摘要: 渦街(jiē)流量計 具有儀(yí)表系數與介質(zhì)無關的特性,可(kě)以使用常溫水(shuǐ)介質下的标定(dìng)公式,正确測量(liàng)氫/氧火箭發動(dong)機試驗🈲中的流(liú)量☁️參數。研究了(le)低溫渦街流量(liàng)計 的關鍵技術(shù)，包括:低溫壓電(dian)陶瓷材料特性(xing)、低溫渦🍓街🐕信号(hào)檢🐪測、低溫渦街(jiē)信号調理技術(shù)以及低溫渦街(jie)信🌐号的DSP技術。最(zuì)後推出🔴低溫渦(wo)街流量計樣機(jī),對樣機進行了(le)常溫水介質的(de)标🌏定，綜合精度(dù)達到0.5級。在某型(xíng)号🆚氫/氧火箭發(fa)動機試驗系統(tǒng)上,以分節式✉️液(ye)面計爲标準，對(duì)低溫渦街流量(liàng)計樣機進行了(le)液⛱️氮介質的比(bi)對試驗,其偏差(cha)爲0.65%,精度優于 渦(wō)輪流量計 。
引言(yan)
　　 在目前的氫/氧(yang)火箭發動機和(he)液氧/煤油火箭(jiàn)發動機試驗👌系(xi)統中,低溫推進(jin)劑的流量測量(liàng)主要采用渦輪(lun)流量計測量瞬(shùn)❌時流量,用分節(jiē)式電容液面計(jì)測量穩♍态流量(liàng)✊。然而，渦輪流量(liang)🔅計用水進行标(biāo)定在📱液氫、液氧(yǎng)下使用時誤差(cha)較大,分節式電(diàn)容液面計❄️無法(fǎ)測量瞬時流量(liang)且成本昂貴。因(yin)此,随着航天技(ji)㊙️術的發展,特🐆别(bie)是大推力氫氧(yǎng)(液氧/煤油)火箭(jiàn)發動機的發展(zhan)🌈,必.須尋找一種(zhǒng)儀表系數與介(jie)質無關、成本低(di)、精度高的瞬時(shí)🤟低溫流量測量(liàng)裝置,而渦街流(liu)🔱量計正是理想(xiǎng)的選擇。
　　根據渦(wo)街流量計的工(gong)作原理,在一定(ding)雷諾數範圍内(nei),其輸㊙️出的頻率(lü)信号不受比如(ru)流體組分,密度(dù)、壓力、溫度的🐅影(ying)響🐪”，即儀💰其表🙇‍♀️系(xì)數隻與漩渦發(fa)生體及管道的(de)幾何尺寸有關(guān)。因此,隻🈲需在一(yi)種典型介質中(zhōng)标定即可适用(yòng)于各種介質,即(ji)當用于低溫測(ce)量㊙️時,不進行低(di)溫介質标定🔱而(er)用常溫水标定(dìng)即可達到一-定(ding)的精度。
　　目前,常(chang)溫下的渦街流(liú)量計技術已相(xiàng)當成熟,形成了(le)系列産品,用于(yú)各種工業領域(yu)。國内外都有相(xiang)當數量的公司(si)生産此類産品(pin)。但用于低溫特(tè)别是超低溫流(liú)體測量的渦街(jie)流量計國内尚(shang)無産品和文獻(xiàn)報導,國外已開(kai)展研究并有少(shao)量文獻報導,還(hai)沒有成熟的産(chǎn)🔴品推向市場。
　　通(tong)過理論分析和(hé)試驗研究表明(míng),超低溫下渦街(jie)流💋量計的🌈難點(diǎn)在于信号檢測(cè)器靈敏度低,信(xin)噪弱。通過對壓(ya)電材料低溫特(tè)性、檢測器結構(gòu)優化、弱信号提(ti)取等♌技術的研(yan)究，用于超低🤩溫(wen)流體測量的精(jing)度高渦街流🌏量(liang)測量裝置樣機(jī),爲運載火箭發(fa)動機地👅面試驗(yan)低溫流量測量(liàng)提供性能好、可(kě)靠性高、而又價(jià)格便宜的🧑🏽‍🤝‍🧑🏻測量(liàng)手段。
2渦街流量(liàng)計的結構和工(gong)作原理
　　一般的(de)渦街流量計由(you)流量計殼體、漩(xuan)渦發生體、信号(hao)檢💜測器♉、信号變(biàn)換器和二次儀(yí)表組成,如圖1所(suo)示。
 
