控精密进样泵

[align=center][img=压力驱动分选进样系统,690,371]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231002395286_2664_3384_3.png!w690x371.jpg[/img][/align][color=#000099]摘要：在循环肿瘤细胞等细胞分选进样系统中，需要在一个标准大气压附近很小的正负压范围对压力进行精密控制，这就对控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和控制器提出了更高的要求。本文将针对这些技术问题，提出高精度正负压精密控制解决方案，并详细介绍控制方法和其中软硬件的功能和技术指标，由此可实现0.5%的控制精度。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#000099]一、问题的提出[/color][/size]循环肿瘤细胞（Circulating Tumor Cells，CTC）分选已被认为是癌症诊断和预后的有效工具，要求相应的检测装置能够执行所有实验过程而无需任何人工干预的自动、快速且灵敏。对于一些基于压力驱动液体流动原理的进样系统，要求通过精确控制气体的压力， 确保进样过程中流量稳定并实现自动反馈调节，并需要气压供应装置提供正压和负压以使检测装置中的泵及阀门动作。但在目前的CTC检测装置进样系统中，气压的精密控制还存在以下几方面的问题需要解决：（1）现有的气压供应装置无法提供微小的气压，常会导致泵的薄膜破损而无法使用，且现有的气压供应装置亦无法提供常压，使泵的薄膜在检测过程中无法回到平坦状态，造成细胞破损，故需要有可以提供微气压及常压至检测装置的气压供应装置。为了解决此问题，给微流道芯片提供正压、负压或常压，专利CN 216499436U“气压供应装置”中提出了一种非常复杂的概念性解决方案，标称正压气体的压力大小调节至 1～6psi，负压气体的压力大小调节至?1～6psi，正负压微调节阀可以精密至±0 .01psi。但这些指标恰恰是微压力调节阀的关键，如果没有能达到这种技术指标的调节阀，所述方案根本无法实现。（2）上海理工大学王固兵等人在2020年发表的“基于气压驱动的循环肿瘤细胞分选进样系统的设计与实现“一文中，提出了一种采用德国tecno PS120000 比例电磁阀的技术方案。但这种工业用比例阀主要是用于高压气体的压力控制，口径也较大，控制精度显然不能满足微小正负压的精密控制，而且无法外接高精度压力传感器来提升控制精度，根本无法实现文中提出的达到压力输出精度为1mbar（0.015psi）的指标，相对于1bar大气压这相当于达到0.1%的控制精度，这个指标显然不切合实际。从上述报道可以看出，细胞分选进样系统的压力控制需要在一个标准大气压附近很小的正负压范围对真空压力进行精密控制，这就对控制方法、气体流量调节阀、压力传感器和控制器提出了更高的要求。本文将针对这些技术问题，提出高精度正负压精密控制解决方案，并详细介绍控制方法和其中软硬件的功能和技术指标，由此可实现0.5%的控制精度。[size=18px][color=#000099]二、解决方案[/color][/size]本文所提出的解决方案是实现在一个标准大气压附近±10psi（或±700mbar）范围内的正负压精密控制，控制精度达到0.5%。即提供一个可控气压源解决方案，采用双向控制模式的动态平衡法，结合高精度步进电机和微小流量电动针阀、高精度压力传感器和双通道PID控制器，气压源可进行高精度的正压、负压和一个大气压的可编程输出。微小正负压精密控制的基本原理如图1所示，具体内容为：[align=center][img=气压驱动分选进样系统,690,377]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231005336655_4666_3384_3.png!w690x377.jpg[/img][/align][align=center]图1 微小正负压精密控制原理框图[/align]（1）控制原理基于密闭空腔进气和出气的动态平衡法。这是一个典型闭环控制回路，2通道PID控制器采集真空压力传感器信号并与设定值进行比较，然后调节进气和抽气调节阀的开度，最终使传感器测量值与设定值相等而实现真空压力的准确控制。（2）控制回路分别配备了抽气泵（负压源）和气源（正压源），以提供足够的负压和正压能力。（3）为了覆盖负压到正压的所要求的真空压力范围（如-10psi至+10psi），配置一个测试量程覆盖要求范围内的高精度绝对压力传感器，绝对压力传感器对应上述真空压力范围输出数值从小到大的直流模拟信号（如0~10VDC）。此模拟信号输入给PID控制器，由PID控制器调节进气阀和排气阀的开度而实现压力精确控制。采用绝对压力传感器的优势是不受当地大气气压变化的影响，无需采取气压修正，更能保证测试的准确性和重复性。（4）当控制是从负压到正压进行变化时，一开始的进气调节阀开度（进气流量）要远小于抽气调节阀开度（抽气流量），通过自动调节进出气流量达到不同的平衡状态来实现不同的负压控制，最终进气调节阀开度逐渐要远大于抽气调节阀开度，由此实现负压到正压范围内一系列设定点或斜线的连续精密控制。