DOI院10.19557/j.cnki.1001-9944.2019.05.017
热式气体质量流量计的设计与计算黄延禄袁李初阳袁王庆标渊华南理工大学机械与汽车工程学院袁广州510641冤摘要院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袁利用传感器测量的温度差来反映管道内流体的质量流量遥利用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遥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袁得到的流量计流量鄄温差特性曲线的拐点符合理论预期遥通过搭建专门的实验平台对流量计进行实际测试袁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遥关键词院热式质量流量计曰温度场曰流场曰流量比曰拐点中图分类号院TH814
文献标志码院A
文章编号院员园园员鄄怨怨源源渊圆园19冤05鄄园园67鄄园5
DesignandComputationofaThermalGasMassFlowmeterHUANGYan鄄lu袁LIChu鄄yang袁WANGQing鄄biao
渊SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering袁SouthChinaUniversityofTechnology袁Guangzhou510641袁China冤Abstract院Aconstantpowerthermalgasmassflowmetewithbranchtubeandrestrictorwasdesignedanddeveloped.Thetemperaturedifferencemeasuredbythesensorisusedtoreflectthemassflowofthefluidinthepipelineandtemperaturedifferencemeetsthetheoreticalexpectation.Thetestplatformwassetupforthetestoftheflowmeterandthetestresultprovedthatthedevelopedgasmassflowmeterhasstableandreliableperformance.Keywords院thermalgasmassflowmeter曰temperaturefield曰flowfield曰flowratio曰inflectionpointitstemperaturefieldandflowfieldwerenumericallyanalyzedbyCFD.Theresultsshowthattheflowratiobetweenthebranchpipeandthemainpipeislinearwiththemeanflowrate袁andtheobtainedinflectionpointoftheflow鄄随着科技的迅猛发展袁生产技术的不断提高袁对于在生产过程中各种气体液体的精确测量的需求越来越高遥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]遥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体温度上升到某一值所需的能量与流体质量之间
感器测热的热式气体质量流量计因为不需要体积鄄质量变换尧反应敏捷尧精度高而成为新一代气体流量计的代表遥
热式气体流量计设计的成败关键在其流道结构设计袁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遥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袁对流量计的结构尧尺寸尧流体流型流态尧分流道与主流道的质量流量比等进行了计算分析袁并对所开发的流量计进行了实际测试遥
变化来测量流体质量流量[2-4]袁或利用加热流体时流的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表[5-8]袁可用于精确测量各种气体的流量遥在基于不同原理的众多类型流量测试方法中袁采用MEMS芯片温度传
收稿日期院2019-03-06曰修订日期院2019-04-22
作者简介院黄延禄渊1972要冤袁男袁博士袁副教授袁研究方向为激光加工和3D打印尧数学建模与数值计算遥圆园19,34穴5雪
67仪表与自动化装置
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遥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袁控制和测量热源的加热功率袁热源功率随着流体流速的增大而增大遥恒功率型测量法则是指保持热源的功率恒定袁测量测温元件的温度的变化进而换算出具体流量遥本文介绍的热式质量流量计采用的是恒功率测量法袁测量原理如图1所示遥
测温电阻1热源
测温电阻2气流方向
图1测量原理示意图Fig.1Sketchofthemeasuringprinciple流量传感器被放置在靠近管内壁的位置袁其中热源以恒定功率加热袁测温电阻1和测温电阻2对称2可以测得在分布在热源这上下2个游位遥通过测温电阻1和测温电阻在管道中没有气驻体T置=气通T过2-体T的温差院
时1袁测量管中的温度渊1分冤
布如图2中的实线所示袁相对于热源中心的上尧下游是对称的曰当流体开始流动时袁流体将上游的部分热量带给下游袁导致温度分布变化如图2中虚线所示遥
有气体通过时无气体通过时
管道轴向长度/m图2管内温度分布示意图Fig.2Sketchofthetemperaturedistributioninthepipe由电桥测出两铂电阻的平均温差驻T袁便可按下
