摘(zhāi)要:基于熱(re)傳遞原理(lǐ),設計了一(yī)種大量程(chéng)氣體流量(liang)傳感器🐅。 采(cǎi)用FLUENT進行結(jié)構的仿真(zhēn).結合權重(zhong)法确定傳(chuan)感🙇‍♀️器的結(jié)構模型⭐。研(yán)究了傳感(gǎn)元件的溫(wen)度特性.确(que)定了傳感(gan)器的工作(zuò)狀态。設計(ji)了傳⭕感電(dian)路,對傳感(gan)器進行了(le)自動溫度(dù)補償。測量(liang)中采用兩(liang)種不同的(de)測量原理(li).使傳感器(qì)能夠檢測(ce)微小流量(liang)和中、大流(liu)量.提高了(le)傳感器的(de)測量範圍(wéi)。實驗結果(guo)表明該傳(chuan)感器測量(liàng)流量🛀量程(cheng)爲🈚0.14 m'/h~ 130 m'/h,測量誤(wu)差優于1.5%。
　　熱(rè)式氣體流(liu)量傳感器(qi)是利用熱(rè)傳遞原理(li)實現對氣(qì)體質量流(liú)量的直接(jiē)測量",其按(an)結構可分(fèn)爲熱分布(bù)型和浸人(rén)型。熱分布(bu)式型💰氣體(ti)流量傳感(gan)💜器可測量(liang)低流速微(wei)小流量鬥(dou);浸人型氣(qì)體流量傳(chuán)感器主要(yao)應用于中(zhong)、大管徑的(de)較高流速(sù)🌏測量,而對(dui)于低流速(sù)🔞氣體的測(cè)量精度和(hé)靈敏度都(dou)較低。采用(yong)5個熱電阻(zǔ)PT1000 集成于同(tong)-基片的傳(chuan)感元件,通(tong)過傳感電(dian)路設計,使(shǐ)得氣🍉體流(liú)🐆量傳感器(qi)在小流量(liàng)時采用熱(rè)分布型測(ce)量原理,在(zai)大流量測(ce)量時采用(yòng)浸人式測(ce)量原理,從(cong)而實現了(le)流量的大(dà)量程測量(liang)。同時,由💚于(yu)該傳感器(qì)放置在管(guǎn)道内部,因(yin)此傳感元(yuán)件周圍的(de)流場及流(liú)速大小将(jiāng)較大影響(xiǎng)流量測量(liang)的性能。因(yin)此，首先對(duì)傳感器結(jié)構進行仿(páng)真,通過.Solidworks軟(ruan)件設計傳(chuán)感器的9種(zhong)✉️結構模型(xing)引,采用🔅FLUENT仿(pang)真技術獲(huò)得不同傳(chuan)感器結構(gou)模🍓型的管(guan)内流場等(děng)速線水平(píng)剖面圖及(jí)管内傳感(gǎn)元件截面(mian)的面平均(jun)速度,并結(jié)合權重法(fa)對仿真數(shu)據進行處(chu)理,确定傳(chuán)感器系統(tong)結構模型(xing)。然後研究(jiū)了傳感器(qi)的溫度特(te)性[4],設計了(le)傳感測量(liàng)電路,實現(xiàn)🐕對氣體在(zài)大量程範(fan)圍内流量(liang)正🏃‍♀️确的測(ce)量。
1測量原(yuan)理
　　氣體流(liú)量傳感器(qì)是在不同(tóng)流量段分(fen)别采用熱(re)分布型和(he)浸人型的(de)測量原理(lǐ)。熱式氣體(tǐ)傳感器的(de)傳感元件(jiàn)置于管道(dao)中⭕心[5]，傳感(gǎn)元件如圖(tú)1所示。管道(dao)中沒有氣(qi)體通過時(shí),管道内的(de)溫🐅度場是(shi)🙇🏻對稱的。熱(re)電阻R.、R。、R、R, ,作爲(wèi)熱📧源和溫(wēn)度☀️傳感器(qi),R。用✏️于氣體(ti)介質溫度(du)的測量。當(dang)有微小氣(qi)體流過時(shí),上遊熱電(diàn)阻R.R,的溫度(du)下👣降比下(xià)遊熱電🤞阻(zǔ)R、R,明顯,氣體(ti)将上遊的(de)熱量帶❗到(dao)下🌈遊,引起(qi)3管道内部(bu)溫度場變(bian)化61,則氣♈體(tǐ)的質量流(liú)量

