摘要(yao)：針對渦街(jie)流量計 抗(kang)幹擾性能(neng)差的缺點(dian),設計了一(yi)種新的傳(chuan)感器結構(gou)一一懸浮(fu)式差動傳(chuan)感器,使流(liu)量計一次(ci)儀表輸出(chu)信🌂号的信(xin)噪比大💰大(da)提高.實驗(yan)結果表明(ming),采用此種(zhong)傳感器結(jie)構的渦街(jie)🏒流量計的(de)抗千擾性(xing)能得到顯(xian)著改善.
　　渦(wo)街流量計(ji)是利用旋(xuan)渦脫離誘(you)發流體振(zhen)動的原理(li)💔實現流量(liang)的計量,其(qi)主要特點(dian)是:無運動(dong)部件，因此(ci)不必考🧑🏾‍🤝‍🧑🏼慮(lü)流體中😍雜(za)質對流量(liang)計的物理(li)損害,從而(er)極大地拓(tuo)展了精密(mi)流量計的(de)應用範圍(wei),并有良好(hao)的線性度(du)、較大的量(liang)程和很強(qiang)的介質适(shi)應性,可🧑🏾‍🤝‍🧑🏼用(yong)于不同流(liu)體的穩态(tai)和瞬态流(liu)量的計量(liang).此外，它還(hai)有具有壓(ya)力損失小(xiao)、可靠性高(gao)、維護方便(bian)和🌈不受流(liu)體組成、密(mi)度、溫🤞度、壓(ya)力影響等(deng)優點,是測(ce)量氣體、液(ye)📧體、蒸汽、混(hun)合型和🏃🏻‍♂️腐(fu)蝕性流體(ti).的理想👈的(de)流量計.
　　但(dan)是,渦街流(liu)量計存在(zai)兩大缺陷(xian):(1)小流量信(xin)噪比低;(2)抗(kang)幹擾性能(neng)差.其中抗(kang)幹擾性能(neng)是衡量一(yi)台工業渦(wo)街流量計(ji)應用好☁️壞(huai)的一個重(zhong)要指标.目(mu)前很多工(gong)業用戶之(zhi)所以對渦(wo)街流量計(ji)的應用失(shi)去信心，是(shi)因爲在實(shi)際應用🐪中(zhong),工業振動(dong)是普遍存(cun)在的;而一(yi)般的工業(ye)振動頻率(lü)大都在幾(ji)赫茲到幾(ji)千赫茲之(zhi)間,渦街流(liu)📞量❄️計的旋(xuan)渦分離頻(pin)率正好落(luo)在🤩這個範(fan)圍之内..
　　近(jin)10年來,針對(dui)以上問題(ti)國内外學(xue)者做了大(da)量的研✍️究(jiu),并🌈且大部(bu)分研究主(zhu)要是從信(xin)号處理的(de)角度出發(fa).如采用自(zi)适應譜分(fen)析🚩方法對(dui)渦街信号(hao)進行處理(li)以提高渦(wo)街流量計(ji)的抗噪能(neng)力川,又如(ru)根據實驗(yan)數據對渦(wo)街流量産(chan)生的信👅号(hao)建立數學(xue)模型将譜(pu)預測的方(fang)法運用到(dao)渦街流量(liang)計上,用以(yi)提高渦⭕街(jie)流量計的(de)抗幹擾性(xing)能,使計🐅量(liang)精度和可(ke)靠性得到(dao)提高.除通(tong)過信号處(chu)理的技術(shu)外，人們還(hai)從傳感🤟器(qi)方面尋找(zhao)改善渦📱街(jie)流量計性(xing)能的思路(lu)，如通過💰改(gai)進壓電傳(chuan)感器達到(dao)減弱管道(dao)振動對渦(wo)街♈流量💚計(ji)影響的目(mu)的.
1懸浮式(shi)差動傳感(gan)器的設計(ji)
1.1流量傳感(gan)器幹擾噪(zao)聲分析
　　渦(wo)街流量計(ji)是根據卡(ka)門旋渦頻(pin)率實現流(liu)量測量的(de)流量‼️計⚽.在(zai)✍️具有旋渦(wo)發生體的(de)流場中,當(dang)兩旋渦列(lie)之間的距(ju)離👅h與同列(lie)的兩旋渦(wo)之間的距(ju)離L之比滿(man)足h/L=0.281時,形成(cheng)卡門渦街(jie)如圖1所示(shi).大量實驗(yan)證明:在一(yi)-定的雷🏃‍♂️諾(nuo)數範圍内(nei),穩定的旋(xuan)渦發生🔴頻(pin)率ƒ與旋🚶渦(wo)發生體側(ce)流速u與旋(xuan)渦發生體(ti)的柱寬d有(you)如下确定(ding)的關系:ƒ=(u/d)St.式(shi)中St爲斯特(te)勞哈爾👅數(shu)(無綱量),對(dui)于☀️一定形(xing)狀的旋渦(wo)發生🌈體,在(zai)一-定的雷(lei)諾🔆數範圍(wei)内是一📐個(ge)常數.由于(yu)流體流量(liang)與其流速(su)之間存在(zai)線性關系(xi),所以通過(guo)測量旋渦(wo)💋發生引🐉起(qi)的流體振(zhen)動頻率，即(ji)可實現對(dui)流體流量(liang)的測量.
 
