杜瓦瓶监测与报警全面指南

白皮书，杜瓦瓶监测和警报终极指南 核心问题：如何正确监测充有液氮的杜瓦瓶，检测问题并发出警报，以防止储存的样本受损。 警告：本白皮书中进行和讨论的测试由经过培训的专业人员在受控环境中使用所有必要的安全预防措施进行。在通风不良的环境中使用液氮是危险的，存在固有的窒息风险。本白皮书中进行的破坏性测试也因压力突然积聚而存在爆炸风险。切勿在没有经过培训的专业人员的帮助和监督下，以及在没有采取所有适当安全预防措施的情况下重复这些测试。 简介 在许多实验室中，充有液氮的低温储存杜瓦瓶是长期组织储存的标准设备。这些组织可能从脐带血到人类卵子、胚胎甚至干细胞不等，所有这些都具有巨大的经济价值和不可替代性。这些样本需要保存在极低的温度下，以停止生物过程，从而将组织冻结在时间中。液氮会从杜瓦瓶中不断蒸发，降低容器中的液位。因此，杜瓦瓶需要频繁（手动）填充，以防止液体完全蒸发。只有当容器内有液氮时，杜瓦瓶的温度才能保持在低温状态。液氮完全蒸发后，温度将开始迅速上升。如果储存容器的温度上升到临界温度以上，内部的组织将遭受活性损伤或直接死亡。 储存风险 采用质量管理体系的实验室，会使用基于风险的方法。这意味着需要将操作杜瓦瓶和液氮的风险以及这些风险的后果一同进行评估。如果风险巨大且后果严重，则必须实施缓解措施。本白皮书将重点关注几个关键问题。

**图 1：**瓶盖上结冰的杜瓦瓶。

从用户角度看，杜瓦瓶可能会出现什么问题？ 如何准确测量杜瓦瓶中的液氮？ 从技术角度看，杜瓦瓶可能会出现什么问题？ 如何高精度地监测所有这些风险，让用户有时间响应并防止损害？

杜瓦瓶的工作原理 杜瓦瓶本质上是一个隔热性能非常好的保温瓶。内胆装有液氮，其液态形式的温度约为 -196°C，具体取决于大气压力。如果将液氮倒入一个不隔热的容器中，它会很快蒸发掉。因此，内胆杜瓦瓶被包裹在多层铝制隔热材料中。然后，这个隔热的杜瓦瓶被放置在一个更大的罐中，用垫片隔开，以防止两个罐体接触，并使用旨在防止进一步热传递的材料。 在完全密封外罐和内罐之间的空间后，对外罐进行抽真空，以除去双壁腔室中的所有空气。这最后一步消除了可能将热量从外部传导到杜瓦瓶内部的空气，从而加速蒸发过程（真空隔热）。

**图 2：**杜瓦瓶内部隔热材料的图片（来源：https://link.springer.com/article/10.1007/s10815-019-

01597-5#citeas) 许多实验室的假设是，杜瓦瓶内部的温度在整个杜瓦瓶（顶部和底部）内都是 -196°C，并且无论有无液体，温度变化都是相同的。这是不正确的。首先，杜瓦瓶内的温度并非在整个容器内都恰好是 -196°C（我们稍后会证明这一点）。其次，杜瓦瓶内的温度会稳定很长时间，只有在所有液体蒸发后才会迅速上升。在寻找监测和警报解决方案时，这第二点常常被忽视。当液氮耗尽时，考虑到警报的延迟时间和前往实验室的行程时间，用户的反应时间通常非常短，他们将无法及时防止样本的活性受损……

缺点：取决于杜瓦瓶的大小、类型和库存系统，昂贵，体积大（占用空间大），大多无法连接到远程监测，无法测量样本温度 2. 差压传感器 液氮的实际测量通常通过差压进行。液氮的重量移动压力管中的空气，由压力传感器测量。该值随后被转换为容器的液位测量值。 优点：可靠的液位指示，实际液位测量

缺点：昂贵，不适合小型杜瓦瓶，易于损坏，大多无法连接到远程监测，无法测量样本温度 3. 电容式传感器 液氮的指示性测量也通过几种基于电容温度的传感器完成。液位可以分步显示（例如 25%、50%、75%、100%）。 优点：指示性液位指示，实际液位显示

缺点：昂贵，不适合小型杜瓦瓶，易于损坏，大多无远程监测，无样本温度指示 4. 杜瓦瓶内的温度/最低液位传感器 一个精确的 PT100 温度传感器安装在杜瓦瓶内，将传感器尖端放置在预定的最低液位。如果液位低于传感器尖端，则测量温度变化。该传感器作为杜瓦瓶的温度和最低液位组合传感器。 优点：可靠的液位指示，最低液位测量，非常便宜，持久耐用

