摘(zhai)要:基于熱(rè)傳遞原理(lǐ),設計了一(yi)種大量程(cheng)氣體流量(liang)💔傳感器。 采(cai)用FLUENT進行結(jie)構的仿真(zhēn).結合權重(zhong)法确定傳(chuán)感☂️器的結(jie)構㊙️模型。研(yán)究😍了傳感(gǎn)元件的溫(wen)度特性.确(què)定了傳感(gǎn)器的工作(zuo)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(liàng)中采用兩(liang)種不同的(de)測量原理(lǐ).使傳感器(qì)能夠檢測(cè)微小流量(liàng)和中、大流(liú)量.提高了(le)傳感器的(de)測量範圍(wei)。實驗結果(guo)表明該傳(chuán)感器測量(liang)流量量程(chéng)爲0.14 m'/h~ 130 m'/h,測量誤(wù)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(liu)量的直接(jiē)測量",其按(àn)結構可分(fèn)爲熱分布(bu)型和浸人(rén)型。熱分布(bu)式型🔆氣體(ti)流量傳感(gan)器可測量(liàng)低流速微(wei)小流量鬥(dòu);浸人型氣(qì)體流量傳(chuán)感器主要(yao)應用于中(zhōng)、大管徑的(de)較高流速(sù)🏃🏻測量,而對(duì)于低流速(su)氣體的測(ce)量精度和(he)靈敏度都(dou)較低。采用(yòng)5個熱電阻(zu)PT1000 集成于同(tong)-基片的傳(chuan)感元件,通(tōng)過傳感電(diàn)路設計,使(shǐ)得氣體流(liú)量傳感器(qì)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(yong)浸人式測(cè)量原理,從(cóng)而實現了(le)流量的大(da)量👣程測量(liàng)💯。同時,由于(yu)該傳感器(qi)放置在管(guan)道内部,因(yīn)🧡此傳感元(yuán)件周圍的(de)流場及流(liu)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(jie)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(xíng)引,采用FLUENT仿(pang)真技術獲(huo)得不同傳(chuán)感器結構(gou)模💯型的管(guǎn)内流場等(deng)速線水平(ping)剖面圖及(ji)管内傳感(gan)元件截面(mian)的面平均(jun1)速📐度,并結(jie)合權重法(fǎ)對仿真數(shù)👄據進行處(chù)理,确定傳(chuan)感器系統(tong)結構模型(xíng)。然後研究(jiu)了傳感器(qì)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(liàng)正确的測(cè)量。
1測量原(yuan)理
　　氣體流(liú)量傳感器(qi)是在不同(tóng)流量段分(fèn)别采用熱(rè)分布型和(hé)浸人♌型的(de)測量原理(lǐ)。熱式氣體(ti)傳感器的(de)傳感元件(jian)置于管道(dao)中心[5]，傳感(gan)元件如圖(tu)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(wei)熱🙇🏻源和溫(wēn)度傳感器(qi),R。用于氣體(tǐ)介🈲質溫度(du)的測量。當(dāng)有微小氣(qì)體流過時(shí),上遊熱電(diàn)🔆阻R.R,的溫度(dù)下降比下(xia)遊熱電阻(zǔ)R、R,明顯,氣體(tǐ)将上遊的(de)熱量帶到(dao)下☁️遊,引起(qǐ)3管道内部(bu)溫度場變(bian)化61,則氣體(tǐ)的質量流(liu)量

　　式中E爲(wei)單位時間(jian)内輸出流(liú)量計的電(dian)功率,c,爲被(bèi)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(re)電阻Rs1、Rs2. s3、Rs4、溫🈚度(du)💚的☎️變化🏃‍♂️,電(diàn)路提供給(gěi)四個電阻(zǔ)的3電功率(lü)等于氣體(tǐ)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(xi)統結構的(de)設計
　　由于(yú)傳感元件(jiàn)通過圓柱(zhu)形支架固(gu)定在管道(dào)内部❓,圓柱(zhu)體開一矩(jǔ)形孔用于(yu)傳感元件(jiàn)測量氣體(ti)流量,見圖(tú)2所示。傳感(gan)元件♌周圍(wei)的流場對(duì)傳感器的(de)靈敏度和(he)重複性影(ying)🏃‍♂️響較大。同(tóng)時,傳感器(qì)的壓損也(yě)是一㊙️個重(zhòng)要的評價(jia)指标。因此(cǐ),需要對傳(chuán)感器🚩開孔(kong)尺寸進行(háng)仿真研究(jiu),以獲得理(lǐ)想的結構(gòu).

