《基于MEMS的液压系统V锥流量计的设计仿真研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MEMS的液压系统V锥流量计的设计仿真研究.pdf（13页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、http:/ - 1 - 基于基于 MEMS 的液压系统的液压系统 V 锥流量计的设计仿真研究锥流量计的设计仿真研究 顾长智1，张洪朋，梅涛，杜友威 大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连（116026） ,13074179278 摘摘 要要: 由于液压管路流量测量与输送一般流体物质的管路流量测量的差异性， 液压领域至 今没有找到非常满意的动态流量测量仪表。 在应用压力梯度法测量液压系统流量研究的基础 上，利用传统 V 锥流量计优点，提出一种不需要引压，直接让 MEMS 敏感芯体在管内获得 与流量对应的差压信号的新方法。通过应用 MEMS 力敏芯体测取内置于管道中特殊设计的 V 型锥体前后的压差。
2、推导了流量-差压数学模型，利用 Fluent 仿真了 V 锥体关键参数不同 对流场压力的影响。得出了在设计时前锥角和等效直径比应该取较大值的结论。对 V 锥流 量计的优化设计有指导意义。 关键词：关键词：液压系统；流量测；V 锥；MEMS；关键参数；Fluent 引言引言 流量测量1是工业过程测量中的一个重要参数，涉及广泛的应用领域，流量、温度和压 力被公认为热工计量的三大重要参数， 随着工业及经济的发展， 流量计量技术及产品日新月 异。 然而， 目前大多数实际应用的液压系统往往只有几块压力表， 流量监测装置几乎没有2。 在液压领域流量测量过程中， 至今没有找到非常满意的动态流量测量仪表。 可
3、以在工程手册 3上选择的容积式流量计和涡轮流量计除了价格昂贵以外，对流体的扰动强烈，存在可动机 械部件，响应频率低、容易磨损的缺陷。由于液压系统仅能测量工作压力，无法测量系统中 各支路的工作流量，如果遇到故障很难确定故障原因，只能被迫停车大修。如果能有在线流 量传感器监测流量的异常情况，配合压力参数，就可以根据功率流理论及时预报，准确地定 位故障所在并进行排除，避免更多的经济损失。 另外，从对系统状态监控的角度来看，随着自动化水平的提高，系统的流量反馈，尤 其是动态流量反馈， 对于掌握液压传动系统或者系统中的某个元件的动态性能， 识别其数学 模型和物理参数，实现液压系统高效率、高精度控制具有重
4、要意义4。 因此设计一种适合液压系统特点的动态流量计是十分迫切而必要的。 1. 基于基于 MEMS 的液压系统的液压系统 V 锥流量计新方法的提出锥流量计新方法的提出 1.1 MEMS 简介简介 微机电系统5（Micro Electric Mechannical Sytem，MEMS）也称作微传感器与微执行器 （Micromachined Transducers）技术，它是微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加 工和精密机械加工等多种微加工技术， 并应用现代信息技术构成的微型系统。 微型传感器当 属于 MEMS6中最为广泛也发展得最成熟的器件，这是因为微型传感器的尺寸微小，具有集 成性、阵
5、列性、智能性等特点，拥有广大的市场需求。 微型传感器一般是把信号处理线路 和敏感单元集成地制作在一个芯片上（built in） 。这样，传感器不仅能感知被测参数，将其 转换成方便度量的信号，而且能对所得到的信号进行分析、处理和识别、判断，因此形象地 被称为智能传感器（intelligent 或 smart 传感器）7。 微型传感器的主要优点8 9是： 1 本课题得到国家自然科学基金资助项目，编号【50575027】的资助。 http:/ - 2 - （1）可提高信噪比。 （2）可改善传感器性能。 （3）输出信号的调节功能。 （4）阵列性、多维化的优点。 （5）由于微型传感器体积微小，重量极轻。
