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一种非标准孔板气体流量计的实现

来宝网 2013/7/11点击1315次

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。

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