一种简易应变靶式流速计的研制.docx

1、一种简易应变靶式流速计的研制刘易凡1孙友松1胡建国2章争荣1潘晓涛1朱铮涛1(1.广东工业大学，广州510006；2.顺德职业技术学院，顺德528300)摘要为测量坐便器冲水过程的动态流速，根据靶式流量计原理，探索出流速测量的新方法，研制了一种简易的应变靶式流速计，搭建了动态流速测试系统;分析了流速计测量与转换单元的工作原理，进行了结构设计，建立了测量关系式,计算确定了靶的尺寸，推算了流速计固有频率。实验测量表明，该流速计结构简单、动态响应快速、重复性好、测量精确,能满足坐便器冲水动态流速测量的要求。关键词坐便器;流速测量;应变靶式流速计0引言坐便器冲水过程中水的流动是一种非恒定流动,冲水过程

2、仅为数秒。为了建立坐便器冲水过程数值模拟手段，需通过实验获取坐便器水包壁面特征点的动态流速，验证模拟结果的准确性。虽然热膜式流速传感器具有测试方便、准确且对流体流速与流向没有干扰的优点，但由于热容滞后，其响应时间长，无法实现非恒定流速度的动态测试。在众多流速测量方法中，本文选择结构简单、准确度和灵敏度高、动态性能好的应变靶式测速法。根据靶式流量计原理，研制了应变靶式流速计,搭建了动态流速测试系统。结果表明,流速计结构设计合理，公式推导正确,制作工艺措施效果好，能满足测试系统对坐便器冲水过程动态流速测量的要求，流速测量方法可靠。1应变靶式流速测试系统原理如图1所示,流体对靶的冲击使靶杆弯曲变形,

3、通过动态应变仪和计算机，信号采集分析软件能对电桥输出的信号进行采集处理，获取弯曲应变随时间变化的曲线。靶杆的变形量与流体流速相关，对流速计进行标定后，可将曲线转化为流速随时间变化的曲线。该系统为动态测试系统,能对坐便器冲水过程进行动态流速测量。本文采用的流速测试系统，硬件部分包括应变“广东省上五重大科技专项支持(A10402011)靶式流速计、电桥盒、DH5935动态应变仪和计算机、连接导线。软件由Windows操作系统、DHDAS信号测试分析系统组成。图1应变靶式流速测试系统原理图2应变靶式流速计流速计由传感组件、靶杆固定坐、套筒等组成。其传感组件可分为测量单元和转换单元。2.1传感工作原理

4、传感组件的测量单元，如图2(a)所示，流体流动方向上，靶的迎流面受合力F作用。FfS号(1)式中:F为靶所受的力M为阻力系数，当雷诺数达一定值时,将趋于常数；S为靶的迎流面积次为流体在测量点的平均流速;p为流体密度2一3】。F越大，靶杆的弯曲变形量越大。传感组件的转换单元，如图2(b)所示。靶杆受力，厚度方向产生弯曲变形,长度与宽度方向都不图2流速计的测量单元与转换单元图2流速计的测量单元与转换单元受拉伸与压缩应变,宜采用半桥方式测量,两应变片为工作片，对称粘贴，构成外半桥，与电桥盒的内半桥组成惠斯顿电桥。靶杆的弯曲使应变片产生拉伸或压缩应变JR1、R2阻值随之发生变化，破坏电桥平衡。电桥电源

5、电压为U,其输出电压信号,算式为：R4+M4uR3+M3+R4+M4其中9R3=R4=R1200,=Al?4=Oo经电桥平衡后，夕卜半桥的电阻Ri=R2=R=120Q。应变片对称粘贴，靶厚很薄，有Ri=-R?由式得：=NR。u«寨其中，匕=先欠，是电阻应变片的灵敏系数,选用的应变片K=2,故有：输出电压信号与应变£之间是线性关系°2.2流速计的结构设计与制作根据靶式流量计的工作原理，可自行设计与制作应变靶式流速计。2.2.1结构设计与工艺分析结构设计考虑了制约流速计质量与精度的因素。在靶杆外设置套筒,使流体作用面积恒定，消除了测量深度对精度的影响。流速计设置圆形套

6、筒,便于坐便器上钻孔安装，尽可能避免流经流层的改向对精度的影响。靶的迎流面为长方形(2mmX10mm),既适应薄流层测量，也使靶受到大小合适的作用力，保证流速计精度高、灵敏性好、工艺简单。0.6mm厚的紫铜板做靶材，取靶杆宽5mm,使流速计的靶既有适度刚性、良好的耐腐蚀性，又有粘贴应变片的易作性。塑料套筒外径9.5mm,内径8mm,靶杆在套筒内对称布置,靶杆根部应变片对称粘贴。计算可知,靶杆上下自由挠度不能超出2.82mm,否则会碰触套筒，影响到测量准确性。依据流速测量范围,试选靶杆长度，计算靶的挠度、应变片的输出应变、靶杆所承受的最大应力等，应满足流速计的量程和精度要求。圆柱形铝材做靶杆固定

