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大量程氣體AG手机亚游 AG手机亚游器的仿真
發布時間:2020年3月17日08:17:17

摘要:基于熱傳遞原理,設計了一種大量程氣體AG手机亚游 AG手机亚游器。 采用FLUENT進行結構的仿真.結合權重法確定AG手机亚游器的最優結構模型。研究了AG手机亚游元件的溫度特性.確定了AG手机亚游器的工作狀態。設計了AG手机亚游電路,對AG手机亚游器進行了自動溫度補償。測量中采用兩種不同的測量原理.使AG手机亚游器能夠檢測微小AG手机亚游 和中、大AG手机亚游 .提高了AG手机亚游器的測量范圍。實驗結果表明該AG手机亚游器測量AG手机亚游 量程為0.14 m'/h~ 130 m'/h,測量誤差優于1.5%。
  熱式氣體AG手机亚游 AG手机亚游器是利用熱傳遞原理實現對氣體質量AG手机亚游 的直接測量",其按結構可分為熱分布型和浸人型。熱分布式型氣體AG手机亚游 AG手机亚游器可測量低流速微小AG手机亚游 鬥;浸人型氣體AG手机亚游 AG手机亚游器主要應用于中、大管徑的較高流速測量,而對于低流速氣體的測量精度和靈敏度都較低。針對以上問題,本文采用5個熱電阻PT1000 集成于同-基片的AG手机亚游元件,通過AG手机亚游電路設計,使得氣體AG手机亚游 AG手机亚游器在小AG手机亚游 時采用熱分布型測量原理,在大AG手机亚游 測量時采用浸人式測量原理,從而實現了AG手机亚游 的大量程測量。同時,由于該AG手机亚游器放置在管道內部,因此AG手机亚游元件周圍的流場及流速大小將較大影響AG手机亚游 測量的性能。因此本文首先對AG手机亚游器結構進行仿真,通過.Solidworks軟件設計AG手机亚游器的9種結構模型引,采用FLUENT仿真技術獲得不同AG手机亚游器結構模型的管內流場等速線水平剖面圖及管內AG手机亚游元件截面的面平均速度,并結合權重法對仿真數據進行處理,確定最佳AG手机亚游器系統結構模型。然后研究了AG手机亚游器的溫度特性[4],設計了AG手机亚游測量電路,實現對氣體在大量程范圍內AG手机亚游 精確的測量。
1測量原理
  本文設計的氣體AG手机亚游 AG手机亚游器是在不同AG手机亚游 段分別采用熱分布型和浸人型的測量原理。熱式氣體AG手机亚游器的AG手机亚游元件置于管道中心[5],AG手机亚游元件如圖1所示。管道中沒有氣體通過時,管道內的溫度場是對稱的。熱電阻R.、R。、R、R, ,作為熱源和溫度AG手机亚游器,R。用于氣體介質溫度的測量。當有微小氣體流過時,上游熱電阻R.R,的溫度下降比下游熱電阻R、R,明顯,氣體將上游的熱量帶到下游,引起3管道內部溫度場變化61,則氣體的質量AG手机亚游

  式中E為單位時間內輸出AG手机亚游 計的電功率,c,為被測氣體的比定壓熱容,ΔT為上下游溫差
  隨著氣體流速的增加,氣體的流動引起熱電阻Rs1、Rs2. s3、Rs4、溫度的變化,電路提供給四個電阻的3電功率等于氣體流動對熱換流帶走的熱量,即

2熱式氣體AG手机亚游器系統結構的設計
  由于AG手机亚游元件通過圓柱形支架固定在管道內部,圓柱體開一矩形孔用于AG手机亚游元件測量氣體AG手机亚游 ,見圖2所示。AG手机亚游元件周圍的流場對AG手机亚游器的靈敏度和重復性影響較大。同時,AG手机亚游器的壓損也是一個重要的評價指標。因此,需要對AG手机亚游器開孔尺寸進行仿真研究,以獲得理想的結構.

  首先采用Solidworks軟件對氣體AG手机亚游器模型進行建立,管道口徑為50 mm,管道長度為130 Imm,管道中支架為小圓柱體,直徑為12mm[7].
  將網格文件導入FLUENT軟件進行仿真并保證各模型有相同的邊界條件,設定管道內流體介質為空氣,人口速度取10 m/s,根據式(3)求出管道雷諾數Re=337 84, 因此粘性模型為k-epsilon。 為了防止壁面有邊界層使得流體粘附管道,壁面選擇Moving wall。

