CN109708712B - 一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法，使AAO固定流导元件的质量流量测量具有准确、高效和简便的特点。本发明装置包括：充气装置、第一阀门、容器A、第一温度计、差压变送器、第二阀门、第三阀门、AAO固定流导元件、第二温度计、容器B、第四阀门、真空泵组，实验气体在压差驱动下流经AAO固定流导元件时，根据AAO固定流导元件的进出口动态差压随时间的衰减变化拟合出指数函数，进而计出算气体流经固定流导元件时瞬态质量流量。

Description

一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及 方法

技术领域

本发明涉及一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法，属于测量技术领域。

背景技术

近年来,随着微电子微机械***(MEMS)的发展，微流体技术得到了广泛的关注，人们进行了许多理论和实验研究，了解与流动有关的物理现象。其中，稀薄气体质量流量的测量一直是研究的热门话题。目前常用的测量技术有三种，分别为液滴法、恒压法和定容法。液滴法为直接测量技术，是通过低功率显微镜或光电传感器测定液滴在校准管中移动的速度来得到质量流量的变化；恒压法和恒容法为间接测量技术，恒压法的缺点是活塞在较低的质量流量下运动缓慢，难以精确控制；恒容法只能测量各种准平稳状态的质量流量。

本发明介绍了一种利用动态差压衰减来测量阳极多孔氧化铝(AAO)固定流导元件的质量流量的新技术，使固定流导元件质量流量的测量具有准确、高效和简便的特点。

发明内容

本发明提出一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法，以达到精确测量固定流导元件瞬态质量流量的目的。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法，其特点在于一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置包括：充气装置、第一阀门、容器A、第一温度计、差压变送器、第二阀门、第三阀门、AAO固定流导元件、第二温度计、容器B、第四阀门、真空泵组。

容器A通过第一阀门与充气装置相连，容器A上安装有第一温度计，容器A与容器B通过第二阀门相连，AAO固定流导元件的高压端与第三阀门相连，AAO固定流导元件的低压端与容器B相连，容器B上安装有第二温度计，容器B通过第四阀门与真空泵组相连，差压变送器高压端与容器A相连，低压端与容器B相连。

所述容器A和容器B材质均为不锈钢，利用气体膨胀法测得容器A和周边管道、阀门的高压端体积为V₁＝1.34×10^-2m³，容器B和周边管道、阀门的低压端体积为V₂＝7.1×10^{- 4}m³。

所述差压变送器测量AAO固定流导元件两端的动态差压变化，根据推导出的理论公式，采用最小二乘法函数拟合和微分的方法，计算出气体流经AAO固定流导元件的瞬态质量流量

所述AAO固定流导元件的AAO材料型号为上海上木科技有限公司生产的AAO-DP-25，孔径为13mm，分别使用氮气、氦气、氩气作为实验气体流经AAO固定流导元件时，始终处于分子流状态，其流导从真空到大气压条件下保持恒定。

利用本发明测量固定流导元件质量流量是按照以下步骤完成的：

1、关闭第一阀门，打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，使用真空泵组将***抽真空至1×10^-3Pa以下，随后打开第一阀门，关闭第四阀门，将实验气体引入容器A和容器B，使其达到一定压力p₀。然后关闭第二阀门和第三阀门，再次向容器A中充入实验气体，使得容器A中压力再次升高，差压变送器两端压差的示数从0Pa增加至1200Pa时，关闭第一阀门。等待约15分钟，使容器A和B的温度、压力达到稳定状态，再次开启第三阀门，由于压差的存在，容器A中的气体流经AAO固定流导元件进入容器B，最终两容器中的压力达到平衡状态，此时，差压变送器两端的压强差ΔP从1200Pa降至0Pa所用时间为t。

2、AAO固定流导元件的质量流量可以由下面过程推导得出：

通过AAO固定流导元件的气体质量流量与容器A、B之间的气体质量变化有关，质量变化与容器内压力随时间的变化有关，根据理想气体状态方程：

p₁V₁＝M₁RT，p₂V₂＝M₂RT (1)

式中，T是温度,R是气体常数,V_i是容器A、B和它们周边管道和阀门的总体积,p_i和M_i是容器A、B及它们周边管道和阀门的压强和气体质量。在整个实验中，容器温度保持不变。其中，容器B及周边管道和阀门气体质量变化是：

在整个实验中，温度的变化dT/T＝10^-3左右，平均压强的变化在dp/p＝10^-1左右，因此可忽略不计。从等式(2)中可得出容器B及周边管道和阀门中气体质量：

根据质量守恒定律，得出质量流量：

因此，从方程(3)和(4)，可以简单地得出：

其中Δp(t)是容器A和B之间的压差，Δp(t)＝p₂(t)-p₁(t).

