توليد ميكرو قطرات در يك ميكرو كانال با استفاده از كنترل‌ كننده تناسبي - انتگرال‌ گير - مشتق‌گير: بررسي آزمايشگاهي

Control of droplet size in a two-phase microchannel using PID controller: A novel experimental study

در زمينه توليد قطره، تنها تعداد معدودي از آن‌ها به كنترل حلقه‌بسته اندازه ميكرو قطره به صورت آنلاين پرداخته‌اند. در مطالعه پيش‌رو، ابتدا يك ميكروكانال جريان متمركزشونده به روش فوتوليتوگرافي ساخته شد. سپس آب دو بار تقطير با دبي ثابت به عنوان سيال فاز گسسته و روغن به عنوان سيال فاز پيوسته به وسيله دو پمپ سرنگي مجزا درون ميكروكانال تزريق شدند و بدين ترتيب توليد قطرات آب در روغن صورت پذيرفت. سپس با استفاده از يك ميكروسكوپ ديجيتالي سرعت بالا به همراه يك الگوريتم پردازش تصوير، قطر قطرات توليدشده اندازه‌گيري شد. پس از ايجاد ارتباط بين ميكروسكوپ، پمپ‌هاي سرنگي و كامپيوتر، طراحي يك فلوديگرام كنترلي صورت پذيرفت. همچنين به منظور كنترل قطر قطرات، دبي فاز پيوسته به عنوان پارامتر كنترلي انتخاب و با استفاده از كنترلكننده تناسبي-انتگرال‌گير-مشتق‌گير كنترل شد. در اين مطالعه قطر قطرات توليدشده در يك ميكروكانال به صورت لحظهاي اندازه‌گيري و بازخورد آن دريافت شده‌است. نتايج عملي براي سه قطر مطلوب 100، 140 و 160 ميكرومتر نشان داد كه در هر سه حالت سيستم كنترلي توانست قطر قطره‌هاي در حال توليد را در مقدار مطلوب تنظيم كند. همچنين با تغيير پله‌اي دبي فاز گسسته، از عملكرد مطلوب كنترلكننده در زمان اغتشاش اطمينان حاصل شد.

Precise droplet generation with controllable precise size is the target of this research. For this purpose, a flow focusing micro-channel is constructed using photolithography. Two syringe pumps are used, one for injecting discrete phase flow (DI water) and another for injecting continuous phase flow (oil). 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. 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 flow 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 diameters, i.e. 100, 140 and 160 . To show the disturbance rejection characteristic of the designed closed-loop system, the flow rate of the discrete phase flow 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 can generate droplets with desired precise size.