大量程氣體流量傳感器的仿真與設(shè)計*

趙偉國,徐曉丹,章圣意

(1.中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院,杭州 310018;2.浙江蒼南儀表集團股份有限公司,浙江 蒼南 325800)

熱式氣體流量傳感器是利用熱傳遞原理實現(xiàn)對氣體質(zhì)量流量的直接測量[1],其按結(jié)構(gòu)可分為熱分布型和浸入型。熱分布式型氣體流量傳感器可測量低流速微小流量[2];浸入型氣體流量傳感器主要應(yīng)用于中、大管徑的較高流速測量,而對于低流速氣體的測量精度和靈敏度都較低。針對以上問題,本文采用5個熱電阻PT1000集成于同一基片的傳感元件,通過傳感電路設(shè)計,使得氣體流量傳感器在小流量時采用熱分布型測量原理,在大流量測量時采用浸入式測量原理,從而實現(xiàn)了流量的大量程測量。同時,由于該傳感器放置在管道內(nèi)部,因此傳感元件周圍的流場及流速大小將較大影響流量測量的性能。因此本文首先對傳感器結(jié)構(gòu)進行仿真,通過Solidworks軟件設(shè)計傳感器的9種結(jié)構(gòu)模型[3],采用FLUENT仿真技術(shù)獲得不同傳感器結(jié)構(gòu)模型的管內(nèi)流場等速線水平剖面圖及管內(nèi)傳感元件截面的面平均速度,并結(jié)合權(quán)重法對仿真數(shù)據(jù)進行處理,確定最佳傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。然后研究了傳感器的溫度特性[4],設(shè)計了傳感測量電路,實現(xiàn)對氣體在大量程范圍內(nèi)流量精確的測量。

1 測量原理

本文設(shè)計的氣體流量傳感器是在不同流量段分別采用熱分布型和浸入型的測量原理。熱式氣體傳感器的傳感元件置于管道中心[5],傳感元件如圖1所示。管道中沒有氣體通過時,管道內(nèi)的溫度場是對稱的。熱電阻Rs1、Rs2、Rs3、Rs4作為熱源和溫度傳感器,Rs5用于氣體介質(zhì)溫度的測量。當(dāng)有微小氣體流過時,上游熱電阻Rs1、Rs2的溫度下降比下游熱電阻Rs3、Rs4明顯,氣體將上游的熱量帶到下游,引起管道內(nèi)部溫度場變化[6],則氣體的質(zhì)量流量

qm=E/(cpΔT)

(1)

式中E為單位時間內(nèi)輸出流量計的電功率,cp為被測氣體的比定壓熱容,ΔT為上下游溫差。

圖1 傳感元件示意圖

2 熱式氣體傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

由于傳感元件通過圓柱形支架固定在管道內(nèi)部,圓柱體開一矩形孔用于傳感元件測量氣體流量,見圖2所示。傳感元件周圍的流場對傳感器的靈敏度和重復(fù)性影響較大。同時,傳感器的壓損也是一個重要的評價指標(biāo)。因此,需要對傳感器開孔尺寸進行仿真研究,以獲得理想的結(jié)構(gòu)。

圖2 熱式氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

首先采用Solidworks軟件對氣體傳感器模型進行建立,管道口徑為50 mm,管道長度為130 mm,管道中支架為小圓柱體,直徑為12 mm[7]。

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT軟件進行仿真并保證各模型有相同的邊界條件,設(shè)定管道內(nèi)流體介質(zhì)為空氣,入口速度取10 m/s,根據(jù)式(3)求出管道雷諾數(shù)Re=337 84,因此粘性模型為k-epsilon。為了防止壁面有邊界層使得流體粘附管道,壁面選擇Moving wall。

Re=VD/η

(3)

式中V為入口速度,D為管道直徑,η為壓強為101.325 kPa、溫度為20 ℃的條件下空氣的運動黏度。根據(jù)式(4)計算出湍流強度I=4.345%[8]。

I=0.16Re-1/8

(4)

氣體傳感器插入管道中測量氣體的流速,會對氣體的流場有一定的擾動,不同的傳感器模型對流場的擾動也不同[9]。因此需對傳感器模型的尺寸進行設(shè)計仿真,選擇最佳模型。如圖2所示,傳感元件置于管道中,傳感元件長7 mm,寬2.4 mm,厚0.15 mm。設(shè)計矩形孔的尺寸,l分別取3 mm、4 mm、5 mm,h分別取9 mm、10 mm、11 mm,共9種模型,研究不同模型對流場產(chǎn)生的影響。

