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活塞式液体微小流量计量标准装置

活塞式液体微小流量计量标准装置,针对现有液体流量计量标准装置测量范围的限制不能适应微流体计量的需求,研究开发了一种用于生物医药领域的 150mL 活塞式液体微小流量计量标准装置。介绍了该标准装置的结构、检定原理和检定过程; 根据检定需求设计了一种基于 LabVIEW 平台和 PLC 的检定系统软硬件。利用 LabVIEW 平台设计上位机的检定程序,用于实现人机交互、检定流程控制、检定数据的存储和报表生成等功能。采用可编程逻辑控制器( PLC) 作为下位机控制核心,用于实现运动控制、变送器信号的采集、光栅尺计数和阀门控制等功能。进行了标准装置与高精密电子天平的比对实验和重复性分析,证明该装置一致性能达到0. 124 % 、重复性优于 0. 032 % 。
随着半导体制造业、生物工程、医学化工等行业的兴起,流量测量正在向低端延伸,小流量微小流量的测量需求渐渐凸显起来。对于微流体的研究以及微小流量计量精度的需求也引起了越来越多的科学工作者的重视,而液体微小流量计量则成为了当下流体计量领域急需的计量技术之一。
官志坚等人[1]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精确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 ~ 2 000 mL/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 ,对微小流量不能精确测量。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,可 检 定 流 量 范 围 为 1 mL/h ~10 L / h[2]。但由于该套设备体积庞大,操作相当繁琐,为计量检定工作带来了一定不便。鉴此,浙江省计量科学研究院正在研究设计一种应用于生物医药领域的液体微小流量计量标准检定系统,可检定流量范围为 0. 1 ~1000 mL/h; 该检定系统流量非常小,而流量上下限比值又非常大,为10000,针对该微小流量检定系统,本文研究设计了适用于该系统的电驱动活塞式液体微小流量计量标准装置,容积分别为 30,150 mL,以用于检定流量范围分别为 0. 1 ~10 mL / h,10 ~ 1000 mL/ h。本文将详细介绍 150 mL 标准装置。
1 活塞装置工作原理
装置如图 1 所示。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,活塞缸下游安装有温度、压力传感器,用来实时测量流体的温度和压力,可对计量活塞排出的流量进行温度压力修正,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标定流量计。
其工作过程如下: 首先,启动步进电机正转,推动活塞缸活塞前进,活塞缸左腔排出流体流经被检流量计流入称量容器——电子天平,在这个过程中,当步进电机启动到转速稳定时,启动软件校准程序,开始采集被检流量计信号,同时记录活塞的初始位移,并开始计时; 当流经被检流量计的流量达到预设值时,再次记录活塞位移,同时停止计时,记录检定时间,活塞两点位移之差乘以活塞的面积,就得到流经流量计的流体体积,除以测量时间,得到流经流量计的标准流量,流量计显示的流量与标准流量相比较,从而达到检定流量计的目的[3]。
2 数学模型
150 mL 活塞式液体微小流量计量标准装置排出的体积是根据光栅尺反馈的位移和活塞缸体的直径计算得来的,计算公式为
系统所使用的检定方法为称重法,其测量原理是依据质量守恒定律。从被检流量计出口到液体排入称重烧杯的管路出口这段管道体积作为一个固定容积,采用动态起始与结束的操作模式,并使用动态称重法来测量起始质量和结束质量,那么,电子天平处称重烧杯测得液体体积为那么,标准装置与电子天平比对的一致性计算公式为
3 系统硬件平台设计
整套微小流量活塞装置主要包括计算机、可编程控制器( PLC) 、步进电机控制系统( 包括步进电机、步进电机驱动器、减速机和光栅等) 、滚珠螺杆、导轨和滑块、导轨底座、接近开关、活塞缸、电磁阀、温度压力传感器、水箱和管道等。系统硬件平台设计框图如图 2 所示。
