摘(zhāi)要:采用壓電晶體(tǐ)傳感器利用卡門(mén)渦街原理，一種氣(qi)體流量計 的結構(gòu)，分别對氣體流量(liang)測量儀結構的各(gè)個部分進🔴行💋了分(fen)析。并對壓電晶體(ti)産生的電荷信号(hào)進行🔱處理，分析和(hé)設計各個環節的(de)電路。該流量計所(suǒ)用檢測壓電元件(jiàn)不接觸❗氣體，适于(yú)惡劣環境、不易結(jié)垢，耐高溫、高壓、安(an)全🧑🏽‍🤝‍🧑🏻防爆，适用❓于測(cè)量封🈲閉管道的💔氣(qi)體累計流量和瞬(shùn)時流量。
1氣體流量(liang)的測量方法
國内(nei)儀表市場氣體流(liú)量計常見的主要(yào)是以下幾類♊：
（1）差壓(yā)式流量計
　　差壓式(shì)流量計 是以伯努(nu)利方程和流體連(lián)續性方程爲依據(ju)，根據節流原理，當(dang)流體流經節流件(jian)時(如标準孔闆、标(biao)準噴嘴、長徑噴嘴(zuǐ)、經典文丘利嘴、文(wén)丘利噴嘴等)，在其(qi)前後産生壓差，此(ci)差壓值與該流量(liàng)的平方成正比。隻(zhi)要能把節流機構(gòu)⛱️前後的壓差p1-p2取出(chū)來，就可以測出流(liu)量。
（2）渦輪流量計
　　渦(wō)輪流量計 是比較(jiao)正确的一種流量(liàng)檢測裝置。當流體(tǐ)流經渦輪流量傳(chuan)💃感器時，在流體推(tuī)力作用下渦輪受(shòu)力旋轉，其轉速與(yu)管道平均流速成(cheng)正比，渦輪流量計(ji)的😍理論流量方程(cheng)爲

　　式中，nT爲渦輪轉(zhuan)速；qv爲體積流量；A爲(wèi)流體物性(密度、粘(zhan)度等)，渦輪結構參(cān)數(渦輪傾角、渦輪(lún)直徑、流道截面積(ji)等)有關的參數；B爲(wèi)與渦輪頂隙、流體(ti)流速分布有關的(de)系數；C爲與摩擦力(li)矩有關的系數。
（3）渦(wō)街流量計
　　渦街流(liu)量計 主要用于工(gōng)業管道介質流體(ti)的流量測量，如氣(qì)體、液㊙️體、蒸氣等💋多(duo)種介質。其特點是(shì)壓力損失小，量程(chéng)範圍大，精度高，在(zai)測量工況體積流(liú)量時幾乎不受流(liu)體密度、壓力、溫度(dù)、粘度等參數的影(ying)響。無可動機械零(líng)件，因此可靠性高(gao)，維護量小，儀表參(cān)數能長期穩定。渦(wo)街流🏃量計流量方(fāng)程可用下式😘表示(shi)

　　式中，f爲旋渦的釋(shi)放頻率；v爲流過旋(xuán)渦發生體的流體(tǐ)🔆平均速度；d爲旋渦(wo)發生體特征寬度(dù)；St爲斯特羅哈💚數，無(wu)量綱🤞，它的數值範(fàn)圍爲0.14－0.27。
（4）超聲波流量(liang)計
　　超聲波流量計(ji) 由超聲波換能器(qi)、信号處理電路、單(dān)片機控制系統🈚3部(bù)分組成。在有氣體(tǐ)流動的管道中，超(chāo)聲脈沖順流傳播(bō)✂️的速度要比逆流(liu)時快。流過管道的(de)氣體速度越快，超(chao)聲順流和逆流傳(chuan)播的時間差越大(dà)。分爲時差式(測量(liàng)順流和逆流傳播(bo)的時間差)、相差式(shì)(測量順流和逆流(liú)傳播的相位差)、頻(pin)差式(測量順流和(he)逆♻️流傳播的循環(huan)頻率差)、多普勒超(chāo)聲波流量計(以物(wù)㊙️理學中的多普勒(lè)效應爲🚶‍♀️工作原理(lǐ)㊙️，适合于對兩相流(liú)的測量)。
（5）容積式流(liú)量計
　　容積式流量(liàng)計又稱排量流量(liàng)計(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱PD流量計或(huo)PDF，在流量儀表⁉️中是(shi)精度最高的一類(lei)。它利用機械測量(liàng)元件把流體連續(xu)不斷地分割成單(dān)個已知的體積部(bu)分，根👄據計量室逐(zhu)次☎️、重複地充滿和(he)排放該體積📞部分(fèn)流體的次數來🛀測(ce)量流量體積總量(liàng)。容積式流㊙️量計的(de)理論流量計算公(gōng)式

　　式中，q爲工況下(xià)的體積流量，m3/s；n爲旋(xuan)轉體的流速，周/s；V爲(wèi)旋📧轉體每轉一周(zhōu)所排流體的體積(ji)，m3/周。
　　采用渦街流量(liang)計測量高溫氣體(tǐ)的流量，下面通過(guò)分析氣體流量傳(chuan)感器測量氣體的(de)原理，設計其結構(gòu)部分，采用雙壓電(diàn)晶體作爲傳感技(jì)術，測量其頻❄️率信(xin)号。
2渦街流量計工(gōng)作原理與結構設(she)計
2.1工作原理
　　渦街(jiē)流量計是利用流(liu)體力學中卡門渦(wō)街原理制作💰的🔴一(yī)種儀表，如圖1所示(shi)。