6、可提高测量精度。 （6）微型传感器由于多利用成熟的半导体工艺，可批量生产，成本低廉。 1.2 传统传统 V 锥流量计的优势及缺陷锥流量计的优势及缺陷 1.2.1 传统传统 V 锥流量计的优点锥流量计的优点 V 锥式流量计10是利用同轴安装在管道中的“V”形尖圆锥将流体逐渐地节流收缩到管 道的内边壁,通过测量此“V”形内锥体前后的差压来测量流量的。 V 锥流量计目前还未实现国 际标准化，但是在国内外的生产厂家众多，技术已经趋于成熟。V 锥式节流装置包括一个在 测量管中同轴安装的尖圆锥体和相应的取压口。该测量管是预先精密加工好的,在尖圆锥体 的两端产生差压。 此差压的高压(正压)是在上游流体收缩前
7、的管壁取压口处测得的静压力p1, 如图 1 所示,而低压力(负压)则是在圆锥体朝向下游端面锥中心轴处所开取压孔处的压力 p2。 该圆锥体的顶尖朝向来流,该圆锥体与其尾随面之间是一个尖锐的锐角。此交合面的边缘使 得流体在进入下游的低压区之前有一个平滑的过渡区,如图 1 所示。由于流体不是被迫收缩 到管道中心轴线附近,并且也不再是一个阻挡物(节流件)令流体突然改变流动方向,而是利用 这种结构新颖的内锥式节流装置实现了对流体的逐渐朝向管内边壁的收缩(节流),使 V 锥式 流量计11具有了一系列独特的优点。 图 1 传统 V 锥流量计结构图 (1)准确度优于实测流量的0.5%。 (2)这种流量计的量程
8、比:典型值为 151,至少可有 101 的量程比。 (3)重复性优于0.1%。 (4)安装时所要求直管段很短,上游要求 0 至 3D,下游要求 0 至 1D;不需要在 V 锥流量计的上 游安装流动调整器。 (5)流量计结构设计是流体扫过型结构,不可能截留流体中任何夹带的气、液或固相污物,非常 适用于对脏污流体的流量测量,如焦炉煤气、湿气体等。 (6)专用特殊设计的内锥体可以减弱被测压力(差压)场中脉动(振荡)的幅值,从而减小差压信 号中的噪声。可测量更小流量,使量程比拓宽。这一优点为应用 MEMS 实现液压系统动态流 量测量提供了前提。 http:/ - 3 - (7)无可动部件。 (8)当流
9、体流经具有特殊廓形的内锥体时,会在其周边形成边界层并疏导流体离开锥体尾部的 边缘,从而减少它被磨损的可能性。 （9)由于压损小,适用于低静压流体流量测量场合,如烟道气。 1.2.2 传统 传统 V 锥流量计的缺陷锥流量计的缺陷 (1)当要求 V 锥流量计具有优于0.5%的精确度时,对每一台流量计都要求在尽可能接近 使用条件的校准装置上对它进行实流校准,即标定它的流出系数 C。 (2)V 锥流量计尚未达到标准化的程度。 (3)由于结构原因,无法用一台 V 锥流量计适应双向流的流量测量要求。 （4）无法测量低雷诺数（Re8000）流体。 (5)因为需要前端引压,因此初装费较高,限制了 V 锥流量计
10、的市场应用前景。 1.3 新方法的提出新方法的提出 因为液压系统流速较低， 管路中流体 （液压油） 雷诺数一般较低， 流量往往也不是很大， 因此传统的需要差压变送的 V 锥流量计并不适合液压系统的流量测量。但是其压损小，具 有自整流功能，信噪比高，需求直管段短等特点却非常符合液压系统动态流量测量的要求。 因此作者想到寻找一种可以测量微小差压信号，动态特性好的传感器，结合 V 锥流量 计自身的特点，可以实现液压系统的动态流量测量。在前一节中介绍的 MEMS 敏感芯体显 然就符合这一特点。很多的 MEMS 传感器都能用于流体领域，可以应用的方法主要有热学 原理流量传感器、力学原理流量传感器、电化学
11、原理流量传感器。 为了确定最适合于本例的敏感芯体， 作者所在科研小组在前期的工作中对比分析了当前 的热式、 力式、 电化学式传感器的实现机理和特点， 得出了力式传感器最适合本研究的结论。 接着又探讨了压阻式、压电式、电容式等微机械器件中常用的力式传感器件的实现机理，比 较了各种原理传感器的性能特点，得出了压阻式传感器是比较适合液压系统流量测量的结 论。 在此基础上，作者提出了一种不需要引压，直接让 MEMS 敏感芯体在管内获得与流量 对应的差压信号的新方法。其机理是利用内置于管道中的 V 锥节流装置， （如图 2 所示）获 得低压损、低能耗的微小压力差，通过置于锥体内部的 MEMS 力敏芯体测
