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      熱式氣體質量流量計的仿真研究

       發布時間:2018-08-20
      傳統的天然氣流量計主要采用容積計量,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(質量變化)。 另外,現有計量儀表不能很好地計量出較小的流量, 對較大的流量又存在飽和等問題,嚴重影響了計量的準確性。 本文介紹一種根據傳熱原理,基于mems技術的傳感器系統。 利用mems技術設計的傳感器系統體積小、測量準確度高、誤差小,可以精確測量管道內氣體的質量流量。 通過fluent仿真技術對流場進行仿真,通過對傳感器不同插入位置的仿真,找到管道內的zui佳測量位置,并通過實驗驗證仿真結果,保證仿真結果的準確性, 提高傳感器的測量準確度。
      一、熱式氣體質量流量計設計原理
      熱式氣體質量流量計的測量原理多種多樣,本文介紹的是一種采用熱擴散原理,基于金氏定律,結合現代微電子技術,設計出的新型的熱式氣體質量流量計。 其工作原理如圖1所示。
       
      它有兩個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測氣體氣流溫度tf,另一探頭s2置于恒熱源旁邊,檢測被氣體帶走熱量后的溫度tw。當氣體流態穩定時,探頭與周圍介質處于近似熱平衡狀態,此時的系統熱平衡方程為
       
      式中:h———電流對熱探頭s2的加熱值;q1———熱探頭與流體間的對流換熱;q2———熱探頭向測量桿構架的導熱量;q3———熱探頭向周圍輻射的熱量。
      利用傳熱學理論,結合熱式氣體質量流量計工作的場合,對于實際熱交換過程,對流換熱q1是整個熱交換過程的關鍵,在誤差允許的范圍內,導熱量q2和輻射熱量q3均可忽略不計。 則式(1)可簡化為
       
      基于金式定律,達到熱平衡時,對流引起的熱耗散為q可以用式(3)表示:
       
      式中:l和d———熱電阻絲的長度和直徑;ρ、cp、v、k———氣流的密度、定壓比熱、流速和導熱系數。
      式(3)可改寫為
       
      對于一定的流量計和一定的被測介質,a、b均為常數。
      熱電阻絲單位時間內產生的焦耳熱為
       
      保持(tw-tf)不變,r為常數 ,則電流i就是計算質量流量的參數, 電流i的平方i2與質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,通過測量電壓u便可得到氣體的質量流量。 

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