摘要：針對(dui)渦街流量計 抗幹(gàn)擾性能差的缺點(dian),設計了一種新的(de)傳感器結構一一(yi)🍉懸💃浮式差動傳感(gan)器,使流量計一次(ci)儀表輸出信号的(de)信噪比大大提高(gao).實驗結果表明,采(cǎi)用此種傳感器結(jie)構的渦街流量計(ji)的抗千擾性能得(de)到顯著改善.
　　渦街(jie)流量計是利用旋(xuan)渦脫離誘發流體(ti)振動的原理實現(xian)✏️流量🈲的計量,其主(zhu)要特點是:無運動(dòng)部件，因此不必考(kao)慮流體中雜質對(duì)流量計的物理損(sun)害,從而極大地拓(tuò)展了精密流量計(jì)的應用🙇🏻範圍,并有(yǒu)良好的線性🔞度、較(jiao)大的🌈量程和很強(qiang)的介質适應性,可(kě)用于不同流☀️體的(de)穩态和瞬态流量(liang)的計量.此外，它還(hai)有具有壓力損失(shi)小、可靠性高、維護(hù)方便和不受💚流體(ti)組成🈲、密度、溫度、壓(yā)力影響等優點,是(shì)測量氣體、液體、蒸(zheng)汽、混合型和腐蝕(shí)性流體.的理想的(de)流量計.
　　但是,渦街(jiē)流量計存在兩大(da)缺陷:(1)小流量信噪(zào)比低;(2)抗幹擾性能(neng)差.其中抗幹擾性(xìng)能是衡量一台工(gōng)業渦街流量計應(yīng)用好壞的❌一個重(zhong)要指标.目前很多(duo)工業用戶之所以(yǐ)對渦街流量計的(de)應🤞用失去信心✌️，是(shi)因爲在實際應用(yong)中,工業振動是普(pǔ)遍存在的;而👅一般(ban)的工業振動頻率(lǜ)大都在幾赫茲到(dào)幾千赫茲🔴之間,渦(wō)街流量計的旋渦(wō)分離頻率正好落(luo)在這個範圍之内(nèi)..
　　近10年來,針對以上(shang)問題國内外學者(zhě)做了大量的研究(jiū),并且🐪大🈲部分研究(jiu)主要是從信号處(chù)理的角度出💃🏻發.如(ru)😄采用自适應譜分(fen)析方法對渦街信(xìn)号進行處理以提(tí)高渦街⭐流量計的(de)抗噪能力川,又如(ru)根據實驗數據對(dui)渦街流量産生的(de)信号建立數學模(mó)型将🤩譜預測的方(fāng)法運用到渦街流(liú)量計上,用以提高(gāo)渦街流量計的抗(kàng)幹擾性能,使計量(liang)精度和可靠🌏性得(de)到提高.除♉通過信(xin)号處理🧡的技術外(wai)，人們還從傳感器(qì)方面尋找改善渦(wo)🙇‍♀️街流量計性能的(de)思路，如通過改進(jin)壓電傳感器達到(dao)減弱管道振動對(duì)渦街流量計影響(xiǎng)的目的.
1懸浮式差(chà)動傳感器的設計(ji)
1.1流量傳感器幹擾(rǎo)噪聲分析
　　渦街流(liu)量計是根據卡門(men)旋渦頻率實現流(liú)量測量的流量計(ji).在具有旋渦發生(shēng)體的流場中,當兩(liang)旋渦列之間的距(jù)離h與同💁列的兩旋(xuan)渦之間的距離L之(zhi)比滿足h/L=0.281時,形成卡(ka)門渦街如圖1所示(shi).大量實驗證明:在(zài)一-定的雷諾數範(fàn)圍内,穩定的旋渦(wo)發生🔱頻率ƒ與旋渦(wo)發生體側流速u與(yǔ)旋渦發生體的柱(zhù)寬d有如下确定的(de)關系:ƒ=(u/d)St.式中St爲斯特(te)勞哈爾數(無綱量(liang)),對于一定形狀的(de)旋㊙️渦發生體,在一(yi)-定的雷諾數範圍(wéi)内是一個常數.由(you)于流體流量與其(qí)流速之間存在線(xian)性關系,所以通過(guò)測量旋渦發生引(yǐn)起的流體振動頻(pín)率，即可實現對流(liu)體流量的測量.
 
