Устройство для замораживания биоматериалов

 

Изобретение может быть использовано в криогенной технике, а именно в устройствах для программного замораживания биологических материалов. Цель изобретения - повышение сохранности биоматериалов. Устройство содержит камеру 1 замораживания, датчик 2 температуры, устёновленный в одном из контейнеров с биоматериалом и подключенный через дифференцирующий блок 3 к первому входу блока 4 сравнения,задающий блок 5, подсоединенный к второму входу блока 4 сравнения, к выходу последнего подключены последовательно связанные демодулятор 17, делитель 18, нормирующий усилитель 19, второй блок 20 сравнения, генератор 21 пилообразного напряжения, первый компаратор 15, первый блок 23 совпадений и первый исполнительный орган 26, подсоединенный к камере 1 замораживания, подключенные к первому выходу второго компаратора 16 последовательно связанные инвертор 25. второй блок 24 совпадений, второй исполнительный орган 27, подключенный к камере 1 замораживания, задатчик 10 режима, блок 13 опорного сигнала. Кроме того, оно содержит блок формирования периода управления, на вход которого подключен генератор пилообразного напряжения, при этом вход последнего соединен с выходом первого задающего блока, а входы блоков совпадения подключены к выходу блока 22 формирования периода управления, 3 ил.^*^^1^Сл>& Ою>&

СО6з сОВЕтских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ((9) ()!) (5!)5 F 25 D 3/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4767163/13 (22) 11,12.89 (46) 23.02.92. Бюл. ¹ 7 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с Опытным производством

Института проблем криобиологии и криомедицины.АН УССР (72) В.И.Резников и Э.Ф.Дрижерук, (53) 621;59 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1593358, кл. F 25 0 3/10, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМОРАЖИВАНИЯ бИОМАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение может быть использовано в криогенной технике, а именно в устройствах для программного замораживания биологических материалов. Цель изобретения— повышение сохранности биоматериалов.

Устройство содержит камеру 1 замораживания, датчик 2 температуры, установленный в одном из контейнеров с биоматериалом и подключенный через дифференцирующий блок 3 к первому входу блока 4 сравнения, задающий блок 5, подсоединенный к второму входу блока 4 сравнения, к выходу последнего подключены последовательно связанные демодулятор 17. делитель 18, нормирующий усилитель 19, второй блок 20 сравнения, генератор 2.1 пилообразного напряжения, первый компаратор 15, первый блок 23 совпадений и первый исполнительный орган 26, подсоединенный к камере 1 замораживания, подключенные к первому выходу второго компаратора 16 последовательно связанные инвертор 25, второй блок

24 совпадений, второй исполнительный орган 27, подключенный к камере 1 замораживания, задатчик 10 режима, блок 13 опорного сигнала. Кроме того, оно содержит блок формирования периода управления, на вход которого подключен генератор пилообразного напряжения, при этом вход последнего соединен с выходом первого задающего блока, а входы блоков совпадения подключены к выходу блока 22 форми- 2 рования периода управления. 3 ил.

1714309

Изобретение относится к области криогенной техники, используемой для биологических и медицинских исследований, а именно к устройствам для программного замораживания биологических материалов, 5 например клеточных культур гамет и зигот млекопитающих, микроорганизмов и т.д..

Целью изобретения я.вляется повышение coxpBHHQGTM биоматериалов при замораживании путем повышения точности 10 регулирования процесса программного замораживания.

На фиг. 1 представлено устройство для замораживания биоматериалов, блок-схема; на фиг. 2 и 3 — графики, иллюстрирую- 15 щие работу устройства, Предложенное устройство содержит камеру 1 замораживания с размещенными в ней контейнерами с биоматериалом (не показаны), в одном из которых установлен дат- 20

1 чик 2 температуры, выход которого через дифференцирующий блок 3 подключен к первому входу первого. блока 4 сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого задающего блока 5, выход датчика 25

2 температуры подключен к входу третьего блока 6 сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока 7 интегрирования, Выход третьего блока 6 сравнения через второй дифференцирующий блок 8 и 30 третий блок 9 совпадений подключен к блоку 7 интегрирования, другой вход которого подсоединен ко второму выходу первого задающего блока 5. Выход задатчика 10 режима подключен к второму входу третьего 35 блока 9 совпадений. Вход задания начальных условий блока 7 интегрирования соединен с выходом второго задающего блока 11, Другой выход третьего блока 6 сравнения подключен к первому входу блока 12 сумми-. 40 рования, другой вход которого соединен с выходом блока 13 опорного сигнала.

