恒温热线式气体流量传感器的研究.doc

恒温热线式气体流量传感器的研究 锨传麓数I 恒温热线式气体流量传感器的研究 ～ 6哈尔滨嚣堑堑(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司) [摘要]本文通过理论分析对盘属丝在强迫热交换 下,建立爰I量气体流量教学模型;并设计了温度补 偿电路,通过实验敫据对其性腿作出了评价,使恒 温热线式气体流量传_礤器.具有灵敏度高,响应速 度快,浏量范匿宽等特点.本文浏量方甚可广琵应 用于各种可燃气体流量的测量. 关键词热缝流量传癌景;数学横壁:温度朴偿 气体量的测量可采用多种方法.本文采 用的是用一根通电加热的金属丝位于气流 场中通过强迫执量交换,建立金属导线上的 电压与气体质量流量问的数学关系表达式. 1数学模型的建立 热线式气体流量传感器的工作方式有 多种.对其产生影响的因索也各有不相同. 因此我们首先必须进行深入的讨论与分析, 以确立一种适舍于奉传感器的理论. 热线式气体流量传感器实际上是对P (P为气体密度.为流速)的测量,这样我 们可以间接测量出质量流量口. 一 根热金属丝垂直于气流放置,由于热 交换原因,热线温度将发生变化,其变化强 度的快慢及太小取决于下列因索: A.气体的流速.热线上气体的温 度差c.金属丝的物理特征性及几何尺 寸 热线在流场中通过三种方式散失其热 量: o.与流体问的对流热交换6.与叉 杆问的热传递c.热辐射 一 般后两种损失很小.可以忽略. 热线被流体带走的热量口r,用牛顿冷 却公式计算: =.,(一巧) 王双2J (哈尔滨理工大学) 式(1)中口一传热系数;,一热丝表面积; 热丝表面温度;一流体温度. 求解传热系数是研制该传感器关 键.然求解传热系数即使在稳态情况 下.也是很复杂的.所以.一般仍通过实验去 求得. 在强迫对流热交换情况下有多种经验 公式,其中最简单的是肠w公式: :A+B艘(2) 式(2)中努塞尔系数Ⅳ_=n(d是传热系 数,d是热线直径.是热导率);雷诺系数 圮:pVd/,~(p,,分别是流体密度,速度 和动力粘性系效);而A,B是常教.可由实 验确定. 对不可压缩的流体菇∞一经验公式: Ⅳ;o.4+O5?.5.(3) 式(3)中普朗特效Pr=/^.其中是气 体的定压比热.该式的适用范围是: O.7l≤≤5252≤虬≤200.O1≤!≤ 10 金属丝电阻特性是热线式气体流量传 感器的理论基础: 也:l+ao(一)](4) 式(4)中和毋分别是金属丝温度为 和时的电阻值,o0是温度系数 由公式(1),(3),(4)可得: =(也一母)(+l,)(5) 式(5)中=(0.43,LstaoRtd)(G/).. y=(0.57/弓d)(/)o.33(/). 可见,对一给定的热线和流体,在给定温度 下使用时,X,都是常数. 在稳定情况下,热线和流体之间热交换 一 36— 处于平衡状态,现在若用,-电流加热金属 丝,则热线在单位时间内产生的热量是: = :/J=Qr(6) 式(6)中,是热功当量,把式(6)代人式(5) 可推导得: (毗)(一母)=A+B(7) 式(7)就是在稳态情况下,热线的热平衡方 程.当热线工作于恒温方式时,热线平衡方 程可改写为:e=n+b(8) 式(8)中为热线电压输出;rt一般取0.45 — 0.5之间的数,具体数值主要根据实验数 据分析来确定;a为恒温式工作热线的零点 输出,与其工作温度有关,可利用外围电路 消去此项;b传感器灵敏度,与热线工作温 度有关;V是流速.由方框可画出该恒温热 线式气体流量传感器特性曲线示意如图l 所示. 图l恒温热线式流量待意器特性曲线 通过外围电路处理后,该传感器的数学 模型可写成: E=h-Q(9) 式(9)中为传感器输出电压:Q为检测流 - 量;h,m为待定常数. 2传感器的组成 恒温热线式气体流量传感器的电路原 理图如图2所示.图2中,热线是嘉斯 登电桥的一个桥臂,运放差分放大电桥 输出信号;运放2提供三极管口I所需要 的偏置电压.并使1输出信号能够叠加在 Q的偏置电位上,被Q1放大给电桥供电. 电桥,A,A2和Q.构成的反馈回路,能够使 热线工作于恒温状态下.在接通电潦瞬间. 热线很小的冷电阻很快被电流加热,并且阻 值升高.因此电桥很快达到平衡就态.当 气流流过热线时,由于热交换的原因.热线 温度会改变,这种改变会使电桥偏离平衡, 并且输出信号,经放大后由反馈回路自动调 节热线电流,使热线工作温度恢复到原值, 也就是电桥又重新恢复刭平衡状态.通过 测量反馈的电压信号就可以测量出气体的 流量.图2中,也,血用于放大和调整输出 信号.l和硒为参考源. 图2气体流量待意器电路原理示意图 3温度补偿 热线式气体流量传感器在使用过程中, 要求其使用环境温度要与其所标定的环境 温度一致,至少两者的温度差不得超过.4- 5E.若超过±5℃,那么传感器应在被