1 引 言
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蠕动泵是 20世纪 50年代产生和发展起来的一种新型泵类。与传统泵类相比,
蠕动泵具有如下优越性
[ 1 -2] : (1)无污染, 流体只接触泵管 , 不接触泵体, 不会产生相互污染 ; (2)精度高 , 流量精度可小于 ±1
而且不会受介质粘度变化的影响 ;(3)低剪切力, 是输送剪切敏感、 侵蚀性强流体的理想工具 ; (4)密封性好 , 具有良好的自吸能力 , 可空转, 可防止回流 ; (5)维护简单 , 无阀门和密封件。近年来 ,
蠕动泵技术迅速发展 , 已大量应用于实验室和工业生产, 如化工、 制药和生物、 制陶、 水处理以及食品饮料行业等。在*内 , 只有少数几家公司从事蠕动泵的研发和生产 , 还处于比较落后的状态。在*外, 蠕动泵的生产已经具有很大规模了 , 如英* WATSON-MARLOW
公司专门生产 7 个系列的数 10 种蠕动泵。瑞士ISMATEC公司也生产 7个系列的蠕动泵, 流量范围从 0.001 ～ 13 000 mL/min, 通道数从单通道到
24通道 , 而且可通过串口与 PC、 MCU等连接, 实现智能控制。美*的 COLE-PARMER公司也有专门生产蠕动泵的工厂。
本文采用 ISMATEC公司 REGLODigital系列中的 ISM834型蠕动泵 , 外形如图 1所示。该泵具有
RS232 IN和 RS232 OUT接口, 通过 RS232IN接口
图 1 蠕动泵外形
可 与 PC等控制器的串口直接相连 , 通过RS232OUT接口可级联 8个蠕动泵, 从而实现多机
远程控制。其主要技术指标如下
[ 3] :蠕动泵外形尺寸为 190 mm×100 mm×135 mm;重量为 2.1 kg;通道数为 4;转速为 1.0 ～ 100 r/min, 调节精
度为 0.1 r/min;流量为 0.002 ～ 35 mL/min;压差**大为 10 kPa;功率**大为 20 W。
2 蠕动泵控制指令
REGLODigital系列蠕动泵采用统一的控制指令 , 可以划分为单字符指令和多字符指令。单字符指令结构为泵编号、 特征字符 (单字符 )和回车符(ASCI为 13)组成的字符串 。比如 1号泵的启动指令为“1H r”, 停止指令为 “1I r”。多字符指令结构为泵编号、 特征字符(1个或 2个字符 )、 数值以及回车符 (ASCII为 13), 比如设置 1号泵的转速为 50 r/min, 指令即为“1S00500 r”;设置泵管内径 2.54 mm, 则指令为 “1 +0254 r”等
[ 3] 。
按指令功能可分为控制类指令和状态类指令。控制类指令主要完成泵的基本控制以及参数设置 , 如泵编号设置指令、 泵启动 /停止指令、 泵的运行模式指令及转速、 时间设置指令等。状态类指令主要是查询泵的运行状态及设置的参数 , 如查询泵的型号、 总流量及查询转速、 时间参数等指令。
3 软件结构及运行流程
对蠕动泵的控制可以分为本地面板操作和计算机控制。本地面板操作是指通过蠕动泵面板上的按键设置蠕动泵的各个参数以及运行状态, 从而达到对蠕动泵的本地控制的目的。计算机控制是指通过计算机串口与蠕动泵相连 , 采用专门的控制软件对其进行控制。
蠕动泵控制软件是在 Visualstudio2008 环境下 , 采用微软提供的 MFC基础类库开发实现的。蠕动泵控制软件具有手动操作和自动控制两种操作模式。手动操作模式是指在软件界面上手动设置泵运行模式(比如单纯的流速模式、 定时模式、 定量模式、 时间间歇模式、 体积间歇模式以及体积 +预设时间模式等 )、 方向、 流速、 时间、 循环次数等参数, 在这种操作模式下可实现泵的所有控制方式及状态查询。自动控制模式是指根据实际需要 , 将泵的运行方式存储在配置的文件中 , 加载此文件后 , 程序自动发送相应的一系列控制命令 , 以达到过程控制的目的 , 配置文件格式采用 INI格式。
