熱式流量傳感器是根據介質熱傳遞原理制成的傳感器, 利用傳熱學和流體學理論, 采用熱平衡原理建立熱敏元件的熱量損失與流體流速、質量流量之間的函數關系[1], 從而獲得流體流速、流量, 一般用來測量流體的質量流量。熱式流量傳感器按流體對檢測元件熱源的熱量作用可分為熱消散效應和熱分布式效應, 目前, 基于熱消散效應的流量計發展迅速, 性能穩定, 市場需求大, 應用范圍廣[2-3]。

根據不同的測量關系, 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, 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、熱分布型流量計和非接觸式的邊界層流量計;另一種稱為熱導式, 這種方法是在流動的流體中放置發熱元件, 其溫度場隨流速產生變化, 可以通過檢測發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, 熱線風速儀等[4-5]。

目前, 基于熱式原理的流量傳感器設計與研究多用于氣體流量測量, 文中所設計的熱式流量傳感器是基于熱消散效應的熱導式浸入型液體流量傳感器。

探頭設計采用浸入式, 它由兩個感溫熱敏電阻和一個加熱電阻構成, 其中一個熱敏電阻RT1作為測溫元件感測流體溫度, 另一個熱敏電阻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, 即負溫度系數, 泛指負溫度系數很大的半導體材料或元器件。MF58玻封熱敏電阻電阻-時間特性如圖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 (熱敏指數) 值[7]。

測量探頭采用一個小阻值電阻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, 在電路中產生電信號的變化。熱敏電阻RT1處于流體中并且遠離加熱電阻, 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測量產生的影響。為了避免加熱電阻產生的熱量影響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, 當流體介質靜止時, 系統處于熱平衡狀態, 2個熱敏電阻溫差恒定, 電阻值不變。當流體介質流動時, 就會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個熱敏電阻相對于熱平衡狀態時出現阻值差。隨著流速的增大, 帶走加熱電阻的熱量就越多, 電阻相對差值也越大, 電阻差值是流體流速的函數。但是, 當達到一定的流速后, 流速再加快熱敏電阻RT2阻值就不會進一步增大, 2個二極管的溫差就會趨于恒定, 從而電阻差值也趨向于恒定。

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

輸出電壓U1作為差模信號輸出, U2為環境溫度感測變量輸出, 作為溫度補償[8]。在流體靜止時, 可以通過調節RP實現直流雙臂電橋的平衡, 使差模信號U1歸零。

流體流量變化時, 信號采集電路采集信號后, 要經過信號放大、A/D轉換、信號處理和數據顯示過程, 包括信號采集電路和電源電路, 信號處理系統主要分為六部分, 如圖4所示。

流量變化不大時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, 系統需要信號放大的環節。電橋輸出電壓為差模信號, 而AD轉換電路輸入端為單端輸入, 故放大電路使用雙端輸入、單端輸出的儀器運算放大器, 電路中采用集成儀器運算放大器AD623。

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

經過A/D轉換后將數據輸入8051單片機中, 單片機將輸入數據處理完畢后, 處理結果輸送給數碼管, 顯示流量值。

系統軟件設計主要是對8051單片機進行編程, 實現對AD轉換后的信號進行讀取, 并處理數據進行顯示。為了檢測環境溫度變化的影響, 系統可以控制顯示液體溫度, 通過按鍵實現環境溫度和液體流量顯示的切換, 軟件設計流程圖如圖5所示。

文中對傳感器探頭的仿真分析采用了流體力學軟件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的復雜流動。由于采用了多重網格加速收斂技術和多種求解方法, FLUENT能夠達到***佳的收斂速度和求解精度。同時, 其基于解的自適應網格技術和靈活的非結構化網格以及成熟的物理模型, 使FLUENT在傳熱與相變、多相流、化學反應與燃燒、轉捩與湍流、動/變形網格、旋轉機械、噪聲、材料加工、燃料電池等方面有廣泛應用[10-11]。

在理想狀態下, 傳感器處于穩定的流動液體中, 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定的。而在實際的液體流動中, 浸入液體的固體所處的流動環境和熱量環境都相當復雜。比如傳感器的外形, 不同的外形在液體流動時會產生不同的湍流類型, 而湍流對熱量的消散影響很大。又如傳感器的封裝材料, 其導熱性能直接影響熱量的變化。再如傳感器適應較高流速還是較低流速, 環境變化對加熱功率的要求, 以及水溫對傳感器的影響等等。FLUENT軟件功具有強大的模擬仿真功能, 能夠很好地模擬液體流過時傳感器探頭在管道中所處溫度場的變化。仿真過程中可以設置湍流參數、封裝材料等以***大程度接近實際。

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, 仿真內容針對三方面的問題:

(1) 文中所研究的傳感器是基于熱式原理, 因而其對溫度是非常敏感的, 流體溫度的影響必須考慮, 這是一個關鍵的問題, 它決定了傳感器的設計是否適應流體溫度環境的變化, 進而決定了它是否有實用價值。從這個角度考慮, 仿真的步便測試流速和加熱功率一定時不同水溫下傳感器溫度隨時間的變化。

(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, 而出于信號處理電路中供電條件以及低能耗、環保的要求下, 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不同加熱功率下傳感器溫度隨時間的變化。