Выход блока 12 суммирования через второй демодулятор 14 подключен к входу первого компаратора 15 и к входу первого 45 задающего блока 5 и второго компаратора

16, первый вход которого подключен к нулевой шине. Выход первого блока 4 сравнения через первый демодулятор 17 подсоединен к первому входу делителя 18, другой вход 50 которого соединен с выходом первого зада-: ющего блока 5. Выход делителя 18 через нормирующий усилитель 19 подсоединен к первому входу второго блока 20 сравнения, причем вторые входы нормирующего усияи- 55 теля 19 и второго блока 20 сравнения подключены к выходу первого задающего блока 5.

Выход второго блока 20 сравнения подсоединен к входу генератора 21 пилообразного напряжения, первый выход которого . подключен к входу первого компаратора 15, а второй выход генератора 21 пилообразного напряжения к второму входу блока 22 формирования периода управления, первый вход которого подсоединен к выходу первого. задающего блока 5. Выход первого компаратора 15 подключен к входам первого и второго блоков 23 и 24 совпадений, другие входы которых подсоединены соот- ветственно к выходу второго компаратора

16 и к выходу инвертора 25, вход которого подсоединен к выходу второго компаратора

16, а третьи входы первого и второго блоков

23 и 24 совпадений подключены к выходу блока 22 формирования периода управления.

Выходы блоков 23 и 24 совпадений подсоединены соответственно к входам исполнительных устройств 26 и 27, причем регулирующим органом в исполнительном устройстве 26 может быть. например, электромагнитный клапан, обеспечивающий подачу хладагента (жидкого азота} в камеру

1 замораживания. Регулирующим образом исполнительного устройства 27 может слу-жить нагреватель, размещенный в камере 1 замораживания.

Устройство работает следующим образом, Сигнал, пропорциональный текущему значению температуры в контейнере, поступает с выхода датчика 2 температуры на первый вход третьего блока 6 сравнения, на другой вход которого подается сигнал с выхода блока 7 интегрирования в виде линейно-изменяющегося напряжения, угол наклона которого пропорционален заданной скорости V» охлаждения контейнера с биоматериалом, поступающей в виде заданного напряжения с выхода первого задающего блока 5 на второй вход блока 7. интегрирования. Единичный сигнал с выхо-: да задатчика 10 режима поступает на второй вход третьего блока 9 совпадений.

Сигнал установки начального значения линейно-измейяющегося напряжения на выкоде блока 7 интегрирования поступает с выхода второго задающего блока 11 на вход задания начальных условий блока 7 интегрирования, На выходе блока 6 сравнения формируется сигнал рассогласования д Т пропорциональный разности между. заданным и текущим значениями температуры. 8 начальный момент времени д Т = О. Этот сигнал с первого выхода блока 6 сравнения ,. поступает на вход дифференцирующего . блока 8, иа выходе которого формируется, сигиал ошибки по скорости ЬЧ определяемый выражением

1714309

A V = d t cII (Т д, — T), где Т вЂ” текущая температура, Тзад — заданная температура.

