微流量计量方法研究

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)