摘(zhāi)要(yào):基于熱傳遞(dì)原理,設計(jì)了(le)一種(zhǒng)大量程(chéng)氣體流量傳(chuán)感(gǎn)器。 采用fluent進行結構的仿真.結合(hé)權重法确(què)定傳(chuán)感器的結構模(mó)型。研究了傳感(gǎn)元件(jiàn)的溫(wēn)度特(tè)性.确定了傳感(gǎn)器的(de)工(gōng)作狀态(tài)。設(shè)計了傳(chuán)感電(diàn)路,對(duì)傳(chuán)感器(qì)進行了自(zì)動(dòng)溫度(dù)補償。測量中采(cǎi)用兩(liǎng)種(zhǒng)不(bú)同的(de)測量原理.使傳(chuán)感器能夠檢(jiǎn)測微小流(liú)量(liàng)和中(zhōng)、大流(liú)量.提高了傳感(gǎn)器(qì)的測量(liàng)範圍(wéi)。實驗(yàn)結果(guǒ)表明(míng)該(gāi)傳感器(qì)測量流量(liàng)量程爲0.14 m'/h~ 130 m'/h,測(cè)量誤(wù)差優(yōu)于1.5%。
　　熱(rè)式氣(qì)體流量(liàng)傳(chuán)感器(qì)是利(lì)用熱傳遞(dì)原(yuán)理實現(xiàn)對氣(qì)體質(zhì)量流量的直接測量(liàng)",其按(àn)結構(gòu)可分爲熱(rè)分布型和浸人(rén)型。熱分布式型氣體流量傳感器可(kě)測量低流(liú)速微小(xiǎo)流(liú)量鬥;浸人(rén)型氣(qì)體流量傳(chuán)感器主要(yào)應用(yòng)于中、大(dà)管(guǎn)徑的(de)較高(gāo)流速測量(liàng),而對于低流速(sù)氣體(tǐ)的測量精度和靈敏度都較低(dī)。采(cǎi)用(yòng)5個熱(rè)電阻pt1000 集成(chéng)于同-基片(piàn)的傳感元(yuán)件,通過(guò)傳感電(diàn)路設計,使得氣(qì)體流量傳感器在小(xiǎo)流(liú)量時采(cǎi)用熱分布(bù)型測(cè)量原(yuán)理(lǐ),在大流(liú)量測量時(shí)采用(yòng)浸人式測量原理,從(cóng)而(ér)實(shí)現了(le)流(liú)量的大(dà)量程(chéng)測量(liàng)。同(tóng)時(shí),由(yóu)于(yú)該傳感器放置(zhì)在管道内(nèi)部,因(yīn)此傳(chuán)感元(yuán)件周圍的流場及流(liú)速大小将(jiāng)較大(dà)影響流量(liàng)測量的性能。因此，首(shǒu)先對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進行(háng)仿真,通(tōng)過.solidworks軟件設計傳感器的(de)9種結構(gòu)模型引(yǐn),采用fluent仿(páng)真技術獲得不(bú)同傳感器結構(gòu)模型的管(guǎn)内(nèi)流場等速(sù)線(xiàn)水平(píng)剖面圖及管内(nèi)傳感(gǎn)元件(jiàn)截面的面平均(jun1)速度(dù),并結合權重法對仿真(zhēn)數據進(jìn)行處理,确定傳(chuán)感器(qì)系統結構(gòu)模型。然後研究(jiū)了傳感器的溫(wēn)度特性[4],設計了(le)傳感測量電路(lù),實現對氣體在(zài)大量(liàng)程範圍内(nèi)流量(liàng)正(zhèng)确的測量。
1測(cè)量(liàng)原理
　　氣(qì)體流量(liàng)傳感器是在不同流量(liàng)段分别采用熱(rè)分布型和浸人(rén)型的測量(liàng)原理(lǐ)。熱式(shì)氣體傳感器的傳感元件(jiàn)置于管道中心(xīn)[5]，傳感(gǎn)元(yuán)件如圖1所示(shì)。管(guǎn)道中沒(méi)有氣(qì)體通(tōng)過時(shí),管道(dào)内的溫度(dù)場是對稱的。熱(rè)電阻r.、r。、r、r, ,作爲熱源(yuán)和溫度傳(chuán)感器(qì),r。用于氣(qì)體(tǐ)介質(zhì)溫度的測(cè)量。當(dāng)有微小氣體流(liú)過時,上(shàng)遊熱電(diàn)阻r.r,的溫度(dù)下降(jiàng)比下(xià)遊(yóu)熱電阻r、r,明顯(xiǎn),氣(qì)體将上(shàng)遊的熱量(liàng)帶到(dào)下遊(yóu),引起3管(guǎn)道(dào)内部溫(wēn)度場變(biàn)化61,則氣(qì)體(tǐ)的質(zhì)量流量

