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热式气 体质量流量计的设计与计算


热式气体质量流量计的设计与计算,该文设 计开发了一种带分支管和多孔整流器的恒功率型热式气体质量流量计,利用传 感器测量的温度差来反映管道内流体的质量流量。利用CFD仿真技 术对热式气体质量流量计的温度场和流场进行了数值计算。分析结 果显示分流道与主流道的质量流量比与平均流速的线性关系良好,得到的流量计流量-温差特 性曲线的拐点符合理论预期。通过搭 建专门的实验平台对流量计进行实际测试,测试结 果显示所开发的热式气体质量流量计性能稳定可靠。 

随着科技的迅猛发展, 生产技术的不断提高, 对于在 生产过程中各种气体液体的**测量的需求越来越高。在测量 这些气体液体必不可少的工具就是各式各样的流量计[1]。热式气 体质量流量计是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量[2,3,4], 或利用 加热流体时流体温度上升到某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表[5,6,7,8], 可用于**测量各种气体的流量。在基于 不同原理的众多类型流量测试方法中, 采用MEMS芯片温 度传感器测热的热式气体质量流量计因为不需要体积-质量变换、反应敏捷、精度高 而成为新一代气体流量计的代表。
热式气 体流量计设计的成败关键在其流道结构设计, 良好的 流型与流态控制是准确测量气体质量流量的重要前提。本文采 用数值计算的方法辅助进行热式气体流量计的设计开发, 对流量计的结构、尺寸、流体流型流态、分流道 与主流道的质量流量比等进行了计算分析, 并对所 开发的流量计进行了实际测试。
1 热式质 量流量计测量原理
热式质 量流量计的测量原理可以按照测量变量的不同分为恒温差型和恒功率型。恒温差 型测量法是指保持加热电阻与测温电阻之间的温差恒定, 控制和 测量热源的加热功率, 热源功 率随着流体流速的增大而增大。恒功率 型测量法则是指保持热源的功率恒定, 测量测 温元件的温度的变化进而换算出具体流量。本文介 绍的热式质量流量计采用的是恒功率测量法, 测量原理如图1所示。

 图1 测量原理示意图
流量传 感器被放置在靠近管内壁的位置, 其中热 源以恒定功率加热, 测温电阻1和测温电阻2对称分 布在热源上下游。通过测温电阻1和测温电阻2可以测得在这2个位置气体的温差:
在管道 中没有气体通过时, 测量管 中的温度分布如图2中的实线所示, 相对于热源中心的上、下游是对称的;当流体开始流动时, 流体将 上游的部分热量带给下游, 导致温 度分布变化如图2中虚线所示。

 图2 管内温度分布示意图
由电桥 测出两铂电阻的平均温差ΔT, 便可按 下式导出质量流量, 即qm:
式中:A为感温 元件与周围环境热交换的热传导系数;CP为被测 量气体的定压比热容;K为仪表常数。
2 热式流 量计结构与尺寸设计
在CFD计算中, 流体计 算域是指流体流过的部分, 所以需 要将流体区域从流量计的结构设计模型中抽象出来。不包含 流量计实体结构, 只包含 流体区域的计算模型如图3所示。

 图3 计算域三维模型
我们对 同一管径的流量计设计了多种尺寸的模型, 通过对 仿真结果进行分析选择出*佳的结构尺寸。由于分流道结构、整流器 结构和传感器位置设计较为繁琐, 此处不做赘述, 重点对 影响较大的几个宏观尺寸参数如总长、分流道 长度和整流器长度的不同进行分析比较, 设计参数如表1所示。


 表1 流量计尺寸
在这3个设计中, 整体结构都如图4所示, 主流道的直径是都是30 mm, 分流道直径都是4 mm, 整流器结构都如图5所示。在分流道长度的2/3处我们抽象出3个宽度为0.5 mm、1.5 mm、0.5 mm的凹槽, 代表芯片 (传感器) 上3个半导体的位置, 分别是测温电阻1, 发热半 导体以及测温电阻2。

 图4 计算域二维模型

 图5 整流器截面图
为了能 应用于大管径流量测量并且保证管内的气体的层流流动, 采取了分流模式, 并在主 流道加装了多孔整流器。测量出分流道的流量qm后, 通过分 流道与主流道的流量比就可以就算出总流量Qm。
3 流动与传热计算
3.1 网格划分及边界条件
本文采用Workbench中的Meshing进行网格划分。为了保 证计算精度的同时, 不大幅增加计算时间, 我们对 分流管部分的网格进行了加密处理, 并设置了边界层, 如图6所示。

