一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子，高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼或釤鈷永磁體構成；所述檢測裝置包括傳感器和處理模塊，所述傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，傳感器將信號輸送至處理模塊，所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體引入口和氣體排出口，氣體引入口的與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上。本發明由于高定向熱解石墨轉子呈懸浮狀態，其轉動阻力很小，能檢測很小的氣體流動。
【專利說明】一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感計量裝置領域，尤其涉及對微量氣體流量的檢測裝置，具體是一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計。
【背景技術】
[0002]目前的流量計主要分為超聲波型和電磁型，超聲波流量計其原理是利用超聲波的傳播速度隨流速變化而發生變化的原理來測量的氣體流速的流量計。電磁型流量計主要用于測量導電液體的流速，電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律，導電液體在磁場中作切割磁力線運動時在導體中產生感應電動勢，該感應電壓與流體平均流速成正t匕。對于氣體流量計，也有利用金屬球來檢測氣體流量的。但是，目前的氣體流量計的分辨率不夠精細，導致微小流量，特別是某些管道泄漏時的流量不能準確的檢測出來。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在于提供一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，本發明采用抗磁懸浮機理，減小檢測部件的運動阻尼、提高檢測精度，以解決現有技術中氣體流量計分辨率不夠精細，導致不能檢測微小流量的技術問題。
[0004]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、夕卜殼上端設有蓋板，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子，高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼或釤鈷永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括至少一個內磁鐵和至少一個外環磁鐵，所述外環磁鐵套設在內磁鐵外周，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向均沿其軸向且外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向相反，所述高定向熱解石墨轉子的外徑大于外環磁鐵的內徑、小于外環磁鐵的外徑；所述檢測裝置包括傳感器和處理模塊，所述傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，用于檢測高定向熱解石墨轉子的轉動，所述傳感器將信號輸送至處理模塊，所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體引入口和氣體排出口，所述氣體引入口和氣體排出口之間通過連接管相連，連接管通過管口連接件與被測氣流管道相連接，氣體引入口與高定向熱解石墨轉子相對應設置，所述處理模塊對傳感器輸出的信號加以處理、分析得出氣體流量數值。
[0005]所述高定向熱解石墨轉子呈圓盤形或齒輪形，所述齒輪為至少三個均勻分布在其外圓周上的齒輪；高定向熱解石墨轉子呈圓盤形，由于永久磁鐵組件形成的磁場區域具有圓周對稱性，采用圓盤形的轉子其所抗磁力在圓周方向也是均勻的，可以增加高定向熱解石墨轉子懸浮狀態的穩定性，并能提高對氣體流量檢測的靈敏度；當采用圓盤形轉子時，所述檢測裝置包括攝像頭和圖像分析模塊，采用攝像頭對圓盤形高定向熱解石墨轉子的轉動進行攝像，然后通過圖像分析模塊分析該高定向熱解石墨轉子的轉速，進而分析所測量氣流的流速和流量。
