Пристрій для заморожування біоматеріалів

Изобретение относится к области криогенной техники, используемой для биологических и медицинских исследований, а точнее, к устройствам·для программного замораживания биологических материалов, например, бактериальных и клеточных культур, гамет и зигот млекопитающих, микроорганизмов и т.д. Известное устройство [1], наиболее близкое к заявляемому, которое содержит камеру замораживания с датчиком температуры, подключенным к последовательно соединенным первому блоку сравнения, линейному задатчику температуры, задатчику начальной температуры, а также дифференцирующий блок, вход которого соединен с датчиком температуры, а выход подключен к первому входу блока сравнения, блок суммирования, первый вход которого подсоединен к выходу первого блока сравнения, генератор пилообразного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому компаратору, первому блоку совпадений, первому исполнительному устройству, выход которого соединен с камерой замораживания, второй компаратор, первый вход которого подключен к выходу блока суммирования, второй вход подсоединен к нулевой шине, а выход второго компаратора подключен к второму входу первого блока совладений и к последовательно соединенным первому инвертору, второму блоку совпадений, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, второму исполнительному устройству, вы ход которого соединен с камерой замораживания, блок формирования периода управления, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, а выход соединен с входами первого и второго блоков совпадений, задатчик скорости, выход которого соединен с вторыми входами второго блока сравнения, линейного задатчика температуры и с первым входом блока формирования периода управления. При этом необходимо отметить, что блок суммирования используется по новому назначению, т.е. для суммирования сигналов рассогласования по скорости и по температуре, поступающи х на него с выходов второго и с первого блоков сравнения соответственно. Это обусловлено тем, что знак сигнала управления будет определятся по суммарному сигналу, формируемому на выходе блока суммирования. Недостатками прототипа являются недостаточно высокая точность регулирования процесса программного замораживания биоматериалов за счет использования в режиме стабилизации скорости управляющих импульсов переменной длительности и сложный характер нахождения оптимальных параметров их настройки. Эти недостатки приводят к снижению сохранности замораживаемого биоматериала. В основу изобретения поставлена задача создать такое устройство для замораживания биоматериалов, в котором введение нового блока позволило бы обеспечить точность регулирования процесса программного замораживания биоматериалов за счет использования в режимах стабилизации скорости и температуры замораживания информации только о знаке сигнале рассогласования, а также за счет упрощения характера настройки устройства. Повышение точности регулирования процесса программного замораживания позволяет повысить сохранность биоматериала. Поставленная задача решается тем, что в устройство для замораживания биоматериалов, содержащее камеру замораживания с датчиком температуры, подключенным к последовательно соединенным первому блоку сравнения, линейному задатчику температуры, задатчику начальной температуры, дифференцирующий блок, вход которого соединен с датчиком температуры, а выход подключен к первому входу второго блока сравнения, блок суммирования, первый вход которого подсоединен к выходу первого блока сравнения, генератор пилообразного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому компаратору, первому блоку совпадений, первому исполнительному устройству, выход которого соединен с камерой замораживания, второй компаратор, первый вход которого подключен к выходу блока суммирования, второй вход подсоединен к нулевой шине, а выход второго компаратора подключен к второму входу первого блока совпадений и к последовательно соединенным первому инвертору, второму блоку совпадений, первый вход которого соединен с выходом первого компаратора, второму исполнительному устройству, вы ход которого соединен с камерой замораживания, блок формирования периода управления, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, а выход соединен с входами первого и второго блоков совпадений, задатчик скорости, выход которого соединен с вторыми входами второго блока сравнения, линейного задатчика температуры и с первым входом блока формирования периода управления, дополнительно введен блок формирования длительности импульсов, вход которого подключен к выходу задатчика скорости, а выход подсоединен к первому входу первого компаратора. При этом второй вход блока суммирования подключен к выходу второго блока сравнения. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для замораживания биоматериалов: на фиг.2. 3, и 4 - графики, иллюстрирующие работу этого устройства. Устройство содержит камеру 1 замораживания с размещенными в ней контейнерами с биоматериалом (на чертеже, не показаны), в одном из которых установлен датчик 2 температуры, выход которого через дифференцирующий блок 3 подключен к первому входу второго блока 4 сравнения. Выход датчика 2 температуры подсоединен к первому входу первого блока 5 сравнения, второй вход которого через линейный задатчик 6 температуры подключен к выходу задатчика 7 начальной температуры. При этом первый и второй входы блока 8 суммирования подсоединены, соответственно, к выходам второго блока 4 и первого блока 5 сравнения, а его выход подключен к первому входу второго компаратора 9, другой вход которого подсоединен к нулевой шине. Выход задатчика 10 скорости подключен к вторым входам второго блока 4 сравнения, линейного задатчика 6 температуры и к первым входам блока 11 формирования длительности импульсов и блока 12 формирования периода управления. Первый и второй выход генератора 13 пилообразного напряжения подсоединены, соответственно, к вторым входам первого компаратора 14 и блока 12 формирования периода управления. Первый вход первого компаратора 14 подключен к выходу блока 11 формирования длительности импульсов, а его вы ход подсоединен к первым входам первого и второго блоков 15 и 16 совпадений, вторые входы которых подключены, соответственно к выходам второго компаратора 9 и инвертора 17, вход которого подсоединен к выходу компаратора 9. Выход блока 12 формирования периода управления подключен к третьим входам первого и второго блока 15 и 16 совпадений. Выходы блоков 15 и 16 совпадений подсоединены соответственно к входам исполнительных устройств 18 и 19, причем регулирующим органом в первом исполнительном устройстве 18 может быть, например, электромагнитный клапан, обеспечивающий подачу хладагента (жидкого азота) в камеру 1 замораживания. Регулирующим органом второго исполнительного устройства 19 может служить нагреватель, размещенный в камере 1 замораживания. Устройство работает следующим образом (фиг.1). Сигнал Τ с вы хода датчика 2 температуры, пропорциональный текущему значению температуры в контейнере, поступает на вход ди фференцирующего блока 3, выходной сигнал V которого, пропорциональный скорости изменения температуры в контейнере, поступает на второй блок 4 сравнения, на другой вход которого, с выхода задатчика 10 скорости, поступает сигнал Vзад., пропорциональный заданному значению скорости охлаждения или отогрева биоматериала. Кроме того сигнал Τ с выхода датчика 2 температуры поступает на первый вход первого блока 5 сравнения, на другой вход которого подается сигнал Тзад. с выхода линейного задатчика 6 температуры в виде линейно-изменяющегося напряжения, угол наклона которого пропорционален заданной скорости Vзад,, охлаждения контейнера с биоматериалом, поступающей в виде заданного напряжения с выхода задатчика 10 скорости на второй вход линейного задатчика 6 температуры. Сигнал установки начального значения линейно-изменяющегося напряжения, на выходе линейного задатчика 6 температуры, поступает с вы хода задатчика начальной температуры на первый вход, задания начальных условий, линейного задатчика 6 температуры. На выходе второго блока 4 сравнения формируется сигнал рассогласования δ V, пропорциональный разности между текущим и заданным значениями скорости, определяемый выражением δ V = K1 × (V - Vзад). где Κ1 - коэффициент пропорциональности; V - текущее значение скорости замораживания; Vзад. - заданное значение скорости. Этот сигнал поступает на первый вход блока 8 суммирования. На выходе первого блока 5 сравнения формируется сигнал рассогласования δ Τ, пропорциональный разности между текущим Τ и заданным Тзад. значениями температуры, определяемый выражением δ Т = К2(T-Тзад.), где К2 - коэффициент пропорциональности, Этот сигнал поступает на второй вход блока 8 суммирования. На выходе блока 8 суммирования формируется суммарный сигнал рассогласования по скорости и по температуре δ, определяемый выражением δ =К1×(V-Vз ад.) + К 2(T-Тз ад.). В начальный момент времени и в дальнейшем на всем участке стабилизации скорости изменения температуры замораживания биоматериала сигнал δ положителен, т.е. δ > 0. Это обусловлено тем, что из-за инерционного запаздывания, связанного с временем прохождения по трубопроводу холодового воздействия, т.