　　首先采用(yòng)Solidworks軟件對氣(qi)體傳感器(qì)模型進行(háng)建立,管道(dao)口徑爲50 mm,管(guan)道長度爲(wei)130 Imm,管道中支(zhi)架爲小圓(yuán)柱體,直徑(jìng)爲12mm[7].
　　将網格(ge)文件導入(rù)FLUENT軟件進行(hang)仿真并保(bǎo)證各模型(xíng)有🍓相同的(de)邊界☔條件(jiàn),設定管道(dao)内流體介(jie)質爲空氣(qì),人口速度(du)取10 m/s,根據式(shì)(3)求🐕出管道(dào)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(ceng)使得流體(ti)粘附管道(dao),壁面選擇(ze)Moving wall。

　　式中V爲入(rù)口速度,D爲(wèi)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(kong)⛱️氣👣的運動(dòng)黏度根據(ju)式(4)計算出(chū)湍流強度(du)1=4.345%[8]。

　　氣體傳感(gan)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(tong)的傳感器(qi)模型對流(liu)🈲場的擾動(dòng)也不同[9]。因(yīn)此需☎️對傳(chuan)感器模型(xíng)的尺寸進(jin)行設計仿(páng)真,選☁️擇最(zui)佳模型。如(rú)圖2所示,傳(chuan)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(kǒng)的尺寸,1分(fen)㊙️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(dui)流場産生(shēng)的影響。
　　采(cai)用FLUENT軟件10-1]1分(fèn)别對這9種(zhong)模型設置(zhi)相同的邊(biān)界條件,進(jin)行數🛀🏻值模(mó)拟計算。分(fen)别計算傳(chuán)感元件不(bu)同位置🔴的(de)平均速度(dù)。選取傳⭐感(gǎn)元件中心(xin)截面的編(biān)号爲plane-5。按軸(zhóu)向方向在(zai)plane-5前⭕後分别(bie)依次取5個(gè)截面📞,前面(miàn)兩截面平(ping)行距離爲(wèi)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(suǒ)示,這些💃截(jié)面上的面(miàn)🔴平均速度(dù)可通過數(shù)值計算獲(huo)得。

圖4所示(shi)爲幾種矩(ju)形孔的管(guǎn)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(yuè)大,傳感器(qì)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(ji)越大,對流(liu)體的阻礙(ài)作用越小(xiǎo),對管道内(nei)的流場影(yǐng)響越✂️小[12]圖(tu)5表示9種不(bú)同傳感器(qì)模型11 個截(jié)面的面🔞平(ping)均速度分(fen)布圖。


　　從圖(tú)5可以看出(chū)，矩形孔的(de)面積越小(xiao)，其面平均(jun)速度越大(dà),但對📧流☎️體(ti)的阻礙作(zuò)用變大,使(shǐ)得流體的(de)能量損失(shi)多。對🚶‍♀️于管(guan)内的傳感(gan)元件,11個截(jié)面的面平(ping)均速⚽度分(fèn)布🔞越穩定(dìng)，管内速度(dù)分布的變(biàn)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(chū)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(wèi)第i截面的(de)面平均速(su)度,0爲11 個截(jié)面平均速(su)🚩度的平均(jun1)值,n爲11。
　　表1爲(wei)9種不同傳(chuan)感器模型(xing)的0值、S值和(hé)壓損，這三(sān)個因素決(jué)🧡定了傳感(gan)器模型的(de)尺寸選擇(zé),0值越大則(zé)量程比越(yue)🐉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(liú)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(yue)大,值越小(xiao),而s值和壓(ya)損越小。可(ke)以看出壓(yā)損最大值(zhi)與最小值(zhí)相差約0.84 p,且(qiě)對傳感器(qì)評定影響(xiang)不大，在評(píng)定時可以(yǐ)忽略壓損(sǔn)這個因素(su)，因此可通(tōng)過權重[1”]來(lái)評定0值和(hé)S值在整體(ti)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(gan)器的模型(xing)

　　式中Vk爲綜(zōng)合評價值(zhi),wk爲權重,xk爲(wei)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(yin)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(shu),它反映各(gè)因素的相(xiàng)💃🏻對變異程(cheng)度

