摘(zhāi)要:采用壓(yā)電晶體傳(chuan)感器利用(yong)卡門渦街(jiē)原理，一種(zhong)氣體流量(liang)計 的結構(gòu)，分别對氣(qi)體流量測(ce)量儀結構(gou)的各個部(bù)分進⭐行了(le)分析。并對(dui)壓電晶體(ti)産生的電(dian)荷信号進(jin)行處理，分(fèn)析和設計(ji)各個環節(jie)的電路。該(gai)流量計所(suǒ)用🐆檢測壓(yā)電元件不(bú)接觸氣體(ti)，适于惡劣(lie)環境、不易(yì)結垢，耐高(gāo)溫、高壓、安(ān)全防爆，适(shi)用于測量(liàng)封⭐閉管道(dào)的氣體累(lèi)計流量和(hé)瞬時流量(liàng)。
1氣體流量(liàng)的測量方(fang)法
國内儀(yi)表市場氣(qì)體流量計(jì)常見的主(zhǔ)要是以下(xia)幾類：
（1）差壓(yā)式流量計(ji)
　　差壓式流(liú)量計 是以(yǐ)伯努利方(fang)程和流體(ti)連續性方(fang)程爲依據(ju)，根據節流(liú)原🔞理👉，當流(liu)體流經節(jie)流件時(如(rú)标準孔闆(pǎn)、标準噴嘴(zui)、長徑噴嘴(zui)🤟、經典文丘(qiu)利嘴、文丘(qiū)利噴嘴等(deng))，在其前後(hou)産生壓差(cha)👄，此差壓值(zhi)與該流量(liàng)的平方成(chéng)正比。隻要(yào)能把節流(liu)機構前後(hòu)的壓差p1-p2取(qǔ)出來，就可(ke)以測出流(liú)量。
（2）渦輪流(liu)量計
　　渦輪(lun)流量計 是(shì)比較正确(què)的一種流(liú)量檢測裝(zhuang)置。當流體(ti)流經渦輪(lun)流量傳感(gǎn)器時，在流(liu)體推力作(zuò)用下渦輪(lun)受力旋轉(zhuǎn)，其轉速與(yǔ)管道平均(jun)流速成正(zhèng)比，渦輪流(liu)量計的理(li)論流量方(fang)程爲

　　式中(zhōng)，nT爲渦輪轉(zhuǎn)速；qv爲體積(ji)流量；A爲流(liu)體物性(密(mi)度、粘度等(děng))，渦㊙️輪結構(gòu)參數(渦輪(lun)傾角、渦輪(lun)直徑、流道(dao)截面積等(deng))有關的參(can)數；B爲與渦(wo)🐪輪頂隙、流(liu)體流速分(fen)布有⛱️關的(de)系數；C爲與(yu)摩擦力矩(jǔ)有關的系(xi)數。
（3）渦街流(liu)量計
　　渦街(jiē)流量計 主(zhǔ)要用于工(gong)業管道介(jie)質流體的(de)流量測量(liang)，如氣體、液(ye)🌐體、蒸🧡氣等(děng)多種介質(zhi)。其特點是(shi)壓力損失(shi)小，量程範(fan)圍💋大，精度(dù)高，在測量(liàng)工況體積(ji)流量時幾(ji)乎不受流(liú)體密度、壓(yā)力、溫度、粘(zhan)度等參數(shù)的影響。無(wu)可動機械(xie)零件，因此(ci)可靠性高(gāo)，維護量小(xiǎo)，儀表參數(shu)能長期🔞穩(wěn)定。渦街流(liú)量計流量(liang)方程可用(yong)下式表示(shi)

