摘(zhai)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(cǎi)用FLUENT進行結(jié)構的仿真(zhen).結合權重(zhòng)法确定傳(chuán)感器的結(jie)構模型。研(yan)究了傳感(gǎn)元件的溫(wēn)度特性.确(que)定了傳感(gǎn)器的工作(zuò)狀态。設計(jì)了傳感電(dian)路,對傳♻️感(gǎn)器進行了(le)自動溫度(du)補償。測📐量(liang)中采用兩(liǎng)種不同的(de)測量原理(lǐ).使傳感器(qì)能夠檢測(cè)微小💯流量(liang)和中、大⭐流(liu)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(cheng)爲0.14 m'/h~ 130 m'/h,測量誤(wù)差優于1.5%。
　　熱(rè)式氣體流(liú)量傳感器(qi)是利用熱(re)傳遞原理(li)實現對氣(qi)體質量流(liu)量的直接(jiē)測量",其按(an)結構可分(fèn)爲熱分布(bu)型和浸人(rén)型。熱分布(bù)式型氣體(tǐ)流量🤩傳感(gan)器可測量(liang)低流速微(wei)小流量鬥(dòu)🥵;浸人型氣(qi)體流量傳(chuan)感器主要(yao)應用于中(zhōng)、大管徑的(de)較高流速(sù)測量,而對(dui)于低流速(sù)氣體的測(ce)量精度和(hé)靈敏度都(dōu)較低。采用(yòng)5個熱電阻(zǔ)PT1000 集成于同(tóng)-基片的傳(chuan)感元件,通(tōng)過傳感電(diàn)路設計,使(shi)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(zài)大流量測(cè)量時🔴采用(yòng)浸人式測(cè)量原理,從(cong)而實現了(le)流量的大(da)量程測量(liàng)。同時,由于(yú)該傳感器(qi)放置在管(guan)道内部,因(yīn)此傳感元(yuan)件周圍的(de)流場及流(liu)☔速大小将(jiang)較大影響(xiǎng)流量測量(liang)的性能。因(yin)此，首先對(dui)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(zhǒng)結構模型(xíng)引,采用FLUENT仿(pang)真技術獲(huò)得不同傳(chuan)感器結構(gòu)模型的管(guan)内流場等(děng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻速線水平(píng)剖面圖及(jí)管内傳感(gan)元件截面(mian)的面平均(jun)速度,并結(jié)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(jiū)了傳感器(qi)的溫度特(te)性[4],設計了(le)傳感測量(liang)電路,實現(xian)對氣體在(zài)大量程範(fan)圍内流量(liàng)正🌐确的測(ce)量。
1測量原(yuán)理
　　氣體流(liu)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(tǐ)傳感器的(de)傳感元件(jiàn)置于管❌道(dào)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(shì)對稱的。熱(rè)電阻R.、R。、R、R, ,作爲(wèi)熱源和溫(wēn)度傳感器(qì),R。用于氣體(ti)介🌏質溫度(du)的測量。當(dāng)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(xià)遊熱☂️電阻(zu)R、R,明顯,氣體(tǐ)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(wèi)單位時間(jian)内輸出流(liu)量計的電(dian)功率,c,爲被(bei)測氣體的(de)比定壓熱(re)容,ΔT爲上下(xià)遊溫差
　　随(suí)着氣體流(liú)速的增加(jia),氣體的流(liú)動引起熱(rè)電阻Rs1、Rs2. s3、Rs4、溫度(dù)的變化,電(diàn)路提供給(gei)四個電阻(zu)的3電功率(lü)等于氣體(tǐ)流動對🐉熱(rè)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(yu)傳感元件(jian)通過圓柱(zhu)形支架固(gu)定在管道(dao)内部🧑🏾‍🤝‍🧑🏼,圓柱(zhu)🐅體開一矩(ju)形孔用于(yú)傳感元件(jian)測量氣體(ti)流量♉,見圖(tu)2所示。傳感(gǎn)㊙️元件周圍(wei)的流場對(dui)傳感器的(de)靈敏度和(hé)重複性影(ying)響較大。同(tong)時,傳感器(qi)的壓損也(ye)是一⛱️個重(zhong)要的評價(jia)指标💋。因此(cǐ),需要對傳(chuan)感器開孔(kong)尺寸進行(háng)仿真研究(jiū),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(guǎn)道長度爲(wèi)130 Imm,管道中支(zhi)架爲小圓(yuan)柱體,直徑(jìng)🥰爲12mm[7].
　　将網格(ge)文件導入(ru)FLUENT軟件進行(hang)仿真并保(bǎo)證各模型(xing)有相同的(de)邊界💘條件(jiàn),設定管道(dào)内流體介(jiè)質爲空氣(qi),人口速🏃🏻‍♂️度(dù)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(miàn)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(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(kong)氣的運動(dong)黏度根據(jù)式(4)計算出(chū)湍流強度(du)1=4.345%[8]。

