了解泵流量的重要性

泵是最常用的工具之一，使液体能够移动、输送、通过分离柱、作为剂量供应或从一个容器转移到另一个容器。根据您的应用程序或问题，有几种不同的泵送技术可供选择。正如你所预料的那样，一个通过管道泵出原油的泵与一个将药物源源不断地输送到病人静脉的泵有着截然不同的要求。因此，根据上下文的不同，“流”一词可以有非常不同的解释。

这篇文章的目的是阐明由泵提供的液体的流动，主要用于实验室的分析目的，如色谱和实验室水平的流动化学应用。

上下文

大多数现代分析实验室今天配备了液相色谱(HPLC, UHPLC, GPC, SEC，离子色谱)系统。这种技术的灵活性使它适用于几乎无穷无尽的分析问题。独立于特定的设置或应用，所有的液相色谱系统都有一个共同的必要性:以相同的流速(定义为洗脱液体积/分钟)推动载体溶剂(洗脱液)通过分离柱一段不确定的时间，高精度，低波动，并在大多数情况下克服包括柱在内的所有连接组件所给出的阻力，这成为我们通常定义的系统的背压。该压力可以轻易超过1200bar(约17000psi)，因此对于我们想要的“恒定”流量来说是一个巨大的挑战。
今天，往复柱塞泵(见图1)已经成为液相色谱系统中输送液体的黄金标准。这种类型的泵被证明是可靠和准确的，虽然是敏感的问题与溶解气体和气泡特别。往复柱塞泵也广泛应用于高压系统中需要化学品的剂量时，例如生产纳米颗粒。

图1:往复柱塞泵示意图。
第二种泵，通常用于实验室的流动化学，是蠕动泵(见图2)。这类泵的原理非常简单，一个轮子有两个或更多的流道旋转，有一个柔性管固定在轮子的周长。因此，在旋转过程中，流道挤压油管，形成一个移动的闭孔，进而迫使液体向旋转的方向移动。
蠕动泵被广泛认为是非常容易使用和维护，而且相对便宜。虽然它们不能实现高压，但它们可以实现比往复活塞泵更高的流速。

流量、流量率和神秘性

无论使用的泵基于何种技术，你都可以相信所输送的流量是恒定的，而这正是问题开始的地方。当流量恒定时，这简化了一系列进一步的考虑，如在任何给定时间内输送的数量、压力波动和可重复洗脱时间的预期。因此，一个泵提供恒定的流量大大简化了我们的实验室生活。现在，“恒流”的麻烦在于它与时间框架的内在关系。如果我们要测量一个泵在一小时内输出的体积，我们重复这个实验，发现每小时后的体积完全相同，那么我们确实可以定义流量是恒定的。此外，在一个给定的实验中，1小时与实验本身的总长度相比是一个很小的时间段，这个恒定流量的定义可能是非常准确和正确的。然而，这项调查将不会告诉我们任何关于该小时的任何一分钟内的流的性质。更准确地说，我们应该检查流速是否恒定，因此我们应该检查在规定时间内输送的液体量。
让我们考虑一个15分钟的高效液相色谱应用程序以1毫升/分钟运行，这里1分钟是定义的时间段。在本实验中，只有在1分钟内波动为零或极小时，流量才被认为是恒定的。为了证明这一点，实时流量测量是必要的，足够快，可以在1分钟内提供相关数量的测量点，以便对获得的数据进行统计评估。数据采集的频率会对得到的流量、平均流量和极值产生影响。因此，必须仔细选择应用程序的时间段和设置流量。

图3:不同频率下对HPLC流动数据的影响。
然而，如果我们考虑蠕动泵的流量，情况就不同了。在大多数情况下，绝对流量是次要的。在同一系统中同时使用的不同蠕动泵的流量关系是非常重要的。蠕动泵输送的流量波动受工艺机理的性质影响很大。因此，必须选择一个具有代表性的平均值，并将其与系统中其他泵的平均值进行比较。
同样，在上述HPLC应用实例中，蠕动泵的计算平均流量也会受到流量测量数据收集频率的影响。这使得流量值的“实时监测”变得更加重要，因为它可能直接影响优化蠕动泵服务过程所需的泵流量调整。

气泡是常见的敌人

为了让事情更真实一点，我们还应该评估空气或气泡在泵送液体时的影响。液体能吸收的气体量取决于压力和温度梯度、液体和气体的性质和类型等因素。不幸的是，当可用气体多于液体所能吸收的气体时，就会在液体中产生气泡。然而，我们必须区分溶解气体和气泡对上述泵技术的影响，因为它们的影响是非常不同的。
溶解气体对往复柱塞泵有影响，因为它影响(增加)淋洗液的压缩性，导致流量的更高波动(脉动)。这导致洗脱时间再现性恶化，并增加了连接探测器的基线不稳定性。
针对上述问题的一种行之有效的补救措施是在泵的进口管线上安装液体流脱气器。脱气器将有效地减少洗脱液中溶解气体的数量，从而防止溶解气体产生的大多数问题。
然而，空气或气泡对往复活塞泵来说是一个更大的问题，因为它们可能导致系统突然停止运行。例如，如果气泡足够大，它可能导致泵完全停止输送溶剂。
与往复活塞泵相比，蠕动泵对溶解气体不太敏感，因此通常不需要提取溶解气体，尽管我建议这样做。虽然气泡很少会导致蠕动泵的液体输送停止，但它们是流量大幅波动和明显峰值的一个众所周知的来源。因此，蠕动泵可以被认为对气泡更加敏感，因为它会产生错误的结果，而没有任何迹象表明泵系统有问题。
对空气或气泡的唯一补救措施，无论使用什么泵，都是不断实时监测连接泵和溶剂储罐的油管的状态，并对这种监视器检测到的报警条件进行战略性处理。

结论

虽然流量和流速这两个术语通常被理解为定义一段时间内的流量，但它们确实需要对正在进行的泵技术和应用进行更具体的解释。此外，在实际应用中很难定义流量精度和精度，因为这些参数的确定很容易受到测量本身参数的影响。
然而，对于那些流量和流速是实现既定目标的关键参数的应用，使用合适的无创流量计进行实时流量监测是一种强大的工具和安全港。与这些流量计、真空脱气器和强大的气泡探测器相结合，是创建可靠的流体路径的前进道路，减少操作停机时间，提高任何液相色谱或流动化学系统的可靠性和生产力。

作者详细信息

本文作者:Carlo Dessy是Testa分析解决方案eK的董事总经理，该公司是一家受人尊敬的国际OEM开发商和供应商，为液体流动应用提供仪器、创新检测器和软件。