在使用壓力泵進(jìn)行流體控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，通?？梢赃x擇“恒流控制”或“恒壓控制”模式，部分操作人員會(huì)忽視兩者的區(qū)別，視之為等同，本文通過完成兩類測試實(shí)驗(yàn)，對(duì)比這兩類控制模式在實(shí)驗(yàn)中的性能表現(xiàn)，并說明兩者的區(qū)別。

實(shí)驗(yàn)器材

氮?dú)夤?/span>1個(gè)，壓力泵1個(gè)，儲(chǔ)液池1個(gè)，流量傳感器1個(gè)，較長的石英毛細(xì)管（可代表微流控系統(tǒng)中的石英毛細(xì)管和微流控芯片通道），廢液池1個(gè)，已安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件AIO（All-in-One Software）的 PC 1臺(tái)，儀器配套電纜等。

實(shí)驗(yàn)過程說明

本文所使用的流體測試系統(tǒng)示意圖如下：

將實(shí)驗(yàn)器材按照上圖進(jìn)行連接，搭建流體測試系統(tǒng)，初始化壓力泵與PC端的AIO軟件，分別進(jìn)行流體的“恒流控制”和“恒壓控制”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)流程如下：

一、流體“恒流控制”實(shí)驗(yàn)流程

1.于壓力泵設(shè)定流體流速為660μl/min。

2.壓力泵往儲(chǔ)液池泵入氮?dú)?，將?chǔ)液池里的液體（水）驅(qū)動(dòng)經(jīng)過流量傳感器，流至毛細(xì)管中，最終，壓力泵將毛細(xì)管中的液體排盡，于廢液池中收集，時(shí)間約為63分鐘。

3.實(shí)驗(yàn)過程中，流量傳感器將實(shí)時(shí)流速和壓力通過傳至壓力泵，壓力泵將數(shù)據(jù)傳至PC端的AIO軟件以實(shí)時(shí)顯示。

4.保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

二、流體“恒壓控制”實(shí)驗(yàn)流程

1.設(shè)定壓力泵輸出壓力為115mbar。

2.壓力泵往儲(chǔ)液池泵入氮?dú)?，將?chǔ)液池里的液體（水）驅(qū)動(dòng)經(jīng)過流量傳感器，流至毛細(xì)管中，最終，壓力泵將毛細(xì)管中的液體排盡，于廢液池中收集，時(shí)間約為50分鐘。

3. 實(shí)驗(yàn)過程中，流量傳感器將實(shí)時(shí)流速和壓力通過傳至壓力泵，壓力泵將數(shù)據(jù)傳至PC端的AIO軟件以實(shí)時(shí)顯示。

4.保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

數(shù)據(jù)分析

整理上文所做實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別得到恒流模式和恒壓模式下的流速與壓力變化曲線，如下：

恒流模式下流速與壓力變化曲線

恒壓模式下的流速與壓力變化曲線

觀察以上兩圖，容易發(fā)現(xiàn)，在“恒流模式”下，設(shè)定流速為660μl/min，實(shí)驗(yàn)中流速始終在660μl/min上下浮動(dòng)，而壓力泵輸出壓力呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢；在“恒壓模式”下，設(shè)定壓力泵輸出壓力為115mbar，實(shí)驗(yàn)中壓力泵輸出壓力保持不變，但流速呈現(xiàn)出逐步上升的趨勢。

將以上結(jié)果分析結(jié)合簡化后的流阻計(jì)算公式：△P = R ? Q（Q為流量，△P表示壓差，R表示流阻，具體內(nèi)容請(qǐng)參照此公眾號(hào)上一期推文），說明系統(tǒng)中流阻隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增長而變小。這是因?yàn)?，在壓力泵將毛?xì)管中的液體排盡的過程中，毛細(xì)管中的液體隨時(shí)間流出，流體測試系統(tǒng)中的流阻逐步下降，從而導(dǎo)致了壓力和流量的變化。

結(jié)論

由此可以得出，“恒壓模式”并不完全等同于“恒流模式”，特別是在進(jìn)行微流體實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于存在外界擾動(dòng)或者內(nèi)部流阻變化的現(xiàn)象，“恒壓模式”并不能保證恒流，這對(duì)于一些對(duì)流速有要求的實(shí)驗(yàn)，將造成較大影響，如在液滴制備中，流速?zèng)Q定生成液滴的頻率和大小，恒定流速是制備均一液滴的充分必要條件，所以在液滴制備中，“恒流模式”是最好的選擇，此模式下，壓力泵可根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中流阻的變化調(diào)節(jié)壓力，以保證流速的穩(wěn)定。當(dāng)然，“恒流模式”也不能替代“恒壓模式”，在有的應(yīng)用中，必須采用“恒壓模式”，如在超臨界二氧化碳萃取中，對(duì)壓力要求較高，需要將壓力保持在一個(gè)值之上。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中，特別是微流體實(shí)驗(yàn)過程中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇“恒壓模式”或“恒流模式”。

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