Этот сигнал через третий блок 9 совпадений поступает на первый вход блока 7 5 интегрирования, обеспечивая дополнительную коррекцию сигнала рассогласования д Т по скорости, так как знак сигнала АЧ в начальные моменты совпадает со знаком заданной скорости V»z, формируемой на 10 выходе первого задающего блока 5, что автоматически приводит к увеличению задаю щего сигйала на выходе блока 7 интегрирования и к увеличению сигнала рассогласования д Т на выходе блока 6 15 сравнения. Одновременно, сигнал . ЗТс второго выхода блока 6 сравнения поступает на первый вход блока 12 суммирования, на второй вход которого поступает сигнал

Ооп с выхода блока 13 опорного сигнала, 20 величина которого соответствует величине зоны нечувствительности исполнительного органа, На выходе блока 12 суммирования формируется суммарный сигнал ошибки дТ1 25 определяемый выражением Т1= дТ+ Ооп.

В начальный момент времени Л Т> =

=Оод. Введение сигнала О в блок 12 суммирования обеспечивает смещение рабоче- 30

ro диапазона исполнительного органа на величину зоны нечувствительности исполнительного органа, что приводит к уменьшению времени переходного процесса и статической ошибки на участке установившегося процесса программного замораживания биоматериалов. Сигнал д Т1 с выхода блока 12 суммирования поступает на второй демодулятор 14, на выходе кото: рого формируется положительныйсигналдТ2 40

- величина которого пропорциональна модулю д12 =! дТ1

В начальный момент времени д Т2

=lU<> I. Сигнал д Т1.с второго выхода блока

12 суммирования поступает на вход первого задающего блока 5, чем обеспечивается коррекция сигнала (заданной скорости) на выходе первого задающего блока 5, что Йри1 водит к увеличению быстродействия процесса перехода с участков малых программных скорбстей на участки больших программных скоростей. Увеличение .быстродействия процессов происходит,за счет совпадения знаков сигнала д Т1 нв выходе блока 12 суммирования и сигнала Чзад. на выходе задающего блока 5, что.приводит автоматически к увеличению коэффициента усиления всего тракта управления.

Кроме того, сигнал д Т1 с выхода блока

12 суммирования поступает на второй вход второго компаратора 16, обеспечивая выбор нужного исполнительного органа (в„начальный момент — исполнительное устройство 26), Сигнал д Т, построенный оптимальным образом, с выхода второгодемодулятора 14 поступает на первый вход первого компаратора 15, на другой вход которого поступает с выхода генератора 21 пилообразного напряжения сигнал оптимальной амплитуды, сформированный подключенными к выходу датчика 2 температуры, последовательно связанными, первым дифференцирующим блоком 3, первым блоком 4 сравнения, первым демодулятором 17, делителем 18, нормирующим усилителем 19, вторым блоком 20 сравнения и генератором 21 пилообразного напряжения, Сигнал с выхода датчика 2 температуры, пропорциональный текущему значению температуры, поступает на вход первого дифференцирующего блока 3, выходной сигнал которого, пропорциональный скорости изменения температуры, поступает на первый блок 4 сравнения, на другой вход которого подается с выхода первого задающего блока 5 сигнал Чзад., пропорциональный заданному значению скорости охлаждения или отогрева. На выходе блока

4. формируется сигнал д Т определяемый выражением дТ= Чзад V, где V — текущая скорость замораживания биоматериала.

Этот сигнал поступает на первый демодулятор 17, на выходе которого формируется положительный сигнал д Т>, величина которого пропорциональна модулюд Т. Сигнал д Т1 поступает на один вход делителя

18; на другой. вход которого подается сигнал

Чзад. с выхода задающего блока 5. Выходной сигнал делителя 18 определяется выражением

I Чзад — V I дЧзад

Этот сигнал поступает через нормирующий усилитель 19, коэффициент усиления которого определяется выражением

Кнф. = K Vçaä., причем 0«1, в виде сигнала U, вычисляемого по формуле

1 Чзад зад. Ф зад поступает на один вход второго блока 20 сравнения, на другой вход которого поступает сигнал,. пропорциональный задающе1714309

35 му сигналу Ч»д. с выхода задающего блока

5.

