摘(zhāi)要:基于熱(re)傳遞原理(lǐ),設計了一(yi)種大量程(chéng)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(zhòng)法确定傳(chuan)感器的結(jié)構模型。研(yán)究了傳感(gan)元件的溫(wēn)度特性.确(que)定了傳感(gǎn)器的工作(zuo)狀态。設計(jì)了傳㊙️感電(diàn)路,對傳感(gǎn)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(qi)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(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(wù)差優于1.5%。
　　熱(re)式氣體流(liu)量傳感器(qì)是利用熱(rè)傳遞原理(lǐ)實現對氣(qì)體質量流(liú)量的直接(jie)測量",其🤩按(àn)結構可分(fen)爲熱分布(bu)型和浸人(ren)型。熱分布(bù)式型氣體(ti)流量傳感(gǎn)器可測量(liang)低流速微(wei)小流量鬥(dòu);浸人型🌈氣(qì)體流量傳(chuan)感🏃‍♂️器主要(yào)應用于中(zhong)、大管徑的(de)較高流速(sù)測量,而對(duì)🆚于低流速(su)氣體的測(cè)量精度和(he)💘靈敏度都(dou)較低。采用(yong)5個熱電阻(zǔ)PT1000 集成于同(tóng)-基片的傳(chuán)感元件,通(tōng)過傳感電(diàn)路設計,使(shi)得氣體流(liu)量傳感器(qi)在小流量(liàng)時采用熱(re)分布型測(cè)量原理,在(zai)大流量測(ce)量時采用(yòng)浸人式測(cè)量原理,從(cóng)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(jiang)較大影響(xiǎng)流量💋測量(liàng)的性能。因(yīn)此，首先對(duì)傳感器結(jie)構進行仿(pang)真,通過.Solidworks軟(ruǎn)件設計傳(chuan)感器的9種(zhǒng)結構模型(xing)引,采用FLUENT仿(páng)真技🌈術獲(huo)得不同傳(chuan)感器結構(gou)模♌型的管(guǎn)内流場等(deng)速線水平(píng)剖面圖及(ji)管内傳感(gan)元件截面(mian)的面平均(jun)速度,并結(jie)合權重法(fǎ)對仿真數(shù)據進行處(chù)理,确定傳(chuán)感器系統(tǒng)結構模型(xíng)✌️。然後研究(jiū)🍓了傳感器(qì)的溫度特(tè)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(fàn)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(re)分布🏃型和(he)浸人型的(de)測量原理(li)。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(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(qì),R。用于氣體(ti)介質溫度(dù)的測量。當(dang)有微小氣(qì)體流過時(shi),上遊熱電(diàn)阻R.R,的溫度(du)下降比下(xia)遊熱♈電㊙️阻(zu)R、R,明顯,氣體(ti)将🤟上遊的(de)熱量帶到(dào)下遊,引起(qǐ)3管🌈道内部(bù)溫度場變(bian)化61,則氣體(ti)的質量流(liú)量

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

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(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(yú)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(duì)傳感器的(de)靈敏度和(hé)重複性影(ying)⁉️響較大😘。同(tong)時,傳感器(qì)的壓損也(yě)是一個重(zhong)要的評價(jia)指标。因此(ci),需要對傳(chuan)感器📞開孔(kong)尺寸🥵進行(hang)仿真研🈲究(jiu),以獲得理(li)想的結構(gou).

