葛 言，孫中圣，袁昌榮，李小寧

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

MEMS(micro electro mechanical systems，微機電系統(tǒng))熱膜式氣體流量傳感器是一種常見的氣體流量傳感器，具有測量精度高、成本低廉、結構簡單等優(yōu)點[1]，廣泛應用于車輛發(fā)動機控制、工業(yè)生產等領域[2]。但此類流量傳感器對氣體清潔度要求極高，工作環(huán)境惡劣或者使用時間較長都會導致粉塵在測量芯片表面形成堆積體，嚴重影響測量精度[3]，例如發(fā)動機進氣流量傳感器因此可能產生30%～45%的空燃比誤差[4]。本文根據氣旋分離原理設計集成在MEMS熱膜式氣體流量傳感器內的除塵裝置，提高了傳感器的耐塵性能，具有成本低廉、結構簡單、維護方便等優(yōu)點，對MEMS熱膜式氣體流量傳感器的進一步應用具有重要意義。

1 氣旋除塵裝置的結構

相比于實際使用需要，MEMS芯片測量范圍較小，為提高最大量程，本文采用支路測量方法降低流經測量芯片的流量。同時在測量芯片的安裝位置設置一段截面收縮的區(qū)間，一方面能進一步減小支路氣流的流量，另一方面起到穩(wěn)定氣流的作用[5]。

如圖1所示，氣旋除塵裝置內部氣路由入口緩沖段、氣旋體、測量支路和出口緩沖段組成。氣旋體是影響除塵性能的主要部分，待測氣體在氣旋體內形成氣旋，在離心力的作用下，大部分雜質位于氣旋外側，少部分雜質位于氣旋中心[6]，從而分別形成直接進入出口緩沖段的粉塵濃度較高的氣流和上升進入測量支路的相對潔凈的氣流，兩股氣流在出口緩沖段合并后從出口流出。兩個緩沖段的作用是消除管路截面變化產生的影響，使氣流平順穩(wěn)定。

圖1 氣旋除塵裝置內部氣路結構示意圖

決定氣旋體結構的關鍵尺寸如圖2所示。氣旋體的入口形狀應為矩形或梯形[7]，結合工作狀態(tài)的流量和流速，將出入口確定為10 mm×5 mm的矩形，并且安裝了轉換接頭與管路連接，尺寸H由此確定。尺寸d2和d的差值應盡量小，以避免破壞氣旋的連續(xù)性，為避免塑料在加工過程中發(fā)生變形，該尺寸差值確定為2 mm。剩余3個尺寸D,d,h根據仿真得到的除塵效率最高的氣旋體設計方案確定。

圖2 氣旋體縱截面示意圖

2 氣旋體尺寸參數仿真

正交試驗方法是一種面對多因子優(yōu)化問題時，選取代表性強的因子取值組合代替全面試驗，分析每種因子對結果產生的影響規(guī)律，從而快捷地得到最優(yōu)因子取值組合的試驗方法。本文根據這種思想通過仿真確定D,d和h的具體數值。

2.1 尺寸參數的交互作用

實際中往往多個因素對結果產生的影響相互制約或疊加，只有當這種交互作用可以忽略時，正交試驗才能起到減少試驗次數的作用。為了確定D,d和h的交互作用情況，需要先進行交互作用分析。選取如表1所示的適當因子水平，為同時處理6個因子自由度，選取有7個自由度的正交表L8(27)分別組合進行仿真，正交表L8(27)第7列為空列，不對應具體尺寸參數。仿真采用軟件fluent，設置氣體流速為5 m/s，沿入口垂直方向流入，氣體中均勻分布直徑為5 μm的球型碳酸鈣顆粒，濃度2 mg/m3，所得除塵效率η見表2。對表2進行計算得如表3所示分析因子的交互作用情況，如A因子與B因子交互中A1B1對應的數據，需填入表2中出現A1B1的仿真1、仿真2的結果求得的算數平均值[8]。圖3中趨勢線平行程度越高代表因子之間相互作用程度越小，由于3組趨勢線基本平行，沒有相交的現象，可以認為其相互作用可以忽略不計。

表1 交互作用正交因子水平表 mm

表2 正交表L8(27)及仿真結果

圖3 兩因子交互作用趨勢

表3 兩因子交互作用分析數據表 %

2.2 尺寸參數仿真

本文根據傳感器體積、流量要求，在適當范圍內選擇等間隔的尺寸參數，確定如表4所示的因子A、B、C的因子水平。按照正交表L16(45)進行組合分別進行仿真，因子D、E不填具體數值，供誤差分析使用，相關設置與上一節(jié)相同，所得除塵效率η見表5。

