氣體微小流量測量技術(shù)在半導體加工、汽車(chē)電子、化 工制藥和醫療等行業(yè)有廣泛需求。層流流量技術(shù)具有無(wú)可動(dòng)部件、量程比寬、測量準確、響應快等優(yōu)點(diǎn)，對于氣體微小流量的測量具有相當的優(yōu)勢［1-5］。 20 世紀 50 年代初國外就開(kāi)始進(jìn)行層流流量計的開(kāi) 發(fā)。#早由 Mahood 等［6］于 1956 年地衣次提出在流量測試中運用毛細管; 1957 年，Kreith 等［7］針對短毛細管在小 雷諾數下的流動(dòng)狀況，分析了其內部阻力損失和流動(dòng)特性的機理，為后來(lái)層流傳感技術(shù)的研究與層流流量計開(kāi) 發(fā)應用帶來(lái)巨大的貢獻。2005 年，美國guojia標準與技術(shù)研究院( NIST) Berg［8］指出對于長(cháng)直毛細管層流元件，需要針對進(jìn)出口損失、氣體膨脹影響、熱效應影響、非理想氣體、以及壁面滑移進(jìn)行修正，對于實(shí)驗室高精度測量有 很好的指導意義。為了減小流動(dòng)入口段非線(xiàn)性影響，擴大量程，Pena 等［9］于 2010 年提出一種設置 3 個(gè)取壓點(diǎn)的 設計方案，小流量取全部長(cháng)度毛細管的壓降，大流量則取 毛細管后半部分的壓降，這樣的設計擴大了測量范圍也減少差壓非線(xiàn)性部分占比，但該方法增加了閥門(mén)切換系 統，相對復雜。下面抽取原文中的壓力位差式層流流量傳感元件實(shí)驗模型分析段落分享給廣大用戶(hù)。gka壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
如圖 3 所示，根據壓力位差式層流流量傳感原理設計了實(shí)驗模型。管路均采用不銹鋼材料，每條支路管道規格為 DN10，U 型三通管規格為 DN32。4 個(gè)毛細管組兩兩相同，管路中位置交叉對稱(chēng)，不銹鋼毛細管內徑為0. 8 mm，單個(gè)毛細管組中毛細管數量為 78。在實(shí)際測量過(guò)程中，流體在毛細管內應為充分發(fā)展層流狀態(tài)，根據文 獻［15］中計算方法，設#大雷諾數 Ｒe 為 1 500，計算可得短毛細管長(cháng)度應大于 67 mm，取 L1 = 70 mm。其他具體參數取值如表 1 所示。gka壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器
3. 2 實(shí)驗測試系統
實(shí)驗選用音速?lài)娮鞖怏w流量標準裝置對壓力位差式 層流流量傳感元件模型進(jìn)行測試。該標準裝置測量量程 為 0. 016～6. 5 m3 /h，內含 7 個(gè)臨界流量噴嘴，采用組合噴嘴的方式實(shí)現流量的切換，測量不確定度為± 0. 3% ( k = 2) 。差壓采用英國 Furness Control 公司 FCO560 微 差壓校準器進(jìn)行測量，FCO560 量程為±2 500 Pa，測量精度為讀數的 0. 05%+0. 03 Pa。支路 A 取壓點(diǎn)處壓力( 相 對大氣壓) 采用 FCO510 微差壓校準器進(jìn)行監測，該微差壓校準器的量程為±2 000 Pa，測量精度為±0. 1%。
實(shí)驗系統如圖 3( a) 所示。音速?lài)娮鞖怏w流量標準 裝置設有 17 個(gè)流量點(diǎn)，按這些流量點(diǎn)依次測試。圖 4 所 示為現場(chǎng)實(shí)驗照片。
3. 3 實(shí)驗結果和分析
由于氣體具有可壓縮性，氣體在毛細管內流動(dòng)時(shí)密 度隨著(zhù)壓強的變化而變化，因此，體積流量沿流向是不斷變化的。dz 長(cháng)度微元管段上壓降 ΔP 和體積流量 q 之間滿(mǎn)足哈根－伯肅葉公式［8］。
表 2 可見(jiàn)，整個(gè)測量范圍超過(guò) 400 倍，當流量 Qs 大 于 0. 486 9 m3 /h 時(shí)( ≈0. 075 Qmax，Qmax = 6. 350 1 m3 /h) ，壓力位差式層流流量測量系統總體測量誤差在±0. 8%以 內，小于這個(gè)流量時(shí)測量誤差在±3%以?xún)�。從壓力位�?式層流流量傳感技術(shù)原理分析，不存在小流量測量誤差 增大問(wèn)題，測量數據中小流量測量誤差較大的主要原因估計是人工讀書(shū)誤差導致。由于取壓腔室內毛細管出口 流動(dòng)引起內部流場(chǎng)波動(dòng)，差壓信號存在脈動(dòng)，因此，人工 讀書(shū)不可避免存在誤差，例如，當差壓讀數為 14. 2 Pa 時(shí)，0. 2 Pa 的差壓讀數誤差就引起近超過(guò) 1. 5%的測量誤 差。此外，
微差壓差壓變送器( 即實(shí)驗中用的差壓校準器) 在 小量程范圍相對測量誤差增大也是誤差的主要來(lái)源。本 文研究主要針對該新型傳感元件的線(xiàn)性問(wèn)題，在數據處 理過(guò)程中沒(méi)有引入非線(xiàn)性修正的情況下，對于超過(guò) 400 倍 的測量范圍誤差都很小，說(shuō)明這種流量傳感元件有較好的線(xiàn)性特性。為了更直觀(guān)了解流量和差壓的關(guān)系，將 表 2中的 QW 和 ΔP 繪制成曲線(xiàn)，如圖 5 所示。
由圖 5 可 知，無(wú)論是小流量還是中大流量( Fig．5b) ，流量和差壓都保持良好的線(xiàn)性關(guān)系，并且測量數據在 400 倍測量范圍度內偏差都很小，這對于一般的流量測量技術(shù)是很難達 到的。
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