一种管道中介质的流量测量系统

1.本发明涉及流量测量技术领域，尤其涉及到一种管道中介质的流量测量系统。


背景技术：

2.天然气作为一种清洁能源，在发达国家，已作为家用住宅能源被广泛使用，而在发展中国家，近年来天然气在家用住宅能源中的使用占比也显著增加。质量流量计量是天然气生产到销售过程中的关键部分，是企业进行市场结算、经济分析和降低成本的主要依据。家用住宅中计量的天然气流量极低，通常使用隔膜式流量计,隔膜式流量计是一种容积式流量计，需要压力和温度补偿来实现质量流量的计量，不能满足精确测量的要求。热式质量流量计可实现在小型管道中质量流量的直接测量，不受温度和压力的影响。然而，热式质量流量计的稳定性、一致性和功耗限制了其进一步的应用，微机电技术(mems)的出现和发展为热式质量流量计的稳定性和一致性提供了解决方案，可以大大降低了其功耗。基于mems的热式质量流量计具有响应速度快、体积小、成本低、可批量制备等优点，并且可在较宽的流量比范围内实现精确测量，同时受环境变化的影响较小，已在汽车、医学、环境监测、电子、化工等领域形成了广泛的应用。
3.热式质量流量计的诸多优点吸引了不少学者对其进行研究，尤其是针对热式质量流量计的性能优化。如lammerink等人通过对热式流量传感器的理论分析，给出传感器的几何形状、导热系数、热分布会影响传感器的灵敏度和测量范围。sabate等学者采用增加温度传感器数量增大传感器的测量范围，roh等学者进一步研究得出随着发热源输入功率的增大，灵敏度呈线性增加，kim等学者通过提出的数值模型研究了传感器管中的瞬态和稳态传热，进而分析了热式质量流量计的灵敏度影响因素。这些都是对传感器的相关参数进行研究，进而优化热式质量流量计的性能。但热式质量流量计除了传感器的设计，还有诸多工作，如电路及结构的设计等，这些都会影响热式质量流量计的性能。
4.热式质量流量计按照测量方法和结构的不同，可分为插入式和毛细管式两大类。插入式热式质量流量计的测量传感器直接暴露于被测量介质中，适合于大管径、中偏高流速流体介质的测量。而毛细管热式质量流量计将主流的一部分分流至旁路中以测量流速，常用于小管径、低流速流量的测量。目前对热式质量流量计的研究大都是基于无旁路的插入式结构进行的，而有旁路的毛细管热式质量流量计与其相比有较为明显的结构差异，毛细管热式质量流量计的性能影响因素还有其自己的特点，需要进一步对影响毛细管热式质量流量计的性能因素进行研究。john g解释了毛细管热式质量流量计的工作原理，gord等人将毛细管热式质量流量计用于住宅天然气的测量，并研究了其对甲烷的敏感性，最后对甲烷含量为94.38％的样品天然气进行了模拟，结果不确定度为1.83％。chaboki等人制作了一款毛细管热式气体质量流量计，研究了整流器的作用，在毛细管热式气体质量流量计主流通道中放置整流器后，线性范围从0-100sccm增加到了0-500sccm，线性拟合度r2从0.96提高到了0.99，但随着流量范围的增加，较低流速下的测量精度会急剧下降。但是，该文并没有对整流器影响毛细管气体质量流量计的性能作进一步深入研究，整流器的优化设
计对于提高毛细管气体质量流量计性能具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种管道中介质的流量测量设备，相比于现有技术，本发明中的流量监测设备的灵敏度更高。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：一种管道中介质的流量测量设备，其结构包括输送介质的主流系统和联接主流系统的旁路系统；所述主路系统包括第一管道；所述旁路系统包括第二管道和联接第二管道的检测设备，所述检测设备包括热源系统和在热源系统二侧设置的第一测温元件和第二测温元件；其中，所述第一测温元件和第二测温元件分别在所述热源系统的二侧设置，对第二管道内介质的温度进行检测，所述第二管道的进液口和出液口与所述第一管道处于连通状态。
