摘要:針對渦(wō)街流量計 抗幹擾(rǎo)性能差.量程窄的(de)問題，研制了一種(zhong)抗幹擾性能優的(de)🐉通用渦街流量傳(chuan)感器,從渦街信号(hao)的源❓頭加以改進(jìn)，提高了🥵渦街信号(hao)的信噪比和靈敏(mǐn)度;并對渦🔞街流量(liàng)傳感器輸出信号(hào)的過程導線及初(chu)級信号處理電路(lù)的信号屏蔽和保(bǎo)護措施加以改♉進(jìn);研制的樣機經氣(qì)體流量标準裝置(zhi)等設備測試驗證(zhèng),不僅能抵抗1.5g以下(xià)的機械🤟振動幹擾(rao),而且實現了大于(yú)20:1的寬量程比性能(neng)。
0引言
　　渦街流量計(ji)是20世紀70年代才發(fa)展起來的一種新(xin)型的流量💃儀表，因(yīn)其有許多優點，吸(xi)引了國内外衆多(duō)研究者和企業的(de)關注，目前已發展(zhan)成爲主流流量儀(yí)表之一，但因起步(bù)晚、經驗不足，目前(qián)存在的主要問題(tí)是量程不寬(10:1左右(you))、抗幹擾性能差等(deng)不足，因此對它的(de)研究還在不斷地(di)進行，研究者💃🏻從許(xu)多方面⭐對其進行(hang)了深人的研究:①旋(xuan)渦發生體的研究(jiu)👌葉;②壓電傳感器探(tan)頭位置的研究一(yi)氣;③數字信号處理(li)方法的研究;，④渦街(jiē)信号檢測方法的(de)研究😄121);⑤數值仿真方(fang)法的研究。
　　上述研(yán)究方向多是的發(fa)生體結構、傳感器(qì)安裝位🤟置或是在(zai)渦街電信号的處(chu)理後期階段的方(fāng)法研究，而對渦街(jiē)電信号☂️産生的源(yuán)頭即渦街流量傳(chuán)感器本身及其輸(shu)出原始信号的⚽保(bǎo)護方面研究很少(shǎo);渦街流量傳感器(qi)是渦街流量計的(de)最核心部件，它🙇🏻的(de)性能好壞直接決(jue)定了😘渦街流量計(ji)的性能，而在此處(chu)的研究和方法是(shì)有效提升抗幹擾(rǎo)性能擴展量程的(de)關鍵點。
　　将工作重(zhong)點就放在這個關(guān)鍵點上,即在壓電(diàn)傳感産生🔱信号的(de)源頭在抗振動和(hé)屏蔽方面加以改(gǎi)進，一種抗幹擾性(xing)能好、輸出壓電信(xin)号信噪比強的壓(yā)電式通用渦街流(liu)量傳感器叫(簡稱(chēng)壓電傳感器),如🆚何(he)提高傳感器原始(shi)信号及其初級信(xin)号處理電路🎯的信(xìn)号屏蔽🔞保護措施(shī)。
1渦街流量計工作(zuò)原理
　　如圖1所示，管(guǎn)道中垂直插人一(yi)個三角形柱狀的(de)旋渦發🌈生🔞體❗，随着(zhe)流體流動，當管道(dao)雷諾數達到一定(ding)值時，在旋渦發生(sheng)體兩側💚會交替地(dì)産生有規則的旋(xuan)渦，這種旋渦稱爲(wei)卡門渦街❄️。

設(she)旋渦發生頻率爲(wèi)f，旋渦發生體迎流(liu)面寬度爲d,表體通(tong)❤️徑爲D,根據卡門渦(wo)街工作原理，可知(zhi):
f=SrU/d(1)
　　式中:f爲旋渦頻率(lü);Sr爲斯特勞哈爾數(shù);U爲旋渦發生體兩(liǎng)🈲側平均流速;d爲旋(xuán)渦發生體迎流面(mian)寬度。
　　流體産生的(de)這一漩渦周期性(xing)的脫落引起對三(san)角柱💞和渦街♌傳感(gan)器探頭周期性的(de)作用力。根據熱力(lì)學第⚽一第二定律(lǜ)和庫塔儒科夫斯(si)基升力定理01,設作(zuò)用在旋渦發生體(tǐ)上的升力爲FL有:

　　式(shì)中:CL爲升力系數;p爲(wèi)流體密度;U爲流體(ti)流速;A爲特征面🔱積(jī)，即😍升力作用面積(jī)。由于交替地作用(yòng)在發生體上升力(li)的頻率就是📞旋渦(wō)的脫落頻率，通過(guo)壓電傳感器的探(tàn)頭扁🤞尾對FL升力及(jí)其♌變化頻率的傳(chuán)感和檢測，即可👣得(de)到f，再由🔴式
(1)可得流(liú)體的流速和體積(ji)流量。
　　從式(1)、(2)可以看(kàn)出如何提高渦街(jie)流量計的抗振動(dong)性能和擴♊展量程(cheng)比，關鍵看壓電式(shi)渦街傳感器的探(tan)頭對F升力🐅檢測的(de)能力。是在改進壓(yā)電式渦街流量傳(chuan)感器及其相關技(jì)術👨‍❤️‍👨來提高傳感器(qi)的測量小流量的(de)信噪比和靈敏度(du)。
2拓展量程的研究(jiū)方案和技改
2.1提高(gao)抗振動性能的研(yan)究和實現
　　由于流(liú)量計與管道法蘭(lán)式剛性連接，且流(liú)量計上壓電式渦(wo)街流量傳感器探(tan)頭也是與表體剛(gang)性連接，管道的振(zhen)動會直接傳導到(dao)壓電傳感器探頭(tou)上，産生和流量信(xìn)号相同機理的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼振(zhen)動幹擾信号;另外(wai)，振動也會導緻壓(ya)電傳感器的♈導線(xiàn)、導線端子與電路(lu)連接觸電等部位(wèi)的振動，有可能通(tong)過某種機電♌傳感(gǎn)機理，轉換爲電噪(zao)聲。所以研究渦街(jie)傳感🔆器自身的結(jié)構,提升自身抗振(zhen)動性能是提高渦(wo)街流量計🔴抗振動(dong)幹擾性能🥵的有效(xiào)方法。若等到⭕振動(dong)幹擾信号都疊加(jia)在流量型号上了(le)，再去想盡各種辦(ban)法👌去剔除幹擾信(xìn)号，即不經濟，也不(bu)理想。
　　爲此，采用了(le)壓電傳感器與旋(xuán)渦發生體(三角柱(zhù))分💃🏻離型的結構方(fang)案，即研制了種小(xiǎo)尺寸懸臂梁凹結(jie)構的壓電🚶式通🐕用(yòng)渦❄️街流量傳感器(qì)(簡稱壓電傳感㊙️器(qi)),壓電⛹🏻‍♀️傳感器結構(gòu)如圖2所示，由安裝(zhuāng)法蘭盤、探頭扁尾(wei)、壓電🏃‍♂️元件、铠裝導(dao)線、密封罩、接線端(duān)子等組成💜。壓電傳(chuán)感器通過中部的(de)安裝法蘭盤與流(liú)量計殼體固定，下(xià)部的懸臂梁置于(yu)旋渦發生體内的(de)孔洞中，壓電傳感(gan)器的探頭扁🔴尾通(tong)過發生體兩側的(de)側孔👅獲取旋渦升(shēng)力作用。并傳感出(chū)相應的渦街流量(liang)信号。在懸臂梁内(nei)部，壓電元件機械(xie)封裝在探頭内空(kōng)腔中，空餘空腔則(zé)無其它填充物。壓(ya)電元件通過💁剛性(xìng)結構的🌈铠裝導線(xian)将信号輸出到外(wai)部的接線㊙️端子🧑🏽‍🤝‍🧑🏻上(shang)，再通過接線端子(zi)🌈将信号輸出到外(wài)部信号處理電路(lu)進行處理。當管道(dào)流體因漩渦發生(shēng)體産生渦街後，伴(bàn)随産生的交變升(sheng)力F,作用在懸臂梁(liáng)下🐉部的探頭扁尾(wei)上，懸臂梁産生變(biàn)形并迫使内部的(de)壓電元件也同步(bu)變形，從而産生出(chū)與交變升力對應(ying)的電荷,通過後續(xu)的一系列信号處(chu)理電路，最終獲得(dé)流量信息。