這些職責(zé)要求，為我們對高職院校思政課教師職責(zé)即角色定位指明了方向，成為思政課教師“三師”型隊伍建設(shè)的根本遵循。

采用FLUENT軟件[10-11]分別對這9種模型設(shè)置相同的邊界條件,進行數(shù)值模擬計算。分別計算傳感元件不同位置的平均速度。選取傳感元件中心截面的編號為plane-5。按軸向方向在plane-5前后分別依次取5個截面,前面兩截面平行距離為0.24 mm,分別編號為plane-0,plane-1,plane-2…共11個截面,如圖3所示,這些截面上的面平均速度可通過數(shù)值計算獲得。

圖3 傳感元件截面示意圖

圖4所示為幾種矩形孔的管內(nèi)流場等速線水平剖面圖。

從圖4可以看出,矩形孔的面積越大,傳感器前后的漩渦區(qū)越小,流場分布均勻,這是因為矩形孔的面積越大,對流體的阻礙作用越小,對管道內(nèi)的流場影響越小[12]。圖5表示9種不同傳感器模型11個截面的面平均速度分布圖。

圖4 不同矩形孔管內(nèi)流場等速線水平剖面圖

圖5 不同傳感器模型的截面平均速度分布圖

從圖5可以看出,矩形孔的面積越小,其面平均速度越大,但對流體的阻礙作用變大,使得流體的能量損失多。對于管內(nèi)的傳感元件,11個截面的面平均速度分布越穩(wěn)定,管內(nèi)速度分布的變化越小,對流場的擾動越小。由式(5)貝塞爾公式求出標(biāo)準(zhǔn)偏差,度量數(shù)據(jù)分布的分散程度。

(5)

(6)

式中Vk為綜合評價值,wk為權(quán)重,xk為各因素的數(shù)值,k=1,2,3,4,5,6,7,8,9。

對標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)進行歸一化處理,根據(jù)式(8)得到各因素權(quán)重wk。

(8)

根據(jù)式(7)、(8)計算出二個因素的vk值和wk值,并根據(jù)式(6)計算出9種模型對應(yīng)的Vk值,如表1 所示。

表1 數(shù)值仿真數(shù)據(jù)及Vk值

根據(jù)表1的Vk值,可以確定寬3高9的模型為最佳模型。

3 傳感元件溫度特性的研究

氣體經(jīng)過傳感元件表面時會帶走熱量從而引起測量電路電壓信號的變化,當(dāng)傳感元件上的熱電阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4與氣體溫差較小時,傳感元件靈敏度會降低,但電流過大時會損壞傳感元件并增加電路的功耗,因此需對傳感元件的溫度特性進行研究[14],圖6為傳感元件溫度特性研究實驗圖。

圖6 溫度特性研究實驗圖

傳感元件放置在溫度可調(diào)的恒溫箱中,電路加恒定的電壓10 V,在不同的工況條件下調(diào)節(jié)電位器的大小使電流保持恒定,并測量傳感元件的電壓V,然后計算傳感元件相應(yīng)電路的阻值和工作溫度。實驗中恒溫箱型號為GHX高溫恒溫試驗箱,電壓由可調(diào)直流穩(wěn)壓電源提供,型號為MPS-3003L-3,電壓表型號為VC9807A。首先從低到高調(diào)節(jié)恒溫箱溫度并調(diào)節(jié)電位器大小使電流接近于6.2 mA,同時測量對應(yīng)溫度下熱電阻兩端的電壓。在同一溫度記錄3個數(shù)據(jù),將這三個數(shù)據(jù)平均后計算出該溫度下熱電阻的阻值,同時計算出傳感元件的工作溫度和環(huán)境溫差。實驗數(shù)據(jù)見表2所示。

表2 不同溫度下傳感元件溫度與實驗環(huán)境溫差

從表2可以看出,在電流恒定時,環(huán)境溫度越高,傳感元件溫度也越高,但是與環(huán)境溫度之間的差值基本恒定在100 ℃,此時傳感元件靈敏度高且電流小而不會對傳感元件造成損壞,以此作為設(shè)計測量電路的依據(jù)。

4 傳感電路設(shè)計

本文在惠斯通電橋[15]的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種新型的流量傳感電路,如圖7所示。傳感元件由熱電阻Rs1、Rs2、Rs3、Rs4、Rs5構(gòu)成,與精密電阻R2、R3、R4、R5、R6構(gòu)成惠斯通電橋,該電路能實現(xiàn)溫度補償,并能檢測管道中氣體的方向。電路中精密電阻R2與熱電阻Rs5并聯(lián)不僅防止通過Rs5的電流過大,而且可提高溫度補償?shù)臏?zhǔn)確度。為了使傳感元件輸出與氣體溫度無關(guān)的穩(wěn)定電壓,理想情況下在任何環(huán)境溫度下應(yīng)滿足式(9)。

