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[1-2], 1989年在美国盐湖城会议上,首次提出MEMS概念:Micro-Electro-Mechanical Systems,即微机电系统,这是指特征尺度在1μm~1 mm之间集电子、机械于一身的器件[3].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[4].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[5].

　　在前期进行的微尺度扩散燃烧实验中[6-11],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[12].

　　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Bronkhorst Hi-Tech公司的Liqui-Flow型和μ-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0.01 g/min~100 g/min范围内有9种满度规格,响应时间约2 s.热式液体质量微流量计适用于测量态气体,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.