表4 備選尺寸參數因子水平表 mm

對仿真結果進行方差分析，得到的結果見表6。表中因子A、B、C的F比大于F臨界值(4.760)，所以確信這3個因子對結果有顯著性影響[9]，是影響除塵效率的重要因素。其中因子A的影響程度最大，因子B、C的影響程度大體相當，因子D、E對結果的影響可以忽略，從而驗證了影響因子選擇的正確性。對結果進行極差分析得到表7，除了進一步驗證了上述結論，還可以直觀地看出每個因子變化對結果的影響趨勢，其中A2、B3、C2因子進行水平組合時，即D=20 mm、d=8 mm、h=4.5 mm時，可以使除塵效率最高。按照相同設置對該組合進行仿真，得到的除塵效率為76.97%，大于表5中所有的組合，證明了極差分析的正確性。

表5 確定尺寸參數的正交方案及仿真結果

表6 方差分析結果

表7 極差分析結果 %

3 氣旋除塵裝置性能仿真

3.1 粉塵粒徑對除塵效率的影響

根據2.2中得到的最佳尺寸參數建立三維模型，在fluent中進行仿真分析，研究流速和粉塵粒徑對除塵效率的影響。含塵氣流的粉塵粒徑設置為1 μm、5 μm 、9 μm 和13 μm 4種情況，氣體流速v設置為1 m/s、3 m/s 、5 m/s 、7 m/s 和9 m/s 5種情況，兩兩組合分別進行仿真，所得除塵效率η如圖4所示。對圖中結果進行總結可得出下列結論：1)除塵效率隨流速增加而提高，但是提高的幅度越來越??；2)對粒徑越大的粉塵，除塵裝置的除塵效果越好。

圖4 流速、粉塵粒徑對除塵效率的影響

3.2 粉塵濃度對除塵效率的影響

為了研究粉塵濃度對除塵效率的影響，在粒徑為5 μm和13 μm的仿真中，粉塵濃度分別調整為2 mg/m3、4 mg/m3、6 mg/m3和8 mg/m3，所得除塵效率η如圖5所示。由圖可知，不同濃度的情況下，除塵效率變化的曲線大體重合，說明粉塵濃度對除塵效率基本沒有影響。

圖5 粉塵濃度對除塵效率的影響

4 實驗分析與結果

為了驗證仿真的可靠性，使用實驗對流場性質和除塵效率進行測量。實驗使用光固化樹脂3D打印技術制作除塵裝置的模型，模型表面光滑，尺寸誤差不超過0.15 mm。

4.1 支路流量實驗

將流量測量芯片安裝在除塵裝置測量支路上，阻塞另一支路使氣體完全從測量支路通過，可以獲得芯片在測量支路工作時輸出電壓與支路流量之間的關系曲線。去掉阻塞使除塵裝置正常工作，根據該曲線計算正常工作情況下支路流量占總流量的比例α，結果如圖6所示，與仿真值進行對比可以驗證支路流量仿真的可靠性，該曲線也可用于傳感器標定。

圖6 測量支路占總流量比例

4.2 除塵裝置壓降實驗

根據精密壓差表量程選取便于測量的兩種入口流量情況，測量不安裝除塵裝置但包括全部快接接頭在內的管路的壓降，其后測量安裝除塵裝置后的整體壓降，兩壓降相減，獲得除塵裝置自身的壓降(表8)，實驗結果與仿真結果具有較好的一致性。

表8 除塵裝置壓降

4.3 除塵效率實驗

實驗使用如圖7所示的實驗裝置，該裝置通過調節(jié)3個節(jié)流閥的節(jié)流程度，改變清潔氣流和高濃度含塵氣流的混合比例，按需要制取不同流量和濃度的含塵氣流。粉塵使用物理性質與空氣中粉塵基本相同的滑石粉，收集實驗裝置出口處的粉塵，使用型號為MASTERSIZER 2000的激光粒徑儀測量粉塵粒徑，粒徑分布如圖8所示，平均粒徑十分接近5 μm。將測量支路的氣流引入TSL手持式粉塵濃度儀可以讀出穩(wěn)定的濃度示數。實驗研究了粉塵濃度和流速對除塵濃度η的影響，結果如圖9所示，該結果與圖5的仿真結果數值相近，數據變化趨勢相同，證明了對氣旋除塵裝置進行的數值仿真具有參考價值，驗證了模擬數值仿真中獲得的結論。結果表明除塵裝置的除塵效率最高達到80%。

1—減壓閥；2—開關閥；3,6,7—節(jié)流閥；4—流量計；5—單向閥；8—粉塵桶；9—混合桶；10—氣旋除塵裝置模型；11—TSL手持式粉塵濃度儀

圖8 粉塵粒徑分布

圖9 除塵效率驗證實驗結果

5 結束語

本文使用正交試驗方法設計了一種MEMS熱膜式氣體流量傳感器的氣旋除塵裝置，數值仿真和實驗表明該除塵裝置的除塵效率最高能達到80%。但是該除塵裝置的設計仍然處于實驗階段，為進一步提高除塵性能和滿足更多工況要求，還需要更進一步的研究工作。