孫 馳 盧 銳 孫 文 黃 岱 何高法

(重慶科技學(xué)院 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 重慶 401331)

0 前 言

隨著醫(yī)藥行業(yè)的快速發(fā)展，固體制劑微量測(cè)量技術(shù)由原來(lái)的人工抽樣測(cè)量逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫^程分析技術(shù)(process analytical technology,PAT)[1-4]。在PAT中，即使顆粒的大小和形狀只存在細(xì)微差異，也會(huì)顯著影響顆粒產(chǎn)品性能的測(cè)量。結(jié)晶、干燥、研磨、混合等生產(chǎn)流程都可能導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生變化，因此必須對(duì)流程進(jìn)行精密控制[5-8]。傳統(tǒng)的質(zhì)量測(cè)量方法通常無(wú)法精確地控制生產(chǎn)流程的變量，而生產(chǎn)流程中的質(zhì)量保證和控制直接關(guān)系到生命安全[9-11]，這就要求固體制劑微量測(cè)量方法具有高效性和準(zhǔn)確性。因此，發(fā)展?jié)M足現(xiàn)代制藥生產(chǎn)中固體制劑微量生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率的連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)非常重要[12]。

目前，國(guó)內(nèi)的微質(zhì)量動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是一種基于失重原理的靜態(tài)連續(xù)稱重方式[13-16]。這種稱重方式是將整個(gè)機(jī)械裝置及物料放置在稱重傳感器上，利用物料減少后與原系統(tǒng)的質(zhì)量差來(lái)測(cè)量物料的減少量。該方式用于機(jī)械裝置及物料總質(zhì)量在25 kg以上的物料，而藥物的有效成分質(zhì)量通常為1～2 mg，這就要求傳感器的分辨率達(dá)到千萬(wàn)分之一。因此，本次研究提出一種基于壓電力傳感器的預(yù)加載偏置電流補(bǔ)償方法，以用于顆粒劑微質(zhì)量精密動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 沖擊式測(cè)量的工作原理

1.1 測(cè)量原理

沖擊式測(cè)量技術(shù)基于動(dòng)量守恒定律，其測(cè)量原理如圖1所示[17-20]。圖1中，α為顆粒沖擊角，β為測(cè)量擋板傾角，h為顆粒下落高度，F(xiàn)為顆粒沖擊測(cè)量擋板的作用力，F(xiàn)1為F垂直于測(cè)量擋板的分力，F(xiàn)2為F沿測(cè)量擋板斜面向下的分力。顆粒從料倉(cāng)中垂直下落，以一定大小和方向的力沖擊到測(cè)量擋板斜面上，可以通過斜面下方的力傳感器測(cè)量顆粒沖擊到測(cè)量擋板時(shí)的沖擊力。

圖1 沖擊式測(cè)量原理

圖2 顆粒瞬時(shí)速度的矢量分解

由動(dòng)量守恒定律可得：

Ft=m(v-v′)

(1)

式中：m—— 顆粒質(zhì)量；

t—— 沖擊時(shí)間。

由上述分析可得：

(2)

(3)

由三角函數(shù)關(guān)系可得：

(4)

(5)

(6)

由于力傳感器安裝在測(cè)量擋板下方，因此只需考慮垂直方向的作用力F。由F的計(jì)算公式可知，在沖擊測(cè)量裝置安裝完成后，α、β、h為常數(shù)，F(xiàn)與m成線性關(guān)系。當(dāng)α、β、h確定時(shí)，微質(zhì)量顆粒連續(xù)測(cè)量的靈敏度、分辨率和穩(wěn)定性取決于力傳感器的靈敏度。

1.2 空氣阻力分析

垂直下落球體在運(yùn)動(dòng)中受到重力和空氣阻力的作用，積分方程如式(7)所示：

(7)

式中：xg—— 小球下落的加速度，m/s2；

ρ—— 空氣密度，ρ=1.29×10-3kg/m3；

r—— 半徑，r的取值范圍為0.35～1.00 mm；

x—— 小球下落速度，m/s；

μ—— 空氣黏度，μ= 1.81×10-5Pa·s。

通過Matlab對(duì)數(shù)值進(jìn)行求解，當(dāng)下落高度為0.15 m時(shí)，對(duì)實(shí)際速度與理論速度進(jìn)行比較(見表1)可知，由空氣阻力產(chǎn)生的最小誤差低于0.5%、最大誤差低于4.6%，因此在微質(zhì)量測(cè)量時(shí)，空氣阻力產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì)。