缺点：无实际液位测量 结论 权衡杜瓦瓶监测解决方案的所有优缺点，会发现存在几个技术、空间限制、成本和稳健性问题。唯一既相对便宜又稳健的解决方案是可兼作最低液位传感器的温度传感器。主要问题是，这种监测方式是否足以在所有可预见的问题（用户和技术方面）发生时触发警报。 3. 从技术角度看，杜瓦瓶可能会出现什么问题？ 杜瓦瓶是具有高度隔热性能的大型保温瓶，能够长时间保存液氮。从杜瓦瓶的设计来看，杜瓦瓶本身可能发生一些会影响其性能的事情。这对杜瓦瓶的保持时间将产生深远影响，但如果没有适当的测量，尚不清楚温度/（最低）液位传感器是否能够足够快地检测问题并发送警报以防止损害。

图 5： CryoLow 液位传感设备 为了测试温度传感器是否是监测杜瓦瓶故障的足够稳健的仪器，我们设置了一系列测试。在 Cryo Solutions 公司的帮助下，我们使用 XiltriX 实时监测与警报系统 来测量放置在一组测试容器中的 3 个温度传感器。测试容器的液氮体积分别为 47L 和 10L。10L 杜瓦瓶是用于长期组织储存的最小杜瓦瓶之一。最小的杜瓦瓶也具有最低的表面积与体积比（SA:V），其中热传导对蒸发的影响更大（来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Surface-area-to-volume_ratio）。 两个 PT100 温度传感器被放置在液氮中。一个传感器放置在杜瓦瓶的外部，一个 CryoLow 传感器用于检测液位下降。 传感设备 测量原理 放置水平

PT100 传感器 310 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 传感器 160 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 25 cm 处

CryoLow 液位检测 温度液位传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 表面传感器 温度传感器 放置在杜瓦瓶颈部水平

传感设备 测量原理 放置水平

PT100 传感器 310 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 传感器 160 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 25 cm 处

CryoLow 液位检测 温度液位传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

图 6： 放置在 10L 杜瓦瓶内部和外部的 PT100 温度传感器。 测试 1，杜瓦瓶内液位低于温度传感器尖端 为了确定监测基线，将温度传感器与 CryoLow 液位检测设备一起放入杜瓦瓶中。该设备使用一个响应灵敏的温度传感器来确定液氮液位何时低于传感器尖端。该传感器与 PT100 温度传感器并排放置在同一高度。这意味着预期的行为是两个传感器将同时检测到液氮液位下降。 结果 该测试的结果耗时非常长（数天）。杜瓦瓶的设计旨在长时间保持液氮的液态。CryoLow 液位检测传感器首先检测到液氮液位的下降，紧随其后的是 PT100 温度传感器。 CryoLow 在检测到低液位时能够提供警报，但没有温度输出来提供温度数据。放大 PT100 温度传感器的详细图表，可以看到传感器在液位下降到其尖端以下之前，温度大致保持在 -196°C。一旦传感器尖端不再浸没在液氮中，5 分钟内测得的温度增加了 2.2°C 多一点。在温度阶跃性升高后，温度再次长时间保持稳定。直到所有液体蒸发完毕，温度才进一步上升。 为了确认这种“突然的温度升高”，我们用不同品牌和类型的杜瓦瓶重复了测试，但尺寸同样为 10L。还使用了另一套测量硬件和传感器来验证结果。结果证明，结果是相同的，在 <10 分钟的时间内出现了相同的 >2°C 的温度上升。

图 7：保持测试期间所有附着温度传感器的结果。

图 8：液氮液位低于温度传感器尖端后的温度跳变。

**图 9：**显示短时间内温度快速上升的数值数据。 结论 CryoLow 和温度传感器都可以有效地用于液氮的最低液位传感。与 PT100 温度传感器相比，CryoLow 的优点是对液位下降的反应稍快，但它没有温度输出，并且需要连接到主电源才能保持功能。 PT100 温度传感器在感知液位下降方面非常有效，只要所用的传感器和监测系统准确且反应迅速，能够检测到温度的上升。高警报阈值需要设置在不高于 -194°C，才能有效地感知温度阶跃，从而触发警报。 测试 2，真空失效 杜瓦瓶具有高度隔热的双层壁设计。隔热能力既来自内胆的铝箔包裹，也来自内外胆之间的真空隔热。真空不是绝对的，会随着时间的推移而减弱。除了真空度的恶化，物理损伤或腐蚀也并不少见。这可能是外层铝皮的刺穿，或用于抽走残余空气的塑料真空密封（单向阀）的损坏。这两个问题都会导致真空失效。我们精确地计时了液氮蒸发的速度以及杜瓦瓶内部温度的上升情况。 测试设置