[0006]所述高定向熱解石墨轉子呈齒輪形，其外圓周均勻設有四個齒輪，所述齒輪為通過鉆Imm的孔構成,所述齒輪的外徑為2mm、厚度為0.6mm ;由于石墨是脆性材料,不易采用傳統的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保證其形狀精度。但是，石墨具有良好的導電性，可以采用微電火花放電加工(micro-electro-discharge machining,?EDM)方法進行加工。
[0007]所述傳感器為激光位移傳感器，激光位移傳感器與處理模塊相連接并將信號輸送至處理模塊，所述處理模塊上設有用于顯示信號的顯示屏，傳感器將信號輸送至處理模塊并將信號顯示在顯示屏上；調節激光位移傳感器的位置使其檢測光斑位于齒輪形高定向熱解石墨轉子的齒根與齒頂之間，當氣流使高定向熱解石墨轉子轉動時，光斑可以間隔地檢測到齒和齒間的間隙，從而產生檢測脈沖，通過分析檢測脈沖的頻率可以分析出高定向熱解石墨轉子的轉速。
[0008]所述內磁鐵為圓環形磁鐵或者圓柱形磁鐵，所述圓柱形磁鐵的直徑為1.5875mm、高度為1.5875mm。
[0009]所述外環磁鐵的外徑為3.175mm、內徑為1.5875mm、高度為1.5875mm。
[0010]內磁鐵整體采用圓形結構，與外環磁鐵構成磁化方向相反的結構，由于內磁鐵也呈圓形，其和外環磁鐵構成圓周對稱形磁場，可以使高定向熱解石墨轉子自動對中并與永久磁鐵組件的中心軸線同軸。
[0011]在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板，該導磁板與外環磁鐵尺寸相等或者大于外環磁鐵尺寸。導磁板采用磁導率高的鐵、鈷或鎳，以及它們的合金材料，導磁板有助于構成磁路,減少磁力線耗散。
[0012]所述導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑，底部環形磁鐵沿軸向磁化，且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反；底部環形磁鐵可以進一步增加高定向熱解石墨轉子懸浮的穩定性，當有側向干擾力作用于高定向熱解石墨轉子時，其不會脫離永久磁體組件上方區域。
[0013]該技術方案中，由于采用了高定向熱解石墨(high oriented pyrolyticgraphite, HOPG)作為轉子，利用高定向熱解石墨的抗磁特性,永磁體組件與高定向熱解石墨轉子之間產生抗磁懸浮力，從而使高定向熱解石墨轉子懸浮于永磁體組件上方，為了使高定向熱解石墨轉子穩定的懸浮于永久磁鐵組件上方，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向需要呈相反方向。由于高定向熱解石墨轉子呈懸浮狀態，其轉動阻力很小，可以檢測很小的氣體流動，需要檢測的氣流從氣體引入口進入，氣體流動可以帶動高定向熱解石墨轉子轉動，該轉子的轉動速度與氣體流動速度相關，因此通過檢測裝置檢測出高定向熱解石墨轉子的轉速，可以推算出對應的氣體流速以及流量。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果為:本發明采用了高定向熱解石墨(highoriented pyrolytic graphite, HOPG)作為轉子,利用高定向熱解石墨的抗磁特性,永磁體組件與高定向熱解石墨轉子之間產生抗磁懸浮力，從而使高定向熱解石墨轉子懸浮于永磁體組件上方；由于外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向呈相反方向從而使高定向熱解石墨轉子穩定的懸浮于永久磁鐵組件上方；由于高定向熱解石墨轉子呈懸浮狀態，其轉動阻力很小，可以檢測很小的氣體流動，當需要檢測的氣流從氣體引入口進入，氣體流動可以帶動高定向熱解石墨轉子轉動，高定向熱解石墨轉子的轉動速度與氣體流動速度相關，因此通過檢測裝置檢測出高定向熱解石墨轉子的轉速，可以推算出對應的氣體流速以及流量，從而實現對微小流量氣體的檢測；本發明提供一種利用抗磁材料在磁場中受到抗磁力，從而可以得到無摩擦的懸浮狀態，當懸浮體運動時可以大大減小摩擦損耗，而且，如果采用永磁體提供磁場，則不需要外界能源輸入，甚至可以省去工作過程中的維護。
[0015]
【專利附圖】
【附圖說明】
圖1為本發明的結構原理示意圖。
[0016]圖2為本發明中抗磁懸浮部分的結構示意圖。
[0017]圖3為本發明激光位移傳感器檢測到的部分信號示意圖。
[0018]圖4為本發明高定向熱解石墨轉子轉速與氣體流量擬合曲線。
【具體實施方式】
