摘要: 渦街(jiē)流量計 具有儀(yí)表系數與介質(zhi)無關的特性,可(ke)以使用常溫水(shui)介質下的标定(ding)公式,正确測量(liang)氫/氧火箭發動(dòng)機試驗中的🥵流(liú)量參數。研究了(le)低溫渦街流量(liàng)計 的關鍵技術(shù)，包括:低溫壓電(diàn)陶瓷材料特性(xing)、低溫渦街信❌号(hào)檢⛹🏻‍♀️測、低溫渦街(jie)信号調理技術(shu)以及低溫渦街(jie)信号的✂️DSP技術。最(zui)後推出💋低溫渦(wo)街流量計樣機(jī),對樣機進行了(le)常溫水介質的(de)标定，綜合精度(dù)達到0.5級。在某型(xing)号氫/氧火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)上,以分節式液(ye)面計爲标準，對(dui)低溫渦街流量(liang)計樣機進行了(le)液氮介質的比(bi)🛀對試驗,其偏差(cha)爲0.65%,精度優于 渦(wo)輪流量計 。
引言(yán)
　　 在目前的氫/氧(yǎng)火箭發動機和(hé)液氧/煤油火箭(jiàn)發動機🌐試驗⁉️系(xi)統中,低溫推進(jin)劑的流量測量(liàng)主要采用渦輪(lún)流量計測量瞬(shun)時流💔量,用分節(jie)式電容液面計(jì)測量穩态流量(liàng)。然而，渦輪流量(liàng)計用水進行标(biāo)定在液氫、液氧(yang)下使用時誤差(cha)較大,分節式電(dian)🌏容液面計🈲無法(fa)測量瞬⛷️時流量(liang)且成本昂貴。因(yīn)此,随着航天技(jì)📐術的發展,特别(bie)是大推力氫氧(yǎng)(液氧/煤油)火箭(jiàn)發動機的發展(zhan),必.須尋☁️找一種(zhǒng)🔴儀表系數🈚與介(jiè)質無關、成本低(di)、精度高的瞬時(shí)♍低溫流量測量(liang)裝置,而渦街流(liú)✌️量計正是理想(xiǎng)的選擇。
　　根據渦(wo)街流量計的工(gōng)作原理,在一定(dìng)雷諾數範圍内(nèi),其輸🌈出的頻率(lǜ)信号不受比如(rú)流體組分,密度(dù)、壓力、溫度的❌影(yǐng)響”，即儀其表系(xi)數隻與漩渦發(fa)生體及管道的(de)幾何尺寸有關(guan)📧。因此,隻需在一(yi)種典型介質中(zhōng)标定即可适用(yòng)于各種介質,即(ji)當用于低溫測(cè)量時,不進行低(di)溫介質标定而(er)用常溫水标定(ding)即可達🌂到一-定(dìng)的精度。
　　目前,常(cháng)溫下的渦街流(liu)量計技術已相(xiang)當成熟,形成了(le)系列産品㊙️,用于(yú)各種工業領域(yù)。國内外都有相(xiàng)當數量👈的公司(si)生産此💔類産品(pin)。但用于低溫特(te)别是超低溫流(liu)體測量的渦街(jie)流量計國内尚(shang)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻無産品和文獻(xiàn)報導,國外已開(kai)展❤️研究并有少(shao)量文獻報導,還(hái)沒😘有成熟的産(chan)品推向市場。
　　通(tong)過理論分析和(he)試驗研究表明(míng),超低溫下渦街(jie)流量✏️計的🌈難點(diǎn)🏒在于信号檢測(ce)器靈敏度低,信(xìn)噪弱。通過對壓(yā)電💋材料低溫☔特(tè)性、檢測器結構(gòu)優化、弱信号提(tí)取等技術的研(yan)究，用于超低溫(wen)流體測量的精(jīng)度✊高渦街流♻️量(liang)測量裝置樣機(ji),爲運載火箭發(fā)動機地面試驗(yàn)低溫流量測量(liàng)提供性能好、可(kě)靠性高、而又價(jià)格便宜的測量(liang)手段。
2渦街流量(liang)計的結構和工(gong)作原理
　　一般的(de)渦街流量計由(yóu)流量計殼體、漩(xuán)渦發生體、信号(hào)檢測器、信号變(bian)換器和二次儀(yí)表組成,如圖1所(suǒ)示。
 
