HLMFM06 空氣流量測試流量計 質(zhì)量流量計

空氣流量測試流量計

質(zhì)量流量控制器傳感器采用微機械加工技術(shù)，實現(xiàn)微小流量測量，其特點是可靠性高、重復(fù)性好，壓損小，無可動部件，量程比寬，響應(yīng)時間較快，測量精度高，無需要溫度壓力補償，廣泛應(yīng)用于輕工化工環(huán)保及半導(dǎo)體等工業(yè)部門的空氣、氧氣、氬氣、氮氣等氣體的檢測和控制。

工作原理：

感熱式芯片技術(shù)是采用大規(guī)模集成電阻的工作，在芯片上，一個微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的*工藝制作的鏤空橋面上，采用這這樣的橋式方式制作有利于熱傳導(dǎo)，使動態(tài)響應(yīng)時間大大提高，當(dāng)傳感器工作時，微熱源與環(huán)境溫度之間保持一定的溫差（通常是70℃），在芯片周圍形成固定的溫度場分布，如果氣體是單向流動，則在氣道中溫度場可用下述公式來計算:

式中：氣體流動方向為ｘ，速度為ｖ，ａ為擴散率。如上圖（式）所示，當(dāng)氣體流過芯片時，將會帶走熱量，通過質(zhì)量流量qm和電壓V的對應(yīng)關(guān)系來計算流體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品特點：

·產(chǎn)品集成度高，集瞬間流量顯示、累計流量顯示和信號輸出一體，并可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、控制閥門

·微流量感熱式傳感器采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)和材料加工技術(shù)，使流量計的微流量測量靈敏度顯著提升

·微小流量氣體測量，ml/min級的微流量測控，實現(xiàn)微小流量測量的數(shù)字化

·單個芯片的流量特性的微處理技術(shù)，使流量計的量程范圍大大提高

·機電一體化優(yōu)化設(shè)計，智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使流量計具有更好的重復(fù)性，實現(xiàn)了計量的準(zhǔn)確、可靠

·結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，流量計的壓力損失達到*小化

·新的傳感技術(shù)，使流量計工作更穩(wěn)定、可靠

·零點自校功能，測量更準(zhǔn)確

·多種氣體實際標(biāo)定，全量程補償

·快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)自動存儲，配合上位機可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中管理

·規(guī)格齊全，量程范圍寬，可根據(jù)用戶要求單獨標(biāo)定

·精度等級高，滿足用戶高精度測量要求

·的流量計報警功能，使監(jiān)控更可靠

·操作、設(shè)置界面友好、簡便，可根據(jù)需要自行設(shè)定相關(guān)參數(shù)

·運用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)、玻璃鍍膜、石油化工行業(yè)微小氣體流量控制產(chǎn)品升級換代的優(yōu)選

技術(shù)參數(shù)：

·測量介質(zhì)：各種氣體（乙炔氣和混合氣體除外）

·測量管徑：DN3，6，8，10

·流量范圍：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100SLPM

·流量測量準(zhǔn)確度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作溫度范圍：-25℃-55℃

·工作壓力范圍：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供電電源：24VDC±10%；

·輸出信號：4-20mA，RS485通訊；

·環(huán)境溫度：-25℃-55℃

·顯示位數(shù)：瞬時流量為三位，累積流量10位。

外觀尺寸：

熱式氣體質(zhì)量流量計的設(shè)計與計算：

熱式氣體質(zhì)量流量計的設(shè)計與計算，該文設(shè)計開發(fā)了一種帶分支管和多孔整流器的恒功率型熱式氣體質(zhì)量流量計,利用傳感器測量的溫度差來反映管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量。利用CFD仿真技術(shù)對熱式氣體質(zhì)量流量計的溫度場和流場進行了數(shù)值計算。分析結(jié)果顯示分流道與主流道的質(zhì)量流量比與平均流速的線性關(guān)系良好,得到的流量計流量-溫差特性曲線的拐點符合理論預(yù)期。通過搭建專門的實驗平臺對流量計進行實際測試,測試結(jié)果顯示所開發(fā)的熱式氣體質(zhì)量流量計性能穩(wěn)定可靠。

隨著科技的迅猛發(fā)展, 生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高, 對于在生產(chǎn)過程中各種氣體液體的**測量的需求越來越高。在測量這些氣體液體的工具就是各式各樣的流量計。華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計是利用流體流過外熱源加熱的管道時產(chǎn)生的溫度場變化來測量流體質(zhì)量流量, 或利用加熱流體時流體溫度上升到某一值所需的能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系來測量流體質(zhì)量流量的一種流量儀表,可用于**測量各種氣體的流量。在基于不同原理的眾多類型流量測試方法中, 采用MEMS芯片溫度傳感器測熱的熱式氣體質(zhì)量流量計因為不需要體積-質(zhì)量變換、反應(yīng)敏捷、精度高而成為新一代氣體流量計的代表。

