CN110146141A - 改进套筒型加样针的液面探测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改进套筒型加样针的液面探测装置和方法。装置由改进套筒型加样针、电容‑电压信号转换模块、信号调理和处理模块组成。改进套筒型加样针采用套筒结构，包括长L1.5＝L‑1.5mm的外层套筒，长L的内层套筒，即外层长度较内层短1.5mm；内/外层套筒、加样容器内壁形成的三个电容有助于提高液面探测精度，有助于提高加样系统的效率和精度；通过检测内/外层套筒的电容突变，可精准控制加样针深入液面的深度，避免加样针扎到容器底部撞弯加样针；既满足抽取作业需求，又减少了加样针尖挂液造成的携带污染。改进套筒型加样针内/外层套筒壁、加样容器内壁，喷塗TEFLON疏水塗层，可降低运维工作量。

Description

改进套筒型加样针的液面探测装置和方法
技术领域
本发明属液位检测的技术范畴，特别是指生化分析领域中面向微量移液，采用改进套筒型加样针的液面探测装置和方法。
背景技术
生化分析是现代医疗必备的技术手段。检验病人血液、尿液等体液的生化指标，结合其他临床资料、综合分析，协助医生诊断疾病、制定治疗方案。2003年，深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司推出首台国产全自动生化分析仪BS-300；发达国家的全自动生化分析仪历史则可追溯至上世纪六十年代。目前，耳熟能详的生化分析仪厂商不胜枚举，美国的罗氏、贝克曼，日本的奥林巴斯、东芝、日立，德国的拜耳、利霸，以及荷兰的威图等。全自动生化分析仪包括加样和测试两个系统，其中加样系统由试剂、样本、搅拌、反应、清洗等部件组成。生化分析检验报告的最终品质相当程度上取决于样本和试剂的加样精度，故加样系统的精度在临床诊断和化学检验中举足轻重；而液面探测(liquid level detection，LLD)又是决定加样系统精度的关键技术之一。
LLD根据是否与液体接触分为接触式LLD和非接触式LLD；非接触式LLD有超声波法、光反射法、CCD成像法。除已淘汰的电阻法，接触式LLD还包括：1970年，瑞士GreinerElectronic公司的电容法；1986年，意大利Armando Prodosmo公司的气压法；1987年，日本富士胶片株式会社的机械振动法。时至今日，电容法仍是液面探测的主流技术。GreinerElectronic公司将加样针作为电容的动极板，放置液体容器的金属机壳当作电容的定极板，借助加样进程中的电容值变化探测液面。电容法液面探测器结构简单、成本低廉，技术成熟、易用性好，测量灵敏度和精度高，能够安装在微/小加样平台上与加样针同步运动。国内医疗行业LLD领域的研发围绕电容法展开，较有代表性的知识产权成果综述如下：
·发明专利“探针液面检测装置及方法”(ZL200610062402.X)，提出探针输出电容值变化对应的电压信号，参照电压高/低阈值、电压变化率高/低阈值，判定探针是否接触液面。
·发明专利“液面检测装置及加样系统”(ZL200910106574.6)，提出根据采样针所处位置环境信息，设采样针输出电容信号增益，兼顾检测灵敏度与可靠性。
·发明专利“液面检测电路、装置及其校准方法”(ZL 200910106680.4)，提出调节振荡器电阻值对探针电容进行补偿，实现液面检测装置的自校准。
·发明专利“一种自适应化学发光免疫分析液面探测方法”(ZL201010187570.8)，提出加样针对不同位置容器内的分布电容进行预检测，为不同位置处的容器设定不同的电容变化阈值；加样针根据不同位置的容器进行自适应液面探测。
·实用新型专利“用于生化分析的液面检测装置”(ZL02250812.0)，提出双层取样套筒型针管，包括导电外针管和导电内针管以及中间绝缘层。
