在科学研究和生物制药学系统中实现可追踪的气体流量监测与控制

　　科学和制药进展方面越来越多的研究都依赖于对细胞生长和复杂生化反应的了解和控制。在以上过程中实现气体精确和可追踪的监测和控制是很有必要的。对诸如二氧化碳、氮气、空气等气体的测定与控制已经可以通过一个简单的可变截面流量计成功实现。但可变截面流量计在精确度、可追踪性和最大允许压力等方面仍然具有明显的局限性。通过使用微分压力的方法将一个球悬浮于圆锥管当中，实现在室温和压强的初始条件下对空气的测定进行校准的设备，必须要使用由于任何温度、压强以及气体用量变化涉及到的校正因子。通过在气体入口或者出口处增加一个阀，可以对球的高度进行调整，用肉眼就可以根据圆锥管上的参考刻度获得气体的流量值(见图1)。其最大的局限性在于设备的精确性和可追踪性，而且这一方法无法得到一个累计的数据，除非操作者用肉眼对刻度进行实时同步的读取。如此一来，在满刻度的情况下，这一设备的精确度最好也只能达到3%~5%，而其重现性或许不会超过0.25%。在一个已知的标准下实现更高精确度和可追踪性的测定和控制是目前所必需的。

　　MFM200热式质量流量计和MFC202热式密相输送控制器(CONCOA, Virginia Beach, VA)在不妨碍控制的前提下为流量测定提供了更高的精确度和直接的可追溯性，而且可以将由于压力和温度变化产生的影响降到最低限度。顾名思义，热式密相输送设备是通过流动气体的热量传递进行气体流速的测定。

　　如图2所示，通过由中间有一个加热器和对称环绕在该恒温加热器两旁的两个温度传感阵列组成的不锈钢毛细管传感器管对热传输效应进行测定。气体流动的过程中，会导致下游传感器部位温度的升高，因此可以通过比较温度传感器的变化对气流进行测量。尽管通过传感器的气流非常小(在10 mL/min以内)，但通过构造与传感器匹配的一个精确的气流旁路，可以在一个确定的比例下对气体进行分流，从而可以对更高流速(可以达到20 L/min)下的气流进行测定。在每一台设备都加装了各自的气流分流装置以后，整个系统单元通过NIST参数进行校准，以便于得到匹配于每一台设备满量程条件下的一个精确且可追踪的参数。通常处于闭合状态但具有高精确度的螺旋阀(带有一个反馈回路)的加入打造了一个可以完全对流速进行控制的装置，这一装置具有控制流速和采集数据的功能。

　　热式密相输送技术是一种不受气体的压强和温度影响的测量方法。NIST可追溯性由经空气、二氧化碳、氢气和氦气(根据需要，也会使用其他气体)校正的氮气的每个单元进行保证。在全部刻度范围内，每一台设备的精确度大约1%左右，重现性大约在0.05%左右。这种技术下入气口压力最大可达到500 psig，与传统的可变截面流量计最大只能达到100~200 psig相比，这一设备单元适用于系统的压力高于简单流量计可承受范围的实验中。在质量流量计0~5 V反馈信号的线性范围内，读数与反馈信号是成比例的。通过对0~5 V的输入信号的控制从而实现对流量单元的全刻度控制。与可变截面流量计所不同的是，这一装置无须肉眼进行视觉判断。借助质量流量计及其控制单元，所有的读数与控制参数可通过NIST进行实时的追踪，并通过每一个单元的协助证明了这一优点的存在。这可能意味着这一方法可以进行一个较宽范围内的气体的测定，并可满足绝大多数的应用需求。由于这一设备内部由316L不锈钢管线材料构成，因而可以完成从0~10 mL至0~20 L/min这一很宽范围内的流量测定。