Устройство для замораживания биоматериалов

%ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР 1 ОПИСАНИЕ ИЗО(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с Опытным производством, Института проблем криобиологии и криомедицины.АН УССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛ ВАНИЯ 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 формирования периода управления. 3 ил,Изобретение относится к области криогенной техники, используемой для биологических и медицинских исследований, аименно к устройствам для программного замораживания биологических материалов, 5например клеточных культур гамет и зиготмлекопитающих, микроорганизмов и т,д,Целью изобретения является повышение сохранности биоматериалов при замораживании путем повышения точности 10регулирования процесса программного замораживания.На фиг. 1 представлено устройство длязамораживания биоматериалов, блок-схема; на фиг. 2 и 3 - графики, иллюстрирующие работу устройства,Предложенное устройство содержит камеру 1 замораживания с размещенными вней контейнерами с биоматериалом (не показаны), в одном из. которых установлен датчик 2 температуры, выход которого черездифференцирующий блок 3 подключен кпервому входу первого. блока 4 сравнения,второй вход которого соединен с выходомпервого задающего блока 5, выход датчика 252 температуры подключен к входу третьегоблока 6 сравнения, другой вход которогосоединен с выходом блока 7 интегрирования, Выход третьего блока 6 сравнения через второй дифференцирующий блок 8 и 30третий блок 9 совпадений подключен к блоку 7 интегрирования, другой вход которогоподсоединен ко второму выходу первого задающего блока 5. Выход задатчика 10 режима подключен к второму входу третьего 35блока 9 совпадений. Вход задания начальных условий блока 7 интегрирования соединен с выходом второго задающего блока 11,Другой выход третьего блока 6 сравненияподключен к первому входу блока 12 сумми-. 40рования, другой вход которого соединен свыходом блока 13 опорного сигнала,Выход блока 12 суммирования черезвторой демодулятор 14 подключен к входупервого компаратора 15 и к входу первого 45.задающего блока 5 и второго компаратора16, первый вход которого подключен к нулевой шине. Выход первого блока 4 сравнениячерез первый демодулятор 17 подсоединенк первому входу делителя 18, другой вход 50которого соединен с выходом первого зада- .ющего блока 5, Выход делителя 18 через нормирующий усилитель 19 подсоединен кпервому входу второго блока 20 сравнения,причем вторые входы нормирующего усидителя 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 .1 подключен к входу первого компаратора 15,а второй выход генератора 21 пилообразно- .го напряжения к второму входу блока 22формирования периода управления, первый вход которого подсоединен к выходупервого, задающего блока 5. Выход первогокомпаратора 15 подключен к входам первого и второго блоков 23 и 24 совпадений,другие входы которых подсоединены соот-ветственно к выходу второго компаратора16 и к выходу инвертора 25, вход которогоподсоединен к выходу второго компаратора16, а третьи входы первого и второго блоков23 и 24 совпадений подключены к выходублока 22 формирования периода управления,Выходы блоков 23 и 24 совпадений подсоединены соответственно к входам исполнительных устройств 26 и 27, причемрегулирующим органом в исполнительномустройстве 26 может быть. например, электромагнитный клапан, обеспечивающийподачу хладагента (жидкого азота) в камеру1 замораживания. Регулирующим образомисполнительного устройства 27 может слу-жить нагреватель, размещенный в камере 1замораживания.Устройство работает следующим образом,Сигнал, пропорциональный текущемузначению температуры в контейнере, поступает с выхода датчика 2 температуры напервый вход третьего блока 6 сравнения, надругойвход которого подается сигнал с выхода блока 7 интегрирования в виде линейно-изменяющегося напряжения, уголнаклона которого пропорционален заданной скорости Чд охлаждения контейнера сбиоматериалом, поступающей в виде заданного напряжения с выхода первого задающего блока 5 на второй вход блока 7.интегрирования, Единичный сигнал с выхода задатчика 10 режима поступает на второй вход третьего блока 9 совпадений.Сигнал установки начального значения линейно-измейяющегося напряжения на выкоде блока 7 интегрирования поступает свыхода второго задающего блока 11 на входзадания начальных условий блока 7 интегрирования,На выходе блока 6 сравнения формируется сигнал рассогласования д Т пропорциональный разности между. заданным итекущим значениями температуры. В 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 выражениемЬЧ = Ь(а(тд. - Т),где Т - текущая температура,Тзад - заданная температура.Этот сигнал через третий блок 9 совпадений поступает на первый вход блока 7 5интегрирования, обеспечивая дополнительную коррекцию сигнала рассогласованияд Т по скорости, так как знак сигнала АЧ вначальные моменты совпадает со знакомзаданной скорости Чзад, формируемой на 10выходе первого задающего блока 5, что автоматически приводит к увеличению задающего сигйала на выходе блока 7интегрирования и к увеличению сигналарассогласования д Т на выходе блока 6 15сравнения. Одновременно, сигнал ЗТсвторого выхода блока 6 сравнения поступает на первый вход блока 12 суммирования,на второй вход которого поступает сигналОоп с выхода блока 13 опорного сигнала, 20величина которого соответствует величинезоны нечувствительности исполнительногооргана,На выходе блока 12 суммирования формируется суммарный сигнал ошибки дТ 25определяемый выражениемЛТ = д Т+ О,п,В начальный момент времени Л Т 1 ==Ооп. Введение сигнала Ооп в блок 12 суммирования обеспечивает смещение рабочего диапазона исполнительного органа навеличину зоны нечувствительности исполнительного органа, что приводит к уменьшению времени переходного процесса истатической ошибки на участке установившегося процесса программного замораживания биоматериалов, Сигнал д Т 1 свыхода блока 12 суммирования поступаетна второй демодулятор 14, на выходе которого формируется положительныйсигналдТ 2 40величина которого пропорциональна модулюдТ 2 = 1 дТВ начальный момент времени д Т 2=1 Ооп 1. Сигнал д Т 1.