压控型生物低温降温装置研究
作者：陈大农
单位：浙江大学附属邵逸夫医院 (310016)
关键词：低温降温；压力；控制
中国医疗器械杂志990408 提要 介绍了一种新型的通过了调节储液容器压力以达到控制降温目的的低温降温装置，并对系统的控制方案进行了探讨。
The Development of Pressure-Controlled
Cryobio-cooling System
Chen Danong
Sir Run Run Shaw Hospital attached to Zhejiang Unirersity
, http://www.100md.com
ABSTRACT In this paper,a new cooling system controlled by the pressure of LN2 container is introduced,the controlling method of this device is discussed too.
KEY WORDS Cryo cooling system Pressure Control
随着低温生物工程技术的日益发展，生物组织的低温保存在医学、生物学等领域逐步得到应用。如生殖医学中的试管婴儿，肿瘤病学中治疗白血病等恶性肿瘤等工作，都需将精子、骨髓取出，经降温处理后存入温度为-196摄氏度的液氮中作低温保存。
为了有效地低温保存生物组织，提高其存活率，必须克服低温对生物组织造成的损伤。首先，从室温到深低温的降温过程尤为重要。理论和实验表明，任何一种生物组织在低温保存处理的过程中都存在着最佳降温速度。因此，需要研制一种速率可以控制的降温设备。国内外在这一领域均开展了研究，并采用了各种方案来实现这个目标。现介绍我们研制的压控型低温生物降温装置。
, 百拇医药
1 工作原理及特点
压控型生物低温降温装置工作原理方框图如图1所示。
图1 1加压加热器 2平衡电热器 3铂电阻
冷藏室内存放需要低温处理的生物组织(如骨髓、角膜、血细胞、精子等)，铂热电阻测量冷藏室温度，经温度变送器转换成电流信导，再通过模数转换器转换成数字量输入给微机。开机工作时，微机输出给可控硅电源一个导通角初值，使安装在液氮储液容器内的加热器产生热量。在热量的作用下，瓶内液氮部分被汽化，造成容器内压力不断上升，液氮在此压力作用下，通过液氮管道进入冷藏室，从而使该室内温度不断下降。微机对冷藏室的温度按照一定的周期进行采样，计算该室的降温速率，并与预置的降温速率进行比较，得到误差信号后再进行比例-积分-微分(PID)运算，计算出控制量，将该控制量输出以调节可控硅导通角的大小，即调节储液容器内加热电流的大小，也就是调节储液容器的压力值，最终即调节喷入冷藏室内的液氮量。通过反复的闭环反馈控制，冷藏室内的降温速率误差将越来越小，从而达到控制其降温速率的目的。
, 百拇医药
本装置的被调节对象是液氮容器内的压力，在调节过程中液氮的流量不间断地改变大小，因而整个冷藏室内的温度变化不是突变的，只要正确选择PID运算中比例、积分、微分三个控制常数，系统的过渡过程比较平稳，冷藏室内的降温速率可以达到较高的精度。目前国内外的降温装置大都采用控制电磁阀门的开启和关闭达到控制降温的目的(如美国的FORMA，英国的PLANER)。其原理方框图如图2所示。因冷藏室的温度随着阀门的开闭而突变，该室的降温速度难以控制。为此在仪器的结构设计上需要增加一个缓冲区，让液氮通过这个缓冲区后再进入冷藏室，这就增加了仪器的体积。我们采用了压控的方法，使装置结构得以简化，克服了上述缺点。目前国内电磁阀在-196℃低温状态下工作时质量尚未完全过关，偶而会产生阀门因冻住无法开启的现象，由于压控型降温装置不采用电磁阀，不会发生此种情况，从而提高了装置的可靠性。
图2
, 百拇医药 1 电磁阀 2 测温电阻
2 PID控制
比较图1和图2，我们可以看到压控型降温装置的反馈控制比较靠前，系统的响应时间较长。系统的稳定快慢与稳定程度都取决于控制算法和控制参数的选择。我们采用PID(比例-积分-微分)控制算法，这是过程控制中应用最广泛的一种算法。典型的PID单回路控制系统如图3所示。
图3
PID传递函数为：
式中：Kp 比例增益
Ti 积分时间
, http://www.100md.com
Td 微分时间
用微分方程标示为：
在微机控温情况下，必须将上式离散化，设采样周期为TΦ，则第n次采样对应的时刻t=n.TΦ
Y(t)=Y(n.TΦ)，可写为Yn
E(t)=E(n.TΦ)，可写为En
对应的R(t)、P(t)可写为Rn、Pn
En=Rn-Yn