　　首先采用(yòng)Solidworks軟件對氣(qi)體傳感器(qì)模型進行(hang)建立,管道(dào)口徑爲👅50 mm,管(guǎn)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(gé)文件導入(ru)FLUENT軟件進行(hang)仿真并保(bao)證各模型(xing)有相同的(de)邊💋界條件(jian),設定管道(dao)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(dào)雷諾數Re=337 84, 因(yin)此粘性模(mó)型爲k-epsilon。 爲了(le)防止壁面(miàn)有邊界層(ceng)使👌得流體(ti)粘附管道(dao),壁面選擇(zé)Moving wall。

　　式中V爲入(ru)口速度,D爲(wèi)管道直徑(jìng),η, 爲壓強爲(wèi)101.325 kPa、 溫度爲20 C的(de)😍條件✂️下空(kong)氣的運動(dòng)黏度根據(jù)式(4)計算出(chū)湍流強度(dù)1=4.345%[8]。

　　氣體傳感(gǎn)器插入管(guǎn)道中測量(liàng)氣體的流(liú)速,會對氣(qi)體的流🈲場(chǎng)有一定的(de)擾動,不同(tóng)的傳感器(qi)模型對流(liu)場的擾動(dong)也不同[9]。因(yīn)此需㊙️對傳(chuan)感器模型(xing)的尺寸進(jìn)行設計仿(pang)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(shè)計矩形孔(kǒng)㊙️的尺寸,1分(fèn)别取3 mm、4 mm、5 mm,h分别(bié)取9 mm、10 mm、11 mm,共9種模(mo)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(bian)界條件,進(jìn)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(gǎn)元件中心(xin)截面的編(bian)号爲plane-5。按軸(zhou)向方向在(zài)plane-5前後分别(bie)依次取5個(ge)截面‼️,前面(mian)兩截面平(píng)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(suo)示,這些截(jié)面上的面(mian)平均速度(dù)可通過數(shu)值計算獲(huò)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(ping)剖面圖
　　從(cóng)圖4可以看(kàn)出,矩形孔(kong)的面積越(yuè)大,傳感器(qi)前後的漩(xuán)👉渦區越小(xiǎo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，流場分布(bù)均勻,這是(shì)因爲矩形(xíng)孔的面👄積(ji)越大,對流(liu)體的阻礙(ài)作用越小(xiǎo),對管道内(nèi)的流場影(ying)響越小[12]圖(tu)5表示9種不(bu)同傳感器(qì)模型11 個截(jié)面的面平(píng)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(da),但📞對流體(tǐ)的阻礙作(zuò)用變大,使(shi)得流體的(de)能量⭐損失(shi)多。對于管(guan)内的傳感(gǎn)🏃‍♀️元件,11個截(jie)面的面平(ping)均速👣度分(fèn)布越穩定(dìng)✨，管内速度(du)分布的變(bian)化越小,對(dui)流場👉的擾(rǎo)動越小。由(you)式(5)貝塞爾(ěr)公式求出(chū)标準偏差(cha),度量數據(ju)分布的分(fèn)散程度

　　式(shi)中v;分别爲(wei)第i截面的(de)面平均速(sù)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(jue)定了傳感(gǎn)器模型的(de)尺寸選擇(zé),0值越大則(ze)量程比越(yue)☂️大,S值和壓(yā)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(ye)越穩♻️定。從(cong)表1可以看(kan)出,矩形孔(kong)的面積越(yuè)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(zhi)相差約0.84 p,且(qiě)對傳感器(qì)評定影響(xiang)不大，在評(ping)定時可以(yi)忽略壓損(sun)這個因素(sù)，因此可通(tong)過權🔞重[1”]來(lai)評定0值和(he)S值在整體(tǐ)評價中的(de)相對🌍重要(yao)程度,并根(gen)據式(6)計.算(suàn)出綜合評(ping)價值,從而(ér)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(fǎ)計算各因(yīn)素的平均(jun)數x。和标準(zhun)差sk,根⛱️據式(shì)(7)計算出各(gè)因素的标(biao)準差系數(shù),它反映各(ge)因素🈲的相(xiàng)對變異程(chéng)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(mo)🈲型⛹🏻‍♀️對應的(de)Vk 值,如表1所(suǒ)示口

