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熱式氣體質量流量計的仿真研究
閱讀：2251 發布時間：2018-5-7
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*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。
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。