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微流控中微流体的稳定性和分辨率

微流控实验中,微流体的稳定性是需要关注的一个参数,因为微流体的稳定性与驱动的性能有关,同时也与微流体的流阻有关。对于微流体稳定性任何讨论,对三个参数需要加以区别,这三个参数是流动稳定性、动态分辨率和测量分辨率

微流体的流动稳定性

微流体的流动稳定性是描述流体控制器件限制波动变化或可控物理参数变化的一种方式。稳定性的值越小,流体流动的稳定性越高。

为了能够相对完整的描述流体的稳定性,可以考虑使用如下3个参数:稳定区间(stability band)、标准差(standard-deviation)和变化系数(coefficient of variation, CV),具体表达式如下图所示。

微流控中微流体的稳定性和分辨率

稳定区间(stability band):对于所设定的流速值,稳定区间指实际测量到的液体最大流速值和最小流速值之间的区域。对于压力驱动的流量控制系统,稳定区间是以满量程压力范围的百分比给出。

标准差(standard-deviation):相较于数据集的平均值,标准差是用来量化参数变化的一个统计工具。标准差可用于定义置信区间(可靠区间)。

变化系数(coefficient of variation, CV)变化系数是表达标准差的一个相对方法。该值通过标准差除以测量参数的平均值给出,通常表达为一个无量纲的百分比。

动态分辨率

微流体控制系统在控制模式下的最低物理参数的变化。例如,如果您使用基于压力致动的控制系统,动态分辨率是设备能够区分的压强变化的最小量。动态分辨率与微流控仪器的调节算法、仪器的内部致动器和传感器有关。动态分辨率越低,可控制的流速越小。

测量分辨率

测量分辨率是传感器检测到的物理参数的最小变化。如果您使用基于压力致动的流体控制器,那么测量分辨率是控制器内部传感器检测到的最小压强变化。基于反馈环路的流体控制系统不能提供比传感器的测量分辨率更好的动态性能(稳定性,动态分辨率)。

测量分辨率

在本例中,流量控制器1(flow controller 1)具有更好的测量分辨率和稳定区间,如上图所示。两个流体控制器(flow controller 1和flow controller 2)的动态分辨率是相同的,但是,由于提高了稳定性,流体控制器1(t=50之前和之后)的稳定区间没有出现重叠。压力范围(从200.5到201.5,flow controller 1)也没有重叠。提高动态分辨率可以解决压力范围重叠的问题。

流量控制器2(flow controller 2)的稳定性和测量分辨率都比较差,其稳定区间相互重叠。该控制器的压力范围出现了重叠,但是其也为实验提供了较低水平的性能,这对重现相同的数据带来了较大的困难。