基于单片机控制的毛细管流量特性研究

北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192

一、引言

在现有的毛细管技术领域中，毛细管往往作为制冷设备中制冷循环系统中的一种关键节流装置。冰箱、冰柜和空调等制冷设备中，通常选用毛细管作为调节制冷剂流量和压力的节流装置，毛细管测量的介质大多数为冷媒或氮气等。在医疗领域中，毛细管作为输液控制中的一种关键元部件，流过毛细管的液体大多数为黏性液体。黏滞液体经过毛细管流速，其流量与管内径、长度、几何形状及进出口压力差密切相关[1-2]。

进行毛细管流速测量时，在一定条件下，毛细管是水平放置还是倾斜放置，黏性液体层流运动流量结果不受影响[3]。在工程实际应用中，毛细管内液体层流运动流量计算公式比较复杂，在进行毛细管规格的选择上往往通过试验的方法获得。

本文提出了一种基于单片机控制的毛细管流速测量系统，该系统以单片机作为控制器，通过控制微型气泵为毛细管两端提供恒定压强差，并由压力传感器进行毛细管两端压强检测，探索了不同规格毛细管的差压流量特性，可以为毛细管的选取提供便利条件。

二、毛细管流量特性分析

当液体在毛细管中做层流运动时，不同液体层之间的速度是不同的。在相邻两层之间有相对运动产生切向力，快的一层给慢的一层拉力，慢的一层给快的一层阻力，这对力成为内摩擦力或黏滞阻力，液体内部相邻两层之间的摩擦力可以通过液体的粘滞系数和该处的速度梯度来反映。

泊肃叶公式反映了毛细管的差压流量特性，可以作为毛细管为流速控制关键部件的理论支撑。根据泊肃叶公式可以得知，液体通过毛细管的流量不仅与毛细管自身的结构有关系，同样与液体自身的性质相关。液体在内径均匀的毛细管中做层流运动时，液体的流量为[4-5]：

式中，r—毛细管内径；

L—毛细管管长；

Δp—毛细管两端的压强差；

η—液体的黏度。

若要运用泊肃叶公式，需要存在以下几个条件：

（1）流体为不可压缩的粘性流体；

（2）流体的运动形式为层流，且各流层为匀速运动。层流条件使推导时可以应用牛顿粘滞定律，各流层匀速运动满足了流层受力平衡和粗细均匀流管中连续性原理的要求；

（3）流管为无限长圆管。无限长假设就是管的长度远大于管的内径，该假设可使流量计算中忽略边缘效应，直圆管假设保证流层形状为圆管形。

在通常使用的过程中，毛细管的长度往往大于15cm，满足泊肃叶定律成立的条件（3），当毛细管的长度和内径发生变化时，毛细管的差压流速特性存在什么样的关系需要实验进行论证。

三、试验系统搭建

为了进一步验证毛细管长度、内径和管两端压强差对液体流速的影响，搭建了试验装置。

1、硬件系统搭建

本次试验选取了长度为20mm、内径0.3mm～1.1mm不等的毛细管，液体选择壳牌喜力润滑油，储存液体的装置为5L铝合金储液罐，若干T型三通和气管。压强范围从0kPa～50kPa进行变化，并且允许液体接触。选择高精度硅压力传感器HSC系列，输出类型为模拟输出，有：

其中，Vout—压力传感器输出电压，V；

Vsupply—压力传感器供电电压，V；

Pmax—压力传感器可测最大压强，Pa；

Pmin—压力传感器可测最小压强值，Pa；

Papplied—压力传感器所测实际压强，Pa。

控制器选择AT89S52单片机，通过控制微型气泵为毛细管两端提供所需要的压强。毛细管一端通过机加工件和气管相连，一端暴露在空气中，毛细管流出的液体质量数据通过分析天平连接计算机获得，进而计算出流量。系统结构如图1所示。

2、软件流程测试

当液体从毛细管流出一段时间后，毛细管两端的压强会下降，为了使压强保持稳定，本次研究利用单片机控制原理[6-8]，采用自动补气技术，当传感器P2检测到压强低于特定值时，由控制器对微型气泵进行输出控制，气泵工作，从而恢复压强。控制流程图如图2所示。

从图2可以发现，气泵的临界工作点并没有选择在特定值P0，而是设定在P0一个上下浮动的范围内，该压差量ΔP经过试验反复测得，在不影响毛细管两端压强供给的情况下，可以有效地维护气泵寿命。

四、实验研究与结果分析

启动控制器，设定特定压强值P0，气泵开始工作，当压强达到要求时，气泵停止工作，打开手阀，液体流过毛细管，通过计算机读取分析天平测量结果。

1、毛细管外径D=0.7mm，内径d=0.4mm

在不同压强下进行测试，压强选择采用1，2，5法则，通过不断改变设定初值，从而得出该规格毛细管流速与压强的关系如图3所示。

由图3可以发现，同一种规格的毛细管差压流速特性曲线呈现出不同的变化趋势，原因在于图3（a）中毛细管在做实验之前未被所测液体浸润，导致液体在管内的运动为非层流运动，从而造成了如图3（a）所示的非线性规律。

2、毛细管外径D=1.1mm，内径d=0.8mm

在0kPa～50kPa压强下测试该规格的毛细管，得到的差压流速特性曲线如图4所示。

改变毛细管内径大小，流速明显增加，并且流速大小与管两端压强差呈线性关系增加。

3、多毛细管联合测试

将上述两个毛细管并列使用，得到如图5所示的特性曲线。由图5分析得出，流速在起始阶段经历了非线性区域（或死区），之后又呈线性增加，在使用过程中需要选择合适压强范围，从而避免死区部分。

五、结论

本文设计的基于单片机控制的毛细管测量系统，可以进行毛细管流量特性的探索和研究，在工程应用中，能够初步验证毛细管质量是否合规，同时对毛细管进行数据标定，为设计人员选择毛细管时提供可靠保障。