[0019]本發明的基本思想是:利用抗磁材料高定向熱解石墨的抗磁特性，當該抗磁材料與磁鐵接近時會受到排斥力，因此，高定向熱解石墨和高性能永久磁鐵接近時收到抗磁力。這樣，高定向熱解石墨受到的抗磁力可以克服其重力，使其懸浮于永久磁鐵上方，給高定向熱解石墨提供無摩擦力的運動環境；可以合理配置永久磁鐵結構，使其磁場形成磁勢能阱，在水平方向也給高定向熱解石墨產生作用力，當高定向熱解石墨轉子受到不同氣體流量的水平方向作用力時，可以在永久磁鐵的磁勢能阱中得到不同的轉速，因此，可以通過測量高定向熱解石墨轉子的轉速來分析氣體流量的大小。同時，采用了永久磁鐵提供抗磁力，不需要外界能源。
[0020]實施例1
如圖1和圖2所示，本實施例基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼1，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板2，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子3,高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括一個內磁鐵4和一個外環磁鐵5,所述內磁鐵為圓柱形磁鐵,所述圓柱形磁鐵的直徑為1.5875mm、高度為
1.5875mm ;所述外環磁鐵的外徑為3.175mm、內徑為1.5875mm、高度為1.5875mm,該外環磁鐵套設在內磁鐵外周，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向均沿其軸向且外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向相反；在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板10，該導磁板與外環磁鐵尺寸相等，導磁板采用磁導率高的鎳，導磁板有助于構成磁路，減少磁力線耗散；在導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑，底部環形磁鐵沿軸向磁化，且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反；底部環形磁鐵可以進一步增加高定向熱解石墨轉子懸浮的穩定性，當有側向干擾力作用于高定向熱解石墨轉子時，其不會脫離永久磁體組件上方區域；所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體引入口 8和氣體排出口 9，所述氣體引入口和氣體排出口之間通過連接管相連，連接管通過管口連接件與被測氣流管道相連接，氣體引入口與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上，通過處理模塊對傳感器輸出的信號加以處理、分析得出氣體流量數值。
[0021]本實施例高定向熱解石墨轉子的外徑大于外環磁鐵的內徑、小于外環磁鐵的外徑，該高定向熱解石墨轉子呈齒輪形，其外圓周均勻設有四個齒輪，所述齒輪為通過鉆1_的孔構成，所述齒輪的外徑為2_、厚度為0.6mm ;由于石墨是脆性材料,不易采用傳統的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保證其形狀精度。但是，石墨具有良好的導電性，可以采用微電火花放電加工(micro-electro-discharge machining,?EDM)方法進行加工；首先將高定向熱解石墨薄板在精磨機上對其表面進行處理，并使其厚度為0.6mm，將高定向熱解石墨板固定在微電火花放電機的XY工作臺上，鶴電極固定在微電火花放電機的Z軸上，然后在直徑為2mm的圓周上均勻分布用直徑為300mm的鎢電極鉆四個Imm的孔，構成高定向熱解石墨轉子的四個齒，鶴電極再沿直徑為2_的圓周切割，得到外徑為2_的高定向熱解石墨轉子，并具有四個齒；所述檢測裝置包括激光位移傳感器6和處理模塊7，所述激光位移傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，用于檢測高定向熱解石墨轉子的轉動，激光位移傳感器與處理模塊相連接并將信號輸送至處理模塊，所述處理模塊上設有用于顯示信號的顯示屏，傳感器將信號輸送至處理模塊并將信號顯示在顯示屏上；調節激光位移傳感器的位置使其檢測光斑位于齒輪形高定向熱解石墨轉子的齒根與齒頂之間，當氣流使高定向熱解石墨轉子轉動時，光斑可以間隔地檢測到齒和齒間的間隙，從而產生檢測脈沖，通過分析檢測脈沖的頻率可以分析出高定向熱解石墨轉子的轉速；如圖3所示，圖中橫坐標表示采樣點編號，采樣周期為2ms，結合圖中脈沖可以就算出此時高定向熱解石墨轉子的轉速為126.lrpm。
