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[原创] 检验设备的液面探测相关

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郑振寰 发表于 2019-10-9 16:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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检验设备的液面探测又称为液位检测(Level detection),主要是指检测机外、机内液体容器、机内试剂瓶的液体是否存在以及大致或准确的容量。

机外的液体容器包括废液废物容器、外接的试剂容器,比如清洗剂、缓冲液、稀释液、纯水桶、溶血剂及其它试剂等。

机内的液体容器分为可更换容器和不可更换容器。可更换的容器包括各种试剂桶,例如稀释液、溶血剂、清洗剂、缓冲液、触发液、预触发液等等。这些机内的可更换液体容器与机外液体容器一般定义为散装试剂或散装液体(Bulk Fluids)。而废液废物容器往往不属于试剂范畴,而是供应物料(supply或materiel)的范畴,所以在大多数仪器中,在试剂菜单下看不到废液废物的容量,需要在另外的菜单或供应菜单中查看。同样属于供应范畴的,还包括血凝和发光设备常用的一次性吸头和反应杯,但这不属于本文所讲的液面探测的范畴,所以忽略。

机内的不可更换液体容器主要包括各种散装试剂的缓冲罐/瓶,例如稀释液罐/瓶,溶血剂罐/瓶,清洗剂罐/瓶等。还包括水箱,当然也包括废液罐/瓶和负压罐、正压罐等。这些不可更换液体容器在一个设备内有时包含很多个。

机内试剂(Onboard)一般分为在板试剂和仓内试剂。在板试剂也叫机内试剂,是指类似生化样品试剂针下的清洗剂瓶、稀释液瓶等,并非每个标本测试都需要,而是在指定情况下才会使用这些试剂。在板清洗剂一般是一个批次的测试开始时,各针吸取清洗剂进行针的内外壁冲洗,然后才开始样品测试。测试结束后,进行冲洗作业时,又会吸取各自的在板清洗剂,进行针内外壁的清洗。稀释液是样品或试剂需要稀释时才会使用。而其它的类似溶血剂或防止携带污染的试剂需要在指定的状态或项目下才会使用。

仓内试剂一般是指在试剂仓内准密封保存的或冷藏的试剂瓶,例如生化、发光、血凝等设备中各个试剂仓中的试剂瓶。仓内试剂也叫项目(Assay)试剂或测试(Test)试剂。

同样,样品的液面探测也是十分必要的,这一点与机内试剂的探测类似。

不同的样品试剂类型,液面探测的方法也不相同,甚至在相同的样品试剂类型中,不同的使用方法液面探测的方法也不相同。

1 液体容器的液面探测

这类传感器一般用来粗略判断容器中的液体容量,包括散装试剂容器和不可更换液体容器,以及废液废物桶等。这类传感器缩写一般为LDS或LS(Leveldetection sensor),包括以下几种传感器类型:

1.1 浮式开关传感器:也叫浮球开关(Floating switch)。这是在液体容器中最简单最可靠最经济的传感器,开放容器或封闭容器都可以使用。

浮式开关的结构也很简单,传感器杆和浮球以及卡簧组成,可以是塑料材质,也可以是不锈钢材质。分为单浮球或多浮球。传感器杆内部在规定的位置上装有干簧管,浮球内部装有磁铁。磁铁一般安装在浮球的上下两个部分的任意一个位置上。当磁铁移动到干簧管的感应范围时,干簧管短路或开路,发出开关量信号,系统就会知道容器内的液体是足够的还是空的。

通过干簧管常开型或常闭型的选择,可以配置浮球接触是短路还是开路。通过对浮球磁铁的方向性选择,可以配置浮球上升时触发干簧管还是下降时触发干黄管。

从理论上讲,只要密封良好,浮球开关几乎在仪器寿命期间不会损坏。由于缺乏保养导致的故障是存在的,例如水箱水质问题或废液杂质问题导致的缠绕或结晶,使浮球无法正常升降这类的误动作。可以通过对池、罐、箱、桶的消毒维护保养进行处理。

