摘(zhai)要:針對(duì)渦街流(liu)量計 抗(kàng)幹擾性(xìng)能差.量(liang)程窄的(de)問題，研(yan)制了一(yī)種抗幹(gan)擾性能(néng)優的通(tong)用渦街(jiē)流量傳(chuan)感器,從(cong)渦街信(xin)号的源(yuán)👉頭加以(yǐ)改進，提(ti)高了💃渦(wō)街信号(hào)的信噪(zao)比和靈(ling)敏度;并(bing)對渦街(jiē)流量🥵傳(chuán)感器輸(shu)出信号(hào)的過程(cheng)導線及(ji)初級信(xin)号處🌈理(lǐ)電路的(de)信号屏(píng)蔽和保(bǎo)護措施(shī)加以改(gǎi)🎯進;研制(zhì)的樣機(jī)經氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhi)等設備(bèi)測試🛀驗(yàn)證,不僅(jǐn)能抵抗(kang)1.5g以下的(de)機械振(zhèn)動幹擾(rao),而且實(shí)現了大(da)于20:1的寬(kuan)量程比(bǐ)性能。
0引(yin)言
　　渦街(jiē)流量計(jì)是20世紀(jì)70年代才(cái)發展起(qi)來的一(yi)種新型(xing)的流量(liàng)儀表，因(yīn)其有許(xu)多優點(dian)，吸引了(le)國内外(wai)衆多😘研(yán)究者和(he)企業🔱的(de)關注，目(mù)前已發(fa)展成爲(wèi)主流流(liu)量儀表(biao)之一，但(dan)因🈲起步(bù)晚、經驗(yàn)不🚶‍♀️足，目(mu)前🌈存在(zài)的主要(yao)問題是(shi)量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻程不(bú)寬(10:1左右(yòu))、抗幹擾(rao)✉️性能差(cha)等不足(zu)，因此對(dui)它的研(yan)究還在(zai)不斷地(dì)進行，研(yán)究者從(cóng)許多方(fang)面對其(qi)進行了(le)深人的(de)研究:①旋(xuan)渦發生(sheng)體的研(yán)究🛀🏻葉;②壓(ya)電傳感(gǎn)器探頭(tóu)位置的(de)研究一(yi)氣;③數字(zi)信号處(chu)理方法(fǎ)🌈的研究(jiu);，④渦街信(xin)号檢測(ce)方法的(de)研究121);⑤數(shu)值仿真(zhen)方法的(de)研究。
　　上(shàng)述研究(jiū)方向多(duo)是的發(fā)生體結(jie)構、傳感(gan)器安裝(zhuāng)位置或(huo)是在♍渦(wo)街電信(xin)号的處(chu)理後期(qi)階段的(de)方法研(yán)究，而對(dui)渦💜街電(dian)信号🍓産(chǎn)生的源(yuan)頭即渦(wo)街流量(liàng)傳感器(qi)本身🚩及(ji)其輸出(chū)原始信(xìn)号的保(bao)護方面(mian)研究很(hěn)少;渦街(jie)流量傳(chuan)感器是(shì)渦街流(liú)量計的(de)最核心(xin)部件，它(tā)的性能(neng)好壞🍓直(zhí)接決定(ding)了渦街(jie)流量計(jì)的性能(néng)，而在✍️此(ci)處的研(yán)究和方(fāng)法是有(yǒu)效提🧑🏾‍🤝‍🧑🏼升(shēng)抗幹擾(rǎo)性能擴(kuò)展量程(cheng)的關鍵(jiàn)點。