[0022]如圖4所示，高定向熱解石墨轉子的轉速與氮氣的流量分段呈線性關系，可以分為LI，L2和L3三段加以描述:通過對數據點擬合，可以得到LI段的擬合關系式為:yl=21.3296*χ-225.2712，對應的氣體流量為16.61sccm到23.1sccm ；L2段的線性關系式為Y2=130.1636氺X -2741.29，對應的氣體流量為23.1sccm到23.65sccm ；L3段的擬合關系式為y3=40.27*x-624.8206，對應的氣體流量為23.65sccm到28.05sccm ;通過上述實驗測試可以看出，高定向熱解石墨轉子的轉速與氣體流量呈一定關系。在實驗中所使用的氣體控制閥((SEC-N112, Horiba Ltd.)能顯示的最小控制流量是16.61sccm (標準立方厘米)，但是我們發現當氣體流量低于這個數值時，高定向熱解石墨轉子仍然能轉動，因此可以預見，本發明的氣流量計可以檢測更小的氣體流量。
[0023]作為優選，本實施例為了便于調節氣流與高定向熱解石墨轉子的作用力方向，氣體引入口前端呈錐形收縮，氣體引入口相對殼體在水平方向轉動一定角度范圍，這樣可以便于調節氣流作用與高定向熱解石墨轉子的作用角度。
[0024]實施例2
本實施例基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子，高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括一個內磁鐵和一個外環磁鐵，所述內磁鐵為圓柱形磁鐵，所述圓柱形磁鐵的直徑為1.5875mm、高度為1.5875mm ;所述外環磁鐵的外徑為3.175mm、內徑為1.5875mm、高度為1.5875mm，該外環磁鐵套設在內磁鐵外周，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向均沿其軸向且外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向相反；在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板，該導磁板的尺寸大于外環磁鐵的尺寸。導磁板采用磁導率高的鐵，導磁板有助于構成磁路，減少磁力線耗散；在導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑,底部環形磁鐵沿軸向磁化,且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反；底部環形磁鐵可以進一步增加高定向熱解石墨轉子懸浮的穩定性，當有側向干擾力作用于高定向熱解石墨轉子時，其不會脫離永久磁體組件上方區域；所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體弓I入口和氣體排出口，所述氣體弓I入口和氣體排出口之間通過連接管相連，連接管通過管口連接件與被測氣流管道相連接，氣體引入口與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上，通過處理模塊對傳感器輸出的信號加以處理、分析得出氣體流量數值。
[0025]本實施例高定向熱解石墨轉子的外徑大于外環磁鐵的內徑、小于外環磁鐵的外徑，該高定向熱解石墨轉子呈齒輪形，其外圓周均勻設有三個齒輪，所述齒輪為通過鉆Imm的孔構成，所述齒輪的外徑為2_、厚度為0.6mm ;由于石墨是脆性材料,不易采用傳統的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保證其形狀精度。但是，石墨具有良好的導電性，可以采用微電火花放電加工(micro-electro-discharge machining,?EDM)方法進行加工；首先將高定向熱解石墨薄板在精磨機上對其表面進行處理，并使其厚度為0.6mm，將高定向熱解石墨板固定在微電火花放電機的XY工作臺上，鶴電極固定在微電火花放電機的Z軸上,然后在直徑為2mm的圓周上均勻分布用直徑為300mm的鶴電極鉆三個Imm的孔，構成高定向熱解石墨轉子的三個齒，鶴電極再沿直徑為2_的圓周切割，得到外徑為2_的高定向熱解石墨轉子，并具有三個齒；所述檢測裝置包括激光位移傳感器和處理模塊，所述激光位移傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，用于檢測高定向熱解石墨轉子的轉動，激光位移傳感器與處理模塊相連接并將信號輸送至處理模塊，所述處理模塊上設有用于顯示信號的顯示屏，傳感器將信號輸送至處理模塊并將信號顯示在顯示屏上；調節激光位移傳感器的位置使其檢測光斑位于齒輪形高定向熱解石墨轉子的齒根與齒頂之間，當氣流使高定向熱解石墨轉子轉動時，光斑可以間隔地檢測到齒和齒間的間隙，從而產生檢測脈沖，通過分析檢測脈沖的頻率可以分析出高定向熱解石墨轉子的轉速；如圖3所示，圖中橫坐標表示采樣點編號，采樣周期為2ms，結合圖中脈沖可以就算出此時高定向熱解石墨轉子的轉速為126.1rpm0
