摘 要：傳統(tǒng)的天然氣流量計(jì)主要采用容積計(jì)量，容易受天然氣壓力和溫度的影響，而且不能反映天然氣的成分變化（質(zhì)量變化）。另外，現(xiàn)有計(jì)量儀表不能很好地計(jì)量出較小的流量，對(duì)較大的流量又存在飽和等問題，嚴(yán)重影響了計(jì)量的準(zhǔn)確性。本文介紹一種根據(jù)傳熱原理，基于MEMS技術(shù)的傳感器系統(tǒng)。利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)體積小、測量準(zhǔn)確度高、誤差小，可以精確測量管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量。通過FLUENT仿真技術(shù)對(duì)流場進(jìn)行仿真，通過對(duì)傳感器不同插入位置的仿真，找到管道內(nèi)的最佳測量位置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高傳感器的測量準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵字：

    傳統(tǒng)的天然氣流量計(jì)主要采用容積計(jì)量，容易受天然氣壓力和溫度的影響，而且不能反映天然氣的成分變化（質(zhì)量變化）。另外，現(xiàn)有計(jì)量儀表不能很好地計(jì)量出較小的流量，對(duì)較大的流量又存在飽和等問題，嚴(yán)重影響了計(jì)量的準(zhǔn)確性。本文介紹一種根據(jù)傳熱原理，基于MEMS技術(shù)的傳感器系統(tǒng)。利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)體積小、測量準(zhǔn)確度高、誤差小，可以精確測量管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量。通過FLUENT仿真技術(shù)對(duì)流場進(jìn)行仿真，通過對(duì)傳感器不同插入位置的仿真，找到管道內(nèi)的最佳測量位置，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高傳感器的測量準(zhǔn)確度。

    一、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)原理

    熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量原理多種多樣，本文介紹的是一種采用熱擴(kuò)散原理，基于金氏定律，結(jié)合現(xiàn)代微電子技術(shù)，設(shè)計(jì)出的新型的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。其工作原理如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

    它有兩個(gè)分別置于氣流中的鉑電阻溫度傳感器探頭S₁和S₂，其中探頭S₁測氣體氣流溫度T_f，另一探頭S₂置于恒熱源旁邊，檢測被氣體帶走熱量后的溫度T_w。當(dāng)氣體流態(tài)穩(wěn)定時(shí)，探頭與周圍介質(zhì)處于近似熱平衡狀態(tài)，此時(shí)的系統(tǒng)熱平衡方程為

    H=Q₁+Q₂+Q₃    （1）

    式中：H——電流對(duì)熱探頭S₂的加熱值；Q₁——熱探頭與流體間的對(duì)流換熱；Q₂——熱探頭向測量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱量；Q₃——熱探頭向周圍輻射的熱量。

    利用傳熱學(xué)理論，結(jié)合熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作的場合，對(duì)于實(shí)際熱交換過程，對(duì)流換熱Q₁是整個(gè)熱交換過程的關(guān)鍵，在誤差允許的范圍內(nèi)，導(dǎo)熱量Q₂和輻射熱量Q₃均可忽略不計(jì)。則式（1）可簡化為

    H=Q₁=Q   （2）

    基于金式定律，達(dá)到熱平衡時(shí)，對(duì)流引起的熱耗散為Q可以用式（3）表示：

        （3）

    式中：l和d——熱電阻絲的長度和直徑；ρ、c_p、V、k——?dú)饬鞯拿芏取⒍▔罕葻帷⒘魉俸蛯?dǎo)熱系數(shù)。

    式（3）可改寫為

        （4）

    其中：

    a=kl

    

    對(duì)于一定的流量計(jì)和一定的被測介質(zhì)，a、b均為常數(shù)。

    熱電阻絲單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為

    W=I²R   （5）

    當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)有

        （6）

    保持（T_w-T_f）不變，R為常數(shù)，則電流I就是計(jì)算質(zhì)量流量的參數(shù)，電流I的平方I²與質(zhì)量流量的平方根成正比，電流I又可以通過輸出的加熱電壓U得到。因此，保持溫度差不變，通過測量電壓U便可得到氣體的質(zhì)量流量。

    二、傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

    圖2反映了傳感器探頭的布局情況，為了降低兩個(gè)鉑電阻之間的影響，傳感器的兩個(gè)探頭采用交錯(cuò)分布的方式，并且在兩個(gè)鉑電阻之間加上隔熱膠，減少因?yàn)樘筋^之間的對(duì)流換熱造成的影響。可以看到通過MEMS技術(shù)能將兩根鉑電阻絲集成在很小的硅片基體上。封裝后的傳感器體積可以做到很小，減小對(duì)原有流場的破壞，且具有非常好的熱傳導(dǎo)性。    

