摘要:采(cǎi)用壓電晶體傳(chuán)感器利用卡門(mén)渦街原理，一種(zhǒng)氣體流量計 的(de)結構，分别對氣(qì)體流量測量儀(yi)結構的各個部(bu)分進行❄️了分析(xī)。并對壓電晶體(ti)産生的電荷信(xin)号進行處理，分(fen)析和設🛀🏻計各個(gè)環🌈節的電路。該(gai)流量計所用檢(jiǎn)測壓電元件不(bu)接觸氣體，适👨‍❤️‍👨于(yu)惡劣環境、不易(yì)結垢，耐高溫、高(gao)壓、安全防爆，适(shì)用于測量封❄️閉(bi)管道的氣體累(lei)計流❓量和瞬時(shi)流量。
1氣體流量(liàng)的測量方法
國(guó)内儀表市場氣(qì)體流量計常見(jian)的主要是以下(xia)幾類：
（1）差壓式流(liu)量計
　　差壓式流(liú)量計 是以伯努(nǔ)利方程和流體(tǐ)連續性方程爲(wèi)依據，根據節流(liu)原理🔆，當流體流(liú)經節流件時(如(rú)标準孔闆、标準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴(zui)、經典💞文丘利嘴(zuǐ)、文丘利噴嘴等(deng))，在其前後産生(sheng)壓差，此差壓值(zhi)與該流量的平(ping)方成正比。隻要(yao)能把節流機構(gòu)🍉前後的壓🌈差p1-p2取(qu)出來，就可以測(cè)出流量。
（2）渦輪流(liú)量計
　　渦輪流量(liàng)計 是比較正确(què)的一種流量檢(jian)測裝置。當流體(tǐ)流經渦輪流量(liang)傳感器時，在流(liu)體推力作用下(xià)渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉速與管🔴道(dao)平均流速成正(zhèng)比，渦輪流量計(ji)的理論流量方(fang)程爲

　　式中，nT爲渦(wo)輪轉速；qv爲體積(ji)流量；A爲流體物(wù)性(密度、粘度等(děng))，渦🏃‍♀️輪結構參數(shù)(渦輪傾角、渦輪(lun)直徑、流道截面(miàn)🍓積等)有關的參(can)🌈數；B爲與渦輪頂(dǐng)隙、流體流速分(fen)布有關的系數(shu)；C爲與摩擦力矩(jǔ)有關的系數。
（3）渦(wō)街流量計
　　渦街(jiē)流量計 主要用(yong)于工業管道介(jie)質流體的流量(liang)測量，如氣體、液(ye)體、蒸氣等多種(zhong)介質。其特點是(shi)壓力損失小，量(liang)程範圍大，精度(dù)高，在測量工✏️況(kuàng)體積流量時幾(ji)乎不受💘流體密(mi)度、壓力、溫度、粘(zhān)度等參🍓數的影(yǐng)響。無可動機械(xie)零件，因此可靠(kào)性高，維護量🚶‍♀️小(xiao)，儀表參數能長(zhang)期穩定。渦街流(liú)量計流量方⛷️程(cheng)可用下式表示(shi)

　　式中，f爲旋渦的(de)釋放頻率；v爲流(liu)過旋渦發生體(tǐ)的流體☔平🐪均速(su)度👨‍❤️‍👨；d爲旋渦發生(sheng)體特征寬度；St爲(wèi)斯特羅哈數，無(wu)量綱，它的數值(zhi)範圍爲0.14－0.27。
（4）超聲波(bō)流量計
　　超聲波(bō)流量計 由超聲(shēng)波換能器、信号(hào)處理電路、單片(pian)機控制系統3部(bù)分組成。在有氣(qi)體流動的管道(dào)中，超聲脈沖順(shun)流傳播的速度(dù)要比逆流時🧑🏾‍🤝‍🧑🏼快(kuài)。流過管道的氣(qi)體速度越快，超(chāo)聲順流和逆流(liú)傳播的時間差(chà)越大。分爲時差(cha)式(測量順流和(he)逆流傳播的🔞時(shí)間差)、相🤟差式(測(ce)量順流和逆流(liu)傳播的相位差(chà))、頻差式(測量順(shun)流和逆💰流傳播(bo)的循環頻率差(chà))、多普勒超聲波(bo)流量計✌️(以物🧡理(li)學中的多普勒(le)效應爲工作原(yuan)理，适合于對兩(liang)相流的測量)。
（5）容(róng)積式流量計
　　容(róng)積式流量計又(you)稱排量流量計(jì)(positivedisplace－mentflowmeter)，簡稱PD流量計或(huò)PDF，在流量儀表中(zhōng)是精度最高的(de)一類。它利用機(ji)械測量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼元件❓把(bǎ)流體連續不斷(duàn)地分割成單個(gè)已知的體積部(bu)分，根據計量室(shì)逐次、重複地充(chong)滿和排放該體(tǐ)積🛀🏻部分流體的(de)次數來測量流(liú)量體積總量。容(róng)積式流量計的(de)理論流量計算(suàn)公式