表1 實(shí)際速度與理論速度的對(duì)比

2 預(yù)加載補(bǔ)償法

2.1 電荷信號(hào)測(cè)試原理

當(dāng)壓電石英力傳感器受到?jīng)_擊載荷時(shí)，壓電石英晶體產(chǎn)生電荷，其電荷量與所受的載荷成正比，可通過電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。電荷轉(zhuǎn)換單元工作原理如圖3所示，反饋電容C1與電荷放大倍數(shù)相關(guān)，電容量越小，輸出電壓越大；反饋電阻R1與電荷泄漏速度相關(guān)，電阻值越大，電荷泄漏越慢。

圖3 電荷轉(zhuǎn)換單元工作原理

壓電石英晶體的壓電常數(shù)為0.04 pc/g，質(zhì)量為1 mg的小球下落產(chǎn)生的沖擊力使壓電石英力傳感器產(chǎn)生的電荷量非常微小，為4 × 10-5pc，因此電荷轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行電荷放大轉(zhuǎn)換時(shí)，需要選擇極小的反饋電容C1(10-14F)，才能將電荷放大轉(zhuǎn)換成工控系統(tǒng)能夠接受的最小信號(hào)值。時(shí)間常數(shù)是影響放電速度的關(guān)鍵參數(shù)，τ=R×C。反饋電容C1的電容值越小，時(shí)間常數(shù)越小，越容易導(dǎo)致力傳感器產(chǎn)生的微弱電荷在電路中泄漏。當(dāng)沖擊信號(hào)未達(dá)到峰值時(shí)，部分電荷已經(jīng)泄漏，檢測(cè)系統(tǒng)所得的信號(hào)將會(huì)小于真實(shí)信號(hào)，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。為了減小測(cè)量誤差，電荷放大器的反饋電阻數(shù)量級(jí)應(yīng)在1010Ω以上，以加大時(shí)間常數(shù)，減緩放電速度。

2.2 降低閾值及精度補(bǔ)償方法

傳統(tǒng)電荷放大器的反饋電阻不宜太高。高輸入阻抗運(yùn)算放大器由各種三極管和電路組成，為了使三極管工作在放大區(qū)，需要偏置電路為三極管提供偏置電流。但運(yùn)算放大器要求盡可能寬的共模輸入電壓范圍, 且都是直接耦合的，不能在芯片上集成提供偏置電流的電流源，因此設(shè)計(jì)成基極開路, 由外電路提供電流，即由反饋電阻提供偏置電流。當(dāng)反饋電阻值太大、通過的電流太小時(shí)，不足以提供三極管的偏置電流，導(dǎo)致運(yùn)算放大器閾值變高，不能正常工作。

本次研究采用超高阻值反饋電阻(1012Ω)的電荷轉(zhuǎn)換單元，并對(duì)壓電石英力傳感器施加20 N的預(yù)加載荷。超高阻值反饋電阻能夠減緩電荷泄漏速度，減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度；同時(shí)，對(duì)壓電石英力傳感器施加的預(yù)加載荷能夠使傳感器產(chǎn)生電荷，從而為運(yùn)算放大器提供額外的偏置電流。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

沖量式測(cè)量模型如圖4所示，將氣缸固定在支架底板中心，氣缸的推桿與測(cè)量擋板通過螺紋相聯(lián)，氣缸推桿穿過壓電石英力傳感器，放置于氣缸與測(cè)量擋板底部之間。當(dāng)打開氣缸閥門時(shí)，推桿推動(dòng)壓電石英力傳感器和測(cè)量擋板上升，上升到一定高度時(shí)，測(cè)量擋板上方受到支架限位釘?shù)南拗啤４藭r(shí)，壓電石英力傳感器受到一個(gè)穩(wěn)定的靜載荷，能夠有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)加載偏置電流補(bǔ)償。

