丁亮

重慶科技學院，中國·重慶 401331

MEMS技術；熱式質量；流量檢測；系統(tǒng)研究

1 引言

質量流量計量與監(jiān)測是現(xiàn)階段中國工業(yè)測控領域中的重要構成，是工業(yè)測控系統(tǒng)中的關鍵環(huán)節(jié)。隨著中國社會科學技術的快速發(fā)展，質量流量檢測技術不斷變化，從原有的封閉管道（明渠）流量計量、差壓式流量計檢測、速度式流量計檢測、容積式流量計檢測等發(fā)展到現(xiàn)如今的MEMS技術熱式質量流量檢測系統(tǒng)，其檢測精度不斷提高，且MEMS技術的應用大大提高了流量質量檢測的準確度、可靠性與量程水平，具有良好的發(fā)展前景。

2 基于MEMS技術的熱式質量流量檢測研究背景

在工業(yè)領域中，技術人員需要對流體的流量與質量進行計量與控制，通過檢測，能夠清晰了解到流體的流動過程，能夠提高工業(yè)生產線工藝技術的自動化水平，優(yōu)化具體參數(shù)，提高耗能控制效率，強化成本管理，可以說，流量檢測與耗能效率、產品質量與成本等具有直接關聯(lián)[1]。

在工業(yè)領域的電力部門中，流量檢測技術不僅僅能夠優(yōu)化電廠的運行效率，提高資金利用率，更能夠保障電廠整體系統(tǒng)的運行安全，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。以火電廠為例，若主蒸汽流量累計誤差大于3%，則會引起大量的煤耗計算誤差，對企業(yè)造成嚴重的經濟損失，不利于企業(yè)的良性發(fā)展。同樣，流量檢測能夠使用于冶金業(yè)、化學工業(yè)、石油工業(yè)及輕工業(yè)等多個行業(yè)，通過有效檢測與控制流量，能夠提高能源利用率，避免造成不必要的浪費，能夠在一定程度上解決中國能源緊張的問題。結合上述論證，流量檢測是工業(yè)測控領域中的熱門技術，在MEME技術背景下，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)流量檢測方法

傳統(tǒng)流量計量與檢測的方法類型較多，若按照測量場合劃分，則可以分為明渠流量計量檢測與封閉管道流量計量。明渠流量計量主要是用于測量明渠、暗渠等開放式的渠道中的流量的主要方法，結合不同的測量場合，明渠計量檢測設備可以分為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場景。

若按照被檢測的流體的物理量進行劃分，則檢測方法可以細化分為：差壓式流量計檢測、速度式流量計檢測、容積式流量計檢測等。

其中差壓式流量計檢測具有較長時間的發(fā)展歷史，且在現(xiàn)代社會中應用較為廣泛，具有標準化、多樣化等特點，有可以細化分為音速噴嘴、文丘里管、孔板、勻速管等流量計；技術人員結合具體的方程原理，對管道中的流量進行檢測與計算；這一方法具有安裝要求較高、精度要求較高等使用難點，且不適用于脈動的流體測量[3]。

速度式流量計檢測主要是利用管道中的流體流動速度檢測其中的流量，是當下主要的流體檢測方法之一，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，其能夠利用平均流速進行流量計量與檢測，但是對管路條件的要求較高，若分布不對稱，則會影響檢測結果，造成較為明顯的誤差，不能夠滿足工業(yè)測控流域對于流量檢測的精度要求。

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

4 MEMS技術及其熱式質量流量檢測方法

4.1 MEMS技術概述

MEMS技術有稱之為“微電子機械系統(tǒng)”，其主要是建立在納米技術基礎上的，主要是對納米與微米材料進行設計、處理、加工、測量與控制，與驅動部件、光學系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、機械零部件共同構成一個微型單元系統(tǒng)。這一技術不僅僅能夠促使被應用的系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集處理與傳輸?shù)哪芰?，還能夠自主獲取外部指令，做出動作。MEMS技術的工藝包括：外延生長、離子注入、測試、監(jiān)測、封裝，能夠廣泛應用于各個領域[5]。現(xiàn)階段，技術人員將MEMS技術運用到熱式質量流量檢測系統(tǒng)的建設中，優(yōu)化流量檢測技術，提高檢測有效性，在一定程度上降低了流量檢測收到外界因素干擾的程度，推動了工業(yè)測控領域的進步與發(fā)展。

4.2 MEMS技術的熱式質量流量檢測方法

隨著集成電路的快速發(fā)展，微系統(tǒng)技術逐漸出現(xiàn)在人們的事業(yè)中，對原有的流量檢測技術造成影響，能夠有效節(jié)省原料與能源，提高資源利用率，且能夠實現(xiàn)多功能的高度集成，降低生產成本，成為工業(yè)測控領域中的全新發(fā)展思路。

