热敏电阻的热式液体流量传感器

摘要：根据热消散效应原理, 设计了一种基于热敏电阻的热式液体流量传感器。介绍了传感器设计模型及工作原理, 通过流体力学软件FLUENT对传感器进行了液体温度场仿真分析, 验证了传感器设计的可行性。通过实验与分析, 求出了液体流量变化与所设计传感器对应的电压变化函数关系。进行了0100 L/h流量范围液体流量测量, 提出了传感器研究与改进的方法。

热式流量传感器是根据介质热传递原理制成的传感器, 利用传热学和流体学理论, 采用热平衡原理建立热敏元件的热量损失与流体流速、质量流量之间的函数关系[1], 从而获得流体流速、流量, 一般用来测量流体的质量流量。热式流量传感器按流体对检测元件热源的热量作用可分为热消散效应和热分布式效应, 目前, 基于热消散效应的流量计发展迅速, 性能稳定, 市场需求大, 应用范围广[2-3]。

根据不同的测量关系, 热式流量传感器一般有两种测量方法:一种是热量式, 通过给流体加入必要的热量, 热量随流体流动, 从而使不同位置的温度不同, 可以通过检测温度变化来求出流量, 使用这种测量方法的有托马斯流量计、热分布型流量计和非接触式的边界层流量计;另一种称为热导式, 这种方法是在流动的流体中放置发热元件, 其温度场随流速产生变化, 可以通过检测发热元件被冷却程度来测量流量, 使用这种测量方法的仪表有浸入型流量计, 热线风速仪等[4-5]。

目前, 基于热式原理的流量传感器设计与研究多用于气体流量测量, 文中所设计的热式流量传感器是基于热消散效应的热导式浸入型液体流量传感器。

探头设计采用浸入式, 它由两个感温热敏电阻和一个加热电阻构成, 其中一个热敏电阻RT1作为测温元件感测流体温度, 另一个热敏电阻RT2和加热电阻R封装在一起感测流体流速[6]。传感器模型如图1所示。

图1 传感器探头模型

热敏电阻采用MF58 NTC热敏电阻。NTC是Negative Temperature Coefficient的缩写, 即负温度系数, 泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件。MF58玻封热敏电阻电阻-时间特性如图2所示。

图2 B值相同, 阻值不同的电阻-时间特性曲线

图中, R25是热敏电阻额定零功率电阻值, B是材料常数 (热敏指数) 值[7]。

测量探头采用一个小阻值电阻R作为加热电阻, 将其与热敏电阻RT2封装在一起, 加热电阻通电后给RT2加热, RT2温度升高, 从而使其电阻值下降, 在电路中产生电信号的变化。热敏电阻RT1处于流体中并且远离加热电阻, RT1的电阻值只随流体的温度变化而变化, 可以用来感知所测流体温度, 用以修正流体温度对测量产生的影响。为了避免加热电阻产生的热量影响RT1检测流体温度, 将热敏电阻RT1置于上游, 将热敏电阻RT2与加热电阻R放于下游。

传感器探头通电后, 加热电阻给热敏电阻RT2加热, RT2温度上升, 电阻值减小, 当流体介质静止时, 系统处于热平衡状态, 2个热敏电阻温差恒定, 电阻值不变。当流体介质流动时, 就会带走加热电阻的一部分热量, 从而使RT2温度下降, 电阻值增大, 2个热敏电阻相对于热平衡状态时出现阻值差。随着流速的增大, 带走加热电阻的热量就越多, 电阻相对差值也越大, 电阻差值是流体流速的函数。但是, 当达到一定的流速后, 流速再加快热敏电阻RT2阻值就不会进一步增大, 2个二极管的温差就会趋于恒定, 从而电阻差值也趋向于恒定。

为了防止共模噪声的干扰, 需要输出一个差模信号, 使用直流双臂电桥作为信号采集电路, 如图3所示。

图3 信号采集电路

输出电压U1作为差模信号输出, U2为环境温度感测变量输出, 作为温度补偿[8]。在流体静止时, 可以通过调节RP实现直流双臂电桥的平衡, 使差模信号U1归零。

流体流量变化时, 信号采集电路采集信号后, 要经过信号放大、A/D转换、信号处理和数据显示过程, 包括信号采集电路和电源电路, 信号处理系统主要分为六部分, 如图4所示。

图4 信号处理系统

流量变化不大时引起的温度差异可能很小, 因此电桥的输出电压也比较小, 且容易受到噪声干扰, 系统需要信号放大的环节。电桥输出电压为差模信号, 而AD转换电路输入端为单端输入, 故放大电路使用双端输入、单端输出的仪器运算放大器, 电路中采用集成仪器运算放大器AD623。

AD转换电路是测量电路和处理单元之间的桥梁, 在系统占据重要地位。这里使用的AD转换芯片是一种串行单通道12位逐次逼近型的AD转换器MAX187。它具有精度高、功耗低、体积小、速度快、接口简单等特点, 适用于工程检测、仪器仪表、传感器等方面[9]。

