丁亮

重慶科技學(xué)院，中國(guó)·重慶 401331

MEMS技術(shù)；熱式質(zhì)量；流量檢測(cè)；系統(tǒng)研究

1 引言

質(zhì)量流量計(jì)量與監(jiān)測(cè)是現(xiàn)階段中國(guó)工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中的重要構(gòu)成，是工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著中國(guó)社會(huì)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)不斷變化，從原有的封閉管道（明渠）流量計(jì)量、差壓式流量計(jì)檢測(cè)、速度式流量計(jì)檢測(cè)、容積式流量計(jì)檢測(cè)等發(fā)展到現(xiàn)如今的MEMS技術(shù)熱式質(zhì)量流量檢測(cè)系統(tǒng)，其檢測(cè)精度不斷提高，且MEMS技術(shù)的應(yīng)用大大提高了流量質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確度、可靠性與量程水平，具有良好的發(fā)展前景。

2 基于MEMS技術(shù)的熱式質(zhì)量流量檢測(cè)研究背景

在工業(yè)領(lǐng)域中，技術(shù)人員需要對(duì)流體的流量與質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量與控制，通過(guò)檢測(cè)，能夠清晰了解到流體的流動(dòng)過(guò)程，能夠提高工業(yè)生產(chǎn)線工藝技術(shù)的自動(dòng)化水平，優(yōu)化具體參數(shù)，提高耗能控制效率，強(qiáng)化成本管理，可以說(shuō)，流量檢測(cè)與耗能效率、產(chǎn)品質(zhì)量與成本等具有直接關(guān)聯(lián)[1]。

在工業(yè)領(lǐng)域的電力部門中，流量檢測(cè)技術(shù)不僅僅能夠優(yōu)化電廠的運(yùn)行效率，提高資金利用率，更能夠保障電廠整體系統(tǒng)的運(yùn)行安全，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。以火電廠為例，若主蒸汽流量累計(jì)誤差大于3%，則會(huì)引起大量的煤耗計(jì)算誤差，對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，不利于企業(yè)的良性發(fā)展。同樣，流量檢測(cè)能夠使用于冶金業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)及輕工業(yè)等多個(gè)行業(yè)，通過(guò)有效檢測(cè)與控制流量，能夠提高能源利用率，避免造成不必要的浪費(fèi)，能夠在一定程度上解決中國(guó)能源緊張的問(wèn)題。結(jié)合上述論證，流量檢測(cè)是工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中的熱門技術(shù)，在MEME技術(shù)背景下，其顯示出更廣闊的發(fā)展前景，具有較大的開發(fā)潛力[2]。

3 傳統(tǒng)流量檢測(cè)方法

傳統(tǒng)流量計(jì)量與檢測(cè)的方法類型較多，若按照測(cè)量場(chǎng)合劃分，則可以分為明渠流量計(jì)量檢測(cè)與封閉管道流量計(jì)量。明渠流量計(jì)量主要是用于測(cè)量明渠、暗渠等開放式的渠道中的流量的主要方法，結(jié)合不同的測(cè)量場(chǎng)合，明渠計(jì)量檢測(cè)設(shè)備可以分為U 字形、圓形、梯形、矩形等多種形狀，能夠用于市政供水引水渠、排水渠、電廠引水渠、污水治理排放渠等多個(gè)場(chǎng)景。

若按照被檢測(cè)的流體的物理量進(jìn)行劃分，則檢測(cè)方法可以細(xì)化分為：差壓式流量計(jì)檢測(cè)、速度式流量計(jì)檢測(cè)、容積式流量計(jì)檢測(cè)等。

其中差壓式流量計(jì)檢測(cè)具有較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展歷史，且在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用較為廣泛，具有標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化等特點(diǎn)，有可以細(xì)化分為音速噴嘴、文丘里管、孔板、勻速管等流量計(jì)；技術(shù)人員結(jié)合具體的方程原理，對(duì)管道中的流量進(jìn)行檢測(cè)與計(jì)算；這一方法具有安裝要求較高、精度要求較高等使用難點(diǎn)，且不適用于脈動(dòng)的流體測(cè)量[3]。

速度式流量計(jì)檢測(cè)主要是利用管道中的流體流動(dòng)速度檢測(cè)其中的流量，是當(dāng)下主要的流體檢測(cè)方法之一，且仍具有一定的發(fā)展前景，相較于上述的差壓式流量檢測(cè)，其能夠利用平均流速進(jìn)行流量計(jì)量與檢測(cè)，但是對(duì)管路條件的要求較高，若分布不對(duì)稱，則會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果，造成較為明顯的誤差，不能夠滿足工業(yè)測(cè)控流域?qū)τ诹髁繖z測(cè)的精度要求。