　　式中，f爲旋(xuán)渦的釋放(fàng)頻率；v爲流(liú)過旋渦發(fā)生體的流(liu)體平📱均速(sù)度；d爲旋渦(wo)發生體特(tè)征寬度；St爲(wei)斯特羅哈(ha)💃🏻數，無♍量綱(gang)，它的♊數值(zhi)💃🏻範圍❓爲0.14－0.27。
（4）超(chao)聲波流量(liang)計
　　超聲波(bō)流量計 由(yóu)超聲波換(huàn)能器、信号(hao)處理電路(lu)、單片機控(kòng)制系統3部(bù)分組成。在(zài)有氣體流(liu)動的管道(dào)中，超聲脈(mò)沖順流傳(chuán)播的速度(du)要比逆流(liú)時😍快。流過(guò)管道的氣(qì)體速度越(yuè)快，超聲順(shùn)流和逆流(liu)傳播的時(shí)間差越大(da)。分爲時差(cha)式(測量順(shùn)流和逆🏃🏻‍♂️流(liú)傳播的時(shi)間差)、相差(chà)式(測量✍️順(shun)流和逆流(liú)傳播的相(xiang)位差)、頻差(chà)式(測量順(shun)流和逆流(liu)傳播的循(xun)☎️環頻率差(cha))、多普勒♉超(chāo)聲波流量(liang)計(以物理(li)學中的多(duo)普勒🌈效應(yīng)爲工作原(yuan)理，适合于(yu)對兩相流(liú)的測量)。
（5）容(róng)積式流量(liàng)計
　　容積式(shì)流量計又(you)稱排量流(liú)量計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱(chēng)PD流量計或(huò)PDF，在流💃🏻量儀(yi)表中是精(jing)度最高的(de)一類。它利(li)用機械測(ce)量元件把(ba)流體連續(xù)不🈚斷地分(fen)割成單個(ge)已知的體(tǐ)積部分，根(gēn)㊙️據計量室(shi)逐次🚶‍♀️、重複(fú)地充滿和(he)排放該體(ti)積部分流(liú)體的次數(shu)來測量流(liú)量體積總(zong)量。容積式(shì)流量計的(de)理論流量(liàng)計算公式(shi)

　　式中，q爲工(gong)況下的體(ti)積流量，m3/s；n爲(wèi)旋轉體的(de)流速，周/s；V爲(wèi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻旋轉體每(mei)轉一周所(suo)排流體的(de)體積，m3/周。
　　采(cai)用渦街流(liu)量計測量(liang)高溫氣體(ti)的流量，下(xia)面通過分(fen)析🔞氣體流(liu)量傳感器(qì)測量氣體(tǐ)的原理，設(she)計其結構(gòu)部🚶分，采🈲用(yong)雙壓電晶(jing)體作爲傳(chuan)感技術，測(cè)量其頻🧑🏽‍🤝‍🧑🏻率(lü)信号🤩。
2渦街(jiē)流量計工(gong)作原理與(yu)結構設計(ji)
2.1工作原理(lǐ)
　　渦街流量(liang)計是利用(yong)流體力學(xue)中卡門渦(wō)街原理制(zhi)作的一種(zhong)儀👄表，如圖(tú)1所示。

　　把一個非(fēi)線性對稱(cheng)形狀的物(wu)體（如圓柱(zhù)體、三角柱(zhù)體、矩形柱(zhu)體、六面柱(zhu)體等，以下(xia)簡稱漩渦(wo)發生體）垂(chuí)直插🌂在管(guǎn)道中，流體(tǐ)繞過🏒漩渦(wo)發生體時(shí)，出現了附(fu)面層分離(li)，在漩渦發(fa)生🥵體左右(yòu)🈲兩側的後(hòu)方會産生(sheng)漩渦，形成(cheng)渦列。
　　由于(yú)漩渦之間(jian)相互影響(xiǎng)，漩渦列一(yī)般是不穩(wěn)定的🍉，但卡(ka)門從理論(lun)上證明了(le)當兩漩渦(wo)列之間的(de)距離h與同(tóng)列的2個漩(xuan)渦之間的(de)📞距離L滿足(zu)公式h/L=0.281時，非(fēi)對稱的漩(xuan)渦列就能(néng)保持穩定(ding)。此時漩渦(wo)的頻率f與(yǔ)流體的流(liú)速及漩渦(wo)發生體的(de)寬度d有下(xia)述關♍系

式(shì)中
v1———柱體兩(liang)側處的流(liú)速(m/s)；
d———柱體迎(ying)流面最大(da)寬度(m)；
Sr———無量(liàng)綱數，在柱(zhu)體形狀确(que)定後，在一(yī)定的雷諾(nuo)數範圍内(nèi)爲常數，稱(chēng)爲斯特勞(láo)哈爾(Strouhal)數。
根(gen)據流動的(de)連續性，可(kě)知

式中
S1———柱(zhù)體兩側流(liú)通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流(liu)通面積(m2)；
v———管(guan)道内流體(tǐ)的平均流(liú)速(m/s)。
設流通(tong)面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認(ren)爲n=1-1.25d/D），則