熱式氣體流量計設(shè)計的成敗關(guān)鍵在其流道結(jié)構(gòu)設(shè)計, 良好的流型與流態(tài)控制是準(zhǔn)確測量氣體質(zhì)量流量的重要前提。本文采用數(shù)值計算的方法輔助進行熱式氣體流量計的設(shè)計開發(fā), 對流量計的結(jié)構(gòu)、尺寸、流體流型流態(tài)、分流道與主流道的質(zhì)量流量比等進行了計算分析, 并對所開發(fā)的流量計進行了實際測試。
1 熱式質(zhì)量流量計測量原理
HLMFM06熱式質(zhì)量流量計的測量原理可以按照測量變量的不同分為恒溫差型和恒功率型。恒溫差型測量法是指保持加熱電阻與測溫電阻之間的溫差恒定, 控制和測量熱源的加熱功率, 熱源功率隨著流體流速的增大而增大。恒功率型測量法則是指保持熱源的功率恒定, 測量測溫元件的溫度的變化進而換算出具體流量。本文介紹的熱式質(zhì)量流量計采用的是恒功率測量法, 測量原理如圖1所示。
圖1 測量原理示意圖
流量傳感器被放置在靠近管內(nèi)壁的位置, 其中熱源以恒定功率加熱, 測溫電阻1和測溫電阻2對稱分布在熱源上下游。通過測溫電阻1和測溫電阻2可以測得在這2個位置氣體的溫差:
在管道中沒有氣體通過時, 測量管中的溫度分布如圖2中的實線所示, 相對于熱源中心的上、下游是對稱的;當(dāng)流體開始流動時, 流體將上游的部分熱量帶給下游, 導(dǎo)致溫度分布變化如圖2中虛線所示。
由電橋測出兩鉑電阻的平均溫差ΔT, 便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量, 即qm:
式中:A為感溫元件與周圍環(huán)境熱交換的熱傳導(dǎo)系數(shù);CP為被測量氣體的定壓比熱容;K為儀表常數(shù)。
2 華陸品牌熱式流量計結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計
在CFD計算中, 流體計算域是指流體流過的部分, 所以需要將流體區(qū)域從流量計的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中抽象出來。不包含流量計實體結(jié)構(gòu), 只包含流體區(qū)域的計算模型如圖3所示。
我們對同一管徑的流量計設(shè)計了多種尺寸的模型, 通過對仿真結(jié)果進行分析選擇出*佳的結(jié)構(gòu)尺寸。由于分流道結(jié)構(gòu)、整流器結(jié)構(gòu)和傳感器位置設(shè)計較為繁瑣, 此處不做贅述, 重點對影響較大的幾個宏觀尺寸參數(shù)如總長、分流道長度和整流器長度的不同進行分析比較, 設(shè)計參數(shù)如表1所示。

在這3個設(shè)計中, 整體結(jié)構(gòu)都如圖4所示, 主流道的直徑是都是30 mm, 分流道直徑都是4 mm, 整流器結(jié)構(gòu)都如圖5所示。在分流道長度的2/3處我們抽象出3個寬度為0.5 mm、1.5 mm、0.5 mm的凹槽, 代表芯片 (傳感器) 上3個半導(dǎo)體的位置, 分別是測溫電阻1, 發(fā)熱半導(dǎo)體以及測溫電阻2。
為了能應(yīng)用于大管徑流量測量并且保證管內(nèi)的氣體的層流流動, 采取了分流模式, 并在主流道加裝了多孔整流器。測量出分流道的流量qm后, 通過分流道與主流道的流量比就可以就算出總流量Qm。
3 流動與傳熱計算
3.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件
本文采用Workbench中的Meshing進行網(wǎng)格劃分。為了保證計算精度的同時, 不大幅增加計算時間, 我們對分流管部分的網(wǎng)格進行了加密處理, 并設(shè)置了邊界層, 如圖6所示。
數(shù)值計算采用穩(wěn)態(tài)求解, 湍流模型采用k-ε雙方程模型。表2是計算中所采用的相關(guān)參數(shù)和邊界條件。
3.2 計算結(jié)果與分析
3.2.1 流量比
本文設(shè)計的流量計結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣很大一部分取決于分流道和主流道在給定不同流速時的流量比是否穩(wěn)定。流量比不穩(wěn)定就代表分流道流量qm和主流道流量Qm的比值不定, 會直接造成華陸品牌流量計測量結(jié)果不準(zhǔn)確。所以流量比穩(wěn)定是保證HLMFM06流量計精度的必要條件之一。
每種型號的流量計分多次給定多個入口平均速度, 然后統(tǒng)計通過某些截面的流量。本文在分流道上創(chuàng)建了截面, 就可以查看通過分流道的質(zhì)量流量。表3列出了分流道流量和主流道流量的比值, 圖7為流速-流量比關(guān)系曲線。

