第２期 机械设计与制造 ２０１２年２月 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ９３ 文章编号：１００１—３９９７（２０１２）０２－００９３—０２ 基于ＬａｂＶＩＥＷ的数字式层流流量计开发研究术 郭辉１，２张振东 赵礼辉 高蔚 （ 上海工程技术大学汽车工程学院，上海２０１６２０） （ 上海理工大学机械学院，上海２０００９３） Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ Ｉａｍｉｎａｒ ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ＧＵＯ Ｈｕｉ１，２ ７ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ—ｄｏｎｇ２，ＺＨＡＯ Ｌｉ—ｈｕｉ ，ＧＡＯ Ｗｅｉ （ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ） （ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） ｌ 【摘要】脉动气体、微小流量气体的精确测量一直是困扰着诸多行业，为此，将先进的自动化测试 ｝技术与层流流量计相结合，设计了数字式层流流量计测量系统。该系统基于ＬａｂＶＩＥＷ开发程序进行实 ｌ时的测量信号处理，并实现人机交互的可视化界面；解决了一次仪表的使用不便、实时性不高、测量系 ｝统复杂等问题；此数字式层流流量计具有结构紧凑、使用方便、精度可靠等特点，适用于内燃机进气流 ｌ量以及医院等科研机构对微小气体流量的测量。在３７５ＡＹ柴油机台架上进行了实测，与一次仪表相比 ｝误差一般小于１％。 ｌ 关键词：层流流量计；脉动流；数据采集；内燃机 》 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ Ｂ ｌｆｏｗ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉ－ ｌ ｃｒｏ－ｌｆｏｗ ｒｔａｅ，ｐｅｒｐｌｅｘｅｓ ｍａｎｙ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ａ ｓｏｒｔ ｏｆｐｏｒｔａｂｌｅ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌｉｚｅｄ ｌａｍｉｎａｒｆｌｏｗｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅ一 》ｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ＬａｂＶＩＥＷ ｐｒｏｇｒａｍ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅｌｙ ｄｉｓｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｇｎａｌｓ，ｒｅａｌ— ｌ ｉｚｅｓ ｖｉｓｕａｌ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄｆｉｎｄｓ ｔｈｅ ｖｌａｕｅ ｆｏｌｆｏｗ ｒｔａｅ． ｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｃｏｍｐａｃｔ，ｃａｃｕｒａ一 ；ｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ，ａｎｄ ｉｓ ｓｕｉｔｂａｌｅｆｏｒ ｅｍａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｆｏｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ ｉｎｔａｋｅ ａｉｒｆｌｏｗ ａｎｄ ｍｉ一 ？ｃｒｏ－ｌｆＯＷ ｒｔａｅ ｏｆｔｈｅ ｈｏｓｐｉｔｌａｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ３７５ＡＹ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ，ｔｅｓｔｓ ｗｅｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｌ－ ；ａｔｉｖｅ ｅｒｒｏｒ ｓ ｌｅｓｓ 勰ｌ％． ； Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｌａｍｉｎａｒ ｌｆｏｗ ｍｅｔｅｒ；Ｐｕｌｓａｔｉｎｇ ｌｆｏｗ；Ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＩＣＥ 中图分类号ｉＴＨ１６，ＴＫ４２１．５文献标识码：Ａ １引言 的修正，有的虽然考虑了环境的影响，但只是将环境温湿度和压 在分析内燃机等脉动机械的性能时，测定脉动气体流量是 力作为常量对测量结果进行修正。而当所测量的机器运转时会对 不可或缺的试验内容。若把适用于定常流的流量计直接用于脉动 环境产生影响，如果不能够对所测量气流进行实时修正的话，也 流量的测量，将无法得到精确的结果＿ｌ＿。而层流流量计是以流体力 会影响到测量的精度 。 