一種非標(biāo)準(zhǔn)孔板氣體流量計的實現(xiàn)

顏景和

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009)

孔板流量計在流量計量方面被廣泛采用，在實際應(yīng)用中，一般采用一些小流量的測量，由于測量裝置結(jié)構(gòu)的限制，不宜采用標(biāo)準(zhǔn)孔板，非標(biāo)準(zhǔn)孔板的節(jié)流裝置。一般上氣道，下氣道和非標(biāo)準(zhǔn)孔板是一個整體構(gòu)件，工作原理與標(biāo)準(zhǔn)孔板相同，區(qū)別只是節(jié)流件入口邊緣及孔口形狀，差壓取壓孔位置是非標(biāo)準(zhǔn)的。非標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置由于理論分析和試驗研究不足，難以對任一種非標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置進(jìn)行理論分析和試驗研究，因此使用者一般自己進(jìn)行實驗校驗，才能可靠的使用。本文針對這一問題給出了一種間接檢測解決方法。

1 非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)

圖1為某非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)示意圖，板孔左右兩側(cè)分別開有兩個差壓取壓孔，壓差傳感器從這兩個差壓取壓孔獲得上下氣道的壓差。本非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的尺寸小，采用一體化結(jié)構(gòu)，由塑料模成型。

圖1 非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)

1.2 非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置基本參數(shù)

設(shè)上氣道入口前的流速為 v1，密度為 ρ1，靜壓力為P1，流經(jīng)節(jié)流件時的流速為v2，密度為ρ2，靜壓力為P2。根據(jù)伯努利方程，對于不可壓縮性理想流體，其能量關(guān)系為:

流體的連續(xù)性方程為:

(2)式中，a為流束的最小斷面面積。對不可壓縮性理想流體，可認(rèn)為ρ1=ρ2=ρ。設(shè)管道的直徑和有效面積為D和A，節(jié)流件的開口直徑和有效面積為d和B，令β=d/D。可求出流體的平均流速 v2。

由質(zhì)量流量的定義，可得質(zhì)量流量與壓差ΔP=P1－P2的關(guān)系為:

(5)式中α=CE稱為流量系數(shù)。同樣，由體積流量的定義可寫出流量計算式:

對可壓縮氣體，考慮到氣體流經(jīng)節(jié)流件時的時間很短，流體介質(zhì)與外界來不及進(jìn)行熱交換，可認(rèn)為其狀態(tài)變化是等熵過程，可引入一個流體膨脹校正系數(shù)ε，并設(shè)節(jié)流件前流體密度為ρ1，可壓縮氣體質(zhì)量流量與體積流量與壓差關(guān)系如下:

由于孔板流量計測得的流量是根據(jù)差壓信號間接求得的。從公式可以看出，影響測量準(zhǔn)確度的主要因素是 α、a、ε 等值［1］。必須保持 α、a、ε均為恒定值，才能達(dá)到差壓和流量之間有恒定的對應(yīng)關(guān)系。但在實際應(yīng)用中，α、a、ε都與某些因素有關(guān)，特別是流量系數(shù)α，它是一個影響因素復(fù)雜，變化范圍大的重要系數(shù)，如果在測量過程中不能保證α為恒定值，則測量誤差將會較大。資料和實驗證明，流量系數(shù)α值與取壓點(diǎn)位置、孔板的開孔截面積和管道截面積比、雷諾數(shù)、管壁粗糙度、孔板入口邊緣尖銳度有關(guān)［2］。而本節(jié)流件是非標(biāo)準(zhǔn)的，以上參數(shù)無表可查，只有通過實驗的方法間接確定，為此設(shè)計圖2的檢測電路進(jìn)行測試。

2 流量計系統(tǒng)電路設(shè)計

本產(chǎn)品按照便攜式的特點(diǎn)設(shè)計其系統(tǒng)電路。系統(tǒng)電路基本功能有差壓信號檢測與處理功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能、顯示功能、電源管理功能、參數(shù)標(biāo)定功能、數(shù)據(jù)傳輸功能。

2.1 檢測電路設(shè)計

半導(dǎo)體壓力傳感器具有小尺寸、重量輕、性能穩(wěn)定、使用方便的特點(diǎn)，符合本產(chǎn)品對外形尺寸的要求。壓差檢測選擇MPX2010GS和MPX5010DP傳感器，MPX2010GS是差動輸出氣體壓力傳感器，最大量程10kPa，典型輸出電壓25mV，靈敏度2.5 mV/kPa，常用于空氣運(yùn)動控制、壓力開關(guān)、呼吸診斷等應(yīng)用。MPX5010DP是單端輸出氣體壓力傳感器，最大量程10kPa，典型輸出電壓5V，靈敏度450 mV/kPa，常用于醫(yī)院病房監(jiān)控、過程控制、呼吸系統(tǒng)等應(yīng)用。選擇MPX2010GS是其價格相對低一些，但要對其輸出的信號做后續(xù)處理。選擇MPX5010DP是其精度高一些，無需信號的后續(xù)處理，但價格相對高一些。實際選用MPX2010GS。

