摘 要： 微型燃燒系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度很小，其流動(dòng)、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(jìn)行微燃燒的實(shí)驗(yàn)研究中，實(shí)現(xiàn)對(duì)微燃料流量的精確測(cè)量是實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章介紹了目前國(guó)內(nèi)對(duì)于液體、氣體微流量的幾種計(jì)量方法，并對(duì)各流量計(jì)的測(cè)量原理，測(cè)量裝置性能進(jìn)行了評(píng)述。供微機(jī)電及計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域的工作者參考。
關(guān)鍵字： 微流量 微燃燒 液體流量計(jì) 氣體流量計(jì) 微機(jī)電
目前，微機(jī)電設(shè)備正引起越來(lái)越多的學(xué)者的關(guān)注，1989年在美國(guó)鹽湖城會(huì)議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，即微機(jī)電系統(tǒng)，這是指特征尺度在1μm~1mm之間集電子、機(jī)械于一身的器件。微燃燒的研究是制造微機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ)，而微燃料的精確計(jì)量又是對(duì)微燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的前提。微流量測(cè)量與控制系統(tǒng)是微機(jī)械研究的一個(gè)重要方向，也是微流體精密測(cè)量與控制的一個(gè)主要技術(shù)手段。微流量系統(tǒng)研究的技術(shù)背景是微機(jī)械加工技術(shù)的成熟，應(yīng)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(chǎng)合。在微流量系統(tǒng)的研究成熟后，它甚至可以替代現(xiàn)在的一些產(chǎn)品。微流體系統(tǒng)的流量在nL/min~L/min量級(jí)，由于尺寸微小，可以減少系統(tǒng)的無(wú)效體積，降低能耗，提高響應(yīng)速度。
在前期進(jìn)行的微尺度擴(kuò)散燃燒實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)微火焰的各方面特性有了初步了解，隨著實(shí)驗(yàn)向更細(xì)的方面進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)微流量的精確計(jì)量將是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因?yàn)槲⒘髁康膶?shí)際供應(yīng)值和計(jì)量值之間的誤差大小將直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)微流量測(cè)量的研究起步相對(duì)較晚，隨著理論研究的深入，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)微流量測(cè)量的難度和存在的問(wèn)題有了更具體和更深刻的認(rèn)識(shí)，通過(guò)不斷地改進(jìn)和完善，使得微流量測(cè)量技術(shù)不斷得到發(fā)展。
1 液體微燃料的計(jì)量
市面上國(guó)產(chǎn)液體流量計(jì)一般最小流量只能達(dá)到每分鐘幾百毫升，進(jìn)口流量計(jì)一般最小流量每分鐘幾十毫升，但價(jià)格昂貴；而一般的標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)；如板孔式、噴嘴式、文丘里管式等，其額定流量較大，測(cè)量精度較低，通常誤差大于5%。不能滿足液體微流量計(jì)量的要求。
1.1 熱式液體質(zhì)量微流量?jī)x表
中國(guó)儀器儀表行業(yè)協(xié)會(huì)流量?jī)x表專業(yè)協(xié)會(huì)的專家對(duì)熱式流量計(jì)的測(cè)量原理、性能和應(yīng)用作了概要介紹。
熱式流量計(jì)從測(cè)量原理出發(fā)，可分為兩類：1）利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管的管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布流量計(jì)，以前稱為量熱式流量計(jì)；2）利用熱散消（冷卻）效應(yīng)的金氏定律的熱式質(zhì)量流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)特征為測(cè)溫元件插入流量傳感器測(cè)量管或管道內(nèi)，稱為插入型熱式流量計(jì)。但現(xiàn)有液體微小流量的熱式流量計(jì)均屬熱分布流量計(jì)。
