基于氣囊脈動(dòng)穩(wěn)壓控液的自動(dòng)啟膜皂膜流量計(jì)開發(fā)

張 輝，連林雯，周紀(jì)元，劉益伶，田天弘

(1.北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，流量計(jì)產(chǎn)業(yè)將向著高精度、高可靠性、智能化和遠(yuǎn)程化方向發(fā)展[1]。大量學(xué)者對(duì)此展開研究。程瀟黠、惠延波等[2-3]結(jié)合當(dāng)前國(guó)情，進(jìn)行超聲波流量計(jì)的研究；翟小金等[4]開展新型差壓式流量計(jì)性能研究，分析比較了環(huán)形孔板流量計(jì)、均速管流量計(jì)、平衡孔板流量計(jì)、V形錐流量計(jì)和矩形流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)；趙保生等[5]總結(jié)電磁流量計(jì)發(fā)展歷史，并預(yù)測(cè)智能化為其發(fā)展趨勢(shì)。但是，皂膜流量計(jì)作為一種高精計(jì)量?jī)x器，在自動(dòng)化方面仍處于手動(dòng)操作狀態(tài)，難以滿足信息化的需要。

自動(dòng)產(chǎn)泡電子皂膜流量計(jì)[6](以下簡(jiǎn)稱自動(dòng)啟膜流量計(jì))是一種能夠自動(dòng)啟膜，并且對(duì)微小氣體流量進(jìn)行連續(xù)計(jì)量的容積式流量計(jì)。其繼承了電子皂膜流量計(jì)[7]依靠光電傳感器測(cè)量并記錄皂膜起始與終止位置的特點(diǎn)，并具有間歇持續(xù)自動(dòng)產(chǎn)生皂膜的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)記錄與自動(dòng)保存的功能[8]。但是，在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是直讀式玻璃管皂膜流量計(jì)，還是電子皂膜流量計(jì)[9]，都采用手捏橡膠球產(chǎn)膜，導(dǎo)致擠壓過(guò)程中形成大量泡沫。由于裝置和操作者本身的局限性，短時(shí)間內(nèi)一次連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)皂膜(簡(jiǎn)稱連膜)，會(huì)對(duì)試驗(yàn)的順利進(jìn)行產(chǎn)生很大影響。為避免出現(xiàn)上述現(xiàn)象，使皂膜流量計(jì)更為高效、準(zhǔn)確地工作，剖析問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，研究高效的啟膜措施勢(shì)在必行。

1 問(wèn)題產(chǎn)生機(jī)理

皂膜流量計(jì)使用過(guò)程中普遍出現(xiàn)的問(wèn)題之一是產(chǎn)生大量小泡。小泡形成過(guò)程包括向橡膠球滴落加液、變徑處液體攪拌和沿皂管壁滑落加液三類。皂膜流量計(jì)中小泡形成過(guò)程如圖1所示。將每類小泡產(chǎn)生過(guò)程分為5個(gè)步驟，分別對(duì)應(yīng)圖中的(1)～(5)。

圖1 皂膜流量計(jì)中小泡形成過(guò)程示意圖

①向橡膠球滴落皂液時(shí)，連續(xù)下落的皂滴不斷擊打皂液液面，引起液面振蕩，從而產(chǎn)生大量的小泡。當(dāng)擠壓橡膠球時(shí)，大量團(tuán)聚的小泡從球中溢出，通過(guò)橡膠球與皂管底部相連部分進(jìn)入皂管。

②由于皂管固有的形狀特征，即皂管的底部直徑由細(xì)變粗，當(dāng)皂液從橡膠球擠出時(shí)經(jīng)過(guò)突擴(kuò)管段，皂液回流時(shí)又經(jīng)過(guò)突縮管段。皂液在往復(fù)升降過(guò)程中相互撞擊產(chǎn)生大量的小泡，浮出積聚在液面。