功能模块主要由配置文件加载与保存模块、 泵控制命令生成及泵状态查询模块等组成, 见图 2。 3.1 配置文件加载与保存模块
配置文件存储着泵的运行方式, 即流量与时间
配置文件加载后或创建配置文件时 , 其内容信息可以在配置文件生成界面中以曲线显示, 有利于更加直观地查看流量与时间的关系。
3.2 控制命令生成及泵状态查询模块泵的控制及查询命令可分为单字符命令和多字
符命令。单字符命令如泵的启动、 停止等命令;多字符命令如流速设置、 定时设置等。这两种命令的发送采用表驱动的方式执行, 由一个 int类型的参数 nIndex CMD指定所发送命令的序号 , 从而使接口简单易操作。
控制命令生成及泵状态查询模块封装在CISMPump类里面, 该类为软件界面提供了参数设置查询接口、 命令发送接口以及状态信息反馈接口, 底层串口通信采用 MOXA公司提供的 PComm
Pro串口应用软件开发工具包 。参数设置及查询接口用于设置或获取流速、 转速、 时间等参数信息 ,
如 :泵编号设置接口 boolSetSN(intNewSN);流速设置接口 boolSetFlowRate(floatFlow);流速获取接口 floatGetFlowRate(void)。
泵的所有控制及查询命令都由泵控制基础类接
口发送出去, 命令发送接口有 3个:(1)泵编号命令发送接口 voidSendPumpSNCmd(void);(2)单字符命令发送接口 boolSendSingleChCmd(intnIndex CMD);(3)多字符命令发送接口 boolSendMultChC-md(intnIndex CMD)。泵状态信息反馈接口只有一个函数, 主要用于提供命令响应信息:命令响应信息接口 CstringGetResp(void)。
3.3 软件运行流程控制软件主界面主要用于设置泵管内径、 转动
方向等参数信息、 加载配置文件以及显示泵的运行状态等 , 如图 3所示。
图 3 软件主界面
进入主界面后, 若选择手动操作模式 , 则需要手动选择泵的运行模式, 在不同运行模式下, 设置必要的参数 , **后启动蠕动泵。若选择自动控制模式 , 则需要先设置泵的内径以及转动方向 , 然后加载配置文件, 此时可选择加载已经存在的配置文件 , 也可选择创建配置文件并加载到软件中, 加载完成后 , 软件会根据配置文件信息自动控制蠕动泵。
在泵的运行过程中, 软件会自动查询泵的基本状态, 如是否失去连接, 是否处于运行状态等 , 同时也可以手动查询一些参数的设置, 如流速、 泵管内径等。
4 软件应用
实验平台是细胞力学 FlowChamber实验系统 ,
其结构如图 4所示。
图 4 细胞力学 FlowChamber实验系统结构示意图
FlowChamber系统是通过体外装置模拟血液流场的系统 , 可以为研究血液流动对血管内皮作用的微观机理提供科学依据 , 以及为研究剪切力对血管内皮细胞的影响和血细胞与血管内皮细胞之间生物力学特性的影响提供理论基础
[ 4] 。该系统的细胞试验段见图 4, 可采用简化公式
[ 5] 计算其剪切力 :
其中 , τω是剪切力 ;Q是流体流量 ;μ是流体黏度;H是腔室高度;W是腔室宽度。由式 (1)可以看出 , 当 μ、 H以及 W一定时, 剪切力 τω对流体流量 Q成比例变化。在此实验平台中 , 采用由计算机控制的蠕动泵为驱动源 , 通过设计的蠕动泵控制软件可以方便地实现流体流量的设置 , 从而实现了对 FlowChamber中细胞剪切力状态的准确控制。