　　式中，q爲工(gōng)況下的體積流(liú)量，m3/s；n爲旋轉體的(de)流速，周/s；V爲旋轉(zhuan)體每轉一周所(suo)排流體的體積(ji)，m3/周。
　　采用渦街流(liu)量計測量高溫(wen)氣體的流量，下(xià)面通過分👉析氣(qì)㊙️體流♋量傳感器(qì)測量氣體的原(yuan)理，設計其結構(gòu)部分，采用雙壓(ya)電晶體作爲傳(chuan)感技術，測量其(qi)頻🤟率信号。
2渦街(jiē)流量計工作原(yuán)理與結構設計(ji)
2.1工作原理
　　渦街(jie)流量計是利用(yòng)流體力學中卡(ka)門渦街原理制(zhi)作的⭐一種儀表(biao)，如圖1所示。

　　把一個非(fēi)線性對稱形狀(zhuàng)的物體（如圓柱(zhù)體、三角柱體、矩(jǔ)✊形柱體🔆、六面柱(zhu)體等，以下簡稱(chēng)漩渦發生體）垂(chui)直插在管道中(zhōng)，流體繞過漩渦(wo)發生體時，出現(xian)了附面層分離(li)，在漩💔渦發生體(tǐ)左右🌈兩側的後(hou)方會産生漩渦(wō)，形成渦列。
　　由于(yú)漩渦之間相互(hu)影響，漩渦列一(yī)般是不穩定的(de)，但卡門從理論(lùn)上證明了當兩(liǎng)漩渦列之間的(de)距離h與同列的(de)⚽2個漩渦之🚶‍♀️間的(de)🛀🏻距離L滿足公式(shi)h/L=0.281時，非對稱的漩(xuan)渦列就能保持(chi)穩定。此時漩渦(wō)的頻率f與流體(ti)的流速及🙇🏻漩渦(wō)發生體的寬度(dù)d有下述關系

式(shi)中
v1———柱體兩側處(chù)的流速(m/s)；
d———柱體迎(ying)流面最大寬度(du)(m)；
Sr———無量綱數，在柱(zhù)體形狀确定後(hòu)，在一定的雷諾(nuo)數範圍内㊙️爲常(cháng)數，稱爲斯特勞(lao)哈爾(Strouhal)數。
根據流(liú)動的連續性，可(ke)知

式中
S1———柱體兩(liang)側流通面積(m2)；
S———管(guan)道整個流通面(miàn)積(m2)；
v———管道内流體(ti)的平均流速(m/s)。
設(shè)流通面積比爲(wei)n（當d/D<0.35時，可認爲n=1-1.25d/D），則(zé)