传感设备 测量原理 放置水平

PT100 传感器 310 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 传感器 160 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 25 cm 处

10L 杜瓦瓶被装满液氮，液位比用户通常填充的要高。填充后，XiltriX 温度传感器连同泡沫盖一起被插回杜瓦瓶中。当所有温度稳定后，使用 ø 6mm 的钻头刺穿杜瓦瓶的外壁。当外皮完全被刺穿时，可以感知到空气冲入隔热壁的响亮嘶嘶声，紧接着是杜瓦瓶内液氮的剧烈蒸发。可观看视频片段：当杜瓦瓶的真空被移除时会发生什么？随后是杜瓦瓶内氮气的剧烈蒸发。

图 10： 贴在杜瓦瓶外表面的 PT100 表面温度传感器。 结果 真空失效引发了内外杜瓦瓶壁之间大量的能量转移，剧烈沸腾，同时将外壁温度降至冰点以下，达到 -2°C。蒸发加速，首先在 160 mm PT100 传感器的液位处检测到，稍后位于杜瓦瓶更深处的 PT100 传感器也检测到。 时间 传感器

11:00 (t=0) 在外皮上钻孔

11:33 (33 分钟) 表面温度传感器达到 0°C

12:16 (1 小时 16 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

15:51 (4 小时 51 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -180°C

16:00 (5 小时) 310 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

18:48 (7 小时 48 分钟) 310 mm PT100 温度传感器达到 -180°C

22:25 (11 小时 25 分钟) 温度传感器 >0°C

图 11： 真空被移除后所有温度传感器的图表。

图 12： 杜瓦瓶内不同高度的两个温度传感器的详细视图。

图 13： 杜瓦瓶外皮上传感器的温度图表。 讨论 放置在杜瓦瓶外部的 PT100 传感器对真空失效的反应最快。然而，该测试是在真空突然且完全失效的情况下进行的。如果发生缓慢的真空失效，温度变化的速度和程度将会不同。分析数据表明，仅凭杜瓦瓶外部的表面温度是预测灾难性问题的好方法。但是，无法预测在其他情况下温度测量将如何变化。因此，仅使用外部温度传感器无法减轻所有风险。 安装在杜瓦瓶内部的两个 PT100 传感器都能有效检测液位下降。放置在杜瓦瓶颈部较高位置（160 mm）的传感器检测液位下降最快。较长的传感器（310 mm）逻辑上在稍后时间才从液位中浮现。如果依赖单个 310 mm 长的 PT100 传感器监测珍贵样本，从 -194°C 到 -180°C 的温度升高为值班人员或用户提供了大约 2 小时 48 分钟的响应时间。如果有一个适当的实时监测解决方案，这应该能给值班人员足够的时间来响应并挽救敏感材料。 如果使用放置在罐内较高位置的 160 mm 传感器进行监测，响应时间将延长至 6 小时 30 分钟。这意味着杜瓦瓶需要更频繁地加注，以防止误报，因为液位会更快地下降到阈值以下。 测试 3，颈部内胆穿孔 移除真空会大大降低杜瓦瓶的隔热性能。但这还不是杜瓦瓶可能发生的最灾难性的故障。如果杜瓦瓶的内胆破裂或穿孔，液氮将渗入外皮，增大了热传递的表面积。杜瓦瓶颈部的焊缝比下部焊缝承受更多的温度波动压力。焊缝处的金属疲劳增加了该位置出现裂纹的可能性。以下测试将展示一个在颈部内皮有穿孔的杜瓦瓶的行为。 测试设置 设备 测量原理 液位

PT100 传感器 310 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 表面传感器 温度传感器 放置在杜瓦瓶颈部水平

请注意：为了防止杜瓦瓶内部压力危险性增加，杜瓦瓶的外皮被钻孔。如果没有这些额外的孔，测试被认为过于危险，因为存在爆炸风险。切勿在未采取所有必要安全预防措施的情况下尝试复制此测试！ 一个 10L 的杜瓦瓶被准备好，其内皮在颈部有一个穿孔。杜瓦瓶被装满液氮，液位比用户通常填充的要高。填充后，XiltriX 温度传感器和泡沫盖被插回杜瓦瓶中。液氮能够通过颈部的孔部分排出，渗入内外皮之间的空间。增加的表面积允许更高的热传递，因此应导致整个杜瓦瓶更快地升温。 图 14： 颈部穿孔位置。X 标记了颈部穿孔的位置。 结果 颈部穿孔导致液氮蒸发非常快。表面温度传感器的温度反应最快，迅速降至 -27°C。位于杜瓦瓶高处的 PT100 传感器再次首先显示液氮液位下降，随后较低的传感器也以类似方式显示。在所有液氮完全蒸发后，外部表面温度传感器再次迅速升温。 时间 传感器

