李炎玺
汉中市质量技术监督检验检测中心 陕西汉中
摘要：液体的流量是工业测量中极其重要的参数，随着流体系统向微小化方向的发展，对液体微小流量进行精确测量的需求越来越多。本文总结了国内外液体微小流量的研究现状，归纳了微小流量的特点，然后对标准装置进行了总体设计，此标准装置以柱塞作为计量基准，采用了全封闭并联四柱塞的结构，经过实验分析，该套标准装置具有良好的检定性能。
关键词：微小流量；标准装置；研究；液体
1 前言
液体流量是钢铁、电力、化工、医药、食品等工业生产过程的重要参数，液体流量的测量是加强能源计量、贸易结算、物料管理、进行经济效益分析和决策的重要依据，是工业生产质量的重要保证，也是控制环境污染的重要手段之一。
微小流量在业界尚无公认的定义和界限，因其应用领域而异是一个模糊的概念。微小流量测量体现于流量本身微小和流速低两个方面，通常的微小流量根据行业习惯不同可以分为小流量、微小流量和超微小流量三个层次。一般，业界通常认为：小于600mL/h的流量可以看作是微小流量。最近几十年时间里，科研人员对于微流体的理论研究逐渐深入，逐步认知了微流体的特性。微小流量一般具有3个特点：1）流体动量较小，雷诺数较低；2）流体的粘度较容易受环境因素影响；3）流体一定程度上受液流通道影响，需要注意微尺度效应。
2 国内同类研究现状分析
现有的微小流量测量装置，主要依据液体流量标准装置的工作原理而设计。通常，液体流量标准装置是流量仪表标定时使用的标准设备，对于微小流量测量，由于测量精度高，投资较小，采用液体流量标准装置原理设计测量装置是微小流量精确测量的常用方案。目前在常规液体流量领域内，国内的标准装置一般能够满足计量要求。在这些研究基础上，国内外的许多科研工作者都将目光转向了微流量的测量。德国联邦物理技术研究院（PTB）研制的标准装置检定流量范围是1mL/min~2000mL/min，该装置的扩展不确定度为0.1%~0.2%。东南大学提出了一种基于改进相差法的测量方法，他们利用电子计数器实现相位的一次粗测量，再根据取样积分原理实现了后续的精细测量，实验的结果表明该仪表在微小流量测量时相对误差小于1%。上海理工大学基于电磁流量计原理研制了一种微小流量计，研究人员根据容积法原理对研制的仪表进行了标定实验，实验的结果表明仪表在测量微小流量时精度为±1.5%。
3 液体微小流量标准装置的研究
3.1 液体微小流量标准装置的工作原理
目前，国外计量机构研制的标准装置一般采用质量法工作原理。但是这种结构的装置存在检定效率低，占地面积大的问题。考虑到活塞式流量标准装置具有自动化程度高、检定时间短、实验结果准确等优点，因此本文将这种结构引入到微小流量计量检测中。
该液体微小流量标准装置是一种将动态测量运用于微小流量计量领域的柱塞式液体流量标准装置。装置以精密加工的柱型活塞作为计量基准，通过步进电机推动柱塞来产生稳定、可调的流量，利用工作时随柱塞一起运动的光栅尺，实时测量柱塞的运动距离。根据柱塞截面积和运动距离，经过简单计算后就可以得到装置在一定时间内排出的液体体积值。
图1 液体微小流量标准装置示意图
3.2 标准装置的检定流程
在进行流量计检定时，装置依据动态容积法液体标准装置的原理来工作的。如图1所示，首先上位机发出运行指令，打开出水阀门。步进电机带动减速机运动，滚珠丝杆将减速机输出的圆周运动转化为柱塞的直线运动，此时柱塞排出的液体经过被检流量计后流入容器。等到上位机显示的流量稳定、流量值达到检定点后，程序启动检定并且下位机计时开始。当达到设定水量后，电机停止转动，关闭气控阀，下位机停止计时，上位机根据实验数据计算后给出检定结果。
标准装置的瞬时体积流量是：
式中，d为柱塞直径，单位是cm；为瞬时体积流量，单位是mL/h；L为柱塞运动距离，单位是cm；t为检定时间，单位是h。
4 装置技术指标分析
标准装置检定流量计，这一部分根据动态容积法标准装置的原理来设计， 根据JJG164-2000《液体流量标准装置检定规程》的检定要求，笔者提出了全封闭多柱塞式液体微小流量标准装置，并对标准装置的不确定度分量进行逐个分析，包括柱塞直径、柱塞体膨胀系数、柱塞温度、柱塞材料弹性模量、柱塞缸内流体压力、光栅尺环境温度、光栅尺膨胀系数等不确定度分量，装置达到的技术指标如下：
（1）标准装置可检定的流量范围是0.1mL/h~1000mL/h，标准装置的重复性优于0.4%，扩展不确定度优于0.5%（k=2），能够用于浮子流量计、科氏质量流量计、输液泵检测仪的检定工作；
（2）标准装置能够实现数据采集、数据处理、报表生成等功能；
5 结语
随着半导体制造业、生物医药装备、航空航天等领域的突破性进展，微小流量测试、监控的需求日益增加。人们也将目光投向了微小流量的检定校准领域。本文设计的柱塞式标准装置目前只用于微小流量的检定，下一步的研究目标是超微流体的检定，因此研究微小流量计量标准装置具有一定的现实意义，同时也会产生显著的社会效益。
参考文献
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作者简介：李炎玺，女，1993 年11月，单位：汉中市质量技术监督检验检测中心，工程师，研究方向：长度流量等计量器具的检定、校准与研究。