经过A/D转换后将数据输入8051单片机中, 单片机将输入数据处理完毕后, 处理结果输送给数码管, 显示流量值。

系统软件设计主要是对8051单片机进行编程, 实现对AD转换后的信号进行读取, 并处理数据进行显示。为了检测环境温度变化的影响, 系统可以控制显示液体温度, 通过按键实现环境温度和液体流量显示的切换, 软件设计流程图如图5所示。

图5 软件流程图

文中对传感器探头的仿真分析采用了流体力学软件FLU-ENT.FLUENT软件是一种通用CFD软件, 用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多重网格加速收敛技术和多种求解方法, FLUENT能够达到***佳的收敛速度和求解精度。同时, 其基于解的自适应网格技术和灵活的非结构化网格以及成熟的物理模型, 使FLUENT在传热与相变、多相流、化学反应与燃烧、转捩与湍流、动/变形网格、旋转机械、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用[10-11]。

在理想状态下, 传感器处于稳定的流动液体中, 如果加热功率一定, 流速也恒定后, 那么其所处的温度场也将是稳定的。而在实际的液体流动中, 浸入液体的固体所处的流动环境和热量环境都相当复杂。比如传感器的外形, 不同的外形在液体流动时会产生不同的湍流类型, 而湍流对热量的消散影响很大。又如传感器的封装材料, 其导热性能直接影响热量的变化。再如传感器适应较高流速还是较低流速, 环境变化对加热功率的要求, 以及水温对传感器的影响等等。FLUENT软件功具有强大的模拟仿真功能, 能够很好地模拟液体流过时传感器探头在管道中所处温度场的变化。仿真过程中可以设置湍流参数、封装材料等以***大程度接近实际。

仿真的过程中, 传感器外形采用图6中所示外形, 位置处于管道的中轴线, 封装材料采用碳酸钙, 流体采用水。

在这样的确定条件下, 仿真内容针对三方面的问题:

(1) 文中所研究的传感器是基于热式原理, 因而其对温度是非常敏感的, 流体温度的影响必须考虑, 这是一个关键的问题, 它决定了传感器的设计是否适应流体温度环境的变化, 进而决定了它是否有实用价值。从这个角度考虑, 仿真的步便测试流速和加热功率一定时不同水温下传感器温度随时间的变化。

图6 仿真模型图

(2) 热式流量传感器多用于气体流量的测量, 而极少用于液体流量的测量, 其中一个主要原因就是利用热式原理测量液体流量需要的加热功率比较大, 而出于信号处理电路中供电条件以及低能耗、环保的要求下, 必须考虑加热功率的问题。所以, 仿真的第二步测水温和流速一定时不同加热功率下传感器温度随时间的变化。

(3) 在以上两个条件可以满足的情况下, 为了可以更好的测定传感器的特性, 测定它适用的流速范围, 第三步测水温和加热功率一定时不同流速下传感器温度随时间的变化。

具体的操作过程采用脉冲式加热测量, 先持续加热, 直到传感器探头的温度不再上升, 达到热平衡, 停止加热, 3s后再加热0.5 s, 再停止加热, 每隔0.5 s记录1次探头的温度 (整个过程通过操作FLUENT软件实现) 。

(1) 流速和加热功率一定时不同水温下传感器温度随时间的变化, 所得曲线图如图7所示。

图7 流速和加热功率一定时温度-时间图

图7中, 横轴是时间, 纵轴是传感器探头的温度。在流速为0.01 m/s, 加热功率为5×107W/m3的条件下, 分别测定了水温为290 K、295 K、300 K、305 K、310 K、315 K时传感器探头温度随时间的变化。由图可以看出, 持续加热时, 不同水温下探头所能达到的***高温度不同, 但在290~315 K (即15~40℃) 温度范围内基本上成线性关系。停止加热3 s的过程中, 探头的温度随水流动下降, 曲线基本平行。之后加热5s和停止加热的过程中, 曲线也都基本平行。可以得出结论, 水温的变化会对传感器探头的温度产生影响, 但在一定温度范围内这个影响是有规律的, 传感器的设计中采用差分信号, 同时水温也可以感测, 通过温度补偿可以很好的解决这个问题。

(2) 水温和流速一定时不同加热功率下传感器温度随时间的变化, 所得曲线图如图8所示。

图8 水温和流速一定时温度-时间图

图8中, 横轴是时间, 纵轴是传感器探头的温度。在流速为0.01 m/s, 水温为300 K的条件下, 分别测定了加热功率为3×107W/m3、4×107W/m3、5×107W/m3、6×107W/m3、7×107W/m3、8×107W/m3时传感器探头温度随时间的变化。由图可以看出, 持续加热时, 不同加热功率下探头所能达到的***高温度不同, 探头温度随时间变化接近指数规律。可以得出结论, 传感器的设计能够满足加热功率较小的要求。