е. жидкого азота, к контейнерам с биоматериалом, текущая температура Τ на всем участке стабилизации скорости будет преобладать над заданной температурой Тзад, чем обеспечивается, в основном, постоянная положительная полярность сигнала рассогласования δ. Скоростная составляющая сигнала рассогласования δ, т.е. K1(V-Vзад.). обеспечивает, в основном, постоянство величины сигнала рассогласования δ. Это обусловлено тем, что знак этой составляющей противоположен знаку основной составляющей, т.е. температурной составляющей К2(Т-Тзад), формируемой на выходе второго блока 5 сравнения (фиг.4, *1 - *4). Сигнал рассогласования δ с выхода блока 8 суммирования поступает на первый вход второго компаратора 9, где, сравниваясь с нулевым сигналом, обеспечивает на его выходе единичного сигнала положительной полярности, чем обеспечивается появление положительного единичного сигнала на втором входе блока 15 совпадений и отрицательного единичного сигнала на втором входе блока 16 совпадений и, в конечном счете, выбор нужного исполнительного органа, т.е. электромагнитного клапана (Исполнительное устройство 18). На первые входы блоков 15 и 16 совпадений поступают управляющие импульсы постоянной длительности с выхода первого компаратора 14, при этом длительность этих импульсов пропорциональна величине заданной скорости Vзад, формируемой на выходе за датчика 10 скорости. Рассмотрим формирование управляющих импульсов постоянной длительности на выходе первого компаратора 14. Сигнал Vзад, пропорциональный заданному значению скорости охлаждения или отогрева, формируемый на выходе задатчика 10 скорости (фиг.4,2), поступает на вход блока 11 формирования длительности импульсов, на выходе которого формируется нормированный сигнал δ U, пропорциональный заданной скорости \/зад. (фиг.2). С выхода блока 11 формирования длительности импульсов сигнала δ U поступает на первый вход первого компаратора 14, на второй вход которого, с первого выхода генератора 13 пилообразного напряжения, поступает пилообразное напряжение Vгпн., угол наклона которого равен 45°, чем обеспечивается пропорциональная зависимость длительности управляющих импульсов на выходе компаратора 14 от величины заданной скорости, поступающей в виде сигнала \/зад. на вход блока 11 формирования длительности управляющих импульсов с вы хода задатчика 10 скорости (фиг 4, 5, 6). Кроме того импульсы синхронизации со второго выхода генератора 13 пилообразного напряжения поступает на второй вход 12 формирования периода управления, на первый вход которого поступает сигнал Vзад., пропорциональный заданной скорости, с выхода задатчика 10 скорости (фиг.3). Сформированный на выходе блока 12 формирования периода управления, сигнал поступает на третьи входы блоков 15 и 16 совпадений, обеспечивая подключение выбранного исполнительного органа 18 в определенные моменты времени Νпер., задаваемые блоком 12 формирования периода управления и кратные периоду генератора 13 пилообразного напряжения. Таким образом появление управляющих импульсов постоянной длительности, сформированных на выходе компаратора 14, на выходе первого блока 15 совпадений и на входе первого исполнительного устройства 18, обеспечивает срабатывание электромагнитного клапана, осуществляющего подачу в камеру 1 замораживания хладагента, например, жидкого азота. Камера 1 с контейнерами начинает охлаждаться, момент времени t1 (фиг.4), при этом скорость охлаждения биоматериала увеличивается (фиг.4, 3). Сигнал рассогласования δ на выходе блока 8 суммирования незначительно возрастает и к моменту времени t2 (фиг.4, *4) устанавливается постоянное положительное значение сигнала рассогласования δ, величина которого и знак сохраняются в дальнейшем на всем участке стабилизации скорости, что в соответствии с вышеизложенным приведет к срабатыванию только исполнительного органа 18, осуществляющего подачу жидкого азота в камеру 1 замораживания. В момент достижения текущей скорости замораживания V величины заданной скорости замораживания Vзад. (фиг.4, 3. момент времени t2) под действием управляющих импульсов постоянной длительности, которая пропорциональна величине заданной скорости \/зад. устанавливается заданный режим стабилизации по скорости, при этом обеспечивается высокая стабильность и точность скорости замораживания биоматериалов на всем участке стабилизации по скорости, которые в свою очередь позволяют повысить сохранность биоматериалов при замораживании на всем участке стабилизации скорости замораживания биоматериалов. При этом необходимо отметить, что исполнительное устройство 19, т.