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如何选择流体的恒流或恒压控制?

如何选择流体的恒流或恒压控制?

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在使用压力泵进行流体控制实验时,通常可以选择“恒流控制”或“恒压控制”模式,部分操作人员会忽视两者的区别,视之为等同,本文通过完成两类测试实验,对比这两类控制模式在实验中的性能表现,并说明两者的区别。

 

实验器材

氮气罐1个,FLOW-EZ压力泵1个,储液池1个,流量传感器1个,较长的毛细管(可代表微流控系统中的毛细管和微流控芯片通道),废液池1个,已安装实时监测软件AIOAll-in-One Software)的 PC 1台,仪器配套电缆等。

 

实验过程说明

本文所使用的流体测试系统示意图如下:

将实验器材按照上图进行连接,搭建流体测试系统,初始化压力泵与PC端的AIO软件,分别进行流体的“恒流控制”和“恒压控制”实验,实验流程如下:

一、流体“恒流控制”实验流程

1.于压力泵设定流体流速为660μl/min

2.压力泵往储液池泵入氮气,将储液池里的液体(水)驱动经过流量传感器,流至毛细管中,,压力泵将毛细管中的液体排尽,于废液池中收集,时间约为63分钟。

3.实验过程中,流量传感器将实时流速和压力通过传至压力泵,压力泵将数据传至PC端的AIO软件以实时显示。

4.保存实验数据,实验结束。

 

二、流体“恒压控制”实验流程

1.设定压力泵输出压力为115mbar

2.压力泵往储液池泵入氮气,将储液池里的液体(水)驱动经过流量传感器,流至毛细管中,压力泵将毛细管中的液体排尽,于废液池中收集,时间约为50分钟。

3. 实验过程中,流量传感器将实时流速和压力通过传至压力泵,压力泵将数据传至PC端的AIO软件以实时显示。

4.保存实验数据,实验结束。

 

数据分析

整理上文所做实验的实验数据,分别得到恒流模式和恒压模式下的流速与压力变化曲线,如下:

恒流模式下,流速与压力变化曲线

 

恒压模式下的流速与压力变化曲线

 

观察以上两图,容易发现,在“恒流模式”下,设定流速为660μl/min,实验中流速始终在660μl/min上下浮动,而压力泵输出压力呈现出逐步下降的趋势;在“恒压模式”下,设定压力泵输出压力为115mbar,实验中压力泵输出压力保持不变,但流速呈现出逐步上升的趋势。

将以上结果分析结合简化后的流阻计算公式:△P = R • QQ为流量,△P表示压差,R表示流阻,具体内容请参照此公众号上01推文),说明系统中流阻随着实验时间的增长而变小。这是因为,在压力泵将毛细管中的液体排尽的过程中,毛细管中的液体随时间流出,流体测试系统中的流阻逐步下降,从而导致了压力和流量的变化。

 

结论

 

由此可以得出,“恒压模式”并不完全等同于“恒流模式”,特别是在进行微流体实验时,由于存在外界扰动或者内部流阻变化的现象,“恒压模式”并不能保证恒流,这对于一些对流速有要求的实验,将造成较大影响,如在液滴制备中,流速决定生成液滴的频率和大小,恒定流速是制备均一液滴的充分必要条件,所以在液滴制备中,“恒流模式”是好的选择,此模式下,压力泵可根据实验过程中流阻的变化调节压力,以保证流速的稳定。当然,“恒流模式”也不能替代“恒压模式”,在有的应用中,须采用“恒压模式”,如在超临界二氧化碳萃取中,对压力要求较高,需要将压力保持在一个值之上。因此,在实验过程中,特别是微流体实验过程中,需要根据实验要求选择“恒压模式”或“恒流模式”。