容積式流量計(jì)檢測(cè)與現(xiàn)代社會(huì)生活中的容器計(jì)量液體體積具有一定的相似度，其主要是通過(guò)測(cè)量液體填充的計(jì)量空間體積，進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著被填充次數(shù)的增加，將其與體積參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，能夠獲取流量的總體積，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)，雖然這一技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，但是其受到管道的影響較大，仍存在一定的弊端[4]。

4 MEMS技術(shù)及其熱式質(zhì)量流量檢測(cè)方法

4.1 MEMS技術(shù)概述

MEMS技術(shù)有稱之為“微電子機(jī)械系統(tǒng)”，其主要是建立在納米技術(shù)基礎(chǔ)上的，主要是對(duì)納米與微米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、處理、加工、測(cè)量與控制，與驅(qū)動(dòng)部件、光學(xué)系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機(jī)械零部件共同構(gòu)成一個(gè)微型單元系統(tǒng)。這一技術(shù)不僅僅能夠促使被應(yīng)用的系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集處理與傳輸?shù)哪芰Γ€能夠自主獲取外部指令，做出動(dòng)作。MEMS技術(shù)的工藝包括：外延生長(zhǎng)、離子注入、測(cè)試、監(jiān)測(cè)、封裝，能夠廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[5]?，F(xiàn)階段，技術(shù)人員將MEMS技術(shù)運(yùn)用到熱式質(zhì)量流量檢測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)中，優(yōu)化流量檢測(cè)技術(shù)，提高檢測(cè)有效性，在一定程度上降低了流量檢測(cè)收到外界因素干擾的程度，推動(dòng)了工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的進(jìn)步與發(fā)展。

4.2 MEMS技術(shù)的熱式質(zhì)量流量檢測(cè)方法

隨著集成電路的快速發(fā)展，微系統(tǒng)技術(shù)逐漸出現(xiàn)在人們的事業(yè)中，對(duì)原有的流量檢測(cè)技術(shù)造成影響，能夠有效節(jié)省原料與能源，提高資源利用率，且能夠?qū)崿F(xiàn)多功能的高度集成，降低生產(chǎn)成本，成為工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中的全新發(fā)展思路。

在上述提到的傳統(tǒng)流量檢測(cè)中，一般都是選擇接觸式的測(cè)量技術(shù)，通過(guò)傳感器介入流體，這種技術(shù)會(huì)受到較為嚴(yán)重的流體流動(dòng)狀態(tài)的影響，且促使固體與流體之間產(chǎn)生耦合效應(yīng)，降低了流體的測(cè)量精度，不利于為工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域提供精準(zhǔn)參數(shù)。

技術(shù)人員將MEMS技術(shù)運(yùn)用到流量傳感器中，能夠有效降低外界因素對(duì)流量檢測(cè)的干擾，且提高傳感器的質(zhì)量慣性，提高其相應(yīng)速度、集成效率與資源利用效率，實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本的運(yùn)行。

MEMS 流量檢測(cè)技術(shù)具體可以細(xì)化分為：熱式微流量檢測(cè)計(jì)、升力式檢測(cè)計(jì)、差壓式檢測(cè)計(jì)、流體振動(dòng)式檢測(cè)計(jì)等，其中熱式微流量檢測(cè)計(jì)是出現(xiàn)較早的一種技術(shù)形式，可以細(xì)化分為熱線式與傳熱式兩種不同的形式，且能夠根據(jù)熱損失與分布情況，測(cè)量流量，這種流量檢測(cè)方法不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有較高的可靠性，且實(shí)用性較強(qiáng)，現(xiàn)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。

5 MEMS技術(shù)的熱式質(zhì)量流量檢測(cè)系統(tǒng)研究與構(gòu)建

5.1 MEMS技術(shù)的熱式質(zhì)量流量檢測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

熱式質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)是在原有的熱力學(xué)基礎(chǔ)上衍生而出的一種全新流量檢測(cè)技術(shù)，其主要運(yùn)用與熱式質(zhì)量流量計(jì)中，能夠直接對(duì)流體質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量；現(xiàn)階段，其主要應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)控制中，尤其是氣體流量檢測(cè)中，其具體可以分為以下測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）運(yùn)用于石油化工、火炬氣體、采油氣體質(zhì)量流量檢測(cè)中。

