CN115031792A - 一种单片集成mems差压流量计及其制备方法 - Google Patents

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赵晓东
陈广忠
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Abstract

本发明提供了一种量程可自调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片，节流板、通信接口和前、后管道；所述MEMS差压芯片位于节流板的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；所述节流板圆周上分布着函数孔，函数孔包含两部分，一种孔径固定不变，另一种孔径可根据流量大小自动调节；所述通信接口位于节流板边缘，用于传输流量信号；前、后管道置于节流板两端，用于与外部管道连接。与现有的多孔平衡流量计相比，在相同测量精度等级要求下，量程可自调节式MEMS差压流量计既满足低压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，具有体积小、成本低的特点，使其应用领域得到扩展。

Description

一种单片集成MEMS差压流量计及其制备方法
技术领域：
本发明属于流量测量和微电子传感器技术领域，涉及一种量程可自调节式MEMS差压流量计。
背景技术：
流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系，对保证产品质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用，特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位与作用更加明显。由于流体性质、流动状态、流动条件以及感测机理的复杂性，造成了如今流量测量仪表的多样性、专用性和价格差异的悬殊性。为了适应多种用途，各种类型的流量计相继问世，广泛应用于石油天然气、石油化工、水处理、食品饮料、制药、能源、冶金、纸浆造纸和建筑材料等行业。
随着物联网的发展，智能化产品中的液流系统也逐渐向小型化方向靠近，不仅提高了对中、小流量测量精确度的要求，同时，市场对产品的便捷性、性价比和适用范围都提出了更高的需求。多孔平衡流量计作为差压式流量计的一种分支，与传统单孔节流装置相比，能最大限度的将流场平衡调整成理想状态，在相同测量工况不降低压差的情况下，多孔节流器造成的永久性压损较小，具有精度高、成本低、稳定性好等优势。但现有的多孔平衡流量计测量范围窄，无法同时兼顾全量程的测量。尤其对于压损有严格限制要求的应用领域，多孔平衡流量计的应用受限制尤为明显。
发明内容：
本发明的目的是提供一种量程可自调节式MEMS差压流量计，该流量计在低压损范围内，根据流体流量自动调整节流板的函数孔孔径，具有压损小、量程宽、体积小、成本低的特点。
本发明的另一个目的是提供所述量程可自调节式MEMS差压流量计函数孔的设计方法。
本发明的技术解决方案：一种量程可自调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片，节流板、通信接口和前、后管道；所述MEMS差压芯片位于节流板的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；所述节流板圆周上分布着函数孔，函数孔包含两部分，一种孔径固定不变，另一种孔径可根据流量大小自动调节；所述通信接口位于节流板边缘，用于传输流量信号；前、后管道置于节流板两端，用于与外部管道连接。
本发明一种量程可自调节式MEMS差压流量计函数孔的设计方法，具体步骤如下：
步骤一：确定压损和流量测量范围指标要求
MEMS多孔平衡流量计通过节流板使管道内流体产生压力差，然后采用MEMS差压芯片采集压力差信号，最后通过压力差与流量间的函数关系计算管道内流体流量。节流板的设计对压损影响较大，现有的节流板结构设计在满足压损要求的基础上，对应的流量测量范围相对较窄。因此，根据应用需求，首先确认管道压损和流量测量范围的具体参数。
步骤二：计算最大和最小流量对应的函数孔结构参数
式(1)为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure BDA0003654731020000021
β＝d/D (2)
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度。
已知最小流量Qmin、分界流量Qt和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d1；
已知最大流量Qmax和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d2；
节流板函数孔由n1d1+n2d2组成，其中n1为小流量对应函数孔数量，n2为大流量对应函数孔数量。这两类函数孔可以分布在节流板相同或不同圆周上，可根据具体应用需求进行调整。图2所示为节流板结构示意图。
步骤三：仿真分析流量与节流板函数孔孔径变化的函数关系
步骤二中孔径为d1的函数孔为固定尺寸，孔径为d2的函数孔可调节，即流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，流体通过节流板时，孔径为d2的函数孔闭合，流体仅流经孔径为d1的函数孔；当Qt＜Q≤Qmax时，孔径为d2的函数孔随流体流量的变化，孔径进行自动缩小或放大。流量与孔径变化对应的函数关系通过采用Ansys软件Fluent模块进行仿真分析，通过设置节流板材质、流量及相关边界条件获得。
步骤四：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正理论模型，以确保量程可自调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的量程可自调节式MEMS差压流量计，在满足压损范围条件下，设置函数孔孔径，使节流板部分函数孔随流体流量自动调节孔径，实现流体流量的精确测量。与现有的多孔平衡流量计相比，在相同测量精度等级要求下，量程可自调节式MEMS差压流量计既满足压损要求，又拓宽了流量计的工作量程范围，使其应用领域得到扩展。
附图说明
图1(a)为本发明量程可自调节式MEMS差压流量计的结构俯视图，图1(b)为本发明量程可自调节式MEMS差压流量计的结构左视图。
图2为本发明节流板结构示意图。
图中：
1-MEMS差压芯片，2-节流板，3-通信接口，4-前管道，5-后管道，6-函数孔
具体实施方式
图1(a)、图1(b)所示分别为一种量程可自调节式MEMS差压流量计结构的俯视图和左视图。包括MEMS差压芯片1，节流板2、通信接口3、前管道4、后管道5；MEMS差压芯片1位于节流板的中心位置，用于感应节流板2前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；函数孔6分布于节流板2圆周上，函数孔6包含两部分，位于节流板2相同或不同圆周上，一种孔径固定不变，另一种孔径可根据流量大小自动调节；通信接口3位于节流板2边缘，用于传输流量信号；前管道4和后管道5置于节流板两端，用于与外部管道连接。
本发明一种量程可自调节式MEMS差压流量计函数孔的设计流程图，具体步骤如下：
步骤一：确定压损和流量测量范围指标要求
MEMS多孔平衡流量计通过节流板使管道内流体产生压力差，然后采用MEMS差压芯片采集压力差信号，最后通过压力差与流量间的函数关系计算管道内流体流量。节流板的设计对压损影响较大。因此，根据应用需求，首先确认管道压损和流量测量范围的具体指标要求。
步骤二：计算最大和最小流量对应的函数孔结构参数
式(1)为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure BDA0003654731020000031
β＝d/D (2)
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度。
已知最小流量Qmin、分界流量Qt和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d1；
已知最大流量Qmax和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d2；
节流板函数孔由n1d1+n2d2组成，其中n1为小流量对应函数孔数量，n2为大流量对应函数孔数量。这两类函数孔可以分布在节流板相同或不同圆周上，可根据具体应用需求进行调整。图2所示为节流板结构示意图。
步骤三：仿真分析流量与节流板函数孔孔径变化的函数关系
步骤二中孔径为d1的函数孔为固定尺寸，孔径为d2的函数孔可调节，即流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，流体通过节流板时，孔径为d2的函数孔闭合，流体仅流经孔径为d1的函数孔；当Qt＜Q≤Qmax时，孔径为d2的函数孔随流体流量的变化，孔径进行自动缩小或放大。流量与孔径变化对应的函数关系通过采用Ansys软件Fluent模块进行仿真分析，通过设置节流板材质、流量及相关边界条件获得。
步骤四：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正理论模型，以确保量程可自调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。

