1 引 言
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蠕動泵是 20世紀 50年代產生和發展起來的一種新型泵類。與傳統泵類相比,
蠕動泵具有如下優越性
[ 1 -2] : (1)無污染, 流體只接觸泵管 , 不接觸泵體, 不會產生相互污染 ; (2)精度高 , 流量精度可小于 ±1
而且不會受介質粘度變化的影響 ;(3)低剪切力, 是輸送剪切敏感、 侵蝕性強流體的理想工具 ; (4)密封性好 , 具有良好的自吸能力 , 可空轉, 可防止回流 ; (5)維護簡單 , 無閥門和密封件。近年來 ,
蠕動泵技術迅速發展 , 已大量應用于實驗室和工業生產, 如化工、 制藥和生物、 制陶、 水處理以及食品飲料行業等。在*內 , 只有少數幾家公司從事蠕動泵的研發和生產 , 還處于比較落后的狀態。在*外, 蠕動泵的生產已經具有很大規模了 , 如英* WATSON-MARLOW
公司專門生產 7 個系列的數 10 種蠕動泵。瑞士ISMATEC公司也生產 7個系列的蠕動泵, 流量范圍從 0.001 ～ 13 000 mL/min, 通道數從單通道到
24通道 , 而且可通過串口與 PC、 MCU等連接, 實現智能控制。美*的 COLE-PARMER公司也有專門生產蠕動泵的工廠。
本文采用 ISMATEC公司 REGLODigital系列中的 ISM834型蠕動泵 , 外形如圖 1所示。該泵具有
RS232 IN和 RS232 OUT接口, 通過 RS232IN接口
圖 1 蠕動泵外形
可 與 PC等控制器的串口直接相連 , 通過RS232OUT接口可級聯 8個蠕動泵, 從而實現多機
遠程控制。其主要技術指標如下
[ 3] :蠕動泵外形尺寸為 190 mm×100 mm×135 mm;重量為 2.1 kg;通道數為 4;轉速為 1.0 ～ 100 r/min, 調節精
度為 0.1 r/min;流量為 0.002 ～ 35 mL/min;壓差**大為 10 kPa;功率**大為 20 W。
2 蠕動泵控制指令
REGLODigital系列蠕動泵采用統一的控制指令 , 可以劃分為單字符指令和多字符指令。單字符指令結構為泵編號、 特征字符 (單字符 )和回車符(ASCI為 13)組成的字符串 。比如 1號泵的啟動指令為“1H r”, 停止指令為 “1I r”。多字符指令結構為泵編號、 特征字符(1個或 2個字符 )、 數值以及回車符 (ASCII為 13), 比如設置 1號泵的轉速為 50 r/min, 指令即為“1S00500 r”;設置泵管內徑 2.54 mm, 則指令為 “1 +0254 r”等
[ 3] 。
按指令功能可分為控制類指令和狀態類指令。控制類指令主要完成泵的基本控制以及參數設置 , 如泵編號設置指令、 泵啟動 /停止指令、 泵的運行模式指令及轉速、 時間設置指令等。狀態類指令主要是查詢泵的運行狀態及設置的參數 , 如查詢泵的型號、 總流量及查詢轉速、 時間參數等指令。
3 軟件結構及運行流程
對蠕動泵的控制可以分為本地面板操作和計算機控制。本地面板操作是指通過蠕動泵面板上的按鍵設置蠕動泵的各個參數以及運行狀態, 從而達到對蠕動泵的本地控制的目的。計算機控制是指通過計算機串口與蠕動泵相連 , 采用專門的控制軟件對其進行控制。
蠕動泵控制軟件是在 Visualstudio2008 環境下 , 采用微軟提供的 MFC基礎類庫開發實現的。蠕動泵控制軟件具有手動操作和自動控制兩種操作模式。手動操作模式是指在軟件界面上手動設置泵運行模式(比如單純的流速模式、 定時模式、 定量模式、 時間間歇模式、 體積間歇模式以及體積 +預設時間模式等 )、 方向、 流速、 時間、 循環次數等參數, 在這種操作模式下可實現泵的所有控制方式及狀態查詢。自動控制模式是指根據實際需要 , 將泵的運行方式存儲在配置的文件中 , 加載此文件后 , 程序自動發送相應的一系列控制命令 , 以達到過程控制的目的 , 配置文件格式采用 INI格式。
