微流量计量方法研究

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。