　　漩渦(wo)發生體用于産(chan)生穩定的漩渦(wo),一般采用三角(jiao)🌏柱體,因爲🔴三角(jiao)柱漩渦發生體(tǐ)是一種綜合性(xìng)能比較優良的(de)🈲旋渦發生體,均(jun)勻而嚴密的分(fèn)離機制,減小了(le)流.體的其🌏他擾(rǎo)動和噪聲🐅,使渦(wo)街😍信号既強烈(liè)💞又穩定,便于檢(jiǎn)測,合理設計尺(chi)寸可以得到高(gāo)穩定性的渦街(jiē)和量程比。正是(shì)這個原因,三角(jiǎo)柱漩渦發生體(tǐ)是目前應用最(zui)廣泛的漩渦發(fa)生體形狀。信号(hao)檢測器放在漩(xuán)渦🛀🏻發生體🌈後檢(jian)測漩渦發生體(tǐ)尾流✂️中的漩渦(wo)頻率。
　　渦街流量(liàng)計流量信号檢(jiǎn)測流程是:流量(liàng)-→漩渦頻率→檢測(ce)杆交🔴變升力-+壓(ya)電陶瓷應力→交(jiāo)變電荷→電荷放(fàng)大器→濾波整形(xíng)→TTL方波→測頻🏃🏻‍♂️→顯示(shi)輸出流量。
3壓電(diàn)陶瓷的材料研(yán)究
　　壓電陶瓷作(zuò)爲渦街流量計(jì)的關鍵敏感元(yuan)件,其低溫特性(xìng)直接🈲影響到流(liu)量計的性能，因(yīn)此必須研究和(hé)選擇低溫下工(gōng)作穩定⛱️、靈敏度(du)高的材料。
　　随着(zhe)溫度的降低,壓(ya)電材料的性能(neng)特性會發生一(yi)定的變👌化,并且(qie)由于制造方法(fǎ)和化學成分的(de)不同,不同材料(liào)性能随溫度的(de)改變也是不同(tong)的。根據國外資(zi)料,對PZT-4、PZT-5.和PZT-8這幾種(zhǒng)材✌️料的低溫性(xing)能參數進行分(fèn)析,初步确定它(tā)們在低溫下能(neng)夠使用,但實際(ji)情況♋下信号的(de)強度和測量的(de)🈲靈敏度還需通(tong)過具體的試驗(yàn)來确定。
　　壓電陶(táo)瓷國内沒有低(di)溫産品,而且相(xiang)關科研機構也(yě)沒⛹🏻‍♀️有進行過相(xiang)關研究,國外有(you)低溫産品和相(xiang)關實驗資料🈲,但(dàn)價格昂貴,一般(ban)購買不到。與中(zhōng)科院矽酸鹽研(yán)究所合作,專門(men)配制了🛀🏻4種材料(liào)的壓電陶瓷💞,分(fèn)别是:
 
