低压条件下热式气体流量传感器测量方法的研究

    0　引言

    对于在气象、环保、航空、航天、工业过程等领域要经常测量的气体而言,其流动状态多种多样,测量条件也不尽相同。流量测量技术类型繁多,测量对象复杂多样,决定了其在应用技术上的复杂性。

    随着成本意识的不断增强,对计量的准确性提出了更高的要求,流量测量的温度、压力修正逐渐被提到了重要位置。

    气体流量的一般测量方法是根据传感器的不同的应用特点,采用轴流法来测量气体的流速,或者是用皂膜法和钟罩法进行体积流量的测量,其中,钟罩法的采用最为广泛。以上测量方法的共同特点,是只能在正常大气条件下进行测试,其测量结果虽然可以通过热平衡方程进行修正,但对于气体而言,工作压力的变化,往往会改变气体的湿度,进而影响气体的定压比热,给测量结果带来不利的影响。

    热式(热线、热膜)流量传感器是利用风速计原理来测量气体的流量,具有响应速度快、测量范围宽的特点,且多采用插入式设计,安装拆卸方便,在大规模的工业生产中有广泛的应用。因此,在文中选用插入式热膜流量传感器作为研究对象,并根据传感器的工作特点,找到一种符合流体工况的标定方法,减少实际应用过程中的计量误差,对复杂条件下的气体流量测量进行有益的探索。

    1　热式气体流量传感器原理

    热线(热膜)风速计,是利用放置在流场中具有加热电流的热线敏感元件来测量风速的仪器。这是因为,流体的流动与热量转移之间有着密切的关系。热线(热膜)风速计是根据热平衡原理,通过热量的传递转移求得流体流动速度。在热平衡过程中,涉及风速、加热电流、线温三个基本量,它们之间具有一定的内在联系。当线温保持恒定时线电流和风速之间建立了确定的函数关系,利用这个关系测定风速的方法称之为恒温法。采用恒温法生产的风速计热滞后效应很小,频率响应很宽,同时又具有很高的量程比,因此在实际应用中被较多采用。

    热膜被流体带走的热量Qf,可用牛顿冷却公式计算:

式中,?是对流热交换系数;S是热膜表面积;Tw是热膜表面温度;Tf是流体温度。其中,热对流系数?可从实验中求得。

    热膜垂直气流放置,在稳态热对流情况下,对于不可压流体,有Kramer经验公式:

    Nu= 0.4Pr^0.26+0.57Pr^0.33·Re^0.5           (2)

式中,努赛尔数,雷诺数Re=ρVdu,d为热线直径,λ是导热系数,V,ρ,u分别是流体的速度,密度和动力粘性系数,普朗特数,其中Cp是气体的定压比热,随温度、压力的变化而不同。

    热膜的电阻温度特性可表述如下: