摘要:針對(dui)渦街流量(liàng)計 抗幹擾(rao)性能差.量(liang)程窄的問(wèn)題，研制了(le)一種抗幹(gan)擾性能優(you)的通用渦(wō)街流量傳(chuan)感器,從渦(wō)街信号的(de)源頭加以(yǐ)改進，提高(gao)了渦街信(xìn)号的信噪(zao)比和靈敏(min)度;并對渦(wo)街流量🌐傳(chuan)感器輸出(chū)信号的過(guò)☀️程導線及(jí)初級信号(hao)處理電路(lù)的信号屏(ping)蔽和保護(hu)措施加以(yǐ)改進;研制(zhì)的樣機經(jīng)氣體流🌈量(liàng)标準裝置(zhì)等設備測(ce)試🤩驗證,不(bú)僅能👈抵抗(kang)1.5g以下的機(ji)械☀️振動幹(gan)擾,而且📐實(shi)現了大于(yu)20:1的寬量程(cheng)比性能。
0引(yǐn)言
　　渦街流(liú)量計是20世(shì)紀70年代才(cái)發展起來(lai)的一種新(xīn)型♉的流量(liang)儀表，因其(qi)有許多優(yōu)點，吸引了(le)國内外衆(zhong)多研究者(zhě)和企業的(de)關☎️注，目前(qián)已發展成(chéng)爲主流流(liú)量儀表之(zhi)一，但因起(qi)步晚、經驗(yàn)不足，目前(qian)存在的主(zhu)要問題是(shì)量程不寬(kuan)(10:1左右)、抗幹(gan)擾性能差(chà)等不足，因(yīn)此對它的(de)研究📱還在(zai)不斷地進(jin)行，研究者(zhe)🏃‍♀️從許多方(fāng)面對其進(jin)行了深人(rén)的研究:①旋(xuan)渦發生體(tǐ)的研究葉(yè);②壓電傳感(gǎn)器🐆探頭位(wèi)置的研究(jiu)一氣;③數字(zi)信号處理(li)方法的研(yan)究;，④渦街信(xìn)号檢測方(fang)法的研究(jiu)121);⑤數值仿真(zhēn)方法的研(yan)究。
　　上述研(yán)究方向多(duo)是的發生(shēng)體結構、傳(chuan)感器安裝(zhuang)位置或是(shi)在渦街電(diàn)信号的處(chu)理後期階(jiē)段的方法(fa)研究，而對(duì)渦街電信(xìn)号産生👣的(de)源頭即渦(wō)街流量傳(chuan)感器本身(shen)及其輸出(chu)原始信号(hao)的保護方(fāng)面研究很(hen)少;渦街流(liu)量傳感器(qì)是渦街流(liu)量計的最(zuì)核心部件(jiàn)，它的性能(néng)好壞直接(jiē)決定了💋渦(wō)街流量計(ji)的性能，而(er)在此處的(de)研究♉和⭐方(fāng)法是有效(xiào)提升抗幹(gàn)擾性能擴(kuò)展量程的(de)關鍵點。
　　将(jiāng)工作重點(dian)就放在這(zhe)個關鍵點(diǎn)上,即在壓(ya)電傳感㊙️産(chan)生信号的(de)源頭在抗(kàng)振動和屏(píng)蔽方面加(jia)以改進，一(yi)種抗幹❓擾(rao)性能好、輸(shū)出壓電信(xin)号信噪比(bi)強的壓電(diàn)式通用渦(wo)街流量傳(chuan)感器叫✏️(簡(jiǎn)稱壓電傳(chuan)感器),如何(he)提高傳感(gǎn)器原始信(xin)号及其初(chu)級信号🔅處(chù)理電路的(de)信号屏蔽(bì)🈲保護措施(shi)。
1渦街流量(liang)計工作原(yuán)理
　　如圖1所(suo)示，管道中(zhong)垂直插人(rén)一個三角(jiao)形柱狀的(de)旋渦💘發👌生(sheng)體，随着流(liu)體流動，當(dāng)管道雷諾(nuo)數達到一(yi)定💛值時，在(zài)旋渦發生(sheng)體🧑🏾‍🤝‍🧑🏼兩側會(hui)交替地産(chan)生有規則(zé)的🔅旋渦，這(zhè)種旋渦稱(chēng)爲卡門渦(wō)街。