7.优选地，所述第一测温元件与热源系统之间的距离相同于所述第二测温元件与热源系统之间的距离。
8.优选地，所述主路系统还包括整流设备，所述第一管道设置有二个，二个所述第一管道通过整流设备联接，所述整流设备对一侧第一管道输送的介质进行梳理再输送至另一侧的第一管道。
9.优选地，所述整流设备包括设置有收纳腔的壳体和布置在所述壳体收纳腔内部的至少二个介质通道，所述介质通道用于输送介质。
10.优选地，所述整流设备包括设置有收纳腔的壳体和布置在所述壳体收纳腔内部的至少二个介质通道，所述介质通道用于输送介质。
11.优选地，所述介质通道布置有九个，一个所述介质通道沿所述壳体中心轴位置布置，其余八个所述介质通道围绕中心轴位置处介质通道周向布置。
12.优选地，所述介质通道包括内壁设置成圆柱状的通孔，且所述通孔的内壁孔径为二毫米。
13.优选地，所述介质通道配套设置有密封件，所述密封件对至少一个所述通孔进行密封。
14.优选地，所述密封件包括密封塞和联接密封塞侧壁的凸块，所述介质通道还包括在通孔一侧设置的定位槽，所述定位槽与所述凸块之间对应设置；其中，当所述密封塞密封所述通孔时，所述凸块镶嵌于所述定位槽。
15.优选地，所述定位槽内布置有按压式开关，所述壳体外表面布置有九个警示设备，所述警示设备与所述按压式开关一一对应设置，一个所述按压开关控制一个所述警示设备。
16.本发明公开了一种管道中介质的流量测量设备，与现有技术相比：
17.本发明基于毛细管热式质量流量计原理设计了一款新型管道中介质的流量测量设备，从标定数据结果(质量流量-信号输出值关系曲线)中低流量段存在的奇点出发展开分析。首先在被测流体介质和传感器相关参数确定的情况下，用定量分析和fluent数值分析验证的方式，研究了旁路比对流量测量设备的影响。建立起旁路比和灵敏度的关系模型，解释了奇点的产生原因。接着根据得到的关系模型，通过在流量测量设备的主流流道中放置不同孔径和孔数的管束式整流器，从而调整旁路比以优化流量测量设备的性能。
附图说明
18.图1为本发明中流量测量设备的结构示意图；
19.图2本发明中整流设备的结构示意图；
20.图3本发明中密封件的结构示意图；
21.图4为本发明中检测设备的结构示意图；
22.图5为mems燃气表流道区域整体结构示意图；
23.图6为传感器温度场分布示意图；
24.图7为热式质量流量计流量测量技术原理图；
25.图8为灵敏度的定义曲线图；
26.图9为gnp音速喷嘴实验数据标定平台；
27.图10为质量流量-信号输出值关系曲线；
28.图11为质量流量-旁路比曲线图；
29.图12为旁路比引起的灵敏度变化模型；
30.图13为6种仿真整流器横截面结构示意图；
31.图14为实施例中质量流量-旁路比曲线图；
32.图15为区别于图14实施例中质量流量-旁路比曲线；
33.图16为质量流量-输出信号曲线优化对比图。
具体实施方式
34.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
35.如图1至图4所示所示，本发明公开了一种管道中介质的流量测量设备，其结构包括包括输送介质的主流系统1和联接主流系统1的旁路系统2；所述主路系统1包括第一管道11；所述旁路系统2包括第二管道21和联接第二管道21的检测设备，检测设备设置在图1中a 位置处，所述检测设备包括热源系统22和在热源系统22二侧设置的第一测温元件23和第二测温元件24；其中，所述第一测温元件23和第二测温元件24分别在所述热源系统22的二侧设置，对第二管道21内介质的温度进行检测，所述第二管道11的进液口和出液口与所述第一管道11处于连通状态，所述第一测温元件23与热源系统22之间的距离相同于所述第二测温元件24与热源系统22之间的距离，所述主路系统1还包括整流设备12，所述第一管道 