微流量計量方法研究
發(fā)布日期：2014年7月16日 瀏覽次數：
摘 要：微型燃燒系統(tǒng)的特征長度很小，其流動、傳熱和燃燒具有的特性，與大尺寸的燃燒系統(tǒng)有許多不同。在進行微燃燒的實驗研究中，實現對微燃料流量的精確測量是實驗中的關鍵環(huán)節(jié)。文章介紹了目前國內對于液體、氣體微流量的幾種計量方法，并對各流量計的測量原理，測量裝置性能進行了評述。供微機電及計量檢測領域的工作者參考。
關鍵字：微流量 微燃燒 液體流量計 氣體流量計 微機電
目前，微機電設備正引起越來越多的學者的關注，1989年在美國鹽湖城會議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，即微機電系統(tǒng)，這是指特征尺度在1μm~1mm之間集電子、機械于一身的器件。微燃燒的研究是制造微機電設備的基礎，而微燃料的精確計量又是對微燃燒進行實驗研究的前提。微流量測量與控制系統(tǒng)是微機械研究的一個重要方向，也是微流體精密測量與控制的一個主要技術手段。微流量系統(tǒng)研究的技術背景是微機械加工技術的成熟，應用背景是一些常規(guī)流體系統(tǒng)的流量和粘度要求不能滿足的特殊場合。在微流量系統(tǒng)的研究成熟后，它甚至可以替代現在的一些產品。微流體系統(tǒng)的流量在nL/min~L/min量級，由于尺寸微小，可以減少系統(tǒng)的無效體積，降低能耗，提高響應速度。
在前期進行的微尺度擴散燃燒實驗中，我們對微火焰的各方面特性有了初步了解，隨著實驗向更細的方面進行，實現對微流量的精確計量將是一個關鍵的環(huán)節(jié)。因為微流量的實際供應值和計量值之間的誤差大小將直接影響到實驗結果的準確性。雖然國內外對微流量測量的研究起步相對較晚，隨著理論研究的深入，實踐經驗的積累，對微流量測量的難度和存在的問題有了更具體和更深刻的認識，通過不斷地改進和完善，使得微流量測量技術不斷得到發(fā)展。
1 液體微燃料的計量
市面上國產液體流量計一般最小流量只能達到每分鐘幾百毫升，進口流量計一般最小流量每分鐘幾十毫升，但價格昂貴；而一般的標準差壓流量計；如板孔式、噴嘴式、文丘里管式等，其額定流量較大，測量精度較低，通常誤差大于5%。不能滿足液體微流量計量的要求。
1.1 熱式液體質量微流量儀表
中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會流量儀表專業(yè)協(xié)會的專家對熱式流量計的測量原理、性能和應用作了概要介紹。
熱式流量計從測量原理出發(fā)，可分為兩類：1）利用流動流體傳遞熱量改變測量管的管壁溫度分布的熱傳導分布效應的熱分布流量計，以前稱為量熱式流量計；2）利用熱散消（冷卻）效應的金氏定律的熱式質量流量計，其結構特征為測溫元件插入流量傳感器測量管或管道內，稱為插入型熱式流量計。但現有液體微小流量的熱式流量計均屬熱分布流量計。
1.2 標準差壓流量計
管式差壓流量計是用于液體微泄漏量的檢測的儀器。湖北汽車工業(yè)學院自行設計了一種管式差壓流量計，較好地解決了調溫器水泄漏量檢測中的大范圍度微流量的測量問題。
1.3 毛細管液體微流量計
利用不銹鋼毛細管具有十分穩(wěn)定的滲流性能，且毛細管的液體流量與毛細管兩端的壓差成正比，與液體的粘度成反比的關系，通過準確測量毛細管兩端的壓差來準確計量液體流量。而壓差計量是一項十分成熟的技術。將毛細管的這種特性用于液體微流量測量，將會得到精確的測量結果。該方法的優(yōu)點是：①使用方便，理論上可以放入流程的任意位置；②可以耐高溫高壓；③數據穩(wěn)定且準確性高；④可以實現連續(xù)測量，輸出實時流量。
1.4 醫(yī)用微量注射泵
醫(yī)用微量注射泵由步進電機及其驅動器、絲桿和支架等構成，具有往復移動的絲桿、螺母，因此也稱為絲桿泵。螺母與注射器的活塞相連，注射器里盛放液體燃料。工作時，單片機系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖使步進電機旋轉，而步進電機帶動絲桿將旋轉運動變成直線運動，推動注射器的活塞進行注射輸送液體，把注射器中的液體燃料輸出。通過設定螺桿的旋轉速度，就可調整其對注射器針栓的推進速度，從而調整所給的液體燃料。
醫(yī)用微量注射泵的量程一般為μL/h~mL/h范圍，允許誤差較小。如：保定蘭格恒流泵有限公司生產的TS2-60型注射泵的量程為1μL/h~63mL/h，允許誤差為<1%。