  式中V為入口速度,D為管道直徑,η, 為壓強為101.325 kPa、 溫度為20 C的條件下空氣的運動黏度根據式(4)計算出湍流強度1=4.345%[8]。

  氣體AG手机亚游器插入管道中測量氣體的流速,會對氣體的流場有一定的擾動,不同的AG手机亚游器模型對流場的擾動也不同[9]。因此需對AG手机亚游器模型的尺寸進行設計仿真,選擇最佳模型。如圖2所示,AG手机亚游元件置于管道中,AG手机亚游元件長7 mm,寬2.4 mm,厚0.15 mm。設計矩形孔的尺寸,1分別取3 mm、4 mm、5 mm,h分別取9 mm、10 mm、11 mm,共9種模型,研究不同模型對流場產生的影響。
  采用FLUENT軟件10-1]1分別對這9種模型設置相同的邊界條件,進行數值模擬計算。分別計算AG手机亚游元件不同位置的平均速度。選取AG手机亚游元件中心截面的編號為plane-5。按軸向方向在plane-5前后分別依次取5個截面,前面兩截面平行距離為0.24 mm,分別編號為plane-0, plane- 1, plane-2...共11個截面,如圖3所示,這些截面上的面平均速度可通過數值計算獲得。

圖4所示為幾種矩形孔的管內流場等速線水平剖面圖
  從圖4可以看出,矩形孔的面積越大,AG手机亚游器前后的漩渦區越小,流場分布均勻,這是因為矩形孔的面積越大,對流體的阻礙作用越小,對管道內的流場影響越小[12]圖5表示9種不同AG手机亚游器模型11 個截面的面平均速度分布圖。


  從圖5可以看出,矩形孔的面積越小,其面平均速度越大,但對流體的阻礙作用變大,使得流體的能量損失多。對于管內的AG手机亚游元件,11個截面的面平均速度分布越穩定,管內速度分布的變化越小,對流場的擾動越小。由式(5)貝塞爾公式求出標準偏差,度量數據分布的分散程度

  式中v;分別為第i截面的面平均速度,0為11 個截面平均速度的平均值,n為11。
  表1為9種不同AG手机亚游器模型的0值、S值和壓損,這三個因素決定了AG手机亚游器模型的尺寸選擇,0值越大則量程比越大,S值和壓損越小則流體通過AG手机亚游器時損失的能量越小,流體分布也越穩定。從表1可以看出,矩形孔的面積越大,值越小,而s值和壓損越小。可以看出壓損最大值與最小值相差約0.84 p,且對AG手机亚游器評定影響不大,在評定時可以忽略壓損這個因素,因此可通過權重[1”]來評定0值和S值在整體評價中的相對重要程度,并根據式(6)計.算出綜合評價值,從而確定AG手机亚游器的最佳模型

  式中Vk為綜合評價值,wk為權重,xk為各因素的數值,k=1,2,3,4,5,6,7,8,9。
  用算術平均法計算各因素的平均數x。和標準差sk,根據式(7)計算出各因素的標準差系數,它反映各因素的相對變異程度

  根據式(7)、(8)計算出二個因素的?k值和wk值,并根據式(6)計算出9種模型對應的Vk 值,如表1所示口

根據表1的V,值,可以確定寬3高9的模型為最佳模型。
3AG手机亚游元件溫度特性的研究
  氣體經過AG手机亚游元件表面時會帶走熱量從而引起測量電路電壓信號的變化,當AG手机亚游元件上的熱電阻Rs1、Rs2、Rs3和Rs4與氣體溫差較小時,AG手机亚游元件靈敏度會降低,但電流過大時會損壞AG手机亚游元件并增加電路的功耗,因此需對AG手机亚游元件的溫度特性進行研究4],圖6為AG手机亚游元件溫度特性研究實驗圖。
  AG手机亚游元件放置在溫度可調的恒溫箱中,電路加恒定的電壓10 V ,在不同的工況條件下調節電位器的大小使電流保持恒定,并測量AG手机亚游元件的電壓V,然后計算AG手机亚游元件相應電路的阻值和工作溫度。實驗中恒溫箱型號為GHX高溫恒溫試驗箱,電壓由可調直流穩壓電源提供,型號為MPS- 3003L-3,電壓表型號為VC9807A。首先從低到高調節恒溫箱溫度并調節電位器大小使電流接近于6.2 mA,同時測量對應溫度下熱電阻兩端的電壓。在同一溫度記錄3個數據,將這三個數據平均后計算出該溫度下熱電阻的阻值,同時計算出AG手机亚游元件的工作溫度和環境溫差。實驗數據見表2所示。


  從表2可以看出,在電流恒定時,環境溫度越高,AG手机亚游元件溫度也越高,但是與環境溫度之間的差值基本恒定在100 C,此時AG手机亚游元件靈敏度高且電流小而不會對AG手机亚游元件造成損壞,以此作為設計測量電路的依據。
4AG手机亚游電 路設計
  本文在惠斯通電橋[5]的基礎上設計了一種新型的AG手机亚游 AG手机亚游電路,如圖7所示。AG手机亚游元件由熱電阻R, R,R、R,、R.,構成,與精密電阻R2、R3、R.、Rs、R。構成惠斯通電橋,該電路能實現溫度補償,并能檢測管道中氣體的方向。電路中精密電阻R2與熱電阻R并聯不僅防止通過R..的電流過大,而且可提高溫度補償的準確度。為了使AG手机亚游元件輸出與氣體溫度無關的穩定電壓,理想情況下在任何環境溫度下應滿足式(9)。

