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熱式氣體質(zhì)量流量計的仿真研究
閱讀：2121發(fā)布時間：2018-5-7
傳統(tǒng)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(zhì)量變化),。 另外,，現(xiàn)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(yán)重影響了計量的準(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)計的傳感器系統(tǒng)體積小,、測量準(zhǔn)確度高、誤差小,，可以測量管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量,。 通過fluent仿真技術(shù)對流場進(jìn)行仿真，通過對傳感器不同插入位置的仿真,，找到管道內(nèi)的*測量位置,，并通過實驗驗證仿真結(jié)果，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,， 提高傳感器的測量準(zhǔn)確度,。
一、熱式氣體質(zhì)量流量計設(shè)計原理
熱式氣體質(zhì)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(kuò)散原理,，基于金氏定律，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù),，設(shè)計出的新型的熱式氣體質(zhì)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(dāng)氣體流態(tài)穩(wěn)定時,，探頭與周圍介質(zhì)處于近似熱平衡狀態(tài),，此時的系統(tǒng)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(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(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。 則式(1)可簡化為
基于金式定律,，達(dá)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(dǎo)熱系數(shù),。
式(3)可改寫為
對于一定的流量計和一定的被測介質(zhì)，a,、b均為常數(shù),。
熱電阻絲單位時間內(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)量流量計設(shè)計原理
熱式氣體質(zhì)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(kuò)散原理,，基于金氏定律，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù),，設(shè)計出的新型的熱式氣體質(zhì)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(dāng)氣體流態(tài)穩(wěn)定時,，探頭與周圍介質(zhì)處于近似熱平衡狀態(tài),，此時的系統(tǒng)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(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(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。 則式(1)可簡化為
基于金式定律,，達(dá)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(dǎo)熱系數(shù),。
式(3)可改寫為
對于一定的流量計和一定的被測介質(zhì)，a,、b均為常數(shù),。
熱電阻絲單位時間內(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，通過測量電壓u便可得到氣體的質(zhì)量流量,。
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