　　漩渦(wo)發生體用于産(chǎn)生穩定的漩渦(wō),一般采用三角(jiǎo)柱🆚體,因爲三角(jiǎo)柱漩渦發生體(ti)是一種綜合性(xing)能比☂️較優良的(de)旋渦發生體,均(jun)勻而嚴密的分(fèn)離機制,減小了(le)流.體的其他擾(rao)動和噪聲,使渦(wo)街信号既強烈(liè)🐕又穩定,便于檢(jiǎn)測,合理設計尺(chi)寸可以得到高(gao)穩定性的渦街(jie)和量程比。正是(shi)這個原因,三角(jiǎo)柱漩渦發生體(ti)是目前應用最(zuì)廣泛的漩🌏渦發(fa)生體形狀。信号(hao)檢測器放在漩(xuán)渦㊙️發生體後檢(jian)測漩👄渦發生體(ti)尾流中的漩渦(wo)頻率。
　　渦街流量(liàng)計流量信号檢(jian)測流程是:流量(liang)-→漩渦頻率→檢測(cè)杆🔞交變升力-+壓(ya)電陶瓷應力→交(jiāo)變電荷→電荷放(fàng)大器→濾波整形(xing)→TTL方波👄→測頻→顯示(shi)輸出流量。
3壓電(dian)陶瓷的材料研(yan)究
　　壓電陶瓷作(zuo)爲渦街流量計(ji)的關鍵敏感元(yuan)件,其低溫特性(xìng)直接影響到流(liú)量計的性能，因(yīn)此必須研究和(he)選擇低溫下工(gōng)作穩定、靈敏度(dù)高的材料。
　　随着(zhe)溫度的降低,壓(ya)電材料的性能(néng)特性會發生一(yi)定的變化,并且(qie)由于制造方法(fa)和化學成分的(de)不同,不同🛀🏻材料(liào)🔴性能随溫🐆度的(de)改變也是不同(tong)的。根據國㊙️外資(zī)料,對PZT-4、PZT-5.和PZT-8這幾種(zhong)材料的低溫性(xìng)能參數進行分(fen)析,初步确😘定它(tā)們在低溫下能(néng)夠使用,但💃🏻實際(jì)情況下信号的(de)強度和測量的(de)靈敏度還需通(tong)過具體的🐇試驗(yan)來确定。
　　壓電陶(táo)瓷國内沒有低(di)溫産品,而且相(xiàng)關科研機構也(yě)沒有進行過相(xiang)關研究,國外有(you)低溫産品和相(xiàng)關♈實驗資料,但(dan)價🧡格昂💜貴,一般(bān)購買不到。與中(zhong)科院矽⛷️酸鹽研(yan)究所合作,專門(mén)配制了4種材料(liao)的壓電陶瓷,分(fen)别是:
 
