熱式流量傳感器是根據(jù)介質(zhì)熱傳遞原理制成的傳感器, 利用傳熱學(xué)和流體學(xué)理論, 采用熱平衡原理建立熱敏元件的熱量損失與流體流速、質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系[1], 從而獲得流體流速、流量, 一般用來測量流體的質(zhì)量流量。熱式流量傳感器按流體對(duì)檢測元件熱源的熱量作用可分為熱消散效應(yīng)和熱分布式效應(yīng), 目前, 基于熱消散效應(yīng)的流量計(jì)發(fā)展迅速, 性能穩(wěn)定, 市場需求大, 應(yīng)用范圍廣[2-3]。

根據(jù)不同的測量關(guān)系, 熱式流量傳感器一般有兩種測量方法:一種是熱量式, 通過給流體加入必要的熱量, 熱量隨流體流動(dòng), 從而使不同位置的溫度不同, 可以通過檢測溫度變化來求出流量, 使用這種測量方法的有托馬斯流量計(jì)、熱分布型流量計(jì)和非接觸式的邊界層流量計(jì);另一種稱為熱導(dǎo)式, 這種方法是在流動(dòng)的流體中放置發(fā)熱元件, 其溫度場隨流速產(chǎn)生變化, 可以通過檢測發(fā)熱元件被冷卻程度來測量流量, 使用這種測量方法的儀表有浸入型流量計(jì), 熱線風(fēng)速儀等[4-5]。

目前, 基于熱式原理的流量傳感器設(shè)計(jì)與研究多用于氣體流量測量, 文中所設(shè)計(jì)的熱式流量傳感器是基于熱消散效應(yīng)的熱導(dǎo)式浸入型液體流量傳感器。

探頭設(shè)計(jì)采用浸入式, 它由兩個(gè)感溫?zé)崦綦娮韬鸵粋€(gè)加熱電阻構(gòu)成, 其中一個(gè)熱敏電阻RT1作為測溫元件感測流體溫度, 另一個(gè)熱敏電阻RT2和加熱電阻R封裝在一起感測流體流速[6]。傳感器模型如圖1所示。

熱敏電阻采用MF58 NTC熱敏電阻。NTC是Negative Temperature Coefficient的縮寫, 即負(fù)溫度系數(shù), 泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。MF58玻封熱敏電阻電阻-時(shí)間特性如圖2所示。

圖中, R25是熱敏電阻額定零功率電阻值, B是材料常數(shù) (熱敏指數(shù)) 值[7]。

測量探頭采用一個(gè)小阻值電阻R作為加熱電阻, 將其與熱敏電阻RT2封裝在一起, 加熱電阻通電后給RT2加熱, RT2溫度升高, 從而使其電阻值下降, 在電路中產(chǎn)生電信號(hào)的變化。熱敏電阻RT1處于流體中并且遠(yuǎn)離加熱電阻, RT1的電阻值只隨流體的溫度變化而變化, 可以用來感知所測流體溫度, 用以修正流體溫度對(duì)測量產(chǎn)生的影響。為了避免加熱電阻產(chǎn)生的熱量影響RT1檢測流體溫度, 將熱敏電阻RT1置于上游, 將熱敏電阻RT2與加熱電阻R放于下游。

傳感器探頭通電后, 加熱電阻給熱敏電阻RT2加熱, RT2溫度上升, 電阻值減小, 當(dāng)流體介質(zhì)靜止時(shí), 系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài), 2個(gè)熱敏電阻溫差恒定, 電阻值不變。當(dāng)流體介質(zhì)流動(dòng)時(shí), 就會(huì)帶走加熱電阻的一部分熱量, 從而使RT2溫度下降, 電阻值增大, 2個(gè)熱敏電阻相對(duì)于熱平衡狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)阻值差。隨著流速的增大, 帶走加熱電阻的熱量就越多, 電阻相對(duì)差值也越大, 電阻差值是流體流速的函數(shù)。但是, 當(dāng)達(dá)到一定的流速后, 流速再加快熱敏電阻RT2阻值就不會(huì)進(jìn)一步增大, 2個(gè)二極管的溫差就會(huì)趨于恒定, 從而電阻差值也趨向于恒定。

為了防止共模噪聲的干擾, 需要輸出一個(gè)差模信號(hào), 使用直流雙臂電橋作為信號(hào)采集電路, 如圖3所示。

輸出電壓U1作為差模信號(hào)輸出, U2為環(huán)境溫度感測變量輸出, 作為溫度補(bǔ)償[8]。在流體靜止時(shí), 可以通過調(diào)節(jié)RP實(shí)現(xiàn)直流雙臂電橋的平衡, 使差模信號(hào)U1歸零。

