摘要(yao):針對渦(wo)街流量(liang)計 抗幹(gan)擾性能(neng)差.量程(cheng)窄的問(wen)題，研制(zhi)了一種(zhong)抗幹擾(rao)性能優(you)的通🐕用(yong)渦街流(liu)量傳感(gan)器,從渦(wo)街信号(hao)的源頭(tou)加以改(gai)進，提高(gao)了渦街(jie)信号的(de)信噪比(bi)和靈敏(min)度;并對(dui)渦街流(liu)量傳感(gan)器輸出(chu)信💜号的(de)過程導(dao)線及初(chu)級信号(hao)處理電(dian)路的♊信(xin)号屏蔽(bi)‼️和保護(hu)措施加(jia)以改🔞進(jin);研制的(de)樣🔆機經(jing)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置等(deng)設備測(ce)試💃驗證(zheng),不僅能(neng)抵抗1.5g以(yi)下的機(ji)械振動(dong)幹擾,而(er)且實現(xian)了大于(yu)20:1的寬量(liang)程🍓比性(xing)能。
0引言(yan)
　　渦街流(liu)量計是(shi)20世紀70年(nian)代才發(fa)展起來(lai)的一種(zhong)新型的(de)流量儀(yi)表🈲，因其(qi)有許多(duo)優點，吸(xi)引了國(guo)内外衆(zhong)多研究(jiu)者和企(qi)業的關(guan)㊙️注，目前(qian)已發展(zhan)成爲主(zhu)流流量(liang)儀表之(zhi)一，但因(yin)起步晚(wan)、經驗不(bu)足，目前(qian)🤞存在的(de)主要🧑🏾‍🤝‍🧑🏼問(wen)題是量(liang)程不寬(kuan)(10:1左右)、抗(kang)幹擾性(xing)能差等(deng)不足，因(yin)此🥵對它(ta)的研究(jiu)還在不(bu)斷地進(jin)行，研究(jiu)者👅從許(xu)多方面(mian)🌈對其進(jin)行了深(shen)人的研(yan)究:①旋渦(wo)發生體(ti)的研究(jiu)葉;②壓電(dian)傳感器(qi)探頭位(wei)置的研(yan)究一氣(qi);③數🏒字信(xin)号處理(li)方法的(de)研究;，④渦(wo)街信号(hao)🏒檢測方(fang)法的研(yan)究121);⑤數值(zhi)仿真方(fang)法的研(yan)究。
　　上述(shu)研究方(fang)向多是(shi)的發生(sheng)體結構(gou)、傳感器(qi)安裝位(wei)置或⛷️是(shi)♋在渦街(jie)電信号(hao)的處理(li)後期階(jie)段的方(fang)法研究(jiu)，而對渦(wo)街電信(xin)号産生(sheng)的源頭(tou)即渦街(jie)流量傳(chuan)感器本(ben)身及其(qi)輸出原(yuan)始信号(hao)的保護(hu)方面研(yan)究很少(shao);渦街流(liu)量傳感(gan)器是渦(wo)街流量(liang)計的最(zui)核心部(bu)件，它的(de)性能好(hao)壞直接(jie)決定了(le)渦街流(liu)量計的(de)性能，而(er)在此處(chu)的研究(jiu)和方法(fa)是有效(xiao)提升抗(kang)幹擾性(xing)能💜擴展(zhan)量程的(de)關鍵點(dian)。
　　将工作(zuo)重點就(jiu)放在這(zhe)個關鍵(jian)點上,即(ji)在壓電(dian)傳感産(chan)生信🤞号(hao)的⭕源頭(tou)在抗振(zhen)動和屏(ping)蔽方面(mian)加以改(gai)進，一種(zhong)抗幹擾(rao)性🆚能好(hao)、輸出壓(ya)電信号(hao)信噪比(bi)強的壓(ya)電式通(tong)🔱用渦街(jie)流量傳(chuan)感器叫(jiao)🌈(簡稱壓(ya)電傳感(gan)器),如何(he)提高傳(chuan)🔞感器原(yuan)始😍信号(hao)及其初(chu)級信号(hao)處理電(dian)路💘的信(xin)号屏蔽(bi)保護措(cuo)施。
1渦街(jie)流量計(ji)工作原(yuan)理
　　如圖(tu)1所示，管(guan)道中垂(chui)直插人(ren)一個三(san)角形柱(zhu)狀的旋(xuan)👌渦發❗生(sheng)🙇‍♀️體，随着(zhe)流體流(liu)動，當管(guan)道雷諾(nuo)數達到(dao)一定值(zhi)時✨，在旋(xuan)渦發🤟生(sheng)體兩側(ce)會交替(ti)地産生(sheng)有規則(ze)的旋渦(wo)，這種旋(xuan)渦稱爲(wei)卡門渦(wo)街❓。