专利1～3的权力人均为深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，虽然权力诉求的表述形式各异，但思想精髓如出一辙、设计上的不足亦大同小异。专利1在加样针输出电压的基础上，增加电压变化率的输出；细分电压高/低阈值，并引入电压变化率高/低阈值，实现检测灵敏度和可靠性的提高；遗撼的是，“阈值”因仪器而定，故通用有效性存在争议。专利2根据加样针所处位置的环境信息，变更加样针输出信号的增益；变更增益存在理论上的匮乏，而且“变更”立足特定的仪器展开，故通用性先天不足。专利3通过调电阻的方法克服加样针电容参数的分散性，实现液面检测装置的自校准；可惜的是，普遍适用的自校准定量准则缺位，故通用性存在固有的缺陷。从信息流的视角考量电容法LLD，电容法LLD由3个关键信息节点构成：加样针电容/压信号的生成节点，电压信号的调理节点，电压信号的处理节点；专利3、2、1一一对应上述3个节点分别作了改进。
专利4的自适应液面探测预检测不同位置容器内的分布电容，为不同位置容器设定不同的电容变化阈值；专利4沿袭计量行业的“标定”思想，就某一特定仪器而言、非常有效，就非特定仪器而言、难见成效。专利1～4遵循同一思路解决问题：将一般问题特殊化，在限定的范围内给出针对性解决方案。专利5提出双层取样套筒型针管，创新聚焦于加样针电容法LLD的、电容/压信号生成节点的电容信号生成部分，思想新颖有其过人之处；专利1～4则着眼于电容信号的后续转化处理。必须指出，专利1～5的系统工程理念缺位；LLD旨在试剂和样本的精确吸取，吸取时既要排除液体表面气泡产生的虚假液位，也要消除吸取时空气混入造成的误差；就加样系统而言，检测液面下1.5～2mm的液位价值＞液面的液位；生化分析的操作规范：加样针深入液面1～2mm时才能启动吸取作业。
Greiner Electronic把加样针作为电容动极板，容器金属机壳当作电容定极板；专利5的电容极板则是双层套筒的侧壁。专利5加样针的电容C＝2πεL/ln(R1/R2)，式中ε是介电常数，L是极板长度，R1是外层套筒的内半径，R2是内层套筒的外半径；设计时使R1略大于R2，C值增大、即提高传感器的信噪比。专利5的结构创新是Greiner Electronic电容法LLD的重大突破，创新成果与特定的仪器无关，具有普遍的适用性。电容法LLD的大量基础研究表明：加样针针尖接触液面时，存在浸润现象产生的毛细管作用；首先，加样针电容因极板间的部分空气介质被液体介质取代，电容值变大；另一方面，毛细管作用导致接触点附近局部液面升高，更增大了电容值---产生一个突变的增大电容值。相关“基础研究报告”
1.宋春丽.微量移液器准确性的日常监测[J].医疗装备，2013，26(7)：23-24。
2.朱险峰.全自动临床检验仪器中液面探测技术的进展[J].生物医学工程学杂志，2010，27(4)：949-952。
3.王朝晖.应用于生物微量试样移液的液面控制探测系统研究[C].第三十届中国控制会议，2011.7。
4.邓俊.全自动免疫分析仪-信号检测及温度控制[D].南京理工大学，2010.1。检测并呈现加样针探测液面时的电容量变化趋势，讨论了液面接触点处的、加样针电容测量值的突变现象，用实验佐证理论研究结论的正确性。
本发明在专利5和Greiner Electronic电容法LLD基础上作进一步改进，采用改进套筒型加样针的液面探测装置：加样针的内/外层套筒壁、加样容器壁形成3个电容；液面探测装置检测上述3电容的电容值，据此进行液位探测并提供加样系统的控制信号。鉴于液面探测装置的服务对象是加样系统，专利1～5的诉求完全拘泥探测自身，系统工程理念的缺失不能不说是一大缺撼；改进套筒型加样针的液面探测装置将补上现有工作的短板。临床检验规范，一般要求加样针深入液面以下1～2mm，启动抽样作业；同时加样针不宜过深插入，这可减少加样针尖挂液造成的携带污染、以及避免加样针扎到容器底部撞弯加样针。因此，改进套筒型加样针的外层套筒采用316L型不锈钢制作，长度L1.5＝L-1.5mm，L是加样针长。加样针针尖接触液面时，改进套筒型加样针3只电容中的1只电容值突变增大、1只电容值不变、另1只电容值缓慢上升；针尖深入液面1.5mm时，2只电容值突变增大、第3只较快上升；针尖继续深入，3只电容值均较快上升。改进套筒型加样针输出所述3只电容的参数值，有助提高加样系统的精度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种改进套筒型加样针的液面探测装置和方法。
