摘 要：传统的天然气流量计主要采用容积计量，容易受天然气压力和温度的影响，而且不能反映天然气的成分变化（质量变化）。另外，现有计量仪表不能很好地计量出较小的流量，对较大的流量又存在饱和等问题，严重影响了计量的准确性。本文介绍一种根据传热原理，基于MEMS技术的传感器系统。利用MEMS技术设计的传感器系统体积小、测量准确度高、误差小，可以精确测量管道内气体的质量流量。通过FLUENT仿真技术对流场进行仿真，通过对传感器不同插入位置的仿真，找到管道内的最佳测量位置，并通过实验验证仿真结果，保证仿真结果的准确性，提高传感器的测量准确度。

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    传统的天然气流量计主要采用容积计量，容易受天然气压力和温度的影响，而且不能反映天然气的成分变化（质量变化）。另外，现有计量仪表不能很好地计量出较小的流量，对较大的流量又存在饱和等问题，严重影响了计量的准确性。本文介绍一种根据传热原理，基于MEMS技术的传感器系统。利用MEMS技术设计的传感器系统体积小、测量准确度高、误差小，可以精确测量管道内气体的质量流量。通过FLUENT仿真技术对流场进行仿真，通过对传感器不同插入位置的仿真，找到管道内的最佳测量位置，并通过实验验证仿真结果，保证仿真结果的准确性，提高传感器的测量准确度。

    一、热式气体质量流量计设计原理

    热式气体质量流量计的测量原理多种多样，本文介绍的是一种采用热扩散原理，基于金氏定律，结合现代微电子技术，设计出的新型的热式气体质量流量计。其工作原理如图1所示。

图1 结构原理图

    它有两个分别置于气流中的铂电阻温度传感器探头S₁和S₂，其中探头S₁测气体气流温度T_f，另一探头S₂置于恒热源旁边，检测被气体带走热量后的温度T_w。当气体流态稳定时，探头与周围介质处于近似热平衡状态，此时的系统热平衡方程为

    H=Q₁+Q₂+Q₃    （1）

    式中：H——电流对热探头S₂的加热值；Q₁——热探头与流体间的对流换热；Q₂——热探头向测量杆构架的导热量；Q₃——热探头向周围辐射的热量。

    利用传热学理论，结合热式气体质量流量计工作的场合，对于实际热交换过程，对流换热Q₁是整个热交换过程的关键，在误差允许的范围内，导热量Q₂和辐射热量Q₃均可忽略不计。则式（1）可简化为

    H=Q₁=Q   （2）

    基于金式定律，达到热平衡时，对流引起的热耗散为Q可以用式（3）表示：

        （3）

    式中：l和d——热电阻丝的长度和直径；ρ、c_p、V、k——气流的密度、定压比热、流速和导热系数。

    式（3）可改写为

        （4）

    其中：

    a=kl

    

    对于一定的流量计和一定的被测介质，a、b均为常数。

    热电阻丝单位时间内产生的焦耳热为

    W=I²R   （5）

    当达到热平衡时有

        （6）

    保持（T_w-T_f）不变，R为常数，则电流I就是计算质量流量的参数，电流I的平方I²与质量流量的平方根成正比，电流I又可以通过输出的加热电压U得到。因此，保持温度差不变，通过测量电压U便可得到气体的质量流量。

    二、传感器系统的设计

    图2反映了传感器探头的布局情况，为了降低两个铂电阻之间的影响，传感器的两个探头采用交错分布的方式，并且在两个铂电阻之间加上隔热胶，减少因为探头之间的对流换热造成的影响。可以看到通过MEMS技术能将两根铂电阻丝集成在很小的硅片基体上。封装后的传感器体积可以做到很小，减小对原有流场的破坏，且具有非常好的热传导性。    

图2 传感器探头的布局情况

    三、流量计的功能

    笔者研究出的新型热式质量流量计样机，使测量准确度由目前的10%提高到了1.5%，达到了天然气计量的准确度。流量范围由目前的1∶40提高到了1∶100，使1台流量计的测量范围替代了原有3台流量计的组合，提高了天然气流量仪表的性能和功效。技术方面，达到以下技术指标：