　　由(you)渦街流量(liang)計的工作(zuo)原理可見(jian)，渦街流量(liang)計是利用(yong)😘流體自身(shen)振動實現(xian)流體的測(ce)量的.而待(dai)測系統中(zhong)存在的壓(ya)力🏃‍♂️脈動或(huo)外界的振(zhen)動源和噪(zao)聲源也會(hui)引起待測(ce)系統中流(liu)體的振動(dong),這些外來(lai)的振動信(xin)号，或改變(bian)旋渦振動(dong)頻率，或直(zhi)接進人二(er)次儀表,造(zao)成計量誤(wu)差.理想情(qing)況下，渦街(jie)流量計輸(shu)出正弦波(bo)信号,但實(shi)際🌈上由于(yu)流體流動(dong)噪聲、機械(xie)振動噪聲(sheng)等千擾的(de)影響,它遠(yuan)非理想的(de)正弦波信(xin)号，而是一(yi)個混有強(qiang)噪聲的混(hun)合信号。
1.2懸(xuan)浮式差動(dong)傳感器的(de)結構
　　在渦(wo)街流量計(ji)中,懸浮差(cha)動式流量(liang)傳感器的(de)安裝如圖(tu)2所示,傳感(gan)器B安裝在(zai)旋渦發生(sheng)體A的後面(mian).傳感💋器的(de)軸線與旋(xuan)渦發生體(ti)📱平行,整個(ge)傳感器都(dou)沉浸在流(liu)體中[5].圖中(zhong)的懸浮式(shi)差動傳感(gan)器在設計(ji)中使用了(le)4個壓電晶(jing)體作爲檢(jian)測元📱件，在(zai)平闆兩側(ce)對稱固定(ding)了兩個檢(jian)測單元，以(yi)形成差動(dong)結構.每個(ge)檢測單元(yuan)外形爲一(yi)個半圓柱(zhu)型殼體，殼(ke)體内具有(you)與平闆軸(zhou)線平🐆行的(de)通🐪孔,通孔(kong)内有兩個(ge)尺寸、質量(liang)和靈敏度(du)系數都相(xiang)同的壓電(dian)陶瓷片，兩(liang)壓電陶瓷(ci)片之間由(you)一金屬質(zhi)量塊相連(lian),該質量塊(kuai)與兩壓電(dian)陶瓷片焊(han)接在一起(qi)組成一個(ge)剛體.金屬(shu)質量塊同(tong)時也作爲(wei)壓電陶瓷(ci)的輸出電(dian)極,引出檢(jian)測信号給(gei)電荷📐放大(da)電路.兩片(pian)壓電晶體(ti)采用并聯(lian)式結構,如(ru)圖3所示,使(shi)輸出電荷(he)量加倍,以(yi)達到增🤟大(da)渦街流量(liang)信号的目(mu)的.
 
　　每個檢(jian)測單元的(de)_上”下兩個(ge)壓電陶瓷(ci)片在安裝(zhuang)時必須具(ju)有🌈相等的(de)受壓預緊(jin)力，以保證(zheng)由兩個壓(ya)電陶瓷🛀片(pian)與金屬🐉質(zhi)量塊形💞成(cheng)的剛體中(zhong)會形成一(yi)個内應力(li)分界面🏃‍♂️.由(you)于金屬質(zhi)量塊具有(you)一定的厚(hou)度，所以内(nei)應力分界(jie)面一定會(hui)在金屬質(zhi)量塊的内(nei)部🚩,而兩個(ge)壓電陶瓷(ci)片又是嚴(yan)格對稱匹(pi)配的，因此(ci),可☁️以在結(jie)構上保證(zheng)在受到相(xiang)等🌈的力的(de)作用時,這(zhe)兩個壓電(dian)陶瓷片能(neng)夠産生相(xiang)等的電荷(he).
1.3懸浮式差(cha)動傳感器(qi)的抗幹擾(rao)工作原理(li)
1.3.1懸浮式結(jie)構對振動(dong)幹擾的抑(yi)制
　　懸浮式(shi)結構對于(yu)流場中的(de)振動幹擾(rao)噪聲可以(yi)實現有效(xiao)的抑💞制.管(guan)道在外界(jie)幹擾作用(yong)下産生的(de)振🌐動總💰是(shi)可以分解(jie)爲如圖4所(suo)示的三個(ge)方向，即方(fang)向a----與旋渦(wo)升力方📐向(xiang)相同、方向(xiang)b----與💁流體流(liu)動方向垂(chui)直、方向c--與(yu)流體流動(dong)方向平行(hang).根據懸浮(fu)式差動傳(chuan)感器結構(gou)與安裝方(fang)式，可知方(fang)向b與方向(xiang)c上的振動(dong)幹㊙️擾不會(hui)産生噪聲(sheng)信号,隻有(you)方向a的振(zhen)動幹擾可(ke)引起傳感(gan)器殼體的(de)♍跟随振動(dong).此時,由于(yu)傳感器中(zhong)金屬📞質量(liang)塊的慣性(xing)作🌈用，檢測(ce)單元中上(shang)下😄對稱的(de)兩個壓電(dian)陶瓷片會(hui)分别🚶‍♀️受到(dao)壓📧力和拉(la)力的作用(yong),這使得兩(liang)個壓電陶(tao)瓷片分别(bie)産生極性(xing)相反的正(zheng)負電荷信(xin)号.由于兩(liang)個壓電陶(tao)瓷片采用(yong)并聯結構(gou),所⛹🏻‍♀️以當上(shang)下兩個壓(ya)電陶瓷片(pian)的信号在(zai)金屬質量(liang)塊中相加(jia)時,幹擾信(xin)号所産生(sheng)的電荷信(xin)号會相互(hu)抵💰消,傳感(gan)器起到了(le)自減振的(de)作用,從而(er)極大地削(xue)😄弱了此方(fang)向的幹擾(rao)信号.
 
