摘要(yào)：針對渦街(jiē)流量計 抗(kang)幹擾性能(néng)差的缺點(diǎn),設計了一(yi)種新的傳(chuan)感器結構(gòu)一一懸浮(fu)式差動傳(chuan)感器,使流(liú)量計一次(cì)儀表輸出(chū)信号的信(xin)噪比大大(da)提高.實驗(yàn)結果表明(ming),采用此種(zhong)傳感器結(jie)構的渦街(jiē)流量計的(de)抗千擾性(xìng)能得到顯(xian)著改善.
　　渦(wo)街流量計(jì)是利用旋(xuán)渦脫離誘(you)發流體振(zhen)動的原理(li)🌈實現流量(liang)的計量,其(qi)主要特點(dian)是:無運動(dòng)部件，因👣此(cǐ)不必考慮(lǜ)流👉體中🧑🏽‍🤝‍🧑🏻雜(za)質對流量(liàng)計的物理(lǐ)損害,從而(ér)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(liang)程和很✂️強(qiang)的介質适(shi)應性,可✨用(yong)于不同流(liu)體的穩态(tai)和瞬态流(liú)量的計量(liàng).此外，它🏃‍♀️還(hái)有具有壓(ya)力🤞損失小(xiao)、可靠性高(gao)、維護方便(bian)和不受流(liu)體組成、密(mì)度、溫度、壓(ya)力影響等(děng)優點,是測(ce)量氣體🐪、液(ye)體、蒸汽、混(hun)合型和🛀🏻腐(fu)蝕性流體(tǐ).的理想的(de)流量計.
　　但(dàn)是,渦街流(liu)量計存在(zai)兩大缺陷(xian):(1)小流量信(xin)噪比低;(2)抗(kang)幹擾性能(néng)差.其中抗(kang)幹擾性能(neng)是衡量一(yī)台工業渦(wō)街🈲流量計(ji)應用好壞(huai)的一個重(zhong)要指标.目(mù)前很多工(gong)業用戶之(zhi)所💜以對渦(wō)街流量計(ji)的應用失(shī)去信心🆚，是(shì)因爲在實(shi)際應用中(zhōng),工業振動(dòng)是普遍⭐存(cun)在的;而一(yi)般的工業(ye)振動頻率(lǜ)大都在幾(jǐ)赫茲到幾(jǐ)千赫茲之(zhī)間,渦街流(liu)量計的旋(xuán)渦分離⛷️頻(pín)率正好落(luo)在這個範(fàn)圍之内..
　　近(jin)10年來,針對(dui)以上問題(tí)國内外學(xué)者做了大(dà)量的研究(jiu),并且🈲大部(bu)分研究主(zhǔ)要是從信(xìn)号處理的(de)角度出發(fa).如采用自(zi)适應譜分(fen)析🍓方法對(dui)渦街信号(hào)進行處理(lǐ)以提高渦(wo)街流量計(ji)♻️的抗噪🌈能(néng)力川,又如(rú)根據實驗(yàn)數據對😘渦(wō)街流量㊙️産(chan)生的信号(hào)建立數學(xué)模型将🔴譜(pu)預測的方(fang)法運用到(dào)渦⛱️街流量(liàng)計上,用以(yi)提高渦街(jie)流量計的(de)📱抗幹擾性(xìng)能,使計量(liang)精度和可(ke)靠🥰性得✍️到(dào)提高.除🙇🏻通(tong)過信号處(chù)理的技術(shù)外，人們還(hái)從傳感器(qi)方面尋找(zhao)改善渦㊙️街(jie)流量計性(xìng)能的思路(lù)，如通過改(gai)進壓電傳(chuán)感器達到(dao)🈲減弱管道(dào)振動對渦(wō)街流量🚩計(ji)影響的目(mu)的.
1懸浮式(shì)差動傳感(gan)器的設計(ji)
1.1流量傳感(gan)器幹擾噪(zao)聲分析
　　渦(wō)街流量計(ji)是根據卡(kǎ)門旋渦頻(pin)率實現流(liu)量測量的(de)流量計.在(zai)具有旋渦(wō)發生體的(de)流場中,當(dāng)兩旋渦列(liè)之間的距(jù)離h與同列(liè)的兩旋渦(wō)之間的距(jù)離L之比滿(mǎn)足h/L=0.281時,形成(chéng)卡門渦街(jie)如圖1所示(shi).大量實驗(yàn)證明:在👣一(yi)-定的雷諾(nuo)數範圍内(nèi),穩定的旋(xuan)渦發生頻(pin)率ƒ與旋渦(wō)發生體側(cè)🌐流速u與旋(xuán)渦發生體(ti)的柱寬d有(you)如下确定(ding)的關系:ƒ=(u/d)St.式(shi)中St爲斯特(te)勞哈爾數(shu)(無綱量),對(dui)于一定形(xíng)狀的旋㊙️渦(wō)發生體,在(zai)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(xì),所以通過(guo)測量旋渦(wo)發生引起(qǐ)的流體振(zhèn)動頻率，即(jí)可實現對(duì)流體👨‍❤️‍👨流量(liang)的測量.
 
