熱式氣體質(zhì)量流量傳感器測(cè)量特性研究

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1、天津大學(xué)碩士論文熱式氣體質(zhì)量流量傳感器測(cè)量特性研究Researchofmeasurementcharacteristicsofthermalgasmassflowsensor學(xué)科專業(yè)：控制科學(xué)與工程作者姓名：姚浩楠指導(dǎo)教師：徐英教授天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院二零一七年十一月摘要熱式氣體質(zhì)量流量傳感器是一種基于傳熱原理的流量測(cè)量傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓損小、量程范圍寬、過(guò)載無(wú)損害等優(yōu)點(diǎn)，如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中。但是目前利用熱式氣體質(zhì)量流量傳感器實(shí)現(xiàn)小流速的精確測(cè)量以及溫度、壓力等因素對(duì)其輸出信

2、號(hào)的影響，仍然是一個(gè)研究難點(diǎn)。本研究從傳熱機(jī)理出發(fā)，以King定律為基礎(chǔ)，深入研究熱式氣體質(zhì)量流量傳感器在不同工況下的測(cè)量特性。首先，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)比了三個(gè)常用的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱模型：King定律、Churchill&Bernstein公式、平板傳熱模型。以King定律為基礎(chǔ)，結(jié)合熱平衡方程，給出基于強(qiáng)迫對(duì)流換熱的熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的測(cè)量模型。其次，在小流速范圍內(nèi)（0.03m/s~1.00m/s），對(duì)自然對(duì)流的換熱模型進(jìn)行研究。通過(guò)改變流動(dòng)方向以及加熱電流的方式，探究自然對(duì)流對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的測(cè)量模型

3、的影響。再次，在小流速范圍內(nèi)，考慮自然對(duì)流的影響，改進(jìn)King定律，深入研究熱式氣體質(zhì)量流量傳感器的混合對(duì)流傳熱模型。針對(duì)恒流式熱式氣體質(zhì)量流量傳感器原理樣機(jī)，分析不同流速下自然對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流的關(guān)系。從自然對(duì)流的角度進(jìn)行分析，指出King定律模型中指數(shù)n與對(duì)流強(qiáng)度比GrRe2之間的變化規(guī)律。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立指數(shù)n的數(shù)學(xué)模型，提出一種適用于混合對(duì)流條件下的改進(jìn)的King定律模型，在低流速范圍內(nèi)（0.03~1.00m/s），與原King定律模型比較，質(zhì)量流量測(cè)量精度有較大提高。最后，被測(cè)氣體的壓力、溫度等因素的變

4、化會(huì)導(dǎo)致熱式氣體質(zhì)量流量傳感器傳熱過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而影響其輸出信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量精度降低。本研究采用物性參數(shù)的影響與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方式，對(duì)溫度、壓力對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量傳感器測(cè)量精度的影響進(jìn)行理論計(jì)算分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：熱式氣體質(zhì)量流量傳感器，強(qiáng)迫對(duì)流，自然對(duì)流，King定律，混合對(duì)流，溫度，壓力IABSTRACTThethermalgasmassflowsensorisaflowmeasurementsensorbasedontheprincipleofheattransfer.Ithastheadva

5、ntagesofsimplestructure,smallpressureloss,widemeasuringrangeandnooverloaddamage,andhasbeenwidelyusedinvariousindustrialscenes.However,itisstilldifficulttomeasurethesmallflowvelocityaccuratelyandstudytheinfluenceoftemperature,pressureandotherfactorsontheoutpu

6、tsignal.BasedontheKing'slaw,themeasurementcharacteristicsofthethermalgasmassflowsensorunderdifferentworkingconditionsarethoroughlystudiedinthisthesis.Firstly,threecommonlyusedforcedconvectionheattransfermodelsarecomparedwiththeexperimentaldata:King'slaw,Chur

7、chill&Bernsteinmodel,andheattransfermodeloftheplate.BasedtheKing’slaw,themeasurementmodelofthethermalgasmassflowsensorisgiven.Secondly,theheattransfermodeloffreeconvectionisstudiedatalowvelocityrange(0.03m/s~1.00m/s).Bychangingtheheatingcurrentandthedirectio

8、nofflow,theinfluenceoffreeconvectiononthemeasurementmodelofthermalgasmassflowsensorisdiscussed.Next,basedontheKing’slaw,amodifiedheattransfermodelofthemixedconvectionforthermalgasmassflowsensorw