改进套筒型加样针的液面探测装置，其特征在于装置由改进套筒型加样针、电容-电压信号转换模块、信号调理和处理模块组成；改进套筒型加样针的内层套筒、外层套筒、加样容器金属机壳底各引信号线与电容-电压信号转换模块相连，电容-电压信号转换模块与信号调理和处理模块相连；信号调理和处理模块的输出经加样系统的控制和驱动模块、控制驱动改进套筒型加样针的定位运动和抽放作业；
改进套筒型加样针采用套筒结构，包括长L1.5＝L-1.5mm的外层套筒，长L的内层套筒，L是改进套筒型加样针的长度；内层套筒和外层套筒采用316L型不锈钢制作；外层套筒和内层套筒的管壁上喷塗TEFLON绝缘涂层，加样容器金属机壳的内壁亦喷塗TEFLON绝缘涂层，其底部引出的信号线接地；外层套筒、内层套筒与加样容器金属机壳间形成的电容记为C10、C20，外层套筒与内层套筒形成的电容记为C12，改进套筒型加样针未与加样容器的液面接触时、即外/内层套筒的空气介质电容值记为C120。
所述的电容-电压信号转换模块包括测量电容C10、C20的单端电容-电压转换单元，测量电容C12的双端电容-电压转换单元；
单端电容-电压转换单元以MC33941芯片为核心；MC33941的脚17、18分别与改进套筒型加样针的内层套筒信号线、外层套筒信号线相连，R21、C21的一端接地，R21、C21的另一端分别与MC33941的脚9、8相连；MC33941的脚16、13、1、15、3接地，脚11接12V电源，脚12与C22的一端接Vcc、C22的另一端接地，脚10与C23的一端相连、C23的另一端接地；MC33941的控制脚4、5、6分别与信号调理和处理模块的STM32F103CB脚12、13、14相连，MC33941的模拟信号输出脚7与信号调理和处理模块的AD8613脚3相连；双端电容-电压转换单元以AD7747芯片为核心；AD7747的脚8、7分别与改进套筒型加样针的内层套筒信号线、外层套筒信号线相连，脚14接Vcc，脚13接地；AD7747的脚2、1、16分别与信号调理和处理模块的STM32F103CB脚41、42、43相连，AD7747的脚1、16分别经上拉电阻R22、R23接Vcc。
所述的信号调理和处理模块包括MCU主控单元、电压信号调理单元；
MCU主控单元以STM32F103CB芯片为核心；STM32F103CB的脚9、24、36、48、1接Vcc，脚8、23、35、47、44、20接地，脚7经C32接地；STM32F103CBT6的脚12、13、14分别与单端电容-电压转换单元的MC33941脚4、5、6相连，脚41、42、43分别与双端电容-电压转换单元的AD7747脚2、1、16相连；STM32F103CBT6的脚11经R32与电压信号调理单元的AD8613脚1相连，采集AD8613脚1输出的信号；STM32F103CBT6的脚15、16与加样系统的控制和驱动模块相连，接收控制和驱动模块下发的液面检测指令、上传液面检测信号至控制和驱动模块；电压信号调理单元以AD8613芯片为核心；AD8613的脚3与单端电容-电压转换单元的MC33941脚7相连，脚5接Vcc，脚4经R31接脚1；R32、D31、R33的一端相连，R32的另一端接脚1，D31的另一端接Vcc，R33的另一端、AD8613的脚2、C31的一端相连接地，C31的另一端接AD8613的脚3。
使用所述装置的液面探测方法，方法的检测流程如下：
1)测定外/内层套筒空气介质时的电容值C120
接收控制和驱动模块下发的液面检测指令
加样针定位、向液面移动
2)X<0
C10↗、C20↗、C12不变
3)X＝0
C10↗、C20↑↑、C12不变
4)0<X<1.5
C10↗、C20↑、C12不变
5)X＝1.5
C10↑↑、C20↑、C12↑↑
加样针抽取作业的准备就绪
6)X＞1.5
C10↑、C20↑、C12↑
停止加样针插入作业。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
改进套筒型加样针采用内/外层套筒、外层长度较内层短1.5mm的结构，内/外层套筒、加样容器内壁形成的三个电容有助于提高液面探测精度；有助于提高加样系统的效率和精度。通过检测内/外层套筒的电容突变，可精准控制加样针深入液面的深度，避免加样针扎到容器底部撞弯加样针；既满足抽取作业需求，又减少了加样针尖挂液造成的携带污染。改进套筒型加样针内/外层套筒壁、加样容器内壁，喷塗TEFLON疏水塗层，可降低运维工作量。
附图说明
图1(a)是改进套筒型加样针的液面探测装置原理图；
图1(b)是改进套筒型加样针的液面探测装置框图；
图2是改进套筒型加样针的结构图；
图3是电容-电压信号转换模块的电路图；
图4是信号调理和处理模块的电路图；
图5是液面探测装置的流程图。
具体实施方式
如图1(a)、图1(b)、图2所示，改进套筒型加样针的液面探测装置由改进套筒型加样针10、电容-电压信号转换模块20、信号调理和处理模块30组成；改进套筒型加样针10的内层套筒、外层套筒、加样容器金属机壳底各引信号线与电容-电压信号转换模块20相连，电容-电压信号转换模块20与信号调理和处理模块30相连；信号调理和处理模块30的输出经加样系统的控制和驱动模块、控制驱动改进套筒型加样针10的定位运动和抽放作业；
改进套筒型加样针10采用套筒结构，包括长L1.5＝L-1.5mm的外层套筒1，长L的内层套筒2，L是改进套筒型加样针10的长度；内层套筒2和外层套筒1采用316L型不锈钢制作；外层套筒1和内层套筒2的管壁上喷塗TEFLON绝缘涂层，加样容器金属机壳0的内壁亦喷塗TEFLON绝缘涂层，其底部引出的信号线接地；外层套筒1、内层套筒2与加样容器金属机壳0间形成的电容记为C10、C20，外层套筒1与内层套筒2形成的电容记为C12，改进套筒型加样针10未与加样容器的液面接触时、即外/内层套筒的空气介质电容值记为C120。
说明1：改进套筒型加样针的液面探测装置输出液面信号，是加样系统控制和驱动模块运行的依据。本专利聚焦液面探测的研究，故加样系统的控制和驱动模块只提及不展开，图中亦用虚线框和虚线描绘，以示区别。
如图3所示，电容-电压信号转换模块20包括测量电容C10、C20的单端电容-电压转换单元21，测量电容C12的双端电容-电压转换单元22；
单端电容-电压转换单元21以MC33941芯片为核心；MC33941的脚17、18分别与改进套筒型加样针10的内层套筒2信号线、外层套筒1信号线相连，R21、C21的一端接地，R21、C21的另一端分别与MC33941的脚9、8相连；MC33941的脚16、13、1、15、3接地，脚11接12V电源，脚12与C22的一端接Vcc、C22的另一端接地，脚10与C23的一端相连、C23的另一端接地；MC33941的控制脚4、5、6分别与信号调理和处理模块30的STM32F103CB脚12、13、14相连，MC33941的模拟信号输出脚7与信号调理和处理模块30的AD8613脚3相连；双端电容-电压转换单元22以AD7747芯片为核心；AD7747的脚8、7分别与改进套筒型加样针10的内层套筒2信号线、外层套筒1信号线相连，脚14接Vcc，脚13接地；AD7747的脚2、1、16分别与信号调理和处理模块30的STM32F103CB脚41、42、43相连，AD7747的脚1、16分别经上拉电阻R22、R23接Vcc。