е. нагреватель, на участке стабилизации скорости не подключается, так как формируемая длительность импульсов пропорциональна заданной скорости Vзад. и сигнал рассогласования δ > 0 на всем участке стабилизации по скорости, что обеспечивает высокую точность стабилизации скорости (£1 %) и повышение сохранности биоматериалов при замораживании (фиг.4, 3). Для перехода в режим стабилизации температуры (фиг.4, момент времени t3) с выхода задатчика 10 скорости подается сигнал Vзад.=0 и с выхода задатчика 7 начальной температуры сигнал заданной температуры стабилизации (10°С). что в соответствии с вышеизложенным алгоритмом функционирования устройства приведет к появлению на выходе блока 8 суммирования отрицательного сигнала рассогласования δ, единичного сигнала отрицательной полярности на выходе компаратора 9 и втором входе первого блока 15 совпадений и положительного единичного сигнала на втором входе второго блоха 16 совпадений, что вызовет в начальный момент времени t3 (фиг.4, 8) выбор второго исполнительного устройства 19, т.е. нагревателя, осуществляющего отогрев камеры 1 и контейнеров с биоматериалом. Отогрев камеры 1 замораживания осуществляется при подаче с выхода компаратора 14 управляющих импульсов постоянной и минимальной длительности (фиг.2) в момент времени Nпер., определяемые блоком 12 формирования периода управления (фиг.3). При достижении текущей температуры Τ заданного значения Тзад., а затем и превышении ее сигнал δ на выходе блока 8 суммирования станет положительным, т.е. δ > 0, что вызовет подключение первого исполнительного устройства 18, т.е. электромагнитного клапана, осуществляющего подачу жидкого азота в камеру 1 замораживания. Камера 1 замораживания начнет охлаждаться до изменения знака сигнала δ на выходе блока 8 суммирования на противоположный, т.е. δ < 0. При этом необходимо отметить также, что в связи с тем, что для стабилизации заданной температуры Τзад., используется тоже только информация о знаке ошибки сигнала рассогласования δ=К1(V-Vзад.) + К2(Т - Тзад.) и с учетом опережающего корректирующего воздействия скоростной составляющей сигнала рассогласования δ, т.е. составляющей K1(V – Vзад.), на формирование самого сигнала рассогласования δ, процесс стабилизации заданной температуры под действием управляющих импульсов минимальной и постоянной длительности осуществляется качественно и стабильно, при этом точность стабилизации заданной температуры не превышает 3% от заданной температуры стабилизации (фиг.4, для t³t 3 и приведенные результаты счета в Приложении). Предлагаемое устройство для программного замораживания биоматериалов выгодно отличается от известных устройств аналогичного назначения и от прототипа благодаря использованию в режимах стабилизации скорости и температуры замораживания биоматериалов только информации о знаке сигнала рассогласования δ, использованию в режиме стабилизации скорости управляющих импульсов постоянной длительности, которая пропорциональна величине заданной скорости Vзад., использованию на участке стабилизации температуры управляющи х импульсов постоянной и минимальной длительности, использованию опережающего корректирующего воздействия скоростей составляющей сигнал рассогласования δ на сигнал рассогласования на участке стабилизации температуры, что позволяет значительно уменьшить отклонение текущей температуры от заданной на участке стабилизации температуры. Перечисленные выше преимущества позволили получить на участках переходного процесса периодический характер переходного процесса, величина перерегулирования которого по скорости на участках переходного процесса и установившегося движения не превышает 1 %, стабильный характер скорости, а на участках стабилизации температуры - стабильный характер установившегося движения с отклонением текущей температуры от заданной не более 3%, оптимальный коэффициент усиления, более простой характер нахождения оптимальных параметров настройки (коэффициента усиления тракта управления) вследствие пропорционального соответствия длительности управляющих импульсов - заданной скорости замораживания и повысить, с учетом сказанного выше, сохранность биоматериалов при замораживании. Эти результаты были получены в СКТБ с ОП ИПКиК НАН Украины при испытаниях макета устройства программного замораживания биоматериалов с камерой замораживания КЗ - 1005 и при математическом моделировании на ЭВМ СМ-4 данного макета устройства программного замораживания биоматериалов. Высокий уровень оптимизации процессов программного замораживания биоматериалов в широком диапазоне скоростей и температуры дает возможность использовать данное устройство для программного замораживания биомагериалов как в реальных условиях, так и научно-исследовательских целях, и, что очень важно, повысить сохранность биоматериалов при замораживании.