2.2結構(gòu)設計
　　氣體(tǐ)流量計由(yóu)傳感器和(he)轉換器2部(bu)分組成，如(ru)圖2所示。

　　圖中傳感(gan)器包括旋(xuan)渦發生體(ti)(阻流體)、檢(jiǎn)測元件、儀(yí)表表☔體等(deng)；轉換器包(bāo)括前置放(fang)大器、濾波(bo)整形電路(lù)、D/A轉換電路(lu)、輸出接口(kou)電路💛、端子(zǐ)、支架和防(fang)護罩等。旋(xuan)渦發生體(tǐ)是檢測器(qì)的主要部(bu)件，它與🐆儀(yí)表的流量(liàng)特性(儀表(biao)❗系數、線性(xìng)💋度、範圍度(du)🏃🏻‍♂️等)和阻力(li)🐆特性(壓力(lì)損失)密切(qie)相🙇‍♀️關，應選(xuan)用優良的(de)材料，并使(shi)之具有良(liang)好的機械(xiè)性能和抗(kang)腐蝕性能(neng)。
　　氣體流量(liàng)計采用壓(ya)電元件作(zuò)爲檢測元(yuán)件。采用第(di)🌈一種檢測(cè)方式。檢測(cè)元件密封(fēng)安裝在發(fa)生體内部(bù)，不接觸被(bei)測氣體。
3壓(yā)電晶體測(cè)量原理
3.1壓(ya)電傳感器(qì)的結構形(xing)式
　　在壓電(dian)傳感器中(zhōng)，常采用2片(piàn)或2片以上(shang)的壓電材(cái)料🚶組合一(yī)起使用的(de)2種不同結(jié)構形式。一(yī)是2片壓電(diàn)片負極都(dōu)集🔞中于中(zhōng)間電極上(shàng)，而正極分(fen)别在上下(xia)2面電極上(shàng)的并聯連(lián)接形🆚式。此(cǐ)時，輸出電(dian)容Ca'=nCa（n爲并聯(lián)壓🔞電材料(liào)片數，Ca爲單(dān)片電容）；輸(shū)出電壓Ua'=nUa（Ua爲(wei)單㊙️片的電(diàn)壓）；輸出電(diàn)荷Q'=nQ（Q爲✂️單片(pian)電荷）；二是(shi)各單片壓(yā)電元件正(zhèng)負💯極性順(shùn)序相連接(jiē)的串聯連(lian)接✌️方式。此(cǐ)時，輸出電(diàn)荷Q'=Q（Q爲單片(piàn)電荷）；輸出(chū)🍉電壓U'a=nUa(Ua爲各(ge)片的電壓(yā))；輸出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片電(dian)容）。顯然，并(bìng)聯接法的(de)輸出電荷(he)量㊙️大，本身(shēn)的電容也(ye)大㊙️。因此，其(qi)時間常數(shu)大🔴（τ=CaR），适宜于(yú)測量緩慢(man)變化的信(xìn)号，并且還(hái)适用于🐅以(yi)電荷爲輸(shū)出量的場(chang)合。
3.2壓電傳(chuan)感器的測(ce)量電路
　　由(yóu)于壓電傳(chuán)感器的内(nèi)阻抗很高(gāo)、輸出電信(xìn)号很弱，一(yi)🛀般🔞需将👅電(diàn)信号經高(gāo)輸入阻抗(kàng)的前置放(fang)大器放大(dà)再進行傳(chuán)輸、處理和(hé)測量。前置(zhi)放大器的(de)主要作用(yong)是将壓電(dian)信💞号經過(guo)前置放大(dà)器的阻抗(kàng)變換成低(di)阻抗輸出(chū)，也起到放(fang)大弱信号(hao)的作用。壓(yā)電傳感器(qi)的輸出信(xin)号經過前(qian)置放大器(qi)的阻抗變(bian)換和放大(da)後，就可以(yi)✌️采用一般(bān)的放大、檢(jiǎn)波指示或(huò)通過功率(lǜ)放大至紀(ji)錄和💃數據(ju)處🐅理設備(bèi)。
　　按照壓電(diàn)式傳感器(qì)的工作原(yuan)理及其等(deng)效電路，傳(chuán)感器可堪(kān)稱🌈電壓發(fa)生器，也可(kě)以看作是(shì)電荷發生(shēng)器。因此前(qian)置放大器(qì)也有🏃2種形(xíng)式：一種是(shì)電壓放大(da)器，一般💋稱(cheng)作阻抗變(biàn)換器，其輸(shū)出電壓📐與(yǔ)輸入電壓(ya)成比例；另(ling)一種是電(dian)荷放大器(qì)，其輸出電(diàn)壓與輸入(rù)電荷成比(bǐ)例。
4結語
　　當(dāng)前國内外(wài)幾種流量(liang)計應用的(de)基礎上，采(cǎi)取渦街流(liú)量計測量(liang)👨‍❤️‍👨流量的原(yuan)理測量高(gāo)溫氣體的(de)流量。針對(dui)壓電傳感(gan)器進行分(fen)析，利用壓(yā)電晶體進(jìn)行測量的(de)原理，并對(duì)其壓電傳(chuan)❄️感器的🏒結(jié)構形⚽式進(jin)行分析。

以(yi)上内容源(yuan)于網絡，如(ru)有侵權聯(lián)系即删除(chu)!