原创 如何选择流体的恒流或恒压控制？

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，压力泵1个，储液池1个，流量传感器1个，较长的石英毛细管（可代表微流控系统中的石英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AIO（All-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，最终，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，最终，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 • Q（Q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一期推文），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”是最好的选择，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，必须采用“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”。

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