(3) 在以上兩個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不同流速下傳感器溫度隨時間的變化。

具體的操作過程采用脈沖式加熱測量, 先持續加熱, 直到傳感器探頭的溫度不再上升, 達到熱平衡, 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 (整個過程通過操作FLUENT軟件實現) 。

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

圖7中, 橫軸是時間, 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時傳感器探頭溫度隨時間的變化。由圖可以看出, 持續加熱時, 不同水溫下探頭所能達到的***高溫度不同, 但在290~315 K (即15~40℃) 溫度范圍內基本上成線性關系。停止加熱3 s的過程中, 探頭的溫度隨水流動下降, 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。可以得出結論, 水溫的變化會對傳感器探頭的溫度產生影響, 但在一定溫度范圍內這個影響是有規律的, 傳感器的設計中采用差分信號, 同時水溫也可以感測, 通過溫度補償可以很好的解決這個問題。

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

圖8中, 橫軸是時間, 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時傳感器探頭溫度隨時間的變化。由圖可以看出, 持續加熱時, 不同加熱功率下探頭所能達到的***高溫度不同, 探頭溫度隨時間變化接近指數規律。可以得出結論, 傳感器的設計能夠滿足加熱功率較小的要求。

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

圖9中, 橫軸是時間, 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時傳感器探頭溫度隨時間的變化。由圖可以看出, 持續加熱時, 不同的流動速度下探頭所能達到的***高溫度不同, 探頭溫度隨時間變化有一定的規律, 可以通過這個規律來確定溫度與流速的關系, 進而利用熱敏元件反應溫度的變化, 形成與流速變化有聯系的信號。可以看到, 圖中一個特點很明顯, 流速大于0.1以后, 與小于0.1時相比差異很大。可以針對這個特點確定傳感器設計適應的測量范圍。

實驗采用玻璃浮子流量計[12]作為流量測量參考, 通過調節水泵電壓控制流量變化, 實驗系統裝置如圖10所示。

熱敏電阻是一種對溫度變化非常敏感的原件, FLUENT仿真結果證明水溫的變化會對測量的影響是有規律的。當水溫發生變化時, 不同水溫下電壓與流量關系如圖11所示。

由圖11可以看出, 在15~50℃范圍內, 水溫的變化與整體電壓值的變化基本成線性關系, 通過處理可以使其基本不產生影響, 但在傳感器溫度與電壓值的函數關系中應該加入水溫系數, 這個變量在測量的同時反映出來, 所以, 需要將感測環境溫度的熱敏電阻產生的信號也加入處理環節中。

液體在溫度不變時, 流速變化不會對U2產生影響。根據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, 環境感測電壓U2與水溫基本是線性關系, 通過擬合可以得到關系式, 從而在處理程序設計中加入環境變量進行溫度補償。

根據4.1節實驗的測量結果, 可以找到一種函數關系, 將電路中電壓信號的變化轉換成流量的變化直接顯示出來。這就需要對所得數據進行處理, 通過曲線擬合和轉換函數的設計來實現。

對測量數據進行曲線擬合使用多項式擬合和線性擬合, 通過MATLAB軟件來實現。

(1) 流量-電壓關系曲線多項式擬合結果 (m表示流量, 單位為L/h, u表示電壓, 單位為10 m V)

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

由圖中參數可得:v=-1.9051*t+235.67

設計思想:以一個確定的水溫下的擬合結果為基準, 加入環境變量, 來顯示不同水溫下的流量與電壓關系。測量過程中, 水溫25℃是常溫, 未經過調節, 因而測量結果相對來說***, 因此選用25℃水溫為基準, 擬合結果如圖14所示。

由圖中參數可得:

加入環境變量:

由v=-1.9051t+235.67得

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

因此當水溫不是25℃時, 可以通過以下關系式轉化為基準情況 (其中U為任意水溫下的差模信號電壓)

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

測量流量時, 通過調節水泵電壓控制流量, 記錄液體浮子流量計讀值以及對應的數碼管流量顯示值, 以及水溫顯示。測量結果如表1所示。

從表中測量結果可以看出, 流量為0 L/h和10 L/h時, 傳感器測量值與玻璃浮子流量計測量值基本上對應, 但整體范圍內誤差比較大。測量結果中的***大誤差值為100 L/h時9 L/h, ***大相對誤差為流量50 L/h時16%。流量測量是一項精度要求很高的測量, 這個結果顯然不夠理想, 因此, 傳感器仍需要很大的改進和完善, 需要進一步的研究和探索。

基于熱敏電阻的熱式液體流量傳感器設計在原理上是可行的, FLUENT軟件仿真結果對此進行了驗證, 同時, 流量測量實驗證實了傳感器能夠將液體流量變化轉化成有規律的電信號變化。實驗結果誤差相對較大, 這其中有環境不穩定的因素, 也有器材和方法上的欠缺, 傳感器設計還需要進一步的提高和完善, 對此提出以下幾點改進方法:

(1) 進一步改進探頭的設計, 尋找合適的封裝材料以及外形設計。

(2) 進行軟件濾波或者硬件濾波對信號加以處理。

(3) 在環境穩定的條件下采用精度更高的AD轉換器。

(4) 通過更多的實驗研究, 尋找更合適的擬合方法比如對數據進行分段擬合。