热式气体质量流量计的仿真和研究

　　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，找到管道内的最佳测量位置，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。

　　二、传感器系统的设计

　　图2反映了传感器探头的布局情况， 为了降低两个铂电阻之间的影响，传感器的两个探头采用交错分布的方式，并且在两个铂电阻之间加上隔热胶，减少因为探头之间的对流换热造成的影响。 可以看到通过MEMS技术能将两根铂电阻丝集成在很小的硅片基体上。 封装后的传感器体积可以做到很小，减小对原有流场的破坏，且具有非常好的热传导性。