摘要:采(cǎi)用壓電晶體傳(chuan)感器利用卡門(men)渦街原理，一種(zhǒng)氣體流量計 的(de)結構，分别對氣(qì)體流量測量儀(yi)結構的各個部(bu)分進行了分析(xi)。并對壓電晶體(tǐ)産生的電荷信(xìn)号進行處理，分(fèn)析和設🌈計各個(ge)環節的電路。該(gāi)流量計所用檢(jian)測壓電元件不(bu)接觸氣體，适👨‍❤️‍👨于(yu)惡劣環境、不易(yi)結垢，耐高溫、高(gāo)壓、安全防爆，适(shi)用于測量封♋閉(bi)管道的氣體累(lei)計流量和瞬時(shí)流量。
1氣體流量(liang)的測量方法
國(guó)内儀表市場氣(qì)體流量計常見(jiàn)的主要是以下(xià)幾類：
（1）差壓式流(liu)量計
　　差壓式流(liú)量計 是以伯努(nu)利方程和流體(ti)連續性方程爲(wei)依據，根據節流(liu)原理，當流體流(liú)經節流件時(如(ru)标準孔闆、标準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴(zuǐ)、經典文丘利嘴(zui)、文丘利噴嘴等(děng))，在其前後産生(shēng)壓差⭕，此差壓值(zhí)與該流量的平(píng)方成正比🈲。隻要(yào)能把節流機構(gòu)前後的壓差p1-p2取(qǔ)出來，就可以測(cè)出流量。
（2）渦輪流(liu)量計
　　渦輪流量(liàng)計 是比較正确(què)的一種流量檢(jian)測裝置。當流體(ti)流經渦輪流量(liàng)傳🌂感器時，在流(liú)體推力作用下(xia)渦輪受力旋轉(zhuan)，其轉速與管道(dao)平均流速成正(zheng)比，渦輪流量計(ji)的✨理論流量方(fāng)程爲

　　式中，nT爲渦(wō)輪轉速；qv爲體積(jī)流量；A爲流體物(wu)性(密度、粘度等(deng))，渦輪結☀️構參數(shu)(渦輪傾角、渦輪(lún)直徑、流道截面(mian)積等)有關的參(can)數；B爲♋與渦輪頂(dǐng)隙、流體流速分(fen)布有關的系數(shù)；C爲與摩擦力矩(ju)有關的系數♍。
（3）渦(wō)街流量計
　　渦街(jiē)流量計 主要用(yong)于工業管道介(jie)質流體的流量(liàng)測量，如氣體、液(ye)體、蒸氣等🐕多種(zhong)介質。其特點是(shì)壓力損失小，量(liang)程範圍大，精度(du)高，在測量工況(kuang)體積流量時幾(jǐ)乎不受流體密(mi)度、壓力、溫度、粘(zhān)度等參數的影(ying)響。無可動機械(xiè)零件，因此可靠(kao)性高，維護量小(xiao)，儀表參數能長(zhǎng)期穩定。渦街流(liú)🈲量計流量方程(chéng)可用下式表示(shi)

　　式中，f爲旋渦的(de)釋放頻率；v爲流(liu)過旋渦發生體(tǐ)的流體平均💘速(sù)度；d爲旋渦發生(shēng)體特征寬度；St爲(wei)斯特羅哈數，無(wu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量綱，它的數值(zhí)範圍爲0.14－0.27。
（4）超聲波(bō)流量計
　　超聲波(bo)流量計 由超聲(sheng)波換能器、信号(hào)處理電路、單片(pian)機控制系統3部(bu)分組🤞成。在有氣(qì)體流動的管道(dao)中，超聲脈沖順(shùn)流🥰傳播的速🏃‍♂️度(dù)要比逆🎯流時快(kuài)。流過管道的氣(qì)體速度越快，超(chāo)聲順流和逆流(liú)💘傳播的時間差(chà)越大。分爲時👌差(cha)式(測量順流和(hé)逆流傳播的時(shi)間差)、相差式(測(cè)量順流和逆流(liú)傳播的相位差(cha))、頻差式(測量順(shùn)流和逆🌈流傳播(bō)的循環頻率差(chà))、多普勒超聲波(bo)流量計🌏(以物理(li)學中的多普勒(lè)效應爲工作原(yuán)理，适合于對兩(liang)相流的測量)。
（5）容(róng)積式流量計
　　容(rong)積式流量計又(yòu)稱排量流量計(jì)(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱PD流量計或(huo)PDF，在流量儀表☔中(zhong)是精度最高的(de)一類。它利用機(ji)械測量元件把(ba)流體連續不斷(duàn)地分割成單個(ge)已知的體積🔞部(bu)分，根㊙️據計量室(shì)逐次、重複地充(chong)滿和💃排放該體(ti)積部分流體的(de)次數來✨測量流(liu)量體積總量。容(róng)積式流量計的(de)理論流量計算(suàn)公式