　　以上4種壓(yā)電陶瓷經過幾(jǐ)十次的“常溫→液(ye)氮→常溫"的反複(fú)升降溫試驗後(hòu)發現壓電陶瓷(ci)的機械強度沒(mei)有太大的變化(hua),PZN的電容值🈲變化(huà)較大(6:1),NB8的電容值(zhi)變化較大(3:1),其它(tā)2種電容變化較(jiao)小(2:1)。說明以上壓(yā)電陶瓷均可在(zai)低溫👅下使用,機(ji)械強度和🌍絕緣(yuán)性能沒有明顯(xian)🈲變化,但通過表(biǎo)面電容的比較(jiào)認爲LBNN和PMS-5兩種較(jiào)好比較穩定。
4低(dī)溫渦街信号檢(jiǎn)測技術研究
4.1低(dī)溫信号檢測器(qì)的傳熱學設計(ji)[4)
　　低溫信号檢測(cè)器設計時,一方(fang)面需要考慮其(qi)對低溫介🧑🏽‍🤝‍🧑🏻質的(de)引人熱量,不能(neng)引起低溫介質(zhì)的顯著氣化,從(cóng)而影響漩渦的(de)穩定性和低溫(wen)推進劑的品質(zhi),造成無法測量(liàng)或無法🔴試驗;另(ling)一方面應盡量(liang)使壓電陶瓷處(chu)的溫度不要太(tài)低,從而降低對(dui)壓電陶瓷性能(neng)的要求和提高(gāo)壓電💃陶瓷的使(shǐ)用壽命。
　　在設計(jì)時通過絕熱套(tào)筒減少熱量引(yin)人,通過加長🐉杆(gan)✏️使壓💋電陶瓷處(chù)溫度達到較爲(wei)理想。通過傳熱(re)計算進行了參(can)數優化。傳熱計(ji)算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫(xiě),用于估🥵算檢測(cè)杆溫度分布。
　　基(jī)本方程采用二(er)維穩态熱傳導(dao)方程:
 
　　數值計算(suàn)中采用控制容(rong)積離散化方程(cheng),即認爲在❄️一個(gè)🧡小🌐的控❓制容積(jī)中,進出的淨熱(re)流量爲零。
　　該問(wen)題屬于第三類(lei)邊界條件,即給(gei)定周圍流體的(de)溫度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和♌換熱🐆系(xì)數。以流體和檢(jiǎn)測杆接觸面爲(wèi)例，如圖2,圖中:P、S、E、N爲(wei)網格點;T爲流體(ti)溫度,K。
 
　　控制體的(de)方向符合常規(gui)X軸、Y軸和Z軸定義(yì)。
　　式中:k爲控制容(rong)積間界面上的(de)當量導熱系數(shu),W/(m.K);△y爲一個單🍓元控(kòng)㊙️制體Y方向的長(zhang)度，mm;△x爲一個單元(yuan)控制體X方向的(de)長度,mm;1爲Z方向的(de)長度,mm。
　　qn、、qs則有差别(bié),因爲其控制容(róng)積側面積變爲(wei)内點的一半㊙️,即(ji):
 
　　式(6)就是檢測杆(gǎn)溫度分布計算(suàn)中第三類邊界(jie)條件在流體與(yǔ)杆⛱️端面接觸處(chù)的具體應用。
　　程(chéng)序中的數值計(ji)算方法主要采(cai)用了ADI方法。ADI方法(fǎ)就是分别🐇沿軸(zhóu)向和徑向這兩(liang)個方向對整個(ge)溫度場做--次TDMA求(qiu)解。TDMA即三對角矩(ju)陣算法,在溫度(du)場計算中用它(ta)來求解一維離(lí)散化方程。以上(shang)方法均是數值(zhi)傳🛀🏻熱學中常用(yong)的方法,在此不(bú)再詳細說明🍉。
　　設(she)計了6個檢測器(qi)的結構方案,對(duì)其進行傳熱學(xue)計♌算,結果見表(biao)2。
 
　　從計算結果看(kàn),方案1.2.5可以爲壓(ya)電陶瓷提供較(jiao)好的工作🔞溫度(du)。
　　此外,在不采用(yong)絕熱措施的情(qíng)況下估算的由(yóu)檢測杆進入流(liú)體中的熱流量(liang)小于100W,而液氫的(de)燕發潛熱約爲(wei)453.6J/g,顯然,由檢測杆(gǎn)進人流體中的(de)熱量相對于液(ye)氫的蒸發潛熱(rè)非常小，故這部(bù)分熱量不會造(zao)成液氫的大量(liang)氣化,因此不需(xu)要采用抽真空(kong)絕熱,可以‼️考慮(lü)設計絕🈚熱套簡(jiǎn),以便更有效的(de)阻止熱量的流(liú)人。
4.2低溫信号檢(jian)測器的動力學(xue)設計
4.2.1漩渦發生(sheng)體産生的漩渦(wō)升力估算
　　據流(liú)體力學知識:環(huán)流引起的流體(ti)對柱體的升力(lì)㊙️L可✨表示爲:
 