圖1為加溫型熱式流量計(jì)原理簡(jiǎn)圖，圖2是利用帕耳帖效應(yīng)的致冷型原理圖。加溫型熱式液體質(zhì)量流量計(jì)市場(chǎng)上已有的型號(hào)有荷蘭BronkhorstH-iTech公司的Liqu-iFlow型和L-Flow型，美國(guó)Brooks公司的Flomega型；致冷型熱式液體質(zhì)量流量計(jì)市場(chǎng)上見到的有美國(guó)Estech公司LF系列，流量在0.01g/min~100g/min范圍內(nèi)有9種滿度規(guī)格，響應(yīng)時(shí)間約2s。熱式液體質(zhì)量微流量計(jì)適用于測(cè)量液態(tài)氣體，藥液混合配比，原料氣化供給系統(tǒng)。體積流量小到10-6L/min~10-3L/min數(shù)量級(jí)之間，或質(zhì)量流量10-6kg/min~10-3kg/min。
圖1 加溫型原理簡(jiǎn)圖
圖2 致冷型原理簡(jiǎn)圖
1.2 標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)
管式差壓流量計(jì)是用于液體微泄漏量的檢測(cè)的儀器。湖北汽車工業(yè)學(xué)院自行設(shè)計(jì)了一種管式差壓流量計(jì)，較好地解決了調(diào)溫器水泄漏量檢測(cè)中的大范圍度微流量的測(cè)量問(wèn)題。
圖3示出了管式差壓流量計(jì)檢測(cè)調(diào)溫器水泄漏量的結(jié)構(gòu)框圖，流量計(jì)由一支長(zhǎng)節(jié)流管和一個(gè)差壓傳感器組成。圖3中被測(cè)件為汽車用調(diào)溫器，需要檢測(cè)調(diào)溫器閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，向調(diào)溫器施加的水壓力與泄漏量大小之間的關(guān)系。為了使流量計(jì)上的壓差對(duì)檢測(cè)不造成影響，被測(cè)件的輸入壓力的檢測(cè)傳感器置于被測(cè)件壓力液體的入口處。被測(cè)件的輸入壓力由壓力液體及調(diào)壓閥提供；調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，可向被測(cè)件施加一序列不同的壓力值。設(shè)施加于被測(cè)件的壓力值為pj，調(diào)壓閥的出口壓力為pt，流量計(jì)差壓傳感器的示值為Δp，如果不計(jì)管路壓力損失，則pt=Δp+pj。由于流量計(jì)兩端的差壓值Δp與流量之間存在某一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此Δp與pj的關(guān)系實(shí)際上反應(yīng)了被測(cè)件的泄漏量與壓力之間的關(guān)系。
圖3 管式差壓流量計(jì)檢測(cè)泄漏量的結(jié)構(gòu)圖
1.3 毛細(xì)管液體微流量計(jì)
利用不銹鋼毛細(xì)管具有十分穩(wěn)定的滲流性能，且毛細(xì)管的液體流量與毛細(xì)管兩端的壓差成正比，與液體的粘度成反比的關(guān)系，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量毛細(xì)管兩端的壓差來(lái)準(zhǔn)確計(jì)量液體流量。而壓差計(jì)量是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)。將毛細(xì)管的這種特性用于液體微流量測(cè)量，將會(huì)得到精確的測(cè)量結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)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(shù)據(jù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確性高；④可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，輸出實(shí)時(shí)流量。
具體應(yīng)用方法如圖4所示。將已知內(nèi)徑、長(zhǎng)度參數(shù)的毛細(xì)管串入流程內(nèi)，利用差壓傳感器計(jì)量毛細(xì)管兩端的壓差，然后利用毛細(xì)管滲流公式即可算出流程內(nèi)液體的準(zhǔn)確流量。
圖4 毛細(xì)管計(jì)量原理圖
1.4 醫(yī)用微量注射泵
醫(yī)用微量注射泵由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、絲桿和支架等構(gòu)成，具有往復(fù)移動(dòng)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(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出控制脈沖使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)注射器的活塞進(jìn)行注射輸送液體，把注射器中的液體燃料輸出。通過(guò)設(shè)定螺桿的旋轉(zhuǎn)速度，就可調(diào)整其對(duì)注射器針?biāo)ǖ耐七M(jìn)速度，從而調(diào)整所給的液體燃料。結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 微量注射泵的結(jié)構(gòu)