式导出质量流量袁即qmq院
m=KCA元件与周围P驻T
渊2冤
式中院A为感温环境热交换的热传导系
68数曰CP为被测量气体的定压比热容曰K为仪表常数遥
2热式流量计结构与尺寸设计在CFD计算中袁流体计算域是指流体流过的部分袁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遥不包含流量计实体结构袁只包含流体区域的计算模型如图3所示遥
图3计算域三维模型Fig.3Three鄄dimensionalmodelofcomputationaldomain我们对同一管径的流量计设计了多种尺寸的
模型袁通过对仿真结果进行分析选择出最佳的结构尺寸遥由于分流道结构尧整流器结构和传感器位置设计较为繁琐袁此处不做赘述袁重点对影响较大的几个宏观尺寸参数如总长尧分流道长度和整流器长度的不同进行分析比较袁设计参数如表1所示遥
表1流量计尺寸Tab.1Sizeofflowmeter尺寸设计123总长/渊mm冤100130160分流道长度/渊mm冤7090110整流器长度/渊mm冤
40
50
60
在这3个设计中袁整体结构都如图4所示袁主流道的直径是都是30mm袁分流道直径都是4mm袁整流器结构都如图5所示遥在分流道长度的2/3处我们抽象出3个宽度为0.5mm尧1.5mm尧0.5mm的凹槽袁代表芯片渊传感器冤上3个半导体的位置袁分别是测温电阻1袁发热半导体以及测温电阻2遥
q分流道
传感器
皂
匝皂
主流道整流器
图4计算域二维模型Fig.4Two鄄dimensionalmodelofcomputationaldomain粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶驭陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶
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覫5覫30图5整流器截面图Fig.5Sectionalviewoftheflowrectifier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袁采取了分流模式袁并在主流道加装了多孔整流器遥测量出分流道的流量q分流道与主流道的流量比就可以就算出总m后袁通过流量Qm遥
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
分遥为了保证计算精度的同时袁不大幅增加计算时间袁我们对分流管部分的网格进行了加密处理袁并设置了边界层袁如图6所示遥
图6网格示意图Fig.6Sketchofthemesh数值计算采用稳态求解袁湍流模型采用k鄄着双方程模型遥表2是计算中所采用的相关参数和边界条件遥
表2相关参数和边界条件Tab.2Relatedparametersandboundaryconditionsofthesimulation参数
值密度1.225kg窑m-3粘度1.789伊10-5入口速度入口Pa窑s出口压力出口环境温度300K热源
热流密度104W窑m-2
3.23.2.1
计算结果与分析本流文量设比
计的流量计结构的优劣很大一部分取
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仪表与自动化装置
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遥流量比不稳定就代表分流道流量qm和主
流道流量Qm的比值不定袁会直接造成流量计测量结果不准确遥所以流量比稳定是保证流量计精度的必要条件之一遥
每种型号的流量计分多次给定多个入口平均
速度袁然后统计通过某些截面的流量遥本文在分流道上创建了截面袁就可以查看通过分流道的质量流量遥表3列出了分流道流量和主流道流量的比值袁图7为流速鄄流量比关系曲线遥
表3各尺寸流量计在不同流速下的流量比Tab.3Flowratioofflowmetersofdifferentsizesunderdifferentflowrates流速/渊m窑s-1尺寸2冤
0.01216140.011280.0106620.0098530.010461280.009120.011160.010230.009350.010410.010120.010870.0140.0100.0120.0080.0060.004尺寸员尺寸圆0.002尺寸猿
024流速/渊m窑s-1
冤812图7流速鄄流量比曲线Fig.7Graphofvelocity鄄flowratio2和尺从图寸37相中对看比较出尺好寸遥1综的合流考虑量比尺不够稳定寸大小及安袁尺装寸
问题3.2.2
袁选下拐择面点分尺寸对尺析
2作为流量计结构设计参数遥寸2流量计的温度场和流场等进行
进一步分析袁结果如图8耀图11所示遥
图8入口平均速度0.2m/s时速度矢量分布Fig.8Velocityvectorofmeanflowrate0.2m/s69仪表与自动化装置
图9入口平均速度0.2m/s速度云图Fig.9Velocitycontourofmeanflowrate0.2m/s图10入口平均速度0m/s时温度云图Fig.10Temperaturecontourofmeanflowrate0m/s图11入口平均速度0.2m/s温度云图Fig.11Temperaturecontourofmeanflowrate0.2m/s0.2m/s从图时的8流和量图计9内中流可以场的清速楚度看流体的流速v=0时袁在分流分布到入道处遥
口平均速度
当的温度分布
应该是以热源为对称轴进行对称分布的遥从图10可以看出袁我们设置入口流速为0m/s袁整体温度分布情况跟理论预测是一致的遥
当进入主流道的入口初速度为0.2m/s时袁在分流道测温位置的温度分布情况如图11所示遥发热半导体处温度最高袁沿流动方向往下形成舌状温度分布遥
