摘要(yao):采用壓(ya)電晶體(ti)傳感器(qi)利用卡(ka)門渦街(jie)原理，一(yi)種氣體(ti)流量計(ji) 的結構(gou)，分别對(dui)氣體流(liu)量測量(liang)儀結構(gou)的各個(ge)部分🔞進(jin)行了分(fen)析。并對(dui)壓電晶(jing)體産生(sheng)的電荷(he)信号進(jin)行處理(li)，分析和(he)設計各(ge)個環節(jie)的電路(lu)。該流量(liang)計所用(yong)檢測壓(ya)電元件(jian)不接觸(chu)氣體，适(shi)🍉于惡劣(lie)🏃環境、不(bu)易結垢(gou)，耐高溫(wen)、高壓、安(an)全防爆(bao)，适用于(yu)測量封(feng)閉管道(dao)的氣體(ti)累計流(liu)量和瞬(shun)時流🔞量(liang)。
1氣體流(liu)量的測(ce)量方法(fa)
國内儀(yi)表市場(chang)氣體流(liu)量計常(chang)見的主(zhu)要是以(yi)下幾類(lei)：
（1）差壓式(shi)流量計(ji)
　　差壓式(shi)流量計(ji) 是以伯(bo)努利方(fang)程和流(liu)體連續(xu)性方程(cheng)爲依據(ju)，根據👌節(jie)流原理(li)，當❓流體(ti)流經節(jie)流件時(shi)(如标準(zhun)孔闆、标(biao)準噴嘴(zui)🏒、長徑噴(pen)嘴、經典(dian)😘文丘利(li)嘴、文丘(qiu)利噴嘴(zui)等)，在其(qi)前後産(chan)✏️生壓差(cha)🐇，此差壓(ya)值與該(gai)流量的(de)平方成(cheng)正比。隻(zhi)要能把(ba)節流機(ji)構💚前後(hou)的壓差(cha)p1-p2取出來(lai)，就可以(yi)測出流(liu)量。
（2）渦輪(lun)流量計(ji)
　　渦輪流(liu)量計 是(shi)比較正(zheng)确的一(yi)種流量(liang)檢測裝(zhuang)置。當流(liu)體流經(jing)渦輪⚽流(liu)量傳感(gan)🐇器時，在(zai)流體推(tui)力作用(yong)下渦輪(lun)受力旋(xuan)🌈轉，其🛀轉(zhuan)速與管(guan)道平均(jun)流🤩速成(cheng)正比，渦(wo)輪流量(liang)計的🈚理(li)論流量(liang)方程爲(wei)

　　式中，nT爲(wei)渦輪轉(zhuan)速；qv爲體(ti)積流量(liang)；A爲流體(ti)物性(密(mi)度、粘❌度(du)等)，渦😍輪(lun)結構參(can)數(渦輪(lun)傾角、渦(wo)輪直徑(jing)、流道截(jie)面積等(deng))有關的(de)參數；B爲(wei)與渦輪(lun)頂隙、流(liu)體流速(su)分布有(you)關的系(xi)數；C爲與(yu)摩擦力(li)㊙️矩有關(guan)🏃🏻‍♂️的系數(shu)。
（3）渦街流(liu)量計
　　渦(wo)街流量(liang)計 主要(yao)用于工(gong)業管道(dao)介質流(liu)體的流(liu)量測量(liang)，如氣體(ti)、液🈲體、蒸(zheng)氣等多(duo)種介質(zhi)。其特點(dian)是壓力(li)損失小(xiao)，量程範(fan)圍大，精(jing)度高，在(zai)測量工(gong)況體積(ji)流量時(shi)幾乎不(bu)受流體(ti)密度、壓(ya)力、溫度(du)、粘度等(deng)參數的(de)影響。無(wu)可動機(ji)械零件(jian)，因此可(ke)靠性🔱高(gao)，維護量(liang)小，儀表(biao)參數能(neng)長期穩(wen)定。渦街(jie)流量計(ji)流量方(fang)程可用(yong)下式表(biao)示

