基于LabVIEW和文丘里管的氣體流速檢測儀

1 引言

隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，氣體產(chǎn)品應用范圍不斷擴大，傳統的氣體流量測量主要應用于醫療、汽車(chē)、環(huán)保、化工、能源等行業(yè)。未來(lái)，隨著(zhù)智能家居的興起，家用燃氣熱水器、抽油煙機等更多行業(yè)的產(chǎn)品將需要應用氣體流量檢測技術(shù)，以提高產(chǎn)品智能化水平。流量傳感器的精度、穩定性、環(huán)境適應能力、智能化水平和性?xún)r(jià)比等指標極大地影響著(zhù)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和能耗等。在現有的氣體流量測量?jì)x中，有的主要依賴(lài)手工操作，自動(dòng)化、智能化程度低；有的適用于工程領(lǐng)域中大管徑內介質(zhì)的流量測量，但其體積龐大，不能用于微流體的測量。也有學(xué)者在流體壓力、流量檢測的微型傳感器方面作了一定的研究，有助于提高流體流量檢測的精度、智能化水平，但其實(shí)際應用效果仍有待進(jìn)一步檢驗。

目前，針對智能家居產(chǎn)品領(lǐng)域如：燃具、廚具等的氣體流量檢測應用研究還比較少見(jiàn)，研究應用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW和文丘里效應進(jìn)行氣體流量的檢測，以燃氣熱水器為載體進(jìn)行了研究試驗，可以實(shí)現對燃氣熱水器排煙管道空氣風(fēng)速、流量的實(shí)時(shí)檢測。

2 系統檢測方案

系統檢測方案如圖1所示，燃氣熱水器風(fēng)機將燃燒后的煙氣排出，排煙管口處接文丘里管，根據文丘里效應，氣體的流速、流量與文丘里管進(jìn)口氣壓和收縮段氣壓之間的差壓有關(guān)，采用差壓傳感器將差壓信號轉化為電壓信號，通過(guò)數據采集卡獲得此電壓信號輸入計算機，利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺LabVIEW編寫(xiě)的檢測軟件對采集到的信號進(jìn)行數據處理、運算、存儲、結果顯示，從而得到燃氣熱水器排放煙氣的流量、速度等參數。

圖1 系統檢測方案

3 系統檢測原理

3.1 文丘里管與氣體流量檢測

文丘里管具有結構簡(jiǎn)單，成本較低，性能穩定，壓力損失小，不易被堵塞等特點(diǎn)，廣泛應用于各種行業(yè)、各種介質(zhì)的流量測量，文丘里差壓式流量計占流量?jì)x表總數的一半以上。采用文丘里管檢測燃氣熱水器排煙氣體的流速和流量，其原理如圖2所示，檢測時(shí)豎直安裝在燃氣熱水器排煙管口位置。位置1、位置2分別是進(jìn)氣段和收縮段的取壓口，兩取壓口之間距離為h，在垂直于軸線(xiàn)的截面上的流速、氣壓、孔徑分別為V1、P1、D和V2、P2、d。根據流動(dòng)連續性方程和伯努利方程，可知：

圖2 文丘里管原理

    （1）

    （2）

式中：ρ為管內氣體密度，分別為位置1和位置2處管內截面積。

由式（1）、（2）得氣體流速v1、體積流量qv分別為：

    （3）

    （4）

由（3）、（4）可知，只要檢測出文丘里管進(jìn)氣段和收縮段的差壓值Δp，即可求出氣體的流速、流量值。

3.2 數據采集

文丘里管獲取的差壓信號必須轉化為電信號才能處理，本文采用硅膜片微差壓式傳感器（檢測量程：0～100Pa，輸出電壓：0.5～4.5V），把傳感器上2個(gè)氣壓輸入端口分別連接在文丘里管兩取壓口上獲取差壓值，然后通過(guò)數據采集卡將差壓信號輸入計算機中。所采用的數據采集卡NI USB－6009是NI公司推出的一款低價(jià)位多功能數據采集卡，具有8路模擬輸入，14位分辨率，采樣率48kS/s，性?xún)r(jià)比高。

3.3 傳感器標定

差壓傳感器輸出的是電壓值，必須通過(guò)標定轉化為差壓值。使用高精度的testo　510數字壓差計對傳感器進(jìn)行標定，標定方法為：使用GM8902數字風(fēng)速風(fēng)量?jì)x在文丘里管出口處檢測風(fēng)速，在相同的風(fēng)速作用下，分別使用testo510數字壓差計和差壓傳感器檢測信號輸出值，結果如表1所示。

表1 傳感器標定實(shí)驗結果

熱水器所排出煙氣的溫度范圍是50～80℃，隨著(zhù)風(fēng)機產(chǎn)生的氣體流速的變化而變化，對傳感器的影響可以忽略不計，取氣體密度為1kg/m³。采用一元線(xiàn)性回歸分析方法設：

    （5）

運用最小二乘法得：

    （6）

    （7）

根據表1的數據得：Δp＝21.71U－1.9   （8）

4 系統檢測軟件與實(shí)驗

4.1 檢測軟件

本文應用虛擬儀器平臺LabVIEW開(kāi)發(fā)出氣體流速流量檢測儀，軟件界面如圖3所示，系統的檢測流程如圖4所示。

圖3 檢測系統軟件界面

圖4 系統檢測方案

1）設置數據采集卡采樣通道、采樣率、單次采集點(diǎn)數，對采集到的差壓傳感器信號Ui，先用中值濾波處理，消除脈沖干擾信號，再進(jìn)行均值濾波求出采集數據的平均值。

2）差壓傳感器的輸出存在零點(diǎn)漂移，因此設置調零功能，在零差壓狀態(tài)下，將采集到的數據按上述1）處理后的值作為零點(diǎn)漂移值。

3）在進(jìn)行正常檢測時(shí)，將采集到的數據處理后減去零點(diǎn)漂移值代入式（8）求得差壓值Δp，再根據式（3）、（4）求得氣體流速v1、體積流量qv。

4.2 檢測實(shí)驗

在燃氣熱水器上進(jìn)行了檢測實(shí)驗，實(shí)驗裝置如圖5所示，為了不影響氣體流動(dòng)，將GM8902數字風(fēng)速風(fēng)量?jì)x設置在文丘里管的出口處檢測氣體流速，與此同時(shí)從文丘里管兩取壓口獲得差壓信號，用前述理論方法計算得到文丘里管入口處的氣體流速v1，再根據流動(dòng)連續性方程換算成出口處的流速vo。2種方式檢測得到的實(shí)驗結果如表2所示，數值的相對誤差在10%以?xún)�，相關(guān)系數r為0.998，因此，可以進(jìn)一步采用一元線(xiàn)性回歸分析方法處理，以提高檢測精度。

表2 2種方法檢測的流速值對比　　　m/s

圖5 實(shí)驗裝置

5 結論

應用虛擬儀器平臺LabVIEW和文丘里效應開(kāi)發(fā)了一種氣體流速流量檢測儀，對家用燃氣熱水器上的排煙氣流速流量進(jìn)行了對比檢測實(shí)驗，實(shí)驗證明應用文丘里效應得到的檢測結果與數字風(fēng)速儀的檢測值基本接近，項目的研究為未來(lái)在家用燃具、廚具等產(chǎn)品上研發(fā)低成本、高精度的氣體流速流量實(shí)時(shí)檢測裝置奠定了基礎。