с второго выхода блока4512 суммирования поступает на вход первогозадающего блока 5, чем обеспечиваетсякоррекция сигнала (заданной скорости) навыходе первого задающего блока 5, что йри-.водит к увеличению быстродействия процесса перехода с участков малыхпрограммных скорбстей на участки больших программных скоростей. Увеличение.быстродействия процессов происходит.засчет совпадения знаков сигнала д Т 1 на выходе блока 12 суммирования и сигнала Чзад.на выходе задающего блока 5, что.приводитавтоматически к увеличению коэффициентаусиления всего тракта управления,Кроме того, сигнал д Т 1 с выхода блока 12 суммирования поступает на второй вход второго компаратора 16, обеспечивая выбор нужного исполнительного органа (вначальный момент - исполнительное устройство 26), Сигнал д Т 1, 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 выражениемд Т= Чзад - Ч,где Ч - текущая скорость замораживания биоматериала,Этот сигнал поступает на первый демодулятор 17, на выходе которого формируется положительный сигнал дТ, величина которого пропорциональна модулюд Т, Сигнал д Т 1 поступает на один вход делителя 18; на другой вход которого подается сигнал Чзад, с выхода задающего блока 5. Выходной сигнал делителя 18 определяется выражением1 Чзад - Ч 1дЧзадЭтот сигнал поступает через нормирующий усилитель 19, коэффициент усиления которого определяется выражениемКнф. = КЧзад.,причем О К 1, в виде сигнала О, вычисляемого по формуле 1 Чзад - Ч 1Фзадпоступает на один вход второго блока 20 сравнения, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный задающе1714309 30 35 му сигналу Чзад. с выхода задающего блока5,На выходе блока 20 сравнения формируется напряжение О 1, пропорциональноеразности сигналов Чзад. и О. При этом, поскольку в начале процесса программногозамораживания Ч = О, то сигнал д Т имеетмаксимальное значение, близкое к Чзад, асигнал д -ф 1, т.е, О имеет некоторое максимальное значение, При этом сигнал О 1 на 10выходе блока 20 сравнения минимален, чтообеспечивает формирование на выходе генератора 21 пилообразного напряжениясигнала оптимальной минимальной амплитуды; Этот сигнал, поступая на другой вход 15компаратора 15, обеспечивает появлениена его выходе импульсов большой длительности,Кроме того, импульсь синхронизациисо второго выхода генератора 21 пилообразного напряжения поступают на второйвход блока 22 формирования периода управления, на первый вход которого поступает сигнал .Чзд., 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 йпер., 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 поступление выходных импульсов в начальные мо 8за 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 сравненияизменит 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 устанавливаютсятакими. 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 подключениенужного исполнительного органа для устранения этого отклонения.менты на исполнительный орган 26,осуществляющий подачу в камеру 1 замораживания хладагента. например, жидкогоазота. Камера начинает охлаждаться, при этом скоррсть охлаждения увеличивается.Сигнал д Т на выходе блока 4 сравнения 40 45 начинает уменьшаться, что приводит а конечном счете к увеличению сигнала О 1 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 сигнала д Т 2 на первом входе компаратора 15.Таким образом, увеличение амплитуды выходного сигнала генератора 21 пилооб разного напряжения, поступающего на второй вход компаратора 15, и увеличение сигнала д Т 2 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 использовйь в режиме стабилизации температуры в заданной .точке температурного поля, необходимо с выхода задающего блока 5 на второй вход блока 7 интегрирования подать программное значение скорости, равное нуво, а с выхода второго задающею блока 11 подать на вход установквйачального значения блока 7 интегрирования сигкал установки заданной температуры стабилизации, а на выходе задачика 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 нулевой шиной, а выход подключен ко втония. В режиме стабилизации температуры рому входу первого блока совпадений, инесе процессы в устройстве протекаютана- вертор, второй блок совпадений, второй логично, как и при стабилизации скорости вход которого подключен к выходу первого изменениятемпературы биоматериала. компаратора, второе исполнительное устУлучшение качества стабилизации на 15 ройство, выход которого соединен с каме- участках 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 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 болееблоком суммирования, выход которого под%, а в установившемся режиме не более 25 ключен к первому задающему блоку,и вто%.8 ысокийуровеньоптимизациипроцес- 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 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 испольэовать устройство для ния, блоком интегрирования, выход которо- программного замораживания биоматериа- . го соединен с вторым входом третьего блока лов как в реальных условиях, так и в научно сравнения, второй вход-с выходом первого исследовательских целях, и повысить задающего блока, блоком опорного сигнасохранность биоматериалов при заморажи- ла, вторым задающим блоком, задатчикомрежима, выходы которых подключены соотФ о р м у л а и 3 о б р е т е н и я ветственно к второму входу блока суммироУстройство для замораживания биома 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, нормируещему нератора пилообразного напряжения, а выусилителю, второму блоку сравнения, гене- ход - с третьими входами первого и второго ратору пилообразного напряжения, перво; блоков сравнения.1714309 Составитель В.НовиковТехред М,Моргентал . Корректор Л.Па Редактор И.Ванюшкин аказ 679 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ГКНТ СССР роиззодстаенно-издательский комбинат "Патент", г. ужгррод, ул.Гагарина, Гбге