流體流量變化時(shí), 信號(hào)采集電路采集信號(hào)后, 要經(jīng)過信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)顯示過程, 包括信號(hào)采集電路和電源電路, 信號(hào)處理系統(tǒng)主要分為六部分, 如圖4所示。

流量變化不大時(shí)引起的溫度差異可能很小, 因此電橋的輸出電壓也比較小, 且容易受到噪聲干擾, 系統(tǒng)需要信號(hào)放大的環(huán)節(jié)。電橋輸出電壓為差模信號(hào), 而AD轉(zhuǎn)換電路輸入端為單端輸入, 故放大電路使用雙端輸入、單端輸出的儀器運(yùn)算放大器, 電路中采用集成儀器運(yùn)算放大器AD623。

AD轉(zhuǎn)換電路是測量電路和處理單元之間的橋梁, 在系統(tǒng)占據(jù)重要地位。這里使用的AD轉(zhuǎn)換芯片是一種串行單通道12位逐次逼近型的AD轉(zhuǎn)換器MAX187。它具有精度高、功耗低、體積小、速度快、接口簡單等特點(diǎn), 適用于工程檢測、儀器儀表、傳感器等方面[9]。

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)輸入8051單片機(jī)中, 單片機(jī)將輸入數(shù)據(jù)處理完畢后, 處理結(jié)果輸送給數(shù)碼管, 顯示流量值。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)8051單片機(jī)進(jìn)行編程, 實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行讀取, 并處理數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。為了檢測環(huán)境溫度變化的影響, 系統(tǒng)可以控制顯示液體溫度, 通過按鍵實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度和液體流量顯示的切換, 軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

文中對(duì)傳感器探頭的仿真分析采用了流體力學(xué)軟件FLU-ENT.FLUENT軟件是一種通用CFD軟件, 用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。由于采用了多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)和多種求解方法, FLUENT能夠達(dá)到***佳的收斂速度和求解精度。同時(shí), 其基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)和靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及成熟的物理模型, 使FLUENT在傳熱與相變、多相流、化學(xué)反應(yīng)與燃燒、轉(zhuǎn)捩與湍流、動(dòng)/變形網(wǎng)格、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應(yīng)用[10-11]。

在理想狀態(tài)下, 傳感器處于穩(wěn)定的流動(dòng)液體中, 如果加熱功率一定, 流速也恒定后, 那么其所處的溫度場也將是穩(wěn)定的。而在實(shí)際的液體流動(dòng)中, 浸入液體的固體所處的流動(dòng)環(huán)境和熱量環(huán)境都相當(dāng)復(fù)雜。比如傳感器的外形, 不同的外形在液體流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的湍流類型, 而湍流對(duì)熱量的消散影響很大。又如傳感器的封裝材料, 其導(dǎo)熱性能直接影響熱量的變化。再如傳感器適應(yīng)較高流速還是較低流速, 環(huán)境變化對(duì)加熱功率的要求, 以及水溫對(duì)傳感器的影響等等。FLUENT軟件功具有強(qiáng)大的模擬仿真功能, 能夠很好地模擬液體流過時(shí)傳感器探頭在管道中所處溫度場的變化。仿真過程中可以設(shè)置湍流參數(shù)、封裝材料等以***大程度接近實(shí)際。

仿真的過程中, 傳感器外形采用圖6中所示外形, 位置處于管道的中軸線, 封裝材料采用碳酸鈣, 流體采用水。

在這樣的確定條件下, 仿真內(nèi)容針對(duì)三方面的問題:

(1) 文中所研究的傳感器是基于熱式原理, 因而其對(duì)溫度是非常敏感的, 流體溫度的影響必須考慮, 這是一個(gè)關(guān)鍵的問題, 它決定了傳感器的設(shè)計(jì)是否適應(yīng)流體溫度環(huán)境的變化, 進(jìn)而決定了它是否有實(shí)用價(jià)值。從這個(gè)角度考慮, 仿真的步便測試流速和加熱功率一定時(shí)不同水溫下傳感器溫度隨時(shí)間的變化。

(2) 熱式流量傳感器多用于氣體流量的測量, 而極少用于液體流量的測量, 其中一個(gè)主要原因就是利用熱式原理測量液體流量需要的加熱功率比較大, 而出于信號(hào)處理電路中供電條件以及低能耗、環(huán)保的要求下, 必須考慮加熱功率的問題。所以, 仿真的第二步測水溫和流速一定時(shí)不同加熱功率下傳感器溫度隨時(shí)間的變化。