設旋(xuan)渦發生(sheng)頻率爲(wei)f，旋渦發(fa)生體迎(ying)流面寬(kuan)度爲d,表(biao)體☂️通徑(jing)爲D,根據(ju)卡門渦(wo)街工作(zuo)原理，可(ke)知:
f=SrU/d(1)
　　式中(zhong):f爲旋渦(wo)頻率;Sr爲(wei)斯特勞(lao)哈爾數(shu);U爲旋渦(wo)發生體(ti)兩🛀🏻側平(ping)均流速(su);d爲旋渦(wo)發生體(ti)迎流面(mian)寬度。
　　流(liu)體産生(sheng)的這一(yi)漩渦周(zhou)期性的(de)脫落引(yin)起對三(san)角柱和(he)渦街傳(chuan)💋感器探(tan)頭周期(qi)性的作(zuo)用力。根(gen)據熱力(li)學第一(yi)第二定(ding)律和庫(ku)塔儒科(ke)夫斯基(ji)升力定(ding)理01,設作(zuo)用在🍓旋(xuan)渦發生(sheng)體上的(de)升力爲(wei)FL有:

　　式中(zhong):CL爲升力(li)系數;p爲(wei)流體密(mi)度;U爲流(liu)體流速(su);A爲特征(zheng)面🆚積，即(ji)升力作(zuo)用面積(ji)。由于交(jiao)替地作(zuo)用在發(fa)生體上(shang)升力的(de)頻率就(jiu)是旋渦(wo)的脫落(luo)頻率，通(tong)過壓電(dian)傳感器(qi)的探頭(tou)扁尾對(dui)FL升力及(ji)其變化(hua)頻率的(de)傳感和(he)檢測，即(ji)可得到(dao)f，再由式(shi)
(1)可得流(liu)體的流(liu)速和體(ti)積流量(liang)。
　　從式(1)、(2)可(ke)以看出(chu)如何提(ti)高渦街(jie)流量計(ji)的抗振(zhen)動性能(neng)和擴展(zhan)量程比(bi)，關鍵看(kan)壓電式(shi)渦街傳(chuan)感器的(de)探頭對(dui)F升力檢(jian)測的能(neng)力。是🌈在(zai)改進壓(ya)電式渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)及其相(xiang)關技術(shu)來提高(gao)傳感器(qi)的測量(liang)小流量(liang)的信噪(zao)比和靈(ling)敏度。
2拓(tuo)展量程(cheng)的研究(jiu)方案和(he)技改
2.1提(ti)高抗振(zhen)動性能(neng)的研究(jiu)和實現(xian)
　　由于流(liu)量計與(yu)管道法(fa)蘭式剛(gang)性連接(jie)，且流量(liang)計上壓(ya)🌐電式渦(wo)✂️街流量(liang)傳感器(qi)探頭也(ye)是與表(biao)體剛性(xing)連接，管(guan)道的振(zhen)動會直(zhi)🐕接傳導(dao)到壓電(dian)傳感器(qi)探頭上(shang)，産生和(he)流量信(xin)号相同(tong)機理的(de)振動幹(gan)擾信号(hao);另外⭕，振(zhen)動也會(hui)💃🏻導緻壓(ya)電傳感(gan)器的導(dao)線、導線(xian)端子與(yu)電路連(lian)接觸電(dian)等部位(wei)的振動(dong)，有可能(neng)通過某(mou)種機電(dian)傳感機(ji)理，轉換(huan)爲電噪(zao)聲。所以(yi)研究渦(wo)街傳感(gan)器自身(shen)的結構(gou)🌐,提升自(zi)🏒身抗振(zhen)🐅動性能(neng)是提高(gao)渦街流(liu)量計抗(kang)振動幹(gan)擾性能(neng)的有效(xiao)方法。若(ruo)等😘到🧑🏾‍🤝‍🧑🏼振(zhen)動幹擾(rao)信号都(dou)疊加在(zai)流量型(xing)💯号上了(le)☁️，再去想(xiang)盡各種(zhong)辦法去(qu)剔除幹(gan)擾信号(hao)🔱，即不經(jing)濟，也不(bu)理想。