　　由(you)渦街流量(liang)計的工作(zuò)原理可見(jiàn)，渦街流量(liang)計是利🚩用(yòng)流體🥵自身(shēn)振動實現(xian)流體的測(cè)量的.而待(dai)測系統中(zhōng)存在的壓(ya)力脈動或(huò)外界的振(zhèn)動源和噪(zào)聲源也會(huì)引起待測(ce)系統中流(liu)體的振動(dòng),這些外來(lái)的振動信(xin)号，或改變(biàn)旋渦振🔞動(dòng)頻率，或直(zhí)接進人二(er)次儀表🈲,造(zao)成計量誤(wù)☀️差.理想情(qing)況下，渦街(jiē)流量🍉計輸(shu)出正弦波(bō)信号,但實(shi)際上由于(yu)流體流動(dong)噪聲、機械(xie)振動噪聲(sheng)等千擾的(de)影響,它遠(yuan)非理想的(de)正弦波信(xin)号，而是一(yī)個混有強(qiang)噪聲的混(hun)合信号。
1.2懸(xuan)浮式差動(dòng)傳感器的(de)結構
　　在渦(wō)街流量計(ji)中,懸浮差(cha)動式流量(liàng)傳感器的(de)安裝如圖(tu)2所示,傳感(gǎn)器B安裝在(zài)旋渦發生(shēng)體A的後面(miàn).傳感器的(de)軸線與旋(xuan)渦發生體(tǐ)平行,整個(ge)傳感器都(dōu)沉浸在流(liu)體中[5].圖中(zhong)的懸浮式(shì)差動傳感(gǎn)器在設計(jì)中使用了(le)4個壓💔電晶(jing)體作爲檢(jian)測元件，在(zai)平闆兩側(ce)對稱固定(ding)了兩個檢(jian)測單元，以(yi)形成差動(dong)結☎️構.每個(gè)檢測單元(yuán)外形爲一(yī)個半圓柱(zhu)型殼🔱體，殼(ké)體内具有(you)與平闆軸(zhou)線平行的(de)通孔,通孔(kǒng)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(liang)壓⚽電陶瓷(cí)片之⭐間由(you)一金屬質(zhì)量塊相連(lian),該質🎯量塊(kuai)與兩壓電(dian)陶瓷片焊(han)接在一起(qi)組🈲成一個(ge)剛體.金屬(shu)質量塊同(tong)時也作爲(wèi)壓電陶💃瓷(cí)的輸出電(dian)🈲極,引出檢(jian)測信号給(gěi)電荷放大(da)電路.兩片(piàn)壓電晶體(tǐ)采用并聯(lián)式結構,如(ru)圖3所示,使(shi)輸出🌈電荷(he)量加倍,以(yǐ)達到增大(dà)渦街流量(liang)信号✂️的目(mu)的.
 