　　式中(zhong)，f爲旋渦(wo)的釋放(fang)頻率；v爲(wei)流過旋(xuan)渦發生(sheng)體的流(liu)體🌈平均(jun)速度；d爲(wei)旋渦發(fa)生體特(te)征寬度(du)；St爲斯特(te)羅哈數(shu)，無量綱(gang)，它的數(shu)值範圍(wei)爲0.14－0.27。
（4）超聲(sheng)波流量(liang)計
　　超聲(sheng)波流量(liang)計 由超(chao)聲波換(huan)能器、信(xin)号處理(li)電路、單(dan)片機控(kong)制系統(tong)3部分組(zu)成。在有(you)氣體流(liu)動的管(guan)道中，超(chao)聲脈沖(chong)順流傳(chuan)播的速(su)度要🈲比(bi)逆流時(shi)快。流過(guo)管道的(de)氣體速(su)度越快(kuai)，超聲順(shun)流和逆(ni)流傳播(bo)的時間(jian)差越大(da)。分爲時(shi)差式(測(ce)量順流(liu)和逆🤞流(liu)傳播的(de)時間差(cha))、相差式(shi)(測量🏃順(shun)流和逆(ni)流🈲傳播(bo)的相位(wei)差)、頻差(cha)式(測✌️量(liang)順流和(he)逆🔆流傳(chuan)播的循(xun)環頻率(lü)差)、多普(pu)勒超聲(sheng)波流量(liang)計(以物(wu)🛀理學中(zhong)的多普(pu)勒效應(ying)爲工作(zuo)原理，适(shi)合于對(dui)兩相流(liu)的測量(liang))。
（5）容積式(shi)流量計(ji)
　　容積式(shi)流量計(ji)又稱排(pai)量流量(liang)計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱(cheng)PD流量計(ji)或PDF，在流(liu)量儀表(biao)💯中是精(jing)度最高(gao)的一類(lei)。它利用(yong)機械測(ce)量元件(jian)把流體(ti)連續不(bu)斷地分(fen)割成單(dan)個已知(zhi)的體積(ji)部分，根(gen)據計量(liang)室逐次(ci)、重複地(di)充滿和(he)排放該(gai)體積部(bu)分流體(ti)的次數(shu)來測量(liang)流量✔️體(ti)積總量(liang)。容積式(shi)流量計(ji)的理論(lun)✏️流量計(ji)算公式(shi)

　　式中，q爲(wei)工況下(xia)的體積(ji)流量，m3/s；n爲(wei)旋轉體(ti)的流速(su)，周/s；V爲旋(xuan)轉體每(mei)轉一周(zhou)所排流(liu)體的體(ti)積，m3/周。
　　采(cai)用渦街(jie)流量計(ji)測量高(gao)溫氣體(ti)的流量(liang)，下面通(tong)過分析(xi)🏃‍♀️氣體流(liu)量傳感(gan)器測量(liang)氣體的(de)原理，設(she)計其結(jie)構部分(fen)，采用雙(shuang)壓電晶(jing)體作爲(wei)傳感技(ji)術，測量(liang)其頻率(lü)信号。
2渦(wo)街流量(liang)計工作(zuo)原理與(yu)結構設(she)計
2.1工作(zuo)原理
　　渦(wo)街流量(liang)計是利(li)用流體(ti)力學中(zhong)卡門渦(wo)街原理(li)制作的(de)一種儀(yi)♻️表，如圖(tu)1所示。

　　把一個(ge)非線性(xing)對稱形(xing)狀的物(wu)體（如圓(yuan)柱體、三(san)角柱體(ti)☁️、矩🐕形柱(zhu)體、六面(mian)柱體等(deng)，以下簡(jian)稱漩渦(wo)發生體(ti)）垂🥰直插(cha)在管道(dao)中，流體(ti)繞過漩(xuan)渦發生(sheng)體時，出(chu)現了附(fu)面層分(fen)離，在漩(xuan)渦發生(sheng)🔞體左右(you)✊兩側的(de)後方會(hui)産生漩(xuan)渦，形成(cheng)📞渦列。
　　由(you)于漩渦(wo)之間相(xiang)互影響(xiang)，漩渦列(lie)一般是(shi)不穩定(ding)的，但卡(ka)門😘從理(li)論上證(zheng)明了當(dang)兩漩渦(wo)列之間(jian)的距離(li)h與同列(lie)的2個漩(xuan)渦之間(jian)的距離(li)L滿足公(gong)式h/L=0.281時，非(fei)對稱🐅的(de)漩渦列(lie)就能保(bao)持穩定(ding)。此時漩(xuan)渦的頻(pin)率f與流(liu)體的流(liu)速及漩(xuan)渦發生(sheng)體的寬(kuan)度d有下(xia)述關系(xi)

式中
v1———柱(zhu)體兩側(ce)處的流(liu)速(m/s)；
d———柱體(ti)迎流面(mian)最大寬(kuan)度(m)；
Sr———無量(liang)綱數，在(zai)柱體形(xing)狀确定(ding)後，在一(yi)定的雷(lei)諾數範(fan)💋圍内爲(wei)常🔞數，稱(cheng)爲斯特(te)勞哈爾(er)(Strouhal)數。
根據(ju)流動的(de)連續性(xing)，可知

式(shi)中
S1———柱體(ti)兩側流(liu)通面積(ji)(m2)；
S———管道整(zheng)個流通(tong)面積(m2)；
v———管(guan)道内流(liu)體的平(ping)均流速(su)(m/s)。
設流通(tong)面積比(bi)爲n（當d/D<0.35時(shi)，可認爲(wei)n=1-1.25d/D），則