12、取锥体前后产生 的微小压差， 并根据建立流量压差关系的模型， 采用仿真手段和实验测试得出该状态下的 流量值。 图 2 新流量传感器示意图 http:/ - 4 - 其特点是： （1）与传统方式将压差转换成机械位移（应用位移传感器）或者用管路将压力引到外 部 （应用一个差压传感器或两个压力传感器） 进行比较不同的是， 本方法把高精度的 MEMS 芯体置入液压油内部，直接感受源头微小压力差，因此流量压差增益比较大（在一般流量 范围时压差信号仅为千帕级） ，在很大程度上减小了一直忌讳的永久压力损失。 （2）由于敏感芯体被置于液压油内部，因此膜片在各个方向受力基本平衡，从理论上 来说不受液压系统内部压
13、力冲击的影响，解决了一般方法中硅材料因脆性易导致碎裂的问 题。 (3) 差压发生装置和敏感芯体为一体化安装，取消通用差压式流量计的现场布引压管 线工程，一方面减少了维护工作量和故障率，另一方面摆脱了由于引压管路带来的液容效 应，大大提高了传感器的频率响应性能，从原理上来说可以满足液压系统常规范围内的瞬 态流量测量。 （4）新型传感器无运动的机械部件，对液压油的污染不敏感，可靠性高。 （5） 本传感器中应用 MEMS 力敏芯体批量化生产成本很低， 大致为一般涡轮或椭圆齿 轮流量计价格的 1/5 或更少。 （6）由于取消了前端引压管，大大降低了传统 V 锥流量计的成本。并且使流量计结构 紧凑，利于
14、实现 V 锥流量计的标准化。 （7）解决了传统 V 锥流量计很难测取小流量及低雷诺数流体的问题，提高了量程比， 扩大了测量范围。 2. 基于基于 MEMS 的的 V 锥流量计的数学建模锥流量计的数学建模 如图 3 所示，R 在这里为管路半径，r 为锥体最大横截面半径，忽略异径管厚度，假设 从截面 A-A* 到截面 B-B* 流线不发生增加或者减少，即任何 A-A*面上一微元 ds 都可以沿 图 3.a 流速分布截面图 图 3.b 截面 A-A* 图 3.c 截面 B-B* 图 3 管道内的流场图 着流线找到在 B-B*面上的映射 ds*则在流道内任一流线上有: 22 1122 22 f pvp
15、v w +=+ (1) 这里 1 p 是截面 A-A*处的压强， 2 p为截面 B-B*处的压强， 12 ,v v分别为两流线进出 http:/ - 5 - 位置的流速。 f w为流线上的粘性损耗。 在流道入口和出口面上进行积分，得: 2 222 1122 2 12 2 f ss pvpv dswds v + =+ + (2) 2 22 21 12 1 22 f ss vv pppwdsds =+ (3) 从上式可以看出，流道出口处内外压力差与液体流速及粘性损失存在一一对应的定量 关系,但是该式在各面上的积分难以获得解析解，因此在这里要进行简化：对液压油看作是 层流流动进行分析（对于紊流的截面
16、流速和压力分布至今无解析办法，只能通过半理论半 试验地进行分析，并且就本研究对象来说，紊流时的工作原理和层流时一致,可以通过试验 的方法获得其参数进行标定）假设面 s1和 s2上对应的平均流速点位于同一流线，上式可写 成: ()() 22 1212 2pppvvg hh = (4) 1 v, 2 v 分别代表面 1 s, 2 s, 处的平均流速 (参见图 3.1.b, 3.1.c)。h为流道内的沿程损 失，沿程损失是由于液体与管壁以及流层之间的摩擦带来的损失，对于流道: 2 42 LV h Rg = (5) 其中 L 为流道长度，R为流道水力半径，为沿程阻力系数， 2 2 V g 为速度头。
17、在本研究中由于 L 很小，所以沿程损失的影响相对于由于面积变化产生的压力变化可 以忽略不计。 h为流道内的局部损失，本模型中流道属于断面逐渐缩小局部障碍，它的局部损失12 如下： () () () 22 2 2121 2 1 1 28sin/22 vvvv s h gsg = (6) 其中为沿程阻力系数，角为锥体扩散角。当角较小且过渡圆滑时，为 0.005 0.05。因此局部损失相对于管路能量来说也非常小，可以忽略不计。 因此 3 式可以简化为： 22 1122 22 pvpv +=+ (7) 12 2 2 2 2 1 1 2 ppp s v s = = (8) 设工况下管路的体积流量为 v
