摘要(yao)：針對渦街(jie)流量計 抗(kàng)幹擾性能(neng)差的缺點(diǎn),設計了一(yī)種新的傳(chuán)感器結構(gòu)🔞一☁️一💰懸浮(fú)式差動傳(chuán)感器,使流(liu)量計一次(ci)儀表輸出(chū)信号的信(xìn)噪比大大(dà)提🌈高.實驗(yan)結果表明(míng),采用此💜種(zhǒng)傳感器結(jie)構的渦街(jie)流量計的(de)抗千擾性(xìng)能得到顯(xian)著改善.
　　渦(wō)街流量計(ji)是利用旋(xuán)渦脫離誘(you)發流體振(zhèn)動的原理(lǐ)實現流量(liàng)的計量,其(qi)主要特點(diǎn)是:無運動(dong)部件，因❌此(cǐ)不必考慮(lü)流體中雜(zá)質🍓對流量(liang)計的物理(lǐ)損害,從✏️而(er)極大地拓(tuo)展☂️了精密(mì)流量計的(de)應用範圍(wéi),并有良好(hao)的線性度(dù)、較大的量(liàng)程和很強(qiáng)的介質适(shì)應性,可🥰用(yong)于不同流(liú)體的穩态(tai)和瞬态流(liu)量的❌計量(liàng).此外，它還(hai)有具有壓(ya)力損失小(xiǎo)、可靠性高(gāo)、維護方便(biàn)和不受流(liú)體組成、密(mì)度、溫度、壓(yā)力影響等(deng)優點,是測(ce)量氣體、液(yè)體、蒸汽、混(hun)合型和⛱️腐(fu)蝕性流體(tǐ).的理想的(de)流量計.
　　但(dan)是,渦街流(liu)量計存在(zai)兩大缺陷(xiàn):(1)小流量信(xin)噪比低;(2)抗(kang)幹擾性能(neng)差.其中抗(kàng)幹擾性能(néng)是衡量一(yī)台工業渦(wo)街流量計(jì)應用好壞(huài)的一個重(zhòng)要指标.目(mu)前很多⛹🏻‍♀️工(gōng)業用戶之(zhī)所以對渦(wō)街流量🌈計(ji)的應用失(shi)去信心，是(shì)因爲在實(shí)際應用中(zhōng),工業振動(dong)是普遍存(cun)在的;而一(yī)般的工業(yè)振動頻率(lǜ)大都在幾(ji)赫茲到幾(jǐ)千赫茲☔之(zhi)間,渦街流(liu)量計的旋(xuán)渦分離頻(pin)率正好落(luò)在這個範(fan)圍之内..
　　近(jin)10年來,針對(dui)以上問題(ti)國内外學(xue)者做了大(dà)量的研究(jiu),并且大🍓部(bù)分研究主(zhǔ)要是從信(xin)号處理的(de)角度出🍉發(fa).如采用♉自(zi)适應譜分(fèn)析方法對(duì)渦街信号(hào)進行處理(li)以提🐉高渦(wō)街流量計(ji)的抗噪能(neng)力川,又如(rú)根據實驗(yàn)數據對渦(wō)街流量産(chǎn)生的信号(hao)建立數學(xue)模型将📧譜(pǔ)預測的方(fang)🏃法運用到(dào)渦街流量(liang)計上,用以(yǐ)提高渦💋街(jiē)流量計的(de)抗幹擾性(xìng)能,使計量(liàng)精度和可(kě)靠性得到(dao)提高.除通(tong)過信号處(chù)理的技術(shù)外，人們還(hái)從傳感🔞器(qì)方面尋找(zhǎo)改善渦街(jie)流量計性(xìng)能的☀️思路(lu)，如通過改(gǎi)進壓電傳(chuán)感器達到(dao)☀️減弱管道(dào)振動對渦(wo)街流量計(jì)影響的目(mù)的.
1懸浮式(shi)差動傳感(gǎn)器的設計(ji)
1.1流量傳感(gǎn)器幹擾噪(zào)聲分析
　　渦(wō)街流量計(jì)是根據卡(kǎ)門旋渦頻(pín)率實現流(liú)量測量👄的(de)流量計.在(zai)具有旋渦(wō)發生體的(de)流場中,當(dang)兩旋渦列(liè)之間的距(jù)離h與同列(liè)的兩旋渦(wo)之間的距(ju)離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時,形成(cheng)卡門渦街(jie)如圖1所示(shì).大量實驗(yan)證明:在一(yī)-定的雷⛱️諾(nuò)數範圍内(nèi),穩定的旋(xuán)渦發生🔞頻(pín)率ƒ與旋渦(wō)發生體側(cè)流速u與旋(xuan)渦發生體(tǐ)的柱👉寬d有(yǒu)如下确定(dìng)的關系:ƒ=(u/d)St.式(shì)中St爲斯特(tè)勞哈爾數(shu)(無綱量),對(duì)于一定形(xíng)狀的旋渦(wo)發生體,在(zài)一-定的雷(lei)諾數範圍(wei)内是一個(gè)常數.由于(yu)流體流量(liang)與其流速(sù)之間存在(zài)線性關系(xi),所以通過(guò)測量旋渦(wō)發生引起(qi)的流體振(zhèn)動♻️頻率，即(jí)可實現對(duì)流體流量(liàng)的測量.
 