10:56 (t=0) 向准备好的罐中填充液氮

10:59 (3 分钟) 表面温度传感器达到 0°C

13:13 (2 小时 17 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

17:48 (6 小时 52 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -180°C

19:03 (8 小时 7 分钟) 310 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

20:52 (9 小时 56 分钟) 310 mm PT100 温度传感器达到 -180°C

23:37 (12 小时 41 分钟) 温度传感器 >0°C

图 15： 颈部内皮有穿孔的杜瓦瓶的行为。

图 16： 颈部有穿孔的杜瓦瓶内部温度传感器的详细视图。

图 17： 颈部有穿孔的杜瓦瓶中表面温度传感器的行为。 讨论 放置在杜瓦瓶外部的 PT100 传感器对颈部穿孔的反应最快。然而，该测试是在颈部有较大穿孔的情况下进行的。如果发生较小的穿孔，温度变化的速度和程度将会不同。分析数据表明，仅凭杜瓦瓶外部的表面温度是预测灾难性问题的好方法。但是，无法预测在其他情况下温度测量将如何变化。因此，仅使用外部温度传感器无法减轻所有风险。 放置在杜瓦瓶内部的两个 PT100 传感器都能有效检测液位下降。放置在杜瓦瓶颈部较高位置（160 mm）的传感器检测液位下降最快。放置在较低位置（310 mm）的传感器需要更长时间才能感知到液位下降。如果用户仅使用 310 mm 传感器来监测他们的样本，从达到 -194°C 到 -180°C 的响应时间将是 1 小时 49 分钟。如果有一个适当的实时监测解决方案，这应该能给值班人员足够的时间来响应并挽救敏感材料。 如果使用放置在罐内较高位置的 160 mm 传感器进行监测，响应时间将延长至 7 小时 39 分钟。这确实意味着杜瓦瓶需要更频繁地加注，以防止误报，因为液位会更快地下降到阈值以下。 测试 4，杜瓦瓶底部穿孔 移除真空会大大降低杜瓦瓶的隔热性能。但这还不是杜瓦瓶可能发生的最灾难性的故障。如果杜瓦瓶的内皮破裂或穿孔，液氮将渗入外皮，增大了热传导的表面积。杜瓦瓶底部是罐体最关键的区域，如果破裂，液体将以最快的速度流失。此测试将展示一个内皮在底部有穿孔的杜瓦瓶的行为。 请注意：杜瓦瓶的外皮被钻孔以安全地释放杜瓦瓶中积聚的压力。如果没有这些孔，压力积聚可能导致爆炸。切勿在未采取必要安全预防措施的情况下尝试复制此测试！ 测试设置 设备 测量原理 液位

PT100 传感器 310 mm 温度传感器 放置在距离杜瓦瓶底部 10 cm 处

PT100 表面传感器 温度传感器 放置在杜瓦瓶颈部水平 一个 10L 的杜瓦瓶被准备好，其内皮在底部有一个穿孔。杜瓦瓶被装满液氮，液位比用户通常填充的要高。填充后，XiltriX 温度传感器和泡沫盖被插回杜瓦瓶中。液氮能够通过底部的孔部分排出，渗入内外皮之间的空间。更大的表面积允许更快的传热，因此应导致整个杜瓦瓶更快地升温。填充过程的片段可在此处观看：XiltriX，填充内皮有穿孔的杜瓦瓶。 结果 颈部穿孔导致液氮蒸发非常快。表面温度传感器的温度反应最快，迅速降至 -127°C。位于杜瓦瓶高处的 PT100 传感器再次首先显示液氮液位下降，随后较低的传感器也以类似方式显示。在所有液氮完全蒸发后，外部表面温度传感器再次迅速升温。 时间 传感器