　　式中e爲(wèi)單位時間内輸(shū)出流量計的電功率,c,爲(wèi)被測氣(qì)體的比(bǐ)定壓熱(rè)容,Δt爲上下遊溫(wēn)差(chà)
　　随着氣(qì)體流(liú)速的增加(jiā),氣體的流動引起熱(rè)電阻(zǔ)rs1、rs2. s3、rs4、溫度的變(biàn)化,電路提(tí)供給(gěi)四(sì)個電阻的3電(diàn)功率等(děng)于氣(qì)體(tǐ)流動對熱(rè)換流(liú)帶走的(de)熱量,即(jí)

2熱式氣體傳感器系統結構的(de)設計
　　由于(yú)傳感(gǎn)元件通過(guò)圓柱形支架固定在(zài)管道内部,圓柱(zhù)體(tǐ)開(kāi)一(yī)矩形孔(kǒng)用于傳感元件測量(liàng)氣體流量(liàng),見圖2所示(shì)。傳感(gǎn)元件(jiàn)周圍的流(liú)場對傳感(gǎn)器的(de)靈敏度和重複性影響較(jiào)大。同(tóng)時,傳感(gǎn)器的壓(yā)損也是一(yī)個重要的(de)評價指标(biāo)。因此(cǐ),需要對傳(chuán)感器開孔尺寸進行(háng)仿真研究,以獲(huò)得理想的(de)結構.

　　首先(xiān)采用(yòng)solidworks軟件(jiàn)對氣體傳(chuán)感器模型(xíng)進行(háng)建立,管(guǎn)道口徑(jìng)爲50 mm,管(guǎn)道(dào)長度爲130 imm,管(guǎn)道中支架爲(wèi)小圓柱(zhù)體(tǐ),直徑(jìng)爲12mm[7].
　　将網(wǎng)格文件(jiàn)導入fluent軟(ruǎn)件(jiàn)進行仿真并保證各(gè)模型有(yǒu)相(xiàng)同的(de)邊界(jiè)條件,設定管道(dào)内流(liú)體介(jiè)質爲空(kōng)氣,人口(kǒu)速度取(qǔ)10 m/s,根(gēn)據式(shì)(3)求出管(guǎn)道雷諾(nuò)數re=337 84, 因此粘(zhān)性模(mó)型爲k-epsilon。 爲(wèi)了(le)防止(zhǐ)壁面有邊界層(céng)使得(dé)流(liú)體粘附(fù)管道,壁(bì)面選擇(zé)moving wall。

　　式中(zhōng)v爲(wèi)入口速(sù)度,d爲管道(dào)直徑,η, 爲壓強爲101.325 kpa、 溫度(dù)爲20 c的條件(jiàn)下空(kōng)氣的(de)運動黏度(dù)根據(jù)式(4)計算出(chū)湍流強(qiáng)度1=4.345%[8]。

