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热式气体质量流量计的仿真研究

 发布时间:2018-08-20
传统的天然气流量计主要采用容积计量,容易受天然气压力和温度的影响,而且不能反映天然气的成分变化(质量变化)。 另外,现有计量仪表不能很好地计量出较小的流量, 对较大的流量又存在饱和等问题,严重影响了计量的准确性。 本文介绍一种根据传热原理,基于mems技术的传感器系统。 利用mems技术设计的传感器系统体积小、测量准确度高、误差小,可以精确测量管道内气体的质量流量。 通过fluent仿真技术对流场进行仿真,通过对传感器不同插入位置的仿真,找到管道内的zui佳测量位置,并通过实验验证仿真结果,保证仿真结果的准确性, 提高传感器的测量准确度。
一、热式气体质量流量计设计原理
热式气体质量流量计的测量原理多种多样,本文介绍的是一种采用热扩散原理,基于金氏定律,结合现代微电子技术,设计出的新型的热式气体质量流量计。 其工作原理如图1所示。
 
它有两个分别置于气流中的铂电阻温度传感器探头s1和s2,其中探头s1测气体气流温度tf,另一探头s2置于恒热源旁边,检测被气体带走热量后的温度tw。当气体流态稳定时,探头与周围介质处于近似热平衡状态,此时的系统热平衡方程为
 
式中:h———电流对热探头s2的加热值;q1———热探头与流体间的对流换热;q2———热探头向测量杆构架的导热量;q3———热探头向周围辐射的热量。
利用传热学理论,结合热式气体质量流量计工作的场合,对于实际热交换过程,对流换热q1是整个热交换过程的关键,在误差允许的范围内,导热量q2和辐射热量q3均可忽略不计。 则式(1)可简化为
 
基于金式定律,达到热平衡时,对流引起的热耗散为q可以用式(3)表示:
 
式中:l和d———热电阻丝的长度和直径;ρ、cp、v、k———气流的密度、定压比热、流速和导热系数。
式(3)可改写为
 
对于一定的流量计和一定的被测介质,a、b均为常数。
热电阻丝单位时间内产生的焦耳热为
 
保持(tw-tf)不变,r为常数 ,则电流i就是计算质量流量的参数, 电流i的平方i2与质量流量的平方根成正比, 电流i又可以通过输出的加热电压u得到。 因此,保持温度差不变,通过测量电压u便可得到气体的质量流量。 

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