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热式质量流量计的设计

作　者: 李雯
导　师: 戴华平
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 热式气体流量计热式液体流量计热消散恒功率珀尔帖效应半导体制冷 FLUENT 测温电路低功耗不确定度分析
分类号: TH814
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 5次
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内容摘要

在现代工业生产过程中，为有效地进行生产操作和控制，需要测量生产过程中各种介质的物理参数。其中，流体的流量是经常测量和控制的重要参数之一。由于流量测量的复杂性，流量测量仪表已经成为工艺过程检测控制仪表中品种规格最为繁多的一类仪表。热式流量计是利用传热原理直接测量流体质量流量的仪表，目前应用较多的是热分布式热式流量计和热消散式热式流量计。热式流量计能够测量极低流速的微小流量，压力损失小，而且由于没有可动部件，可靠性高。本文用侵入式加热电阻元件对流动气体进行恒功率加热，利用变化的温度差来测量圆管道内气体质量流量。为了使热式流量计应用于易气化液体的流量测量，本文同时对制冷型热式液体质量流量计进行了研究。主要研究工作概括如下：1、在详细阅读有关文献的基础上，总结了流量计的发展过程，着重论述了热式质量流量计的种类及其测量原理。2、阐述了热式流量计测量原理所涉及的流体力学、对流传热和热电制冷等学科的基本概念以及这些物理现象的数学描述和分析方法；推导了恒功率热消散式热式气体流量计和制冷型热式液体流量计的流量方程，论证了两种流量测量方法的可行性。3、针对圆管道内空气流经圆柱形恒功率加热电阻元件这一情形进行了流体仿真实验。仿真实验结果给出了不同空气质量流量下加热元件周围流体的速度和温度分布，直观反映了加热元件对流动产生的影响；研究了发热元件表面流体的速度分布，揭示了由浮升力引起的自然对流对流量测量的影响，给出了测量下限值的仿真结果；并通过仿真实验数据验证了恒功率热消散式热式流量计的流量方程。4、对恒功率热消散式热式气体流量计和制冷型热式液体流量计分别设计了温度信号的测量电路，搭建了基于微控制器的实验平台。提出了用统计方法和均值滤波方法相结合的方式，对采样数据进行软件滤波。通过动态地改变微控制器的节电管理方式和系统时钟频率，可以有效地降低系统运行功耗。5、对实验结果进行测量不确定度分析，用A类标准不确定度评定方法确定微控制器电压输入信号值的不确定度，同时给出了质量流量测量不确定度的计算方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
致谢  8-11
第一章绪论  11-18
  1.1 流速和流量  11
  1.2 流量计  11-12
  1.3 热式质量流量计  12-16
    1.3.1 热传递效应热式质量流量计  12-15
    1.3.2 热消散效应热式质量流量计  15-16
  1.4 恒功率热消散式和制冷型热式质量流量计  16-18
第二章流体力学基础  18-24
  2.1 流体的主要物理学性质  18-19
  2.2 作用在流体上的力  19
  2.3 流体流动的基本方程  19-21
    2.3.1 稳定流动和不稳动流动  19
    2.3.2 连续性方程  19-20
    2.3.3 奈维-斯托克斯方程(N-S方程)  20-21
    2.3.4 运动流体能量方程  21
  2.4 雷诺数与流体速度分布  21-24
    2.4.1 因次分析法  21-22
    2.4.2 雷诺数和流体流动类型  22-23
    2.4.3 管道速度分布  23-24
第三章对流传热与半导体制冷  24-38
  3.1 对流传热基础  24-29
    3.1.1 对流传热基本概念  24
    3.1.2 牛顿冷却定律  24-25
    3.1.3 影响对流传热的因素  25-26
    3.1.4 获得对流传热系数的方法  26-27
    3.1.5 因次分析法在对流传热中的应用  27-28
    3.1.6 不同传热情况的准数方程  28-29
  3.2 热电效应  29-31
  3.3 半导体制冷基本原理  31-38
    3.3.1 半导体制冷原理及其过程  31-32
    3.3.2 半导体制冷片冷功率计算  32-33
    3.3.3 制冷系数  33-34
    3.3.4 几种不同的制冷工况  34-36
    3.3.5 热电元件的材料  36-38
第四章热式质量流量计的原理和设计  38-59
  4.1 恒功率热消散式热式气体质量流量计的设计  38-42
    4.1.1 热敏电阻的选择  38-39
    4.1.2 自然对流的对流传热系数  39
    4.1.3 强制对流的对流传热系数  39-41
    4.1.4 混合对流的对流传热系数的估算  41
    4.1.5 恒功率加热方式流量方程的推导  41-42
  4.2 热式液体质量流量计的设计  42-43
  4.3 流体仿真实验  43-59
    4.3.1 建立模型  44
    4.3.2 选择求解器  44-46
    4.3.3 湍流模型和热交换模型  46-47
    4.3.4 设置边界条件  47
    4.3.5 仿真结果  47-59
第五章信号采集和处理系统  59-76
  5.1 恒功率热消散热式气体质量流量计测量电路设计  59-60
  5.2 制冷型热式液体质量流量计温度测量电路设计  60-65
    5.2.1 集成温度传感器AD590介绍  60-61
    5.2.2 温差测量电路设计  61-62
    5.2.3 单点温度测量电路设计  62-65
  5.3 信号处理单元  65-76
    5.3.1 控制器简介  65-66
    5.3.2 电压输入信号的A/D转换  66-68
    5.3.3 处理器电源管理  68-69
    5.3.4 系统时钟切换  69-73
    5.3.5 数字滤波  73-76
第六章恒功率式热式气体质量流量计的输出特性及不确定度分析  76-85
  6.1 流量换算  76-77
    6.1.1 单一气体的流量换算  76
    6.1.2 多组分气体测量和换算系数计算  76-77
  6.2 流量测量不确定度分析  77-85
    6.2.1 测量误差与不确定度  77-78
    6.2.2 测量不确定度的来源  78
    6.2.3 标准不确定度的评定  78-80
    6.2.4 测量不确定度的合成  80
    6.2.5 不确定度传递率  80-81
    6.2.6 使观测值之间无关的实验处理措施  81
    6.2.7 恒功率式热式质量流量计的测量不确定度分析  81-85
第七章结束语  85-89
  7.1 研究工作总结  85
  7.2 进一步的工作  85
  7.3 热式流量计发展展望  85-89
参考文献  89-91

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