الدليل الشامل لمراقبة وتنبيه أوعية التخزين المبردة

ورقة بيضاء، الدليل الشامل لمراقبة أوعية Dewar والإنذار بها السؤال المركزي: كيف يمكن مراقبة أوعية Dewar المملوءة بالنيتروجين السائل بشكل صحيح، واكتشاف المشكلات وإرسال الإنذارات لمنع تلف العينات المخزنة. تحذير: الاختبارات التي أجريت ونوقشت في هذه الورقة قام بها متخصصون مدربون في بيئة محكمة باستخدام جميع احتياطات السلامة اللازمة. العمل مع النيتروجين السائل خطير ويحمل خطر الاختناق الكامن عند استخدامه في بيئة سيئة التهوية. الاختبارات المدمرة التي أجريت في هذه الورقة تحمل أيضًا خطر الانفجار بسبب التراكم المفاجئ للضغط. لا تكرر هذه الاختبارات بدون مساعدة وإشراف متخصص مدرب وباستخدام جميع احتياطات السلامة المناسبة. مقدمة تُعد أوعية تخزين Cryo dewars المملوءة بالنيتروجين السائل المعيار لتخزين الأنسجة على المدى الطويل في العديد من المختبرات. قد تختلف الأنسجة من دم الحبل السري إلى البويضات البشرية أو الأجنة أو حتى الخلايا الجذعية، وكلها تمثل قيمة مالية كبيرة بالإضافة إلى كونها لا يمكن تعويضها. تحتاج هذه العينات إلى الحفاظ عليها عند درجة حرارة منخفضة جدًا لإيقاف العمليات البيولوجية وتجميد الأنسجة بشكل أساسي في الزمن. يتبخر النيتروجين السائل باستمرار من أوعية Dewar مما يخفض مستوى السائل في الوعاء. لذلك، تُملأ أوعية Dewar (يدويًا) بشكل متكرر لمنع تبخر السائل بالكامل. ستبقى درجة حرارة وعاء Dewar منخفضة فقط إذا كان النيتروجين السائل موجودًا داخل الوعاء. بعد تبخر النيتروجين السائل بالكامل، ستبدأ درجة الحرارة في الارتفاع بسرعة. إذا ارتفعت درجة حرارة وعاء التخزين فوق درجة حرارة حرجة، ستتعرض الأنسجة بالداخل لتلف في حيويتها أو ستتلف ببساطة. مخاطر التخزين تستخدم المختبرات التي تطبق نظام إدارة الجودة نهجًا قائمًا على المخاطر. هذا يعني أنه يجب تحديد مخاطر تشغيل أوعية Dewar والنيتروجين السائل جنبًا إلى جنب مع عواقب هذه المخاطر. إذا كانت المخاطر كبيرة والعواقب وخيمة، فيجب تنفيذ إجراء تخفيف. ستركز هذه الورقة البيضاء على عدد من الأسئلة الرئيسية.

الشكل 1: وعاء Dewar مع تكون الجليد على الغطاء.

ما الذي يمكن أن يحدث خطأ في وعاء Dewar من منظور المستخدم؟ كيف يمكن قياس النيتروجين السائل في وعاء Dewar بدقة؟ ما الذي يمكن أن يحدث خطأ في وعاء Dewar من منظور فني؟ كيف يمكن مراقبة كل هذه المخاطر بدقة عالية مما يمنح المستخدم وقتًا للاستجابة ومنع الضرر؟

كيف يعمل وعاء Dewar؟ وعاء Dewar هو في الأساس وعاء حافظ للحرارة معزول جيدًا. يحتوي الخزان الداخلي على النيتروجين السائل الذي، في شكله السائل، تبلغ درجة حرارته حوالي -196 درجة مئوية، اعتمادًا على الضغط الجوي. إذا سُكب النيتروجين السائل في وعاء غير معزول، فإنه سيتبخر في وقت قصير. لذلك، يلف وعاء Dewar الداخلي بالعديد من طبقات من مادة عازلة من الألومنيوم. ثم يوضع وعاء Dewar المعزول هذا داخل خزان أكبر مع فواصل لمنع تلامس الخزانين بمادة تهدف إلى منع المزيد من انتقال الحرارة. بعد إغلاق الفراغ بين الخزانات الخارجية والداخلية تمامًا، يتم سحب الخزان الخارجي إلى فراغ لإزالة كل الهواء من الغرفة ذات الجدار المزدوج. هذه الخطوة الأخيرة تقضي على الهواء الذي يمكن أن يحمل الحرارة من الخارج إلى داخل وعاء Dewar مما سيسرع عملية التبخر (العزل الفراغي).