　　每個檢(jian)測單元的(de)_上”下兩個(ge)壓電陶瓷(ci)片在安裝(zhuang)時必須具(jù)有相✏️等的(de)受壓預緊(jin)力，以保證(zheng)由兩個壓(yā)電陶瓷🔞片(piàn)與金屬質(zhì)量塊形成(cheng)的剛體中(zhōng)會形成一(yī)個🤩内應力(li)分界面🌏.由(you)于金屬質(zhi)量塊具有(yǒu)一定的厚(hou)度，所以内(nei)應力分界(jiè)面一定會(hui)在金屬質(zhì)量💛塊的内(nèi)部,而兩個(gè)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(xiang)等🈚的力的(de)作用時,這(zhè)兩☂️個壓電(dian)陶瓷片能(néng)夠産生相(xiàng)等的電荷(he).
1.3懸浮式差(cha)動傳感器(qì)的抗幹擾(rǎo)工作原理(li)
1.3.1懸浮式結(jie)構對振動(dòng)幹擾的抑(yì)制
　　懸浮式(shi)結構對于(yú)流場中的(de)振動幹擾(rǎo)噪聲可以(yǐ)實現❌有效(xiao)的抑制.管(guǎn)道在外界(jiè)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(suǒ)示的三個(ge)方向，即方(fāng)向🈲a----與旋渦(wo)🤩升力方向(xiang)相同、方向(xiang)b----與流體流(liu)動方向垂(chui)直、方向c--與(yǔ)流體流動(dòng)方向平行(hang).根據懸浮(fú)式差動傳(chuán)感器結構(gou)與安裝方(fang)式，可知方(fāng)向b與方向(xiang)c上的振動(dong)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(ke)引起傳感(gǎn)器殼體的(de)跟随振動(dong).此時,由🔞于(yu)傳感器中(zhōng)金😍屬🌈質量(liang)塊的慣性(xing)作用，檢測(cè)單元中上(shang)下對稱的(de)兩個壓電(diàn)陶瓷片會(huì)分别受到(dào)壓力和拉(la)力的作用(yòng),這使得兩(liang)個壓電陶(tao)😄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(gòu),所以當上(shang)下兩個壓(ya)電陶瓷片(pian)的信号在(zài)金屬質量(liàng)塊中相加(jia)時,幹擾信(xìn)号所産生(sheng)的電荷信(xìn)号會相互(hù)抵⭐消,傳感(gan)器起到了(le)自減振的(de)作用,從而(ér)極大地削(xue)弱了此方(fang)向的幹擾(rǎo)信号.
 
1.3.2差動(dòng)式結構對(dui)振動幹擾(rao)的抑制
　　如(rú)圖3所示，當(dāng)旋渦流經(jīng)傳感器時(shí)，旋渦産生(sheng)的交變壓(ya)力作用在(zài)兩個檢測(ce)單元的彈(dan)性膜片上(shàng),使兩側👣的(de)壓電陶瓷(cí)片交替産(chan)生電荷.兩(liǎng)個檢測單(dān)元會輸出(chū)帶有噪聲(sheng)的正弦信(xin)号Si與S2,如♋圖(tú)5所示♻️.由于(yu)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(wo)街流量信(xìn)号的幅值(zhí)與頻率相(xiàng)同📱、相位相(xiang)差180°;又因爲(wei)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(han)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(zhì)放大電路(lu)中,輸出信(xin)号隻含有(you)差模信号(hào)S1-S2,從而有效(xiao)地抑制了(le)振動幹🧑🏾‍🤝‍🧑🏼擾(rǎo).
 
2實驗結果(guǒ)
　　圖6與圖7分(fen)别爲傳統(tǒng)渦街流量(liang)計與使用(yòng)了懸浮式(shi)差動傳感(gan)👄器的渦街(jiē)流量計在(zai)管道受到(dào)外力敲擊(ji)時的渦街(jie)流量信号(hào)♌(該信号爲(wèi)經差動放(fàng)大後的信(xìn)号).由圖6可(kě)見,傳統渦(wo)街⛷️流量計(jì)對振動非(fēi)常敏感，渦(wō)街流量信(xìn)号中疊加(jiā)🙇🏻了很強的(de)幹擾信号(hào).而在使用(yong)了懸浮式(shi)差⭕動傳感(gǎn)器的渦街(jie)流量計中(zhong),管道受到(dào)🌂敲擊時的(de)幹擾被大(da)大削弱,在(zai)經差動放(fàng)大後幾乎(hū)沒有幹擾(rao)㊙️信号.
 
結論(lun)
　　爲了使渦(wō)街流量計(ji)能夠測量(liang)低流速、小(xiǎo)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(ti)👉高信号的(de)信噪比.我(wǒ)們的工作(zuo)🚶‍♀️針對一次(cì)儀表展開(kai),提出了一(yī)種新穎🔅的(de)傳感器結(jié)構懸浮式(shì)🏃‍♀️差動傳感(gǎn)器.實驗證(zheng)明,該傳感(gan)器可使渦(wō)街信号的(de)信噪比大(da)大提高,從(cóng)而使現有(you)渦街流量(liang)🌈計的抗幹(gan)擾性能得(dé)以極大的(de)🈚改善.它對(dui)于渦❌街流(liú)量計的理(lǐ)論研究及(jí)工程應用(yong)都具有重(zhong)要的意義(yì).

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