CN102901539B - 一种微小液体流量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微小液体流量检测方法，将微管道安装在待检测的微小流量液体流过的管路中，在该微管道的两端分别安装电极，使流体依次流过微管道一端的电极、微管道和微管道另一端的电极；然后计算两个电极采集的电位差，即流动电位势；再计算出微管道内的流量，并由上位机显示。本发明采用基于固液界面双电层与流动电位势等微流体技术，解决微流控芯片(***)流量瞬态显示、在线计量、计量准等难题，形成高准确度的微小液体流量检测方法；该一种微小液体流量检测方法相比其他流量测量仪器具有无阻流件、无机械可动部件等优点，测量流量量程广、准确度高，可实现流量的瞬时显示与在线计量。
Description
技术领域
本发明涉及一种流量测量方法，尤其涉及一种微小液体流量检测方法。
背景技术
微小液体流量的计量是微流控芯片(***)中非常重要的技术参数，其特征是流量在每分钟数微升到数百微升这个量级，流动管径在数毫米以下。但是由于微***特征的存在（比如尺度效应、表面效应、胶体界面化学作用等），传统的流量计量方法（比如标准表法、容积法、称重法）在微流控***的流量计量中显得不适用、不方便、或不够准确，比如，由于微流控***流量太小，（1）一般流量计量程无法达到，更不用说当做标准表来计量；（2）采用容积法或称重法时要达到标准器的有效分辨率以保障计量准确性时，需非常长的测量时间，且由于液体的蒸发，容易引起计量的不准确；（3）在测量过程中无法实时显示瞬时流量，不可进行在线计量。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供了一种能瞬态显示流量，且可实现在线计量，计量高准确的微小液体流量检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种微小液体流量检测方法，包括如下步骤：
1）将内径为微米级的微管道安装在待检测的微小流量液体流过的管路中，在该微管道的两端分别安装电极，使流体依次流过微管道一端的电极、微管道和微管道另一端的电极，两个电极分别通过导线与A/D转换模块连接，然后将A/D转换模块的信号输出端连接PLC；
2）由PLC计算出微管道内微小液体的流动电位势 
，该流动电位势
为两个电极采集的电位差；
3）并将流动电位势代入由PLC执行计算的下列公式中，计算出微管道内的流量：
其中，
为微通道的半径；
为液体的介电系数，为常数；
是液体与半导体材料接触时的表面电位，为物性常数；
为液体的电导率，是物性常数；
为微通道的长度；
为液体的粘度系数；
为液体介质双电层厚度的导数，是物性常数；
、
分别代表第零阶和第二阶的第一类修正贝塞尔函数；
是微管道内的流量
与微管道内的流动电位势
的比值系数；
4）将PLC与上位机连接，将PLC运行计算出的微管道内的流量
反馈给上位机。
作为本发明的一种优选方案，在步骤1）中，微管道的两端分别安装有电位采集区，两个电极分别设置在对应侧的电位采集区内，使流体依次流过微管道一端的电位采集区、微管道和微管道另一端的电位采集区。
本发明的有益效果是：本发明采用基于固液界面双电层与流动电位势等微流体技术，解决微流控芯片(***)流量瞬态显示、在线计量、计量准等难题，形成高准确度的微小液体流量检测方法；该微小液体流量检测方法相比其他流量测量仪器具有无阻流件、无机械可动部件等优点，测量流量量程广、准确度高，可实现流量的瞬时显示与在线计量。
附图说明
图1为一种微小液体流量检测装置的结构示意图。
附图中：1—储水池； 2—高压水泵； 3—管路***； 4—电位采集区； 5—A/D转换模块； 6—微管道； 7—电子秤； 8—被检设备； 9—电极； 10—下位机； 11—上位机； 12—检验阀门； 13—校验阀门。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
一种微小液体流量（是指测量液体流量范围在500nL/Min～500μL/Min）检测方法，该方法包括如下步骤：
1）将内径为微米级的微管道安装在待检测的微小流量液体流过的管路中，在该微管道的两端分别安装电极，使流体依次流过微管道一端的电极、微管道和微管道另一端的电极，两个电极分别通过导线与A/D转换模块连接，然后将A/D转换模块的信号输出端连接PLC。在本实施例中，微管道的两端分别安装有电位采集区，两个电极分别设置在对应侧的电位采集区内，使流体依次流过微管道一端的电位采集区、微管道和微管道另一端的电位采集区，在液体流过电位采集区时，液体便会与电极接触。