الشكل 2: صورة للمواد العازلة الداخلية لوعاء Dewar (المصدر: https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-

01597-5#citeas) يفترض العديد من المختبرات أن درجة الحرارة داخل وعاء Dewar هي بالضبط -196 درجة مئوية في جميع أنحاء الوعاء (أعلى وأسفل) وأن تغير درجة الحرارة سيكون متساويًا بوجود السائل أو بدونه. هذا ليس صحيحًا؛ أولاً، درجة الحرارة في وعاء Dewar ليست بالضبط -196 درجة مئوية في جميع أنحاء الوعاء (وهو ما سنوضحه لاحقًا). ثانيًا، ستبقى درجة الحرارة داخل وعاء Dewar ثابتة لفترة طويلة جدًا، لترتفع بعد ذلك بسرعة كبيرة بعد تبخر كل السائل. غالبًا ما يتم التغاضي عن هذه الحقيقة الثانية عند البحث عن حل للمراقبة والإنذار. عندما يختفي النيتروجين السائل، غالبًا ما يكون وقت رد فعل المستخدم قصيرًا جدًا، مع الأخذ في الاعتبار فترات التأخير للإنذار ووقت السفر إلى المختبر، سيكون الأوان قد فات لمنع تلف حيوي للعينات.......

السلبيات: يعتمد على حجم وعاء Dewar ونوعه ونظام المخزون، مكلف، ضخم (يشغل مساحة كبيرة)، غالبًا لا يوجد اتصال بالمراقبة عن بعد، لا يوجد قياس لدرجة حرارة العينات. 2. مستشعر الضغط التفاضلي يتم القياس الفعلي للنيتروجين السائل غالبًا عن طريق الضغط التفاضلي. يحرك وزن النيتروجين السائل الهواء في أنبوب ضغط يتم قياسه بواسطة مستشعر ضغط. ثم تُترجم هذه القيمة إلى قياس مستوى للوعاء. الإيجابيات: مؤشر موثوق به لمستوى السائل، قياس المستوى الفعلي

السلبيات: مكلف، لا يتناسب مع أوعية Dewar الصغيرة، عرضة للتلف، غالبًا لا يوجد اتصال بالمراقبة عن بعد، لا يوجد قياس لدرجة حرارة العينات. 3. المستشعرات السعوية يتم أيضًا إجراء القياس الإرشادي للنيتروجين السائل بواسطة العديد من المستشعرات السعوية القائمة على درجة الحرارة. يمكن تقديم المستوى في خطوات (على سبيل المثال، 25%، 50%، 75%، 100%). الإيجابيات: مؤشر إرشادي لمستوى السائل، إشارة مستوى فعلية

السلبيات: مكلف، لا يتناسب مع أوعية Dewar الصغيرة، عرضة للتلف، غالبًا لا يوجد مراقبة عن بعد، لا توجد إشارة لدرجة حرارة العينات. 4. مستشعر درجة الحرارة/المستوى الأدنى داخل وعاء Dewar يتم تركيب مستشعر درجة حرارة PT100 دقيق داخل وعاء Dewar، ويوضع طرف المستشعر عند مستوى أدنى محدد مسبقًا. إذا انخفض المستوى تحت طرف المستشعر، يُقاس تغير درجة الحرارة. يعمل هذا المستشعر كمستشعر مشترك لدرجة الحرارة والمستوى الأدنى لأوعية Dewar. الإيجابيات: مؤشر موثوق به لمستوى السائل، قياس المستوى الأدنى، رخيص جدًا، طويل الأمد

السلبيات: لا يوجد قياس فعلي للمستوى. خاتمة يُظهر وزن جميع الإيجابيات والسلبيات لحلول مراقبة أوعية Dewar العديد من المشكلات الفنية، وقيود المساحة، والتكلفة، والمتانة. الحل الوحيد الذي يتسم بالرخص النسبي والمتانة هو مستشعر درجة الحرارة الذي يمكن أن يعمل أيضًا كمستشعر للمستوى الأدنى. السؤال الرئيسي هو ما إذا كان هذا النوع من المراقبة قادرًا بشكل كافٍ على إطلاق إنذار خلال جميع المشكلات المحتملة (سواء للمستخدم أو الفنية). 3. ما الذي يمكن أن يحدث خطأ في وعاء Dewar من منظور فني؟ تُعد أوعية Dewar، كونها أوعية حافظة للحرارة كبيرة ذات مستوى عالٍ من العزل، قادرة على الاحتفاظ بالنيتروجين السائل لفترة طويلة. بالنظر إلى تصميم وعاء Dewar، هناك عدد من الأشياء التي يمكن أن تحدث للوعاء نفسه والتي ستؤثر على أداء الوحدة. سيكون التأثير على وقت الاحتفاظ بوعاء Dewar عميقًا، ولكن بدون قياسات مناسبة، ليس من الواضح ما إذا كانت مستشعرات درجة الحرارة / المستوى (الأدنى) ستكون قادرة على اكتشاف المشكلات وإرسال إنذار بسرعة كافية لمنع الضرر.