为此，借助自动化测试技术，在层流流量计一次仪表的基础 学充分发展的层流为理想流动模型所设计的，利用层流元件将要 上开发结构紧凑、使用方便的数字式层流流量计，实现脉动流量 测量的脉动流转换成一种在截面上的速度分布与流动方向上的 的自动测量，并主要用于对内燃机性能有重要影响的脉动流量的 坐标无关的层流，层流元件两端的压差与瞬时层流的流速是很接 测量。 近于线性关系的；当测压接头内装有阻尼元件时，即可使传感器 测出压差对时间的平均值，进而得出脉动气流的平均流量。此外， ２层流流量计工作原理 层流流量计还适合于微小流量的测量 。 目前，在美国、英国、日本以及我国都有层流流量计的系列 产品。但是，由于应用范围不够广泛，科研投入不足，其设计与应 用还存在很多问题。如一些层流流量计一次仪表将数据的测量与 处理分开，对于用户来说，极其不便；同时，由于数据的采集不具 有实时性，也会影响一次仪表的精度。 再者，没有充分考虑环境温湿度及压力对流量计测量结果 图１层流流量计原理图 建设项目（ＪＺ０９０１），上海工程技术大学校基金资助项目 ９４ 郭辉等：基于ＬａｂＶＩＥＷ的数字式层流流量计开发研究 第２期 如图１所示，在允许的测量范围内，当气体以层流状态流过 有明显的散热件，大气温度传感器不再使用软管与外界大气相 由许多小的通道组成的层流元件时，在层流元件前后测压接头处 连，即用仪表箱内的大气温度作为环境温度。 测出压差ＡＰ与流体流过层流元件的平均流速成正比，因而体积 ３＿２软件设计 流量ｑ 或者质量流量ｑ （当来流的压力 与温度 一定时）与 测定流量的大小。 由于所开发的数字式层流流量计主要用于测量内燃机的脉 压差ＡＰ成正比。测试时，测出压差ａｐ的值，乘上仪表常数即可 动进气流量，数据采集与处理软件主要功能包括：流量计型号的 选择、发动机参数设定、传感器采集参数显示、数据保存、历史数 据浏览以及分析、测试结果打印，等。测试系统的测量界面，如图 ４所示。 ３数字式层流流量计设计 ３．１硬件系统设计 数字式层流流量计是在一次仪表的基础上设计的，主要由 传感器、信号调理模块、数据采集系统以及上位机组成，其系统框 图，如图２所示。另外还包括层流元件。 传感器包括：测量层流元件前后气体压差的压差传感器，测 量层流元件前气体人口处压力的压力传感器以及测量气体温度、 湿度的温湿度传感器，测量环境中空气的压力传感器和温度传感 器。系统布置，如图２所示。 人口处压力传感器ｌ 图４测试系统的测量界面 层流元件前气体ｌ ４试验结果及结论 ’ 为验证所设计的数字式层流流量计的性能，在３７５ＡＹ柴油 Ｉ环境大气压力传感器Ｉ 据 数 ｌ环境温度传感器｝＿＿＋ 采 ｌ卜集 ｌ气体温湿度传感器｝＿信 系 ｌ机 号 —— 统 ｌ— 机台架上进行了试验。测试结果，如表１所示。 从使用的结果对比可以看出，所设计的数字式层流流量计 与层流流量计一次仪表的测量误差一般不超过１％，仅仅在转速 为８００ｒ／ｍｉｎ时达到１．５２％。这说明所设计的数字式层流流量计的 调 — 层流元件前后压差传感器 理 精度非常接近一次仪表，但其结构紧凑、实时可靠、使用方便给测 图２数字式层流流量计系统框图 量工作提供了极大的便利。 表１数字式层流流量计发动机台架测试结果 转速流量计来流压来流温一次仪表 数字式层流流 对比 为便于信号调理及确保仪表的精度，压差传感器选用输出信 号为标准（４－２０）ｍＡ的电流信号的ＨＵＢＡ６９４，量程为（０～１６００）Ｐａ， 体与大气压力的传感器选用Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＡＳＤＸ０１５，其量程为（０～ １０３４２０．５）Ｐａ。它直接测量气体的绝对压力，并且输出电压信号与 ／ｍｉｎ）压差Ｐａ差Ｐａ度（。Ｃ）流量（ｍ３／ｈ）量计流量（ｍ ） 误差 经一精密采样电阻转换为（１－５）Ｗ的电压信号。测量层流元件前气 （ｒ绝对压力成正比。Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＨＩＨ３６０２一Ｃ一体式温湿度传感器， 其湿度信号是（０．８～３．９）Ｖ的直流电压；其内置的温度传感器是与 测量环境空气温度的传感器Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＨＥＬ一７７７一样精确的薄 膜铂金电阻ＲＴＤ１０００，处理电路后得到与其输出电阻成正比的 电压信号，如图３所示。 ９ 参考文献 ＶＲ＝１Ｖ ［１］王伯年．有关层流流量计的理论分析［Ｊｊ．江苏工学院学报，１９８３（１）： ｌ５—２８． １ ［２］韩百顺，王伯年．节流流量计测量脉动气体平均流量的研究［Ｊ］．上海理 工大学学报，２０００，２２（１）：２５—２８． ［３］王伯年，王荣杰，王利民，等层流流量计设计参数的选择与确定［Ｊ］．仪 图３温度传感器调理电路 器仪表学报，２０００，２１（５）：４７４＿４７６． 各传感器信号经上述处理后，直接由ＮＩ ＵＳＢ６００９数据采集 ［４］韩百顺，王伯年．用于测量脉动气体平均流量的稳压箱的研究［Ｊｊｌ计量 卡进行高速采集。该卡具有８个１４位模拟输入通道，ＵＳＢ接口、 学报，１９９９，２０（３）：２０８—２１３． 体积小、性价比高。为提高二次仪表的可靠性、抗干扰能力，并方 ［５］金海，邬喜来，梁桂森．发动机进气测量层流流量汁的研制［ＪＪ．柴油机， 便使用，除测量层流元件前气体温湿度的传感器外，其余传感器 及压差传感器通过软管与被测气体相连，同时，由于仪表箱内没 ２００９．３１（６）：４４—”． 及其调理电路、数据采集卡直接布置在所设计的仪表箱中。压力 ［６］张振东，郭辉．数字式层流流量计：实用新型专利，ＣＮ，２００６２００３９６９６ ｘ．『Ｐ］．２００７—６—２７．