2.2結構設計
　　氣體(tǐ)流量計由傳感(gan)器和轉換器2部(bù)分組成，如圖2所(suǒ)示。

　　圖中(zhong)傳感器包括旋(xuan)渦發生體(阻流(liu)體)、檢測元件、儀(yí)表表📧體等；轉📐換(huan)器包括前置放(fàng)大器、濾波整形(xíng)電路、D/A轉換電路(lù)、輸出接口電路(lu)☀️、端子、支架和防(fang)護罩等。旋🌏渦發(fā)生體是檢測器(qì)的主要部件，它(tā)與🙇🏻儀表的流量(liàng)特性(儀表系數(shu)、線性度、範圍度(du)等)和阻力特性(xìng)(壓力🐉損失)密切(qie)相關，應選用優(you)良的材料，并使(shi)之具有良💯好的(de)機械性能和抗(kang)腐蝕性能。
　　氣體(ti)流量計采用壓(ya)電元件作爲檢(jiǎn)測元件。采用第(dì)一種檢測方式(shi)。檢測元件密封(fēng)安裝在發生體(ti)内部，不接觸被(bèi)✍️測氣體。
3壓電晶(jing)體測量原理
3.1壓(yā)電傳感器的結(jie)構形式
　　在壓電(dian)傳感器中，常采(cai)用2片或2片以上(shàng)的壓電材料組(zǔ)合一起使用的(de)2種不同結構形(xing)式。一是2片壓電(dian)片✨負極都集中(zhōng)于♊中間電極上(shang)，而正極分别在(zai)上下2面電極上(shang)的并聯連接形(xing)式。此時🔞，輸出電(diàn)♉容Ca'=nCa（n爲并聯壓電(diàn)材料片數，Ca爲單(dan)片電容）；輸出電(diàn)壓Ua'=nUa（Ua爲單片的電(dian)壓）；輸出電荷Q'=nQ（Q爲(wei)單片電荷）；二是(shì)各單片壓電元(yuán)件正負極性順(shun)序相連接的串(chuan)聯連接方式。此(cǐ)時，輸出😍電荷Q'=Q（Q爲(wei)單片電荷）；輸出(chū)電壓U'a=nUa(Ua爲🈲各片的(de)電壓)；輸出電容(róng)C'=Ca/n（Ca爲單片電容）。顯(xiǎn)然，并聯接法的(de)輸出電荷量🏃🏻‍♂️大(dà)，本身的電容也(ye)大。因此，其時間(jiān)🚩常數大🐉（τ=CaR），适宜于(yú)測量緩慢變☁️化(hua)的信号，并且還(hai)适用于以電荷(hé)爲輸出⛱️量的場(chǎng)合。
3.2壓電傳感器(qì)的測量電路
　　由(yóu)于壓電傳感器(qi)的内阻抗很高(gao)、輸出電信号很(hěn)弱，一✔️般需✉️将❄️電(dian)信号經高輸入(rù)阻抗的前置放(fàng)大器放💜大再進(jìn)行傳輸、處理和(hé)測量。前置放大(da)器的主要作用(yong)是将壓電信☎️号(hao)經過前置放大(da)器的阻抗變換(huan)成低阻抗輸出(chū)，也起到⛱️放大弱(ruo)信号的作用🛀。壓(ya)電傳感📞器的輸(shu)出信号經過前(qián)置放大器的阻(zǔ)🈚抗變換和放大(da)後，就可以采用(yòng)一般的放大、檢(jian)波指示或通過(guò)功率放大至紀(jì)錄和數據處理(lǐ)設備。
　　按照壓電(dian)式傳感器的工(gong)作原理及其等(děng)效電路，傳感器(qi)可堪稱電壓發(fa)生器，也可以看(kan)作是電荷發生(shēng)器。因此前置放(fang)❓大器🤟也有2種形(xing)式：一種是電壓(yā)放大器，一般稱(cheng)作阻❌抗變換器(qì)，其輸出電壓🏃🏻‍♂️與(yu)輸入電壓成比(bǐ)例；另㊙️一種是電(dian)荷放大器❌，其輸(shu)出電壓與輸入(rù)電荷成比例。
4結(jie)語
　　當前國内外(wai)幾種流量計應(ying)用的基礎上，采(cai)取渦街流量計(ji)♌測量流量的原(yuán)理測量高溫氣(qì)體的流量。針對(duì)壓電傳感器進(jin)行🌐分析，利用壓(ya)電晶體進行測(cè)量🈲的原理，并對(dui)其壓電傳感器(qì)的結構形☎️式進(jìn)行分析💃🏻。

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