③當(dāng)用戶潤(rùn)濕皂管或從皂管上部滴加皂液時(shí)，皂滴沿皂管壁流下，與底部的皂液接觸碰撞時(shí)也會(huì)產(chǎn)生小泡。

上述三種過(guò)程中產(chǎn)生的大量小泡阻礙了皂膜的形成。只有靜置相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的小泡才會(huì)慢慢破裂，影響了測(cè)量進(jìn)度。因此，消除與避免啟膜過(guò)程中產(chǎn)生小泡，對(duì)提升皂膜流量計(jì)的應(yīng)用效率至關(guān)重要。

皂膜流量計(jì)亟需解決的另一個(gè)難題是“連膜”。事實(shí)上，電子皂膜流量計(jì)[7]的原理是一次產(chǎn)生一個(gè)皂膜，光電傳感器記錄該皂膜通過(guò)上、下固定位置的時(shí)間差，并根據(jù)皂膜移動(dòng)的體積計(jì)算流量。連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)皂膜的測(cè)量結(jié)果顯然與用戶的意愿相違背。皂膜流量計(jì)啟膜與連膜如圖2所示。

S-①～S-⑤為啟膜過(guò)程的5個(gè)基本步驟；C-①～C-⑤對(duì)應(yīng)連膜過(guò)程的5個(gè)基本步驟。正常情況下，當(dāng)液面低于皂管一側(cè)的進(jìn)氣口時(shí)，氣流直接經(jīng)皂管流出。隨著液面上升，進(jìn)氣口被堵塞。由于進(jìn)氣口處液體壓力高于氣體壓力，氣流無(wú)法通過(guò)。當(dāng)液面迅速降低并經(jīng)過(guò)進(jìn)氣口上邊界時(shí)，皂液在J點(diǎn)“掛”起一層皂膜，這是正常啟膜過(guò)程。但是，如果液面下降速度緩慢，或者停留在進(jìn)氣口附近，由于氣流的吹動(dòng)作用，液面擾動(dòng)生成波峰，如同波浪一樣向前撞擊皂管內(nèi)壁，反彈回來(lái)與后續(xù)的波峰疊加，形成峰值更高的波峰。該波峰觸及J點(diǎn)時(shí)便會(huì)再次堵塞氣流通道，波峰回落時(shí)馬上產(chǎn)生一個(gè)新的皂膜。該皂膜與前一個(gè)皂膜相距很近，形成“連膜”。人工啟膜時(shí)，由于人工技術(shù)精確度所限，液面在進(jìn)氣口附近上下波動(dòng)，極易產(chǎn)生不正常的連膜現(xiàn)象。

圖2 啟膜與連膜示意圖

2 基于氣囊自動(dòng)啟膜流量計(jì)

現(xiàn)有的自動(dòng)啟膜技術(shù)并不能解決大量小泡和連膜問(wèn)題。專利CN 206430776 U[6]雖然采用阿基米德定律，通過(guò)圓柱形重錘置換液體實(shí)現(xiàn)液位的升高與降低，但在使用過(guò)程中仍存在以下弊端。

①推拉式電磁鐵上電后急速推動(dòng)重錘擊打液面，如果飛濺的液體滴落在電磁鐵上，容易燒損裝置和腐蝕線圈，使設(shè)備壽命短，操作過(guò)程易產(chǎn)生危險(xiǎn)。

②皂液濺出后，造成皂管內(nèi)液體減少，液位降低，需要定期調(diào)整儲(chǔ)液管液位的高度，不利于產(chǎn)膜的自動(dòng)化。

③重錘的體積要與皂液上升體積相匹配，不同規(guī)格的皂管需要匹配不同體積的重錘，不具有通用性。

④液面回落的動(dòng)力是液柱自身重力，皂管一側(cè)液柱短、重力小、液位回落緩慢，易在進(jìn)氣口產(chǎn)生連膜。

經(jīng)過(guò)大量實(shí)踐，研究開發(fā)了基于氣囊的自動(dòng)啟膜流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于氣囊的自動(dòng)啟膜皂膜流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