　　式中E爲(wei)單位時間(jian)内輸出流(liu)量計的電(diàn)功率,c,爲被(bei)測氣體的(de)比定壓熱(rè)容,ΔT爲上下(xia)遊溫差
　　随(sui)着氣體流(liú)速的增加(jiā),氣體的流(liu)動引起熱(rè)電阻Rs1、Rs2. s3、Rs4、溫度(dù)的變化,電(diàn)❓路提供給(gěi)四個電阻(zu)的3電功率(lǜ)等于氣體(ti)流動對熱(re)換流帶走(zǒu)的熱量,即(jí)

2熱式氣體(tǐ)傳感器系(xì)統結構的(de)設計
　　由于(yú)傳感元件(jian)通過圓柱(zhù)形支架固(gù)定在管道(dao)内部,圓柱(zhù)體📐開一矩(ju)形孔用于(yu)傳感元件(jian)測量氣體(tǐ)流量🔞,見圖(tú)2所示。傳感(gan)元件❓周圍(wéi)的流場對(dui)傳感器的(de)靈敏度和(hé)重複性影(yǐng)響較大。同(tong)時,傳📞感器(qì)的👄壓損也(ye)是一個重(zhòng)要的🌏評價(jià)指标。因此(ci),需要🤞對傳(chuán)感器開孔(kǒng)尺寸進行(háng)仿真研究(jiū),以獲得理(lǐ)想的結構(gou).

　　首先采用(yòng)Solidworks軟件對氣(qì)體傳感器(qi)模型進行(hang)建立,管道(dào)口徑爲50 mm,管(guan)道長度爲(wèi)130 Imm,管道中支(zhī)架爲小圓(yuán)柱體,直徑(jìng)爲12mm[7].
　　将網格(gé)文件導入(rù)FLUENT軟件進行(hang)仿真并保(bao)證各模型(xíng)有🧑🏽‍🤝‍🧑🏻相💋同⭐的(de)邊⛷️界條件(jiàn),設定管道(dào)内流體介(jiè)質爲空氣(qì),人口速度(du)取10 m/s,根據式(shi)(3)求出管道(dao)雷諾數Re=337 84, 因(yīn)此粘性模(mo)型爲k-epsilon。 爲了(le)防止壁面(mian)有邊🐆界層(céng)使得流體(ti)粘附管道(dao),壁面選擇(ze)Moving wall。

　　式中V爲入(ru)口速度,D爲(wei)管道直徑(jìng),η, 爲壓強爲(wei)101.325 kPa、 溫度爲20 C的(de)條件下空(kōng)氣🏒的運動(dong)黏度根據(ju)式(4)計算出(chu)湍流強度(dù)1=4.345%[8]。