, http://www.100md.com
改作增量式算式：
由于每种降温系统的静态和动态特性都不一样，故要准确写出其传递函数，计算出最佳控制的PID参数是很困难的。为此，我们采用估算与实验试凑降温特性曲线，估算出几个参数的范围，然后设定几组参数进行系统闭环实验，最终选定最优PID参数。
3 装置结构
压控型生物低温降温装置由储液容器、输液管、冷藏室、微机及电器系统组成。
储液容器采用杜瓦瓶，瓶口安装能够开启的盖子，盖与杜瓦瓶通过螺纹及橡皮圈保持密封连接，盖的下部装有液氮输液管、加温器，加温器可切换高低不同的三组电压以满足慢速和快速降温的需要，盖的上部装有液氮输出接口、安全阀、加热器电源插座(见图4)。
, 百拇医药
输液管采用耐低温的双层塑料管，外面用绝热材料作保护层。
冷藏室采用不锈钢制成圆桶型，在桶的底部均匀分布小孔，使液氮能畅通地从桶底向上流动，在桶的下面安装圆型电热管和圆型液氮分流管。电热管为冷藏室恒温、升温而设计，接通该电热管可产生平衡热。分流管上排列液氮喷射孔，冷藏室的最下面装有一只离心风扇，工作时，离心风扇旋转，保持冷藏室内温度均匀(见图5)。冷藏室顶盖与桶体间允许有少量氮气泄漏，以保持容器内外压力平衡，冷藏室四周填充珠光砂作绝热隔层。
图4
图5
微机、电器系统的核心是单片机，电器控制设计思想是充分发挥软件功能，尽量减少硬件数量。装置的硬件有8031单片机系统，增加了计数/定时器电路，与单片机上原有的计数/定时器一起合理安排使用，发挥计算机的中断功能，节省了采样开关、数模转换器及可控硅与电源的同步电路。另接一个微型打印机，实时打印冷藏室的温度，操作者随时可以通过打印清单了解冷藏室的温度变化。单片机系统留有与PC机的接口，可用PC机控制降温装置。
, http://www.100md.com
软件系统由一个主程序、五个中断子程序及两个子程序组成。这些程序完成以下工作：
(1) 按预置的降温速率，设定加热器的电压。
(2) 按一定周期进行冷藏室的温度采样，并进行数字滤波。
(3) 计算冷藏室的降温速率。
(4) 将实际的降温速率与预算的降温速率进行比较，计算出误差的大小。
(5) 对误差进行比例-积分-微分运算，得到控制量。
(6) 将控制量输出给可控硅电源，调节可控硅的导通角。
(7) 使可控硅的相位与外电源同步。
(8) 动态显示冷藏室的温度变化。
, http://www.100md.com
(9) 按一定的周期实时打印冷藏室内温度的变化规律。
程序流程图如图6。
图6
定时器A由电源过零电位启动，定时范围约0ms-10ms(工频电1/2周期)。当定时器时间回零时，输出导通角控制信号给可控硅控制端。
其它流程图从略。
4 主要性能
冷藏室容积：139mm×139mm
测温范围：+40.0℃～-99.9℃
, 百拇医药
降温速率：-0.1℃/分～-30.0℃/分
升温速率：+0.01℃/分～+10.0℃/分
实时打印
内置变温程序，也可键盘输入变温程序。
5 实验与结果
用以下方法对本装置作实验验证。使装置按设定速率Vo降温，将实测的每个时间(ti)—温度(Ti)数据记录下来，用计算机按最小二乘法算出拟合直线。
n为数据个数
拟合直线的斜率k即为实际的降温速率V。
, 百拇医药
计算降温速率的相对误差ε：
计算出温度的标准偏差E：
式中 Ti为ti时刻的温度测量值；
i为ti时刻拟合降温速度下的温度值；
n为数据个数。
结果：当降温速率小于-5℃/分时：
ε≤10% E≤1℃/分
当降温速率大于-5℃/分时：
ε≤10% E≤1.5℃/分
(参考文献略)
(1998年11月14日收稿), 百拇医药
单位：浙江大学附属邵逸夫医院 (310016)
关键词：低温降温；压力；控制
中国医疗器械杂志990408 提要 介绍了一种新型的通过了调节储液容器压力以达到控制降温目的的低温降温装置，并对系统的控制方案进行了探讨。
The Development of Pressure-Controlled
Cryobio-cooling System
Chen Danong
Sir Run Run Shaw Hospital attached to Zhejiang Unirersity
, http://www.100md.com
ABSTRACT In this paper,a new cooling system controlled by the pressure of LN2 container is introduced,the controlling method of this device is discussed too.