　　根據式(shi)(7)、(8)計算出二(er)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(ju)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(te)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(qi)測量電路(lù)電壓信号(hào)的變化,當(dang)傳感元件(jian)上的熱電(dian)阻Rs1、Rs2、Rs3和✍️Rs4與氣(qì)體溫🔱差較(jiao)小時,傳感(gan)元件靈敏(min)度會降低(di),但電流過(guò)大時會損(sǔn)壞傳感元(yuan)件并增加(jiā)電路的功(gōng)🔞耗,因此需(xū)✊對傳感元(yuan)件的溫度(dù)特性進行(háng)研究4],圖6爲(wei)💔傳感元件(jiàn)溫度特性(xing)研究實驗(yan)圖。
　　傳感元(yuán)件放置在(zai)溫度可調(diao)的恒溫箱(xiāng)中,電路加(jia)恒定的電(diàn)壓10 V ,在不同(tong)的工況條(tiao)件下調節(jie)電位器的(de)大小使電(diàn)流保持恒(heng)定,并測🤟量(liàng)傳感元件(jiàn)的電壓V,然(ran)後計算傳(chuan)感元件相(xiàng)應電路的(de)阻值和工(gong)作溫度。實(shí)驗中恒溫(wēn)箱型号爲(wei)GHX高溫恒溫(wen)試驗箱，電(dian)壓由可調(diào)直☀️流穩壓(yā)電源提供(gòng),型号爲👣MPS- 3003L-3,電(dian)壓表型号(hào)😍爲VC9807A。首先從(cong)低到高調(diào)節恒溫箱(xiang)溫度并調(diào)節電位器(qi)大小使電(diàn)流🌂接近于(yú)6.2 mA,同時測量(liang)對應溫度(du)下熱電阻(zu)兩端的電(dian)壓。在同一(yi)溫度記錄(lu)3個💃數據,将(jiāng)這三個數(shù)🎯據平均後(hou)計算出該(gai)溫度下熱(re)電阻的阻(zǔ)值,同時計(ji)算出傳感(gǎn)元件的工(gōng)作溫度和(he)環境溫差(cha)。實驗數據(jù)見表2所示(shi)。


　　從表2可以(yi)看出,在電(dian)流恒定時(shi),環境溫度(dù)越高,傳感(gǎn)元件溫🐅度(dù)也越高,但(dàn)是與環境(jìng)溫度之間(jian)的差值基(jī)🐪本恒定在(zài)100 C,此時傳感(gan)元件💯靈敏(min)度高且電(dian)流小而不(bu)會對傳感(gan)元件造成(cheng)損👉壞,以此(ci)作爲設計(jì)測量電路(lù)的依據。
4傳(chuán)感電 路設(shè)計
　　一種新(xin)型的流量(liàng)傳感電路(lù),如圖7所示(shì)。傳感元件(jian)由熱電阻(zu)R, R,R、R,、R.,構成，與精(jīng)密電阻R2、R3、R.、Rs、R。構(gòu)成惠斯通(tong)電橋,該電(dian)路能實現(xiàn)溫度補償(chang),并♻️能檢測(ce)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(bìng)聯💋不僅防(fáng)💃止通過R..的(de)電流過大(dà),而🐕且可提(ti)高溫度補(bǔ)償的準确(què)度。爲了使(shǐ)傳感元件(jiàn)輸出與氣(qi)體溫度無(wú)關的穩定(dìng)電壓,理想(xiang)情🛀況下在(zai)任何環境(jing)溫度下應(ying)滿足式(9)。

　　工(gong)作時将氣(qì)體傳感器(qi)放入測量(liang)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(yóu)的熱量帶(dai)到下遊,熱(rè)電阻溫度(du)場變化引(yin)起電壓信(xin)👈号V2變化,V2反(fǎn)應了微小(xiǎo)流速氣體(tǐ)的流量。當(dāng)管道中有(you)中高流速(sù)氣體通㊙️過(guò)時,熱電⚽阻(zǔ)R,、R,、R，、R.構成的熱(rè)電阻R。的熱(rè)量被氣體(tǐ)帶走而引(yǐn)起阻值變(bian)化,從而導(dǎo)緻傳感電(dian)路的電流(liú)發生變化(huà),熱電阻R。用(yong)于溫度🔆補(bǔ)償。通👅過測(cè)量熱電阻(zu)R。R,.和精密電(diàn)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(qi)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(zhuang)置進行氣(qì)體流量測(cè)試。裝💋置運(yun)用鼓風機(ji)進行鍾罩(zhao)的充氣,三(san)個閥門用(yòng)于控制氣(qi)體流動。該(gāi)設備♻️的測(ce)量不确定(dìng)度爲0.5%，其能(néng)夠供給的(de)流量範圍(wei)爲0~220 m'/h。設備原(yuán)💰理圖如圖(tú)8所示，實物(wu)圖如圖9所(suo)示


