摘(zhai)要:基于熱(rè)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(zhen).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(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(gan)器進行🐅了(le)自動溫度(du)補償。測量(liàng)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(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(guǒ)表明該傳(chuán)感器測量(liàng)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(re)傳遞原理(lǐ)實現對氣(qi)體質量流(liú)量的直接(jie)測量",其按(àn)結構可分(fèn)爲熱分布(bù)型和浸人(rén)型。熱分布(bù)🔴式型氣體(tǐ)流量傳感(gǎn)器可測量(liàng)低流速微(wei)小流量鬥(dou)🥵;浸人型氣(qi)體流量傳(chuan)感器主要(yao)🌏應用于中(zhong)、大管徑的(de)較高流速(sù)測量,而對(duì)于低流速(sù)氣體的測(cè)量精度和(hé)靈敏度都(dōu)較低。采用(yòng)5個熱電阻(zu)PT1000 集成于同(tong)-基片的傳(chuán)感元件,通(tōng)過傳感電(dian)路設計,使(shi)得氣體流(liú)🐆量傳感器(qì)在小流量(liàng)時采用熱(re)分布型測(ce)量原👈理,在(zài)大流量測(cè)量時采用(yong)浸人式測(cè)量原理,從(cong)而實現了(le)流量的大(dà)量程測量(liang)💘。同時,由‼️于(yú)該傳感器(qi)放置在管(guan)🌈道内部,因(yin)此傳感元(yuán)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(yīn)此，首先對(duì)傳感器結(jie)構進行仿(pang)真,通過.Solidworks軟(ruan)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(huò)得不同傳(chuan)感器結構(gòu)模型的管(guǎn)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(jun1)速度,并結(jie)合權重法(fǎ)對仿真數(shu)👈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(qi)的溫度特(te)性[4],設計了(le)傳感測量(liang)電路,實現(xiàn)✌️對氣❤️體在(zai)大量程範(fan)圍内流量(liàng)正确的測(cè)量。
1測量原(yuán)理
　　氣體流(liú)量傳感器(qi)是在不同(tong)流量段分(fèn)别采用熱(re)分布型和(hé)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼浸🤞人型的(de)測量原理(li)。熱式氣體(ti)傳感器的(de)傳感元😄件(jian)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(shi),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(qi),R。用于氣體(ti)介質溫度(du)的測量。當(dāng)有微小氣(qi)體流過時(shí),上遊熱電(dian)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(dao)下遊,引起(qi)3管道内部(bù)🤩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(liu)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(liu)速的增加(jia),氣體的流(liu)動引起熱(rè)電阻Rs1、Rs2. s3、Rs4、溫度(du)⁉️的變化♍,電(dian)路提供給(gei)四個電阻(zu)的3電功率(lü)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(ti)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(gu)定在管道(dao)内部,圓柱(zhù)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(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(yǐng)響較大。同(tóng)時,傳感器(qi)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(li)想的結構(gou).

　　首先采用(yong)Solidworks軟件對氣(qì)體傳感器(qi)模型進行(hang)建立,管道(dao)口徑爲50 mm,管(guan)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(gé)文件導入(rù)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(jian),設定管道(dào)内流體介(jiè)質爲空氣(qi),人口速度(du)取🥰10 m/s,根據🌍式(shì)(3)求出管道(dao)雷諾數Re=337 84, 因(yīn)此粘性模(mó)型爲k-epsilon。 爲了(le)防止壁面(mian)有邊界層(céng)使得流體(tǐ)粘附管道(dao),壁🧑🏽‍🤝‍🧑🏻面選擇(zé)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(kong)🤩氣的運動(dòng)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(chang)有一定的(de)擾動,不同(tóng)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(jìn)🔴行設計仿(páng)真,選擇最(zuì)佳模型。如(ru)圖2所示,傳(chuán)感元件置(zhi)于管道中(zhong)，傳感元件(jiàn)長7 mm,寬2.4 mm,厚0.15 mm。設(she)🚶‍♀️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(mó)型,研究不(bu)同模型對(dui)流場産生(sheng)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(jin)行數😍值模(mó)拟計算。分(fen)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(xīn)截面的編(biān)号爲plane-5。按軸(zhóu)向方向在(zài)plane-5前後分别(bié)依次取5個(ge)截面,前面(mian)兩截面💋平(píng)行距離爲(wei)0.24 mm,分别編💚号(hào)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(miàn)平均速度(dù)可通過數(shu)值計算獲(huo)得。

圖4所示(shi)爲幾種矩(jǔ)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(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(bu)均勻,這是(shì)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(yǐng)響越小[12]圖(tu)5表示9種不(bú)同傳感器(qi)模型11 個截(jié)面的面平(ping)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(xiǎo)，其面平均(jun1)速度越大(dà),但對流體(ti)的阻礙作(zuo)用變大,使(shi)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(jié)面的面平(píng)均速度分(fen)布越穩定(dìng)，管内速度(dù)分布的變(bian)化越小,對(dui)流場的擾(rao)動越📐小。由(you)式(5)貝塞爾(ěr)公式求出(chu)标準偏差(chà),度量數據(ju)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(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(wèi)9種不同傳(chuán)感器模型(xing)的0值、S值和(hé)壓損，這三(san)個因素決(jue)定了傳感(gan)器模型的(de)尺寸選擇(zé),0值越大則(ze)量程比越(yuè)大,S值和壓(ya)損越小則(zé)☔流體通過(guo)傳感器時(shí)損失的能(néng)量越小，流(liu)體分布💞也(ye)越穩定。從(cong)表1可以看(kan)出,矩🍉形孔(kǒng)的面積越(yue)大,值🧑🏾‍🤝‍🧑🏼越小(xiǎo),而s值和壓(ya)損越小。可(kě)以看🔆出壓(ya)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(xiǎng)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(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(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(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(fǎ)計算各因(yīn)素的平均(jun1)數x。和标準(zhun)差sk,根🏒據式(shi)💯(7)計算出各(ge)因素的标(biāo)準差系數(shù),它反映各(ge)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(bing)根據式(6)計(ji)算出9種模(mo)型對應的(de)Vk 值,如表1所(suǒ)示口