18、q,根据连续方程有 http:/ - 6 - 1 12 2 v sv s= (9) 1 12 2 s vv s = 12 2 2 2 2 1 2 22 2 2 2 2 222 22 2 1 2 1 2 1 2 v ppp s v s Dd v D qDd Ds = = = = (10) 取等效直径比 2222 2 DdDd DD = 则体积流量 () 22 4 12 4 1 v p qDd = (11) 取流出系数为 C(C=实际流量/理论流量),则 () 22 4 2 4 1 v cp qDd = (12) 从上式可以看出，对于某一半径的管路，当液压油的密度为定值时，流量与压力差之间 的对应
19、关系取决于的值，也就是锥体直径与管路直径的比值，而与系统的静压力无关。 3. 新型流量计仿真及尺寸优化设计新型流量计仿真及尺寸优化设计 3.1 Fluent 仿真前期工作仿真前期工作 在设计锥体时，考虑在其出口后内外压力场必须稳定，以利于 MEMS 差压传感器测量。 为了确定 V 锥流量计锥体前锥角与值变化对流道压力的影响。应用 Fluent13软件对不 同前锥角和值的锥体进行了仿真。具体设计为当=0.75 时分别取前锥角为 30、45、 60，进行仿真对比 ；当前锥角为 45时，分别取值为 0.45，0.65，0.75，0.85，进行仿 真对比。为了尽量真实地对流场进行仿真计算，本文建立了三
20、维几何模型，采用三维流场进 行仿真计算。由于异径管结构呈中心轴对称，其内外流场对称，因此为了节省计算时间，可 以只仿真流场的一半，借助 Solidworks 软件进行前期的几何建模，如图 4 所示： http:/ - 7 - 图 4 在 Solidworks 中建立的模型 该模型相关尺寸为圆管直径 D36mm，锥体前端直管段 2D，后端直管段 1D 计算区域 CFD 的三维模型网格的划分由 Fluent 的前提处理器 Gambit 完成。 为了便于计 算，整个网格分为三部分，中间 V 锥体部分网格最密，而两端直管段部分网格则相对稀疏。 生成的网格见图 5。 图 5.三维流场的网格划分 本文主要
21、根据雷诺数Re是否大于 2300 来确定计算模型为层流还是紊流14。经过计算， 值为 0.45 时计算模型为湍流，选取 k-模型，经过计算该模型中 k=0.195，为 12.19。 其余情况均为层流，选择 Fluent 中的 Laminar 模型进行仿真计算。 对于所选的计算模型，进口设置为速度进口（velocity-inlet）边界条件，出水口设置为 出流(outflow)，其它根据模型实际设置对称面（symmetry） 、内部流场面（interior）等。流 体材质根据液压油参数设置：油液密度870kg/m3 ，工作环境压力为3 a Mp，进口速度 为1m/s。运动粘度 oil v 2 6
22、.5/ms 5 10（油温293K） 。 本文判断收敛的方法是， 采用监视残差值和检查系统流量守恒相结合的判断方法。 经过 Fluent软件迭代计算，得到收敛的残差曲线。 整个计算在迭代了200步以后，各个物理变量的残差值都达到了期望的标准10-4，初步 判断计算收敛。计算结束后，检查进口流量，不平衡误差为0.0016，可以说明计算已经收 敛，计算结果是可靠的。 http:/ - 8 - 3.2 仿真结果分析仿真结果分析 3.2.1 前锥角变化对流道内压力变化的影响前锥角变化对流道内压力变化的影响 当=0.75时,前锥角分别为30、45、60时，前锥角变化对流场压力的影响仿真结 果如下： 图
23、6.a.前锥角 30时 X 方向剖面的压力分布图 图 6.b.前锥角 45时 X 方向剖面的压力分布图 http:/ - 9 - 图 6.c.前锥角 60时 X 方向剖面的压力分布图 根据仿真结果得出的结论： （1）从任意仿真结果中可以看到锥形部分前后流道的压力变化，锥体前后形成了明显 的压力差，且前后的压力都有一段很稳定的区域，便于实际测量，这与理论分析完全一致。 （2）具体压力变化根据仿真结果统计如下： 表 1 前锥角对流道压力变化统计表 前锥角（） 最小相对压力（Pa）最大相对压力（Pa）压力差（Pa） 30 -1.09*106 4.20*105 1.51*106 45 -4.34*10