（2）運(yùn)用于食品加工、飲品氣體質(zhì)量流量檢測(cè)與控制中。

（3）運(yùn)用于鍋爐燃料氣體的質(zhì)量流量檢測(cè)與控制中。

（4）運(yùn)用于燃燒爐、燃?xì)廨啓C(jī)氫氣等專用空氣質(zhì)量流量檢測(cè)與控制中。

（5）運(yùn)用于催化劑等化學(xué)添加劑的質(zhì)量流量檢測(cè)與控制中。

（6）運(yùn)用于水廠中的氯氣等氣體的質(zhì)量流量控制中。

（7）運(yùn)用于空調(diào)系統(tǒng)檢測(cè)中。

（8）運(yùn)用于保護(hù)泵控制系統(tǒng)、潤(rùn)滑油池泄漏等方面的流量檢測(cè)中。

（9）運(yùn)用于儀器儀表、氮?dú)狻⒐に嚳諝獾葰怏w的質(zhì)量流量檢測(cè)中。

5.2 熱損失流量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

關(guān)于熱損失流量檢測(cè)，其最早的運(yùn)用技術(shù)是熱線風(fēng)速計(jì)，其主要是結(jié)合熱對(duì)流偏微分方程，進(jìn)行求解，得出較為著名的公式—“King 公式”，就是在無(wú)限大的流暢中，對(duì)強(qiáng)迫發(fā)生的對(duì)流的無(wú)限長(zhǎng)圓柱體的熱損耗H 與介質(zhì)流速U進(jìn)行平方根的換算，這一理論奠定了熱線風(fēng)速的基礎(chǔ)理論。在MEME技術(shù)融入之后，在原有的熱線風(fēng)速檢測(cè)基礎(chǔ)之上，衍生成了熱損失微流量計(jì)，技術(shù)人員在微系統(tǒng)中，搭建熱線結(jié)構(gòu)，完成流量測(cè)量檢測(cè)，從而提高流量計(jì)的分辨率與精準(zhǔn)率；這一技術(shù)仍然存在機(jī)械強(qiáng)度不強(qiáng)的問(wèn)題，且應(yīng)用范圍較為狹窄，技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，引進(jìn)微型管道，有效保護(hù)感應(yīng)部件。在MEME的熱損失流量計(jì)的使用過(guò)程中，技術(shù)人員可以針對(duì)流體的流速，選擇恒功率或者恒溫的加熱方式，從而測(cè)量出質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，這種測(cè)量方式具有電阻較粗、不易受潮、耐臟強(qiáng)度大等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，既能夠計(jì)量較寬的量程，又能夠測(cè)量出高精準(zhǔn)度的數(shù)據(jù)參數(shù)。

5.3 熱分布式質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

熱分布式質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)是一種應(yīng)用較廣的熱式流量檢測(cè)技術(shù)，相較于上述的熱損失測(cè)量方法，其能夠根據(jù)流體流量對(duì)熱量溫度場(chǎng)分布的干擾情況進(jìn)行測(cè)量，在使用該技術(shù)時(shí)，技術(shù)人員可以將熱源放置在流體管路中，并且在熱源的兩端對(duì)稱位置放置溫度傳感器，分別檢測(cè)T1、T2 處的溫度，可以發(fā)現(xiàn)若流量為0，則T1=T2，若液體流動(dòng)，則溫度不再對(duì)稱，且T1 ＜T2，可以發(fā)現(xiàn)，液體的流體質(zhì)量流量與T △之間具有一定的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)T △，可以獲取質(zhì)量流量參數(shù)。隨著MEME技術(shù)的發(fā)展，熱分布式流量質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)在應(yīng)用的過(guò)程中，能夠結(jié)合不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)經(jīng)過(guò)發(fā)熱源兩側(cè)的熱量進(jìn)行流量的檢測(cè)與控制，且還能夠在發(fā)熱源的四周布置多個(gè)熱堆，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)方向的測(cè)量與控制。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)水平不斷提升，其核心應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)生變化，整體準(zhǔn)確率、精準(zhǔn)度、可靠性與安全性大大提升，為現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的發(fā)展提供了可靠的技術(shù)支持。在MEMS技術(shù)的背景下，技術(shù)人員開發(fā)熱式質(zhì)量流量檢測(cè)，就要把握MEMS技術(shù)的核心原理，研究其應(yīng)用現(xiàn)狀，靈活把握熱損失流量檢測(cè)技術(shù)、熱分布式質(zhì)量流量檢測(cè)技術(shù)，構(gòu)建性能良好的熱式質(zhì)量流量檢測(cè)系統(tǒng)。