其中,PLC 选用了西门子公司生产的 S7—200 系列的CPU226,PLC 用于实现运动控制、阀门等动作控制、定时和传感器数据采集。
步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制元件,步进电机带动减速机,减速机带动滚珠螺杆,同时滚珠螺杆驱动活塞做轴向运动[4]。
光栅尺与活塞的活塞杆平行安装,利用光栅尺测量活塞的移动距离,同时将活塞的位置反馈给控制系统,即可控制活塞运动速度、时间和位置。
高精密电子天平有两台,除用于进行称量的工作电子天平外,另备一参考电子天平,参考电子天平在检定过程结束时的读值变化可用于补偿因浮力变动和液体蒸发所造成的质量称量偏差。
4 系统软件平台设计
150 mL 活塞式液体微小流量计量标准装置软件部分设计包括上位机测控软件设计和下位 PLC 控制和数据采集软件设计。PLC 是一种可靠性很高的工业自动化控制装置,具有配置灵活、编程简单、使用方便、易于扩展等优点,但PLC 在数据储存、图形显示、用户界面等方面功能较差[5]。NI 公司的 LabVIEW 采用了图形化编程方法具有功能强大、易用易学、开发周期短等优点[6]。PLC 与上位 PC 机的LabVIEW 有很好的兼容性,可以很简单地实现上位机和下位机的快速通信,充分利用二者本身的资源,使两者实现优势互补,组成高性价比的测控系统。软件系统设计采用模块化结构,框图如图 3 所示,包括人机界面、打印输出模块、流程自动控制模块、数据库模块、数据曲线生成模块、控制输出模块、信号采集模块、数据通讯模块等。
4. 1 上位机程序设计
上位机软件设计开发采用 LabVIEW 图形化编程语言,具有有源和无源 2 种检测模式,实现检定校准过程全自动,包括自动控制、自动采集数据等,并实现结果曲线显示、报表打印、数据存储等功能。上位机检定程序流程如图 4。
4. 2 下位机程序设计
下位机 PLC 软件设计开发采用的是步进梯形图,实现了步进电机的控制、阀门等动作控制、定时和模拟量采集。下位机程序流程如图 5。
5 实 验
研制成功的活塞式液体微小流量计量标准装置可检定流量范围为 10 ~1000 mL/h,总体积为 150 mL,可以实现对液体流量计、输液泵检测仪等无源的被检对象进行检定。
工作电子天平选用了赛多利斯公司生产的型号为 MSE系列的 225S 高精密电子天平,准确度等级为 1 级,量程为220 g,最小测量值为 0. 01 mg,重复性为 0. 03 mg; 参考电子 天平选用了赛多利斯公司生产的型号为 MSE 系列的 524S高精密电子天平,准确度等级为 1 级,量程为 520 g,最小测
量值为 0. 1 mg,重复性为 0. 1 mg; 密度用 24 支组密度计中的第 7 支进行测量,测量精度达到 0. 001 g/cm3。以高精密电子天平为标准,在室温为 27 ℃ 恒温、室内湿度为 45 %~50 % RH的条件下进行实验,将活塞排出的纯净水的理论值与电子天平测得的实际值进行比对,实验结果见表 1。
活塞式液体微小流量计量标准装置的标准体积是根据光栅尺反馈的信息计算出活塞的行程,然后根据活塞缸体的内径计算得来的。理想状况下,活塞在活塞缸体内任何位置做等行程的运动,排出的体积应该是相等的; 而实际状况下,等行程运动排出的体积是稍有差别的。若使装置能够达到较高的精度,需要保证这种差别处在可以接受的范围,即要求装置要有较高的一致性和重复性。利用标准的秒脉冲信号取代光电采样器,模拟检定过程中的状态,在不同的流量下,连续记录设定脉冲数内即相同时间内活塞缸体排出的体积。从表 1 的实验结果可以看出: 活塞式液体微小流量计量标准装置与高精密电子天平测得的结果一致性良好,且重复性优于 0. 032 %。
6 结束语
目前,该 150 mL 活塞式液体微小流量计量标准装置已投入 使 用,工 作 稳 定 可 靠,可 以 对 流 量 范 围 为 10 ~1 000 mL / h的液体流量计、输液泵检测仪等无源的被检对象进行检定。装置的扩展不确定度为 0. 5 %~1. 0 %( k =2) 。
将把电驱动活塞结构和高精密电子天平应用在微小流量标准装置上,不但可以解决微流体液体流量计的检定问题,而且又提高了其使用精度,减少了示值误差和人为误差,同时对国内微小流量计量、溯源等研究有一定的借鉴意义。
点击次数:  更新时间:2017-03-25 17:55:50  【打印此页】  【关闭