الشكل 5: جهاز استشعار مستوى CryoLow من أجل اختبار ما إذا كان مستشعر درجة الحرارة أداة قوية بما فيه الكفاية لمراقبة أعطال وعاء Dewar، تم إعداد سلسلة من الاختبارات. بمساعدة شركة Cryo Solutions، تم استخدام نظام XiltriX, Real-time monitoring & alarm system لقياس 3 مستشعرات درجة حرارة موضوعة في مجموعة من أوعية الاختبار. كان حجم النيتروجين السائل في أوعية الاختبار 47 لترًا و 10 لترات. يعد وعاء Dewar بسعة 10 لترات واحدًا من أصغر أوعية Dewar المستخدمة لتخزين الأنسجة على المدى الطويل. كما أن أصغر وعاء Dewar لديه أقل نسبة مساحة سطح إلى حجم (SA:V)، حيث يكون لتوصيل الحرارة تأثير متزايد على التبخر (المصدر: https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio). وُضع مستشعران حراريان من نوع PT100 داخل النيتروجين السائل. وُضع مستشعر واحد على السطح الخارجي لوعاء Dewar، واستُخدم مستشعر CryoLow واحد للكشف عن انخفاض مستوى السائل. جهاز الاستشعار مبدأ القياس مستوى التوضع

مستشعر PT100 310 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر PT100 160 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 25 سم من قاع وعاء Dewar

كاشف مستوى CryoLow مستشعر مستوى درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر سطح PT100 مستشعر درجة حرارة وضع عند مستوى عنق وعاء Dewar

جهاز الاستشعار مبدأ القياس مستوى التوضع

مستشعر PT100 310 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر PT100 160 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 25 سم من قاع وعاء Dewar

كاشف مستوى CryoLow مستشعر مستوى درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

الشكل 6: مستشعرات درجة حرارة PT100 موضوعة داخل وخارج وعاء Dewar بسعة 10 لترات. الاختبار 1: ينخفض مستوى السائل داخل وعاء Dewar تحت طرف مستشعر درجة الحرارة لتحديد خط أساس للمراقبة، وُضعت مستشعرات درجة الحرارة داخل وعاء Dewar جنبًا إلى جنب مع جهاز كشف مستوى CryoLow. يستخدم هذا الجهاز مستشعر درجة حرارة سريع الاستجابة وحساس لتحديد متى ينخفض مستوى النيتروجين السائل تحت طرف المستشعر. وُضع هذا المستشعر بجانب مستشعر درجة الحرارة PT100 على نفس الارتفاع. هذا يعني أن السلوك المتوقع هو أن كلا المستشعرين سيكتشفان انخفاض مستوى النيتروجين السائل في نفس الوقت. النتائج استغرقت نتائج هذا الاختبار وقتًا طويلاً جدًا (عدة أيام). صُممت أوعية Dewar للحفاظ على النيتروجين السائل في شكله السائل لفترة طويلة. كان مستشعر كشف مستوى CryoLow هو الأول الذي اكتشف انخفاض مستوى النيتروجين السائل، وتبعه بعد ذلك بفترة قصيرة مستشعر درجة الحرارة PT100. يستطيع CryoLow توفير إنذار عندما يكتشف مستوى منخفضًا ولكن ليس لديه إخراج درجة حرارة لتوفير بيانات درجة الحرارة. عند تكبير الرسم البياني التفصيلي لمستشعر درجة الحرارة PT100، يظل المستشعر عند حوالي -196 درجة مئوية حتى ينخفض مستوى السائل تحت طرف المستشعر. بمجرد أن لا يكون طرف المستشعر مغمورًا في النيتروجين السائل، تزداد درجة الحرارة المقاسة في غضون 5 دقائق بأكثر من 2.2 درجة مئوية. بعد زيادة خطوة درجة الحرارة، تظل درجة الحرارة مستقرة مرة أخرى لفترة طويلة من الزمن. فقط بعد تبخر جميع السوائل ارتفعت درجة الحرارة بشكل أكبر. لتأكيد "الارتفاع المفاجئ في درجة الحرارة" هذا، كُرر الاختبار باستخدام علامة تجارية ونوع مختلف من وعاء Dewar، ولكن بنفس حجم 10 لترات. واستُخدمت أيضًا مجموعة أخرى من أجهزة وأجهزة الاستشعار للتحقق من صحة النتائج. اتضح أن النتائج كانت متطابقة، مع نفس ارتفاع درجة الحرارة بأكثر من 2 درجة مئوية في إطار زمني أقل من 10 دقائق.

الشكل 7: نتائج جميع مستشعرات درجة الحرارة المرفقة أثناء اختبار الاحتفاظ.

الشكل 8: قفزة في درجة الحرارة بعد انخفاض مستوى النيتروجين السائل تحت طرف مستشعر درجة الحرارة.