　　按照表(biǎo)1的仿真結(jié)果,本實驗(yan)選用評價(jià)值相差較(jiào)大的兩個(ge)傳感器進(jin)行實驗,即(jí)傳感器1和(hé)傳感器9,其(qi)對應的開(kai)孔尺寸分(fèn)别爲寬3高(gao)9和寬5高11。
　　由(you)于不同的(de)流量範圍(wei)測量原理(lǐ)不同,流量(liang)測量實驗(yàn)分爲🐅2部分(fèn)，其中小流(liu)量的測量(liang)範圍爲0.405m'/h~2.841 m'/h。在(zai)不同的流(liu)量點對🌈輸(shu)出電壓V2進(jìn)行三次測(ce)量，獲得流(liu)量與平均(jun1)輸出電壓(ya)的關系曲(qǔ)線如圖10所(suo)示。傳感器(qì)1在小流量(liang)測量中,不(bú)同流量🔞與(yǔ)輸出電壓(ya)關系爲星(xīng)形點,測量(liang)重複性最(zui)大值爲0.5%。傳(chuán)感器9在小(xiǎo)流量測量(liang)中,不同流(liú)量與輸出(chu)💛電壓關系(xi)爲圓形點(diǎn),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(shu)出特性,可(kě)知傳感☁️器(qì)9由于開孔(kǒng)略大,輸出(chu)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(suí)着流量增(zēng)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(yàn)。在✏️不同的(de)💛流量點對(duì)輸出電壓(ya)V進行三次(ci)測量,獲🌏得(de)流🍉量與平(ping)均輸出電(diàn)壓的關系(xì)曲線如圖(tú)11所示。傳🙇🏻感(gan)器1的💁不同(tóng)流量與輸(shū)出電壓關(guan)系爲星形(xing)點,測量重(zhong)複性最大(da)值爲0.5%。傳感(gǎn)器2的不同(tóng)流量與輸(shu)出電壓關(guān)系爲圓形(xíng)點,測量重(zhòng)複性最大(dà)值爲1%。如圖(tú)11可知傳感(gǎn).器9的輸出(chu)電壓值略(luè)微偏小,與(yǔ)表1的與仿(páng)真的仿真(zhen)數據相吻(wen)合。
　　傳感器(qi)1具有較好(hǎo)的輸出特(tè)性和測量(liàng)重複性,與(yu)仿真結果(guo)--緻。因此,以(yǐ)下對傳感(gan)器1進行具(jù)體分析。

運(yùn)用MATLAB拟合電(diàn)壓與流量(liang)之間的關(guān)系公式[ 16],得(de)到傳感器(qi)1的數據模(mó)💃型:

　　式(10)和式(shì)(11)所示的數(shù)學模型分(fèn)别用于測(cè)量小流量(liang)和大流🐪量(liang)。通過拟合(he)數值和輸(shū)出電壓可(kě)計算得到(dào)最大偏差(chà)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(xiao)流量時拟(nǐ)合誤差爲(wèi)1.42%,而在大流(liú)量時爲1.40%。由(yóu)于傳感器(qi)1的重複性(xing)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(ke)得在小流(liú)量範圍内(nèi)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(chà)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(bu)和氣體濕(shi)度等。另外(wai),傳感器的(de)熱輻🈲射和(he)熱傳導同(tong)樣會造成(chéng)測量誤差(cha)。
　　由實驗可(ke)得,傳感器(qi)能夠在0.4 m'/h至(zhi)130m'/h的範圍内(nèi)測量氣體(ti)流🤟量,其重(zhòng)複性優于(yu)0.5% ,測量誤差(chà)爲1.5%。
6結論
　　熱(re)分布型和(hé)浸入型相(xiàng)結合的熱(re)式流量測(cè)量方法,設(she)㊙️計了一種(zhong)大量程氣(qì)體流量傳(chuán)感器。通過(guo)FLUENT仿真技術(shù)和權重🎯法(fa)确♈定最佳(jiā)傳感器的(de)結構模型(xing)，研究傳感(gan)元件🐅的溫(wen)度特性,提(ti)出了氣體(tǐ)介質溫度(du)的自動補(bu)償方法并(bing)設計流量(liang)傳感電路(lu)。實驗結果(guo)表明,該傳(chuan)感器測量(liang)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(liang)範圍。

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