高气压环境下气体流量传感器的校准装置及其校准方法与流程

1.本发明涉及可应用于高气压环境下的气体流量检测领域，包括但不限于人体及动物在高气压环境中的呼吸检测。


背景技术：

2.在潜水领域中，潜水员处于水下或潜水加压舱中时，其所处环境压力为数倍于常压的高气压环境，为监测其生命状态或体能状态，通常需要进行呼吸状态监测、摄氧量监测，上述监测均需要使用流量传感器来记录其呼吸曲线，获取呼吸频率及通气量等参数。常见的可用于呼吸流量变送的流量传感器有差压流量传感器、热丝式质量流量传感器、超声流量传感器、叶轮/涡轮流量传感器等，将气体流量信号变送为压力差变化、温度变化、超声波频率变化、转子转动频率等，再进一步转化为电信号。上述绝大多数流量传感器的变送原理均与环境压力有关，当环境压力改变后输出的流量值会出现不同程度的失真，因此需要在高气压环境下对其进行校准，得到其响应曲线随环境压力变化的规律，以便在随时改变的任意高气压环境下使用。
3.流量传感器的出厂校准或使用前校准，通常是利用另一个检测精度更高的流量计量装置同时测量一系列恒定流量值，将该计量装置的输出作为流量真值，得到一系列被校准流量传感器的输出值与真实流量值的对应数据，并根据这些数据值拟合成被校准流量传感器的响应曲线。而对于高气压环境下的校准，目前没有一类可用于呼吸流量变送的流量计量装置，其输出可作为传感器标定校准的真值。
4.以常用于呼吸机和肺功能仪呼吸流量检测的差压式流量传感器为例，常压稳定环境下其变送的板孔两端压力差与流量成正比，但影响压差数值的流出系数c、被测可压缩流的膨胀系数ε和被测气体密度ρ则是随压力、温度等参数的变化而变化的。对于稳态测量，当压力在小范围变化时，用于工业管道流检测的标准节流装置可以通过引入修正系数进行理论标定，而市售的可用于呼吸检测的小型气体差压式流量计均为非标节流装置，其膨胀系数不可通过计算修正，需要实流校正。