　　式中，q爲工(gōng)況下的體積流(liú)量，m3/s；n爲旋轉體的(de)流速，周/s；V爲旋轉(zhuǎn)體每🌈轉一周所(suo)排流體的體積(ji)，m3/周。
　　采用渦街流(liú)量計測量高溫(wen)氣體的流量，下(xià)面通過分析氣(qi)體流量傳感器(qi)測量氣體的原(yuán)理，設計其結🐪構(gou)部分，采用雙壓(yā)電晶體✉️作爲傳(chuan)感技術，測量其(qí)頻率信号。
2渦街(jie)流量計工作原(yuán)理與結構設計(jì)
2.1工作原理
　　渦街(jie)流量計是利用(yong)流體力學中卡(ka)門渦街原理制(zhì)作的一種儀表(biao)，如圖1所示。

　　把一個非(fēi)線性對稱形狀(zhuàng)的物體（如圓柱(zhu)體、三角柱體、矩(ju)形柱體、六面柱(zhu)體等，以下簡稱(chēng)漩渦發生體）垂(chui)直插在管道中(zhong)，流體繞過漩渦(wo)發生體時，出現(xiàn)了附㊙️面層分離(li)，在漩渦發生體(tǐ)左右兩側的後(hou)方會産生漩渦(wō)，形成渦列。
　　由于(yú)漩渦之間相互(hu)影響，漩渦列一(yī)般是不穩定的(de)🌈，但卡門從理論(lun)上證明了當兩(liǎng)漩渦列之間的(de)距離h與同列的(de)2個漩渦之間的(de)距離L滿足公式(shì)h/L=0.281時，非對稱的漩(xuán)渦🔞列就能保持(chí)穩定。此時漩渦(wō)的頻率f與流體(ti)的流速及漩渦(wo)發生體的寬度(dù)d有下述關系

式(shi)中
v1———柱體兩側處(chù)的流速(m/s)；
d———柱體迎(yíng)流面最大寬度(dù)(m)；
Sr———無量綱數，在柱(zhù)體形狀确定後(hòu)，在一定的雷諾(nuò)數範圍内爲常(cháng)⛱️數，稱爲斯特勞(lao)哈爾(Strouhal)數。
根據流(liú)動的連續性，可(kě)知

式中
S1———柱體兩(liǎng)側流通面積(m2)；
S———管(guǎn)道整個流通面(mian)積(m2)；
v———管道内流體(tǐ)的平均流速(m/s)。
設(she)流通面積比爲(wèi)n（當d/D<0.35時，可認爲n=1-1.25d/D），則(ze)