圖2 傳感器探頭的布局情況

    三、流量計(jì)的功能

    筆者研究出的新型熱式質(zhì)量流量計(jì)樣機(jī)，使測量準(zhǔn)確度由目前的10%提高到了1.5%，達(dá)到了天然氣計(jì)量的準(zhǔn)確度。流量范圍由目前的1∶40提高到了1∶100，使1臺(tái)流量計(jì)的測量范圍替代了原有3臺(tái)流量計(jì)的組合，提高了天然氣流量儀表的性能和功效。技術(shù)方面，達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：

    （1）口徑：50mm。

    （2）測量準(zhǔn)確度：1.5級(jí)。

    （3）最大流量：200m3/h。

    （4）測量范圍：1∶100。

    （5）響應(yīng)時(shí)間：≤100ms。

    （6）供電方式：（8~24）VDC。

    （7）輸出：RS485接口與計(jì)算機(jī)連接，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)，輸出用戶需要的瞬時(shí)流量、累積流量、實(shí)時(shí)溫度。

    四、流場仿真與研究

    FLUENT是一個(gè)用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專用軟件。筆者利用FLU-ENT軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的管道模型進(jìn)行仿真，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究分析，找出傳感器的最佳放置位置。    

    1.模型的建立和網(wǎng)格的劃分

    本文在數(shù)值模擬中采用的物理模型管道長為200mm、內(nèi)徑為25mm，流體整直器是帶穿孔的柱體，在FLUENT模擬中把長為7.5mm、內(nèi)徑為2.5mm的流體整直器部分用若干個(gè)規(guī)格相同的小圓柱體代替。由于該管道是軸對(duì)稱的，因此，為了計(jì)算方便，本文中使用該管的1/2作為模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

    2.內(nèi)部參數(shù)的設(shè)置

    求解器選擇分離隱式，采用能量方程和標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型為計(jì)算模型來模擬管道內(nèi)流場流動(dòng)過程，采用有限體積剖分的SMIPLE算法求解，差分格式選取一階迎風(fēng)格式，所采用的介質(zhì)為空氣，空氣密度為1.225kg/m³，黏度為1.7894×10^-5kg/m·s，運(yùn)行環(huán)境選擇標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101325Pa，入口設(shè)為質(zhì)量流量入口邊界條件，質(zhì)量流量為0.0879502kg/s；出口采用出流出口（OUTFLOW）邊界條件。

    3.FLUENT仿真結(jié)果與研究

    本文中迭代次數(shù)設(shè)置為500，大約經(jīng)過290步左右的迭代計(jì)算之后停止。各方程計(jì)算結(jié)果殘差都小于所設(shè)置的1×10^-6，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和求解參數(shù)設(shè)置都比較合理，計(jì)算結(jié)果收斂。

    由仿真出來的速度云圖可以看出，氣體通過整直器小孔時(shí)速度為最大值30m/s。經(jīng)過整直器后，速度逐漸變小。隨著流體繼續(xù)由右向左流動(dòng)，速度逐漸趨于穩(wěn)定。管道長度方向上的中間位置有速度顏色的變化，這證明中間位的速度并不穩(wěn)定，并不是傳感器最佳的放置位置。在距管道出口1/5處，速度趨于穩(wěn)定，因此推測應(yīng)將傳感器放到速度相對(duì)最穩(wěn)定的位置，即偏管道出口1/5左右，垂直方面應(yīng)在管道正中間的位置。

    五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    根據(jù)JJG897-1995《質(zhì)量流量計(jì)》檢定規(guī)程中的有關(guān)項(xiàng)目檢測方法，流量計(jì)的測量范圍為（0～200）m³/h。筆者對(duì)該流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，分別將傳感器放置到管道中的不同位置，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

    1.將傳感器放置到管道中間位置的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

    測試溫度為16.8℃，濕度為20.8%RH，壓力為101.45kPa；采用0.25等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)流量系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)流量點(diǎn)；測量介質(zhì)為空氣。

    由表1、表2可知，將傳感器放置到管道中間位置，測量結(jié)果的最大示值誤差為-4.703m³/h。    

表1 12月1日測試數(shù)據(jù)

表2 12月2日測試數(shù)據(jù)

    

    2.將傳感器放置在偏管道出口1/5的位置

    測試溫度為16.5℃，濕度為21.3％RH，壓力為101.36kPa；采用0.25等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)流量系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)流量點(diǎn)；測量介質(zhì)為空氣。

    由表3、表4可知，將傳感器放置到偏管道出口1/5處，測量結(jié)果的最大示值誤差為-2.851m³/h。根據(jù)將傳感器放在管道不同位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，可以看出將傳感器放置在偏管道出口1/5處的測量結(jié)果明顯優(yōu)于將傳感器放置到管道中間位置。

表3 12月3日測試數(shù)據(jù)

表4 12月4日測試數(shù)據(jù)

    六、結(jié)束語

    通過FLUENT技術(shù)的仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際試驗(yàn)的測量，找出傳感器的最佳放置位置，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)的熱式質(zhì)量流量計(jì)，測量準(zhǔn)確度大大提高，測量范圍也有所增加，測量更為精確、科學(xué)。