　　由(yóu)渦街流量(liang)計的工作(zuò)原理可見(jian)，渦街流量(liang)計是利用(yong)流體自身(shēn)振動實現(xiàn)流體的測(ce)量的.而待(dài)測系統中(zhong)存⛱️在的壓(ya)力脈動或(huo)外界的振(zhèn)動源和噪(zao)聲源也會(huì)引起待測(cè)系👌統中流(liu)🐅體的振動(dong),這些外來(lái)的振動信(xìn)号，或改變(biàn)旋渦振動(dong)頻率，或直(zhi)接進人二(èr)次儀表,造(zào)成計量誤(wu)差.理想情(qing)況下，渦街(jiē)流量計輸(shu)出正弦👅波(bo)信号,但實(shi)✨際上由于(yu)流體流動(dong)噪聲、機械(xiè)振動噪聲(shēng)等千擾的(de)影響,它遠(yuan)非理想的(de)正弦波信(xìn)号，而是一(yī)個混有強(qiáng)噪聲的混(hun)合信号。
1.2懸(xuán)浮式差動(dong)傳感器的(de)結構
　　在渦(wo)街流量計(jì)中,懸浮差(cha)動式流量(liàng)傳感器的(de)安裝如🐕圖(tú)📱2所示🤩,傳感(gǎn)器B安裝在(zai)旋渦發生(sheng)體A的後面(miàn).傳感器的(de)軸線與旋(xuán)渦發生體(ti)平行,整個(ge)傳感器都(dōu)沉浸在流(liú)體中[5].圖中(zhong)的懸浮式(shi)差動⚽傳感(gan)器在設計(jì)中使用了(le)4個壓電晶(jing)體作爲檢(jiǎn)測元🔞件，在(zài)平闆兩側(ce)對稱固定(dìng)了兩個檢(jian)測單元，以(yǐ)😍形成差動(dong)結構.每個(gè)檢測🧡單元(yuán)外形爲一(yi)個半圓柱(zhu)型殼體，殼(ke)體内具有(yǒu)與平闆軸(zhóu)線平行的(de)通孔,通孔(kong)内有兩個(gè)尺寸、質量(liàng)和靈敏🔴度(dù)系數都相(xiàng)同的壓電(dian)陶瓷片，兩(liǎng)壓電陶瓷(ci)片之間由(yóu)一金🌈屬質(zhi)量塊相☀️連(lián),該質量塊(kuài)與兩壓電(diàn)陶瓷‼️片焊(hàn)接在一起(qǐ)組成一個(gè)剛體.金屬(shu)質量塊同(tóng)時也作爲(wèi)壓電陶瓷(cí)的輸出電(dian)極,引出檢(jiǎn)測信号給(gei)電荷放大(dà)電路.兩片(piàn)壓電晶體(ti)采用并🔆聯(lian)式結構,如(rú)圖3所示,使(shǐ)輸出電荷(hé)量加倍,以(yi)達到增大(da)渦街流量(liàng)信号的目(mu)的.
 
　　每個檢(jian)測單元的(de)_上”下兩個(gè)壓電陶瓷(ci)片在安裝(zhuāng)時🔅必須具(jù)有相等的(de)受壓預緊(jin)力，以保證(zhèng)由兩個壓(yā)電☂️陶瓷片(piàn)與金屬質(zhi)量塊形成(cheng)的剛體中(zhōng)會形成一(yī)個内應力(lì)分界面.由(yóu)于金屬質(zhì)量🍓塊具有(you)一定的厚(hou)度，所以内(nèi)應力分界(jiè)面一定會(huì)在金屬質(zhì)量塊的内(nei)部,而兩個(ge)壓電陶瓷(cí)片又是嚴(yan)格對稱匹(pi)配的，因此(ci),可以在結(jié)構上保證(zhèng)在受到相(xiàng)等的力的(de)作用時,這(zhe)兩🈲個壓電(dian)陶瓷片能(néng)夠産生相(xiang)等的電荷(he).
1.3懸浮式差(chà)動傳感器(qì)的抗幹擾(rǎo)工作原理(lǐ)
1.3.1懸浮式結(jié)構對振動(dong)幹擾的抑(yì)制
　　懸浮式(shi)結構對于(yu)流場中的(de)振動幹擾(rǎo)噪聲可以(yi)實♊現有效(xiao)的抑制.管(guǎn)道在外界(jie)幹擾作用(yong)下産生的(de)振動總是(shi)可以分💞解(jie)爲🤟如圖4所(suo)示的三個(gè)方向，即方(fang)向a----與旋渦(wō)升力方向(xiang)相同、方向(xiàng)b----與流體流(liu)動方向垂(chuí)直、方向c--與(yǔ)流體流動(dong)方向平行(hang).根據懸浮(fú)式🌈差動傳(chuan)感器結構(gòu)與安裝方(fang)式，可知方(fāng)向b與方向(xiang)🔞c上的振動(dòng)幹🌈擾不會(hui)産生㊙️噪聲(shēng)信号,隻有(you)方向a的振(zhèn)動幹擾可(kě)引起傳感(gǎn)器殼體的(de)跟随振動(dong).此時,由📧于(yú)傳感器中(zhōng)金屬質量(liàng)塊的慣性(xìng)作用，檢測(cè)單元中上(shàng)下對稱的(de)兩個壓電(diàn)陶瓷片會(huì)分别受到(dao)壓力和拉(la)力的作用(yong),這使得兩(liǎng)個壓電陶(táo)瓷片分别(bie)産生極性(xing)相反的正(zheng)負👨‍❤️‍👨電荷信(xìn)号.由于兩(liang)個壓電陶(táo)瓷片采用(yong)并聯結構(gou),所以當上(shang)下兩個壓(ya)電陶瓷片(pian)的🈲信号在(zai)金屬質量(liang)塊中相加(jiā)時✂️,幹擾信(xin)号所産生(shēng)的電♋荷信(xìn)🔱号會相互(hu)抵消,傳感(gǎn)器起到了(le)自✏️減振的(de)作用,從而(er)極大地削(xue)弱🔅了此方(fang)向的幹擾(rǎo)信✉️号.
 
