摘(zhai)要:針對(duì)渦街流(liu)量計 抗(kang)幹擾性(xing)能差.量(liàng)程窄的(de)問題，研(yán)制了一(yi)種抗幹(gàn)擾性能(néng)優的通(tōng)用渦街(jie)流量傳(chuan)感器,從(cóng)渦街信(xìn)号的源(yuán)頭加以(yi)改進，提(ti)高了渦(wo)街信号(hao)的信噪(zào)比和靈(ling)敏度✊;并(bing)對渦街(jie)流量👈傳(chuán)感器🐉輸(shu)出信号(hao)的過🔆程(chéng)導線及(ji)初級信(xin)号處理(lǐ)電路的(de)🔴信号屏(ping)蔽和保(bao)護措施(shī)加以改(gai)進;研制(zhì)的樣機(ji)經氣體(ti)流量标(biāo)準裝置(zhì)等設備(bei)測試👄驗(yàn)證,不僅(jin)能🐉抵抗(kàng)1.5g以下的(de)機械振(zhen)動幹擾(rǎo),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(jie)流量計(ji)是20世紀(jì)70年代才(cái)發展起(qǐ)來的一(yī)種新型(xíng)的流量(liàng)儀表，因(yin)其有許(xu)多優點(dian)，吸引了(le)國内外(wài)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(biǎo)之一，但(dan)因起步(bù)晚、經驗(yan)不足，目(mù)前存在(zài)的主要(yào)❤️問題是(shì)量程不(bu)寬(10:1左右(you))、抗幹擾(rao)性能差(chà)等不足(zú)，因此對(duì)它的研(yán)究還在(zài)不斷地(di)進行，研(yán)究者從(cóng)許多方(fang)面對其(qí)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(tou)位置的(de)研究一(yi)氣;③數字(zi)信号處(chu)理方法(fǎ)的研究(jiū);，④渦街信(xìn)号檢測(cè)方法的(de)研究121);⑤數(shù)值仿真(zhen)方法的(de)研究。
　　上(shàng)述研究(jiu)方向多(duō)是的發(fā)生體結(jié)構、傳感(gǎn)器安裝(zhuāng)位置或(huo)是在渦(wo)街電信(xin)号的處(chu)理後期(qī)階段的(de)方法研(yan)究，而對(duì)渦街電(dian)信号産(chǎn)生💔的源(yuan)頭即渦(wō)街流量(liang)傳感💋器(qì)本身及(jí)其輸出(chū)原始🍉信(xìn)号的保(bao)護方面(mian)研究很(hen)少;渦街(jiē)流量傳(chuan)感器是(shi)💁渦街流(liú)量計的(de)最核心(xin)部件，它(ta)的性能(neng)好壞直(zhí)接決定(ding)了渦街(jiē)流量計(ji)的性能(neng)，而在🛀🏻此(ci)處的研(yan)究和方(fāng)法是有(you)效提升(sheng)抗幹擾(rǎo)性能擴(kuo)展量程(cheng)的關鍵(jian)點。
　　将工(gōng)作重點(dian)就放在(zài)這個關(guān)鍵點上(shàng),即在壓(yā)電傳感(gan)産生信(xìn)号的源(yuán)頭在抗(kàng)振動和(he)屏蔽方(fang)面加以(yǐ)改進，一(yī)種✊抗幹(gan)擾性能(neng)好、輸出(chu)🛀壓電信(xin)号信噪(zào)比強的(de)壓電式(shì)通用渦(wō)街流量(liàng)傳感器(qì)叫(簡稱(chēng)壓🧡電傳(chuan)感器),如(rú)何提高(gao)傳感器(qi)原始信(xìn)号及其(qí)初級信(xin)号處理(lǐ)電路🔞的(de)信号屏(ping)蔽保護(hu)措施。
1渦(wō)街流量(liang)計工作(zuò)原理
　　如(ru)圖1所示(shì)，管道中(zhong)垂直插(cha)人一個(ge)三角形(xíng)柱狀的(de)旋渦發(fā)生體，随(suí)着流體(tǐ)流動，當(dāng)管道雷(lei)諾數達(dá)到一定(dìng)值時，在(zai)旋渦發(fā)💃🏻生體兩(liang)側會交(jiao)替地産(chan)生有規(guī)則的旋(xuan)渦，這種(zhong)旋渦稱(chēng)爲卡💞門(mén)渦街。

