液體處理自動(dòng)化性能監(jiān)控與各種液位計(jì)性能分析

液體處理是較常見(jiàn)的LUO，因此，液體處理性能的實(shí)時(shí)監(jiān)控是自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中較常見(jiàn)的性能反饋形式
電容液位傳感
電容式傳感是在自動(dòng)化液體處理工作站上出現(xiàn)的性能監(jiān)控的原始形式，仍然是常用的。電容式傳感器使用“電容”的電氣特性進(jìn)行測(cè)量。電容是在某種合理接近度內(nèi)存在于任何兩個(gè)導(dǎo)電表面之間的特性。電容器由兩個(gè)導(dǎo)體（板）組成，這兩個(gè)導(dǎo)體通過(guò)非導(dǎo)體（電介質(zhì)）彼此電隔離。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體處于不同的電位（電壓）時(shí)，系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)電荷。電容器的存儲(chǔ)能力以法拉為單位。在電容式傳感器中，傳感器表面由這兩個(gè)電容器導(dǎo)電板組成。感測(cè)動(dòng)作基于傳感器表面和被檢測(cè)材料之間的介電常數(shù)的差異。它們可用于檢測(cè)各種材料的存在，但需要相對(duì)較近的范圍。傳感器不含活動(dòng)部件，堅(jiān)固耐用，使用簡(jiǎn)單，易于清潔。

電容信號(hào)的變化可用于指示材料的存在或環(huán)境的變化，例如液體與移液管尖端或套管相遇。雙探針電容水平傳感器還可用于感測(cè)具有顯著不同介電常數(shù)的兩種不混溶液體之間的界面。輸出狀態(tài)的校準(zhǔn)高度依賴于配置和材料，并且對(duì)變化非常敏感。用移液管尖端或插管進(jìn)行液位檢測(cè)是一個(gè)很好的例子。

在移液通道和實(shí)驗(yàn)室器具載體之間產(chǎn)生弱電勢(shì)。液體檢測(cè)測(cè)量基于參考環(huán)境（空氣）中的測(cè)量電容（皮法）與工藝環(huán)境（液體）的差異，其與兩種環(huán)境的介電常數(shù)的差異直接相關(guān)。大多數(shù)液體處理軟件允許用戶設(shè)定測(cè)量電容中的Δ的閾值，該閾值將等于分配尖端接觸液體表面的事件。兩種環(huán)境的介電常數(shù)之間的差異越大，測(cè)量越容易。由于溫度，濕度，濕度，材料堆積密度和粒徑的變化，材料的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化。極性化合物具有更高的介電常數(shù)。以下是在20°C，1大氣壓下的一些常見(jiàn)介電常數(shù)（除非另有說(shuō)明）。
 

由于電容式傳感器會(huì)對(duì)其附近的非接觸環(huán)境以及接觸環(huán)境作出反應(yīng)，因此被檢測(cè)液體的介電常數(shù)不僅應(yīng)與空氣（1.00059）有顯著差異，還應(yīng)與常見(jiàn)的周圍實(shí)驗(yàn)室器具如玻璃（3.7）不同聚乙烯（2.25），聚苯乙烯（2.6）或特氟�。�2.1）。換句話說(shuō)，當(dāng)分配尖端接近實(shí)驗(yàn)室器具時(shí)，電容式傳感器的讀數(shù)將稍微改變，隨著尖端進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室器具的唇部而改變更多，并且當(dāng)它接近但是尚未接觸液體表面時(shí)改變甚至更多。因此，尖端接觸液體表面時(shí)的電容變化必須明顯大于所有這些非接觸變化的凈值，以便可靠地檢測(cè)液位。顯然，這消除了使用capactitive傳感來(lái)確定非極性溶劑的存在，

基于壓力的性能監(jiān)控
通過(guò)讀取流動(dòng)通道限制上的壓力損失來(lái)計(jì)算流體流速可能是工業(yè)應(yīng)用中較常用的流量測(cè)量技術(shù)。在18世紀(jì)，伯努利首先在流動(dòng)的河流中建立了靜態(tài)和動(dòng)能之間的關(guān)系。[1]當(dāng)流體通過(guò)限制時(shí)，它會(huì)加速，并且這種加速的能量來(lái)自流體的靜壓。因此，管線壓力在收縮點(diǎn)處下降。當(dāng)流量返回到不受限制的通道時(shí)，部分壓降恢復(fù)。測(cè)量流量元件產(chǎn)生的壓差（h），速度（V），體積流量（Q）和質(zhì)量流量（W）均可使用以下通用公式計(jì)算：
 