根据流导的定义，可以得到AAO固定流导元件的流导：

式中Q₁、Q₂分别表示流经V₁、V₂的气体流量，在真空科学和技术领域常用于表示气体流量的流量Q˙定义为：

如上所示，从方程(3)、(6)和(7)，可以得出：

从而可以获得容器A和B的压差Δp(t)的微分方程：

由于流导元件的流导C为常数，则微分方程式(9)可改写为：

式中，Δp₀是t＝0时的初始压差，τ是实验的特征时间。根据公式(5)，容器B及周边管道和阀门中气体的质量流量可以写为：

它和流经AAO固定流导元件气体的质量流量相等，在实验过程中，可以得到容器A和B两端压差随时间的变化值Δp(t)，根据公式(10)，使用Origin软件对其进行指数函数拟合；然后根据公式(11)，对拟合获得的具体函数求导，其中V₀、R和T已知，最终获得随时间变化的质量流量函数。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明中的氮气、氦气、氩气流经AAO固定流导元件时始终处于分子流状态，因此可以用多种气体来测量固定流导元件的质量流量。

2、本装置可以测量氮气、氦气、氩气流经固定流导元件时任意时刻的质量流量。

3、本发明所使用的AAO固定流导元件的流导一直到大气条件下都是保持恒定，因此该方法从真空条件到大气一直适用。

4、本发明的装置不仅结构简单，便于加工，成本低廉而且抗干扰能力强，测量结果精确。

附图说明

图1是一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置的结构示意图；

其中，1-充气装置、2-第一阀门、3-容器A、4-第一温度计、5-差压变送器、6-第二阀门、7-第三阀门、8-AAO(阳极多孔氧化铝)固定流导元件、9-第二温度计、10-容器B、11-第四阀门、12-真空泵组。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置及方法：包括充气装置1、第一阀门2、容器A3、第一温度计4、差压变送器5、第二阀门6、第三阀门7、AAO固定流导元件8、第二温度计9、容器B10、第四阀门11、真空泵组12。

容器A3通过第一阀门2与充气装置1相连，容器A上安装有第一温度计4，容器A3与容器B10通过第二阀门6相连，AAO固定流导元件8的高压端与第三阀门7相连，AAO固定流导元件7的低压端与容器B10相连，容器B10上安装有第二温度计9，容器B10通过第四阀门11与真空泵组12相连，差压变送器5高压端与容器A3相连，低压端与容器B10相连。

所述容器A3和容器B10材质均为不锈钢，利用气体膨胀法测得容器A3和周边管道、阀门的高压端体积为V₁＝1.34×10^-2m³，容器B10和周边管道、阀门的低压端体积为V₂＝7.1×10^-4m³。

所述差压变送器5测量AAO固定流导元件8两端的动态差压变化。

所述AAO固定流导元件8的AAO材料型号为上海上木科技有限公司生产的AAO-DP-25，孔径为13mm，分别使用氮气、氦气、氩气作为实验气体流经AAO固定流导元件时，始终处于分子流状态，其流导从真空到大气压条件下保持恒定。

利用本发明测量固定流导元件的质量流量是按照以下步骤完成的：

1、关闭第一阀门2，打开第二阀门6、第三阀门7和第四阀门11，使用真空泵组12将***抽真空至1×10^-3Pa以下，随后打开第一阀门2，关闭第四阀门11，将实验气体引入容器A3和容器B10，使其达到一定压力p₀。然后关闭第二阀门6和第三阀门7，再次向容器A3中充入实验气体，使得容器A3中压力再次升高，差压变送器5两端压差的示数从0Pa增加至1200Pa时，关闭第一阀门2。等待约15分钟，使容器A3和B10的温度、压力达到稳定状态，再次开启第三阀门7，由于压差的存在，容器A3中的气体流经AAO固定流导元件8进入容器B10，最终两容器中的压力达到平衡状态，此时，差压变送器5两端的压强差ΔP从1200Pa降至0Pa所用时间为t。

2、AAO固定流导元件8的质量流量可以由下面过程推导得出：

通过AAO固定流导元件8的气体质量流量与容器A3、B10之间的质量变化有关，质量变化与容器内压力随时间的变化有关。根据理想气体状态方程：

p₁V₁＝M₁RT，p₂V₂＝M₂RT (1)

式中，T是温度,R是气体常数,V_i是容器A3、B10和它们周边管道和阀门的总体积,p_i和M_i是容器A3、B10和它们周边管道和阀门的压强和气体质量。在整个实验中，容器温度保持不变。其中，容器B10及周边管道和阀门气体质量变化是：

在整个实验中，温度的变化dT/T＝10^-3左右，平均压强的变化在dp/p＝10^-1左右，因此可忽略不计。从等式(2)中可得出容器B10及周边管道和阀门中气体质量：

根据质量守恒定律，得出质量流量：

因此，从方程(3)和(4)，可以简单地得出：

其中Δp(t)是容器A3和B10之间的压差，Δp(t＝p₂(t-p₁(t.