　　将工(gōng)作重點(diǎn)就放在(zai)這個關(guan)鍵點上(shàng),即在壓(ya)電傳感(gǎn)産🧑🏾‍🤝‍🧑🏼生信(xìn)号的源(yuán)頭在抗(kang)振動和(hé)屏蔽方(fāng)面加以(yi)改進，一(yī)種抗幹(gàn)擾性能(néng)好、輸出(chu)壓電信(xìn)号信噪(zao)比強的(de)壓電式(shi)通用渦(wo)街流量(liang)傳感器(qi)叫🔴(簡稱(chēng)壓電傳(chuan)感器),如(rú)何提高(gāo)傳感器(qi)原始信(xin)号及其(qi)☂️初級信(xin)号處理(li)電路💃的(de)信号屏(píng)蔽保護(hu)措施。
1渦(wō)街流量(liang)計工作(zuò)原理
　　如(rú)圖1所示(shì)，管道中(zhōng)垂直插(cha)人一個(gè)三角形(xíng)柱狀的(de)旋渦發(fā)生體💘，随(sui)着流體(ti)流動，當(dāng)管道雷(léi)諾數達(da)到一定(dìng)值時，在(zài)旋渦發(fa)生體兩(liang)側會交(jiao)替地産(chǎn)生有規(gui)則的旋(xuan)渦，這🔴種(zhǒng)旋渦🔆稱(chēng)爲卡門(men)渦街。

設(she)旋渦發(fā)生頻率(lü)爲f，旋渦(wo)發生體(tǐ)迎流面(mian)寬度爲(wèi)d,表體🚶‍♀️通(tong)🔞徑⚽爲🤩D,根(gēn)✂️據卡門(mén)渦街工(gong)作原理(li)，可知:
f=SrU/d(1)
　　式(shì)中:f爲旋(xuan)渦頻率(lü);Sr爲斯特(tè)勞哈爾(er)數;U爲旋(xuán)渦發生(sheng)體兩側(cè)平均流(liú)速;d爲旋(xuán)渦發生(sheng)體迎流(liu)面寬度(dù)。
　　流體産(chan)生的這(zhè)一漩渦(wo)周期性(xing)的脫落(luò)引起對(dui)三角柱(zhu)☂️和渦街(jie)傳感器(qi)探頭周(zhōu)期性的(de)作用力(li)。根據熱(rè)力⛱️學第(dì)一第二(er)定律和(he)庫塔儒(ru)科夫斯(si)基升力(li)定理01,設(she)作用在(zai)旋渦發(fa)生體上(shàng)的升力(lì)☀️爲FL有:

　　式(shi)中:CL爲升(shēng)力系數(shu);p爲流體(ti)密度;U爲(wei)流體流(liú)速;A爲特(te)征面積(jī)，即升力(lì)作用面(miàn)積。由于(yu)交替地(dì)作用在(zai)發生體(ti)上升力(li)的頻率(lǜ)💃🏻就是㊙️旋(xuan)渦的脫(tuō)落頻率(lü)，通過壓(ya)電傳感(gan)器的探(tàn)頭扁尾(wei)對FL升🌈力(lì)及其變(bian)化頻率(lü)的傳感(gǎn)和檢測(ce)，即可⛹🏻‍♀️得(dé)到f，再由(you)式
(1)可得(dé)流體的(de)流速和(he)體積流(liu)量。
　　從式(shi)(1)、(2)可以看(kan)出如何(he)提高渦(wō)街流量(liang)計的抗(kang)振動性(xìng)能和擴(kuo)展量程(chéng)比，關鍵(jiàn)看壓電(diàn)式渦街(jiē)傳感器(qì)的探頭(tóu)對🔆F升力(li)檢測☀️的(de)能力。是(shi)在改進(jin)壓電式(shi)渦街流(liu)量傳感(gan)器‼️及其(qi)相🌈關技(jì)術來提(tí)高傳感(gǎn)器的測(cè)量小流(liu)量的信(xìn)噪比和(hé)靈敏度(du)。
2拓展量(liàng)程的研(yán)究方案(an)和技改(gǎi)
2.1提高抗(kang)振動性(xing)能的研(yan)究和實(shí)現
