一种非标准孔板气体流量计的实现

摘要：针对某气体流量非标准节流装置测量方案，提出一种非标准节流装置特性参数间接检测方法，实现了一种非标准孔板气体流量的测量，并使该方案产品化。提出的非标节流装置特性参数间接检测方法易于工程实现，具有较好的实用价值。
孔板流量计在流量计量方面被广泛采用，在实际应用中，一般采用一些小流量的测量，由于测量装置结构的限制，不宜采用标准孔板，非标准孔板的节流装置。一般上气道，下气道和非标准孔板是一个整体构件，工作原理与标准孔板相同，区别只是节流件入口边缘及孔口形状，差压取压孔位置是非标准的。非标准的节流装置由于理论分析和试验研究不足，难以对任一种非标准的节流装置进行理论分析和试验研究，因此使用者一般自己进行实验校验，才能可靠的使用。本文针对这一问题给出了一种间接检测解决方法。
1非标准孔板节流装置结构设计
1．1非标准孔板节流装置结构
图1为某非标准孔板节流装置结构示意图，板孔左右两侧分别开有两个差压取压孔，压差传感器从这两个差压取压孔获得上下气道的压差。
本非标准孔板节流装置的尺寸小，采用一体化结构，由塑料模成型。

1．2非标准孔板节流装置基本参数
设上气道入口前的流速为ν1，密度为ρ1，静压力为P1，流经节流件时的流速为ν2，密度为ρ2，静压力为P2。根据伯努利方程，对于不可压缩性理想流体，其能量关系为：

(2)式中，α为流束的最小断面面积。对不可压缩性理想流体，可认为ρ1=ρ2=ρ。设管道的直径和有效面积为D和A，节流件的开口直径和有效面积为d和曰，令β=d/D。可求出流体ν2的平均流速。

对可压缩气体，考虑到气体流经节流件时的时间很短，流体介质与外界来不及进行热交换，可认为其状态变化是等熵过程，可引入一个流体膨胀校正系数ε，并设节流件前流体密度为ρ1，可压缩气体质量流量与体积流量与压差关系如下：

由于孔板流量计测得的流量是根据差压信号间接求得的。从公式可以看出，影响测量准确度的主要因素是α、a、ε等值。必须保持α、a、ε均为恒定值，才能达到差压和流量之间有恒定的
对应关系。但在实际应用中，α、a、ε都与某些因素有关，特别是流量系数α，它是一个影响因素复杂，变化范围大的重要系数，如果在测量过程中不能保证α为恒定值，则测量误差将会较大。资料和实验证明，流量系数α值与取压点位置、孔板的开孔截面积和管道截面积比、雷诺数、管壁粗糙度、孔板入口边缘尖锐度有关。而本节流件是
非标准的，以上参数无表可查，只有通过实验的方法间接确定，为此设计图2的检测电路进行测试。
2流量计系统电路设计
本产品按照便携式的特点设计其系统电路。
系统电路基本功能有差压信号检测与处理功能、模数转换功能、显示功能、电源管理功能、参数标定功能、数据传输功能。
2．1检测电路设计
半导体压力传感器具有小尺寸、重量轻、性能稳定、使用方便的特点，符合本产品对外形尺寸的要求。压差检测选择MPX2010GS和MPX5010DP传感器，MPX2010GS是差动输出气体压力传感器，最大量程10kPa，典型输出电压25mV，灵敏度2．5mV／kPa，常用于空气运动控制、压力开关、呼吸诊断等应用。MPX5010DP是单端输出气体压力传感器，最大量程10kPa，典型输出电压5V，灵敏度450mV／kPa，常用于医院病房监控、过程控制、呼吸系统等应用。选择MPX2010GS是其价格相对低一些，但要对其输出的信号做后续处理。选择MPX5010DP是其精度高一些，无需信号的后续处理，但价格相对高一些。实际选用MPX2010GS

图2是流量计系统电路中的电源管理电路与差动放大电路部分，控制器选择ATMEL公司的Atmegal6单片机，模数转换电路用单片机片内的A／D转换器。电源管理电路由BL8550／5．0升压芯片升至5V，用tps76333电源管理芯片得到3．3V，供Atmegal6单片机与TLV4112低压放大器使用。tps76350电源管理芯片得到5V，供差压传感器桥压使用。差动放大电路输人电阻R1与R2可适当调整，以实现差动放大电路的零点调整。对于MPX5010DP无需使用差动放大，其输出信号就为0—5V的直流电压，可直接将其输出信号接至单片机A／D引脚。关于差动放大电路的零点调整问题，在有单片机对A／D信号处理的情况下，使用时可由软件开机后测一下初始值，每一次测量值都减去初始值，实现再一次校零，这样更符合实际测量时检测电路的状况，测量更准确。
但差动放大电路的零点仍然是要硬件校零的，且应略大于零，以防有效信号部分被用于零点补偿，影响测量精度。
2．2差动放大电路参数的确定
图2中TLV4112低压放大器的1号端是放大信号输出端，该端接单片机37号端(A/D引脚)。放大器1号端输出信号见下式。

(9)式中V+和V_是MPX2010GS的差动信号正端与负端，理论上传感器输出信号与差动放大电路信号输入端连接后，传感器未受差压作用时，μ。应等于零。当(9)式中V+和V_相等时，有(10)式。

理论上，R1=R2与R5=R6时(10)式应为零，但由于实际电路各参数与理论值并非一致，往往μ。与理论计算值不符。本电路中μ。实际值小于零，为此适当增加R1就可以很方便使μ。为零或略大于零，且不需要外加直流偏置电路调零。本差动放大电路取尺为470k，R为430k，使μ略大于零，提高了MPX2010GS输出信号的有效性，符合本流量计测量要求。由于R5与R6均为1k的阻值，R+=R1//R与R_=R2/R6近似相等，所以，同相端与反相端对地的等效电阻差异很小，对放大器的放大性能影响很小。
3非标准孔板节流装置参数检测由(8)式可知，非标准孔板节流装置参数受多种因素影响，只有通过实验的方法间接获得。本设计提供了一个流量345．67mL·S的近似恒压空气气流为孔板参数测试用。设计如下测试方案：通以345．67mL·S。。的近似恒压空气气流后，测出压差，由4位液晶显示器显示其读数，此测量做多次，去除明显偏大和偏小的值，取剩余值的平均值；设Q=k△P，△P为所测压差的开平方值，k=~aot：。，就是非标准孔板节流装置的一个综合参数，取初始值为1，测量12s的空气气体总流量，由4位液晶显示器显示其读数，此测量做5次，去除明显偏大和偏小的值，取剩余值的平均值；由于12秒钟的空气气体总流量应为4148mL，与测量值比较，可得值约为1．119。此值就是非标准孔板节流装置的综合参数，每个该型的非标准孔板节流装置的k值会略有差异，因此每个使用该型非标准孔板节流装置的产品都要以k=1．119进行校验，得到其标定的值，以保证产品的测量准确性达到规定的要求。本气体总流量测量范围为1—9999mL。
4结论
本文提出的非标准孔板节流装置参数检测方法简易可行，所用技术成熟可靠，成本低，与软件相配合，具有较好的测量精度，满足了本产品的设计要求，该方法具有一般性，易于工程应用。可用于学生体能测试中的肺活量测试。