　　爲(wei)此，采用(yong)了壓電(dian)傳感器(qi)與旋渦(wo)發生體(ti)(三角柱(zhu))分離型(xing)💔的結構(gou)❗方案，即(ji)研制了(le)種小尺(chi)寸懸臂(bi)梁凹結(jie)構的壓(ya)電式通(tong)用渦街(jie)流🌏量傳(chuan)感器(簡(jian)稱壓電(dian)傳感器(qi)),壓電傳(chuan)感器結(jie)構如圖(tu)2所示，由(you)安裝法(fa)蘭盤、探(tan)頭扁尾(wei)、壓電🧑🏾‍🤝‍🧑🏼元(yuan)件、铠裝(zhuang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻導線、密(mi)封罩、接(jie)線端子(zi)等組成(cheng)🔞。壓電傳(chuan)感器❌通(tong)過中部(bu)的安裝(zhuang)法蘭盤(pan)與流量(liang)計殼體(ti)固定，下(xia)部的懸(xuan)臂梁置(zhi)于旋⛹🏻‍♀️渦(wo)發生體(ti)内的孔(kong)洞中，壓(ya)電傳感(gan)器的探(tan)頭扁尾(wei)通過發(fa)生體兩(liang)側的側(ce)孔獲取(qu)旋渦升(sheng)力作用(yong)。并傳感(gan)出相應(ying)的渦街(jie)流量信(xin)号。在懸(xuan)臂梁内(nei)部，壓電(dian)元件機(ji)械封裝(zhuang)在探頭(tou)内♻️空腔(qiang)中，空餘(yu)空腔則(ze)無其它(ta)填充物(wu)。壓電元(yuan)件通過(guo)🛀剛性結(jie)構的铠(kai)裝導線(xian)将🈲信号(hao)輸出到(dao)外部的(de)接線🧑🏾‍🤝‍🧑🏼端(duan)子上，再(zai)通過接(jie)線端子(zi)将信号(hao)輸出到(dao)外部信(xin)号✔️處理(li)電路進(jin)行處理(li)。當管道(dao)流體因(yin)漩渦發(fa)生體産(chan)生渦街(jie)後，伴随(sui)産生🍉的(de)交變升(sheng)力F,作🍉用(yong)在懸臂(bi)梁下♋部(bu)的探頭(tou)扁尾上(shang)，懸🌈臂梁(liang)産生變(bian)形并迫(po)使内部(bu)的♋壓電(dian)元件也(ye)同步變(bian)形，從而(er)産生出(chu)與交✔️變(bian)升力對(dui)應的電(dian)荷,通過(guo)後續的(de)一系列(lie)信号處(chu)理電路(lu)，最終💋獲(huo)得流量(liang)信息。

提(ti)高抗振(zhen)動性能(neng)的設計(ji)方案及(ji)其分析(xi):
(1)傳感器(qi)懸臂梁(liang)的探頭(tou)部分按(an)現有工(gong)藝和技(ji)術設計(ji)爲💋較小(xiao)的⭐外徑(jing)d和盡量(liang)短的長(zhang)度L,并且(qie)探頭内(nei)空腔采(cai)㊙️用抽真(zhen)空🌈無填(tian)充物封(feng)裝結構(gou)，這樣的(de)結構保(bao)證了該(gai)探頭懸(xuan)臂梁的(de)質量最(zui)🤞小，設其(qi)等效重(zhong)心爲G點(dian),質量爲(wei)✍️mc質點至(zhi)支撐點(dian)距離👄爲(wei)L2管道振(zhen)動加速(su)度爲a,振(zhen)動加速(su)度垂直(zhi)于探頭(tou)軸線方(fang)向的分(fen)量爲α2,則(ze)♉管道振(zhen)動幹擾(rao)對懸臂(bi)梁的彎(wan)🌐矩Mc公式(shi)爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公(gong)式(3)可知(zhi)，由于懸(xuan)臂梁質(zhi)量的客(ke)觀存在(zai),所以振(zhen)動産生(sheng)的幹擾(rao)彎矩必(bi)然存在(zai)，但可以(yi)減小懸(xuan)臂梁質(zhi)量和等(deng)效重心(xin)的力臂(bi)L2長度，在(zai)振動幹(gan)擾強度(du)不變的(de)情況下(xia)，mc越輕,作(zuo)用力臂(bi)L2越㊙️小,振(zhen)動幹擾(rao)産生的(de)彎矩Mc就(jiu)越小。