從圖7中看出尺寸1的流量比不夠穩(wěn)定, 尺寸2和尺寸3相對比較好。綜合考慮尺寸大小及安裝問題, 選擇尺寸2作為流量計結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。
3.2.2 拐點分析
下面對尺寸2流量計的溫度場和流場等進行進一步分析, 結(jié)果如圖8～圖11所示。
從圖8和圖9中可以清楚看到入口平均速度0.2 m/s時的流量計內(nèi)流場的速度分布。
當(dāng)流體的流速v=0時, 在分流道處的溫度分布應(yīng)該是以熱源為對稱軸進行對稱分布的。從圖10可以看出, 我們設(shè)置入口流速為0 m/s, 整體溫度分布情況跟理論預(yù)測是一致的。
當(dāng)進入主流道的入口初速度為0.2 m/s時, 在分流道測溫位置的溫度分布情況如圖11所示。發(fā)熱半導(dǎo)體處溫度*高, 沿流動方向往下形成舌狀溫度分布。
在流體流量q從零開始增加的時候, 分流道芯片位置處的兩個傳感器測得的溫差也在隨之改變。通過多次改變進口的速度, 并根據(jù)單元溫度和尺寸參數(shù)得到兩個傳感器面上的平均溫度, 然后再求出溫度差, 從而得到流速與溫度差之間的關(guān)系。我們設(shè)置了25組不同的流速實驗, 速度從0 m/s開始一直到56.64 m/s, 直到溫度差從上升到開始下降出現(xiàn)拐點。具體的實驗數(shù)據(jù)如下表4和圖12所示。

通過表中和圖中的數(shù)據(jù)我們可以看到在流體的入口流速從0 m/s增加到4.72 m/s時, 此時的溫差增長速率是十分快的。也就意味著在這個區(qū)間內(nèi), 流體流速只需增大一點點, 兩個熱傳感器的溫度差就會有較大幅度的改變。
當(dāng)流速范圍屬于4.72 m/s～51.92 m/s左右時, 隨著流速的增長, 溫差得到緩慢的提升。而且當(dāng)流體流速越接近51.92 m/s附近時, 溫差增加的越緩慢, 當(dāng)流速達到51.92 m/s附近時, 溫差的增長也達到了 (圖像的拐點) 。
之所以會出現(xiàn)拐點, 是因為當(dāng)流速越來越快的時候, 當(dāng)流速由小增大時, 流體把更多的熱量帶往下游, 下游測溫電阻所測溫度提高, 所以兩個測溫電阻的溫差增大。當(dāng)流速增大到一定程度時, 下游測溫電阻所測溫度會達到極值。此時如果再增大流速, 由于熱量非?？斓乇涣黧w帶走, 下游所測溫度反而開始下降, 就形成了如圖12中所反映出來的溫差拐點。如果流體的流量超過這個圖像的拐點, 可以從圖中看出, 溫差開始有下降的趨勢。拐點之后的測試需要一些特殊的數(shù)據(jù)處理方法。
4 流量計性能測試
流量計做樣機后 (如圖13所示) , 對其進行了一系列實驗以驗證其性能。將標(biāo)準(zhǔn)HLMFM06流量計和所開發(fā)流量計串聯(lián) (如圖14所示) , 通過給定不同的氣壓, 用標(biāo)準(zhǔn)流量計測得流量, 并得到本文流量計的原始電壓數(shù)值, 如表5和圖15所示。

由于電路結(jié)構(gòu), 流量計會有一個起始電壓約為8700 mV。由圖15可以看出拐點在2200 L/min, 換算成流速約為50 m/s, 和仿真的結(jié)果非常接近。圖中從100 L/min到500 L/min這一段曲線不夠平滑是因為氣源輕微波動引起。
5 結(jié)語
借助對熱式質(zhì)量流量計的流場和溫度場進行數(shù)值計算, 設(shè)計出了結(jié)構(gòu)較佳的熱式氣體流量計, 極大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期, 降低了研發(fā)成本。計算所得溫差拐點和實測拐點吻合良好, 分流道和主流道的質(zhì)量流量比穩(wěn)定在1.04%左右。實際性能測試中, 流量計的流量和電壓關(guān)系曲線良好, 且拐點在50 m/s, 測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)流量吻合。