設(shè)旋渦發(fā)生頻率(lü)爲f，旋渦(wō)發生體(ti)迎流面(mian)寬度爲(wei)d,表體通(tōng)徑爲D,根(gen)💋據卡門(mén)渦街工(gong)作原理(li)，可知:
f=SrU/d(1)
　　式(shì)中:f爲旋(xuán)渦頻率(lü);Sr爲斯特(te)勞哈爾(ěr)數;U爲旋(xuán)渦發生(shēng)體兩側(cè)平均流(liu)速;d爲旋(xuán)渦發生(shēng)體迎流(liú)面寬度(dù)。
　　流體産(chan)生的這(zhe)一漩渦(wo)周期性(xing)的脫落(luo)引起對(duì)三角⚽柱(zhù)和渦街(jiē)傳感器(qi)探頭周(zhōu)期性的(de)作用力(lì)。根據熱(re)力😍學第(di)一第二(er)定律和(hé)庫塔儒(ru)科夫斯(sī)基升力(lì)定理01,設(she)作用在(zai)旋渦發(fa)生體上(shàng)的升力(li)爲FL有:

　　式(shi)中:CL爲升(shēng)力系數(shù);p爲流體(ti)密度;U爲(wèi)流體流(liú)速;A爲特(tè)征面積(ji)，即升力(li)🤩作用面(mian)積。由于(yu)交替地(dì)作用在(zai)發生體(ti)上升力(lì)的🙇🏻頻率(lü)就是旋(xuan)渦的脫(tuo)落頻率(lü)，通過壓(ya)電傳感(gan)器的🌈探(tan)頭扁尾(wěi)對FL升力(lì)及其變(bian)化頻率(lü)的傳感(gan)和檢測(ce)，即可得(de)到f，再由(yóu)式
(1)可得(de)流體的(de)流速和(hé)體積流(liú)量。
　　從式(shi)(1)、(2)可以看(kan)出如何(hé)提高渦(wo)街流量(liàng)計的抗(kang)振動性(xing)能和擴(kuò)展量程(cheng)比，關鍵(jiàn)看壓電(dian)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(jìn)壓電式(shi)渦街流(liu)量傳感(gan)器及其(qi)相關技(jì)術來提(ti)高🥵傳感(gan)器的測(ce)量小流(liu)量的信(xìn)噪比和(hé)靈敏🤟度(dù)。
2拓展量(liang)程的研(yan)究方案(àn)和技改(gai)
2.1提高抗(kàng)振動性(xing)能的研(yán)究和實(shi)現
　　由于(yú)流量計(jì)與管道(dào)法蘭式(shì)剛性連(lian)接，且流(liu)量計上(shang)✍️壓電式(shi)渦⚽街流(liu)量傳感(gǎn)器探頭(tou)也是與(yǔ)表體剛(gang)性連接(jie)，管道的(de)🈲振動🏒會(huì)直接傳(chuan)導到壓(ya)電傳感(gan)器探頭(tou)上，産生(shēng)和流量(liang)信号相(xiàng)同機理(lǐ)的振動(dong)幹擾信(xin)号;另外(wài)，振動也(yě)會導緻(zhì)壓電傳(chuán)感器的(de)導線、導(dao)線端子(zǐ)與電路(lu)連接觸(chù)電等部(bù)位的振(zhèn)動，有可(ke)能通🔞過(guo)某種機(jī)電傳感(gan)機理，轉(zhuan)♻️換爲電(dian)噪聲。所(suǒ)以✉️研究(jiū)渦街傳(chuan)感✍️器自(zi)身的結(jie)構,提升(sheng)自身抗(kang)振動性(xìng)能是提(tí)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(gàn)擾信号(hao)都疊🔞加(jia)在流量(liang)型号上(shàng)了，再去(qù)想盡各(ge)種辦法(fǎ)去剔除(chú)幹擾信(xin)号，即不(bu)經🥰濟，也(yě)不理想(xiǎng)。