在流体流量q从零开始增加的时候袁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遥通过多次改变进口的速度袁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袁然后再求出温度差袁从而得到流速与温度差之间的关系遥我们
70设置了25组不同的流速实验袁速度从0m/s开始一直到56.64m/s袁直到温度差从上升到开始下降出现拐点遥具体的实验数据如下表4和图12所示遥
表4不同的流速对应两传感器温度差Tab.4Differentflowratescorrespondtothetemperaturedifferencebetweenthetwosensors流速/渊m窑s-1冤驻T/流速2.36030.68/渊m窑s-1冤驻4.7219.11120渊K冤33.0481.1420T/渊K冤7.0830.006535.483.04029.4438.040637.7685.082511.844.562240.1286.789114.1651.463442.4888.384516.5257.855844.8489.803191.262318.8862.846821.2466.839170.228349.5647.293.602592.55225.9623.673.199651.9294.598328.3276.217954.2894.278.679956.6493
100908070605040302010001020流速/30渊m窑s-1
冤405060图12流速鄄温差曲线图Fig.12Graphofvelocity鄄temperaturedifference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0m/s增加到4.72m/s时袁此时的温差增长速率是十分快的遥也就意味着在这个区间内袁流体流速只需增大一点点袁两个热传感器的温度差就会有较大幅度的改变遥
当流速范围属于4.72m/s耀51.92m/s左右时袁随着流速的增长袁温差得到缓慢的提升遥而且当流体流速越接近51.92m/s附近时袁温差增加的越缓慢袁当流速达到51.92m/s附近时袁温差的增长也达到了顶峰渊图像的拐点冤遥
之所以会出现拐点袁是因为当流速越来越快的时候袁当流速由小增大时袁流体把更多的热量带往下游袁下游测温电阻所测温度提高袁所以两个测温电阻的温差增大遥当流速增大到一定程度时袁下游测温电阻所测温度会达到极值遥此时如果再增大流速袁由于热量非常快地被流体带走袁下游所测温度反而开始下降袁就形成了如图12中所反映出来的
粤怎贼燥皂葬贼蚤燥灶驭陨灶泽贼则怎皂藻灶贼葬贼蚤燥灶
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温差拐点遥如果流体的流量超过这个图像的拐点袁可以从图中看出袁温差开始有下降的趋势遥拐点之后的测试需要一些特殊的数据处理方法遥
4流量计性能测试流量计做样机后渊如图13所示冤袁对其进行了
一系列实验以验证其性能遥将标准流量计和所开发流量计串联渊如图14所示冤袁通过给定不同的气压袁用标准流量计测得流量袁并得到本文流量计的原始电压数值袁如表5和图15所示遥
图13实物图Fig.13Pictureofrealproducts本文开发的流量计标准流量计图14测试平台Fig.14Testtable表5不同的流量对应电压数据表Tab.5Voltagecorrespondingtotheflow流量/渊L窑min-1冤电压/渊mV冤流量/渊L窑min-1冤电100.008350199.7412118555.61178725.91011300.06241399.655049071.0208压/渊mV冤50020.1176299.87034399.9780026520.303022003.251499.295151041.2857499.8525430281.10291600.396851894.5777599.8545133231.72461699.945452692.297853401.5576699.8592837427.94521800.2154800.1608339923.40901900.378654131.1739899.9483441919.59372000.30971000.190343614.15872099.994255301.2985547761099.995645099.84612200.090655799.16661200.255346608.98482300.063955554.018847839.98552399.940155055.4154
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仪表与自动化装置
600005000040000300002000010000005001000流量/1500渊L窑min-12000冤25003000图15流量鄄电压曲线图Fig.15Graphofflow鄄voltage成8700由流速mV于约遥电为由路图结5015构m/s可以袁流袁和仿真看量出计会有一的结拐点果在个非2200起始电常接L/min压近遥图袁中换约从算
为
气100源L/min轻微波到动500引起L/min遥
这一段曲线不够平滑是因为
5结语借助对热式质量流量计的流场和温度场进行
数值计算袁设计出了结构较佳的热式气体流量计袁极大缩短了产品开发周期袁降低了研发成本遥计算所得温差拐点和实测拐点吻合良好袁分流道和主流道的质量流量比稳定在1.04%左右遥实际性能测试中50袁m/s流量袁测计的试结流果量与和标电准流压关量系吻曲合线遥
良好袁且拐点在参考文献院
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