2 氣體微燃料的計量
氣體流量是單位時間內通過某一截面的氣體量，其狀態(tài)由壓力、體積和時間3個參量來描述。氣體流量的測量有3種方法：若氣體壓力保持不變，通過改變氣體體積的測量方法，則為恒壓法；若體積保持不變，通過改變壓力的測量方法，則為定容法；若壓力和體積都在變化，則為變壓變容法。由此可知，根據流量測量的方法，可分為恒壓式流量計、定容式流量計和變壓變容式流量計。變壓變容式流量計的結構復雜，控制難度大，實際應用的較少，一般采用恒壓式流量計和定容式流量計。
2.1 恒壓式流量計
恒壓式氣體微流量計原理圖。該恒壓式氣體微流量計能夠提供3.96×10-4Pa?m3/s~3.64×10-8Pa?m3/s范圍內的氣體微流量。在10-8Pa?m3/s范圍內的相對合成標準不確定度為1%，在1×10-7Pa?m3/s~1×10-4Pa?m3/s范圍內的相對合成標準不確定度為0.7%。流量測量原理是：當氣體流入或流出變容室時，改變變容室的容積，使變容室中氣體壓力保持恒定，則氣體在Tr溫度（Tr一般取23℃）下的流量就可以通過測量變容室內氣體的壓力P、溫度T和體積變化率dV/dt而計算得到。
Q=-[d（P?V）/dt]?（Tr/T）=-P?（dV/dt）?（Tr/T）（dP/dt=0），（1）
式中：Q為氣體流量，單位：Pa?m3/s；P為變容室壓力，單位：Pa；dV/dt為變容室體積變化率，單位：m3/s；Tr/T為變容室溫度變化率，無量綱。
2.2 定容式流量計
定容式氣體微流量標準裝置工作原理圖。該標準的校準范圍為1×10-3Pa?m3/s~10Pa?m3/s，不確定度（1σ）小于1.2%。整套裝置采用全金屬結構，校準室是圓柱形不銹鋼容器，容器內表面通過機械拋光和電化學拋光處理以減小吸放氣的影響。采用全金屬的真空閥門，閥門之間的部分過渡和連接管道由機床加工而成，避免了由于管道焊接帶來的形位公差而引起的漏氣。在校準室周圍設計了旁通管道，既有利于在測量中穩(wěn)定氣體流量，又便于對整個系統(tǒng)進行清洗.整套裝置由計算機程序控制，實現校準過程的全自動化操作。
3 結束語
微型動力源的研究是在微型機械設備制造技術最近取得發(fā)展的基礎上進行的。微流量的計量精度對于分析實驗數據，掌握微火焰的各種燃燒特性，提高微機電設備的穩(wěn)定性等都有重要的作用。本文對幾種液體、氣體微流量計量方法作了簡單的介紹，具有重要的參考價值。
關鍵字：微流量 微燃燒 液體流量計 氣體流量計 微機電
目前，微機電設備正引起越來越多的學者的關注，1989年在美國鹽湖城會議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，即微機電系統(tǒng)，這是指特征尺度在1μm~1mm之間集電子、機械于一身的器件。微燃燒的研究是制造微機電設備的基礎，而微燃料的精確計量又是對微燃燒進行實驗研究的前提。微流量測量與控制系統(tǒng)是微機械研究的一個重要方向，也是微流體精密測量與控制的一個主要技術手段。微流量系統(tǒng)研究的技術背景是微機械加工技術的成熟，應用背景是一些常規(guī)流體系統(tǒng)的流量和粘度要求不能滿足的特殊場合。在微流量系統(tǒng)的研究成熟后，它甚至可以替代現在的一些產品。微流體系統(tǒng)的流量在nL/min~L/min量級，由于尺寸微小，可以減少系統(tǒng)的無效體積，降低能耗，提高響應速度。
在前期進行的微尺度擴散燃燒實驗中，我們對微火焰的各方面特性有了初步了解，隨著實驗向更細的方面進行，實現對微流量的精確計量將是一個關鍵的環(huán)節(jié)。因為微流量的實際供應值和計量值之間的誤差大小將直接影響到實驗結果的準確性。雖然國內外對微流量測量的研究起步相對較晚，隨著理論研究的深入，實踐經驗的積累，對微流量測量的難度和存在的問題有了更具體和更深刻的認識，通過不斷地改進和完善，使得微流量測量技術不斷得到發(fā)展。
1 液體微燃料的計量
市面上國產液體流量計一般最小流量只能達到每分鐘幾百毫升，進口流量計一般最小流量每分鐘幾十毫升，但價格昂貴；而一般的標準差壓流量計；如板孔式、噴嘴式、文丘里管式等，其額定流量較大，測量精度較低，通常誤差大于5%。不能滿足液體微流量計量的要求。
1.1 熱式液體質量微流量儀表