根據(jù)表1的V,值,可(ke)以确定寬(kuan)3高9的模型(xíng)爲最佳模(mó)型。
3傳感元(yuan)件溫度特(tè)性的研究(jiu)
　　氣體經過(guo)傳感元件(jian)表面時會(huì)帶走熱量(liàng)從而引起(qi)測量電路(lu)電壓信号(hào)的變化,當(dang)傳感元件(jian)上的熱電(diàn)✨阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4與氣(qì)體溫🤩差較(jiào)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(gong)✉️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(wèi)傳感元件(jian)溫度特性(xing)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(jia)恒定的電(diàn)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(liàng)傳感元件(jian)的電壓V,然(rán)後計算傳(chuan)💋感元件相(xiàng)應電路的(de)阻值和工(gōng)‼️作溫度。實(shí)驗中恒溫(wēn)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(yā)電源提供(gòng),型号爲MPS- 3003L-3,電(diàn)壓表型号(hào)❄️爲VC9807A。首先從(cóng)低✍️到高調(diao)節恒溫箱(xiang)溫度并調(diào)節電位器(qì)大小使電(dian)流接近于(yú)6.2 mA,同時測量(liang)對應溫度(du)下熱電阻(zǔ)兩端的電(dian)壓。在同一(yī)溫度記錄(lu)3個數據,将(jiāng)這三個數(shu)據平均後(hou)計♌算出該(gāi)溫度下熱(rè)電阻的阻(zǔ)值,同時計(jì)算出傳感(gan)元件的工(gōng)作溫度和(he)環境溫💞差(chà)。實驗數據(jù)見🍓表2所示(shì)。


　　從表2可以(yǐ)看出,在電(diàn)流恒定時(shí),環境溫度(dù)越高,傳感(gan)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(zai)100 C,此時傳感(gǎn)⚽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(ji)測量電路(lu)🙇‍♀️的依據。
4傳(chuán)感電 路設(shè)計
　　一種新(xīn)型的流量(liang)傳感電路(lù),如圖7所示(shi)。傳感元件(jiàn)由熱電阻(zǔ)🌐R, R,R、R,、R.,構成，與精(jing)密電阻R2、R3、R.、Rs、R。構(gòu)成惠斯通(tong)電橋,該電(diàn)路能實現(xiàn)溫度補償(cháng),并能檢測(cè)管道中氣(qì)體的方向(xiang)。電路中精(jing)密電阻R2與(yǔ)熱電阻R并(bìng)聯不僅防(fang)👌止通過R..的(de)電流過大(da),而且可提(ti)高溫度補(bu)償的準确(que)度🌏。爲了使(shǐ)傳感元件(jian)輸出‼️與氣(qì)體溫度無(wú)關的穩定(ding)電壓,理想(xiang)情況下在(zài)任何🏃環境(jing)溫度下應(ying)滿足式(9)。

　　工(gōng)作時将氣(qì)體傳感器(qi)放入測量(liang)管道中心(xin),當有微小(xiao)🈲氣體流過(guo)🈲時，上遊熱(re)電阻R,,、R..的溫(wēn)度下降比(bǐ)下遊熱電(diàn)阻R，、R明顯,氣(qì)體将上遊(you)的熱量帶(dài)到下遊,熱(rè)電阻溫度(du)場變化引(yǐn)起電壓信(xin)号V2變化,V2反(fǎn)應了微小(xiao)流速氣體(tǐ)的流量。當(dāng)管道中💋有(you)中高流速(su)氣體通過(guò)時,熱電🏃🏻阻(zǔ)R,、R,、R，、R.構成的熱(re)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(diàn)路的電🔞流(liú)發生變化(huà),熱電阻R。用(yòng)于溫度👄補(bu)償。通過測(ce)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(kě)反應此時(shi)管道中🔞氣(qi)體的流量(liang)。