На выходе блока 20 сравнения формируется напряжение U>, пропорциональное разности сигналов чзад. и U. flpM этом, по- 5 скольку в начале процесса программного замораживания V = О, то сигнал д Т имеет максимальное значение, близкое x V»z, а сигнал д - 1, т.е. U имеет некоторое максимальное значение. При этом сигнал U> на 10 выходе блока 20 сравнения минимален, что обеспечивает формирование на выходе генератора 21 пилообразного напряжения сигнала оптимальной минимальной амплитуды; Этот сигнал, поступая на другой вход 15 компаратора 15, обеспечивает появление на его выходе импульсов большой длительности.

Кроме того, импульсь| синхронизации со второго выхода генератора 21 пилооб- 20 разного напряжения поступают на второй вход блока 22 формирования периода управления, на первый вход которого поступает сигнал . Ч»д., пропорциональный заданной скорости, с выхода: задающего блока 5, Сформированный на выходе блока

- 22 формирования периода управления сигнал поступает на третьи входы блоков 23 и

24 совпадений, обеспечивая подключение выбранного исполнительного органа в определенные моменты времени Nppp., задаваемые блоком 22 формирования периода управления и кратные периоду генератора

21 пилообразного напряжения.

С выхода компаратора 15 импульсы оптимальной большой длительности, поступают на первые входы блоков 23 и 24 совпадений, чем обеспечивается поступлеwe выходных импульсов в начальные мо8 за счет увеличения крутизны пилообразного напряжения генератора 21 пилообразного напряжения, уменьшение длительности импульсов на выходе компаратора 15, а значит дополнительное уменьшение подачи хладагента в камеру 1 замораживания, При достижении, а затем и превышении текущей скорости замораживания значения заданной программной скорости замораживания сигнал дТ на выходе блока 6 сравнения изменит знак на противоположный. Это вызовет отключение блока 23 совпадений, так как на его вторЬм входе появится нулевой сигнал, и появление на втором входе блока

24 совпадений единичного сигнала, обеспечив подключение исполнительного органа

27, т.е. подключение нагревателя к камере замораживания.

Камера начнет .отогреваться, при этом скорость охлаждения контейнеров с биоматериалом начнет уменьшаться и под действием нагревателя снова достигнет заданного программного значения. С момента установления в контейнере заданной программной скорости замораживания сигналы ошибки д Т и д Т на выходах блока 6 сравнения и блока 4 сравнения соответственно под. действием оптимального алгоритма устройства устанавливаются такими, которые обеспечивают замораживание биоматериала с заданной скоростью, Если в процессе регулирования скорость замораживания будет отклоняться от заданной, то это вызовет изменение знака сигнала рассогласования д Т на выходе блока 6 сравнения, обеспечив выбор и подключение нужного исполнительного органа для устранения этого отклонения. менты на исполнительный орган 26, осуществляющий подачу в камеру 1 замораживания хладагента. например, жидкого азота. Камера начинает охлаждаться, при этом скоррсть охлаждения увеличивается.

Сигнал д Т на выходе блока 4 сравнения

45 начинает уменьшаться, что приводит в конечном счете к увеличению сигнала U> на выходе блока 20 сравнения и увеличению амплитуды выходного сигнала генератора

21 пилообразного напряжения. Сигнал 50 д Т на выходе блока 6 сравнения в это время увеличивается, приводя к увеличению сиг нала дТ на первом входе компаратора15.

Таким образом, увеличение амплитуды выходного сигнала генератора 21 пилооб- 55 разного напряжения, поступающего на второй вход компаратора 15, и увеличение сигнала д Т2 поступающего на первый вход компаратора 15, вызывает дополнительное, !

