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微流量计量方法研究 |
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作者：王叶斌 陈邵有 |
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摘 要： 微型燃烧系统的特征长度很小，其流动、传热和燃烧具有的特性，与大尺寸的燃烧系统有许多不同。在进行微燃烧的实验研究中，实现对微燃料流量的精确测量是实验中的关键环节。文章介绍了目前国内对于液体、气体微流量的几种计量方法，并对各流量计的测量原理，测量装置性能进行了评述。供微机电及计量检测领域的工作者参考。
关键字： 微流量 微燃烧 液体流量计 气体流量计 微机电
目前，微机电设备正引起越来越多的学者的关注，1989年在美国盐湖城会议上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，即微机电系统，这是指特征尺度在1μm~1mm之间集电子、机械于一身的器件。微燃烧的研究是制造微机电设备的基础，而微燃料的精确计量又是对微燃烧进行实验研究的前提。微流量测量与控制系统是微机械研究的一个重要方向，也是微流体精密测量与控制的一个主要技术手段。微流量系统研究的技术背景是微机械加工技术的成熟，应用背景是一些常规流体系统的流量和粘度要求不能满足的特殊场合。在微流量系统的研究成熟后，它甚至可以替代现在的一些产品。微流体系统的流量在nL/min~L/min量级，由于尺寸微小，可以减少系统的无效体积，降低能耗，提高响应速度。
在前期进行的微尺度扩散燃烧实验中，我们对微火焰的各方面特性有了初步了解，随着实验向更细的方面进行，实现对微流量的精确计量将是一个关键的环节。因为微流量的实际供应值和计量值之间的误差大小将直接影响到实验结果的准确性。虽然国内外对微流量测量的研究起步相对较晚，随着理论研究的深入，实践经验的积累，对微流量测量的难度和存在的问题有了更具体和更深刻的认识，通过不断地改进和完善，使得微流量测量技术不断得到发展。
1 液体微燃料的计量
市面上国产液体流量计一般最小流量只能达到每分钟几百毫升，进口流量计一般最小流量每分钟几十毫升，但价格昂贵；而一般的标准差压流量计；如板孔式、喷嘴式、文丘里管式等，其额定流量较大，测量精度较低，通常误差大于5%。不能满足液体微流量计量的要求。
1.1 热式液体质量微流量仪表
中国仪器仪表行业协会流量仪表专业协会的专家对热式流量计的测量原理、性能和应用作了概要介绍。
热式流量计从测量原理出发，可分为两类：1）利用流动流体传递热量改变测量管的管壁温度分布的热传导分布效应的热分布流量计，以前称为量热式流量计；2）利用热散消（冷却）效应的金氏定律的热式质量流量计，其结构特征为测温元件插入流量传感器测量管或管道内，称为插入型热式流量计。但现有液体微小流量的热式流量计均属热分布流量计。
图1为加温型热式流量计原理简图，图2是利用帕耳帖效应的致冷型原理图。加温型热式液体质量流量计市场上已有的型号有荷兰BronkhorstH-iTech公司的Liqu-iFlow型和L-Flow型，美国Brooks公司的Flomega型；致冷型热式液体质量流量计市场上见到的有美国Estech公司LF系列，流量在0.01g/min~100g/min范围内有9种满度规格，响应时间约2s。热式液体质量微流量计适用于测量液态气体，药液混合配比，原料气化供给系统。体积流量小到10-6L/min~10-3L/min数量级之间，或质量流量10-6kg/min~10-3kg/min。
图1 加温型原理简图
图2 致冷型原理简图
1.2 标准差压流量计
管式差压流量计是用于液体微泄漏量的检测的仪器。湖北汽车工业学院自行设计了一种管式差压流量计，较好地解决了调温器水泄漏量检测中的大范围度微流量的测量问题。
图3示出了管式差压流量计检测调温器水泄漏量的结构框图，流量计由一支长节流管和一个差压传感器组成。图3中被测件为汽车用调温器，需要检测调温器阀门处于关闭状态时，向调温器施加的水压力与泄漏量大小之间的关系。为了使流量计上的压差对检测不造成影响，被测件的输入压力的检测传感器置于被测件压力液体的入口处。被测件的输入压力由压力液体及调压阀提供；调节调压阀，可向被测件施加一序列不同的压力值。设施加于被测件的压力值为pj，调压阀的出口压力为pt，流量计差压传感器的示值为Δp，如果不计管路压力损失，则pt=Δp+pj。由于流量计两端的差压值Δp与流量之间存在某一对应关系，因此Δp与pj的关系实际上反应了被测件的泄漏量与压力之间的关系。