　　氣體傳感(gǎn)器插入管(guǎn)道中測量(liang)氣體的流(liu)速,會對氣(qì)體的流場(chang)☔有一定的(de)擾動,不同(tóng)的傳感器(qì)模型對流(liu)場的擾動(dong)也不同[9]。因(yin)此需對傳(chuán)感器模型(xing)的尺寸進(jin)行設計仿(páng)真,選擇最(zui)佳模型。如(ru)圖2所示,傳(chuán)感元件置(zhì)于管道中(zhōng)，傳感元件(jian)長7 mm,寬2.4 mm,厚0.15 mm。設(she)計矩形孔(kong)的尺寸,1分(fèn)别取3 mm、4 mm、5 mm,h分别(bie)取9 mm、10 mm、11 mm,共9種模(mó)型,研究不(bu)同模型對(duì)流場産生(shēng)的影響。
　　采(cai)用FLUENT軟件10-1]1分(fèn)别對這9種(zhǒng)模型設置(zhì)相同的邊(biān)界條件,進(jin)行⭐數值模(mó)拟計算。分(fèn)别計算傳(chuán)感元件不(bú)同位置的(de)平均速度(du)。選取傳🏃🏻‍♂️感(gan)元件中心(xin)截面的編(bian)号爲plane-5。按軸(zhóu)向方向在(zài)plane-5前後分别(bie)🌈依次取5個(gè)截面,前面(mian)兩截面平(ping)行距離🔞爲(wei)0.24 mm,分别編号(hao)爲plane-0, plane- 1, plane-2...共11個截(jié)面,如圖3所(suo)示,這些截(jie)面上的面(mian)平均速度(dù)可通過數(shù)值計算獲(huò)得。

圖4所示(shi)爲幾種矩(jǔ)形孔的管(guan)内流場等(deng)速線水平(píng)剖面圖
　　從(cong)圖4可以看(kan)出,矩形孔(kǒng)的面積越(yue)大,傳感器(qi)前後的漩(xuan)💃渦📐區越小(xiǎo)，流場分布(bu)均勻,這是(shi)因爲矩形(xing)孔的面積(jī)越大,對流(liú)體❤️的阻☀️礙(ài)作用越小(xiao),對管道内(nei)的流場影(yǐng)響越小[12]圖(tú)5表示9種不(bú)🛀🏻同傳感器(qi)模型🐅11 個截(jie)面的面㊙️平(píng)均速度分(fèn)布圖。


　　從圖(tú)5可以看出(chū)，矩形孔的(de)面積越小(xiǎo)，其面平均(jun)速度♋越大(dà),但對流體(tǐ)的阻礙作(zuo)用變大,使(shǐ)得流體的(de)能量損失(shī)多。對于管(guǎn)✍️内的傳感(gan)👉元件,11個截(jie)面的面平(píng)均速度分(fen)布越穩定(ding)，管内速🌈度(du)分布的變(bian)化越小,對(dui)流場✌️的擾(rǎo)動越小。由(yóu)式(5)貝🐪塞爾(er)公式求出(chu)标準偏差(chà),度量數據(jù)分布的分(fen)散程度

　　式(shi)中v;分别爲(wei)第i截面的(de)面平均速(su)度,0爲11 個截(jie)面平均速(sù)度的平均(jun1)值,n爲11。
　　表1爲(wei)9種不同傳(chuán)感器模型(xíng)的0值、S值和(he)壓損，這三(sān)個因素⭐決(jué)定了傳感(gǎn)器模型的(de)尺寸選擇(zé),0值越大則(zé)量程比越(yuè)大,S值和壓(ya)🛀損越小則(zé)流體通過(guò)傳感器時(shi)損失的能(néng)量越小，流(liu)體分布也(yě)越穩定。從(cong)表1可以看(kàn)出,矩形孔(kǒng)的面積越(yuè)大,值越小(xiǎo),而s值和壓(ya)損越小。可(kě)以看出壓(yā)損最大值(zhí)與最小值(zhi)相差約0.84 p,且(qiě)對傳感器(qi)評定影響(xiang)不大，在評(píng)🙇🏻定時可以(yǐ)忽略壓損(sǔn)這個因素(sù)，因此可通(tong)過權重[1”]來(lái)評定0值和(hé)S值在整體(tǐ)評價中的(de)相對重要(yào)程度,并根(gēn)據式(6)計.算(suàn)出綜合評(píng)價值,從而(er)确定傳感(gǎn)器的模型(xíng)