　　以上4種壓(ya)電陶瓷經過幾(jǐ)十次的“常溫→液(yè)氮→常溫"的反複(fu)⭕升✨降溫試驗後(hou)發現壓電陶瓷(ci)的機械強度沒(méi)有太大的變化(huà),PZN的電容值變化(huà)較大(6:1),NB8的電容值(zhi)變化較大(3:1),其💛它(tā)2種電容變化較(jiào)小(2:1)。說明以上壓(ya)電陶瓷均可在(zài)低溫🚶下使用,機(ji)械強度和🐅絕緣(yuan)性能沒有明顯(xian)🌍變化,但通過表(biǎo)面電容的比較(jiào)認爲LBNN和PMS-5兩種較(jiao)好比較穩定。
4低(di)溫渦街信号檢(jiǎn)測技術研究
4.1低(dī)溫信号檢測器(qì)的傳熱學設計(ji)[4)
　　低溫信号檢測(ce)器設計時,一方(fang)面需要考慮其(qi)對低溫介質的(de)引人熱量,不能(néng)引起低溫介質(zhi)的顯著氣化,從(cóng)而影響漩渦的(de)👣穩定性和低溫(wēn)推進劑的品質(zhi)♌,造成無法測量(liàng)或無法試驗;另(lìng)一方面應盡量(liàng)使壓電陶瓷處(chu)的溫度不要太(tai)低,從而降低對(dui)壓電陶瓷性能(neng)的要求和提高(gao)壓電☎️陶瓷的使(shǐ)用壽命。
　　在設計(ji)時通過絕熱套(tao)筒減少熱量引(yǐn)人,通過加長杆(gan)使💜壓電陶😄瓷處(chu)溫度達到較爲(wei)理想。通過傳熱(re)計算進行了參(cān)數優化。傳熱計(ji)算程序用MicrosoftVisualC++6.0編寫(xie),用于估算檢測(ce)杆溫度分布。
　　基(ji)本方程采用二(èr)維穩态熱傳導(dǎo)方程:
 
　　數值計算(suàn)中采用控制容(rong)積離散化方程(cheng),即認爲在一個(ge)😄小的控制容積(jī)中,進出的淨熱(re)流量爲零。
　　該問(wèn)題屬于第三類(lèi)邊界條件,即給(gei)定周圍流體的(de)溫度和換熱系(xì)數。以流體和檢(jiǎn)測杆接觸面爲(wei)例，如圖2,圖中:P、S、E、N爲(wèi)網格點;T爲流體(ti)😘溫度,K。
 
　　控制體的(de)方向符合常規(guī)X軸、Y軸和Z軸定義(yi)。
　　式中:k爲控制容(róng)積間界面上的(de)當量導熱系數(shù),W/(m.K);△y爲一個單🌈元控(kong)制♊體Y方向的長(zhǎng)度，mm;△x爲一個單元(yuán)控制體X方向的(de)長度🤞,mm;1爲Z方向的(de)長度,mm。
　　qn、、qs則有差别(bie),因爲其控制容(rong)積側面積變爲(wèi)内點的一半,即(ji):
 
　　式(6)就是檢測杆(gǎn)溫度分布計算(suàn)中第三類邊界(jie)條件在流體與(yǔ)杆端面接觸處(chù)的具體應用。
　　程(chéng)序中的數值計(ji)算方法主要采(cai)用了ADI方法。ADI方法(fa)就是🏃🏻分别沿💁軸(zhou)向和徑向這兩(liǎng)個方向對整個(ge)溫度場做--次TDMA求(qiú)解。TDMA即三對角矩(jǔ)陣算法,在溫度(dù)場計算中用它(tā)來求解一維離(lí)散化方程。以上(shang)方法均是數值(zhí)傳熱學中常用(yòng)的方法❤️,在此不(bú)再詳細說明㊙️。
　　設(shè)計了6個檢測器(qì)的結構方案,對(duì)其進行傳熱學(xué)計⭐算,結🧑🏽‍🤝‍🧑🏻果見表(biao)2。
 
　　從計算結果看(kan),方案1.2.5可以爲壓(yā)電陶瓷提供較(jiào)好的✔️工作㊙️溫⭐度(du)。
　　此外,在不采用(yong)絕熱措施的情(qing)況下估算的由(you)檢測杆進入流(liu)體📧中的熱流量(liàng)小于100W,而液氫的(de)燕發潛熱約爲(wei)453.6J/g,顯然,由檢測杆(gǎn)進人流體中的(de)熱量相對于液(yè)氫的蒸發潛熱(re)非常小，故這部(bu)分熱量📞不會造(zào)成液氫的大量(liang)氣化,因此不需(xū)要采用抽真空(kōng)🥰絕熱,可以考慮(lü)設計絕🐪熱套簡(jiǎn),以便更有效的(de)阻止熱量的流(liú)💜人。
4.2低溫信号檢(jian)測器的動力學(xue)設計
4.2.1漩渦發生(shēng)體産生的漩渦(wō)升力估算
　　據流(liú)體力學知識:環(huan)流引起的流體(tǐ)對柱體的升力(lì)L可表示爲:
 