　　爲此，采(cǎi)用了壓(ya)電傳感(gan)器與旋(xuan)渦發生(sheng)體(三角(jiao)柱)分離(li)型⛹🏻‍♀️的結(jie)構方案(an)，即研制(zhì)了種小(xiǎo)尺寸懸(xuán)臂梁凹(āo)結構的(de)壓電式(shì)通用渦(wo)街流量(liang)傳感器(qì)(簡稱壓(ya)電傳感(gǎn)器),壓電(diàn)😄傳感器(qì)結構如(ru)圖2所示(shi)，由安裝(zhuāng)法蘭盤(pan)、探頭‼️扁(biǎn)尾、壓電(diàn)元件、铠(kai)裝導線(xian)、密封罩(zhao)、接線端(duan)子等組(zǔ)成。壓電(diàn)傳感器(qi)🏃‍♂️通過中(zhong)部的安(an)裝法蘭(lán)盤與流(liú)量計殼(ké)📱體固定(dìng)，下部的(de)懸臂梁(liáng)置于旋(xuán)渦發生(sheng)體内的(de)孔洞中(zhōng)，壓電傳(chuan)🏒感器的(de)探頭扁(bian)🌈尾通過(guò)發生體(ti)兩側的(de)側孔獲(huò)取旋渦(wō)升力作(zuo)用。并傳(chuán)感出相(xiang)應的渦(wō)街流量(liàng)信号。在(zai)懸臂梁(liáng)内部，壓(ya)電元件(jiàn)機械封(feng)裝在探(tàn)頭内♌空(kong)腔中，空(kong)餘空腔(qiang)則無其(qí)它填充(chong)物。壓電(dian)元件通(tōng)過✉️剛性(xing)結構的(de)铠裝導(dao)線将信(xin)号輸出(chu)到外部(bù)的接線(xian)端子上(shang)，再通過(guò)接線端(duan)子🈲将信(xìn)号輸出(chu)到外部(bù)信号處(chù)理電路(lù)進行處(chu)理。當管(guǎn)道流體(tǐ)因漩渦(wo)⁉️發生體(ti)産生渦(wo)街後，伴(ban)随産生(sheng)的交變(bian)升力F,作(zuò)⁉️用在懸(xuan)臂梁下(xia)部的探(tan)頭扁尾(wěi)上，懸臂(bì)梁産生(shēng)變形并(bìng)迫使内(nèi)部的💰壓(yā)電元件(jian)也同步(bu)變形，從(cóng)而産生(sheng)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(hào)處理電(dian)路，最終(zhōng)獲得流(liú)量信息(xi)。

提高抗(kang)振動性(xìng)能的設(shè)計方案(àn)及其分(fèn)析:
(1)傳感(gan)器懸臂(bì)梁的探(tan)頭部分(fèn)按現有(you)工藝和(he)技術設(shè)😍計爲較(jiao)小的外(wài)徑d和盡(jin)量短的(de)長度L,并(bìng)且探頭(tóu)内空🛀🏻腔(qiāng)采用抽(chōu)⛱️真空無(wu)填充物(wu)📧封裝結(jie)構，這樣(yàng)的結構(gou)保證了(le)該探頭(tóu)懸臂梁(liáng)的🚩質量(liàng)最小，設(shè)其等效(xiào)重心爲(wei)✏️G點,質量(liàng)爲mc質點(dian)至支撐(cheng)點距離(li)爲L2管道(dào)振動加(jiā)速度✂️爲(wèi)a,振動加(jiā)速度垂(chuí)直于探(tàn)頭軸線(xiàn)方向📞的(de)分量爲(wei)α2,則管道(dao)振動幹(gan)擾對懸(xuan)臂梁的(de)彎矩Mc公(gōng)式爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由(yóu)公式(3)可(ke)知，由于(yu)懸臂梁(liáng)質量的(de)客觀存(cun)在,所以(yi)振動産(chan)💃生的幹(gàn)擾彎矩(ju)必然存(cun)在，但可(kě)以減小(xiǎo)懸臂梁(liáng)質量和(he)等效重(zhong)心的力(lì)臂L2長度(dù)，在振動(dong)幹擾強(qiáng)度不變(bian)的情㊙️況(kuàng)下，mc越輕(qīng),作用力(lì)臂L2越小(xiǎo),振動幹(gàn)擾産生(sheng)的彎矩(ju)Mc就越小(xiao)。