11设置有二个，二个所述第一管道11通过整流设备12联接，所述整流设备12对一侧第一管道11输送的介质进行梳理再输送至另一侧的第一管道11，所述整流设备12包括设置有收纳腔的壳体121和布置在所述壳体121收纳腔内部的至少二个介质通道122，所述介质通道 122用于输送介质，所述整流设备12包括设置有收纳腔的壳体121和布置在所述壳体121收纳腔内部的至少二个介质通道122，所述介质通道122用于输送介质，所述介质通道122布置有九个，一个所述介质通道122沿所述壳体121中心轴位置布置，其余八个所述介质通道 122围绕中心轴位置处介质通道122周向布置，所述介质通道122包括内壁设置成圆柱状的通孔1221，且所述通孔1221的内壁孔径为二毫米，所述密封件124包括密封塞1241和联接密封塞1241侧壁的凸块1242，所述介质通道122还包括在通孔1221一侧设置的定位槽1222，所述定
位槽1222与所述凸块1242之间对应设置；其中，当所述密封塞1241密封所述通孔 1221时，所述凸块1242镶嵌于所述定位槽1222，可以通过对密封件124数目的调节，进而对本发明的灵敏度进行调整，所述定位槽1222内布置有按压式开关，所述壳体121外表面布置有九个警示设备123，所述警示设备123与所述按压式开关一一对应设置，一个所述按压开关控制一个所述警示设备123，警示设备可以为警示灯，通过对警示设备的状态的判断从而对可以输送介质的通孔1221的数目进行判断。
36.毛细管式热式质量流量计通过特定的结构设计，将主流分离，介质流量的一部分分离至旁路中，毛细管式热式质量流量计可测量低流速流量，可以避免在测量过程中由于天然气颗粒杂质污垢附着在传感器芯片上，导致输出信号漂移从而影响了流量计精度。本文所研制的 mems燃气表的流体介质为天然气，测量目标范围为0-100slm，因此选择了毛细管式结构作为研究对象。mems燃气表结构根据jbt 13567-2018标准规范进行设计，此外，考虑到mems燃气表传感器所在的旁路流道内部层流条件，设计的流量仪表旁路流道的最大雷偌数小于2400。为了使整个流道上的速度均匀分布和对流换热系数恒定，旁路流道的内径与总长度之比小于 0.01，图5展示了mems燃气表流道区域的整体结构示意图，如图所示，被测量流体在流经测量设备时被分离为两部分，即主流部分和旁路部分主流流道的中间位置设置有整流器，实际的质量流量测量并不发生在主流流道中。测量所用的传感器和电路板放置于旁路流道的传感器通道内，该测量装置主要包含两个温度传感器和一个发热源。
37.为了方便理解，本发明对测量原理进行解释，如上文所述，本发明公开的mems燃气表所用的传感器(检测设备)在结构上由三部分组成，一个热源和两个测温元件，两个测温元件分别对称置于热源两边，整个测量装置放置于旁路流道中，图6为传感器温度场分布示意图，如图6(a)所示，当测量传感器处于流速为零(qm＝0)的流场中时，热场分布效果以加热体为中心并呈对称分布；如图6(b)所示，当(qm≠0)流场内介质朝一个方向流动时，流场中的介质分子从热源表面带走热量使热场分布效果偏移。
38.基于上述原理，介质流速为零时，温度场以加热器为中心呈正态分布；介质流速大于零时，呈正态分布的温度场被破坏，场温度分布将发生偏移，现有技术人员对拥有一个热源两个测温原件的传感器进行了研究并得到了测温原件温度差与介质流速的关系：
39.δt＝th[exp(λ1l1)-exp(λ2l2)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0040]
式中是：δt为上下游测温电阻的温度差；th是发热源温度；l1是热源到上游测温元件的距离；l2是热源到下游测温元件的距离；λ
1,2
是关于流体流速、导热系数、热扩散系数和边界层厚度的函数。th和λ
1,2
可进一步表示如下：
[0041][0042][0043]
式中:p是功率，kf是介质热导率，wh是热源宽度，lh是热源长度，δ是边界层厚度，v 是流速，a是流体热扩散率，是无量纲因数，k
