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熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的仿真研究
閱讀：1875發(fā)布時(shí)間：2018-5-7
傳統(tǒng)的天然氣流量計(jì)主要采用容積計(jì)量，容易受天然氣壓力和溫度的影響，而且不能反映天然氣的成分變化(質(zhì)量變化)。 另外，現(xiàn)有計(jì)量?jī)x表不能很好地計(jì)量出較小的流量， 對(duì)較大的流量又存在飽和等問題，嚴(yán)重影響了計(jì)量的準(zhǔn)確性。 本文介紹一種根據(jù)傳熱原理，基于mems技術(shù)的傳感器系統(tǒng)。 利用mems技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)體積小、測(cè)量準(zhǔn)確度高、誤差小，可以測(cè)量管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量。 通過fluent仿真技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，通過對(duì)傳感器不同插入位置的仿真，找到管道內(nèi)的*測(cè)量位置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性， 提高傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度。
一、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)原理
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理多種多樣，本文介紹的是一種采用熱擴(kuò)散原理，基于金氏定律，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)，設(shè)計(jì)出的新型的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。 其工作原理如圖1所示。
它有兩個(gè)分別置于氣流中的鉑電阻溫度傳感器探頭s1和s2，其中探頭s1測(cè)氣體氣流溫度tf，另一探頭s2置于恒熱源旁邊，檢測(cè)被氣體帶走熱量后的溫度tw。當(dāng)氣體流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，探頭與周圍介質(zhì)處于近似熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)熱平衡方程為
式中：h———電流對(duì)熱探頭s2的加熱值;q1———熱探頭與流體間的對(duì)流換熱;q2———熱探頭向測(cè)量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱量;q3———熱探頭向周圍輻射的熱量。
利用傳熱學(xué)理論，結(jié)合熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作的場(chǎng)合，對(duì)于實(shí)際熱交換過程，對(duì)流換熱q1是整個(gè)熱交換過程的關(guān)鍵，在誤差允許的范圍內(nèi)，導(dǎo)熱量q2和輻射熱量q3均可忽略不計(jì)。 則式(1)可簡(jiǎn)化為
基于金式定律，達(dá)到熱平衡時(shí)，對(duì)流引起的熱耗散為q可以用式(3)表示：
式中：l和d———熱電阻絲的長(zhǎng)度和直徑;ρ、cp、v、k———氣流的密度、定壓比熱、流速和導(dǎo)熱系數(shù)。
式(3)可改寫為
對(duì)于一定的流量計(jì)和一定的被測(cè)介質(zhì)，a、b均為常數(shù)。
熱電阻絲單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為
保持(tw-tf)不變，r為常數(shù) ，則電流i就是計(jì)算質(zhì)量流量的參數(shù)， 電流i的平方i2與質(zhì)量流量的平方根成正比， 電流i又可以通過輸出的加熱電壓u得到。 因此，保持溫度差不變，通過測(cè)量電壓u便可得到氣體的質(zhì)量流量。
一、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)原理
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理多種多樣，本文介紹的是一種采用熱擴(kuò)散原理，基于金氏定律，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)，設(shè)計(jì)出的新型的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。 其工作原理如圖1所示。
它有兩個(gè)分別置于氣流中的鉑電阻溫度傳感器探頭s1和s2，其中探頭s1測(cè)氣體氣流溫度tf，另一探頭s2置于恒熱源旁邊，檢測(cè)被氣體帶走熱量后的溫度tw。當(dāng)氣體流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，探頭與周圍介質(zhì)處于近似熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)熱平衡方程為
式中：h———電流對(duì)熱探頭s2的加熱值;q1———熱探頭與流體間的對(duì)流換熱;q2———熱探頭向測(cè)量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱量;q3———熱探頭向周圍輻射的熱量。
利用傳熱學(xué)理論，結(jié)合熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作的場(chǎng)合，對(duì)于實(shí)際熱交換過程，對(duì)流換熱q1是整個(gè)熱交換過程的關(guān)鍵，在誤差允許的范圍內(nèi)，導(dǎo)熱量q2和輻射熱量q3均可忽略不計(jì)。 則式(1)可簡(jiǎn)化為
基于金式定律，達(dá)到熱平衡時(shí)，對(duì)流引起的熱耗散為q可以用式(3)表示：
式中：l和d———熱電阻絲的長(zhǎng)度和直徑;ρ、cp、v、k———氣流的密度、定壓比熱、流速和導(dǎo)熱系數(shù)。
式(3)可改寫為
對(duì)于一定的流量計(jì)和一定的被測(cè)介質(zhì)，a、b均為常數(shù)。
熱電阻絲單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為
保持(tw-tf)不變，r為常數(shù) ，則電流i就是計(jì)算質(zhì)量流量的參數(shù)， 電流i的平方i2與質(zhì)量流量的平方根成正比， 電流i又可以通過輸出的加熱電壓u得到。 因此，保持溫度差不變，通過測(cè)量電壓u便可得到氣體的質(zhì)量流量。
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