設旋(xuan)渦發生頻(pín)率爲f，旋渦(wo)發生體迎(ying)流面寬度(du)爲d,表👣體通(tōng)☀️徑爲D,根據(ju)卡門渦街(jie)工作原理(li)，可知:
f=SrU/d(1)
　　式中(zhōng):f爲旋渦頻(pin)率;Sr爲斯特(tè)勞哈爾數(shu);U爲旋渦發(fā)生體兩側(ce)平均流👈速(su);d爲旋渦發(fa)生體迎流(liú)面寬度。
　　流(liú)體産生的(de)這一漩渦(wo)周期性的(de)脫落引起(qǐ)對三角柱(zhu)和渦街傳(chuán)感器探頭(tóu)周期性的(de)作用力。根(gen)據熱力學(xue)第一第二(er)定律和庫(ku)塔儒科夫(fū)斯基升力(li)定理01,設作(zuò)用在🌍旋渦(wō)發生體上(shang)的升力爲(wei)FL有:

　　式中:CL爲(wèi)升力系數(shu);p爲流體密(mì)度;U爲流體(tǐ)流速;A爲特(te)征面積，即(jí)升力作用(yong)面積。由于(yu)交替地作(zuo)用在發生(sheng)體上升♊力(li)的😄頻率就(jiu)是旋渦的(de)脫落頻率(lǜ)，通過壓電(diàn)傳感器的(de)✨探頭扁尾(wěi)對FL升🌂力及(ji)其變化頻(pín)率的傳感(gǎn)和檢測，即(jí)可⭕得到f，再(zai)由式
(1)可得(de)流體的流(liú)速和體積(ji)流量。
　　從式(shi)(1)、(2)可以看出(chu)如何提高(gāo)渦街流量(liang)計的抗振(zhen)動性能和(he)擴展量程(cheng)比，關鍵看(kàn)壓電式渦(wō)街傳感器(qi)的探⁉️頭對(dui)F升力檢測(cè)的能🌍力。是(shì)在改進壓(yā)電式渦街(jie)流量傳感(gan)器及其相(xiang)關技術來(lái)提高傳感(gan)器的測量(liàng)小流量的(de)信噪比和(he)靈敏🎯度。
2拓(tuò)展量程的(de)研究方案(àn)和技改
2.1提(ti)高抗振動(dòng)性能的研(yan)究和實現(xian)
　　由于流量(liang)計與管道(dao)法蘭式剛(gāng)性連接，且(qiě)流量計上(shàng)壓🙇🏻電式渦(wō)街流量傳(chuán)感器探頭(tou)也是與表(biao)體剛性連(lian)接，管❤️道的(de)振動會直(zhi)接傳導到(dao)壓電傳感(gǎn)器探頭上(shang)，産生和流(liú)量信㊙️号相(xiang)同機理的(de)振動幹‼️擾(rǎo)信号;另外(wai)，振動也會(hui)導緻壓電(diàn)傳感器的(de)導線、導線(xiàn)⛱️端子與電(diàn)路連接觸(chu)電等部位(wèi)的振動，有(yǒu)可能通❗過(guo)某種機電(diàn)傳感機理(lǐ)，轉換爲電(dian)噪聲。所以(yǐ)研究渦街(jiē)傳感器自(zi)身的結構(gòu),提升自⛷️身(shēn)抗振動性(xìng)能是🌈提高(gāo)渦街流量(liàng)計抗振動(dòng)幹擾性能(neng)✔️的有效方(fāng)法。若等到(dao)振動幹擾(rao)信号都疊(die)✂️加在流量(liàng)型😘号上了(le)，再去想盡(jìn)各種辦法(fǎ)去剔除幹(gan)擾信号，即(jí)不經☎️濟，也(yě)不理想。