圖2 流量計系統(tǒng)信號處理電路

圖2是流量計系統(tǒng)電路中的電源管理電路與差動放大電路部分，控制器選擇ATMEL公司的Atmega16單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用單片機(jī)片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器。電源管理電路由BL8550/5.0升壓芯片升至5V，用 tps76333電源管理芯片得到3.3V，供Atmega16單片機(jī)與TLV4112低壓放大器使用。tps76350電源管理芯片得到5V，供差壓傳感器橋壓使用。差動放大電路輸入電阻R1與R2可適當(dāng)調(diào)整，以實現(xiàn)差動放大電路的零點(diǎn)調(diào)整。對于MPX5010DP無需使用差動放大，其輸出信號就為0～5V的直流電壓，可直接將其輸出信號接至單片機(jī)A/D引腳。關(guān)于差動放大電路的零點(diǎn)調(diào)整問題，在有單片機(jī)對A/D信號處理的情況下，使用時可由軟件開機(jī)后測一下初始值，每一次測量值都減去初始值，實現(xiàn)再一次校零，這樣更符合實際測量時檢測電路的狀況，測量更準(zhǔn)確。但差動放大電路的零點(diǎn)仍然是要硬件校零的，且應(yīng)略大于零，以防有效信號部分被用于零點(diǎn)補(bǔ)償，影響測量精度。

2.2 差動放大電路參數(shù)的確定

圖2中TLV4112低壓放大器的1號端是放大信號輸出端，該端接單片機(jī)37號端(A/D引腳)。放大器1號端輸出信號見下式。

(9)式中 V+和 V－是 MPX2010GS的差動信號正端與負(fù)端，理論上傳感器輸出信號與差動放大電路信號輸入端連接后，傳感器未受差壓作用時，u0應(yīng)等于零。當(dāng)(9)式中V+和V－相等時，有(10)式。

理論上，R1=R2與R5=R6時(10)式應(yīng)為零，但由于實際電路各參數(shù)與理論值并非一致，往往u0與理論計算值不符。本電路中u0實際值小于零，為此適當(dāng)增加R1就可以很方便使u0為零或略大于零，且不需要外加直流偏置電路調(diào)零。本差動放大電路取R1為470k，R2為430k，使u0略大于零，提高了MPX2010GS輸出信號的有效性，符合本流量計測量要求。由于R5與R6均為1k的阻值，R+=R1//R5與R－=R2//R6近似相等，所以，同相端與反相端對地的等效電阻差異很小，對放大器的放大性能影響很小。

3 非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置參數(shù)檢測

由(8)式可知，非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置參數(shù)受多種因素影響，只有通過實驗的方法間接獲得［3］。本設(shè)計提供了一個流量 345.67mL·s－1的近似恒壓空氣氣流為孔板參數(shù)測試用。設(shè)計如下測試方案:通以345.67mL·s－1的近似恒壓空氣氣流后，測出壓差，由4位液晶顯示器顯示其讀數(shù)，此測量做多次，去除明顯偏大和偏小的值，取剩余值的平均值;設(shè)Q=k，為所測壓差的開平方值，k=εaα，就是非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的一個綜合參數(shù)，取初始值為1，測量12s的空氣氣體總流量，由4位液晶顯示器顯示其讀數(shù)，此測量做5次，去除明顯偏大和偏小的值，取剩余值的平均值;由于12秒鐘的空氣氣體總流量應(yīng)為4148mL，與測量值比較，可得k值約為1.119。此值就是非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的綜合參數(shù)，每個該型的非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的k值會略有差異，因此每個使用該型非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置的產(chǎn)品都要以k=1.119進(jìn)行校驗，得到其標(biāo)定的k值，以保證產(chǎn)品的測量準(zhǔn)確性達(dá)到規(guī)定的要求。本氣體總流量測量范圍為1～9999mL。

4 結(jié)論

本文提出的非標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置參數(shù)檢測方法簡易可行，所用技術(shù)成熟可靠，成本低，與軟件相配合，具有較好的測量精度，滿足了本產(chǎn)品的設(shè)計要求，該方法具有一般性，易于工程應(yīng)用?？捎糜趯W(xué)生體能測試中的肺活量測試。

［1］吳天送.化工測量儀表［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998.

［2］史曉軍.孔板流量計的誤差分析及修正［J］.自動化儀表，2010(2):72－73.

［3］李軍，賀慶之.檢測技術(shù)及儀表［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，1989.