1.3.2差動(dong)式結構對(dui)振動幹擾(rao)的抑制
　　如(rú)圖3所示，當(dang)旋渦流經(jing)傳感器時(shí)，旋渦産生(sheng)的交變壓(ya)力作用在(zài)兩個檢測(cè)單元的彈(dan)性膜片上(shàng),使兩側的(de)壓🔞電陶瓷(ci)片交替産(chan)生電荷.兩(liang)個檢測單(dān)元會輸出(chu)帶有噪聲(shēng)的🔴正弦信(xìn)号Si與S2,如圖(tu)5所示.由于(yú)兩個檢測(ce)單元的㊙️對(dui)稱性,使得(de)St與S2信号☔中(zhong)所含的渦(wō)街流量信(xin)号的幅值(zhi)與頻率相(xiang)同👨‍❤️‍👨、相位相(xiàng)差180°;又因爲(wèi)管道振🏃🏻動(dòng)、流場脈動(dong)等引起的(de)幹擾振動(dong)對兩側的(de)壓電陶✔️瓷(cí)片的作用(yòng)是一緻的(de),所以S1與S2信(xin)号中所含(hán)幹擾信号(hao)爲幅值、頻(pin)率與相位(wei)都相同的(de)共模信号(hao).在采用差(chà)動式電荷(he)放大前置(zhi)放大電路(lu)中,輸出信(xìn)号隻含有(you)差模信号(hào)S1-S2,從而有效(xiào)地抑制了(le)振動幹💚擾(rao).
 
2實驗結果(guo)
　　圖6與圖7分(fèn)别爲傳統(tǒng)渦街流量(liang)計與使用(yòng)了懸浮式(shì)差動傳感(gǎn)❄️器的渦街(jie)流量計在(zai)管道受到(dao)外力敲擊(ji)時的渦街(jiē)👉流量👣信号(hào)(該信号爲(wèi)經差動放(fang)大後的信(xìn)🔅号).由圖6可(ke)見,傳統渦(wō)街流量計(jì)對振動🔴非(fei)常敏感，渦(wo)街流量信(xìn)号中疊加(jiā)了很強的(de)幹擾信号(hào).而在使用(yòng)了懸浮式(shi)差🥰動傳感(gǎn)器的渦街(jie)流量計中(zhōng),管道受到(dao)敲擊時的(de)幹擾被大(da)大削弱,在(zai)經差動放(fang)大後幾乎(hū)沒有幹擾(rǎo)信号.
 
結論(lun)
　　爲了使渦(wo)街流量計(jì)能夠測量(liàng)低流速、小(xiao)流量的信(xìn)号,必需盡(jin)量提高有(yǒu)效流量信(xìn)号的幅值(zhí),而降低幹(gan)擾噪聲的(de)幅值🙇🏻,即提(tí)高信号的(de)信噪比.我(wǒ)們的工作(zuò)針對一次(cì)儀表✏️展開(kai),提出了一(yī)種新穎的(de)傳感器結(jie)🌈構懸浮式(shi)差動傳感(gǎn)器.實驗證(zhèng)明,該傳感(gǎn)器可使渦(wo)街信号的(de)信噪比大(dà)大提高,從(cong)而使現有(yǒu)渦街流量(liang)🈲計的抗幹(gàn)擾性能得(dé)以極大的(de)改善.它對(duì)于渦街流(liú)量計的理(li)論研究✌️及(ji)工程應用(yong)都具👣有重(zhong)要的意義(yì).

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