如图4所示，信号调理和处理模块30包括MCU主控单元31、电压信号调理单元32；
MCU主控单元31以STM32F103CB芯片为核心；STM32F103CB的脚9、24、36、48、1接Vcc，脚8、23、35、47、44、20接地，脚7经C32接地；STM32F103CBT6的脚12、13、14分别与单端电容-电压转换单元21的MC33941脚4、5、6相连，脚41、42、43分别与双端电容-电压转换单元22的AD7747脚2、1、16相连；STM32F103CBT6的脚11经R32与电压信号调理单元32的AD8613脚1相连，采集AD8613脚1输出的信号；STM32F103CBT6的脚15、16与加样系统的控制和驱动模块相连，接收控制和驱动模块下发的液面检测指令、上传液面检测信号至控制和驱动模块；电压信号调理单元32以AD8613芯片为核心；AD8613的脚3与单端电容-电压转换单元21的MC33941脚7相连，脚5接Vcc，脚4经R31接脚1；R32、D31、R33的一端相连，R32的另一端接脚1，D31的另一端接Vcc，R33的另一端、AD8613的脚2、C31的一端相连接地，C31的另一端接AD8613的脚3。
如图5、图2所示，液面探测装置的检测流程如下：
1)测定外/内层套筒空气介质时的电容值C120
接收控制和驱动模块下发的液面检测指令
加样针定位、向液面移动
2)X<0
C10↗、C20↗、C12不变
3)X＝0
C10↗、C20↑↑、C12不变
4)0<X<1.5
C10↗、C20↑、C12不变
5)X＝1.5
C10↑↑、C20↑、C12↑↑
加样针抽取作业的准备就绪
6)X＞1.5
C10↑、C20↑、C12↑
停止加样针插入作业。
说明2：X为加样针针尖距液面的高度，液平面的高度＝0，向下为正
X<0，加样针针尖位于液面之上、未接触液面
X＝0，加样针针尖刚接触液面
0<X<1.5，加样针针尖进入液面，外层套筒未接触液面
X＝1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒接触液面
X＞1.5，加样针针尖深入液面，外层套筒进入液面。
说明3：“5)X＝1.5，C20↑、C10↑↑、C12↑↑”，启动加样针抽取作业
“6)X＞1.5，C10↑、C20↑、C12↑”，停止加样针插入。
说明4：电容值缓慢上升，↗
电容值较快上升，↑
电容值突变增大，↑↑。
电容的计算公式：
ε是两级之间的介电常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k是静电力常量。
根据电容公式可知，在相同的介质下，两电级之间的距离越近电容值越大。空气的相对介电常数为1.000585，水的介电常数为81.5；由此可知，加样针内外层套筒之间的电容在接触液面之前，并无明显变化。一旦针进入液面1.5mm，即内外层套筒均接触液面，则中间介质从空气变为水，电容将较快上升(↑)；同时，因浸润现象产生毛细管作用，电容值将突变增大(↑↑)。

Claims (4)

1.一种改进套筒型加样针的液面探测装置，其特征在于，装置由改进套筒型加样针(10)、电容-电压信号转换模块(20)、信号调理和处理模块(30)组成；改进套筒型加样针(10)的内层套筒、外层套筒、加样容器金属机壳底各引信号线与电容-电压信号转换模块(20)相连，电容-电压信号转换模块(20)与信号调理和处理模块(30)相连；信号调理和处理模块(30)的输出经加样系统的控制和驱动模块、控制驱动改进套筒型加样针(10)的定位运动和抽放作业；