皂管的上部與下部各安裝一對(duì)光電傳感器，用于甄別皂膜，記錄皂膜通過(guò)的時(shí)間。皂管的下方通過(guò)U形連通管與儲(chǔ)液槽相接。儲(chǔ)液槽上方入口處裝有氣囊，氣囊口外翻套在儲(chǔ)液槽入口處，輸氣導(dǎo)管插入氣囊口，形成軟-硬連接配合，起到密封作用。輸入導(dǎo)管通過(guò)二位三通閥與微型真空泵相連。二位三通閥中的“二位”是指閥芯有兩種位置狀態(tài)(AC和BC)，“三通”是指閥有三個(gè)出入口(A、B和C)。當(dāng)閥處于通電狀態(tài)時(shí)，如圖3右上角所示，閥芯處于某一位置。此時(shí)，A口與C口相通，B口堵塞。斷電時(shí)，閥芯移到另一位置，B口與C口相通，A口堵塞。通過(guò)通電與斷電，可以控制C口的連通方向，從而控制氣囊內(nèi)氣體的進(jìn)出，調(diào)整氣囊體積大小的變化。

3 脈動(dòng)穩(wěn)壓控液過(guò)程

脈動(dòng)穩(wěn)壓控液過(guò)程如圖4所示。

①初始就緒階段。

圖4(a)表示準(zhǔn)備就緒。此時(shí)，二位三通閥處于斷電狀態(tài)，與氣囊連通的輸氣導(dǎo)管通過(guò)閥門的C口、B口和排氣口相通，氣囊內(nèi)壓力與外界大氣壓平衡，皂管內(nèi)液位與儲(chǔ)液槽液位保持穩(wěn)定。

②鼓氣增壓階段。

如圖4(b)所示，在啟動(dòng)微型真空泵的同時(shí)，二位三通閥通電。此時(shí)，閥門的A口與C口相通，氣流由泵壓縮，通過(guò)輸氣導(dǎo)管進(jìn)入氣囊；氣囊不斷膨脹，槽內(nèi)氣壓增大，儲(chǔ)液槽內(nèi)液體通過(guò)連通管被擠壓進(jìn)入皂管；皂管內(nèi)液位持續(xù)上升。通過(guò)控制泵的通電時(shí)間，可以調(diào)整皂管內(nèi)液位的高度。這樣既能實(shí)現(xiàn)對(duì)皂管的潤(rùn)濕清洗，又能達(dá)到啟膜目的。

③排氣啟膜階段。

停止微型真空泵，同時(shí)，二位三通閥斷電。如圖4(c)所示，閥門的B口與C口相通。一方面，氣囊中的氣體隨著氣囊外皮的收縮而排出；另一方面，皂管中的液位較高，液柱自身重力較大，壓迫儲(chǔ)液槽內(nèi)的液體回流，通過(guò)儲(chǔ)液槽內(nèi)的氣體作用在氣囊外壁，對(duì)氣囊內(nèi)氣體產(chǎn)生擠壓。這兩者的雙重作用導(dǎo)致氣囊中氣體經(jīng)C口、B口排至大氣。氣囊收縮，皂管中的液位快速回落。當(dāng)液面經(jīng)過(guò)皂管進(jìn)氣口時(shí)，進(jìn)氣口氣流推動(dòng)皂液從液柱表面剝離出一層“懸空”皂膜。這便是“啟膜”過(guò)程。

④液位回落階段。

如圖4(d)所示，氣囊繼續(xù)收縮，液位回落至進(jìn)氣口下方一定高度后停止，可以在二位三通閥的排氣口處設(shè)置阻力元件，控制氣囊的回落速度與終止壓力。儲(chǔ)液槽內(nèi)壓力既可以是正壓，又可以是略低于大氣壓力的負(fù)壓。皂管內(nèi)液位與儲(chǔ)液槽內(nèi)液位不一定在同一水平位置，這樣的控制方式使調(diào)節(jié)更加靈活。

