空氣流量測試流量計(jì)

質(zhì)量流量控制器傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微小流量測量，其特點(diǎn)是可靠性高、重復(fù)性好，壓損小，無可動(dòng)部件，量程比寬，響應(yīng)時(shí)間較快，測量精度高，無需要溫度壓力補(bǔ)償，廣泛應(yīng)用于輕工化工環(huán)保及半導(dǎo)體等工業(yè)部門的空氣、氧氣、氬氣、氮?dú)獾葰怏w的檢測和控制。

工作原理：

感熱式芯片技術(shù)是采用大規(guī)模集成電阻的工作，在芯片上，一個(gè)微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的*工藝制作的鏤空橋面上，采用這這樣的橋式方式制作有利于熱傳導(dǎo)，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大大提高，當(dāng)傳感器工作時(shí)，微熱源與環(huán)境溫度之間保持一定的溫差（通常是70℃），在芯片周圍形成固定的溫度場分布，如果氣體是單向流動(dòng)，則在氣道中溫度場可用下述公式來計(jì)算:

式中：氣體流動(dòng)方向?yàn)椋俣葹椋?，ａ為擴(kuò)散率。如上圖（式）所示，當(dāng)氣體流過芯片時(shí)，將會(huì)帶走熱量，通過質(zhì)量流量qm和電壓V的對(duì)應(yīng)關(guān)系來計(jì)算流體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

·產(chǎn)品集成度高，集瞬間流量顯示、累計(jì)流量顯示和信號(hào)輸出一體，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制閥門

·微流量感熱式傳感器采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)和材料加工技術(shù)，使流量計(jì)的微流量測量靈敏度顯著提升

·微小流量氣體測量，ml/min級(jí)的微流量測控，實(shí)現(xiàn)微小流量測量的數(shù)字化

·單個(gè)芯片的流量特性的微處理技術(shù)，使流量計(jì)的量程范圍大大提高

·機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使流量計(jì)具有更好的重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量的準(zhǔn)確、可靠

·結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，流量計(jì)的壓力損失達(dá)到*小化

·新的傳感技術(shù)，使流量計(jì)工作更穩(wěn)定、可靠

·零點(diǎn)自校功能，測量更準(zhǔn)確

·多種氣體實(shí)際標(biāo)定，全量程補(bǔ)償

·快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，配合上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中管理

·規(guī)格齊全，量程范圍寬，可根據(jù)用戶要求單獨(dú)標(biāo)定

·精度等級(jí)高，滿足用戶高精度測量要求

·的流量計(jì)報(bào)警功能，使監(jiān)控更可靠

·操作、設(shè)置界面友好、簡便，可根據(jù)需要自行設(shè)定相關(guān)參數(shù)

·運(yùn)用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)、玻璃鍍膜、石油化工行業(yè)微小氣體流量控制產(chǎn)品升級(jí)換代的優(yōu)選

技術(shù)參數(shù)：

·測量介質(zhì)：各種氣體（乙炔氣和混合氣體除外）

·測量管徑：DN3，6，8，10

·流量范圍：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100SLPM

·流量測量準(zhǔn)確度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作溫度范圍：-25℃-55℃

·工作壓力范圍：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供電電源：24VDC±10%；

·輸出信號(hào)：4-20mA，RS485通訊；

·環(huán)境溫度：-25℃-55℃

·顯示位數(shù)：瞬時(shí)流量為三位，累積流量10位。

外觀尺寸：

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算：

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，該文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種帶分支管和多孔整流器的恒功率型熱式氣體質(zhì)量流量計(jì),利用傳感器測量的溫度差來反映管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量。利用CFD仿真技術(shù)對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的溫度場和流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。分析結(jié)果顯示分流道與主流道的質(zhì)量流量比與平均流速的線性關(guān)系良好,得到的流量計(jì)流量-溫差特性曲線的拐點(diǎn)符合理論預(yù)期。通過搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)際測試,測試結(jié)果顯示所開發(fā)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)性能穩(wěn)定可靠。

隨著科技的迅猛發(fā)展, 生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高, 對(duì)于在生產(chǎn)過程中各種氣體液體的**測量的需求越來越高。在測量這些氣體液體的工具就是各式各樣的流量計(jì)。華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是利用流體流過外熱源加熱的管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場變化來測量流體質(zhì)量流量, 或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升到某一值所需的能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量的一種流量儀表,可用于**測量各種氣體的流量。在基于不同原理的眾多類型流量測試方法中, 采用MEMS芯片溫度傳感器測熱的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)因?yàn)椴恍枰w積-質(zhì)量變換、反應(yīng)敏捷、精度高而成為新一代氣體流量計(jì)的代表。