技术实现要素：

5.为了克服上述技术缺陷，本发明的第一个目的在于提供一种高气压环境下气体流量传感器的校准装置，包括：电源、无极调速模块、高压测试舱、4个穿舱电连接器、往复电机、连杆机构、定体积气管、脉冲计数器和上位机，定体积气管包括前端、活塞和后端，所述往复电机、连杆机构和定体积气管设于所述高压测试舱内；
6.电源用于为无极调速模块和往复电机供电；
7.无极调速模块输出的电压通过2个穿舱电连接器连接在往复电机的正负极上，无极调速模块用于调节往复电机的输出转速；
8.往复电机用于带动连杆机构进行匀速直线的往复运动；
9.动连杆机构连接活塞，并用于推拉定体积气管的活塞进行匀速直线运动；在本申
请中，只在活塞正行程的部分检测流量计的输出；
10.定体积气管的前端与气体流量传感器的气体输入端连接，后端与高压测试舱内环境相通，
11.定体积气管的管径与气体流量传感器的气体输入端管径相同；
12.气体流量传感器的气体输出与高压测试舱内环境相通；
13.气体流量传感器输出的脉冲信号通过2个穿舱电连接器与位于高压测试舱外的脉冲计数器连接；
14.脉冲计数器连接于上位机，将转换的脉冲计数字信号传输至上位机。
15.进一步地，所述高压测试舱内的环境压力和温度是可控制的；通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升，通过减压阀对测试舱进行排气可使舱内环境压力下降，通过安装在测试舱上的压力表可获取当前舱内环境压力；高压测试舱内装有温度控制装置(采用市售的温控模块实现)，用于保证进行流量校准时舱内温度恒定，控制温度范围为10℃～40℃。
16.进一步地，活塞进行匀速直线运动的速度范围为u
min
＝0，u
max
＝q
max
/s，其中，q
max
为被校传感器的量程上限，s为定体积气管的截面积。
17.进一步地，定体积气管中的气体的最大体积v为v＝q
max
·
t，t为单次标定的最短时间。根据不同量程的被校传感器选择不同规格的定体积管，v＝s
·
l，s为定体积气管的截面积，l＝vmax
·
t＝qmax
·
t/s,所以v＝qmax
·
t，t为单次标定的最短时间，t通常取2s-5s。
18.进一步地，所述气体流量传感器为在量程范围内线性输出的叶轮式流量传感器。
19.本技术的第二个目的在于提供一种采用上述校准装置校准气体流量传感器的方法，包括：
20.步骤s1：将气体流量传感器的气体输入端连接于定体积气管的输出端；
21.步骤s2：关闭测试舱舱门，通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升至p，调节温控装置使舱内温度稳定在t，t值取室温；
22.步骤s3：打开电源，无极调速模块调节往复电机的速度，往复电机带动连杆机构并以u匀速直线推进活塞，活塞将定体积气管内的气体匀速推出，使气体以稳定的体积流量qv，进入气体流量传感器的气体输入端，其中qv＝u
·
s，测定气体流量传感器在qv流量下输出的叶轮转数f，其中，s为定体积气管的截面积；
23.步骤s4：改变电机转速，使连杆机构以u’匀速直线推进活塞，使气体以qv’流量进入气体流量传感器的气体输入端，其中qv’＝u’·
s，测定气体流量传感器在qv’流量下输出的叶轮转数f’，其中，s为定体积气管的截面积；
24.步骤s5：重复步骤s3，得到气体流量传感器在压力为p时不同流量下的输出转数，即得到其转数-流量响应曲线f＝ka·qv
kb；
25.步骤s6：通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升至p’，调节温控装置使舱内温度仍稳定在t；
26.步骤s7：重复步骤s3-s5，得到气体流量传感器在压力为p’时不同流量下的输出转数，即得到其转数-流量响应曲线f＝k’a
·qv
k’b
；
27.步骤s8：重复步骤s6-s7，改变p值，可以得到一系列的ka值和kb值，得到流量传感器转数-流量响应曲线中的两个相应系数ka和kb随压力p变化的规律，从而拟合出ka和kb与压
力p的关系公式：ka(p)＝f(p)、kb(p)＝g(p)，此处f(p)和g(p)均为拟合函数，进而得到该流量传感器在高压下的转数-流量响应曲线：f＝f(p)
·qv
g(p)。
28.进一步地，所述气体流量传感器适用于空气和空气之外的其他气体，仅需在校准开始前将测试舱内的空气排空，再充入相应成分的气体。
29.采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：
30.本技术提供一种适用于高气压环境下气体流量传感器的校准装置，特别适用于叶轮式流量传感器，其输出可作为传感器标定校准的真值。本技术的技术方案填补了现有技术中没有一类可用于呼吸流量变送的流量计量装置的空白。整套装置位于压力可控的高压测试舱内，在温度相同，压力不同的环境下进行测试，即可得到叶轮传感器响应曲线中的两个相应系数ka和kb随压力变化的规律。
附图说明
31.图1为使用本技术的高气压环境下气体流量传感器的校准装置校准气体流量传感器的方法原理示意图。
具体实施方式
32.以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
