剂盘外空气与试剂仓发生的热传导等现象。考虑到试剂仓拥有复杂的结构，需要假设其内部空气无法压缩，同时满足Boussinesp假设。同时，应当假设试剂仓出进、出风口位置，其他部分无空气泄漏情况，内部空气流动可以形成稳态湍流。综合考虑这些因素，还要采用k-ε模型展开仿真分析，并且部队模型流体和非流体交界面进行热流密度和对流边界条件的施加。采用SolidWorks软件，可以进行试剂仓三维模型的建立。通过将模型导入有限元分析软件中，能够采用DM模块得到试剂仓内部空气流体模型。针对该模型，需要进行材料属性的设定。由于热源只有一个，因此在网格划分中需要对仓内铝板模型和空气流体模型进行保留，分别为流体域和固体域。而对固体域和流体域的热传导问题进行联合分析，还要采用整场离散和求解的方法，即采用控制方程同时对两个区域进行分析，忽略耦合界面问题[3]。采用整场分析法，无需进行反复迭代得到的结果与分开求解相差不大，因此依然能够实现高精度求解，并使求解速度得到提高。此外，采用整场离散的方法完成数值模拟分析，也能保证结果的连续性。采用该种方法进行网格划分，得到的模型共有超出23万个网格节点，并拥有多于14万的单元数量。

2.2 数值模拟条件

在数值模拟分析方面，还要完成边界条件的设定。针对流体域，需要将材料设定为25℃的空气，热对流系数为0.025W/m·K，采用Thermal energy方式进行热传导。而试剂仓环境温度为25℃，入口温度为4℃，出口至与外界相同，压力为1个标准大气压，相对压力为0，湍流模型采用K-Ep-silon。固体域同样采用Thermal energy方式实现热传导，铝材导热系数为237W/m·K，热源为0℃。针对固体域，为实现仓内温度场的正确求解，还要使空气耦合界面与制冷器保持连续，因此制冷器比热容应当为空气比热容值[4]。针对入口流速，需要分别设定为0、0.5、1、2、4、8m/s。针对温度控制方程，还要采用有限体积法进行离散。针对湍流数值和对流项，还要设置为高分辨率格式。此外，时间尺度为自动生成的，残差为RMS性1.E-5。在分析过程中，应将迭代步数最大设定为100。通过模拟分析，可以得到各流速下设备温度场分布结果。针对耦合界面上的扩散系数，需要通过调和平均获得更高的求解精度。

2.3 数值模拟过程

从实验仿真过程来看，在试剂仓内，流体会以复杂的曲线进行流动，会沿着壁面向出口位置流动，并在遇到内胆时折返。在试剂存放位置的最低面流过后，流体会沿着壁面向出口流动。从入口开始，流体流速不断降低，最高为8m/s，最低为5.01m/s。实现0℃热源加载，舱内空气温度会分层，即顶层温度最高达到7℃，底层最低达到0℃，将产生8℃的温差，不利于试剂存储。启动小型风扇，在风速为0.5m/s时，仓内温度依然分层。在风速达到1m/s后，仓内空气开始混合，促使试剂盘底部温度在3-4℃范围内。由此可以认为，加快入口流速可以使空气均匀混合，减少空气分层现象的产生。而在风速在1-4m/s间，仓内温差均不明显。但是随着风扇功率的提升，也将产生一定的热量，因此还要将风速设定为1m/s。

2.4 实验仿真分析

2.4.1 仿真条件

为验证数值模拟分析结果是否正确，还要进行仿真分析，在试剂仓内完成多个温度监测点的布置，利用NTC热敏电阻和数显温度控制器进行测温。采取该种温度控制器，在-10到50℃范围内，温度测定结果精度能够达到0.1℃，分辨率能够达到0.1℃。在离铝板565126mm位置处，需要完成传感器的布置。布置的监测点共16个。在制冷器启动3h后，需要对无风速和风速为1m/s条件下的仓内温度进行监测，结合各监测点监测结果验证数值模拟分析结果。

2.4.2 仿真结果

从结果来看，无风条件下，试剂仓内温度出现了分层情况，顶层温度较之同侧底层温度要高，底层温度传感器监测得到的数值平均约为2℃，中层平均为6℃，顶层平均为7℃，存在较大的温差。从这些数据可知，在无风条件下，仿真结果符合数值模拟分析得到的规律，整个试剂仓的温度场并非稳态，靠近制冷源的底层温度较低，顶层则是受到到风口与外界连通这一因素的影响，因此温度较高。在风速为1m/s条件下，仓内温度分层现象依然存在，但是温差不大。从仿真结果来看，顶层温度较高，达到了5.2℃，底层温度较低，达到了3.6℃，中层温度则在4℃左右。在同侧，温差大小不超出1.4℃。从仿真结果来看，得到的温度场接近稳态，基本符合数值模拟分析得到的规律。而之所以会存在一定的差异，主要是由于试剂仓的密封性、隔热性等各方面无法达到理想状态。实际上，现阶段之所以一些全自动生化分析仪会出现试剂仓温度场非稳态状况，就是由于仅在试剂仓底部进行了制冷器安装，却未能进行风扇安装，导致仓内空间不流通，出现了温差较大的问题。相较于底部，试剂仓顶部存在出风口，用于进行试剂提取，容易出现温度无法满足试剂存储条件的问题。因此针对这一问题，还要在仪器设计中进行小型风扇加装，并通过设定合理风速得到稳态温度场，继而使试剂仓温度得到有效控制。

3 结论

通过研究可以发现，全自动生化分析仪的试剂仓能否维持稳态温度场，将对试剂存放和仪器检测结果产生较大影响。而采用有限元软件对仪器试剂仓进行建模和仿真分析可以发现，通过在试剂仓内加装风扇，并将风速控制在1m/s左右，可以得到接近稳态的温度场，避免试剂仓内发生温度分层问题，因此可以较好的满足试剂仓的存储条件要求。

[1]夏云成,孙宁,肖广兵.基于STM32处理器的网络化生化分析仪的设计[J].中国医疗设备,2014,29(01):21-25.

[2]王青,蔡永梅,王志伟等.Dimension RxL Max全自动生化分析仪校准程序的建立及应用[J].宁夏医科大学学报,2013,35(10):1187-1190.

[3]林霞.全自动生化分析仪试剂添加方式对实验结果的影响[J].检验医学与临床,2013,10(08):1010-1012.

[4]冷雪,周九飞,付金宝等.基于DSP的生化分析仪温控系统设计[J].电子测量与仪器学报,2011,25(04):360-365.