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基于流动电位势的自动化微小液体流量计量系统设计

时间:2018/05/16来源:未知

    要:

微流控系统液体流量一般为每分钟几微升甚至几纳升,计量非常困难。微通道液体流量与电动流密切相关,流场、电场、离子场相互耦合作用使得流动时形成流动电位势,其与流量具有定量对应关系,本研究先容了基于流动电位势来建立自动化微小液体流量计量系统的原理,并详细先容了系统设计及自动化控制实现方法。

 

0 引言

随着半导体制造业、生物工程、医学化工等行业的兴起及微机电系统的发展,微/纳流控系统(Micro/nano-fluidic)已经是目前生物医学和分析化学领域热门的研究课题[1] 。微流体驱动与控制技术中,流量控制与测量是至关重要的环节[2] 。伴随着微/纳流控系统的深入研究与运用,生物医学工程与精细化学的流量测量使得流量测量正在向低端延伸,微小流量的测量需求渐渐凸显起来[3] ,也引起了越来越多的科学工编辑的重视,应用于生物医药领域的液体微小流量更是当下流体计量领域急需的计量技术之一。

1 微小液体流量计量现状

由于对微/纳流控系统的流动机理理解不透彻及运用滞后,因而目前的微/纳液体流量的测量装置大多还是基于宏观流量测量原理,比如容积法、差压法、质量法,基本是常规流量测量装置的尺寸缩小化。然而,由于微/纳液体流动的尺度缩小化,其流量范围通常仅为每分钟几微升甚至几纳升,基于上述传统宏观测量原理的流量测量方法不可避免的具有一定的局限性。

目前,国内外少量关于微小液体流量测量方法的研究。官志坚[4] 等人提出了一种依赖于光电开关的主动式活塞液体流量标准装置,但由于在微小流量计量检定时,多数情况下活塞移动的距离度要求更高且更加灵活,因此,采用固定光电开关的检定方法存在一定局限性。德国联邦物理技术研究院(PTB)水流量实验室的小流量标准装置的流量范围为(1~2000)m L/min,装置的不确定度为0.1%~0.2%。该装置的研制为流量测量向低端延伸做出了良好的铺垫,但测量的流量值仍然比较大,对微小流量不能测量。法国工业技术研究中心研究设计了一种微小流量计量标准装置[5] ,由称重系统原标准和层流差压件为传递标准组成。经排除空气过滤微粒之后的水源,在控制的温度和压力下流过不同内径(100~325μm)和长度(1~4m)一组毛细管中的一支,监测其在层流条件下流动,称重计时求取流量。装置的流量不确定度为0.1%,可检定流量范围为1 m L/h~10L/h。但由于该套设备体积庞大,操作相当繁琐、不易控制,为流量测量工作带来了一定不便,不具有实际应用性、推广性。浙江省计量科学研究院设计了一种应用于生物医药领域的电驱动活塞式液体微小流量计量标准检定系统[6] ,以活塞缸作为计量容积标准,装置通过步进电机驱动标准计量活塞缸活塞产生流体源,活塞缸与光栅尺配合构成流量测量系统,通过计算流体介质在一定测量时间内推动活塞排出活塞缸内流体体积来测量流量,可测量流量范围为(0.1~1000)m L/h,但是装置的准确度等级不高,其测量扩展不确定度仅为0.5%~1.0%。

2 基于流动电位势的微小液体流量计量机理

电动流是微/纳液体流动中***主要的现象,指微流体系统的液体流场-电场-离子场多物理场耦合流动现象[7] 。而研究表明,微通道流动电位势与流量之间具有关联,因此基于微通道流动电位势测量来设计流量计量方法,是***符合微/纳液体流动机理的方法,原理上具有***佳测量效果,无论是准确性、重复性、可操控性还是时间经济性[8] 。

微/纳液体流动以毛细管流为典型流态。对于二元对称结构电介质溶液,双电层电位ψ与电荷密度ρe之间的关系可以用Poisson-Boltzmann方程来描述:

计算公式
 

其中,n0和z是离子数浓度及化合价,ε是溶液介电常数,e是电子基本电荷,kB是Boltzmann常数,T是温度。

流动控制方程为:

计算公式

其中,v是沿轴向的速度分量,μ为液体的动力粘度,Ex为轴向的流动诱导电场,Exρe为双电层引起的电粘性力。

给出边界条件,并求解得到:

计算公式

其中,ΔΨ即为微通道两端的流动电位势(Ψ=-ExL),ζ是固液界面的zeta电位,λb为溶液的电导率,I0为零阶类修正贝塞尔函数。

给出常见液体流动参数如下:

计算公式

代入式(4)可获得常见液体流动流量与流动电位势之间的曲线关系,如图1所示。

图1 流量与流动电位势数值计算结果

图1 流量与流动电位势数值计算结果   下载原图

 

结果表明,流动电位势与流量之间依然呈现基本线性的关系,且在极小流量时所得到的流动电位势反馈信号已足够大。因此,实际中测量流动电位势来计算流量可行且信号灵敏。

3 自动化微小液体流量计量系统设计

根据流动电位势与流量的近似线性关系,建立自动化微小液体流量计量系统,其结构示意图如图2所示。

图2 微/纳通道液体流量实验系统

图2 微/纳通道液体流量实验系统   下载原图

 

系统由液体动力源、水池、管路系统、旁通校验系统、标准测量段、以及信号采集控制系统组成。

流体动力源使用小型高压平流水泵,高压水泵压力(0~20)Mpa。

管路系统所用材料为玻璃毛细管,内径(1~2)mm。

微管道内径100μm,长度5cm,材质为玻璃,整个装置管道构成回路。在微毛细管通道两端设置大的圆柱形储水池,材质为玻璃,以造成离子的富集引起电位差。使用外加电场调控微通道表面Zeta电位,提升流动电位势,放大流量信号。

旁通校验系统由换向阀及校验支路组成,以高精度电子天平和密度计组成校验标准,电子天平量程220g,分辨率为0.1mg。使用时,使用换向阀使液体流经标准测量段后进入旁通校验系统,读取电子天平读数及密度计读数,与标准段测量段累积值比较获得示值误差,对微液体流量装置进行定期校准。

信号采集控制系统由上位机、下位机、传感器、通讯模块组成。以工控笔记本作为上位机,以西门子S7200PLC作为下位机进行逻辑控制。使用铂电极采集产生的流动电位势,电位通过导线引出到16位高精度A/D转换模块,通过A/D转换之后数字信号通过PLC的RS485通讯模块进入上位机,上位机根据式(4)的对应关系将流动电位势信号转换成流量信号。下位机S7200采用RS485通信与A/D转换模块及电子天平交换数据,采用I/O信号控制校验支路的切换阀门,使用Labview编写专用控制与测试程序,人机交互、检定流程控制、检定数据的存储和报表生成等自动化功能。

由于原始传感信号即是电信号可直接测量,相比目前其他测量方法可提高微/纳液体流量测量的准确性及测量范围。测量液量流量范围可达500n L/Min~500μL/Min,测量不确定度0.1%。

4 结论

本文分析了微小液体流量计量现状,先容了以流量电位势测量微通道液体流量之间的机理,设计微小液体流量计量系统,满足微小液体流量测量的需求。


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