si
是传感器基底热导率，td是横膈
膜厚度。测得两个测温元件的温差后，进一步的，流体的质量流量可简单由下式表示：
[0044][0045]
式中：qm为质量流量；c
p
为流体介质的定压比热容；a是流体介质的热传导系数；k1为仪表系数。
[0046]
由公式(1)-(4)可知，在不考虑气体性质和环境改变以及传感器相关参数确定的情况下，测得的传感器通道的质量流量只与传感器通道的流体流速v有关，流量计的通道设计是能影响到流速v的分布的因素，如图7所示，传感器通道被测介质从零流速到特定流速的层流状态，mems燃气表上下游测温电阻的温度差δt几乎是质量流量qm的线性函数，超出特定流速或出现紊流后这种依赖性偏离了线性,这使得根据上述原理在一定量程范围内制造精确的流量计成为可能。通过定义这个线性函数(等式(5))，质量流量就很容易测量，c是校准常数，应针对每种工作流体分别指定。
[0047][0048]
灵敏度是衡量仪表性能的主要技术指标，是毛细管质量流量计设计中的一个重要参数，其定义如下：
[0049][0050]
mems燃气表的灵敏度被定义为上下游测温电阻的温度差δt对传感器通道质量流量变化的变化率。自然，灵敏度越大，流量计越准确，图8说明了灵敏度是如何被图形化定义的。
[0051]
然而，对于本文中的mems燃气表，最终想要得到的并非传感器通道的质量流量而是被测流体的介质流量因此需要在此引入旁路比这个概念。
[0052]
对于旁路比，如图5所示，本发明所公开的mems燃气表是旁通式结构，被测量流体对于旁路比，如图5所示，本发明所公开的mems燃气表是旁通式结构，被测量流体在流经测量设备时被分离为两部分，即主通道部分和旁路流道部分此时，将旁路比(b)定义为总质量流量与旁路流道质量流量(传感器通道质量流量)之比，即为
[0053]
如果流量仪表内部介质流动满足不可压缩和层流条件，根据质量连续性方程有前后的总质量保持不变，即：
[0054][0055]
式中，为主流通道质量流量，为旁路通道质量流量，为入口质量流量。
[0056]
由伯努利方程有主流流道中前后端的能量损失与旁路流道中前后端的能量损失相等，有：
[0057]
∑h
fb
＝∑h
fs
ꢀꢀꢀ
(8)
[0058][0059]
[0060]
式中，π为圆周率，ds为旁路流道有效直径，db为主流流道有效直径，h
fs
为在旁路流道中的能量损失，h
fb
为在主流流道中的能量损失，(l+∑le)s为旁路流道长度和当量长度之和， (l+∑le)b为主流流道长度和当量长度之和，λb、λs分别为主流管道和旁路流道的摩擦系数，qs为介质在旁路流道中的流量，qb为介质在主流流道中的流量。根据式(9)和式(10)可进一步导出：
[0061][0062][0063][0064]
由式(11)-(13)可以看出如果旁路管道的长度越长、阻力系数越大、管径越小的话，旁路流道中的流量就越小，反之则主流流道中的流量就越大，量程也就越大。
[0065]
从式(13)可以看出，当mems燃气表的结构、介质确定后，若流体速度均匀分布，充分发展，旁路比b从理论上是一常数。但是，实际情况中，对于小流量流动或高速流以及多数工业管道往往都会遇到渐扩管、渐缩管、过滤器和弯管等都会影响流体的速度分布，会造成流体形成多个方向的速度矢量，流体就会紊乱，从而影响旁路比。
[0066]
进一步的对旁路比对燃气表性能的影响进行探究，通过对mems燃气表的原理分析可以得知，传感器输出的信号y是上下游测温电阻的温度差δt的直接反映，想要得到传感器输出信号y与被测流体的介质流量之间的关系曲线取决于两个方面：
[0067]
a：传感器输出信号y与传感器通道流量的映射函数
[0068]
b：旁路比b。
[0069]
这两个因素是独立的，因为a仅由传感器通道中传感器周围的微小区域决定，而b由传感器通道和主流流道的速度分布决定。所以，在得到关系式之后，可以通过求得关系式