提高抗(kàng)振動性能的設計(ji)方案及其分析:
(1)傳(chuán)感器懸臂梁的探(tan)頭部分按現有工(gong)藝和技術設計爲(wei)較小的外徑d和盡(jìn)量短的長度L,并且(qie)探頭内空腔采🎯用(yòng)抽真空無填💰充物(wù)封裝結構，這樣的(de)結構保證了該探(tàn)頭懸🏃🏻‍♂️臂梁的質量(liàng)最💜小，設其💁等效重(zhong)心爲G點,質量爲mc質(zhì)點至支🔱撐點距離(lí)爲L2管道振動加速(su)度💁爲a,振動加速度(dù)垂直于探頭軸線(xian)方向的分量爲α2,則(zé)管道振動幹擾對(dui)懸臂梁的彎矩Mc公(gōng)式爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公式(3)可知(zhī)，由于懸臂梁質量(liang)的客觀存在,所以(yǐ)振動🔞産生的幹擾(rǎo)彎矩必然存在，但(dàn)可以減小懸臂梁(liang)質量和等⚽效重心(xīn)的力臂L2長度，在振(zhen)動幹擾強度不變(biàn)的情況下，mc越🔴輕,作(zuò)用♊力臂L2越小,振動(dòng)幹擾産生的彎矩(jǔ)Mc就越🎯小。
(2)如圖1所示(shì)，傳感器探頭插人(rén)在發生體内的孔(kǒng)洞中，僅通過⛹🏻‍♀️發生(sheng)體兩側的導壓孔(kǒng)傳導出旋渦升力(li)作用于探頭扁尾(wei)💃，其他部位♉不受力(li);如圖2所示，設旋渦(wo)升力的作用力臂(bì)爲L，旋渦升力作用(yòng)點爲B,作用力爲Fe1,此(ci)時傳感♌器僅B點受(shòu)✌️旋渦升力作用，升(shēng)力産生的彎矩Mfea公(gōng)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由公式(4)可知(zhi)，此時的力臂L1最大(dà)，彎矩Mfel也最大，此時(shi)壓電傳感🐇器輸出(chu)的信号也最強。
(3)傳(chuán)感器内部信号導(dǎo)線采用剛性結構(gou)的铠裝導線，該結(jié)構🌂可保證在機械(xie)振動傳感器導線(xian)不彎曲和不抖動(dòng)，導💁線部分所等效(xiào)🏃‍♂️的傳感器電容值(zhi)也會固🏃🏻定不變，減(jiǎn)少了因振動源引(yǐn)起的電噪聲的産(chan)生。
　　以上分析說明(ming)，該壓電式渦街流(liú)量傳感器感應旋(xuan)渦升力性能📱強，受(shòu)管道振動影響弱(ruo)。從根本上提高了(le)測量小流量的靈(líng)敏度🌈。
2.2提升抗電磁(ci)幹擾性能的研究(jiu)和實現
　　壓電式渦(wō)街流量傳感器在(zai)工作時輸出的電(dian)荷信号很⛷️弱，電壓(ya)峰峰爲毫伏級，并(bìng)且工作在非諧振(zhèn)狀态，極易受空間(jian)🐕中的電磁🙇🏻幹擾後(hòu)衰減，所以傳感器(qì)的制作既要保證(zheng)它很高的輸人阻(zǔ)抗，同時還需有良(liáng)好的屏蔽和接地(dì)要求，以防止漏電(diàn)流引起的電📐荷信(xin)号衰減和電磁幹(gàn)擾進人電荷放大(dà)器的輸人端。爲此(cǐ)，研制的這種通用(yong)渦街流量傳感器(qì)及其信号處理電(diàn)路采用🤞了如下🈚的(de)屏蔽工藝等技術(shu)方法:
(1)傳感器探頭(tóu)體内的元件封裝(zhuāng)采用無任何填充(chōng)料的💘結構,并且采(cai)用高溫加熱和抽(chou)真空狀态下對傳(chuán)感器😍進行氩弧❄️焊(han)接封裝，該傳感器(qi)具有常溫下104MΩ以上(shàng)絕緣阻抗和300℃高溫(wen)下☁️100MΩ絕緣阻抗。
