發布日期：2022-04-27 點擊率：61
摘 要： 微型燃燒系統的特征長度很小，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節。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，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流體系統的流量和粘度要求不能滿足的特殊場合。在微流量系統的研究成熟后，它甚至可以替代現在的一些產品。微流體系統的流量在nL/min~L/min量級，由于尺寸微小，可以減少系統的無效體積，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節。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
中國儀器儀表行業協會流量儀表專業協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，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。
圖1為加溫型熱式流量計原理簡圖，圖2是利用帕耳帖效應的致冷型原理圖。加溫型熱式液體質量流量計市場上已有的型號有荷蘭BronkhorstH-iTech公司的Liqu-iFlow型和L-Flow型，美國Brooks公司的Flomega型；致冷型熱式液體質量流量計市場上見到的有美國Estech公司LF系列，流量在0.01g/min~100g/min范圍內有9種滿度規格，響應時間約2s。熱式液體質量微流量計適用于測量液態氣體，藥液混合配比，原料氣化供給系統。體積流量小到10-6L/min~10-3L/min數量級之間，或質量流量10-6kg/min~10-3kg/min。
圖1 加溫型原理簡圖
圖2 致冷型原理簡圖
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。
圖3示出了管式差壓流量計檢測調溫器水泄漏量的結構框圖，流量計由一支長節流管和一個差壓傳感器組成。圖3中被測件為汽車用調溫器，需要檢測調溫器閥門處于關閉狀態時，向調溫器施加的水壓力與泄漏量大小之間的關系。為了使流量計上的壓差對檢測不造成影響，被測件的輸入壓力的檢測傳感器置于被測件壓力液體的入口處。被測件的輸入壓力由壓力液體及調壓閥提供；調節調壓閥，可向被測件施加一序列不同的壓力值。設施加于被測件的壓力值為pj，調壓閥的出口壓力為pt，流量計差壓傳感器的示值為Δp，如果不計管路壓力損失，則pt=Δp+pj。由于流量計兩端的差壓值Δp與流量之間存在某一對應關系，因此Δp與pj的關系實際上反應了被測件的泄漏量與壓力之間的關系。
圖3 管式差壓流量計檢測泄漏量的結構圖
1.3 毛細管液體微流量計
利用不銹鋼毛細管具有十分穩定的滲流性能，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數據穩定且準確性高；④可以實現連續測量，輸出實時流量。
具體應用方法如圖4所示。將已知內徑、長度參數的毛細管串入流程內，利用差壓傳感器計量毛細管兩端的壓差，然后利用毛細管滲流公式即可算出流程內液體的準確流量。
圖4 毛細管計量原理圖
1.4 醫用微量注射泵
醫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，單片機系統發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。結構如圖5所示。
圖5 微量注射泵的結構
醫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%。根據市場調查，目前國產微量注射泵的價格為幾千至1萬多元不等，進口價格2萬元~5萬元。步進電機具有快速啟停、精確步進（無積累誤差）以及能直接接收數字量等優點，而且它的步距角和轉速受環境影響小，僅與脈沖頻率有關，目前市場上的微量注射泵都是采用步進電機進行驅動的。
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
圖6為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。
圖6 恒壓式氣體微流量計原理圖
2.2 定容式流量計
圖7為所設計的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定氣體流量，又便于對整個系統進行清洗.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。
圖7 定容式氣體微流量標準裝置工作原理圖
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。
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