24、3 2.39*102 4.58*103 60 -4.19*103 1.95*102 4.39*103 根据表 1 可以看出值相同时，在一定范围内随着前锥角的增大，锥体前后的压力差 逐渐减小，且随着角度的增大，压力差减小的趋势越来越小。因此从降低压损的角度考虑， 在锥体结构设计时，前锥角不能取的太小。 （3） 当前锥角为 45和 60时， 锥体前后最大压力差为 4500Pa 左右， 本研究选用的 MEMS 力敏芯体能够很好的测得。在 45到 60范围内压力差变化不大，因此前锥角可以在这个范 围内选取。 3.2.2 值变化对流道内压力变化的影响值变化对流道内压力变化的影响 当前锥角为 45时，分别
25、取值为 0.45，0.65，0.75，0.85，进行仿真对比。仿真结果如 下： http:/ - 10 - 图 7.a.值为 0.45 时 X 方向剖面的压力分布图 图 7.b.值为 0.65 时 X 方向剖面的压力分布图 http:/ - 11 - 图 7.c.值为 0.75 时 X 方向剖面的压力分布图 图 7.d.值为 0.85 时 X 方向剖面的压力分布图 根据仿真结果得出的结论; (1)从任意仿真结果中可以看到锥形部分前后流道的压力变化，锥体前后形成了明显的 压力差，且前后的压力都有一段很稳定的区域，便于实际测量，这与理论分析完全一致。 http:/ - 12 - (2)具体压力变化
26、根据仿真结果统计如下： 表 2 值对流道压力变化统计表 值 最小相对压力（Pa）最大相对压力（Pa）压力差（Pa） 0.45 -2.57*104 2.90*102 2.60*104 0.65 -1.96*104 4.05*103 2.36*104 0.75 -4.34*103 2.39*102 4.58*103 0.85 -2.72*103 2.21*102 2.93*103 根据表 2 的统计结果显示，在一定范围内，随着值的增大，锥体前后压力差逐渐减 小，且随着锥角的增大，压力差减小的幅度越来越小。因此在设计锥体时，不论是从减小压 损的角度还是 MEMS 芯体测量范围的角度考虑，值都不能取得
27、太小。 （3）当值为 0.75 和 0.85 时，压力差分别为 4580Pa 和 2930Pa，这个范围内的压差信 号应用本研究中选用的 MEMS 力敏芯体可以非常灵敏地测得。而当值小于 0.65 时，压损 明显太大。因此在设计锥体参数时，值可在 0.75 到 0.85 之间取值。 4. 结论结论 本文提出了一种基于 MEMS 传感器的液压系统流量测量新方法，通过对传统 V 锥流量 计的借鉴与创新，能够实现液压管路流量的动态测量。在建立数学模型的基础上，本文根据 实验台实际参数，建立了新型流量计的三维模型。并根据关键参数的不同，应用 CFD 软件 Fluent 对各种模型进行了仿真，总结了各种
28、参数变化对流道内压力变化的影响，得出了前锥 角和值的取值范围。为设计和优化 V 锥流量计的结构参数提供了理论依据。下一步，将 根据数学模型和仿真结果，选择合理参数，设计加工新型流量计样机。通过试验与仿真结果 的对比验证，进一步优化结构参数，完善数学模型，为新型流量计设计完成走向市场做好前 期理论与试验工作。 参考文献参考文献 1 纪纲.流量测量仪表应用技巧.北京：化学工业出版社，2003. 2 蔡武昌，孙淮清，纪纲.流量测量方法和仪表的选用.北京：化学工业出版社，2001. 3 R. W. Miller.Flow measurement engineering handbook. New Yo