13:20 (t=0) 向准备好的罐中填充液氮

13:21 (1 分钟) 表面温度传感器达到 0°C

13:26 (6 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

13:29 (8 分钟) 160 mm PT100 温度传感器达到 -180°C

13:50 (29 分钟) 310 mm PT100 温度传感器达到 -194°C

14:20 (60 分钟) 所有液氮已蒸发

18:16 (4 小时 56 分钟) 温度传感器 >0°C

图 18： 内皮在底部有穿孔的杜瓦瓶测试。

图 19： 底部有穿孔的杜瓦瓶内部温度传感器的详细视图。

图 20： 内皮在底部有穿孔的杜瓦瓶的表面温度图。 讨论 放置在杜瓦瓶外部的 PT100 传感器对底部穿孔的反应最快。然而，该测试是在底部有大穿孔的情况下进行的。如果发生较小的穿孔，温度变化的速度和程度将会不同。分析数据表明，仅凭杜瓦瓶外部的表面温度是预测灾难性问题的好方法。但是，无法预测在其他情况下温度测量将如何变化。因此，仅使用外部温度传感器无法减轻所有风险。 放置在杜瓦瓶内部的两个 PT100 传感器都能有效检测液位下降。放置在杜瓦瓶颈部较高位置（160 mm）的传感器检测液位下降最快。放置在较低位置（310 mm）的传感器需要更长时间才能感知到液位下降。如果用户仅使用 310 mm 传感器来监测他们的样本，从达到 -194°C 到 -180°C 的响应时间将是 1 小时 16 分钟。如果有一个适当的实时监测解决方案，这应该能给值班人员足够的时间来响应并挽救敏感材料。 如果使用放置在罐内较高位置的 160 mm 传感器进行监测，响应时间将延长至 1 小时 40 分钟。这确实意味着杜瓦瓶需要更频繁地加注，以防止误报，因为液位会更快地下降到阈值以下。 最终结论 所进行的测试旨在确定使用温度传感器作为最低液位检测形式是否是监测杜瓦瓶的稳健解决方案。结果在温度行为和用户在夜间设施无人时发生问题时有效防止损害的时间方面差异很大。 所有温度传感器都能有效指示各种形式的灾难性杜瓦瓶故障。放置在杜瓦瓶外皮上的温度传感器始终是反应最快的。当连接到远程监测系统时，此传感器将提供最快的警报。它会迅速降至低温水平，但很难预测该水平将是多少。正确设置此传感器（位置和警报限值）将需要反复试验，并且不可能对每种情况都进行测试。无法预测发生故障时温度会降至何种水平。值得注意的是，房间的环境温度会影响温度测量，因此发生误报的几率相对较高。此外，放置在外部的传感器更容易暴露，因此更容易因移动杜瓦瓶而受到损坏。由于传感器未放置在实际样本中，因此它对温度测量没有附加价值。不建议仅使用此类传感器进行杜瓦瓶监测，但它对灾难性故障的响应时间可以产生有益影响。 使用内部放置的温度传感器作为最低液位传感器总是能得到可靠的测量和警报事件。内部传感器不受环境条件影响，因此其行为更容易预测。通过在 -194°C 设置警报限值，用户有足够的时间响应警报，前提是监测和警报系统是实时测量和报警的。在杜瓦瓶发生重大灾难性故障的情况下，在较低样本达到高于 -180°C 的储存温度之前，响应时间可能短至 1 小时 16 分钟。该温度被认为是储存人类卵子的临界温度。 这些测试表明，关键的杜瓦瓶故障可能对储存样本的温度条件产生灾难性影响。它也证明了在低温储存设施中使用适当的实时监测和警报系统的重要性，例如储存人类精子、卵子和胚胎的 IVF 实验室。使用非实时监测系统（例如数据记录器）将导致响应时间的损失，这将大大增加对例如胚胎造成损害的风险。除了测量温度，警报延迟应以灵活的方式设置。在办公时间内，需要较长的延迟时间以防止误报。在非办公时间，较短的延迟时间为用户提供额外的响应时间。最后，警报通知应允许一个积极的级联机制并带有主动确认。 适合此目的的系统是 XiltriX 实时监测和警报系统。二十多年来，XiltriX 成功地保护了世界各地低温储存设施中不可替代的样本。 下载杜瓦瓶监测和警报终极指南 ***致谢：***我要向荷兰罗斯马伦的Cryo Solutions 公司的优秀员工表示感谢。首先，我要感谢David Vaessen在设置和执行这些测试方面的帮助和知识。没有你，这篇白皮书就不可能完成。其次，我要感谢Richard van Woerden允许我们使用贵公司、低温室和杜瓦瓶来进行这些测试。最后，同样重要的是，感谢Dr Christine Allen帮助我讨论科学思想。增加颈部穿孔测试使这篇文章更加完整。 我们希望我们的信息将有助于使杜瓦瓶中的长期低温储存更安全一些，并防止不必要的组织甚至生命损失。