氣體動(dòng)力學(xué)在流量測(cè)量電子技術(shù)中的應(yīng)用
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時(shí)間：2013-07-05
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很多場(chǎng)合需要對(duì)氣體的流量進(jìn)行精確地測(cè)量。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，人們希望測(cè)量器件能直接給出電信號(hào)以便用微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。但流量的測(cè)量裝置在多數(shù)情況下難以給出電信號(hào)，然而壓差傳感器技術(shù)卻已很成熟從而方便地提供模擬電信號(hào)。本文從Navier-Stokes方程出發(fā)，得到了流過(guò)圓管的氣流量Q與圓管兩端壓差ΔP為線(xiàn)性關(guān)系所必須滿(mǎn)足的條件。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了層流元件使上述線(xiàn)性關(guān)系得到滿(mǎn)足，從而可通過(guò)測(cè)量壓差測(cè)量流量。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果與用PVT法得到的結(jié)果一致，在測(cè)量低流量時(shí)本文提出的方法優(yōu)于PVT法。
1 流量Q與壓差ΔP為線(xiàn)性關(guān)系所必須滿(mǎn)足的條件
用標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流件也可得到流量Q與圓管兩端壓差ΔP之間的關(guān)系。但通常這種關(guān)系是非線(xiàn)性的，為信號(hào)處理帶來(lái)了諸多不便。事實(shí)上，根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，在一定的條件下可得到Q與ΔP呈線(xiàn)性關(guān)系。下面考察圓管內(nèi)流量Q與壓差ΔP呈線(xiàn)性關(guān)系所必須滿(mǎn)足的條件。首先考慮如圖1所示的直徑為D＝2R，長(zhǎng)度為l的圓管內(nèi)空氣的流動(dòng)情況。設(shè)X軸在管軸上，y表示由管軸向外的徑向坐標(biāo)。沿著管軸方向的速度記作u，它僅僅是y的函數(shù)。同時(shí)在每個(gè)截面上壓力為常數(shù)。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，在柱坐標(biāo)系下，可壓縮粘性流體的運(yùn)動(dòng)所滿(mǎn)足的Navier-Stokes方程只留下一個(gè)軸向分量：
(1)
圖1
(2)
。 即
流量 
2 實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。0.3MPa壓力的氣體分成兩路：一路經(jīng)2號(hào)電磁閥推動(dòng)夾具將有一定透氣度的待測(cè)樣品夾緊；另一路經(jīng)一號(hào)電磁閥進(jìn)入定值器，調(diào)節(jié)定值器以改變進(jìn)入測(cè)頭的氣壓。實(shí)驗(yàn)中在樣品兩邊的壓差為980Pa的條件下測(cè)量通過(guò)特定面積具有一定透氣度的樣品的氣流量(即透氣度)。用壓差傳感器測(cè)量壓差ΔPm＝P1-P2，整個(gè)測(cè)量頭部分的壓差ΔP＝(P1-P2)+(P2-P0)＝ΔPm+980Pa。因此，ΔPm∝ΔP∝Q，這樣，就可用壓差傳感器測(cè)量出壓差就可得到流量。為了保證測(cè)量精度，采用高低兩個(gè)壓差傳感器覆蓋整個(gè)流量范圍。用粉末冶金材料特制了24片不同透氣度的膜片作為被測(cè)樣品。作為比較，用PVT法對(duì)上述系列粉末冶金薄片的透氣度進(jìn)行了測(cè)量。
圖2 實(shí)驗(yàn)裝置
注: 1測(cè)量頭 2層流元件 3被測(cè)膜片 4壓差傳感器 5信號(hào)處理單元
實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，圖3～圖8。圖3和圖4表明，測(cè)量頭的設(shè)計(jì)是成功的。它完全保證了流量與測(cè)量頭兩端的壓差呈線(xiàn)性關(guān)系，為數(shù)據(jù)處理提供了方便。由表1所示的線(xiàn)性函數(shù)擬合結(jié)果可以看出，斜率B的數(shù)值比較接近，且本文采用的壓差法所得的結(jié)果的相關(guān)性和標(biāo)準(zhǔn)偏差都優(yōu)于PVT法。由圖5可見(jiàn)，在小流量段PVT法所得結(jié)果的離散性較大，而圖3所示的壓差法的結(jié)果則很理想。因此可以說(shuō)本文的方法為小流量的測(cè)量提供了一種精確的測(cè)量手段具有重要的實(shí)用意義。對(duì)高流量段，由圖4和圖6可見(jiàn)，結(jié)果都很好。由圖7和圖8可以看出壓差法與PVT法的結(jié)果基本一致，斜率略有差異。事實(shí)上，這種微小的差異不難通過(guò)對(duì)信號(hào)處理單元的軟硬件調(diào)整(如放大倍數(shù))使之一致(比如以PVT法為校驗(yàn)方法時(shí)。本文還用轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)行了測(cè)量以作比較。但由于轉(zhuǎn)子流量計(jì)的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)對(duì)被測(cè)氣流有明顯的影響，得到的數(shù)據(jù)與傳感器的輸出電壓呈平方關(guān)系。 加速度計(jì)相關(guān)文章:加速度計(jì)原理 熱式質(zhì)量流量計(jì)相關(guān)文章:熱式質(zhì)量流量計(jì)原理 流量計(jì)相關(guān)文章:流量計(jì)原理
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