(2)如圖1所(suo)示，傳感(gǎn)器探頭(tóu)插人在(zài)發生體(tǐ)内的孔(kǒng)洞中，僅(jin)通過發(fā)生體兩(liǎng)側的導(dao)壓孔傳(chuán)導出旋(xuán)渦升力(lì)作用于(yu)探頭🔞扁(bian)尾，其他(tā)部位不(bú)受力;如(rú)圖2所示(shì)，設旋渦(wō)升力的(de)🛀🏻作用力(li)臂爲L，旋(xuan)渦升力(li)作用點(diǎn)爲B,作用(yòng)力爲Fe1,此(ci)時傳感(gǎn)器僅B點(dian)受旋渦(wō)升力作(zuò)用，升力(li)産生的(de)彎👨‍❤️‍👨矩Mfea公(gōng)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由(you)公式(4)可(ke)知，此時(shí)的力臂(bì)L1最大，彎(wān)矩Mfel也最(zuì)大，此時(shi)壓電傳(chuán)感器輸(shū)🏒出的信(xin)号也最(zui)強。
(3)傳感(gǎn)器内部(bù)信号導(dao)線采用(yong)剛性結(jie)構的铠(kǎi)裝導線(xiàn)，該㊙️結構(gou)可㊙️保證(zhèng)在機械(xiè)振動傳(chuán)感器導(dǎo)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(bú)變，減少(shǎo)了因振(zhèn)動🔞源引(yin)起的電(diàn)噪聲的(de)産生。
　　以(yǐ)上分析(xī)說明，該(gai)壓電式(shi)渦街流(liú)量傳感(gǎn)器感應(ying)旋渦❤️升(sheng)力性🐪能(neng)強，受管(guǎn)道振動(dong)影響弱(ruo)。從根本(běn)上提高(gāo)了測量(liàng)小👣流量(liang)的靈敏(min)度。
2.2提升(shēng)抗電磁(cí)幹擾性(xìng)能的研(yán)究和實(shí)現
　　壓電(dian)式渦街(jiē)流量傳(chuan)感器在(zài)工作時(shi)輸出的(de)電荷信(xìn)号很弱(ruò)，電壓㊙️峰(feng)峰爲毫(háo)伏級，并(bing)且工作(zuo)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(suǒ)以傳感(gǎn)器🚩的制(zhì)作既要(yao)保證它(ta)很高的(de)輸人阻(zu)抗，同時(shí)還需有(yǒu)良好的(de)屏蔽和(he)接地要(yào)求，以防(fáng)止漏電(dian)流引起(qǐ)的電荷(he)信号衰(shuāi)減和電(dian)磁幹擾(rǎo)進人電(dian)荷放大(da)器的輸(shu)人端。爲(wei)此，研制(zhì)的這種(zhǒng)通用渦(wō)街💃🏻流量(liang)傳感器(qi)及其信(xin)号處理(lǐ)電路采(cǎi)用了如(rú)下🌏的屏(píng)蔽工藝(yì)等技術(shù)方法✔️:
(1)傳(chuán)感器探(tan)頭體内(nèi)的元件(jiàn)封裝采(cǎi)用無任(ren)何填充(chong)料的結(jie)構,并且(qie)采用高(gāo)溫加熱(re)和抽真(zhen)空狀态(tai)下對傳(chuan)感器進(jìn)行✊氩弧(hú)✨焊接封(feng)裝✍️，該傳(chuán)感器具(jù)有常溫(wēn)下104MΩ以上(shàng)絕緣阻(zu)抗和🌈300℃高(gāo)溫下100MΩ絕(jue)緣阻抗(kang)。
(2)傳感器(qi)輸出導(dao)線采用(yong)硬質純(chún)鎳質内(nei)芯的金(jīn)屬铠🏃裝(zhuang)線結構(gòu)，傳感器(qi)自身的(de)屏蔽效(xiao)果最好(hǎo);
(3)傳感器(qì)探頭内(nèi)成安裝(zhuang)的對壓(yā)電元件(jian)采用差(cha)動信号(hào)輸出接(jiē)線方式(shi)，并且其(qi)中一極(jí)與傳感(gǎn)器的金(jīn)屬外殼(ké)可靠接(jiē)地;
(4)傳感(gǎn)器末端(duān)導線接(jie)線端與(yǔ)電荷放(fàng)大輸入(ru)電路連(lian)❄️接部分(fèn)也全部(bu)采用剛(gāng)性金屬(shu)屏蔽單(dan)防護工(gong)藝;
