低功耗浸入型热式气体流量计的研制

发布时间：2020-04-16 07:00

【摘要】：气体流量测量始终是流量研究领域的重要内容,与我国的工业技术发展和经济水平提高有着紧密的联系。热式流量计是一种新型的气体流量计,利用热传递原理直接测量气体的质量流量,按照结构可分为分布型和浸入型两种,其中分布型用于测量小流量气体,浸入型主要应用于中高流速气体的测量。目前,浸入型热式流量计存在使用功耗较大,小流量测量精度低的不足,这限制了流量计的推广和应用。针对以上问题,本文提出了一种低功耗的气体流量测量方法,并设计优化传感器结构,研究传感器的温度特性,研制了具有自动温度补偿功能的气体流量计。根据传感器电路的动态特性,采用PWM控制传感器的供电,降低了流量计的功耗。该研究对于热式流量计的发展具一定的实用价值。本文首先研究了管道内不同的传感器结构模型对气体流场的影响,采用SolidWorks建立了四种矩形孔传感器结构,并用FLUENT软件分别对四个模型进行了数值仿真,结合比值法确定了传感器的最优结构模型;然后研究了热式传感器的温度特性,确定了传感器的工作温度,以此作为温度补偿电路的设计基础;同时通过研究传感器的动态性能,提出了低功耗的流量测量方法,通过PWM控制电路的开启和关闭,实现气体流量的低功耗测量;接下来设计了流量计的硬件电路,由传感器电路采集流量信号,信号处理电路对信号进行预处理,单片机最小系统完成信号分析和显示;最后完成了系统软件的设计,编写了流量计的流量计算、数据存储和人机交互程序。论文设计了用于样机流量测试的气体流量标准装置并进行了相应实验研究。实验结果表明,热式流量计样机精度等级为1.5级,重复性小于0.5%,量程比为120:1。对流量计低功耗特性进行了实验测试,在PWM输出占空比为20%,频率为0.5Hz时,流量计电池的使用时间可以延长为原来的4倍,有效降低了流量计的功耗。
【图文】：

传感元件,实物,热电阻

色环氧树脂胶邦定。ＰＣＢ板为一个６0ｘ７．６ｘ２．４（ｍｍ）的长方体，内部镶嵌的８条逡逑导线分别连接焊盘和传感元件。逡逑图２．４为传感元件内部结构图，主要由５个热电阻组成，其中热电阻７＾逡逑和沿４阻值相等，沿２和仍３阻值相等，这两组热电阻内部均通过导线相连。热逡逑电阻你５为铂电阻，相对于另外４个热电阻阻值较大，且不在同一水平位置上。逡逑热电阻均为薄膜电阻，通过烧制技术被固定在玻璃基片上。逡逑Ｒｔｓ逡逑Ｒ｛邋＼邋Ｒｔｉ邋Ｔｉｔ、邋ＲＪａ逡逑１邋ｌ邋Ｉ逡逑图２．４传感元件内部结构图逡逑ＭＦＳ０２热膜传感元件具有结构简单，抗腐蚀能力强，性价比高的优点，同逡逑时具有较快的响应速度和较高灵敏度，最大响应时间为ｌ0ｍｓ，可以快速与气体逡逑进行热交换。传感元件中热电阻的最大消耗功率为５０ｍＷ，单个热电阻的供电逡逑电压为２？６Ｖ，适用于气体流量测量，最高可测量的流速为５０ｍ／ｓ。存在的主要逡逑缺陷是不能用于高温气体的测量

传感元件,内部结构,热电阻,热膜

便，所以本文选用热膜式传感器测量气体流量。瑞士丨ＳＴＡＧ公司的ＭＦＳ０２型热膜传感元件，ＰＣＢ板逦传感元件逡逑＼邋逦＼逡逑图２．３传感元件实物图逡逑粘置在ＰＣＢ板中，并通过导线与ＰＣＢ板相连，定。ＰＣＢ板为一个６0ｘ７．６ｘ２．４（ｍｍ）的长方体，，内盘和传感元件。逡逑元件内部结构图，主要由５个热电阻组成，沿２和仍３阻值相等，这两组热电阻内部均通过，相对于另外４个热电阻阻值较大，且不在同电阻，通过烧制技术被固定在玻璃基片上。逡逑
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH814

【参考文献】