医用冷冻离心机温度参数的校准研究

医用冷冻离心机温度参数的校准研究

朱沙¹ 周亮² 青炳龙¹ 李明豫³（通讯作者）

（1.中国测试技术研究院，成都 610021)

（2.成都智汇物联科技有限公司 成都 611731）

（3.遵义市产品质量检验检测院，遵义 563000）

摘要：试管型温度测量仪器是医用冷冻离心机温度校准的最适宜测量设备，利用其他方式校准离心机的温度都存在这样或那样的瑕疵。为此研制的冷冻离心机温度校准器，实现了电池供电的微功耗微小型温度测量，温度测量误差小于±0.5℃。

关键词：医用冷冻离心机校准；试管型温度测量仪；

Abstract: Temperature measuring instrument of test tube is the most suitable measuring equipment for temperature calibration of medical freezing centrifuge. There are defects in measuring the temperature of centrifuge calibrated by other methods. The temperature calibrator of freezing centrifuge realizes the micro-power of battery and miniature, and the temperature measurement error is less than ±0.5 ℃.

Keyword: Calibration of medical freezing centrifuge; Temperature measuring instrument of test tube

一、引言

      医用冷冻离心机是在温度条件下提纯生物样品中的成分的设备，涉及到医用离心机温度的校准，文献【5】提出了在离心机腔体内布点测温的方法，这种方法不是对离心试验样品部分温度的测量，由于腔内温度存在梯度分布，以布点温度来代表试样试验温度，具有偏差；同时腔内试管架在降温或升温过程中不旋转，则整个腔体内温场的传温过程缓慢，测试时间很长，也不适合开展校准工作。JJF（冀）167-2019《医用离心机校准规范》提出了以试管蒸馏水为中介，以离心机运转前后的的蒸馏水温差作为温升，那么蒸馏水温测量需停机开盖进行，温度测量引入了不确定因素。因此应研制可安放于医用离心机试管架上的试管型温度测量仪，具备实时无线传输温度数据或存储时间-温度数据能力的装置，温度测量误差小于±0.5℃的专用设备。

      根据医用冷冻离心机温度校准的需求，需要研制可安放于医用离心机试管架上的试管型温度测量仪（φ15×100）（以下简称测温仪），该测量装置需小型化，试管架本身旋转，要求电池供电，装置微功耗，测量数据能无线发送或按时间记录存储，装置适应低温工作。根据实际工作状况的校准需求，这个研制目标并不容易实现。为此专题开展了工作于低温状态下电池供电的微功耗微小型测温装置的研究，并基本达到了研究目标。

二、系统设计

     系统采用铂电阻温度计的传统电路，如图1所示。

                                                      图1  试管型温度仪测量原理框图

      铂电阻温度计是在工业应用中最方便的温度测量传感器。由于在精密测温上的准确性，这一特点已作为国际温标的定义。铂电阻测温精度高、稳定性好,可用于-200℃～650℃范围内的电阻型温度传感器，完全满足医用离心机-20℃～60℃的温度测量需求。连接方式采用二线制，这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻，电阻的大小与导线的材质、长度及环境温度有关，传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值，但由于本研究测量的温度范围不宽，连线很短，因此这种接线方式适用于该测量精度要求不高而且距离短的场合使用。

      温度引起铂电阻阻值的变化，采用经典恒流源供电，电流流经电阻的电压变化，精确地反映了温度引起的电阻值的变化。后续采用经典差分放大电路，增强了抗干扰能力，去除了零点漂移的影响，再经A/D转换变为数字量。

     铂电阻与温度间的关系为非线性,加之传感器引线电阻及运算放大器非线性等因素影响,采用校准铂电阻测温系统，即将测温头放入标准温度槽，校准-10℃和50℃下的温度值，铂电阻温度头经过零点和满度校正,满足-20℃～60℃离心机温度校准的需求，测量误差±0.1℃。由于温度测量范围较窄，因此采用一阶线性修正，即可达到测量需求。

       在满足测试精度的情况下，测温仪研究的重点是小型化、微功耗，低温工作，电池供电，还需考虑开关电源的需要，难点在于设备小，需求繁多。

      测温仪的开关电源，设计了无开关按键的开关机方式，采用了振动模式的开关机电路，上下反复摇动多次，开机；开机情况下，上下反复摇动多次，关机。开关机电路如图2所示，关机状态下的静态电流24μA。若测温仪不处于自动测量记录温度状态而上位机对测温仪无操作，15分钟后自动关机，手机App也可以远程关机。