　　式中Vk爲綜(zōng)合評價值(zhi),wk爲權重,xk爲(wèi)各因素的(de)數值,k=1,2,3,4,5,6,7,8,9。
　　用算(suan)術平均法(fa)計算各因(yīn)素的平均(jun)數x。和标準(zhǔn)差sk,根據式(shì)(7)計算出各(ge)因素的标(biāo)準差系數(shù),它反映各(gè)因素的相(xiang)⚽對變異程(chéng)度

　　根據式(shì)(7)、(8)計算出二(èr)個因素的(de)?k值和wk值,并(bìng)根據式(6)計(jì)算出9種模(mó)型對應的(de)Vk 值,如表1所(suo)示口

根據(jù)表1的V,值,可(ke)以确定寬(kuan)3高9的模型(xing)爲最佳模(mó)型。
3傳感元(yuan)件溫度特(tè)性的研究(jiū)
　　氣體經過(guò)傳感元件(jian)表面時會(hui)帶走熱量(liang)從而引起(qǐ)測量電路(lù)電壓信号(hào)的變化,當(dāng)傳感元件(jian)上的熱電(dian)阻Rs1、Rs2、Rs3和🙇🏻Rs4與氣(qi)體溫差較(jiao)小時,傳感(gan)元件靈敏(mǐn)度會降低(di),但電流過(guo)大時會損(sǔn)壞㊙️傳感元(yuan)件并增加(jia)電路的功(gong)耗,因此需(xū)對傳感元(yuán)件的溫度(dù)㊙️特性進行(hang)研究4],圖6爲(wei)傳感元件(jiàn)溫度特性(xìng)研究實驗(yan)圖。
　　傳感元(yuan)件放置在(zài)溫度可調(diao)的恒溫箱(xiāng)中,電路加(jiā)恒👈定的電(dian)壓10 V ,在不同(tóng)的工況條(tiáo)件下調節(jie)電位器的(de)大小使電(diàn)流保持恒(héng)定🍓,并測量(liang)傳感元件(jiàn)的電壓V,然(rán)後計算傳(chuán)🐉感元件相(xiang)應電路的(de)阻♻️值和工(gōng)作溫度。實(shí)驗中恒溫(wen)箱型号爲(wèi)GHX高✨溫恒溫(wēn)試驗箱，電(diàn)壓由可調(diao)直流穩壓(ya)電源提供(gòng),型号爲MPS- 3003L-3,電(dian)壓表型号(hao)🍉爲VC9807A。首先從(cong)低到高調(diào)節恒溫🧑🏾‍🤝‍🧑🏼箱(xiang)溫度并調(diao)節電位器(qì)大小使電(diàn)流接近于(yu)6.2 mA,同時測量(liàng)對應溫🐪度(dù)下熱電阻(zu)兩端的電(dian)壓。在同一(yi)溫度記錄(lù)3個🍉數據,将(jiāng)這三個數(shu)據平均後(hòu)計算出該(gai)溫度下熱(re)電阻的阻(zǔ)值,同時計(jì)算出傳感(gan)元件的工(gōng)作溫度和(hé)⛷️環境溫差(chà)。實驗數據(ju)見♻️表2所示(shi)。


　　從表2可以(yǐ)看出,在電(dian)流恒定時(shi),環境溫度(du)越高,傳感(gan)元件溫度(dù)也越高,但(dan)是與環境(jing)溫度之間(jiān)的差值基(jī)本恒😘定在(zai)100 C,此時傳感(gan)元件靈敏(min)度高且電(diàn)流小而不(bú)會對傳感(gǎn)元件造成(chéng)損✊壞,以此(ci)作爲設❓計(ji)測量電路(lù)的依據。
4傳(chuan)感電 路設(she)計
　　一種新(xīn)型的流量(liang)傳感電路(lù),如圖7所示(shì)。傳感元件(jiàn)由💃熱電阻(zǔ)R, R,R、R,、R.,構成，與精(jīng)密電阻R2、R3、R.、Rs、R。構(gou)成惠斯通(tōng)電橋,該電(dian)路能實現(xiàn)溫度補償(cháng),并✨能檢測(cè)管道中氣(qi)體的方向(xiang)。電路中精(jing)密電阻🐇R2與(yu)熱電阻R并(bing)聯🔴不僅防(fáng)止通過R..的(de)電流過大(dà),而且可提(tí)高溫度補(bǔ)償的準确(que)度🥰。爲了使(shi)傳感元件(jian)輸出與氣(qi)體溫度無(wu)關的穩定(ding)電壓,理想(xiang)情況下在(zài)任何環境(jing)溫度下應(yīng)滿足式(9)。