中國儀器儀表行業(yè)協(xié)會流量儀表專業(yè)協(xié)會的專家對熱式流量計的測量原理、性能和應用作了概要介紹。
熱式流量計從測量原理出發(fā)，可分為兩類：1）利用流動流體傳遞熱量改變測量管的管壁溫度分布的熱傳導分布效應的熱分布流量計，以前稱為量熱式流量計；2）利用熱散消（冷卻）效應的金氏定律的熱式質量流量計，其結構特征為測溫元件插入流量傳感器測量管或管道內，稱為插入型熱式流量計。但現有液體微小流量的熱式流量計均屬熱分布流量計。
1.2 標準差壓流量計
管式差壓流量計是用于液體微泄漏量的檢測的儀器。湖北汽車工業(yè)學院自行設計了一種管式差壓流量計，較好地解決了調溫器水泄漏量檢測中的大范圍度微流量的測量問題。
1.3 毛細管液體微流量計
利用不銹鋼毛細管具有十分穩(wěn)定的滲流性能，且毛細管的液體流量與毛細管兩端的壓差成正比，與液體的粘度成反比的關系，通過準確測量毛細管兩端的壓差來準確計量液體流量。而壓差計量是一項十分成熟的技術。將毛細管的這種特性用于液體微流量測量，將會得到精確的測量結果。該方法的優(yōu)點是：①使用方便，理論上可以放入流程的任意位置；②可以耐高溫高壓；③數據穩(wěn)定且準確性高；④可以實現連續(xù)測量，輸出實時流量。
1.4 醫(yī)用微量注射泵
醫(yī)用微量注射泵由步進電機及其驅動器、絲桿和支架等構成，具有往復移動的絲桿、螺母，因此也稱為絲桿泵。螺母與注射器的活塞相連，注射器里盛放液體燃料。工作時，單片機系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖使步進電機旋轉，而步進電機帶動絲桿將旋轉運動變成直線運動，推動注射器的活塞進行注射輸送液體，把注射器中的液體燃料輸出。通過設定螺桿的旋轉速度，就可調整其對注射器針栓的推進速度，從而調整所給的液體燃料。
醫(yī)用微量注射泵的量程一般為μL/h~mL/h范圍，允許誤差較小。如：保定蘭格恒流泵有限公司生產的TS2-60型注射泵的量程為1μL/h~63mL/h，允許誤差為<1%。
2 氣體微燃料的計量
氣體流量是單位時間內通過某一截面的氣體量，其狀態(tài)由壓力、體積和時間3個參量來描述。氣體流量的測量有3種方法：若氣體壓力保持不變，通過改變氣體體積的測量方法，則為恒壓法；若體積保持不變，通過改變壓力的測量方法，則為定容法；若壓力和體積都在變化，則為變壓變容法。由此可知，根據流量測量的方法，可分為恒壓式流量計、定容式流量計和變壓變容式流量計。變壓變容式流量計的結構復雜，控制難度大，實際應用的較少，一般采用恒壓式流量計和定容式流量計。
2.1 恒壓式流量計
恒壓式氣體微流量計原理圖。該恒壓式氣體微流量計能夠提供3.96×10-4Pa?m3/s~3.64×10-8Pa?m3/s范圍內的氣體微流量。在10-8Pa?m3/s范圍內的相對合成標準不確定度為1%，在1×10-7Pa?m3/s~1×10-4Pa?m3/s范圍內的相對合成標準不確定度為0.7%。流量測量原理是：當氣體流入或流出變容室時，改變變容室的容積，使變容室中氣體壓力保持恒定，則氣體在Tr溫度（Tr一般取23℃）下的流量就可以通過測量變容室內氣體的壓力P、溫度T和體積變化率dV/dt而計算得到。
Q=-[d（P?V）/dt]?（Tr/T）=-P?（dV/dt）?（Tr/T）（dP/dt=0），（1）
式中：Q為氣體流量，單位：Pa?m3/s；P為變容室壓力，單位：Pa；dV/dt為變容室體積變化率，單位：m3/s；Tr/T為變容室溫度變化率，無量綱。
2.2 定容式流量計
定容式氣體微流量標準裝置工作原理圖。該標準的校準范圍為1×10-3Pa?m3/s~10Pa?m3/s，不確定度（1σ）小于1.2%。整套裝置采用全金屬結構，校準室是圓柱形不銹鋼容器，容器內表面通過機械拋光和電化學拋光處理以減小吸放氣的影響。采用全金屬的真空閥門，閥門之間的部分過渡和連接管道由機床加工而成，避免了由于管道焊接帶來的形位公差而引起的漏氣。在校準室周圍設計了旁通管道，既有利于在測量中穩(wěn)定氣體流量，又便于對整個系統(tǒng)進行清洗.整套裝置由計算機程序控制，實現校準過程的全自動化操作。
3 結束語
微型動力源的研究是在微型機械設備制造技術最近取得發(fā)展的基礎上進行的。微流量的計量精度對于分析實驗數據，掌握微火焰的各種燃燒特性，提高微機電設備的穩(wěn)定性等都有重要的作用。本文對幾種液體、氣體微流量計量方法作了簡單的介紹，具有重要的參考價值。
