CN101598586A - 一种基于mems技术的微液量计量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种基于MEMS技术的微液量计量装置及其方法，所述微液量计量装置包括：气闭管道；MEMS微结构压力传感器，该传感器的P1管与大气相通，P2管与气闭管道连接，该传感器测出大气同气闭管道中气体的压力差并输出，利用该压力差可计算出被计量液体的体积。

Description

一种基于MEMS技术的微液量计量装置及其方法

技术领域

本发明涉及环境保护领域水质监测仪器中液体取样计量系统，尤其是涉及一种基于MEMS技术的微液量计量装置及其计量方法。

背景技术

改革开放以来，我国的经济快速发展，经济建设取得了举世瞩目的成就。然而，诸多行业却是以牺牲环境和资源为代价来换取经济的暂时繁荣，一些高耗能、高污染的企业给我国的环境和资源带来了巨大的压力，长远来看，这必将制约我国经济的进一步发展。控制企业的污水排放和监测环境水质都需要用到大量的水质在线监测仪器，这些仪器需要对微量(≤5ml)的待检水样和试剂进行计量。计量装置的精度与可靠性直接决定了检测结果的准确性和仪器的可靠性。本发明属于环境保护领域水质监测仪器中液体取样计量系统。

目前，应用于水质在线监测仪器的液体计量技术主要有三类：

(1)利用液体传感器对导管内液体流过瞬间的感应，通过控制泵的流速和开关时间来实现对液体体积的计量，原理如图1所示，本技术主要涉及试剂注入泵1，液体传感器2，双体阀3等装置。该技术结构简单，成本较低，操作、维修方便。但是，它对试剂注入泵的转速要求苛刻，若泵运转不稳定则严重影响测量准确度；而且没有补偿措施，不能消除液体中的气泡对测量结果的影响，可靠性较差；同时，传感器易受到腐蚀性强的污水损害，整个设备的精确度受到液体传感器精度的限制。

(2)使用具有固定容积的计量管进行计量，例如怡文科技有限公司目前的计量装置，如图2所示，本技术主要涉及信号线4，吹气管5，溢流管6，蒸馏水管7，计量杯管帽8，探针9，计量杯内水样10，紧固螺帽11，O型密封圈12，电磁阀13等。液体由装置下部进入计量杯，探针探测到液体后会通知控制系统停止进样，计量杯里的固定体积即为所取水样的体积。该装置成本较低，操作方便，但所能测量的液体体积固定，灵活性较差，而且探针易受到腐蚀。

(3)利用步进电机控制注射泵的拉动行程，液体流过时，在装置底部固定的两个光电传感器会接收到信号从而控制流入液体的体积，如图3所示，本技术主要涉及注射泵14，光电传感器15等。该装置具有较高的取样精度，污水中的各种杂质会影响光信号的强弱，但装置的可靠性过分依赖于光传感器的敏感程度，拉动过程必须缓慢进行，单次抽取液体的体积受注射泵容积限制，而且所能测量的液体体积缺乏灵活性，每种体积测量需求都需要一对光电传感器，因此结构复杂，成本较大，如图4所示的申请号为200620051095.0的实用新型专利申请，该专利利用了图3所示的计量装置，计量装置结构复杂。

可见，现有技术设计的计量装置都存在着明显的缺点，对微量液体的计量必然会造成误差。污水和环境水样的水质情况比较复杂，通常含有大量的杂质或腐蚀性成分，传统的微量液体计量技术在该领域的应用效果往往不佳。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明有下述目的：

(1)提供设计成本低、简单可靠且可灵活地改变取样液体体积的计量装置，保证对不同密度的液体都具有较高的取样精度(计量相对误差(FS)控制在2％以内)；

(2)对污水和浓H₂SO₄、K₂Cr₂O₇等强腐蚀性的液体进行计量时，确保计量装置能够可靠持久地工作；

本发明提供一种微液量计量装置，其中包括：气闭管道；MEMS微结构压力传感器，该传感器的P1管与大气相通，P2管与气闭管道连接，该传感器测出大气同气闭管道中气体的压力差并输出。

本发明可以提供两种使用如上述微液量计量装置计量液体体积的方法。

方法一为直接测量法，包括以下步骤：测出未加入计量液体前气闭管道中气体的压力；加入被计量液体；利用MEMS微结构压力传感器测量气闭管道中的压力变化ΔP；利用ΔP计算出被计量液体的体积V。

方法二为差分测量法，包括以下步骤：在蓄存管道中加入一定量的液体，使气闭管道中的空气被封闭起来；加入被计量液体；利用MEMS微结构压力传感器测量气闭管道中的压力变化ΔP；利用ΔP计算出被计量液体的体积ΔV。

本发明首次采用MEMS微结构压力传感器，实现了对不同密度液体体积的精确计量；而且计量装置中设计有气闭管道，实现了MEMS微压力传感器和被计量液体之间的隔离，避免了传感器被污水或强腐蚀性的液体损坏。