[0070]
考虑到研制的流量仪表，传感器通道中传感器周围的微小区域已经确定，因素a是相同的，因此，从硬件层面上讲，唯一重要的是获得b。通过设计旁路流道和主流流道的速度分布，获得合适的旁通比，通过公式(13)可以得知，可以通过改变旁路流道有效直径ds和主流流道有效直径db进而改变旁路比b，整流器的作用恰好在于改变主流流道有效直径ds，进而改变旁路流道和主流流道的流速分布实现对旁路比的优化。在实际应用中，整流器具有对介质速度分布进行校正的作用，它可以去除流场内产生的旋涡、局部二次紊流以及速度分布剖面的不对称性等影响。因此，在主流流道中添加整流器是一个合理的选择，常用的整流器有孔板式整流器和管束式整流器，孔板式整流器，常是一块孔板形状，通过孔板来改善流场的不对称性，各个整流孔成射线对称均匀分布。管束式整流器，也叫做流动整流器，其形态一般呈长直型，它可以有效减小流体中的旋涡和由于上游阻流件对流态的干扰，调整
管道内的流态，使不很稳定的气流成为计量所需的平行对称的充分发展的紊流速度分布。热式质量流量计量仪表内部气体流场的理想状态是指流场层流分布并平行于管段轴线，流场中的气体介质完全发展，且流场截面内流体速度均匀分布，采用管束式气体整流器用以整定流量仪表内部的气体流场分布最为合适，本文采用管束式长直型形态整流器整定流场。
[0071]
考虑到整流器的加工难度和mems燃气表的基本结构，测试的初始整流器通道长25mm，中心孔径为6mm，边缘孔径为5mm，中心孔与边缘孔的孔距为6mm，边缘孔数为6，总孔数为 7。在对放置有该整流器的mems燃气表重复多次的标定结果中发现在低流量段存在奇点。
[0072]
mems燃气表的数据标定是在标准标定实验平台上进行的，标定所用的介质为标准状态下的空气，数据标定平台采用的是杭州天马gnp音速喷嘴实验平台(负压法)，不确定度在0.5％范围，试验在0.016m3/h-6m3/h的不同流速下进行。整个测试系统主要包含真空泵、真空容器、汇管、滞止容器、临界流文丘里喷嘴和控制阀组以及计算机控制系统等，如图9所示。真空泵是标定装置的气源，真空泵通过抽取真空容器内的空气产生负压力，测试过程中，各检测管路上装有温度、压力传感器，实时检测管路内部的温度和压力大小，滞止容器内安装有可检测喷嘴滞止温度、压力大小的温度传感器和压力传感器。同样的，在汇集容器内安装有检测喷嘴背压的压力传感器。真空泵运行产生负压，使喷嘴工作在临界流状态下。根据质量连续性方程，测试mems燃气表通过的气体流量等于通过喷嘴的气体流量。
[0073]
标定开始之前，将mems燃气表固定在音速喷嘴标定平台上，然后在计算机控制端进行标定流量值与相关参数的设定。标定开始后实验平台控制软件会读取mems燃气表的实时流量值并进行计算，然后将平均值写入到mems燃气表内。每个流量点标定前，系统会进行一段时间的平稳化运行，使音速喷嘴气流达到平稳状态。根据mems燃气表的流量范围共设置了19个流量标定点。根据mems燃气表的测量特性，对小流量范围内：0.016m3/h-1m3/h，设置了较多的数据标定点，对大流量范围内：1m3/h-6m3/h，设置了较少的数据标定点。标定结果如图 10所示，如图可知标定数据整体上趋于线性，但0.016m3/h-1m3/h低流速段存在奇点，灵敏度异常，线性拟合度较差，这将导致低流速流量测量的偏差，有必要优化其性能，并尽可能地提高mems燃气表的灵敏度。
[0074]
奇点:通常的灵敏度是随着流速的增加而降低，就像传感器通道流量与输出y的关系曲线反映的一样。然而，有时的灵敏度会随着流速的增加先增加后正常降低，这意味着一个奇点，经过分析，在不考虑因素a的情况下，对于的产品能mems燃气表性能的是旁路比b，为了更方便地采集主流流道和旁路流道的质量流量数据，使用cfd软件 fluent对mems燃气表的流体区域进行数值分析。
[0075]