7、坐,对称轴线0.6mm的窄缝设计便于安装固定靶杆，固定坐外周轴向的四个半圆柱小槽设计，便于引出电缆线,保证了流速计的制作工艺性、刚度和精度。此外，用502胶水粘接定位应变片，优质软体AB胶为粘接基材，再以软体防水胶处理好防水绝缘，使流速计粘接可靠，具有高防水绝缘性，确保了流速计的高精度与高可靠性。这些措施使流速计具有合理的结构和较好的制作质量。2.2.2设计计算1) 靶的受力计算式中，黏滞摩擦力很小,可忽略M=l;水流落差AW0.5m,由能量守恒定律，流速,最大流速p=3.13m/s;计算可知FV0.098N,取最大的F值设计流速计。2) 流速计靶的挠度计算靶的挠度计算用积分法很烦琐,靶杆变形

8、是分段等截面悬臂梁变形，可用叠加法求解，如图3所示。DB段对B端的挠度为1.65X1CT6响,数值图3流速计挠度计算示意图很小，忽略不计。因此,CB段为截面C固定的等截面悬臂梁,B端挠度计算式为：加3E71_F“+打2嘛一21(11)截面MN上最大应力的算式为:截面C上剪力F和弯矩F/i引起转角dc和挠度允，其算式为-FIEFL：_Fl?if%一EI22EI22EI2=FLi讨耍=及22(3/1+2妁)2EI2一3E】2一6EI2B端由于免和fc而引起的挠度为：在截面MN上最大应变的算式为:22_2EI2t2(12)6EI2式代入式(12)得:124EZ2(13)6E&2/2设&quo

9、t;，则有:(10)FZjZ2(2Z1+Z2)2EI2叠加方和MB点挠度fB为:f=二FZ3FZ22(3Z1+2Z2),JBJBlJB23EIFl】/2(2Z1+Z2)2EI2式中：；iU2为水平形心轴惯性距，L=令;E为弹性模量,紫铜板E=UOGPao3) 流速计应变与流速的关系计算在截面A上最大应力的算式为：F.1+，2)#20A=(14)由此可见，应变EMN与流速/的平方成正比关系。式(14)代入式(4)得：g心2(15)式中般为比例系数，与流体密度、黏度和流速计靶材，靶的形状、结构尺寸相关。2.2.3流速计靶的尺寸算式中,F=0.098N,ti0.6mm,b=5mm,p=1X103kg

10、/m3,S=2x105mm3,选取不同的值，算得相应的值，见表lo表1靶的尺寸计算序号'/(n?)ZjAmm)Z2/(mm)办/(mm)财/(MPa)协/仙)aA/(MPa)19x10-140.23.33333x10154653.47'142.591296149.9429X10-M0.256.51042X1()7540102.9984.6777094.0839XW140.31.125XW1441101.9160.1154666.64.49x10140.289.14667X10'-1541102.306962776.559x10"0.289.14667X10T5

11、4651-4772.7566176.5流速计制作，参数t2、ll、，2选取表中1号对应的数值。最大应力以小于铜板屈服应力，最大应变5为1296个微应变。虽然计算挠度fB为3.47mm,但因坐便器水包特征点实际流速在2.5m/s以下，且粘接剂与软体密封胶对流速计靶杆的刚度稍有加强，测量时B点挠度不会大于2.82mm,靶杆不会碰触套筒。因此,为最大限度地提高测量精度，选取如图4所示的尺寸制作流速计。2.2.4靶杆固有频率.由式(9)可知，靶B点挠度与流体冲击力之间是线性关系，设：图4流速计结构2EI26EI2*7I(3z7+2zIj*仕i+12)(16)则有:F=Fb(17)由此可见,流速计靶杆是

12、一个弹性系统,其振动可用弹簧质量系统来表示，即认为是质量为m的质点在靶的B点做自由振动。如是该系统的刚性系数，由靶材质与结构尺寸所决定的常数。则此弹性系统的自由振动方程式为：/=A()sin(aV+a)(18)式中:A。为振幅；斜为固有圆频率；(位混+。)为相位;a为初相位。其中：(19)m由式(16)计算得:如=28.24N/m0图3中,通过积分计算可知靶自重对A点的力矩为3.85993xi(p4Nm,折算成在B处的质点m对A点的力矩，可知7.723xW4kg,则由式(19)得：耕=191.22s_i该弹性系统的振动周期丁、振动频率了分别为：T=0-0329s/=*=券=30.4Hz可见,靶

