基于LabVIEW和文丘里管的气体流速检测仪

1 引言

随着我国国民经济的快速发展，气体产品应用范围不断扩大，传统的气体流量测量主要应用于医疗、汽车、环保、化工、能源等行业。未来，随着智能家居的兴起，家用燃气热水器、抽油烟机等更多行业的产品将需要应用气体流量检测技术，以提高产品智能化水平。流量传感器的精度、稳定性、环境适应能力、智能化水平和性价比等指标极大地影响着产品质量、生产效率和能耗等。在现有的气体流量测量仪中，有的主要依赖手工操作，自动化、智能化程度低；有的适用于工程领域中大管径内介质的流量测量，但其体积庞大，不能用于微流体的测量。也有学者在流体压力、流量检测的微型传感器方面作了一定的研究，有助于提高流体流量检测的精度、智能化水平，但其实际应用效果仍有待进一步检验。

目前，针对智能家居产品领域如：燃具、厨具等的气体流量检测应用研究还比较少见，研究应用虚拟仪器开发平台LabVIEW和文丘里效应进行气体流量的检测，以燃气热水器为载体进行了研究试验，可以实现对燃气热水器排烟管道空气风速、流量的实时检测。

2 系统检测方案

系统检测方案如图1所示，燃气热水器风机将燃烧后的烟气排出，排烟管口处接文丘里管，根据文丘里效应，气体的流速、流量与文丘里管进口气压和收缩段气压之间的差压有关，采用差压传感器将差压信号转化为电压信号，通过数据采集卡获得此电压信号输入计算机，利用虚拟仪器开发平台LabVIEW编写的检测软件对采集到的信号进行数据处理、运算、存储、结果显示，从而得到燃气热水器排放烟气的流量、速度等参数。

图1 系统检测方案

3 系统检测原理

3.1 文丘里管与气体流量检测

文丘里管具有结构简单，成本较低，性能稳定，压力损失小，不易被堵塞等特点，广泛应用于各种行业、各种介质的流量测量，文丘里差压式流量计占流量仪表总数的一半以上。采用文丘里管检测燃气热水器排烟气体的流速和流量，其原理如图2所示，检测时竖直安装在燃气热水器排烟管口位置。位置1、位置2分别是进气段和收缩段的取压口，两取压口之间距离为h，在垂直于轴线的截面上的流速、气压、孔径分别为V1、P1、D和V2、P2、d。根据流动连续性方程和伯努利方程，可知：

图2 文丘里管原理

    （1）

    （2）

式中：ρ为管内气体密度，分别为位置1和位置2处管内截面积。

由式（1）、（2）得气体流速v1、体积流量qv分别为：

    （3）

    （4）

由（3）、（4）可知，只要检测出文丘里管进气段和收缩段的差压值Δp，即可求出气体的流速、流量值。

3.2 数据采集

文丘里管获取的差压信号必须转化为电信号才能处理，本文采用硅膜片微差压式传感器（检测量程：0～100Pa，输出电压：0.5～4.5V），把传感器上2个气压输入端口分别连接在文丘里管两取压口上获取差压值，然后通过数据采集卡将差压信号输入计算机中。所采用的数据采集卡NI USB－6009是NI公司推出的一款低价位多功能数据采集卡，具有8路模拟输入，14位分辨率，采样率48kS/s，性价比高。

3.3 传感器标定

差压传感器输出的是电压值，必须通过标定转化为差压值。使用高精度的testo　510数字压差计对传感器进行标定，标定方法为：使用GM8902数字风速风量仪在文丘里管出口处检测风速，在相同的风速作用下，分别使用testo510数字压差计和差压传感器检测信号输出值，结果如表1所示。

表1 传感器标定实验结果

热水器所排出烟气的温度范围是50～80℃，随着风机产生的气体流速的变化而变化，对传感器的影响可以忽略不计，取气体密度为1kg/m³。采用一元线性回归分析方法设：

    （5）

运用最小二乘法得：

    （6）

    （7）

根据表1的数据得：Δp＝21.71U－1.9   （8）

4 系统检测软件与实验

4.1 检测软件

本文应用虚拟仪器平台LabVIEW开发出气体流速流量检测仪，软件界面如图3所示，系统的检测流程如图4所示。

图3 检测系统软件界面

图4 系统检测方案

1）设置数据采集卡采样通道、采样率、单次采集点数，对采集到的差压传感器信号Ui，先用中值滤波处理，消除脉冲干扰信号，再进行均值滤波求出采集数据的平均值。

2）差压传感器的输出存在零点漂移，因此设置调零功能，在零差压状态下，将采集到的数据按上述1）处理后的值作为零点漂移值。

3）在进行正常检测时，将采集到的数据处理后减去零点漂移值代入式（8）求得差压值Δp，再根据式（3）、（4）求得气体流速v1、体积流量qv。

4.2 检测实验

在燃气热水器上进行了检测实验，实验装置如图5所示，为了不影响气体流动，将GM8902数字风速风量仪设置在文丘里管的出口处检测气体流速，与此同时从文丘里管两取压口获得差压信号，用前述理论方法计算得到文丘里管入口处的气体流速v1，再根据流动连续性方程换算成出口处的流速vo。2种方式检测得到的实验结果如表2所示，数值的相对误差在10%以内，相关系数r为0.998，因此，可以进一步采用一元线性回归分析方法处理，以提高检测精度。

表2 2种方法检测的流速值对比　　　m/s

图5 实验装置

5 结论

应用虚拟仪器平台LabVIEW和文丘里效应开发了一种气体流速流量检测仪，对家用燃气热水器上的排烟气流速流量进行了对比检测实验，实验证明应用文丘里效应得到的检测结果与数字风速仪的检测值基本接近，项目的研究为未来在家用燃具、厨具等产品上研发低成本、高精度的气体流速流量实时检测装置奠定了基础。