الشكل 9: قيم عددية تشير إلى الارتفاع السريع في درجة الحرارة في فترة زمنية قصيرة جدًا. خاتمة يمكن استخدام كل من CryoLow ومستشعر درجة الحرارة بفعالية لاستشعار المستوى الأدنى للنيتروجين السائل. يتمتع CryoLow بميزة التفاعل بشكل أسرع قليلاً مع انخفاض مستوى السائل مقارنة بمستشعر درجة الحرارة PT100 ولكنه لا يحتوي على إخراج درجة حرارة ويتطلب اتصالاً بالطاقة الكهربائية ليظل وظيفيًا. مستشعر درجة الحرارة PT100 قادر جدًا على استشعار انخفاض مستوى السائل طالما أن المستشعر ونظام المراقبة المستخدم دقيقان وسريعا الاستجابة لاكتشاف ارتفاع درجة الحرارة. يجب ألا يتجاوز حد الإنذار العالي -194 درجة مئوية لكي يستشعر خطوة درجة الحرارة بفعالية مما يمكنه من إطلاق إنذار. الاختبار 2: فقدان الفراغ تتميز أوعية Dewar بتصميم مزدوج الجدار عالي العزل. تأتي قدرات العزل من غلاف الألومنيوم لوعاء Dewar الداخلي، وكذلك من العزل الفراغي بين وعاء Dewar الداخلي والخارجي. الفراغ ليس مطلقًا وسيتناقص بمرور الوقت. إلى جانب تدهور الفراغ، فإن التلف المادي أو التآكل ليس بالأمر النادر. يمكن أن يكون هذا ثقبًا في الغلاف الخارجي من الألومنيوم، أو تلفًا في سدادة الفراغ البلاستيكية (صمام أحادي الاتجاه) المستخدمة لاستخراج الهواء المتبقي. كلا المشكلتين سيؤديان إلى فقدان الفراغ. لقد قمنا بتحديد الوقت بدقة لمدى سرعة تبخر النيتروجين السائل وارتفاع درجة الحرارة داخل وعاء Dewar. إعداد الاختبار

جهاز الاستشعار مبدأ القياس مستوى التوضع

مستشعر PT100 310 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر PT100 160 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 25 سم من قاع وعاء Dewar

تم ملء وعاء Dewar بسعة 10 لترات بالنيتروجين السائل حتى حافته، إلى مستوى أعلى مما يملأه المستخدمون عادة. بعد الملء، أُعيدت مستشعرات درجة حرارة XiltriX، جنبًا إلى جنب مع غطاء الرغوة، إلى وعاء Dewar. عندما استقرت جميع درجات الحرارة، تم ثقب الجدار الخارجي لوعاء Dewar باستخدام مثقاب بقطر 6 مم. عندما تم ثقب الغلاف بالكامل، سُمع صوت هسهسة عالية لهواء يندفع إلى الجدار المعزول، تلاها مباشرة تبخر عنيف للنيتروجين السائل داخل وعاء Dewar. يتوفر مقطع فيديو: ماذا يحدث لوعاء Dewar عند إزالة الفراغ؟ تبع ذلك تبخر عنيف للنيتروجين داخل وعاء Dewar.

الشكل 10: مستشعر درجة حرارة سطح PT100 ملصق على السطح الخارجي لوعاء Dewar. النتائج أدى فقدان الفراغ إلى انتقال كمية كبيرة من الطاقة بين جدران وعاء Dewar الداخلية والخارجية، مما أدى إلى غليان عنيف وفي الوقت نفسه خفض درجة حرارة الجدار الخارجي إلى أقل بقليل من درجة التجمد عند -2 درجة مئوية. تتسارع عملية التبخر ويتم اكتشافها أولاً عند مستوى السائل لمستشعر PT100 ذو 160 ملم، يليه بعد فترة مستشعر PT100 الموجود في مكان منخفض داخل وعاء Dewar. الوقت المستشعر

11:00 (ت=0) حفر الفتحة في الغلاف

11:33 (33 دقيقة) مستشعر درجة حرارة السطح يصل إلى 0 درجة مئوية

12:16 (ساعة و 16 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

15:51 (4 ساعات و 51 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -180 درجة مئوية

16:00 (5 ساعات) مستشعر درجة حرارة PT100 310 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

18:48 (7 ساعات و 48 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 310 ملم يصل إلى -180 درجة مئوية

22:25 (11 ساعة و 25 دقيقة) مستشعرات درجة الحرارة >0 درجة مئوية

الشكل 11: رسم بياني لجميع مستشعرات درجة الحرارة مع إزالة الفراغ.

الشكل 12: عرض مفصل لمستشعري درجة الحرارة داخل أوعية Dewar عند مستويات مختلفة.

