背靠管式差压气体流量计

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流量测量是工业生产和过程控制中的重要监测参数之-，在多个领域内得到了广泛应用。目前常用的几种流量计主要有涡街流量计、孔板流量计、涡轮流量计、超声波流量计、热式质量流量计和差压流量计等，其中差压式流量计具有技术成熟、结构简单、使用寿命长、适应性强和价格低廉的优点，已经成为主流的流量测量仪表，广泛应用于各种流量测量 I2 。针对差压流量计的特点，设计的背靠管式差压气体流量计采用微压差传感器为核心检测元件，以单片机为核心的测量系统，具有结构简单、精度高、误差型测量下限低的优点，是-种可靠稳定的流量检测仪表。

1 差压式流量计的工作原理差压式流量计利用节流装置或其他差压检测元件，与差压计配合使用来测量流速，其测量依据是伯努利方程和流体连续性方程。充满管道的流体，当它流经节流体时，流束将在节流体处形成局部收缩，流速增加而静压力降低，那么就在节流体前后产生压差，流量越大，压差也越大，此压差与该流量的平方成正比 J。差压式流量计的工作原理示意图如图1所示。

假设上游管道内径为D，此处的横截面积为A ，密度为P.，单位面积的流体体积为 ，节流体处内径为d，横截面积为A ，密度为P ，单位面积的流体体积为 ，由流体连续性方程可得：P1VxAl：p2 42 (1)基金项目：国家自然科学基金资助项 目(60974005)收稿日期：2012-10-16 收修改稿日期：2012-12-16岛图 1 差压式流量计的3-作原理 图根据伯努利方程，在水平管内流体的重力势能为零，所以有如下公式： ：丝 (2)如果流体是液体，有P P：p，则有式(2)可得到节流体前后的压差为：4 P。-P 。( - ) (3)V1A1 A2 (4)由式(3)和式(4)可得到如下体积流量公式：·警 ㈤ 吼 了/式中卢为内径比d：/d 。

由于流体受摩擦力等因素影响，会有-定的能量损失，定义流出系数 C实际流量/理论流量 ，则式(5)可改写为：√ P ㈤ g - 二二 -/- 0，l- Y如果所测流体是气体，由于气体是可压缩的，因此式(6)还第6期 田红彬等：背靠管式差压气体流量计 31必须用流体可压缩系数s来修正，得到气体时的流量公式：c 1T 吼 √ 2 背靠管式差压气体流量计设计2.1 节流体结构设计由式(7)可知，节流体两侧的压差越大，在同等条件下可得到更高的检测灵敏度和测量下限。为了得到更高的压差，设计了-种新型的背靠管式节流体取压结构 J♂构示意图如图2所示。背靠管式节流体的主结构为长方体型，在长方体内部分别设计2个直径为5 mm的圆柱状导压管，导压管距离底端15 mm处对称各开-个直径 3 mm的圆孔，分别称为迎风取压孔和背风取压孔。

气体图2 背靠管式节流体结构安装示意图背靠管式节流体采用插入式的安装方式，安装到管道上后，其迎风取压孔正对气体流动方向，而背风取压孔则完全背对气体流动方向。由于背靠管式节流体主结构会截断气流，气体的流动就会在迎风取压孔处产生正压，而在背风取压孔处产生负压，并沿着导压管向上传播，由微差压传感器检测两个导压管的压差，进而计算出气体流量。背靠管式节流体结构迎风取压孔正对气体流动方向，则使气流产生极强的正压，而背风取压孔由于节流件主体对气流的阻挡作用，也可产生较强的负压，因此节流体产生的压差非常强，能够在较低的风速下产生较强的压差，对于低流速测量和提高测量灵敏度非常有利 - 。

2.2 背靠管式差压气体流量计总体设计利用设计的背靠管式节流体结构，设计了背靠管式差压气体流量计，其原理框图如图3所示。

坚 坠 垫鎏竺 堡壁量 - 报警.-- . 输出接口IJ- 信号调 理电流数据采集系统图3 背靠管式差压气体流量计原理框图图3中，微差压传感器是整个系统的核心元件。设计选用了-款量程为0.5 FS的高精度硅压阻式微差压传感器，其输出信号为0～50 mV的直流电压信号，零点输出为25 mV，内部自带有温度补偿，简化了后续处理的难度。由于微差压传感器输出信号只有0-50 mV，不能直接被模数转换器ADC所采集，还必须进行放大处理。设计了简单的直流放大电路，放大电路的增益为5O，并利用集成滤波器 MAX7400设计了-个低通滤波电路，滤波电路的截止频率为2O Hz，可有效抑制外部干扰 。

单片机控制电路负责信号采集和数据处理。信号采集利用单片机内部集成的12位 ADC，把信号调理电路放大后的直流电压信号转化为数字信号。单片机通过读取 A/D转换后的数字信号，把电压信号与气体风速的关系拟合出来，然后再根据管道直径计算出气体的体积流量。背靠管式差压气体流量计还设计了多种输出接口，主要是485数字通讯接口、4～20 mA电流输出接口和 200～1 000 Hz频率输出接口，满足与不同系统的连接通讯，使背靠管式差压气体流量计的使用方式更加灵活。

3 试验结果与分析在实验室内对设计的背靠管式差压气体流量计进行风洞试验，测试数据如表 1所示。

表 1 风洞试验结果在风洞测试时，当风速达到10。61 m/s时，A/D采样值为3 976，已经达到满量程输出。由表 1中的数据可以看出，该背靠管式差压气体流量计的测量上限为10 m/s左右，测量下限低于0.5 m/s，可以满足对于极低流速的测量。其 A/D采样值与风速之间并不是线性关系，因此数据处理时采用分段拟合的方式，即把相邻两点的风速与A/D采样值当作线性处理。虽然在- 定程度上会增大测量误差，但可以降低数据处理的难度，而且测试也证明，流量计的输出流量与实际流量之间的误差低于l% ，完全可以满足实用需求。

4 结束语设计的背靠管式节流体结构能够在较低的气体流速下产生较大的差压，提高了背靠管式差压气体流量计的测量下限，系统具有多种输出接口，方便与不同系统连接通讯。通过风洞试验证明，该流量计可以达到低于0.5 m/s的风速测量下限，能够满足对较低风速的测量，其测量误差小于1%，具有较高的测量精度，而且该流量计采用插入式结构，安装方式灵活，可实现对气体流量的在线检测和维护。