根據(ju)表1的V,值,可(ke)以确定寬(kuān)3高9的模型(xing)爲最佳模(mo)型。
3傳感元(yuan)件溫度特(te)性的研究(jiu)
　　氣體經過(guo)傳感元件(jian)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(qi)體溫✉️差較(jiao)🙇🏻小時,傳感(gan)元件靈敏(mǐn)度會降低(dī),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(xu)對傳感元(yuán)件的溫度(du)特性進行(hang)研究4],圖6爲(wei)傳感元件(jian)溫度特性(xing)研究實驗(yan)圖。
　　傳感元(yuan)件放置在(zai)溫度可調(diao)的恒溫箱(xiang)中,電路加(jia)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(diàn)流保持恒(heng)定,并測量(liang)傳感元件(jian)的電壓V,然(ran)後㊙️計算傳(chuán)感元件相(xiàng)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(wen)試♉驗箱，電(dian)壓由可調(diao)直流穩壓(ya)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(diào)節恒溫箱(xiāng)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(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(gai)溫🍓度下熱(rè)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(chà)。實驗數據(ju)見表2所示(shì)。


　　從表2可以(yi)看出,在電(diàn)流恒定時(shí),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(ji)本恒定在(zài)100 C,此時傳感(gan)元件靈敏(min)度高且電(diàn)流小而不(bu)🧡會對傳🙇‍♀️感(gan)元件造成(chéng)損壞,以此(cǐ)作爲設計(ji)測量電路(lu)的依據。
4傳(chuan)感電 路設(shè)計
　　一種新(xīn)型的流量(liàng)傳感電路(lu),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(jīng)密電阻R2、R3、R.、Rs、R。構(gòu)成惠斯通(tōng)電橋,該電(diàn)路能實現(xiàn)溫度補償(chang),并能檢✉️測(cè)管道中氣(qi)體的方向(xiàng)。電路中精(jīng)密電阻R2與(yǔ)熱電阻R并(bing)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(bǔ)償✏️的準确(què)度。爲了使(shǐ)傳感元件(jian)輸出與氣(qi)體溫度無(wú)關的穩定(ding)電壓,理想(xiǎng)情😘況下在(zai)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(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(re)電阻R,,、R..的溫(wēn)度下降比(bǐ)下遊熱電(dian)阻R，、R明顯,氣(qi)體将上遊(yóu)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(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(rè)電阻R。的熱(rè)量被氣體(tǐ)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(yòng)于溫度補(bu)償。通過測(ce)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(kě)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(jiu)
　　運用鍾罩(zhao)式氣體流(liu)量标準裝(zhuang)置進行氣(qi)體流量測(cè)試🏒。裝置運(yùn)💰用鼓風機(ji)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(ce)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(tu)8所示，實物(wu)圖如圖9所(suǒ)示


　　按照表(biǎo)1的仿真結(jie)果,本實驗(yàn)選用評價(jià)值相差較(jiào)大的兩個(gè)傳感器進(jin)行實驗,即(jí)傳感器1和(hé)傳感器9,其(qí)對應的開(kai)孔尺寸分(fen)别爲寬3高(gao)9和寬5高11。
　　由(you)于不同的(de)流量範圍(wéi)測量原理(li)不同,流量(liang)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(liú)量📐點對輸(shū)出電壓V2進(jin)行三次測(ce)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(qi)1在小流😍量(liàng)測量中,不(bu)同流量🌈與(yu)輸出電壓(yā)關系爲星(xīng)形點,測🏃🏻‍♂️量(liàng)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(xi)爲圓形點(dian),測量重複(fu)性最大值(zhi)爲0.8%。比較傳(chuán)感器1和傳(chuan)感器9的輸(shū)出特性,可(ke)知傳感器(qì)9由于開孔(kong)略大,輸出(chu)的電壓值(zhí)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(jié)果相同。

　　随(suí)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(yàn)。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(tu)11所示。傳感(gan)器1的不同(tong)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(gǎn)器2的不同(tong)流量與輸(shu)出電壓♊關(guān)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(yu)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(guo)--緻。因🐉此,以(yi)下對傳感(gǎn)器1進行具(jù)體分析。

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

　　式(10)和式(shì)(11)所示的數(shu)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(dào)最大偏差(chà)Amre由式(12)可♊計(jì)算得到拟(ni)合Lmax誤差γYL°

　　其(qi)中ym爲最大(dà)流量點的(de)電壓。在小(xiao)流量時拟(ni)合誤差爲(wei)1.42%,而在大流(liú)量時爲1.40%。由(you)于傳感器(qi)1的重複性(xing)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(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(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(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(hé)熱傳導同(tóng)樣會造成(cheng)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(nei)測量氣體(tǐ)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(he)浸入型相(xiàng)結合的熱(re)式流量測(ce)量方法,設(she)計了一種(zhong)大量程氣(qì)體流量傳(chuan)感器。通過(guò)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(gǎn)元件的溫(wen)度🆚特性,提(ti)✂️出了氣體(ti)介質溫度(dù)的自動補(bu)償方法并(bìng)設計流量(liang)傳感電路(lù)。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(yōu)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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