الشكل 13: رسم بياني لدرجة حرارة المستشعر على الغلاف الخارجي لوعاء Dewar. مناقشة كان مستشعر PT100 الموضوع على السطح الخارجي لوعاء Dewar هو الأسرع استجابةً لفقدان الفراغ. ومع ذلك، أجري الاختبار بفقدان مفاجئ وكامل للفراغ. إذا حدث فقدان بطيء للفراغ، فستختلف سرعة ونطاق تغير درجة الحرارة. يوضح تحليل البيانات أن مجرد درجة حرارة السطح على السطح الخارجي لوعاء Dewar طريقة جيدة للتنبؤ بمشكلة كارثية. ومع ذلك، لا توجد طريقة للتنبؤ بكيفية تغير قياس درجة الحرارة في حالات أخرى. لهذا السبب، فإن مستشعر درجة الحرارة الخارجي وحده لن يخفف جميع المخاطر. كلا مستشعرات PT100 المثبتة داخل وعاء Dewar فعالة في اكتشاف انخفاض المستوى. المستشعر الموضوع في أعلى عنق وعاء Dewar (160 ملم) يكتشف انخفاض المستوى بشكل أسرع. المستشعر الأطول (310 ملم) يخرج منطقيًا من مستوى السائل في وقت لاحق. بالاعتماد على مستشعر PT100 بطول 310 ملم واحد لمراقبة العينات الثمينة، فإن زيادة درجة الحرارة من -194 درجة مئوية إلى -180 درجة مئوية توفر للموظف المناوب أو المستخدم ما يقرب من ساعتين و 48 دقيقة كوقت استجابة. بوجود حل مراقبة مناسب في الوقت الفعلي، يجب أن يمنح هذا الموظف المناوب وقتًا كافيًا للاستجابة وإنقاذ المواد الحساسة. عند استخدام مستشعر 160 ملم موضوع في مكان أعلى في الخزان للمراقبة، سيتم تمديد وقت الاستجابة حتى 6 ساعات و 30 دقيقة. هذا يعني أنه سيتعين إعادة ملء أوعية Dewar بشكل متكرر لمنع الإنذارات الكاذبة حيث سينخفض مستوى السائل بشكل أسرع تحت مستوى العتبة. الاختبار 3: ثقب وعاء Dewar الداخلي عند مستوى العنق عن طريق إزالة الفراغ، تنخفض خصائص العزل لوعاء Dewar بشكل كبير. هذه ليست أخطر الأعطال التي يمكن أن تحدث لوعاء Dewar. إذا تشقق أو تمزق الخزان الداخلي لوعاء Dewar، فسيسمح للنيتروجين السائل بالتسرب إلى الغلاف الخارجي، مما يزيد من مساحة السطح المتاحة لانتقال الحرارة. تتعرض اللحامات عند عنق وعاء Dewar لضغط إضافي ناتج عن تقلبات درجة الحرارة أكثر من اللحامات السفلية. يزيد إجهاد المعدن عند اللحامات من فرصة حدوث تشققات في هذا الموقع. سيعرض الاختبار التالي سلوك وعاء Dewar مع ثقب في الغلاف الداخلي عند مستوى العنق. إعداد الاختبار الجهاز مبدأ القياس المستوى

مستشعر PT100 310 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر سطح PT100 مستشعر درجة حرارة وضع عند مستوى عنق وعاء Dewar

يرجى ملاحظة: تم ثقب الغلاف الخارجي لوعاء Dewar لمنع زيادة خطيرة في الضغط داخل وعاء Dewar. بدون هذه الثقوب الإضافية، اعتُبر الاختبار خطيرًا جدًا، بسبب خطر الانفجار. لا تحاول تكرار هذا الاختبار دون اتخاذ جميع احتياطات السلامة اللازمة! أُعد وعاء Dewar بسعة 10 لترات بفتحة في الغلاف الداخلي عند مستوى العنق. وملئ وعاء Dewar بالنيتروجين السائل حتى حافته، إلى مستوى أعلى مما يملأه المستخدمون عادة. بعد الملء، أُعيدت مستشعرات درجة حرارة XiltriX، جنبًا إلى جنب مع غطاء الرغوة، إلى وعاء Dewar. تمكن النيتروجين السائل من التصريف جزئيًا عبر الفتحة عند مستوى العنق، متسللاً إلى الفراغ بين الغلاف الداخلي والخارجي. تسمح المساحة السطحية المرتفعة بانتقال حرارة أعلى، وبالتالي يجب أن يؤدي ذلك إلى تسخين أسرع لوعاء Dewar بأكمله. الشكل 14: موضع ثقب العنق. يشير حرف X إلى موضع ثقب مستوى العنق. النتائج أدى ثقب العنق إلى تبخر سريع جدًا للنيتروجين السائل. كان مستشعر درجة حرارة السطح هو الأسرع استجابةً وانخفض إلى -27 درجة مئوية بسرعة. كان مستشعر PT100 الموجود في أعلى وعاء Dewar هو الأول مرة أخرى الذي أظهر انخفاضًا في مستوى النيتروجين السائل، تبعه المستشعر السفلي بطريقة مماثلة. بعد التبخر الكامل لجميع النيتروجين السائل، سخن مستشعر درجة حرارة السطح الخارجي بسرعة مرة أخرى. الوقت المستشعر

10:56 (ت=0) ملء الخزان المُجهز بالنيتروجين السائل

10:59 (3 دقائق) مستشعر درجة حرارة السطح يصل إلى 0 درجة مئوية

13:13 (ساعتان و 17 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

17:48 (6 ساعات و 52 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -180 درجة مئوية

19:03 (8 ساعات و 7 دقائق) مستشعر درجة حرارة PT100 310 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

20:52 (9 ساعات و 56 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 310 ملم يصل إلى -180 درجة مئوية

23:37 (12 ساعة و 41 دقيقة) مستشعرات درجة الحرارة >0 درجة مئوية

الشكل 15: سلوك وعاء Dewar مع ثقب في الغلاف الداخلي عند مستوى العنق.