　　氣體傳感器插(chā)入管(guǎn)道中(zhōng)測量氣體(tǐ)的流速,會對氣(qì)體的(de)流場(chǎng)有一(yī)定的擾動(dòng),不同(tóng)的傳感(gǎn)器模型(xíng)對流場的(de)擾動(dòng)也不(bú)同[9]。因此需(xū)對傳感器模型的尺寸(cùn)進行設(shè)計仿真(zhēn),選(xuǎn)擇最佳模型。如(rú)圖2所示,傳感元件置(zhì)于管道中，傳感(gǎn)元件(jiàn)長7 mm,寬2.4 mm,厚0.15 mm。設(shè)計矩形孔的尺(chǐ)寸,1分(fèn)别取(qǔ)3 mm、4 mm、5 mm,h分别(bié)取9 mm、10 mm、11 mm,共(gòng)9種(zhǒng)模型,研(yán)究不同模型(xíng)對(duì)流場産(chǎn)生的影(yǐng)響。
　　采用(yòng)fluent軟件10-1]1分别對這9種模型(xíng)設置相同(tóng)的邊(biān)界條件,進行數值模拟計算。分别計算(suàn)傳感元(yuán)件不(bú)同(tóng)位(wèi)置的(de)平均(jun1)速(sù)度。選取(qǔ)傳感元件中心(xīn)截面的編(biān)号爲(wèi)plane-5。按軸向方向在plane-5前後分别依次(cì)取5個截(jié)面,前面兩截面平(píng)行距離爲0.24 mm,分别(bié)編号爲plane-0, plane- 1, plane-2...共11個截(jié)面,如(rú)圖3所示,這(zhè)些截(jié)面上的面(miàn)平均(jun1)速度可通(tōng)過數值計算獲得。

圖(tú)4所示爲幾種矩(jǔ)形孔的管内流場等速線水平(píng)剖面圖
　　從圖4可(kě)以看出,矩形孔(kǒng)的面積越大,傳(chuán)感器前後(hòu)的漩(xuán)渦區越(yuè)小(xiǎo)，流場(chǎng)分布(bù)均勻,這是因爲矩(jǔ)形孔的(de)面積(jī)越大,對流體的阻礙作用(yòng)越(yuè)小,對(duì)管(guǎn)道内(nèi)的流場影響越(yuè)小[12]圖(tú)5表示(shì)9種不(bú)同傳(chuán)感器(qì)模型(xíng)11 個截(jié)面(miàn)的面平均速度分布圖(tú)。


　　從圖5可以看出(chū)，矩形孔的面積(jī)越小，其面平均(jun1)速度(dù)越大(dà),但對流體(tǐ)的(de)阻礙作(zuò)用變(biàn)大,使得流(liú)體的能量損失(shī)多。對于管内的(de)傳感元件,11個截面的(de)面平均速(sù)度分布越(yuè)穩(wěn)定(dìng)，管内速度分布(bù)的變化越小,對(duì)流場(chǎng)的擾動越(yuè)小。由式(5)貝塞爾(ěr)公式(shì)求出标準(zhǔn)偏差,度量(liàng)數據(jù)分布(bù)的(de)分散程(chéng)度

　　式中(zhōng)v;分(fèn)别爲第(dì)i截面的面平(píng)均速度,0爲11 個截面平(píng)均速度的(de)平均值(zhí),n爲(wèi)11。
　　表1爲(wèi)9種不(bú)同傳(chuán)感器(qì)模型的(de)0值(zhí)、s值和(hé)壓損，這(zhè)三個因(yīn)素決(jué)定了(le)傳感器模(mó)型的尺寸(cùn)選擇,0值越大則量程比越大,s值(zhí)和壓損越(yuè)小則(zé)流體(tǐ)通過(guò)傳感(gǎn)器時損(sǔn)失的能(néng)量越小，流體分(fèn)布也(yě)越穩(wěn)定。從表1可以看出(chū),矩形孔的面積越(yuè)大,值越小,而s值和壓損越小。可以看出壓損最(zuì)大值與最小值(zhí)相差約0.84 p,且(qiě)對傳感器(qì)評(píng)定(dìng)影響(xiǎng)不大，在評(píng)定時(shí)可(kě)以忽(hū)略(luè)壓損(sǔn)這個因(yīn)素，因此(cǐ)可通過權重[1”]來(lái)評定0值和s值在(zài)整體評價(jià)中的相對重要程度(dù),并根(gēn)據式(shì)(6)計(jì).算出綜(zōng)合評價值(zhí),從而确定傳感(gǎn)器的模型