(2)如(ru)圖1所示(shi)，傳感器(qi)探頭插(cha)人在發(fa)生體内(nei)的孔洞(dong)中，僅通(tong)過發生(sheng)體兩側(ce)的導壓(ya)孔傳導(dao)出旋渦(wo)升力作(zuo)用于探(tan)頭扁尾(wei)❤️，其他部(bu)位不受(shou)力;如圖(tu)2所示，設(she)旋渦升(sheng)力的作(zuo)用力臂(bi)爲L，旋渦(wo)升力💚作(zuo)用點爲(wei)B,作用力(li)爲Fe1,此時(shi)傳感器(qi)僅B點受(shou)旋渦升(sheng)力作用(yong)，升力産(chan)生的彎(wan)矩Mfea公式(shi)爲:
Mpel=FclL1(4)
由公(gong)式(4)可知(zhi)，此時的(de)力臂L1最(zui)大，彎矩(ju)Mfel也最大(da)，此時壓(ya)電傳感(gan)器輸出(chu)的信号(hao)也最強(qiang)。
(3)傳感器(qi)内部信(xin)号導線(xian)采用剛(gang)性結構(gou)的铠裝(zhuang)導線，該(gai)結構可(ke)保證在(zai)機械振(zhen)動傳感(gan)器導線(xian)不彎曲(qu)和不抖(dou)動，導線(xian)部分所(suo)等效的(de)傳感器(qi)電容值(zhi)也會固(gu)📱定不變(bian)，減少了(le)因振動(dong)源引起(qi)的電噪(zao)聲的産(chan)生。
　　以上(shang)分析說(shuo)明，該壓(ya)電式渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)感應旋(xuan)渦☀️升⭐力(li)性⭕能強(qiang)，受管道(dao)振動影(ying)響弱。從(cong)根本上(shang)提高了(le)測量小(xiao)流量的(de)靈敏度(du)。
2.2提升抗(kang)電磁幹(gan)擾性能(neng)的研究(jiu)和實現(xian)
　　壓電式(shi)渦街流(liu)量傳感(gan)器在工(gong)作時輸(shu)出的電(dian)荷信号(hao)🔴很弱，電(dian)壓峰峰(feng)爲毫伏(fu)級，并且(qie)工作在(zai)非諧振(zhen)狀态，極(ji)易受空(kong)間中的(de)電磁🌈幹(gan)擾後衰(shuai)減，所以(yi)傳感器(qi)的制作(zuo)既要保(bao)證它很(hen)高的輸(shu)人阻抗(kang)，同時還(hai)需有良(liang)好的屏(ping)蔽和接(jie)地要求(qiu)，以防💔止(zhi)漏電流(liu)引起的(de)電🐅荷信(xin)号衰減(jian)和電磁(ci)幹擾進(jin)人電荷(he)放大器(qi)的輸人(ren)端。爲此(ci)，研制的(de)這種通(tong)用渦街(jie)流量傳(chuan)感器及(ji)其信号(hao)處理電(dian)路采用(yong)了如下(xia)的屏蔽(bi)工藝等(deng)技術方(fang)法:
(1)傳感(gan)器探頭(tou)體内的(de)元件封(feng)裝采用(yong)無任何(he)填充料(liao)的💞結構(gou),并且采(cai)用高溫(wen)加熱和(he)抽真空(kong)狀态下(xia)對傳感(gan)器進行(hang)氩弧焊(han)接封裝(zhuang)，該傳感(gan)器具有(you)常溫下(xia)104MΩ以上絕(jue)緣👈阻抗(kang)和300℃高溫(wen)下💰100MΩ絕緣(yuan)阻抗。
(2)傳(chuan)感器輸(shu)出導線(xian)采用硬(ying)質純鎳(nie)質内芯(xin)的金屬(shu)铠裝線(xian)結構，傳(chuan)😘感器自(zi)身的屏(ping)蔽效果(guo)最好;
(3)傳(chuan)感器探(tan)頭内成(cheng)安裝的(de)對壓電(dian)元件采(cai)用差動(dong)信☀️号輸(shu)出🐇接線(xian)方式，并(bing)且其中(zhong)一極與(yu)傳感器(qi)的金屬(shu)外殼可(ke)靠接地(di);
(4)傳感器(qi)末端導(dao)線接線(xian)端與電(dian)荷放大(da)輸入電(dian)路連接(jie)部⛷️分也(ye)全部采(cai)用剛性(xing)金屬屏(ping)蔽單防(fang)護工藝(yi);