　　工(gōng)作時将氣(qì)體傳感器(qì)放入測量(liàng)管道中心(xīn),當有微小(xiao)氣體流過(guò)時，上遊熱(rè)電阻R,,、R..的溫(wen)度下降比(bǐ)下遊熱電(dian)阻R，、R明顯,氣(qì)體将上遊(you)的熱量帶(dai)到下遊,熱(rè)電阻溫度(dù)場變⭐化引(yin)起電壓信(xin)号V2變化,V2反(fan)應了微小(xiǎo)流速氣💁體(ti)的流量。當(dāng)管道中有(yǒu)中高流速(sù)氣體通過(guo)時,熱電😍阻(zǔ)R,、R,、R，、R.構成的熱(rè)‼️電阻R。的熱(rè)量被氣體(ti)帶走😘而引(yin)起阻值🈲變(biàn)化,從而導(dao)緻傳感電(diàn)路的電🔴流(liu)發生變化(hua),熱電阻R。用(yong)于溫度補(bǔ)償。通過測(ce)量熱電阻(zu)R。R,.和精密電(dian)阻構成的(de)惠斯通電(diàn)橋的輸出(chu)電壓V,即可(ke)反應📱此時(shi)管道中氣(qì)體的流量(liàng)。

5氣體流量(liang)實驗研究(jiū)
　　運用鍾罩(zhao)式氣體流(liú)量标準裝(zhuāng)置進行氣(qi)體流量測(ce)試。裝🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置🔞運(yùn)🛀用鼓風機(ji)進行鍾罩(zhao)的充氣,三(sān)個閥門用(yong)于控制氣(qi)體流動。該(gāi)💃🏻設備的測(cè)量不确定(dìng)度爲0.5%，其能(neng)夠供給的(de)流量範圍(wei)爲👉0~220 m'/h。設備原(yuan)理圖如圖(tú)8所示，實物(wù)圖如圖9所(suo)示


　　按照表(biao)1的仿真結(jié)果,本實驗(yàn)選用評價(jià)值相差較(jiao)大✔️的兩📞個(gè)傳感器進(jin)行實驗,即(ji)傳感器1和(he)傳感器9,其(qi)對🍓應的開(kai)孔尺寸分(fen)别爲寬3高(gao)9和寬5高11。
　　由(yóu)于不同的(de)流量範圍(wéi)測量原理(li)不同,流量(liàng)測量實㊙️驗(yan)🐕分爲2部分(fèn)，其中小流(liú)量的測量(liang)範圍爲0.405m'/h~2.841 m'/h。在(zài)不同的流(liu)量點對輸(shu)出電壓V2進(jìn)行✌️三次測(cè)量，獲得流(liu)量與平均(jun)輸出電壓(ya)的關系曲(qu)🔞線如圖10所(suǒ)示。傳感器(qì)1在小流量(liang)測量中,不(bu)同流量與(yu)輸出電壓(yā)關系爲⁉️星(xing)形點,測量(liàng)重複性最(zui)大值爲0.5%。傳(chuan)感✌️器9在小(xiao)流量測量(liang)中,不同🆚流(liu)量與輸出(chū)電☀️壓關系(xì)爲圓形㊙️點(dian),測量重複(fu)性🐆最大值(zhi)爲0.8%。比較傳(chuan)感器1和傳(chuán)感器9的輸(shū)出特性,可(kě)知傳感器(qì)9由于開孔(kong)略大,輸出(chū)的電壓值(zhí)略微偏小(xiǎo)，而且重複(fú)性略大♍于(yu)傳感器1,與(yu)仿真的結(jie)果相同。