其中k是元素的放電系數(shù)（也反映測(cè)量單位），A是通道開(kāi)口的橫截面積，D是流動(dòng)的流體的密度。排出系數(shù)k受雷諾數(shù)和“β比”的影響，流量限制器的孔徑與通道的內(nèi)徑之間的比率。

自動(dòng)液體處理工作站的液體分配通道內(nèi)的MEMS級(jí)壓力傳感器[2]可以在移液期間測(cè)量通道內(nèi)的壓力。這種傳感器可以放置在多個(gè)液體通道中，但往往很昂貴，并且通常不會(huì)超過(guò)8倍多通道。

液位檢測(cè)
來(lái)自嵌入式壓力傳感器的信號(hào)隨著移液管尖端接近液體表面而變化，接觸表面并在下方驅(qū)動(dòng)。該數(shù)據(jù)可用于實(shí)時(shí)控制移液。壓力水平感測(cè)與液體環(huán)境的極性無(wú)關(guān)。

錯(cuò)誤檢測(cè)
在移液過(guò)程中可以連續(xù)記錄壓力數(shù)據(jù)。當(dāng)壓力超出在抽吸或分配循環(huán)期間規(guī)定的不同時(shí)間的壓力極限時(shí)，記錄并傳達(dá)錯(cuò)誤事件。 宏程序可以以各種方式寫出來(lái)處理這些事件�？梢跃帉懰鼈儊�(lái)忽略它們，停止方法，請(qǐng)求用戶干預(yù)或自動(dòng)嘗試處理錯(cuò)誤而無(wú)需用戶干預(yù)。例如，如果在抽吸期間出現(xiàn)堵塞或異常低的壓力，宏觀可以撤離尖端或針頭并嘗試再次吸氣。它甚至可以被編程為略微移動(dòng)尖端以避免管中的拭子，并且可能被編程為在請(qǐng)求用戶干預(yù)之前進(jìn)行多次掃掠嘗試或?qū)�樣本�?biāo)記為錯(cuò)誤并自動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)樣本。

吸氣錯(cuò)誤檢測(cè)
當(dāng)壓力低于較小設(shè)定值時(shí)，檢測(cè)到尖端堵塞。較小設(shè)定值隨抽吸/分配時(shí)間而變化，并且由測(cè)試運(yùn)行的結(jié)果預(yù)先確定�？梢詳U(kuò)大或收緊限制以較小化錯(cuò)誤錯(cuò)誤。
當(dāng)抽吸期間壓力升高到較大限度以上時(shí)，檢測(cè)到樣品不足或抽吸不正確。
分配錯(cuò)誤檢測(cè)
當(dāng)分配期間壓力升高到較大壓力極限以上時(shí)，檢測(cè)到堵塞的尖端。
當(dāng)分配期間壓力下降到低于較小壓力極限時(shí)，檢測(cè)到泄漏密封。
基于重量分析的性能監(jiān)控
用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液體處理的長(zhǎng)期且準(zhǔn)確的方法是通過(guò)使用天平或稱重傳感器的重量測(cè)量。為了將重量測(cè)量精確地轉(zhuǎn)換成體積，必須知道溫度和壓力以及液體的比重。這種方法并不總是實(shí)用的，因?yàn)橐后w傳遞必須在稱重傳感器上進(jìn)行，以記錄質(zhì)量的變化，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制�；蛘�，空容器可以在稱重傳感器上配衡，然后移動(dòng)到分配位置，并在分配之后返回到稱重傳感器以評(píng)估分配的液體的質(zhì)量。這種方法既耗時(shí)又不能提供實(shí)時(shí)控制，但在分配公差不嚴(yán)格時(shí)可能是合適的。重量分析方法也不太適合監(jiān)測(cè)多通道分配，因?yàn)楸仨殕为?dú)分配每個(gè)通道以記錄對(duì)應(yīng)于每個(gè)通道的質(zhì)量變化。