[0026]如圖4所示，高定向熱解石墨轉子的轉速與氮氣的流量分段呈線性關系，可以分為LI，L2和L3三段加以描述:通過對數據點擬合，可以得到LI段的擬合關系式為:yl=21.3296*χ-225.2712，對應的氣體流量為16.61sccm到23.1sccm ；L2段的線性關系式為Y2=130.1636氺X -2741.29，對應的氣體流量為23.1sccm到23.65sccm ；L3段的擬合關系式為y3=40.27*x-624.8206，對應的氣體流量為23.65sccm到28.05sccm ;通過上述實驗測試可以看出，高定向熱解石墨轉子的轉速與氣體流量呈一定關系。在實驗中所使用的氣體控制閥((SEC-N112, Horiba Ltd.)能顯示的最小控制流量是16.61sccm (標準立方厘米)，但是我們發現當氣體流量低于這個數值時，高定向熱解石墨轉子仍然能轉動，因此可以預見，本發明的氣流量計可以檢測更小的氣體流量。
[0027]作為優選,本實施例為了便于調節氣流與高定向熱解石墨轉子的作用力方向，氣體引入口前端呈錐形收縮，氣體引入口相對殼體在水平方向轉動一定角度范圍，這樣可以便于調節氣流作用與高定向熱解石墨轉子的作用角度。
[0028]實施例3
本實施例基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子，高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括一個內磁鐵和一個外環磁鐵，所述內磁鐵為圓柱形磁鐵，所述圓柱形磁鐵的直徑為1.5875mm、高度為1.5875mm ;所述外環磁鐵的外徑為3.175mm、內徑為1.5875mm、高度為1.5875mm，該外環磁鐵套設在內磁鐵外周，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向均沿其軸向且外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向相反；在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板，該導磁板的尺寸大于外環磁鐵的尺寸。導磁板采用磁導率高的鈷，導磁板有助于構成磁路，減少磁力線耗散；在導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑,底部環形磁鐵沿軸向磁化,且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反；底部環形磁鐵可以進一步增加高定向熱解石墨轉子懸浮的穩定性，當有側向干擾力作用于高定向熱解石墨轉子時，其不會脫離永久磁體組件上方區域；所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體引入口和氣體排出口，所述氣體引入口和氣體排出口之間通過連接管相連，連接管通過管口連接件與被測氣流管道相連接，氣體引入口與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上，通過處理模塊對傳感器輸出的信號加以處理、分析得出氣體流量數值。
[0029]本實施例高定向熱解石墨轉子的外徑大于外環磁鐵的內徑、小于外環磁鐵的外徑，該高定向熱解石墨轉子呈圓盤形，由于永久磁鐵組件形成的磁場區域具有圓周對稱性，采用圓盤形的轉子其所抗磁力在圓周方向也是均勻的，可以增加高定向熱解石墨轉子懸浮狀態的穩定性，并能提高對氣體流量檢測的靈敏度；本實施例采用圓盤形轉子，所述檢測裝置包括攝像頭和圖像分析模塊，采用攝像頭對圓盤形高定向熱解石墨轉子的轉動進行攝像，然后通過圖像分析模塊分析該高定向熱解石墨轉子的轉速，進而分析所測量氣流的流速和流量。如圖4所示，高定向熱解石墨轉子的轉速與氮氣的流量分段呈線性關系，可以分為LI，L2和L3三段加以描述:通過對數據點擬合，可以得到LI段的擬合關系式為:yl=21.3296*χ-225.2712，對應的氣體流量為16.61sccm到23.1sccm ；L2段的線性關系式為Y2=130.1636氺X -2741.29，對應的氣體流量為23.1sccm到23.65sccm ；L3段的擬合關系式為y3=40.27*x-624.8206，對應的氣體流量為23.65sccm到28.05sccm ;通過上述實驗測試可以看出，高定向熱解石墨轉子的轉速與氣體流量呈一定關系。在實驗中所使用的氣體控制閥((SEC-N112, Horiba Ltd.)能顯示的最小控制流量是16.61sccm (標準立方厘米)，但是我們發現當氣體流量低于這個數值時，高定向熱解石墨轉子仍然能轉動，因此可以預見，本發明的氣流量計可以檢測更小的氣體流量。
