液面高度穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)

王鈞

(上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海 200232)

1 引 言

在一些醫(yī)藥生產(chǎn)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，為了保證醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度，往往要求液體的添加十分準(zhǔn)確，這就需要對(duì)影響液體添加量的因素進(jìn)行嚴(yán)格的控制[1-2]。

圖1為醫(yī)藥生產(chǎn)過(guò)程中常用的液體添加量控制元件——電磁夾管閥，它通過(guò)電磁驅(qū)動(dòng)擠壓或松開輸液軟管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加液量進(jìn)行控制。由于液體僅從軟管中通過(guò)，閥體中的其他部件不與具有化學(xué)腐蝕性的液體相接觸，這樣既保證閥門不遭到液體的腐蝕，也保證了輸送的液體不被污染，維護(hù)也很方便，因此，夾管閥在醫(yī)藥生產(chǎn)和檢測(cè)試驗(yàn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖1 夾管閥

但是隨著人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的期望越來(lái)越高，采用夾管閥來(lái)控制液體添加量存在的問(wèn)題也逐步顯露出來(lái)。比如液體添加過(guò)程中隨著液體容器內(nèi)液體的減少，液面的高度逐步降低，使得施加在夾管閥入口處的壓力降低，導(dǎo)致夾管閥兩端壓力差發(fā)生變化，從而對(duì)液體添加量造成影響[3]。因此，需要液面高度穩(wěn)定裝置，使得在液體的添加過(guò)程中 ，施加在夾管閥入口處的壓力降低能夠得到有效的補(bǔ)償。

2 液面高度穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)

2.1 液面高度穩(wěn)定裝置的工作原理

針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)了液面高度穩(wěn)定裝置，見圖2a。該裝置主要由液體桶座2、彈簧3和底座4組成。當(dāng)液體桶1放置在液體桶座2上面時(shí)，在重力作用下液體桶1壓縮彈簧3，此時(shí)液體桶1處于圖2c的位置，液面高度處于圖2中0-0的位置；隨著液體桶1中液體的不斷使用，液體桶1中液面高度逐漸下降，液體桶1內(nèi)液體的重量也下降，施加在彈簧3上的力就會(huì)逐漸減少，此時(shí)彈簧3伸展使得液體桶1上升、補(bǔ)償由于液體桶1內(nèi)液體的使用而造成液面的下降，使得液體桶的液面穩(wěn)定在0-0的位置(見圖2a)，從而保持夾管閥兩側(cè)的壓力保持恒定不變。圖2d是液體桶液體全部排出，液體桶所處的位置圖，液體桶從圖2c到圖2d移動(dòng)的距離等于液體桶中液體的最大高度Xmax。

圖2 液面高度穩(wěn)定裝置工作圖

2.2 液面高度穩(wěn)定裝置的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1彈簧剛度條件 假設(shè)圖2a中液體桶1內(nèi)液體的重量為W1，液體桶的直徑為D,液體在液體桶內(nèi)的高度為X，液體桶液體的比重為ρ, 則有：

(1)

假設(shè)圖2中彈簧的壓縮高度為h, 彈簧的剛度系數(shù)為k, 彈簧抗力為F，則有：F=kh

(2)

為了使得彈簧壓縮量的變化能夠補(bǔ)償液體在液體桶內(nèi)高度的變化，則有：

dh=dx

(3)

假設(shè)圖2液體桶座2和液體桶1的重量之和為W2，忽略彈簧重量和液體桶座2與底座4之間的摩擦力，可得：W1+W2=F

由于W2是常值，從而：

dW1=dF

(4)

由(1)、(2)、(3)、(4)式可得：

(5)

由上可見，為了使得彈簧伸張量的變化能夠補(bǔ)償液體在液體桶內(nèi)高度的變化，彈簧的剛度系數(shù)應(yīng)滿足式(5)的要求。

2.2.2安裝和導(dǎo)向條件 為了減少摩擦力對(duì)液體壓力變化補(bǔ)償造成影響，本研究的液面高度穩(wěn)定裝置還應(yīng)滿足

(1)安裝時(shí)應(yīng)保持圖2a所示的液體桶座和底座的軸線垂直于水平面；

(3)液體桶座的制造應(yīng)保證液體桶座上平面與桶體的回轉(zhuǎn)軸線垂直。

2.2.3液體桶座和底座配合圓柱最小長(zhǎng)度尺寸 由圖2d和2.2.2可得試劑桶座和底座配合圓柱的最小長(zhǎng)度尺寸：

L=Xmax+L1≥Xmax+2d

2.2.4彈簧設(shè)計(jì) 彈簧3是液面高度穩(wěn)定裝置的重要性能元件。

圖2b中，彈簧的最小工作載荷 F1=W2；彈簧的最大工作載荷是F2=W1max+W2；彈簧的剛度系數(shù)見式(5)； 彈簧的工作行程等于工作載荷F1作用下彈簧的高度H1與工作載荷F2作用下彈簧的高度H2之差，亦即液體桶液面的最大高度Xmax。

根據(jù)以上條件，設(shè)計(jì)者初定彈簧中徑尺寸后，可以參考文獻(xiàn)[4]對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 液面高度穩(wěn)定裝置應(yīng)用舉例

免疫檢測(cè)是臨床檢測(cè)的重要手段之一，免疫檢測(cè)的原理是通過(guò)抗原抗體反應(yīng)來(lái)對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的陰陽(yáng)性進(jìn)行判斷。抗原抗體反應(yīng)過(guò)程中的抗原和抗體必須遵循一定的比例關(guān)系，否則將會(huì)出現(xiàn)假陰性，因此，要求檢驗(yàn)試劑的添加必須具有高的準(zhǔn)確度。

圖3 液面高度穩(wěn)定裝置應(yīng)用實(shí)例

Fig3Theappllcationexamplesofliquidlevelstabilizingapparatus

圖3是液面高度穩(wěn)定裝置在免疫試劑生產(chǎn)中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。圖中7是臨床檢驗(yàn)常用的96孔板，生產(chǎn)中需要在各批次的96孔板中均勻地注入等量的試劑。試劑儲(chǔ)藏在試劑桶1中，輸液管9給噴頭6輸送試劑，通過(guò)包被機(jī)8控制夾管閥5對(duì)輸液管9進(jìn)行擠壓和松開，從而控制試劑的注入量。

隨著市場(chǎng)對(duì)檢測(cè)試劑質(zhì)量要求的不斷提高，企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?nèi)控標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地提高。為了滿足新的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求，需要對(duì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量散布的原因進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試劑在添加過(guò)程中，試劑添加量的逐步減少已經(jīng)成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，試劑添加量的減少是由于試劑添加過(guò)程中試劑桶液面高度的下降、導(dǎo)致夾管閥兩側(cè)壓力差變小所導(dǎo)致，因此，采用圖2的液面高度穩(wěn)定裝置較好地解決了此問(wèn)題。

4 結(jié)論

液面高度穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、成本低廉，可以有效地解決由于液位高度的變化導(dǎo)致夾管閥兩側(cè)壓力變化、從而造成加液量準(zhǔn)確度降低問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。