高振斌，潘　星，田　豐，張　暉

(河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津　300401)

0　引言

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(lái)測(cè)量流體的質(zhì)量流量。熱式流量傳感器按流體對(duì)檢測(cè)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(chǎng)需求大，應(yīng)用范圍廣[2-3]。

根據(jù)不同的測(cè)量關(guān)系，熱式流量傳感器一般有兩種測(cè)量方法：一種是熱量式，通過(guò)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(guò)檢測(cè)溫度變化來(lái)求出流量，使用這種測(cè)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(chēng)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(chǎng)隨流速產(chǎn)生變化，可以通過(guò)檢測(cè)發(fā)熱元件被冷卻程度來(lái)測(cè)量流量，使用這種測(cè)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(cè)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。

1　傳感器探頭模型及測(cè)量原理

1．1探頭模型

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(cè)溫元件感測(cè)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(cè)流體流速[6]。傳感器模型如圖1所示。

圖1　傳感器探頭模型

熱敏電阻采用MF58 NTC熱敏電阻。NTC是Negative Temperature Coefficient 的縮寫(xiě)，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2　B值相同，阻值不同的電阻-時(shí)間特性曲線

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]。

1．2測(cè)量原理

測(cè)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(lái)感知所測(cè)流體溫度，用以修正流體溫度對(duì)測(cè)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(cè)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。

2　信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1信號(hào)采集電路

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。

圖3　信號(hào)采集電路

輸出電壓U1作為差模信號(hào)輸出，U2為環(huán)境溫度感測(cè)變量輸出，作為溫度補(bǔ)償[8]。在流體靜止時(shí)，可以通過(guò)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。

2．2信號(hào)處理系統(tǒng)框架

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(guò)信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)顯示過(guò)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。

圖4　信號(hào)處理系統(tǒng)

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(cè)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(jiǎn)單等特點(diǎn)，適用于工程檢測(cè)、儀器儀表、傳感器等方面[9]。

經(jīng)過(guò)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。

2．3系統(tǒng)軟件

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(cè)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(guò)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。

圖5　軟件流程圖

3　仿真分析

3．1流體力學(xué)軟件FLUENT簡(jiǎn)介

文中對(duì)傳感器探頭的仿真分析采用了流體力學(xué)軟件FLUENT．FLUENT軟件是一種通用CFD軟件，用來(lái)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，F(xiàn)LUENT能夠達(dá)到最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]。

3．2仿真方法

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(chǎng)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(lèi)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(guò)時(shí)傳感器探頭在管道中所處溫度場(chǎng)的變化。仿真過(guò)程中可以設(shè)置湍流參數(shù)、封裝材料等以最大程度接近實(shí)際。

仿真的過(guò)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。

圖6　仿真模型圖

在這樣的確定條件下，仿真內(nèi)容針對(duì)三方面的問(wèn)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(wèn)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，仿真的第一步便測(cè)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(cè)量，而極少用于液體流量的測(cè)量，其中一個(gè)主要原因就是利用熱式原理測(cè)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(wèn)題。所以，仿真的第二步測(cè)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(cè)定傳感器的特性，測(cè)定它適用的流速范圍，第三步測(cè)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(guò)程采用脈沖式加熱測(cè)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(guò)程通過(guò)操作FLUENT軟件實(shí)現(xiàn))。

3．3仿真結(jié)果

(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　流速和加熱功率一定時(shí)溫度-時(shí)間圖

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(cè)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)到的最高溫度不同，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(guò)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(guò)程中，曲線也都基本平行。可以得出結(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(cè)，通過(guò)溫度補(bǔ)償可以很好的解決這個(gè)問(wèn)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　水溫和流速一定時(shí)溫度-時(shí)間圖

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(cè)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)到的最高溫度不同，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。

圖9　水溫和加熱功率一定時(shí)溫度-時(shí)間圖

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(cè)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)到的最高溫度不同，探頭溫度隨時(shí)間變化有一定的規(guī)律，可以通過(guò)這個(gè)規(guī)律來(lái)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)?？梢钥吹?，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(cè)量范圍。

4　實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用玻璃浮子流量計(jì)[12]作為流量測(cè)量參考，通過(guò)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。

圖10　實(shí)驗(yàn)裝置圖

4．1不同水溫下傳感器特性

熱敏電阻是一種對(duì)溫度變化非常敏感的原件，F(xiàn)LUENT仿真結(jié)果證明水溫的變化會(huì)對(duì)測(cè)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。

圖11　不同水溫下電壓-流量圖

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(guò)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(cè)量的同時(shí)反映出來(lái)，所以，需要將感測(cè)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。

4．2環(huán)境溫度變量

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(guò)U2來(lái)反映液體溫度的變化。不同水溫下U2值如圖12所示。

圖12　環(huán)境感測(cè)電壓U2-水溫關(guān)系圖

由圖12可以看出，環(huán)境感測(cè)電壓U2與水溫基本是線性關(guān)系，通過(guò)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。

4．3曲線擬合

發(fā)動(dòng)機(jī) ......................................................5.2升V10自然吸氣

根據(jù)4．1節(jié)實(shí)驗(yàn)的測(cè)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(lái)。這就需要對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)曲線擬合和轉(zhuǎn)換函數(shù)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)測(cè)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(guò)MATLAB軟件來(lái)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(zhǎng)/h，u表示電壓，單位為10 mV)

15℃：m=-0.31u3+9．6u2-39u+41

20℃：m=-2.4u3+13u2-35u+40

25℃：m=-2.9u3+13u2-35u+40

30℃：m=-5.1u3+12u2-29u+41

35℃：m=-5，3u3+6．6u2-21u+45

40℃：m=-2.5u3+8．8u2-32u+43

45℃：m=-5.1u3+15u2-31u+40

50℃：m=-4.5u3+11u2-30u+42

(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?jiǎn)挝粸?0 mV，t表示水溫單位為℃)如圖13所示。

圖13　U2-水溫?cái)M合結(jié)果

由圖中參數(shù)可得：v=-1.9051*t+235.67

4．4函數(shù)設(shè)計(jì)

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(lái)顯示不同水溫下的流量與電壓關(guān)系。測(cè)量過(guò)程中，水溫25℃是常溫，未經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，因而測(cè)量結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)最精確，因此選用25℃水溫為基準(zhǔn)，擬合結(jié)果如圖14所示。

圖14　25℃水溫時(shí)擬合結(jié)果

由圖中參數(shù)可得：

m=-2.9454u3+13．217u2-34.639u+39.876

(1)

加入環(huán)境變量：

由v=-1.9051t+235.67得

t=(235.67-v)/1.9051

(2)

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 mV)。

因此當(dāng)水溫不是25℃時(shí)，可以通過(guò)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)

u=U+(t-25)·(-1.9051)

(3)

通過(guò)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。

4．5流量測(cè)量

測(cè)量流量時(shí)，通過(guò)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(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1　流量測(cè)量結(jié)果

從表中測(cè)量結(jié)果可以看出，流量為0 L/h和10 L/h時(shí)，傳感器測(cè)量值與玻璃浮子流量計(jì)測(cè)量值基本上對(duì)應(yīng)，但整體范圍內(nèi)誤差比較大。測(cè)量結(jié)果中的最大誤差值為100 L/h時(shí)9 L/h，最大相對(duì)誤差為流量50 L/h時(shí)16%。流量測(cè)量是一項(xiàng)精度要求很高的測(cè)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。

5　結(jié)束語(yǔ)

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，F(xiàn)LUENT軟件仿真結(jié)果對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)，流量測(cè)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(guò)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。

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