　　由(yóu)渦街流量計的工(gong)作原理可見，渦街(jiē)流量計是利用💚流(liú)體自身振動實現(xian)流體的測量的.而(er)待測系統中存在(zai)的壓力脈動或外(wai)界的振動源和噪(zào)聲源也會引起待(dai)測系統中流♊體的(de)振動,這些外來的(de)振動🈲信号，或改變(bian)旋渦振‼️動頻率，或(huò)直接進人✍️二次儀(yi)表,造成計量誤差(cha).理想情況下，渦街(jie)流量👄計輸出正弦(xián)🍓波信号,但實際上(shàng)由于流體流動噪(zao)聲、機械振動噪聲(sheng)等千擾的影響,它(tā)遠非理想的正弦(xián)波信号，而是一個(ge)混有強噪聲的混(hun)合信号。
1.2懸浮式差(chà)動傳感器的結構(gòu)
　　在渦街流量計中(zhong),懸浮差動式流量(liàng)傳感器的安裝如(ru)圖2所示,傳感器B安(ān)裝在旋渦發生體(tǐ)A的後面.傳感📧器的(de)軸線與旋渦發⁉️生(shēng)體平行,整個傳感(gǎn)器都沉浸在流體(ti)中[5].圖中的懸浮式(shi)差動傳感器🌏在設(shè)計中使用了4個壓(yā)電晶體作爲檢測(ce)元件，在平闆💋兩側(ce)對稱固定了兩個(gè)檢測單元，以形成(cheng)差動結構.每個檢(jiǎn)測單元外形爲一(yi)✊個半圓柱型殼體(ti)，殼體内具有與平(ping)闆軸線平行的通(tong)孔,通孔内有兩個(gè)尺寸、質量和靈敏(min)度系數都相同的(de)💔壓電陶瓷片，兩壓(yā)電陶瓷片之間由(you)一金屬質量塊相(xiàng)連,該質量塊與兩(liǎng)壓電💯陶瓷片焊接(jie)在一起組😘成一個(ge)剛體.金屬質量塊(kuai)同時也🐆作爲壓電(diàn)陶瓷的輸出電極(jí),引出檢測信号給(gěi)電荷放大電路.兩(liǎng)片壓電晶體采用(yong)📞并🧡聯式結構,如圖(tú)3所示,使輸出🍉電荷(he)量加倍,以達到增(zeng)大渦街流量信号(hao)😘的目的.
 
　　每個檢測(ce)單元的_上”下兩個(ge)壓電陶瓷片在安(ān)裝時必須具有相(xiang)♈等的受壓預緊力(lì)，以保證由兩個壓(ya)電陶瓷片與金屬(shǔ)質量塊形成的剛(gāng)體中會形成一個(ge)内應力🌈分界面.由(yóu)于金屬質量塊具(ju)有一定的厚度，所(suo)以内應力分界面(mian)一定會在金屬質(zhì)量塊的内部,而兩(liǎng)個壓電📧陶瓷片又(yòu)是嚴格對稱匹配(pei)的，因此,可以在結(jie)構上保證在受到(dao)相等的力的作用(yòng)時,這兩個壓電陶(tao)瓷片能夠産生相(xiàng)等的電荷.
1.3懸浮式(shì)差動傳感器的抗(kang)幹擾工作原理
1.3.1懸(xuan)浮式結構對振動(dòng)幹擾的抑制
　　懸浮(fu)式結構對于流場(chǎng)中的振動幹擾噪(zao)聲可以實現☀️有效(xiào)的抑制.管道在外(wài)界幹擾作用下産(chan)生的振動總是可(ke)以分解爲如圖4所(suǒ)示的三個方向，即(ji)方向a----與旋渦升力(li)方向相同、方向b----與(yu)流體流動方向垂(chuí)直、方向c--與流體流(liu)動方向平行.根據(ju)懸浮式差動傳感(gǎn)器結構與安裝方(fāng)式，可知方向b與方(fāng)向c上的振動幹擾(rao)不會産生噪聲信(xin)号,隻有方向a的振(zhèn)動幹擾可引起傳(chuan)感器👉殼體的跟随(suí)振動.此時,由于傳(chuan)感器中金屬☁️質量(liang)塊的慣性作用，檢(jiǎn)測單元中上下對(duì)稱的兩個壓電陶(tao)瓷片會分别受到(dào)壓力和拉力的作(zuò)用,這🥵使得兩個壓(yā)電陶🈲瓷片分别産(chǎn)生極性相反的正(zheng)負☔電荷信号.由于(yú)兩個壓電陶瓷片(piàn)采用并聯結構,所(suo)以當✂️上下兩個壓(yā)電陶瓷片的信号(hào)在金屬質量塊💃🏻中(zhōng)相加時,幹擾信号(hao)所産生的電荷信(xìn)号會相互抵⛹🏻‍♀️消,傳(chuán)感器起到了自減(jiǎn)振的作用,從而極(ji)大地削弱了此方(fāng)向的幹擾信号.
 