附图说明

图1是现有的利用液体传感器的计量装置；

图2是现有的使用具有固定容积的计量管的计量装置；

图3是现有的利用步进电机控制注射泵的拉动行程、并且其底部具有两个光电传感器的计量装置；

图4是利用图3所示计量装置进行液体体积计量的专利装置示意图；

图5是所测量的ΔV～ΔU关系曲线；

图6是测量的绝对误差分布图；

图7是测量的相对误差分布图；

图8是本发明的微液量计量装置剖面图；

图9是利用本发明的微液量计量装置计量液体体积的直接测量法的流程图；

图10是利用本发明的微液量计量装置计量液体体积的差分测量法的流程图。

具体实施方式

本发明的微液量计量装置采用玻璃制成，其剖面图如图8所示。其中MEMS微结构压力传感器21封装在电路板20上。MEMS微压力传感器21的P1管22同大气相通，P2管23通过橡胶管24同气闭管道25连接，MEMS压力传感器21测出大气同气闭管道25中气体的压力差并输出。

利用上述微液量计量装置计量液体体积有两种方法：

方法一：直接测量法。测量时，蓄存管道17中未加入待计量液体时，此时气闭管道25中气体压力为大气压。当待测液体18由进液口16加入蓄存管道17中后，气闭管道25中的气体被压缩，从而产生新压力，MEMS压力传感器21即可测出液体计量前后的压差并输出。气闭管道25还可实现MEMS微压力传感器21和被计量液体18之间的隔离，避免了传感器被污水或强腐蚀性的液体损坏。由于液体的表面张力作用，加入液体前气闭管道25内部会存在液膜从而造成测量误差，故在加入液体前利用加热装置26对气闭管道25加热以消除液膜。

计量过程的流程图如图9所示，计量时，液体进入蓄存管道17和气闭管道25，气闭管道25中封闭气体的压力通过一定的函数关系与所计量液体的体积相对应，利用MEMS微结构压力传感器21测出封闭气体的压力，就能计算出计量装置中所加入液体的体积。

计量时，先测出未加入计量液体前气闭管道25中气体的压力(大气压力)。之后，再加入被计量液体18(体积为V)，通过测量气闭管道25中气体的压力变化ΔP来测量V的值。本装置首次采用基于MEMS器件的微结构压力传感器，此传感器具有非常优良的性能和高的测量精度，在正常供电电压范围内，传感器的模拟输出电压和供电电压成正比。

传感器测压时，P₂管与气闭管道25中的封闭气体相通，P₁管与大气相通，P₂管中的压力变化时，传感器模拟输出电压会随(P₂-P₁)值的变化而线性改变。假设计量装置中加入的液体体积为V，液体加入前和加入后传感器的输出电压为U₁、U₂。经过推导可以得到：

$V=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}(U_2-U_1)+V_0=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}\mathrm{\ΔU}+V_0---\left(1\right)$

即

V＝KΔU+V₀                        (2)

式中，P_full表示传感器所能测的最大压力，U_full表示传感器的满刻度正压力输出，U_offset表示传感器的零偏置电压，R为蓄存管道的半径，ρ为所测液体的密度，V₀为续存管道底部不产生压力的液体体积，V₀由出厂厂家给出。

要对体积为V的待计量液体进行计量时，只要记录出待计量液体进入蓄存管道前后MEMS传感器的输出电压U₁和U₂，就能根据式(1)计算出V的值。

方法二：差分测量法。测量时，蓄存管道17中可预留有少量液体，此时气闭管道25中气体具有初始压力。当待测液体18由进液口16加入蓄存管道17中后，气闭管道25中的气体被压缩，从而产生新压力，MEMS压力传感器21即可测出液体计量前后的压差并输出。气闭管道25还可实现MEMS微压力传感器21和被计量液体18之间的隔离，避免了传感器被污水或强腐蚀性的液体损坏。由于液体的表面张力作用，在加入液体前气闭管道25内部会存在液膜从而造成测量误差，故在加入液体前利用加热装置26对气闭管道25加热以消除液膜。

计量过程的流程图如图10所示，计量时，液体进入蓄存管道17和气闭管道25，气闭管道25中封闭气体的压力通过一定的函数关系与所计量液体的体积相对应，利用MEMS微结构压力传感器21测出封闭气体的压力，就能计算出计量装置中所加入液体的体积。

计量前，先在蓄存管道17中加入一定量的液体，使气闭管道25中的空气被封闭起来。之后，再加入被计量液体18(体积为ΔV)，通过测量气闭管道25中气体的压力变化ΔP来测量ΔV的值。本装置首次采用基于MEMS器件的微结构压力传感器，此传感器具有非常优良的性能和高的测量精度，在正常供电电压范围内，传感器的模拟输出电压和供电电压成正比。

传感器测压时，P₂管与气闭管道25中的封闭气体相通，P₁管与大气相通，P₂管中的压力变化时，传感器模拟输出电压会随(P₂-P₁)值的变化而线性改变。假设计量装置中加入的液体体积为ΔV，液体加入前和加入后传感器的输出电压为U₁、U₂。经过推导可以得到：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}(U_2-U_1)=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}\mathrm{\ΔU}---\left(3\right)$