　　式中(zhōng)vk爲綜合(hé)評價值(zhí),wk爲權重(zhòng),xk爲各(gè)因(yīn)素的數值,k=1,2,3,4,5,6,7,8,9。
　　用算(suàn)術平均法計算(suàn)各因素的(de)平均數x。和标準差sk,根(gēn)據式(7)計(jì)算出各(gè)因素的标準差(chà)系數,它反映各(gè)因素(sù)的(de)相(xiàng)對變異(yì)程度

　　根據式(shì)(7)、(8)計算出二個(gè)因(yīn)素的?k值和wk值,并(bìng)根據式(6)計算出(chū)9種模(mó)型(xíng)對應的vk 值(zhí),如(rú)表1所示口(kǒu)

根據表1的v,值(zhí),可(kě)以确(què)定寬3高9的(de)模型(xíng)爲(wèi)最佳模(mó)型。
3傳感元件溫(wēn)度(dù)特性的(de)研究(jiū)
　　氣體(tǐ)經過傳感元件(jiàn)表面(miàn)時會帶走熱量(liàng)從而(ér)引起(qǐ)測量(liàng)電路(lù)電壓信号的變(biàn)化,當傳感元件上的熱電(diàn)阻rs1、rs2、rs3和(hé)rs4與氣體溫(wēn)差較(jiào)小時(shí),傳感元件(jiàn)靈敏度會降低(dī),但電流過大時(shí)會損壞(huài)傳(chuán)感元(yuán)件并增加電路的功(gōng)耗,因(yīn)此需(xū)對傳感元件的(de)溫度(dù)特性進行研究(jiū)4],圖(tú)6爲(wèi)傳感(gǎn)元件溫(wēn)度(dù)特性研究(jiū)實驗圖。
　　傳(chuán)感元件放置在(zài)溫度可調的恒溫箱中,電路加(jiā)恒定(dìng)的電壓10 v ,在不同的工(gōng)況條(tiáo)件下調(diào)節電位(wèi)器的大小(xiǎo)使(shǐ)電(diàn)流保持恒定,并(bìng)測量傳感元件的電(diàn)壓v,然後計(jì)算(suàn)傳(chuán)感元(yuán)件相(xiàng)應電路(lù)的阻值(zhí)和工作溫(wēn)度。實(shí)驗中(zhōng)恒溫箱型号爲(wèi)ghx高(gāo)溫(wēn)恒溫(wēn)試驗箱(xiāng)，電(diàn)壓由(yóu)可調直流穩(wěn)壓電源提供(gòng),型号(hào)爲mps- 3003l-3,電壓(yā)表型号(hào)爲vc9807a。首(shǒu)先從低到(dào)高調節恒溫箱(xiāng)溫度(dù)并調(diào)節電(diàn)位器大小使電(diàn)流接(jiē)近于6.2 ma,同時(shí)測量對應溫度下熱電阻兩端(duān)的電壓。在(zài)同一(yī)溫度記錄(lù)3個數據,将(jiāng)這三個數(shù)據平(píng)均後(hòu)計算(suàn)出(chū)該溫度下熱(rè)電阻的阻值(zhí),同(tóng)時計算出(chū)傳感(gǎn)元件(jiàn)的工作溫(wēn)度和(hé)環境(jìng)溫差。實驗數據(jù)見表(biǎo)2所示(shì)。


　　從表2可以看出,在電(diàn)流恒(héng)定時,環境(jìng)溫度越高,傳感元件(jiàn)溫度(dù)也越高,但(dàn)是與環境溫度(dù)之間的差(chà)值基(jī)本恒定在100 c,此時傳感元件(jiàn)靈敏(mǐn)度高且電(diàn)流小(xiǎo)而不會對傳感(gǎn)元件造成(chéng)損壞(huài),以此作爲設計(jì)測量(liàng)電路(lù)的依(yī)據。
4傳感電(diàn) 路設(shè)計
　　一種新型(xíng)的(de)流量(liàng)傳(chuán)感電路(lù),如圖(tú)7所示。傳感(gǎn)元件(jiàn)由熱(rè)電阻(zǔ)r, r,r、r,、r.,構成，與精密電(diàn)阻r2、r3、r.、rs、r。構成惠斯通(tōng)電橋(qiáo),該(gāi)電(diàn)路能(néng)實現溫度(dù)補償,并能(néng)檢測(cè)管道(dào)中氣體的(de)方向。電路中精密(mì)電阻r2與熱(rè)電(diàn)阻r并(bìng)聯不僅(jǐn)防(fáng)止通(tōng)過r..的電流過大,而(ér)且(qiě)可(kě)提(tí)高溫(wēn)度補償的(de)準确(què)度。爲(wèi)了使傳感(gǎn)元件輸(shū)出(chū)與氣體溫(wēn)度無關的(de)穩定電壓(yā),理想(xiǎng)情況(kuàng)下在任何(hé)環境溫度下應滿足(zú)式(9)。

