一種流體流速實驗教學儀器的改進與研制

周永軍，劉健齊，徐世峰，孫麗媛，聶雅蘭，曹 杰

(沈陽航空航天大學 理學院，遼寧 沈陽 110131)

本文擬研制一臺用間接方式測量氣體流速的裝置，通過管道內流體上下游的溫度差測量出流體的質量流量，再結合管道橫截面積及流體密度計算出流體流速。為了能同時測量不同性質的氣體流速和液體流速，并盡量減小噪聲，考慮到待測介質為液體，如果對其加熱，液體受熱時，加熱探頭周圍液體容易氣化，產生氣泡，不適用于乙醇等低沸點液體；對于常規(guī)液體，加熱也會使溶解在液體中的氣體分子揮發(fā)，使測量噪聲增大；對于氣體流速測量來說，加熱也會產生亂流、產生振動，增大噪聲。

因此，本文以恒功率式質量流量計的設計為主要理論依據(jù)，對這種裝置設備進行設計改造：以熱擴散原理為理論基礎，采用鉑熱電阻為溫度傳感器，設計研制出一種侵入式恒功率流速測量儀的設備[1]。

1 半導體制冷原理

當一個n型半導體材料與p型半導體材料相結合的電偶對有一個電流，并在兩端產生熱轉移時，電偶的兩端就會產生冷轉移和熱轉移，如果在熱端進行散熱處理，則冷轉端可達到較低的溫度。

半導體制冷片單元的結構如圖1所示，它由上下陶瓷基板、金屬導流條、p型半導體材料和n型半導體材料組成。

圖1 半導體制冷元件工作原理圖

不加外界電壓時，p型半導體與n型半導體連接形成PN結，并在連接處形成由n型半導體指向p型半導體的內電場，對該結構左右兩端施加如圖所示的電壓時，內電場會由于施加外界電壓的作用而增大，則電子在其內部做漂移運動時需要更大的勢能。故n型半導體中電子的勢能比上方金屬導流條中電子的勢能高。電子由上方金屬導流條移動至n型半導體時將內能轉化為勢能，從而導致其溫度降低形成冷端；當電子從n型半導體流向下端金屬導流條時，電子勢能會減少，以熱的運動形式傳遞釋放更多能量。使下端金屬導流條溫度升高形成熱端。對于p型半導體而言原理相似，需要考慮空穴的能量變化[2]。

2 制冷型流速計的理論設計

如圖2所示，裝置由測量管道、半導體制冷片組成，該裝置包括三個測量器：溫度感應器，測量管、半導體制冷片。制冷片與測量管緊密相連，以便將測量器和管中的流體熱量帶到測量器，使其降低溫度。當沒有流體的流動，B和C兩個溫度是相等的，即制冷片冷端溫度；

圖2 裝置測量原理圖

為了計算簡便，本文采用工程近似的方法計算制冷片吸收的熱量。引入制冷片的制冷系數(shù)，即單位功耗所能獲得的制冷量，根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，制冷系數(shù)為：

(1)

其中，T1為環(huán)境溫度，T2為制冷溫度，q1為高溫熱源吸收的熱量，q2為低溫熱源放出的熱量，w0為外界對低溫逆卡諾機做的功。

對于不同規(guī)格的制冷片，其制冷系數(shù)不盡相同，對于固定的制冷片來說制冷系數(shù)不改變。

此時制冷片吸收的熱量為：

Qc=cop·P0

(2)

其中，制冷系數(shù)cop為0.6左右，P0是制冷片的實際功率[3]，可根據(jù)實際制冷片的輸入電壓與額定電流進行計算。當有流體流動的時候，管道與制冷片發(fā)生熱交換，測量B管的溫度升高。測得A和B兩個溫度的差值，就可以得到質量流量，進而結合管道截面積求出流體流速[4]。

冷卻流體單位時間需要的能量Q和流體溫度下降的度數(shù)ΔT之間如式(3)所示：

(3)

式中：k為系數(shù)；Cp為流體的定壓熱容；d為管道直徑；u為流體的平均流速；ρ為流體的密度；

當達到熱平衡時，有Q=Qc，Qc為半導體制冷片冷端單位時間的制冷量，則：

(4)

由式(4)可知，當Q恒定時，即半導體制冷片制冷量恒定，液體的平均流速和液體溫度下降的幅度之間有一一對應的關系，只要測出A、B兩點的溫差ΔT，即可知道被測流體的平均流速。

3 制冷型流速計的裝置設計

基于以上原理，裝置的工作模式如圖3所示：該裝置首先由電源、制冷模塊和測量模塊組成，具體工作流程如下：

(1)首先在管道中通入待測流體：為了流體更好地在裝置中換熱，在變溫模塊中將管道設置為小段銅管，并將兩片大小半導體制冷片的冷端貼于銅管表面，在制冷片外端安裝散熱模塊以保持其正常工作。