  工作時將氣體AG手机亚游器放入測量管道中心,當有微小氣體流過時,上游熱電阻R,,、R..的溫度下降比下游熱電阻R,、R明顯,氣體將上游的熱量帶到下游,熱電阻溫度場變化引起電壓信號V2變化,V2反應了微小流速氣體的AG手机亚游 。當管道中有中高流速氣體通過時,熱電阻R,、R,、R,、R.構成的熱電阻R。的熱量被氣體帶走而引起阻值變化,從而導致AG手机亚游電路的電流發生變化,熱電阻R。用于溫度補償。通過測量熱電阻R。R,.和精密電阻構成的惠斯通電橋的輸出電壓V,即可反應此時管道中氣體的AG手机亚游 。

5氣體AG手机亚游 實驗研究
  本實驗中運用鐘罩式氣體AG手机亚游 標準裝置進行氣體AG手机亚游 測試。裝置運用鼓風機進行鐘罩的充氣,三個AG手机亚游 門用于控制氣體流動。該設備的測量不確定度為0.5%,其能夠供給的AG手机亚游 范圍為0~220 m'/h。設備原理圖如圖8所示,實物圖如圖9所示


  按照表1的仿真結果,本實驗選用評價值相差較大的兩個AG手机亚游器進行實驗,即AG手机亚游器1和AG手机亚游器9,其對應的開孔尺寸分別為寬3高9和寬5高11。
  由于不同的AG手机亚游 范圍測量原理不同,AG手机亚游 測量實驗分為2部分,其中小AG手机亚游 的測量范圍為0.405m'/h~2.841 m'/h。在不同的AG手机亚游 點對輸出電壓V2進行三次測量,獲得AG手机亚游 與平均輸出電壓的關系曲線如圖10所示。AG手机亚游器1在小AG手机亚游 測量中,不同AG手机亚游 與輸出電壓關系為星形點,測量重復性最大值為0.5%。AG手机亚游器9在小AG手机亚游 測量中,不同AG手机亚游 與輸出電壓關系為圓形點,測量重復性最大值為0.8%。比較AG手机亚游器1和AG手机亚游器9的輸出特性,可知AG手机亚游器9由于開孔略大,輸出的電壓值略微偏小,而且重復性略大于AG手机亚游器1,與仿真的結果相同。

  隨著AG手机亚游 增加,對AG手机亚游器在2.841 m'/h至130.3 m'/h范圍內進行AG手机亚游 實驗。在不同的AG手机亚游 點對輸出電壓V進行三次測量,獲得AG手机亚游 與平均輸出電壓的關系曲線如圖11所示。AG手机亚游器1的不同AG手机亚游 與輸出電壓關系為星形點,測量重復性最大值為0.5%。AG手机亚游器2的不同AG手机亚游 與輸出電壓關系為圓形點,測量重復性最大值為1%。如圖11可知AG手机亚游.器9的輸出電壓值略微偏小,與表1的與仿真的仿真數據相吻合。
  以上對2種不同AG手机亚游器的AG手机亚游 實驗表明,AG手机亚游器1具有較好的輸出特性和測量重復性,與仿真結果--致。因此,以下實驗針對AG手机亚游器1進行具體分析。

運用MATLAB擬合電壓與AG手机亚游 之間的關系公式[ 16],得到AG手机亚游器1的數據模型:

  式(10)和式(11)所示的數學模型分別用于測量小AG手机亚游 和大AG手机亚游 。通過擬合數值和輸出電壓可計算得到最大偏差Amre由式(12)可計算得到擬合Lmax誤差γYL°

  其中ym為最大AG手机亚游 點的電壓。在小AG手机亚游 時擬合誤差為1.42%,而在大AG手机亚游 時為1.40%。由于AG手机亚游器1的重復性最大值YR均為0.5%,由式(13)可以計算得到測量誤差.

  由式(13)可得在小AG手机亚游 范圍內最大測量誤差.為1.50% ,在大AG手机亚游 范圍內為1.49%,由此可認為測量誤差為1.50%。對造成誤差的主要原因有氣體擾流,流場分布和氣體濕度等。另外,AG手机亚游器的熱輻射和熱傳導同樣會造成測量誤差。
  由實驗可得,AG手机亚游器能夠在0.4 m'/h至130m'/h的范圍內測量氣體AG手机亚游 ,其重復性優于0.5% ,測量誤差為1.5%。
6結論
  本文采用熱分布型和浸入型相結合的熱式AG手机亚游 測量方法,設計了一種大量程氣體AG手机亚游 AG手机亚游器。通過FLUENT仿真技術和權重法確定最佳AG手机亚游器的結構模型,研究AG手机亚游元件的溫度特性,提出了氣體介質溫度的自動補償方法并設計AG手机亚游 AG手机亚游電路。實驗結果表明,該AG手机亚游器測量量程為0.4 m'/h~130n2/h,測量誤差優于1.5%,擴大了熱式AG手机亚游 AG手机亚游器的AG手机亚游 測量范圍。

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