上述四個(gè)步驟往復(fù)交替，形成循環(huán)，如同“心臟”一樣周期性運(yùn)轉(zhuǎn)。皂膜流量計(jì)能夠根據(jù)需求控制液位的高度與液位下降速度，靈活、高效地實(shí)現(xiàn)皂管的自動(dòng)潤(rùn)濕和皂膜的自動(dòng)產(chǎn)生。

圖4 脈動(dòng)穩(wěn)壓控液過(guò)程示意圖

4 試驗(yàn)原理分析

皂膜流量計(jì)減少小泡與連膜措施如圖5所示。其解釋了當(dāng)前啟膜面臨的最大難題，即小泡和連膜的產(chǎn)生，并分析了原因及解決措施。對(duì)此，可以通過(guò)使用基于氣囊的自動(dòng)啟膜流量計(jì)上述措施解決這些問(wèn)題。

通過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)試，該啟膜方法比重錘啟膜法[8]更高效。其優(yōu)點(diǎn)與主要原理如下。

①該方法從氣囊一側(cè)添加皂液，可有效避免小泡的產(chǎn)生。由于儲(chǔ)液槽較大，液體在自身重力作用下從下部的連通管“漫”到皂管。對(duì)于皂管而言，該方法液體是從下部升起來(lái)的。因此，避免在滴加皂液和從皂管內(nèi)壁滑落過(guò)程中形成小泡，保證皂液表面干凈平整。

②由于氣囊內(nèi)壓力可控，導(dǎo)致皂管內(nèi)液位高度可控，使皂管內(nèi)的皂液始終準(zhǔn)確、穩(wěn)定地在直管段上升與下降，避免皂液因通過(guò)皂管變徑處而產(chǎn)生渦流。所以在工作過(guò)程中，液柱表面也不會(huì)產(chǎn)生小泡。

圖5 減少小泡與連膜措施示意圖

③重錘式啟膜流量計(jì)液位調(diào)整過(guò)程繁鎖。由于重錘的體積固定，必須通過(guò)反復(fù)調(diào)整皂管和液位管的高度，使兩側(cè)液位在同一水平。這給用戶造成較大的麻煩。調(diào)整完畢后，由于液體飛濺損失皂液，又要重新調(diào)整，而氣囊式啟膜流量計(jì)可靈活控制氣囊內(nèi)壓力，將液位調(diào)整到任意高度。

④手捏皂膜流量計(jì)或重錘式皂膜流量計(jì)依靠液柱自身重力作為動(dòng)力恢復(fù)原始狀態(tài)。隨著液位的降低，其勢(shì)能不斷減小，驅(qū)動(dòng)力減弱，在皂管下部很容易產(chǎn)生液面的振蕩，從而形成連膜。但是，氣囊式流量計(jì)由于皮囊的彈性回復(fù)力較大，可以快速地回彈，使氣囊所在腔體快速形成負(fù)壓狀態(tài)。液體在皂管內(nèi)液柱重力和腔體氣體負(fù)壓的共同作用下快速回流，使液柱快速通過(guò)進(jìn)氣口部位，避免連膜的產(chǎn)生。

液面下降時(shí)間與液面振蕩時(shí)間計(jì)算如圖6所示。

圖6 液面下降時(shí)間與液面振蕩時(shí)間計(jì)算示意圖

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用皂管規(guī)格為：內(nèi)徑16 mm，長(zhǎng)430 mm，有效體積50 mL。HGJL-1509T型開關(guān)電源可將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?～24 V DC，為電路板[8]、微型真空泵和二位三通閥供電。電路板通過(guò)綠聯(lián)USB 2.0 to DB9 Adapter Cable與計(jì)算機(jī)相連。12 V 0.1 A直流無(wú)刷電動(dòng)風(fēng)機(jī)模擬待測(cè)氣流。SRD-05VDC-SL-C型繼電器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)微型真空泵和二位三通閥的開關(guān)控制。本試驗(yàn)選取市售泡泡水配制皂液。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