一般水箱、缓冲液、废液等容器通过多个单浮球开关或一个多浮球开关进行液位检测,分别检测溢流(过满)、满、不足、空等位置。

大部分情况下,故障是由传感器监测到的,但故障本身并不是传感器。实例中往往监测到溢流或者空等情况,浮式开关发出了正确的信号,而相应的控制阀或泵没有正确打开或关闭。

1.2 电极式传感器:有时也称为电导传感器(Conductivity sensor),其并非监测电导率,而是通过液体的导电性能监测两个电极探针间是否短路或开路。这类传感器只在导电性的液体容器和废液容器中使用,纯水容器不会使用。生化仪器中,水浴孵育槽中由于添加了抑菌剂,纯水有了导电性能,所以也会采用这种电极式传感器(Electrode sensor)。

电极式传感器一般采用不锈钢或抗腐蚀导电材质,有双针或多针结构,用于监测液位满、不足、空。这种传感器也是十分的可靠,大部分误判是因为电极与液面接触部分氧化、腐蚀或污染导致。有些密封不严或密封故障的容器,会因为液体上行腐蚀了引线连接部分而导致误判。

1.3 电容式传感器:电容式传感器(Capacitive sensor)与液体并不接触,是安装在容器外部的有源传感器。容器内部的液面变化直接导致电容的变化,电容传感器监测这种变化输出相应的信号。

在一个容器中一般使用单个或多个电容式传感器,监测液面满、空。这种传感器可靠性比较好,对容器的材质没有什么特殊要求,金属或塑料材质都能很好的监测。

1.4 超声式传感器:超声式传感器(Ultrasonic sensor)与电容式传感器在外形上无法准确的区分,二者外观差异不大,不特殊说明很难区分。超声式传感器也属于有源传感器,但对容器的材质有要求,过厚的金属材质无法使用。其原理是利用液面对超声的回波进行判断,成本较高,很少用在可更换试剂容器上。检验设备中使用这种传感器的机器极少。

1.5 秤盘式传感器:非接触式传感器,这种传感器是一种组合,称量容器中的液体。但在实际应用中,不会采用电子秤中压力传感器去精确称量液体。而是做一个弹簧托盘,通过弹簧支承托盘上的液体容器。当液体容器中的液体减少到一定程度时,弹簧弹起托盘,托盘的监测光电传感器触发或断开,从而判断液体不足。三个主要零件:光电传感器、弹簧、托盘,关键点是弹簧。

这种传感器由于是非密封使用,所以灰尘对弹簧和光电传感器会造成一定的影响,日常保养中注意清理即可。

1.6 气泡传感器:气泡传感器(Bubble sensor)属于管道传感器(Pipe sensor)的一种。一般采用光电开关进行改装,通过液体对光线的漫反射形成通断信号,此类传感器需要进行灵敏度的调整(手工或自动)才能正常使用。气泡传感器可以单独使用,也可以与上述传感器配合使用,用于监测管道中是否存在气泡,从而间接判断液体容器是否空。

1.7 压力传感器:通过正压传感器(Pressure Sensor)或负压传感器(Vacuum sensor)间接监测液体容器中的液体容量。容器中无论使用正压还是负压,静态时压力可以满足设定要求。由于容器中有过多液体,导致压力容量不足,吸取或排出液体的压力流量不足,会导致在使用中压力降低,从而判断液体容量。压力传感器并不总是安装在液体容器上,有时也安装在管道中,当作管道传感器使用。

负压传感器有时直接用在检测池、罐是否排空。通过监测排空前后的负压差判断排空与否。

1.8 温度传感器:温度传感器(Temperature Sensor)监测液体时当作管道传感器使用。一般用在仅具有吸取功能的针上使用,而且吸取的液体具有一定的温度范围。通过吸取空气和吸取具有一定温度范围的液体之间的温度变化,判断是否接触到液面,是否将液体吸空。例如化学发光设备中,冲洗站缓冲液冲洗管道中使用。

2 液体容器探测传感器

在很多设备中,需要监测液体容器或其它容器是否存在。例如监测试剂瓶或样品杯是否存在,散装试剂桶/瓶是否存在,废物桶是否存在等。包括以下几种类型:

2.1 自反射光电开关:自反射光电开关(Reflecting sensor)的原理是利用发射可见或非可见光,遇到容器反射回接收管,形成通断信号,以判断容器是否存在。大多数的容器探测传感器采用这种形式,需要进行灵敏度调整,也有免调整类型。样品试管/杯及仓内试剂瓶是否存在几乎都采用这种类型。

2.2 电容式传感器:通过容器接近电容改变来判断容器是否存在,使用此种方法的设备并不多。

2.3 霍尔传感器:非线性霍尔传感器(Hall sensor)利用磁铁接触或接近,发出触发信号。除了传感器本身外,需要在容器上安装磁铁以便触发。这种传感器一般用在试剂仓盖、设备仓门、废物桶等监测。

以上都属于接近传感器(Proximity sensor)类型。

2.4 光电开关:非线性光电开关(Photoelectric switch)也称为非线性光耦(Optocoupler),大部分设计成槽型(U型),通过容器上的阻挡部位(挡片)遮挡或非遮挡光路,形成通断信号,从而判断容器是否存在。一般用在样品架、试剂架及托盘的识别,也有用在液体容器或试剂瓶的识别。

2.5 微动开关:最为经济的容器探测传感器就是微动开关(Micro Switch),当容器安装到位时,会触发微动开关,从而判断容器是否存在。微动开关有三个端子引线,通过不同的接法,形成常开监测或常闭监测,也就是容器接触微动开关后是导通还是开路。

3 机内试剂的液面探测

这类传感器一般用来精确判断容器中的液体容量,包括在板试剂和仓内试剂的液面监测。这类传感器缩写一般为LLS(Liquid Level detection sensor)或LSD(liquid surface detection),包括以下几种类型:

3.1 倒计数方式:倒计数(Countdown)技术相对来说较为简单,当容器接入设备后,每次测试或循环使用的液体量是固定的,而加入容器时的液体量也是已知的,据此通过减去每次相应的使用量,就会得到剩余量。这是一种纯软件的计算方法,并不需要传感器的辅助。很多生化、血球、发光设备都采用此类方法。在有些设备中,液体容器加入时,进行一次液体容量探测,然后使用倒计数方式计算剩余量。例如,Roche Cobas系列的生化项目试剂盒余量探测就是采用此种方法。

3.2 电阻式液面探测:一般使用在样品或试剂针上,需要除吸取针本身外的另外一个辅助电极。辅助电极和针形成两个电极,通过空气和液体的电阻差异进行液面判断。这种方法目前很少使用,在以往的老式设备中还有存在。这种方法需要两根针,容易由于清洗不当形成携带污染;同样,如果两根针的绝缘破坏,导致二者导通,也会造成误判。电阻式液面探测前置放大板一般安装在针臂内,可以进行空气和液体灵敏度调整。

3.3 电容式液面探测:这是大多数设备都采用的方式,无论样品针还是试剂针都会采用,用于精确判断试剂瓶或样品试管/杯中的液体容量。

由于样品杯/试管或试剂瓶的类型提前指定或自动探测,其截面积和有效高度在系统数据库内保存,通过针下降后接触到液面的脉冲值判断液面在容器内的高度,从而计算出液体量。根据设计要求,精度可以达到0.1或1ul。

电容液面探测的原理大致如下:样品或试剂充当与样品或试剂针串联的电容器。一定频率的正弦波信号应用于针尖,并且还用作位于LLS板上的乘法器芯片的参考信号输入。来自针的正弦波信号乘以来自正弦波发生器的正弦波(参考信号)。如果针没有遇到液体,则来自针的正弦波信号不会发生明显的相移。当两个同相的正弦波相乘时,输出电压近似为零,表示尚未检测到液体。