2.2結構設計
　　氣體(tǐ)流量計由傳感(gan)器和轉換器2部(bu)分組成，如圖2所(suǒ)示。

　　圖中(zhong)傳感器包括旋(xuán)渦發生體(阻流(liu)體)、檢測元件、儀(yi)表表💋體等；轉換(huan)器包括前置放(fang)大器、濾波整形(xing)電路、D/A轉換電路(lu)、輸出接口電路(lu)、端子、支架和防(fáng)護罩等。旋👉渦發(fā)生體是檢測器(qì)的🙇🏻主要部件，它(tā)與儀表的流量(liang)特性(儀表系數(shù)、線性度、範圍度(dù)🤩等)和阻力特性(xing)(壓力💁損失)密切(qiē)相關，應選用優(yōu)良的材料，并使(shi)之具有良好的(de)機械性🥵能☁️和抗(kang)腐蝕性能🔴。
　　氣體(ti)流量計采用壓(ya)電元件作爲檢(jian)測元件。采用第(di)一種檢測🐪方式(shi)。檢測元件密封(fēng)安裝在發生體(ti)内部，不接觸被(bei)測氣體。
3壓電晶(jīng)體測量原理
3.1壓(ya)電傳感器的結(jié)構形式
　　在壓電(diàn)傳感器中，常采(cǎi)用2片或2片以上(shàng)的壓電材料組(zǔ)合🙇‍♀️一起使用的(de)2種不同結構形(xíng)式。一是2片壓電(diàn)片負極都集中(zhong)于🔞中間電極💁上(shàng)，而正極分别在(zài)上下2面電極上(shàng)的并聯連接形(xíng)♊式。此時，輸出電(diàn)⚽容Ca'=nCa（n爲并聯壓☎️電(diàn)材料片數，Ca爲單(dan)片電容）；輸出電(dian)壓Ua'=nUa（Ua爲單片的電(dian)壓☔）；輸出電荷Q'=nQ（Q爲(wei)✨單片電荷）；二是(shi)各單片壓電元(yuan)件正負極性順(shùn)序相連接的串(chuan)聯連接方式。此(ci)時，輸出電荷☀️Q'=Q（Q爲(wei)單片電荷）；輸出(chu)電壓U'a=nUa(Ua爲各片的(de)電壓)；輸出電容(róng)C'=Ca/n（Ca爲單片電容）。顯(xian)然，并聯✍️接法的(de)輸出電荷量🚩大(da)，本身的電容也(yě)大。因此，其時間(jiān)✍️常數大（τ=CaR），适宜于(yú)測量緩慢變化(hua)的信号，并且還(hai)🍉适用于以電荷(he)爲輸出量的場(chǎng)合。
3.2壓電傳感器(qi)的測量電路
　　由(yóu)于壓電傳感器(qì)的内阻抗很高(gao)、輸出電信号很(hen)弱，一般需将✉️電(diàn)信号經高輸入(rù)阻抗的前置放(fang)大器放大再進(jin)行傳輸、處理和(he)測量。前置放大(da)器的主要作用(yong)是将💘壓電信号(hào)經過前置放大(dà)器的阻抗變換(huàn)成低阻抗輸出(chū)，也起到放大弱(ruò)信号的作用㊙️。壓(yā)電傳感器的輸(shū)出信号經過前(qián)置放大器的阻(zǔ)抗變換和放🈚大(da)後，就可以采用(yong)一般的放大、檢(jiǎn)波指示或通過(guò)功率放大至❤️紀(ji)錄和數據處理(li)設備。
　　按照壓電(dian)式傳感器的工(gōng)作原理及其等(děng)效電路，傳感器(qì)可📞堪稱電壓發(fā)生器，也可以看(kan)作是電荷發生(sheng)器。因此前置放(fang)大器也有2種形(xíng)式：一種是電壓(yā)放大器，一般稱(cheng)作阻🏃🏻抗變換器(qì)，其輸💚出電壓與(yu)輸入電壓成比(bǐ)例；另一種是電(dian)荷放大器，其輸(shū)出電壓與輸入(ru)電荷成比例🐉。
4結(jie)語
　　當前國内外(wai)幾種流量計應(ying)用的基礎上，采(cai)取渦街流量計(jì)測量流量的原(yuan)理測量高溫氣(qi)體的流量。針對(duì)壓電傳感器☎️進(jìn)行分析🐇，利用壓(yā)電晶體進行測(ce)量的原理，并對(duì)其壓電傳🥵感器(qi)的結構形🍓式進(jin)行分析。

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