    （1）口径：50mm。

    （2）测量准确度：1.5级。

    （3）最大流量：200m3/h。

    （4）测量范围：1∶100。

    （5）响应时间：≤100ms。

    （6）供电方式：（8~24）VDC。

    （7）输出：RS485接口与计算机连接，调整相关的参数，输出用户需要的瞬时流量、累积流量、实时温度。

    四、流场仿真与研究

    FLUENT是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件。笔者利用FLU-ENT软件对所设计的管道模型进行仿真，并对实验结果进行研究分析，找出传感器的最佳放置位置。    

    1.模型的建立和网格的划分

    本文在数值模拟中采用的物理模型管道长为200mm、内径为25mm，流体整直器是带穿孔的柱体，在FLUENT模拟中把长为7.5mm、内径为2.5mm的流体整直器部分用若干个规格相同的小圆柱体代替。由于该管道是轴对称的，因此，为了计算方便，本文中使用该管的1/2作为模型进行网格划分。

    2.内部参数的设置

    求解器选择分离隐式，采用能量方程和标准K-ε模型为计算模型来模拟管道内流场流动过程，采用有限体积剖分的SMIPLE算法求解，差分格式选取一阶迎风格式，所采用的介质为空气，空气密度为1.225kg/m³，黏度为1.7894×10^-5kg/m·s，运行环境选择标准大气压为101325Pa，入口设为质量流量入口边界条件，质量流量为0.0879502kg/s；出口采用出流出口（OUTFLOW）边界条件。

    3.FLUENT仿真结果与研究

    本文中迭代次数设置为500，大约经过290步左右的迭代计算之后停止。各方程计算结果残差都小于所设置的1×10^-6，该结构设计和求解参数设置都比较合理，计算结果收敛。

    由仿真出来的速度云图可以看出，气体通过整直器小孔时速度为最大值30m/s。经过整直器后，速度逐渐变小。随着流体继续由右向左流动，速度逐渐趋于稳定。管道长度方向上的中间位置有速度颜色的变化，这证明中间位的速度并不稳定，并不是传感器最佳的放置位置。在距管道出口1/5处，速度趋于稳定，因此推测应将传感器放到速度相对最稳定的位置，即偏管道出口1/5左右，垂直方面应在管道正中间的位置。

    五、实验结果及分析

    根据JJG897-1995《质量流量计》检定规程中的有关项目检测方法，流量计的测量范围为（0～200）m³/h。笔者对该流量计进行了实验测试，分别将传感器放置到管道中的不同位置，通过实验数据进行对比，实验结果如下：

    1.将传感器放置到管道中间位置的实验数据

    测试温度为16.8℃，湿度为20.8%RH，压力为101.45kPa；采用0.25等级的标准流量系统作为标准流量点；测量介质为空气。

    由表1、表2可知，将传感器放置到管道中间位置，测量结果的最大示值误差为-4.703m³/h。    

表1 12月1日测试数据

表2 12月2日测试数据

    

    2.将传感器放置在偏管道出口1/5的位置

    测试温度为16.5℃，湿度为21.3％RH，压力为101.36kPa；采用0.25等级的标准流量系统作为标准流量点；测量介质为空气。

    由表3、表4可知，将传感器放置到偏管道出口1/5处，测量结果的最大示值误差为-2.851m³/h。根据将传感器放在管道不同位置的实验结果比对，可以看出将传感器放置在偏管道出口1/5处的测量结果明显优于将传感器放置到管道中间位置。

表3 12月3日测试数据

表4 12月4日测试数据

    六、结束语

    通过FLUENT技术的仿真实验和实际试验的测量，找出传感器的最佳放置位置，从实验数据可以看出，基于MEMS技术设计的热式质量流量计，测量准确度大大提高，测量范围也有所增加，测量更为精确、科学。