如果针遇到液体,则来自针的正弦波信号将发生相移,因为仪器的液体和基板有一些电容会导致信号发生相移。当两个异相的正弦波相乘时,产生输出电压,表示已检测到液体。

电容式液面探测的前置放大板也是安装在针臂中,处理板一般安装在卡笼或其它较远的位置。电容式液面探测的优势是单针检测,不需要辅助针/电极,灵敏度高,不需要调整。

由于环境中的电容无处不在,空间中充斥的静电也是无孔不入,所以电容式液面探测并不是在针的整个运行周期中始终启用,仅当针下降到容器口或容器内有效容量之上时才启用。

在液面探测启用后,针继续下降,这个过程中检测是否接触到液面,有些设备还会通过数据库查询上一次吸取时的液面高度,在没有添加液体的情况下,一旦液面高度高于上一次的值,则判断液面错误或失败;当针尖接触到液面后,一般会设计成继续下降到液面下一定的深度,才开始吸取液体。这是为了防止吸空而采取的措施,与液面探测原理本身无关。当开始吸取液体时,液面会下降,针尖也会跟随下降,目的也是为了防止吸空。如果这个时候液面探测监测到空气,会产生报警,一般会认为是气泡或泡沫导致的。当吸取完成,针尖上升离开液面时,液面探测系统会根据吸取前的高度和吸取后的高度判断针是否离开液面。如果在系统认为针尖离开液面后仍然探测到液面,会报警吸取错误或液面错误。

电容式液面探测的精确容量判断和吸取完整性判断,建立在电容探测、针传动步进的基础上,需要完善的软件代码进行判断。否则,极易造成误判误报。同时,空间湿度和静电也会导致误判误报错误。同时,样品或试剂容器的误判或指定错误,也会导致液面探测失败或错误。例如,常规样品都是100ml或75ml高的试管,如果在这些试管上加入嵌套杯而没有指定,或仪器误判,针会直接穿过液面撞在嵌套杯/子弹头的底部,因为此时液面探测还没有开启。

为了降低误判误错误的发生,很多厂家在设计上进行了部分改进型设计。最明显的设计是增加接收天线。这种设计分为两种形式:

以Abbott i系统为代表的机型,样品和试剂针发送正弦波信号,而在需要吸取或分配的液体容器下方(RSH进样器定位器旁、试剂盘下、反应盘下)安装接收天线,当接触到液面时,相应的天线会发生移相。这种设计就是将上述的一块板变为两块板,发射和接收分开,每块天线板负责一定范围内的液面信号。采用这种方式,除了降低误判误报外,还是无奈之举,因为该机型的试剂瓶需要安装瓣膜,针需要穿过瓣膜才能进入试剂瓶。瓣膜一直接触针,如果采用单针单板的电容探测,根本无法准确的探测到液面,干扰极大。

以Toshiba、Hitachi为代表的机型,对针进行了改造,在吸取针外壁增加两层绝缘护套(热缩管),在两层护套之间插入一个金属电极。金属电极尽可能的靠近针尖。这样针尖和电极之间的电容在绝缘不破坏的情况下,护套内保持干燥的情况下,二者的电容值几乎不受外界湿度静电的干扰,或者说干扰极小。此类设计甚至可以无视一般大型气泡的干扰,使针尖直达真正的液面。采用这种设计的针,比常规设计的针多了一根或两根引线,连接到针臂内的前置放大板上。此类结构的针,绝缘层内干燥且没有破坏时,几乎不会产生误报误判。

相比这类设计,BeckmanCoulter的AU系列就容易产生误判误报。当然不单纯是这一个方面,还有软件判断的设计,电路设计、结构设计等其它方面。

为了防止样品针和试剂针间的干扰,往往设计成样品针、试剂针,甚至不同功能的试剂针的发射频率都不相同。有可能同时动作的针会设计成不同,不会同时动作的针的频率可以设计成一样的。这也就是不同针的液面探测前置放大板不能互换的原因。

3.4 超声式液面探测此类结构以BeckmanCoulter的DXI/Access化学发光为代表,采用这种结构是系统整体需要,首先试剂盒带有瓣膜,无法使用常规的电容式探测;其次试剂盒的一个试剂腔带有磁微粒,为了防止板结,需要先进行混匀才进行吸取。其它厂家的机型都是采用单独的试剂混匀针或摇床混匀或齿轮搅拌混匀。而DXI/Access在针上安装了超声发生器,针尖发送一定频率的超声波,不仅起到混匀磁微粒的作用,还能通过回波判断是否接触到液面,同时不受瓣膜、静电、湿度的影响,对泡沫和气泡的影响也能降低的最低程度。