KEY WORDS Cryo cooling system Pressure Control
随着低温生物工程技术的日益发展，生物组织的低温保存在医学、生物学等领域逐步得到应用。如生殖医学中的试管婴儿，肿瘤病学中治疗白血病等恶性肿瘤等工作，都需将精子、骨髓取出，经降温处理后存入温度为-196摄氏度的液氮中作低温保存。
为了有效地低温保存生物组织，提高其存活率，必须克服低温对生物组织造成的损伤。首先，从室温到深低温的降温过程尤为重要。理论和实验表明，任何一种生物组织在低温保存处理的过程中都存在着最佳降温速度。因此，需要研制一种速率可以控制的降温设备。国内外在这一领域均开展了研究，并采用了各种方案来实现这个目标。现介绍我们研制的压控型低温生物降温装置。
, 百拇医药
1 工作原理及特点
压控型生物低温降温装置工作原理方框图如图1所示。
图1 1加压加热器 2平衡电热器 3铂电阻
冷藏室内存放需要低温处理的生物组织(如骨髓、角膜、血细胞、精子等)，铂热电阻测量冷藏室温度，经温度变送器转换成电流信导，再通过模数转换器转换成数字量输入给微机。开机工作时，微机输出给可控硅电源一个导通角初值，使安装在液氮储液容器内的加热器产生热量。在热量的作用下，瓶内液氮部分被汽化，造成容器内压力不断上升，液氮在此压力作用下，通过液氮管道进入冷藏室，从而使该室内温度不断下降。微机对冷藏室的温度按照一定的周期进行采样，计算该室的降温速率，并与预置的降温速率进行比较，得到误差信号后再进行比例-积分-微分(PID)运算，计算出控制量，将该控制量输出以调节可控硅导通角的大小，即调节储液容器内加热电流的大小，也就是调节储液容器的压力值，最终即调节喷入冷藏室内的液氮量。通过反复的闭环反馈控制，冷藏室内的降温速率误差将越来越小，从而达到控制其降温速率的目的。
, 百拇医药
本装置的被调节对象是液氮容器内的压力，在调节过程中液氮的流量不间断地改变大小，因而整个冷藏室内的温度变化不是突变的，只要正确选择PID运算中比例、积分、微分三个控制常数，系统的过渡过程比较平稳，冷藏室内的降温速率可以达到较高的精度。目前国内外的降温装置大都采用控制电磁阀门的开启和关闭达到控制降温的目的(如美国的FORMA，英国的PLANER)。其原理方框图如图2所示。因冷藏室的温度随着阀门的开闭而突变，该室的降温速度难以控制。为此在仪器的结构设计上需要增加一个缓冲区，让液氮通过这个缓冲区后再进入冷藏室，这就增加了仪器的体积。我们采用了压控的方法，使装置结构得以简化，克服了上述缺点。目前国内电磁阀在-196℃低温状态下工作时质量尚未完全过关，偶而会产生阀门因冻住无法开启的现象，由于压控型降温装置不采用电磁阀，不会发生此种情况，从而提高了装置的可靠性。
图2
, 百拇医药 1 电磁阀 2 测温电阻
2 PID控制
比较图1和图2，我们可以看到压控型降温装置的反馈控制比较靠前，系统的响应时间较长。系统的稳定快慢与稳定程度都取决于控制算法和控制参数的选择。我们采用PID(比例-积分-微分)控制算法，这是过程控制中应用最广泛的一种算法。典型的PID单回路控制系统如图3所示。
图3
PID传递函数为：
式中：Kp 比例增益
Ti 积分时间
, http://www.100md.com
Td 微分时间
用微分方程标示为：
在微机控温情况下，必须将上式离散化，设采样周期为TΦ，则第n次采样对应的时刻t=n.TΦ
Y(t)=Y(n.TΦ)，可写为Yn
E(t)=E(n.TΦ)，可写为En
对应的R(t)、P(t)可写为Rn、Pn
En=Rn-Yn
, http://www.100md.com
