基于氣旋原理的MEMS熱膜式氣體流量傳感器除塵裝置

葛 言，孫中圣，袁昌榮，李小寧

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

MEMS(micro electro mechanical systems，微機(jī)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(cè)量精度高、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[2]。但此類流量傳感器對(duì)氣體清潔度要求極高，工作環(huán)境惡劣或者使用時(shí)間較長都會(huì)導(dǎo)致粉塵在測(cè)量芯片表面形成堆積體，嚴(yán)重影響測(cè)量精度[3]，例如發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量傳感器因此可能產(chǎn)生30%～45%的空燃比誤差[4]。本文根據(jù)氣旋分離原理設(shè)計(jì)集成在MEMS熱膜式氣體流量傳感器內(nèi)的除塵裝置，提高了傳感器的耐塵性能，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)MEMS熱膜式氣體流量傳感器的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。

1 氣旋除塵裝置的結(jié)構(gòu)

相比于實(shí)際使用需要，MEMS芯片測(cè)量范圍較小，為提高最大量程，本文采用支路測(cè)量方法降低流經(jīng)測(cè)量芯片的流量。同時(shí)在測(cè)量芯片的安裝位置設(shè)置一段截面收縮的區(qū)間，一方面能進(jìn)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(nèi)部氣路由入口緩沖段、氣旋體、測(cè)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(cè)氣體在氣旋體內(nèi)形成氣旋，在離心力的作用下，大部分雜質(zhì)位于氣旋外側(cè)，少部分雜質(zhì)位于氣旋中心[6]，從而分別形成直接進(jìn)入出口緩沖段的粉塵濃度較高的氣流和上升進(jìn)入測(cè)量支路的相對(duì)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(gè)緩沖段的作用是消除管路截面變化產(chǎn)生的影響，使氣流平順穩(wěn)定。

圖1 氣旋除塵裝置內(nèi)部氣路結(jié)構(gòu)示意圖

決定氣旋體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸如圖2所示。氣旋體的入口形狀應(yīng)為矩形或梯形[7]，結(jié)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(zhuǎn)換接頭與管路連接，尺寸H由此確定。尺寸d2和d的差值應(yīng)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(gè)尺寸D,d,h根據(jù)仿真得到的除塵效率最高的氣旋體設(shè)計(jì)方案確定。

圖2 氣旋體縱截面示意圖

2 氣旋體尺寸參數(shù)仿真

正交試驗(yàn)方法是一種面對(duì)多因子優(yōu)化問題時(shí)，選取代表性強(qiáng)的因子取值組合代替全面試驗(yàn)，分析每種因子對(duì)結(jié)果產(chǎn)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(yàn)方法。本文根據(jù)這種思想通過仿真確定D,d和h的具體數(shù)值。

2.1 尺寸參數(shù)的交互作用

實(shí)際中往往多個(gè)因素對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響相互制約或疊加，只有當(dāng)這種交互作用可以忽略時(shí)，正交試驗(yàn)才能起到減少試驗(yàn)次數(shù)的作用。為了確定D,d和h的交互作用情況，需要先進(jìn)行交互作用分析。選取如表1所示的適當(dāng)因子水平，為同時(shí)處理6個(gè)因子自由度，選取有7個(gè)自由度的正交表L8(27)分別組合進(jìn)行仿真，正交表L8(27)第7列為空列，不對(duì)應(yīng)具體尺寸參數(shù)。仿真采用軟件fluent，設(shè)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(duì)表2進(jìn)行計(jì)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(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，需填入表2中出現(xiàn)A1B1的仿真1、仿真2的結(jié)果求得的算數(shù)平均值[8]。圖3中趨勢(shì)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(shì)線基本平行，沒有相交的現(xiàn)象，可以認(rèn)為其相互作用可以忽略不計(jì)。

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(jié)果

圖3 兩因子交互作用趨勢(shì)