(3) 在以上兩個(gè)條件可以滿足的情況下, 為了可以更好的測定傳感器的特性, 測定它適用的流速范圍, 第三步測水溫和加熱功率一定時(shí)不同流速下傳感器溫度隨時(shí)間的變化。

具體的操作過程采用脈沖式加熱測量, 先持續(xù)加熱, 直到傳感器探頭的溫度不再上升, 達(dá)到熱平衡, 停止加熱, 3s后再加熱0.5 s, 再停止加熱, 每隔0.5 s記錄1次探頭的溫度 (整個(gè)過程通過操作FLUENT軟件實(shí)現(xiàn)) 。

(1) 流速和加熱功率一定時(shí)不同水溫下傳感器溫度隨時(shí)間的變化, 所得曲線圖如圖7所示。

圖7中, 橫軸是時(shí)間, 縱軸是傳感器探頭的溫度。在流速為0.01 m/s, 加熱功率為5×107W/m3的條件下, 分別測定了水溫為290 K、295 K、300 K、305 K、310 K、315 K時(shí)傳感器探頭溫度隨時(shí)間的變化。由圖可以看出, 持續(xù)加熱時(shí), 不同水溫下探頭所能達(dá)到的***高溫度不同, 但在290~315 K (即15~40℃) 溫度范圍內(nèi)基本上成線性關(guān)系。停止加熱3 s的過程中, 探頭的溫度隨水流動(dòng)下降, 曲線基本平行。之后加熱5s和停止加熱的過程中, 曲線也都基本平行?？梢缘贸鼋Y(jié)論, 水溫的變化會(huì)對(duì)傳感器探頭的溫度產(chǎn)生影響, 但在一定溫度范圍內(nèi)這個(gè)影響是有規(guī)律的, 傳感器的設(shè)計(jì)中采用差分信號(hào), 同時(shí)水溫也可以感測, 通過溫度補(bǔ)償可以很好的解決這個(gè)問題。

(2) 水溫和流速一定時(shí)不同加熱功率下傳感器溫度隨時(shí)間的變化, 所得曲線圖如圖8所示。

圖8中, 橫軸是時(shí)間, 縱軸是傳感器探頭的溫度。在流速為0.01 m/s, 水溫為300 K的條件下, 分別測定了加熱功率為3×107W/m3、4×107W/m3、5×107W/m3、6×107W/m3、7×107W/m3、8×107W/m3時(shí)傳感器探頭溫度隨時(shí)間的變化。由圖可以看出, 持續(xù)加熱時(shí), 不同加熱功率下探頭所能達(dá)到的***高溫度不同, 探頭溫度隨時(shí)間變化接近指數(shù)規(guī)律。可以得出結(jié)論, 傳感器的設(shè)計(jì)能夠滿足加熱功率較小的要求。

(3) 水溫和加熱功率一定時(shí)不同流速下傳感器溫度隨時(shí)間的變化, 所得曲線圖如圖9所示。

圖9中, 橫軸是時(shí)間, 縱軸是傳感器探頭的溫度。在加熱功率為5×107W/m3, 水溫為300 K的條件下, 分別測定了流速為0.01 m/s、0.04 m/s、0.07 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s時(shí)傳感器探頭溫度隨時(shí)間的變化。由圖可以看出, 持續(xù)加熱時(shí), 不同的流動(dòng)速度下探頭所能達(dá)到的***高溫度不同, 探頭溫度隨時(shí)間變化有一定的規(guī)律, 可以通過這個(gè)規(guī)律來確定溫度與流速的關(guān)系, 進(jìn)而利用熱敏元件反應(yīng)溫度的變化, 形成與流速變化有聯(lián)系的信號(hào)。可以看到, 圖中一個(gè)特點(diǎn)很明顯, 流速大于0.1以后, 與小于0.1時(shí)相比差異很大?？梢葬槍?duì)這個(gè)特點(diǎn)確定傳感器設(shè)計(jì)適應(yīng)的測量范圍。

實(shí)驗(yàn)采用玻璃浮子流量計(jì)[12]作為流量測量參考, 通過調(diào)節(jié)水泵電壓控制流量變化, 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置如圖10所示。

熱敏電阻是一種對(duì)溫度變化非常敏感的原件, FLUENT仿真結(jié)果證明水溫的變化會(huì)對(duì)測量的影響是有規(guī)律的。當(dāng)水溫發(fā)生變化時(shí), 不同水溫下電壓與流量關(guān)系如圖11所示。