33.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
34.在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
35.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，可以指代不同的或相同的对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.如图1所示，本实施例提供一种用于校准高气压环境下气体流量传感器的校准装置，其包括：电源11、无极调速模块12、具有一壳体的高压测试舱13、2个第一穿舱电连接器141、2个第二穿舱电连接器142、往复电机15、连杆机构16、定体积气管(包括活塞171、前端172、管壁173和后端174)、上位机18和脉冲计数器19。气体流量传感器包括气体输入端21、气体输出端22和本体23，示例地，本实施例中的气体流量传感器为叶轮式传感器。叶轮式传
感器、往复电机15、连杆机构16和定体积气管均设于所述高压测试舱内。
37.电源11用于为无极调速模块12和往复电机15供电。
38.无极调速模块12输出的电压通过2个第一穿舱电连接器141连接在往复电机15的正负极上，无极调速模块12用于调节往复电机15的输出转速。
39.电源11、无极调速模块12、往复电机15和2个第一穿舱电连接器141之间依次电连接。
40.往复电机15用于带动连杆机构16进行匀速直线的往复运动。动连杆机构16连接活塞171，并用于推拉活塞171进行匀速直线运动。
41.定体积气管的前端172与气体流量传感器的气体输入端21连接，后端与高压测试舱13内环境相通，定体积气管的管径与气体流量传感器的气体输入端管径相同。
42.本实施例中的气体流量传感器为在量程范围内线性输出的叶轮式流量传感器。气体流量传感器的气体输出端22与高压测试舱内环境相通。气体流量传感器输出的脉冲信号通过2个第二穿舱电连接器142与位于高压测试舱外的脉冲计数器连接。脉冲计数器通过io设备与上位机连接，将转换的脉冲计数字信号传输至上位机。
43.所述高压测试舱13内的环境压力和温度是可控制的，通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升，通过减压阀对测试舱进行排气可使舱内环境压力下降，通过安装在测试舱上的压力表可获取当前舱内环境压力；高压测试舱内装有温度控制装置(采用市售的温控模块)，用于保证进行流量校准时舱内温度恒定，控制温度范围为10℃～-40℃。
44.活塞171进行匀速直线运动的速度范围为u
min
＝0，u
max
＝q
max
/s，其中，q
max
为被校传感器的量程上限，s为定体积气管的截面积。定体积气管的前端管径与被校传感器的进气孔径相等。
45.根据不同量程的被校传感器选择不同规格的定体积管，v＝s
·
l，s为定体积气管的截面积，l＝vmax
·
t＝qmax
·
t/s,所以，定体积气管中的气体的最大体积v为v＝qmax
·
t，t为单次标定的最短时间，t通常取2s-5s。采用上述校准装置校准叶轮式传感器的方法包括：
46.步骤s1：将气体流量传感器的气体输入端连接于定体积气管的输出端；
47.步骤s2:关闭测试舱舱门，通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升至p，调节温控装置使舱内温度稳定在t，t值取室温；
48.步骤s3：打开电源，无极调速模块调节往复电机的速度，往复电机带动连杆机构并以u匀速直线推进活塞，活塞将定体积气管内的气体匀速推出，使气体以稳定的体积流量qv，进入气体流量传感器的气体输入端，其中qv＝u
·
s，测定气体流量传感器在qv流量下输出的叶轮转数f，其中，s为定体积气管的截面积；
49.步骤s4:改变电机转速，使连杆机构以u’匀速直线推进活塞，使气体以qv’流量进入气体流量传感器的气体输入端，其中qv’＝u’·
s，测定气体流量传感器在qv’流量下输出的叶轮转数f’，其中，s为定体积气管的截面积；
50.步骤s5：重复步骤s3，得到气体流量传感器在压力为p时不同流量下的输出转数，即得到其转数-流量响应曲线f＝ka·qv
kb；
51.步骤s6：通过加压阀向测试舱内通入高压气体可使舱内环境压力上升至p’，调节
温控装置使舱内温度仍稳定在t；
52.步骤s7：重复步骤s3-s5，得到气体流量传感器在压力为p’时不同流量下的输出转数，即得到其转数-流量响应曲线f＝k’a
·qv
k’b
；
53.步骤s8:重复步骤s6-s7，改变p值，可以得到一系列的ka值和kb值，得到流量传感器转数-流量响应曲线中的两个相应系数ka和kb随压力p变化的规律，从而拟合出ka和kb与压力p的关系公式：ka(p)＝f(p)、kb(p)＝g(p)，此处f(p)和g(p)均为拟合函数，进而得到该流量传感器在高压下的转数-流量响应曲线：f＝f(p)
·qv
g(p)。
54.应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。