الشكل 16: عرض مفصل لمستشعر درجة الحرارة الداخلي في وعاء Dewar مع ثقب عند مستوى العنق.

الشكل 17: سلوك مستشعر درجة حرارة السطح في وعاء Dewar مع ثقب عند مستوى العنق. مناقشة كان مستشعر PT100 الموضوع على السطح الخارجي لوعاء Dewar هو الأسرع استجابةً للثقب عند مستوى العنق. ومع ذلك، أجري الاختبار بوجود ثقب أكبر عند مستوى العنق. إذا حدث ثقب أصغر، فستختلف سرعة ونطاق تغير درجة الحرارة. يوضح تحليل البيانات أن مجرد درجة حرارة السطح على السطح الخارجي لوعاء Dewar طريقة جيدة للتنبؤ بمشكلة كارثية. ومع ذلك، لا توجد طريقة للتنبؤ بكيفية تغير قياس درجة الحرارة في حالات أخرى. لهذا السبب، فإن مستشعر درجة الحرارة الخارجي وحده لن يخفف جميع المخاطر. كلا مستشعرات PT100 الموضوعة داخل وعاء Dewar فعالة في اكتشاف انخفاض المستوى. المستشعر الموضوع في أعلى عنق وعاء Dewar (160 ملم) يكتشف انخفاض المستوى بشكل أسرع. يستغرق المستشعر الموضوع في الأسفل (310 ملم) وقتًا أطول لاستشعار انخفاض مستوى السائل. إذا كان المستخدم سيستخدم فقط مستشعر 310 ملم لمراقبة عيناتهم، فإن وقت الاستجابة من الوصول من -194 درجة مئوية إلى -180 درجة مئوية سيكون ساعة و 49 دقيقة. بوجود حل مراقبة مناسب في الوقت الفعلي، يجب أن يمنح هذا الموظف المناوب وقتًا كافيًا للاستجابة وإنقاذ المواد الحساسة. عند استخدام مستشعر 160 ملم موضوع في مكان أعلى في الخزان للمراقبة، سيتم تمديد وقت الاستجابة حتى 7 ساعات و 39 دقيقة. هذا يعني أنه سيتعين إعادة ملء أوعية Dewar بشكل متكرر لمنع الإنذارات الكاذبة لأن مستوى السائل سينخفض بشكل أسرع تحت مستوى العتبة. الاختبار 4: ثقب وعاء Dewar عند مستوى القاع عن طريق إزالة الفراغ، تنخفض خصائص العزل لوعاء Dewar بشكل كبير. هذه ليست أخطر الأعطال التي يمكن أن تحدث لوعاء Dewar. إذا تشقق أو تمزق الغلاف الداخلي لوعاء Dewar، فسيسمح للنيتروجين السائل بالتسرب إلى الغلاف الخارجي، مما يزيد من مساحة السطح المتاحة للتوصيل الحراري. سيكون قاع وعاء Dewar هو المنطقة الأكثر أهمية في الخزان التي يمكن أن تتشقق مع تصريف السائل بأعلى معدل. سيعرض هذا الاختبار سلوك وعاء Dewar مع ثقب في الغلاف الداخلي عند مستوى القاع. يرجى ملاحظة: تم ثقب الغلاف الخارجي لوعاء Dewar لإطلاق الضغط المتراكم في وعاء Dewar بأمان. بدون هذه الثقوب، قد يؤدي تراكم الضغط إلى انفجار. لا تحاول تكرار هذا الاختبار دون اتخاذ احتياطات السلامة اللازمة! إعداد الاختبار الجهاز مبدأ القياس المستوى

