液面高度稳定装置的设计

王钧

(上海民航职业技术学院，上海 200232)

1 引 言

在一些医药生产和检测实验设备中，为了保证医药产品的生产质量和检测实验结果有较高的准确度，往往要求液体的添加十分准确，这就需要对影响液体添加量的因素进行严格的控制[1-2]。

图1为医药生产过程中常用的液体添加量控制元件——电磁夹管阀，它通过电磁驱动挤压或松开输液软管来实现对加液量进行控制。由于液体仅从软管中通过，阀体中的其他部件不与具有化学腐蚀性的液体相接触，这样既保证阀门不遭到液体的腐蚀，也保证了输送的液体不被污染，维护也很方便，因此，夹管阀在医药生产和检测试验领域得到广泛应用。

图1 夹管阀

但是随着人们对产品质量的期望越来越高，采用夹管阀来控制液体添加量存在的问题也逐步显露出来。比如液体添加过程中随着液体容器内液体的减少，液面的高度逐步降低，使得施加在夹管阀入口处的压力降低，导致夹管阀两端压力差发生变化，从而对液体添加量造成影响[3]。因此，需要液面高度稳定装置，使得在液体的添加过程中 ，施加在夹管阀入口处的压力降低能够得到有效的补偿。

2 液面高度稳定装置设计

2.1 液面高度稳定装置的工作原理

针对上述问题设计了液面高度稳定装置，见图2a。该装置主要由液体桶座2、弹簧3和底座4组成。当液体桶1放置在液体桶座2上面时，在重力作用下液体桶1压缩弹簧3，此时液体桶1处于图2c的位置，液面高度处于图2中0-0的位置；随着液体桶1中液体的不断使用，液体桶1中液面高度逐渐下降，液体桶1内液体的重量也下降，施加在弹簧3上的力就会逐渐减少，此时弹簧3伸展使得液体桶1上升、补偿由于液体桶1内液体的使用而造成液面的下降，使得液体桶的液面稳定在0-0的位置(见图2a)，从而保持夹管阀两侧的压力保持恒定不变。图2d是液体桶液体全部排出，液体桶所处的位置图，液体桶从图2c到图2d移动的距离等于液体桶中液体的最大高度Xmax。

图2 液面高度稳定装置工作图

2.2 液面高度稳定装置的设计要点

2.2.1弹簧刚度条件 假设图2a中液体桶1内液体的重量为W1，液体桶的直径为D,液体在液体桶内的高度为X，液体桶液体的比重为ρ, 则有：

(1)

假设图2中弹簧的压缩高度为h, 弹簧的刚度系数为k, 弹簧抗力为F，则有：F=kh

(2)

为了使得弹簧压缩量的变化能够补偿液体在液体桶内高度的变化，则有：

dh=dx

(3)

假设图2液体桶座2和液体桶1的重量之和为W2，忽略弹簧重量和液体桶座2与底座4之间的摩擦力，可得：W1+W2=F

由于W2是常值，从而：

dW1=dF

(4)

由(1)、(2)、(3)、(4)式可得：

(5)

由上可见，为了使得弹簧伸张量的变化能够补偿液体在液体桶内高度的变化，弹簧的刚度系数应满足式(5)的要求。

2.2.2安装和导向条件 为了减少摩擦力对液体压力变化补偿造成影响，本研究的液面高度稳定装置还应满足

(1)安装时应保持图2a所示的液体桶座和底座的轴线垂直于水平面；

(3)液体桶座的制造应保证液体桶座上平面与桶体的回转轴线垂直。

2.2.3液体桶座和底座配合圆柱最小长度尺寸 由图2d和2.2.2可得试剂桶座和底座配合圆柱的最小长度尺寸：

L=Xmax+L1≥Xmax+2d

2.2.4弹簧设计 弹簧3是液面高度稳定装置的重要性能元件。

图2b中，弹簧的最小工作载荷 F1=W2；弹簧的最大工作载荷是F2=W1max+W2；弹簧的刚度系数见式(5)； 弹簧的工作行程等于工作载荷F1作用下弹簧的高度H1与工作载荷F2作用下弹簧的高度H2之差，亦即液体桶液面的最大高度Xmax。

根据以上条件，设计者初定弹簧中径尺寸后，可以参考文献[4]对弹簧进行设计。

3 液面高度稳定装置应用举例

免疫检测是临床检测的重要手段之一，免疫检测的原理是通过抗原抗体反应来对被检测对象的阴阳性进行判断。抗原抗体反应过程中的抗原和抗体必须遵循一定的比例关系，否则将会出现假阴性，因此，要求检验试剂的添加必须具有高的准确度。

图3 液面高度稳定装置应用实例

Fig3Theappllcationexamplesofliquidlevelstabilizingapparatus

图3是液面高度稳定装置在免疫试剂生产中的一个应用实例。图中7是临床检验常用的96孔板，生产中需要在各批次的96孔板中均匀地注入等量的试剂。试剂储藏在试剂桶1中，输液管9给喷头6输送试剂，通过包被机8控制夹管阀5对输液管9进行挤压和松开，从而控制试剂的注入量。

随着市场对检测试剂质量要求的不断提高，企业的产品质量内控标准也在不断地提高。为了满足新的内控标准要求，需要对导致产品质量散布的原因进行分析，结果发现试剂在添加过程中，试剂添加量的逐步减少已经成为影响产品质量的重要因素。经实验验证，试剂添加量的减少是由于试剂添加过程中试剂桶液面高度的下降、导致夹管阀两侧压力差变小所导致，因此，采用图2的液面高度稳定装置较好地解决了此问题。

4 结论

液面高度稳定装置结构简单、制造方便、成本低廉，可以有效地解决由于液位高度的变化导致夹管阀两侧压力变化、从而造成加液量准确度降低问题，具有较强的实用性和推广应用价值。