表3 兩因子交互作用分析數(shù)據(jù)表 %

2.2 尺寸參數(shù)仿真

本文根據(jù)傳感器體積、流量要求，在適當(dāng)范圍內(nèi)選擇等間隔的尺寸參數(shù)，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(jìn)行組合分別進(jìn)行仿真，因子D、E不填具體數(shù)值，供誤差分析使用，相關(guān)設(shè)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(shù)因子水平表 mm

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到的結(jié)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(gè)因子對(duì)結(jié)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(dāng)，因子D、E對(duì)結(jié)果的影響可以忽略，從而驗(yàn)證了影響因子選擇的正確性。對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析得到表7，除了進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論，還可以直觀地看出每個(gè)因子變化對(duì)結(jié)果的影響趨勢(shì)，其中A2、B3、C2因子進(jìn)行水平組合時(shí)，即D=20 mm、d=8 mm、h=4.5 mm時(shí)，可以使除塵效率最高。按照相同設(shè)置對(duì)該組合進(jìn)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(shù)的正交方案及仿真結(jié)果

表6 方差分析結(jié)果

表7 極差分析結(jié)果 %

3 氣旋除塵裝置性能仿真

3.1 粉塵粒徑對(duì)除塵效率的影響

根據(jù)2.2中得到的最佳尺寸參數(shù)建立三維模型，在fluent中進(jìn)行仿真分析，研究流速和粉塵粒徑對(duì)除塵效率的影響。含塵氣流的粉塵粒徑設(shè)置為1 μm、5 μm 、9 μm 和13 μm 4種情況，氣體流速v設(shè)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(jìn)行仿真，所得除塵效率η如圖4所示。對(duì)圖中結(jié)果進(jìn)行總結(jié)可得出下列結(jié)論：1)除塵效率隨流速增加而提高，但是提高的幅度越來越小；2)對(duì)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(duì)除塵效率的影響

3.2 粉塵濃度對(duì)除塵效率的影響

為了研究粉塵濃度對(duì)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(diào)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(duì)除塵效率基本沒有影響。

圖5 粉塵濃度對(duì)除塵效率的影響

4 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

為了驗(yàn)證仿真的可靠性，使用實(shí)驗(yàn)對(duì)流場(chǎng)性質(zhì)和除塵效率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)使用光固化樹脂3D打印技術(shù)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(shí)驗(yàn)

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

圖6 測(cè)量支路占總流量比例

4.2 除塵裝置壓降實(shí)驗(yàn)

根據(jù)精密壓差表量程選取便于測(cè)量的兩種入口流量情況，測(cè)量不安裝除塵裝置但包括全部快接接頭在內(nèi)的管路的壓降，其后測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

表8 除塵裝置壓降

4.3 除塵效率實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用如圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置通過調(diào)節(jié)3個(gè)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(zhì)與空氣中粉塵基本相同的滑石粉，收集實(shí)驗(yàn)裝置出口處的粉塵，使用型號(hào)為MASTERSIZER 2000的激光粒徑儀測(cè)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(cè)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(shù)。實(shí)驗(yàn)研究了粉塵濃度和流速對(duì)除塵濃度η的影響，結(jié)果如圖9所示，該結(jié)果與圖5的仿真結(jié)果數(shù)值相近，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，證明了對(duì)氣旋除塵裝置進(jìn)行的數(shù)值仿真具有參考價(jià)值，驗(yàn)證了模擬數(shù)值仿真中獲得的結(jié)論。結(jié)果表明除塵裝置的除塵效率最高達(dá)到80%。

1—減壓閥；2—開關(guān)閥；3,6,7—節(jié)流閥；4—流量計(jì)；5—單向閥；8—粉塵桶；9—混合桶；10—?dú)庑龎m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(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文使用正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了一種MEMS熱膜式氣體流量傳感器的氣旋除塵裝置，數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)表明該除塵裝置的除塵效率最高能達(dá)到80%。但是該除塵裝置的設(shè)計(jì)仍然處于實(shí)驗(yàn)階段，為進(jìn)一步提高除塵性能和滿足更多工況要求，還需要更進(jìn)一步的研究工作。