　　爲(wèi)此，采用了(le)壓電傳感(gan)器與旋渦(wō)發生體(三(sān)角柱)分📱離(lí)型的結構(gòu)方案，即研(yan)制了種小(xiǎo)尺寸懸臂(bi)梁凹結構(gou)的壓電式(shi)通用渦♻️街(jie)流量傳感(gan)器(簡稱壓(ya)電傳感器(qì)),壓電傳感(gan)器結構如(ru)圖2所示，由(yóu)安裝法蘭(lan)盤、探頭🧑🏾‍🤝‍🧑🏼扁(bian)尾、壓電元(yuan)件、铠裝導(dǎo)線、密封🔆罩(zhào)、接線端子(zi)等組成🐕。壓(yā)電傳感器(qi)通過中部(bù)的💁安裝法(fǎ)蘭盤😄與流(liu)量計殼體(tǐ)固定，下部(bù)☔的懸臂梁(liang)置于旋渦(wō)發生體内(nèi)的孔洞中(zhong)，壓電傳感(gan)器的探頭(tou)扁尾通過(guò)發生體兩(liang)側的側🛀🏻孔(kong)獲取旋渦(wo)升力作用(yong)。并傳感出(chu)相應的🍉渦(wo)街流量信(xìn)号。在懸臂(bi)梁内部，壓(ya)電元件機(jī)械封裝在(zai)探頭内🏃🏻‍♂️空(kong)腔中，空餘(yú)空腔則無(wú)其它填充(chōng)物。壓電元(yuán)件通過剛(gang)性結構的(de)🌈铠裝導線(xiàn)将信号輸(shū)出到外部(bu)的接線㊙️端(duān)子上，再通(tong)過接線端(duān)子将信🥰号(hào)🔴輸出到外(wai)部信号處(chù)理電路進(jin)行處理。當(dang)管道流體(tǐ)因漩渦發(fa)生體産生(shēng)渦街後，伴(ban)随産生的(de)交變升力(li)F,作用在懸(xuan)臂梁下🏃部(bù)的探頭扁(biǎn)尾上，懸臂(bì)梁産生✍️變(biàn)形并迫使(shǐ)内部的壓(yā)電元件也(yě)同步變形(xing)，從而産生(sheng)出與交🔴變(bian)升力對應(yīng)的電荷,通(tong)🤞過後續的(de)一😍系列信(xin)号處理電(diàn)路，最終🏃🏻‍♂️獲(huò)得流量信(xìn)息。

提高抗(kang)振動性能(neng)的設計方(fang)案及其分(fèn)析:
(1)傳感器(qi)懸臂梁的(de)探頭部分(fen)按現有工(gong)藝和技術(shu)設計爲較(jiào)小的外徑(jing)d和盡量短(duan)的長度L,并(bìng)且探頭内(nèi)空腔采用(yòng)抽☂️真空無(wú)填充物封(fēng)裝結構，這(zhe)樣的結構(gou)保證了該(gai)探頭懸臂(bi)梁的質量(liàng)最👌小，設其(qí)等效重心(xīn)爲G點,質量(liang)爲mc質點至(zhì)支🈲撐點距(ju)離爲L2管道(dào)振動加速(su)度爲a,振動(dòng)加速度垂(chui)直于探頭(tóu)軸線方向(xiàng)的分量爲(wèi)α2,則👄管道振(zhèn)動幹擾💛對(duì)懸臂梁的(de)彎矩Mc公式(shì)爲:
Mg=mGa2L2(3)
　　由公式(shì)(3)可知，由于(yú)懸臂梁質(zhi)量的客觀(guān)存在,所以(yǐ)振動産生(sheng)的幹擾彎(wan)矩必然存(cun)在，但可以(yǐ)減小懸臂(bì)梁質量和(he)等🙇🏻效重心(xīn)的力臂L2長(zhang)度，在振動(dong)幹擾強度(du)不變的情(qing)況下，mc越輕(qīng),作用力臂(bì)L2越小,振動(dòng)📧幹擾産生(shēng)的😘彎矩Mc就(jiu)越小。
(2)如圖(tu)1所示，傳感(gan)器探頭插(cha)人在發生(sheng)體内的孔(kong)洞中，僅通(tōng)過發生體(ti)兩側的導(dǎo)壓孔傳導(dǎo)出旋渦升(shēng)力作🔞用于(yú)探頭扁尾(wei)，其他部位(wei)不受力;如(rú)圖2所示，設(she)旋渦升力(lì)的作用力(li)臂爲L，旋渦(wo)升力作用(yong)點爲B,作用(yong)力爲Fe1,此時(shí)傳感器僅(jin)B點受旋渦(wō)升力作用(yòng)，升力産生(shēng)的彎矩Mfea公(gōng)式爲:
Mpel=FclL1(4)
由公(gong)式(4)可知，此(cǐ)時的力臂(bi)L1最大，彎矩(jǔ)Mfel也最大，此(cǐ)時壓🏃🏻電傳(chuan)感器輸出(chu)的信号也(ye)最強。
(3)傳感(gan)器内部信(xìn)号導線采(cai)用剛性結(jie)構的铠裝(zhuang)導線，該☁️結(jie)構可保證(zhèng)在機械振(zhen)動傳感器(qi)導線不彎(wān)曲和不抖(dǒu)動，導🥰線部(bu)分所等效(xiào)的傳感器(qi)電容值也(yě)會固定不(bu)變，減少了(le)因振動源(yuan)引起的電(dian)噪聲的産(chǎn)生。
　　以上分(fen)析說明，該(gāi)壓電式渦(wō)街流量傳(chuan)感器感應(ying)旋渦升力(lì)性能🆚強，受(shòu)管道振動(dòng)影響弱。從(cóng)根本上提(ti)高了測量(liang)小流量的(de)靈敏度。
2.2提(ti)升抗電磁(ci)幹擾性能(néng)的研究和(hé)實現
　　壓電(diàn)式渦街流(liu)量傳感器(qì)在工作時(shí)輸出的電(diàn)荷信号很(hen)🐇弱，電壓峰(fēng)峰爲毫伏(fú)級，并且工(gōng)作在非諧(xie)振狀态，極(ji)易受空間(jiān)中的電磁(ci)幹擾後衰(shuāi)減，所以傳(chuan)感器🛀🏻的制(zhi)作既要保(bǎo)證它很高(gao)的輸人阻(zǔ)抗，同時還(hái)需有良好(hao)的屏🏃🏻‍♂️蔽和(hé)接地要求(qiú)，以防止漏(lou)電流引起(qǐ)的電🈲荷信(xin)号衰減和(he)電磁幹擾(rǎo)進人電荷(he)放大器的(de)輸人端。爲(wei)此，研制的(de)🔴這種通用(yong)渦街流量(liang)傳感器及(jí)其信号處(chu)理電路采(cǎi)用了如下(xia)的屏蔽工(gōng)藝等技術(shu)方法:
(1)傳感(gan)器探頭體(tǐ)内的元件(jiàn)封裝采用(yong)無任何填(tian)充料㊙️的💚結(jie)構,并且采(cai)用高溫加(jiā)熱和抽真(zhen)空狀态下(xià)對傳感器(qi)進行氩弧(hú)焊接🐅封裝(zhuāng)，該傳感器(qì)具有常溫(wen)下104MΩ以上絕(jué)緣阻抗和(hé)🔱300℃高溫下100MΩ絕(jue)緣阻抗。
(2)傳(chuán)感器輸出(chū)導線采用(yòng)硬質純鎳(niè)質内芯的(de)金屬铠裝(zhuang)線結🔞構🌂，傳(chuan)感器自身(shēn)的屏蔽效(xiào)果最好;
(3)傳(chuan)感器探頭(tou)内成安裝(zhuang)的對壓電(dian)元件采用(yòng)差動信号(hào)🌈輸📧出接線(xian)💞方式，并且(qie)其中一極(ji)與傳感器(qi)的金屬外(wài)殼可靠接(jie)地✉️;
(4)傳感器(qì)末端導線(xiàn)接線端與(yǔ)電荷放大(dà)輸入電路(lù)連接部💞分(fen)也全部采(cǎi)用剛性金(jīn)屬屏蔽單(dan)防護工藝(yi);
(5)信号處理(li)電路中将(jiāng)初級電荷(he)放大電路(lù)和二二級(ji)放大濾波(bō)電路設計(ji)成獨立的(de)電路模塊(kuài)并且也封(feng)閉安裝在(zai)一個金屬(shu)🏃‍♂️屏蔽罩内(nèi)與其他電(dian)路特别是(shì)數字電路(lù)隔離開來(lái)，防止了後(hou)級數字電(diàn)路及其他(tā)♊空間電磁(ci)場的幹擾(rao)。傳感器及(jí)其初級信(xìn)号處理電(dian)🤟路的結構(gòu)圖如圖3所(suo)示。