將下光電傳感器固定于皂管的0 mL刻度線位置，上光電傳感器固定于40 mL刻度線位置。試驗(yàn)前，按JJG 586-2006規(guī)程[9]對(duì)皂管進(jìn)行清洗，將泡泡水和去離子水按1∶1、1∶2、1∶5和1∶20體積比，配制成不同濃度的皂液。試驗(yàn)前，將皂管內(nèi)壁用所配制皂液充分潤(rùn)濕，然后固定于支架上，運(yùn)行程序[10]，自動(dòng)收集數(shù)據(jù)。

為了檢驗(yàn)持續(xù)潤(rùn)濕與非持續(xù)潤(rùn)濕的測(cè)量效果，分兩種工況進(jìn)行試驗(yàn)。持續(xù)潤(rùn)濕時(shí)保證每隔10次測(cè)量對(duì)皂管潤(rùn)濕1次。此時(shí)，皂液從皂管底部升起，對(duì)皂管內(nèi)部進(jìn)行“淹沒(méi)”潤(rùn)濕。皂液下降后，觀察到皂管內(nèi)壁有液膜附著；非持續(xù)潤(rùn)濕是在試驗(yàn)初始時(shí)僅潤(rùn)濕一次，之后的連續(xù)測(cè)量過(guò)程中不再進(jìn)行潤(rùn)濕。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

持續(xù)潤(rùn)濕與初始潤(rùn)濕條件下氣體流量對(duì)比如圖7所示。

圖7 持續(xù)潤(rùn)濕與初始潤(rùn)濕條件下氣體流量對(duì)比圖

從圖7試驗(yàn)結(jié)果可以看出，每一種濃度溶液都對(duì)應(yīng)持續(xù)潤(rùn)濕與非持續(xù)潤(rùn)濕兩種狀態(tài)。持續(xù)潤(rùn)濕近似為平衡狀態(tài)，即時(shí)間足夠長(zhǎng)，所測(cè)流量達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，然后基本保持不變，在曲線中呈現(xiàn)出一條直線“平臺(tái)”。這與設(shè)計(jì)構(gòu)想相吻合。

非持續(xù)潤(rùn)濕曲線在最初保持直線狀態(tài)，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，曲線呈下降趨勢(shì)。這說(shuō)明皂管內(nèi)壁粗糙度增大，皂膜受到的阻力增加，所測(cè)值偏低。此時(shí)，連續(xù)測(cè)量沒(méi)有實(shí)現(xiàn)JJG 586-2006[9]所規(guī)定的獨(dú)立試驗(yàn)條件，即每一次試驗(yàn)都是在預(yù)先潤(rùn)濕條件下進(jìn)行的。

這是自動(dòng)啟膜流量計(jì)面臨的最大問(wèn)題，而解決辦法是采用持續(xù)潤(rùn)濕，使每次試驗(yàn)都達(dá)到相同的工況條件。當(dāng)皂液濃度不同時(shí)，泡泡水被稀釋的比例越大，初始潤(rùn)濕后試驗(yàn)測(cè)得的流量值下跌得越明顯。這說(shuō)明皂液濃度同樣影響皂膜的潤(rùn)濕效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用基于氣囊的自動(dòng)啟膜流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)小泡干凈皂膜和無(wú)連膜的啟膜過(guò)程，探討了是否持續(xù)潤(rùn)濕對(duì)所測(cè)氣體流量的影響規(guī)律，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。①開發(fā)了基于氣囊的自動(dòng)啟膜流量計(jì)，解決了傳統(tǒng)皂膜流量計(jì)產(chǎn)生大量小泡和連膜的難題。②該設(shè)計(jì)能夠靈活、可靠地控制皂膜的產(chǎn)生，找到產(chǎn)生連膜的癥結(jié)所在，并通過(guò)試驗(yàn)和分析獲得了控制算法，具有普適性。③通過(guò)控制氣囊壓力進(jìn)行液位的自由升降，具備自動(dòng)潤(rùn)濕功能，代替國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定期取下皂管進(jìn)行潤(rùn)濕的操作，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)膜。

后續(xù)將從皂液種類、皂液潤(rùn)濕角以及皂液表面張力等角度，研究分析氣體流量的測(cè)量規(guī)律。