[0030]作為優選,本實施例為了便于調節氣流與高定向熱解石墨轉子的作用力方向，氣體引入口前端呈錐形收縮，氣體引入口相對殼體在水平方向轉動一定角度范圍，這樣可以便于調節氣流作用與高定向熱解石墨轉子的作用角度。
[0031]實施例4
本實施例基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，包括外殼，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子，高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釤鈷永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括一個內磁鐵和一個外環磁鐵，所述內磁鐵整體采用圓形結構，與外環磁鐵構成磁化方向相反的結構，由于內磁鐵也呈圓形，其和外環磁鐵構成圓周對稱形磁場，可以使高定向熱解石墨轉子自動對中并與永久磁鐵組件的中心軸線同軸，當整個裝置在受到一定橫向擾動情況下，該高定向熱解石墨轉子可以自動回復到永久磁鐵組件軸線的正上方；在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板，導磁板采用圓盤形磁鐵板，對該圓盤形磁鐵盤進行徑向磁化，這樣圓盤形磁鐵盤可以和外環磁鐵、內磁鐵構成Halbach結構，改善磁力線分布和磁勢能阱，提高高定向熱解石墨轉子的懸浮穩定性，該導磁板的尺寸大于外環磁鐵的尺寸。導磁板采用磁導率高的鐵、鈷、鎳的合金材料，導磁板有助于構成磁路，減少磁力線耗散；在導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑，底部環形磁鐵沿軸向磁化，且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反；底部環形磁鐵可以進一步增加高定向熱解石墨轉子懸浮的穩定性，當有側向干擾力作用于高定向熱解石墨轉子時，其不會脫離永久磁體組件上方區域；所述外殼呈圓柱筒形，外殼下端與該導磁板密封連接、上端與蓋板側壁密封相連接，在外殼的側壁上設有氣體引入口和氣體排出口，所述氣體引入口和氣體排出口之間通過連接管相連，連接管通過管口連接件與被測氣流管道相連接，便于測量管道中氣流的流速和流量，氣體引入口與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上，通過處理模塊對傳感器輸出的信號加以處理、分析得出氣體流量數值。
[0032]本實施例高定向熱解石墨轉子的尺寸與永磁鐵組件的尺寸相適應，如果選用尺寸較大的永磁鐵組件，可以相應的增加高定向熱解石墨轉子的尺寸，該高定向熱解石墨轉子呈齒輪形，其外圓周均勻設有三個齒輪，所述齒輪為通過鉆Imm的孔構成，所述齒輪的外徑為2mm、厚度為0.6mm ;由于石墨是脆性材料，不易采用傳統的加工方法加工，即使是采用激光切割也不能很好的保證其形狀精度。但是，石墨具有良好的導電性，可以采用微電火花放電加工(micro-electro-discharge machining,?EDM)方法進行加工；首先將高定向熱解石墨薄板在精磨機上對其表面進行處理，并使其厚度為0.6mm,將高定向熱解石墨板固定在微電火花放電機的XY工作臺上，鎢電極固定在微電火花放電機的Z軸上，然后在直徑為2mm的圓周上均勻分布用直徑為300mm的鶴電極鉆三個Imm的孔,構成高定向熱解石墨轉子的三個齒，鎢電極再沿直徑為2_的圓周切割，得到外徑為2_的高定向熱解石墨轉子，并具有三個齒；所述檢測裝置包括激光位移傳感器和處理模塊，所述激光位移傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，用于檢測高定向熱解石墨轉子的轉動，當高定向熱解石墨轉子懸浮于永磁體組件上方時，通過激光位移傳感器測得其懸浮空間為130_，激光位移傳感器與處理模塊相連接并將信號輸送至處理模塊，所述處理模塊上設有用于顯示信號的顯示屏，傳感器將信號輸送至處理模塊并將信號顯示在顯示屏上；處理模塊還設有與計算機的數據接口，可以通過計算機上的監控軟件實時讀取、顯示激光位移傳感器光斑檢測的數值，同時也可存儲供后續數據分析。調節激光位移傳感器的位置使其檢測光斑位于齒輪形高定向熱解石墨轉子的齒根與齒頂之間，當氣流使高定向熱解石墨轉子轉動時，光斑可以間隔地檢測到齒和齒間的間隙，從而產生檢測脈沖，通過分析檢測脈沖的頻率可以分析出高定向熱解石墨轉子的轉速。如圖3所示，圖中橫坐標表示采樣點編號，采樣周期為2ms，結合圖中脈沖可以就算出此時高定向熱解石墨轉子的轉速為126.lrpm。