Таким. образом, в предложенном устройстве коэффициент усиления регулятора является функцией не только от сигналов рассогласования д Т и д Т. но и от крутизны пилообразного напряжения, длительности периода управления и ошибки по скорости замораживания. 8 режиме стабилизации температуры используется это же устройство без введения новых признаков. Чтобы это устройство испольэовйь в режиме стабилизации температуры в заданной точке температурного поля, необходимо с выхода задающего блока 5 на второй вход блока 7 интегрирования подать программное значеwe скорости, равное нуво, а с выхода второго задающею блока 11 подать на вход установки начального значения блока 7 интегрирования сигквл установки заданной температуры стабилизации. а на выходе зада1чика 10 режима установить нулевой сиг1714309

10 нал для отключения дифференцирующего му компаратору, первому блоку совпадений, блока 8 от первого входа блока 7 интегриро- первому исполнительному устройству, вывания. ход которого соединен с камерой заморажиСформированный на выходе блока 22 вания, а также первый задающий блок, формирования периода управления сигнал 5. выход которого соединен с первым блоком поступает на третьи входы блоков 23 и 24 сравнения, входами делителя, нормируюсовпадений, обеспечивая подключение вы- щего усилителя и второго блока сравнения, бранного исполнительного органа в опреде- последовательно соединенные второй комленные моменты времени, задаваемые паратор, первый вход которого соединен с блоком 22 формирования периода управле- 10 нулевой шиной, а выход подключен ко втония. В режиме стабилизации температуры рому входу первого блока совпадений, инвсе процессы в устройстве протекаю ана- вертор, второй блок совпадений, второй логично, как и при стабилизации скорости вход которого подключен к выходу первого изменения температуры биоматериала.. компаратора, второе исполнительное устУлучшение качества стабилизации на 15 ройство, выход которого соединен с камеучастках переходного и установившегося рой замораживания, о т л и ч а ю щ е е с я процесса в режиме стабилизации темпера- тем, что, с целью повышения сохранности туры обеспечивается за счет смещения ра- биоматериалов при замораживании путем бочего диапазона исполнительного органа повышения точности регулирования прона величину зоны нечувствительности ис- 20 цесса программного замораживания, оно полнительного органа и оптимального алго- . снабжено последовательно соединенными ритма устройства, обеспечивая получение третьим блоком сравнения, первый вход коотклонениятекущейтемпературы отзадан- торого подключен к датчику температуры, ной на участке перерегулирования не более - блоком суммирования, выход которого под3 jo, а в установившемся режиме не более 25 ключен к первому задающему блоку.и вто27.8ысокийуровеньоптимизациипроцес- рому входу второго компаратора, вторым сов программного замораживания биомате- демодулятором, выход которого соединен риалов в. широком диапазоне скоростей со вторым входом первого компаратора, а

0,1-100 С/мин на участках стабилизации также последовательно соединенными втоскоростии на участках стабилизации темпе- 30 рым дифференцирующим блоком, вход ко- ратуры в любой. заданной точке температур- торого соединен с вторым выходом третьего ного поля (от +20"С до — 160 С) дает, блока сравнения, третьим блоком совпадевозможность использовать устройство для ния, блоком интегрирования, выход которопрограммного замораживания биоматериа- . го соединен с вторым входом третьего блока лов как в реальных условиях, так и в научно- 35 сравнения, второй вход-с выходом первого исследовательских целях, и повысить задающего блока, блоком опорного сигнасохранность биоматериалов при заморажи- ла, вторым задающим блоком, задатчиком режима, выходы-которых подключены соотФ о р м у л а и з о б р е т е н и я ветственно к второму входу блока суммироУстройство для замораживания биома- 40 вания, третьим входом блока териалов, содержащее камеру заморажива- интегрирования, вторым входом третьего ния с датчиком температуры, блока совпадения и блоком формирования подключенным к последовательно соеди- периода управления, первый вход которого неннымпервомудифференцирующемубло- соединен с выходом первого задающего ку, первому блоку сравнения, первому 45 блока, второй вход — с вторым выходом гедемодулятору. делителю, нормирующему нератора пилообразного напряжения, а выусилителю, второму блоку сравнения, гене- ход — с третьими входами первого и второго ратору пилообразного напряжения, перво.- блоков сравнения.

1714309

Фие J

Составитель В.Новиков

Редактор И.Ванюшкина Техред М.Моргентал . Корректор Л.Патай

Заказ 679 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., 4/5

1 производственно-издательский комбинат "патент", г. ужгород, ул.Гегврине, гбг