13、杆固有振动频率达到几十赫兹,响应速度快，可满足坐便器冲水过程动态流速测量要求。2.2.5流速计的制作影响流速计准确性与精度的制作因素，主要包括流速计粘接质量,密封绝缘质量，靶的形状、尺寸精度与表面粗糙度，套筒内靶杆对称度等。如果对这些因素处理质量不高，流速计使用时会产生附加的不正常变化的阻值。由式(4)可知,这些附加的阻值破坏了电桥输出电压与悬臂梁应变量E之间的线性关系，直接影响到流速计测量准确性。图4所示的流速计，制作时采取了相应的质量保障工艺措施。2.2.6流速计标定式(14)中，因计算与制作工艺产生的k值误差，通过对流速计进行标定,可确定k值，消除此误差。本文采用具有高精度的淹没孔口标定

14、法，对流速计进行实流标定。标定时给出一组不同速度的稳态水流，用应变靶式流速测试系统测量流速计相应的应变值。利用数值软件Matlab对测量结果进行多项式£心=疽的拟合，求解出互=252.52,即£成=252.52/1。3测试结果图5所示为6L冲水量下，对同一特征点所测得的三条速度曲线。流速都是在0.5s以内快速达到l.7m/s,之后,随水箱中水位的降低，流速在小幅波动中逐渐减小,3.8s后急剧下降,4s后冲水结束。可见，该应变靶式流速计的动态响应性能好、重复性较好。肘间(s)实验得到的速度曲线4结论1) 根据靶式流量计原理，探索了一种流速测量方法，并研制了一种简易的动态流速测

15、试应变靶式流速计，方案可行。2) 流速计结构设计合理,算式推导正确,尺寸计算可靠,制作工艺措施效果好，能满足动态流速测试要求。3) 采用淹没孔口标定法对流速计进行实流标定，具有准确性与精度高的特点。4) 搭建的应变靶式流速测试系统是一种动态测量系统，具有动态响应快速、可靠性高、重复性好、测量精确的优点,适用于坐便器动态流速测量。参考文献1 胡建国，孙友松，渣晓涛,刘易凡，等靶式流速计及其在坐便器水包流速测量中的应用J.计量技术,2006(3):9-11蔡武昌，等流量测量方法和仪表的选用M.北京:化学工业出版社,20012 苏彦勋，盛键，梁国伟流量计量与测试M.北京:中国计量出版社,1992杨娜

16、，蒋庆智能应变靶式流量计的设计计量技术,2004(2)：8-93 刘易凡卫生洁具冲水过程流速测试及快速制模的试验研究硕士毕业论文,2006李永祥，苑明顺.热膜技术在水流测速中的应用研究J流体力学实验与测域,1997(11):45-50指端脉搏血氧饱和度测量误差来源分析*III李双双1丁海艳1卞昕叶大田3(1.清华大学医学院生物医学工程系，北京100084；2.中国计量科学研究院，北京100013；3.清华大学深圳研究生院，深圳518055)摘要指端脉搏血氧计能够无损连续的监测血氧饱和度，反映人体组织氧含量信息，在临床上广泛应用。指端脉搏血氧计的计量性能的评价与保证是确保医疗安全的重要措施，但目

17、前仍缺乏相关的计量标准器具，也没有相应的国家标准。本文通过对血氧饱和度参数的生理基础和工程测量原理的深入分析，探讨指端脉搏血氧饱和度的主要测量误差来源，为指端脉搏血氧计的设计与生产、计量性能的评价以及量值传递标准的建立与溯源服务。关键词脉搏血氧汁;血氧饱和度;误差;计量0前言血氧饱和度(bloodoxygensaturation,SQ2)是临床上非常重要的基础参数，体现着人体组织氧含量的信息。过低的血氧饱和度往往导致人体组织不可逆的缺氧性损伤，因此对它的监测在很多临床场合,如麻醉、手术等过程中至关重要一3脉搏血氧计(pulseoximetry)是无创连续监测动脉血氧饱和度(arterialoxygensaturation,Sa。)的仪器，自1935年CarlMatthes建立了第一台透射式连续检测活体血氧饱和度的脉搏血氧计以来，已经广泛应用于临床。挪一8大多数脉搏血氧计在75%-100%血氧饱和度范围内的测量不确定度为2%3%9t。；而在50%血氧饱和度时，测量不确定度可达20%110而大多数的仪器在血氧饱和度低于70%的情况下,对测量不确定度均不做规定。迄今为止，各厂商对此类仪器并没有一致的行业标准，也没有针对脉搏血氧计的