为了更好的对本发明的方法进行说明，本实施例建立了如图1所示的装置，该装置包括储水池1、高压水泵2、管路***3、两个电位采集区4、A/D转换模块5、微管道6、电子秤7和被检设备8。管路***3和电位采集区4的尺寸在毫米级（一般几毫米），本实施例中该管路***3采用内径为1～2mm的玻璃毛细管；微管道6的内径尺寸在微米级（一般在几十微米到几百微米之间），长度在厘米级，本实施例中微管道6的内径100μm，长度5cm厘米，材质为玻璃；高压水泵2的压力在0～20Mpa；电位采集区4的材质为玻璃，形状为球形。在电位采集区4内设置有电极9，电极9使用铂电极，电极9上的电位通过导线引出到16位高精度A/D转换模块；电子秤作为装置校验标准，量程220g, 分辨率为0.1mg；使用西门子S-7300 PLC作为下位机10，个人计算机作为上位机11，以PLC数字量输出控制各个阀门（检验阀门12和校验阀门13），计时器测量累积时间，RS485通讯接受A/D转换模块的电压信号、读取电子秤读数和控制高压水泵的流量，PLC内部计算瞬时流量和累积流量并返回相关参数给计算机。
2）由PLC计算出微管道内微小液体的流动电位势
，该流动电位势
为两个电极采集的电位差。
3）并将流动电位势代入由PLC执行计算的下列公式中，计算出微管道内的流量
：
其中，
为微通道的半径；
为液体的介电系数，为常数；
是液体与半导体材料接触时的表面电位，为物性常数；为液体的电导率，是物性常数，可通过电导率仪测出；
为微通道的长度；
为液体的粘度系数；
为液体介质双电层厚度的导数，是物性常数；
、
分别代表第零阶和第二阶的第一类修正贝塞尔函数；
是微管道内的流量
与微管道内的流动电位势
的比值系数。
4）将PLC与上位机连接，将PLC运行计算出的微管道内的流量
反馈给上位机。
本发明根据微流控***液体流动动电理论分析得到，通过微管道的流量
与微管道内的流动电位势
成正比关系，通过测量微管道两端由于液体流动所产生的流动电位势（即电位差），通过理论公式得到标准流量。在本实施例的装置使用中，关闭电子秤校验支路上的校验阀门13，打开检测支路上的检验阀门12。作为标准装置使用时，将此标准装置与被检设备8串联，比较标准流量与被检设备流量（瞬时或者累积），即可得到被检设备的计量误差。作为流量设备使用时，计算机实时显示的瞬时流量与累积流量可满足各种微流量***流量测量需要。该装置需要校验时，关闭检测支路上的检验阀门12，打开电子秤校验支路上的校验阀门13，使水通过标准装置段后进入电子秤，累积水量与标准装置显示的累积水量进行比较来进行
系数的校验。
该一种微小液体流量检测方法可根据测量需求（如流量及规格）设计多个测量通道，多套测量通道共用一套主体管路***、水泵、水源和智能控制与采集***，只是使用不同的微管道和测量电极，使用阀门进行多通道切换。检测段可设计成单工位或多工位，每次安装一个被检设备或多个被检设备串联检测。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种微小液体流量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将内径为微米级的微管道安装在待检测的微小流量液体流过的管路中，在该微管道的两端分别安装电极，使流体依次流过微管道一端的电极、微管道和微管道另一端的电极；两个电极分别通过导线与A/D转换模块连接，然后将A/D转换模块的信号输出端连接PLC；
2）由PLC计算出微管道内微小液体的流动电位势 ，该流动电位势
为两个电极采集的电位差；
3）并将流动电位势代入由PLC执行计算的下列公式中，计算出微管道内的流量
：
其中，
为微通道的半径；
为液体的介电系数，为常数；
是液体与半导体材料接触时的表面电位，为物性常数；
为液体的电导率，是物性常数；
为微通道的长度；为液体的粘度系数；
为液体介质双电层厚度的导数，是物性常数；
、
分别代表第零阶和第二阶的第一类修正贝塞尔函数；
是微管道内的流量
与微管道内的流动电位势
的比值系数；
4）将PLC与上位机连接，将PLC运行计算出的微管道内的流量反馈给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种微小液体流量检测方法，其特征在于：在步骤1）中，微管道的两端分别安装有电位采集区，两个电极分别设置在对应侧的电位采集区内，使流体依次流过微管道一端的电位采集区、微管道和微管道另一端的电位采集区。
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