对于从正压到负压压的变化控制，上述过程正好相反。[size=18px][color=#000099]三、方案具体内容[/color][/size]解决方案中所涉及的微小正负压力发生器的具体结构如图2所示，主要包括高压气源、电动针阀、密闭空腔、压力传感器、高精度PID控制器和抽气泵。[align=center][img=气压驱动分选进样系统,690,465]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206231006045409_5247_3384_3.png!w690x465.jpg[/img][/align][align=center]图2 微小正负压精密控制的压力发生器结构示意图[/align]在图2所示的微小正负压控制系统中，密闭空腔上的工作压力出口连接检测仪器，密闭空腔左右安装两个NCNV系列的步进电机电动针阀，此电动针阀本身就是正负压两用调节阀，其绝对真空压力范围为0.0001mbar~7bar，最大流量为40mL/min，步进电机单步长为12.7微米，完全能满足小空腔的正负压精密控制。在图2所示的控制系统中使用了两个电动针阀来实现正负压任意设定点的精确控制，也可以从正压到负压的压力线性变化控制，也可以从负压到正压的压力线性变化控制。对于循环肿瘤细胞（CTCs）检测仪器进样系统中的微小正负压控制，要求是在标准大气压附近的真空压力精确控制，如控制精度为±0.5%甚至更小，一般都需要采用调节抽气阀的双向动态模式，即通过双通道PID控制器，一个通道用来恒定进气口处电动针阀的开度基本不变，另一个通道根据PID算法来调节排气口处的电动针阀开度。除了上述恒定进气流量调节抽气流量的控制方法之外，循环肿瘤细胞（CTCs）检测仪器进样系统中的微小正负压的控制精度，主要由压力传感器、PID控制器和电动针阀的精度决定。本方案中的PID控制器采用的是24位AD和16位的DA，电动针阀则是高精度步进电机，因此本解决方案的测试精度主要取决于压力传感器精度，一般至少要选择0.1%精度的压力传感器。对于进样系统中的微小压力控制，往往会要求密闭容器在正负压范围内进行多次往复变化，因此采用了可存储多个编辑程序的PID控制器，设定程度是一条多个折线段构成的曲线，由此可实现正负压往复变化的自动程序控制。在本文所述的解决方案中，为实现正负压的精密控制，如图2所示，针对负压的形成配置了抽气泵。抽气泵相当于一个负压源，但采用真空发生器同样可以达到负压源的效果，负压源采用真空发生器的优点是整个系统只需配备一个高压气源，减少了整个系统的造价、体积和重量，真空发生器连接高压气源即可达到相同的抽气效果。[size=18px][color=#000099]四、总结[/color][/size]本文所述解决方案，完全可以实现循环肿瘤细胞（CTCs）检测仪器进样系统中微小正负压的任意设定点和连续程序形式的精密控制，并且可以达到很高的控制精度和速度，全程自动化。本方案除了微小正负压的自动精密控制之外，另外一个特点是系统简单，正负压控制范围也可以比较宽泛，整个系统小巧和集成化，便于形成小型化的检测仪器。本文解决方案的技术成熟度很高，方案中所涉及的电动针阀和PID控制器，都是目前上海依阳实业有限公司特有的标准产品，其他的压力传感器、抽气泵、真空发生器和高压气源等也是目前市场上常见的标准产品。本文所述解决方案，同样可以适用于各种其他基于气压驱动的微流控进样系统。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[align=center][color=#ff0000][img=,690,368]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206130915093546_2463_3384_3.png!w690x368.jpg[/img][/color][/align][color=#ff0000]摘要：低压缓冲罐广泛应用于各种真空工艺和设备中，本文主要针对缓冲罐在全量程内的真空度精密控制，并根据不同真空度范围和缓冲罐体积大小，提出了相应的解决方案，以满足不同低压过程对缓冲罐真空压力精密控制的不同要求。[/color][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][size=18px][color=#ff0000]一、背景介绍[/color][/size]低压缓冲罐是真空系统中常用的一种真空容器，主要通过提供真空“储存”来防止真空泵的过度循环，其基本原理是利用滞留量（体积）来提供更平稳的真空度操作。在真空工艺过程中，低压缓冲罐主要有以下两种结构形式：（1）真空度波动衰减：缓冲罐安装在真空单元之间，避免连续过程中真空度的波动传播。（2）独立操作：缓冲罐安装在单元之间以允许独立操作，例如在临时关闭期间以及连续和批处理单元之间。低压缓冲罐在独立操作形式中，一般需要具备以下功能：（1）对于小尺寸空间的工艺容器，很难实现真空度的高精度恒定或程序控制，真空度的波动和不准确很难达到工艺要求。为此在工艺容器上串接一个容积较大的低压缓冲罐，通过对缓冲罐真空度的精密控制，则可以完美解决此问题。