图3 管式差压流量计检测泄漏量的结构图
1.3 毛细管液体微流量计
利用不锈钢毛细管具有十分稳定的渗流性能，且毛细管的液体流量与毛细管两端的压差成正比，与液体的粘度成反比的关系，通过准确测量毛细管两端的压差来准确计量液体流量。而压差计量是一项十分成熟的技术。将毛细管的这种特性用于液体微流量测量，将会得到精确的测量结果。该方法的优点是：①使用方便，理论上可以放入流程的任意位置；②可以耐高温高压；③数据稳定且准确性高；④可以实现连续测量，输出实时流量。
具体应用方法如图4所示。将已知内径、长度参数的毛细管串入流程内，利用差压传感器计量毛细管两端的压差，然后利用毛细管渗流公式即可算出流程内液体的准确流量。
图4 毛细管计量原理图
1.4 医用微量注射泵
医用微量注射泵由步进电机及其驱动器、丝杆和支架等构成，具有往复移动的丝杆、螺母，因此也称为丝杆泵。螺母与注射器的活塞相连，注射器里盛放液体燃料。工作时，单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转，而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动，推动注射器的活塞进行注射输送液体，把注射器中的液体燃料输出。通过设定螺杆的旋转速度，就可调整其对注射器针栓的推进速度，从而调整所给的液体燃料。结构如图5所示。
图5 微量注射泵的结构
医用微量注射泵的量程一般为μL/h~mL/h范围，允许误差较小。如：保定兰格恒流泵有限公司生产的TS2-60型注射泵的量程为1μL/h~63mL/h，允许误差为<1%。根据市场调查，目前国产微量注射泵的价格为几千至1万多元不等，进口价格2万元~5万元。步进电机具有快速启停、精确步进（无积累误差）以及能直接接收数字量等优点，而且它的步距角和转速受环境影响小，仅与脉冲频率有关，目前市场上的微量注射泵都是采用步进电机进行驱动的。
2 气体微燃料的计量
气体流量是单位时间内通过某一截面的气体量，其状态由压力、体积和时间3个参量来描述。气体流量的测量有3种方法：若气体压力保持不变，通过改变气体体积的测量方法，则为恒压法；若体积保持不变，通过改变压力的测量方法，则为定容法；若压力和体积都在变化，则为变压变容法。由此可知，根据流量测量的方法，可分为恒压式流量计、定容式流量计和变压变容式流量计。变压变容式流量计的结构复杂，控制难度大，实际应用的较少，一般采用恒压式流量计和定容式流量计。
2.1 恒压式流量计
图6为恒压式气体微流量计原理图。该恒压式气体微流量计能够提供3.96×10-4Pa•m3/s~3.64×10-8Pa•m3/s范围内的气体微流量。在10-8Pa•m3/s范围内的相对合成标准不确定度为1%，在1×10-7Pa•m3/s~1×10-4Pa•m3/s范围内的相对合成标准不确定度为0.7%。流量测量原理是：当气体流入或流出变容室时，改变变容室的容积，使变容室中气体压力保持恒定，则气体在Tr温度（Tr一般取23℃）下的流量就可以通过测量变容室内气体的压力P、温度T和体积变化率dV/dt而计算得到。
Q=-[d（P•V）/dt]•（Tr/T）=-P•（dV/dt）•（Tr/T）（dP/dt=0），（1）
式中：Q为气体流量，单位：Pa•m3/s；P为变容室压力，单位：Pa；dV/dt为变容室体积变化率，单位：m3/s；Tr/T为变容室温度变化率，无量纲。
图6 恒压式气体微流量计原理图
2.2 定容式流量计
图7为所设计的定容式气体微流量标准装置工作原理图。该标准的校准范围为1×10-3Pa•m3/s~10Pa•m3/s，不确定度（1σ）小于1.2%。整套装置采用全金属结构，校准室是圆柱形不锈钢容器，容器内表面通过机械抛光和电化学抛光处理以减小吸放气的影响。采用全金属的真空阀门，阀门之间的部分过渡和连接管道由机床加工而成，避免了由于管道焊接带来的形位公差而引起的漏气。在校准室周围设计了旁通管道，既有利于在测量中稳定气体流量，又便于对整个系统进行清洗.整套装置由计算机程序控制，实现校准过程的全自动化操作。
图7 定容式气体微流量标准装置工作原理图
3 结束语
微型动力源的研究是在微型机械设备制造技术最近取得发展的基础上进行的。微流量的计量精度对于分析实验数据，掌握微火焰的各种燃烧特性，提高微机电设备的稳定性等都有重要的作用。本文对几种液体、气体微流量计量方法作了简单的介绍，具有重要的参考价值。(end)
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(8/16/2013) |
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