1.3.2差動(dong)式結構對(dui)振動幹擾(rao)的抑制
　　如(ru)圖3所示，當(dang)旋渦流經(jing)傳感器時(shi)，旋渦産生(sheng)的交變壓(ya)力作用在(zai)兩個檢測(ce)單元的彈(dan)性膜片上(shang),使兩側的(de)壓📐電陶瓷(ci)片交替産(chan)生電荷.兩(liang)個檢測單(dan)元會輸出(chu)帶有噪聲(sheng)的🈚正弦信(xin)号Si與S2,如圖(tu)5所示.由于(yu)兩個檢測(ce)單元的對(dui)稱性,使得(de)St與S2信号中(zhong)所含的🛀渦(wo)街流量信(xin)号的幅值(zhi)與頻率相(xiang)同♻️、相位相(xiang)差180°;又🌈因爲(wei)管道振動(dong)、流場脈動(dong)等引起的(de)幹擾振動(dong)對兩側的(de)壓電陶🔴瓷(ci)片的作用(yong)是一🥰緻的(de),所以S1與S2信(xin)号中所含(han)幹擾信号(hao)爲幅值、頻(pin)率與相位(wei)都相同的(de)共模信号(hao).在采用差(cha)動式電荷(he)放大前置(zhi)放大電路(lu)中,輸出信(xin)号隻含有(you)差模信号(hao)S1-S2,從而有效(xiao)地🔅抑制了(le)振動幹擾(rao).
 
2實驗結果(guo)
　　圖6與圖7分(fen)别爲傳統(tong)渦街流量(liang)計與使用(yong)了懸浮式(shi)差動✂️傳🐕感(gan)器的渦街(jie)流量計在(zai)管道受到(dao)外力敲擊(ji)時的渦街(jie)流量信号(hao)(該信号爲(wei)經差動放(fang)大後的信(xin)号).由圖6可(ke)見,傳🥵統渦(wo)街流量計(ji)🥵對振動非(fei)常敏感，渦(wo)街流量信(xin)号中疊加(jia)了很強的(de)幹擾信号(hao).而在使用(yong)了懸浮式(shi)差👉動傳感(gan)器的渦街(jie)流量計🛀🏻中(zhong),管道受到(dao)敲擊時的(de)幹擾被大(da)大削弱,在(zai)經差動放(fang)大後💚幾乎(hu)沒有幹擾(rao)🐉信号.
 
結論(lun)
　　爲了使渦(wo)街流量計(ji)能夠測量(liang)低流速、小(xiao)流量的信(xin)💚号♍,必需盡(jin)量提高有(you)效流量信(xin)号的幅值(zhi),而降低幹(gan)擾噪聲的(de)幅值,即提(ti)高信号的(de)信噪比.我(wo)們的工作(zuo)針對一次(ci)儀表展開(kai),提出了一(yi)種新穎的(de)傳感器結(jie)構懸浮式(shi)差動傳感(gan)器.實驗證(zheng)明,該傳感(gan)器可使渦(wo)街信号的(de)信噪比大(da)大提高,從(cong)而使現有(you)渦街流量(liang)⚽計的抗幹(gan)擾性能得(de)以極大的(de)改善.它對(dui)于渦街流(liu)量計的理(li)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼論研究及(ji)工程應用(yong)都具🙇‍♀️有重(zhong)要的意義(yi)💋.

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