重量分析方法也可以用于監(jiān)視大容量的試劑，溶劑和載體流體的狀態(tài)，通過(guò)將散裝容器上的測(cè)力傳感器（如這個(gè) “權(quán)衡墊”）。可以定義較小質(zhì)量設(shè)定點(diǎn)，以在操作過(guò)程中或系統(tǒng)初始化時(shí)觸發(fā)重新填充提醒或警報(bào)。

基于超聲波液位計(jì)的性能監(jiān)測(cè)
基于超聲波液位計(jì)的監(jiān)測(cè)已經(jīng)在工業(yè)散裝環(huán)境中使用了一段時(shí)間，但較近才出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室工作站環(huán)境（即Caliper Life Sciences“PING！”）中，作為壓電晶體技術(shù)的進(jìn)步，主要由噴墨打印行業(yè)推動(dòng)，已實(shí)現(xiàn)小型化。這種方法使用一系列短暫的高壓脈沖傳遞給壓電晶體，使晶體振蕩（在“PING！”情況下為800kHz [3]并產(chǎn)生穿過(guò)周圍空氣的超聲波液位計(jì)振動(dòng)。當(dāng)這些振動(dòng)從晶體向外傳播并從較近的表面反射回來(lái)時(shí)，晶體的電壓被關(guān)閉。反射的振動(dòng)影響晶體，使其振蕩并產(chǎn)生監(jiān)測(cè)的電壓。使用信號(hào)傳輸和返回時(shí)間以及周圍介質(zhì)（空氣）中的信號(hào)的已知速度*來(lái)計(jì)算到遇到的表面的距離。在實(shí)驗(yàn)室工作站環(huán)境中，容器中的液位可以通過(guò)測(cè)量與壓電傳感器的絕對(duì)距離，或通過(guò)測(cè)量液體彎月面相對(duì)于容器頂部或空容器底部的位置來(lái)確定。

超聲波液位計(jì)監(jiān)測(cè)具有非接觸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，因此能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行大量測(cè)量并且避免任何關(guān)于尖端清洗和干燥的擔(dān)憂，這在多容器環(huán)境中具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，例如微孔板。該技術(shù)基于來(lái)自空氣的密度變化點(diǎn)處的聲反射，因此不受液體介質(zhì)的極性，離子強(qiáng)度或密度以及周圍容器的介質(zhì)的影響。該測(cè)量具有0.1至0.3mm的分辨率，并且不受某種“模糊”信號(hào)狀態(tài)變化的影響，該信號(hào)狀態(tài)變化表征接近和在空氣/液體界面處的接觸感測(cè)技術(shù)。

測(cè)量（超聲波液位計(jì)信號(hào)的速度）可以受到環(huán)境溫度的輕微影響，并且在較小程度上受濕度的影響，但是這些因素可以通過(guò)測(cè)量一個(gè)表面（例如液體表面）相對(duì)于另一個(gè)表面來(lái)解決，例如微孔板的頂部。不規(guī)則的液體表面（氣泡，泡沫）會(huì)影響超聲波液位計(jì)距離測(cè)量（接觸技術(shù)也受到這些條件的限制），但可以在液體表面（速度為2毫秒/測(cè)量）和中值快速進(jìn)行多次超聲波液位計(jì)測(cè)量計(jì)算以補(bǔ)償表面不規(guī)則。

超聲波液位計(jì)液位檢測(cè)當(dāng)前配置為1x模式，但可配置為8x線性陣列。較小的孔配置（384和1536孔微孔板）可以用比通常用于96孔板的更小和更集中的超聲波液位計(jì)裝置來(lái)解決。這種裝置通常具有較短的范圍。

超聲波液位計(jì)感應(yīng)的富有想象力的使用可能不僅僅是液位感應(yīng)，因?yàn)樗�可以像雷達(dá)或聲納一樣用于“繪制”表面輪廓 - 在這種情況下是工作站的工作平臺(tái)。在開(kāi)始運(yùn)行之前，可以使用這種能力來(lái)確認(rèn)工作站平臺(tái)的正確設(shè)置。它還可用于消除甲板固定裝置位置的手動(dòng)機(jī)械教學(xué)和/或隨時(shí)間的微調(diào)位置。