　　随(sui)着流量增(zeng)加,對傳感(gǎn)器在2.841 m'/h至130.3 m'/h範(fàn)圍内進行(háng)流量實驗(yan)。在不同的(de)流量點對(duì)輸出電壓(yā)V進行三次(cì)測量,獲得(dé)流量與平(ping)均輸出電(diàn)壓的關系(xì)曲線如圖(tu)11所示。傳感(gan)器1的不同(tóng)流量與輸(shū)出電壓關(guān)系爲🔆星形(xing)點,測量重(zhong)複性最大(dà)值爲0.5%。傳感(gan)器2的不同(tong)流量與輸(shu)出電壓關(guan)系爲圓形(xíng)點,測量重(zhong)複性最大(da)值爲1%。如圖(tú)11可知傳感(gǎn).器9的輸出(chu)電壓值略(lue)微偏小,與(yǔ)表1的與仿(pang)真的仿真(zhen)數據相吻(wěn)合。
　　傳感器(qì)1具有較好(hǎo)的輸出特(te)性和測量(liang)重複性,與(yu)仿真🈲結果(guo)--緻。因此,以(yǐ)下對傳感(gǎn)器1進行具(ju)體分析。

運(yun)用MATLAB拟合電(dian)壓與流量(liàng)之間的關(guan)系公式[ 16],得(de)到傳感器(qi)1的數據模(mo)型:

　　式(10)和式(shì)(11)所示的數(shù)學模型分(fèn)别用于測(ce)量小流量(liang)和大流量(liàng)。通過拟合(he)數值和輸(shu)出電壓可(kě)計算得到(dao)最大偏差(cha)Amre由式(12)可計(ji)算得到拟(ni)合Lmax誤差γYL°

　　其(qi)中ym爲最大(da)流量點的(de)電壓。在小(xiǎo)流量時拟(nǐ)合誤差爲(wei)⛱️1.42%,而在大㊙️流(liu)量時爲1.40%。由(you)于傳感器(qì)1的重複性(xìng)最大值YR均(jun1)爲0.5%,由式(13)可(kě)以計算得(de)到測量誤(wu)差.

　　由式(13)可(kě)得在小流(liú)量範圍内(nei)最大測量(liang)誤差.爲1.50% ,在(zai)大流量範(fàn)圍⛷️内爲1.49%,由(yóu)此可認爲(wèi)測量誤差(cha)爲1.50%。對造成(cheng)誤差的主(zhǔ)要☂️原因有(you)氣體擾流(liú),流場分布(bù)和氣體濕(shi)度等。另外(wai),傳感器❗的(de)熱輻射和(hé)熱傳導同(tóng)樣會造成(cheng)測㊙️量誤差(cha)。
　　由實驗可(ke)得,傳感器(qì)能夠在0.4 m'/h至(zhì)130m'/h的範圍内(nei)測量氣體(tǐ)流量,其重(zhong)複性優于(yú)0.5% ,測量誤差(cha)爲1.5%。
6結論
　　熱(rè)分布型和(hé)浸入型相(xiang)結合的熱(rè)式流量測(cè)量方法,設(shè)計❤️了一種(zhǒng)大量程氣(qì)體流量傳(chuán)感器。通過(guo)FLUENT仿真技術(shu)和權重法(fa)确定最💔佳(jia)傳感器的(de)結構模型(xíng)，研究傳感(gǎn)元件的溫(wen)度特性,提(tí)出了氣體(ti)介質🌐溫度(dù)的自動😘補(bǔ)償方法并(bìng)設計流量(liàng)傳感電路(lu)。實驗結果(guo)表明,該傳(chuán)感器測量(liàng)量程爲0.4 m'/h~130n2/h,測(ce)量誤差優(you)于1.5%,擴大了(le)熱式流🈚量(liàng)傳感器的(de)流量測量(liàng)範圍。

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