 图6 网格示意图
数值计 算采用稳态求解, 湍流模型采用k-ε双方程模型。表2是计算 中所采用的相关参数和边界条件。

 表2 相关参数和边界条件
3.2 计算结果与分析
3.2.1 流量比
本文设 计的流量计结构的优劣很大一部分取决于分流道和主流道在给定不同流速时的流量比是否稳定。流量比 不稳定就代表分流道流量qm和主流道流量Qm的比值不定, 会直接 造成流量计测量结果不准确。所以流 量比稳定是保证流量计精度的必要条件之一。
每种型 号的流量计分多次给定多个入口平均速度, 然后统 计通过某些截面的流量。本文在 分流道上创建了截面, 就可以 查看通过分流道的质量流量。表3列出了 分流道流量和主流道流量的比值, 图7为流速-流量比关系曲线。

 表3 各尺寸 流量计在不同流速下的流量比


 图7 流速-流量比曲线
从图7中看出尺寸1的流量比不够稳定, 尺寸2和尺寸3相对比较好。综合考 虑尺寸大小及安装问题, 选择尺寸2作为流 量计结构设计参数。
3.2.2 拐点分析
下面对尺寸2流量计 的温度场和流场等进行进一步分析, 结果如图8~图11所示。

 图8 入口平均速度0.2 m/s时速度矢量分布

 图9 入口平均速度0.2 m/s速度云图

 图1 0 入口平均速度0 m/s时温度云图

 图1 1 入口平均速度0.2 m/s温度云图
从图8和图9中可以 清楚看到入口平均速度0.2 m/s时的流 量计内流场的速度分布。
当流体的流速v=0时, 在分流 道处的温度分布应该是以热源为对称轴进行对称分布的。从图10可以看出, 我们设置入口流速为0 m/s, 整体温 度分布情况跟理论预测是一致的。
当进入 主流道的入口初速度为0.2 m/s时, 在分流 道测温位置的温度分布情况如图11所示。发热半导体处温度*高, 沿流动 方向往下形成舌状温度分布。
在流体流量q从零开始增加的时候, 分流道 芯片位置处的两个传感器测得的温差也在随之改变。通过多 次改变进口的速度, 并根据 单元温度和尺寸参数得到两个传感器面上的平均温度, 然后再求出温度差, 从而得 到流速与温度差之间的关系。我们设置了25组不同的流速实验, 速度从0 m/s开始一直到56.64 m/s, 直到温 度差从上升到开始下降出现拐点。具体的 实验数据如下表4和图12所示。


 表4 不同的 流速对应两传感器温度差


 图1 2 流速-温差曲线图
通过表 中和图中的数据我们可以看到在流体的入口流速从0 m/s增加到4.72 m/s时, 此时的 温差增长速率是十分快的。也就意 味着在这个区间内, 流体流 速只需增大一点点, 两个热 传感器的温度差就会有较大幅度的改变。
当流速范围属于4.72 m/s~51.92 m/s左右时, 随着流速的增长, 温差得到缓慢的提升。而且当 流体流速越接近51.92 m/s附近时, 温差增加的越缓慢, 当流速达到51.92 m/s附近时, 温差的 增长也达到了顶峰 (图像的拐点) 。
之所以会出现拐点, 是因为 当流速越来越快的时候, 当流速由小增大时, 流体把 更多的热量带往下游, 下游测 温电阻所测温度提高, 所以两 个测温电阻的温差增大。当流速 增大到一定程度时, 下游测 温电阻所测温度会达到极值。此时如果再增大流速, 由于热 量非常快地被流体带走, 下游所 测温度反而开始下降, 就形成了如图12中所反 映出来的温差拐点。如果流 体的流量超过这个图像的拐点, 可以从图中看出, 温差开 始有下降的趋势。拐点之 后的测试需要一些特殊的数据处理方法。
4 流量计性能测试
流量计做样机后 (如图13所示) , 对其进 行了一系列实验以验证其性能。将标准 流量计和所开发流量计串联 (如图14所示) , 通过给定不同的气压, 用标准 流量计测得流量, 并得到 本文流量计的原始电压数值, 如表5和图15所示。

 图1 3 实物图

 图1 4 测试平台

 表5 不同的 流量对应电压数据表


 图1 5 流量-电压曲线图
由于电路结构, 流量计 会有一个起始电压约为8700 mV。由图15可以看出拐点在2200 L/min, 换算成流速约为50 m/s, 和仿真 的结果非常接近。图中从100 L/min到500 L/min这一段 曲线不够平滑是因为气源轻微波动引起。
5 结语
借助对热式质量流量计的流场 和温度场进行数值计算, 设计出 了结构较佳的热式气体流量计, 极大缩 短了产品开发周期, 降低了研发成本。计算所 得温差拐点和实测拐点吻合良好, 分流道 和主流道的质量流量比稳定在1.04%左右。实际性能测试中, 流量计 的流量和电压关系曲线良好, 且拐点在50 m/s, 测试结 果与标准流量吻合。

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