根据流导的定义，可以得到AAO固定流导元件8的流导：

式中Q₁、Q₂分别表示流经V₁、V₂的气体流量，在真空科学和技术领域常用于表示气体流量的流量Q˙定义为：

如上所示，从方程(3)、(6)和(7)，可以得出：

从而可以获得容器A3和B10的压差Δp(t的微分方程：

由于流导元件的流导C为常数，则微分方程式(9)可改写为：

式中，Δp₀是t＝0时的初始压差，τ是实验的特征时间，根据公式(5)，容器B10及周边管道和阀门中气体的质量流量可以写为：

它和流经AAO固定流导元件8气体的质量流量相等，在实验过程中，可以得到容器A3和B10两端压差随时间的变化值Δp(t)，根据公式(10)，使用Origin软件对其进行指数函数拟合；然后根据公式(11)，对拟合获得的具体函数求导，其中V₀、R和T已知，最终获得随时间变化的质量流量函数。

Claims (5)

1.一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置，其特征在于：包括充气装置(1)、第一阀门(2)、容器A(3)、第一温度计(4)、差压变送器(5)、第二阀门(6)、第三阀门(7)、AAO固定流导元件(8)、第二温度计(9)、容器B(10)、第四阀门(11)、真空泵组(12)；

容器A(3)通过第一阀门(2)与充气装置(1)相连，容器A上安装有第一温度计(4)，容器A(3)与容器B(10)通过第二阀门(6)相连，AAO固定流导元件(8)的高压端与第三阀门(7)相连，AAO固定流导元件(8)的低压端与容器B(10)相连，容器B(10)上安装有第二温度计(9)，容器B(10)通过第四阀门(11)与真空泵组(12)相连，差压变送器(5)高压端与容器A(3)相连，低压端与容器B(10)相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置，其特征在于:容器A(3)和容器B(10)材质均为不锈钢，利用气体膨胀法测得容器A(3)和周边管道、阀门的高压端体积为V₁＝1.34×10^-2m³，容器B(10)和周边管道、阀门的低压端体积为V₂＝7.1×10^-4m³。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置，其特征在于：所述的差压变送器(5)测量AAO固定流导元件(8)两端的动态差压变化，根据推导出的理论公式，采用最小二乘法函数拟合和微分的方法，计算出气体流经AAO固定流导元件(8)的瞬态质量流量。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置，其特征在于：所述的AAO固定流导元件(8)的AAO材料型号为上海上木科技有限公司生产的AAO-DP-25，孔径为13mm，分别使用氮气、氦气、氩气作为实验气体流经AAO固定流导元件(8)时，始终处于分子流状态，其流导从真空到大气压条件下保持恒定。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态差压衰减的固定流导元件质量流量测量装置，其特征具体步骤如下：

一、关闭第一阀门，打开第二阀门、第三阀门和第四阀门，使用真空泵组将***抽真空至1×10^-3Pa以下，随后打开第一阀门，关闭第四阀门，将实验气体引入容器A和容器B，使其达到一定压力p₀，然后关闭第二阀门和第三阀门，再次向容器A中充入实验气体，使得容器A中压力再次升高，差压变送器两端压差的示数从0Pa增加至1200Pa时，关闭第一阀门，等待约15分钟，使容器A和B的温度、压力达到稳定状态，再次开启第三阀门，由于压差的存在，容器A中的气体流经AAO固定流导元件进入容器B，最终两容器中的压力达到平衡状态，此时，差压变送器两端的压强差ΔP从1200Pa降至0Pa所用时间为t；

二、AAO固定流导元件的质量流量可以由下面过程推导得出：

通过AAO固定流导元件的气体质量流量与容器A、B之间的质量变化有关，质量变化与容器内压力随时间的变化有关，根据理想气体状态方程：

p₁V₁＝M₁RT，p₂V₂＝M₂RT (1)

式中，T是温度，R是气体常数，V_i是容器A、B和它们周边管道和阀门的总体积，p_i和M_i是容器A、B及它们周边管道和阀门的压强和气体质量，在整个实验中，容器温度保持不变，其中，容器B及周边管道和阀门气体质量变化是：

在整个实验中，温度的变化dT/T＝10^-3左右，平均压强的变化在dp/p＝10^-1左右，因此可忽略不计，从等式(2)中可得出容器B及周边管道和阀门中气体质量：

根据质量守恒定律，得出质量流量

因此，从方程(3)和(4)，可以简单地得出

其中Δp(t)是容器A和B之间的压差，Δp(t)＝p₂(t)-p₁(t).

根据流导的定义，可以得到AAO固定流导元件的流导

式中Q₁、Q₂分别表示流经V₁、V₂的气体流量，在真空科学和技术领域常用于表示气体流量的流量

定义为

如上所示，从方程(3)、(6)和(7)，可以得出

从而可以获得容器A和B的压差Δp(t)的微分方程：

由于流导元件的流导C为常数，则微分方程式(9)可改写为：

式中，Δp₀是t＝0时的初始压差，τ是实验的特征时间，根据公式(5)，容器B及周边管道和阀门中气体的质量流量可以写为：

它和流经AAO固定流导元件气体的质量流量相等，在实验过程中，可以得到容器A和B两端压差随时间的变化值Δp(t)，根据公式(10)，使用Origin软件对其进行指数函数拟合；

然后根据公式(11)，对拟合获得的具体函数求导，其中V₀、R和T已知，最终获得随时间变化的质量流量函数。

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