　　式中(zhōng)ρ爲流體密度,kg/m³;u爲(wèi)來流的速度,m/s;r爲(wei)環量,m2/s;d爲漩渦發(fā)生♻️體迎面寬度(du),mm;D爲表體通徑,mm;b爲(wei)漩渦發生體縱(zòng)向尺寸,mm;CD爲阻力(li)系數,CL爲橫向升(sheng)力力系數。
　　ITOH&S.OHKI通過(guò)大量實驗,給出(chū)了3種截面形狀(zhuang)(梯形、矩形、三角(jiao)形📱)的發生體💰在(zai)不同Re數下的CL值(zhí),梯形(就是習慣(guàn)上所稱的三角(jiǎo)柱)的CL≈
2.3,基本爲一(yi)常量。
4.2.2信号檢測(ce)器的受力計算(suan)
　　本研究的檢測(cè)杆置于漩渦發(fā)生體下遊一定(dìng)距離的位置,其(qi)上端與流動管(guǎn)道固定,下端爲(wei)自由端,因而在(zai)受力❄️分析時,可(kě)以将系統簡化(huà)爲懸臂梁。如圖(tú)3所示。
 
　　通過柱體(tǐ)的受力分析,可(kě)知柱體上受到(dao)的大多數都不(bú)是集🏃‍♀️中力而是(shi)局部分布力，下(xià)面就以這種情(qíng)況來進行受力(li)🌍分析。
　　取x1、x2爲坐标(biao),凡使微段沿順(shun)時針方向轉動(dong)的剪力爲正,使(shǐ)微段彎曲成凹(ao)形的彎矩爲正(zheng),由材料力學的(de)知識📐可以♍算得(dé)(如圖3b所示):
 