　　氣體傳感(gan)器插入管(guan)道中測量(liang)氣體的流(liú)速,會對氣(qi)體❌的流場(chǎng)有❓一定的(de)擾動,不同(tong)的傳感器(qi)模型對流(liú)場的🐪擾動(dong)✔️也不同[9]。因(yin)此需😘對傳(chuan)感器模型(xing)的尺寸進(jìn)行設計仿(páng)真,選擇最(zuì)佳模型。如(ru)圖2所示🙇‍♀️,傳(chuan)感元件置(zhì)于管道中(zhong)，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(bié)取🔞9 mm、10 mm、11 mm,共9種模(mó)型,研究不(bú)同模型對(dui)流場産生(shēng)的影響。
　　采(cǎi)用FLUENT軟件10-1]1分(fen)别對這9種(zhǒng)模型設置(zhi)相同的邊(bian)界條件,進(jìn)行⁉️數值🛀模(mo)拟計算。分(fèn)别計算傳(chuan)感元件不(bú)同位置的(de)平均速度(du)。選取傳感(gǎn)元件中心(xīn)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(píng)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(jié)面上的面(mian)平均速度(du)可通過數(shu)值計♊算獲(huo)得。

圖4所示(shì)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(kàn)出,矩形孔(kong)的面積越(yue)大,傳感器(qi)前後的漩(xuan)渦區越小(xiao)，流場分布(bù)均勻,這是(shi)因爲矩形(xing)孔的面積(ji)越大,對流(liu)體的阻⭕礙(ai)作用越小(xiao),對管道内(nèi)的流場影(ying)響越小[12]圖(tú)5表示9種不(bu)🛀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(tu)5可以看出(chū)，矩形孔的(de)面積越小(xiao)，其面平均(jun1)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(shī)🈲多。對于管(guǎn)内的🔞傳感(gǎn)元件,11個截(jie)面的面平(ping)均速🐇度分(fen)布🏃越穩定(ding)，管内速度(du)分布的變(biàn)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(chà),度量數據(ju)分布的分(fèn)散程度

　　式(shì)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(wèi)9種不同傳(chuan)感器模型(xíng)的0值、S值和(hé)壓損，這三(san)個因素決(jué)📞定了傳感(gǎn)器模型的(de)尺寸選擇(ze),0值越大則(ze)量程比越(yuè)大,S值和壓(yā)損越🌈小則(ze)⛱️流體通過(guò)傳感器時(shí)損失的能(néng)量越小，流(liú)體分布🏃‍♂️也(yě)越穩定。從(cóng)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(yā)損越小。可(ke)以看👨‍❤️‍👨出壓(ya)損最大值(zhi)與最小值(zhi)相差約0.84 p,且(qie)對傳感器(qi)評定㊙️影響(xiang)不大，在評(ping)定時可以(yi)忽略壓損(sǔn)這個因素(sù)💃🏻，因此💞可通(tōng)過權重[1”]來(lai)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(ping)價♊值,從而(er)确定傳感(gan)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(suàn)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(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(er)個因素的(de)?k值和wk值,并(bing)根據式(6)計(jì)算出👈9種模(mó)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(xing)爲最佳模(mó)型。
3傳感元(yuán)件溫度特(te)性的研究(jiu)
　　氣體經過(guo)傳感元件(jiàn)表面時會(huì)帶走熱量(liang)從而引起(qǐ)測💞量電路(lu)電壓信号(hao)的變化,當(dāng)傳感元件(jian)上的熱電(diàn)阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4與氣(qì)🔞體溫🏒差較(jiao)小時,傳感(gan)元件靈敏(mǐn)度會降低(di),但電流過(guò)大時會損(sun)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(du)特性進行(háng)研究4],圖6爲(wèi)傳感元件(jiàn)溫度特性(xing)研究實驗(yàn)圖。
　　傳感元(yuán)件放置在(zài)溫度可調(diào)的恒溫箱(xiāng)中,電路加(jiā)恒定🥵的電(diàn)壓👣10 V ,在📐不同(tóng)的工況條(tiao)件下調節(jiē)電位器的(de)大小使電(dian)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(chuán)感元件相(xiàng)應電路的(de)阻值和工(gong)作溫度。實(shi)驗👨‍❤️‍👨中恒溫(wēn)箱型号爲(wèi)GHX高溫恒溫(wēn)試驗箱，電(dian)壓❄️由可調(diao)直流穩壓(ya)電源提供(gong),型号爲MPS- 3003L-3,電(dian)壓表型号(hào)爲VC9807A。首先從(cóng)低‼️到高調(diao)節恒🌈溫箱(xiāng)溫度并調(diào)節電位器(qì)大小使🍉電(diàn)流接近于(yu)6.2 mA,同時測量(liang)對應溫🌍度(du)下熱電⛹🏻‍♀️阻(zu)兩端的電(diàn)壓。在同一(yī)溫度記錄(lu)3個🌍數據,将(jiang)這三個數(shù)據🆚平均後(hòu)計算出該(gai)溫度下熱(rè)電阻的阻(zu)值,同時計(ji)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(shí),環境溫度(du)越高,傳感(gǎn)元件溫度(dù)也越高,但(dàn)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(dian)流小而不(bú)會對傳感(gan)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(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(jiàn)由熱電阻(zu)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(xian)溫度補償(cháng),并能檢測(cè)管道中氣(qì)體的方向(xiàng)。電♋路中精(jīng)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(da),而且可提(ti)高溫度補(bu)償的準确(què)度。爲了使(shǐ)傳感元件(jiàn)輸出與氣(qi)體溫度無(wu)關的穩定(dìng)電壓,理想(xiang)情🧑🏽‍🤝‍🧑🏻況下在(zài)任何環💚境(jìng)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(xin),當有微小(xiao)氣體流過(guo)時，上遊熱(rè)電阻R,,、R..的溫(wēn)度下降比(bi)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(re)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(tǐ)的流量。當(dang)管道中‼️有(you)中高流速(su)氣體通過(guò)時,熱電阻(zu)R,、R,、R，、R.構成的熱(re)電阻R。的熱(re)量✏️被氣體(tǐ)帶走而引(yǐn)起阻值變(bian)化,從而導(dao)緻傳感電(dian)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(cè)量熱電阻(zǔ)R。R,.和精密電(diàn)阻構成的(de)惠斯通電(dian)橋的輸㊙️出(chū)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(liàng)實驗研究(jiū)
　　運用鍾罩(zhao)式氣體流(liu)量标準裝(zhuāng)置進行氣(qì)體流量測(cè)試。裝置運(yun)用鼓風機(jī)進行鍾罩(zhao)的充氣,三(san)個閥門用(yòng)于控制氣(qì)體流動。該(gāi)設備的測(cè)量不确定(ding)度爲0.5%，其能(neng)夠供給的(de)流量範圍(wéi)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(suǒ)示