（2）提供气液分离功能，防止工作液体直接倒灌入真空泵。（3）提供冷凝功能，避免反应容器内的部分溶剂转化为气态直接进入真空泵，由此降低真空泵的故障率和提高真空泵的使用寿命。本文主要针对缓冲罐在全量程内的真空度精密控制，提出相应的解决方案，以满足不同低压过程对缓冲罐真空压力精密控制的不同要求。[size=18px][color=#ff0000]二、解决方案[/color][/size]在低压缓冲罐真空度精密控制过程中，基本控制方法是调节缓冲罐的进气和出气流量，并通过进出气流量的动态平衡来实现缓冲罐内部气压的准确控制，即所谓的动态平衡法。但在不同真空工艺和设备中，对低压缓冲罐的真空度范围会有不同的要求，相应的动态控制模式也不尽相同。而且，不同体积大小的低压缓冲罐，为实现缓冲罐内真空度的快速准确控制，则需要不同的调节装置。以下将针对这些不同要求，提出相应的具体解决方案和相关装置细节。[color=#ff0000]2.1 低真空（高压）和高真空（低压）控制方式[/color]一般我们将低于一个大气压下（760Torr）的绝对压力称之为真空（或低压），而整个真空范围又分为低真空（10-760Torr）、高真空（0.01~10Torr）和超高真空（0.01Torr）三部分。本文将只涉及低真空和高真空这两个范围内的真空度精密控制，对于超高真空，目前还没有很好的技术手段进行精密控制，基本还都是仅靠真空泵的抽气能力来实现数量级级别的控制。低真空和高真空缓冲罐真空度的动态平衡法控制中，为达到快速和准确的控制效果，必须分别采用上游和下游两种控制模式，通过上下游这两种模式及其两种模式之间的切换，可以实现真空度全量程内的精确控制。低压缓冲罐动态平衡法真空度控制系统的整体结构如图1所示。整个缓冲罐真空度控制系统主要由进气阀、抽气阀、真空泵、真空传感器和PID控制器组成，它们各自的功能如下：[align=center][color=#ff0000][img=低压缓冲罐真空度控制,500,400]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/06/202206130911289636_8164_3384_3.png!w690x553.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#ff0000]图1 低压缓冲罐真空度控制系统结构示意图[/color][/align]（1）进气阀的作用是调节进气流量。在缓冲罐真空度控制过程中，进气流量一般在较小的范围内进行调节，因此进气阀一般为电动针阀。（2）抽气阀的作用是调节出气流量。在缓冲罐真空度控制过程中，进气流量一般在较大的范围内进行调节，因此进气阀的口径大小一般需根据需要进行配置，后面还会进行详细介绍。（3）真空泵的作用是提供真空源。在缓冲罐真空度控制过程中，真空泵要根据真空度要求和缓冲罐体积大小来进行选配。（4）真空传感器的作用是实时测量缓冲罐的真空度并将测量信号反馈给PID控制。在缓冲罐真空度控制过程中，要根据缓冲罐真空度量程和精度要求选配传感器，一般是低真空和高真空范围内各配一个真空计。为保证测量精度，一般会选择电容式真空计。也可以根据需要只选择一个精度较差的皮拉尼计来实现整个高低真空范围内的测量。（5）PID控制器的作用是通过接受到的真空度信号来分别调节进气阀和出气阀，使得缓冲罐内的真空度达到设定值或按照设定程序进行变化。在全量程范围内的真空度控制时，如果需要采用两只不同量程真空计进行全量程覆盖，就需要具有传感器自动切换功能的双通道PID控制器，以便在不同量程范围内的控制过程中进行自动切换。如果采用电容式真空计来实现高精度的真空度控制，相应的PID控制器则需要具有24位A/D和16位D/A的高精度。在缓冲罐的不同真空度范围内，需要采用以下不同的控制模式才能达到满意的控制精度。（1）上游控制模式：上游控制模式也叫进气调节模式，主要适用于高真空范围内的精密控制。在上游控制模式中，抽气阀门基本是全开方式全速抽气，通过调节进气流量来实现缓冲罐内高真空的精密控制。（2）下游控制模式：下游控制模式也叫出气调节模式，主要适用于低真空范围内的精密控制。在下游控制模式中，进气阀门基本是某一固定开度，即固定进气流量，通过调节抽气流量来实现缓冲罐内低真空的精密控制。另外需要特别注意的是，不论采取上述哪一种控制模式，控制精度还受到真空度传感器和PID控制精度的限制。因此，除了选择合理的上下游控制模式之外，还需要根据不同精度要求选择合理的传感器和控制器。[color=#ff0000]2.2 不同缓冲罐体积的真空度控制[/color]缓冲罐真空度精密控制中，除了涉及上述的控制模式选择之外，还涉及控制速度问题，即根据缓冲罐的容积大小和真空度控制范围来确定合理的真空度准确控制速度。这方面主要涉及以下两方面的内容和基本原则：（1）对于小容积的缓冲罐，可以选择具有小流量调节能力的进气阀、排气阀和真空泵。（2）对于较大容积的缓冲罐，可能就需要配备较大流量调节能力的进气阀、排气阀和真空泵。其中进气阀和排气阀需要配备电动球阀等大口径阀门，具体情况还需根据所控真空度范围来进行进一步的合理选择。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]