由圖11可以看出, 在15~50℃范圍內(nèi), 水溫的變化與整體電壓值的變化基本成線性關(guān)系, 通過處理可以使其基本不產(chǎn)生影響, 但在傳感器溫度與電壓值的函數(shù)關(guān)系中應(yīng)該加入水溫系數(shù), 這個(gè)變量在測量的同時(shí)反映出來, 所以, 需要將感測環(huán)境溫度的熱敏電阻產(chǎn)生的信號(hào)也加入處理環(huán)節(jié)中。

液體在溫度不變時(shí), 流速變化不會(huì)對(duì)U2產(chǎn)生影響。根據(jù)熱敏電阻的溫度特性, 可以通過U2來反映液體溫度的變化。不同水溫下U2值如圖12所示。

由圖12可以看出, 環(huán)境感測電壓U2與水溫基本是線性關(guān)系, 通過擬合可以得到關(guān)系式, 從而在處理程序設(shè)計(jì)中加入環(huán)境變量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

根據(jù)4.1節(jié)實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果, 可以找到一種函數(shù)關(guān)系, 將電路中電壓信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成流量的變化直接顯示出來。這就需要對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 通過曲線擬合和轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合使用多項(xiàng)式擬合和線性擬合, 通過MATLAB軟件來實(shí)現(xiàn)。

(1) 流量-電壓關(guān)系曲線多項(xiàng)式擬合結(jié)果 (m表示流量, 單位為L/h, u表示電壓, 單位為10 m V)

(2) 環(huán)境變量U2-水溫關(guān)系曲線線性擬合結(jié)果 (v表示電壓單位為10 m V, t表示水溫單位為℃) 如圖13所示。

由圖中參數(shù)可得:v=-1.9051*t+235.67

設(shè)計(jì)思想:以一個(gè)確定的水溫下的擬合結(jié)果為基準(zhǔn), 加入環(huán)境變量, 來顯示不同水溫下的流量與電壓關(guān)系。測量過程中, 水溫25℃是常溫, 未經(jīng)過調(diào)節(jié), 因而測量結(jié)果相對(duì)來說***, 因此選用25℃水溫為基準(zhǔn), 擬合結(jié)果如圖14所示。

由圖中參數(shù)可得:

加入環(huán)境變量:

由v=-1.9051t+235.67得

式中斜率-1.9051的含義是水溫t每升高1℃環(huán)境電壓下降1.9051 (10 m V) 。

因此當(dāng)水溫不是25℃時(shí), 可以通過以下關(guān)系式轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)情況 (其中U為任意水溫下的差模信號(hào)電壓)

通過式 (1) ~式 (3) 可以得到任意水溫下以25℃為基準(zhǔn)擬合的流量表達(dá)式。

測量流量時(shí), 通過調(diào)節(jié)水泵電壓控制流量, 記錄液體浮子流量計(jì)讀值以及對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管流量顯示值, 以及水溫顯示。測量結(jié)果如表1所示。

從表中測量結(jié)果可以看出, 流量為0 L/h和10 L/h時(shí), 傳感器測量值與玻璃浮子流量計(jì)測量值基本上對(duì)應(yīng), 但整體范圍內(nèi)誤差比較大。測量結(jié)果中的***大誤差值為100 L/h時(shí)9 L/h, ***大相對(duì)誤差為流量50 L/h時(shí)16%。流量測量是一項(xiàng)精度要求很高的測量, 這個(gè)結(jié)果顯然不夠理想, 因此, 傳感器仍需要很大的改進(jìn)和完善, 需要進(jìn)一步的研究和探索。

基于熱敏電阻的熱式液體流量傳感器設(shè)計(jì)在原理上是可行的, FLUENT軟件仿真結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證, 同時(shí), 流量測量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了傳感器能夠?qū)⒁后w流量變化轉(zhuǎn)化成有規(guī)律的電信號(hào)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差相對(duì)較大, 這其中有環(huán)境不穩(wěn)定的因素, 也有器材和方法上的欠缺, 傳感器設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的提高和完善, 對(duì)此提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)方法:

(1) 進(jìn)一步改進(jìn)探頭的設(shè)計(jì), 尋找合適的封裝材料以及外形設(shè)計(jì)。

(2) 進(jìn)行軟件濾波或者硬件濾波對(duì)信號(hào)加以處理。

(3) 在環(huán)境穩(wěn)定的條件下采用精度更高的AD轉(zhuǎn)換器。

(4) 通過更多的實(shí)驗(yàn)研究, 尋找更合適的擬合方法比如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合。