3.5 压力传感器式液面探测:采用电容式液面探测和超声式液面探测的针(试剂针或样品针),内部管道是充满液体的,一般为去离子水或缓冲液。而在使用一次性吸头的设计中,电容式液面探测往往受到很多限制。如果针内壁管道连接液体,继续使用电容式液面探测的话,需要将吸头设计成导电类型(一般是加入炭黑,金属粉末等),吸头成本较高。如果采用一般吸头,就无法使用电容式探测。所以在Siemens Centure为代表的机型中,样品针并不连接液体,吸头采用一次性普通吸头,液面探测采用气泵和压力传感器配合。工作原理如下:

首先气泵通过电磁阀向针尖喷出低压气体,压力传感器监测压力范围是否符合预设。当针尖拾取吸头后,由于吸头尖的出口变细,压力会升高,从而判断是否拾取吸头。低压气体继续通过吸头喷出,当接触到液面后,压力会急剧升高,从而判断接触到液面。此时,电磁阀将气泵旁路,样品注射器吸取液体,吸头所在的针臂也会跟随下降。这时的压力传感器开始监测凝块堵针情况,以及吸取液体后在转移过程中可能存在的泄漏。同时,也监测液体分配过程中可能存在的不完整性。当液体分配后,针臂移动到丢弃位置时,电磁阀切换到气泵,气体分配到吸头,喷出剩余液体(富余量),同时监测吸头丢弃前后的压力变化,从而判断吸头是否丢弃。

在采用电容式液面探测和超声式液面探测的结构中,也会使用压力传感器进行液体吸取与分配的完整性监测,主要显示的功能时判断凝块堵针。在静态状态下,压力传感器监测一个基础压力。在吸取液体时,会有一个压力上升的曲线,通过根据正常模型的分析与阈值判断,可以判断液体是否存在粘度过大,从而间接判断出现凝块或堵针。同样,也可以根据压力的不正常下降判断空气、气泡、泡沫等状态。

综上所述,检验设备中的液面探测方法较多,但常用的就那么几种,一般采用可靠性高成本低廉的方法。切记一点的是,报错是根据传感器的检测,但故障往往不是传感器本身。

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nice0123 发表于 2019-10-9 19:12 | 显示全部楼层
thefantasy 发表于 2019-10-9 22:38 | 显示全部楼层
厉害啊,几乎囊括全了各种方式
q417564990 发表于 2019-10-10 08:33 | 显示全部楼层
郑老师威武
河南孟工 发表于 2019-10-10 08:51 | 显示全部楼层
谢谢分享
修行自在 发表于 2019-10-10 09:21 | 显示全部楼层
ccjk123 发表于 2019-10-10 09:55 | 显示全部楼层
辛苦大佬
小虫 发表于 2019-10-10 21:49 | 显示全部楼层
谢谢老大
change01 发表于 2019-10-17 12:39 | 显示全部楼层
厉害!
蔡锦涛 发表于 2019-10-24 10:48 | 显示全部楼层
学习了,谢谢分享
qq273048827 发表于 2019-10-24 15:04 | 显示全部楼层
点赞,学习了
kuga-xx 发表于 2019-12-31 13:07 | 显示全部楼层
学习了,谢谢分享
kuga-xx 发表于 2020-1-13 14:47 | 显示全部楼层
辛苦了,学习
kuga-xx 发表于 2020-2-13 14:29 | 显示全部楼层
受教了,谢谢
payo 发表于 2020-2-15 19:43 | 显示全部楼层
很全面,非常感谢
cuic 发表于 2020-3-12 00:01 | 显示全部楼层
学习了,谢谢
biosensor 发表于 2020-3-12 08:42 | 显示全部楼层
gengen 发表于 2020-3-31 08:07 | 显示全部楼层
谢谢分享
yj114 发表于 2020-5-16 08:09 | 显示全部楼层
谢谢分享
kjack17 发表于 2020-5-16 14:12 | 显示全部楼层
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