为了建立旁路比-灵敏度关系模型，根据mems燃气表的标定模型建立了1:1的流体区域数值分析模型，介质同样设定为标准状态下的空气，假定空气不可压缩和处于稳定状态，运行大气压采用jbt13567-2018规范中的城市燃气运行压力进行模拟，运行压力3000pa，根据流量仪表雷偌数的最大设计值选用fluent里面的标准k-ε模型进行数值求解，其参数设置如表1所示。为了验证其在低流量段的流量变化情况，所取流量点主要集中在0.016-1m3/h。根据数值分析数据得到如图11所示的质量流量-旁路比关系曲线。
[0076][0077]
表1
[0078]
从图11可以很明显看到随着被测质量流量的增大，旁路比持续降低，在0-1m3/h流量段旁路比随着流量的增大快速的下降。旁路比b在低流量段比高流量段下降得更快，这是因为随着流速的增加，主流流道的压力阻力比旁路流道增加得更快，将图11质量流量-旁路比曲线图与图10的质量流量-信号输出值关系曲线图进行对比分析，传感器的灵敏度异常所对应的流量段与旁路比快速下降并趋于平缓前对应的流量段几乎完全吻合，都截止于16.67slm。由此，可以得出确实是旁路比的变化导致了低流量段灵敏度异常产生了奇点。
[0079]
综上，说明了旁路比与灵敏度之间存在一定的联系。可以根据输入值mt-信号输出值关系曲线图和被测流量mt-旁路比b曲线图初步建立一个旁路比与灵敏度之间的简单模型。
[0080]
假设在低流量段传感器通道流量与输出y之间满足s为灵敏度，为一常数。同理，假设有一关于因变量旁路比b的线性函数当a＝0时，意味着b为一常数，当a》0时，意味着旁路比b随着自变量的增加而增加，当a《0时，意味着旁路比b随着自变量的增加而减小。整个变化过程可由图12表示。
[0081]
可以将以上信息做一个归纳：
[0082]
1.常数b不改变灵敏度k；
[0083]
2.b增加会导致灵敏度减小；
[0084]
3.b减小会导致灵敏度增加。
[0085]
在仪表测试中，虽然b的减小会使低流量段灵敏度增大，但在中、高流量范围内灵敏度会不断减小，这种矛盾导致了奇点的产生。
[0086]
希望在量程范围内，设计的传感器的输入值与输出值是线性的，灵敏度为一常数，这样采集的信号才能真实地表达想要测得的实际值，但是，旁路比-灵敏度关系模型告诉，
灵敏度与旁路比是具有相关性的，在低流量段的灵敏度并不是线性的，而是迅速降低。考虑到的流量产品，提出通过设计不同整流器模型来改变旁路比进而优化mems燃气表性能的以下两点目标：
[0087]
1.为了消除或削弱奇点，提高流量仪表在低流量段的线性拟合度，在低流量段允许旁路比减小，只要它减小得不要太快；
[0088]
2.考虑到中流量段和高流量段，旁路比变化不大，对于本文设计的传感器而言，信号输出值33000-52000是一个好的输出范围，最大输出值52000对应的旁路流量约为1562.5sccm。因此，当本文设计的流量计想要达到满量程100slm的工作范围，那么比较合适的旁路比为 100slm/1562.5sccm＝64，尽量使旁路比接近于64从而提高仪表灵敏度。
[0089]
本发明分别根据孔径和孔数两个影响因素建立整流器模型，一共设计了6种不同规格的整流器模型，中心孔径与边缘孔径相等，主要是验证不同孔径和孔数对旁路比的影响，通过对旁路比的优化找到最佳的整流器方案。本文将整流器放置于流量仪表主流流道的正中央，整流器通道长25mm，这6种整流器模型在图中分别标识为1#、2#
……
6#，为流体区域，为非流体区域，如图13所示。根据本文设计的mems燃气表的结构特征和孔径加工难度，要求最大孔径《＝5mm,最小孔径》＝3mm，中心孔与边缘孔之间的孔距为6mm。
[0090]
根据mems燃气表标定模型的流体区域建立了1:1的数值分析模型，其中的整流器模型部分分别采用如图13所示的6种整流器仿真模型。求解模型同样选用fluent里面的标准k-ε模型进行模拟，测试模型的模拟参数如表1进行设置，数值分析结果数据如表2所示，其中， original为初始整流器模型。