工作時將氣體傳感器放入測量管道中心,當(dāng)有微小氣體流過時,上游熱電阻Rs1、Rs2的溫度下降比下游熱電阻Rs3、Rs4明顯,氣體將上游的熱量帶到下游,熱電阻溫度場變化引起電壓信號V2變化,V2反應(yīng)了微小流速氣體的流量。當(dāng)管道中有中高流速氣體通過時,熱電阻Rs1、Rs2、Rs3、Rs4構(gòu)成的熱電阻Rw的熱量被氣體帶走而引起阻值變化,從而導(dǎo)致傳感電路的電流發(fā)生變化,熱電阻Rs5用于溫度補償。通過測量熱電阻Rw、Rs5和精密電阻構(gòu)成的惠斯通電橋的輸出電壓V1即可反應(yīng)此時管道中氣體的流量。

圖7 自動溫度補償型的傳感電路

圖8 實驗設(shè)備原理圖

5 氣體流量實驗研究

本實驗中運用鐘罩式氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進行氣體流量測試。裝置運用鼓風(fēng)機進行鐘罩的充氣,三個閥門用于控制氣體流動。該設(shè)備的測量不確定度為0.5%,其能夠供給的流量范圍為0～220 m3/h。設(shè)備原理圖如圖8所示,實物圖如圖9所示。

圖9 實驗設(shè)備

按照表1的仿真結(jié)果,本實驗選用評價值相差較大的兩個傳感器進行實驗,即傳感器1和傳感器9,其對應(yīng)的開孔尺寸分別為寬3高9和寬5高11。

由于不同的流量范圍測量原理不同,流量測量實驗分為2部分,其中小流量的測量范圍為0.405 m3/h～2.841 m3/h。在不同的流量點對輸出電壓V2進行三次測量,獲得流量與平均輸出電壓的關(guān)系曲線如圖10所示。傳感器1在小流量測量中,不同流量與輸出電壓關(guān)系為星形點,測量重復(fù)性最大值為0.5%。傳感器9在小流量測量中,不同流量與輸出電壓關(guān)系為圓形點,測量重復(fù)性最大值為0.8%。比較傳感器1和傳感器9的輸出特性,可知傳感器9由于開孔略大,輸出的電壓值略微偏小,而且重復(fù)性略大于傳感器1,與仿真的結(jié)果相同。

圖10 小流量和輸出電壓的關(guān)系曲線

隨著流量增加,對傳感器在2.841 m3/h至130.3 m3/h范圍內(nèi)進行流量實驗。在不同的流量點對輸出電壓V1進行三次測量,獲得流量與平均輸出電壓的關(guān)系曲線如圖11所示。傳感器1的不同流量與輸出電壓關(guān)系為星形點,測量重復(fù)性最大值為0.5%。傳感器2的不同流量與輸出電壓關(guān)系為圓形點,測量重復(fù)性最大值為1%。如圖11可知傳感器9的輸出電壓值略微偏小,與表1的與仿真的仿真數(shù)據(jù)相吻合。

以上對2種不同傳感器的流量實驗表明,傳感器1具有較好的輸出特性和測量重復(fù)性,與仿真結(jié)果一致。因此,以下實驗針對傳感器1進行具體分析。

圖11 大流量與輸出電壓的關(guān)系曲線

運用MATLAB擬合電壓與流量之間的關(guān)系公式[16],得到傳感器1的數(shù)據(jù)模型:

V2=0.183 0qm-0.0185 6

(10)

式(10)和式(11)所示的數(shù)學(xué)模型分別用于測量小流量和大流量。通過擬合數(shù)值和輸出電壓可計算得到最大偏差ΔLmax。由式(12)可計算得到擬合誤差γL。

γL=±(ΔLmax/ym)×100%

(12)

其中ym為最大流量點的電壓。在小流量時擬合誤差為1.42%,而在大流量時為1.40%。由于傳感器1的重復(fù)性最大值γR均為0.5%,由式(13)可以計算得到測量誤差。

由式(13)可得在小流量范圍內(nèi)最大測量誤差為1.50%,在大流量范圍內(nèi)為1.49%,由此可認(rèn)為測量誤差為1.50%。對造成誤差的主要原因有氣體擾流,流場分布和氣體濕度等。另外,傳感器的熱輻射和熱傳導(dǎo)同樣會造成測量誤差。

由實驗可得,傳感器能夠在0.4 m3/h至130 m3/h的范圍內(nèi)測量氣體流量,其重復(fù)性優(yōu)于0.5%,測量誤差為1.5%。

6 結(jié)論

本文采用熱分布型和浸入型相結(jié)合的熱式流量測量方法,設(shè)計了一種大量程氣體流量傳感器。通過FLUENT仿真技術(shù)和權(quán)重法確定最佳傳感器的結(jié)構(gòu)模型,研究傳感元件的溫度特性,提出了氣體介質(zhì)溫度的自動補償方法并設(shè)計流量傳感電路。實驗結(jié)果表明,該傳感器測量量程為0.4 m3/h～130 m3/h,測量誤差優(yōu)于1.5%,擴大了熱式流量傳感器的流量測量范圍。