　　屏蔽可(kě)以用控制(zhi)電場或磁(ci)場從空間(jiān)的一個或(huo)到另一♌個(ge)區或的傳(chuan)播，這是克(kè)服電場耦(ou)合幹擾、磁(ci)場耦合幹(gàn)擾✍️以及🌈電(dian)磁㊙️輻射幹(gan)擾的最有(yǒu)效手段啊(a)。屏🚩蔽的目(mu)的是利🍓用(yòng)導電材料(liào)或💋高導磁(cí)率材料來(lái)減小磁場(chang)、電場或電(diàn)磁場的強(qiang)度。屏蔽可(ke)以應用于(yu)噪聲源，通(tong)過用屏蔽(bì)材料把幹(gàn)擾源包圍(wei)起來以減(jian)弱幹擾磁(ci)場的強度(dù)，屏蔽也可(ke)以應用于(yú)需要抑⛷️制(zhì)噪🙇🏻聲的敏(min)感💛元件和(he)檢測電路(lù),通過用‼️屏(píng)蔽材料把(bǎ)敏✏️感元件(jiàn)和電路包(bāo)圍起來以(yǐ)減弱電路(lù)附近的場(chang)強。屏蔽的(de)範圍可以(yǐ)是電纜、個(ge)别器件、部(bu)分電路🤟或(huò)整♍個電路(lu)系統。總之(zhī)屏蔽對于(yú)削弱或切(qie)斷電場、磁(ci)場與電磁(ci)輻射三種(zhǒng)幹擾耦合(he)方式都是(shi)行之有效(xiao)的👌。
3樣機測(cè)試
　　根據.上(shàng)述研究和(he)技改方案(an)，制作了DN150、DN200和(hé)DN250三種大口(kou)徑各10台樣(yàng)機，三㊙️種樣(yang)機在50Hz、1.5g機械(xiè)振動條件(jiàn)下測試,輸(shū)出信号頻(pin)率爲零,樣(yang)機在标準(zhǔn)表法氣體(ti)流量标準(zhun)裝置上用(yòng)🐪常溫常壓(ya)下空氣流(liú)量标定，量(liang)🐕程比達到(dao)20:1以上，1.0級精(jing)度合格。其(qi)中DN150口徑一(yi)台樣機的(de)測🙇🏻試數據(jù)如下表2,最(zuì)小流速測(ce)到了2m/s,量程(chéng)比擴展到(dào)🔞30:1。

4結束語.
　　機(jī)械振動幹(gan)擾和電磁(ci)幹擾時對(duì)渦街流量(liang)計性能♊影(ying)響的主🌈要(yao)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼因素，直接(jiē)限制了量(liang)程下限，影(yǐng)響了渦街(jie)流量計在(zài)低流速、小(xiao)流量時的(de)計量性能(néng)。通過從㊙️渦(wo)街信号産(chan)生的源頭(tou)做起，研制(zhì)了一種抗(kàng)幹擾性能(néng)好的通用(yòng)型渦街流(liú)量傳感器(qì)，以及對禍(huò)街信号㊙️第(di)一級傳輸(shu)導線和前(qián)置🔴放大處(chu)理電路等(deng)的可靠屏(píng)蔽保護改(gǎi)進措施的(de)兩項研究(jiu)和實現，研(yán)制📧的DN150口徑(jing)樣機在氣(qì)體流🌈量标(biao)準裝置上(shang)常溫常壓(ya)空氣标定(dìng)量程範圍(wei)超過20:1,可測(ce)最大流量(liang)達到4100m3/h(60m/s),最小(xiao)流速已🤟測(ce)到2m/s,實現了(le)寬量程性(xìng)能;

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