　　按照表(biao)1的仿真結(jie)果,本實驗(yan)選用評價(jià)值相差較(jiào)大的兩個(gè)傳感器進(jìn)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(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(lǐ)不同,流量(liàng)測量實驗(yan)分爲2部分(fèn)，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(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(suǒ)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(yā)關系爲星(xing)形點,測🚶‍♀️量(liang)重複性最(zui)大值爲0.5%。傳(chuan)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(xì)爲圓形點(diǎn),測量重複(fú)性👉最大🤩值(zhí)爲0.8%。比較傳(chuán)感器1和傳(chuán)感器9的輸(shu)出特性,可(ke)知傳感器(qì)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(yu)🍉仿真的結(jie)果相同。

　　随(suí)着流量增(zēng)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(dui)輸出電壓(yā)V進行三次(cì)測量,獲得(de)流量與♉平(ping)均輸出電(dian)壓的關系(xi)曲線如圖(tu)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(zhòng)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(xing)點,測量重(zhong)複性最大(dà)值爲1%。如圖(tú)11可知傳感(gan).器9的輸出(chu)電壓值略(luè)微偏小,與(yu)表1的與仿(páng)真的仿真(zhen)數據相吻(wěn)合。
　　傳感器(qi)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(yùn)用MATLAB拟合電(dian)壓與流量(liang)之間的關(guān)系公式[ 16],得(dé)到傳感器(qì)1的數據模(mo)型:

　　式(10)和式(shì)(11)所示的數(shu)學模型分(fen)别用于測(ce)量小流量(liang)和大流量(liàng)。通過拟合(he)數值和輸(shū)出電壓可(ke)計算得到(dào)最大偏差(chà)Amre由📱式(12)可計(ji)算得到拟(nǐ)合Lmax誤差γYL°

　　其(qí)中ym爲最大(dà)流量點的(de)電壓。在小(xiǎo)流量時拟(ni)合誤差爲(wèi)1.42%,而🌈在🏒大流(liú)量時爲1.40%。由(yóu)于傳感器(qì)1的重複性(xing)最大值YR均(jun)爲❗0.5%,由式(13)可(kě)以🌈計算‼️得(dé)到測量誤(wu)差.

　　由式(13)可(ke)得在小流(liu)量範圍内(nèi)最大測量(liàng)誤差.爲1.50% ,在(zai)大流量範(fàn)圍内🌍爲1.49%,由(you)此可認爲(wei)測量誤差(cha)爲1.50%。對造成(chéng)誤差的主(zhu)要🏃🏻原因有(yǒu)氣⛱️體擾流(liu),流場分布(bu)和氣體濕(shī)度🚶等。另外(wài)💋,傳感器的(de)熱輻射和(hé)熱🍓傳導同(tong)樣會造成(chéng)測💃量誤差(chà)。
　　由實驗可(kě)得,傳感器(qi)能夠在0.4 m'/h至(zhì)130m'/h的範圍内(nèi)測量氣體(tǐ)流量,其重(zhòng)複性優于(yu)0.5% ,測量誤差(cha)爲1.5%。
6結論
　　熱(rè)分布型和(he)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(shu)和權重法(fa)确定最佳(jia)傳感器的(de)結構模型(xing)，研究傳感(gan)元件的溫(wēn)度特性,提(tí)出了氣🍓體(tǐ)介質溫度(du)的自動👌補(bu)償方法并(bìng)設計流量(liang)傳感電路(lu)。實驗結✌️果(guǒ)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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