熱式氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)的成敗關(guān)鍵在其流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 良好的流型與流態(tài)控制是準(zhǔn)確測量氣體質(zhì)量流量的重要前提。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法輔助進(jìn)行熱式氣體流量計(jì)的設(shè)計(jì)開發(fā), 對(duì)流量計(jì)的結(jié)構(gòu)、尺寸、流體流型流態(tài)、分流道與主流道的質(zhì)量流量比等進(jìn)行了計(jì)算分析, 并對(duì)所開發(fā)的流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)際測試。
1 熱式質(zhì)量流量計(jì)測量原理
HLMFM06熱式質(zhì)量流量計(jì)的測量原理可以按照測量變量的不同分為恒溫差型和恒功率型。恒溫差型測量法是指保持加熱電阻與測溫電阻之間的溫差恒定, 控制和測量熱源的加熱功率, 熱源功率隨著流體流速的增大而增大。恒功率型測量法則是指保持熱源的功率恒定, 測量測溫元件的溫度的變化進(jìn)而換算出具體流量。本文介紹的熱式質(zhì)量流量計(jì)采用的是恒功率測量法, 測量原理如圖1所示。
圖1 測量原理示意圖
流量傳感器被放置在靠近管內(nèi)壁的位置, 其中熱源以恒定功率加熱, 測溫電阻1和測溫電阻2對(duì)稱分布在熱源上下游。通過測溫電阻1和測溫電阻2可以測得在這2個(gè)位置氣體的溫差:
在管道中沒有氣體通過時(shí), 測量管中的溫度分布如圖2中的實(shí)線所示, 相對(duì)于熱源中心的上、下游是對(duì)稱的;當(dāng)流體開始流動(dòng)時(shí), 流體將上游的部分熱量帶給下游, 導(dǎo)致溫度分布變化如圖2中虛線所示。
由電橋測出兩鉑電阻的平均溫差ΔT, 便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量, 即qm:
式中:A為感溫元件與周圍環(huán)境熱交換的熱傳導(dǎo)系數(shù);CP為被測量氣體的定壓比熱容;K為儀表常數(shù)。
2 華陸品牌熱式流量計(jì)結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計(jì)
在CFD計(jì)算中, 流體計(jì)算域是指流體流過的部分, 所以需要將流體區(qū)域從流量計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型中抽象出來。不包含流量計(jì)實(shí)體結(jié)構(gòu), 只包含流體區(qū)域的計(jì)算模型如圖3所示。
我們對(duì)同一管徑的流量計(jì)設(shè)計(jì)了多種尺寸的模型, 通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析選擇出*佳的結(jié)構(gòu)尺寸。由于分流道結(jié)構(gòu)、整流器結(jié)構(gòu)和傳感器位置設(shè)計(jì)較為繁瑣, 此處不做贅述, 重點(diǎn)對(duì)影響較大的幾個(gè)宏觀尺寸參數(shù)如總長、分流道長度和整流器長度的不同進(jìn)行分析比較, 設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

在這3個(gè)設(shè)計(jì)中, 整體結(jié)構(gòu)都如圖4所示, 主流道的直徑是都是30 mm, 分流道直徑都是4 mm, 整流器結(jié)構(gòu)都如圖5所示。在分流道長度的2/3處我們抽象出3個(gè)寬度為0.5 mm、1.5 mm、0.5 mm的凹槽, 代表芯片 (傳感器) 上3個(gè)半導(dǎo)體的位置, 分別是測溫電阻1, 發(fā)熱半導(dǎo)體以及測溫電阻2。
為了能應(yīng)用于大管徑流量測量并且保證管內(nèi)的氣體的層流流動(dòng), 采取了分流模式, 并在主流道加裝了多孔整流器。測量出分流道的流量qm后, 通過分流道與主流道的流量比就可以就算出總流量Qm。
3 流動(dòng)與傳熱計(jì)算
3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件
本文采用Workbench中的Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了保證計(jì)算精度的同時(shí), 不大幅增加計(jì)算時(shí)間, 我們對(duì)分流管部分的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理, 并設(shè)置了邊界層, 如圖6所示。
數(shù)值計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)求解, 湍流模型采用k-ε雙方程模型。表2是計(jì)算中所采用的相關(guān)參數(shù)和邊界條件。
3.2 計(jì)算結(jié)果與分析
3.2.1 流量比
本文設(shè)計(jì)的流量計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣很大一部分取決于分流道和主流道在給定不同流速時(shí)的流量比是否穩(wěn)定。流量比不穩(wěn)定就代表分流道流量qm和主流道流量Qm的比值不定, 會(huì)直接造成華陸品牌流量計(jì)測量結(jié)果不準(zhǔn)確。所以流量比穩(wěn)定是保證HLMFM06流量計(jì)精度的必要條件之一。
每種型號(hào)的流量計(jì)分多次給定多個(gè)入口平均速度, 然后統(tǒng)計(jì)通過某些截面的流量。本文在分流道上創(chuàng)建了截面, 就可以查看通過分流道的質(zhì)量流量。表3列出了分流道流量和主流道流量的比值, 圖7為流速-流量比關(guān)系曲線。