　　工作時(shí)将氣體傳感器(qì)放(fàng)入(rù)測(cè)量(liàng)管道(dào)中心,當有(yǒu)微小氣體流過(guò)時，上(shàng)遊熱電(diàn)阻r,,、r..的溫度下(xià)降比下遊(yóu)熱(rè)電(diàn)阻r，、r明(míng)顯,氣體将上遊(yóu)的熱(rè)量帶到(dào)下(xià)遊,熱(rè)電阻溫(wēn)度場變(biàn)化引起(qǐ)電(diàn)壓信号v2變化,v2反應了(le)微小流(liú)速(sù)氣體的流量(liàng)。當管道(dào)中有中高(gāo)流速氣體(tǐ)通過時,熱(rè)電(diàn)阻r,、r,、r，、r.構成(chéng)的熱電阻r。的(de)熱量被(bèi)氣體(tǐ)帶(dài)走(zǒu)而引(yǐn)起阻值變化,從(cóng)而導緻(zhì)傳感電(diàn)路的(de)電流發生(shēng)變化,熱電阻r。用于溫(wēn)度補(bǔ)償。通(tōng)過測量熱電阻(zǔ)r。r,.和精(jīng)密電(diàn)阻構(gòu)成的惠斯通電橋的輸(shū)出電壓(yā)v,即可(kě)反應(yīng)此時(shí)管道中氣體的流量(liàng)。

5氣(qì)體流量實驗研究
　　運用(yòng)鍾罩式氣體(tǐ)流(liú)量标準裝置進(jìn)行氣體流(liú)量測(cè)試。裝置運用鼓風機進行鍾罩(zhào)的充氣(qì),三個閥(fá)門用于控制氣體流動。該設備的測量不(bú)确定(dìng)度爲0.5%，其能夠供(gòng)給的(de)流量範圍爲0~220 m'/h。設備原理圖(tú)如圖8所示，實物圖如圖9所示


　　按(àn)照表1的仿(páng)真結果,本實驗選用(yòng)評價(jià)值相(xiàng)差較(jiào)大的兩(liǎng)個傳感(gǎn)器進(jìn)行(háng)實驗,即(jí)傳感器1和傳感(gǎn)器9,其對應(yīng)的開(kāi)孔尺寸分(fèn)别爲寬3高9和(hé)寬5高11。
　　由(yóu)于不(bú)同(tóng)的流量範圍測量原理不同,流量測(cè)量(liàng)實驗分爲(wèi)2部分，其中(zhōng)小(xiǎo)流量的(de)測量範圍(wéi)爲0.405m'/h~2.841 m'/h。在不同(tóng)的流量點(diǎn)對輸出電(diàn)壓(yā)v2進行三(sān)次測量，獲得流(liú)量(liàng)與平均輸出電壓的關(guān)系曲(qǔ)線(xiàn)如(rú)圖10所(suǒ)示。傳感器1在小(xiǎo)流量測(cè)量(liàng)中,不(bú)同流(liú)量與(yǔ)輸出(chū)電壓(yā)關(guān)系(xì)爲星(xīng)形點(diǎn),測(cè)量重複(fú)性最大值(zhí)爲0.5%。傳感器(qì)9在小(xiǎo)流量(liàng)測量中,不同流(liú)量與(yǔ)輸(shū)出電壓(yā)關系爲圓(yuán)形點(diǎn),測量重複性最(zuì)大值爲0.8%。比較傳(chuán)感器(qì)1和傳感器(qì)9的輸出特(tè)性,可知傳(chuán)感器(qì)9由于(yú)開孔略大,輸(shū)出的電壓(yā)值略微(wēi)偏小(xiǎo)，而且(qiě)重複(fú)性略(luè)大于(yú)傳感(gǎn)器(qì)1,與(yǔ)仿(páng)真的結(jié)果相同。

