多探头热式气体流量传感器的设计与仿真

　　引　言

　　热式气体流量传感器是用来测量气体质量流量的一种新型气体流量传感器。与传统的涡轮流量传感器、旋进旋涡流量传感器、差压式流量传感器、涡街流量传感器等相比,热式气体流量传感器具有压损小、精度高、测量范围大、无可动部件以及能够测量极低流速等诸多优点,因而在气体检测领域得到广泛的应用[1, 2]。

　　各种流量计在使用中都需要较长的直管段,而在实际工程应用中,受场地、空间等条件的制约,所需要的直管段长度往往难以满足,从而影响测量精度甚至无法测量。同时,管路中安装的各种管配件如阀门、弯头等使得管道中的流速分布千差万别。通过测取管道中的某一点流速来简单推算管道中的气体流量,准确度显然无法令人满意。

　　本文以组合铂膜探头为基础,提出了一种多探头热式气体流量传感器的结构形式,运用FLUENT软件对不同直管段长度条件下的传感器所在管道内的流场进行数值模拟。同时运用多传感器数据融合方法对每个探头所在测量点的仿真数据进行融合,并与在同样条件下单个传感器结构仿真得到的数据进行对比分析。仿真结果表明:采用多探头热式流量传感器结构的测量精度明显高于单传感器结构,从而为多传感器热式气体流量仪表的研制提供很好的参考依据。

　　1　组合热膜探头测量气体流量原理

　　组合铂膜探头是在同一陶瓷基片上集成2只铂膜电阻器RH和RC,RH作为加热电阻器使用,使探头温度高于被测介质温度,用来补偿介质的温度变化^[3],其结构如图1所示。

　　组合铂膜探头采用流速传递热量的原理来测量气体流量。在不太小的流速中,气体与铂膜探头之间的热量传递以对流换热为主,其热耗散H可表示为^[4]

　　式中　Nu为努赛尔数,λf为被测气体的热导率, l为探头长度,Tw为探头温度,TC为介质温度。为了得到热耗散H与气体流量之间的关系式,引入传热学中的普朗特常数Pr和雷诺数Re。对于热式气体流量计热膜探头的对流换热,Nu和Pr,Re的特征关联式^[5]可表示为

　　式中　C,n为随Re变化的参数。雷诺数Re的表达式为

　　式中　ρ为被测气体密度, u为气体流速,η为气体动力粘度,d为探头特征长度。将式(2)和式(3)代入式(1)可得

　　在一定的雷诺数范围内,普朗特常数Pr与参数C、n可视为常数。令,式(4)可简化为

　　根据热平衡原理,铂膜探头加热电阻通以电流Iw产生的热量I2wRw应当等于流体流动所耗散的热量,即