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摘要：針對某氣體流量非標準節流裝置測量方案，提出一種非標準節流裝置特性參數間接檢測方法，實現了一種非標準孔板氣體流量的測量，并使該方案產品化。提出的非標節流裝置特性參數間接檢測方法易于工程實現，具有較好的實用價值。
孔板流量計在流量計量方面被廣泛采用，在實際應用中，一般采用一些小流量的測量，由于測量裝置結構的限制，不宜采用標準孔板，非標準孔板的節流裝置。一般上氣道，下氣道和非標準孔板是一個整體構件，工作原理與標準孔板相同，區別只是節流件入口邊緣及孔口形狀，差壓取壓孔位置是非標準的。非標準的節流裝置由于理論分析和試驗研究不足，難以對任一種非標準的節流裝置進行理論分析和試驗研究，因此使用者一般自己進行實驗校驗，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非標準孔板節流裝置結構設計
1．1非標準孔板節流裝置結構
圖1為某非標準孔板節流裝置結構示意圖，板孔左右兩側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。
本非標準孔板節流裝置的尺寸小，采用一體化結構，由塑料模成型。

1．2非標準孔板節流裝置基本參數
設上氣道入口前的流速為ν1，密度為ρ1，靜壓力為ρ1，流經節流件時的流速為ν2：，密度為ρ2：，靜壓力為P2：。根據伯努利方程，對于不可壓縮性理想流體，其能量關系為：

流體的連續性方程為：Aρ1ν1=αν2ρ2

（2）式中，α為流束的小斷面面積。對不可壓縮性理想流體，可認為ρ1=ρ2=ρ。設管道的直徑和有效面積為D和A，節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。流速ν2。

由質量流量的定義，可得質量流量與壓差△P=P1-P2的關系為：

（4）式中E=稱為漸近速度系數。（4）式為理想流體在節流過程中不產生壓力損失的條件下得到的。考慮壓力損失，引入流出系數C進行修正。

（5）式中α=CE稱為流量系數。同樣，由體積流量的定義可寫出流量計算式:

對可壓縮氣體，考慮到氣體流經節流件時的時間很短，流體介質與外界來不及進行熱交換，可認為其狀態變化是等熵過程，可引入一個流體膨脹校正系數，并設節流件前流體密度為ρ1，可壓縮氣體質量流量與體積流量與壓差關系如下：

由于孔板流量計測得的流量是根據差壓信號間接求得的。從公式可以看出，影響測量準確度的主要因素是α、a、ε等值。必須保持α、a、ε均為恒定值，才能達到差壓和流量之間有恒定的對應關系。但在實際應用中，α、a、ε都與某些因素有關，特別是流量系數α，它是一個影響因素復雜，變化范圍大的重要系數，如果在測量過程中不α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α值與取壓點位置、孔板的開孔截面積和管道截面積比、雷諾數、管壁粗糙度、孔板入口邊緣尖銳度有關。而本節流件是非標準的，以上參數無表可查，只有通過實驗的方法間接確定，為此設計圖2的檢測電路進行測試。

2、流量計系統電路設計
本產品按照便攜式的特點設計其系統電路。系統電路基本功能有差壓信號檢測與處理功能、模數轉換功能、顯示功能、電源管理功能、參數標定功能、數據傳輸功能。
2．1檢測電路設計
半導體壓力傳感器具有小尺寸、重量輕、性能穩定、使用方便的特點，符合本產品對外形尺寸的要求。壓差檢測選擇MPX2010GS和MPX010DP傳感器，MPX2010GS是差動輸出氣體壓力傳感器，大量程10kPa，典型輸出電壓25mV，靈敏度2．5mV／kPa，常用于空氣運動控制、壓力開關、呼吸診斷等應用。MPX5010DP是單端輸出氣體壓力傳感器，大量程10kPa，典型輸出電壓5V，靈敏度450mV／kPa，常用于醫院病房監控、過程控制、呼吸系統等應用。選擇MPX2010GS是其價格相對低一些，但要對其輸出的信號做后續處理。
選擇MPX5010DP是其精度高一些，無需信號的后續處理，但價格相對高一些。實際選用MPX2010GS

圖2是流量計系統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Atmegal6單片機，模數轉換電路用單片機片內的A/D轉換器。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Atmegal6單片機與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。差動放大電路輸人電阻R1與R2可適當調整，以實現差動放大電路的零點調整。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A/D引腳。關于差動放大電路的零點調整問題，在有單片機對A/D信號處理的情況下，使用時可由軟件開機后測一下初始值，每一次測量值都減去初始值，實現再一次校零，這樣更符合實際測量時檢測電路的狀況，測量更準確。但差動放大電路的零點仍然是要硬件校零的，且應略大于零，以防有效信號部分被用于零點補償，影響測量精度。
2．2差動放大電路參數的確定
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，μ。應等于零。當（9）式中V+和V_相等時，有（10）式。

理論上，R1=R2與R5=R6時（10）式應為零，但由于實際電路各參數與理論值并非一致，往往μ。與理論計算值不符。本電路中μ。實際值小于零，為此適當增加R1就可以很方便使μ。為零或略大于零，且不需要外加直流偏置電路調零。本差動放大電路取R1為470k，R2為430k，使μ。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非標準孔板節流裝置參數檢測
由（8）式可知，非標準孔板節流裝置參數受多種因素影響，只有通過實驗的方法間接獲得。本設計提供了一個流量345．67mL·S的近似恒壓空氣氣流為孔板參數測試用。設計如下測試方案：通以345．67mL·S。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，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；取剩余值的平均值；設為所測壓差的開平方值，就是非標準孔板節流裝置的一個綜合參數，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，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為4148mL，與測量值比較，可得值約為1．119。此值就是非標準孔板節流裝置的綜合參數，每個該型的非標準孔板節流裝置的k值會略有差異，因此每個使用該型非標準孔板節流裝置的產品都要以k=1．119進行校驗，得到其標定的值，以保證產品的測量準確性達到規定的要求。本氣體總流量測量范圍為1—9999mL。
4、結論
本文提出的非標準孔板節流裝置參數檢測方法簡易可行，所用技術成熟可靠，成本低，與軟件相配合，具有較好的測量精度，滿足了本產品的設計要求，該方法具有一般性，易于工程應用。可用于學生體能測試中的肺活量測試。