改进套筒型加样针(10)采用套筒结构，包括长L1.5＝L-1.5mm的外层套筒(1)，长L的内层套筒(2)，L是改进套筒型加样针(10)的长度；内层套筒(2)和外层套筒(1)采用316L型不锈钢制作；外层套筒(1)和内层套筒(2)的管壁上喷塗TEFLON绝缘涂层，加样容器金属机壳(0)的内壁亦喷塗TEFLON绝缘涂层，其底部引出的信号线接地；外层套筒(1)、内层套筒(2)与加样容器金属机壳(0)间形成的电容记为C10、C20，外层套筒(1)与内层套筒(2)形成的电容记为C12，改进套筒型加样针(10)未与加样容器的液面接触时、即外/内层套筒的空气介质电容值记为C120。
2.根据权利要求1所述的一种改进套筒型加样针的液面探测装置，其特征在于，所述的电容-电压信号转换模块(20)包括测量电容C10、C20的单端电容-电压转换单元(21)，测量电容C12的双端电容-电压转换单元(22)；
单端电容-电压转换单元(21)以MC33941芯片为核心；MC33941的脚17、18分别与改进套筒型加样针(10)的内层套筒(2)信号线、外层套筒(1)信号线相连，R21、C21的一端接地，R21、C21的另一端分别与MC33941的脚9、8相连；MC33941的脚16、13、1、15、3接地，脚11接12V电源，脚12与C22的一端接Vcc、C22的另一端接地，脚10与C23的一端相连、C23的另一端接地；MC33941的控制脚4、5、6分别与信号调理和处理模块(30)的STM32F103CB脚12、13、14相连，MC33941的模拟信号输出脚7与信号调理和处理模块(30)的AD8613脚3相连；双端电容-电压转换单元(22)以AD7747芯片为核心；AD7747的脚8、7分别与改进套筒型加样针(10)的内层套筒(2)信号线、外层套筒(1)信号线相连，脚14接Vcc，脚13接地；AD7747的脚2、1、16分别与信号调理和处理模块(30)的STM32F103CB脚41、42、43相连，AD7747的脚1、16分别经上拉电阻R22、R23接Vcc。
3.根据权利要求1所述的一种改进套筒型加样针的液面探测装置，其特征在于，所述的信号调理和处理模块(30)包括MCU主控单元(31)、电压信号调理单元(32)；
MCU主控单元(31)以STM32F103CB芯片为核心；STM32F103CB的脚9、24、36、48、1接Vcc，脚8、23、35、47、44、20接地，脚7经C32接地；STM32F103CB的脚12、13、14分别与单端电容-电压转换单元(21)的MC33941脚4、5、6相连，脚41、42、43分别与双端电容-电压转换单元(22)的AD7747脚2、1、16相连；STM32F103CB的脚11经R32与电压信号调理单元(32)的AD8613脚1相连，采集AD8613脚1输出的信号；STM32F103CB的脚15、16与加样系统的控制和驱动模块相连，接收控制和驱动模块下发的液面检测指令、上传液面检测信号至控制和驱动模块；电压信号调理单元(32)以AD8613芯片为核心；AD8613的脚3与单端电容-电压转换单元(21)的MC33941脚7相连，脚5接Vcc，脚4经R31接脚1；R32、D31、R33的一端相连，R32的另一端接脚1，D31的另一端接Vcc，R33的另一端、AD8613的脚2、C31的一端相连接地，C31的另一端接AD8613的脚3。
4.一种使用如权利要求1所述装置的液面探测方法，其特征在于，液面探测的检测流程如下：
1)测定外/内层套筒空气介质时的电容值C120
接收控制和驱动模块下发的液面检测指令
加样针定位、向液面移动
2)X<0
C10↗、C20↗、C12不变
3)X＝0
C10↗、C20↑↑、C12不变
4)0<X<1.5
C10↗、C20↑、C12不变
5)X＝1.5
C10↑↑、C20↑、C12↑↑
加样针抽取作业的准备就绪
6)X＞1.5
C10↑、C20↑、C12↑
停止加样针插入作业；
其中，↗表示电容值缓慢上升，↑表示电容值较快上升，↑↑表示电容值突变增大。
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