　　由于(yú)流量計(jì)與管道(dào)法蘭式(shi)剛性連(lian)接，且流(liú)量計上(shang)壓電式(shì)渦‼️街流(liú)量傳感(gǎn)器探頭(tóu)也是與(yu)表體剛(gang)性連接(jiē)，管道的(de)振動會(hui)直接傳(chuan)導到壓(ya)電傳感(gǎn)器探頭(tou)上，産生(shēng)和流量(liàng)信号相(xiàng)同機理(li)的振動(dòng)幹😄擾信(xìn)号;另外(wài)🤞，振動也(yě)會導緻(zhi)壓電傳(chuan)感器的(de)導線、導(dǎo)線📐端子(zǐ)與電☔路(lu)連接觸(chù)電😘等部(bù)位的振(zhen)動，有可(kě)能通過(guò)某種機(ji)電傳感(gan)機理，轉(zhuan)👌換爲電(diàn)噪聲。所(suo)以研究(jiu)渦街傳(chuan)感器自(zì)身的結(jie)構,提升(sheng)自身抗(kàng)振動性(xing)能是提(ti)高渦街(jiē)流量計(jì)抗振動(dong)幹擾性(xing)能♍的有(yǒu)效方法(fa)。若等到(dao)振動幹(gan)擾☀️信号(hao)都疊加(jia)在流量(liàng)型号上(shang)了🌂，再去(qu)想盡各(gè)種辦法(fa)去剔除(chu)幹擾信(xìn)号☁️，即不(bu)經☁️濟，也(yě)不理想(xiang)。
　　爲此，采(cai)用了壓(ya)電傳感(gǎn)器與旋(xuán)渦發生(sheng)體(三角(jiao)柱)分離(lí)型的結(jie)構方案(àn)，即研制(zhì)了種小(xiao)尺寸懸(xuán)臂梁凹(āo)結構的(de)壓電式(shì)通用渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qi)(簡稱壓(yā)電傳感(gan)器),壓電(diàn)🤞傳感器(qì)結構如(ru)圖2所示(shì)，由安裝(zhuāng)㊙️法蘭盤(pan)、探頭扁(biǎn)尾、壓電(diàn)♻️元件、铠(kǎi)裝導線(xiàn)、密封👨‍❤️‍👨罩(zhào)、接線端(duan)子等組(zu)成👄。壓電(diàn)傳感器(qi)💔通過中(zhōng)部的安(an)裝法蘭(lan)盤與流(liú)量計殼(ké)體固定(dìng)，下部的(de)懸臂梁(liáng)置于旋(xuan)渦發生(sheng)體内的(de)💯孔洞中(zhong)，壓電傳(chuan)感器的(de)探頭扁(biǎn)🐉尾通過(guo)發生體(ti)兩側的(de)側♊孔獲(huò)取旋渦(wo)升力作(zuò)用。并傳(chuán)感出相(xiang)應的渦(wō)街流量(liang)信号。在(zai)懸臂梁(liang)内部，壓(yā)⚽電元件(jian)機械封(fēng)裝在探(tàn)💃頭内‼️空(kōng)腔中，空(kōng)餘空腔(qiang)則無其(qí)它填充(chong)物。壓電(dian)元件通(tong)過剛性(xìng)結構的(de)铠裝導(dao)線将信(xìn)🏃🏻号輸出(chu)到外部(bu)的接線(xian)端子上(shàng)，再通過(guo)接線端(duan)子将信(xìn)💔号輸出(chū)到外部(bù)信号🈲處(chu)理電路(lu)進行處(chù)理。當管(guan)道流體(tǐ)因漩渦(wō)發生體(tǐ)産生渦(wo)街後，伴(bàn)随👅産生(shēng)的交變(bian)升力F,作(zuo)用在懸(xuan)臂梁下(xià)部的探(tàn)頭扁尾(wěi)上，懸☔臂(bì)梁産生(sheng)📱變形并(bing)📧迫使内(nei)部的壓(ya)電元件(jiàn)也同步(bu)變形，從(cong)💋而産生(shēng)出與交(jiāo)變升力(li)對應的(de)電荷,通(tong)過後續(xu)的一系(xi)列信号(hao)處理電(dian)路，最終(zhōng)獲得流(liú)量信息(xi)。