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(chǎn)的TS2-60型注射泵的量程為1μL/h~63mL/h，允許誤差為<1%。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，目前國(guó)產(chǎn)微量注射泵的價(jià)格為幾千至1萬(wàn)多元不等，進(jìn)口價(jià)格2萬(wàn)元~5萬(wàn)元。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停、精確步進(jìn)（無(wú)積累誤差）以及能直接接收數(shù)字量等優(yōu)點(diǎn)，而且它的步距角和轉(zhuǎn)速受環(huán)境影響小，僅與脈沖頻率有關(guān)，目前市場(chǎng)上的微量注射泵都是采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。
2 氣體微燃料的計(jì)量
氣體流量是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的氣體量，其狀態(tài)由壓力、體積和時(shí)間3個(gè)參量來(lái)描述。氣體流量的測(cè)量有3種方法：若氣體壓力保持不變，通過(guò)改變氣體體積的測(cè)量方法，則為恒壓法；若體積保持不變，通過(guò)改變壓力的測(cè)量方法，則為定容法；若壓力和體積都在變化，則為變壓變?nèi)莘āＳ纱丝芍鶕?jù)流量測(cè)量的方法，可分為恒壓式流量計(jì)、定容式流量計(jì)和變壓變?nèi)菔搅髁坑?jì)。變壓變?nèi)菔搅髁坑?jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，實(shí)際應(yīng)用的較少，一般采用恒壓式流量計(jì)和定容式流量計(jì)。
2.1 恒壓式流量計(jì)
圖6為恒壓式氣體微流量計(jì)原理圖。該恒壓式氣體微流量計(jì)能夠提供3.96×10-4Pa?m3/s~3.64×10-8Pa?m3/s范圍內(nèi)的氣體微流量。在10-8Pa?m3/s范圍內(nèi)的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1%，在1×10-7Pa?m3/s~1×10-4Pa?m3/s范圍內(nèi)的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.7%。流量測(cè)量原理是：當(dāng)氣體流入或流出變?nèi)菔視r(shí)，改變變?nèi)菔业娜莘e，使變?nèi)菔抑袣怏w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(guò)測(cè)量變?nèi)菔覂?nèi)氣體的壓力P、溫度T和體積變化率dV/dt而計(jì)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?nèi)菔覊毫Γ瑔挝唬篜a；dV/dt為變?nèi)菔殷w積變化率，單位：m3/s；Tr/T為變?nèi)菔覝囟茸兓剩瑹o(wú)量綱。
圖6 恒壓式氣體微流量計(jì)原理圖
2.2 定容式流量計(jì)
圖7為所設(shè)計(jì)的定容式氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理圖。該標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，校準(zhǔn)室是圓柱形不銹鋼容器，容器內(nèi)表面通過(guò)機(jī)械拋光和電化學(xué)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(guò)渡和連接管道由機(jī)床加工而成，避免了由于管道焊接帶來(lái)的形位公差而引起的漏氣。在校準(zhǔn)室周圍設(shè)計(jì)了旁通管道，既有利于在測(cè)量中穩(wěn)定氣體流量，又便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行清洗.整套裝置由計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過(guò)程的全自動(dòng)化操作。
圖7 定容式氣體微流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理圖
3 結(jié)束語(yǔ)
微型動(dòng)力源的研究是在微型機(jī)械設(shè)備制造技術(shù)最近取得發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。微流量的計(jì)量精度對(duì)于分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，掌握微火焰的各種燃燒特性，提高微機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性等都有重要的作用。本文對(duì)幾種液體、氣體微流量計(jì)量方法作了簡(jiǎn)單的介紹，具有重要的參考價(jià)值。
