تولید میکرو قطرات با امکان کنترل اندازه در یک میکروکانال با استفاده از کنترل‌کننده PID: بررسی آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود،

2 صنعتی شاهرود

3 Shahrood University of Tech, Shahrood, Iran

4 صنعتی شاهرود-مهندسی مکانیک

5 دانشگاه صنعتی شاهرود

10.22060/mej.2020.18250.6783

چکیده

در میان مطالعات انجام‌شده در زمینه تولید قطره، تنها تعداد معدودی از آن‌ها به کنترل حلقه بسته اندازه میکروقطره به صورت آنلاین پرداخته‌اند. بدین ترتیب در مطالعه پیش‌رو، ابتدا یک میکروکانال جریان متمرکز شونده به روش فوتولیتوگرافی ساخته شد. سپس آب دو بار تقطیر با دبی ثابت به عنوان سیال فاز گسسته و روغن به عنوان سیال فاز پیوسته به وسیله دو پمپ سرنگی مجزا درون میکروکانال تزریق شدند و بدین ترتیب تولید قطرات آب در روغن صورت پذیرفت. سپس با استفاده از یک میکروسکوپ دیجیتالی سرعت بالا به همراه یک الگوریتم پردازش‌تصویر، قطر قطرات تولید شده اندازه‏گیری‌ شد. پس از ایجاد ارتباط بین میکروسکوپ، پمپ‌های سرنگی و کامپیوتر، طراحی یک فلودیگرام کنترلی صورت پذیرفت. همچنین به منظور کنترل قطر قطرات، دبی فاز پیوسته به عنوان پارامتر کنترلی انتخاب و با استفاده از کنترل‏کننده PID کنترل شد. بدین ترتیب در این مطالعه برای اولین بار قطر قطرات تولید شده در یک میکروکانال به صورت لحظه‏ای اندازه‌گیری و بازخورد آن دریافت شده است. نتایج عملی برای سه قطر مطلوب 100، 140 و 160 میکرومتر نشان داد که در هر سه حالت سیستم کنترلی توانست قطر قطره‏های در حال تولید را در مقدار مطلوب تنظیم کند. همچنین با تغییر پله‏ای دبی فاز گسسته، از عملکرد مطلوب کنترل‏کننده در زمان اغتشاش اطمینان حاصل شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Droplet Generation with Controllable Diameter using PID Controller: Experimental Study

نویسندگان [English]

  • Sina Mottaghi 1
  • Mostafa Nazari 2
  • Mohsen Nazari 3
  • Naserodin Sepehry 4
  • Amir Mahdavi 5
1 MSc of mechanical engineering, Shahrood university of technology
2 Department of Mechanical Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran.
3 Shahrood University of Tech, Shahrood, Iran
4 صنعتی شاهرود-مهندسی مکانیک
5 Shahrood University of Technology
چکیده [English]

Droplet generation with controllable precise size is the target of this research. For this purpose, a flow focusing micro-channel is constructed using photolithography. Then, by injecting two incompatible fluids to the channel, micro-droplets are generated. Two syringe pumps are used. The Meros high speed camera is used for recording the image of droplets, and a fast image processing algorithm is used to calculate the size of the droplets. The feedback loop is completed by connecting the camera, microscope, syringe pumps and PC computer. To regulate the size of the droplet, the PID controller is used due to its ease of implementation and robustness. The flow rate of the continuous phase is the control input and the size of the droplets is the output of the closed-loop system. Experimental tests are done by considering three desired droplet diameter, i.e. 100, 140 and 160 μm. In all cases, the controller shows good performance. To show the disturbance rejection characteristic of the designed system, the flow rate of the discrete phase is changed stepwise. Due to this disturbance the transient response of the system changed, but the controller attenuates this disturbance, and regulates the system to the desired size. The experimental tests show that the designed closed-loop microfluidic system is able to generate droplets with desired precise size.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Flow focusing microchannel
  • active control
  • PID controller
  • two-phase flow
  • Micro-droplet