[0091]
如表2所示，为了探寻整流器孔径和孔数对旁路比的影响情况，我们通过控制变量的方式首先将整流器的孔径大小固定，首先设计了总孔数为：6-9的4种不同孔数的整流器仿真模型，然后再将整流器的总孔数固定为7，设计了孔径为：3mm、4mm、5mm的3种不同孔径的整流器仿真模型。目标1和目标2是整流器的优化设计目标。
[0092][0093]
表2
[0094]
对于目标1，我们可以通过计算旁路比的最大值与最小值的比值大小:b_max/b_min来反映旁路比随被测流量变化的线性度，比值越接近于1，旁路比和灵敏度越趋近于常数，说明在低流量段，线性拟合度越好，奇点也更容易被削弱。对于目标2，通过数值分析结果计算旁路比可以很方便的得到。
[0095]
为了更加形象地展示表2中的结果，可以将数据通过曲线图的形式进行展示，以便于后续的分析，图14展示了整流器孔数对旁路比和b_max/b_min的影响情况，图15展示了整流器孔径对旁路比和b_max/b_min的影响情况，由于考虑到mems燃气表的结构特征和孔径
加工难度，孔径因素的整流器数值仿真模型只设计了三组。
[0096]
如图14，在孔径相同(为2mm)的情况下，随着孔数的增加，旁路比也随着增加，但b_max/b_min的值却逐渐变小，越来越接近于1，在总孔数为9时，流量达到满量程100slm 的时候旁路比为65，接近于旁路比理想值64，此时b_max/b_min＝1.62。如图15，在总孔数相同(为7)的情况下，随着孔径的减小，旁路比和b_max/b_min的值也随着减小，在孔径为1.5mm时，b_max/b_min＝1.18，此时b_max/b_min非常接近于1，但较遗憾的是此时流量达到满量程100slm的时候旁路比为22，相较于旁路比理想值64小了不少。
[0097]
结合以上分析和灵敏度-旁路比关系模型的结论，在一定孔径和孔数范围，对于将管束式整流器放置于mems燃气表的主流流道中的情况有:
[0098]
1.孔数增加，旁路比增大，低流量段线性拟合度变好，奇点也更容易被削弱，但会降低仪表的灵敏度；
[0099]
2.孔径减小，旁路比减小，低流量段线性拟合度变好，奇点也更容易被削弱，仪表的灵敏度提高。
[0100]
综合以上分析考虑，选取了4#整流器仿真模型作为优化后的测试模型，通过采用gnp音速喷嘴实验数据标定方法进行多次标定求得平均值，获得了如图16的质量流量-输出信号曲线图，可以从图中可以看到，经过优化后的整流器模型，标定结果的线性拟合度r2由优化前的0.9937提高到了0.9972，低流量段的奇点也被明显地削弱，灵敏度也有了显著提高。
[0101]
综上所述，通过对旁路比的定量分析以及数值分析的方式进行验证，建立了旁路比与灵敏度的关系模型，在仪表测试中，虽然b的减小会使低流量段灵敏度增大，但在中、高流量范围内灵敏度会不断减小，这种矛盾导致了奇点的产生。通过调整整流器参数改变旁路比来优化流量测量设备的性能，在低流量段尽量使旁路比缓慢降低，在中、高流量段使旁路比趋近于本文仪表的理想旁路比64。设计了6种不同孔径和孔数的整流器数值分析模型:1#-6#，数值分析结果表明一定孔径和孔数范围内，随着孔数的增加，旁路比增大，奇点也更容易被削弱，但会降低仪表的灵敏度；孔径减小，旁路比减小，奇点也更容易被削弱，仪表的灵敏度提高。最终，选取了4#整流器模型进行标定实验测试，对比优化整流器前后的标定结果数据，线性拟合度r2由优化前的0.9937提高到了0.9972，低流量段的奇点也被明显地削弱，灵敏度也有了显著提高。
[0102]
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0103]
需要要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。