(2)傳感(gǎn)器輸出導線采用(yòng)硬質純鎳質内芯(xīn)的金屬铠裝線㊙️結(jié)構，傳感器自身的(de)屏蔽效果最好;
(3)傳(chuán)感器探頭内成安(an)裝的對壓電元件(jian)采用差動信号輸(shū)出接線方式，并且(qie)其中一極與傳感(gan)器的金屬外殼可(kě)靠接地;
(4)傳感器末(mò)端導線接線端與(yǔ)電荷放大輸入電(dian)路連🈲接部分也全(quan)部采用剛性金屬(shǔ)屏蔽單防護工藝(yì);
(5)信号處理電路中(zhōng)将初級電荷放大(dà)電路和二二級放(fang)大濾波電路設計(ji)成獨立的電路模(mó)塊并且也封閉安(an)裝在一個金屬屏(píng)蔽罩内與其他電(dian)路特别是數字電(dian)路隔離開來，防止(zhǐ)了後👉級數字電路(lù)及其他空間電磁(ci)場的幹擾‼️。傳感器(qi)及其初級信号處(chù)理電🥰路的結構圖(tú)如圖3所示。

　　屏蔽可(kě)以用控制電場或(huo)磁場從空間的一(yī)個或到📐另🤞一個區(qu)或的傳播，這是克(kè)服電場耦合幹擾(rǎo)、磁場耦合🚶‍♀️幹擾以(yi)及電磁輻射幹擾(rao)的最有效手段啊(ā)。屏蔽的目的是利(li)用導電材料或高(gāo)導磁率材料來減(jian)小磁場、電場或電(dian)磁場的強度。屏蔽(bì)可以應用于噪聲(sheng)源，通過用屏蔽材(cai)料把幹擾源包圍(wei)起來以減弱⛷️幹擾(rǎo)磁場的強🔆度，屏蔽(bì)也可以應用于需(xū)要抑制噪🏃🏻聲的敏(min)感🏃🏻‍♂️元件和檢測電(diàn)路,通過用屏蔽材(cai)料把敏感元件和(he)電路包圍起來以(yi)減弱電路附近的(de)場強。屏蔽的範圍(wéi)可以是電纜、個别(bie)器件、部分電路或(huò)整個電路系統。總(zong)之屏蔽對于削弱(ruò)或切斷電場、磁場(chang)與電磁輻射三種(zhong)幹擾耦合方式都(dou)是行之有效的。
3樣(yàng)機測試
　　根據.上述(shu)研究和技改方案(an)，制作了DN150、DN200和DN250三種大(da)口徑各10台樣機，三(san)👄種樣機在50Hz、1.5g機械振(zhèn)動條件下測試,輸(shū)出信号頻率爲零(líng),樣機在标💰準表法(fa)氣體流量标準裝(zhuāng)置上用常溫常壓(yā)下空氣流量🆚标定(dìng)，量程比達到20:1以上(shàng)，1.0級精度合格。其中(zhong)DN150口徑一台樣機的(de)測試數據如下表(biao)2,最小流速測到了(le)2m/s,量程比擴展到30:1。

4結(jié)束語.
　　機械振動幹(gan)擾和電磁幹擾時(shi)對渦街流量計性(xing)能影響的🌂主要因(yīn)素，直接限制了量(liàng)程下限，影響了渦(wo)街流量計🌂在低👈流(liú)速、小流量時的計(ji)量性能。通過從渦(wo)街信号産生的源(yuán)頭做起，研制了一(yī)種抗幹擾性能好(hǎo)的通用型渦街🐅流(liu)量傳感器，以及對(dui)禍街信号第一級(jí)傳輸導線和前置(zhi)放大處理電路等(deng)的可靠屏蔽保護(hù)改進📐措施的兩項(xiang)研究和實現，研制(zhi)的DN150口徑樣機在氣(qi)體流量标準裝置(zhì)上常溫常壓空氣(qi)标✂️定量程範圍超(chāo)過20:1,可測最大流量(liàng)達到4100m3/h(60m/s),最😘小流速已(yǐ)測到2m/s,實現了寬量(liang)程性能;

以上内容(rong)源于網絡，如有侵(qin)權聯系即删除!