2.2結構(gou)設計
　　氣(qi)體流量(liang)計由傳(chuan)感器和(he)轉換器(qi)2部分組(zu)成，如圖(tu)2所示。

　　圖(tu)中傳感(gan)器包括(kuo)旋渦發(fa)生體(阻(zu)流體)、檢(jian)測元件(jian)、儀表表(biao)體等；轉(zhuan)🏃‍♀️換器包(bao)括前置(zhi)放大器(qi)、濾波整(zheng)形電路(lu)、D/A轉換電(dian)路⭐、輸出(chu)接口電(dian)路、端子(zi)、支架和(he)防護罩(zhao)等。旋渦(wo)發生體(ti)是檢🤞測(ce)器的✊主(zhu)要部件(jian)，它與儀(yi)表的流(liu)量特性(xing)(儀表系(xi)數、線性(xing)度、範圍(wei)度等)和(he)阻力特(te)性(壓力(li)🐆損失)密(mi)切相關(guan)，應選用(yong)優‼️良的(de)材料，并(bing)使之具(ju)有良📧好(hao)的機械(xie)性能🥰和(he)抗腐蝕(shi)性能。
　　氣(qi)體流量(liang)計采用(yong)壓電元(yuan)件作爲(wei)檢測元(yuan)件。采用(yong)第🙇🏻一種(zhong)💰檢測方(fang)式。檢測(ce)元件密(mi)封安裝(zhuang)在發生(sheng)體内部(bu)，不接觸(chu)被測氣(qi)體。
3壓電(dian)晶體測(ce)量原理(li)
3.1壓電傳(chuan)感器的(de)結構形(xing)式
　　在壓(ya)電傳感(gan)器中，常(chang)采用2片(pian)或2片以(yi)上的壓(ya)電材料(liao)組🐆合一(yi)起🤟使用(yong)的2種不(bu)同結構(gou)形式。一(yi)是2片壓(ya)電片✌️負(fu)極都集(ji)中于中(zhong)間電極(ji)上，而正(zheng)極分别(bie)在上下(xia)2面🐪電極(ji)上的并(bing)聯連接(jie)形🏃式。此(ci)時，輸出(chu)電容Ca'=nCa（n爲(wei)并聯壓(ya)電材料(liao)片🚶‍♀️數，Ca爲(wei)單片電(dian)容）；輸出(chu)電壓Ua'=nUa（Ua爲(wei)單片的(de)電壓）；輸(shu)出電荷(he)Q'=nQ（Q爲單片(pian)電荷）；二(er)⭕是各單(dan)片壓電(dian)元件正(zheng)負極性(xing)順序相(xiang)連接的(de)串聯連(lian)接方式(shi)。此時，輸(shu)出電荷(he)Q'=Q（Q爲單片(pian)電荷）；輸(shu)出😍電壓(ya)U'a=nUa(Ua爲各片(pian)的電壓(ya))；輸出電(dian)容C'=Ca/n（Ca爲單(dan)🔴片電容(rong)）。顯然，并(bing)聯接法(fa)的輸出(chu)電荷量(liang)大，本身(shen)的電容(rong)也大。因(yin)此，其時(shi)間常數(shu)大（τ=CaR），适宜(yi)于測量(liang)緩慢變(bian)📱化的信(xin)号，并且(qie)還适用(yong)于以電(dian)荷爲輸(shu)出量的(de)場合。
3.2壓(ya)電傳感(gan)器的測(ce)量電路(lu)
　　由于壓(ya)電傳感(gan)器的内(nei)阻抗很(hen)高、輸出(chu)電信号(hao)很弱，一(yi)般需将(jiang)電🐕信号(hao)經高輸(shu)入阻抗(kang)的前置(zhi)放大器(qi)放大再(zai)進行傳(chuan)輸🆚、處理(li)和測量(liang)。前置放(fang)大器的(de)主要作(zuo)用是将(jiang)壓電信(xin)号經過(guo)前置放(fang)大器的(de)阻抗變(bian)換成低(di)阻抗輸(shu)出，也起(qi)到放大(da)弱信号(hao)的作用(yong)。壓電傳(chuan)感器的(de)輸出信(xin)号經過(guo)前置放(fang)大器的(de)阻抗變(bian)換和放(fang)大後，就(jiu)可以采(cai)用一般(ban)的放大(da)、檢波指(zhi)示或通(tong)過功率(lü)放大至(zhi)紀錄和(he)數據處(chu)理設備(bei)。
　　按照壓(ya)電式傳(chuan)感器的(de)工作原(yuan)理及其(qi)等效電(dian)路，傳感(gan)器♊可♈堪(kan)稱電壓(ya)發生器(qi)，也可以(yi)看作是(shi)電荷發(fa)生器。因(yin)此前置(zhi)放大器(qi)也有❄️2種(zhong)形式：一(yi)種是電(dian)壓放大(da)😄器，一般(ban)稱作阻(zu)♋抗變換(huan)器，其輸(shu)出電壓(ya)與輸入(ru)電壓成(cheng)比例；另(ling)🌈一種是(shi)電荷放(fang)大器，其(qi)輸出電(dian)壓與輸(shu)入🚶電荷(he)成比例(li)。
4結語
　　當(dang)前國内(nei)外幾種(zhong)流量計(ji)應用的(de)基礎上(shang)，采取渦(wo)街流量(liang)計測量(liang)流量的(de)原理測(ce)量高溫(wen)氣體的(de)流量。針(zhen)對壓㊙️電(dian)傳感器(qi)進行分(fen)析，利用(yong)壓電晶(jing)體進行(hang)測量的(de)原理，并(bing)對其壓(ya)電傳感(gan)器的結(jie)構形式(shi)進行分(fen)析。

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