在上述提到的傳統(tǒng)流量檢測中，一般都是選擇接觸式的測量技術，通過傳感器介入流體，這種技術會受到較為嚴重的流體流動狀態(tài)的影響，且促使固體與流體之間產生耦合效應，降低了流體的測量精度，不利于為工業(yè)測控領域提供精準參數(shù)。

技術人員將MEMS技術運用到流量傳感器中，能夠有效降低外界因素對流量檢測的干擾，且提高傳感器的質量慣性，提高其相應速度、集成效率與資源利用效率，實現(xiàn)低功耗、低成本的運行。

MEMS 流量檢測技術具體可以細化分為：熱式微流量檢測計、升力式檢測計、差壓式檢測計、流體振動式檢測計等，其中熱式微流量檢測計是出現(xiàn)較早的一種技術形式，可以細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，測量流量，這種流量檢測方法不需要機械運動結構，具有較高的可靠性，且實用性較強，現(xiàn)已經應用于各個領域中。

5 MEMS技術的熱式質量流量檢測系統(tǒng)研究與構建

5.1 MEMS技術的熱式質量流量檢測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

熱式質量流量檢測技術是在原有的熱力學基礎上衍生而出的一種全新流量檢測技術，其主要運用與熱式質量流量計中，能夠直接對流體質量流量進行測量；現(xiàn)階段，其主要應用到工業(yè)生產控制中，尤其是氣體流量檢測中，其具體可以分為以下測量應用場景：

（1）運用于石油化工、火炬氣體、采油氣體質量流量檢測中。

（2）運用于食品加工、飲品氣體質量流量檢測與控制中。

（3）運用于鍋爐燃料氣體的質量流量檢測與控制中。

（4）運用于燃燒爐、燃氣輪機氫氣等專用空氣質量流量檢測與控制中。

（5）運用于催化劑等化學添加劑的質量流量檢測與控制中。

（6）運用于水廠中的氯氣等氣體的質量流量控制中。

（7）運用于空調系統(tǒng)檢測中。

（8）運用于保護泵控制系統(tǒng)、潤滑油池泄漏等方面的流量檢測中。

（9）運用于儀器儀表、氮氣、工藝空氣等氣體的質量流量檢測中。

5.2 熱損失流量檢測技術的應用

關于熱損失流量檢測，其最早的運用技術是熱線風速計，其主要是結合熱對流偏微分方程，進行求解，得出較為著名的公式—“King 公式”，就是在無限大的流暢中，對強迫發(fā)生的對流的無限長圓柱體的熱損耗H 與介質流速U進行平方根的換算，這一理論奠定了熱線風速的基礎理論。在MEME技術融入之后，在原有的熱線風速檢測基礎之上，衍生成了熱損失微流量計，技術人員在微系統(tǒng)中，搭建熱線結構，完成流量測量檢測，從而提高流量計的分辨率與精準率；這一技術仍然存在機械強度不強的問題，且應用范圍較為狹窄，技術人員對其進行調整，引進微型管道，有效保護感應部件。在MEME的熱損失流量計的使用過程中，技術人員可以針對流體的流速，選擇恒功率或者恒溫的加熱方式，從而測量出質量流量數(shù)據(jù)，這種測量方式具有電阻較粗、不易受潮、耐臟強度大等應用優(yōu)勢，既能夠計量較寬的量程，又能夠測量出高精準度的數(shù)據(jù)參數(shù)。

5.3 熱分布式質量流量檢測技術的應用

熱分布式質量流量檢測技術是一種應用較廣的熱式流量檢測技術，相較于上述的熱損失測量方法，其能夠根據(jù)流體流量對熱量溫度場分布的干擾情況進行測量，在使用該技術時，技術人員可以將熱源放置在流體管路中，并且在熱源的兩端對稱位置放置溫度傳感器，分別檢測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，則溫度不再對稱，且T1 ＜T2，可以發(fā)現(xiàn)，液體的流體質量流量與T △之間具有一定的函數(shù)關系，通過檢測T △，可以獲取質量流量參數(shù)。隨著MEME技術的發(fā)展，熱分布式流量質量檢測技術在應用的過程中，能夠結合不同的產品結構，進行優(yōu)化設計，通過檢測經過發(fā)熱源兩側的熱量進行流量的檢測與控制，且還能夠在發(fā)熱源的四周布置多個熱堆，實現(xiàn)流動方向的測量與控制。

6 結語

總而言之，隨著中國科學技術的快速發(fā)展，質量流量檢測技術水平不斷提升，其核心應用技術不斷發(fā)生變化，整體準確率、精準度、可靠性與安全性大大提升，為現(xiàn)代社會工業(yè)測控領域的發(fā)展提供了可靠的技術支持。在MEMS技術的背景下，技術人員開發(fā)熱式質量流量檢測，就要把握MEMS技術的核心原理，研究其應用現(xiàn)狀，靈活把握熱損失流量檢測技術、熱分布式質量流量檢測技術，構建性能良好的熱式質量流量檢測系統(tǒng)。