　　随(suí)着流(liú)量增加,對傳感(gǎn)器在2.841 m'/h至130.3 m'/h範圍内(nèi)進行流量實驗(yàn)。在不同的流量(liàng)點對(duì)輸出電壓(yā)v進行三次(cì)測量(liàng),獲得流量與平均輸出電壓的(de)關(guān)系(xì)曲線如圖(tú)11所示(shì)。傳感(gǎn)器1的(de)不同流量與輸(shū)出電(diàn)壓(yā)關系爲(wèi)星形(xíng)點(diǎn),測量重(zhòng)複性(xìng)最大值爲(wèi)0.5%。傳感(gǎn)器2的不同(tóng)流量與輸(shū)出電壓關系爲(wèi)圓形(xíng)點,測(cè)量重複性(xìng)最(zuì)大(dà)值爲1%。如圖11可知傳感.器(qì)9的輸出電壓值略(luè)微偏(piān)小(xiǎo),與表1的(de)與仿真的仿真(zhēn)數據相吻合。
　　傳(chuán)感器1具有(yǒu)較好(hǎo)的輸出特性和(hé)測量重複性,與(yǔ)仿真結(jié)果--緻。因(yīn)此,以下對傳感(gǎn)器1進行(háng)具體分(fèn)析。

運用matlab拟(nǐ)合電(diàn)壓與流量之間(jiān)的關系公式[ 16],得(dé)到傳(chuán)感器1的數(shù)據模型:

　　式(shì)(10)和式(shì)(11)所示(shì)的數(shù)學模型分(fèn)别用于測量小流量和大(dà)流(liú)量(liàng)。通過拟合數值和輸出(chū)電(diàn)壓可計算得到最大(dà)偏(piān)差(chà)amre由式(shì)(12)可計算得(dé)到拟(nǐ)合lmax誤差γyl°

　　其中ym爲(wèi)最大(dà)流量(liàng)點的電壓。在小(xiǎo)流量(liàng)時拟合誤差爲(wèi)1.42%,而在大流量時(shí)爲1.40%。由于傳(chuán)感器(qì)1的重複性(xìng)最大(dà)值yr均爲0.5%,由(yóu)式(13)可以計算得到測(cè)量誤(wù)差.

　　由(yóu)式(13)可得在(zài)小流量範(fàn)圍内最大測量(liàng)誤差.爲1.50% ,在大流(liú)量範圍内(nèi)爲1.49%,由此可認爲測量(liàng)誤差爲1.50%。對造成誤差(chà)的主要原(yuán)因有氣體(tǐ)擾流,流場分布(bù)和氣(qì)體濕度等。另外(wài),傳感器(qì)的熱輻(fú)射和熱(rè)傳(chuán)導同(tóng)樣會造成測量(liàng)誤差。
　　由實(shí)驗可得,傳(chuán)感器能夠(gòu)在0.4 m'/h至130m'/h的範圍内測量氣體流量(liàng),其重複性(xìng)優于0.5% ,測量(liàng)誤差爲1.5%。
6結(jié)論
　　熱分(fèn)布型和浸入(rù)型相結合(hé)的熱式流量測量方法,設(shè)計了(le)一種大(dà)量(liàng)程氣(qì)體流(liú)量傳感器(qì)。通過fluent仿真(zhēn)技術(shù)和權重法(fǎ)确定(dìng)最佳(jiā)傳感(gǎn)器的結構(gòu)模型，研究(jiū)傳感元件的溫(wēn)度特性,提(tí)出了(le)氣體介質(zhì)溫度(dù)的自動(dòng)補償方(fāng)法并設計(jì)流量傳感(gǎn)電路。實驗(yàn)結果(guǒ)表明,該傳(chuán)感器測量量程(chéng)爲0.4 m'/h~130n2/h,測量誤(wù)差優于1.5%,擴大(dà)了(le)熱式(shì)流量傳感(gǎn)器的流量測量(liàng)範圍(wéi)。

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