29、rk,McGraw-Hill, 1989. 4 Alan Krigman. Flow Measurement，Some Recent Progress.Intech,1983(4) 9-13. 5 陶家渠等译.硅微机械传感器.北京：中国宇航出版社，2003. 6 Feynman. R. P, R. B. Leighton, M. L. Sands.The Feynman lectures on physics. Redwood City, CA, USA, 1965. 7 郭成锐，林鸣谢.压阻式 MEMS 压力传感器的原理与分析.中国学术（电子）期刊，2007. 8 Ranjit Singh.
30、Low Lee Ngo.A Silicon Piezoresistive SensorJ .IEEE International Workshop,2002,02:1453-1456. 9 Gregory T.K.Kovacs.Micromachined Transducers Sourcebook.The McGrawHill Companies.Inc，1998. 10孙延祚.“V”型内锥式流量计.天然气工业,2004;24(3):105110 11朱懿渊，沈昱明，姚征.V 锥流量计的 CFD 数值模拟与分析.计量学报,2008. 12金朝铭.液压流体力学.北京：国防工业出版社，1994.
31、 13王福军.计算流体动力学分析-CFD 软件原理与应用.北京：清华大学出版社,2004，9. 14韩占忠，王敬，兰小平.Fluent 流体工程仿真计算实例与应用.北京:北京理工大学出版社，2004. http:/ - 13 - Design and simulation of V cone flowmeter in hydraulic systerm based on MEMS Gu Changzhi, Zhang Hongpeng, Mei Tao, Du Youwei (Marine Engineering Colledge of Dalian Maritime University,D
32、alian116026,China) Abstract Because of the the difference between hydraulic pipeline flow measurement and the general substance pipeline flow measurement , so far we have not found appropriate dynamic flow measuring instruments in the field of hydraulic flow measurement. It is on the basis of primer
33、 research on hydraulic flow measurement applied the pressure gradient method.Reveal a new method which do not need pressure meatus and the sensitive MEMS directly embeded into the the V-cone structure pipe then access to the corresponding differential signals which produced by the specially designed
34、 V-cone structure with low power consumption. The differential pressure-velocity model was deduced .Then the influence on flow field caused by different key parameters of V cone was simulated by Fluent. The conclusion is very important for further design of V cone flowmeter. Key words: hydraulic system; flow measurement; V cone; MEMS; Fluent; key parameternts 作者简介：作者简介：顾长智，男，硕士研究生，1985 年生，山东潍坊人。