1.3.2差(cha)動式結構對振動(dong)幹擾的抑制
　　如圖(tú)3所示，當旋渦流經(jing)傳感器時，旋渦産(chan)生的交變壓力作(zuò)用在兩個檢測單(dan)元的彈性膜片上(shàng),使兩側的壓電陶(tao)✨瓷片交替産生電(dian)荷.兩個檢測單元(yuán)會輸出帶有🔴噪聲(shēng)的正弦信号Si與S2,如(rú)圖5所示.由于兩個(ge)檢♉測單元的對稱(chēng)性,使得St與S2信号中(zhong)所含的渦街流量(liàng)㊙️信号的幅值與頻(pín)率相同、相位相差(cha)180°;又因爲管道振動(dong)、流場脈動等🔱引起(qi)的幹擾振動對兩(liǎng)側的壓電陶瓷片(pian)的作用是一緻的(de),所⭐以S1與S2信号中所(suo)含幹擾信号爲幅(fú)值、頻率與相位都(dōu)相同的共模⭐信号(hao).在采用差動式電(dian)荷放大前置放大(dà)電路中,輸出信号(hao)隻含♻️有差模信号(hao)S1-S2,從而有效地抑制(zhi)了振動幹擾.
 
2實驗(yan)結果
　　圖6與圖7分别(bié)爲傳統渦街流量(liàng)計與使用了懸浮(fú)式差動傳👉感器的(de)渦街流量計在管(guǎn)道受到外力敲擊(jī)時的渦街🔞流量信(xìn)号🈲(該信☁️号爲經差(chà)動放大後的信号(hào)).由圖⛱️6可見,傳統渦(wo)街流量計對振動(dòng)非常敏感，渦街流(liú)量信号中疊加了(le)很強的幹擾信号(hào).而在使用❄️了懸浮(fu)式差♌動傳感器的(de)🤟渦街流量計中,管(guǎn)道受到敲擊時的(de)幹擾被大大削弱(ruo),在經差動放大後(hou)幾乎沒有幹擾信(xìn)号.
 
結論
　　爲了使渦(wō)街流量計能夠測(ce)量低流速、小流量(liang)的信号,必需盡量(liang)📱提高有效流量信(xin)号的幅值,而降低(di)幹擾噪聲的幅值(zhi),即提👈高信号的信(xìn)噪比.我們的工作(zuò)針對一次儀表💘展(zhan)開,提出了一種新(xīn)穎的傳感器結構(gou)懸浮式差動傳感(gǎn)器.實驗證明,該傳(chuan)感‼️器可使渦🥰街信(xin)号的信㊙️噪比大大(dà)提高,從而使現有(you)渦街流量計的抗(kang)幹擾🛀性能得以極(jí)大的改善.它對于(yú)渦街流量計的理(lǐ)論研究及工程應(yīng)用都具有重要的(de)意義.

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