(5)信号(hao)處理電(dian)路中将(jiāng)初級電(dian)荷放大(da)電路和(he)二二級(ji)放大濾(lǜ)波🔅電路(lù)設計成(chéng)獨立的(de)電路模(mó)塊并且(qiě)也封🈲閉(bi)安裝在(zài)一個金(jin)屬屏蔽(bì)罩内與(yu)其他電(diàn)路特别(bié)是🔞數字(zi)電路隔(ge)離開來(lái)，防止了(le)後級數(shu)字電路(lu)及其他(tā)空間電(diàn)磁💃🏻場的(de)幹擾。傳(chuan)感器及(ji)其初級(ji)信号處(chù)理電⛹🏻‍♀️路(lù)的結構(gòu)圖如圖(tu)3所示。

　　屏(píng)蔽可以(yǐ)用控制(zhì)電場或(huò)磁場從(cóng)空間的(de)一個或(huo)到另🙇🏻一(yi)個區或(huò)的傳播(bo)，這是克(ke)服電場(chǎng)耦合幹(gàn)擾、磁場(chang)耦合🙇‍♀️幹(gàn)擾以及(ji)電磁輻(fú)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(cai)料或高(gao)導磁率(lǜ)材料來(lai)減小磁(ci)場、電場(chǎng)或電磁(ci)場的強(qiáng)度🤟。屏蔽(bi)可以應(ying)用于噪(zào)聲源，通(tong)過用屏(píng)蔽材料(liào)把👌幹擾(rao)源包圍(wei)起來以(yǐ)減弱👉幹(gan)擾磁場(chǎng)的🔴強度(du)，屏蔽也(yě)可以💯應(ying)用于需(xū)要抑制(zhi)噪聲的(de)敏感元(yuan)件和檢(jiǎn)測電路(lu),通過用(yòng)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(fan)圍可以(yi)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(píng)蔽對于(yú)削弱或(huò)切斷電(diàn)場、磁場(chǎng)🈲與電磁(ci)輻射三(san)種幹擾(rao)耦合方(fāng)式都是(shi)行之有(you)效的。
3樣(yang)機測試(shì)
　　根據.上(shang)述研究(jiū)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(ji)，三⛱️種樣(yàng)機在50Hz、1.5g機(jī)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(zhǔn)表法氣(qì)體流量(liàng)标準裝(zhuang)置上用(yòng)常溫常(chang)壓下空(kōng)氣流量(liàng)标定，量(liàng)🔞程比達(da)到20:1以上(shàng)，1.0級精度(dù)合格。其(qi)中👨‍❤️‍👨DN150口徑(jìng)一台樣(yàng)機的測(ce)試數據(jù)如下表(biao)2,最小流(liu)速測到(dao)了2m/s,量📱程(chéng)比擴展(zhǎn)到30:1。

4結束(shù)語.
　　機械(xie)振動幹(gàn)擾和電(diàn)磁幹擾(rao)時對渦(wō)街流量(liang)計性能(néng)影✌️響的(de)主♉要因(yin)素，直接(jiē)限制了(le)量程下(xia)限，影響(xiǎng)了渦街(jiē)流量計(jì)⭐在低♈流(liu)速、小流(liú)量時的(de)計量性(xìng)能。通過(guo)從渦街(jiē)信💋号産(chan)生🌈的源(yuán)頭做起(qǐ)，研制了(le)一種抗(kàng)幹擾性(xing)能好的(de)通用型(xing)渦街流(liú)量傳感(gan)器，以及(jí)對禍街(jiē)信号第(di)一級傳(chuan)輸⚽導線(xian)和前置(zhì)放大處(chu)理電路(lù)等的可(ke)靠屏蔽(bì)保護改(gai)進措施(shī)的兩項(xiang)研🐪究和(hé)實現，研(yan)制🐆的DN150口(kou)徑樣機(jī)在🔞氣體(tǐ)流量标(biāo)準裝置(zhì)上常溫(wēn)常壓空(kong)氣标定(ding)量程範(fan)圍超過(guò)20:1,可💚測最(zuì)大流量(liang)達到4100m3/h(60m/s),最(zui)小流速(sù)已✊測到(dào)2m/s,實現了(le)寬量程(cheng)性能;

以(yǐ)上内容(róng)源于網(wang)絡，如有(yǒu)侵權聯(lian)系即删(shan)除!