[0033]如圖4所示，高定向熱解石墨轉子的轉速與氮氣的流量分段呈線性關系，可以分為LI，L2和L3三段加以描述:通過對數據點擬合，可以得到LI段的擬合關系式為:yl=21.3296*χ-225.2712，對應的氣體流量為16.61sccm到23.1sccm ；L2段的線性關系式為Y2=130.1636氺X -2741.29，對應的氣體流量為23.1sccm到23.65sccm ；L3段的擬合關系式為y3=40.27*x-624.8206，對應的氣體流量為23.65sccm到28.05sccm ;通過上述實驗測試可以看出，高定向熱解石墨轉子的轉速與氣體流量呈一定關系。在實驗中所使用的氣體控制閥((SEC-N112, Horiba Ltd.)能顯示的最小控制流量是16.61sccm (標準立方厘米)，但是我們發現當氣體流量低于這個數值時，高定向熱解石墨轉子仍然能轉動，因此可以預見，本發明的氣流量計可以檢測更小的氣體流量。
[0034]作為優選,本實施例為了便于調節氣流與高定向熱解石墨轉子的作用力方向，氣體引入口前端呈錐形收縮，氣體引入口相對殼體在水平方向轉動一定角度范圍，這樣可以便于調節氣流作用與高定向熱解石墨轉子的作用角度。
【權利要求】
1.一種基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:包括外殼(I)，在外殼內部設有抗磁懸浮部分、外殼上端設有蓋板(2)，所述蓋板上設有檢測裝置；所述抗磁懸浮部分包括永久磁鐵組件和高定向熱解石墨轉子(3),高定向熱解石墨轉子懸浮于永久磁鐵組件正上方，永久磁鐵組件由釹鐵硼或衫鈷永磁體構成，所述永久磁鐵組件包括一個內磁鐵(4 )和一個外環磁鐵(5 )，所述外環磁鐵套設在內磁鐵外周，外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向均沿其軸向且外環磁鐵和內磁鐵的磁化方向相反，所述高定向熱解石墨轉子的外徑大于外環磁鐵的內徑、小于外環磁鐵的外徑；所述檢測裝置包括傳感器(6)和處理模塊(7)，所述傳感器設于高定向熱解石墨轉子正上方，傳感器將信號輸送至處理模塊，所述外殼呈圓柱筒形，在外殼的側壁上設有氣體引入口(8)和氣體排出口(9)，所述氣體引入口和氣體排出口之間通過連接管相連，氣體引入口的與高定向熱解石墨轉子設置在同一水平面上。
2.根據權利要求1所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:所述高定向熱解石墨轉子呈圓盤形或齒輪形，所述齒輪為至少三個均勻分布在其外圓周上的齒輪，所述齒輪的外徑為2mm、厚度為0.6mm。
3.根據權利要求1所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:所述傳感器為激光位移傳感器，激光位移傳感器與處理模塊相連接并將信號輸送至處理模塊，所述處理模塊上設有用于顯示信號的顯示屏。
4.根據權利要求1所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:所述內磁鐵為圓環形磁鐵或者圓柱形磁鐵，所述圓柱形磁鐵的直徑為1.5875mm、高度為1.5875mm。
5.根據權利要求1-4所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:所述外環磁鐵的外徑為3.175mm、內徑為1.5875mm、高度為1.5875mm。
6.根據權利要求5所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:在所述永久磁鐵組件底部設有導磁板(10 )。
7.根據權利要求6所述的基于抗磁懸浮機理的氣體微流量計，其特征在于:所述導磁板底部設有底部環形磁鐵，所述底部環形磁鐵的外徑大于外環磁鐵的外徑，底部環形磁鐵沿軸向磁化，且其磁化方向與內磁鐵的磁化方向相反。
【文檔編號】G01F1/56GK104406640SQ201410755450
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】蘇宇鋒, 葉志通, 段智勇, 趙江銘, 楊杰偉 申請人:鄭州大學