一种非标准孔板气体流量计的实现

2012-11-01颜景和

扬州职业大学学报 2012年4期

颜景和

(扬州职业大学，江苏扬州 225009)

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。

图1 非标准孔板节流装置结构

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 v1，密度为 ρ1，静压力为P1，流经节流件时的流速为v2，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:

流体的连续性方程为:

(2)式中，a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B，令β=d/D。可求出流体的平均流速 v2。

由质量流量的定义，可得质量流量与压差ΔP=P1－P2的关系为:

(5)式中α=CE称为流量系数。同样，由体积流量的定义可写出流量计算式:

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［1］。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［2］。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2.5 mV/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450 mV/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 流量计系统信号处理电路

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Atmega16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Atmega16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。差动放大电路输入电阻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，u0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u0与理论计算值不符。本电路中u0实际值小于零，为此适当增加R1就可以很方便使u0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R1为470k，R2为430k，使u0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//R5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［3］。本设计提供了一个流量 345.67mL·s－1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－1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，为所测压差的开平方值，k=εaα，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k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k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。