(5)信号處(chu)理電路(lu)中将初(chu)級電荷(he)放大電(dian)路和二(er)二級放(fang)大濾波(bo)🔆電路設(she)計成獨(du)立的電(dian)路模塊(kuai)并且也(ye)封閉安(an)⛱️裝在一(yi)個金屬(shu)屏蔽罩(zhao)内與其(qi)他電路(lu)特别是(shi)數字電(dian)路隔離(li)🌈開來，防(fang)止了後(hou)級數字(zi)電路及(ji)其他空(kong)間電磁(ci)場的幹(gan)擾。傳感(gan)器及🆚其(qi)初級信(xin)号處理(li)電路的(de)結構圖(tu)♋如圖3所(suo)示。

　　屏蔽(bi)可以用(yong)控制電(dian)場或磁(ci)場從空(kong)間的一(yi)個或到(dao)另一個(ge)區或的(de)傳播，這(zhe)是克服(fu)電場耦(ou)合幹擾(rao)、磁場☀️耦(ou)合☂️幹擾(rao)以及電(dian)磁輻射(she)幹擾的(de)最有效(xiao)手段啊(a)。屏蔽的(de)目的是(shi)利用導(dao)電❓材料(liao)或🛀高導(dao)磁率材(cai)料來減(jian)㊙️小磁場(chang)、電場或(huo)電磁場(chang)的強度(du)。屏蔽可(ke)以應用(yong)于噪聲(sheng)源，通過(guo)用屏蔽(bi)材料把(ba)幹擾源(yuan)包圍起(qi)來以減(jian)弱♋幹擾(rao)磁場的(de)強度，屏(ping)蔽也可(ke)以應用(yong)于需要(yao)抑制噪(zao)聲的敏(min)感元件(jian)和檢測(ce)電☁️路,通(tong)過用屏(ping)蔽材料(liao)把敏感(gan)元件和(he)電路包(bao)圍起來(lai)以減弱(ruo)電路附(fu)近的場(chang)強。屏蔽(bi)的範圍(wei)可以是(shi)電纜、個(ge)别器件(jian)、部分電(dian)路或整(zheng)個電路(lu)系統。總(zong)之屏蔽(bi)對🧑🏽‍🤝‍🧑🏻于削(xue)弱或切(qie)斷電場(chang)、磁場與(yu)電磁輻(fu)射三種(zhong)幹擾耦(ou)合方式(shi)都是行(hang)之有效(xiao)的⁉️。
3樣機(ji)測試
　　根(gen)據.上述(shu)研究和(he)技改方(fang)案，制作(zuo)了DN150、DN200和DN250三(san)種大口(kou)徑各10台(tai)樣機，三(san)種樣機(ji)在50Hz、1.5g機械(xie)振動條(tiao)件下測(ce)試,輸出(chu)💰信号頻(pin)率爲零(ling),樣機在(zai)标⁉️準表(biao)法氣體(ti)流量标(biao)準裝🏒置(zhi)上用常(chang)溫常壓(ya)下空氣(qi)流量标(biao)定，量程(cheng)比達到(dao)20:1以上，1.0級(ji)精度😍合(he)格。其中(zhong)DN150口徑一(yi)台樣機(ji)的測🆚試(shi)數據如(ru)下表2,最(zui)小流速(su)測到了(le)2m/s,量💛程比(bi)擴展到(dao)30:1。

4結束語(yu).
　　機械振(zhen)動幹擾(rao)和電磁(ci)幹擾時(shi)對渦街(jie)流量計(ji)性能影(ying)響的主(zhu)要⛱️因素(su)，直接限(xian)制了量(liang)程下限(xian)，影響了(le)渦🚶街流(liu)量計在(zai)低流速(su)、小流量(liang)時的計(ji)量性能(neng)。通過從(cong)渦街信(xin)🥰号産生(sheng)的源頭(tou)✍️做起，研(yan)制了一(yi)種抗幹(gan)擾性能(neng)好的通(tong)用型渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)，以及對(dui)禍街信(xin)号第一(yi)級傳輸(shu)導線和(he)前置放(fang)大處理(li)電路等(deng)的可靠(kao)屏蔽保(bao)護改進(jin)措施的(de)兩項研(yan)究和實(shi)現，研制(zhi)💁的DN150口徑(jing)樣機在(zai)氣體流(liu)量标準(zhun)裝置上(shang)常溫常(chang)壓空氣(qi)标定量(liang)程範圍(wei)超過20:1,可(ke)🏃‍♀️測最大(da)流量達(da)到4100m3/h(60m/s),最小(xiao)流速已(yi)測到2m/s,實(shi)現了寬(kuan)量程性(xing)能;

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