　　把一個非(fēi)線性對稱形狀的(de)物體（如圓柱體、三(san)角柱體、矩形柱體(ti)、六面柱體等，以下(xià)簡稱漩渦發生體(tǐ)）垂直插在管道中(zhong)，流體繞過漩渦發(fa)生體時，出現了附(fù)面層分離，在漩渦(wō)發生體左右兩側(ce)的後方會産生漩(xuan)渦，形成渦列。
　　由于(yú)漩渦之間相互影(yǐng)響，漩渦列一般是(shi)不穩定的❤️，但卡門(men)從理論上證明了(le)當兩漩渦列之間(jian)的距離h與同列的(de)2個漩⁉️渦之間的距(jù)離L滿足公式h/L=0.281時，非(fei)對稱的漩渦列就(jiu)能保持穩定。此時(shi)漩渦的頻率f與流(liu)體的流速及漩渦(wō)發生🚶體的寬度d有(yǒu)下述關♌系

式中
v1———柱(zhù)體兩側處的流速(sù)(m/s)；
d———柱體迎流面最大(da)寬度(m)；
Sr———無量綱數，在(zài)柱體形狀确定後(hòu)，在一定的雷諾數(shu)範圍内爲💋常數，稱(chēng)爲斯特勞哈爾(Strouhal)數(shu)。
根據流動的連續(xù)性，可知

式中
S1———柱體(tǐ)兩側流通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流通面積(ji)(m2)；
v———管道内流體的平(píng)均流速(m/s)。
設流通面(mian)積比爲n（當d/D<0.35時，可認(rèn)爲n=1-1.25d/D），則

2.2結構設計
　　氣(qì)體流量計由傳感(gǎn)器和轉換器2部分(fen)組成，如圖2所示。

　　圖中傳感器包(bao)括旋渦發生體(阻(zǔ)流體)、檢測元件、儀(yí)表🌈表體等；轉換器(qi)包括前置放大器(qi)、濾波整形電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、輸出接口(kou)電路、端子、支架和(he)防護罩等。旋🤟渦發(fa)生體是檢測器的(de)主要部🤩件，它與🈲儀(yi)表的流量😘特性(儀(yí)表系數、線性度、範(fan)圍度🙇‍♀️等)和阻力特(te)性(壓力損失)密切(qie)相關，應選用優良(liang)的材料，并使之具(jù)有良好的機械性(xìng)能和抗腐蝕性能(néng)。
　　氣體流量計采用(yong)壓電元件作爲檢(jian)測元件。采用第一(yi)種檢測方式。檢測(ce)元件密封安裝在(zai)發生體内部，不接(jiē)⛷️觸被測氣體。
3壓電(dian)晶體測量原理
3.1壓(ya)電傳感器的結構(gòu)形式
　　在壓電傳感(gǎn)器中，常采用2片或(huo)2片以上的壓電材(cai)料組合一起使用(yong)的2種不同結構形(xíng)式。一是2片壓電片(piàn)負極都集中于中(zhong)間電極上，而正極(jí)分别在上下2面電(diàn)極上⭐的并聯☔連接(jie)形式。此時，輸出電(dian)容Ca'=nCa（n爲并聯壓電材(cai)料片數，Ca爲單片電(dian)容）；輸出電壓Ua'=nUa（Ua爲單(dān)片的電壓）；輸出電(dian)荷Q'=nQ（Q爲單片電荷）；二(er)🌂是各單片壓電元(yuán)件正負🤩極性順序(xu)相連接的串聯連(lian)接方式。此時，輸出(chū)電荷Q'=Q（Q爲單片電🌍荷(he)）；輸出電壓U'a=nUa(Ua爲各片(pian)的電🛀🏻壓)；輸出電容(rong)C'=Ca/n（Ca爲單片電容）。顯然(rán)，并聯接法的輸出(chu)電荷量大，本身的(de)電容也大。因此，其(qí)時間常數大（τ=CaR），适宜(yi)于測量緩慢變化(hua)的信号，并且還适(shi)用于以電荷爲輸(shu)出量的場合。
3.2壓電(dian)傳感器的測量電(dian)路
　　由于壓電傳感(gǎn)器的内阻抗很高(gāo)、輸出電信号很弱(ruo)，一般需将🈚電信号(hao)經高輸入阻抗的(de)前置放大器放大(da)再進行傳輸、處理(lǐ)🏃‍♀️和測量。前置放大(dà)器的主要作用是(shi)将壓電信号經過(guò)前置放🏃🏻‍♂️大器的阻(zǔ)抗變換成低阻抗(kàng)輸出，也起到放大(dà)弱信号的作用。壓(ya)電傳感器的輸出(chū)信号經過前置放(fàng)大器的阻抗變換(huan)和放大後，就可以(yi)采用一般的放大(dà)、檢波指示或通過(guo)功率放大至紀錄(lù)和🎯數據處理設備(bei)。
　　按照壓電式傳感(gan)器的工作原理及(ji)其等效電路，傳感(gǎn)器🛀🏻可♈堪稱電壓發(fā)生器，也可以看作(zuo)是電荷發生器。因(yīn)此前置放大器也(yě)有2種形式：一種是(shi)電壓放大器，一般(ban)稱作阻抗變換器(qì)，其輸出電壓與輸(shu)入電壓成比例；另(ling)一種是電荷放大(da)器，其輸出電壓與(yu)輸入電荷成比例(lì)。
4結語
　　當前國内外(wai)幾種流量計應用(yòng)的基礎上，采取渦(wo)街流量計測量流(liú)量的原理測量高(gāo)溫氣體的流量。針(zhēn)對壓電傳感器進(jin)行分析，利用壓電(dian)晶體進行測量的(de)原理，并對其壓電(diàn)傳感器的🍓結構形(xing)式進行分析。

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