改作增量式算式：
由于每种降温系统的静态和动态特性都不一样，故要准确写出其传递函数，计算出最佳控制的PID参数是很困难的。为此，我们采用估算与实验试凑降温特性曲线，估算出几个参数的范围，然后设定几组参数进行系统闭环实验，最终选定最优PID参数。
3 装置结构
压控型生物低温降温装置由储液容器、输液管、冷藏室、微机及电器系统组成。
储液容器采用杜瓦瓶，瓶口安装能够开启的盖子，盖与杜瓦瓶通过螺纹及橡皮圈保持密封连接，盖的下部装有液氮输液管、加温器，加温器可切换高低不同的三组电压以满足慢速和快速降温的需要，盖的上部装有液氮输出接口、安全阀、加热器电源插座(见图4)。
, 百拇医药
输液管采用耐低温的双层塑料管，外面用绝热材料作保护层。
冷藏室采用不锈钢制成圆桶型，在桶的底部均匀分布小孔，使液氮能畅通地从桶底向上流动，在桶的下面安装圆型电热管和圆型液氮分流管。电热管为冷藏室恒温、升温而设计，接通该电热管可产生平衡热。分流管上排列液氮喷射孔，冷藏室的最下面装有一只离心风扇，工作时，离心风扇旋转，保持冷藏室内温度均匀(见图5)。冷藏室顶盖与桶体间允许有少量氮气泄漏，以保持容器内外压力平衡，冷藏室四周填充珠光砂作绝热隔层。
图4
图5
微机、电器系统的核心是单片机，电器控制设计思想是充分发挥软件功能，尽量减少硬件数量。装置的硬件有8031单片机系统，增加了计数/定时器电路，与单片机上原有的计数/定时器一起合理安排使用，发挥计算机的中断功能，节省了采样开关、数模转换器及可控硅与电源的同步电路。另接一个微型打印机，实时打印冷藏室的温度，操作者随时可以通过打印清单了解冷藏室的温度变化。单片机系统留有与PC机的接口，可用PC机控制降温装置。
, http://www.100md.com
软件系统由一个主程序、五个中断子程序及两个子程序组成。这些程序完成以下工作：
(1) 按预置的降温速率，设定加热器的电压。
(2) 按一定周期进行冷藏室的温度采样，并进行数字滤波。
(3) 计算冷藏室的降温速率。
(4) 将实际的降温速率与预算的降温速率进行比较，计算出误差的大小。
(5) 对误差进行比例-积分-微分运算，得到控制量。
(6) 将控制量输出给可控硅电源，调节可控硅的导通角。
(7) 使可控硅的相位与外电源同步。
(8) 动态显示冷藏室的温度变化。
, http://www.100md.com
(9) 按一定的周期实时打印冷藏室内温度的变化规律。
程序流程图如图6。
图6
定时器A由电源过零电位启动，定时范围约0ms-10ms(工频电1/2周期)。当定时器时间回零时，输出导通角控制信号给可控硅控制端。
其它流程图从略。
4 主要性能
冷藏室容积：139mm×139mm
测温范围：+40.0℃～-99.9℃
, 百拇医药
降温速率：-0.1℃/分～-30.0℃/分
升温速率：+0.01℃/分～+10.0℃/分
实时打印
内置变温程序，也可键盘输入变温程序。
5 实验与结果
用以下方法对本装置作实验验证。使装置按设定速率Vo降温，将实测的每个时间(ti)—温度(Ti)数据记录下来，用计算机按最小二乘法算出拟合直线。
n为数据个数
拟合直线的斜率k即为实际的降温速率V。
, 百拇医药
计算降温速率的相对误差ε：
计算出温度的标准偏差E：
式中 Ti为ti时刻的温度测量值；
i为ti时刻拟合降温速度下的温度值；n为数据个数。
结果：当降温速率小于-5℃/分时：
ε≤10% E≤1℃/分
当降温速率大于-5℃/分时：
ε≤10% E≤1.5℃/分
(参考文献略)
(1998年11月14日收稿), 百拇医药