基于單片機(jī)控制的毛細(xì)管流量特性研究

北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

一、引言

在現(xiàn)有的毛細(xì)管技術(shù)領(lǐng)域中，毛細(xì)管往往作為制冷設(shè)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(shè)備中，通常選用毛細(xì)管作為調(diào)節(jié)制冷劑流量和壓力的節(jié)流裝置，毛細(xì)管測量的介質(zhì)大多數(shù)為冷媒或氮?dú)獾取Ｔ卺t(yī)療領(lǐng)域中，毛細(xì)管作為輸液控制中的一種關(guān)鍵元部件，流過毛細(xì)管的液體大多數(shù)為黏性液體。黏滯液體經(jīng)過毛細(xì)管流速，其流量與管內(nèi)徑、長度、幾何形狀及進(jìn)出口壓力差密切相關(guān)[1-2]。

進(jìn)行毛細(xì)管流速測量時(shí)，在一定條件下，毛細(xì)管是水平放置還是傾斜放置，黏性液體層流運(yùn)動(dòng)流量結(jié)果不受影響[3]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，毛細(xì)管內(nèi)液體層流運(yùn)動(dòng)流量計(jì)算公式比較復(fù)雜，在進(jìn)行毛細(xì)管規(guī)格的選擇上往往通過試驗(yàn)的方法獲得。

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

二、毛細(xì)管流量特性分析

當(dāng)液體在毛細(xì)管中做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)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(xì)管的差壓流量特性，可以作為毛細(xì)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(xì)管的流量不僅與毛細(xì)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(xì)管中做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體的流量為[4-5]：

式中，r—毛細(xì)管內(nèi)徑；

L—毛細(xì)管管長；

Δp—毛細(xì)管兩端的壓強(qiáng)差；

η—液體的黏度。

若要運(yùn)用泊肅葉公式，需要存在以下幾個(gè)條件：

（1）流體為不可壓縮的粘性流體；

（2）流體的運(yùn)動(dòng)形式為層流，且各流層為勻速運(yùn)動(dòng)。層流條件使推導(dǎo)時(shí)可以應(yīng)用牛頓粘滯定律，各流層勻速運(yùn)動(dòng)滿足了流層受力平衡和粗細(xì)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(shè)就是管的長度遠(yuǎn)大于管的內(nèi)徑，該假設(shè)可使流量計(jì)算中忽略邊緣效應(yīng)，直圓管假設(shè)保證流層形狀為圓管形。

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

三、試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

為了進(jìn)一步驗(yàn)證毛細(xì)管長度、內(nèi)徑和管兩端壓強(qiáng)差對液體流速的影響，搭建了試驗(yàn)裝置。

1、硬件系統(tǒng)搭建

本次試驗(yàn)選取了長度為20mm、內(nèi)徑0.3mm～1.1mm不等的毛細(xì)管，液體選擇殼牌喜力潤滑油，儲(chǔ)存液體的裝置為5L鋁合金儲(chǔ)液罐，若干T型三通和氣管。壓強(qiáng)范圍從0kPa～50kPa進(jìn)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(qiáng)，Pa；

Pmin—壓力傳感器可測最小壓強(qiáng)值，Pa；

Papplied—壓力傳感器所測實(shí)際壓強(qiáng)，Pa。

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

2、軟件流程測試

當(dāng)液體從毛細(xì)管流出一段時(shí)間后，毛細(xì)管兩端的壓強(qiáng)會(huì)下降，為了使壓強(qiáng)保持穩(wěn)定，本次研究利用單片機(jī)控制原理[6-8]，采用自動(dòng)補(bǔ)氣技術(shù)，當(dāng)傳感器P2檢測到壓強(qiáng)低于特定值時(shí)，由控制器對微型氣泵進(jìn)行輸出控制，氣泵工作，從而恢復(fù)壓強(qiáng)。控制流程圖如圖2所示。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，氣泵的臨界工作點(diǎn)并沒有選擇在特定值P0，而是設(shè)定在P0一個(gè)上下浮動(dòng)的范圍內(nèi)，該壓差量ΔP經(jīng)過試驗(yàn)反復(fù)測得，在不影響毛細(xì)管兩端壓強(qiáng)供給的情況下，可以有效地維護(hù)氣泵壽命。

四、實(shí)驗(yàn)研究與結(jié)果分析

啟動(dòng)控制器，設(shè)定特定壓強(qiáng)值P0，氣泵開始工作，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到要求時(shí)，氣泵停止工作，打開手閥，液體流過毛細(xì)管，通過計(jì)算機(jī)讀取分析天平測量結(jié)果。

1、毛細(xì)管外徑D=0.7mm，內(nèi)徑d=0.4mm

在不同壓強(qiáng)下進(jìn)行測試，壓強(qiáng)選擇采用1，2，5法則，通過不斷改變設(shè)定初值，從而得出該規(guī)格毛細(xì)管流速與壓強(qiáng)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(xì)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(xì)管在做實(shí)驗(yàn)之前未被所測液體浸潤，導(dǎo)致液體在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)為非層流運(yùn)動(dòng)，從而造成了如圖3（a）所示的非線性規(guī)律。

2、毛細(xì)管外徑D=1.1mm，內(nèi)徑d=0.8mm

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

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

3、多毛細(xì)管聯(lián)合測試

將上述兩個(gè)毛細(xì)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(qiáng)范圍，從而避免死區(qū)部分。

五、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)控制的毛細(xì)管測量系統(tǒng)，可以進(jìn)行毛細(xì)管流量特性的探索和研究，在工程應(yīng)用中，能夠初步驗(yàn)證毛細(xì)管質(zhì)量是否合規(guī)，同時(shí)對毛細(xì)管進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)定，為設(shè)計(jì)人員選擇毛細(xì)管時(shí)提供可靠保障。