 
　　式中(zhōng):d31爲極化方向與(yu)外力方向垂直(zhi)的壓電系數。
　　對(dui)6個設計方案的(de)計算結果見表(biǎo)3。
 
　　從計算結果可(ke)以看出,方案2.3.5的(de)電荷輸出最大(da),結合傳🐇熱學計(jì)算結果,方案2.5較(jiao)爲理想。從結構(gòu)上看,方案5比方(fang)案2結構簡單,易(yi)于加🌈工,因此最(zui)終确定了檢測(cè)器的設計方案(an)爲方案🌈5。方案5特(te)點爲:(1)采用加長(zhǎng)杆設計;(2)不采用(yòng)⁉️抽真空絕熱,但(dàn)增加絕熱套簡(jiǎn)🔞;(3)對加長檢📞測杆(gǎn)結構的固有頻(pín)率進行估算,在(zài)500Hz以上，而渦街頻(pín)😍率則在40-100Hz這個範(fàn)圍内,判斷不會(hui)發生共振問題(tí)💋。
5低溫渦街信号(hao)調理技術研究(jiū)
　　由于壓電式信(xìn)号檢測器輸出(chū)電荷量的大小(xiao)與流體流速近(jin)似🐇成平方關系(xì)變化，因此輸出(chu)電壓信号的幅(fú)值變化範圍也(ye)相當大[5],此外,要(yào)求研制的渦街(jie)流量計既能用(yong)于試車的極低(di)溫環境,又能用(yòng)于水介質标定(dìng)🌈的常溫環境,而(er)渦街流量計檢(jian)測探頭在⛷️極低(dī)溫下的輸出信(xin)号是常溫下的(de)1/5以下,因此要求(qiú)✌️變送器的信号(hao)調理部分要能(neng)🚩夠适應大範圍(wei)的信号幅值變(biàn)化。在火箭發動(dong)‼️機試車現場存(cun)在各種強振動(dong)的幹擾,信噪比(bǐ)極差,因此還要(yào)求其濾波電路(lù)是銳截止的窄(zhai)帶濾波器。目前(qian)流行的渦街流(liú)量計👈信号調理(li)電路無法滿足(zú)要求。研制過程(cheng)中,通過各種.方(fāng)案的比較和多(duo)次實驗改進,最(zuì)後确定在研制(zhi)的信号調理電(diàn)路中應用ALC自動(dòng)電🤞平控制技術(shù)和高性能窄帶(dài)濾波技術。與YDN80-1樣(yàng)品連接,在流量(liang)🐆塔進行現🍓場調(diào)試,比較試驗證(zheng)🔅明,其性能優于(yu)國内其他型号(hào)🐆渦街流量計。輸(shu)人信号在8m-2000mV有效(xiào)值範圍内的情(qing)況下,該電路輸(shū)出信号基本穩(wen)定在6000mV上。
6低溫渦(wo)街信号的DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shu)
6.1低溫渦街流量(liang)計噪聲分析
　　管(guǎn)道内介質流動(dong)紊流、脈動、流場(chǎng)的不穩定及不(bú)均✊勻性對旋渦(wo)發生體施加不(bú)規則的附加作(zuò)用力。附.加作☎️用(yòng)力㊙️引起的噪聲(sheng)的♻️幅度.頻率均(jun1)不規則，帶有很(hen)大的随機性。其(qí)結果相當于💯在(zài)渦街頻率信号(hào)中疊加了一個(gè)随機噪聲。當噪(zào)聲頻率落人工(gong)作頻段🥵時,其影(ying)響難以消除。
　　有(yǒu)些動力源，如水(shui)泵、風機、壓縮機(ji)等工作時都會(huì)引起管💁道振動(dòng)🐅。若管道安裝不(bu)當,流體流動時(shi)管道有時會自(zi)振。這些振動傳(chuan)遞到傳感器上(shang)可造成漩渦發(fa)生體上産生附(fu)加的慣性應力(lì),形成⛹🏻‍♀️振動噪聲(sheng)。這些振動往往(wǎng)持續時間長或(huo)強度大,對渦🌈街(jiē)流量計的影響(xiǎng)大。
　　壓電晶體輸(shu)出的電荷信号(hao)很弱.容易引人(ren)電磁串模或共(gong)模🎯幹擾。
　　除上述(shu)外界産生的噪(zao)聲外,渦街本身(shen)還會産生低🛀🏻頻(pín)擺動和🚶信号衰(shuai)減,如圖5所示。
 
　　綜(zōng)上所述,渦街傳(chuán)感器輸出信号(hao)可由下式表示(shì):
y(t)=S(t)+n(t)
　　其中S(t)渦街頻率(lǜ)信号,n(t)爲随機幹(gan)擾信号,由于其(qí)成分複雜,頻譜(pu)寬🌈廣，處理是可(ke)假定爲零均值(zhí)的高斯分布。圖(tu)6是微機采集到(dào)的經💔模拟濾波(bō)電路處理後的(de)渦街傳😍感器信(xìn)😄号。由圖看出,用(yong)普通的模拟濾(lü)波和整形電路(lù)很難提取準确(que)可靠穩定的流(liú)量信号。