(3) 水温和加热功率一定时不同流速下传感器温度随时间的变化, 所得曲线图如图9所示。

图9 水温和加热功率一定时温度-时间图

图9中, 横轴是时间, 纵轴是传感器探头的温度。在加热功率为5×107W/m3, 水温为300 K的条件下, 分别测定了流速为0.01 m/s、0.04 m/s、0.07 m/s、0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s时传感器探头温度随时间的变化。由图可以看出, 持续加热时, 不同的流动速度下探头所能达到的***高温度不同, 探头温度随时间变化有一定的规律, 可以通过这个规律来确定温度与流速的关系, 进而利用热敏元件反应温度的变化, 形成与流速变化有联系的信号。可以看到, 图中一个特点很明显, 流速大于0.1以后, 与小于0.1时相比差异很大。可以针对这个特点确定传感器设计适应的测量范围。

实验采用玻璃浮子流量计[12]作为流量测量参考, 通过调节水泵电压控制流量变化, 实验系统装置如图10所示。

图1 0 实验装置图 

热敏电阻是一种对温度变化非常敏感的原件, FLUENT仿真结果证明水温的变化会对测量的影响是有规律的。当水温发生变化时, 不同水温下电压与流量关系如图11所示。

图1 1 不同水温下电压-流量图

由图11可以看出, 在15~50℃范围内, 水温的变化与整体电压值的变化基本成线性关系, 通过处理可以使其基本不产生影响, 但在传感器温度与电压值的函数关系中应该加入水温系数, 这个变量在测量的同时反映出来, 所以, 需要将感测环境温度的热敏电阻产生的信号也加入处理环节中。

液体在温度不变时, 流速变化不会对U2产生影响。根据热敏电阻的温度特性, 可以通过U2来反映液体温度的变化。不同水温下U2值如图12所示。

图1 2 环境感测电压U2-水温关系图

由图12可以看出, 环境感测电压U2与水温基本是线性关系, 通过拟合可以得到关系式, 从而在处理程序设计中加入环境变量进行温度补偿。

根据4.1节实验的测量结果, 可以找到一种函数关系, 将电路中电压信号的变化转换成流量的变化直接显示出来。这就需要对所得数据进行处理, 通过曲线拟合和转换函数的设计来实现。

对测量数据进行曲线拟合使用多项式拟合和线性拟合, 通过MATLAB软件来实现。

(1) 流量-电压关系曲线多项式拟合结果 (m表示流量, 单位为L/h, u表示电压, 单位为10 m V)

(2) 环境变量U2-水温关系曲线线性拟合结果 (v表示电压单位为10 m V, t表示水温单位为℃) 如图13所示。

图1 3 U2-水温拟合结果

由图中参数可得:v=-1.9051*t+235.67

设计思想:以一个确定的水温下的拟合结果为基准, 加入环境变量, 来显示不同水温下的流量与电压关系。测量过程中, 水温25℃是常温, 未经过调节, 因而测量结果相对来说***, 因此选用25℃水温为基准, 拟合结果如图14所示。

图1 4 25℃水温时拟合结果

由图中参数可得:

加入环境变量:

由v=-1.9051t+235.67得

式中斜率-1.9051的含义是水温t每升高1℃环境电压下降1.9051 (10 m V) 。

因此当水温不是25℃时, 可以通过以下关系式转化为基准情况 (其中U为任意水温下的差模信号电压)

通过式 (1) ~式 (3) 可以得到任意水温下以25℃为基准拟合的流量表达式。

测量流量时, 通过调节水泵电压控制流量, 记录液体浮子流量计读值以及对应的数码管流量显示值, 以及水温显示。测量结果如表1所示。

表1 流量测量结果

从表中测量结果可以看出, 流量为0 L/h和10 L/h时, 传感器测量值与玻璃浮子流量计测量值基本上对应, 但整体范围内误差比较大。测量结果中的***大误差值为100 L/h时9 L/h, ***大相对误差为流量50 L/h时16%。流量测量是一项精度要求很高的测量, 这个结果显然不够理想, 因此, 传感器仍需要很大的改进和完善, 需要进一步的研究和探索。

基于热敏电阻的热式液体流量传感器设计在原理上是可行的, FLUENT软件仿真结果对此进行了验证, 同时, 流量测量实验证实了传感器能够将液体流量变化转化成有规律的电信号变化。实验结果误差相对较大, 这其中有环境不稳定的因素, 也有器材和方法上的欠缺, 传感器设计还需要进一步的提高和完善, 对此提出以下几点改进方法:

(1) 进一步改进探头的设计, 寻找合适的封装材料以及外形设计。

(2) 进行软件滤波或者硬件滤波对信号加以处理。

(3) 在环境稳定的条件下采用精度更高的AD转换器。

(4) 通过更多的实验研究, 寻找更合适的拟合方法比如对数据进行分段拟合。