　　式中(zhōng)ρ爲流體密度,kg/m³;u爲(wei)來流的速度,m/s;r爲(wèi)環量,m2/s;d爲漩渦發(fā)生體迎面💋寬度(du),mm;D爲表體通徑,mm;b爲(wei)漩渦發生體縱(zong)向尺😘寸,mm;CD爲阻力(lì)系數🔱,CL爲橫向升(shēng)力力系數。
　　ITOH&S.OHKI通過(guo)大量實驗,給出(chū)了3種截面形狀(zhuàng)(梯形、矩形、三角(jiao)形)的發生體在(zài)不同Re數下的CL值(zhí),梯形(就是習慣(guàn)上所稱的三角(jiǎo)柱)的CL≈
2.3,基本爲一(yi)常量。
4.2.2信号檢測(cè)器的受力計算(suàn)
　　本研究的檢測(cè)杆置于漩渦發(fa)生體下遊一定(ding)距離的✏️位置,其(qí)上端與流動管(guǎn)道固定,下端爲(wèi)自由端,因而在(zai)受力🏃‍♂️分析時,可(kě)以将系統簡化(hua)爲懸臂梁。如圖(tú)3所示。
 
　　通過柱體(tǐ)的受力分析,可(ke)知柱體上受到(dao)的大多數都不(bú)是☔集中👌力而是(shi)局部分布力，下(xia)面就以這種情(qíng)況來進行受力(lì)分析。
　　取x1、x2爲坐标(biāo),凡使微段沿順(shùn)時針方向轉動(dong)的剪力爲正,使(shǐ)微段彎曲成凹(āo)形的彎矩爲正(zheng),由材料力學的(de)知識可以算得(de)(如圖3b所示):
 
