液體處理自動化性能監(jiān)控與各種液位計性能分析

液體處理是較常見的LUO，因此，液體處理性能的實時監(jiān)控是自動化實驗室系統(tǒng)中較常見的性能反饋形式
電容液位傳感
電容式傳感是在自動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”的電氣特性進行測量。電容是在某種合理接近度內(nèi)存在于任何兩個導電表面之間的特性。電容器由兩個導體（板）組成，這兩個導體通過非導體（電介質(zhì)）彼此電隔離。當兩個導體處于不同的電位（電壓）時，系統(tǒng)能夠存儲電荷。電容器的存儲能力以法拉為單位。在電容式傳感器中，傳感器表面由這兩個電容器導電板組成。感測動作基于傳感器表面和被檢測材料之間的介電常數(shù)的差異。它們可用于檢測各種材料的存在，但需要相對較近的范圍。傳感器不含活動部件，堅固耐用，使用簡單，易于清潔。

電容信號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)的校準高度依賴于配置和材料，并且對變化非常敏感。用移液管尖端或插管進行液位檢測是一個很好的例子。

在移液通道和實驗室器具載體之間產(chǎn)生弱電勢。液體檢測測量基于參考環(huán)境（空氣）中的測量電容（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定測量電容中的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介電常數(shù)（除非另有說明）。
 

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

基于壓力的性能監(jiān)控
通過讀取流動通道限制上的壓力損失來計算流體流速可能是工業(yè)應用中較常用的流量測量技術(shù)。在18世紀，伯努利首先在流動的河流中建立了靜態(tài)和動能之間的關(guān)系。[1]當流體通過限制時，它會加速，并且這種加速的能量來自流體的靜壓。因此，管線壓力在收縮點處下降。當流量返回到不受限制的通道時，部分壓降恢復。測量流量元件產(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算：
 

其中k是元素的放電系數(shù)（也反映測量單位），A是通道開口的橫截面積，D是流動的流體的密度。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。

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

液位檢測
來自嵌入式壓力傳感器的信號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。該數(shù)據(jù)可用于實時控制移液。壓力水平感測與液體環(huán)境的極性無關(guān)。

錯誤檢測
在移液過程中可以連續(xù)記錄壓力數(shù)據(jù)。當壓力超出在抽吸或分配循環(huán)期間規(guī)定的不同時間的壓力極限時，記錄并傳達錯誤事件。 宏程序可以以各種方式寫出來處理這些事件。可以編寫它們來忽略它們，停止方法，請求用戶干預或自動嘗試處理錯誤而無需用戶干預。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尖端以避免管中的拭子，并且可能被編程為在請求用戶干預之前進行多次掃掠嘗試或?qū)�樣本標記為錯誤并自動移動到下一個樣本。

吸氣錯誤檢測
當壓力低于較小設定值時，檢測到尖端堵塞。較小設定值隨抽吸/分配時間而變化，并且由測試運行的結(jié)果預先確定。可以擴大或收緊限制以較小化錯誤錯誤。
當抽吸期間壓力升高到較大限度以上時，檢測到樣品不足或抽吸不正確。
分配錯誤檢測
當分配期間壓力升高到較大壓力極限以上時，檢測到堵塞的尖端。
當分配期間壓力下降到低于較小壓力極限時，檢測到泄漏密封。
基于重量分析的性能監(jiān)控
用于實時監(jiān)測液體處理的長期且準確的方法是通過使用天平或稱重傳感器的重量測量。為了將重量測量精確地轉(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用的，因為液體傳遞必須在稱重傳感器上進行，以記錄質(zhì)量的變化，以實現(xiàn)實時控制。或者，空容器可以在稱重傳感器上配衡，然后移動到分配位置，并在分配之后返回到稱重傳感器以評估分配的液體的質(zhì)量。這種方法既耗時又不能提供實時控制，但在分配公差不嚴格時可能是合適的。重量分析方法也不太適合監(jiān)測多通道分配，因為必須單獨分配每個通道以記錄對應于每個通道的質(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)，通過將散裝容器上的測力傳感器（如這個 “權(quán)衡墊”）。可以定義較小質(zhì)量設定點，以在操作過程中或系統(tǒng)初始化時觸發(fā)重新填充提醒或警報。

基于超聲波液位計的性能監(jiān)測
基于超聲波液位計的監(jiān)測已經(jīng)在工業(yè)散裝環(huán)境中使用了一段時間，但較近才出現(xiàn)在實驗室工作站環(huán)境（即Caliper Life Sciences“PING！”）中，作為壓電晶體技術(shù)的進步，主要由噴墨打印行業(yè)推動，已實現(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)生穿過周圍空氣的超聲波液位計振動。當這些振動從晶體向外傳播并從較近的表面反射回來時，晶體的電壓被關(guān)閉。反射的振動影響晶體，使其振蕩并產(chǎn)生監(jiān)測的電壓。使用信號傳輸和返回時間以及周圍介質(zhì)（空氣）中的信號的已知速度*來計算到遇到的表面的距離。在實驗室工作站環(huán)境中，容器中的液位可以通過測量與壓電傳感器的絕對距離，或通過測量液體彎月面相對于容器頂部或空容器底部的位置來確定。

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

測量（超聲波液位計信號的速度）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測量一個表面（例如液體表面）相對于另一個表面來解決，例如微孔板的頂部。不規(guī)則的液體表面（氣泡，泡沫）會影響超聲波液位計距離測量（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/測量）和中值快速進行多次超聲波液位計測量計算以補償表面不規(guī)則。

超聲波液位計液位檢測當前配置為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裝置來解決。這種裝置通常具有較短的范圍。

超聲波液位計感應的富有想象力的使用可能不僅僅是液位感應，因為它可以像雷達或聲納一樣用于“繪制”表面輪廓 - 在這種情況下是工作站的工作平臺。在開始運行之前，可以使用這種能力來確認工作站平臺的正確設置。它還可用于消除甲板固定裝置位置的手動機械教學和/或隨時間的微調(diào)位置。