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超声波气体流量计测量原理


文章日期:2018-08-06|阅读数:


  本系统所标定的超声波气体流量计采用时差法测量气体流量。所谓时差法就是利用超声波在顺气流状态和逆气流状态下超声波在定长管道中传播的时间差值,解算出气体流量的方法[5]。超声波气体流量计测量原理图如图 2.1 所示。 
图 2.1  超声波气体流量计测量原理图
图 2.1  超声波气体流量计测量原理图 
  CPU 控制选通电路驱动换能器 A 产生一束脉冲超声波,换能器 B 负责将接收到的超声波信号转换成峰峰值仅为几十毫伏的电压信号。由于该电压信号过于微弱且包含较多的杂波无法被 CPU 识别,因此对该信号进行放大滤波比较等操作后触发 CPU 捕获中断测得超声波传播时间 tab。反之则测得超声波从 B 传播到 A 的时间 tba,则时间和 ts=tab+tba,时间差 Δt=tba-tab。每次测量过程中 CPU 还需实时读取气体当前的温度值 T 和压力值 P。
  在温度和压力确定的情况下,超声波波速与气体的成分和流速存在一定函数关系。因为本产品主要是应用在医疗器械领域,本文就以氧气为例。经过我们的研究发现氧气的浓度 C 与温度 T、压力 P、时间和 ts存在一种函数关系。 
c=f( ts,t,p)
  超声波气体流量计经过不同氧气浓度、温度、压力状态下的标定测得大量数据。运用***小二乘拟合算法解算获得氧气浓度 C 的计算公式为:  2 21 s2 s3 4 5 6 s7 8 s9C a t a t a T a T a P a Pt a PT a Tt a   (2.2) 
  其中系数 ( 1,2, 9)na n  由***小二乘拟合算法计算获得。 超声波气体流量计流量测量的原理是在氧气浓度、温度、压力已知的状态下,通过测量超声波在定长管道中顺逆流传播的时间差 Δt,计算氧气流量 L。温度 T、压力 P 分别通过温度传感器和压力传感器获得,氧气浓度 C 由式(2.2)计算获得。经过理论分析与大量数据验证,氧气流量 L 满足如下函数关系式: 
  ( , ) ( , )TL f t P f X PC     (2.3) 其中 X  t•T C 。通过***小二乘拟合算法拟合得出氧气流量关系式为:  210 11 12 13 14L a X a X a PX a P a   (2.4) 其中系数由 ( 10,11, 14)na n  ***小二乘曲面拟合得到。 

  根据上一节的论述,超声波气体流量计通过测量温度、压力、超声波在定长管道中顺逆气流的传播时间 tab,tba数据,解算获得氧气浓度和流量。因此流量计的标定过程包括在多个温度、压力状态下的氧气浓度标定和气体流量标定。  
  本系统所标定的超声波气体流量计主要应用于医疗器械领域,主要应用于氧气浓度介于(60%-95%),氧气流量介于(1-5L/min)的气体浓度与流量的测量。工作环境的温度在(0℃-50℃)范围内,压力在(0-40Kp)范围内。因此标定工作包括:50%、80%、90%三个氧气浓度点,10℃、20℃、30℃、40℃四个温度点,5Kp、20Kp、35Kp 三个压力点,
1L/min,3L/min,5L/min 的自由排列组合,共 3×4×3×3=108 个数据点,并且每个数据点存储 10 个数据以减小标定误差。标定系统上位机根据记录的压力 P、温度 T、超声波传播时间和 ts、时间差 Δt,通过拟合算法解算出合适的气体浓度系数,流量系数。上位机通过通信网络将系数下载到对应超声波气体流量计的 CPU 存储器中。通过验证环节判定产品是否满足生产要求并生成验证报告。 


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