مستشعر PT100 310 ملم مستشعر درجة حرارة وضع على بعد 10 سم من قاع وعاء Dewar

مستشعر سطح PT100 مستشعر درجة حرارة وضع عند مستوى عنق وعاء Dewar أُعد وعاء Dewar بسعة 10 لترات بفتحة في الغلاف الداخلي عند مستوى القاع. وملئ وعاء Dewar بالنيتروجين السائل حتى حافته، إلى مستوى أعلى مما يملأه المستخدمون عادة. بعد الملء، أُعيدت مستشعرات درجة حرارة XiltriX، جنبًا إلى جنب مع غطاء الرغوة، إلى وعاء Dewar. تمكن النيتروجين السائل من التصريف جزئيًا عبر الفتحة عند مستوى القاع، متسللاً إلى الفراغ بين الغلاف الداخلي والخارجي. تسمح المساحة السطحية الأكبر بانتقال حرارة أسرع، وبالتالي يجب أن يؤدي ذلك إلى تسخين أسرع لوعاء Dewar بأكمله. يمكن مشاهدة مقطع لعملية الملء هنا: XiltriX, Filling a dewar with puncture of the inner skin. النتائج يؤدي ثقب العنق إلى تبخر سريع جدًا للنيتروجين السائل. كان مستشعر درجة حرارة السطح هو الأسرع استجابةً وانخفض إلى -127 درجة مئوية بسرعة. كان مستشعر PT100 الموجود في أعلى وعاء Dewar هو الأول مرة أخرى الذي أظهر انخفاضًا في مستوى النيتروجين السائل، تبعه المستشعر السفلي بطريقة مماثلة. بعد التبخر الكامل لجميع النيتروجين السائل، سخن مستشعر درجة حرارة السطح الخارجي بسرعة مرة أخرى. الوقت المستشعر

13:20 (ت=0) ملء الخزان المُجهز بالنيتروجين السائل

13:21 (دقيقة واحدة) مستشعر درجة حرارة السطح يصل إلى 0 درجة مئوية

13:26 (6 دقائق) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

13:29 (8 دقائق) مستشعر درجة حرارة PT100 160 ملم يصل إلى -180 درجة مئوية

13:50 (29 دقيقة) مستشعر درجة حرارة PT100 310 ملم يصل إلى -194 درجة مئوية

14:20 (60 دقيقة) تبخر كل النيتروجين السائل

18:16 (4 ساعات و 56 دقيقة) مستشعرات درجة الحرارة >0 درجة مئوية

الشكل 18: اختبار وعاء Dewar بوجود ثقب في الغلاف الداخلي عند مستوى القاع.

الشكل 19: عرض مفصل لمستشعرات درجة الحرارة الداخلية داخل وعاء Dewar مع ثقب عند مستوى القاع.