Claims (7)

1.一种量程可自调节式MEMS差压流量计，包括MEMS差压芯片、节流板、通信接口和前、后管道；所述MEMS差压芯片位于所述节流板的中心位置，用于感应节流板前后的压力差，并将压力差信号转换为流量信号；所述节流板圆周上分布着函数孔，函数孔包含两部分，一种孔径固定不变，另一种孔径可根据流量大小自动调节；所述通信接口位于节流板边缘，用于传输流量信号；前、后管道置于节流板两端，用于与外部管道连接。
2.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述MEMS差压芯片、所述节流板和所述通信接口集成在同一个电路板上。
3.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述MEMS差压芯片位于所述节流板的中心位置。
4.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板函数孔包含两部分，一种函数孔孔径保持不变，另一种函数孔孔径随流量自动调节，流量越大，函数孔孔径越大，反之亦然。
5.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板函数孔分布在节流板相同或不同圆周上。
6.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板函数孔数量应大于或等于2个。
7.权利要求1所述的一种量程可自调节式MEMS差压流量计，其特征在于，所述节流板函数孔的设计方法，具体步骤如下：
步骤一：确定压损和流量测量范围指标要求
一种量程可自调节式MEMS差压流量计通过节流板使管道内流体产生压力差，然后采用MEMS差压芯片采集压力差信号，最后通过压力差与流量间的函数关系计算管道内流体流量。节流板的设计对压损影响较大，现有的节流板结构设计在满足压损要求的基础上，对应的流量测量范围相对较窄。因此，根据应用需求，首先确认管道压损和流量测量范围的具体参数。
步骤二：计算最大和最小流量对应的函数孔结构参数
式(1)为流体流量与压力差对应函数关系：
Figure FDA0003654731010000011
β＝d/D (2)
其中，Q为体积流量，C为流出系数，ε为可膨胀系数，d为节流板函数孔孔径，D为管道直径，β为等效直径比，Δp为压力差，ρ为流体密度。
已知最小流量Qmin、分界流量Qt和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d1；
已知最大流量Qmax和压损，采用式(1)和(2)计算出节流板函数孔孔径d2；
节流板函数孔由n1d1+n2d2组成，其中n1为小流量对应函数孔数量，n2为大流量对应函数孔数量。这两类函数孔可以分布在节流板相同或不同圆周上，可根据具体应用需求进行调整。图2所示为节流板结构示意图。
步骤三：仿真分析流量与节流板函数孔孔径变化的函数关系
步骤二中孔径为d1的函数孔为固定尺寸，孔径为d2的函数孔可调节，即流体流量Q：Qmin≤Q＜Qt时，流体通过节流板时，孔径为d2的函数孔闭合，流体仅流经孔径为d1的函数孔；当Qt＜Q≤Qmax时，孔径为d2的函数孔随流体流量的变化，孔径进行自动缩小或放大。流量与孔径变化对应的函数关系通过采用Ansys软件Fluent模块进行仿真分析，通过设置节流板材质、流量及相关边界条件获得。
步骤四：方法性能评估
在仿真分析的基础上，初步获得流量与孔径变化的函数关系，之后进行试验验证，修正理论模型，以确保量程可自调节式MEMS差压流量计的压损及测试精度要求。
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