提高抗(kàng)振動性(xìng)能的設(she)計方案(an)及其分(fèn)析:
(1)傳感(gan)器懸臂(bi)梁的探(tàn)頭部分(fèn)按現有(you)工藝和(hé)技術設(shè)計爲🌐較(jiao)小的外(wai)徑d和盡(jìn)量短的(de)長度L,并(bìng)且探頭(tóu)内空腔(qiang)采用抽(chōu)真空無(wu)填充物(wù)封裝結(jie)構，這樣(yàng)的結構(gou)保⛱️證了(le)該🔴探頭(tou)懸😍臂梁(liáng)的💃質量(liàng)最小，設(shè)其等效(xiào)重心爲(wèi)G點,質量(liang)爲mc質點(dian)至支🌈撐(chēng)點距離(li)爲L2管道(dao)振動加(jia)速度👈爲(wei)a,振動加(jia)速🌈度垂(chuí)直于探(tan)頭軸線(xian)方向的(de)分量爲(wei)α2,則管道(dào)振動幹(gan)擾對懸(xuán)臂梁的(de)彎矩Mc公(gōng)式爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由(yóu)公式(3)可(ke)知，由于(yú)懸臂梁(liang)質量的(de)客觀存(cun)在,所以(yǐ)振動産(chǎn)生的幹(gan)擾彎矩(jǔ)必然存(cún)在，但可(kě)以減小(xiao)懸臂梁(liang)⛹🏻‍♀️質量和(hé)等效重(zhong)心的力(li)臂♉L2長度(du)，在振動(dong)幹擾強(qiang)度不變(biàn)的情況(kuang)下，mc越輕(qīng),作用力(li)臂L2越小(xiǎo),振動幹(gan)擾産生(sheng)的彎矩(jǔ)Mc就越小(xiǎo)。
(2)如圖1所(suo)示，傳感(gǎn)器探頭(tóu)插人在(zai)發生體(ti)内的孔(kong)洞中，僅(jǐn)通過發(fā)生體兩(liǎng)側的導(dǎo)壓孔傳(chuan)導出旋(xuán)渦升力(li)作用于(yu)探頭扁(biǎn)尾，其他(tā)部位不(bú)受力;如(rú)圖2所示(shi)，設旋渦(wo)💚升力的(de)作用力(lì)臂爲L，旋(xuán)渦升力(lì)作用點(diǎn)🐆爲B,作用(yòng)力爲Fe1,此(cǐ)時傳感(gan)器僅B點(dian)受旋渦(wo)升力作(zuò)用，升力(lì)産生的(de)彎矩Mfea公(gōng)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由(you)公式(4)可(kě)知，此時(shí)的力臂(bi)L1最大，彎(wān)矩Mfel也最(zuì)大，此時(shí)壓電傳(chuán)感⭐器📞輸(shū)出的信(xìn)号也最(zui)強。
(3)傳感(gan)器内部(bù)信号導(dǎo)線采用(yòng)剛性結(jié)構的铠(kai)裝導線(xiàn)，該結構(gòu)可保證(zhèng)在機械(xie)振動傳(chuán)感器導(dao)線不彎(wan)曲和不(bú)抖✂️動，導(dǎo)線部分(fèn)所等效(xiao)的傳感(gǎn)器電容(rong)值也會(hui)固定不(bu)變，減少(shao)了因振(zhèn)動源引(yǐn)起的電(diàn)噪聲的(de)産生。
　　以(yǐ)上分析(xi)說明，該(gāi)壓電式(shì)渦街流(liu)量傳感(gan)器感應(ying)旋❤️渦升(shēng)力性能(néng)強，受管(guǎn)道振動(dòng)影響弱(ruò)。從根本(běn)上提高(gāo)💯了測✊量(liàng)小流量(liang)的靈敏(mǐn)度。