 
　　式中(zhong):d31爲極化方向與(yǔ)外力方向垂直(zhí)的壓電系數。
　　對(dui)6個設計方案的(de)計算結果見表(biǎo)3。
 
　　從計算結果可(ke)以看出,方案2.3.5的(de)電荷輸出最大(dà),結合傳熱學計(ji)算🍉結果,方案2.5較(jiào)爲理想。從結構(gou)上看,方案5比方(fang)案2結構簡單,易(yì)于加🛀工,因此最(zuì)終确定了檢測(cè)器的設計方案(àn)爲方案5。方案5特(tè)點爲:(1)采用加長(zhǎng)杆設計;(2)不采用(yòng)抽真空絕熱,但(dàn)增加絕熱套簡(jian);(3)對加長檢測杆(gan)結構的固有頻(pín)率進行估算,在(zài)500Hz以上，而渦街頻(pin)率則在40-100Hz這個範(fan)圍内,判斷不會(hui)發生共振問題(tí)。
5低溫渦街信号(hào)調理技術研究(jiū)
　　由于壓電式信(xin)号檢測器輸出(chū)電荷量的大小(xiao)與流體流速近(jìn)似成平方關系(xì)變化，因此輸出(chu)電壓信号的幅(fu)💁值變化範圍也(ye)相當大[5],此外,要(yào)求研制的渦街(jiē)流量計既能用(yong)🏃‍♀️于試車的極低(di)溫環境,又能用(yòng)于水介質标定(ding)的常溫環⚽境,而(ér)渦街流量計檢(jian)測探頭在極低(dī)溫下的輸出信(xin)号是常溫下的(de)1/5以下,因此要求(qiú)🥵變送器的信📧号(hào)調理部分要能(néng)🌈夠适應大範圍(wei)的信号幅值變(bian)🏃🏻化。在火箭發動(dòng)🌏機試車現場存(cun)在各種強振動(dong)的幹擾,信噪比(bi)極差,因此還要(yào)求其濾波電路(lù)是銳截止的窄(zhǎi)帶濾波器。目前(qian)流行的渦街流(liu)量計⭐信号調理(li)電路無法滿足(zu)要求。研制過程(chéng)中,通過各種.方(fang)案的比較和多(duo)次實驗改進,最(zui)後确定在研制(zhì)💁的信号調理電(dian)路中應用ALC自動(dòng)電👨‍❤️‍👨平控制技術(shù)和高性能窄帶(dai)濾波技術。與YDN80-1樣(yàng)品連接,在流👣量(liàng)🔅塔進行現場調(diào)試,比較試驗證(zheng)👉明,其性能優于(yu)國内其他型号(hao)渦街流量計。輸(shu)人信♈号在8m-2000mV有效(xiào)值範圍内的情(qing)況下,該電路輸(shū)出信号基本穩(wěn)定在6000mV上。
6低溫渦(wo)街信号的DSP(DigitalSignalProcessing)技術(shù)
6.1低溫渦街流量(liàng)計噪聲分析
　　管(guan)道内介質流動(dòng)紊流、脈動、流場(chǎng)的不穩定及不(bu)均勻性對旋渦(wo)發生體施加不(bú)規則的附加作(zuo)用力。附.加作用(yong)力引起的噪聲(sheng)的幅度.頻率均(jun)不規則，帶有很(hěn)大的🈲随機性。其(qi)結果相當于在(zai)渦街頻率信号(hao)中疊加了一個(ge)随機噪聲。當噪(zao)聲頻率落人工(gōng)作頻段時,其影(ying)響難以消除。
　　有(yǒu)些動力源，如水(shuǐ)泵、風機、壓縮機(jī)等工作時都會(hui)引✍️起管道🙇🏻振動(dòng)。若管道安裝不(bú)當,流體流動時(shi)管道有時會自(zi)振。這些💚振動✨傳(chuán)遞到傳感器上(shàng)可造成漩渦發(fā)生體🌐上産生附(fu)加的慣性應力(lì),形成振動噪聲(shēng)。這🈲些振動往往(wǎng)持續時間長或(huo)強度大,對渦街(jiē)流量計🥰的影響(xiǎng)大。
　　壓電晶體輸(shū)出的電荷信号(hao)很弱.容易引人(ren)電磁串模或🔆共(gong)🈚模🧡幹擾。
　　除上述(shù)外界産生的噪(zao)聲外,渦街本身(shēn)還會産生低頻(pín)擺動📱和信号衰(shuai)減,如圖5所示。
 
　　綜(zong)上所述,渦街傳(chuan)感器輸出信号(hao)可由下式表示(shì):
y(t)=S(t)+n(t)
　　其中S(t)渦街頻率(lü)信号,n(t)爲随機幹(gàn)擾信号,由于其(qí)成分複雜,頻譜(pǔ)寬廣，處理是可(ke)假定爲零均值(zhí)的高斯分布。圖(tú)6是微機采集到(dào)的經模拟濾波(bō)電路處理後的(de)渦街傳感器信(xìn)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号。由圖看出,用(yòng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼普通的模拟濾(lǜ)波和👣整形電路(lù)⛹🏻‍♀️很難提取準确(que)可靠穩定的流(liu)量信号。