從圖7中看出尺寸1的流量比不夠穩(wěn)定, 尺寸2和尺寸3相對(duì)比較好。綜合考慮尺寸大小及安裝問題, 選擇尺寸2作為流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。
3.2.2 拐點(diǎn)分析
下面對(duì)尺寸2流量計(jì)的溫度場和流場等進(jìn)行進(jìn)一步分析, 結(jié)果如圖8～圖11所示。
從圖8和圖9中可以清楚看到入口平均速度0.2 m/s時(shí)的流量計(jì)內(nèi)流場的速度分布。
當(dāng)流體的流速v=0時(shí), 在分流道處的溫度分布應(yīng)該是以熱源為對(duì)稱軸進(jìn)行對(duì)稱分布的。從圖10可以看出, 我們?cè)O(shè)置入口流速為0 m/s, 整體溫度分布情況跟理論預(yù)測是一致的。
當(dāng)進(jìn)入主流道的入口初速度為0.2 m/s時(shí), 在分流道測溫位置的溫度分布情況如圖11所示。發(fā)熱半導(dǎo)體處溫度*高, 沿流動(dòng)方向往下形成舌狀溫度分布。
在流體流量q從零開始增加的時(shí)候, 分流道芯片位置處的兩個(gè)傳感器測得的溫差也在隨之改變。通過多次改變進(jìn)口的速度, 并根據(jù)單元溫度和尺寸參數(shù)得到兩個(gè)傳感器面上的平均溫度, 然后再求出溫度差, 從而得到流速與溫度差之間的關(guān)系。我們?cè)O(shè)置了25組不同的流速實(shí)驗(yàn), 速度從0 m/s開始一直到56.64 m/s, 直到溫度差從上升到開始下降出現(xiàn)拐點(diǎn)。具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表4和圖12所示。

通過表中和圖中的數(shù)據(jù)我們可以看到在流體的入口流速從0 m/s增加到4.72 m/s時(shí), 此時(shí)的溫差增長速率是十分快的。也就意味著在這個(gè)區(qū)間內(nèi), 流體流速只需增大一點(diǎn)點(diǎn), 兩個(gè)熱傳感器的溫度差就會(huì)有較大幅度的改變。
當(dāng)流速范圍屬于4.72 m/s～51.92 m/s左右時(shí), 隨著流速的增長, 溫差得到緩慢的提升。而且當(dāng)流體流速越接近51.92 m/s附近時(shí), 溫差增加的越緩慢, 當(dāng)流速達(dá)到51.92 m/s附近時(shí), 溫差的增長也達(dá)到了 (圖像的拐點(diǎn)) 。
之所以會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn), 是因?yàn)楫?dāng)流速越來越快的時(shí)候, 當(dāng)流速由小增大時(shí), 流體把更多的熱量帶往下游, 下游測溫電阻所測溫度提高, 所以兩個(gè)測溫電阻的溫差增大。當(dāng)流速增大到一定程度時(shí), 下游測溫電阻所測溫度會(huì)達(dá)到極值。此時(shí)如果再增大流速, 由于熱量非?？斓乇涣黧w帶走, 下游所測溫度反而開始下降, 就形成了如圖12中所反映出來的溫差拐點(diǎn)。如果流體的流量超過這個(gè)圖像的拐點(diǎn), 可以從圖中看出, 溫差開始有下降的趨勢。拐點(diǎn)之后的測試需要一些特殊的數(shù)據(jù)處理方法。
4 流量計(jì)性能測試
流量計(jì)做樣機(jī)后 (如圖13所示) , 對(duì)其進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其性能。將標(biāo)準(zhǔn)HLMFM06流量計(jì)和所開發(fā)流量計(jì)串聯(lián) (如圖14所示) , 通過給定不同的氣壓, 用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測得流量, 并得到本文流量計(jì)的原始電壓數(shù)值, 如表5和圖15所示。

由于電路結(jié)構(gòu), 流量計(jì)會(huì)有一個(gè)起始電壓約為8700 mV。由圖15可以看出拐點(diǎn)在2200 L/min, 換算成流速約為50 m/s, 和仿真的結(jié)果非常接近。圖中從100 L/min到500 L/min這一段曲線不夠平滑是因?yàn)闅庠摧p微波動(dòng)引起。
5 結(jié)語
借助對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的流場和溫度場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)較佳的熱式氣體流量計(jì), 極大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期, 降低了研發(fā)成本。計(jì)算所得溫差拐點(diǎn)和實(shí)測拐點(diǎn)吻合良好, 分流道和主流道的質(zhì)量流量比穩(wěn)定在1.04%左右。實(shí)際性能測試中, 流量計(jì)的流量和電壓關(guān)系曲線良好, 且拐點(diǎn)在50 m/s, 測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)流量吻合。