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

實驗器材

氮氣罐1個，FLOW-EZ壓力泵1個，儲液池1個，流量傳感器1個，較長的毛細管（可代表微流控系統(tǒng)中的毛細管和微流控芯片通道），廢液池1個，已安裝實時監(jiān)測軟件AIO（All-in-One Software）的 PC 1臺，儀器配套電纜等。

實驗過程說明

本文所使用的流體測試系統(tǒng)示意圖如下：

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

一、流體“恒流控制”實驗流程

1.于壓力泵設定流體流速為660μl/min。

2.壓力泵往儲液池泵入氮氣，將儲液池里的液體（水）驅動經(jīng)過流量傳感器，流至毛細管中，終，壓力泵將毛細管中的液體排盡，于廢液池中收集，時間約為63分鐘。

3.實驗過程中，流量傳感器將實時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軟件以實時顯示。

4.保存實驗數(shù)據(jù)，實驗結束。

二、流體“恒壓控制”實驗流程

1.設定壓力泵輸出壓力為115mbar。

2.壓力泵往儲液池泵入氮氣，將儲液池里的液體（水）驅動經(jīng)過流量傳感器，流至毛細管中，終，壓力泵將毛細管中的液體排盡，于廢液池中收集，時間約為50分鐘。

3. 實驗過程中，流量傳感器將實時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軟件以實時顯示。

4.保存實驗數(shù)據(jù)，實驗結束。

數(shù)據(jù)分析

整理上文所做實驗的實驗數(shù)據(jù)，分別得到恒流

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，設定流速為660μl/min，實驗中流速始終在660μl/min上下浮動，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，設定壓力泵輸出壓力為115mbar，實驗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。

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

結論

由此可以得出，“恒壓模式”并不*等同于“恒流模式”，特別是在進行微流體實驗時，由于存在外界擾動或者內(nèi)部流阻變化的現(xiàn)象，“恒壓模式”并不能保證恒流，這對于一些對流速有要求的實驗，將造成較大影響，如在液滴制備中，流速決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”是較好的選擇，此模式下，壓力泵可根據(jù)實驗過程中流阻的變化調(diào)節(jié)壓力，以保證流速的穩(wěn)定。當然，“恒流模式”也不能替代“恒壓模式”，在有的應用中，必須采用“恒壓模式”，如在超臨界二氧化碳萃取中，對壓力要求較高，需要將壓力保持在一個值之上。因此，在實驗過程中，特別是微流體實驗過程中，需要根據(jù)實驗要求選擇“恒壓模式”或“恒流模式”。