設(shè)顆粒下落高度為0.15 m，為了避免固體制劑與測(cè)量擋板發(fā)生二次撞擊，測(cè)量擋板與水平面的夾角為60°，底板長(zhǎng)60 mm、寬60 mm。為了使物料落在擋板上的速度在整個(gè)測(cè)量過程中保持恒定不變或小范圍變動(dòng)，在支架上方設(shè)計(jì)放料料斗。在料斗偏測(cè)量擋板的一側(cè)設(shè)有出料口，且微微傾斜一定角度，使料斗中的顆粒能夠自由下落。為了防止顆粒落在測(cè)量擋板邊緣時(shí)，壓電力石英傳感器產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，將出料口與壓電力石英傳感器放置在同一垂直線上，以提高測(cè)量精度。

圖4 沖量式測(cè)量模型

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由氣動(dòng)回路、測(cè)量擋板、壓電石英力傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡和PC上位機(jī)等組成。氣動(dòng)回路由減壓閥、兩位三通電磁換向閥和氣缸等組成。氣動(dòng)回路壓力通過減壓閥調(diào)節(jié)(氣壓設(shè)定為0.4 MPa)，氣缸垂直安放在測(cè)量擋板和力傳感器的下方，通過兩位三通電磁換向閥來(lái)控制氣缸伸縮，以實(shí)現(xiàn)壓電石英力傳感器的加載和卸載。送料支架中的顆粒作自由落體運(yùn)動(dòng)，顆粒落在測(cè)量擋板上時(shí)，壓電石英力傳感器受到?jīng)_擊而產(chǎn)生電荷信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由電荷轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。數(shù)據(jù)采集卡將采集到的電壓信號(hào)傳輸?shù)絧c端，由圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行處理和分析。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 測(cè)量分辨力分析

采用若干不同半徑的球形顆粒作連續(xù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通過顆粒的最小質(zhì)量差來(lái)判斷分辨力。使用百靈電子精密天平(LAC214)對(duì)顆粒進(jìn)行稱重，每次取半徑相同的100顆球形顆粒進(jìn)行稱重，取其平均值作為顆粒質(zhì)量。測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，測(cè)試信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。最小檢測(cè)質(zhì)量為1.424 mg，電壓為1.551 mV，計(jì)算得出測(cè)量分辨力為10-3mg。

4.2 靈敏度分析

為了驗(yàn)證預(yù)加載偏置電流補(bǔ)償方法的有效性，對(duì)力傳感器的兩種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見圖6)。不對(duì)壓電石英力傳感器施加預(yù)加載靜載荷，使其與測(cè)量擋板自然接觸，將顆粒放入料倉(cāng)中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6a所示；通過氣缸對(duì)壓電石英力傳感器與測(cè)量擋板施加20 N的靜載荷，將顆粒放入料倉(cāng)中進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6b所示。

表2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 測(cè)試信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)不對(duì)壓電石英力傳感器施加預(yù)加載靜載荷時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的最小檢測(cè)量為200 g，電壓為1.43 mV；當(dāng)對(duì)壓電石英力傳感器施加預(yù)加載靜載荷時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的最小檢測(cè)量為1.424 mg，電壓為1.55 mV。因此，預(yù)加載偏置電流補(bǔ)償方法能夠有效地降低系統(tǒng)閾值和提高靈敏度。

4.3 穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性公式如式(8)所示：

(8)

式中：S2—— 樣本數(shù)據(jù)方差；

n—— 樣本數(shù)量；

由此得出，S2=0.000 09 < 10-4，說明樣本數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。

圖6 壓電石英力傳感器靈敏度的對(duì)比

4.4 線性分析

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作線性擬合分析，擬合曲線如圖7所示，R2=0.999 33?？梢钥闯?，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性度高，可靠性較好。

圖7 擬合曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本次研究以壓電石英力傳感器為測(cè)力元件，利用沖擊式測(cè)量技術(shù)進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)力傳感器預(yù)加載補(bǔ)償偏置電流來(lái)降低電荷，放大電路閾值，提高測(cè)量精度。在高靈敏度狀態(tài)下，測(cè)量系統(tǒng)的最小分辨力為10-3mg，最小測(cè)量值為1.5 mg，有效地提高了測(cè)量靈敏度與分辨力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性好、線性度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn) 。