即

ΔV＝KΔU                        (4)

式中，P_full表示传感器所能测的最大压力，U_full表示传感器的满刻度正压力输出，U_offset表示传感器的零偏置电压，R为蓄存管道的半径，ρ为所测液体的密度。

要对体积为ΔV的待计量液体进行计量时，只要记录出待计量液体进入蓄存管道前后MEMS传感器的输出电压U₁和U₂，就能根据式(3)计算出ΔV的值。

利用本计量装置以及所标定测量出来的计量数学关系式对不同体积的液体进行计量，以微量滴定管中读出来的ΔV作为被计量液体体积实际值。图5是所测量的ΔV～ΔU关系曲线。通过统计分析，ΔV～ΔU呈显出良好的线性关系：比例系数k＝1.30969ml/V，线性相关系数r＝0.99988。

本发明的计量装置具有较高的精度，测量的绝对误差和相对误差的分布如图6和图7所示。

本发明首次采用MEMS微压力传感器，利用其输出电压对被计量液体体积具有高灵敏度的特性，实现了对不同密度液体的精确计量(灵敏度＜0.01毫升，对于1-5毫升的液量计量，其相对误差(FS)在2％以内)；计量装置中设计有气闭管道，实现了MEMS微压力传感器和被计量液体之间的隔离，避免了传感器被污水或强腐蚀性的液体损坏；采用加热装置，一方面有效地防止了气闭管道中液体与空气交界处的液膜造成计量误差，另一方面确保测量结束后气闭管道中的液体被完全排出，保证下次计量的精度；采用差值计量方法，使输入量与被计量液体的体积之间呈现出良好的线性关系，抵消了液体的附加压力和测量初始标定值对测量数学模型的影响。

本发明这里公开的实施例是示例性的，其仅是为了对本发明进行解释说明，而并不是对本发明的限制，本领域技术人员能够理解，可以采用机械式、电阻式或电容式等其它类型的传感器，使输出量精确地反应液体体积的变化从而实现计量目的；同时还可以采用其它装置，如可移动活塞等，来隔离传感器和被计量液体，以防止传感器被污水或强腐蚀性的液体损坏；采用吹气阀(一种可以向气闭管内吹气的阀泵组合装置)消除管道中的液膜以保证计量精度；采用绝对计量方法而不采用差值测量方法，这些可以预见的改良和扩展都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微液量计量装置，其中包括：

气闭管道，实现MEMS微结构压力传感器同液体的隔离，防止所述传感器被污水损害；

MEMS微结构压力传感器，所述传感器的P1管与大气相通，并且该传感器的P2管与气闭管道连接，该传感器测出大气同气闭管道中气体的压力差并输出。

2.如权利要求1所述的微液量计量装置，其中还包括：

加热装置，用来对所述气闭管道加热，以消除由于液体的表面张力作用而在所述气闭管道内部产生的液膜，同时，确保测量结束后所述气闭管道中的液体被完全排出。

3.如权利要求2所述的微液量计量装置，其中：

所述加热装置可以采用吹气阀来替代。

4.一种使用如上述任意一个权利要求所述的微液量计量装置计量液体体积的方法，其中包括以下步骤：

在蓄存管道中加入一定量的液体，使气闭管道中的空气被封闭起来；

加入被计量液体；

利用MEMS微结构压力传感器测量气闭管道中的压力变化ΔP；

利用ΔP计算出被计量液体的体积ΔV。

5.如权利要求4所述的计量液体体积的方法，其中：

所述利用ΔP计算出被计量液体的体积ΔV采用以下公式：

$\mathrm{\ΔV}=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}(U_2-U_1)=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}\mathrm{\ΔU},$

式中，U₁、U₂表示液体加入前和加入后传感器的输出电压，P_full表示传感器所能测的最大压力，U_full表示传感器的满刻度正压力输出，U_offset表示传感器的零偏置电压，R为蓄存管道的半径，ρ为所测液体的密度。

6.一种使用如权利要求1-3任一所述的微液量计量装置计量液体体积的方法，其中包括以下步骤：

测出未加入计量液体前气闭管道中气体的压力；

加入被计量液体；

利用MEMS微结构压力传感器测量气闭管道中的压力变化ΔP；

利用ΔP计算出被计量液体的体积V。

7.如权利要求6所述的计量液体体积的方法，其中：

所述利用ΔP计算出被计量液体的体积V采用以下公式：

$V=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}(U_2-U_1)+V_0=\frac{\mathrm{\π}{R}^2{P}_{\mathrm{full}}}{\mathrm{\ρg}(U_{\mathrm{full}}-U_{\mathrm{offset}})}\mathrm{\ΔU}+V_0$

式中，U₁、U₂表示液体加入前和加入后传感器的输出电压，P_full表示传感器所能测的最大压力，U_full表示传感器的满刻度正压力输出，U_offset表示传感器的零偏置电压，R为蓄存管道的半径，ρ为所测液体的密度，V₀为续存管道底部不产生压力的液体体积。

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