基于二次温度差分原理的测热型质量流量检测方法

摘要

本发明公开了一种基于二次温度差分原理的测热型质量流量检测方法。将加热器垂直于流动方向放入一维流动的流体之中，温度传感元件沿流动方向对称分布在加热器两侧，分别位于加热器的上游位置和下游位置；当流体流动时，位于加热器上游的温度传感元件测出上游两点位置的温度之差，位于加热器下游的温度传感元件测出下游两点位置的温度之差；通过后端差动放大电路及二次仪表，将输出的两个温度差再进行差分运算，最终得到一个流体温度二次差分的反映流速信息的信号。在保证对低速段线性度影响较小的情况下，将流速和输出电压的关系曲线的饱和点往后推至50m/s以后，量程范围扩大了10倍以上。特别适用于成分恒定的气体的中、低速范围的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种质量流量检测方法，特别是涉及一种在对成分恒定的气体的中、低速的质量测量中，用于增大测热型检测方法量程范围的，一种基于二次温度差分原理的测热型质量流量检测方法。

背景技术

一般的测热型质量流量测量方法具有以下一些共同的方面：通过一个处于温度传感器中央的加热器对流体进行局部加热，在流场中形成一个与流速相关的热场分布。然后再通过分布在加热器两侧的温度传感器检测所在位置的流场温度分布情况，由此得到流量和流向的信息。

传统的测热型质量流量检测方法在1993年由Theo S.J.Lammerink提出，他采取在加热器两端对称分布两个温度传感器。在固定流向下，温度传感器分布于相对于加热器的上游和下游。通过对检测到的下游温度和上游温度进行减法运算得到与流速相关的电信号曲线。该测量方式的特点是信号在低速段具有良好的线性度，有利于对极低流速进行精确测量，如图3所示。缺点是信号在流速升高时容易饱和并开始衰减，使该测量方法的测量范围限制在很低的范围之内，无法扩大应用范围。

1997年由N.T.Nguyen提出了在加热器两侧不对称分布温度传感器的方法，该方法通过增大上游温度传感器与加热器之间的距离，减小下游温度传感器与加热器之间的距离，然后将这两个温度值相减，得到流速信息。由此获得的上下游温度差曲线虽然在低速段线性度受到影响，但是曲线的饱和点得以后移，从而增大了测量范围。但是该方法的测量范围并没有得到显著的提高，仍然主要适用于微流控系统和极低流速的测量需要。

发明内容

为了克服上述方法的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于二次温度差分原理的测热型质量流量检测方法，特别适用于气体的中、低流量的测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

将加热器垂直于流动方向放入一维流动的流体之中，温度传感元件沿流动方向对称分布在加热器两侧，分别位于加热器的上游位置和下游位置；当流体流动时，位于加热器上游的温度传感元件测出上游两点位置的温度之差，位于加热器下游的温度传感元件测出下游两点位置的温度之差；通过后端差动放大电路及二次仪表，将输出的两个温度差再进行差分运算，最终得到一个流体温度二次差分的反映流速信息的信号；该测量方法如下：

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则上游温度差：ΔT_up＝T_up1-T_up2

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则下游温度差：ΔT_down＝T_down1-T_down2