2.2提升(sheng)抗電磁(cí)幹擾性(xing)能的研(yán)究和實(shi)現
　　壓電(dian)式渦街(jiē)流量傳(chuán)感器在(zai)工作時(shi)輸出的(de)電荷信(xìn)号很弱(ruo)，電壓峰(fēng)峰爲毫(háo)伏級，并(bing)且工作(zuò)在非諧(xié)振狀态(tài)，極✍️易受(shòu)🏃‍♂️空間中(zhong)的電磁(cí)幹擾後(hou)衰減，所(suo)以傳感(gan)器的制(zhi)作既要(yao)保證它(ta)很高的(de)輸人阻(zǔ)抗，同時(shi)還需有(yǒu)良好的(de)屏蔽和(he)接地要(yào)求，以防(fang)止漏電(dian)流引起(qǐ)的電荷(he)信号衰(shuai)減和電(dian)磁幹擾(rao)進人電(dian)荷放大(dà)器的輸(shū)人端。爲(wei)此，研制(zhì)的這種(zhong)通用渦(wō)街🔆流量(liàng)傳感器(qi)及其信(xìn)号處理(li)電路采(cǎi)用了如(rú)下的屏(ping)蔽工藝(yi)等技術(shù)方法:
(1)傳(chuan)感器探(tan)頭體内(nèi)的元件(jian)封裝采(cǎi)用無任(ren)何填充(chong)料的結(jié)構🥵,并且(qie)采用高(gāo)溫加熱(re)和抽真(zhēn)空狀态(tai)下對傳(chuán)感器進(jin)行氩弧(hú)焊接封(fēng)裝，該傳(chuán)感器具(ju)有常溫(wēn)下104MΩ以上(shàng)絕緣💃阻(zǔ)抗和300℃高(gāo)溫下100MΩ絕(jué)緣阻抗(kang)。
(2)傳感器(qi)輸出導(dǎo)線采用(yòng)硬質純(chún)鎳質内(nèi)芯的金(jin)屬铠裝(zhuāng)線結構(gòu)，傳感器(qì)自身的(de)屏蔽效(xiào)果最好(hao);
(3)傳感器(qi)探頭内(nei)成安裝(zhuang)的對壓(ya)電元件(jian)采用差(cha)動信号(hào)👌輸出接(jie)線方式(shi)，并且其(qí)中一極(ji)與傳感(gan)器的金(jīn)屬外殼(ké)可靠接(jiē)地;
(4)傳感(gan)器末端(duān)導線接(jie)線端與(yǔ)電荷放(fang)大輸入(rù)電路連(lián)接部分(fen)也🈲全部(bù)采用剛(gang)性金屬(shǔ)屏蔽單(dān)防護工(gōng)藝;
(5)信号(hào)處理電(diàn)路中将(jiang)初級電(diàn)荷放大(dà)電路和(he)二二級(ji)放大濾(lü)波電路(lù)設計成(chéng)獨立的(de)電路模(mó)塊并且(qiě)也封閉(bì)安裝在(zài)一個金(jīn)屬屏蔽(bì)罩内與(yǔ)其他電(dian)路特别(bié)是數字(zi)電路隔(gé)離開來(lái)，防👉止了(le)後級數(shu)字電路(lu)及其他(ta)空間電(dian)磁場的(de)幹擾。傳(chuan)感器及(jí)其初級(jí)信号處(chu)理電🔴路(lu)的結構(gou)圖如圖(tú)3所示。