الشكل 20: رسم بياني لدرجة حرارة السطح لوعاء Dewar مع ثقب في الغلاف الداخلي عند مستوى القاع. مناقشة كان مستشعر PT100 الموضوع على السطح الخارجي لوعاء Dewar هو الأسرع استجابةً للثقب عند مستوى القاع. ومع ذلك، أجري الاختبار بوجود ثقب كبير عند مستوى القاع. إذا حدث ثقب أصغر، فستختلف سرعة ونطاق تغير درجة الحرارة. يوضح تحليل البيانات أن مجرد درجة حرارة السطح على السطح الخارجي لوعاء Dewar طريقة جيدة للتنبؤ بمشكلة كارثية. ومع ذلك، لا توجد طريقة للتنبؤ بكيفية تغير قياس درجة الحرارة في حالات أخرى. لهذا السبب، فإن مستشعر درجة الحرارة الخارجي وحده لن يخفف جميع المخاطر. كلا مستشعرات PT100 الموضوعة داخل وعاء Dewar فعالة في اكتشاف انخفاض المستوى. المستشعر الموضوع في أعلى عنق وعاء Dewar (160 ملم) يكتشف انخفاض المستوى بشكل أسرع. يستغرق المستشعر الموضوع في الأسفل (310 ملم) وقتًا أطول لاستشعار انخفاض مستوى السائل. إذا كان المستخدم سيستخدم فقط مستشعر 310 ملم لمراقبة عيناتهم، فإن وقت الاستجابة من الوصول من -194 درجة مئوية إلى -180 درجة مئوية سيكون ساعة و 16 دقيقة. بوجود حل مراقبة مناسب في الوقت الفعلي، يجب أن يمنح هذا الموظف المناوب وقتًا كافيًا للاستجابة وإنقاذ المواد الحساسة. عند استخدام مستشعر 160 ملم موضوع في مكان أعلى في الخزان للمراقبة، سيتم تمديد وقت الاستجابة حتى ساعة و 40 دقيقة. هذا يعني أنه سيتعين إعادة ملء أوعية Dewar بشكل متكرر لمنع الإنذارات الكاذبة لأن مستوى السائل سينخفض بشكل أسرع تحت مستوى العتبة. الخاتمة النهائية هدفت الاختبارات التي أجريت إلى تحديد ما إذا كان استخدام مستشعرات درجة الحرارة كشكل من أشكال الكشف عن الحد الأدنى للمستوى سيكون حلاً قويًا لمراقبة أوعية Dewar. تباينت النتائج بشكل كبير في كل من سلوك درجة الحرارة والوقت المتاح للمستخدم لمنع الضرر بفعالية إذا حدثت مشكلة في منتصف الليل دون وجود أحد في المنشأة. تعتبر جميع مستشعرات درجة الحرارة فعالة في الإشارة إلى أعطال وعاء Dewar الكارثية بأشكالها المختلفة. مستشعر درجة الحرارة الموضوع على السطح الخارجي لوعاء Dewar هو الأسرع دائمًا في الاستجابة. سيوفر هذا المستشعر أسرع إنذار عند توصيله بنظام مراقبة عن بعد. ينخفض إلى مستوى درجة حرارة منخفض بسرعة، ولكن من الصعب التنبؤ بالمستوى الذي سيكون عليه. سيكون إعداد هذا المستشعر بشكل صحيح (كلا من الموضع وحدود الإنذار) عبارة عن تجربة وخطأ، ومن المستحيل اختباره لكل الظروف. لا يمكن التنبؤ بالدرجة التي ستنخفض إليها درجة الحرارة إذا حدث عطل. ومن الجدير بالذكر أن درجة حرارة الغرفة المحيطة سيكون لها تأثير على قياس درجة الحرارة، لذلك فإن فرص حدوث إنذارات كاذبة مرتفعة نسبيًا. علاوة على ذلك، فإن المستشعر الموضوع في الخارج أكثر عرضة للضرر الناجم عن تحريك أوعية Dewar. نظرًا لأن المستشعر غير موضوع بين العينات الفعلية، فليس له قيمة إضافية لقياس درجة الحرارة. لا يُنصح باستخدام هذا النوع من المستشعرات فقط لمراقبة وعاء Dewar، ولكنه يمكن أن يكون له تأثير مفيد على وقت الاستجابة لعطل كارثي. يؤدي استخدام مستشعرات درجة الحرارة الموضوعة داخليًا كمستشعرات للحد الأدنى لمستوى السائل دائمًا إلى قياس موثوق به وحدث إنذار. لا تتأثر المستشعرات الداخلية بالظروف المحيطة، وبالتالي فإن سلوكها أسهل بكثير في التنبؤ. باستخدام حد إنذار عند -194 درجة مئوية، يكون لدى المستخدمين وقت كافٍ للاستجابة للإنذار إذا كان نظام المراقبة والإنذار يقوم بالقياس والإنذار في الوقت الفعلي. في حالة حدوث عطل كارثي كبير في وعاء Dewar، يمكن أن يكون وقت الاستجابة قصيرًا يصل إلى ساعة و 16 دقيقة قبل أن تصل العينات السفلية إلى درجة حرارة تخزين أعلى من -180 درجة مئوية. تعتبر هذه الدرجة الحرارة حرجة لتخزين البويضات البشرية. تُظهر هذه الاختبارات كيف يمكن أن يكون لأعطال وعاء Dewar الحرجة تأثير كارثي على ظروف درجة حرارة العينات المخزنة. كما تثبت أهمية استخدام نظام مراقبة وإنذار مناسب في الوقت الفعلي في منشآت التخزين المبردة، على سبيل المثال مختبرات IVF التي تخزن السائل المنوي البشري، والبويضات، والأجنة. سيؤدي استخدام نظام مراقبة غير في الوقت الفعلي (مثل مسجلات البيانات) إلى فقدان وقت الاستجابة مما سيزيد بشكل كبير من خطر تلف الأجنة، على سبيل المثال. بجانب قياس درجات الحرارة، يجب ضبط تأخيرات الإنذار بطريقة مرنة. خلال ساعات العمل، تعد فترات التأخير الأطول ضرورية لمنع الإنذارات الكاذبة. خارج ساعات العمل، توفر فترات التأخير الأقصر وقت استجابة إضافي للمستخدم. وأخيرًا، يجب أن تسمح إشعارات الإنذار بآلية تتابعية قوية مع تأكيد نشط. نظام مناسب لهذا الغرض هو XiltriX نظام المراقبة والإنذار في الوقت الفعلي. لأكثر من عقدين، قامت XiltriX بحماية العينات التي لا يمكن تعويضها بنجاح في منشآت التخزين المبردة في جميع أنحاء العالم. تنزيل الدليل الشامل لمراقبة أوعية Dewar والإنذار بها ***شكر وتقدير:***أود أن أعرب عن امتناني للأشخاص الطيبين فيCryo Solutionsفي روسمالين، هولندا. أولاً وقبل كل شيء، أود أن أشكرDavid Vaessenعلى مساعدته ومعرفته في إعداد وإجراء هذه الاختبارات. بدونك لما كانت هذه الورقة ممكنة. ثانيًا، أود أن أشكرRichard van Woerdenعلى السماح لنا باستخدام شركتك وغرفة التبريد وأوعية Dewar لإجراء هذه الاختبارات. أخيرًا وليس آخرًا، شكرًا لكِ يا دكتورةDr Christine Allenعلى مساعدتي في مناقشة الأفكار العلمية. إضافة اختبار ثقب العنق أضاف اكتمالًا لهذه القطعة. نأمل أن تساعد معلوماتنا في جعل التخزين المبرد طويل الأمد في أوعية Dewar أكثر أمانًا وتمنع فقدان الأنسجة أو حتى الحياة غير الضروري.