 
6.2DSP算法研(yan)究
　　深人分析發(fa)現渦街傳感器(qì)輸出信号中的(de)噪聲信号n(1)爲💰随(suí)機幹👄擾信号,處(chù)理時高于流量(liang)計量程範圍的(de)頻率成💘分,可以(yǐ)通過前置模拟(nǐ)低通濾波電路(lu)加以消除,效果(guo)很好。但n(t)中處于(yu)量✍️程範圍💋内的(de)頻率成分不可(ke)能通過模拟濾(lü)波器或常規數(shù)字⭕濾波器(如🐕窄(zhai)帶濾波器)加以(yi)消除。
　　解決這個(ge)問題的途徑有(you)兩條:-是改進漩(xuán)渦發生體和信(xìn)号檢📱測器,也就(jiù)是改進傳感器(qi),使其輸出信号(hao)的信噪比盡可(ke)能高;二是采用(yong)數字信号處理(li)方法,将渦街頻(pín)率信号從有🔞噪(zao)聲的傳感器輸(shu)出信号中提取(qǔ)出來。
　　之前的研(yan)究基本上集中(zhong)在第一條途徑(jing)上,取得了一✍️定(ding)效果,但這畢竟(jing)是局部的,沒有(yǒu)完全解決問題(tí),傳感☀️器輸出信(xìn)号依然不🙇‍♀️可避(bi)免地帶有大量(liang)噪聲，在有幹📱擾(rao)的環境下,渦🎯街(jie)流量🏃計仍然工(gong)作不穩定,因此(cǐ)必須研究第二(èr)條途徑,目前數(shù)字信号的處理(li)方法歸納起來(lai)主要包括❓:小波(bo)變換、自🐅适應陷(xiàn)波濾波和頻譜(pu)分析方法。
　　小波(bō)變換可以看成(cheng)是一.組帶通濾(lǜ)波器,在低頻段(duàn)有🔞很高的分辨(biàn)率,而在高頻段(duan)分辨率低，其實(shí)時性和功耗也(ye)都存在一定的(de)缺陷。自适應陷(xiàn)波針對不同頻(pín)率✂️的信号建立(lì)不同參數♌的模(mó)型,在非整周期(qī)💃采樣、諧波⭐和噪(zao)聲幹擾情況下(xia)頻率測量都能(néng)達到很好的精(jīng)度，但是如果流(liu)量信号發生突(tu)變，而采樣頻率(lǜ)沒有及時跟蹤(zong),就會造成較大(da)的測量誤差。譜(pu)分析方法⛱️是近(jìn)年來的研究熱(re)點之一,經典譜(pǔ)分析算法對屬(shǔ)于正态分布的(de)噪聲有很好的(de)抑制作用,而且(qie)易于編程實現(xiàn),但是在非整數(shù)周期采樣👅時誤(wu)差比較大,需要(yào)更多的計算和(hé)操作來進行頻(pín)譜校正。而現代(dai)譜㊙️分析方法，也(yě)就🐕是最大熵譜(pu)分析法更适合(he)處理短序列的(de)譜分🐕析，對噪✉️聲(sheng)的抑制能力更(geng)強,精度也✍️更高(gao)[6]。
　　本研究采用了(le)現代功率譜估(gu)計中的最大熵(shang)譜估計法提🍓取(qu)噪聲中的渦街(jiē)頻率。對設計的(de)算法進行計算(suàn)機仿真計算,結(jie)果如圖7所示。
 
　　由(you)計算結果可以(yǐ)看出,當信噪比(bǐ)爲1:0.5時普通變送(sòng)器🍓的輸出就會(huì)産生數據不穩(wen)，當信噪比爲1:1時(shi),其輸出數據已(yǐ)基本不可用。而(er)采用研究的DSP算(suan)法,即使在信噪(zào)比爲1:10時仍能從(cong)頻域獲取有用(yòng)的渦街信号,從(cong)而獲得較爲準(zhun)确的流⁉️量數據(jù)。
7試驗驗證及效(xiào)果
　　推出低溫渦(wō)街流量計樣機(jī)DW-80,在流量塔對該(gai)樣機進行了常(cháng)溫水介質的标(biao)定.綜合精度達(da)到0.5級。
采用某型(xing)号氫氧火箭發(fa)動機試驗系統(tong),以分節液面計(ji)測㊙️得的流量爲(wèi)标準,分别對低(dī)溫渦街流量計(jì)和低溫渦輪流(liu)量計進行比對(dui)試驗，結果如下(xia):
 

　　從表中可見渦(wo)街流量計所測(ce)流量比液面計(jì)測的流量數據(ju)平均偏大0.65%,而渦(wo)輪流量數據比(bǐ)液面計測㊙️的流(liú)量數🏃🏻‍♂️據平均偏(pian)㊙️大1.3%。若以液面計(jì)爲标準，則可以(yǐ)認爲渦街流量(liàng)💰計的測量精度(du)💃🏻優于渦🛀輪流量(liang)計。

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