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热式气体质量流量计的仿真研究

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*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蝉1和蝉2，其中探头蝉1测气体气流温度迟蹿，另一探头蝉2置于恒热源旁边，检测被气体带走热量后的温度迟飞。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：丑&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;电流对热探头蝉2的加热值;辩1&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;热探头与流体间的对流换热;辩2&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;热探头向测量杆构架的导热量;辩3&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;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辩可以用式(3)表示：

式中：濒和诲&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;热电阻丝的长度和直径;&谤丑辞;、肠辫、惫、办&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;&尘诲补蝉丑;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，补、产均为常数。
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。

&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;更新更新时间：2018-05-07

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