功能模塊主要由配置文件加載與保存模塊、 泵控制命令生成及泵狀態查詢模塊等組成, 見圖 2。 3.1 配置文件加載與保存模塊
配置文件存儲著泵的運行方式, 即流量與時間
配置文件加載后或創建配置文件時 , 其內容信息可以在配置文件生成界面中以曲線顯示, 有利于更加直觀地查看流量與時間的關系。
3.2 控制命令生成及泵狀態查詢模塊泵的控制及查詢命令可分為單字符命令和多字
符命令。單字符命令如泵的啟動、 停止等命令;多字符命令如流速設置、 定時設置等。這兩種命令的發送采用表驅動的方式執行, 由一個 int類型的參數 nIndex CMD指定所發送命令的序號 , 從而使接口簡單易操作。
控制命令生成及泵狀態查詢模塊封裝在CISMPump類里面, 該類為軟件界面提供了參數設置查詢接口、 命令發送接口以及狀態信息反饋接口, 底層串口通信采用 MOXA公司提供的 PComm
Pro串口應用軟件開發工具包 。參數設置及查詢接口用于設置或獲取流速、 轉速、 時間等參數信息 ,
如 :泵編號設置接口 boolSetSN(intNewSN);流速設置接口 boolSetFlowRate(floatFlow);流速獲取接口 floatGetFlowRate(void)。
泵的所有控制及查詢命令都由泵控制基礎類接
口發送出去, 命令發送接口有 3個:(1)泵編號命令發送接口 voidSendPumpSNCmd(void);(2)單字符命令發送接口 boolSendSingleChCmd(intnIndex CMD);(3)多字符命令發送接口 boolSendMultChC-md(intnIndex CMD)。泵狀態信息反饋接口只有一個函數, 主要用于提供命令響應信息:命令響應信息接口 CstringGetResp(void)。
3.3 軟件運行流程控制軟件主界面主要用于設置泵管內徑、 轉動
方向等參數信息、 加載配置文件以及顯示泵的運行狀態等 , 如圖 3所示。
圖 3 軟件主界面
進入主界面后, 若選擇手動操作模式 , 則需要手動選擇泵的運行模式, 在不同運行模式下, 設置必要的參數 , **后啟動蠕動泵。若選擇自動控制模式 , 則需要先設置泵的內徑以及轉動方向 , 然后加載配置文件, 此時可選擇加載已經存在的配置文件 , 也可選擇創建配置文件并加載到軟件中, 加載完成后 , 軟件會根據配置文件信息自動控制蠕動泵。
在泵的運行過程中, 軟件會自動查詢泵的基本狀態, 如是否失去連接, 是否處于運行狀態等 , 同時也可以手動查詢一些參數的設置, 如流速、 泵管內徑等。
4 軟件應用
實驗平臺是細胞力學 FlowChamber實驗系統 ,
其結構如圖 4所示。
圖 4 細胞力學 FlowChamber實驗系統結構示意圖
FlowChamber系統是通過體外裝置模擬血液流場的系統 , 可以為研究血液流動對血管內皮作用的微觀機理提供科學依據 , 以及為研究剪切力對血管內皮細胞的影響和血細胞與血管內皮細胞之間生物力學特性的影響提供理論基礎
[ 4] 。該系統的細胞試驗段見圖 4, 可采用簡化公式
[ 5] 計算其剪切力 :
其中 , τω是剪切力 ;Q是流體流量 ;μ是流體黏度;H是腔室高度;W是腔室寬度。由式 (1)可以看出 , 當 μ、 H以及 W一定時, 剪切力 τω對流體流量 Q成比例變化。在此實驗平臺中 , 采用由計算機控制的蠕動泵為驅動源 , 通過設計的蠕動泵控制軟件可以方便地實現流體流量的設置 , 從而實現了對 FlowChamber中細胞剪切力狀態的準確控制。
