北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192

一、引言

在現(xiàn)有的毛細管技術(shù)領(lǐng)域中，毛細管往往作為制冷設備中制冷循環(huán)系統(tǒng)中的一種關(guān)鍵節(jié)流裝置。冰箱、冰柜和空調(diào)等制冷設備中，通常選用毛細管作為調(diào)節(jié)制冷劑流量和壓力的節(jié)流裝置，毛細管測量的介質(zhì)大多數(shù)為冷媒或氮氣等。在醫(yī)療領(lǐng)域中，毛細管作為輸液控制中的一種關(guān)鍵元部件，流過毛細管的液體大多數(shù)為黏性液體。黏滯液體經(jīng)過毛細管流速，其流量與管內(nèi)徑、長度、幾何形狀及進出口壓力差密切相關(guān)[1-2]。

進行毛細管流速測量時，在一定條件下，毛細管是水平放置還是傾斜放置，黏性液體層流運動流量結(jié)果不受影響[3]。在工程實際應用中，毛細管內(nèi)液體層流運動流量計算公式比較復雜，在進行毛細管規(guī)格的選擇上往往通過試驗的方法獲得。

本文提出了一種基于單片機控制的毛細管流速測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機作為控制器，通過控制微型氣泵為毛細管兩端提供恒定壓強差，并由壓力傳感器進行毛細管兩端壓強檢測，探索了不同規(guī)格毛細管的差壓流量特性，可以為毛細管的選取提供便利條件。

二、毛細管流量特性分析

當液體在毛細管中做層流運動時，不同液體層之間的速度是不同的。在相鄰兩層之間有相對運動產(chǎn)生切向力，快的一層給慢的一層拉力，慢的一層給快的一層阻力，這對力成為內(nèi)摩擦力或黏滯阻力，液體內(nèi)部相鄰兩層之間的摩擦力可以通過液體的粘滯系數(shù)和該處的速度梯度來反映。

泊肅葉公式反映了毛細管的差壓流量特性，可以作為毛細管為流速控制關(guān)鍵部件的理論支撐。根據(jù)泊肅葉公式可以得知，液體通過毛細管的流量不僅與毛細管自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，同樣與液體自身的性質(zhì)相關(guān)。液體在內(nèi)徑均勻的毛細管中做層流運動時，液體的流量為[4-5]：

式中，r—毛細管內(nèi)徑；

L—毛細管管長；

Δp—毛細管兩端的壓強差；

η—液體的黏度。

若要運用泊肅葉公式，需要存在以下幾個條件：

（1）流體為不可壓縮的粘性流體；

（2）流體的運動形式為層流，且各流層為勻速運動。層流條件使推導時可以應用牛頓粘滯定律，各流層勻速運動滿足了流層受力平衡和粗細均勻流管中連續(xù)性原理的要求；

（3）流管為無限長圓管。無限長假設就是管的長度遠大于管的內(nèi)徑，該假設可使流量計算中忽略邊緣效應，直圓管假設保證流層形狀為圓管形。

在通常使用的過程中，毛細管的長度往往大于15cm，滿足泊肅葉定律成立的條件（3），當毛細管的長度和內(nèi)徑發(fā)生變化時，毛細管的差壓流速特性存在什么樣的關(guān)系需要實驗進行論證。

三、試驗系統(tǒng)搭建

為了進一步驗證毛細管長度、內(nèi)徑和管兩端壓強差對液體流速的影響，搭建了試驗裝置。

1、硬件系統(tǒng)搭建

本次試驗選取了長度為20mm、內(nèi)徑0.3mm～1.1mm不等的毛細管，液體選擇殼牌喜力潤滑油，儲存液體的裝置為5L鋁合金儲液罐，若干T型三通和氣管。壓強范圍從0kPa～50kPa進行變化，并且允許液體接觸。選擇高精度硅壓力傳感器HSC系列，輸出類型為模擬輸出，有：

其中，Vout—壓力傳感器輸出電壓，V；

Vsupply—壓力傳感器供電電壓，V；

Pmax—壓力傳感器可測最大壓強，Pa；

Pmin—壓力傳感器可測最小壓強值，Pa；

Papplied—壓力傳感器所測實際壓強，Pa。

控制器選擇AT89S52單片機，通過控制微型氣泵為毛細管兩端提供所需要的壓強。毛細管一端通過機加工件和氣管相連，一端暴露在空氣中，毛細管流出的液體質(zhì)量數(shù)據(jù)通過分析天平連接計算機獲得，進而計算出流量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2、軟件流程測試

當液體從毛細管流出一段時間后，毛細管兩端的壓強會下降，為了使壓強保持穩(wěn)定，本次研究利用單片機控制原理[6-8]，采用自動補氣技術(shù)，當傳感器P2檢測到壓強低于特定值時，由控制器對微型氣泵進行輸出控制，氣泵工作，從而恢復壓強?？刂屏鞒虉D如圖2所示。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，氣泵的臨界工作點并沒有選擇在特定值P0，而是設定在P0一個上下浮動的范圍內(nèi)，該壓差量ΔP經(jīng)過試驗反復測得，在不影響毛細管兩端壓強供給的情況下，可以有效地維護氣泵壽命。

四、實驗研究與結(jié)果分析

啟動控制器，設定特定壓強值P0，氣泵開始工作，當壓強達到要求時，氣泵停止工作，打開手閥，液體流過毛細管，通過計算機讀取分析天平測量結(jié)果。

1、毛細管外徑D=0.7mm，內(nèi)徑d=0.4mm

在不同壓強下進行測試，壓強選擇采用1，2，5法則，通過不斷改變設定初值，從而得出該規(guī)格毛細管流速與壓強的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，同一種規(guī)格的毛細管差壓流速特性曲線呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，原因在于圖3（a）中毛細管在做實驗之前未被所測液體浸潤，導致液體在管內(nèi)的運動為非層流運動，從而造成了如圖3（a）所示的非線性規(guī)律。

2、毛細管外徑D=1.1mm，內(nèi)徑d=0.8mm

在0kPa～50kPa壓強下測試該規(guī)格的毛細管，得到的差壓流速特性曲線如圖4所示。

改變毛細管內(nèi)徑大小，流速明顯增加，并且流速大小與管兩端壓強差呈線性關(guān)系增加。

3、多毛細管聯(lián)合測試

將上述兩個毛細管并列使用，得到如圖5所示的特性曲線。由圖5分析得出，流速在起始階段經(jīng)歷了非線性區(qū)域（或死區(qū)），之后又呈線性增加，在使用過程中需要選擇合適壓強范圍，從而避免死區(qū)部分。

五、結(jié)論

本文設計的基于單片機控制的毛細管測量系統(tǒng)，可以進行毛細管流量特性的探索和研究，在工程應用中，能夠初步驗證毛細管質(zhì)量是否合規(guī)，同時對毛細管進行數(shù)據(jù)標定，為設計人員選擇毛細管時提供可靠保障。