 
6.2DSP算法研(yan)究
　　深人分析發(fā)現渦街傳感器(qi)輸出信号中的(de)噪聲信号n(1)爲随(sui)🏃🏻‍♂️機幹擾信号,處(chù)理時高于流量(liang)計量程範圍的(de)頻率成🌐分,可以(yi)通過前置模拟(nǐ)低通濾波電路(lù)加以消除,效果(guǒ)很好。但n(t)中處于(yu)量程範圍内的(de)頻率成分不可(kě)能通過模拟濾(lü)波器或常規數(shù)字濾波器(如窄(zhai)帶濾波器)加以(yi)消除。
　　解決這個(ge)問題的途徑有(yǒu)兩條:-是改進漩(xuan)渦發生體和信(xin)号檢測器,也就(jiù)是改進傳感器(qì),使其輸出信号(hào)的信噪比㊙️盡可(ke)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻能高;二是采用(yòng)數字信号處理(li)方法,将渦街頻(pín)率信号從有噪(zào)聲的傳感器輸(shū)出信号中提取(qǔ)出來。
　　之前的研(yan)究基本上集中(zhong)在第一條途徑(jìng)上,取得了💋一定(ding)效🏃果,但這畢竟(jìng)是局部的,沒有(yǒu)完全解決問題(tí),傳感🈲器輸出信(xìn)号依然不可避(bì)免地帶有大量(liang)噪聲✉️，在有幹擾(rao)的環境下,渦街(jiē)流量計仍然工(gong)作不穩定,因此(cǐ)必須🐕研究第二(èr)條途徑,目前數(shu)字信号的處理(lǐ)方法歸納起來(lái)主要包括:小波(bo)變換、自适應陷(xiàn)波濾😍波和頻譜(pu)分📧析方法。
　　小波(bo)變換可以看成(chéng)是一.組帶通濾(lü)波器,在低頻段(duan)♈有很高的分辨(bian)率,而在高頻段(duan)分辨率低，其實(shi)時性和功耗也(yě)都存🈲在一定的(de)缺陷。自适應陷(xiàn)波針對不同頻(pin)率的信号建立(li)不同參數的模(mó)型🥵,在非整周期(qī)采樣、諧波和噪(zao)聲幹擾情況下(xia)頻率測量都能(neng)達到🚶很好的精(jīng)度，但是如果流(liu)量信号發生突(tū)變，而采樣🙇‍♀️頻率(lü)沒有及時☂️跟蹤(zong),就會造成較大(dà)的測量誤差。譜(pǔ)分析方法是近(jin)年來的研究熱(rè)點之一,經典譜(pǔ)分析🈚算法對屬(shǔ)于正态分布的(de)噪聲有很好的(de)❓抑制作用,而且(qie)易于編程實現(xiàn),但是在非整數(shu)周期采樣時誤(wù)差比較大,需要(yao)更多的計算和(he)操作來進行頻(pín)譜校正。而現代(dài)譜💘分析方法，也(yě)就是最大熵譜(pu)分析法更适合(he)處理短序列的(de)譜分析，對噪聲(sheng)的抑制能力更(gèng)強,精度也更高(gāo)[6]。
　　本研究采用了(le)現代功率譜估(gū)計中的最大熵(shang)譜估計法提取(qu)噪🈲聲中的渦街(jiē)頻率。對設計的(de)算法進行計算(suan)機仿真計算,結(jie)果如圖7所示。
 
　　由(yóu)計算結果可以(yi)看出,當信噪比(bǐ)爲1:0.5時普通變送(sòng)器的♌輸出就👌會(hui)産生數據不穩(wěn)，當信噪比爲1:1時(shi),其輸出數據已(yi)基本不💜可用👣。而(er)采用研究的DSP算(suàn)法,即使在信噪(zao)比爲1:10時仍能從(cong)頻域獲取有用(yong)的渦街信号,從(cóng)而獲得較爲🈲準(zhǔn)确的流量數據(ju)。
7試驗驗證及效(xiao)果
　　推出低溫渦(wo)街流量計樣機(ji)DW-80,在流量塔對該(gai)樣機進行了常(cháng)溫水介質的标(biao)定.綜合精度達(dá)到0.5級。
采用某型(xing)号氫氧火箭發(fa)動機試驗系統(tǒng),以分節液面👅計(ji)測得🚶的流量爲(wèi)标準,分别對低(dī)溫渦街流量計(ji)和低溫渦💯輪流(liú)量計進行比對(duì)試驗，結果如下(xia):
 

　　從表中可見渦(wo)街流量計所測(cè)流量比液面計(jì)測的流量數據(ju)平均偏大0.65%,而渦(wō)輪流量數據比(bi)液面計測🤟的流(liu)量數據平均偏(piān)大1.3%。若以液面計(ji)爲标準，則可以(yi)🍓認爲渦街流量(liang)計的測🤟量精度(dù)優于渦輪流量(liàng)計。

本文來源于(yú)網絡,如有侵權(quan)聯系即删除！