5氣體流量(liàng)實驗研究(jiu)
　　運用鍾罩(zhao)式氣體流(liú)量标準裝(zhuāng)置進行氣(qì)體流量測(ce)試😄。裝置🏃🏻‍♂️運(yun)用鼓風機(jī)進行鍾罩(zhao)的充氣,三(sān)個閥門用(yong)⁉️于控制氣(qi)體流動。該(gai)設備的測(cè)量不确定(ding)度爲0.5%，其能(néng)夠供給的(de)流量㊙️範圍(wéi)爲0~220 m'/h。設備原(yuán)💔理圖如🌏圖(tu)8所示，實物(wù)圖如圖9所(suo)示


　　按照表(biao)1的仿真結(jie)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(jí)傳感器1和(he)傳感器9,其(qí)對應的開(kai)孔🍉尺寸分(fèn)别爲寬3高(gao)9和寬5高11。
　　由(yóu)于不同的(de)流量範圍(wei)測量原理(li)不同,流量(liang)測量實驗(yàn)分爲♉2部分(fen)，其中小流(liu)量的測量(liàng)範圍爲0.405m'/h~2.841 m'/h。在(zài)不同的㊙️流(liú)量🌈點對輸(shū)出電壓⭐V2進(jìn)行三次測(cè)量，獲得流(liú)量與平均(jun1)輸出電壓(ya)的關系曲(qu)線如圖10所(suo)示。傳感器(qì)1在小流量(liàng)測量中,不(bú)同流量與(yǔ)輸出電壓(ya)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(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(chuan)感器9的輸(shū)出特性,可(kě)知傳感器(qi)9由于開孔(kong)略大,輸出(chū)的電壓值(zhi)略微偏小(xiao)，而且重複(fu)性略大于(yu)傳感器1,與(yǔ)仿真的⚽結(jie)果相同。

　　随(suí)着流量增(zeng)加,對傳感(gan)器在2.841 m'/h至130.3 m'/h範(fàn)圍内進行(hang)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(xi)曲線如圖(tú)11所示。傳😍感(gǎn)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(dà)值爲0.5%。傳感(gan)器2的不同(tóng)流量與輸(shū)出電壓關(guan)系爲圓形(xing)點,測量重(zhòng)複性最大(da)值爲1%。如圖(tu)11可知傳感(gǎn).器9的輸出(chū)電壓值略(luè)微偏小,與(yǔ)表1的與仿(pang)真的仿真(zhen)數據相💰吻(wen)合。
　　傳感器(qi)1具有較好(hao)的輸出特(te)性和測量(liàng)重複性,與(yǔ)仿真結果(guǒ)--緻。因此,以(yi)下對傳感(gan)器1進行具(ju)體分析。

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

　　式(10)和式(shi)(11)所示的數(shù)學模型分(fèn)别用于測(ce)量小流量(liàng)和大☔流👈量(liàng)。通過拟合(hé)數值和輸(shū)出電壓可(ke)計算得到(dao)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(liu)量時爲1.40%。由(yóu)于傳感器(qì)1的重複性(xìng)最大值YR均(jun)爲0.5%,由式🐇(13)可(kě)以計算得(de)到測量誤(wù)差.

　　由式(13)可(kě)得在小流(liu)量範圍内(nèi)最大測量(liang)誤差.爲1.50% ,在(zài)大流量⭕範(fan)圍内👨‍❤️‍👨爲1.49%,由(you)此可認爲(wèi)測量誤差(chà)爲1.50%。對造成(chéng)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(wài),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(qì)能夠在0.4 m'/h至(zhì)130m'/h的範圍内(nei)測量氣體(ti)流量,其重(zhòng)複性優于(yú)0.5% ,測量誤差(chà)爲1.5%。
6結論
　　熱(rè)分布型和(hé)浸入型相(xiàng)結合的熱(rè)式流量測(ce)量方法,設(shè)計了一種(zhǒng)🔱大量程氣(qi)體流量傳(chuan)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(wēn)度特性,提(ti)出了氣體(ti)介質溫度(du)的自動補(bu)償方法并(bìng)設計流🐕量(liàng)傳感電✔️路(lù)。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(liang)傳感器的(de)流量測量(liang)範圍。

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