测温仪的供电能源，考虑医用离心机的工作环境，测试时测温仪随试管架旋转，测温仪采用可充电小型低温电池，可工作于-10℃环境下。

      测温仪工作于两种模式之下，一种是直读测温模式，另一种是自动存储测温模式。前一种方式，温度测试数据无线发射后，手机端App接收实时直接显示；后一种模式，测温仪测量温度并存储记录，手机端App可随时进入查看当前温度和收集已记录数据，待医用离心机达到设定温度，形成整个温度随时间变化的曲线，完成一次温度变化测量流程。

       测温仪考虑周边温度传到到测温传感器的导热性，因此整个线路板包括铂电阻温度传感器，采用高导热灌封胶灌封，外壳采用玻璃真空采血管，与医院化验室用材一致，测温头外部尺寸为φ15×100，成品如图3所示，可放置于医用离心机的试管架上，是一种真正意义上的对医用离心机温度参数的测量和校准。

                              图2 振动开关机电路                        图3 试管型温度测量仪

                                                                         图4 软件流程框图

三、验证与测试

       试管型温度测量仪送法定计量单位测试的结果如表1所示：

表1 试管型温度测量仪在标准温度检定温槽中的检定结果

     试管型温度测量仪经简单的一阶线性校正后，温度测量精度可达±0.1℃。

试管型温度测量仪在四川蜀科仪器有限公司的LD-5M型医用冷冻离心机上进行现场温度测试实验，离心机转子1000rpm，离心机设置温度0℃，试管型温度测量仪实测-1.46℃。

    试管型温度测量仪在德国Roche Diagnostics GmbH公司的cobas p 671型医用离心机上进行现场温度测试实验，离心机转子3500rpm，离心机设置温度20℃，时间10min。测温仪设置为自动测量记录温度模式，试验过程中可随时收集和显示医用冷冻离心机的实时变化温度，最后形成温度曲线，温度随时间变化曲线如图5。温度曲线两次点击加光标可以得到温度升降速率。图5所示曲线记录了医用离心机按上面设定工作10min后，显示温度为20.49℃；不改变医用离心机工作设置，随后再次启动医用离心机工作，10min后，显示温度为19.45℃，满足医用离心机温度控制在±2℃的要求。图6为试验过程中直读模式下转速温度显示界面。

            图5  医用离心机温度随时间变化的曲线图                                             图6  医用离心机转速温度测量界面

      该测温仪还在进口和国产的其他厂商生产的医用冷冻离心机进行了温度验证实验，证明研发的试管型温度测量仪可广泛应用于医用冷冻离心机的温度校准。

4、结论

      医用冷冻离心机的校准需求是在新冠疫情大流行和对医疗设备加强监管的背景下，对计量技术部门提出的新要求。试管型温度测量仪的研制克服了低温状态下电池供电的微功耗微小型测温的难点，是真正意义上的对离心试验样品部分温度的校准，为医用冷冻离心机的温度校准提供了满足温度校准的标准器。

1、《铂电阻温度传感器检定结果的不确定度分析评定》蒋冬雁等，《企业科技与发展》2019年第4期总第450期

2、《高精度铂电阻温度采集系统设计与实现》吕阳等，《传感技术学报》2020年５月第33卷第5期

3、《铂电阻温度传感器封装结构影响响应时间的因素》周绍志等，《导弹与航天运载技术》2009年第3期总第301期

4、《铂电阻温度变送器的软件校正方法》何琼等，《煤气与热力》2007年2月第27卷第2期

5、《医用冷冻离心机校准方法的研究和设计》郑小清，《计量与测试技术》2021 年第48卷第6期

6、《离心机的校准方法研究及不确定度评定》 张涛、陈永霞、余松林、崔尧尧、杜寅飞，《计量技术》2018.No 9

7、JJF（冀）167-2019《医用离心机校准规范》

8、YY/T0657－2008《医用离心机》

作者简介：朱沙 中国测试技术研究院，研究员，长期从事振动计量与测试工作。