圖3 制冷型流速計的工作模式

(2)根據(jù)實際測量需要，本文使用兩個PT100鉑熱電阻作為溫度傳感器，其中一個置于管道輸入端，用于測量流體初始溫度；另一個貼于制冷片冷端表面，用于測量制冷片溫度變化[5]。

(3)隨后將兩溫度傳感器接于溫度變送器中，溫度變送器可根據(jù)測量得到的0～50 ℃的溫度值平均輸出0～5 V的電壓值，即輸出電壓與測量得到的溫度為一一對應關系。

(4)將溫度變送器的輸出電壓接于Arduino單片機的模擬信號端口，由單片機進行讀取、轉化為溫度后進行計算。公式中的常數(shù)因待測流體的不同可代入不同的數(shù)值進行標定[6]。

最終測試裝置電路部分如圖4所示：

圖4 最終測試電路

4 半導體制冷片最佳制冷功率的選擇

根據(jù)式(4)可知，流體流速u與制冷片和外界產生的溫差ΔT之間成反比關系。當u較小時，ΔT的變化量很大，靈敏度很高；隨著u逐漸增大，ΔT的變化量逐漸減小，雖然此時流速u與溫差ΔT仍為一一對應關系，但是由于流體在高流速下噪聲也會相應增大，故其測量精度會下降，因此要保持裝置在內部高流速下具有較好的測量精度，需要適當提高制冷片的制冷功率，從而減小噪聲對于ΔT的影響[7]。

5 裝置的標定

裝置使用前，首先要確定待測流體，將待測流體的定壓熱容與密度代入公式中，最后需通過標定的方法確定公式中的常數(shù)k，將本裝置與一已知流速的待測流體連接，測得該流速u0下對應的溫差為ΔT0代入公式中，即可求得對應流體的k值。

6 裝置測試

為了便于裝置標定與實驗驗證，本文擬對空氣進行標定實驗，以通過現(xiàn)有的風速儀進行對比與理論驗證。

最終實驗裝置參數(shù)如下：管口直徑d=14 mm；空氣定壓熱容Cp=1.004 kJ/(kg·K)；空氣密度ρ=1.293 kg/m3，標定系數(shù)k=0.282 2。最終測試數(shù)據(jù)如表1所示，其中所用風速儀為壓差式熱線風速儀，Δh為壓差計的高度差，理論風速由式(5)給出：

(5)

其中：T為室溫[8]。

表1 最終裝置測試數(shù)據(jù)與熱線風速儀數(shù)據(jù)對比

圖5 擬合曲線

7 誤差分析

根據(jù)儀器最小分辨率：ΔT=0.05 ℃，Δu=0.034 m/s。由于本裝置所測得流體流速與溫度差之間有一一對應關系，所以對理論流速與溫度差的倒數(shù)計算相關系數(shù)r：

可得0.990 7≈1線性程度高，數(shù)據(jù)較為精確。

8 裝置優(yōu)點與應用

(1)采用制冷的方式對流體造成溫度變化，對于流體來說，不產生氣泡，可廣泛用于不同流體流量的測量，特別適用于沸點較低的液體[9]。

(2)測量流速范圍廣：隨著介質流速的增加，被冷卻的半導體循序吸收熱量。不存在由于能量的增大受到電路本身功率以及半導體額定電流的影響，最大值不受限制。只需選用合適功率的制冷元件即可調整裝置的最適測量范圍[10]。

(3)不易受到介質中雜質的影響：在管道內部元件均無細小元件，不易產生附著物，導致降低測量精度[11]。

(4)在溫度變化范圍內，可以自動對溫度進行補償。介質溫度的變化范圍由于氣候或其他原因而很難維持恒定，這是由于氣候或其他原因造成的，此裝置可以對熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進行補償以修正環(huán)境帶來的精度影響[12]。

9 結 語

本實驗裝置在進行測量前需要根據(jù)所測量的流體的具體參數(shù)進行定標，在對空氣進行定標預熱后只需將流體通入測量管道，裝置的顯示部分便可顯示出半導體上下溫差示數(shù)以及流體的流速，其測量數(shù)據(jù)經過分析和處理，滿足基本的實驗結果要求和誤差允許范圍內?？梢詰玫轿锢韺嶒烅椖恐?，培養(yǎng)學生綜合知識應用能力。

另外，也可以直接通過更換其內部合適制冷元件改變測量的流體范圍，因為其通過制冷的方式進行溫差變化所以可以廣泛應用于化工業(yè)生產的低沸點液體如液氯、液氨、氟里昂、氯乙烯、乙醇等流量的測量和調節(jié)。此外，該裝置內部結構簡單，不產生雜質等影響精度，并且便于攜帶，克服了壓差等流量計無法測得微小流量的缺點，對管道的分布不敏感，通常對上下直管的長度沒有要求。