微流体应用中基于量热原理的热式流量计设计与低流速灵敏度研究

微流体技术在医疗保健、生物技术等领域的精准应用（如药物输注、临床治疗），对低流速测量的精度与可靠性提出极高要求。传统流量测量设备（如科里奥利流量计、普通热式流量计）或因体积过大、或因低流速灵敏度不足，难以适配微流体场景 —— 尤其是药物输送中，流速波动可能导致剂量不足或毒性风险。为此，本研究设计一种基于量热原理的热式微流量计，聚焦 0.1-180 mL/h 流速范围，通过优化传感器布局与热传递分析，解决低流速下的精准测量问题。

设计原理与结构组成

该热式流量计以量热原理为核心，通过监测流体流动引发的温度分布变化反推流速，结构设计围绕 “精准捕获热信号” 展开：主体为硅胶管（用于承载工作流体水），管路上集成 1 个微加热器与 3 个铂热传感器（T₁、T₂、T₃）。其中，T₁为参考热传感器，用于捕捉环境基线温度；T₂靠近加热器，监测加热后的上游热损失；T₃位于下游，追踪流体携带热量的变化。

工作时，微加热器持续提供稳定热通量，流体流动会改变管内热分布 —— 低流速下，流体与加热器的热交换更充分，T₁、T₂、T₃间形成明显温差；高流速下，流体快速带走热量，温差梯度趋于平缓。通过分析三个传感器的温差关系（如 T₂-T₁、T₃-T₂），可反推出流体流速，核心逻辑是利用热传递与流速的关联性，减少对流体物理形态的干扰。

性能验证与关键结果

研究通过专业仿真与参数优化，验证流量计的低流速适配能力，关键结果集中于两方面：

低流速灵敏度特性

在 0.1-180 mL/h 流速范围内，流量计表现出显著的 “低流速高灵敏度” 特征：当流速低于 40 mL/h 时，传感器间温差梯度稳定，能精准捕捉微小流速变化（如 0.1 mL/h 的细微波动）；流速超过 40 mL/h 后，温差斜率明显衰减，灵敏度逐步下降。这一特性恰好适配医疗场景需求 —— 药物输注、静脉治疗等场景的流速多处于低范围，流量计可实现剂量的精准把控，避免因流速偏差引发的临床风险。

传感器布局优化

为进一步提升稳定性，研究开展传感器位置参数分析（如调整 T₁、T₃的轴向距离），结果显示：传感器位置微调对整体灵敏度影响极小，仅在特定流速（如 T₁调整后 45 mL/h、T₃调整后 50 mL/h）出现微弱温差波动。这表明该布局具有较强抗干扰能力，无需复杂的位置校准即可保持测量一致性，降低工程应用中的调试难度。

技术价值与应用适配

该热式流量计的核心优势在于 “低检测限 + 高可靠性”：其最小检测流速可达 0.1 mL/h，能识别微流体场景中的细微流速变化；同时，铂传感器的稳定性与硅胶管的兼容性，确保长期使用中的热信号捕获精度。从应用场景看，该设计尤其适配医疗领域 —— 药物输注中，可实时监测药液流速，避免剂量误差；临床治疗（如疼痛管理、营养支持）中，能保障流体输送的稳定性，降低治疗风险。

相较于传统热式流量计，该设计通过 “参考 - 上游 - 下游” 的三传感器布局，减少了环境温度、热损失对测量的干扰，且无需复杂计算与高采样率支持，兼顾精度与工程实用性。未来可进一步拓展至生物化学分析、微通道反应等微流体场景，为精准流量控制提供技术支撑。