热式气体质量流量传感器测量特性研究

摘要

热式气体质量流量传感器是一种基于传热原理的流量测量传感器，具有结构简单、压损小、量程范围宽、过载无损害等优点，如今已经被广泛应用在了各种工业现场中。但是目前利用热式气体质量流量传感器实现小流速的精确测量以及温度、压力等因素对其输出信号的影响，仍然是一个研究难点。 本研究从传热机理出发，以King定律为基础，深入研究热式气体质量流量传感器在不同工况下的测量特性。 首先，结合实验数据，对比了三个常用的强迫对流传热模型：King 定律、Churchill&Bernstein公式、平板传热模型。以King定律为基础，结合热平衡方程，给出基于强迫对流换热的热式气体质量流量传感器的测量模型。 其次，在小流速范围内（0.03m/s～1.00m/s），对自然对流的换热模型进行研究。通过改变流动方向以及加热电流的方式，探究自然对流对热式气体质量流量传感器的测量模型的影响。 再次，在小流速范围内，考虑自然对流的影响，改进King定律，深入研究热式气体质量流量传感器的混合对流传热模型。针对恒流式热式气体质量流量传感器原理样机，分析不同流速下自然对流与强迫对流的关系。从自然对流的角度进行分析，指出 King 定律模型中指数n与对流强度比 2Gr Re 之间的变化规律。结合实验数据，建立指数n的数学模型，提出一种适用于混合对流条件下的改进的King定律模型，在低流速范围内（0.03～1.00m/s），与原King定律模型比较，质量流量测量精度有较大提高。 最后，被测气体的压力、温度等因素的变化会导致热式气体质量流量传感器传热过程发生变化，进而影响其输出信号，导致测量精度降低。本研究采用物性参数的影响与经验公式相结合的方式，对温度、压力对热式气体质量流量传感器测量精度的影响进行理论计算分析，并通过实验验证。

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