　　屏(ping)蔽可以(yǐ)用控制(zhì)電場或(huo)磁場從(cóng)空間的(de)一個或(huò)到另♈一(yi)個區或(huo)🔆的傳播(bō)，這是克(ke)服電場(chǎng)耦合幹(gàn)擾、磁場(chang)耦合⁉️幹(gan)擾以及(ji)電磁輻(fu)射幹擾(rao)的最有(you)效手段(duan)啊。屏蔽(bì)的目的(de)是利用(yong)導電材(cái)料或高(gāo)導磁率(lǜ)材料來(lái)減小磁(cí)場、電場(chǎng)或電磁(ci)場的強(qiáng)度。屏蔽(bì)可以應(yīng)用于噪(zào)聲源，通(tōng)過用屏(ping)蔽材料(liào)把幹擾(rǎo)源包圍(wéi)起來以(yǐ)減弱🏃‍♀️幹(gàn)擾磁場(chang)的強度(dù)，屏蔽也(yě)可以應(ying)用于需(xū)要抑制(zhi)噪聲的(de)敏感元(yuán)件和檢(jiǎn)測電路(lù),通過用(yong)屏蔽材(cai)料把敏(min)感🈲元件(jiàn)和電路(lu)包圍起(qǐ)來以減(jiǎn)弱電路(lu)附近的(de)場強。屏(ping)蔽的範(fàn)圍可以(yǐ)是電纜(lǎn)、個别⭕器(qi)件、部分(fen)電路🏃‍♀️或(huò)整個電(dian)路系統(tǒng)。總之屏(ping)蔽對于(yu)削弱或(huò)切斷♌電(diàn)場、磁場(chǎng)與電磁(ci)輻射三(sān)種幹擾(rǎo)耦合方(fang)式都是(shi)行之有(you)效的。
3樣(yang)機測試(shi)
　　根據.上(shàng)述研究(jiu)和技改(gai)方案，制(zhi)作了DN150、DN200和(he)DN250三種大(da)口徑各(ge)10台樣機(jī)，三🚩種樣(yang)機在50Hz、1.5g機(ji)械振動(dong)條件下(xià)測試,輸(shu)出信号(hao)🔞頻率爲(wei)零,樣機(jī)在标準(zhun)表法氣(qì)體流量(liang)标準裝(zhuāng)置上用(yòng)常溫常(cháng)壓下空(kōng)氣流量(liàng)标定，量(liang)程比達(da)到20:1以上(shang)，1.0級精度(du)合格。其(qi)中DN150口徑(jìng)一台樣(yang)機的測(cè)試數據(ju)如下表(biao)2,最小流(liu)速測到(dao)了2m/s,量💁程(cheng)比擴展(zhǎn)到⛷️30:1。

4結束(shu)語.
　　機械(xie)振動幹(gàn)擾和電(dian)磁幹擾(rǎo)時對渦(wō)街流量(liang)計性能(néng)影響的(de)🚶‍♀️主要⛹🏻‍♀️因(yin)素，直接(jie)限制了(le)量程下(xià)限，影響(xiǎng)了渦街(jie)流🧡量計(jì)在低流(liu)速、小流(liú)量時的(de)計量性(xing)能。通過(guò)從渦街(jiē)信号産(chǎn)生的源(yuan)頭做起(qi)，研制了(le)一種抗(kang)幹擾性(xing)能好的(de)通❄️用型(xíng)渦街流(liu)量傳感(gan)器，以及(jí)對禍街(jiē)信号第(di)一級傳(chuán)輸導線(xian)和前置(zhì)放大處(chù)理電路(lù)等的可(ke)靠🤩屏蔽(bì)保護改(gǎi)進措施(shi)的兩項(xiàng)研⛹🏻‍♀️究和(hé)實現，研(yan)制的DN150口(kǒu)徑樣機(ji)在氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhi)上常溫(wēn)常壓空(kōng)氣标定(dìng)量程範(fàn)圍超過(guo)20:1,可測最(zui)大流量(liàng)達到4100m3/h(60m/s),最(zuì)小流速(sù)已測到(dào)2m/s,實現了(le)寬量程(cheng)性能;

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