则最终输出的温度差信息为：ΔT＝ΔT_down-ΔT_up

此处：

T_h—加热器温度

k_F—流体热导率

δ—边界层厚度

v—平均流速

α—流体热扩散率

k_si—衬底材料热导率

κ＝0.5+k_sit_d/k_Fδ，为无量纲因子

L_up1—上游靠近加热器的温度感应点与加热器的距离

L_up2—上游远离加热器的温度感应点与加热器的距离

L_down1—下游靠近加热器的温度感应点与加热器的距离

L_down2—下游远离加热器的温度感应点与加热器的距离

T_up1—上游靠近加热器的温度感应点温度

T_up2—上游远离加热器的温度感应点温度

T_down1—下游靠近加热器的温度感应点温度

T_down2—下游远离加热器的温度感应点温度

ΔT_up—上游温度差

ΔT_down—下游温度差

ΔT—二次差分处理后最终得出的温度差信息由此绘出流速v与ΔT之间的关系曲线。通过测ΔT来测定流速。

使用的温度传感元件为热电堆或者测量单点温度的金属制温度敏感元件。

本发明具有的有益的效果是：

由于通过对上下游温度差进行差动运算，从而在保证对低速段线性度影响较小的情况下，将流速和输出电压的关系曲线的饱和点往后推至50m/s以后，量程范围扩大了10倍以上。在较高流速下，曲线斜率随速度升高而发生的下降缓慢均匀，没有出现大的抖动，有利于进行线性插值。在低速段，线性度比加热器两端对称分布温度传感器的测量方法要差，但是比加热器两端不对称分布温度传感器的方法要好。数值计算结果与实验结果吻合较好，证明该方法有效。

附图说明

图1为热电堆方式传感器原理示意图；

图2为点分布式温度传感器方式传感器原理示意图；

图3为数值计算得到的传统测热式流量传感器的流速-温度差曲线；

图4为数值计算得到的基于二次温度差分的测热型原理实现的传感器的流速-温度差曲线；

图5为实验测得的传感器的流速-输出电压曲线。

具体实施方式

将加热器垂直于流动方向放入一维流动的流体之中，温度传感元件沿流动方向对称分布在加热器两侧，分别位于加热器的上游位置和下游位置；当流体流动时，位于加热器上游的温度传感元件测出上游两点位置的温度之差，位于加热器下游的温度传感元件测出下游两点位置的温度之差；通过后端差动放大电路及二次仪表，将输出的两个温度差再进行差分运算，最终得到一个流体温度二次差分的反映流速信息的信号；该测量方法如下：

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则下游温度差：ΔT_down＝T_down1-T_down2

则最终输出的温度差信息为：ΔT＝ΔT_down-ΔT_up

此处：

T_h—加热器温度

k_F—流体热导率

δ—边界层厚度

v—平均流速

α—流体热扩散率

k_si—衬底材料热导率

κ＝0.5+k_sit_d/k_Fδ，为无量纲因子

L_up1—上游靠近加热器的温度感应点与加热器的距离

L_up2—上游远离加热器的温度感应点与加热器的距离

L_down1—下游靠近加热器的温度感应点与加热器的距离

L_down2—下游远离加热器的温度感应点与加热器的距离

T_up1—上游靠近加热器的温度感应点温度

T_up2—上游远离加热器的温度感应点温度

T_down1—下游靠近加热器的温度感应点温度

T_down2—下游远离加热器的温度感应点温度

ΔT_up—上游温度差

ΔT_down—下游温度差

ΔT—二次差分处理后最终得出的温度差信息

由此绘出流速v与ΔT之间的关系曲线。通过测ΔT来测定流速。

通过以上公式所得的数值计算结果如图5所示。通过实验得到的传感器流量-电压曲线如图4所示。两者吻合较好，证明该方法有效。

使用的温度传感元件为热电堆或者测量单点温度的金属制温度敏感元件。采用热电堆作为温度传感元件的实施方案如图1所示，加热器3由电源1进行供电。将两个热电堆2、4沿流动方向对称分布在加热器3两侧，一个热电堆2于加热器3上游，另一个热电堆4位于加热器3下游。热电堆2，4的热端靠近加热器3，冷端远离加热器3。当流体流动时，热电堆2、4由于热端和冷端两点具有温度差而产生塞贝克效应，输出与温度差成正比的电压信号。由此，上游热电堆输出上游两点的温度差信号，下游热电堆输出下游两点的温度差信号。通过后端一次差动放大电路及二次仪表5，将两个温度差信号进行差分运算，从而得到反映流速信息的电压信号。

采用测量单点温度的金属制温度敏感元件的实施方案如图2所示，加热器3由电源1进行供电。将4个温度敏感元件6、7、8、9沿流动方向对称分布于加热器3的两侧，其中温度敏感元件6、7位于加热器3的上游，温度敏感元件8、9位于加热器3的下游。当流体流动时，温度敏感元件6、7测出加热器3上游两点的实际温度，温度敏感元件8、9测出加热器3下游两点的实际温度。通过二次差动放大电路及二次仪表10，可以得到上游两点的温度差信号和下游两点的温度差信号，并且将两个温度差相减，从而输出反映流速信息的电压信号。